基于動態當量的樂山市生態系統服務價值時空演變及驅動力研究

王若思,潘洪義,*,劉翊涵,唐玉萍,張之鳳,馬紅菊

1 四川師范大學西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室,成都 610066 2 四川師范大學地理與資源科學學院,成都 610066 3 四川省水產學校,成都 611730

生態系統服務是指人類從生態系統中直接或間接獲得的產品和服務,包括供給服務、支持服務、調節服務和文化服務[1]。對生態系統服務價值的評估,是生態環境評價與生態補償的基礎,也是如今地理學、生態學的研究熱點之一。近年來,生態系統服務價值的評估方法主要可分為直接評估法和間接評估法兩大類[2]。目前,應用最廣泛的是間接評估法中的價值當量法,通過生態系統面積與單位面積生態系統服務價值相乘得到生態系統最終服務價值[2]。1997年Costanza等[3]在Nature上發表文章估算了全球生態系統服務價值并制定了全球生態系統服務價值當量因子表,是價值當量法的開端,為之后國內外的研究提供了理論與方法支撐。國外學者在此基礎上,多與土地利用動態變化相結合,從全球[4]、海岸帶[5]、高原地區[6]、熱帶雨林[7]等各尺度入手研究生態系統服務價值的變化以及與人類活動之間的相互關系。國內方面,謝高地等[8]在Costanza等的基礎上結合200位專家的意見,將生態系統服務價值當量因子表中國化,并進行了修正和改進[9—10]。此后,我國學者從地形區[11]、流域[12—13]、省域[14—15]等各種尺度對生態系統服務價值的時空分布特征[16]、驅動力[15]和預測模型[17]進行了探索,并與土地利用變化[18]、生態敏感性[19]、生態補償[20]和經濟協調度[21]等概念結合研究,涌現出大量的成果。研究主要呈現出以下特點：(1)估算以土地利用數據為基礎,多研究土地利用與生態系統服務價值相互關系；(2)以“熱點地區”、“脆弱區”為研究區較多,中小尺度區域研究較少；(3)生態系統服務價值以靜態評估為主,驅動力分析主要采用回歸分析或是定性分析,總體缺乏時間和空間上的動態性。

樂山市作為成渝城市群的重要交通節點、港口城市和旅游城市,具有戰略發展的區位優勢[22]。近年來,隨著人口的迅速增長、城市化的速度加快以及文旅產業的繁榮發展,區域耕地面積減少、水土流失、植被覆蓋率下降、酸雨污染等生態安全問題日益突出,如何在保證生態安全的前提下進行城市經濟發展亟待解決。鑒于此,本文基于樂山市土地利用矢量數據,采用生態系統服務價值動態當量法與地理探測器模型,分析樂山市生態系統服務價值時空分布規律與驅動機制,為樂山市土地資源合理利用與生態補償機制的建立提供科學依據。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區概況

樂山市地處四川盆地西南部,為成都平原至川西南山地的過渡帶,處102°50′—104°30′E、28°25′—30°20′N之間,總面積12720.03 km2,全市共轄11個區縣(圖1)。地勢西南高、東北低,地勢起伏大。地貌以山地為主(66.5%),丘陵次之(21%),平原面積狹小(12.5%)，僅沿河流兩岸分布。氣候屬于中亞熱帶季風氣候,四季分明,雨熱同期,無霜期長,垂直氣候帶譜完整,植物種類繁多。有大渡河、岷江、青衣江等河流,水系豐富[22]。

圖1 研究區位置示意圖Fig.1 Location map of the study area

1.2 數據來源與處理

本文所使用到的數據如下：①土地利用/覆被數據、行政邊界矢量數據和1 km分辨率的氣溫、土壤類型數據從中國科學院資源環境科學數據中心獲取(http://www.resdc.cn/),將土地利用類型重分類分為6個一級類,分別為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地；②DEM數據從地理空間數據云(http://www.gscloud)獲取,通過ArcGIS得到研究區高程、坡度和坡向；③NPP數據從美國國家航空航天局(https://www.nasa.gov/)獲取；④降水量數據和土壤侵蝕模數從國家地球系統科學數據共享服務平臺(http://www.geodata.cn/)獲取,土壤保持量數據通過通用土壤流失方程(ULSE)進行計算；⑤其他社會經濟數據來自《樂山統計年鑒》、《全國農產品成本收益資料匯編》。

