雷金睿,陳宗鑄,陳小花,李苑菱,吳庭天

海南省林業(yè)科學(xué)研究院,海南省紅樹(shù)林研究院, ?？?571100

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類(lèi)直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)中獲取的收益[1],與人類(lèi)福祉關(guān)系極其密切[2- 4]。正確認(rèn)知生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系,是開(kāi)展多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可持續(xù)管理決策的前提[5- 6]。目前,國(guó)內(nèi)外在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(Ecosystem Services Values,ESV)的評(píng)估方法上都開(kāi)展了大量的研究工作,但尚未形成一套統(tǒng)一的評(píng)估體系[3,7- 10]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估大致可以分為兩類(lèi)：基于單位服務(wù)功能價(jià)格方法和基于單位面積價(jià)值當(dāng)量因子方法[8],前者評(píng)估方法輸入?yún)?shù)較多、計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜且標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一,因此在具體理論和方法上尚未形成突破[9- 12]；后者評(píng)估方法主要受到了Costanza[7]研究的影響,相對(duì)于前者而言,當(dāng)量因子法較為直觀易用、數(shù)據(jù)需求少、評(píng)估全面且可比性高,特別適用于區(qū)域和全球尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估[8,13]。我國(guó)學(xué)者謝高地等[4,8]在Costanza評(píng)價(jià)模型基礎(chǔ)上改進(jìn)并計(jì)算得到中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的基礎(chǔ)當(dāng)量,被大多數(shù)研究人員采用,廣泛應(yīng)用于評(píng)估國(guó)家、省市縣、城市群、流域等不同空間尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值[12- 16]。

土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)作為人類(lèi)最基本的實(shí)踐活動(dòng),是影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化的重要因素[16- 18]。因地表覆被的改變導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、過(guò)程和功能發(fā)生了巨大變化,同時(shí)面臨著日益加劇的人為活動(dòng)壓力[19- 21]。島嶼作為獨(dú)特的自然生態(tài)系統(tǒng),是沿海地區(qū)不可或缺的重要組成部分[22],其所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能也更易受到人類(lèi)活動(dòng)的影響而發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的改變[23- 24]。我國(guó)沿海島嶼眾多,當(dāng)前對(duì)于島嶼型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的評(píng)估研究相對(duì)匱乏[22,25],對(duì)其認(rèn)識(shí)也比較有限。如,Zhao等[26]采用價(jià)值當(dāng)量法評(píng)估了1990—2000年崇明島東灘土地利用和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化情況；Lin等[22]分析了城市化背景下廈門(mén)島1973—2007年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和景觀格局變化；Qiu等[27]研究了2009—2014年舟山群島土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化；Shifaw等[14]對(duì)福建平潭島2003—2017年在實(shí)施綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)計(jì)劃前后的土地利用格局與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化進(jìn)行了量化評(píng)估?？梢?jiàn),當(dāng)前大部分研究?jī)H從時(shí)間動(dòng)態(tài)變化上對(duì)一些島嶼的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值開(kāi)展了評(píng)估與分析,缺乏在空間上變化特征的描述。而海南島作為相對(duì)獨(dú)立的地理單元,在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估上也多見(jiàn)于對(duì)局部區(qū)域或者部分類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行研究,如喻露露等[28]、雷金睿等[15]分別對(duì)?？谑泻０稁А⒑Ｄ蠉u東北部的土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值開(kāi)展了研究；歐陽(yáng)志云等[29]采用單位服務(wù)功能價(jià)格方法對(duì)2002年海南島生態(tài)系統(tǒng)所提供的生態(tài)調(diào)節(jié)功能價(jià)值進(jìn)行了評(píng)估,隋磊等[30]同樣采用該方法對(duì)1998—2008年海南島森林、濕地、淡水和草地四類(lèi)自然生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)評(píng)估,但始終缺乏從長(zhǎng)時(shí)間序列角度對(duì)全島土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行全面研究。此外,土地利用變化受自然、經(jīng)濟(jì)、政策等多種因素的影響[31],具有很強(qiáng)的空間差異性,不同空間區(qū)位上的土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響不盡相同[32]。相關(guān)研究認(rèn)為,基于網(wǎng)格單元的探索性空間統(tǒng)計(jì)分析能夠有效表達(dá)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間變化特征,更加精準(zhǔn)地刻畫(huà)出土地利用對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的局部影響,而被大多數(shù)研究者采用[12,15- 16,27,32]。

