基于NDVI修正系数的和田绿洲生态系统服务价值估算

杨依天　张月丛

( 河北民族师范学院，河北 承德 067000)



基于NDVI修正系数的和田绿洲生态系统服务价值估算

杨依天张月丛

( 河北民族师范学院，河北 承德 067000)

摘要：生态系统服务价值的定量评估可为自然资源合理利用及生态保护提供科学依据。和田绿洲生态与环境极为脆弱，在气候变暖大背景下，西部大开发及2009年以来实施的19省市对口援疆建设将对当地资源与环境保护产生巨大压力。为此，目视解译3期18景遥感影像，整理1期土地利用数据，并基于NDVI修正系数对和田绿洲的生态系统服务价值进行估算。结果表明：（1）1980-2010年，和田绿洲生态系统服务总价值增加30.44×108元，其增加主要源于南部山区雪冰面积在研究的时间节点上因降水量增加而增加。（2）草地对生态系统服务总价值贡献率呈下降趋势，其下降的主要原因是草地退化及耕地对草地侵占。（3）流域而言，中游区与下游区生态系统服务价值均减少。其中，中游区湿地（-1.83×108元）、水域（-1.68×108元）、森林（-0.86×108元）及草地（-0.80×108元）等服务价值减少是其主要原因；下游区水域（-0.61×108元）、草地（-0.24×108元）及森林面积（-0.07×108元）等生态服务价值减少是其生态系统服务价值减少的根源。

关键词：干旱区；生态系统服务价值；估算； 和田绿洲

我国干旱区气候干燥、降水稀少，生态脆弱[1-2]。尽管国家采取相应重大措施，力图扩大或提高人类活动对自然环境作用的有利影响，但生态与环境整体状况仍在恶化[3-4]。在气候变暖、西部大开发及2009年以来实施的19省市对口援疆建设大背景下，地处生态与环境极为脆弱西北干旱区的和田绿洲，面临着经济发展对资源、生态及环境更为巨大压力与挑战[5]。揭示过去生态系统的变化规律，并对生态系统服务功能进行定量评估可为经济发展、自然资源利用及生态保护提供科学依据。

生态系统服务功能是指生态系统与生态过程中所形成及维持人类赖以生存和发展的自然环境及其效用[6]。国际生态系统服务功能研究始于20世纪60年代中后期[7-8]。1970年，人类对全球环境影响报告中提出生态系统服务功能概念[9]，生物多样性丧失等问题日益受到广泛关注[10-11]。1997年，Costanza等在Nature上发表“全球生态系统服务与自然资本的价值估算”[12]，定量评估生态系统服务价值成为生态系统服务功能研究中的热点问题。随之，2001年启动了为期四年，来自95个国家1300多名科学家参与的千年生态系统评估项目（Millenniumecosystem assessment，MA），开拓性地对全球生态系统以及其对人类福利影响进行了多尺度综合评估[13]。这次评估表明，全球范围内约有60%的生态系统服务功能呈下降趋势，且这种局面很可能在未来50年进一步加剧[14]。

20世纪80年代，国内学者开始关注生态系统服务功能及其价值研究[15-16]。之后，学者们对生态系统服务评估理论及评估方法[17-19]，中国陆地[20]及其草地[21-22]、森林[23-24]和地表水[25]等方面展开较为深入研究。从评估方法上，谢高地等[20]提出的源于专家知识的生态系统服务价值评估方法能较准确地反映中国生态系统服务的生产-消费-价值实现过程，是适合中国生态系统状况和经济发展水平的评估方法。为此，本文以地处干旱区的和田绿洲为例，用和田绿洲各生态系统与全国相应生态系统NDVI值的比例系数对生态系统服务价值进行订正，采用谢高地等的方法对研究区生态系统服务价值进行评估。

1 数据与方法

1.1 数据来源

1980年的土地利用数据土地利用类型数据由中国科学院资源环境科学数据中心（http://www. resdc.cn/first.asp）提供。1990年、2000年及2010年TM/ETM遥感影像从美国地质调查局网站下载（http://earthexplorer.usgs.gov/）。

