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2019 , Vol. 38 >Issue 4: 844 - 855

DOI: https://doi.org/10.11821/dlyj020170999

洞庭湖区土地生态系统的服务价值时空变化

  • 邓楚雄 ,
  • 钟小龙 ,
  • 谢炳庚 ,
  • 万义良 ,
  • 宋雄伟
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  • 湖南师范大学资源与环境科学学院,长沙 410081
通讯作者：谢炳庚（1961-）,男,湖南长沙人,教授,博士生导师,研究方向为国土资源评价与管理。 E-mail：

作者简介：邓楚雄（1974-）,男,湖南衡阳人,博士,教授,研究方向为资源评价与区域经济。 E-mail：

收稿日期: 2017-11-01

  要求修回日期: 2017-12-14

  网络出版日期: 2019-04-20

基金资助

国家社会科学基金项目（16BJL063）

收起

Spatial and temporal changes of land ecosystem service value in Dongting Lake area in 1995-2015

  • DENG Chuxiong ,
  • ZHONG Xiaolong ,
  • XIE Binggeng ,
  • WAN Yiliang ,
  • SONG Xiongwei
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  • College of Resources and Environmental Sciences, Hunan Normal University, Changsha 410081, China

Received date: 2017-11-01

  Request revised date: 2017-12-14

  Online published: 2019-04-20

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《地理研究》编辑部 所有
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摘要

采用5期遥感影像数据,在ArcGIS等软件支撑下,运用当量因子法、空间自相关分析法,估算洞庭湖区土地生态系统服务价值,探究其时空变化。结果表明：① 1995—2015年洞庭湖区林地面积持续减少,未利用地面积稳步增加,林地与未利用地面积的增减主导着区域土地利用变化。② 1995—2015年洞庭湖区土地生态系统服务总价值经历1995—2000年的陡增后不断下降,近20年来累计减少21.64亿元,减少幅度为1.06%,林地面积减少是洞庭湖区土地生态系统服务总价值减少的根本原因。③ 从土地生态系统服务价值结构变化来看,1995—2015年洞庭湖区除废物处理价值有小幅增加外,其他各项生态服务价值均有不同程度的下降,但生态环境保育始终是洞庭湖区土地生态系统的主要功能。④ 1995—2015年洞庭湖区土地生态系统服务价值分布的空间自相关性较为显著,格局变化较明显,高值区、低值区趋于集中,高-高类型区在西部的沅江流域常德段有所减少,向东部的汨罗江流域快速扩展,低-低类型区集中在北部、南部、西部的城镇相对密集区并沿城镇发展轴逐步扩张凝结成带片状。

关键词： 土地生态系统服务价值; 时空变化; 空间自相关; 洞庭湖区

本文引用格式

邓楚雄 , 钟小龙 , 谢炳庚 , 万义良 , 宋雄伟 . 洞庭湖区土地生态系统的服务价值时空变化[J]. 地理研究, 2019 , 38(4) : 844 -855 . DOI: 10.11821/dlyj020170999

Abstract

Based on the 5 phases remote sensing image data of Dongting Lake area in 1995, 2000, 2005, 2010 and 2015, under the support of ArcGIS and Geoda software, this paper used the equivalent factor method, spatial autocorrelation analysis method to estimate the service value of land ecosystem in Dongting Lake area and explore the temporal and spatial changes of land ecosystem service value in the Dongting Lake. The results are shown as follows: (1) The forest area continued to decrease and unused land area increased steadily from 1995 to 2015, cultivated land area kept rising after a large scale reduction in 1995-2000, wetlands area and waters area decreased gradually after a mass increment in 1995-2000, grassland area fluctuated from 1995 to 2015; a great reduction of forest area and significant increment of unused land area dominated the land use changes in this area in recent 20 years. (2) The total service value of land ecosystem in the study area from 2000 to 2015 was declining after the steep increment in 1995-2000, and it decreased by 21.64×108 yuan, or 1.06%, in the past 20 years. The reduction of forest area was the fundamental reason for the decrease of total value of land ecosystem service in Dongting Lake area. The overall increment of wetlands area cut down the reduction margin of land ecosystem service total value. (3) In terms of the change of land ecological service value structure, the other individual ecological service value had been reduced in varying degrees apart from the slight increment of the waste treatment value, and the eco-environment conservation was always the main function of the Dongting Lake area. (4) The spatial autocorrelation of land ecosystem service value distribution was more significant in Dongting Lake area from 1995 to 2015, its high-value and low-value zones tended to be concentrated, and the agglomeration of spatial distribution of land ecosystem service value was enhancing. The spatial distribution pattern of land ecosystem service value changed obviously, the area of high-high value type zones had been reduced in the Yuanjiang River watershed of Changde, but was rapidly extending to Miluojiang River watershed, while low-low value type zones were mainly concentrated in highly concentrated town area in the north, south, west of the Dongting Lake area, and was expanding gradually to form a sheet along the town development axes and important traffic corridors.

