基于梯度分析的武漢市生態系統服務價值時空分異特征

李 全，李 騰，楊明正，應 瑋

1 武漢大學資源與環境科學學院, 武漢 430079 2 地理信息系統教育部重點實驗室, 武漢 430079 3 北京師范大學全球變化與地球系統科學研究院, 北京 100875

基于梯度分析的武漢市生態系統服務價值時空分異特征

李 全1,2,*，李 騰1,3，楊明正1，應 瑋1

1 武漢大學資源與環境科學學院, 武漢 430079 2 地理信息系統教育部重點實驗室, 武漢 430079 3 北京師范大學全球變化與地球系統科學研究院, 北京 100875

以2000年和2010年覆蓋武漢市域的6景Landsat TM/ETM+遙感影像為基礎數據,運用最大似然分類法提取土地利用類型,結合計算的武漢市單位面積生態系統服務價值,得到柵格尺度的武漢市生態系統服務價值分布圖,并引入梯度分析方法,以城市中心為原點設置梯次環及考慮城市發展軸線設置采樣條帶,選取生態系統服務價值變化量和變化率兩項指標進行梯度分析。結果表明,2000—2010武漢市總的生態系統服務價值共減少了2.68億元；梯次環分析發現,武漢距離城市中心12—30km的北3—5環,以及距離市中心12—24km的南3—4環生態系統服務價值下降最為顯著,而北8環及南7環則上升最為明顯；條帶分析發現,在東西向條帶上,生態系統服務價值變化率曲線圖呈現出一個對稱的“W”形,而在南北方向上,變化率曲線可以按照變化的幅度分成了4個部分,此外與梯次環變化率曲線規律一致的是,北部要比南部變化更為劇烈。

生態系統服務價值；梯度分析；時空分異；武漢市

生態系統是人類生存發展必不可少的基礎,它的存在及形成過程為人類提供了各種服務與效用[1- 3]。生態系統服務價值(Ecosystem Services Value,ESV)是指人類從這些生態系統功能中直接或間接所獲得利益的貨幣價值化[4]。生態系統服務價值和區域的自然地理要素分布、社會經濟發展狀況密切相關[5]。這些因素在空間上均具有隨機性和結構性,因此生態系統服務價值存在著一定的空間關聯性[2,6]。對區域生態系統服務價值的時空分異特征進行研究,有利于揭示研究對象之間空間相互作用的機制,對于指導生態城市的建設和城市可持續發展具有重要意義。

1997年,Costanza[7]在《Nature》上發表“全球生態系統服務價值和自然資本”一文,使生態系統服務價值的定量評估成為國際可持續發展研究的熱點之一,引發了國內外眾多學者對生態系統服務價值的理論、評價、核算方法和應用的研究[8]?，F有研究中,生態系統服務價值分布空間格局的分析研究是一個重要的組成部分。國內方面,一部分研究按照生態系統服務價值的高低將研究區進行區劃,分區比較變化情況[9],或是分析土地利用結構變化與生態系統服務價值之間的敏感性[10]。而大多數生態系統服務價值的時空分異特征分析基于地統計方法,如胡和兵等計算了流域內部的全局和局部自相關系數[11],彭保發等將離散的生態系統服務價值柵格數據進行克里格插值[12],張曉楠等選擇在不同方向上的生態系統服務價值的空間異質性分析[13],以及趙亮對饒力河流域在60年間生態價值質心的定位與轉移研究[14]。國際方面,Li等[15]對中國1990—2010年間的ESV空間變化進行了熱點和冷點分析,Wang等[16]以大區為單元分析了中國1980—2010年間的ESV的時空分異,Zhao[17], Li[18], Wu[19]則分別研究了崇明島、杭州及深圳的土地利用變化對其生態系統服務價值變化的影響。總體來說,有關生態系統服務價值本身的空間分布規律的量化研究數量有限且方法單一。