1.2 研究方法

1.2.1 目视解译

选择1990年、2000年及2010年夏秋季节空间分辨率为30m的Landsat TM/ETM多光谱遥感影像为主要数据源，利用遥感图像处理软件ERDAS IMAGINE 9.1对遥感影像进行波段组合、几何校正及投影转换等预处理。在ArcGis9.3中，选取标准假彩色合成方案，结合野外考察（2010年6-7月），建立解译标志，进行目视解译，得到土地利用类型数据（2012年10-11月对研究区不易识别地物进行精度验证，解译精度达92.3%）。

1.2.2 生态系统服务价值估算

本文的生态系统服务价值估算方法主要参考Constanza等[12]及谢高地等[19]。因上述研究中未给出城乡工矿居民建设用地当量值，故选取冉圣宏等[26]研究中的文化娱乐生态服务功能指标作为城乡工矿居民建设用地中一项评价值。考虑到研究区城乡工矿居民建设用地中绿地面积占较高比例（野外调查及样地目视解译发现城乡工矿居民建设用地以林地为主，绿地面积占30%左右），城乡工矿居民建设用地的其他服务功能以林地的30%进行计算。具体生态系统服务价值计算方法如下：

式中：ESV为生态系统服务总价值（元），VCk为单位面积生态系统服务价值（元/hm2·a-1），Ak 为k类的面积（hm2）。便于与其他区域比较研究，遵循可比性与一致性原则，VCk取值为449.10元/ hm2·a-1（与谢高地等[19]的中国生态系统单位面积生态服务价值一致）。

生态系统及其环境具有多样性，生态系统服务价值存在空间异质性，谢高地等建议在区域研究中选取同一生态系统的当地生物量与全国平均生物量比值对生态系统服务价值单价进行订正。笔者在计算同一生态系统的NPP发现，研究区的NPP数值仅为全国1/10左右（研究区降水稀少，NPP值计算需降水量数据，可能是其特别低的主要原因），这与实际情况不符。为此，采用研究区与全国NDVI（1982-2000年）的比例系数（表1）对研究区生态系统服务价值进行订正（表2）。

表1　生态系统服务价值修正系数Tab.1 The correction factors of ecosystem service value in the study area

表2　和田绿洲单位面积生态系统服务价值表（元/ hm2·a-1）Tab.2 The per unit value of ecosystem services in the study area（RMB/ hm2·a-1）

1.2.3 转移矩阵

为分析各生态系统的服务价值相互间转换情况，研究中用 ArcGIS 9.3 软件对各期生态系统服务价值数据进行交叉分析（ArcToolbox/AnalysisTools/Overlay/Intersect），进而用 Excel 的数据透视表处理，建立反映各期生态系统服务价值增减变化的转移矩阵。

2 结果分析

2.1 生态系统服务价值变化特点

2.1.1 总体趋势

1980-2010年，和田绿洲生态系统服务价值由184.34×108元增加到214.78×108元，增加了16.51%。水域对研究区生态服务价值的贡献最大（多年平均45.89%），且呈显著上升趋势（图2）。水域贡献率高的主要原因是南部山区有较大面积归类于水域的雪冰，且水域单位面积生态服务价值（1.78×104元/hm2·a-1）仅次于湿地（2.25×104元/hm2·a-1）。水域生态服务价值增加的主要因为1980-2010年积雪面积因降水量而增加（1980年、1985年、1990年、2000年、2010年降水量分别为5.4mm、3.4mm、26.1mm、19.2mm、111.9mm）。草地贡献仅次于水域（29.14%），但呈下降趋势。草地生态服务价值下降的主要原因是1980-2010年草地面积减少了17.93%。森林、农田、湿地及城乡用地等单位面积生态服务价值较高，但面积较小，故生态系统服务功能在研究区仅占较小比例。就过去30年变化趋势而言，农田与城乡用地生态服务价值呈上升趋势，而森林与湿地发生波动变化。

