基于LUCC的珠海淇澳岛生态系统服务功能价值动态评估

牛安逸， 陈志云， 徐颂军， 许观嫦, 杨　倩， 马姣娇

(华南师范大学地理科学学院，广州 510631)



基于LUCC的珠海淇澳岛生态系统服务功能价值动态评估

牛安逸， 陈志云， 徐颂军*， 许观嫦, 杨倩， 马姣娇

(华南师范大学地理科学学院，广州 510631)

摘要：通过解译珠海淇澳岛地区1999、2003、2008、2013年高分辨率遥感图，得到该区15年来(1999—2013年)土地覆被变化(LUCC)情况：淇澳岛陆地总面积增加了约2.5%，其中林地面积增长了464 hm2;建设用地面积减少了39.6 hm2；裸地面积减少了279.36 hm2；水域(鱼塘)面积减少了97.45 hm2．对淇澳岛生态系统服务功能进行了多年的动态价值评估，得出该区4期生态系统服务功能价值分别为149.04×106、172.46×106、171.07×106、207.35×106元．表明淇澳岛生态系统服务功能价值巨大，且15年来总体呈不断上涨趋势；生态修复效果较为明显，其中林地在整个价值中所占的比重最大且不断增大，起到了决定性作用;以生态系统服务功能变化为指标监测海岛生态修复效果是一种有效的手段.淇澳岛省级自然保护区在红树林修复建设上取得了显著的效果，对珠海地区乃至珠三角地区的环境生态都产生了积极的影响．

关键词：土地覆被变化； 生态系统服务功能； 价值评估； 淇澳岛

生态系统服务功能(Ecosystem Service Value，简称ESV)是指生态系统与生态过程所形成及维持人类赖以生存的自然环境条件与效用[1]． COSTANZA等[2]提出了ESV评估的原理和方法后，学者们将其用于研究土地利用变化对生态服务功能价值的影响[3-4]．生态系统服务功能价值评估虽然在一定程度上体现了生态系统对人类社会贡献的价值，但是评价体系仅仅停留在可量化的一些指标上，一个地区实际的生态系统服务功能价值远远大于评价值．因此，对研究地区的生态系统服务功能价值进行多时段动态评估，以时间为轴线对研究地区本身进行动态的对比更加有意义[5-6]．淇澳岛是珠江三角洲地区为数不多的红树林分布区，也是国内人工恢复面积最大的一片红树林自然保护区．近些年，学者利用PSR模型、重金属指标等评价珠三角地区的生态系统健康情况[7-8]，但较少对其进行多年的动态监测，研究其生态修复的实际效果．本文以研究淇澳岛红树林修复情况为主要目的，着重对林地的生态系统服务功能价值进行详细的动态监测，通过解译1999、2003、2008、2013年珠海淇澳岛遥感影像，监测淇澳岛15年来(1999—2013年)土地覆被变化，以此为依据评价15年来淇澳岛生态系统服务功能的变化情况，研究结果旨在为淇澳岛生态保护和重建提供一定的科学依据，量化地考量生态修复效果，为该岛西北部红树林自然保护区的保护工作提供理论支持．

1研究区域概况

珠海淇澳岛位于东经113°36′40″～113°39′15″，北纬22°22′58″～22°27′38″之间，珠江口内西侧，东距内伶岛13 km，北与虎门相对，南距唐家大陆1.2 km．岛西北侧的红树林是国内人工恢复面积最大的一片红树林和全国少有的靠近城市中心区的红树林之一，也是国内红树植物种类最多的红树林之一，珠海市在2000年成立淇澳岛市级红树林自然保护区，2004年升格为省级红树林自然保护区．目前全岛拥有维管植物165科470属695种(野生植物140科398属556种，栽培植物65科106属139种)．在野生维管植物中，蕨类植物19科28属39种；裸子植物3科3属4种，分别占中国现有红树科、属、种的83.3%、86.7%和55.6%；半红树植物达7科9属9种，分别占中国现有半红树科、属、种的77.8%、90%和90%．红树林主要分布在淇澳岛的西北部和北部，其他地区为一般性亚热带植被．

2数据来源及处理

2.1遥感数据解译

采用的遥感影像来源于QuickBird(2003年)、Geoeyes(2013年)及地理空间数据云提供的Landsat ETM(1999、2008年)高分辨率影像，利用ENVI软件及ArcGIS软件，结合在2013年10月、2014年1月和2014年7月的3次野外实地调查、GPS定位测量，以及相关研究的辅助下，提取了研究区4期土地覆被变化信息．考虑岛屿西部及北部始终进行红树林种植修复，岛屿面积日渐增大而非不变，在不同季节、不同时点(潮汐)仍会轻微影响到土地覆被面积和结构，因此4期遥感影像均选用9月份的数据，以求误差降到最低．具体的处理过程包括对遥感影像进行预处理，参考文献[9]选择合适的波段，进行几何校正与配准，设立大于覆被类型种数10倍以上的ROI区(感兴趣区)进行监督分类，对极小斑块进行聚类处理及栅矢转换，然后根据实际调查情况在ArcGIS软件中合并或拆分分类结果．在确定土地覆被类型过程中，因为道路与楼房均属于建筑物，在生态服务功能中差别极小，归为一类；调查发现淇澳岛基本没有耕地、园地及草地，因此不设耕地、园地或草地类；土地类型分为林地、建筑用地、裸地和水域4类，其中水域主要指分布在淇澳岛中部和西南部的鱼塘及部分水道．监督分类结果的总体精度分别约为87.2%、86.1%、86.5%、89.2%，经过实地考察修正，解译结果符合本论文的研究要求．

