剧烈人类活动影响下, 全球气候环境及区域生态系统格局发生显著变化, 生态系统服务功能的重要性日渐凸显^[1-2]。区域结构特征是反映生态系统状态关键指标, 合理量化生态系统服务并比较不同功能为人类提供的利益是当前研究的热点^[3-4]。随着生态系统服务功能研究的不断深入, 生态系统服务定量评估方法日趋成熟, 常见的方法有条件价值法、影子工程法、市场机会法和资产价值法等^[5-9]。谢高地等人提出的基于专家知识的生态系统服务价值评估法具有使用简便、数据需求少、结果可比性高、评估较全面等优点, 作为快速评估工具被众多研究人员用以评估区域生态系统服务价值^[10-11]。

2008年我国提出将广西北部湾经济区建设成为重要国际区域经济合作区, 这一定位对促进我国西部大开发、面向东盟开放合作和广西经济社会发展起到极大的推动作用。北部湾近海沿岸地区作为陆地和海洋相互作用区域, 人类活动频繁、干扰强烈, 是环境敏感地区和生态脆弱地区^[12]。近年来, 随着这一地区经济和城市化迅速发展, 人口快速增长和资源过度消耗使得环境污染不断加剧, 海水倒灌、植被退化和土地沙化等严峻的生态问题日渐涌现, 已对北部湾经济区生态系统管理构成了严重的威胁^[13-16]。但当前关于北部湾沿岸地区生态系统结构和功能演变的研究较少, 快速的经济发展和剧烈的区域生态系统结构变化间的关系仍不清楚。因此, 评估北部湾经济区沿岸地区生态系统服务功能并研究其演变特征及其驱动力, 对促进北部湾经济区生态建设和可持续发展具有非常重要的意义。

为了解广西北部湾沿岸地区生态系统结构和功能变化规律, 本文基于Landsat数据, 通过3S技术获取北部湾沿岸地区1999、2006和2014年土地利用/覆盖分布图, 并采用改进的单位面积价值当量法^[17]估算研究区不同时期生态系统服务价值, 分析生态系统服务价值的时空演变特征, 揭示生态系统服务价值变化的主要驱动因素, 以期为北部湾沿岸地区土地资源的合理配置、生态环境保护和生态旅游开发提供科学依据。

1 研究区概况

广西北部湾沿岸地区濒临南海, 东自洗米河口与广东接界, 西至北仑河与越南分界, 自东向西涵盖北海、钦州和防城港3个地级市。该区地处北回归线以南的低纬度地区, 南濒热带海洋地区, 受海洋性季风影响, 属于热带季风气候。年均温在20—26℃, 年平均日照时间1750—2650h, 光照充足, 终年温暖, 常年多雨^[12]。地势总体西高东低, 从陆地向海洋倾斜, 地理特征明显, 沿海地形破碎, 海岸曲折。沿海、沿疆、沿边的三重叠加, 是北部湾与国内其他地区相比所具有的鲜明特征。现阶段主要以工业和第三产业为主导, 由传统产业逐步向新型制造业和现代服务业转型, 结构不断优化, 特别是旅游类服务业增长迅速, 使得该区域经济产值取得了跨越式发展。1999—2014年间, 研究区旅游人数从1058.78万人次增长到2981.9万人次, 旅游收入从43.01亿元次增长到750.24亿元, A级景区从6个增长到34个。

本文选取北海市的合浦县、银海区、铁山港区、海城区、钦州市的钦南区、防城港市的港口区、防城区和东兴市8个区县为研究区(图 1), 总面积约8840km², 所有区县均有滨海的区位优势, 且经济发展的战略地位突出。

2 研究方法 2.1 数据来源与处理

以时序Landsat卫星影像数据为基础数据, 选择研究区1999、2006和2014年无云、生长季/非生长季的高质量影像, 并配合DEM(Digital Elevation Model)、土地利用现状图、森林清查成果、交通网络图等专题图为辅助数据^[18]。

