厦漳泉地区生态系统服务价值时空分布格局演变

胡其玉, 陈松林

(1.福建师范大学 福建省亚热带资源与环境重点实验室, 福州350007; 2.福建师范大学 地理研究所, 福州350007)

当今中国的城镇化进程尚处于加速阶段，协调生态和社会经济系统间矛盾是当前亟需解决的问题。为实现区域可持续发展，通过探索生态系统服务功能变化了解生态环境状况为分区保育策略的制定提供参考，具有现实意义。生态系统服务功能[1]即指生态系统提供人类生产生活所需的各种自然环境条件及效用的能力，包括粮食、医药等物质生活产品以及水土保持等功能，是人类生存和经济社会发展的基础。然而，随着人类活动对水域、草地、林地等生态源地的占用，扰动了生态系统的稳定性，造成生态服务功能受损。目前，从价值量化角度测算土地利用变化引发的生态服务功能效应是建立区域生态补偿机制的关键所在[2-3]。谢高地等基于中国地区实际特点修正Costanza等提出的生态系统服务价值评估体系，建立适用于中国的陆地生态服务价值当量表并提出时空动态修正模型，因该方法适应性强、便于测算的特性被普遍用于定量测度不同区域不同土地利用类型的生态系统服务价值。随着3S技术的发展和应用，有关生态系统服务价值时空分布的研究愈加受到学者们的重视[4]，应用空间制图定量刻画特定时空尺度范围生态服务价值的分布格局成为热点。而地形作为土地资源构成要素之一，也影响着生态系统服务的垂直分异特征，通过探索生态系统服务多尺度变化和地形梯度效应[5]，有利于进一步识别生态系统服务价值空间分异特点，推进生态系统分区管理。

目前有关经济社会快速转型的城市群地区的研究日益突出[6-7]，但对中小城市群的关注尚有不足。厦漳泉作为典型中小城市群地区，近10 a来经济社会飞速发展、人地比例扩大加重了资源承载压力；另一方面，境内平原、丘陵、山地交错，具有明显的地形起伏特征。本文采用当量因子法评估厦漳泉地区生态系统服务价值，以格网单元的生态系统服务价值作为反映地表覆被环境的指标，识别2006—2016年地区生态系统服务价值时空分布格局及地形梯度效应，研究成果可为中小城市群地区维护生态服务功能平衡和建立生态补偿机制提供依据。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

厦漳泉地区位于福建省东南沿海，东临台湾海峡，南靠广东潮汕地区，处于23°48′—25°56′N和117°—119°05′E，包含厦门、漳州和泉州(不含金门县)三市，被称为“闽南金三角”。属于亚热带季风气候，水热资源充沛，地区平均森林覆盖率约为61.22%。地势总体由西北山地向东南滨海地带倾斜，地貌构成复杂多样，山地、丘陵和平原错落其中。境内溪流纵横，主要有晋江、九龙江、漳江等水系。厦漳泉地区陆地面积约占福建省陆地面积的20.4%，常住人口占比为45.28%，GDP占全省地区生产总值的47.87%。

1.2 数据来源

2006年、2016年厦漳泉地区Landsat TM和Landsat8遥感影像资料以及GDEMDEM数据(30 m×30 m)源自地理空间数据云网站。将中国生态系统评估与生态安全数据库2010年福建省土地利用数据作为参考,利用ENVI 5.1预处理后比照Google地图对遥感影像进行人机交互判读，根据中科院土地分类系统结合区域特点采用最大似然法解译出地区土地利用类型并经反复纠正修改,划分为林地、草地、耕地、湿地、未利用地和建设用地(表1)。2006年、2016年全国和厦门、漳州、泉州年均降水量获取自中国气象科学数据共享服务网，各类农作物播种面积、单位面积产量分别来源于《厦门经济特区年鉴2017》、《漳州统计年鉴2017》和《泉州统计年鉴2017》，稻谷、蔬菜、甘薯等作物平均价格依据福建省粮食局、物价局提供的《价格检测报告》而确定。

表1 厦漳泉地区土地利用变化情况 %

2 研究方法

2.1 标准单位生态系统服务价值当量因子价值量测算

结合厦漳泉地区实际，采用1 hm2稻谷、甘薯、花生和蔬菜单位面积的平均价格评估地区标准生态系统类型(即1个标准当量因子)的价值量。并将2016年地区4种农作物平均价格的1/7作为标准单位生态服务价值当量因子的经济价值量(公式1)，从而排除人工投入的影响[8-9]，确定2006—2016年标准生态系统的单位面积生态服务功能价值量为5 871.722元/hm2。