2.2评价体系及方法

以国家林业局2008年颁布的《森林生态系统服务功能评估规范》(以下简称《规范》)[1]为基础，结合一些国际通用的指标，参考其他学者的观测数据和相关研究[9-10]建立了新的评价体系(表1)．其中社会经济数值的参考值选取《规范》给出的数值[1]12-13．

表1　生态系统服务功能价值评价体系

2.2.1涵养水源涵养水源指的是森林生态系统通过对降水的截留、吸收和储存，净化水质、提高水资源利用度以及调节水量的效果，指标具体分为调节水量和净化水质两部分，计算公式[1]如下：

U调=10C库A(P-E-C)；U水质=10KA(P-E-C),

(1)其中：U调表示林分年调节水量价值(元 /a)；C库表示水库建设单位库容投资，参考值为6.110 7元 /m3；A表示林分面积(hm2)；P表示降水量，淇澳岛的降水量约为2 000 mm/a；E表示林分蒸散量，季风常绿阔叶林的林分蒸散量为987.5 mm/a，C表示地表净流量(197.5 mm/a)[10]1043；U水质表示林分年净化水质价值(元 /a)；K表示水的净化费用(2.09元 /t)．

2.2.2保育土壤保育土壤是指降水被森林中活地被物和凋落物逐层截留，水滴对表土冲击作用和侵蚀作用被降低，同时植物根系固定土壤，降低土壤肥力损失，优化土壤结构的功能，分为固土和保肥两部分，计算公式[1]5如下：

U固土=AC土(X2-X1)/ρ；U肥=A(X2-X1)(NC1/R1+PC1/R2+KC2/R3+MC3)，

(2)

其中：U固土表示林分年固土价值(元 /a)；A表示林分面积(hm2)；C土表示挖掘和运输单位体积土方所需费用(12.6元 /m3)；X2表示无林地土壤侵蚀模数(77.55 t /(hm2·a));X1表示林地土壤侵蚀模数(2.0 t /(hm2·a))[11]；ρ表示林地土壤容重(0.973 g/m3)[10]1043；U肥表示林分年保肥价值(元 /a)；N、P、K分别表示林分土壤平均含N、P、K量，珠三角地区平均为N:0.125%,P:0.125%，K:1.535%[12]；C1表示磷酸二铵化肥价格(2 400元 /t)；R1、R2、R3分别表示磷酸二铵化肥含氮量(14.0%)、含磷量(15.01%)、含钾量(50%)；C2表示氯化钾肥价格(2 200元 /t)；M表示林分土壤有机质含量，亚热带地区的林分土壤有机质含量为2.188%；C3表示有机质价格(320元 /t)．

2.2.3固碳释氧固碳释氧指森林生态系统通过森林植被、土壤动物和微生物固定碳素、释放氧气的功能，计算公式[1]5为：

U碳=AC碳(1.63R碳B年+F土壤碳)；U氧=1.19C氧AB年，

(3)其中，U碳表示林分年固碳价值(元 /a)；A表示林分面积(hm2)；C碳表示固碳所需要的价格(1 200元 /t)；R碳表示CO2中碳的百分比(27.27%);B年表示林分净生产力，亚热带阔叶林的林分净生产力为25.99 t /(hm2·a)[13]；F土壤碳表示单位面积林分土壤年固碳量(3.0 t /(hm2·a))[14]90；U氧表示林分年释氧价值(元 /a)；C氧表示氧气价格(1 000元 /t)；A表示林分面积(hm2)．

2.2.4积累营养物质森林中的植物通过生物化学反应，可在大气、降水和土壤中吸收氮磷钾等营养物质并储存在其体内各器官，对降低污染及水体富营养化具有重要作用，计算公式如下：

U营养=AB年(N营养C1/R1+P营养C1/R2+K营养C2/R3)，

(4)

其中，U营养表示林分年营养物质积累价值(元 /a)；A表示林分面积(t /(hm2·a))；N营养表示林木含氮量，亚热带阔叶林的林木含氮量平均为0.831%；C1表示磷酸二铵化肥价格(2 400元 /t)；R1表示磷酸二铵化肥含氮量(14%)；P营养表示林木含磷量，亚热带阔叶林的林木含磷量平均为0.577%；R2表示磷酸二铵化肥含磷量(15.01%)；K营养表示林木含钾量，亚热带阔叶林的林木含钾量平均为0.037%[14]136；C2表示氯化钾化肥价格(2 200元 /t)；R3表示氯化钾化肥含钾量(50%)．

