基于地統計學的區域生態服務價值空間分異規律研究

張曉楠，宋宏利，李振杰

（1.河北工程大學 資源學院，河北 邯鄲056038；2.河北省地礦局石家莊綜合地質大隊，石家莊050081）

生態系統服務功能是指生態系統與生態過程所形成及維持的人類賴以生存的自然環境條件和效用，包括對人類生存及生活質量有貢獻的生態系統產品和生態系統功能［1－2］，是人類生存和發展的物質基礎和基本條件。由于土地利用類型與生態系統狀態關系密切，因此研究LUCC下的區域生態服務價值演變具有重要意義。近年來，我國學者在生態服務價值方面做了大量研究，取得了一定成果。例如，張明陽等［3］研究了桂西北典型喀斯特區生態服務價值的環境響應及其空間尺度特征，表明該區域生態服務價值隨高程、巖石類型、土壤類型分異明顯，并具有相應的空間尺度特征；孫慧蘭等［4］研究了新疆伊犁河流域生態服務價值對土地利用變化的響應，探討了伊犁河流域1985—2005年土地利用和生態系統服務價值的變化特征；李保杰等［5］研究了礦區土地利用變化對生態服務價值損益的影響；宋宏利等［6］研究了冀南區域土地利用變化對區域生態服務價值的影響；吳海珍等［7］研究了內蒙古多倫縣土地利用變化對生態服務價值的影響。已有研究大都從整體上評價土地利用變化對區域生態服務價值的影響，但事實上，生態服務價值及其變化具有空間異質性，但關于該方面的研究鮮有報道。鑒于此，本文采用空間網格作為基本表達單元，以地質統計學技術為手段，在RS和GIS技術支持下研究邯鄲市土地利用類型及變化對區域生態服務價值空間分異的影響，旨在為局部尺度土地的合理利用及生態環境改善提供合理依據。

1 研究區概況

邯鄲市位于河北省最南部，太行山南段東麓和華北平原南部，地處東經113°28′—115°28′，北緯36°04′—37°01′，屬典型的中緯度地區。與晉、魯、豫三省接壤，總面積12 000km2，其中市區面積457km2，總人口849.9萬人，現轄4區1市14縣。邯鄲市地勢總體西高東低，地面縱坡為1／2 500～1／5 000，自西向東階梯狀分布著山地、丘陵、盆地、高平原、低平原，分別約占全市總面積的14.0%，14.6%，7.0%，28.8%，35.6%。

2 數據來源與分析方法

2.1 數據來源

研究采用的基礎數據為邯鄲市1997年和2007年Landset TM 遙感影像（空間分辨率為30m），輔助數據為邯鄲市1∶5萬地形圖、2007年邯鄲市行政區劃圖（比例尺為1∶10萬）、1994年和2006年邯鄲市土地利用現狀圖（比例尺為1∶1萬）及相關統計數據。根據相關資料［8］及實地情況，將邯鄲市土地利用類型劃分為：耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6大類。遙感影像采用UTM橫軸墨卡托投影，利用GPS采集的控制點對影像進行精幾何校正，校正精度不大于0.5個像元。經圖像融合、增強處理后，利用邯鄲市區域行政邊界對處理后的影像進行裁剪，采用目視解譯結合計算機監督分類得到1997年、2007年邯鄲市土地利用分類遙感圖像。

2.2 研究方法

2.2.1 生態服務價值計算 Costanza［9］、謝高地［10］、段瑞娟［11］等人分別提出了針對不同尺度、不同地域的生態服務價值計算方法，但生態服務價值具有區域性特征，不同的區域具有不同的土地利用生態結構，因此，結合已有研究，本文采用償付意愿法來估算生態系統服務價值［12］。

結合邯鄲市土地利用類型結構及區域特征建立了適合于本區域生態系統服務價值的計算公式（公式1）和土地利用類型生態服務價值對照表（表1）。通過表1可知，邯鄲區域生態服務價值除了建設用地外，與段瑞娟等［11］提出的北京區域生態服務價值最為接近。

式中：E——研究區生態系統服務總價值（億元）；Ai——研究區第i中土地利用類型的分布面積（km2）；Ci——單位面積土地利用類型i的生態系統服務價值系數。為計算生態服務價值空間分布特征，本文采用1 km×1km空間格網覆蓋整個研究區域，然后利用