Key words： land ecosystem service value; spatio-temporal changes; spatial autocorrelation; Dongting Lake area

1 引言

土地利用作为人类最基本的实践活动,通过改变地表覆被,影响生态系统的结构、过程与功能,进而引起区域生态系统服务价值（ecosystem service values,ESV）[1,2,3]的变化。随着城镇化加速推进,土地利用变化导致的生态环境问题日益突显,生态系统服务价值因此成为应用生态学、生态经济学、人文地理学等学科的研究重点[4,5,6,7,8]。洞庭湖是长江中下游地区最大的调蓄性湖泊,洞庭湖区是中国著名的“鱼米之乡”,湖区生态系统所蕴含巨大的生态效益、经济效益和社会效益,对维系长江中下游地区生态安全及区域经济社会可持续发展有着不可或缺的作用,因而洞庭湖区渐成热点研究区域,土地生态系统服务价值的相关研究成果不断涌现[9,10,11,12,13,14,15]。然而生态系统服务价值评估以湿地这一特定的生态系统居多,对全部土地利用类型生态系统服务价值估算的成果鲜见,不能客观量度洞庭湖区土地生态系统服务总价值。个别学者对全部土地利用类型生态系统服务价值进行了估算,但因当量因子的重复修正导致洞庭湖区土地生态系统服务价值估算结果偏高;土地生态系统服务价值变化以时序变化分析为主,忽视了对空间格局分异的考量,且时间跨度较短,难以全面反映洞庭湖区土地生态系统服务价值时空变化趋势。长江流域自1998年特大洪水以来退田还湖、平垸行洪、移民建镇等政策实施、三峡水库蓄水运行及区域经济快速发展对洞庭湖区土地利用变化产生了深刻的影响[16,17,18,19]。为弥补以往研究的不足,本文以土地利用变化为背景,利用1995—2015年的5期遥感影像数据,在ArcGIS、Geoda等软件的支撑下,运用当量因子法和空间自相关分析法,估算全部土地利用类型生态系统服务价值,探究土地生态系统服务价值时空变化特征,以期能对洞庭湖区生态系统保护与经济社会协调发展提供客观依据。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究区概况

洞庭湖为中国第二大淡水湖泊,位于湖南省北部,长江荆江河段以南,是长江中下游重要的调蓄性湖泊与生态功能区,跨湘、鄂两省,主要由东洞庭湖、西洞庭湖和南洞庭湖三部分构成。洞庭湖区以洞庭湖为中心,向周边依次过渡为冲积平原、岗台地及低丘浅山,为一碟形盆地,行政区划上,包括湖南省岳阳、常德、益阳三市的大部分地区及长沙市的望城区,此外还涉及湖北省的松滋、公安、石首等县市。洞庭湖区是典型的水流沼泽、河网平原地貌景观,海拔在30~50 m之间,属北亚热带季风湿润气候区,年平均气温17℃,年平均降雨量1302 mm,四季分明,降水充沛。区内水、土、气、生物资源丰富,水热条件匹配好,农业综合生产能力强,为中国著名的“鱼米之乡”。本文研究区域为洞庭湖区的湖南部分,涉及21个县市区,土地面积3.15万km2。

2.2 数据来源及处理

本文所需的数据主要为遥感数据与非遥感数据。遥感数据为美国NASA陆地卫星采集的覆盖洞庭湖区的1995年、2000年、2005年的Landsat TM、2010年的ETM+及2015年的OLI遥感影像,分辨率为30 m×30 m,选取的5期遥感影像云量均在10%以内,并在ENVI 5.1软件中进行辐射校正和几何校正。非遥感数据主要包括由湖南省国土资源厅提供的洞庭湖区各县市区的1 ∶ 100000地形图和1 ∶ 100000土地利用现状图、中国寒区旱区科学数据中心提供的1 ∶ 400万植被图、湖南省民政厅提供的行政区划图、湖南省统计局提供的社会经济统计资料等。根据中国《土地利用现状分类标准（GB21010-2007）》和洞庭湖区的土地利用特点,结合已有研究成果[20,21,22,23,24],利用ENVI 5.1软件进行监督分类,将洞庭湖区划分为林地、耕地、草地、湿地、水域、未利用地（含建设用地,下同）6大土地利用类型,生成洞庭湖区5期土地覆盖图形数据（图1）。采用Google Earth高分辨率遥感影像、野外考察GPS样点及土地利用现状图,对分类结果进行精度验证,结果显示5期遥感影像分类的Kappa系数均在87%以上,能很好地满足研究要求。
Fig. 1 Land use types of Dongting Lake area in each year