就各项服务功能而言，食物生产、水文调节、废物处理及提供美学景观等服务功能呈上升趋势（图3）；气候调节、维持生物多样性等服务功能呈波动上升；原材料生产、气体调节及保持土壤等生态的服务功能在1990年后呈下降趋势。

图2　研究区子系统服务价值贡献率Fig. 2 The contribution of subsystem to ecosystem service value in the study area during the period of 1980-2010

图3　研究区各项生态系统服务功能时间变化（108元）Fig. 3 The change of ecosystem service value in study area（108RMB）

2.1.2 各县情况

和田县生态系统服务价值呈上升趋势（表3）。水域生态系统服务价值最高，且显著上升（图4）；草地与荒漠生态系统服务价值仅次于水域，但呈下降趋势；农田、城乡工矿建设用地生态系统服务价值1990年后呈上升趋势，而森林、湿地与之相反。洛浦县生态系统服务总价值略呈下降趋势。草地生态服务价值居首位，呈下降趋势；荒漠与水域仅次于草地，两者均上升；农田与城乡工矿建设用地生态系统服务价值上升，而湿地与森林1990年后下降显著。墨玉县生态系统服务价值1990年下降明显。草地生态服务价值居首位，但呈下降趋势；荒漠与水域生态服务价值仅次于草地，均呈上升趋势；其他基本与洛浦县相同。就各项服务功能而言，和田县的食物生产、原材料生产、气候调节、水文调节、废物处理、维持生物多样性及提供美学景观等服务功能上升；仅气体调节、保持土壤等服务功能略有下降。洛浦县的气体调节、气候调节、保持土壤等服务功能呈下降趋势；其他服务功能多出现波动变化。墨玉县的水文调节及废物处理等服务功能略呈上升趋势；食物生产、保持土壤等服务功能呈下降趋势；其他生态系统服务功能变化趋势基本与墨玉县一致。

表3　行政区生态系统服务价值变化（108元）Tab.3　The change of ecosystem service value in each county during the period of 1980-2010（108RMB）

总之，各县的森林、草地及湿地生态系统服务价值均在1990年后呈下降趋势，这是其气体调节、保持土壤等服务功能下降的重要原因，这将对其生态系统的稳定产生不良影响。

2.1.3 流域情况

1980-2010年，上游区（根据和田河上、中、下游进行划分，图1）生态系统服务价值增加32.38×108元，增加了28.63%（表4）；水域、草地及荒漠对其生态系统服务价值最高（图4），但水域生态系统服务价值呈上升趋势，而草地与荒漠呈下降趋势。中游区生态系统服务价值减少1.81×108元，减少了3.65%；草地与水域生态系统服务价值占前两位，分别呈现下降与上升趋势；农田、荒漠及城乡工矿建设用地的生态系统服务价值呈上升趋势；湿地波动变化，而森林1990年后呈下降趋势。下游区2010年生态系统服务总价值比1980年减少0.14×108元，减少了0.65%，若与1990年相比则减少2.55×108元，减少了10.58%；荒漠生态系统服务价值最高，1990年后呈上升趋势，而水域、森林生态系统服务价值1990年后下降明显；草地生态系统服务价值呈显著下降趋势。

表4　上、中、下游生态系统服务价值变化（108元）Tab.4　The change of ecosystem service value in each region during the period of 1980-2010（108RMB）

图4　分区各子系统生态系统服务价值时间变化Fig. 4 The subsystem service value during the period of 1980-2010

就各项服务功能而言，上游区的食物生产、原材料生产、气候调节、水文调节、废物处理、维持生物多样性及提供美学景观等服务功能均提高。中游区的气体调节、气候调节、保持土壤及维持生物多样性等功能下降明显；其他生态系统服务功能自1990年后下降。下游区的食物生产、原材料生产、气体调节、气候调节、保持土壤及维持生物多样性等功能下降；水文调节、废物处理等功能提高。

2.2 生态系统服务价值增减分析

表5　生态系统服务价值增减变化转移矩阵（108元）Tab. 5 Transferred matrix of ecosystem service value during the period of 1980-2010（108RMB）

