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生态系统服务是指自然生态系统为人类提供的多种直接和间接的生态服务和无形的生态效益[1]。当前人类活动的足迹几乎遍及各大自然生态系统,全球近乎60%的生态系统服务已经或正在经历着退化,生态系统服务功能也随之发生变化[2]。自COSTANZA等[1]进行全球生态系统服务价值(ecosystem service value,ESV)评估后,ESV研究引起了国内外学者的广泛关注,并成为了可持续发展研究的热点之一。众多学者[3-9]对森林、草地、湿地、城市等不同生态系统的ESV进行了研究,尺度涉及国家、省域、市县及乡镇单元,为ESV评估、生态环境修复等提供了丰硕的科学支持。当前关于区域生态系统服务价值的研究多以土地利用类型或行政区域作为基本的分析单元,难以深入揭示生态系统服务价值的空间差异。盐城海岸带湿地是中国沿海地区最大的海岸湿地,拥有盐城珍禽自然保护区和麋鹿Elaphurus davidianus自然保护区,其提供的生态系统服务对维持区域生物多样性和改善人类福祉具有重要意义。长期以来,人类不断增强的围垦活动使研究区滩涂湿地承受了巨大压力,湿地生态系统服务功能受损,丹顶鹤Grus japonensis等珍稀鸟禽的生境遭受严重破坏[10]。当前关于盐城沿海湿地ESV的研究没有充分反映出区域ESV时空动态及内部差异性,并且缺乏从空间统计与分析角度研究ESV时空演化的特征[11-13]。因此,本研究以盐城海岸带为例,基于3 km × 3 km格网尺度对研究区1997-2014年的ESV进行了估算,并结合空间自相关方法探讨了ESV的时空分布特征,以期为生态系统服务估算、湿地生态修复及生态补偿等提供科学依据。
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参考谢高地等[17]改进的单位ESV系数并根据盐城海岸带的实际情况,将研究区不同景观类型与最接近的生态系统类型联系起来,具体为将养殖池当量因子与水域相对应,芦苇沼泽、碱蓬沼泽、互花米草沼泽的当量因子均取湿地服务功能的当量因子,光滩当量因子与荒漠相对应。同时,参照谢高地等[17]和索安宁等[18]的研究成果,调整和确定研究区各生态系统类型的当量因子。其中,建设用地的气候调节和气体调节功能参照荒漠的相应功能,其文化娱乐功能设定为与森林的文化娱乐功能对应,其他生态功能设为0。养殖池的食物生产、气候及气体调节功能参照水域相应的生态功能,娱乐文化功能参照农田,其他生态功能取0。基于研究区1997,2007及2014年小麦Triticum aestivum,玉米Zea mays和大麦Hordeum vulgare的平均产量(7 353 kg·hm-2)和多年粮食平均价格,计算研究区单位面积农田生态系统提供食物生产的经济价值为2 654.08元·hm-2·a-1。盐田主要提供原材料功能,计算得出盐田的原材料提供功能为7 920元·hm-2·a-1。最终确定研究区生态系统单位面积价值见表 1。
表 1 盐城海岸带单位面积生态系统服务价值
Table 1. Ecosystem service value unit area of different ecosystem type in Yancheng coastal zone
景观类型 单位价值/(元·hm-2) 耕地 20 967.23 养殖池 10 695.93 芦苇沼泽 145 364.00 碱蓬沼泽 145 364.00 互花米草沼泽 145 364.00 光滩 3 689.16 建设用地 6 024.76 河流 120 360.52 盐田 7 920.00 以土地利用类型或行政区域作为ESV评价单元的研究,难以深入揭示ESV的空间差异。本研究采用格网单元进行ESV评价,其计算公式如下:
$$ V_{\mathrm{ES} k}=\sum\limits_{i=1}^{n} \frac{A_{k i}}{A_{k}} E_{i}。 $$ (1) 式(1)中:VESk是第k个格网的ESV指数;Ak为第k个格网的面积;Aki为第k个格网第i种景观类型的面积;Ei为第i种景观类型的生态系统服务价值系数;n为格网中景观类型的数量。
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空间自相关分析是研究ESV空间分布特征的常用方法,可判别ESV各观测值之间的空间相关程度。Moran’s指数是进行空间自相关分析最常见的方法之一,选取全局Moran’s指数[19]和局部Moran’s指数[20]进行分析。前者可揭示ESV在整个研究区范围内的空间关联程度,后者可描述不同空间位置上ESV可能存在的空间关联模式。全局Moran’s指数(I)和局部Moran’s指数(Ii)计算公式如下:
$$ I = \frac{{n\sum\limits_{i = 1}^n {\sum\limits_{j = 1}^n {\left[ {{w_{ij}}\left( {{x_i} - \bar x} \right)\left( {{x_j} - \bar x} \right)} \right]} } }}{{\left( {\sum\limits_{i = 1}^n {\sum\limits_{j = 1}^n {{w_{ij}}} } } \right)\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {{x_i} - \bar x} \right)}^2}} }}; $$ (2) $$ {I_i} = \frac{{\left( {{x_i} - \bar x} \right)}}{{\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {{x_i} - \bar x} \right)}^2}} /n}}\sum\limits_{j \ne i}^n {{w_{ij}}} \left( {{x_j} - \bar x} \right)。 $$ (3) 式(2)和式(3)中:I为全局Moran’s指数;Ii为局部Moran’s指数;n为参与分析的研究区格网单元数;i,j为相邻的格网;xi,xj为变量x(ESV)在相邻格网中的取值;wij为空间权重矩阵;$\bar x $是变量的平均值。
