不同格网尺度下生态系统服务价值空间分异及其影响因素差异——以大南昌都市圈为例.pdf
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1、第 卷第 期 年 月生态学报 .:/.基金项目:国家自然科学基金资助项目()收稿日期:网络出版日期:通讯作者 .:.:./.危小建辛思怡张颖艺龙英豪张茜.不同格网尺度下生态系统服务价值空间分异及其影响因素差异 以大南昌都市圈为例.生态学报():.:.():.不同格网尺度下生态系统服务价值空间分异及其影响因素差异 以大南昌都市圈为例危小建辛思怡张颖艺龙英豪张 茜 东华理工大学测绘工程学院 南昌 自然资源部环鄱阳湖区域矿山环境监测与治理重点实验室 南昌摘要:在江西省持续推进生态文明建设的背景下生态系统服务价值()空间分异及其影响因素的探析对生态环境保护与改善、促进区域性可持续发展等方面具有重要意义
2、 以大南昌都市圈为例利用当量因子法、空间自相关分析等方法分析 、及 各个格网尺度下地均生态系统服务价值的空间分布特征并利用地理探测器和空间回归模型研究不同尺度下 空间异质性的影响因素及其尺度差异性 研究结果表明:()分布总体呈现西北部高东南部低的特点且各种格网尺度下均存在显著空间正相关性和空间集聚效应但随着格网尺度增大其集聚效应减弱()空间异质性受自然、社会的协同作用其中人为影响指数的贡献最大且任意双因子都比单一因子对 空间异质性的解释力高但随着格网尺度增大各因子及因子间的耦合协调作用对 的解释力都呈下降趋势()随着格网尺度的增大空间回归模型的拟合度下降且不同格网尺度下影响 空间异质性的影响因
3、素的作用强度不同作用方向也有发生变化关键词:多尺度生态系统服务价值影响因素空间回归地理探测器大南昌都市圈 :().:():/.().().:生态系统服务是指人类能够从生态系统获取的所有价值包括可以保障其赖以生存和发展的环境资源及其他效用 随着经济社会发展、城市化水平提升、民众生活水平提升等带动生态系统服务消费增长生态系统承受着巨大的压力 为提高生态系统服务消费供给水平与经济社会发展的协调水平急需对现有的生态系统进行合理调整 在此背景下大量学者开始关注生态系统服务价值的研究并进一步分析和探讨其演变趋势及影响因素美国学者 等于 年全面系统地介绍了生态系统服务价值()的定义后受到了国际学界的普遍重视
4、引发了研究 的兴趣浪潮 目前 的核算方法一般包括二大类:一是由 等建议的当量因子法该方式核算具有规范性结果具有横向水平一致性但不能完全反映某地区内的具体生态特点较适用于评价地区及世界范围的 二是功能价值法该方法能够专门核算某种土地利用类型的生态价值并应用于国内各大科学研究领域 谢高地等于 年研究中国生态系统及经济社会发展现状并在 等观点的基础上对当量因子法加以修正和完善为我国学者进一步深入研究 提供了借鉴 现如今国内学者主要以行政区划或格网为基本单元以当量因子法、空间自相关模型、地理探测器模型为研究方法测算研究区域的、分析 的时空演变及探讨其空间异质性的影响因素 例如黄木易等以 为基本单元、张
5、鹏岩等以 的格网为基本单元核算了研究区域的 并利用地理探测器分析影响 空间异质性的影响因素赵育恒等以城市为单元估算 年武汉城市圈的 并采用空间回归模型探究其影响因素 在研究 的影响因素过程中空间尺度非常重要在不同尺度中生态系统格局呈现不同特征 尺度较大时结果不够精确容易忽略单元内各因素的影响尺度较小时所得结果难以推广至大范围生态调节应用之中 因此选择合适的尺度有利于对 进行研究 黄木易等以多尺度格网、乡镇行政区划和子流域为基本单元分析不同尺度下 的空间分布及其异质性并利用地理探测器探究其影响因素 相关研究已取得较为显著的成果但仍存在一定不足有关 影响因素的探究中大多以单一尺度为主没有关注到在不
6、同格网尺度下同一地区的 影响因素可能存在差异 此外同时利用地理探测器和空间回归模型进行影响因素对 的正负影响及两两因子间的交互作用力的研究的相关文章并不多见本文选取大南昌都市圈为研究区域利用 年土地覆盖数据采用 的 工具得到生 态 学 报 卷:/.、及 等多种空间尺度格网结合 和 软件采用当量因子法、空间自相关分析等方法分析地均 的空间分布特征进而运用空间回归分析和地理探测器两种模型研究 空间异质性的主导因子和各因子交互作用强度及其不同尺度下影响因子的差异性 本文旨在揭示大南昌都市圈内各影响因素对生态系统服务价值空间异质性的作用为改善生态环境质量、促进绿色发展提供科学依据 研究区概况及数据来源
