基于GIS技术的常德市生态系统服务空间分异研究

来源:用户上传      作者:胡逸哲 陈立芳 贺伦尊 陈欣林 陈端吕

　　摘    要：生态系统服务是生态管理的基础，本文以常德市为例，采用空间自相关分析方法进行生态系统服务空间分异关系研究。结果表明：在1995—2018年间，常德市土地生态服务总价值最高的年份为2018年，达24 107.3×106元·a-1，较1995年增加了175.323×106元·a-1，最低年份2000年为23 645.1×106元·a-1，较1995年减少了286.873 5×106元·a-1，空间分布以常德西北部的石门县和西南部的桃源县较高;研究期内土地生态系统服务价值空间分布的全局Moran's I指数均小于0，基本分布在-0.5左右，总体呈较显著的空间负相关，即空间单元属性值基本呈不相似的值聚集、相似的值分散的空间分布，同时局部自相关LISA集聚图显示土地生态服务价值整体空间分布均具有显著的集聚特征。本文结果可为深化常德地区土地利用规划管理决策及生态经济协调发展提供支撑。
　　关键词：生态系统服务;空间分异;空间自相关;常德市
　　中图分类号：F301.24        文献标识码：A        DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.11.007
　　Spatial Differentiation of Ecosystem Services in Changde City based on GIS
　　HU Yizhe， CHEN Lifang， HE Lunzun， CHEN Xinlin， CHEN Duanlv
　　（College of Resource Environment and Tourism，Hunan University of Arts and Science，Changde，Hunan 415000，China）
　　Abstract： Ecosystem service is the basis of ecological management. Spatial differentiation relationship of ecosystem service was analyzed by using the spatial autocorrelation and taking Changde city as an example， and the results were as followed. In 1995-2018， the total value of land ecological services was highest in 2018， and the value reached 24 107.3×106 RMB·a-1， which increased by 175.323×106 RMB·a-1 compared with 1995， while the total value was lowest in 2000 （23 645.1×106 RMB·a-1）， which decreased by 286.873 5×106 RMB·a-1 compared with 1995. The spatial distribution of land ecosystem service value showed that Shimen County in the northwest and Taoyuan County in the southwest of Changde City were higher than the other areas. During the study period， the global Moran's I index of the spatial distribution of ecosystem service value was less than 0， with the basic distribution around -0.5， showing an obvious spatial negative correlation on the overall spatial distribution. In other words， the attribute values of spatial units basically showed the trends of dissimilar values aggregation and similar values dispersion. Meanwhile， according to the LISA cluster diagram of local autocorrelation， the overall spatial distribution of the land ecological service value in Changde City had a significant clustering characteristic. The results of this paper could provide supports for deepening the land use planning and management decision and the coordinated development of ecological economy in Changde City.