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采用敏感性指数分析ESV对ESV系数的敏感程度[21]。计算公式如下:
$$ C_{\mathrm{s}}=\left|\frac{\left(V_{\mathrm{ESa} }-V_{\mathrm{ESb}}\right) / V_{\mathrm{ESb}}}{\left(C_{\mathrm{Va}}-C_{\mathrm{Vb}}\right) / C_{\mathrm{Vb}}}\right|。 $$ (4) 式(4)中:VESb为系数调整前的ESV;CVb为调整前的ESV系数;VESa为调整系数后的ESV;CVa为调整后的ESV系数;Cs为敏感性系数,Cs>1表明ESV的估算结果可信度低,Cs<1表明研究结果是可信的。
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从表 2看出:盐城海岸带1997,2007和2014年的ESV分别为134.33亿元,117.72亿元和97.13亿元。ESV在1997-2014年呈不断下降趋势,主要原因是研究区自然湿地芦苇沼泽、碱蓬沼泽、河流面积的减少,三者的单位生态系统服务价值系数较高,使得ESV总量减少。耕地、养殖池、盐田ESV增加在一定程度上抵消了ESV总量的损失。从ESV具体构成来看,研究区耕地、芦苇沼泽、互花米草沼泽ESV占ESV总量的比例较高,3种景观类型的ESV占比超过60%,是研究区主要的景观类型。光滩、建设用地、盐田对研究区ESV的贡献相对较小。碱蓬沼泽ESV在研究期间表现出显著下降的变化趋势,人类围垦和互花米草的扩张引起碱蓬生境的减少,最终导致其提供生态系统服务的功能受损。研究期间由于经济利益的驱使,养殖池面积不断扩张,虽然其提供ESV的贡献不断增加,由1997年的2.71%上升至2014年的9.27%,其扩张也对研究区自然湿地造成了严重破坏,威胁到丹顶鹤等珍稀鸟禽的生存生境。河流提供的ESV在研究期间有先增加后下降的趋势。
表 2 盐城海岸带1997-2014年不同景观类型ESV
Table 2. ESV of different landscape types in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014
景观类型 1997年 2007年 2014年 ESV/亿元 比例/% ESV/亿元 比例/% ESV/亿元 比例/% 耕地 31.84 23.70 35.01 29.74 35.54 36.59 养殖池 3.64 2.71 6.07 5.16 9.01 9.27 芦苇沼泽 35.51 26.43 27.20 23.10 14.90 15.34 碱蓬沼泽 31.57 23.50 3.46 2.94 3.12 3.21 互花米草沼泽 14.70 10.94 30.50 25.91 22.36 23.02 光滩 2.97 2.21 2.10 1.78 1.46 1.50 建设用地 0.76 0.56 1.40 1.19 0.95 0.98 河流 12.75 9.49 11.88 10.09 9.15 9.42 盐田 0.59 0.44 0.10 0.09 0.64 0.66 合计 134.33 100.00 117.72 100.00 97.13 100.00 -
根据研究需要和景观斑块面积的大小确定格网尺寸[22],采用3 km × 3 km作为格网尺度ESV分析的基本单元,共采集研究区507个格网。基于Arc GIS并依据式(1)计算每个格网的ESV指数,作为格网中心点的ESV。采用标准差分级法将不同格网的ESV划分为5级:低区(VESk≤796.67万元)、较低区(796.67万元<VESk≤3 014.78万元)、中区(3 014.78万元<VESk≤5 238.92万元)、较高区(5 238.92万元<VESk≤7 463.04万元)和高区(VESk>7 463.04万元),并据此统计研究区3个时期不同等级ESV分布情况(表 3)。从表 3看出:研究区在1997-2014年ESV高区分布面积显著减少,其面积由1997年的467.9 km2下降到2014年的179.99 km2;较高区分布面积也呈不断减少的趋势,从1997年的151.86 km2减少至98.96 km2;中区面积变化不大,但也呈减少趋势;较低区的面积表现出逐渐扩大的格局,由1997年的1 986.94 km2上升到2014年的2 626.85 km2,其占ESV的比例相应地由1997年的56.38%增加到2014年的74.54%,格网数由1997年的242个增加到2014年的314个。
表 3 盐城海岸带1997-2014年不同等级ESV统计
Table 3. ESV level in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014
