浙江省耕地破碎化與其生態系統服務價值的空間關聯特征

何 旺，潘潤秋，b

（武漢大學，a.資源與環境科學學院；b.地理信息系統教育部重點實驗室，武漢 430079）

耕地作為自然生態系統重要的組成部分，是中國糧食安全的物質基礎，更是維護區域生態安全和可持續發展的重要保障［1］。伴隨著中國城市化持續推進，建設用地擴張占用城鎮周邊優質耕地的現象頻發，耕地景觀破碎化趨勢加劇，由此引發的各類生態環境問題突出，造成耕地生態系統服務功能的種類減少、強度受損，對中國耕地保護和區域穩定構成威脅［2］。因此，基于耕地破碎化的生態系統服務價值研究對區域耕地保護、耕地生態系統服務價值的保育與恢復具有重要參考價值。

當前關于耕地破碎化的研究主要集中于不同尺度耕地破碎化的定量測算以及耕地破碎化與農村收入、農業經濟水平、耕地利用效率的關系研究［3-7］，對耕地破碎化與耕地生態系統二者之間的關系研究缺少關注；由于耕地的多功能性，其空間形態的變化直接影響到生態系統服務功能的種類與強度，進而影響到耕地生態系統服務的價值。現階段國內對于生態系統服務價值的研究日趨成熟，謝高地制定的符合中國國情的“中國陸地生態系統服務價值當量因子表”得到諸多學者的認同和廣泛應用［8-10］；已有研究一方面圍繞在不同尺度下森林、草原、農田等生態系統服務價值的時空特征分析，另一方面展開土地利用變化對生態系統服務價值的影響研究［11-14］。隨著相關研究的深入，有學者開始重視農業景觀破碎化時空演變及其對生態供給服務的影響探討［15-17］，但目前尚處于市域尺度的研究，且依然缺乏耕地破碎化與其生態系統服務價值在空間上的聚集特征與空間關聯性的定量研究。鑒于此，以浙江省68 個行政單元為研究對象，運用空間計量方法分析浙江省縣域耕地破碎化與其地均生態系統服務價值的時空演變特征及空間格局差異，并利用雙變量Moran’s I指數深入探討二者之間的空間關聯特征，分析耕地生態系統服務價值對耕地破碎化的空間依賴性。研究結果彌補了耕地破碎化與生態系統服務價值空間關聯研究的不足，也為制定耕地管理政策、實現耕地資源可持續利用提供依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

浙江省位于長江經濟帶南翼，是東部沿海最具發展活力的省份之一。地勢由西南向東北傾斜，按地形地貌可大致劃分為浙南山地、浙西中山丘陵、浙東低山丘陵、浙中金衢盆地、浙北平原和東南沿海平原及濱海島嶼六大區域。浙江省耕地資源稀缺，素有“七山一水二分田”之說，耕地集中分布在平原、盆地地區，人均耕地僅400 m2左右，不到全國人均耕地水平的一半。

1.2 數據來源

以浙江省縣級行政區為基本研究單元，考慮到與統計年鑒數據口徑保持一致，將各地級市轄區合并為一個市轄區，最終包括11 個市轄區和57 個縣市，共68 個研究單元。浙江省2000 年、2005 年、2010 年、2015 年4 期土地利用數據（分辨率30 m×30 m）來源于中國科學院資源環境科學研究中心，提取研究區域耕地數據進行景觀破碎化指數測算。各研究單元生態系統服務價值測算基礎數據來源于2000—2015 年《全國農產品成本收益統計資料匯編》以及浙江省統計年鑒。