图1 各年份洞庭湖区土地利用类型

2.3 研究方法

2.3.1 生态系统服务价值测算 自Daily提出生态系统服务价值以来,国内外学者开始重视并以不同的时空尺度不断地开展相关实证研究[25,26,27]。为估算中国区域的生态系统服务价值,谢高地对中国多位生态学领域的专家进行问卷调查,修订了Costanza的成果,制定出了中国生态系统服务价值当量因子表[28]。生态系统服务价值当量因子是指某类生态系统某种服务价值的相对贡献大小,一个当量因子等于每年每公顷耕地所产粮食的市场价值1/7[22]。为使研究结果更切合实际,本文粮食单产水平采用2015年洞庭湖区平均粮食单产水平,粮食价格采用2015年全国中晚籼稻最低收购价格（洞庭湖区主要粮食作物为中晚籼稻）。经测算,2015年洞庭湖区平均粮食单产水平为8257.72 kg/hm2,2015年全国中晚籼稻最低收购价格为2.76元/kg,所以洞庭湖区生态系统服务价值的一个当量因子为3255.90元/hm2。根据谢高地的当量因子表[28]及洞庭湖区的当量因子值,可获得洞庭湖区各土地利用类型的生态系统服务价值系数（表1）,进而计算出洞庭湖区土地生态系统服务价值。计算公式为：
Tab. 1 Ecosystem service value coefficients of each land use type in Dongting Lake area

表1 洞庭湖区各类土地生态系统服务价值系数 单位：元·hm-2·a-1

生态系统服务功能 林地 草地 耕地 湿地 水域 未利用地
气体交换 11395.65 2604.72 1627.95 5860.62 0.00 0.00
气候调节 8790.93 2930.31 2897.75 55675.89 1497.71 0.00
水源涵养 10418.88 2604.72 1953.54 50466.45 66355.24 97.68
土壤形成与保护 12698.01 6349.01 4753.61 5567.59 32.56 65.12
废物处理 4265.23 4265.23 5339.68 59192.26 59192.26 32.56
生物多样性保护 10614.23 3548.93 2311.69 8139.75 8107.19 1107.01
食物生产 325.59 976.77 3255.90 976.77 325.59 32.56
原材料 8465.34 162.80 325.59 227.91 32.56 0.00
娱乐休闲 4167.55 130.24 32.56 18070.25 14130.61 32.56
合计 71141.42 23572.72 22498.27 204177.49 149673.72 1367.48
ESV = ∑ ( A k × V C k ) （1）
ES V f = ∑ ( A k × V C fk ) （2）
式中：ESV为土地生态系统服务价值;Ak是第k种土地利用类型的面积;VCk是第k种土地利用类型的生态系统服务价值系数（元/hm2）;ESVf是土地生态系统第f项服务价值;VCfk是第k种土地利用类型的第f项服务价值系数。
2.3.2 空间自相关分析 空间自相关分析是用于测度具有某种属性的空间分布与其临近区域是否存在相关性及相关程度的方法,能直观地表达某种空间现象的关联性与差异性[29]。
（1）全局空间自相关
全局空间自相关通过计算Moran's I指数来揭示整个洞庭湖区ESV空间相关性的总体趋势。Moran's I指数的取值范围为[-1, 1],Moran's I指数大于0表示空间正相关,值越大,正相关性越显著,空间集聚性越强;Moran's I指数等于0表示空间不相关,空间单元分布随机;Moran's I指数小于0表示空间负相关,值越小,负相关性越显著,空间差异性越大。计算公式为：
Moran's     I = n ∑ i = 1 n ∑ j ≠ 1 n w ij ( x i - x ̅ ) ( x j - x ̅ ) ( ∑ i = 1 n ∑ j = 1 n w ij ) ∑ i = 1 n ( x i - x ̅ ) 2 （3）
式中：n为空间单元的数量;xi、xj分别为第i、j个空间单元的ESV值; x ̅ 为ESV的平均值;wij为空间权重矩阵。
（2）局部空间自相关
局部空间自相关通过计算局部Moran's Ii指数（LISA）来反映洞庭湖区ESV空间相关性的局部特征。Moran's Ii指数大于0,表示空间单元的ESV值高-高或低-低集聚;Moran's Ii指数小于0表示空间单元的ESV值高-低或低-高集聚。
Moran's     I i = x i - x ̅ m o ∑ w ij x j - x ̅ （4）
式中：xi、xj、 x ̅ 、wij的含义同上; m 0 = ∑ ( x i - x ̅ ) 2 n 。

