西安都市圈生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與人類活動(dòng)強(qiáng)度的時(shí)空關(guān)系

朱琳娜,趙牡丹,李云緋,樊 藝,王 建 (西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710127)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指通過生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能直接或間接得到的生命支持產(chǎn)品和服務(wù)[1]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ecosystem service value, ESV)是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估的貨幣形式[2],是用于評(píng)判區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。在快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程中,人類活動(dòng)強(qiáng)度的變化影響著生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能及服務(wù)的變化,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)平衡和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展造成一定威脅。定量分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空特征,研究其與人類活動(dòng)強(qiáng)度的相關(guān)性對(duì)人地關(guān)系協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

20世紀(jì)70年代起,國外學(xué)者在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的相關(guān)理論及評(píng)估方法等方面開展了大量研究[3-4],奠定了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上,我國學(xué)者改進(jìn)并計(jì)算得到中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值基礎(chǔ)當(dāng)量,并估算了我國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值[5-7]。目前,國內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究多從省市縣域[8-10]及流域[11]尺度展開,而從格網(wǎng)尺度出發(fā)可為研究提供更加精準(zhǔn)的分析視角[12],國內(nèi)學(xué)者在該尺度下對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算及時(shí)空特征分析等領(lǐng)域做了一定探索[13-14],明確格網(wǎng)尺度的分析有利于揭示ESV時(shí)空變化的更多細(xì)節(jié)。

近年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的不斷加快,人類活動(dòng)強(qiáng)度逐漸增大,導(dǎo)致耕地?cái)?shù)量銳減、生物多樣性退化、環(huán)境污染等問題層出不窮。同時(shí),高強(qiáng)度的人類活動(dòng)對(duì)土地利用方式的干擾直接影響生態(tài)系統(tǒng)的格局和過程變化并影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,是ESV變化的重要驅(qū)動(dòng)力[15]。當(dāng)前對(duì)于人類活動(dòng)影響機(jī)制的研究包括人類活動(dòng)強(qiáng)度與景觀格局的耦合響應(yīng)[16]、人類活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)土地利用類型及環(huán)境變化的影響[17]等,但是,人類活動(dòng)強(qiáng)度如何影響ESV變化,兩者在空間和時(shí)間尺度上是否存在內(nèi)在聯(lián)系,尚不清楚。

西安都市圈是關(guān)中平原城市群的核心區(qū)域,作為目前西北地區(qū)唯一獲批的都市圈發(fā)展規(guī)劃區(qū),其對(duì)于推動(dòng)西北各省份新型城鎮(zhèn)化建設(shè)和優(yōu)化區(qū)域經(jīng)濟(jì)布局具有重大戰(zhàn)略價(jià)值。但在經(jīng)濟(jì)發(fā)展與城鎮(zhèn)化建設(shè)過程中,人類活動(dòng)強(qiáng)度的變化不僅影響著區(qū)域土地利用格局的變化,同時(shí)也影響著區(qū)域ESV變化。當(dāng)前,有關(guān)西安都市圈生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的相關(guān)研究多以西安市作為研究對(duì)象[18],且多從土地利用演變[19]、景觀格局[20]等與ESV的關(guān)系角度出發(fā),對(duì)人類活動(dòng)強(qiáng)度與ESV關(guān)系的研究較少。鑒于此,筆者以西安都市圈為研究對(duì)象,在2 km×2 km格網(wǎng)尺度下,以4期土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),使用ESV評(píng)估模型對(duì)該區(qū)域不同時(shí)段ESV進(jìn)行評(píng)估,旨在通過ESV流向損益模型,分析區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部ESV的轉(zhuǎn)移流動(dòng);其次,引入人類活動(dòng)強(qiáng)度指數(shù)評(píng)估模型對(duì)人類活動(dòng)進(jìn)行定量化和區(qū)域化評(píng)估;同時(shí)結(jié)合雙變量空間自相關(guān)模型,分析區(qū)域ESV與人類活動(dòng)強(qiáng)度的空間關(guān)系,以期為西安都市圈生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能提升和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供理論和實(shí)踐支撐。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