2 研究方法

2.1 耕地破碎化綜合指數測算

景觀指數分析法是通過fragstats 軟件測算景觀破碎化的景觀指數來分析耕地的破碎化特征，已被廣泛應用于景觀破碎化研究［3-6］。在前人研究基礎上，綜合考慮研究區域特征，確定斑塊密度（PD）、邊緣密度（ED）、景觀形狀指數（LSI）、平均斑塊面積（AREA_MN）、平均周長面積比（PARA_MN）、分離度（DIVISION）及聚集度指數（AI）7 個景觀指數來綜合反映耕地的破碎化特征。為分析浙江省縣域尺度耕地破碎化水平及時空演變特征，實現不同年份的對比，選用基于時間變量的熵權法來確定指標權重［18］，進而計算耕地破碎化綜合指數，計算步驟如下。

1）由于各指標量綱不同，采用極值標準化法進行標準化處理。

2）計算第j項指標的信息熵。

式中，ej為第j 項指標的信息熵，ej≥0；k＞0，k=ln（r×n）；Pθij為第θ 年第j項指標下縣市i的值占該指標的比重；r 和n 分別表示樣本中年份的個數和樣本中研究單元的個數；Yθij為第θ 年縣市i 的第j 項指標的標準化結果。

3）計算第j項指標的權重。

式中，wj為第j個指標的權重；m 為指標總數。4）求耕地破碎化綜合指數。

式中，Zθi為第θ年縣市i的耕地破碎化綜合指數。

5）計算研究時段內耕地破碎化綜合指數變化率。

式中，μ 為t1 至t2 時間段耕地破碎化綜合指數的變化率。

2.2 生態系統服務價值測算

基于謝高地等［8］于2015 年修訂的“單位面積生態系統服務價值當量表”，確定耕地生態系統服務價值基礎當量對應的旱地、水田生態系統服務價值當量（表1）。結合浙江省各研究單元的糧食作物單位面積產量，采用研究單元單位面積糧食產量與同期全國單位面積產量之比確定研究單元的修正系數［10］。并借鑒謝高地等［9］基于單位面積農田生態系統糧食生產的凈利潤表示一個標準當量因子的生態系統服務價值量的思路，測算全國尺度標準生態系統服務價值當量的經濟值。為消除長時間尺度農作物價格波動以及經濟發展成本不斷變化對標準生態系統服務當量因子經濟價值的影響，選取全國2000—2015 年單位面積凈產值的平均值作為1 個標準當量生態系統服務價值量E0，計算步驟如下。

1）計算修正系數。

式中，λ 為研究單元生態服務價值當量修正系數；f 為研究單元糧食作物單位面積產量；F 為同期全國糧食作物單位面積產量。

2）計算耕地生態系統服務價值。

式中，ESV 為研究單元的耕地生態系統服務價值；Ai為耕地類型（指旱地、水田）的面積；VCi為第i類耕地類型基于修正系數λ 修正后的生態系統服務價值系數；ECij為第i 類耕地類型第j 項生態系統服務的價值當量，k=11；E0=1 853.29 元/hm2。

3）計算地均耕地生態系統服務價值及其變化率。

由于各研究單元的耕地生態系統服務價值總量受面積影響較大，導致縣域間生態系統服務價值不具有可比性。因此，利用公式（9）求地均耕地生態系統服務價值來探究研究區地均生態系統服務價值時空演變特征，并由公式（10）計算各研究單元AESV 變化率。

式中，ESV 為研究單元耕地生態系統服務價值總量；A 為研究單元耕地總面積；AESV 為地均耕地生態系統服務價值；AESVt1、AESVt2分別為t1 和t2 時地均耕地生態系統服務價值；C 為地均耕地生態系統服務價值變化率。

2.3 雙變量空間自相關分析

空間自相關包括全局自相關與局部自相關，主要用于描述變量的空間分布是否具有聚集性［19］。為刻畫多個變量之間的空間相關性，Anselin 等［20］在Moran’s I 指數的基礎上提出了雙變量空間自相關，來揭示不同要素空間分布的相關性特征。因此，本研究利用全局雙變量Moran’s I 指數檢驗耕地破碎化綜合指數與AESV 之間是否存在空間相關性以及相關程度的大小，而局部雙變量Moran’s I 指數用于檢驗不同行政單元之間是否存在空間相關性。