3 结果分析

3.1 洞庭湖区土地利用类型变化

根据洞庭湖区的遥感解译分类数据（表2）,分析其土地利用类型变化。从变化规模来看,1995—2015年洞庭湖区林地面积减少最大,减少560.53 km2,未利用地面积增加最多,增加485.28 km2,湿地面积增加较大,增加68.41 km2,其他土地利用类型面积增减较少;从变化率来看,1995—2015年洞庭湖区未利用地变化幅度最大,增长率高达64.64%,草地、湿地、林地变化幅度较大,变化率分别为-8.17%、4.69%、-4.59%,水域和耕地变化幅度不明显;从阶段性变化来看,林地面积呈现出不同规模持续减少的态势,未利用地面积稳步增长,耕地面积与湿地、水域面积表现为相反的变化趋势,耕地面积于1995—2000年大规模减少后不断攀升,湿地和水域面积经过1995—2000年大规模增加后逐步下降,草地面积波浪式交互增减。1998年特大洪水后退田还湖、平垸行洪、移民建镇等生态环境建设和三峡水库蓄水运行、耕地“占补平衡”制度趋严下土地整治开发及城镇化加速推进等是洞庭湖区土地利用产生上述变化的主要原因。
Tab. 2 Land use type changes in Dongting Lake area from 1995 to 2015

表2 1995—2015年洞庭湖区土地利用类型变化

土地利用类型 林地 草地 耕地 湿地 水域 未利用地
面积(km2) 1995年 12204.19 376.96 12865.23 1459.24 3837.02 750.70
2000年 11888.79 334.32 12634.38 1765.26 4065.92 804.67
2005年 11834.02 434.16 12685.43 1669.21 3982.50 888.02
2010年 11754.85 446.90 12771.70 1587.52 3913.93 1018.44
2015年 11643.66 346.16 12875.44 1527.65 3864.45 1235.98
面积变化 1995-2000年(km2) -315.4 -42.64 -230.85 306.02 228.90 53.97
1995-2000年(%) -2.58 -11.31 -1.79 20.97 5.97 7.19
2000-2005年(km2) -54.77 99.84 51.05 -96.05 -83.42 83.35
2000-2005年(%) -0.46 29.86 0.40 -5.44 -2.05 10.36
2005-2010年(km2) -79.17 12.74 86.27 -81.69 -68.57 130.42
2005-2010年(%) -0.67 2.93 0.68 -4.89 -1.72 14.69
2010-2015年(km2) -111.19 -100.74 103.74 -59.87 -49.48 217.54
2010-2015年(%) -0.95 -22.54 0.81 -3.77 -1.26 21.36
1995-2015年(km2) -560.53 -30.80 10.21 68.41 27.43 485.28
1995-2015年(%) -4.59 -8.17 0.08 4.69 0.71 64.64

3.2 洞庭湖地区土地生态系统服务价值时序变化

3.2.1 总价值时序变化 1995—2015年洞庭湖区土地生态系统服务总价值经历了前增后减的变化过程,由1995年的2039.83亿元增加到2000年的2108.01亿元,增加了68.18亿元,增加率为3.34%,之后阶段性减少到2015年的2018.19亿元,近20年来累计减少21.64亿元,减少率为1.06%（表3）。湿地、水域的生态服务价值与土地生态系统服务总价值变化过程相似,但由于1995—2000年生态服务价值的增加量大于2000—2015年的减少量,且生态服务价值系数大,因而1995—2015年湿地、水域的生态服务价值分别增加了13.97亿元和4.11亿元。1995—2015年草地、耕地面积变化不大,且其生态服务价值系数较小,未利用地面积增加大,但其生态服务价值系数小,因此这三种土地利用类型面积变化对洞庭湖区土地生态系统服务总价值变化影响小。林地面积大规模减少,加之生态服务价值系数较大,林地的生态服务价值不断减少,由1995年的868.22亿元减少到2015年的828.35亿元,累计减少39.88亿元,林地面积变化是洞庭湖区土地生态系统服务总价值减少的根本原因。
Tab. 3 Ecosystem service value changes of each land use type of Dongting Lake area from 1995 to 2015