7、.研究区概况大南昌都市圈(图)地处中国江西省北部区域涵盖了南昌市、九江市、抚州市(临川区、东乡区)、宜春市(丰城市、樟树市、高安市、靖安县、奉新县)、上饶市(鄱阳县、余干县、万年县)以及国家级新区赣江新区等 个县市国土面积.万 由于位于我国城镇化的战略布局长江横轴线与京九地区发展轴线的交汇处大南昌都市圈在我国地区发展布局中有着沟通南北、承东启西的关键战略地位 同时该区域北临长江西依幕阜山和九岭山东含鄱阳湖和庐山包括了山区、丘陵、平原和河湖等各类山势地貌西边为山地、中部为山丘东边则为平原和湖泊 其中鄱阳湖作为中国面积最大的淡水湖它承载了调控径流、净化水体、调控气候等多重生态功能有着大量的鱼类、鸟
8、类等生物资源在维护地球生物多样性上有着难以取代的作用 该区域内绿色生态显著是推动中国国家生态文明实验区(江西)建设的重点地区图 大南昌都市圈土地利用分布图.数据来源与处理本文使用了谷歌地球引擎上 年的 影像结合 提取的稳定样本制作的土地利用数据空间分辨率为 数据来源于:/./根据中科院“遥感监测数据分类体系”综合考虑大南昌都市圈的土地资源特征将研究区域的 数据分为耕地、林地、草地、水域、建 期 危小建 等:不同格网尺度下生态系统服务价值空间分异及其影响因素差异:/.设用地和未利用地 类 粮食产量数据来源于 年的江西统计年鉴和中国统计年鉴粮食价格根据 年中国农产品价格调查年鉴获得本文选用的影响
9、空间异质性的指标包括:高程、归一化植被指数()、气温、降水、地均、人口密度数据来源如表 所示坡度利用高程数据在 中计算所得城镇用地从 数据提取人为影响指数()利用公式计算获得 运用 的自然间断点分级法对各因子进行离散化处理表 数据来源与说明 数据名称 数据类型 时间 分辨率数据来源 网址高程格网 美国对地观测全球高程数据:/./归一化植被指数 格网 中国科学院地理科学与资源研究所资源环境数据云平台:/./气温格网 国家地球系统科学数据中心 年中国 分辨率逐月平均气温数据集:/./降水格网 国家地球系统科学数据中心 年中国 分辨率逐月降水量数据集:/./地均 格网 中国科学院地理科学与资源研究所
10、资源环境数据云平台:/./人口密度 格网 国家地球系统科学数据中心中国 格网人口数据集:/./在查阅相关文献后发现采用格网尺度做此类研究选用的最小尺度为 的格网 此外人口密度和 等影响因素的分辨率为 考虑到数据处理的易操作性以及结果差异性决定研究的尺度选取 、及 格网 研究方法.生态系统服务价值测算以“中国生态系统单位面积生态服务价值当量”为基础计算大南昌都市圈生态系统服务价值按单位面积耕地生态系统服务价值相当于平均粮食作物单产市场经济价值的七分之一计算通过查阅江西统计年鉴、中国统计年鉴、和国家统计局关于 年粮食产量的公告等资料经测算后确定大南昌都市圈粮食作物单位面积产量为./该地区主要农产品
11、为水稻、大豆和油菜籽选取 年水稻、大豆、油菜籽单价的平均值作为实际计算的粮食单价通过查阅中国农产品价格调查年鉴计算得出大南昌都市圈粮食单价为.元/参照前人研究将建设用地的价值系数假定为 进而确定大南昌都市圈的单位面积生态系统服务价值系数(表)根据公式()测算研究区内生态系统服务价值总量 ()()式中 为生态系统服务价值元为第 种生态系统类型面积为第 种生态系统服务价值系数元/生 态 学 报 卷:/.表 大南昌都市圈生态系统服务价值系数表 生态系统类型 生态系统服务价值 耕地林地草地水域建设用地 未利用地 食物生产 .原材料 .气体调节 .气候调节 .水文调节 .废物处理 .保持土壤 .生物多样