空間梯度,是指沿某一方向景觀特征有規律地逐漸變化的空間特征[20]。梯度分析最早應用于植被分布規律的分析,McDonnell等指出“城市-鄉村”梯度與“城市-郊區”梯度相似,可沿著城市化的梯度的截面上采樣[21]。國外學者在“城市-鄉村”梯度上對生態系統服務價值進行了一些實證研究,比如Radford[22]在英國Greater Manchester地區對9種生態系統服務進行采樣,并按照不透水層的比例分為城市、近郊、遠郊、鄉村4層梯度；Kroll[23]則對德國統一以來東德Leipzig-Halle地區生態系統服務供需關系的時空變化進行研究,并指出人口是生態系統服務需求變化最重要的驅動力。梯度分析雖然已是一種廣泛應用于地理要素時空分異特征研究的有效方法,但是目前的研究主要集中于景觀結構特征。

為了揭示生態系統服務價值的時空變化特征以及其在距離城市中心不同截面的空間規律,本文以Costanza、謝高地等學者的研究成果為基礎,結合遙感和地理信息系統技術,對武漢市2000年和2010年生態系統服務價值進行估算,并將梯度分析引入研究,系統分析研究對象的空間分布格局及其時空變化過程。

1 數據與方法

1.1 研究區

武漢市位于江漢平原東部,長江和漢水交匯處,地跨113°4l′—115°05′E, 29°58′—3l°22′N,全市總面積8467.11 km2,是湖北省最大的城市,也是華中地區政治、經濟、教育和文化中心。該市屬于亞熱帶季風氣候,水資源豐富,河湖眾多。武漢市目前城市人口達1060萬人，國內生產總值超過1萬億元。自20世紀80年代后期以來,武漢城市化發展迅速,建設用地占用耕地、水域,導致土地利用類型發生劇烈變化,因而引起武漢市的生態系統服務價值起伏波動。

1.2 土地利用分類

以2000年3月的3景Landsat TM影像和2010年3月的3景去除條帶后的Landsat /ETM+影像為基礎數據,利用ERDAS IMAGINE 9.2 軟件選擇4、3、2三個波段、參考武漢市地形圖幾何校正,并進行圖像增強、數據融合等預處理,在此基礎上進行矢量多邊形裁切,獲得武漢市域范圍的遙感影像。以《土地利用現狀分類》(GB /T 21010—2007)的一級分類為基礎,結合武漢市土地利用類型圖,在ERDAS IMAGINE 9.2環境下,運用最大似然分類法對影像進行解譯處理,同時對于個別明顯誤判的圖斑通過野外觀測修正,提取出林地、園地、耕地、水域、未利用地、建設用地共6種土地利用類型。兩期影像土地利用分類總精度分別為81.2%、87.3%,Kappa值分別為0.7935、0.8476,各類別生產者精度和用戶精度在80%以上,達到分類精度要求。經過精度檢驗合格后,得到2000年和2010年武漢市土地利用類型圖。

1.3 生態系統服務價值計算

參考謝高地等對生態服務當量因子的經濟價值計算的方法[24],根據武漢市糧食生產收益計算武漢市生態服務價值因子的經濟價值。其中,水域對應河流/湖泊生態系統,耕地對應農田生態系統,林地對應森林生態系統,園地對應森林和草地生態系統,未利用地對應荒漠生態系統。基于武漢市統計年鑒中的糧食產值與耕種面積數據,計算得武漢市2010年平均糧食生產的單位面積總收益為13625.252元/hm2。根據武漢市物價局農產品成本收益資料,得知武漢市單位面積總投入(包括勞動、化肥、機械和其他4項)為8091元/hm2；另根據胡瑞法和冷燕研究[25],估計2005年全國平均糧食生產的影子地租,比較估計獲得武漢土地用于糧食生產的影子地租約為3000元/hm2,依此計算武漢單個生態服務價值當量因子的經濟價值量為2534.252元/hm2。將此值與各生態服務價值當量值相乘,可獲得生態系統功能服務價值系數,即單位面積生態系統的服務價值。計算所得2010年年武漢市林地、耕地、園地、水域、建設用地及未利用地的單位面積生態系統服務價值分別為71263、20021、45642、114928、0、1064元 hm-2a-1。

然后,應用Costanza生態系統服務價值計算公式,計算武漢市生態系服務價值。

ESVk=Ak×∑VCk

(1)

(2)