1980-2010年研究区各子系统相互转换中，农田生态系统服务价值增加0.80×108元（表5），增加主要来自农田转变为湿地（0.29×108元）与城乡用地（0.27×108元），而农田退化为荒漠生态服务价值减少0.04×108元。森林生态系统服务价值减少0.95×108元。其中，森林转为农田损失0.45×108元，森林退化为草地与荒漠分别损失0.35×108元、0.31×108元。尽管草地生态系统服务价值增加1.95×108元，但草地退化为荒漠损失11.09×108元，开荒导致草地生态系统服务价值损失0.62×108元。可见，研究区草地开垦及退化严重。水域生态系统服务价值减少10.25×108元，主要原因是水域转为荒漠（-7.60×108元）与草地（-1.93×108元）。从流域上看，上游区农田转为草地及荒漠时生态系统服务价值增、减量分别为0.01×108元、-0.01×108元。森林退化为草地与荒漠分别损失0.01×108元、0.02×108元。草地退化为荒漠损失5.65×108元。水域生态系统服务价值减少主要因转为荒漠（-6.76×108元）与草地（-1.20×108元）。中游区农田生态系统服务价值损失主要源于农田退化为荒漠（-0.03×108元）。森林生态系统服务价值损失的0.86×108主要来自其转化为耕地（-0.45×108元）、草地（-0.21×108元）、荒漠（-0.17×108元）及城乡用地（-0.16×108元）。草地生态系统服务价值损失因草地退化（-4.35×108元）与耕地开垦（-0.62×108元）。水域生态系统服务价值损失源于水域转为草地（-0.57×108元）与荒漠（-0.56×108元）。下游区森林生态系统服务价值损失0.07×108元，主要原因是其转化草地（-0.14×108元）与荒漠（-0.12×108元）。草地生态系统服务价值减少因草地退化（-1.09×108元）。水域生态系统服务价值损失主要是水域转为荒漠（-0.28×108元）、森林（-0.17×108元）与草地（-0.16×108元）。

总体上看，研究区及其上游区生态系统服务价值呈增加趋势（与本文生态系统服务价值变化趋势分析结果相同），服务价值增加主要来自荒漠转为水域（主要是裸山被雪冰覆盖，遥感解译得出）。中游区与下游区生态系统服务价值均减少。其中，中游区湿地（-1.83×108元）、水域（-1.68×108元）、森林（-0.86×108元）及草地（-0.80×108元）等服务价值减少是其主要原因；下游区水域（-0.61×108元）、草地（-0.24×108元）及森林（-0.07×108元）等生态服务价值减少是其生态系统服务价值减少的根源。

3 结论与讨论

通过对1980-2010年研究区生态系统服务价值估算及分析得出如下结论：（1）研究区生态系统服务价值上升趋势明显，生态系统服务价值增加30.44×108元，增加了16.51%。生态系统服务价值增加主要原因是研究期间的时间节点上雪冰面积增加（降水量增加所致），水域生态服务价值及贡献率持续上升（1980、1990、2000及2010年水域贡献率分别为38.80%、44.96%、47.39%、51.47%），致使研究区生态系统服务价值增加。（2）草地对研究区生态系统服务总价值贡献率呈下降趋势。其下降的原因是草地退化（荒漠化）及耕地对草地侵占。（3）上游区生态系统服务价值增加，中游区与下游区生态系统服务价值均减少。其中，中游区湿地（-1.83×108元）、水域（-1.68×108元）、森林（-0.86×108元）及草地（-0.80×108元）等生态系统服务价值减少是中游区生态系统服务价值减少的主要原因。下游区水域（-0.61×108元）、草地（-0.24×108元）及森林面积（-0.07×108元）等生态服务价值减少是下游区生态系统服务价值减少的根源。（4）和田县生态系统服务总价值增加31.71×108元，增加了26.57%。而洛浦县与墨玉县生态系统服务价值分别减少0.39×108元、0.88×108元，分别减少了1.65%、2.13%。

