鹽城海岸帶生態系統服務價值時空分異

劉玉卿，張華兵，張云峰

（鹽城師范學院 城市與規劃學院，江蘇 鹽城 224007）

生態系統服務是指自然生態系統為人類提供的多種直接和間接的生態服務和無形的生態效益［1］。當前人類活動的足跡幾乎遍及各大自然生態系統，全球近乎60%的生態系統服務已經或正在經歷著退化，生態系統服務功能也隨之發生變化［2］。自COSTANZA等［1］進行全球生態系統服務價值（ecosystem service value，ESV）評估后，ESV研究引起了國內外學者的廣泛關注，并成為了可持續發展研究的熱點之一。眾多學者［3-9］對森林、草地、濕地、城市等不同生態系統的ESV進行了研究，尺度涉及國家、省域、市縣及鄉鎮單元，為ESV評估、生態環境修復等提供了豐碩的科學支持。當前關于區域生態系統服務價值的研究多以土地利用類型或行政區域作為基本的分析單元，難以深入揭示生態系統服務價值的空間差異。鹽城海岸帶濕地是中國沿海地區最大的海岸濕地，擁有鹽城珍禽自然保護區和麋鹿Elaphurus davidianus自然保護區，其提供的生態系統服務對維持區域生物多樣性和改善人類福祉具有重要意義。長期以來，人類不斷增強的圍墾活動使研究區灘涂濕地承受了巨大壓力，濕地生態系統服務功能受損，丹頂鶴Grus japonensis等珍稀鳥禽的生境遭受嚴重破壞［10］。當前關于鹽城沿海濕地ESV的研究沒有充分反映出區域ESV時空動態及內部差異性，并且缺乏從空間統計與分析角度研究ESV時空演化的特征［11-13］。因此，本研究以鹽城海岸帶為例，基于3 km×3 km格網尺度對研究區1997-2014年的ESV進行了估算，并結合空間自相關方法探討了ESV的時空分布特征，以期為生態系統服務估算、濕地生態修復及生態補償等提供科學依據。

1 研究區概況及數據

1.1 研究區概況

鹽城海岸帶（32°34′～34°28′N， 119°27′～121°16′E）位于江蘇省東部沿海， 面積約 45 萬 hm2， 擁有中國面積最大的沿海濕地。一般以蘇北灌溉總渠為界，渠北為南暖溫帶氣候帶，渠南側為北亞熱帶氣候帶［14］。本研究范圍北至蘇北灌溉總渠，南至北凌河口，西至鹽城老海堤（江蘇226省道），東至海水-3 m等深線的鹽城濱海濕地地區。研究區總面積約3 523 km2［15］，年平均氣溫為14℃，年降水量為900～1 100 mm。

1.2 數據來源及處理

以研究區1997，2007與2014年3期Landsat TM/ETM+影像為數據源，利用ENVI4.7提取研究區景觀類型信息。區域內生態系統類型多樣，包括自然生態系統和人工生態系統。其中河流、蘆葦Phragmites australis沼澤、堿蓬Suaeda salsa沼澤、互花米草Spartina alterniflora沼澤及光灘為自然生態系統，農田、鹽田、養殖池與城鎮用地為人工生態系統。按照研究需要并結合國際濕地公約對濕地的分類［16］，將研究區景觀類型劃分為耕地、養殖池、蘆葦沼澤、互花米草沼澤、堿蓬沼澤、光灘、建設用地、鹽田與河流共9類。本研究采用非監督分類和人工目視解譯相結合的方式解譯影像，以地面調查的信息對分類結果進行驗證，解譯精度均在90%以上。最終生成研究區1997，2007與2014年3期景觀分類圖，提取研究區各景觀類型的屬性信息用于后續分析（圖1）。