海南島為我國(guó)第二大島嶼,地理位置獨(dú)特,是“21世紀(jì)海上絲綢之路”的重要戰(zhàn)略支點(diǎn)。2018年中共中央、國(guó)務(wù)院提出在海南設(shè)立中國(guó)自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū),2019年又提出建設(shè)國(guó)家生態(tài)文明試驗(yàn)區(qū),探索生態(tài)價(jià)值實(shí)現(xiàn)機(jī)制,這對(duì)海南生態(tài)環(huán)境保護(hù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提出了更高的要求和賦予了新的生命動(dòng)力。然而,海南特殊的島嶼生態(tài)系統(tǒng)具有明顯的獨(dú)立性和脆弱性,一旦遭到破壞就會(huì)造成不可逆轉(zhuǎn)的后果。在國(guó)家戰(zhàn)略的背景下,以不破壞生態(tài)環(huán)境為前提,如何實(shí)現(xiàn)全島生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)最優(yōu)權(quán)衡,對(duì)于認(rèn)識(shí)土地資源開(kāi)發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。因此,本文以海南本島為研究對(duì)象,基于修訂后的單位面積價(jià)值當(dāng)量因子法,利用1980—2018年5期土地利用數(shù)據(jù)從時(shí)間和空間角度探究海南島土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的動(dòng)態(tài)變化特征與權(quán)衡協(xié)同關(guān)系,以期為區(qū)域土地資源利用管理和生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

海南島(18.80°—20.10 °N,108.37°—111.03° E)位于南海大陸架北端,與雷州半島隔海相望,面積約3.4萬(wàn)km2,涉及18個(gè)市縣,海岸線長(zhǎng)1944.4 km。區(qū)域地貌類(lèi)型多樣,地形中高周低,以五指山(1867 m)、鸚哥嶺(1811 m)為隆起核心,從中部向四周依次為山地、丘陵、臺(tái)地和平原等逐級(jí)遞降(圖1)。氣候高溫多雨、長(zhǎng)夏無(wú)冬,年降水量1000—2500 mm,年平均氣溫23.8—26.2℃,具有典型的熱帶季風(fēng)海洋性氣候。自1988年海南建省,特別是2009年建設(shè)海南國(guó)際旅游島以來(lái),社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,城市迅速擴(kuò)張,土地變化劇烈,深刻影響著全島生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。當(dāng)前,海南島土地利用現(xiàn)狀以林地和耕地為主,兩者接近總面積的90%。島內(nèi)森林資源豐富、生態(tài)系統(tǒng)多樣,擁有全國(guó)保存最完整的熱帶天然林,森林覆蓋率從建省初期的38.2%提高到了62.1%,為海南生態(tài)立省發(fā)展戰(zhàn)略和國(guó)家生態(tài)文明試驗(yàn)區(qū)建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖1 研究區(qū)位置

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

研究采用的1980年、1990年、2000年、2010年和2018年5期土地利用矢量數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)(http://www.resdc.cn/),精度達(dá)到90%以上[33]。該系列數(shù)據(jù)依據(jù)全國(guó)土地利用遙感監(jiān)測(cè)分類(lèi)體系,將土地利用類(lèi)型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及未利用地6大類(lèi)(圖2)。參考相關(guān)研究[15- 16,32],借助ArcGIS漁網(wǎng)工具將海南島劃分為2 km×2 km正方形網(wǎng)格單元8580個(gè),并分別計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格單元中各土地利用類(lèi)型的面積。

圖2 海南島土地利用類(lèi)型圖

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)

