全 文 ：武汉城市圈生态系统服务价值时空变化特征*
曾摇 杰1 摇 李江风2 摇 姚小薇2**
( 1中国地质大学(武汉)资源学院, 武汉 430074; 2中国地质大学(武汉)公共管理学院, 武汉 430074)
摘摇 要摇 基于武汉城市圈 1990、2000 和 2009 年 3 期土地利用矢量数据,参照“中国生态系统
单位面积生态服务价值当量冶,采用 Costanza等提出的生态系统服务价值计算公式,估算武汉
城市圈不同地域的生态系统服务价值,分析期间的时序变化和空间分异特征;并采用相关分
析方法,探讨了武汉城市圈生态系统服务价值与不同土地利用类型变化之间的关联特征.结
果表明: 得益于水域面积的大幅增长,1990—2009 年武汉城市圈生态系统服务价值总体呈不
断上涨的时序变化趋势,增幅达 9. 5% ,其中,水文调节、废物处理等服务价值的增幅明显;各
地区变化存在明显的差异,仙桃市、新洲区、云梦县等地的增长最显著.生态系统服务价值在
空间上总体呈东南高、西北低的分布格局,且随时间推移,在东、西、北方向逐步形成以武汉市
区为中心的“低鄄高鄄低冶层级分布特征,北部山地丘陵地区的生态优势逐步消减,而南部的高
价值组团到 2009 年发生了结构性扩张.研究区生态系统服务价值的时序变化与林地、水域、
草地、耕地的面积变化呈正相关,而其空间分布的均衡性与耕地和未利用地的空间离散程度
呈负相关.
关键词摇 生态系统服务价值摇 土地利用摇 时空变化摇 武汉城市圈
文章编号摇 1001-9332(2014)03-0883-09摇 中图分类号摇 F062. 2, F301摇 文献标识码摇 A
Spatio鄄temporal dynamics of ecosystem service value in Wuhan Urban Agglomeration. ZENG
Jie1, LI Jiang鄄feng2, YAO Xiao鄄wei2 ( 1Faculty of Earth Resources, China University of Geosciences,
Wuhan 430074, China; 2School of Public Administration, China University of Geosciences, Wuhan
430074, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(3): 883-891.
Abstract: Based on the land use vector data of Wuhan Urban Agglomeration in the years 1990,
2000 and 2009, this paper used Costanza爷 s evaluation formula to estimate the ecosystem service
value (ESV) of the study area according to “equivalent value per unit area of ecosystem services in
China冶 and analyze its spatio鄄temporal characteristics. Then the correlation analysis was applied to
explore the association between the ESV evolution and the land use changes. The results showed
that due to the substantial growth of water area, the ESV of Wuhan Urban Agglomeration increased
by 9. 5% during the study period, which showed an overall rising trend. The ESV of water regula鄄
tion and waste treatment increased obviously. Furthermore, the ESV changes showed obvious re鄄
gional differences, which were most significant in Xiantao, Xinzhou and Yunmeng. The ESV was
higher in the southeast and lower in the northwest. Over time, a Wuhan鄄centered “ low鄄high鄄low冶
hierarchically distributed structure of ESV was formed in the eastern, western and northern parts.
The ecologic dominance of the northern mountainous and hilly region was gradually abated, while a
structural expansion with a high鄄ESV cluster had taken place in the southern part of the region in
2009. During the research period, the temporal change of ESV in Wuhan Urban Agglomeration was
positively correlated with the area changes of forestland, water, grassland and cultivated land.
However, the spatially balanced distribution of ESV was negatively correlated with the dispersion
degrees of the cultivated land and unused land.
Key words: ecosystem service value; land use; spatio鄄temporal dynamics; Wuhan Urban Agglo鄄
meration.
*中国博士后科学基金项目(2012M521503)、中国地质大学(武汉)中央高校新青年教师科研启动基金项目(CUG120861)、湖北省发展战略规
划办项目(20120030)、国家自然科学基金项目(41201164)和教育部人文社会科学基金项目(12YJCZH299)资助.
**通讯作者. E鄄mail: yaoxw1110@ gmail. com
2013鄄07鄄11 收稿,2013鄄12鄄02 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 3 月摇 第 25 卷摇 第 3 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Mar. 2014, 25(3): 883-891
摇 摇 全球性和区域性生态危机的日益严峻,造成了
自然生态系统的服务功能迅速衰退,给人类社会的
可持续发展带来巨大挑战,促使人类更加深入地思
考自身与自然生态系统的关系[1-2] . 科学评估生态
系统的服务价值,并对其时空演化特征进行定量化
描述,可为制定合理的生态保护政策提供重要参考,
成为当前保护生态环境、维护人类社会福祉、促进人
与自然和谐发展的迫切需求之一. 相关学者对不同
尺度[3-9]、不同土地利用类型[10-15]的生态系统服务
价值及其变化进行了广泛讨论,其中以 Costanza
等[3]对全球生态系统服务价值测算成果的影响最
为深远,使生态系统服务价值的估算原理及方法从
科学意义上得以明确. 考虑到生态系统本身的复杂
性和异质性[16],谢高地等[17]结合中国实际,基于
Costanza等[3]的研究,建立了“中国生态系统单位面
积生态服务价值当量冶表,为我国生态系统服务价
值核算和生态系统服务价值演化研究提供了重要
依据.