3 結果與分析

3.1 耕地景觀破碎化時空演變

利用Fragstast4.2 軟件測算浙江省2000—2015年耕地景觀破碎化指標并計算指標變化率，結果（表2）顯示，斑塊密度、邊緣密度、景觀形狀指數、平均周長面積比、分離度5 個正向指標均表現為逐年增長的趨勢，平均斑塊面積和聚集度指數2 個負向指標逐年減小。16 年間各指標變化率表現為斑塊密度變化最為明顯，16 年間增加了34.15%，邊緣密度、景觀形狀指數、平均周長面積比、分離度分別增加16.75%、8.75%、6.04%、2.04%，負向指標平均斑塊面積和聚集度指數分別減少了25.45%和0.90%。對比3 個時間段的各指標變化率發現，除平均周長面積比外，其他指標在2000—2005 年變化幅度最大，2005—2010 年、2010—2015 年變化幅度相對減弱。研究時段內浙江省耕地破碎化程度持續增加，但增加幅度逐漸減緩。

表1 耕地單位面積生態系統服務價值當量

表2 2000—2015 年浙江省耕地破碎化指標變化率 （單位：%）

基于考慮時間變量的熵權法求得4 個時間點各研究單元的耕地破碎化綜合指數。為了清楚地表征縣域尺度耕地破碎化綜合指數的時空演變，將耕地破碎化綜合指數分為5 個級區：Ⅰ級（Z≤0.3），Ⅱ級（0.3

圖1 2000—2015 年浙江省耕地破碎化綜合指數的空間分布

從圖1 可以看出，浙江省耕地破碎化綜合指數在空間分布上有明顯的差異性，高值區集中在浙西丘陵、浙東丘陵以及浙南山地一帶，低值區主要分布在中部金衢盆地、浙北平原以及東南沿海平原地區，說明地形是導致耕地破碎化差異的重要因素。各地區破碎化程度在16 年間隨時間的變化趨勢上表現為Z 在0.4 以上的地區逐年增加，至2015 年，Z 大于0.4 的縣市占比高達85.29%，其中Z 在0.6 以上的占31.03%，浙江省耕地破碎化程度持續惡化。2000 年耕地破碎化程度處于Ⅰ級至Ⅴ級的縣市分別為6、18、22、7、15 個（圖1a），至2005 年Ⅰ級至Ⅴ級的縣市分別為5、13、24、11、15 個（圖1b）；2010 年僅有12 個縣市Z 得分在0.4 以下（圖1c），浙江省北部縣市耕地破碎化綜合指數明顯增加；另外，2015 年Z 在0.5 以上的縣市有37 個（圖1d），相較于研究初期增加了15個。以上結果表明各地區耕地破碎化綜合指數呈逐步遞增趨勢，北部平原和中部盆地一帶的縣市破碎化程度增加更為明顯，關于耕地破碎化具體變化情況還需要通過變化率進一步分析。

從圖2 可以看出，2000—2005 年僅慶元縣、遂昌縣、舟山市區、淳安縣、岱山縣的Z 是減少的，其余縣市的Z 均明顯增加，其中有17.46%的縣市增長率在15%以上，53.97%的縣市增長率在0～5%（圖2a）。2005—2010 年65 個縣市的Z 處于增長趨勢，其中70.77%的縣市增長率處于0～5%，僅永康市、海寧市、義烏市、慈溪市的Z 增長率在10%以上（圖2b）。2010—2015 年僅慈溪市、海鹽縣、洞頭縣、桐鄉市、上虞市、平湖市的Z 減小，其余縣市的Z 均增加（圖2c）。3 個時間段耕地破碎化程度變化率呈逐步減小趨勢，增長率集中在0～5%，與前述省域耕地破碎化指標的變化趨勢相同，浙江省縣域耕地破碎化程度加劇，而耕地破碎化增加率逐漸減小?？傮w來看，2000—2015 年，有95.56%的縣市耕地破碎化程度加劇，其中有23 個縣市的Z 變化率在15%以上，且集中分布在寧波、嘉興、紹興、溫州、臺州、金華市區以及這些市區的相鄰縣市（圖2d），說明隨著城鎮化快速發展，建設用地擴張，導致經濟發達地區耕地破碎化趨勢更為嚴重。