根据研究区地物特点, 参照《土地利用现状分类标准》(GB/T 21010—2007), 将研究区土地利用/覆盖分为8大类：林地、果园、建设用地、耕地、水体、水产养殖用地、红树林和裸地。在ENVI软件支持下, 采用监督分类结合人工目视矫正, 完成3期遥感影像解译。精度验证结果表明3个时期的分类精度分别为85.63%、85.27%和89.96%, 满足研究需求。

2.2 生态服务价值评估

生态系统服务功能概念被提出后不断深化和发展, 而千年生态系统评估(MA, Millennium Ecosystem Assessment)的定义使用最为广泛^[19-21]。为量化生态系统服务功能, 将研究区土地利用类型合并为六大生态系统(表 1), 参考谢高地等2015年提出的最新研究成果^[17], 评估北部湾沿岸地区的生态系统服务价值。生态系统服务由供给、调节、支持和文化四大类构成, 在此基础上划分为11小类, 各生态系统的单位面积生态系统服务价值当量见表 1, 标准当量因子的生态系统服务价值量为3406.5元/hm^2[17]。

2.3 驱动指标体系

生态系统服务价值演变的驱动包括自然环境和人文影响两方面^[22], 短时间内生态系统演变主要是人文驱动影响。参考相关研究^{[11, 23]}, 收集人口指标、经济指标和旅游指标3方面的人文驱动因子(表 2)。所有指标都是按照区县为单位进行收集, 涵盖了1999、2006和2014年3个时期, 部分数据存在缺项, 但不影响后续研究分析。

3 结果与分析 3.1 生态系统变化 3.1.1 生态系统总面积变化

1999—2014年, 农田和森林是研究区最主要的生态系统, 且耕地、林地和果园面积变化显著(表 3)。1999年和2006年研究区耕地面积最大, 具有景观基质特性, 其次是果园、林地。2014年果园面积达2720.13km², 而耕地面积仅为2636.67km², 景观基质发生变化, 果园成为该区域景观基质, 其次是耕地、林地、建设用地、水体、水产养殖、裸地, 红树林面积最小。从面积变化率来看, 建设用地变化率最高, 说明研究区城市扩张、经济发展速度较快。红树林、耕地、裸地的面积不断减少, 红树林消失情况最为严重, 说明生态环境恶化加剧了天然湿地生态系统退化。

3.1.2 生态系统空间分布与格局变化

1999—2014年北部湾沿岸地区各类生态系统总量变化剧烈, 但其空间分布特征并未显著改变。总体来看, 林地主要分布在西部, 耕地主要分布在东部, 水体主要分布在南部, 果园则镶嵌在整个区域内(图 2)。各区县生态系统类型分布差异显著, 可分为3类：(1)以海城区代表的城市生态系统景观, 1999年建设用地面积49.64km², 且随着时间推移面积不断增加, 2014年达到58.82km², 占海城区面积的63.26%。(2)以合浦县、钦南区、港口区、银海区和铁山港区为代表的典型农业生态系统景观, 耕地和果园是主要景观基底, 水果的较高经济效益造成1999—2014年间耕地向果园转变情况严重。(3)以东兴区和防城区为代表的典型农林复合景观, 林地面积最大, 其次为果树和耕地, 生态工程实施使该区域高海拔、陡坡地区的果树和耕地转变为林地。

生态系统的格局特征决定区域生态过程, 而生态系统服务功能受区域生态过程调控, 因此景观格局指数被用来分析北部湾沿岸地区生态系统的格局变化^[24-26]。斑块密度(PD, Patch Density)可描述各类生态系统的破碎化程度^[27], 建设用地PD持续增长(表 4), 说明该区域城市呈现爆发式扩张, 但并非摊大饼式扩张, 而是比较分散的建设, 使其破碎化越来越严重。耕地和林地破碎化程度先增大后减小, 说明耕地斑块以零星状态减少, 而林地斑块以零星状态增长。果园斑块数量虽然较多, 但持续减少, 且PD最大但持续减小, 而果园面积在1999—2014年间有所增加, 说明果园是成片变化, 新增斑块使果园形成更大的斑块, 从而降低其破碎化程度。红树林的PD变化趋势与果园相似, 但其面积不断减少, 说明红树林成片消失使得破碎度减小。散布与并列指数(IJI, Interspersion and Juxtaposition Index)可反映各类景观的散布与并列程度^[27], 从表 5得知水产养殖用地具有零散分布的特点, 其IJI最大。红树林的IJI呈现小幅增加后大幅减少的趋势, 说明初始阶段红树林分布比较零散, 后来随着面积减少而比较集中。林地的IJI呈现先大幅增加后小幅增加的持续增长趋势, 说明初始状态林地比较集中, 随着森林面积的增加其分散程度也在不断加大。其他类型的IJI变化幅度较小, 且均在70左右, 说明这些类型在空间分布上较分散。