在快速城市化地区,尤其是城市群地区,人口快
速增长、城市迅速扩张、社会经济高速发展对土地利
用产生了巨大影响,导致区域生态系统服务价值呈
现出剧烈和复杂的时空变化特征[18] .定量准确地描
述这种复杂的时空变化过程,并进一步揭示生态系
统服务价值变化与不同土地利用类型之间的关联特
征,有利于理顺区域生态鄄经济关系,可为区域生态
保护与土地利用决策的制定提供重要依据,对推动
相应地区的生态文明建设和土地可持续利用具有重
要意义.本文在参考前人研究成果的基础上,核算武
汉城市圈 1990—2009 年的生态系统服务价值,采用
时空分析和相关分析,揭示了武汉城市圈 20 年间生
态系统服务价值的时空变化特征及其与土地利用变
化之间的关系,以期为促进区域土地资源合理利用和
生态环境保护提供依据.
1摇 研究区域与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
武汉城市圈位于湖北省东部、长江中游地区,是
以武汉市为中心、由武汉及其周边 100 km 内的黄
石、鄂州、孝感、黄冈、咸宁、仙桃、天门、潜江 9 个城
市及其腹地构成的区域经济联合体,区位条件十分
优越,是全国资源节约型和环境友好型社会建设综
合配套改革试验区,也是拉动中部崛起的重要引擎
和以长江流域经济带为轴线的我国东、中、西部协调
发展的关键接力点之一. 研究区土地总面积 5. 79伊
104 km2,地貌类型多样,平原(含岗地)约占区域总
面积的 50% ,丘陵约占 30% ,山地 (中低山) 占
20% .地势总体为北部、东北和南部高,逐渐向西部
和中部降低.北部属秦岭向大别山的过渡地带桐柏山
系,为低山丘陵岗地区,逐渐向南过渡至平原;东北部
为大别山脉,自东北向西南倾斜;南部为幕阜山系余
脉,由东南向西北倾斜,海拔多在 1500 m 以下;西部
和中部为开阔的江汉平原和鄂东沿江平原,大部分地
区海拔在 50 m以下,河渠纵横,湖泊星罗棋布.
1郾 2摇 数据来源与处理
研究所采用的空间数据源主要包括研究区
1990、2000 和 2009 年土地利用矢量数据. 其中,
1990 和 2000 年数据来源于中国科学院资源环境科
学数据中心的全国 1 颐 10 万土地利用类型矢量数
据,该数据是根据 Landsat TM / ETM 遥感影像进行
目视解译形成;2009 年土地利用矢量数据,由 1 颐 1
万土地利用现状调查数据缩编为 1 颐 10 万精度后,
再统一空间参考进行匹配融合而来,数据精度可靠.
此外,研究所采用的粮食生产数据来源于 2006 年
《湖北农村统计年鉴》 [19]和《全国农产品生产成本
调查资料汇编》 [20] .
为了使生态系统服务价值的评价尺度具有可比
性,本文以县级单元作为基本分析尺度,分别对武汉
市、黄石市和鄂州市的部分城区作适当归并,共划分
出 37 个评价单元. 同时,参照中国科学院资源环境
数据库土地利用分类体系,结合研究区域自然条件
和土地利用特征,将武汉城市圈土地利用类型分为
耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地 6 种
土地利用 /土地覆盖类型,汇总不同年度各评价单元
土地利用结构数据(表 1),并基于 ArcGIS 10 平台建
立数据库.
1郾 3摇 研究方法
1郾 3郾 1 生态系统服务价值估算摇 本研究基于谢高地
等[17]提出的“中国生态系统单位面积生态服务价值
当量冶,以单位面积农田提供的食物生产服务经济
价值为依据,确定符合武汉城市圈发展与用地特征
表 1摇 武汉城市圈 1990—2009 年各土地利用类型的面积
Table 1摇 Area of the different land use types in Wuhan Ur鄄
ban Agglomeration from 1990 to 2009 (km2)
年份
Year
耕地
Cultivated
land
林地
Forestland
草地
Grassland
建设用地
Building鄄
up land
水域
Water
未利用
土地
Unused land
1990 30286. 70 17567. 82 1441. 76 2875. 02 5571. 46 175. 52
2000 29875. 43 17531. 60 1571. 25 3038. 58 5663. 69 237. 74
2009 24070. 79 17023. 64 1124. 15 6237. 32 9177. 19 285. 19
488 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 2摇 武汉城市圈生态系统服务价值系数
Table 2摇 Coefficients of the ESV in Wuhan Urban Agglomeration from 1990 to 2009 (yuan·hm-2)
生态系统服务
Ecosystem services
耕地
Cultivated land
林地
Forestland
草地
Grassland
建设用地
Building鄄up land
水域
Water
未利用土地
Unused land
食物生产 Food production 516. 78 170. 54 222. 22 0 273. 89 10. 34
原材料生产 Raw materials 201. 54 1540. 00 186. 04 0 180. 87 20. 67
气体调节 Gas regulation 372. 08 2232. 49 775. 17 0 263. 56 31. 01
气候调节 Climate regulation 501. 28 2103. 29 806. 18 0 1064. 57 67. 18
水文调节 Water regulation 397. 92 2113. 63 785. 51 0 9699. 96 36. 17
废物处理 Waste treatment 718. 32 888. 86 682. 15 0 7674. 18 134. 36
土壤保持 Soil conservation 759. 67 2077. 46 1157. 59 0 211. 88 87. 85
维持生物多样性 Biodiversity maintenance 527. 12 2330. 68 966. 38 0 1772. 56 206. 71
提供美学景观 Aesthetic landscape 87. 85 1074. 90 449. 60 0 2294. 50 124. 03
合计 Total 4082. 56 14531. 85 6030. 82 0 23435. 97 718. 32
的生态系统服务价值系数. 其中,耕地、水域和未利
用地分别采用农田、河流 /湖泊和荒地的生态系统服
务价值当量,并假定建设用地的价值系数为 0.谢高
地等[17]基于农业生产投入产出[21],确定中国 2005
年 1 个生态系统价值当量的经济价值为 449. 1 元·
hm-2 .据《湖北农村统计年鉴》 [19],2005 年武汉城市
圈耕地地均粮食产量为 6785. 09 kg·hm-2,而据《全
国农产品成本收益资料汇编》 [20],同期全国地均粮
食产量为 5896. 50 kg·hm-2,据此对全国生态系统
服务当量价值进行系数修正,确定武汉城市圈单个
生态当量的价值为 516. 78 元·hm-2,得到武汉城市
圈单位面积土地生态系统服务价值系数(表 2).