总之，研究区生态系统服务总价值呈增长趋势，其增加主要源于上游山区雪冰面积增大。在人类活动主要集中的和田河中下游地区因草地、森林面积减少导致中下游地区的生态系统服务总价值及其气体调节、气候调节、保持土壤及维持生物多样性等服务价值呈下降趋势。中下游地区生态系统服务价值下降势必对当地生态与环境产生不良影响，危及当地社会经济的可持续发展。

在过去30年，和田绿洲的开发促进当地社会经济发展，GDP由1980年1.26×108元增加到2010年69.65×108元（和田统计年鉴1981-2011）。与此同时，和田绿洲年均区间耗水量由1980-1990年的31.53×108m3，1990-2000年的33.27×108m3增加到2000-2009年的36.82×108m3[27]。水资源消耗量增加，森林与草地退化严重，生态系统服务价值未增反减，绿洲稳定性受到严重影响。这种消耗大量水资源、破坏林、草等植被的开发模式值得反思。

2001年，和田等县实施国家退耕还林（还草）政策（http://www.xjlyt.gov.cn /get/ xjly/182756788.htm）。2003年，为遏制西部地区天然草原加速退化的趋势，促进草原生态修复，国家在内蒙古、新疆、青海、甘肃、四川、西藏、宁夏、云南8省区和新疆生产建设兵团启动了退牧还草工程（http://www.gov.cn/gzdt/2011-08/04/content_1919844.htm）。在退耕还林、退牧还草举措出台前的1998年，国务院就提出“封山植树、退耕还林”方针。随之，研究区牲畜年底存栏数开始下降（1998、1999、2000、2001年分别为230.36、216.94、210.04及209.06万头，和田统计年鉴1981-2011）；耕地面积由2001年9.43×104hm2下降到2002年的9.15×104hm2。而中游区生态系统服务价值由2000年的46.36×108上升到2010年的47.75×108。可见，国家实施的退耕还林（还草）政策及退牧还草工程对遏制西部地区生态系统退化有重要作用。因此，如果采取有效的政策，西北干旱区森林、草地等生态系统的退化趋势是可以遏制和逆转[28]。

参考文献：

[1]赵松乔,牛文元,王德辉,等.中国自然地理总论[M].北京:科学出版社,1985.

[2]胡汝骥,陈曦,王亚俊.地理环境的基本特征及其形成背景.见陈曦.中国干旱区自然地理[M].北京:科学出版社,2010:23-45.

[3]秦大河,丁一汇,苏纪兰,等.中国气候与环境演变评估(Ⅰ):中国气候与环境变化及未来趋势.气候变化研究进展[J],2005,1(1):4-9.

[4]杨勤业.自然条件基础.见孙鸿烈.中国生态问题与对策[M].科学出版社,2011.

[5]杨依天,郑度,张雪芹,等.1980-2010年和田绿洲土地利用变化空间耦合及其环境效应[J].地理学报,2013,68(6):723-734.

[6]Daily G C.Nature,s Service:Societal Dependence on Natural Ecosystems[M].Washington D C:Island Press,1997.

[7]King R T.Wildlife and man[J].New York Conservationist,1966,20(6):8-11.

[8]Helliwell D R.Valuation of wildlife resoures[J].Regional Studies,1969,3(1):41-49．

[9]SCEP.Man's Impact on the Global Environment:Report of the Study of Critical Environmental Problems(SCEP)[M].Cambridge and London:Massachusetts Institute of Technology.1970.

[10]Holder J and Ehrlich P.R.Human population and global environment[J].American Sciensist,1974,62:282-297.

[11]Westman W E.How much are nature,s services worth?[J].Science,1977.197:960-964.

[12]Costanza R,d'Arge R,de Groot R,et al.The value of the world's ecosystem services and natural capital[J].Nature,1997,387:253-260.

[13]Mooney H A,Cropper A,Reid W.The millennium ecosystem assessment:what is it all about?[J].Trends in Ecology and Evolution,2004,19(5):221-224.

[14]Millennium Ecosystem Assessment.Biodiversity Synthesis Report[M].Washington D C:World Resources Institute,2005.

[15]张嘉宾.关于计算森林效益的基础理论与程序的初步研究[J].林业资源管理,1982,17(3):1-5.