式中,ESVk表示第k種土地利用類型的生態服務價值(元),Ak表示第k種土地利用類型的面積(hm2),VCk表示第k種土地利用類型生的生態系統服務價值系數(元 hm-2a-1)，EVS表示區域生態系統服務總價值(元)。

1.4 梯度分析

為了探討武漢市生態系統服務價值的空間分布特征,引入梯度分析,并設置如下：

(1) 以武漢市城市中心為圓心,半徑每次增加6km,在北部地區設置14個梯次環,在南部地區設置11個梯次環,分別計算每環內部的生態系統服務價值。

(2) 考慮東西向沿江發展軸線和南北向交通發展軸線,設置南北(S-N)、東西(W-E)兩條樣帶,樣帶寬9km,每條樣帶以3km為步長再縱向劃分為9km×3km的矩形樣方,在南北向樣帶上有31個矩形樣方,在東西向樣帶上有16個矩形樣方,每次取樣取出3個矩形樣方,采樣框分別由南向北、由西向東依次滑動,每次采樣記錄樣方單元內的生態系統服務價值。如此,南北向采樣29次,東西向采樣14次。

為了便于量化比較10年之間武漢市生態系統服務價值的變化,本文定義了變化量和變化率兩項指標用以表征變化狀況。

變化量計算公式：

Vj=Vj2010-Vj2000(j=1,2,3,……)

(3)

式中,Vj表示單元j在2000年到2010年生態系統服務價值的變化量,Vj2010、Vj2000分別表示單元j在2010、2000年的生態系統服務價值,j表示不同的梯次環或者條帶上的樣方。

圖1 研究區的梯次環與條帶圖Fig.1 The gradient torus and belt transects in study area

圖2 梯次環編號Fig.2 The coding of gradient circles

變化率計算公式：

(4)

式中,Rj表示單元j在2000年到2010年生態系統服務價值的變化率,Vj2010、Vj2000及j的含義同式(3)。

圖3 條帶樣方編號Fig.3 The coding of belt transects

2 結果與分析

2.1 生態系統總價值構成與變化分析

從土地利用類型圖統計得到6種土地利用類型的面積,再乘以對應的單位面積生態系統服務價值,得到武漢市6種土地利用類型的生態系統服務價值及其總量(表 1)。

圖4 土地利用類型的分類結果Fig.4 Classification result of land use

從表1中可以看出,武漢市生態系統服務價值總值2000年為281.39億元,2010年為278.71億元。從用地類型的構成上來看,耕地的面積廣大,所以盡管其單位價值不高但是對總的生態服務價值的貢獻率最大,超過33%。水域由于生態價值極高,故雖其面積不足全市面積的10%,但對總體服務價值的貢獻率也超過了30%。林地的面積和單位價值居于水域和耕地之間,總體貢獻率超過32%。以上3種用地類型約為總面積的83%,對于總體價值的貢獻率達到98%以上。另外3種用地類型(園地、建設用地、未利用地)之和約占總面積的16%—17%,然而或因面積太小,或因單位價值過低,對總體價值的貢獻率不足2%。

表1 2000年與2010年不同用地類型生態系統服務價值及其在總價值中的比例(萬元、%)

從變化上來看,10年之間武漢市生態系統價值總值降低了2.68億元,約占總值的1%。對總價值貢獻最大的3種用地類型的價值均出現不同比例的下降,其中水域的下降比例最大,由水域引起的價值下降占到了總體減少的52.27%；其次是林地,占到35.19%。以上6種用地類型中僅有園地的價值上升,這應與周邊的蔡甸、江夏、黃陂近郊區將一部分農田改為果園有關。

2.2 基于梯次環的生態系統服務價值變化分析

將2010年與2000年武漢市生態系統服務價值數據進行疊置分析,同一個梯次環內部若變化量為負值表示該環內10年間的生態系統服務價值下降,反之則表示價值上升。將得到的運算結果渲染為9個等級(圖5)。統計各梯次環的變化量數據,得出變化率曲線圖(圖6)。

圖5 2000—2010年各梯次環上生態系統服務價值變化量Fig.5 Variation of ESV with respect to circles, 2000—2010