2 研究方法

2.1 生態系統服務價值估算

圖1 鹽城海岸帶景觀類型示意圖Figure 1 Landscape map in Yancheng coastal zone

參考謝高地等［17］改進的單位ESV系數并根據鹽城海岸帶的實際情況，將研究區不同景觀類型與最接近的生態系統類型聯系起來，具體為將養殖池當量因子與水域相對應，蘆葦沼澤、堿蓬沼澤、互花米草沼澤的當量因子均取濕地服務功能的當量因子，光灘當量因子與荒漠相對應。同時，參照謝高地等［17］和索安寧等［18］的研究成果，調整和確定研究區各生態系統類型的當量因子。其中，建設用地的氣候調節和氣體調節功能參照荒漠的相應功能，其文化娛樂功能設定為與森林的文化娛樂功能對應，其他生態功能設為0。養殖池的食物生產、氣候及氣體調節功能參照水域相應的生態功能，娛樂文化功能參照農田，其他生態功能取0。基于研究區1997，2007及2014年小麥Triticum aestivum，玉米Zea mays和大麥Hordeum vulgare的平均產量（7 353 kg·hm-2）和多年糧食平均價格，計算研究區單位面積農田生態系統提供食物生產的經濟價值為2 654.08元·hm-2·a-1。鹽田主要提供原材料功能，計算得出鹽田的原材料提供功能為7 920元·hm-2·a-1。最終確定研究區生態系統單位面積價值見表1。

表1 鹽城海岸帶單位面積生態系統服務價值Table 1 Ecosystem service value unit area of different ecosystem type in Yancheng coastal zone

以土地利用類型或行政區域作為ESV評價單元的研究，難以深入揭示ESV的空間差異。本研究采用格網單元進行ESV評價，其計算公式如下：

式（1）中：VESk是第k個格網的ESV指數；Ak為第k個格網的面積；Aki為第k個格網第i種景觀類型的面積；Ei為第i種景觀類型的生態系統服務價值系數；n為格網中景觀類型的數量。

2.2 空間自相關分析

空間自相關分析是研究ESV空間分布特征的常用方法，可判別ESV各觀測值之間的空間相關程度。Moran’s指數是進行空間自相關分析最常見的方法之一， 選取全局 Moran’s指數［19］和局部 Moran’s指數［20］進行分析。前者可揭示ESV在整個研究區范圍內的空間關聯程度，后者可描述不同空間位置上ESV可能存在的空間關聯模式。全局Moran’s指數（I）和局部Moran’s指數（Ii）計算公式如下：

式（2）和式（3）中：I為全局Moran’s指數；Ii為局部Moran’s指數；n為參與分析的研究區格網單元數；i，j為相鄰的格網；xi，xj為變量x（ESV）在相鄰格網中的取值為空間權重矩陣是變量的平均值。

2.3 敏感性分析

式（4）中：VESb為系數調整前的ESV；CVb為調整前的ESV系數；VESa為調整系數后的ESV；CVa為調整后的ESV系數；Cs為敏感性系數，Cs＞1表明ESV的估算結果可信度低，Cs＜1表明研究結果是可信的。

采用敏感性指數分析ESV對ESV系數的敏感程度［21］。計算公式如下：

3 結果與分析

3.1 鹽城海岸帶不同景觀類型ESV分析

從表2看出：鹽城海岸帶1997，2007和2014年的ESV分別為134.33億元，117.72億元和97.13億元。ESV在1997-2014年呈不斷下降趨勢，主要原因是研究區自然濕地蘆葦沼澤、堿蓬沼澤、河流面積的減少，三者的單位生態系統服務價值系數較高，使得ESV總量減少。耕地、養殖池、鹽田ESV增加在一定程度上抵消了ESV總量的損失。從ESV具體構成來看，研究區耕地、蘆葦沼澤、互花米草沼澤ESV占ESV總量的比例較高，3種景觀類型的ESV占比超過60%，是研究區主要的景觀類型。光灘、建設用地、鹽田對研究區ESV的貢獻相對較小。堿蓬沼澤ESV在研究期間表現出顯著下降的變化趨勢，人類圍墾和互花米草的擴張引起堿蓬生境的減少，最終導致其提供生態系統服務的功能受損。研究期間由于經濟利益的驅使，養殖池面積不斷擴張，雖然其提供ESV的貢獻不斷增加，由1997年的2.71%上升至2014年的9.27%，其擴張也對研究區自然濕地造成了嚴重破壞，威脅到丹頂鶴等珍稀鳥禽的生存生境。河流提供的ESV在研究期間有先增加后下降的趨勢。