景观水平选择斑块密度(PD, Patch Density)、景观形状指数(LSI, Landscape Shape Index)、蔓延度指数(CONTAG, Contagion Index)、景观聚集度指数(COHESION, Patch Cohesion Index)、香农多样性指数(SHDI, Shannon′s Diversity Index)5个指标^[28-29]来分析北部湾沿岸地区生态系统格局动态(表 6)。PD呈现出先增大后减小趋势, 说明人类活动影响下研究区景观总破碎度呈现先增大后减小的趋势, 且2014年破碎程度比1999年大。1999年和2006年的LSI差异较小, 而2006—2014年的LSI大幅减小, 说明人类对土地的不断开发和利用使景观形状越来越简单。CONTAG变化趋势说明景观蔓延度先减小后增大, 但2006年和2014年间的差异较小。COHESION持续减小, 变化幅度小, 说明人类活动虽然使各生态系统类型和斑块大小发生了转变, 但整个景观的团聚程度变化不显著。1999—2014年间SHDI先增大后不变, 说明北部湾沿岸地区在城市发展过程中各生态系统的分布越来越均匀。

3.2 生态系统服务价值变化 3.2.1 生态系统服务价值总量变化

1999—2014年北部湾沿岸地区生态系统服务功能总价值由4.83×10¹⁰元增加到5.40×10¹⁰元(表 7)。森林生态系统服务总价值最高, 超过研究区总价值的50%。水域的生态系统服务总价值较高, 且持续增大; 湿地生态系统服务功能总价值先增大后减小, 整体小幅减少0.74%。农田生态系统服务总价值不断减小, 1999—2014年间由4.87×10⁹元减小到3.49×10⁹元。虽然耕地面积较大, 但农田生态系统服务总价值较小; 而水域面积最小, 但其生态系统服务总价值较大; 森林生态系统服务总价值最大, 说明其是北部湾沿岸地区非常重要的生态系统。

3.2.2 生态系统服务价值类型间变化

1999—2014年间除食物生产、气体调节和维持养分价值有所减少外, 其他服务类型的价值均呈现增长趋势(表 8)。从供给服务组成上来看, 食物生产和原料生产价值为正, 农田生态系统耗水使得水源供给为负。随着农田生态系统向森林生态系统演变, 食物生产价值减少, 原料生产和水源供给价值增加。从调节服务组成上来看, 水文调节价值最高, 净化环境价值最低。随着生态系统演变, 特别是森林生态系统和水域面积的增加, 水文调节价值不断增大, 而气体调节、气候调节和净化环境价值先增大后减小, 1999—2014年气体调节价值减少了8.61×10⁶元。从支持服务组成来看, 生物多样性和土壤保持价值较大, 且呈现先增大后减小的变化趋势; 而维持养分价值较小, 且持续减小。文化服务只有美学景观一项, 随着北部湾沿岸地区生态系统演变, 美学景观价值先增大后减小, 因为2006年以后不合理的开发降低了该区域的文化服务功能。总体来看, 调节服务价值比例最高, 变化量最大, 而文化服务价值比例最低, 变化量最小。