摇 摇 通过以下公式计算武汉城市圈各年度土地生态
系统服务价值.
ESV =移Ak 伊 VCk (1)
式中: ESV 为生态系统服务价值;Ak为研究区第 k
种土地利用类型面积;VCk为生态系统服务价值系
数,即第 k 种土地利用类型单位面积的生态服务
价值.
1郾 3郾 2 生态系统服务价值变异系数摇 变异系数可以
衡量武汉城市圈不同年份生态系统服务价值的空间
离散程度,以及不同地区生态系统服务价值的时间
离散程度,其计算公式为:
CV = 1軈K
1
n移
n
i = 1
(K i - 軈K) 2 伊100% (2)
式中:CV为变异系数;n为样本数;K i为样本分值;軈K
为样本分值平均值.
1郾 3郾 3 相关性分析摇 相关分析可以定量描述两个变
量之间的线性相关程度,明确两个变量之间的相关
方向[22-23] .本文采用 Pearson简单相关系数,以武汉
城市圈生态系统服务价值、不同土地利用类型在时
空尺度的变异系数为变量,定量描述城市圈生态系
统服务价值与其用地变化之间的相关关系,其计算
公式为:
摇 摇 Rxy =
移
n
i = 1
(xi - 軃x)(y - 軃y)
移
n
i = 1
(xi - 軃x) 2 移
n
i = 1
(yi - 軃y) 2
(3)
式中: Rxy为相关系数;n 为样本数;xi、yi分别是 x、y
的第 i个值;軃x、軃y分别是变量 x、y的平均值.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 生态系统服务价值的时序变化
由表 3 可以看出,武汉城市圈 1990、2000 和
2009 年的生态系统服务总价值分别为 518. 40伊108、
519. 18伊108和 567. 78伊108元,1990—2009 年间共增
加 49. 38 伊 108元,增幅达 9. 5% ,年均增长率为
0郾 5% .总体而言,武汉城市圈在 2000 年以前的生态
系统服务功能相对稳定,价值变化平稳,其生态系统
服务价值变化主要发生在 2000 年以后.研究区内各
地区生态系统服务价值的时序变化存在明显差异.
其中,仙桃市、武汉市新洲区、孝感市云梦县等地的
变化最显著,变异系数分别达到 23. 9% 、20. 9%和
19郾 9% ,年均增长率分别达到 2. 7% 、 2. 2% 和
2郾 1% ;咸宁市通城县、通山县以及黄冈市蕲春县的
变化最平稳,几乎未发生明显变化,变异系数分别为
0. 1% 、0. 1%和 0. 2% .
从武汉城市圈各类用地提供的生态系统服务价
值来看(表 4),林地的生态系统服务价值始终最高,
其次为耕地、水域,这 3 类用地提供了武汉城市圈
98%以上的生态服务价值.从各类用地生态系统服
5883 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 曾摇 杰等: 武汉城市圈生态系统服务价值时空变化特征摇 摇 摇 摇
表 3摇 武汉城市圈 1990—2009 年生态系统服务价值
Table 3摇 Ecosystem service value (ESV) in Wuhan Urban Agglomeration from 1990 to 2009
评价单元
Evaluation unit
1990
生态系统服
价值 ESV
(108 yuan)
地均生态系
统服务价值
ESV per unit
(104 yuan·hm-2)
2000
生态系统服
价值 ESV
(108 yuan)
地均生态系
统服务价值
ESV per unit
(104 yuan·hm-2)
2009
生态系统服
价值 ESV
(108 yuan)
地均生态系
统服务价值
ESV per unit
(104 yuan·hm-2)
年变化率
Annual
change
rate
(% )
变异系数
CV
(% )
武汉城市圈
Wuhan Urban Agglomeration
518. 40 0. 90 519. 18 0. 90 567. 78 0. 98 0. 5 4. 3
武汉城区 Wuhan city downtown 9. 21 0. 96 9. 11 0. 95 8. 31 0. 87 -0. 5 4. 6
东西湖区 Dongxihu 3. 95 0. 80 4. 28 0. 86 4. 70 0. 95 0. 9 7. 1
汉南区 Hannan 2. 45 0. 85 2. 50 0. 87 3. 17 1. 10 1. 3 12. 1
蔡甸区 Caidian 9. 98 0. 91 10. 01 0. 92 10. 37 0. 95 0. 2 1. 8
黄陂区 Huangpi 18. 87 0. 84 19. 08 0. 85 21. 86 0. 97 0. 7 6. 8
江夏区 Jiangxia 18. 95 0. 94 18. 97 0. 94 22. 38 1. 11 0. 8 8. 0
新洲区 Xinzhou 9. 92 0. 68 10. 10 0. 69 15. 22 1. 04 2. 2 20. 9