圖2 2000—2015 年浙江省耕地破碎化綜合指數變化率的空間分布

3.2 耕地生態系統服務價值時空演變

測算浙江省2000—2015 年耕地生態系統服務價值（ESV）可知，16 年間ESV 減少57.13 億元；浙江省地均耕地生態系統服務價值（AESV）亦呈下降趨勢，由2000 年 的9 215.30 元/hm2降 低 到2015 年 的8 290.96 元/hm2，AESV 降低10.03%，表明研究期內浙江省耕地生態系統持續惡化。由公式（9）計算各縣市的AESV，得到AESV的空間分布（圖3）。為了準確地表達AESV 的時空演變趨勢，將AESV 進行了5 個等級的劃分：低值區（≤7 000 元/hm2）、較低值區（7 000～8 000 元/hm2）、中值區（8 000～9 000 元/hm2）、較高值區（9 000～10 000元/hm2）、高值區（＞10 000元/hm2）。

AESV 的分布格局與同期耕地破碎化綜合指數大致處于相反趨勢（圖3）。2000 年AESV 高值區集中分布在浙北平原，并在湖州市、寧波市、紹興市等地連綿成片，而低值區集中在麗水市及周邊地區，這是由于研究區耕地資源集中分布在平原、盆地地區，山地地區本身耕地資源匱乏、破碎，生態經濟產出效益差；至2015 年僅湖州市區AESV 在10 000 元/hm2以上，較高值區明顯減少，低值區明顯增多，形成集中成片的趨勢。研究時段內各縣市AESV 表現為高值區逐步減少并向低值區擴展，浙江省北部地區高值區減少幅度尤為明顯，表明經濟發達地區耕地生態系統破壞嚴重，AESV 存在持續降低的趨勢。

圖3 2000—2015 年浙江省AESV 的空間分布

從AESV 變化率分布格局上看，研究時段內AESV 變化幅度與耕地破碎化綜合指數的變化幅度大致處于相同趨勢（圖4），耕地破碎化綜合指數增長幅度大的地區，AESV 降低幅度相對較大。2000—2005 年有83.82%的地區AESV 呈降低趨勢，降低幅度較大的地區集中在東部沿海地區且連接成帶（圖4a）。2005—2010 年有69.12%的地區處于降低趨勢，但降低幅度均在10%以下，有30.88%的地區處于升高趨勢（圖4b），表明該時間段AESV 降低趨勢有所減緩，且部分地區耕地生態系統逐步改善，AESV有所提高。2010—2015 年有73.53%的地區AESV 趨于降低，而浙江省西部的開化縣和衢州市區、浙江東部及東南部部分縣市AESV 表現為較高幅度的上升（圖4c）?？傮w來看，2000—2015 年有86.76%的地區AESV 呈下降趨勢，其中32 個地區AESV 的減少率在10%以上，集中分布在杭州、寧波、嘉興、紹興、溫州、麗水市區以及這些市區的部分相鄰縣市（圖4d），說明城鎮化發展水平越高，侵占耕地的現象越嚴重，耕地破碎化程度越高，AESV 減少越嚴重。

圖4 2000—2015 年浙江省AESV 變化率的空間分布

3.3 耕地破碎化綜合指數與AESV 的空間自相關分析

利用Geoda軟件空間分析工具，建立空間鄰接關系的權重矩陣，計算耕地破碎化綜合指數與AESV 之間的全局空間自相關指數。研究時段內全局Moran’s I 均為負值，P 遠小于0.01（表3），通過了1%水平的顯著性檢驗，說明研究時段內浙江省耕地破碎化指數與AESV 之間一直存在顯著的空間負相關關系，破碎化程度較高的區域AESV 較低，與前述研究結果一致。研究時段內全局Moran’s I 指數的絕對值一直呈下降趨勢，Moran’s I 指數的絕對值由2000 年的0.472 4 降低至2015 年的0.373 2，這一現象表明隨著社會經濟的發展，浙江省耕地破碎化指數與耕地生態系統服務價值之間的空間負相關性逐漸減弱。