　　Key words： value of ecosystem service; spatial variation; spatial autocorrelation; Changde City
　　生態系统服务作为人类从生态系统获取的所有惠益，是实现生态安全的前提和保障[1]。随着人类活动干扰生态系统服务程度的加深，致使生态系统服务功能难以正常运转，生态安全受到极大的威胁[2]，从而进一步危及人类自身的福祉[3]。对于生态系统服务价值的理解从简单的静态层面衡量其货币化的价值，到现在更为看重生态系统服务对人类福祉的影响，并朝着兼顾多方利益的综合评估方向发展[4-6]。基于Costanza等[7]以及谢高地等[8]对生态系统服务分类及价值估算方法的研究，国内已有较多学者就土地利用对生态服务价值的影响进行研究[9-10]，并在生态系统服务时空格局分异及影响方面取得了较多成果，但也存在一定局限。本文以1995—2018年常德市的各土地利用类型的生态系统服务价值为基础，通过生态系统服务价值时空分异分析，从空间上辨识构成生态系统服务特征，基于空间自相关分析探究本地区生态系统服务价值的时空分布格局及其空间集聚性，揭示不同生态系统服务之间的时空变化规律，为深化常德地区生态系统服务提供决策依据，进一步为其他区域生态服务管理提供借鉴与参考。 　　1 研究区域与研究方法
　　1.1 研究区概况
　　常德市位于湖南省西北部，介于28°23'31″N-30°07'53″N、110°27'33″E-112°17'52″E之间，总面积18 190 km2。常德地貌主要为平原，面积达6 526.5 km2，占总面积的35.9%，同时山地、丘陵、湖泊、河流兼有，水系较为发达。常德气候四季较为分明，日照充足，春秋气温多变，夏暑冬寒，雨量丰沛。常德是长江经济带、中部崛起重心地带、环洞庭湖生态经济圈的重要城市，其区位在东部沿海地区产业向中部、西部转移中有很大的优势，土地利用潜力较大。基于常德市的资源利用与环境变化的特征，将常德市作为研究区域有一定的代表性。
　　1.2 数据来源与研究方法
　　1.2.1 生态系统服务价值计算 基础数据主要包括1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2018年洞庭湖区土地利用图landsat-TM遥感影像。利用ArcGIS软件对土地利用数据进行处理，以Costanza等学者制定的生态系统服务价值计算方法为基础，根据彭建等学者的研究方法[10] 及彭保发等[11]专家计算出的“常德市生态系统服务价值表”进行生态系统服务价值计算，其计算公式为：
　　式中，ESV代表区域生态系统功能价值;Aj为j类土地类型面积（hm2）;Eij代表的是j类土地类型的i类生态系统服务功能基準单价（元·hm2·a-1）。
　　1.2.2 空间自相关分析 由于全局自相关分析难以全面揭示区域内部空间生态系统服务价值的自相关性，为进一步揭示常德市土地生态系统服务价值局部空间自相关变化特征，本文同样以5 km×5 km的网格为基本单元，应用GeoDa软件计算出Moran's I指数，结合常德市土地生态系统服务价值Moran散点图与LISA集聚图对其进行分析，探测生态服务价值的空间集聚性。根据胡其玉等[12]得出空间自相关的分析方法，在GeoDa中导入相关数据，构建空间权重矩阵，对区域生态系统服务价值数据进行空间关联与空间集聚分析，公式为：
　　式中，xi、 xj的含义是第i、j个空间单元的单位面积生态服务价值，x代表其平均值，ωij代表空间权重矩阵，n代表空间单元的数量。
　　LISA 本质上是将 Moran’s I 分解到县域单元，即可表示为：
　　LISA集聚图将区域相关类型分为高-高、高-低、低-高、低-低4类，用以描述区域之间的集聚类型。
　　2 结果与分析
　　2.1 土地生态系统服务价值分析
　　根据常德市1995—2018年的土地利用类型，可以得出各年份的土地生态系统服务价值（表1）以及其空间分布（图1）。由表1可知，1995—2018年常德市土地生态服务价值呈先降低（2000年）后波动增加的趋势，以2018年最高（较1995年增加了175.323×106元·a-1）而2000年最低（较1995年降低了286.873×106元·a-1），说明近年来常德市积极响应党的号召，贯彻落实党的政策，在建设生态文明和城市绿地方面取得了很大的成功;各年份均以桃源县最高，其次是石门县，而津市市最低。
　　由图1可知，1995—2018年常德市土地生态系统服务价值在空间分布上均表现为西北部的石门县和西南部的桃源县生态服务价值较高，其次是中部的市辖区和南部的汉寿县;同时该区域土地生态系统服务价值具有显著的空间异质性，城区及其周围地区相对较高而人工干扰少的地区相对较低，变化幅度较大的地区主要分布在人口密度大及城市建设力度大的区域，其主要原因应该是城区城镇化水平的提高和建设用地的大幅增多，表明土地利用变化类型空间分异和区域社会经济发展的差异能够影响生态系统服务价值。