參照近年來(lái)關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的研究[13,15,34],以謝高地等[4,8]制定的中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表為基礎(chǔ),確定了中國(guó)1個(gè)生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值當(dāng)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為3406.50元/hm2。根據(jù)研究期內(nèi)海南省單位面積平均實(shí)際糧食產(chǎn)量4822.45 kg/hm2,同期全國(guó)單位面積糧食產(chǎn)量4974 kg/hm2,以此得出研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)當(dāng)量?jī)r(jià)值的修正系數(shù)為0.9695,即換算得到研究區(qū)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量為3302.71元/hm2。并結(jié)合喻露露等[28]、雷金睿等[15]人對(duì)海南島局部區(qū)域的研究成果,確定了海南島生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表(表1),其中建設(shè)用地的價(jià)值當(dāng)量為0。根據(jù)修正后的價(jià)值當(dāng)量和各土地利用類(lèi)型的面積得到研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,計(jì)算公式為：

表1 海南島單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量

式中,ESV表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；Ai表示第i種土地利用類(lèi)型的面積(hm2)；VCi表示第i種土地利用類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)；ESVf表示第f項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值；VCfi表示第i種土地利用類(lèi)型的第f項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)；ECf為某類(lèi)土地利用類(lèi)型第f項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值當(dāng)量；Ea為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,即3302.71元/hm2。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化指數(shù)

采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化指數(shù)(ESCI)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化進(jìn)行刻畫(huà)[6,35],以表征各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相對(duì)增益或減損。其計(jì)算公式為：

式中,ESCIx代表單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化指數(shù)；ESCURx代表最后狀態(tài)下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；ESHISx代表初始狀態(tài)下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。ESCI值為0時(shí)表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)沒(méi)有變化；當(dāng)為負(fù)值時(shí)表示有減損；為正值時(shí)表示有增益。

2.4 空間統(tǒng)計(jì)分析

3 結(jié)果與分析

3.1 海南島土地利用動(dòng)態(tài)變化特征

3.1.1土地利用類(lèi)型面積變化

根據(jù)海南島不同時(shí)期遙感解譯分類(lèi)數(shù)據(jù)(圖2),可以看出,海南島土地利用類(lèi)型以林地為主,占總面積的62%以上,主要分布在海南島中南部；其次為耕地,占26%左右,主要分布在海南島北部和山地周?chē)?兩者接近海南島總面積的90%；其他土地利用類(lèi)型面積占比較少。從表2的土地利用類(lèi)型面積變化來(lái)看,1980—2018年海南島建設(shè)用地面積增加量最大,增加741.38 km2,其次為水域,增加261.89 km2；耕地和草地面積減少較大,分別為493.58 km2和367.15 km2,其他土地利用類(lèi)型面積變化較小。從面積變化率來(lái)看,1980—2018年海南島建設(shè)用地面積變化幅度最大,增長(zhǎng)率高達(dá)122.46%,未利用地、草地、水域的面積變化幅度較大,變化率分別為-62.34%、-24.35%、20.94%,耕地和林地的變化幅度較小。從面積階段性變化來(lái)看,建設(shè)用地面積比例呈現(xiàn)出持續(xù)增加的態(tài)勢(shì),且在2010—2018年間呈爆發(fā)式增加；耕地和未利用地持續(xù)減少,林地先增加后降低,草地先降低后略微增加；水域則是呈波動(dòng)上升的趨勢(shì),在2000—2010年間增加最多。

表2 1980—2018年海南島土地利用類(lèi)型變化

3.1.2土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

從海南島1980—2018年土地利用類(lèi)型面積轉(zhuǎn)移情況來(lái)看(表3),耕地轉(zhuǎn)出面積最大,轉(zhuǎn)為建設(shè)用地、林地、水域的面積分別為381.10、192.00、158.68 km2；其次為林地,轉(zhuǎn)為建設(shè)用地、耕地、水域的面積分別為293.61、133.90、102.76 km2；草地轉(zhuǎn)為林地的面積也較大,為303.17 km2；其他土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)出的面積較小。從轉(zhuǎn)入來(lái)看,建設(shè)用地轉(zhuǎn)入面積最大,主要來(lái)自耕地和林地,面積分別為381.10、293.61 km2；其次為林地,主要來(lái)自草地和耕地,面積分別為303.17、192.00 km2；再次為水域,主要來(lái)自耕地158.68 km2和林地102.76 km2；草地、未利用地轉(zhuǎn)入面積較小。從空間分布來(lái)看(圖3),海南島土地利用轉(zhuǎn)變主要集中在市縣城區(qū)以及沿海地帶,其中?？?、三亞、儋州和東方市城區(qū)、洋浦經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)、文昌東北部沿海地區(qū)因城市建設(shè)造成土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)變較大,主要特征表現(xiàn)為耕地、林地、水域轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,而大型水庫(kù)(如大廣壩庫(kù)區(qū)等)修建導(dǎo)致耕地、林地轉(zhuǎn)為水域。其次,由于海南省綠化寶島植樹(shù)造林活動(dòng)在文昌、東方等市縣的草地和耕地等宜林地大面積轉(zhuǎn)為林地,這在一定程度上保障了全島林地資源的平衡。