黄石市区Huangshi city downtown 2. 38 1. 03 2. 31 1. 01 2. 00 0. 87 -0. 9 7. 5
阳新县 Yangxin 31. 48 1. 14 31. 42 1. 13 30. 82 1. 11 -0. 1 1. 0
大冶市 Daye 13. 37 0. 86 13. 36 0. 86 14. 15 0. 91 0. 3 2. 7
鄂州市 Ezhou 15. 76 0. 99 15. 22 0. 95 17. 66 1. 11 0. 6 6. 4
黄州区 Huangzhou 3. 01 0. 83 3. 15 0. 87 4. 14 1. 14 1. 6 14. 6
黄梅县 Huangmei 14. 57 0. 85 13. 27 0. 78 15. 97 0. 94 0. 5 7. 6
团风县 Tuanfeng 7. 41 0. 89 7. 39 0. 89 8. 01 0. 96 0. 4 3. 8
红安县 Hong爷an 18. 10 1. 01 18. 08 1. 01 16. 09 0. 90 -0. 6 5. 4
罗田县 Luotian 24. 46 1. 15 24. 37 1. 15 23. 52 1. 11 -0. 2 1. 8
麻城市 Macheng 33. 57 0. 93 33. 48 0. 93 35. 90 1. 00 -0. 3 3. 3
蕲春县 Qichun 25. 15 1. 05 25. 11 1. 05 25. 06 1. 05 0摇 0. 2
武穴市 Wuxue 10. 14 0. 82 10. 09 0. 82 11. 28 0. 91 0. 5 5. 2
浠水县 Xishui 16. 71 0. 86 16. 72 0. 86 17. 69 0. 91 0. 3 2. 7
英山县 Yingshan 17. 08 1. 19 17. 01 1. 18 15. 79 1. 10 -0. 4 3. 6
孝南区 Xiaonan 6. 52 0. 64 5. 81 0. 57 8. 22 0. 81 1. 2 14. 8
大悟县 Dawu 20. 85 1. 05 20. 82 1. 05 18. 17 0. 92 -0. 7 6. 3
孝昌县 Xiaochang 8. 18 0. 69 8. 18 0. 69 9. 57 0. 80 0. 8 7. 6
安陆市 Anlu 9. 01 0. 67 9. 05 0. 67 10. 82 0. 80 0. 9 8. 8
应城市 Yingcheng 6. 40 0. 58 6. 39 0. 58 8. 32 0. 76 1. 3 12. 9
云梦县 Yunmeng 2. 75 0. 45 2. 80 0. 46 4. 14 0. 68 2. 1 19. 9
汉川市 Hanchuan 10. 49 0. 63 10. 73 0. 65 13. 68 0. 83 1. 3 12. 5
咸安区 Xian爷an 15. 89 1. 06 15. 85 1. 05 17. 49 1. 16 0. 5 4. 7
赤壁市 Chibi 18. 62 1. 09 18. 67 1. 09 19. 86 1. 16 0. 3 3. 0
通城县 Tongcheng 11. 94 1. 07 11. 94 1. 07 11. 93 1. 07 0摇 0. 1
通山县 Tongshan 29. 75 1. 23 29. 75 1. 23 29. 82 1. 23 0摇 0. 1
崇阳县 Chongyang 22. 73 1. 16 22. 74 1. 16 23. 02 1. 18 0. 1 0. 6
嘉鱼县 Jiayu 10. 09 0. 99 10. 21 1. 00 12. 48 1. 22 1. 1 10. 1
仙桃市 Xiantao 14. 91 0. 59 16. 86 0. 67 25. 37 1. 01 2. 7 23. 9
潜江市 Qianjiang 10. 58 0. 53 11. 12 0. 56 13. 94 0. 70 1. 4 12. 4
天门市 Tianmen 13. 17 0. 50 13. 25 0. 51 16. 87 0. 65 1. 3 12. 0
务价值的总体变化情况来看,耕地、林地、草地的生
态系统服务价值均有一定程度下降,而水域、未利用
地却呈增长趋势.其中,水域生态系统服务价值的变
化最显著,研究期间上涨 84. 51伊108元,年均增长幅
度为 2. 5% ,变异系数达 24. 7% .由于本文假定建设
用地生态系统服务价值为 0,故除其之外,草地在
1990—2009 年间的生态系统服务价值变化最小,年
均减少 0. 2% ,变异系数仅为 1. 4% .虽然研究期间
武汉城市圈建设用地面积不断扩张,尤其是 2000 年
以来,建设用地呈现倍速增长态势,造成耕地等大量
生态用地缩减,带来生态系统服务价值的快速流失;
但是随着“退耕还林还草还水冶等土地政策的实施,
研究区水域面积增加幅度明显,弥补了由耕地等面
积减少带来的生态系统服务价值损失,保障了研究
区生态系统服务价值的总体增长趋势.