如圖5、圖6所示,自城市中心向外,生態系統服務價值在南北方向均表現為“上升—下降—上升”的基本趨勢。代表著城市核心地帶的最內環10年間生態系統服務價值輕微上升,自內環向外,南北方向均出現了生態系統服務價值的顯著下降。其中北部主要發生在2—5梯次環,即距城市中心6—30km的范圍,而南部主要發生在2—4梯次環,即距城市中心6—24km的范圍。比較而言,北部地區無論是生態系統服務價值下降的范圍還是幅度均超過南部地區。在這一區域的外圍,城市生態系統服務價值又都出現不同程度的上升,但從增長的數量看,南部地區的增長要顯著高于北部地區。

分析出現這一變化規律的原因,中心城區開發充分,基本不會再開發新的建設用地,其生態系統服務價值的輕微上升主要受到長江水域面積年際變化及綠地面積增加的影響。其次,生態系統服務價值嚴重下降的區域集中在市區外圍,這些地區對應城市化進程最迅猛的區域。對照武漢城市總體規劃(1996—2020),不難發現下降幅度最大的北三四五環是規劃中吳家山、盤龍、陽邏、五湖、北湖等新城或新城組團所在的區域,而南二三環則是近年發展迅猛的江夏區所在位置。地處最外圍的鄉村地帶在2000—2010年間城市化進程相對緩慢,依然是廣大的耕地占據主導地位,隨著退耕還林還草政策的實施,生態系統服務價值呈現上升態勢,尤其是西北部木蘭山風景區和東南部的梁子湖區保護得當,生態系統服務價值上升尤為明顯。

2.3 基于條帶的生態系統服務價值變化分析

與基于梯次環的變化率曲線圖相似,東—西向條帶上生態系統服務價值變化率曲線圖呈現出一個對稱的“W”形,從中心向外圍依次為“正—負—正”的趨勢,但在左半部分(C0—C6)變化更為劇烈,近10年來武漢市沿漢江向上游開發力度較大,大量耕地轉化為建設用地是造成這種現象的直接原因。右半部分(C9—C14)變化輕微,C9—C13減少的部分主要來自東湖、沙湖面積萎縮；C14略有增加,同中心城區類似地,主要與長江江面寬度的年際變化有關。

圖6 2000—2010各梯次環上生態系統服務價值變化率曲線Fig.6 Change rate of ESV with respect to belt transects, 2000 —2010

南—北向條帶上生態系統服務價值變化率曲線可以劃分為4個部分：樣方R1—R7,位于武漢市南部遠郊地區,用地類型主要是耕地,此部分生態系統服務價值有較大比例上升；樣方R8—R12,位于南部的近郊和市區,耕地、水域、建設用地混雜在一起,生態系統服務價值基本保持不變；樣方R13—R20,位于北部的市區和近郊,生態系統服務價值減少明顯；樣方R21—R29,位于北部遠郊地區和木蘭山風景區,此部分生態系統服務價值呈劇烈上升。總體而言,以R12為中心向南北兩個方向上仍然保持了“上升—下降—上升”的基本趨勢,且與基于梯次環的變化率曲線規律一致：北部要比南部變化更為劇烈。

圖7 2000—2010年東-西條帶上生態系統服務價值變化率曲線 Fig.7 Change rate of ESV with respect to W-E belt transects

圖8 2000—2010年南-北條帶上生態系統服務價值變化率曲線Fig.8 Change rate of ESV with respect to S-N belt transects

3 結論與討論

3.1 結論

本文計算了武漢市單位面積生態系統服務價值,并引入梯度分析方法對2000—2010年武漢市土地利用時空變化所導致的生態系統服務價值時空分異特征進行了分析,分析發現：

(1)2000—2010年武漢市總生態系統服務價值共減少了2.68億元,其中由于水域面積萎縮造成的生態系統服務價值下降最為嚴重。

(2)基于梯次環分析,在距離城市中心12—30km的北3—5環,以及距離市中心12—24km的南3—4環生態系統服務價值下降最為顯著,而北8環及南7環則上升最為明顯。

(3)基于條帶分析,在東西向條帶上,生態系統服務價值變化率曲線圖呈現出一個對稱的“W”形,而在南北方向上,變化率曲線可以按照明顯上升、基本不變、明顯下降及劇烈上升分成4個部分。此外,與梯次環變化率曲線規律一致的是,北部要比南部變化更為劇烈。