西安都市圈是以西安中心城市為主城,以咸陽中心城市為輔城,諸多城鎮(zhèn)沿國道線呈放射狀分布的區(qū)域,地理位置為33°42′ N～35°19′ N、107°40′ E～110°2′ E,范圍包括西安市全域(含西咸新區(qū)),咸陽市秦都區(qū)、渭城區(qū)、興平市、三原縣、涇陽縣、禮泉縣、乾縣、武功縣,銅川市耀州區(qū),渭南市臨渭區(qū)、華州區(qū)、富平縣,楊凌農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)在內(nèi)的4市1區(qū)25縣(圖1),區(qū)域國土面積約為2.06萬km2,占陜西省總面積的10%。區(qū)域內(nèi)以溫帶季風(fēng)氣候?yàn)橹?四季冷暖干濕分明,降水多集中在夏季。

圖1 西安都市圈地理位置及土地利用示意Fig.1 Geographic location and land use in Xi′an metropolitan area

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

1990、2000、2010和2018年4期空間分辨率為30 m的土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn),將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6個(gè)一級(jí)類和25個(gè)二級(jí)類。行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來源于國家基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)中心(www.ngcc.cn/ngcc)。糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》《西安市統(tǒng)計(jì)年鑒》《銅川市統(tǒng)計(jì)年鑒》《渭南市統(tǒng)計(jì)年鑒》和《咸陽市統(tǒng)計(jì)年鑒》。

將格網(wǎng)作為ESV和人類活動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算的最小分析單元和數(shù)據(jù)載體,可顯著提升研究區(qū)各指標(biāo)因子的計(jì)算精度,基于相等的格網(wǎng)面積可提升ESV對(duì)比的可信度[14]。結(jié)合研究區(qū)域總面積,使用ArcGIS軟件中的漁網(wǎng)工具將其劃分為2 km×2 km的格網(wǎng)共計(jì)5 396個(gè),然后再將4個(gè)時(shí)期土地利用數(shù)據(jù)分別與創(chuàng)建的格網(wǎng)進(jìn)行裁剪、相交等操作,統(tǒng)計(jì)各個(gè)格網(wǎng)內(nèi)不同土地利用類型面積,最終計(jì)算得到各個(gè)格網(wǎng)ESV及人類活動(dòng)強(qiáng)度值。

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估模型

基于謝高地等[21]提出的修正方法,參照近年來對(duì)ESV的相關(guān)研究[22-23],選取2018年研究區(qū)農(nóng)田糧食單位面積產(chǎn)量(4 733.4 kg·hm-2)與同期全國農(nóng)田糧食單位面積產(chǎn)量(5 621.18 kg·hm-2)的比值(0.842 1)作為修訂系數(shù),對(duì)謝高地等[5]計(jì)算得到的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單位ESV當(dāng)量因子的價(jià)值量3 406.5元·hm-2進(jìn)行修訂,得出西安都市圈一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量為2 868.49元·hm-2,使用其對(duì)謝高地等[5]修訂的單位面積ESV當(dāng)量表進(jìn)行修正,得到西安都市圈單位面積ESV系數(shù)(表1)。ESV系數(shù)(VES)計(jì)算公式為

表1 西安都市圈各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)Table 1 Value coefficients of various ecosystem services in Xi′an metropolitan area 元·hm-2

(1)

(2)

式(1)～(2)中,VESi為研究區(qū)內(nèi)第i個(gè)格網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,元;Aij為第i個(gè)格網(wǎng)中第j種土地利用類型面積,hm2;Vj為第j種土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù),元·hm-2;VESif為第i個(gè)格網(wǎng)中第f項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,元;Vjf為第j種土地利用類型第f項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值系數(shù),元·hm-2。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值流向損益模型

基于土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值流向損益模型,能夠同時(shí)兼顧研究區(qū)ESV數(shù)量變化特征和時(shí)空轉(zhuǎn)移趨勢,反映研究區(qū)域不同時(shí)段內(nèi)因土地利用類型在空間轉(zhuǎn)移引起的ESV損益的來源和去向。根據(jù)土地利用數(shù)據(jù)核算土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,并計(jì)算研究區(qū)因土地利用類型轉(zhuǎn)變引起的ESV損益。ESV流向損益計(jì)算公式為

Pij=(Vj-Vi)×Aij。

(3)

式(3)中,Pij為土地利用類型由i轉(zhuǎn)向j時(shí)引起的ESV損益,元;Vi、Vj分別為i類土地利用類型的ESV系數(shù)和j類土地利用類型的ESV系數(shù),元·hm-2;Aij為土地利用類型由i轉(zhuǎn)向j的面積,hm2。