表3 1980—2018年海南島土地利用轉(zhuǎn)移矩陣/km2

圖3 1980—2018年海南島土地利用變化空間分布圖

3.2 海南島生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)變化特征

3.2.1不同土地利用類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化

1980—2018年海南島土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值整體表現(xiàn)為先增加后降低的變化過(guò)程(表4),由1980年的2014.03億元增加到2010年的2084.49億元,增加了70.46億元,之后減少到2018年的2065.62億元,減少了18.87億元；在這期間累計(jì)增加51.59億元,增長(zhǎng)率為2.56%。從不同土地利用類(lèi)型來(lái)看,僅有水域的ESV增加量最大,在1980—2018年間共增加76.82億元,增長(zhǎng)率達(dá)20.94%；其余類(lèi)型ESV不同程度降低,未利用地降低最大,為-62.12%,但價(jià)值量?jī)H降低0.41億元；其次為草地和耕地,ESV分別降低18.33億元和6.47億元,降低率為-24.36%和-5.37%；林地ESV占比最高,均達(dá)70%以上,ESV先升高后降低,與林地面積變化趨勢(shì)一致,在研究期始末幾乎持平,但在2010—2018年間林地ESV降低15.51億元。可見(jiàn),林地面積變化是造成2010—2018年間海南島土地利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值變化的主要原因,而水域面積增加是導(dǎo)致1980—2018年間海南島土地利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值增加的根本原因。

表4 1980—2018年海南島各類(lèi)土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化/108元

3.2.2單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化

1980—2018年海南島土地單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化如表5所示。單項(xiàng)ESV以水文調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)為主,兩者占總價(jià)值的50%以上；在1980—2018年間單項(xiàng)ESV變化最大的是水文調(diào)節(jié),增加49.22億元,占總價(jià)值增加量的95.41%,其次是水資源供給,增加5.89億元,變化率達(dá)32.45%。價(jià)值減少較大的為氣候調(diào)節(jié)和氣體調(diào)節(jié),分別減少3.05億元和2.07億元。水文調(diào)節(jié)、水資源供給價(jià)值增加驅(qū)使海南島土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值總體增加,這得益于水域面積的持續(xù)增加；后期總價(jià)值降低是由于林地面積減少造成氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、土壤保持和生物多樣性?xún)r(jià)值降低。

表5 1980—2018年海南島土地生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值變化/108元

3.2.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化指數(shù)空間分布

為進(jìn)一步分析海南島生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及其變化程度的空間分布,以2 km×2 km正方形網(wǎng)格為單元,計(jì)算其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化指數(shù)(ESCI),采用自然斷點(diǎn)法分別制作得到1980—2018年海南島ESV及其ESCI的空間分布圖,其中研究區(qū)ESV從低到高劃分為6個(gè)等級(jí),一級(jí)最低、六級(jí)最高。

從1980年和2018年海南島ESV的空間分布來(lái)看(圖4),研究區(qū)ESV除分布在水域較高之外,明顯存在著海南島中部高、四周低的空間分異特征,這與研究區(qū)海拔的空間差異分布高度契合。即中部海拔較高的區(qū)域主要地類(lèi)為林地或草地,ESV較高；四周海拔較低的區(qū)域主要地類(lèi)為耕地或建設(shè)用地,ESV較低,主要集中在海南島北部和沿海區(qū)域。從1980年到2018年ESV的空間變化來(lái)看,高值區(qū)進(jìn)一步萎縮、低值區(qū)逐漸擴(kuò)展,而水域的新增造成研究區(qū)出現(xiàn)較多的點(diǎn)狀ESV極高值區(qū)。

