洛陽市生態系統服務功能價值量化及空間分異研究

管新建，石悸鋒，孟 鈺，符育文

（鄭州大學水利與交通學院，河南鄭州 450001）

生態系統服務功能是指生態系統與生態過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用［1］。 城鎮化的快速推進導致區域氣候、生物多樣性、生態循環過程等發生了巨大變化，并引發了水土流失、土壤污染、動植物數量急劇減少等生態環境問題。近年來許多學者對生態系統服務功能價值開展了廣泛研究，包括全球、國家、流域及地區等尺度［2-4］。 國內大多采用當量因子法計算整個復合生態系統服務功能的價值［5-7］，忽略了地區間的差異，以及采用經濟學方法對單個類型生態系統［8-10］的單項［11-12］或多項［13］生態系統服務功能價值進行量化評估，對區域整體生態系統服務功能價值的評估較少。 開展區域整體生態系統服務功能價值研究能夠有效提高人們保護環境的意識，并且可以為區域生態系統的協調管理提供理論依據，推進生態文明建設。

空間自相關分析方法作為進行地理分析的常用方法，主要用于城市發展、規劃和管理影響的定性評價，評價水資源的空間分布特征以及區域生態系統脆弱性分布和聚集特征等［14-15］。 采用空間自相關分析方法研究生態系統服務功能價值的空間分布特征，分析其空間相關性和聚合特征，可以為管理者提供決策依據。

1 研究區概況

洛陽市位于河南省西部，地處華北地臺與秦嶺褶皺系交界處，橫跨兩個一級大地構造單元，由此決定了洛陽市地形、地貌復雜，類型多樣。 洛陽市面積15 066 km2，轄7 縣（新安縣、宜陽縣、伊川縣、汝陽縣、嵩縣、欒川縣、洛寧縣）、7 區（澗西區、西工區、老城區、洛龍區、孟津區、偃師區、瀍河區），總人口717 萬人，氣候屬于暖溫帶大陸性季風氣候。 洛陽市具有較為豐富的森林資源，高等植物種類繁多，森林覆蓋率達47%，主要集中在西部和西南部地區。 洛陽市水資源豐富，北部有黃河流域，洛河、伊河、澗河由西南向東北在市區交匯，還有陸渾水庫和故縣水庫等。 本文研究時間為2019 年，因此行政區劃采用2019 年的行政區劃，其中偃師市為現在的偃師區，現在的孟津區由原孟津縣和吉利區合并而成，同時考慮到澗西區、西工區、老城區、瀍河區面積較小且位置集中，均為洛陽市核心發展區域，因此并為主城區進行研究。

2 研究方法

2.1 生態系統服務功能價值量化

1）生態系統服務功能分類。 目前生態系統服務功能分類大多采用聯合國千年生態系統評估中提出的分類方法，將其分為供給、調節、支撐及文化功能四大類。 根據該分類方法，結合不同生態系統的差異性，辨識森林、草地、水域生態系統服務類別，見圖1（圖中√表示具備該類生態服務）。 供給功能指生態系統直接為人類生活及生產提供各種產品及資源。 森林能夠為人類提供木材、食物及藥材等，草地能夠為人類提供肉、蛋、奶等食物，水域在提供魚類產品的同時為人類生活、生產提供淡水資源等，因此選取產品提供、水資源供給等指標評價生態系統服務供給功能的價值。 調節功能指人類從生態系統的調節作用發揮過程中獲得的收益。 空氣質量調節即森林、草地生態系統通過吸收空氣中的污染物等調節空氣質量；氣體調節指植物通過光合作用固定CO2、釋放O2；水分調節指森林和草地通過植被截流等減小徑流量、蓄積水分；水域生態系統通過水庫及河道等進行水量調蓄，同時通過水體自凈作用改善水質；氣候調節指水域生態系統通過水面蒸發吸收熱量，起到區域調溫增濕的作用；廢棄物降解指草地等生態系統中微生物分解家畜糞便等釋放營養物質。 因此，選取凈化空氣、固碳釋氧、涵養水源、水資源調蓄、水質凈化、氣候調節、廢棄物降解等指標評價生態系統服務調節功能的價值。 支撐功能指生態系統所形成的支撐發展的條件與效用。 土壤形成即森林和草地生態系統通過植被覆蓋減少土壤侵蝕、保持土壤肥力；初級生產指陸生及水生植物通過光合作用吸收CO2并制造有機物的能力，因與固碳釋氧指標重復而舍棄該指標；營養循環即生態系統內部與系統之間循環、運輸、積累營養物質；生活質量改善指水域生態系統為城市生態環境如綠地、園林、噴泉等基礎建設提供水源，從而維持并改善城市生態環境和人們生活質量的作用。 因此，選取土壤保持、營養物質循環、生活質量改善等指標評價生態系統服務支撐功能的價值。文化功能指生態系統的美學、文化和教育等方面的非物質效益，常選取科學研究、休閑娛樂功能等指標評價生態系統服務文化功能的價值。