表2 鹽城海岸帶1997-2014年不同景觀類型ESVTable 2 ESV of different landscape types in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014

3.2 鹽城海岸帶格網單元不同等級ESV時序分析

根據研究需要和景觀斑塊面積的大小確定格網尺寸［22］，采用3 km×3 km作為格網尺度ESV分析的基本單元，共采集研究區507個格網。基于Arc GIS并依據式（1）計算每個格網的ESV指數，作為格網中心點的ESV。采用標準差分級法將不同格網的ESV劃分為5級：低區（VESk≤796.67萬元）、較低區（796.67萬元＜VESk≤3 014.78萬元）、中區（3 014.78萬元＜VESk≤5 238.92萬元）、 較高區（5 238.92萬元＜VESk≤7 463.04萬元）和高區（VESk＞7 463.04萬元），并據此統計研究區3個時期不同等級ESV分布情況（表3）。從表3看出：研究區在1997-2014年ESV高區分布面積顯著減少，其面積由1997年的467.9 km2下降到2014年的179.99 km2；較高區分布面積也呈不斷減少的趨勢，從1997年的151.86 km2減少至98.96 km2；中區面積變化不大，但也呈減少趨勢；較低區的面積表現出逐漸擴大的格局，由1997年的1 986.94 km2上升到2014年的2 626.85 km2，其占ESV的比例相應地由1997年的56.38%增加到2014年的74.54%，格網數由1997年的242個增加到2014年的314個。

表3 鹽城海岸帶1997-2014年不同等級ESV統計Table 3 ESV level in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014

3.3 鹽城海岸帶1997-2014年格網尺度ESV空間變化分析

結合表3和圖2可看出：研究區1997-2014年的ESV在空間上發生了顯著變化。研究區ESV高區和ESV較高區主要分布在珍禽國家級自然保護區和麋鹿自然保護區及其鄰近區域，且ESV高區有逐漸減少的趨勢，印證了保護區受到人為因素影響后面積和空間范圍縮小的狀況。研究區內ESV較高區空間分布呈先擴大后減少的現象，ESV中區分布較為零散。ESV低區和ESV較低區是分布范圍最廣的類型，從陸地一側到光灘都有分布。其中，ESV較低區在空間分布上表現出逐漸擴大的趨勢。

圖2 鹽城海岸帶1997-2014年ESV等級空間分布示意圖Figure 2 Spatial pattern of ESV level in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014

3.4 ESV空間自相關分析

3.4.1 ESV全局自相關分析 經計算，1997，2007和2014年研究區ESV的全局Moran’s指數I分別為0.660 8，0.632 2和0.620 9（表4），且均為正值，表明ESV的空間分布存在顯著的正相關關系，相鄰格網單元空間ESV呈高度相似性和集聚分布現象。Z檢驗結果顯著，3個時期全局Moran’s指數I的顯著性水平均小于0.05。然而，研究區ESV在1997-2014年的空間集聚分布總體上呈不斷下降趨勢，表明研究區ESV空間集聚有逐漸減弱的趨向，各土地利用類型趨于破碎化。

3.4.2 ESV局部空間自相關分析 全局自相關指數只能從整體上判定ESV空間集聚情況，難以測度相鄰格網之間ESV聚集位置和空間相關程度。因此，采用局部自相關指數Ii，測算了研究區507個格網在不同時段的ESV局部空間自相關格局（圖3），統計不同時段ESV局部自相關的格網數（表5）。結合圖3和表5可看出：研究區高—高集聚的區域主要位于研究區的珍禽國家級自然保護區和大豐麋鹿自然保護區及其周邊區域。隨著灘涂圍墾、農業生產和工業開發的不斷加強，ESV高—高集聚的區域范圍不斷縮小，代表的格網數從1997年的79個下降到2014年的38個，下降幅度達51.90%。研究區ESV低—低集聚的區域主要分布于光灘，低—低集聚的空間范圍也在不斷縮減，由1997年的45個格網減少至2014年的24個格網。研究區存在低—高集聚的空間區域，主要位于保護區周邊，由不同的土地利用方式造成，當前保護區周邊的土地利用方式為農業用地，其ESV價值遠低于保護區景觀類型ESV的價值。同時，研究區存在較多集聚性不顯著的格網，其數量從1997年的371個增加到2014年的431個。