從1980—2018年海南島ESV的損益變化(ESCI)來(lái)看(圖4),在?？诤腿齺喅菂^(qū)、洋浦經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)、文昌東部沿海地區(qū)ESV減損較大,主要是由于重要城市和沿海經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)建設(shè)造成ESV較高的土地利用類(lèi)型(如水域、林地)向ESV較低的土地利用類(lèi)型(如建設(shè)用地)轉(zhuǎn)變。而在大廣壩庫(kù)區(qū)、海南島東北部等地增益較大,這主要得益于庫(kù)塘建設(shè)導(dǎo)致區(qū)域水域面積增加。其余地區(qū)ESV有增有減,變化并不顯著。

圖4 1980—2018年海南島生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化指數(shù)的空間分布圖

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間統(tǒng)計(jì)分析

3.3.1空間自相關(guān)分析

從檢驗(yàn)結(jié)果顯示(表6),1980—2018年5個(gè)時(shí)期的ESV全局Moran′sI值均大于0,p值均小于0.001,表明研究區(qū)ESV的空間分布具有較強(qiáng)的正向自相關(guān)性,在空間上具有非常顯著的聚集性,高值區(qū)趨于聚集,低值區(qū)趨于相鄰；且5個(gè)時(shí)期的全局Moran′sI值先降低后升高,在2000年達(dá)到最低值0.4927,說(shuō)明ESV的空間自相關(guān)性先減弱后增強(qiáng),表明在2000年以后宏觀政策與經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素促使海南島ESV的空間分布聚集性不斷增強(qiáng)。

表6 1980—2018年海南島ESV及其變化的空間自相關(guān)性

進(jìn)一步分析其ESV動(dòng)態(tài)變化的空間自相關(guān)性,結(jié)果顯示全局Moran′sI值先升高后降低,同樣具有明顯的空間聚集性,且在1990—2000年間的ESV變化達(dá)到最大值,為0.4187。這說(shuō)明研究區(qū)ESV動(dòng)態(tài)演化過(guò)程的空間聚集效應(yīng)先增強(qiáng)后減弱,不同階段表現(xiàn)出不同的空間聚集特征。而1980—2018年研究區(qū)整體ESV動(dòng)態(tài)變化的全局Moran′sI值達(dá)0.4502,同樣也表明具有顯著的空間自相關(guān)性和空間聚集效應(yīng)。

3.3.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化的冷點(diǎn)與熱點(diǎn)分析

以網(wǎng)格單位為基礎(chǔ),利用ArcGIS熱點(diǎn)分析工具(Getis-Ord Gi*)選取置信度在90%以上的具有統(tǒng)計(jì)顯著性的熱點(diǎn)和冷點(diǎn),分別得到研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化熱點(diǎn)圖(圖5)。

圖5 1980—2018年海南島ESV變化冷點(diǎn)和熱點(diǎn)的空間分布

在1980—1990年海南島ESV增值熱點(diǎn)區(qū)分布較為分散,但主要集中在海南島西北部等地,這是由于草地轉(zhuǎn)為林地或耕地轉(zhuǎn)為水域?qū)е戮植縀SV增高；ESV損失冷點(diǎn)分布面積比例較少(表7)。在1990—2000年和2000—2010年兩個(gè)時(shí)間段內(nèi),ESV增值熱點(diǎn)區(qū)面積進(jìn)一步擴(kuò)大,主要表現(xiàn)為大型水庫(kù)的修建,如赤田水庫(kù)(1993年)、大廣壩水庫(kù)(1994年)、大隆水庫(kù)(2007年)等的相繼建成使得局部水域面積迅速增加,其次在沿海地區(qū)特別是文昌市內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖事業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致耕地、林地轉(zhuǎn)變?yōu)樗虻仡?lèi),使得ESV增高；ESV損失冷點(diǎn)則主要分布在?？?、三亞、洋浦、儋州、保亭等地,林地轉(zhuǎn)為耕地、耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,導(dǎo)致ESV迅速下降。2010—2018年,由于海南國(guó)際旅游島等一系列政策的推動(dòng),城市建設(shè)與土地開(kāi)發(fā)進(jìn)一步擴(kuò)張,海口、三亞、澄邁老城、東方、文昌等城區(qū),以及文昌月亮灣、儋州?；◢u、三亞海棠灣等沿海區(qū)域成為ESV損失冷點(diǎn)；ESV增值熱點(diǎn)區(qū)則主要分布在紅嶺水庫(kù)(2015年建成)以及新增的水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)等地,增值熱點(diǎn)區(qū)面積明顯少于損失冷點(diǎn)(表7),這也印證了在這期間海南島ESV呈下降的變化特征。