年份 ESV等级 格网数/个 面积/km2 比例/% 1997 低区 151 522.85 14.84 较低区 242 1 986.94 56.38 中区 45 394.44 11.19 较高区 17 151.86 4.31 高区 52 467.90 13.28 合计 507 3 523.99 100.00 2007 低区 133 378.61 10.74 较低区 289 2 393.42 67.92 中区 30 259.53 7.36 较高区 22 195.43 5.55 高区 33 297.00 8.43 合计 507 3 523.99 100.00 2014 低区 132 355.83 10.10 较低区 314 2 626.85 74.54 中区 30 262.36 7.44 较高区 11 98.96 2.81 高区 20 179.99 5.11 合计 507 3 523.99 100.00 -
结合表 3和图 2可看出:研究区1997-2014年的ESV在空间上发生了显著变化。研究区ESV高区和ESV较高区主要分布在珍禽国家级自然保护区和麋鹿自然保护区及其邻近区域,且ESV高区有逐渐减少的趋势,印证了保护区受到人为因素影响后面积和空间范围缩小的状况。研究区内ESV较高区空间分布呈先扩大后减少的现象,ESV中区分布较为零散。ESV低区和ESV较低区是分布范围最广的类型,从陆地一侧到光滩都有分布。其中,ESV较低区在空间分布上表现出逐渐扩大的趋势。
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经计算,1997,2007和2014年研究区ESV的全局Moran’s指数I分别为0.660 8,0.632 2和0.620 9(表 4),且均为正值,表明ESV的空间分布存在显著的正相关关系,相邻格网单元空间ESV呈高度相似性和集聚分布现象。Z检验结果显著,3个时期全局Moran’s指数I的显著性水平均小于0.05。然而,研究区ESV在1997-2014年的空间集聚分布总体上呈不断下降趋势,表明研究区ESV空间集聚有逐渐减弱的趋向,各土地利用类型趋于破碎化。
表 4 盐城海岸带1997-2014年ESV全局自相关指数
Table 4. Global autocorrelation index of ESV in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014
年份 Moran’s I指数 Z P 1997 0.660 8 20.085 3 0.001 2007 0.632 2 19.270 7 0.001 2014 0.620 9 19.023 0 0.001 -
全局自相关指数只能从整体上判定ESV空间集聚情况,难以测度相邻格网之间ESV聚集位置和空间相关程度。因此,采用局部自相关指数Ii,测算了研究区507个格网在不同时段的ESV局部空间自相关格局(图 3),统计不同时段ESV局部自相关的格网数(表 5)。结合图 3和表 5可看出:研究区高─高集聚的区域主要位于研究区的珍禽国家级自然保护区和大丰麋鹿自然保护区及其周边区域。随着滩涂围垦、农业生产和工业开发的不断加强,ESV高─高集聚的区域范围不断缩小,代表的格网数从1997年的79个下降到2014年的38个,下降幅度达51.90%。研究区ESV低─低集聚的区域主要分布于光滩,低─低集聚的空间范围也在不断缩减,由1997年的45个格网减少至2014年的24个格网。研究区存在低─高集聚的空间区域,主要位于保护区周边,由不同的土地利用方式造成,当前保护区周边的土地利用方式为农业用地,其ESV价值远低于保护区景观类型ESV的价值。同时,研究区存在较多集聚性不显著的格网,其数量从1997年的371个增加到2014年的431个。
图 3 盐城海岸带1997-2014年ESV局部空间自相关格局示意图
Figure 3. Local spatial autocorrelation of ESV in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014
表 5 1997-2014年盐城海岸带格网尺度ESV局部空间自相关
Table 5. Local spatial autocorrelation of ESV at grid scale in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014
年份 格网数/个 集聚性不显著区 高—高集聚区 低—低集聚区 低—高集聚区 高—低集聚区 1997 371 79 45 12 0 2007 412 52 29 14 0 2014 431 38 24 13 1 -
采用敏感性指数Cs来确定ESV随时间变化情况对价值系数的依赖程度。本研究将各景观类型的价值系数上下分别调整50%来验证ESV的变化状况。表 6表明:研究区在1997-2014年调整价值系数后的Cs<1。可见,ESV对ESV价值系数变化缺乏弹性,研究结果可信。
表 6 盐城海岸带1997-2014年ESV对价值系数的敏感程度
Table 6. Sensitivity of ESV to value coefficients in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014
景观类型 Cs 1997年 2007年 2014年 耕地 0.237 0 0.297 4 0.365 9 养殖池 0.027 1 0.051 6 0.092 7 芦苇沼泽 0.264 3 0.231 0 0.153 4 碱蓬沼泽 0.235 0 0.029 4 0.032 1 互花米草沼泽 0.109 4 0.259 1 0.230 2 光滩 0.022 1 0.017 8 0.015 0 建设用地 0.005 6 0.011 9 0.009 8 河流 0.094 9 0.100 9 0.094 2 盐田 0.004 4 0.000 9 0.006 6