圖1 生態系統服務辨識

2）評價指標與量化方法。 綜合考慮生態系統服務類型、功能特征、數據的可獲取性等因素，選取森林生態系統供給功能（林業產品提供）、調節功能（涵養水源、固碳釋氧、凈化空氣）、支撐功能（土壤保持、營養物質循環）、文化功能（休閑娛樂）7 項功能指標，草地生態系統供給功能（牧業產品提供）、調節功能（涵養水源、凈化空氣、固碳釋氧、廢棄物降解）、支撐功能（土壤保持、營養物質循環）、文化功能（休閑娛樂）8項功能指標，水域生態系統供給功能（水產品提供、水資源供給）、調節功能（氣候調節、水資源調蓄、水質凈化、固碳釋氧）、支撐功能（營養物質循環、生活質量改善）、文化功能（科學研究、休閑娛樂）10 項功能指標，采用經濟學方法對區域生態系統服務功能價值進行量化分析，其指標計算方法見表1。

表1 生態系統服務功能價值計算方法［8，10，16-17］

2.2 空間自相關分析

空間自相關分為全局空間自相關和局部空間自相關，全局空間自相關可以探究整個研究區域變量之間的相關性，局部空間自相關可以研究某一區域與鄰近區域對某屬性值的集聚程度，檢驗局部區域的空間關聯性和空間異質性。 當全局空間自相關分析結果呈現出較強的空間正相關時，可以進一步進行局部空間自相關分析。 單變量空間自相關分析描述的是空間某一要素同一指標的空間關系，雙變量空間自相關分析描述的是某一要素的一個屬性與另一個屬性的空間關系［18］。

一般采用Moran’s I 指數（莫蘭指數）來描述空間相關性，單變量莫蘭指數包括單變量全局莫蘭指數和單變量局部莫蘭指數，計算公式為

式中：I、Ii分別為單變量全局莫蘭指數和單變量局部莫蘭指數，Ui、Uj分別為空間單元i、j變量的觀測值，UM為Ui的均值，S為Ui的協方差，n為研究對象的數量，wi，j為研究對象之間的空間連接矩陣W中的元素。

雙變量莫蘭指數包括雙變量全局莫蘭指數和雙變量局部莫蘭指數。 雙變量全局莫蘭指數計算公式［19］：

式中：Id為雙變量全局莫蘭指數，pi、qj分別為空間單元i、j的變量p、q的觀測值，pp、qq分別為觀測值pi、qj的均值，σp、σq分別為觀測值pi、qj的方差，w'i，j為pi、qj之間的空間連接矩陣W'中的元素。

然而，在大多數情況下，這種強硬的策略可能并不是必要的。在一些國家，自由選擇和自由投票的表象可能仍然存在，甚至公眾所受的實際控制越來越少。誠然，操縱選民情緒的企圖并不新鮮。但是，一旦有人獲得了操控人類內心的技術能力，民主政治就會演變成一場情緒化的木偶劇。

莫蘭指數大于0 表示空間正相關，值越大，空間相關性越明顯；莫蘭指數小于0 表示空間負相關，值越小，空間差異性越大；莫蘭指數等于0 表示空間不相關，呈現隨機性。 當呈現較強的正相關性時可以進一步分析其集聚特征，通常采用LISA 指數即局部莫蘭指數來衡量空間單元屬性和周圍單元的相近和相異程度，通過繪制LISA 聚類圖可以更加清晰表明各研究對象的聚類特征，主要有高-高、高-低、低-高、低-低、不顯著幾種情況，根據其不同聚類特征對空間內各單元進行分析。