2.3 人類活動(dòng)強(qiáng)度指數(shù)評(píng)估模型

人類活動(dòng)通過改變土地利用直接影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布[24]。因此,基于土地利用的視角,采用基于建設(shè)用地當(dāng)量面積占區(qū)域土地總面積百分比的人類活動(dòng)強(qiáng)度指數(shù)評(píng)估方法[25],定量描述人類活動(dòng)對(duì)研究區(qū)內(nèi)ESV的影響。人類活動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算公式為

(4)

(5)

式(4)～(5)中,IHAi為研究區(qū)內(nèi)第i個(gè)格網(wǎng)的人類活動(dòng)強(qiáng)度;SCLE-i為第i個(gè)格網(wǎng)的建設(shè)用地當(dāng)量面積,hm2;S為第i個(gè)格網(wǎng)總面積,hm2;LSij為第i個(gè)格網(wǎng)第j類土地利用類型面積,hm2;ICij為第i個(gè)格網(wǎng)第j類土地利用類型的建設(shè)用地當(dāng)量折算系數(shù)。

建設(shè)用地當(dāng)量是人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)陸地表層作用程度最高的土地利用類型,是一種基本度量單位。不同土地利用類型的建設(shè)用地當(dāng)量為不同土地利用類型面積及其相應(yīng)的建設(shè)用地當(dāng)量折算系數(shù)的乘積。不同土地利用類型的建設(shè)用地當(dāng)量折算系數(shù)是整個(gè)評(píng)估的關(guān)鍵,根據(jù)人類活動(dòng)對(duì)陸地表層作用的強(qiáng)弱將不同土地利用類型換算為建設(shè)用地當(dāng)量系數(shù)[21],耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地的建設(shè)用地當(dāng)量折算系數(shù)(CI)分別為0.2、0.13、0.1、0.6、1和0。

2.4 雙變量空間自相關(guān)模型

采用雙變量空間自相關(guān)分析法,基于GeoDa空間分析工具進(jìn)行雙變量局部自相關(guān)分析,得到空間自相關(guān)指數(shù)Moran′sI、LISA聚集圖和LISA顯著性水平圖。計(jì)算公式為

(6)

(7)

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空演變分析

3.1.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)間變化

以改進(jìn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)(表1)為基礎(chǔ),結(jié)合各年份土地利用類型面積,得到1990—2018年西安都市圈各類土地ESV變化(表2)和單項(xiàng)ESV變化(表3)。

表2 1990—2018年西安都市圈各類土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化Table 2 Changes on ecosystem services value of various types of land in Xi′an metropolitan area from 1990 to 2018

表3 1990—2018年西安都市圈單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及變化Table 3 Value and change of individual ecosystem services in Xi′an metropolitan area from 1990 to 2018 億元

從總體上看,1990—2018年西安都市圈ESV呈降低趨勢,ESV總值由1990年的527.77億元下降到2018年的514.97億元,共降低12.8億元。1990—2000年期間ESV總值降幅最大,為1.12%,主要是受草地和水域面積減少的影響;2000—2010年期間ESV總值降幅最小,為0.52%,主要是水域面積的增長減緩了ESV總值的下降。

從不同土地利用類型來看,1990—2018年林地、水域和未利用地ESV均增加。林地ESV增加最多,1990—2010年其ESV由237.82億元持續(xù)增長至241.14億元,增長率為1.40%;2010—2018年其ESV由241.14億元降至238.57億元,增長率為-1.07%;1990—2018年共增長0.75億元,總增長率為0.32%。水域ESV呈波動(dòng)式增長,1990—2018年其ESV共增長0.32億元,增長率為0.73%。未利用地增長率最大,為66.67%,但由于其ESV占比極少,實(shí)際ESV僅增加0.02億元。1990—2018年草地和耕地ESV均降低,草地ESV雖在2010—2018年有一定程度回升,但總體仍呈降低態(tài)勢,總增長率為-1.64%;耕地ESV除在2000年有小幅度增長外,其余時(shí)間段均下降,1990—2018年耕地ESV總體下降11.9億元,總增長率為-9.58%,可見,耕地變化是1990—2018年西安都市圈ESV總值持續(xù)下降的主要因素。