表3 1995—2015年洞庭湖区各类土地生态系统服务价值变化

土地利用类型 林地 草地 耕地 湿地 水域 未利用地 总计
ESV(亿元) 1995年 868.22 8.89 289.45 297.94 574.30 1.03 2039.83
2000年 845.79 7.88 284.25 360.43 608.56 1.10 2108.01
2005年 841.89 10.23 285.40 340.82 596.08 1.21 2075.63
2010年 836.26 10.53 287.34 324.14 585.81 1.39 2045.47
2015年 828.35 8.16 289.68 311.91 578.41 1.69 2018.19
ESV变化 1995-2000年(亿元) -22.44 -1.01 -5.19 62.48 34.26 0.07 68.18
1995-2000年(%) -2.58 -11.31 -1.79 20.97 5.97 7.19 3.34
2000-2005年(亿元) -3.90 2.35 1.15 -19.61 -12.49 0.11 -32.38
2000-2005年(%) -0.46 29.86 0.40 -5.44 -2.05 10.36 -1.54
2005-2010年(亿元) -5.63 0.30 1.94 -16.68 -10.26 0.18 -30.16
2005-2010年(%) -0.67 2.93 0.68 -4.89 -1.72 14.69 -1.45
2010-2015年(亿元) -7.91 -2.37 2.33 -12.22 -7.41 0.30 -27.28
2010-2015年(%) -0.95 -22.54 0.81 -3.77 -1.26 21.36 -1.33
1995-2015年(亿元) -39.88 -0.73 0.23 13.97 4.11 0.66 -21.64
1995-2015年(%) -4.59 -8.17 0.08 4.69 0.71 64.64 -1.06
3.2.2 单项服务价值时序变化 1995—2015年洞庭湖区土地生态系统单项服务价值变化中,除废物处理价值有小幅（0.74%）增加外,其他各项生态服务价值均有不同程度的减少,其中原材料、气体交换、土壤形成与保护、生物多样性保护价值减少幅度相对较大,分别减少了4.38%、3.57%、3.02%、2.31%（表4）。阶段性变化中,1995—2015年洞庭湖区气体交换、土壤形成与保护、原材料价值逐步减少,气候调节、水源涵养、废物处理、生物多样性保护、娱乐休闲价值经过1995—2000年增加后连续减少,食物生产价值于1995—2000年减少后逐渐增加。土壤形成与保护、气体交换、原材料、生物多样性保护价值减少驱使洞庭湖区土地生态系统服务总价值降低,废物处理价值不减反而增加得益于湿地和水域面积的总体增长。
Tab. 4 Changes of individual service value of land ecosystem in Dongting Lake area from 1995 to 2015