(1)

式中：D表示标准生态系统的单位面积生态服务功能价值量(元/hm2)；W1,W2,W3,W4分别为2016年厦漳泉地区稻谷、甘薯、花生和蔬菜的单位面积平均价格(元/hm2)；S1,S2,S3,S4分别为稻谷、甘薯、花生和蔬菜的播种面积与其播种面积总和之比(%)。

2.2 单位面积生态系统服务价值当量表修正与价值评估

根据已有研究成果[10-11]，结合厦漳泉地区实际情况，采用地区平均年均降水量因子修正单位面积生态服务价值当量表，修正系数为1.901。对解译后的土地生态类型进行合理归并[12-13]，通过修正后的当量因子乘以标准生态系统的单位面积生态服务价值量(D)[14]，得到不同土地生态类型的价值系数表(表2)。在此基础上，根据公式(2) 计算各类型生态系统服务价值及总价值。

(2)

式中：在计算地区总的ESV(生态系统服务价值)时，Ai表示第i种土地生态类型的面积(hm2)；VCi表示第i种土地生态类型的单位面积生态服务价值(元/hm2)；在计算各种土地生态类型的ESVi时，Ai表示第i种土地生态类型的面积；VCk表示第k项的单位面积生态系服务价值。

表2 2006-2016年厦漳泉地区生态服务价值系数 元/hm2

2.3 空间自相关分析

根据研究区土地利用类型图斑大小，在0.1×0.1～10×10 km2逐步增大间距划定网格，选取最优大小的格网单元展开分析。空间自相关分析分为全局空间自相关和局部自相关[15-16]。前者(公式3)可以测度整个地区生态服务价值的空间集聚性及其特征；后者(公式4)主要是衡量地区内部各个单元间变量的空间集聚性与空间异质性，判别“高低”集聚模式。通过公式(5) 可对空间自相关分析结果进行显著性检验。

(3)

(4)

Moran′sI的计算结果>0时表示格网单元具有高—高或者低—低的空间集聚特征；Moran′sI的计算结果<0时表示格网单元具有低—高或者高—低的空间集聚特征。

(5)

式中：Zi表示空间自相关的显著水平；E(I)表示Moran′sI指数的数学期望；V(I)为其方差。

2.4 地形起伏度计算方法

参考前人研究成果[17-18]，采用经修订后的中国人居自然环境适宜性评价中的算法(式6)测度厦漳泉地区的地形起伏度，刻画生态服务价值地形梯度效应[19]。通过ArcGIS 10.2平台空间分析模块中(Zonal Statistics as Table)和(Raster Reclassify)功能实现矢量数据和栅格数据的叠加分析，基于DEM数据提取每个格网的地形起伏度，算得地区格网单元地形起伏度均值为0.975。

(6)

式中：RDLS表示地形起伏度；ALT为格网单元内平均海拔(m)；max(H)、min(H)分别为格网单元内最高和最低海拔(m)；P(A)表示格网单元内坡度小于等于5°的平地面积(km2)；A表示格网单元的总面积(km2)。

3 结果与分析

3.1 2006-2016年厦漳泉地区生态服务服务价值分布总体态势

厦漳泉地区的生态系统服务价值测算结果(表3)显示，2006—2016年地区生态服务价值总体提升16.51%，提升幅度较大，说明地区生态服务功能有较大程度改善，主要体现在林地、湿地、水域等生态源地服务价值的提升。

运用全局趋势分析厦漳泉地区生态服务价值的总体分布情况(图1)，图中y轴代表正北方向，x轴代表正东方向，z轴代表单元生态服务价值大小。结果显示，x轴(东西方向)呈现下降曲线，y轴(南北方向)呈现先降后升的凹型曲线且2016年显于2006年，表明地区生态服务价值呈西高东低和南北高中间低的分布格局并且10 a间趋势效应有所增强。总体上，厦漳泉地区生态服务价值分布与地形山势相适应，并呈现出自北、西、南向中东部倾斜的趋势，受制于自然环境条件和经济发展引发的生态压力，生态服务价值分布于厦漳泉地区的中东部形成“低谷”，2006—2016年“低谷”效应愈加显著。

