本研究数据包括土地利用、地形、社会经济3种数据。土地利用数据是利用1995年、2005年、2015年Landsat遥感影像,采用人机交互方式解译获得。为验证解译精度,以贵阳市翁朵村为典型案例地,基于0.5 m分辨率的Pleiades高分卫星解译得到2015年翁朵村土地利用数据(采用人工目视解译,经实地验证,精度大于93%),与基于Landsat遥感影像解译的土地利用数据进行比较,发现基于Landsat的土地利用数据精度较高(大于83%),这说明解译的土地利用数据可以满足研究需要。依据研究区特点,将土地利用类型划分为水田、旱地、有林地、灌木林、草地、水域、建设用地、未利用地共8种地类; 地形数据有30 m DEM和坡度数据,均下载于国家地球系统科学数据中心; 社会经济数据包括来源于历年贵阳市统计年鉴的人口密度数据和粮食产量数据、来源于矢量化的贵阳交通图和行政区划图。

(1)生态系统服务价值评估方法。生态系统服务价值计算是依据谢高地等^[23]提出的中国生态系统服务价值系数法。由于该方法是适用于全国尺度,在贵阳市生态系统服务价值计算过程中需进行修正。具体修正步骤:贵阳市生态系统服务价值系数确定是基于2010—2015年贵阳市单位面积粮食产值。贵阳市主要粮食作物为玉米和水稻,种植结构约为6:4,2010—2015年玉米和水稻平均单产分别是4 200 kg/hm²,5 550 kg/hm²,收购价格1.9元/kg和2.2元/kg,根据种植比例,计算得到单位面积粮食社会经济产值9 672元/hm²,单位面积农田生态系统服务价值等于其社会经济产值1/7,计算得到1个当量生态系统服务价值为1 382元。在系数修正基础上,利用各生态系统服务的当量表^[23]以及1个当量生态系统服务价值计算得到贵阳市生态系统服务价值系数(表1)。

(2)生态系统服务价值空间异质性和空间变化分析方法。利用ArcGIS软件的Getis-Ord Gi工具分析生态系统服务价值的热点和冷点。依据其计算的Z值和p值将热点和冷点分为高热点(Z≥2,p>90%)、低热点(2>Z≥1,p>90%),高冷点(Z<-2,p>90%),低冷点(-1>Z≥-2,p>90%)和不显著(1>Z≥-1,p<90%)5种类型。其计算过程:基于三期单位面积生态系统服务价值空间图,分别转为生态系统服务价值Point文件,进而利用Kriging插值得到生态系统服务价值的热点和冷点空间图。生态系统服务价值空间变化分析方法是利用ArcGIS软件的栅格处理器,进行1995—2005年和2005—2015年生态系统服务价值叠加处理,进而得到10 a间生态系统服务价值变化的空间格局,负值表示减少区,正值表示增加区。

表1 贵阳市单位面积生态系统服务价值系数元/hm2

(3)地形及社会经济梯度分级。地形起伏度梯度划分是利用栅格邻域计算工具,在一定窗口下通过计算最大高程与最低高程差值得到地形起伏度,并利用ArcGIS软件的自然断点法将其分为6个梯度带; 地形位指数梯度划分是在计算任意坡度与平均坡度以及任意高程与平均高程之间关系,进而得到地形位指数,并利用自然断点法其分为6个梯度带; 交通梯度划分是以贵阳市交通网为基础,从道路中心线往两侧生成不同距离的缓冲区,并依据距离道路远近分为6个交通梯度带; 人口密度梯度划分是以2015年贵阳市各区县人口密度图,将其分为不同人口密度等级,进而得到6个人口密度梯度带; 城乡梯度划分是以各县区行政中心为基础,往周边生成不同距离的缓冲区,并依据距离行政中心远近分为6个城乡梯度带(表2)。缓冲区的生成是利用ArcGIS软件多环缓冲工具。

表2 贵阳市地形与社会经济梯度分级

1995—2005年贵阳市供给服务及总服务价值呈上升趋势,调节服务、支持服务及文化服务价值均呈下降趋势,其中文化服务价值下降幅度较大。2005—2015年贵阳市各类型服务和总服务价值均呈上升趋势,其中供给服务价值上升幅度较大(表3)。

表3 贵阳市生态系统服务价值的整体变化

1995年贵阳市生态系统服务价值冷点集中分布于南部地区和西北部,其他地区零星分布,且以低冷点为主,中南部为高冷点主要分布区。热点主要分布于西北部边缘地区、西南部以及东北部的零星地区; 2005年和2015年贵阳市生态系统服务价值冷热点与1995年较为接近,其中2005年的差异之处主要体现在西部的热点区、2015年的差异区域主要有中南部的高冷点、东部的低热点(图1)。

1995—2005年贵阳市大部分地区生态系统服务价值无变化。中西部、北部的零星地区生态系统服务价值增加,中部和北部的小部分地区生态系统服务价值减少。2005—2015年贵阳市中南部地区生态系统服务价值变化较为明显,主要表现为生态系统服务价值减少,西南部和中部的小部分地区生态系统服务价值增加较为明显(图2)。