从武汉城市圈不同类型生态系统服务的价值来
688 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 4摇 武汉城市圈 1990—2009 年不同地类的生态系统服务
价值
Table 4摇 Ecosystem service value (ESV) of different land
use types in Wuhan Urban Agglomeration from 1990 to
2009
土地利用类型
Land use type
生态系统服务价值
ESV (108 yuan)
1990 2000 2009
年变化率
Annual
change rate
(% )
变异系数
CV
(% )
耕地
Cultivated land
123. 65 121. 97 98. 27 -1. 1 10. 1
林地
Forestland
255. 29 254. 77 247. 39 -0. 2 1. 4
草地
Grassland
8. 69 9. 48 6. 78 -1. 2 13. 6
建设用地
Building鄄up land
0 0 0 0 -
水域
Water
130. 57 132. 73 215. 08 2. 5 24. 7
未利用地
Unused land
0. 17 0. 17 0. 20 0. 8 8. 0
表 5摇 武汉城市圈 1990—2009年不同类型生态系统服务价值
Table 5 摇 Ecosystem service value (ESV) of different ser鄄
vice functions in Wuhan Urban Agglomeration from 1990 to
2009
生态系统服务
Ecosystem service
生态系统服务价值
ESV (108 yuan)
1990 2000 2009
年变化率
Annual
change rate
(% )
变异系数
CV
(% )
食物生产
Food production
20. 50 20. 33 18. 11 -0. 6 5. 5
原材料生产
Raw materials
34. 44 34. 34 32. 94 -0. 2 2. 0
气体调节
Gas regulation
53. 08 52. 97 50. 26 -0. 3 2. 5
气候调节
Climate regulation
59. 24 59. 16 58. 57 -0. 1 0. 5
水文调节
Water regulation
104. 37 105. 12 135. 47 1. 3 12. 6
废物处理
Waste treatment
81. 14 81. 61 103. 65 1. 2 11. 8
土壤保持
Soil conservation
62. 37 62. 16 56. 92 -0. 5 4. 2
维持生物多样性
Biodiversity maintenance
68. 23 68. 22 69. 78 0. 1 1. 1
提供美学景观
Aesthetic landscape
35. 01 35. 20 42. 01 0. 9 8. 7
看(表 5),武汉城市圈水文调节的价值始终占据领
先位置,占总价值的 20%以上,其次为废物处理、维
持生物多样性、气候调节、保持土壤等功能. 这与研
究区水系发达、水资源丰富的区域特征和建设“水
生型冶生态城市群的发展目标密切相关. 从各类生
态系统服务的变化情况来看,1990—2009 年粮食生
产、原材料生产、气体调节、气候调节、土壤保持等服
务价值均发生了一定程度的减少;而水文调节、废物
处理、提供美学景观等价值却保持着较大幅度上升
的态势,其 20 年间的价值增长幅度均在 20%以上,
年增长率分别为 1. 3% 、1. 2%和 0. 9% ,尤其是水文
调节功能的变化程度最显著,变异系数为 12郾 6% .
水域的水文调节和废物处理服务价值系数远大于其
他类型的生态服务,因此,随着武汉城市圈水域面积
的大幅增长,研究区水文调节和废物处理的生态服
务价值出现了显著增长,为研究区总体价值的提升
提供了重要支撑.
摇 摇 为进一步揭示研究区生态系统服务价值的时序
变化与各类用地变化之间的关系,本文以研究区各
评价单元生态系统服务价值的时序变化离散程度和
各地类面积的时序变异系数为变量(图 1),采用
Pearson简单相关系数,定量衡量两者之间的相关性
与相关方向.结果显示,武汉城市圈生态系统服务价
值与林地面积的相关系数最大,为 0. 6199;其次为
水域、草地、耕地、未利用地、建设用地,分别为
0郾 5123、0. 2505、0. 2496、-0. 3201、-0. 4386. 说明武
汉城市圈生态系统服务价值的变化与耕地、林地、草
地、水域面积呈正相关,此类用地的增长是带动城市
圈总体价值上升的根源所在;而建设用地和未利用
地面积的增加却是造成城市圈总体价值下降的主要
原因;其中,林地、水域、建设用地的变化对城市圈
图 1摇 武汉城市圈 1990—2009 年各地区生态系统服务价值与用地变化的离散程度
Fig. 1摇 Dispersion levels of the ESV and LUCC in each district of Wuhan Urban Agglomeration from 1990 to 2009.
玉:耕地 Cultivated land;域:林地 Forestland;芋:草地 Grassland; 郁:建设用地 Building鄄up land;吁:水域Water; 遇:未利用土地 Unused land.
7883 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 曾摇 杰等: 武汉城市圈生态系统服务价值时空变化特征摇 摇 摇 摇
生态系统服务价值整体变化的影响最为显著. 从
1990—2009 年武汉城市圈各用地类型的变化情况
看,林地变化较小,水域、建设用地增加明显,耕地减
少剧烈,进一步说明近年来武汉城市圈水域面积增
加所带来的生态服务效益远大于耕地减少和建设用
地扩张所产生的生态价值损耗,为研究区生态系统
服务价值的总体提升发挥了重要作用.
2郾 2摇 生态系统服务价值的空间分异
为方便武汉城市圈各地区生态系统服务价值的
差异对比,本文采用地均生态系统服务价值(表 1)
来表征区域间的价值差异.利用 ArcGIS 中的自然间
断点分级法(Jenks)将武汉城市圈 1990—2009 年生
态系统服务价值划分为 5 个等级(图 2),使各级的
内部方差之和最小,从低到高依次代表生态服务价
值:低、较低、一般、较高和高,并用各地区 3 个时段
的生态系统服务价值等级均值代表其 1990—2009
年总体水平.从中可以看出,武汉城市圈各地区的生
态系统服务价值存在明显的空间分异特征.
研究期内,孝南区、云梦县、应城市、天门市、潜
江市的生态系统服务价值总体处于低值范围,仙桃
市、汉川市、孝昌县、安陆市总体处于较低水平,蔡甸
区、东西湖区、新洲区、黄陂区、大冶市、麻城市、团风
县、黄梅县、武穴市、浠水县的生态系统服务价值处
于武汉城市圈的中等水平,武汉城区、江夏区、汉南
区、鄂州市、黄石市区、黄州区、蕲春县、大悟市、红安
县、通城县的生态系统服务价值总体较高,咸安区、
赤壁市、嘉鱼县、崇阳县、通山县、阳新县、罗田县、英
山县的生态服务价值位于高值范围. 从处于不同生
态系统服务价值等级的县(市、区)数量来看,位于
较高和一般级别水平的最多,各有 10 个县 (市、
区),占到武汉城市圈全部评价单元的一半以上;有
8 个县(市、区)位于高价值水平,5 个地区处于低价
值水平;处于较低价值水平的县(市、区)仅有 4 个.