表3 2006-2016年各类生态系统服务价值变化情况 万元

3.2 厦漳泉地区生态服务服务价值空间分布尺度效应

以1 km×1 km和2 km×2 km正方形格网为单元的生态服务价值空间集聚的特性因粒度太小而并不显著，进而生成3 km×3 km，4 km×4 km，5 km×5 km 、6 km×6 km(尺度1—4)并将9 km×9 km(尺度5) 格网单元作为参照进行全局空间自相关分析。划分等间隔距离对不同尺度下格网单元生态服务价值进行空间增量自相关分析，得到2006年(A)和2016年(B)在不同尺度下的Moran′sI指数(图2)，其值大于0。经验Zi>0，p<0.05，表现出正向空间自相关性，说明两个时期地区生态服务价值在空间分布上均表现出集聚的特点。并且受间隔距离的制约，生态服务价值的集聚程度随研究尺度增大而呈现波动上升的尺度效应。在各个尺度下，2016年厦漳泉地区生态服务价值的Moran′sI指数基本高于2006年，空间自相关性更强，集聚程度更高。

注：AB字母后1—5代表不同尺度。

图2 厦漳泉地区生态服务价值空间自相关尺度效应

3.3 厦漳泉地区生态服务价值时空分异格局特征

全局Moran′sI只是反映出厦漳泉地区整体的空间自相关水平和总体趋势，因而需要通过局部自相关挖掘地区内部生态服务价值的空间分布特点。将3 km×3 km作为主要研究尺度，并以6 km×6 km尺度的研究结果作为参照。

(1) 将2006年和2016年地区生态服务价值格网数据导入GeoDa软件处理，经局部自相关分析生成厦漳泉地区生态服务价值的Moran指数分析，通过标准化空间权重矩阵建立相互联系[20]。结果显示，两期的Moran′sI指数分别为0.107，0.157，且通过显著性检验。观察图3并经统计可以发现，2006年和2016年生态服务价值散点均集中分布在第一、三象限，其余分布于第二、四象限，表明厦漳泉地区生态服务价值呈现正向空间自相关性，生态服务价值集聚区域主要集中于高—高和低—低区域，内部差异较小。2006—2016年生态服务价值高—高集聚的优势更加明显，说明地区生态服务功能有所提升和改善。

(2) 通过局部自相关集聚图(图3)，探索2006—2016年厦漳泉地区生态服务价值分布的空间集聚性和空间异质性。无论是高—高还是低—低集聚型区域，p值远低于0.05逼近于0，说明局部自相关性显著。图3A和图3B分别为2006年、2016年生态服务价值的集聚图，图3C表示10 a间单元生态服务价值的增减集聚特征。结果显示，总体上，生态服务价值高、低集聚区域与上述趋势面分析结果一致：生态服务价值分布在南北方向呈现出“两高一低”的格局，北部高生态服务价值区域主要位于德化县大部和永春县东部，南部高生态服务价值区域基本位于漳州市西侧，中部低生态服务价值区域主要集中于安溪县境内与以泉州平原和厦门岛为中心的沿海一带；东西方向呈现出“西高东低”分布格局，西部山地、丘陵的生态服务价值普遍高于东部平原。2006—2016年厦漳泉地区生态服务价值的增长趋向南北两极，下降区域集中于漳州平原和泉州平原，空间格局演变较为显著，逐渐呈斜三角形分布趋势。

图3 厦漳泉地区生态服务价值集聚特征

北部生态服务价值高—高集聚区域山水格局优势明显，区域内以旅游与农业经营为主，年轻劳动力向沿海迁移，土地开发强度较弱与城镇化扩张程度较低。南部生态服务价值高—高集聚区域2006年分布于由九龙江北溪、西溪经漳州平原延伸至九龙江入海口一带，10 a间由于芗城、龙文、龙海快速城镇化的推进，在临近北溪与西溪的交汇处转向西南方，形成厦漳泉地区体量最大的生态服务功能供给系统。根据中部生态服务价值低—低集聚型区域特点将其划分为3个子区域：一是安溪境内水土流失区，主要分布于安溪县中西部，山峦起伏，山峰林立，山势峻峭，河谷狭窄，在此基础上发展规模庞大的茶种植产业易引发严重的水土流失，经过多年的治理，结果显示2006—2016年生态服务价值低—低集聚区域受到限制并缩减，说明水土流失对生态系统服务功能的扰动得到改善。二是漳浦县沿海风积地貌区较为发育，在海流与风力的作用下，逐渐形成沙堤、沙洲，因缺少内陆大面积森林等生态源地的支撑，持续表现出显著的低—低集聚状态。三是自泉州泉港区至漳州龙海市沿海一带的密集城镇化区，是厦漳泉地区面积最大的生态服务价值低—低集聚型区域，也是厦漳泉地区乃至福建省的经济、人口重心所在，由于经济开发区建设和人口密度增加，10 a间低—低集聚的格局以泉州平原和厦门岛为中心向西南—东北濒海拓展。生态服务价值高—低集聚区域10 a间分布愈加集中，主要在九龙江河口、厦门岛、泉州湾以及一些丘陵、平原交错沿海地带，应注意维护滨海水域和湿地生态功能的完整性；而低—高集聚区域与高—低集聚区域的范围较小。另外，随格网尺度的增大使得安溪地区不再表现出低—低集聚，低—低集聚区域主要集中于沿海地带，快速城镇化区域生态服务价值的损失尤为显著。