表4 1995—2015年洞庭湖区土地生态系统单项服务价值变化

生态系统
服务功能		 气体
交换		 气候
调节		 水源
涵养		 土壤形成与保护 废物
处理		 生物多样
性保护		 食物
生产		 原材料 娱乐
休闲		 合计
ESVf
(亿元)		 1995年 169.55 232.66 481.59 226.82 435.88 204.43 48.93 108.02 131.94 2039.83
2000年 167.26 246.48 508.38 223.16 464.78 204.81 48.41 105.35 139.38 2108.01
2005年 166.42 240.96 497.80 222.81 454.63 203.33 48.54 104.89 136.26 2075.63
2010年 165.21 235.90 488.51 221.84 445.92 201.66 48.71 104.23 133.49 2045.47
2015年 163.50 231.52 481.01 219.97 439.10 199.71 48.84 103.29 131.24 2018.19
ESVf变化 1995-2000年(亿元) -2.29 13.81 26.79 -3.66 28.91 0.37 -0.52 -2.67 7.44 68.18
1995-2000年(%) -1.35 5.94 5.56 -1.61 6.63 0.18 -1.06 -2.48 5.64 3.34
2000-2005年(亿元) -0.84 -5.51 -10.59 -0.35 -10.16 -1.47 0.13 -0.46 -3.13 -32.38
2000-2005年(%) -0.50 -2.24 -2.08 -0.16 -2.19 -0.72 0.26 -0.43 -2.24 -1.54
2005-2010年(亿元) -1.21 -5.06 -9.28 -0.96 -8.71 -1.67 0.17 -0.66 -2.77 -30.16
2005-2010年(%) -0.73 -2.10 -1.86 -0.43 -1.92 -0.82 0.35 -0.63 -2.03 -1.45
2010-2015年(亿元) -1.71 -4.38 -7.50 -1.88 -6.82 -1.95 0.14 -0.94 -2.25 -27.28
2010-2015年(%) -1.04 -1.86 -1.54 -0.85 -1.53 -0.96 0.28 -0.90 -1.68 -1.33
1995-2015年(亿元) -6.05 -1.14 -0.58 -6.85 3.22 -4.72 -0.09 -4.73 -0.70 -21.64
1995-2015年(%) -3.57 -0.49 -0.12 -3.02 0.74 -2.31 -0.18 -4.38 -0.53 -1.06
从土地生态系统服务价值的构成来看,洞庭湖区各年期各单项生态服务价值占土地生态系统服务总价值的比例由大到小依次为：水源涵养、废物处理、气候调节、土壤形成与保护、生物多样性保护、气体交换、娱乐休闲、原材料、食物生产。洞庭湖区水源涵养和废物处理功能最具优势地位,两者价值分别占到各年期土地生态系统服务总价值的20%以上;气候调节、土壤形成与保护、生物多样性保护、气体交换功能较为重要,四者价值之和基本保持在各年期土地生态系统服务总价值的40%左右;食物生产价值比例最低,不到各年期土地生态系统服务总价值的3%。水源涵养、废物处理、气候调节、土壤形成与保护、生物多样性保护、气体交换六者价值之和分别占到各年期土地生态系统服务总价值的85%以上,生态环境保育始终是洞庭湖区土地生态系统的主要功能。

3.3 洞庭湖地区土地生态系统服务价值空间变化

3.3.1 全局空间自相关变化 为测度洞庭湖区土地生态系统服务价值空间相关性变化的总体趋势,利用ArcGIS软件以5 km×5 km的网格为基本单元,生成洞庭湖区5期土地生态系统服务价值空间分布格局图,并以此在GeoDA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。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指数均大于0,且均在0.63以上,说明洞庭湖区土地生态系统服务价值分布总体呈较显著的空间正相关,高值区趋于集聚,低值区趋于相邻,与洞庭湖区以湖泊湿地为中心向东、南、西随着地形地貌变化依次过渡为耕地、林地的土地利用基本分布格局相吻合;全局Moran's I指数由1995年的0.6320上升至2000年的0.6491,之后从2005年的0.6451攀升到2015年的0.7012,增长态势较为明显,这表明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洞庭湖区土地生态系统服务价值空间分布的集聚性不断增强。
3.3.2 局部空间自相关变化 由于全局空间自相关分析不能全面反映区域内部土地生态系统服务价值的空间自相关性,为进一步揭示洞庭湖区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软件计算出局部Moran's Ii指数,结合洞庭湖区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。
Moran散点图是通过二维图示表达某一数值的标准化向量与它的空间滞后向量之间的相关关系来研究局部空间的不稳定性。从图2可以看出,洞庭湖区土地生态系统服务价值散点主要分布在第一、第三象限,5期Moran散点图中一、三象限散点数之和占每期散点总数的75%以上,第二象限较少,第四象限几乎没有,说明洞庭湖区土地生态服务价值具有较显著的局部空间正自相关,土地生态服务价值相近的网格在空间上集聚分布。第一象限的点最为离散,说明土地生态系统服务价值高值区各网格间的服务价值差别较大;第三象限的点集中度最高,表明土地生态系统服务价值低值区各网格间的服务价值差距较小。就总的变化趋势而言,尽管1998年特大洪水后的生态环境建设与三峡水库蓄水运行等对洞庭湖区土地生态系统服务价值的空间分布起到了一定的聚散作用,但第一、第二、第三象限的点越来越集聚,意味着生态经济发展过程中,土地利用布局的优化促使了洞庭湖区土地生态系统服务价值的局部均质性不断增强。
Fig. 2 Moran scatter of land ecosystem service value of Dongting Lake area in each year