2 研究方法

2.1 土地利用變化分析

利用ArcGIS對2000年和2015年的土地利用數據進行疊置分析,計算得到土地利用轉移矩陣,以此分析15年來樂山市土地利用的變化量及變化方向,具體計算公式參見[23—24]。

2.2 生態系統服務價值估算

1個標準單位生態系統生態服務價值當量因子(以下簡稱標準當量)是指1 hm2全國平均產量的農田每年自然糧食產量的經濟價值[25]。基于謝高地等[9]的研究,糧食產量價值主要依據稻谷、小麥和玉米進行計算,以2015年的物價水平為基準,運用CPI指數對各年標準當量的價值進行修正,計算平均后得到研究區2000—2015年平均標準當量經修正后的價值量為2392元/hm2。

由于研究區不同年份、不同區域的生態系統的基本情況是變化的,生態系統服務價值也相應發生動態變化。本文參考謝高地等[10]的研究,認為生態系統食物生產、原材料生產、氣體調節、氣候調節、凈化環境、維持養分循環、生物多樣性和美學景觀功能與生物量在總體上呈正相關,水資源供給和水文調節與降水變化相關,而土壤保持與降水、地形坡度、土壤性質和植被蓋度密切相關[10]。故而選取NPP、降水量和土壤保持量三項因子對當量進行動態調節,以此構建生態服務時空動態價值當量表,計算公式為：

(1)

式中,Fnij指某種生態系統在第i年第j地區第n類生態服務功能的單位面積價值當量因子；Fn指該類生態系統的第n種生態服務價值當量因子；n1表示與NPP相關的服務功能；n2表示與降水相關的服務功能；n3指土壤保持服務功能,Pij指NPP時空調節系數,Rij指降水時空調節系數,Sij指土壤保持時空調節系數,此三項指標計算公式參見[10]。

研究區生態系統服務價值計算公式為[26]：

(2)

(3)

式中,c為第c種生態系統服務功能；EC為第c種生態系統服務功能價值；Fnij表示某種生態系統在第i年第j地區第n類生態服務功能的單位面積價值當量因子；D為多年的1個標準當量因子的生態系統服務平均價值量(元/hm2),此處為2392元/hm2；Aij為第i年第j地區的面積。

2.3 指標信息提取

參考以往的研究成果[27—28],并結合研究區的具體情況,本文選取6項反映區域自然環境狀況和人類影響程度并的指標進行驅動力探測,分別是高程、坡向、氣溫、土壤類型、距公路的距離、距城鎮的距離。利用ArcGIS 10.7漁網功能建立1 km×1 km的格網,共12714個中心采樣點,以提取對應的代表生態系統服務價值的Y值和代表各項驅動因素的X值。假設A={Ah}是生態系統服務價值空間分異的一項驅動因素。其中不同類型h=1,2,…,L,L代表該因素的分類數,本文分別采用1倍、1/2倍、1/3倍、1/4倍標準差分級法計算決定力q值,采用q值最大的1/2倍標準差分級法進行分類(圖2)[29]。

圖2 樂山市驅動因子空間分類Fig.2 Spatial distribution of classified driving factors in Leshan City

2.4 地理探測器

地理探測器是探測空間分異性,以及揭示其背后驅動力的一組統計學方法[30]。可以在幾乎無假設條件的基礎上,通過空間異質性定量探測各驅動因子對某地理事物分布的解釋力大小(即q值)[31]。本文運用地理探測器模型探測驅動因素與生態系統服務價值之間的空間相關性,得到自變量X對Y值空間分異的決定力q的公式為[32]：

(4)

交互探測器用于評估兩兩因子共同作用時是否會增加或減弱對生態系統服務價值時空分布的影響,生態探測器用于比較兩個因子對生態系統服務價值時空分布的影響是否有顯著差異[30]。