3.2.3 生态系统服务价值空间变化

分析单位面积生态系统服务价值(图 3), 北部湾各区县面积和生态系统构成差异较大, 可按区县平均生态系统服务水平分为两类：(1)以东兴市为代表的平均服务水平较高的区县, (2)以海城区为代表的平均服务水平较低的区县。高服务水平的区县中, 东兴市单位面积生态系统服务价值最大, 经济发展促使耕地、林地向果园转变使得该区域生态服务价值呈增大后较小的趋势。合浦县、防城区、钦南区和港口区单位面积服务价值较大, 但前三个区县从1999—2014年间不断增大, 港口区却有减小趋势。低服务水平的区县中, 海城区单位面积生态系统服务价值最小, 且持续减小。而铁山港区和银海区是典型的农业景观区县, 单位面积服务价值较小, 呈小幅波动。

以1km×1km网格为单位统计并分析1999—2014年间生态系统服务价值总量变化(图 4)可知, 较高ESV (Ecosystem Service Value)区域主要分布在研究区西部, 而较低ESV区域主要分布在海城区周围。1999—2006年间ESV减少的区域比较分散, ESV增加的区域主要是合浦县耕地转变为果园的区域; 2006—2014年间ESV减少的区域主要集中在城市开发区域, 高经济效益的水果刺激让更多的耕地转变为果园, 因此合浦县和钦南区连片耕地ESV提升。

3.3 生态系统服务价值变化驱动力

利用1999—2014年间北部湾各区县生态系统服务价值和对应驱动指标进行相关分析, 剔除相关性较低的因子并进行逐步回归分析(表 9)。供给服务价值仅有一个回归方程, 且自变量为人口密度, 其他生态系统服务价值均有两个回归方程, 且最终自变量均为综合城镇化率。而本文中的综合城镇化率为城镇人口占总人口的比例, 属于人口结构指标, 人口结构的变化会导致区域经济、生态结构变化, 最终影响北部湾沿岸地区生态系统服务功能。人口密度反映了各区县人口分布状况, 可能会影响区域生态系统数量及聚集、破碎等空间分布特征从而改变区域生态系统供给功能。

分析生态系统服务总价值、调节服务价值、支持服务价值和文化服务价值得知, 农民人均纯收入是生态系统服务总价值和文化服务价值第二重要的驱动因子, 农民人均纯收入能描述生活水平、社会福利, 当农民人均纯收入较高时文化服务需求才会提高, 因为提升了文化服务价值和生态系统服务总价值。GDP总量是调节服务价值第二重要驱动因子, 说明区域生态系统调节服务功能受区域经济发展的影响。林业生产总值是支持服务价值第二重要的驱动因子, 突出了森林生态系统在支持服务上的重要性。

4 讨论 4.1 生态服务价值评估方法

改进的当量因子法虽然是一种静态的评估方法, 使用简单、数据需求少, 特别适用于区域尺度生态系统服务价值的评估^[17]。此外, 当量因子法计算的生态系统服务价值能有效反应区域时空动态, 可以满足北部湾沿岸地区生态系统服务价值在时间和空间上动态变化的研究^[11]。

北部湾滨海, 虽然研究区范围内水域面积较小, 但其生态系统服务价值总量仅次于森林生态系统, 这可能是谢高地等最新研究成果^[17]中极大的提升了水域的生态系统服务价值当量, 特别是水源供给和水文调节价值量。改进后的价值当量评估方法将生态系统进行二级划分, 且修正了多项服务价值, 但在水域的生态系统服务价值是否存在高估的可能性, 还有待进一步探讨。此外, 虽然水田在进行粮食生产过程中会消耗大量水, 但区域尺度下水稻用水量的分配及耗水机理仍不清晰^[30], 农田生态系统的水源供给价值可能过分低估。

4.2 生态系统空间分布与演变

生态系统服务功能空间分布(3.1.1节)与生态系统空间分布(3.2.2节)存在联系, 也有显著差异。海城区是典型的城市生态系统, 单位面积服务价值最小, 却与铁山港区、银海区这种典型农业景观的区县的生态系统服务能力相差不大, 都在40000元/hm²左右。铁山港区和银海区农业生产用地以水田为主, 其对水资源的需求使得水源供给为负值, 降低了区县平均生态系统服务水平。东兴市、防城区是典型的森林生态系统为主要的区县, 但单位面积服务价值却与合浦县、海城区和钦南区这种农业生态系统为主的区县相近。合浦县、海城区和钦南区有大面积的果园, 其生态服务能力介于森林和农田之间, 能提升区县平均生态系统服务水平。