图1 1995年、2005年、2015年贵阳市生态系统服务价值热点分析

图2 1995-2015年贵阳市生态系统服务价值变化空间格局

随着地形起伏度的增加,1995年、2005年、2015年调节服务价值呈现先下降后增加趋势,供给服务、支持服务、文化服务和总服务价值呈增加趋势,其中供给服务、支持服务、文化服务的变化特点更加接近,总服务价值呈线性增加趋势(图3)。

1995—2005年贵阳市供给服务价值在地形起伏度Ⅰ至Ⅵ梯度均呈上升趋势,其中在Ⅵ梯度的上升幅度较大,其他服务及总服务价值在地形起伏度Ⅰ至Ⅴ梯度均呈下降趋势,在Ⅵ梯度均呈上升趋势,其中均在Ⅰ梯度的下降幅度较大。2005—2015年贵阳市供给服务价值在地形起伏度Ⅰ至Ⅵ梯度均呈上升趋势,其中在Ⅰ梯度的上升幅度较大; 其他服务及总服务价值在地形起伏度Ⅰ梯度均呈下降趋势,在Ⅱ至Ⅵ梯度均呈上升趋势,其中均在Ⅲ梯度的上升幅度较大(表4)。

随着地形位指数梯度的增加,1995年、2005年、2015年贵阳市供给服务、支持服务及文化服务价值均持续上升,而调节服务及总服务价值先下降后上升,Ⅱ梯度是最低点(图4)。

1995—2005年贵阳市供给服务价值在地形位指数Ⅰ至Ⅵ梯度均呈上升趋势,其中在Ⅰ梯度的上升幅度较大; 其他服务及总服务价值在地形位指数Ⅰ至Ⅴ梯度均呈下降趋势,在Ⅵ梯度均呈上升趋势,其中调节服务及总服务价值在Ⅱ梯度的下降幅度较大,支持服务价值在Ⅰ梯度的下降幅度较大,文化服务价值在Ⅰ梯度的下降幅度较大。2005—2015年贵阳市供给服务价值在地形位指数Ⅰ至Ⅵ梯度均呈上升趋势,其中在Ⅰ梯度的上升幅度较大; 其他服务及总服务价值在地形位指数Ⅰ梯度均呈下降趋势,在Ⅱ至Ⅵ梯度均呈上升趋势,其中均在Ⅵ梯度的上升幅度较大(表5)。

随着交通梯度的增加,1995年、2005年、2015年贵阳市各类型服务和总服务价值均持续上升,且各类型的服务价值变化特征也较为接近(图5)。

1995—2005年贵阳市供给服务价值在交通Ⅰ至Ⅵ梯度均呈上升趋势,其中在Ⅵ梯度的上升幅度较大; 其他服务及总服务价值在交通Ⅰ至Ⅴ梯度均呈下降趋势,在Ⅵ梯度均呈上升趋势,其中均在Ⅴ梯度的下降幅度较大。2005—2015年贵阳市供给服务价值在交通Ⅰ至Ⅵ梯度均呈上升趋势,其中在Ⅵ梯度的上升幅度较大; 其他服务及总服务价值在交通Ⅰ梯度均呈下降趋势,在Ⅱ至Ⅵ梯度均呈上升趋势,其中均在Ⅵ梯度的上升幅度较大(表6)。

随着人口密度梯度增加,1995年、2005年、2015年贵阳市各类型服务和总服务价值均呈现波动起伏特点,供给服务价值的高值位于Ⅴ和Ⅵ梯度,低值位于Ⅱ和Ⅳ梯度,调节服务价值的高值位于Ⅲ和Ⅴ梯度,低值位于Ⅰ和Ⅱ梯度,支持服务价值的高值位于Ⅴ和Ⅵ梯度,低值位于Ⅱ梯度,文化服务价值的高值位于Ⅴ和Ⅵ梯度,低值位于Ⅱ梯度,总服务价值的高值位于Ⅲ和Ⅴ梯度,低值位于Ⅰ和Ⅱ梯度(图6)。