3 結果分析

3.1 土地利用及動態生態系統服務價值時空演變分析

3.1.1土地利用時空變化分析

樂山市土地利用以耕地和林地為主,二者和占比88%以上。林地、草地主要集中在西南部山地地區,耕地大多分布在東北方向的平原丘陵地區(圖3)。從地類變化上來看(表1),西南方向山區林地大量減少,主要轉為耕地和草地,而河流兩岸平原地區建設用地顯著增加,來源主要為耕地。

圖3 2000—2015年樂山市土地利用分布Fig.3 Distribution of land use in Leshan City from 2000 to 2015

表1 2000—2015年樂山市土地利用轉移矩陣/hm2

3.1.2生態系統服務價值時間動態演變分析

由圖4、5、6顯示出2000—2015年研究區調節系數的時空變化,總體上2000—2015年間樂山市西南部山地的降水調節系數與NPP調節系數均有所下降,東北方向有所增加。土壤保持量調節系數,相對比較穩定,西南地區有少量減少。

圖4 生態系統服務價值基礎當量NPP調節系數Fig.4 Net primary productivity adjustment coefficient of ecological service value

圖5 生態系統服務價值基礎當量降水量調節系數Fig.5 Precipitation adjustment coefficient of ecosystem service value

圖6 生態系統服務價值基礎當量土壤保持量調節系數Fig.6 Soil conservation adjustment coefficient of ecosystem service value

由表2可知,2000—2015年樂山市的生態系統服務價值整體呈波動下降趨勢,從397.42億元降至374.2億元,減少了23.22億元,其中2005—2010年有明顯上升,增加了16.31億元。

表2 2000—2015年樂山市各類土地生態系統服務價值估算/108元

從土地利用類型來看(表2),樂山市的生態系統服務價值主要來自林地,貢獻率達70%以上,其次是耕地和水域,分別占比14%左右和10%左右,草地和未利用地貢獻率較小。研究時段內,耕地、水域、未利用地生態系統服務價值持續上升,林地和草地價值波動減少,特別是林地價值減少幅度大,從301.25億元下降至265.55億元,變化率為-11.85%。具體來看,2000—2005年,耕地、草地和水域的服務價值都呈增長狀態,草地的增長率最高,而林地價值大量減少,減少了11.57億元。2005—2010年,整體較為穩定,除草地生態系統服務價值有少量減少外,各土地利用類型的生態系統服務價值均呈上升狀態,所以2010年生態系統服務價值總量回升。2010—2015年,僅耕地和水域少量增加,其他地類價值下降,林地、草地下降明顯,總體呈減少趨勢。

從各服務類型來看(表3),研究時段內,調節服務功能貢獻率最大,占研究區生態系統服務功能的66.56%。二級功能中,水文調節功能的生態系統服務價值最多,為115.52億元,占比30.87%,與研究區水系發達有關。其次是氣候調節和土壤保持,價值占比分別為20.28%和15.34%,氣體調節、生物多樣性、凈化環境的價值占比也都超過了5%。而水資源供給功能的生態系統服務價值一直為負,與研究區耕地面積大關系密切。2000—2015年,樂山市的生態環境整體上是趨于惡化的,除生物多樣性、水文調節和食物生產價值有所增加之外,其余服務功能價值均呈減少趨勢。其中,氣體調節功能的生態系統服務價值明顯減少,減少了22.11億元,主要與林地面積和NPP調整系數的減少有關。而生物多樣性功能的生態系統服務價值呈上升趨勢,增加了23.51億元,與沼澤地和水域的增加有關。

表3 2000—2015年樂山市各服務功能生態系統服務價值估算/108元

3.1.3生態系統服務價值空間動態演變分析

通過研究區生態系統服務價值密度分布可以看出(圖7),樂山市生態系統服務價值空間分異明顯,呈現西南高、東北低的態勢,高值以西南山地及河流為中心,低值以東北平原丘陵為中心向外擴展。該分布趨勢與土地利用分布基本吻合,結合高程圖分析,研究區西南部以山地為主,地勢高,人類活動較少,土地利用以林地和草地為主,植被覆蓋率高,生態系統服務價值較高。而東北部地勢相對平坦,人類活動密集,以耕地和建設用地為主,植被覆蓋率低,生態系統服務價值較低。而河流成為高值中心主要與水域的水文調節價值高有關。從行政區劃上看(表4),2000—2015年,生態系統服務價值高值中心位于峨邊彝族自治縣和馬邊彝族自治縣,最高分別為103.4億元和89.85億元,低值中心位于井研縣和五通橋區。