表3 全局空間自相關性分析

為更直觀地觀察各縣市耕地破碎化綜合指數與AESV 的空間相關類型及分布情況，利用Geoda 繪制雙變量局部空間自相關LISA 聚集圖（圖5），用于表征區域耕地破碎化綜合指數與AESV 之間為高-高（H-H）/低-低（L-L）的空間正相關，或低-高（L-H）/高-低（H-L）的空間負相關，或無顯著的空間相關性。

圖5 耕地破碎化綜合指數與AESV 的雙變量LISA 聚集情況

由圖5 可知，研究時段內耕地破碎化綜合指數與AESV 的空間聚集主要分布在浙北平原、浙南山地以及浙東丘陵一帶的城市，且有一定變動，其中高-低聚集區大多分布在麗水市及其周邊地區。該區域是高耕地破碎化所圍繞的低AESV 的地區，形成這種聚集的原因是這些縣市位于山地、丘陵地帶，耕地資源匱乏，破碎化程度高，且難以規?；洜I，單位耕地面積糧食作物產量較低，地均耕地生態系統服務價值也相對較低。低-高聚集區域分布在杭州市區、湖州市、嘉興市以及紹興市的部分縣市，這些縣市是被低耕地破碎化所圍繞的高AESV 的地區，究其原因為低-高聚集區位于浙北平原一帶，地理條件優越，耕地資源總量大，質量高，破碎化程度較低，地塊集中整齊，有利于農機投入，單位面積耕地產量高，較好的生態環境提供生態服務功能的種類多、強度高，耕地的生態系統服務價值也隨之較高。

4 小結與討論

1）浙江省耕地破碎化綜合指數呈明顯的空間差異，高值區集中分布在山地、丘陵區，低值區聚集在平原、盆地區；研究時段內，區域耕地破碎化趨勢持續加劇，且變化率高值區主要集中在地勢平坦、城市化水平高的浙北平原、東南沿海平原及金衢盆地一帶，低值聚集區主要位于地勢起伏大、經濟發展一般的浙西、浙東丘陵及浙南山地等地區。

2）AESV 空間格局與同期耕地破碎化綜合指數分布大致處于相反趨勢，高值區集中分布在浙北平原，低值區分布在浙南山地。從變化率來看，2000—2015 年AESV 減少幅度最大的區域集中在浙江北部地區，與破碎化指數增加幅度較大的區域分布大致相同，研究時段內，耕地破碎化增長幅度越大的地區其AESV 降低的幅度也越大。

3）研究時段內，耕地破碎化綜合指數與AESV 之間存在顯著的空間負相關關系，高-低聚集區域分布在浙南山地與浙東丘陵地區，低-高聚集區域分布在浙北平原地區。

分析了浙江省縣域耕地破碎化時空演變的動態過程，在此基礎上從動態角度分析耕地破碎化過程對其生態系統服務價值的影響，并利用雙變量Mo?ran’s I 指數分析了耕地破碎化空間分布與AESV 空間分布的空間關聯特征，是對已有研究的補充與細化。研究結果表明，浙江平原、盆地地區城鎮化迅猛發展，建設用地侵占城鎮周邊的大量優質耕地，導致耕地面積減少，破碎化趨勢加劇，引發耕地生態系統萎縮、生態環境惡化，是造成浙江省地均耕地生態系統服務價值降低的主要原因。因此，政府及有關部門必須結合耕地的生態效益和各地區城鎮化發展狀況，制定差別化耕地保護制度以及長期有效的耕地補償機制。