从空间分布来看,武汉城市圈生态系统服务价值总
图 2摇 武汉城市圈 1990—2009 年生态系统服务价值的空间分异
Fig. 2摇 Spatial differences of the ESV in Wuhan Urban Agglomeration from 1990 to 2009.
888 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
体呈现东南高、西北低的分布格局,在武汉城市圈东
南部幕阜山区和东北大别山区形成两个明显的高值
集聚区,在西部江汉平原腹地及其辐射区域构成低
值组团.说明城市圈生态系统服务价值的空间差异
与区域地貌特征关系密切.总体上,东北部和东南部
山地丘陵区的森林覆盖率普遍较高,基本占到相应
区域土地面积的一半以上,如通山县林地面积占全
县面积的 70%以上,优良的生态资源造就了区域相
对较高的生态系统服务价值;而在西部平原地区,主
要以耕地资源丰富著称,森林覆盖水平较低,且与中
东部地区相比也不具备明显的水域覆盖优势,客观
上对区域生态系统服务价值产生影响.
从 1990—2009 年生态系统服务价值空间分异
的变化情况来看,20 年来武汉城市圈北部地区的生
态优势逐步消减;而南部地区的高生态系统服务价
值组团到 2009 年发生了结构性扩张,阳新县的生态
优势降低,取而代之的是咸安区、赤壁市和嘉鱼县,
它们与通山县和崇阳县组成了新的、更大的高值集
聚区.同时,武汉城市圈生态系统服务价值逐步形成
环状分布格局,以武汉市区为中心由内向外,除向南
部地区形成逐次增强的梯度分布外,其他方向均呈
现出生态系统服务价值“低鄄高鄄低冶的层级分布特
征.由各年度生态系统服务价值在武汉城市圈各县
(市、区)的离散程度发现,1990、2000 和 2009 年生
态系统服务价值的空间分布变异系数分别为
23郾 4% 、22. 9%和 15. 7% ,说明近年来随着武汉城
市圈总体生态系统服务价值的不断升高,区域间的
生态价值差异也逐步趋于减小.总体而言,不同地区
之间的生态系统服务价值有升有降,在一定程度上
造成了武汉城市圈生态系统服务价值的空间分异.
其中,汉南区、新洲区、黄州区、孝南区、应城市、云梦
县、汉川市、嘉鱼县、仙桃市、天门市、潜江市等地生
态系统服务价值的时序变异系数均达到 10%以上
(表 1),价值变化程度显著,也是造成武汉城市圈生
态系统服务价值空间变异的重要影响因素.
摇 摇 以各年度生态系统服务价值和不同地类面积在
武汉城市圈各地区之间的离散变异系数为变量,计
算其间的相关系数,可以进一步说明生态价值空间
分异与不同用地空间分布之间的联系.结果显示,生
态系统服务价值的空间变异与耕地、林地、草地、建
设用地、水域、未利用地空间分布的相关系数分别为
-0. 9821、0. 9968、0. 9896、0. 9991、0. 9633、-0. 9823,
说明武汉城市圈生态系统服务价值的区域差异与不
同用地的空间分异均有着极为密切的联系. 所不同
的是,耕地和未利用地的区域分布越均衡,则生态系
统服务价值的空间分异越显著;林地、草地、建设用
地和水域的空间分布越均衡,则武汉城市圈生态价
值的区域差异越小.
3摇 讨摇 摇 论
本文采用 Costanza等[3]提出的生态系统服务价
值估算方法,用农田生产服务价值对谢高地等[17]提
出的“中国生态系统单位面积生态服务价值当量冶
进行了系数修正,以此为基础对武汉城市圈生态系
统服务价值进行估算,分析其时空演化规律及其与
土地利用变化之间的相关性.结果显示:1990—2009
年武汉城市圈土地生态系统服务价值总体呈不断上
涨的时序变化趋势,年均增长率为 0. 5% .这与研究
区水域面积的大幅度增长,引起水文调节、废物处
理、美学景观等价值快速提升密切相关.在空间分异
及其变化特征上,武汉城市圈土地生态系统系统服
务价值总体呈东南高、西北低的分布格局;且随着时
间变化逐步形成环状分布格局,以武汉市区为中心,
在东、西、北方向呈现“低鄄高鄄低冶的层级分布特征.
北部山地丘陵地区的生态优势逐步消减,而南部的
高价值组团到 2009 年发生了结构性扩张.从时序上
看,武汉城市圈林地、水域、草地、耕地的增加对生态
系统服务价值的增长起到了关键作用,未利用地和
建设用地的增加却带来生态价值亏损. 从空间分异
上看,生态系统服务价值空间分布的均衡性与耕地
和未利用地的空间离散程度呈负相关,与林地、草
地、建设用地和水域呈正相关.为促进武汉城市圈生
态建设和缩小区域间生态差距,需要进一步对区域
土地利用结构进行调整:在西部平原地区加大建设
用地管控力度,调控建设用地扩张速度;在中东部地
区适度推进城市化的进程,加强水生环境的治理与
恢复;在东北部和东南部山地丘陵区,加大对优势森
林资源的保护力度.