從各單項(xiàng)ESV變化來看,4類一級(jí)服務(wù)類型在1990—2018年均呈下降趨勢,這與研究區(qū)總體ESV變化趨勢一致。其中,調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值最高,支持服務(wù)價(jià)值高于供給服務(wù)價(jià)值,文化服務(wù)價(jià)值最低。在二級(jí)服務(wù)類型中,水文調(diào)節(jié)價(jià)值最高,水資源供給價(jià)值最低,為負(fù)值。1990—2018年只有水資源供給服務(wù)呈正增長,其余各項(xiàng)服務(wù)價(jià)值均呈負(fù)增長。

3.1.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間變化

基于2 km×2 km格網(wǎng)尺度,計(jì)算研究區(qū)各個(gè)格網(wǎng)的ESV,并按照ArcGIS中的自然斷點(diǎn)分級(jí)法將其劃分為低值(0～288萬元)、較低值(>288萬～734萬元)、中值(>734萬～1 301萬元)、較高值(>1 301萬～1 895萬元)和高值(>1 895萬元)5類,得到1990—2018年西安都市圈ESV空間分布(圖2)。

圖2 西安都市圈生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分布Fig.2 Spatial distribution of ecosystem service value in Xi′an metropolitan area

由圖2可知,在空間上,ESV整體呈現(xiàn)以西安主城區(qū)為中心向外圍遞增的分布格局。研究區(qū)ESV高值區(qū)主要分布在周至縣、鄂邑區(qū)、長安區(qū)南部,藍(lán)田縣東北部和華州區(qū)南部,這些區(qū)域南依秦嶺森林,山脈密布,擁有豐富的自然資源;ESV部分高值區(qū)分布在涇河、渭河沿岸,區(qū)域整體生態(tài)環(huán)境保護(hù)較好;ESV中值區(qū)主要分布于研究區(qū)中部平原,該區(qū)域以耕地為主,且是未利用地的主要分布區(qū);ESV低值區(qū)集中在西安主城區(qū)內(nèi)及部分縣區(qū),這與區(qū)域內(nèi)建設(shè)用地廣泛分布有密切關(guān)系,同時(shí)受建設(shè)用地面積逐年遞增、人類活動(dòng)密集的影響,1990—2018年低值區(qū)面積逐年擴(kuò)張。

研究區(qū)北部耀州區(qū)ESV較高,這與該區(qū)山嶺密布、河流眾多有密切關(guān)系。藍(lán)田縣全域ESV較高,整體由東向西遞減,其南靠秦嶺,東臨驪山,浐河、灞河貫穿其內(nèi),土地利用類型以林地、草地和水域?yàn)橹?整體生態(tài)環(huán)境優(yōu)良。

3.2 基于土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益分析

基于1990—2018年西安都市圈土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,結(jié)合式(3)計(jì)算得出ESV流向損益矩陣(表4)。由表4可知,1990—2018年期間ESV凈損失量為12.82億元。其中1990—2000年ESV凈損失量最大,高達(dá)8.41億元;2000—2010年ESV凈損失量最小,為0.2億元;2010—2018年ESV凈損失量為4.21億元。

表4 西安都市圈生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值流向損益矩陣Table 4 Value flows to profit and loss matrix of various ecosystem service in Xi′an metropolitan area 億元

從土地利用類型相互轉(zhuǎn)化角度來看,1990—2000年期間,林地和水域的轉(zhuǎn)出引起ESV損失量分別為4.49億和9.32億元,是該時(shí)段ESV損失的主要原因,林地主要轉(zhuǎn)化為耕地和草地,水域主要轉(zhuǎn)化為耕地;耕地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)出帶來的ESV收益量分別為3.96億和2.02億元,是該時(shí)段ESV的主要收益來源。2000—2010年期間,耕地主要轉(zhuǎn)出為水域和建設(shè)用地,帶來的ESV收益量為11.97億元;水域、草地主要向耕地轉(zhuǎn)化,其中水域轉(zhuǎn)出引起的ESV損失量為7.51億元;其他土地利用類型轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地均為負(fù)流向,ESV損失量為10.93億元。2010—2018年期間,水域轉(zhuǎn)化為耕地的損失量為6.29億元,水域轉(zhuǎn)出引起的ESV損失總量為9.89億元,高于1990—2000和2000—2010年兩個(gè)時(shí)段;耕地轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地引起ESV損失量為12.32億元,遠(yuǎn)超1990—2000和2000—2010年兩個(gè)時(shí)段。