3.2 討論

本文的評估和分析有利于對生態系統服務價值空間格局及時空分異規律的認識和理解,為城市規劃、土地利用及城市管理決策部門提供宏觀參考。不過,生態系統服務價值評估涉及到資源經濟學、環境經濟學、生態經濟學、生態學、人口學和經濟學等多種學科,由于本文著重探討生態系統服務價值的空間格局分析,對生態系統服務價值的估算尚不夠精細和全面,亦僅計算了土地利用類型的生態系統服務價值總量,未能顧及同一種土地利用類型內部具體的生態系統服務。同時,在后續研究中可以考慮在收集更多城市化相關社會經濟數據的基礎上,結合城市化程度來進一步分析城市化對生態系統服務價值的影響。

[1] 張志強, 徐中民, 程國棟. 生態系統服務與自然資本價值評估. 生態學報, 2001, 21(11):1918- 1926.

[2] Daily G C. Nature′s Services: Societal Dependence on Natural Ecosystems. Washington DC:Island Press, 1997: 100- 110.

[3] Cairns Jr J. Protecting the delivery of ecosystem services. Ecosystem Health, 1997, 3(3): 185- 194.

[4] 謝高地, 甄霖, 魯春霞, 曹淑艷, 肖玉. 生態系統服務的供給、消費和價值化. 資源科學, 2008, 30(1): 93- 99.

[5] 許倍慎, 周勇, 徐理, 于雷, 吳文斌. 湖北省潛江市生態系統服務功能價值空間特征. 生態學報, 2011, 31(24): 7379- 7387.

[6] 歐陽志云, 王效科, 苗鴻. 中國陸地生態系統服務功能及其生態經濟價值的初步研究. 生態學報, 1999, 19(5): 607- 613.

[7] Costanza R, d′Arge R, De Groot R, FarberS, GrassoM, HannonB, Limburg K, Naeem S, O′Neill R V, ParueloJ, Raskin R G, Sutton P, Van Den Belt M. The value of the world′s ecosystem services and natural capital. Ecological Economics, 1998, 25(1): 3- 15.

[8] 閔捷, 高魏, 李曉云, 張安錄. 武漢市土地利用與生態系統服務價值的時空變化分析. 水土保持學報, 2006, 20(4): 170- 174.

[9] 熊永柱, 樊風雷, 朱長柏, 張正棟. 廣州市生態系統服務價值時空變化遙感監測. 廣東農業科學, 2012, 39(15): 196- 201.

[10] 程琳, 李鋒, 鄧華鋒. 中國超大城市土地利用狀況及其生態系統服務動態演變. 生態學報, 2011, 31(20): 6194- 6203.

[11] 胡和兵, 劉紅玉, 郝敬鋒, 安靜. 城市化流域生態系統服務價值時空分異特征及其對土地利用程度的響應. 生態學報, 2013, 33(8): 2565- 2576.

[12] 彭保發, 陳端呂. 常德市土地覆被的生態服務價值空間變異分析. 經濟地理, 2012, 32(1): 141- 145.

[13] 張曉楠, 宋宏利, 李振杰. 基于地統計學的區域生態服務價值空間分異規律研究. 水土保持研究, 2012, 19(6): 168- 171, 175- 175.

[14] 趙亮, 劉吉平, 田學智. 近60年撓力河流域生態系統服務價值時空變化. 生態學報, 2013, 33(10): 3169- 3176.

[15] Li G D, Fang C L, Wang S J. Exploring spatiotemporal changes in ecosystem-service values andhotspots in China. Science of the Total Environment, 2016, 545- 546: 609- 620.

[16] Wang W J, Guo H C, Chuai X W, Dai C, Lai L, Zhang M. The impact of land use change on the temporospatial variations of ecosystems services value in China and an optimized land use solution. Environmental Science&Policy, 2014, 44: 62- 72.

[17] Zhao B, Kreuter U, Li B, Ma Z J, Chen J K, Nakagoshi N. An ecosystem service value assessment of land-use change onChongming Island, China. Land Use Policy, 2004, 21(2): 139- 148.