圖7 2000—2015年樂山市生態系統服務價值密度分布Fig.7 Distribution of ecosystem service value density in Leshan City from 2000 to 2015

表4 2000—2015年樂山市各區縣生態系統服務價值估算/108元

將研究區相鄰兩期的生態系統服務價值密度相減得到2000—2015年樂山市生態系統服務價值的動態變化圖(圖8),由圖8可知,2000—2015年生態系統服務價值在研究區西南方向以減少為主,而東北方向多增加。其中位于東北方向的市中區、犍為縣、沙灣區、五通橋區受退耕還林還草工程的影響,NPP調整系數增加,生態系統服務價值相應增加。而西南方向的峨邊彝族自治縣、馬邊彝族自治縣、金口河區及峨眉山市的西部山區,由于林地與草地的轉出與退化,NPP調整系數減少,加之降水調整系數下降導致生態系統服務價值減少。東部河流周圍生態系統服務價值增加最為突出,與降水調整系數增加,水域面積擴大有關。

圖8 2000—2015年樂山市生態系統服務價值變化Fig.8 Spatial change of ecosystem services value in Leshan City from 2000 to 2015

3.2 生態系統服務價值時空分布驅動因子分析

從地理探測器模型的因子探測器結果表明(圖9),6項驅動因子的平均決定力q值從大到小依次排序為氣溫>高程>土壤類型>距公路的距離>距城鎮的距離>坡向。氣溫、高程和土壤類型決定力q值在0.07以上,為主要驅動因素。距公路的距離和距城鎮的距離決定力q值在0.05—0.07之間,為次要驅動因素。坡向決定力q值低于0.05,為其他驅動因素,解釋力極小。由此表明對于樂山市來說,氣溫、高程和土壤類型對生態系統服務價值的時空分布作用最大。氣溫為植物生長提供能量,在一定范圍內,氣溫升高,NPP值隨即增加,生態系統服務價值就越大,反之就越小。高程影響生態系統服務價值的空間分異,海拔較低的河流兩岸的平原地區及低矮丘陵地區,方便農業發展與城市開發,生態用地破壞明顯,而海拔較高的西南山地,地勢陡峭,不利于人類活動開發,生態用地保留程度高,生態系統服務價值高。土壤類型方面,土壤類型為鐵鋁土與淋溶土的地區較利于植被生長,生態系統服務價值較高。

圖9 2000—2015年驅動力q值及變化Fig.9 2000—2015 driving force q value and changes

從驅動力的演變來看(圖9),受主導驅動力解釋力太大的影響,其他六項驅動因子的決定力在2000—2015年均處于下降狀態。2000—2005年,各因子決定力基本穩定,變化量小。2005—2010年,除坡向與土壤類型較為穩定外,其他幾項因子決定力出現小幅度的下降,減少約25%。2010—2015年,除坡向外均出現大幅度下降,距城鎮距離、氣溫與高程的決定力下降幅度最大,分別為68.11%、61.53%和59.05%。由圖9可以看出,各驅動因子的決定力差距在逐漸縮小,15年間,高程和氣溫的決定力分別下降了0.071和0.077,而距公路和城鎮的距離兩個因子的決定力分別下降了0.052和0.056,自然驅動因子的下降幅度大于社會經濟因子,說明社會經濟因子對生態系統服務價值的影響力日益突出。

從生態探測器結果來看(表5),除坡向與氣溫、土壤類型、距公路的距離、距城鎮的距離之間存在著顯著性差異外,各因子與其它因子之間無顯著性差異。這與因子探測器結果相對應,進一步證實高程、氣溫、土壤類型、距公路的距離、距城鎮的距離對生態系統服務價值的分布存在一定影響,而坡向影響微弱。