Spatio-temporal variation of ecosystem services value in Yancheng coastal zone
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摘要: 为了解盐城海岸带生态系统服务价值(ESV)的时空变异规律,基于格网尺度对盐城海岸带1997,2007和2014年3个时期的ESV进行了估算,并结合空间自相关分析探讨研究区ESV时空分异规律。结果表明:近20 a来盐城海岸带生态系统服务价值总量呈不断减少的趋势,由1997年的134.33亿元减少至2014年的97.13亿元,自然湿地芦苇Phragmites australis沼泽、碱蓬Suaeda salsa沼泽、河流面积的减少是引起生态系统服务价值变化的主要原因。研究期间ESV在空间上发生了显著变化。ESV高区(ESV指数VESK > 7 463.04万元)的面积和空间分布显著减少,ESV较低区(796.67万元 <VESK≤3 014.78万元)的面积和空间分布表现出逐渐扩大的格局。自相关分析表明:ESV具有显著的正相关关系,呈集聚分布特征且总体上呈不断下降趋势。研究区1997-2014年敏感性指数均小于1,表明研究结果具有可信性。在未来生态系统修复和管理中要权衡与协同不同生态系统类型之间的相互关系,加大对芦苇沼泽、碱蓬沼泽、河流等天然湿地的保护,合理规划滩涂湿地的利用方式,实现沿海湿地系统的可持续发展与利用。Abstract: Estimating the value of ecosystem services in coastal wetlands could provide important information for the protection and restoration of wetland ecosystems and decision-making. To reveal the spatio-temporal variation of ecosystem services value (ESV), the Yancheng coastal zone, a fragile region with a high intensity of reclamation activities, was taken as the research area, the thematic map (TM) and enhanced thematic map (ETM) remote sensing images of 1997, 2007, and 2014 were processed to obtain landscape type information. The ESV of the three periods was estimated by a grid unit in the study region and explored through spatial and temporal scales. Results showed that the total value of the ESV in Yancheng coastal zone decreased from 13.433 billion Yuan in 1997 to 9.713 billion Yuan in 2014 with the main reason being the decrease of Phragmites australis marshes, Suaeda salsa marshes, and river area in natural wetlands. ESV also changed significantly in space. The area and spatial distribution of the highest ESV decreased significantly, and the spatial distribution and area of the lower ESV increased gradually. The spatial autocorrelation index showed that ESV had a significant positive correlation and spatial connection which showed a downward curve on the whole. The sensitivity index of the research area was less than 1 from 1997 to 2014 which showed that the results of ESV estimation were credible. Thus, the trade-offs and synergies among different ecosystem services in coastal zones should be explored with more attention being paid to protection of natural wetlands, such as P. australis marshes, S. salsa marshes, and rivers, in future ecosystem restoration and management and with wetlands being rationally planned to realize the sustainable development and utilization of the coastal wetland system.