[18] Li T H, Li W K, Qian Z H. Variations in ecosystem service value in response to land usechanges in Shenzhen. Ecological Economics, 2010, 69(7): 1427- 1435.

[19] Wu K Y, Ye X Y, Qi Z F, Zhang H. Impacts of land use/land cover change and socioeconomic developmenton regional ecosystem services: the case of fast-growing Hangzhou metropolitan area, China. Cities, 2013, 31: 276- 284.

[20] 傅伯杰, 邱揚, 陳利頂. 景觀生態學的原理及應用//中國地理學會自然地理專業委員會. 全球變化區域響應研究. 北京: 科學出版社, 2000.

[21] McDonnell M J, Pickett S T A, Groffman P, Bohlen P, Pouyat R V, Zipperer W C, Parmelee R W, Carreiro M M, Medley K. Ecosystem processes along an urban-to-rural gradient. Urban Ecosystems, 1997, 1(1): 21- 36.

[22] Radford K G, James P. Changes in the value of ecosystem services along a rural-urban gradient: a case study of Greater Manchester, UK. Landscape and Urban Planning, 2013, 109(1): 117- 127.

[23] Kroll F, Müller F, Haase D, Fohrer N. Rural-urban gradient analysis of ecosystem services supply and demand dynamics. Land Use Policy, 2012, 29(3): 521- 535.

[24] 謝高地, 甄霖, 魯春霞, 肖玉, 陳操. 一個基于專家知識的生態系統服務價值化方法. 自然資源學報, 2008, 23(5): 911- 919.

[25] 胡瑞法, 冷燕. 中國主要糧食作物的投入與產出研究. 農業技術經濟, 2006, (3): 2- 8.

Spatiotemporal variation of ecosystem services value based on gradient analysis in Wuhan:2000—2010

LI Quan1,2,*, LI Teng1,3, YANG Mingzheng1, YING Wei1

1SchoolofResourcesandEnvironmentalScience,WuhanUniversity,Wuhan430079,China2KeyLaboratoryofGeographicInformationSystem,MinistryofEducation,WuhanUniversity,Wuhan430079,China3CollegeofGlobalChangeandEarthSystemScience,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China

Ecosystems provide a multitude of services that are fundamental to the well-being, livelihood, health, and survival of humans. A comprehensive understanding of the spatiotemporal features of Ecosystem Services Value (ESV) is necessary for appropriate land use and land management in metropolitan areas. Based on this research, methods of quantitative analysis could be considerably improved. Considering Wuhan as an example, we classified Landsat TM/ETM+ images into developed land, unused land, arable land, garden plots, forests, and water by using a maximum likelihood analysis, and calculated the ESV per unit area. Based on spatial distributional maps of ESV, we introduced a gradient analysis and set gradient circles and belt transects to analyze the spatiotemporal features of ESV. The main conclusions were 1) the amount of ESV decreased by 268 million RMB from 2000 to 2010; 2) based on the gradient circles analysis, ESV decreased within the north 3rdto 5thring road (corresponding to 12—30 km from the urban center) and south 3rdto 4thring road (corresponding to 12—24 km from the urban center), whereas ESV increased within the north 8thring and south 7thring;3) based on the belt transects analysis, the change rate of ESV showed a symmetrical W-shape pattern latitudinally, whereas longitudinally, it was partitioned into four sections based on theamplitude of the ESV change rate. Overall, northern Wuhan demonstrated more changeability in ESV than the southern area.

Ecosystem Services Value (ESV); gradient analysis; spatiotemporal variation; Wuhan

國家自然科學基金資助項目(71073116)；國家基礎科學人才培養基金科研能力訓練項目(J1103409)

2015- 10- 28;

日期:2016- 08- 02

10.5846/stxb201510282180

*通訊作者Corresponding author.E-mail: leequang@whu.edu.cn

李全，李騰，楊明正，應瑋.基于梯度分析的武漢市生態系統服務價值時空分異特征.生態學報,2017,37(6):2118- 2125.

Li Q, Li T, Yang M Z, Ying W.Spatiotemporal variation of ecosystem services value based on gradient analysis in Wuhan:2000—2010.Acta Ecologica Sinica,2017,37(6):2118- 2125.