3.4 厦漳泉地区生态服务价值与地形起伏度的相关分析

应用自然断点法将厦漳泉地区地形起伏度由低到高划分为5个等级，并统计各等级生态服务价值的均值(表4)[21]，结果显示，随地形起伏度的增加，生态服务价值平均水平逐渐提高，但相比于2006年、2016年从第Ⅰ级到第Ⅱ级的增长幅度更为剧烈，并在第Ⅳ，Ⅴ级有所下降，出现波动情况。说明2006—2016年各级别地形起伏度下的生态服务功能有所改善，尤其是山地、丘陵等地形起伏较大的区域，但是地形起伏较小的平原、沿海一带生态服务功能改善趋势不甚显著，并且地区内不同地形起伏度下的生态服务价值水平表现出分化趋势。虽然总体上湿地、水域的维护有所成效，但受快速城镇化扩张的影响，沿海平原的生态服务功能仍面临被扰动的威胁。

通过空间制图定量刻画厦漳泉地区生态服务价值和地形起伏度特征，显示生态服务价值与地形起伏度之间存在某种相关性，参考已有研究[22]并以3 km×3 km格网作为单元，应用SPSS软件生成两个变量的散点图并作回归分析。为完整反映两者相关特征，不作剔除异常值处理，而是以生态服务价值平均水平为界采用分段回归分析，进一步分析和验证其分布特征。当地形起伏度处于0～1时，地区生态服务价值变化剧烈，同时呈现陡增和陡降的趋势。地形起伏度较小的地区主要分布在沿海一带，包含低生态服务价值的城镇建设区、沿海风沙侵蚀地带，高生态服务价值的园林地、水域与湿地。随着地形起伏度的增加，生态服务价值高于平均水平的湿地、水域逐渐减少而林地向山地、丘陵集中，生态服务价值分布渐趋稳定。当地形起伏度处于1～2时，单元生态服务价值普遍稳定于平均水平，单元分布最为集中，但也存在不少生态服务价值较低的离群点，通过ArcGIS平台锁定这些离群点主要分布于安溪县中西部和长泰县东北部。

表4 厦漳泉地区生态服务价值的地形梯度效应

4 讨论与结论

高生态服务价值区域集中分布于一些重要山脉(戴云山、大芹山等)、主要溪流、大型水库等，形成整个地区的生态输出区[23]，而这些区域经济发展较为落后甚至是贫困区，应当获得密集城镇化区的生态补偿，通过健全地区转移支付体系，开展“生态扶贫”项目给予其经济发展和生态维护的支持。针对不同梯度采取相应措施，重点保育沿海平原区的湿地、水域，防治山地、丘陵区的地表侵蚀。在快速城镇化地区探索构建“城市立体绿化”格局，以期为高密度城镇化区域披上“绿裳”。

生态服务价值评估方法的差异可能导致不同的结果，根据结果的实用性选择适当的方法还有待探讨。受限于数据获取，采用两期数据分析2006—2016年这10 a间地区演变略有不足，继续挖掘数据以增长研究期和研究样本，可更客观科学地阐释生态服务价值演变规律。生态服务价值时空格局是社会因素和结构性因素作用的复杂结果，这些因素对地形梯度效应及空间尺度效应的驱动机制需要未来长期深入研究，以弥补本文在这部分的不足。

2006—2016年厦漳泉地区生态服务价值水平总体上有所提升，其分布呈现出三大效应。尺度效应：随着格网尺度的增加，地区生态服务价值空间自相关性具有波动上升的趋势，而安溪水土流失区低—低集聚不再明显，但沿海风积地貌区和密集城镇化区低—低集聚态势依然存在。时空效应：10 a间，生态服务价值空间集聚性总体上有所增强；“两高一低”分布格局愈加明显，北部高—高集聚区域有所扩张，南部则发生大幅度转向渐趋于漳州市西南，而沿海低—低集聚区域沿东北—西南方向延伸，逐渐接连成片。地形梯度效应：随地形起伏的增加，地区生态服务价值水平总体上升，而各单元价值陡增和陡降的情况并存，并逐渐趋于稳定。