表4 鹽城海岸帶1997-2014年ESV全局自相關指數Table 4 Global autocorrelation index of ESV in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014

圖3 鹽城海岸帶1997-2014年ESV局部空間自相關格局示意圖Figure 3 Local spatial autocorrelation of ESV in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014

表5 1997-2014年鹽城海岸帶格網尺度ESV局部空間自相關Table 5 Local spatial autocorrelation of ESV at grid scale in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014

3.5 敏感性分析

采用敏感性指數Cs來確定ESV隨時間變化情況對價值系數的依賴程度。本研究將各景觀類型的價值系數上下分別調整50%來驗證ESV的變化狀況。表6表明：研究區在1997-2014年調整價值系數后的Cs＜1。可見，ESV對ESV價值系數變化缺乏彈性，研究結果可信。

表6 鹽城海岸帶1997-2014年ESV對價值系數的敏感程度Table 6 Sensitivity of ESV to value coefficients in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014

4 結論與討論

4.1 討論

研究區在研究期間景觀格局發生了顯著變化，主要體現在自然濕地向人工濕地的轉變，ESV總體上呈不斷下降的趨勢。這與相關學者的研究成果基本一致［11-12］。ESV評價受諸多主觀因素的影響，如研究時段、研究方法、ESV價值系數修正的差異等，使得生態系統服務價值估算的絕對值存在一定的差異。本研究估算的ESV值高于邢偉等［11］的結果，低于周鑫等［12］的估算，但ESV的變化趨勢是相近的。因此，本研究的ESV評估仍需進一步改進與完善。首先要加強ESV評估的規范性。雖然本研究ESV估算中對濕地生態系統類型進行了細分，但未區分互花米草、蘆葦及堿蓬沼澤ESV價值系數的差異。近年來互花米草的負面生態影響得到了廣泛的認可［23-24］，本研究未對其生態入侵的危害作深入分析。后續研究要采用更科學的方法對不同濕地景觀類型的ESV系數進行修訂，還應考慮當地居民對生態系統服務的支付意愿、支付能力和社會經濟發展水平的差異。其次，本研究僅對鹽城海岸帶濕地生態系統服務價值進行了估算，暫未考慮海洋生態系統。因此核算海洋生態系統ESV是下一步的研究方向。王靜等［25］和李占玲等［26］研究表明：圍墾前后生態系統服務總的價值相差不大，但圍墾在增加供給服務的同時引起調節服務的較大損失。本研究也表明：不同生態系統類型的此消彼長引起ESV的時空變化，如何權衡與協同研究區不同生態系統服務之間的相互關系，尤其是供給服務與調節服務的關系，實現區域經濟發展與生態保護的 “雙贏”局面是今后的研究方向之一。

4.2 結論

從時間上看，鹽城海岸帶在1997，2007和2014年的ESV分別為134.33億元，117.72億元和97.13億元，總體上呈持續下降的趨勢。研究期間蘆葦沼澤、堿蓬沼澤、河流等自然濕地面積持續減少，耕地、養殖池等人工濕地持續增加，對研究區的生態環境造成了巨大壓力，同時引起ESV的顯著變化。敏感性分析得出：不同時期ESV的敏感性系數均小于1，表明本研究結果可信，可為研究區生態系統服務價值的精細化估算、濕地生態修復及濕地補償等提供科學參考。

從空間分布來看，鹽城海岸帶的ESV在空間上發生了顯著變化。ESV高區面積和空間分布顯著減少，ESV較低區空間分布和面積表現出逐漸擴大的趨勢。自相關分析得出鹽城沿海濕地的ESV在空間上具有一定的集聚分布特征。高—高ESV集聚區主要位于研究區兩大自然保護區及其周邊區域，低—低ESV集聚區主要分布在光灘，且隨著圍墾活動的不斷加強，低—低ESV集聚區域也存在不斷縮小的趨勢。表明當地人類活動對景觀類型利用方式的影響最終影響ESV的供給和分布格局。