图2 各年份洞庭湖区土地生态服务价值Moran散点图

LISA是用来测度空间单元某种属性与相邻空间单元相互联系及其程度的指标[30],通常以LISA集聚图来表现。对比土地利用类型图（图1）与土地生态系统服务价值LISA集聚图（图3）可以发现,洞庭湖区土地生态系统服务价值高值区主要集中在东洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖、大通湖等水域及周边湿地,土地生态系统服务价值低值区主要分布在北部、南部、西部的城镇化水平较高且建设用地相对集中的县市区。1995—2015年,土地生态系统服务价值空间分布格局发生了较为明显的变化。受城镇化的影响,沅江流域常德段土地生态系统服务价值的高-高类型区不断减少;因汨罗江国家湿地公园的建设保护,洞庭湖区土地生态系统服务价值的高-高类型区向东延展;随着城镇化水平的快速推进、非农产业的集群化发展,东北部的岳阳市辖区、临湘市、岳阳县,东南部的望城区、汨罗市、湘阴县,西部的常德市辖区、临澧县、津市、澧县土地生态系统服务价值的低-低类型区沿城镇发展轴与重要交通走廊逐步扩张并凝结成带片状。土地生态系统服务价值的低-高、高-低类型区异动不大。
Fig. 3 The LISA cluster graph of land ecosystem service value of Dongting Lake area in each year

图3 各年份洞庭湖区土地生态系统服务价值LISA集聚图

4 结论与讨论

本文以洞庭湖区1995年、2000年、2005年、2010年、2015年的5期遥感影像解译分类数据为基础,采用谢高地等学者的当量因子法、空间自相关分析法对洞庭湖区1995—2015年的土地生态系统服务价值时空变化进行分析。得到如下主要结论：
（1）在退田还湖、三峡水库蓄水运行、城镇化快速推进、耕地“占补平衡”等一系列因素的综合作用下,1995—2015年洞庭湖区林地面积持续减少,未利用地面积稳步增加,耕地面积于1995—2000年大规模减少后不断攀升,湿地和水域面积经过1995—2000年大规模增加后逐步下降,草地面积波浪式交互增减。近20年来,洞庭湖区林地和未利用地面积变化最大,林地减少560.53 km2,未利用地增加485.28 km2,湿地面积有一定规模的增长,其他土地利用类型面积变化较少。
（2）1995—2015年洞庭湖区土地生态系统服务总价值经历1995—2000年的陡增后不断下降,近20年累计减少21.64亿元,减少幅度为1.06%;土地生态系统单项服务价值除废物处理价值有小幅增加外,其他各项生态服务价值均有不同程度的减少。生态系统服务价值系数较大的林地面积大规模缩减及土地利用结构变化引起的土壤形成与保护、气体交换、原材料、生物多样性保护价值减少共同驱使洞庭湖区土地生态系统服务总价值降低,废物处理价值不减反而增加得益于湿地和水域面积的总体扩张。洞庭湖区水源涵养和废物处理功能最为突出,气候调节、土壤形成与保护、生物多样性保护、气体交换功能较为重要,六者价值之和分别占到各年期土地生态系统服务总价值的85%以上,生态环境保育始终是洞庭湖区土地生态系统的主要功能。
（3）1995—2015年洞庭湖区各年期土地生态系统服务价值空间分布的全局Moran's I指数均在0.63以上,并总体呈现上升的态势,高值区、低值区趋于集中,土地生态系统服务价值分布的空间正自相关较为显著,集聚性增强。洞庭湖区土地生态系统服务价值空间分布格局变化较明显,高值区主要集中在东洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖、大通湖等水域及周边湿地,高-高类型区在西部的沅江流域常德段有所减少,但以湖泊水体为中心向东部的汨罗江流域快速扩展,低值区主要分布在北部、南部、西部的城镇化水平较高且建设用地相对集中的县市区,低-低类型区沿城镇发展轴与重要交通走廊逐步扩张并凝结成带片状。水域湿地保护力度加大、城镇化快速推进促使着洞庭湖区土地生态系统服务价值空间集聚性增强及分布格局变化。
与洞庭湖区已有研究成果比,本文计算出的土地生态系统价值与其他学者的结果存在一定的差别,但其变化趋势基本一致。究其原因为：一方面是研究方法不同。本文采用谢高地的“当量因子法”并且根据洞庭湖区的实际情况对当量因子进行修正来估算洞庭湖区的土地生态系统服务价值,而李景保等学者采用传统的货币方法对洞庭湖区土地生态系统服务价值进行估算[10,12,14],且两者对土地生态服务功能类型的划分有所不同,因此估算结果有出入。另一方面是洞庭湖区的土地面积及当量因子修正系数的差异。采用的洞庭湖区的范围包括岳阳、常德、益阳三市大部分县级行政单元及长沙市的望城区等21个县市区,土地面积约3.15万km2,与百度百科提供的范围、面积基本吻合;当量因子根据2015年的洞庭湖区平均粮食单产水平及全国中晚籼稻最低收购价格进行修正,符合洞庭湖区的实际情况。而李涛等采用的洞庭湖区范围多出了平江县、桃江县,少了桃源县与望城区,土地面积约为4.53万km2 [9],比本文采用的土地面积大了1.38万km2;当量因子修正系数根据谢高地ESV的区域修正系数（湖南省为1.95）与洞庭湖区的平均粮食产量、全国平均粮食价格的乘积得到,当量因子修正时区域修正系数与洞庭湖区的平均粮食产量重复（两者取其一即可）,计算出的当量因子修正系数相对较高,土地面积大,加之当量因子修正系数高,因而得到的土地生态系统服务价值高于本文的计算结果。如剔除土地面积大与当量因子修正系数高的影响,两者结果大致相近（以2010年计算结果对比）。与其他研究成果类似,本文采用一级分类标准对洞庭湖区的土地利用进行分类,没有进一步细分土地利用类型,并将建设用地纳入未利用地中进行土地生态系统服务价值计算,估算结果略显粗糙,故细化土地利用类型,提高估算结果的精准性,是进一步研究的重要工作。