由于生态系统本身的异质性、复杂性和动态性,
以及存在重复计算、尺度转换等问题,决定了本文所
采用方法计算的生态系统服务价值只是一个粗略的
估算[24-25] .程琳等[26]和许倍慎等[27]采用相同的方
法,分别对 2008 年武汉市和 2009 年潜江市的生态
系统服务价值进行评估.与其相比,本文所计算的生
态系统服务价值略高. 其原因在于对价值当量的修
正方法不同,且对自然生态系统的分类标准存在差
异.由于本文保持了价值系数与土地生态系统类型
在时空上的一致,这种由计算方法带来的同一地区
9883 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 曾摇 杰等: 武汉城市圈生态系统服务价值时空变化特征摇 摇 摇 摇
生态系统服务价值绝对量的相对差异,并不会对其
时空变化的分析产生影响.但必须指出,生态系统服
务价值的计算迫切需要进一步开发更科学、准确的
方法.
采用时态分析和空间分析方法,可较便捷、直观
地描述武汉城市圈生态系统服务价值时空演化的宏
观尺度特征,但无法对其变化的局部异常特征进行
刻画.由于生态系统服务功能依赖于不同空间和时
间尺度上的生态与地理系统过程,因而生态系统服
务价值的时空变化存在着明显的尺度效应[28-29]和
非线性特征[30-31],往往使其演化过程中的局部异常
信息难于被有效识别. 今后需要进一步研究能精准
刻画不同时空尺度下生态系统服务价值非线性变化
特征的定量化方法与模型,以更科学、准确地识别其
局部特异信息.
土地利用 /覆盖变化(LUCC)是生态系统服务
价值变化的重要影响因素[32-34] .文中采用变异系数
在定量衡量研究区生态系统服务价值和土地利用时
空变化程度的同时,也为探讨两者之间的相关关系
提供了特征变量. Pearson系数在一定程度上揭示了
LUCC 与生态系统服务价值演化的相关关系,对于
定量衡量 LUCC对生态系统服务价值变化的影响具
有一定成效,但其方法略显单一.作为生态系统服务
与社会经济系统耦合关联研究的重要内容,厘定不
同土地类型及其转换与生态系统服务价值的时空关
联和对应关系[35],仍是未来需要继续深入的工作.
参考文献
[1]摇 Li W鄄H (李文华), Ouyang Z鄄Y (欧阳志云), Zhao J鄄
Z (赵景柱). Studies on Ecosystem Services. Beijing:
China Meteorological Press, 2002 (in Chinese)
[2]摇 Li W鄄H (李文华), Zhang B (张摇 彪), Xie G鄄D (谢
高地). Research on ecosystem services in China: Pro鄄
gress and perspectives. Journal of Natural Resources
(自然资源学报), 2009, 24(1): 1-10 (in Chinese)
[3]摇 Costanza R, d爷Arge R, de Groot R, et al. The value of
the world爷s ecosystem services and natural capital. Na鄄
ture, 1997, 387: 253-260
[4]摇 Millennium Ecosystem Assessment Board. Millennium
Ecosystem Assessment: Frameworks. Washington DC:
World Resources Institute, 2005
[5] 摇 Zhu W鄄Q (朱文泉), Zhang J鄄S (张锦水), Pan Y鄄Z
(潘耀忠), et al. Measurement and dynamic analysis of
ecological capital of terrestrial ecosystem in China. Chi鄄
nese Journal of Applied Ecology (应用生态学报),
2007, 18(3): 586-594 (in Chinese)
[6]摇 Shi Y (石 摇 垚), Wang R鄄S (王如松), Huang J鄄L
(黄锦楼), et al. An analysis of the spatial and tempo鄄
ral changes in Chinese terrestrial ecosystem service func鄄
tions. Chinese Science Bulletin (科学通报), 2012, 57
(9): 720-731 (in Chinese)
[7]摇 Brent M, Swallow J, Sang K, et al. Tradeoffs, syner鄄
gies and traps among ecosystem services in the Lake
Victoria basin of East Africa. Environmental Science &
Policy, 2009, 12: 504-519
[8]摇 Zhao Y鄄H (赵永华), Zhang L鄄L (张玲玲), Wang X鄄
F (王晓峰). Assessment and spatiotemporal difference
of ecosystem services value in Shaanxi Province. Chinese
Journal of Applied Ecology (应用生态学报), 2011, 22
(10): 2662-2672 (in Chinese)
[9]摇 Xiao Y (肖摇 玉), Xie G鄄D (谢高地), An K (安摇
凯). Economic value of ecosystem services in Mangcuo
Lake drainage basin. Chinese Journal of Applied Ecology
(应用生态学报), 2003, 14(5): 676-680 ( in Chi鄄
nese)
[10]摇 Dong J鄄H (董家华), Shu T鄄F (舒廷飞), Xie H (谢
慧), et al. Calculative method for ecosystem services
values of urban constructive lands and its application.
Journal of Tongji University (Natural Science) (同济大
学学报·自然科学版), 2007, 35(5): 636-640 ( in
Chinese)
[11]摇 Sun X鄄Z (孙新章), Zhou H鄄L (周海林), Xie G鄄D
(谢高地). Ecological services and their values of Chi鄄
nese agroecosystem. China Population, Resources and
Environment (中国人口·资源与环境), 2007, 17
(4): 55-60 (in Chinese)
[12]摇 Pan W鄄B (潘文斌), Tang T (唐 摇 涛), Deng H鄄B
(邓红兵), et al. Lake ecosystem services and their
ecological valuation: A case study of Baoan Lake in Hu鄄
bei Province. Chinese Journal of Applied Ecology (应用
生态学报), 2002, 13(10): 1315-1318 (in Chinese)
[13]摇 Campbell DE, Lu HF, Know GA, et al. Maximizing
empower on a human鄄dominated planet: The role of
exotic Spartina. Ecological Engineering, 2009, 35: 463-
486
[14]摇 Zhao T鄄Q (赵同谦), Ouyang Z鄄Y (欧阳志云), Jia L鄄
Q (贾良清), et al. Ecosystem services and their valua鄄
tion of China grassland. Acta Ecologica Sinica (生态学
报), 2004, 24(6): 1101-1110 (in Chinese)
[15]摇 Zhao T鄄Q (赵同谦), Ouyang Z鄄Y (欧阳志云), Zheng
H (郑摇 华), et al. Forest ecosystem services and their
valuation in China. Journal of Natural Resources (自然
资源学报), 2004, 19(4): 480-491 (in Chinese)
[16]摇 Li TH, Li WK, Qian ZH. Variations in ecosystem ser鄄
vice value in response to land use changes in Shenzhen.