從研究期整體上看(圖5),與1980—2018年海南島ESCI空間分布特征較為一致,ESV增值熱點(diǎn)區(qū)主要分布在大廣壩水庫(kù)、大隆水庫(kù)、紅嶺水庫(kù)等庫(kù)區(qū),以及東寨港、萬(wàn)寧小海和文昌境內(nèi)的水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)等區(qū)域,這主要是由于該地區(qū)水庫(kù)建設(shè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展造成土地利用類(lèi)型由耕地、林地轉(zhuǎn)變?yōu)樗?從而使得ESV增加。而ESV損失冷點(diǎn)區(qū)主要分布在?？?、三亞等城區(qū),洋浦經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)以及儋州?；◢u、文昌月亮灣等沿海開(kāi)發(fā)一帶,這是因?yàn)槌鞘袛U(kuò)張和土地開(kāi)發(fā)導(dǎo)致建設(shè)用地占用耕地、林地或水域。從1980—2018年海南島ESV變化冷點(diǎn)與熱點(diǎn)的分布面積來(lái)看(表7),損失冷點(diǎn)分布的面積比例少于增值熱點(diǎn),這也反映出海南島土地利用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值增加。

表7 1980—2018年海南島ESV變化冷點(diǎn)和熱點(diǎn)的面積比例/%

4 討論

4.1 評(píng)估方法的局限性

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估存在很多主觀因素,不同的評(píng)價(jià)方法在考慮視角、參數(shù)選擇等方面的側(cè)重,會(huì)使得評(píng)估結(jié)果存在較大差異,但得出的變化趨勢(shì)是一致的[16,38],不影響在同一方法、同一參數(shù)下研究結(jié)果的相互比較[15]。如,歐陽(yáng)志云等[29]采用單位服務(wù)功能價(jià)格方法對(duì)2002年海南島生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的評(píng)估結(jié)果為2035.88—2153.39億元；謝高地等[4]采用價(jià)值當(dāng)量因子法對(duì)我國(guó)2010年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了核算,其中海南ESV為4488.25億元。本文采用修訂后的單位面積價(jià)值當(dāng)量因子法評(píng)估了海南島1980—2018年近40年的ESV,其價(jià)值為2014.03—2084.49億元,與歐陽(yáng)志云等[29]的評(píng)估結(jié)果相接近,但與謝高地等[4]相差一倍多。

顯然,價(jià)值當(dāng)量因子法自身也存在一定缺陷,相同研究區(qū)域修正方法和參數(shù)的不同都會(huì)使評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生差異,而且局部的差異也難以用統(tǒng)一的參數(shù)來(lái)衡量。因此,需要有更為精準(zhǔn)的評(píng)估模型,識(shí)別不同尺度下ESV非線性變化特征及局部特異信息[39],提高ESV評(píng)估的全面性和科學(xué)性。其次,從空間角度分析土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響,目前尚未有行之有效的方法[32]。本文嘗試通過(guò)劃分網(wǎng)格單元采用探索性空間統(tǒng)計(jì)分析的方法能較好地從空間分布角度反映出土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響,利用ESV變化分析熱點(diǎn)圖,刻畫(huà)出局部的變化特征,成為探究土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響的一種有益嘗試。然而,對(duì)其變化背后復(fù)雜的社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力尚未進(jìn)行有效分析,空間關(guān)聯(lián)關(guān)系也不明確,應(yīng)當(dāng)是今后進(jìn)一步探索的研究方向之一。