The authors have declared that no competing interests exist.

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DOI

[Chen Yang, Zhang Jianjun, Du Guoming, et al.Temporal and spatial changes in ecosystem service values in the northern sanjiang plain. Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(18): 6157-6164.]

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刘桂林, 张落成, 张倩. 长三角地区土地利用时空变化对生态系统服务价值的影响. 生态学报, 2014, 34(12): 3311-3319.基于1980-2010年的土地利用数据，估算了各种土地利用类型的生态系统服务价值，分析了长三角30年来生态系统服务价值的时空动态及其对土地利用变化的响应。结果表明，1980-2010年，长三角建设用地面积变化最大，为446.1%，未利用地、耕地、草原、林地、水域的变化分别为285.9%、-31.5%、-76.2%、-5.4%、42.9%；1980-2010年，长三角地区的总生态系统服务价值减少了4.40%，水源涵养、休闲娱乐、废物处理生态系统服务功能价值上升；生态系统服务价值极低区域的面积增加且分布于城市扩张区域，生态系统服务价值中等区域逐年下降且被生态系统服务价值低区域所替代，高生态系统服务价值区域处于增加的趋势而极高区域基本维持不变；常州、湖州、嘉兴、南京、泰州的生态系统服务价值逐年增加，而其他城市的则处于下降趋势。

DOI

[Liu Guilin, Zhang Luocheng, Zhang Qian.Spatial and temporal dynamics of land use and its influence on ecosystem service value in Yangtze River Delta. Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(12): 3311-3319.]

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胡和兵, 刘红玉, 郝敬锋, 等. 城市化流域生态系统服务价值时空分异特征及其对土地利用程度的响应. 生态学报, 2013, 33(8): 2565-2576.以南京市九乡河流域为研究区域,以2003与2009年2景QuickBird影像数据为基本信息源,应用空间自相关模型,结合GIS空间分析技术,定量探讨了城市化流域生态系统服务价值时空分异特征,以及土地利用程度对生态服务价值空间分异的影响。结果表明:2003-2009年,九乡河流域生态系统服务总价值减少了2.59%,而流域生态系统服务价值的空间聚集性增强;生态服务价值的高-高区域主要集中在流域上游,低-低区域主要集中在流域下游的仙林大学城一带;九乡河流域生态系统服务价值空间分异发生了明显变化,下游仙林大学城一带低-低分布区快速扩张,而高-高分布区仅在九乡河源头及下游的局部区域有所增加;流域生态服务价值空间自相关表现出明显的尺度效应,随着研究尺度增大,生态服务价值的空间自相关性逐渐增强;九乡河流域生态服务价值的空间分异及其变化主要是由土地开发利用引起,流域土地利用程度对生态服务价值存在明显的负效应。

DOI

[Hu Hebing, Liu Hongyu, Hao Jingfeng, et al.Spatio-temporal variation in the value of ecosystem services and its response to land use intensity in an urbanized watershed. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(8): 2565-2576.]

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