　　综合而言，常德市土地生态系统服务价值空间分布格局比较稳定，但是从各个时间节点来看，一些地区仍然发生了一定程度的变化，如安乡县在1995—2000年土地生态系统服务价值下降了85.954×106元·a-1，在2000—2005年又回升了104.007×106元·a-1。
　　2.2 土地生态系统服务价值空间自相关分析
　　2.2.1 全局自相关 为了得到常德市土地生态系统服务价值空间相关性的总体趋势，利用ArcGIS软件以5 km×5 km的网格为基本单元，生成常德市6期土地生态系统服务价值空间分布格局图（图2），并以此在GeoDe软件中计算出不同年期土地生态系统服务价值空间分布的全局Moran's I指数（图2）。结果显示，各年期土地生态系统服务价值空间分布的全局Moran's I指数均小于0，且均在-0.5左右，说明研究期间常德市土地生态服务价值整体空间分布呈显著空间负相关，空间单元属性基本呈现不相似值聚集、相似值分散的空间分布。在时间上也经历了1995—2000年集聚性微弱的降低，再到2005—2018年集聚性又有所回升，并以2018年的集聚性最为显著的过程。全局Moran's I指数由2000年的-0.617上升至2005年的-0.573，之后从2010年的-0.545攀升到2018年的-0.483，增长态势较为明显，表明了1998年特大洪水、三峡水库蓄水运行等大事件后土地利用布局的调整促使着常德市土地生态系统服务价值空间分布的集聚性不断增强。
　　从2010年前后两个时段的土地生态服务价值空间集聚格局的变化来看，实际上主要是常德中部地区的集聚性变化较大，其他地区的变化则相对较小。2010年之前，该地区整体集聚性减弱，而2010年之后又再次增强，这也直接影响到了常德市土地生态服务价值的整体集聚程度。
　　2.2.2 局部自相关 Moran散点图用于研究局部空间的不稳定性。从图2可以看出，常德市土地生态系统服务价值散点主要分布在x、y轴的正半轴上，Moran散点图中一、三象限散点数之和占每期散点总数的95%以上，在象限内几乎没有，表明常德市局部空间的生态系统服务价值呈较明显的负相关，价值接近的格网呈离散的空间分布。就总的变化趋势而言，象限轴正半轴上的点越来越集聚，意味着生态经济发展过程中，由于土地利用分布的优化，常德市生态系统服务价值的局部同质性逐渐增强。 　　LISA集聚图可以表现空间单元某种属性与相邻空间单元的相互联系及其程度。从图3不难发现，常德市生态系统服务价值的高值区主要分布在人工干预较少的地区，低值区主要分布在南部、中部的城市化水平较高且建设用地较集中的地区。1995—2018年间，土地生态服务价值空间集聚的基本形态基本一致，但局部地区发生了较大变化，如常德市市辖区部分区域由原来的低—高类型转换为了高—低类型。在城市化的影响下，常德地区生态系统服务价值的低-高类型区逐渐增多。土地生态系统服务价值的高-高异动不大，但是西北部有一部分由高-低类型区转变为低-高类型区。从全局Moran' I指数可知，2005—2010年常德市地区生态系统服务价值的整体集聚性有所增强，从LISA图我们则可以发现，此现象在石门县地区体现较为明显，期间虽然高值区向西北方向有所延伸，但高值区的整体集聚性效果则明显减弱。另外，高值区在东部地区的集聚形态基本上变化不大，说明该地区在本时间段空间分布较为稳定。总体来看，常德市局部空间主要表现为“高-高”集聚和“低-高”集聚，反映了区域空间的负相关性，也体现了空间的集聚与相似性。
　　3 结论与讨论
　　3.1 结 论
　　本文基于ArcGIS软件平台，得到1995—2018年常德市土地生态系统服务价值，再通过空间自相关分析探讨常德市土地生态系统服务价值的时空分异规律，得出如下结论：（1）从时空分异特征来看，常德市土地生态服务价值空间分布的基本格局比较稳定，以常德西北部的石门县和西南部的桃源县较高，研究期间其总价值虽略有起伏，但总体呈波动上升趋势;（2）从土地生态服务价值空间集聚性特征来看，1995—2000年集聚性微弱的降低，2005—2018年集聚性略有回升，其中变化较大的区域主要集中在中部和西北部，这与当地土地利用布局的优化有密不可分的关系。
　　3.2 讨 论
　　由于人们对生态系统服务的偏好和需求，产生了土地利用空间布局优化问题，从而对生态系统服务管理有了更高的要求。正确认识生态系统服务与生态建设的关系，对于发展生态建设有着指导性的意义。本文通过对常德市的土地生态服务价值时空分异规律的研究发现：研究区在城市化的过程中，由于土地利用类型布局的调整，土地生态服务价值上升，同时，区域集聚性也有所增加，这与城市化进程的加速有密不可分的联系。从单个年度的常德市生态系统服务价值来看，空间格局基本呈现西高东低的总体趋势，与彭保发等[11]研究结论一致。本文运用了空间自相关的分析方法，分析了1995—2018年期间的空间分异特征，在区域关系方面进行了较为深入的探索，但是由于采用LUCC分类标准没有进一步的类型细化，估算结果略显粗糙，因此生态系统服务价值评价的准确性是进一步研究的重要工作，同时对于生态系统服务价值的时空分布规律以及生态系统服务价值的空间集聚性影响成因尚有待于深入研究。
　　
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