表1 土地利用類型及生態系統服務價值對照表 萬元／km2

ArcGIS軟件的交叉表分析得出每個格網的土地利用類型面積，在此基礎上根據公式（1）將格網內各種土地利用類型生態服務價值累加，計算每個格網的生態服務總價值，最后通過符號分級顯示區域生態服務價值的空間分布特征。

2.2.2 地統計學計算原理 地統計學是以具有空間分布特點的區域化變量理論為基礎，研究自然現象的空間變異與空間結構的一門學科［13］，以變異函數（半方差）作為主要的分析方法。變異函數是判別和分析區域性變量結構性、隨機性和變異性的重要工具［14］，其計算公式為：

式中：r（h）——變量樣本點距為h的半方差；h——步長；n（h）——變量樣本點的點對數；Z（xi），Z（xi＋h）——區域化變量在xi和xi＋h處的數值。變異函數分析通常以對半變異函數圖的模型擬合為基礎，所考查的主要參數包括：C0（塊金值）、C0＋C（基臺值）、C0／（C0＋C）（塊金方差與基臺值之比）、C／（C0＋C）（空間結構比）、a（變程）。當h 較小時，變量在兩點（x，x＋h）處的觀測值z（x）與z（x＋h）具有某種程度的相關性，且這種相關性隨著h的增大而減小，當h達到一定程度及步長a時，兩點不再具有相關性；C0＋C（基臺值）闡明了區域變量的最大變異程度，C則表示空間自相關部分引起的空間異質性；C0／（C0＋C）（塊金方差與基臺值之比）反映了隨機部分引起空間異質性占總空間異質性的比重；C／（C0＋C）（空間結構比）表示結構因素對總空間異質性的貢獻程度。

地統計半方差函數適合于處理以空間離散點方式存儲的空間數據，上述所得生態服務價值以格網為單元，表現為面柵格數據，因此需要將其轉換為以格網中心點表示的點矢量數據，轉換成功后便可將其作為輸入數據，通過分析南—北、東—西、東南—西北、東北—西南4個方向的半方差函數模型擬合圖及相關參數，闡明生態系統服務價值的空間分異規律。

3 結果與分析

3.1 生態服務價值空間分布

據附圖5可知，1997—2007年間邯鄲市生態服務價值在空間分布上并未發生劇烈改變，仍保持著較穩定的空間分布格局，其中生態服務價值的典型高值區域主要分布于邯鄲市的岳城水庫及其周邊區域；高值區主要位于邯鄲市西部地區及中部零星區，這主要是因為該區域地形較高，據邯鄲市生態城市建設規劃需要，西部山地丘陵為生態屏障區，起到防風固沙、調節氣候、保護環境、保持水土、水源涵養、構成綠色生態體系的目的，這一地區進行退耕還林種植了大量樹木，形成了綠色生態屏障為主體的林地，林地在生態服務價值計算模型中所占正向權重較大，從而使該區域生態服務價值最高；生態服務價值較低的的區域主要分布于中部地區，該區域屬于城鎮集結區，城鎮及農村居民用地呈聚集狀分布，工業設施完善，而城鎮聚落用地在計算過程中的權重較低，導致該區域指數偏低；生態服務價值中等的區域主要分布于邯鄲市北部、東部及南部邊緣地區，這主要是因為該區域地勢平坦，遠離城市中心區，土地利用類型以農用地為主，同時該區域水系較多，導致該區域生態服務價值介于高低之間。

3.2 基于地統計的生態服務價值空間結構分析

3.2.1 統計特征分析 按照經典統計方法，對1997年和2007年邯鄲市生態服務價值及土地利用結構進行統計分析（表2—3），結果表明：1997—2007年10a間，邯鄲市的生態系統服務價值呈下降態勢，生態系統服務價值由1997年的1 095.8下降為2007年的1 053.3，均值由1997年的56.885降為2007年的56.874，標準差則由1997年的68.289降為2007年的68.207，這說明2007年的生態服務價值比1997年更加向均值區域靠攏，差距縮小。這主要是因為耕地面積、草地、水域面積減少，而建設用地大幅度增加，導致邯鄲市生態服務價值降低，盡管林地面積有較大幅度增加，促使生態服務價值增高，但其增高幅度難以彌補其他土地類型變化所導致的生態服務價值下降，因此總體呈下降趨勢勢。表2表明，1997年和2007年的邯鄲市生態系統服務價值均呈偏態分布，因此在進行地統計分析前需對原始數據進行變換，使數據滿足高斯正態分布。