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表 1 盐城海岸带单位面积生态系统服务价值
Table 1. Ecosystem service value unit area of different ecosystem type in Yancheng coastal zone
景观类型 单位价值/(元·hm-2) 耕地 20 967.23 养殖池 10 695.93 芦苇沼泽 145 364.00 碱蓬沼泽 145 364.00 互花米草沼泽 145 364.00 光滩 3 689.16 建设用地 6 024.76 河流 120 360.52 盐田 7 920.00 表 2 盐城海岸带1997-2014年不同景观类型ESV
Table 2. ESV of different landscape types in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014
景观类型 1997年 2007年 2014年 ESV/亿元 比例/% ESV/亿元 比例/% ESV/亿元 比例/% 耕地 31.84 23.70 35.01 29.74 35.54 36.59 养殖池 3.64 2.71 6.07 5.16 9.01 9.27 芦苇沼泽 35.51 26.43 27.20 23.10 14.90 15.34 碱蓬沼泽 31.57 23.50 3.46 2.94 3.12 3.21 互花米草沼泽 14.70 10.94 30.50 25.91 22.36 23.02 光滩 2.97 2.21 2.10 1.78 1.46 1.50 建设用地 0.76 0.56 1.40 1.19 0.95 0.98 河流 12.75 9.49 11.88 10.09 9.15 9.42 盐田 0.59 0.44 0.10 0.09 0.64 0.66 合计 134.33 100.00 117.72 100.00 97.13 100.00 表 3 盐城海岸带1997-2014年不同等级ESV统计
Table 3. ESV level in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014
年份 ESV等级 格网数/个 面积/km2 比例/% 1997 低区 151 522.85 14.84 较低区 242 1 986.94 56.38 中区 45 394.44 11.19 较高区 17 151.86 4.31 高区 52 467.90 13.28 合计 507 3 523.99 100.00 2007 低区 133 378.61 10.74 较低区 289 2 393.42 67.92 中区 30 259.53 7.36 较高区 22 195.43 5.55 高区 33 297.00 8.43 合计 507 3 523.99 100.00 2014 低区 132 355.83 10.10 较低区 314 2 626.85 74.54 中区 30 262.36 7.44 较高区 11 98.96 2.81 高区 20 179.99 5.11 合计 507 3 523.99 100.00 表 4 盐城海岸带1997-2014年ESV全局自相关指数
Table 4. Global autocorrelation index of ESV in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014
年份 Moran’s I指数 Z P 1997 0.660 8 20.085 3 0.001 2007 0.632 2 19.270 7 0.001 2014 0.620 9 19.023 0 0.001 表 5 1997-2014年盐城海岸带格网尺度ESV局部空间自相关
Table 5. Local spatial autocorrelation of ESV at grid scale in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014
年份 格网数/个 集聚性不显著区 高—高集聚区 低—低集聚区 低—高集聚区 高—低集聚区 1997 371 79 45 12 0 2007 412 52 29 14 0 2014 431 38 24 13 1 表 6 盐城海岸带1997-2014年ESV对价值系数的敏感程度
Table 6. Sensitivity of ESV to value coefficients in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014
景观类型 Cs 1997年 2007年 2014年 耕地 0.237 0 0.297 4 0.365 9 养殖池 0.027 1 0.051 6 0.092 7 芦苇沼泽 0.264 3 0.231 0 0.153 4 碱蓬沼泽 0.235 0 0.029 4 0.032 1 互花米草沼泽 0.109 4 0.259 1 0.230 2 光滩 0.022 1 0.017 8 0.015 0 建设用地 0.005 6 0.011 9 0.009 8 河流 0.094 9 0.100 9 0.094 2 盐田 0.004 4 0.000 9 0.006 6 -
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