4.2 土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值影響

海南島作為國(guó)家重要的生態(tài)功能區(qū)[40],在近40年來(lái)土地利用發(fā)生劇烈變化。林地是海南島最主要的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型,占62%以上,林地面積先升高后降低,在研究期始末幾乎持平；建設(shè)用地面積增加迅猛,特別是在2010年海南國(guó)際旅游島政策實(shí)施以后,增長(zhǎng)率高達(dá)122.46%。土地利用主要表現(xiàn)為草地轉(zhuǎn)為林地,而耕地、林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地或水域的變化特征,這也導(dǎo)致ESV的協(xié)同改變。1980—2018年海南島ESV總體表現(xiàn)為先增加后降低的變化過(guò)程,研究期內(nèi)凈增加51.59億元,增長(zhǎng)率為2.56%,這主要得益于水域面積增加導(dǎo)致水文調(diào)節(jié)、水資源供給等單項(xiàng)價(jià)值提高,從而使得海南島總價(jià)值增加。2016年海南通過(guò)省域“多規(guī)合一”改革完成總體空間規(guī)劃,并劃定生態(tài)保護(hù)紅線,庫(kù)塘、水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)等水域面積再難以大幅增加；同時(shí)由于海南自貿(mào)區(qū)(港)建設(shè)對(duì)海陸生態(tài)空間的需求,可以預(yù)見(jiàn)海南島ESV的下行壓力將十分巨大。

4.3 海南島生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分布格局

從空間分布來(lái)看,海南島ESV總體上存在著明顯中部高、四周低的空間分異特征,在時(shí)間序列上高值區(qū)進(jìn)一步萎縮、低值區(qū)逐漸擴(kuò)展。但好在海南島中部地區(qū)在ESCI和熱點(diǎn)分析上表現(xiàn)均不顯著,這主要是由于中部地區(qū)是海南熱帶雨林的集中分布區(qū),在國(guó)家和省級(jí)層面受多重保護(hù)[40],難以大規(guī)模開(kāi)發(fā)建設(shè)導(dǎo)致土地利用向低ESV轉(zhuǎn)變,也因此成為海南島重要的生態(tài)安全屏障。2019年成立海南熱帶雨林國(guó)家公園,將海南中部地區(qū)熱帶雨林森林生態(tài)系統(tǒng)納入嚴(yán)格保護(hù)范圍,也為海南島生態(tài)保護(hù)與修復(fù)注入強(qiáng)勁動(dòng)力,保障ESV向增值方向發(fā)展。同時(shí)也應(yīng)認(rèn)識(shí)到另一面,在海南島四周海拔較低的沿海地區(qū),因地理資源優(yōu)勢(shì)造成城市擴(kuò)張和土地開(kāi)發(fā)迅速,使得建設(shè)用地占用耕地、林地或水域,導(dǎo)致區(qū)域ESV退化,主要出現(xiàn)在?？?、三亞等重要城區(qū),洋浦經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)以及旅游資源豐富的沿海開(kāi)發(fā)區(qū)等。因此,建議通過(guò)嚴(yán)格保護(hù)與合理利用國(guó)土空間,建立開(kāi)發(fā)邊界外建設(shè)項(xiàng)目準(zhǔn)入目錄,增強(qiáng)沿海地區(qū)土地利用效率,同時(shí)實(shí)施生態(tài)修復(fù)戰(zhàn)略提高ESV退化區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和價(jià)值。