表2 邯鄲市1997年、2007年生態服務價值統計

表3 邯鄲市1997年、2007年土地利用類型結構

3.2.2 生態系統服務價值空間變異結構分析 據圖4及表4，邯鄲市生態系統服務價值的空間結構在東—西、南—北、東北—西南、西北—東南4個方向存在明顯的方向性特征，其中東—西和南—北方向的塊金效應較為相似，差值僅為0.01，而東北—西南和西北—東南兩個方向的塊金效應較為相似，差值為0.19，這表明東—西和南—北、東北—西南和西北－東南兩組方向上的誤差影響基本相同。變程反映了區域化變量在空間上的相關范圍，圖1表明生態系統服務價值的相關范圍在4個方向上存在較明顯差異，大小順序為西北—東南＜南北＜東北—西南＜東—西，分別為23.3，32.0，33.6，37.1km，在東—西方向，生態系統服務價值具有大尺度的空間相關性，這說明該方向的土地利用類型呈聚集分布，具有較好的空間均質性；西北—東南方向具有最小的變程，說明在該方向的生態服務價值只在局部尺度具有相關性，這是因為該方向的土地利用景觀呈現出較強的破碎性，空間異質性嚴重。

C0／（C0＋C）是反映區域化變量空間異質性程度的重要指標，該比值反映了在空間變異的成分中區域因素（自然因素）和非區域因素（人為因素）的主導作用。從表4可知，生態服務價值在4個方向的比值順序為南—北＜東—西＜西北—東南＜東北—西南，分別為0.21，0.28，0.32，0.34，4個方向均不超過0.5，反映出邯鄲市生態系統服務價值在所研究的尺度上具有較強的空間自相關格局 ，目前雖然受到一些地形、土壤類別等小尺度因素的影響 ，但還沒有達到破壞其原有空間格局的程度。

圖1 邯鄲市生態系統服務價值多方向空間結構

表4 1997年邯鄲市生態系統服務價值空間結構參數

4 結論

（1）1997—2007年10a間邯鄲市的生態系統服務價值總體比較穩定，空間分布格局基本未發生改變，但通過極值分析，發現10a間區域的生態系統服務價值呈下降態勢，這主要是由耕地面積、草地、水域面積減少，而建設用地大幅度增加導致邯鄲市生態服務價值降低，盡管林地面積有較大幅度增加，促使生態服務價值增高，但其增高幅度難以彌補其他土地類型變化所導致的生態服務價值下降，因此總趨勢呈下降態勢；

（2）邯鄲地區生態服務價值空間異質性顯著，其中高值區域主要集中于邯鄲市西部山區、半山區地帶，這主要是因為根據邯鄲市生態城市建設規劃需要，西部山地丘陵為生態屏障區，起到防風固沙、調節氣候、保護環境、水土保持、涵養水源、構成綠色生態體系的目的，這一地區退耕還林，種植了大量樹木，形成了綠色生態屏障為主體的林地，土地利用類型以生態價值貢獻較大的林地為主；低值區域主要分布于城鄉交錯及城鎮建成區，呈現出云簇狀分布；中等價值區域呈現條帶狀分布，穿插于高低指數之間，主要分布于城鄉過渡地區?？傮w來講，邯鄲地區生態服務價值呈現出從中間向四周特別是向西北部呈放射性增加趨勢。

（3）地統計學研究表明，邯鄲市生態服務價值的分布表現出顯著的方向性，尤其在東—西和西北—東南兩個方向，存在明顯的地帶分布差異，西北—東南方向的生態服務價值存在小尺度的相關性，即景觀的分布表現出一定的破碎性；生態服務價值在東西方向表現出大尺度的相關性，景觀分布表現出均質性。同時，邯鄲市生態系統服務價值在所研究的尺度上具有較強的空間自相關格局，目前雖然受到一些地形、土壤類別等小尺度因素的影響，但還沒有達到破壞其原有空間格局的程度。

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