1990—2018年期間,林地主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地、耕地和草地,引起的ESV損失量為6.63億元;水域主要向耕地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)化,其中水域轉(zhuǎn)化為耕地的損失量高達(dá)7.76億元,水域向其他土地利用類型的轉(zhuǎn)化均為負(fù)流向,其他土地利用類型向水域的轉(zhuǎn)化均為正流向;耕地除轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地和未利用地時(shí)為負(fù)流向外,其余均為正流向,耕地轉(zhuǎn)出彌補(bǔ)了部分耕地轉(zhuǎn)入的ESV損失量,凈損失量為7.48億元;建設(shè)用地ESV凈損失量最大,為17.35億元,其中耕地轉(zhuǎn)入造成的損失量最大,為12.32億元?？梢?建設(shè)用地和耕地的轉(zhuǎn)入以及水域的轉(zhuǎn)出是造成研究時(shí)段西安都市圈ESV損失的主要原因。

3.3 人類活動(dòng)強(qiáng)度空間分異分析

基于ArcGIS軟件平臺(tái),分別計(jì)算各個(gè)格網(wǎng)的人類活動(dòng)強(qiáng)度并以ArcGIS自然斷點(diǎn)法為依據(jù)將其劃分為低影響(0～0.2)、較低影響(>0.2～0.3)、中影響(>0.3～0.4)、較高影響(>0.4～0.7)和高影響(>0.7～1.0)5類,得到1990—2018年西安都市圈人類活動(dòng)強(qiáng)度空間分布(圖3)。1990—2018年期間,人類活動(dòng)強(qiáng)度高影響區(qū)集中分布在西安主城區(qū)且逐年擴(kuò)大,2010—2018年期間擴(kuò)張尤為明顯,作為陜西省省會(huì)城市,該區(qū)域內(nèi)人口密集,經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢良好,城市化進(jìn)程明顯高于周邊城市,受人類活動(dòng)影響大;人類活動(dòng)高影響區(qū)也呈點(diǎn)狀離散分布在西安市周邊,主要包括秦都區(qū)、渭城區(qū)、高陵區(qū)、臨潼區(qū)、臨渭區(qū)和閻良區(qū)等,這些區(qū)域面積逐年增加,其中秦都區(qū)內(nèi)人類活動(dòng)強(qiáng)度高影響區(qū)逐年擴(kuò)大并在2018年與西安市內(nèi)的高影響區(qū)融合,《西部大開發(fā)“十二五”規(guī)劃》和《關(guān)于加快西咸新區(qū)發(fā)展的若干政策》等對(duì)西咸新區(qū)的重點(diǎn)建設(shè)政策是該區(qū)城市建設(shè)快速發(fā)展的重要原因;人類活動(dòng)強(qiáng)度較高影響區(qū)主要分布在高影響區(qū)周圍,且面積隨高影響區(qū)的擴(kuò)大而擴(kuò)大;人類活動(dòng)強(qiáng)度中影響區(qū)與較低影響區(qū)交叉蔓延分布在高影響區(qū)周圍,中影響區(qū)不斷擴(kuò)大,較低影響區(qū)逐年縮小;人類活動(dòng)強(qiáng)度低影響區(qū)分布于研究區(qū)南北兩端,這與研究區(qū)南北多山多林、存在自然保護(hù)區(qū)、生態(tài)環(huán)境優(yōu)良和受人類活動(dòng)強(qiáng)度影響低有密切關(guān)系。

圖3 西安都市圈人類活動(dòng)強(qiáng)度空間分布Fig.3 Spatial distribution of human activity intensity in Xi′an metropolitan area

3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與人類活動(dòng)強(qiáng)度雙變量空間自相關(guān)分析

基于GeoDa軟件平臺(tái),創(chuàng)建空間權(quán)重矩陣,繪制Moran′sI散點(diǎn)圖,得到1990—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與人類活動(dòng)強(qiáng)度的雙變量空間自相關(guān)Moran′sI指數(shù)分別為-0.512 583、-0.525 973、-0.504 387 和-0.512 619,在99.9%的置信度下4期P值均<0.001,均通過顯著性檢驗(yàn)。4個(gè)時(shí)間段Moran′sI指數(shù)均為負(fù)數(shù),說明研究區(qū)1990—2018年ESV與人類活動(dòng)強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān),即ESV隨人類活動(dòng)強(qiáng)度增加而減小,且相關(guān)程度呈現(xiàn)先增加后減小又增加的態(tài)勢,相關(guān)度在2000年達(dá)到峰值,在2010年處于低谷。