表5 生態探測器與交互探測器結果

從交互探測器結果來看(表5),坡向與任意其他因子兩兩交互后的q值都大于各自單獨的q值,表現為非線性增強,其他因子兩兩交互后大于兩者q值的最大值,呈現為雙因子增強。由此可知所有驅動因子兩兩疊加之后都增強了對生態系統服務價值時空分布的影響,尤其是坡向,雖然單個因子來看解釋力小,但與其它因子交互探測后解釋力都明顯增強,說明研究區生態系統服務價值時空分布受到自然和社會因子的共同作用。

綜合來看,研究區的生態系統服務價值時空分布受到自然與社會經濟各因子不同程度的共同影響。六項因子中氣溫、高程和土壤類型的決定力較大,表明自然因子較社會經濟因子對研究區生態系統服務價值的時空分布影響更大,但二者的差距在逐漸縮小,社會經濟因子的作用日漸明顯。

4 結論與討論

4.1 討論

本文以謝高地等的單位面積生態系統服務價值當量為基礎,結合樂山市的NPP數據、降水量數據和土壤保持量數據,對當量進行動態修正,與目前廣泛使用的靜態生態系統服務價值評估方法相比更具準確性、空間性和全面性,計算結果可分析性更強,得到樂山市生態系統服務價值的整體波動減少,空間上呈現西南高、東北低的時空分異特征,跟前人對同區域的研究結果基本一致[33—36]。

利用地理探測器模型,選取自然和社會驅動因子,研究空間分異的驅動機制,對近年來缺乏空間性的定性分析和回歸分析進行補充,結果顯示自然因子的決定力仍處于主導位置,其中氣溫、高程、土壤類型對生態系統服務價值的分布影響明顯,與前人研究吻合[27—28]。但值得注意的是,社會因子的影響日漸突出,距公路和城鎮的距離反映出人類活動包括城市化與農業活動對生態的影響,主要通過改變土地利用產生影響。通過本文可以了解研究區的生態環境變化特征及驅動機制,要重視人類活動對生態的影響,為區域的生態保護和區域生態補償機制的建立提供參考。

需要指出的是,本文依據謝高地等[10]的研究進行了生態系統服務價值的計算與修正,所以在驅動因子的選擇上,默認土地利用、NPP、降水量和坡度對生態系統服務價值的時空分布有很大的決定力,為主導驅動力,未將此4項驅動因子帶入模型,選擇了其他6項驅動因子進入地理探測器模型進行分析,這也是導致計算結果q值整體較小的原因。基于本文的生態系統服務價值計算方法,未來還應進一步計算岷江流域的生態系統服務價值,探究流域的生態補償機制,為流域生態保護政策的制定提供參考依據。

4.2 結論

本文基于岷江中下游段樂山市2000年、2005年、2010年、2015年4期的土地利用數據,運用土地利用轉移矩陣、生態系統服務價值動態當量法和地理探測器等方法,分析樂山市2000—2015年間的生態系統服務價值的時空演變特征及驅動力,有以下結論：

(1)2000—2015年樂山市生態系統服務價值整體呈下降趨勢,減少23.22億元,僅在2005—2010年有所上升,且各生態系統與各服務功能之間變化明顯不同。各土地利用類型中,林地生態系統服務價值占比最高,達70%以上,但大幅度減少,耕地和水域生態系統服務價值持續上升,林地和草地生態系統服務價值波動減少。各項生態系統服務功能中,水文調節功能價值最高,氣候調節與生物多樣性功能變化最大。

(2)2000—2015年樂山市生態系統服務價值空間分異呈現西南高、東北低的態勢,且各區域變化差異顯著。樂山市生態系統服務價值高值位于以峨邊彝族自治縣、馬邊彝族自治縣等為中心的西南山地及河流中,且呈減少趨勢。低值集中于五通橋區、市中區為代表的東北平原丘陵地帶,多呈增加態勢。

(3)各驅動因子對生態系統服務價值時空分異的決定力存在差異。除土地利用、NPP、降水量和坡度是主導驅動力之外,氣溫、高程和土壤類型對生態系統服務價值時空分布的決定力較大,說明自然因子是主要驅動因素,但從演變看社會因子作用日益明顯。