1999—2014年间, 城市扩张使建设用地不断增加, 生态系统服务总价值也不断增加。从各类生态系统服务价值变化来看, 仅有森林生态系统和水域的服务价值有增长, 而其他生态系统的服务价值均有减小, 其中农田生态系统服务价值减小得最多。北部湾沿岸地区生态系统服务总价值的增长可能得益于耕地向果园和林地的转变, 使北部湾沿岸地区的生态系统从以农田为主导变为以森林为主导。因此, 快速城镇化的同时保障退耕还林等生态工程的实施可有效提升区域生态系统服务功能。

4.3 生态系统服务演变驱动

生态系统服务价值是生态系统服务功能的直接体现^[31], 本文采用改进的价值当量法来评估服务价值, 价值的变化能有效反映北部湾沿岸地区生态系统服务功能的演变。驱动机制有定性和定量两种研究方法, 定性研究仅将收集的数据进行简单的趋势分析后通过文字的形式描述^[29], 而定量研究通过数学分析方法找到生态系统服务价值演变的原因及其与相关因子间的关系, 但模型的解释性不如定性分析, 且数据获取性较差。

本研究的数据均由相关部门提供, 通过相关分析和主成分分析剔除存在共线性以及与生态系统服务无关的数据后, 选取较关键的25个指标对区县各类生态系统服务价值进行逐步回归分析, 模型及相关待估参数均达到显著水平, 结果显示综合城镇化率是主导北部湾沿岸地区生态系统服务价值变化的驱动因素。逐步回归得知农民人均纯收入、GDP总量和林业生产总值是影响北部湾沿岸地区生态系统服务价值的重要因素。虽然模型的精度较高, 但区域条件的限制性使得该统计模型使用受限。近年来北部湾发展的产业调整、生态保护等相关政策措施难以量化, 但政策措施无疑是促使该区域经济发展的关键因素。科学定量化生态系统服务价值并权衡生态系统服务需求^[32], 为景观调控方案制定提供依据, 推进生态旅游开发, 实现生态与经济协调发展将是北部湾沿岸地区是未来研究的重点。

5 结论

掌握生态系统结构及其功能的时空变化规律是开展科学生态系统管理的重要前提, 如何衡量人类在满足自我需求的同时对自然资源和生态系统服务功能的改变程度是当前研究值得关注的一个问题。本文分析了从1999—2014年北部湾沿岸地区生态系统格局动态, 并进一步对该区域生态系统服务价值的时空演变特征及其驱动机制进行了研究。结果表明：

(1) 1999—2014年, 城市点状、离散扩张使得城市生态系统面积增加了473.33km², 破碎化程度加剧; 生态环境的破坏给湿地生态系统带来毁灭性的破坏, 红树林不断消失, 2014年仅存13.07km², 破碎度增加; 林地和果园的面积呈现先增加后减小趋势, 但林地呈零星状增长, 破碎化程度增高, 果园则与之相反。耕地面积急剧缩减, 破碎化程度先增大后减小, 说明耕地斑块以零星状态减少。

(2) 生态系统服务总价值不断增长, 2014年高达为5.40×10¹⁰元。生态系统构成中, 森林生态系统服务价值最高, 约占研究区总价值的50%, 且呈增长趋势; 生态系统服务构成中, 除食物生产、气体调节和维持养分循环价值有所减少外, 其他类型生态系统服务价值均呈增长趋势。虽然生态系统类型在空间分布存在显著差异, 但以城市生态系统为主的海城区和以农田生态系统为主的铁山港区、银海区的平均生态系统服务水平差异较小, 而以森林生态系统主的区县与以农林(农田-经济林)生态系统为主的区县的平均生态系统服务水平差异较小。

(3) 驱动力分析表明, 综合城镇化率是影响北部湾沿岸地区生态系统服务价值变化的重要驱动因素, 说明区域生态系统服务价值与社会经济发展相互耦合, 科学定量化研究区域生态系统服务价值演变驱动机制依然是未来研究的重点。