LISA聚類圖(圖4)反映的是空間聯(lián)系的局部指標(biāo),通過繪制ESV與人類活動(dòng)強(qiáng)度的局部雙變量自相關(guān)LISA圖,可具體分析兩者之間的聚類關(guān)系與空間分布。

圖4 西安都市圈生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與人類活動(dòng)強(qiáng)度LISA聚類Fig.4 LISA cluster of ecosystem service value and human activity intensity in Xi′an metropolitan area

由圖4可知,ESV與人類活動(dòng)強(qiáng)度的聚類關(guān)系明顯,以低-高和高-低聚集方式為主,且高-低聚集方式顯著高于低-高聚集方式。低-高聚集方式主要分布于研究區(qū)中部,1990—2018年低-高聚集方式的分布面積以西安主城區(qū)為中心逐年縮小,空間分布也愈加集中;高-低聚集方式主要分布于研究區(qū)南北兩端森林、山脈密集處,該聚類方式的分布面積在研究期內(nèi)逐年小幅增大。高-高聚集和低-低聚集零星分布于河流沿岸和部分城區(qū),低-低聚集在藍(lán)田縣北部較為密集。

LISA顯著性水平圖(圖5)表明研究區(qū)內(nèi)大多數(shù)區(qū)域相關(guān)性不顯著,高-低聚集和低-高聚集區(qū)域顯著性水平高。顯著性水平為0.001的區(qū)域面積在1990—2018年間遞增,顯著性水平為0.05的區(qū)域面積在1990—2018年間遞減,人類活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)ESV的負(fù)面影響存在較大空間差異性。

圖5 西安都市圈生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與人類活動(dòng)強(qiáng)度LISA顯著性水平Fig.5 LISA significance level of ecosystem service value and human activity intensity in Xi′an metropolitan area

4 討論

4.1 格網(wǎng)尺度分析提供了新視角

以往對(duì)ESV的計(jì)算多基于省市縣域尺度進(jìn)行[9-10,26],而筆者研究基于2 km×2 km格網(wǎng)尺度對(duì)ESV進(jìn)行細(xì)化分析,為ESV時(shí)空變化分析提供新視角。秦艷麗等[18]以西安市為例,研究1980—2015年城市化對(duì)ESV的影響,發(fā)現(xiàn)ESV在時(shí)間梯度上逐年遞減,在空間梯度上由市中心向農(nóng)村逐年遞增,筆者研究對(duì)ESV時(shí)空分布及變化趨勢研究結(jié)果與之一致,但不同的是,筆者研究基于格網(wǎng)尺度,為ESV損益及其時(shí)空變化趨勢分析提供更加精確的評(píng)估方法,進(jìn)而更精準(zhǔn)地把握近30年間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的時(shí)空變化趨勢,使得研究結(jié)果更加貼合實(shí)際,為生態(tài)系統(tǒng)功能的協(xié)調(diào)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。

4.2 ESV時(shí)空演變動(dòng)因

1990—2018年西安都市圈ESV在時(shí)間尺度上呈持續(xù)下降趨勢,在空間尺度上呈現(xiàn)以西安主城區(qū)為中心向外圍遞增的分布格局。分析ESV變化的主要原因包括:(1)作為西部大開發(fā)和關(guān)中平原城市群的核心區(qū)域,西安都市圈吸引了巨大的人口與經(jīng)濟(jì)資源,使得西安都市圈在快速發(fā)展的同時(shí),生態(tài)環(huán)境質(zhì)量也面臨著巨大挑戰(zhàn),不斷的城市擴(kuò)張導(dǎo)致ESV逐年遞減。(2)從土地利用類型轉(zhuǎn)化角度來看,耕地大部分轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地,減少量為1 050.27 km2,建設(shè)用地面積逐年遞增,但其ESV系數(shù)低。(3)ESV的空間演變與人類活動(dòng)密切相關(guān),兩者表現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性,此與前人研究結(jié)果[27]一致。經(jīng)濟(jì)發(fā)展越迅速的地區(qū)人類活動(dòng)強(qiáng)度越大,人類活動(dòng)產(chǎn)生的廢棄物對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生惡性影響,導(dǎo)致氣候調(diào)節(jié)與土壤保持功能降低,而這些功能在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中占比較高,從而導(dǎo)致區(qū)域整體ESV降低。