4.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化對(duì)島嶼生態(tài)保護(hù)的啟示

千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估[1]將島嶼定義為“周?chē)凰蚋綦x的土地,海濱與內(nèi)陸面積的比值較高”,作為特殊的自然生態(tài)系統(tǒng),也更易受到人類(lèi)活動(dòng)和環(huán)境變化的影響[22]。海南島地處熱帶,面向南海,特殊的地理位置使其極易受臺(tái)風(fēng)、高溫等極端氣候或自然災(zāi)害的影響,生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)比較脆弱[25]；另一方面,受到島內(nèi)人口激增、城市建設(shè)擴(kuò)張等人為活動(dòng)的影響也使其所提供的ESV面臨巨大壓力[14,23- 24]。趙江等[25]采用價(jià)值當(dāng)量因子法對(duì)浙江金塘島1986—2014年ESV的研究結(jié)果呈降低趨勢(shì),共減少了1.08億元,減少了30.23%,這主要是由于海港經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,迫使生態(tài)用地逐步向城鎮(zhèn)建設(shè)用地發(fā)展。Zhao等[26]對(duì)上海崇明島、Lin等[22]對(duì)福建廈門(mén)島、Shifaw等[14]對(duì)福建平潭島的ESV評(píng)估結(jié)果也均呈降低趨勢(shì),動(dòng)態(tài)變化特征相似。本文對(duì)海南島ESV的研究結(jié)果顯示,1980—2010年增加、2010—2018年減少,總體依然增加了51.59億元(2.56%)。究其原因主要有三方面,一是由于海南島特殊的地形地貌特征造成中部地區(qū)歷來(lái)發(fā)展遲緩,受人為活動(dòng)干擾較少而呈現(xiàn)出較為完整的自然生態(tài)系統(tǒng),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值高,成為全島重要的生態(tài)源；其次,海南島為我國(guó)第二大島嶼,較之小型島嶼,其生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性更高,抵御極端氣候或自然災(zāi)害的能力也較強(qiáng)；三是因?yàn)楦弋?dāng)量?jī)r(jià)值的水域面積大幅增長(zhǎng)保障了研究期內(nèi)海南島ESV的整體增加。但同時(shí)我們也應(yīng)認(rèn)識(shí)到其ESV在2010—2018年下降的客觀事實(shí),且隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展,海南島的生態(tài)建設(shè)將會(huì)面臨更為嚴(yán)峻考驗(yàn)。長(zhǎng)此以往,生態(tài)系統(tǒng)將無(wú)法支撐起社會(huì)經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展[25]。因此,建議嚴(yán)格執(zhí)行海南省“多規(guī)合一”總體空間規(guī)劃和海陸生態(tài)保護(hù)紅線管理,落實(shí)以圖管地；注重對(duì)濕地、水域及林地等高ESV的保護(hù)與恢復(fù),維護(hù)和強(qiáng)化全島生態(tài)系統(tǒng)格局的連續(xù)性和完整性,引導(dǎo)土地利用向ESV保值或增值方向發(fā)展。

5 結(jié)論

本文基于網(wǎng)格單元采用修訂后的單位面積價(jià)值當(dāng)量因子法對(duì)海南島1980—2018年近40年的土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了評(píng)估,分析其時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征,得出以下主要結(jié)論：

(1)林地是海南島最主要的自然生態(tài)系統(tǒng),占62%以上,林地面積先升高后降低,在研究期始末幾乎持平；建設(shè)用地增加迅猛,特別是在2010年以后,增長(zhǎng)率高達(dá)122.46%,其次水域增長(zhǎng)率為20.94%；未利用地、草地和耕地降低幅度較大。土地利用主要呈現(xiàn)出草地轉(zhuǎn)為林地,耕地、林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地或水域的變化特征。

(2)海南島ESV在研究期內(nèi)先增加后降低,凈增加51.59億元,增長(zhǎng)率為2.56%,其中林地ESV占比最高,達(dá)70%以上；而單項(xiàng)ESV以水文調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)為主,兩者占總價(jià)值的50%以上。水域面積持續(xù)增長(zhǎng)驅(qū)使水文調(diào)節(jié)和水資源供給等單項(xiàng)ESV增加是保障海南島ESV總體增加的重要原因。

(3)在空間分布上,海南島ESV總體上存在著明顯的中部高、四周低的空間分異特征,在時(shí)間序列上高值區(qū)進(jìn)一步萎縮、低值區(qū)逐漸擴(kuò)展；在?？?、三亞等重要城區(qū),洋浦經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)以及旅游資源豐富的沿海地區(qū)ESV減損較大,在大廣壩水庫(kù)等庫(kù)區(qū)、海南島東北部水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)等地增益較大。

(4)1980—2018年海南島5個(gè)時(shí)期的ESV及其變化的全局Moran′sI值均大于0,具有非常明顯的空間正向自相關(guān)性,高值區(qū)趨于聚集,低值區(qū)趨于相鄰；不同階段表現(xiàn)出不同的空間聚集特征,但在整體分布上ESV變化熱點(diǎn)圖與ESCI空間分布特征一致。