盐城海岸带生态系统服务价值时空分异

刘玉卿，张华兵，张云峰

（盐城师范学院 城市与规划学院，江苏 盐城 224007）

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。

1 研究区概况及数据

1.1 研究区概况

盐城海岸带（32°34′～34°28′N， 119°27′～121°16′E）位于江苏省东部沿海， 面积约 45 万 hm2， 拥有中国面积最大的沿海湿地。一般以苏北灌溉总渠为界，渠北为南暖温带气候带，渠南侧为北亚热带气候带［14］。本研究范围北至苏北灌溉总渠，南至北凌河口，西至盐城老海堤（江苏226省道），东至海水-3 m等深线的盐城滨海湿地地区。研究区总面积约3 523 km2［15］，年平均气温为14℃，年降水量为900～1 100 mm。

1.2 数据来源及处理

以研究区1997，2007与2014年3期Landsat TM/ETM+影像为数据源，利用ENVI4.7提取研究区景观类型信息。区域内生态系统类型多样，包括自然生态系统和人工生态系统。其中河流、芦苇Phragmites australis沼泽、碱蓬Suaeda salsa沼泽、互花米草Spartina alterniflora沼泽及光滩为自然生态系统，农田、盐田、养殖池与城镇用地为人工生态系统。按照研究需要并结合国际湿地公约对湿地的分类［16］，将研究区景观类型划分为耕地、养殖池、芦苇沼泽、互花米草沼泽、碱蓬沼泽、光滩、建设用地、盐田与河流共9类。本研究采用非监督分类和人工目视解译相结合的方式解译影像，以地面调查的信息对分类结果进行验证，解译精度均在90%以上。最终生成研究区1997，2007与2014年3期景观分类图，提取研究区各景观类型的属性信息用于后续分析（图1）。

2 研究方法

2.1 生态系统服务价值估算

图1 盐城海岸带景观类型示意图Figure 1 Landscape map in Yancheng coastal zone

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

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：

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。

2.2 空间自相关分析

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：

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为空间权重矩阵是变量的平均值。

2.3 敏感性分析

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。

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：

3 结果与分析

3.1 盐城海岸带不同景观类型ESV分析

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ESVTable 2 ESV of different landscape types in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014

3.2 盐城海岸带格网单元不同等级ESV时序分析

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

3.3 盐城海岸带1997-2014年格网尺度ESV空间变化分析

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。

图2 盐城海岸带1997-2014年ESV等级空间分布示意图Figure 2 Spatial pattern of ESV level in Yancheng coastal zone from 1997 to 2014

3.4 ESV空间自相关分析

3.4.1 ESV全局自相关分析 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。

3.4.2 ESV局部空间自相关分析 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。

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

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

3.5 敏感性分析

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

4 结论与讨论

4.1 讨论

研究区在研究期间景观格局发生了显著变化，主要体现在自然湿地向人工湿地的转变，ESV总体上呈不断下降的趋势。这与相关学者的研究成果基本一致［11-12］。ESV评价受诸多主观因素的影响，如研究时段、研究方法、ESV价值系数修正的差异等，使得生态系统服务价值估算的绝对值存在一定的差异。本研究估算的ESV值高于邢伟等［11］的结果，低于周鑫等［12］的估算，但ESV的变化趋势是相近的。因此，本研究的ESV评估仍需进一步改进与完善。首先要加强ESV评估的规范性。虽然本研究ESV估算中对湿地生态系统类型进行了细分，但未区分互花米草、芦苇及碱蓬沼泽ESV价值系数的差异。近年来互花米草的负面生态影响得到了广泛的认可［23-24］，本研究未对其生态入侵的危害作深入分析。后续研究要采用更科学的方法对不同湿地景观类型的ESV系数进行修订，还应考虑当地居民对生态系统服务的支付意愿、支付能力和社会经济发展水平的差异。其次，本研究仅对盐城海岸带湿地生态系统服务价值进行了估算，暂未考虑海洋生态系统。因此核算海洋生态系统ESV是下一步的研究方向。王静等［25］和李占玲等［26］研究表明：围垦前后生态系统服务总的价值相差不大，但围垦在增加供给服务的同时引起调节服务的较大损失。本研究也表明：不同生态系统类型的此消彼长引起ESV的时空变化，如何权衡与协同研究区不同生态系统服务之间的相互关系，尤其是供给服务与调节服务的关系，实现区域经济发展与生态保护的 “双赢”局面是今后的研究方向之一。

4.2 结论

从时间上看，盐城海岸带在1997，2007和2014年的ESV分别为134.33亿元，117.72亿元和97.13亿元，总体上呈持续下降的趋势。研究期间芦苇沼泽、碱蓬沼泽、河流等自然湿地面积持续减少，耕地、养殖池等人工湿地持续增加，对研究区的生态环境造成了巨大压力，同时引起ESV的显著变化。敏感性分析得出：不同时期ESV的敏感性系数均小于1，表明本研究结果可信，可为研究区生态系统服务价值的精细化估算、湿地生态修复及湿地补偿等提供科学参考。

从空间分布来看，盐城海岸带的ESV在空间上发生了显著变化。ESV高区面积和空间分布显著减少，ESV较低区空间分布和面积表现出逐渐扩大的趋势。自相关分析得出盐城沿海湿地的ESV在空间上具有一定的集聚分布特征。高—高ESV集聚区主要位于研究区两大自然保护区及其周边区域，低—低ESV集聚区主要分布在光滩，且随着围垦活动的不断加强，低—低ESV集聚区域也存在不断缩小的趋势。表明当地人类活动对景观类型利用方式的影响最终影响ESV的供给和分布格局。