3 結果分析

3.1 生態系統服務功能價值構成分析

1）森林生態系統。 根據各生態系統服務功能價值計算方法，計算2019 年洛陽市森林生態系統服務功能價值，結果見表2。 2019 年洛陽市森林生態系統服務功能價值為419.79 億元，各指標價值排序為固碳釋氧＞涵養水源＞土壤保持＞凈化空氣＞產品供給＞營養物質循環＞休閑娛樂。 供給功能、調節功能、支撐功能、文化功能價值占比分別為3.94%、80.24%、15.54%、0.28%。 調節功能價值遠高于其他功能的，其中固碳釋氧和涵養水源的貢獻較為突出，表明森林對區域氣體調節以及水資源調節具有重要作用。 文化功能價值占比較低，說明森林生態系統為人類提供休憩娛樂等有待進一步挖掘。 洛陽市西南部欒川縣和嵩縣森林生態系統服務價值較高，而主城區、孟津縣、洛龍區的價值較低，這與洛陽市森林分布情況相吻合，后續應加大主城區、孟津縣、洛龍區植樹造林的力度，合理配置森林資源，緩解生態壓力，促進區域可持續發展。

表2 2019 年洛陽市森林生態系統服務功能價值億元

2）草地生態系統。 2019 年洛陽市草地生態系統服務功能價值見表3。 2019 年洛陽市草地生態系統服務功能價值為64.68 億元，各指標價值排序為固碳釋氧＞土壤保持＞凈化空氣＞產品提供＞涵養水源＞營養物質循環＞休閑娛樂＞廢棄物降解。 供給功能、調節功能、支撐功能、文化功能價值占比分別為8.57%、62.13%、28.08%、1.22%。 調節功能價值占比最大，其中凈化空氣和固碳釋氧貢獻較大，廢棄物降解價值較低。 洛陽市西部洛寧縣草地生態系統服務功能價值最高，中部新安縣、宜陽縣和嵩縣價值較高，主城區、洛龍區價值最低。 應合理增加主城區草地覆蓋面積，改善地區環境，保持并改進洛寧縣等草地分布結構，增強其穩定性和韌性。

表3 2019 年洛陽市草地生態系統服務功能價值億元

3）水域生態系統。 2019 年洛陽市水域生態系統服務功能價值見表4。 2019 年洛陽市水域生態系統服務功能總價值為1 033.25 億元，各指標價值排序為氣候調節＞休閑娛樂＞水資源調蓄＞水資源供給＞生活質量改善＞水產品供給＞水質凈化＞科學研究＞營養物質循環＞固碳釋氧。 供給功能、調節功能、支撐功能、文化功能價值占比分別為4.02%、78.10%、0.63%、17.25%。 調節功能價值占比較大，其中氣候調節的價值遠高于其他指標的，說明水生態系統在調溫增濕上起著巨大作用，對城市小氣候的形成具有重要影響。洛陽市北部新安縣、孟津縣和南部嵩縣水域生態系統服務價值較高，而欒川縣、伊川縣、洛龍區和偃師市的價值稍低。 價值差異與氣候調節功能相關，而氣候調節功能價值主要與水域范圍及水量有關，新安縣和孟津縣有小浪底水庫和西霞院水庫，嵩縣建有陸渾水庫，水資源較為充沛，且水庫有較好的調蓄作用，因此水域生態系統價值較高。

表4 2019 年洛陽市水域生態系統服務功能價值億元

4）生態系統服務功能構成及分布。 2019 年洛陽市生態系統服務功能價值為1 517.72 億元，其分布情況見圖2。

圖2 2019 年洛陽市生態系統服務功能價值分布情況

森林、草地、水域生態系統服務功能價值占比分別為27.66%、4.26%、68.08%。 洛陽市嵩縣生態系統服務功能價值最高，洛寧縣、欒川縣、孟津縣和新安縣的也較高，而主城區、偃師市和伊川縣生態系統服務價值較低。 城鎮化加速了中心城市生態系統服務功能的衰退［20］，主城區經濟發展迅速，但土地利用結構不合理，因此生態系統服務功能價值低。 水域面積最小，但水域生態系統服務價值占比最大，且價值系數即單位面積水域生態系統服務功能價值遠高于森林和草地的，因此應加強對水生態的管理和保護，同時應對綠化覆蓋面積較低的主城區等進行合理規劃，使生態與經濟發展相協調。