4.3 研究方法有待進(jìn)一步優(yōu)化

目前,評(píng)估ESV的方法主要有單位面積價(jià)值當(dāng)量因子法[28]和單位服務(wù)功能價(jià)格法[3]兩種。相較于功能價(jià)格法,當(dāng)量因子法更直觀易用,數(shù)據(jù)需求量更少,故筆者研究采用當(dāng)量因子法對(duì)西安都市圈ESV進(jìn)行評(píng)估。但是,由于修正方法和參數(shù)選擇不同以及該方法對(duì)當(dāng)量因子數(shù)值的依賴,會(huì)導(dǎo)致ESV計(jì)算結(jié)果存在差異,土地利用數(shù)據(jù)分辨率的大小會(huì)影響ESV評(píng)估精度,未來研究需在更精準(zhǔn)的ESV評(píng)估方法和更精細(xì)的分辨率數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上開展;對(duì)于同一土地利用類型的不同二級(jí)地類,與其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能對(duì)應(yīng)的ESV系數(shù)在客觀上存在一定差異,未來應(yīng)對(duì)當(dāng)前土地利用類型做進(jìn)一步劃分,賦予與其對(duì)應(yīng)的ESV系數(shù),將會(huì)得到更加精準(zhǔn)的評(píng)估結(jié)果;在計(jì)算ESV時(shí),建設(shè)用地的價(jià)值當(dāng)量設(shè)置為0,隨著建設(shè)用地中人工綠地比例的不斷增大,建設(shè)用地價(jià)值當(dāng)量為0是否科學(xué)仍有待討論。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)ESV時(shí)空變化明顯。在時(shí)間尺度上,1990—2018年西安都市圈ESV呈持續(xù)下降趨勢,1990年ESV為527.77億元,2018年ESV為514.97億元,近30年間共降低12.8億元;在空間尺度上,ESV整體呈現(xiàn)以西安主城區(qū)為中心向外圍遞增的分布格局,其高值區(qū)主要分布在研究區(qū)南部及中部沿河區(qū)域,低值區(qū)集中分布在西安主城區(qū)且面積逐年增加,在其周圍部分縣區(qū)有零散分布。從各單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化來看,一級(jí)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中,調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值最高,文化服務(wù)價(jià)值最低;二級(jí)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中,水文調(diào)節(jié)價(jià)值最高,水資源供給價(jià)值最低,為負(fù)值。

(2)研究期內(nèi),ESV增益主要源于耕地轉(zhuǎn)出為林地、水域和草地,主要驅(qū)動(dòng)力為退耕還林和蓄水量增加;ESV虧損主要源于其他土地利用類型轉(zhuǎn)入為建設(shè)用地、耕地,水域轉(zhuǎn)出為其他土地利用類型,主要驅(qū)動(dòng)力為開墾種田和城市擴(kuò)張。

(3)1990—2018年西安都市圈人類活動(dòng)強(qiáng)度整體呈以西安主城區(qū)為中心向南北遞減的空間分布格局。人類活動(dòng)強(qiáng)度高影響區(qū)集中分布在西安主城區(qū)及其周邊地區(qū),區(qū)域面積呈逐年增加態(tài)勢;其中,較高影響區(qū)主要分布在高影響區(qū)周邊,隨高影響區(qū)的擴(kuò)張而擴(kuò)張;中影響區(qū)與較低影響區(qū)交叉蔓延分布在高影響區(qū)周圍,中影響區(qū)不斷擴(kuò)大,較低影響區(qū)逐年縮小;低影響區(qū)分布于研究區(qū)南北兩端。

(4)1990—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與人類活動(dòng)強(qiáng)度均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)程度呈先增加后減小又增加的態(tài)勢。兩者的聚類關(guān)系以低-高和高-低聚集方式為主,高-低聚集方式主要分布于研究區(qū)南北兩端森林、山脈密集處,低-高聚集方式主要分布于研究區(qū)中部,其分布面積以西安主城區(qū)為中心逐漸縮小,空間分布也愈加集中。研究時(shí)段內(nèi)顯著性檢驗(yàn)通過0.001水平的斑塊面積增加,通過0.05水平的斑塊面積減少。