图3 贵阳市生态系统服务价值在地形起伏度梯度上特征

图4 贵阳市生态系统服务价值在地形位指数梯度上特征

表4 贵阳市生态系统服务价值变化在地形起伏度梯度上的变化率

表5 贵阳市生态系统服务价值变化在地形位指数梯度上的变化率

表6 贵阳市生态系统服务价值在交通梯度上的变化率

1995—2005年贵阳市供给服务价值在人口密度Ⅰ,Ⅲ至Ⅵ梯度呈上升趋势,在Ⅱ梯度呈下降趋势,其中在Ⅵ梯度的上升幅度较大; 其他服务及总服务价值在人口密度Ⅰ至Ⅲ,Ⅴ,Ⅵ梯度均呈下降趋势,在Ⅳ梯度均呈上升趋势,其中调节服务价值在Ⅱ梯度的下降幅度较大,而支持服务、文化服务及总服务价值在Ⅰ梯度的下降幅度较大; 2005—2015年贵阳市供给服务价值在人口密度Ⅱ至Ⅵ梯度呈上升趋势,在Ⅰ梯度呈下降趋势,其中在Ⅲ梯度的上升幅度较大; 调节服务价值在人口密度Ⅰ,Ⅴ,Ⅵ梯度呈上升趋势,在Ⅱ至Ⅳ梯度呈下降趋势; 支持服务、文化服务及总服务价值在人口密度Ⅰ,Ⅱ,Ⅳ梯度均呈下降趋势,在Ⅲ,Ⅴ,Ⅵ梯度均呈上升趋势,其中均在Ⅱ梯度的下降幅度较大,在Ⅴ梯度的上升幅度较大(表7)。

随着城乡梯度的增加,1995年、2005年、2015年贵阳市供给服务价值持续上升,调节服务及总服务价值呈先上升后下降再上升最后下降趋势,其中梯度Ⅱ和Ⅴ的服务价值较高,支持服务及文化服务价值呈先上升后下降趋势,其中梯度Ⅳ和Ⅴ的服务价值较高(图7)。

表7 贵阳市生态系统服务价值在人口密度梯度上的变化率%

图5 贵阳市生态系统服务价值在交通、人口密度、城乡梯度上特征

1995—2005年贵阳市供给服务价值在城乡Ⅰ至Ⅵ梯度均呈上升趋势,其中在Ⅰ梯度的上升幅度较大; 其他服务及总服务价值在城乡Ⅰ至Ⅴ梯度均呈下降趋势,在Ⅵ梯度均呈上升趋势,其中调节服务及总服务价值均在Ⅴ梯度的下降幅度较大,而支持服务价值在Ⅰ梯度的下降幅度较大,文化服务价值在Ⅳ梯度的下降幅度较大。2005—2015年贵阳市供给服务价值在城乡Ⅰ至Ⅵ梯度均呈上升趋势,其中在Ⅰ梯度的上升幅度较大; 其他服务价值及总服务价值在城乡Ⅰ梯度均呈下降趋势,在Ⅱ至Ⅵ梯度均呈上升趋势,其中支持服务、文化服务及总服务价值在均在Ⅴ梯度的上升幅度较大,而调节服务价值在Ⅵ梯度的上升幅度较大(表8)。

表8 贵阳市生态系统服务价值在城乡梯度上的变化率

在山地地形约束下,贵阳城镇化过程主要沿地形平坦的平坝地扩张^[24],这使得城镇化集中于地形起伏度和地形位指数较小的梯度带,进而导致这些区域生态系统服务价值下降。同时由于山地地形的约束,贵阳市交通、行政中心往往集中于低缓平坝地,随着城镇化扩张,这些距离交通线和行政中心近的梯度带生态系统服务价值下降。此外,受地形限制,地形起伏和地形位指数较大的梯度、远离交通和行政中心的梯度带主要以山地为主,这些区域属典型脆弱的喀斯特山地生态系统,近年来贵阳市实施的退耕还林还草、天然林保护工程等^[25]使得这些山地为主的梯度带生态系统服务价值呈增加趋势。从空间格局看,贵阳市中南部为盆坝地,周边为山地。在快速城镇化影响下,贵阳市中南部地形平坦的盆坝地(亦是中心城区)人类活动强烈,因此中南部地区生态系统服务价值有所降低,这在高冷点的分布变化有所体现,而周边山地在一系列生态保护措施下,其生态系统服务价值有所提高。值得注意的是,在山地地形影响下,为了疏散中心城区人口压力,贵阳市城镇化并不集中于人口稠密区,往往选取有一定人口基础,地形相对平坦的地区^[26],这使得人口密度对城镇化的影响较小,故而在生态系统服务价值变化在人口密度梯度上呈现波动起伏特点。

贵阳市生态系统服务价值变化的地形梯度特征与陈奕竹等^[27]对湘西地区的研究结果较为相似,这说明相似两个地区的人类活动在山地上表现具有一致性。然而,由于人类对不同地域山地的利用存在差异,进而对生态系统服务价值的影响不同,这在本研究与李理等^[28]对华北地区淇河研究结果的差异性有所体现。

贵阳市1995—2005年和2005—2015年供给服务和总服务价值增加,调节服务、支持服务及文化服务价值在1995—2005年呈下降趋势,在2005—2015年呈增加趋势; 在地形影响下山地城市生态系统服务价值变化空间格局破碎化突出,地形相对平坦区域是生态系统服务价值变化的主要区域。随着地形起伏度、地形位指数、交通梯度、城乡梯度的增加,供给服务呈增加趋势。除高梯度外,调节服务、支持服务、文化服务和总服务价值在1995—2005年地形起伏度、地形位指数、交通、城乡的中低梯度上呈下降趋势。除低梯度外,在中高梯度上调节服务、支持服务、文化服务和总服务价值2005—2015年呈上升趋势。各种服务及总服务价值在人口密度梯度上呈现下降—上升—下降的波动特点。