[16]毕绪岱,杨永辉,许振华,等.河北省森林生态经济效益研究[J].河北林业科技,1992,1:1-5.

[17]张志强,徐中民,程国栋.生态系统服务与自然资本价值评估 [J].生态学报,2001,21(11):1918-1926.

[18]李文华.生态系统服务功能价值评估的理论、方法与应用[M].北京:中国人民大学出版社,2008.

[19]Xie Gaodi,Zhen Lin,Lu Chunxia,et al.Applying value transfer method for eco-service valuation in China[J].Journal of Resourees and Eeology.2010, 1(1):51-59.

[20]欧阳志云,王效科,苗鸿.中国陆地生态系统服务功能及其生态经济价值的初步研究[J].生态学报,1999,19 (5):607-613.

[21]谢高地,张钇锂,鲁春霞,等.中国自然草地生态系统服务价值[J].自然资源学报, 2001,16(1):47-53.

[22]赵同谦,欧阳志云,贾良清,等.中国草地生态系统服务功能间接价值评价[J].生态学报,2004,24(6):1101-1110.

[23]侯兆元,王琦.中国森林资源核算[J].世界林业研究,1995,3:51-56.

[24]蒋延玲,周广胜.中国主要森林生态系统公益的评估[J].植物生态学报,1999,23(5):426-432.

[25]赵同谦,欧阳志云,王效科,等.中国陆地地表水生态系统服务功能及其生态经济价值评价[J].自然资源学报,2003,18(4):443-452.

[26]冉圣宏,李秀彬,吕昌河.近20年渔子溪流域土地利用变化的环境影响[J].环境科学学报,2006,26(12):2058-2064.

[27]苟树生,张雄文,王彦国,等.近50年来塔里木河干流水量、水质及耗水分析[J].干旱区研究,2010,27(6):861-870.

[28]陈宜瑜,Beate J,傅伯杰,等.中国生态系统服务与管理战略[M].北京:中国环境出版社,2011.

An Assessment of Ecosystem Service Value Based on NDVI Correction Coefficient in Hotan Oasis

YANG Yi-tian, ZHANG Yue-cong
（Hebei Normal University for Nationalities, Chengde, Hebei 067000,China)

Abstract:Assessing ecosystem service value (ESV) is the precondition to provide scientific basis for effective ecosystem protection and rational resources use. Based on NDVI correction coefficient, “Xies’ method” was used to assess ESV in Hotan Oasis. Analysis indicates that the ecosystem services value has been increased by 30.44×108 Yuan (16.51%) in study area during 1980-2010, which can be explained by the increase of glacier and snowfield distributed in the south mountain along with the increase of annual precipitation. Meanwhile, the contribution rate of grassland to ecosystem services value has been decreased as a result of degradation of grassland and occupation from farmland. For the whole basin, the increase of ecosystem services value comes from the upper reaches, while the ecosystem services value has been reduced in the middle and lower reaches. In the middle reaches, the reduction comes mainly from wetland (-1.83×108 Yuan), waters (-1.68×108 Yuan), forest (-0.86×108 Yuan) and grassland (-0.80×108 Yuan) decline. But in the lower reaches, the ecosystem services values of waters, grassland and forest are -0.61×108 Yuan, -0.24×108 Yuan, and -0.07×108 Yuan respectively. If some effective policies such as the implementation of returning farmland to forest and ceasing from farming to grazing are taken, the ecosystem degradation can be constrained and reversed in the northwest arid region.

Key words:arid region; ecosystem services value; assessment; Hotan Oasis

基金项目：2013年度河北民族师范学院课题“气候变化情境下的和田绿洲时空演变规律”(201304)。

作者简介：杨依天（1970-），男，河北丰宁县人，河北民族师范学院物理系副教授、博士，研究方向为自然地理综合研究；张月丛（1964-），女，河北无极人，河北民族师范学院物理系教授，研究方向为土地覆被变化和生态补偿。

收稿日期：2015-10-16

中图分类号:F062.2

文献标识码:A

文章编号:2095-3763（2016）01-0108-10