Ecological Economics, 2010, 69: 1427-1435
[17]摇 Xie G鄄D (谢高地), Zhen L (甄摇 霖), Lu C鄄X (鲁春
霞), et al. Expert knowledge based valuation method of
ecosystem services in China. Journal of Natural Re鄄
sources (自然资源学报), 2008, 23(5): 911-919 (in
Chinese)
[18]摇 Zhang Z (张摇 舟), Wu C鄄F (吴次芳), Tan R (谭摇
荣). Application of ecosystem service value in land use
change research: Bottlenecks and prospects. Chinese
Journal of Applied Ecology (应用生态学报), 2013, 24
(2): 556-562 (in Chinese)
098 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
[19]摇 Hubei Bureau of Statistics (湖北省统计局). Hubei
Rural Statistical Yearbook. Beijing: China Statistics
Press, 2006 (in Chinese)
[20]摇 Department of Price of National Development and Reform
Commission (国家发展和改革委员会价格司). Cost鄄
benefit Data Compilation of National Agricultural Pro鄄
ducts. Beijing: China Statistics Press, 2006 ( in Chi鄄
nese)
[21]摇 Hu R鄄F (胡瑞法), Leng Y (冷摇 燕). A study on in鄄
put and output of main grain crops in China. Technologi鄄
cal Economics of Agriculture (农业技术经济), 2006
(3): 72-81 (in Chinese)
[22]摇 Lu W鄄D (卢纹岱). SPSS for Windows Statistical Ana鄄
lysis. Beijing: Publishing House of Electronics Indus鄄
try, 2002 (in Chinese)
[23]摇 Peng B鄄F (彭保发), Chen D鄄L (陈端吕). Spatial
differences on ecosystem value of land cover types in
Changde City. Economic Geography (经济地理 ),
2012, 32(1): 141-145 (in Chinese)
[24]摇 Limburg KE, O爷Neill RV, Costanza R, et al. Complex
systems and valuation. Ecological Economics, 2002,
41: 409-420
[25]摇 Turner RK, Paavola J, Coopera P, et al. Valuing na鄄
ture: Lessons learned and future research directions.
Ecological Economics, 2003, 46: 493-510
[26]摇 Cheng L (程摇 琳), Li F (李摇 锋), Deng H鄄F (邓华
锋). Dynamics of land use and its ecosystem services in
China爷 s megacities. Acta Ecologica Sinica (生态学
报), 2011, 31(20): 6194-6203 (in Chinese)
[27]摇 Xu B鄄S (许倍慎), Zhou Y (周 摇 勇), Xu L (徐 摇
理), et al. Spatial characteristics analysis of ecological
system service value in Qianjiang City of Hubei Pro鄄
vince. Acta Ecologica Sinica (生态学报), 2011, 31
(24): 7379-7387 (in Chinese)
[28]摇 Kremen C. Managing ecosystem services: What do we
need to know about their ecology? Ecology Letters,
2005, 8: 468-479
[29]摇 Zhang M鄄Y (张明阳), Wang K鄄L (王克林), Liu H鄄Y
(刘会玉), et al. The response of ecosystem service
values to ambient environment and its spatial scales in
typical Karst areas of northwest Guangxi. Acta Ecologica
Sinica (生态学报), 2011, 31(14): 3947-3955 ( in
Chinese)
[30]摇 Limburg KE, O爷Neill RV, Costanza R, et al. Complex
systems and valuation. Ecological Economics, 2002,
41: 409-420
[31]摇 Chee YE. An ecological perspective on the valuation of
ecosystem services. Biological Conservation, 2004,
120: 549-565
[32]摇 Li W鄄K (李文楷), Li T鄄H (李天宏), Qian Z鄄H (钱
征寒). Impact of land use change on ecosystem service
values in Shenzhen. Journal of Natural Resources (自然
资源学报), 2008, 23(3): 440-446 (in Chinese)
[33]摇 Haines鄄Young R. Land use and biodiversity relation鄄
ships. Land Use Policy, 2009, 26: S178-S186
[34]摇 Liu J鄄Y (刘金勇), Kong F鄄H (孔繁花), Yin H鄄W
(尹海伟), et al. Land use change and its effects on
ecosystem services value in Ji爷nan City of Shandong
Province, East China. Chinese Journal of Applied Ecolo鄄
gy (应用生态学报), 2013, 24(5): 1231-1236 ( in
Chinese)
[35]摇 Li S鄄C (李双成), Liu J鄄L (刘金龙), Zhang C鄄Y (张
才玉), et al. The research trends of ecosystem services
and the paradigm in geography. Acta Geographica Sinica
(地理学报), 2011, 66 (12): 1618 - 1630 ( in Chi鄄
nese)
作者简介 摇 曾 摇 杰,男,1985 年生,博士,讲师. 主要从事国
土资源调查评价和土地利用生态效应研究. E鄄mail: cugjay
@ gmail. com
责任编辑摇 杨摇 弘
1983 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 曾摇 杰等: 武汉城市圈生态系统服务价值时空变化特征摇 摇 摇 摇