3.2 空間自相關分析

通過Geoda 軟件對不同生態系統類型的服務功能價值進行單變量空間自相關分析，得到莫蘭指數散點圖見圖3。

圖3 2019 年洛陽市生態系統服務功能價值莫蘭指數散點圖

洛陽市森林生態系統服務功能價值全局莫蘭指數為0.518，為強空間正相關；草地生態系統服務功能價值全局莫蘭指數為0.023，草地覆蓋面積較小，分布較為離散，為較弱的空間正相關；水域生態系統服務功能價值全局莫蘭指數為-0.152，為負相關，說明水域生態系統服務功能價值在行政區之間離散特征較為明顯，空間差異性較強［21］。 洛陽市生態系統服務功能總價值全局莫蘭指數為0.194，為正相關。

進一步對森林生態系統和整體生態系統服務功能價值進行單變量局部空間自相關分析，繪制LISA 聚類圖，見圖4。 從圖4 可以看出，洛寧縣、欒川縣、嵩縣森林生態系統服務功能價值為高-高聚集，新安縣、孟津縣、主城區、洛龍區、偃師市為低-低聚集。 高-高聚集區應豐富林木物種以及擴大森林覆蓋范圍，使生態系統更加穩定；低-低聚集區需要進行植樹造林，增大森林覆蓋面積，使生態系統更完整有效地為人類提供各項服務。 欒川縣整體生態系統服務功能總價值為高-高聚集，洛龍區為低-低聚集，其他區域聚集程度不顯著，這顯示出區域整體生態系統服務功能的差異性。對于高-高聚集區的后續發展需要在目前的發展策略基礎上保持穩中求進，以鞏固已有的服務功能價值為管理目標。 低-低聚集區需要對整體生態系統管理的方案進行改進，尋找與區域更為匹配的發展戰略［22］，提升區域生態系統服務功能價值。 同時需要改善草地結構，增強區域間水資源的調控和管理。

圖4 2019 年洛陽市生態系統服務功能價值LISA 聚類圖

通過GeoDa 軟件，采用雙變量自相關分析方法對不同類型生態系統之間服務功能價值的相關性進行分析，計算得到：森林生態系統服務功能價值與草地、水域生態系統服務功能價值之間的莫蘭指數分別為0.340、-0.043，草地生態系統服務功能價值與森林、水域生態系統服務功能價值之間的莫蘭指數分別為0.525、-0.173，水域生態系統服務功能價值與森林、草地生態系統服務功能價值之間的莫蘭指數分別為0.167、-0.094。 森林生態系統與草地生態系統之間服務功能價值相互影響，為較強的空間正相關關系；水域生態系統服務功能價值與森林生態系統服務功能價值為一定程度空間正相關關系，與草地生態系統服務功能價值的相關性較弱，同時水域生態系統服務功能價值的空間差異性較大，水域生態系統對森林和草地生態系統服務功能價值的影響較小。

目前區域發展越來越注重生態環境保護，提高草地覆蓋率相對于提高森林覆蓋率更加容易，但森林的生態效益更強，因此需要提高城市森林覆蓋率。 森林和草地生態系統呈現較強的空間相關性，說明在同一區域草地和森林生態系統在提供生態系統服務時具有互相促進作用，與完全的草地分布相比，區域內一定林地分布能夠使草地生態系統為人類提供更多的服務價值，因此可以增加森林和草地的復合生態系統來提高城市綠化質量，促進生態系統協調健康發展。 針對水域生態系統的空間差異性，要加強水生態的維護，注重水資源的合理配置和調控，緩解水資源地區分布不平衡問題。

4 結論

對洛陽市2019 年生態系統服務功能價值進行量化，通過空間自相關分析發現，生態系統能夠為人類帶來巨大的經濟效益，其中水域生態系統價值系數最高，但地區差異性較大，因此需要重視水資源保護以及水資源地區間的調控；森林生態系統比草地生態系統的經濟效益更顯著，且兩者在空間上具有一定集聚特征，可以根據呈現出的聚集特征調整各行政區發展策略。同時森林和草地生態系統服務功能價值具有較強的空間正相關性，能夠為城市綠化規劃中森林、草地的分布設計提供一些新思考。