12、性.美学景观 .合计.利用敏感性指数解析生态系统服务价值相对生态系统价值系数的依赖性程度(式)()/()/()式中 为敏感性指数、分别表示初始值和当量系数调整后的值.生态系统服务价值的人为影响指数人为影响指数()反映人类的社会活动对生态系统及自然景观结构变迁的影响程度利用 指数能够反映大南昌都市圈的 与人类行为影响间的相互关系其公式如下:(/)()式中 为人为影响指数为第 种土地利用类型的总面积为第 种土地利用类型所反映的人为影响强度参数 为研究区总面积 根据前人研究成果并综合大南昌都市圈土地利用现状特征运用 法确定各土地利用类型的 赋值:耕地(.)、林地(.)、草地(.)、水域(.)、建设用
13、地(.)、未利用地(.).探索性空间数据分析.全局空间自相关分析选用全局 统计量对不同尺度下的地均 进行全局空间自相关检验公式如下:()()()()式中 为网格单元总数()为网格单元()的测度值()为第 个网格单元上测度值与平均值的偏差 为标准化的空间权重矩阵 为方差下同.局部空间自相关分析通过局部空间自相关可分析大南昌都市圈内任一区域与其相邻区域对该属性值的集聚趋势空间异质性常见方法有 统计量、空间关联局部指标()、散点图等 本文利用 集聚图对不同尺度下的地均 进行局部空间自相关检测公式如下:()()()期 危小建 等:不同格网尺度下生态系统服务价值空间分异及其影响因素差异:/.()().地
14、理探测器地理探测器()是通过其表现处理的空间分异性来探测各因子对因变量的驱动力包括四个探测器本研究通过因子探测器和交互探测器判断影响大南昌都市圈 空间异质性的主导因子及其交互作用以及在不同尺度下各因子影响程度差异公式如下:()式中 为某因子对 空间异质性的影响力取值为 为变量 或因子 的分层 和 分别为全区和 区单元数s和s分别为全区和 区 值的方差.空间回归模型地理探测器仅仅研究因子对 的影响程度而无法确定其正负相互影响为了更全面的研究各种因素对 的驱动影响揭示各因子和 之间的正负相关性构建了空间回归模型其基本形式如下:()()式中()分别代表被解释变量(一个 维向量)、解释变量()、误差项
15、()与随机扰动项()的空间权重矩阵 则表示空间回归系数通过逐步线性回归来剔除共线性的变量然后构建 邻接的空间权重矩阵利用空间计量回归的方法进一步研究 与各因素之间的内在驱动关系 结果与分析.生态系统服务价值的空间变化.生态系统服务价值的空间布局由图 可以看出在不同格网尺度下地均 的空间分布较为一致总体呈现为西部和北部较高、东部和南部较低的特点 高价值区主要集聚于鄱阳湖水域及其周围的湿地较高价值区主要位于西部的幕阜山和九岭山等林地中等价值区散乱分布于林地内部低价值区和较低价值区则主要分布于各县市城区、乡村居民点用地和耕地通过敏感性分析发现研究区内各地类 的 值均低于 表明大南昌都市圈 相对于价值
16、系数而言是比较稳定的因此本文所用的价值系数适用于大南昌都市圈.生态系统服务价值的空间自相关分析由表 可知不同格网尺度下地均 分布均呈现显著的空间集聚效应和空间正相关性即地均 低值区与高值区都趋于邻近 随着格网尺度的增大 值也呈现了逐步降低的特点表明研究区内地均 高值和低值的集聚效应随着格网尺度的增大在逐步降低 格网尺度较小时大多数格网中地类结构相似其地均 相近集聚效应明显随着格网尺度的增大各格网中的地类结构将发生不同的变化其地均 也趋于不同集聚效应减弱 因此生态服务价值空间差异对评价单元尺度的变化具有一定的敏感性由图 可以发现在不同格网尺度下地均 的空间集聚分布都比较一致高高集聚区都主要分布于
17、鄱阳湖水域以及武宁县、修水县、奉新县、靖安县之间的山区因为此区域内包含大量的生态资源是大南昌都市圈 的重点来源区域高低和低高集聚区分布相对较少且散乱且大多处在高高和低低集聚地附近低低集聚区则大多散布于研究区的中部及南部该区域多为建设用地及耕地地均 均较低生 态 学 报 卷:/.图 不同格网尺度下地均 的空间分布.表 不同格网尺度下地均 全局 统计量 格网尺度 ()()格网 .格网 .格网 .格网 .()为理论期望()为标准差 为概率即所观测到的空间模式是由某一随机过程创建而成的概率.生态系统服务价值空间分异的地理探测分析.因子探测从表 可以看出大南昌都市圈 空间异质性受到自然因素与社会经济因素
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