2.2.5净化大气环境净化大气环境指森林生态系统通过吸收、过滤、阻隔和降解以及制造负离子等物质，降低大气污染物的污染程度的功能，计算公式[1]5如下：

U负离子=5.256×1015×AHK负离子(Q负离子-600)/L，

(5)

U氟=K氟化物Q氟化物A，

(6)

U氟氧化物=K氟氧化物Q氮氧化物A，

(7)

其中，U负离子表示林分每年提供负离子价值(元 /a)；A表示林分面积(hm2)；H表示林分高度，样方调查平均为8 m；K负离子表示负离子产生费用(5.81元 /1018个)；Q负离子表示林分负离子浓度(3 900个/cm3)；L表示负离子寿命(10 min)；U氟表示林分吸收氟化物价值(元 /a)；K氟化物表示氟化物治理费物治理费用(0.69元 /kg)；Q氟化物表示单位面积林分年吸收氟化物量(4.56 kg/(hm2·a))[15]；U氮氧化物表示年吸收氮氧化物总价值(元 /a)；K氮氧化物表示氮氧化物治理费用(0.63元 /kg)；Q氮氧化物为单位面积林分年吸收氮氧化物量(6 kg/(hm2·a))[15]．

2.2.6生物多样性保护森林生态系统通过为物种提供生存与繁衍的场所，保证生物多的样性的功能．计算公式如下：

U生=S生A，

(8)

其中，U生表示物种保育价值(元 /a)；S生表示单位面积保育价值．根据COSTANZA等[2]的研究，参照叶长盛和董玉祥[16]根据珠江三角洲实际情况修订的中国陆地生态系统单位面积生态服务价值表，确认林地生物多样性保护的价值为4 182.7元 /hm2．

2.2.7其他地类的生态服务功能价值一般认为一个地区的生态服务功能价值主要由森林提供，但是这并不能说其他的地类完全没有生态服务功能价值．珠三角地区暖湿条件好，水塘养殖产量及生物丰度较高，因此生态系统服务价值相应较高．本文根据谢高地等[17]指定的中国陆地生态系统单位面积生态服务价值表，参考叶长盛和董玉祥[16]根据珠三角实际情况修正的数值，得出其他地类单位价值(表2)．

表2建设用地、裸地、水域生态系统服务功能价值表

Table 2The table of ecosystem service function value of construction area, bare land, and water area

元 /hm2

3结果与分析

3.1土地覆被类型的变化

根据遥感影像解译及处理结果，得到1999—2013年淇澳岛土地覆被类型变化情况(表3)．林地在岛中所占的比重最大，建筑用地所占比重最小．林地面积呈上升趋势，建筑用地、裸地、水域均有不同程度的下降，其中裸地的下降幅度最大．这是由于淇澳岛在2000年成立了市级自然保护区，在2004年升格为省级自然保护区后，对岛屿北部、西部的红树林进行大面积的恢复重建，对岛内鱼塘、建设用地进行了整治和统一规划．同时，珠海市政府启动的“向大海要森林”计划也促使淇澳岛的陆地总面积在15年里增长了约2.5%，增长区域主要集中在岛北部和西部的红树林分布区．然而在2008年，林地面积减少了1.3%，裸地面积增加了4.8%．经查阅相关气象资料及实地调查，2008年为气温异常年，冷空气强盛造成了湖南地区发生严重雪灾、华南地区出现大范围冻害，导致淇澳岛出现了大范围海南海桑死亡，林地面积减少区域集中在岛的西北部．2008年后自然保护区持续进行恢复重建，使得林地面积上升到2013年的1 535.89 hm2．

表3　1999—2013年淇澳岛土地利用变化

3.2生态系统服务功能价值变化

2000年以来，淇澳岛涵养水源、保育土壤、固碳释氧、养分积累、净化大气和维护生物多样性的价值总体上是大幅度上升的，并且变化趋势基本相同(图1)．其中涵养水源的价值增长了36.5%；保育土壤的价值增长了43.2%；固碳释氧的价值增长了43.4%；养分积累的价值和净化大气的价值均增长了43.4%；维护生物多样性的价值增长了29%． 涵养水源价值>固碳释氧价值>保育土壤价值>养分积累价值>维护生物多样性价值>净化大气价值．2008年，6个指标均有不同程度的下降， 此时与土地利用变化中林地面积变化相吻合．林地面积下降造成生态服务功能下降的结果表现出林地单位生态系统服务价值远远高于其他用地单位生态系统服务价值．

2000年以来，林地的价值量总体上升，裸地、建设用地和水域的价值量下降，降幅最大的是裸地(表4)，这与其面积变化一致．林地在淇澳岛占面积50%左右，提供了约95%的生态系统服务功能价值，远高于其他地类．尤其是2008年林地生态系统服务功能价值出现了小幅下降，在其他地类价值上升的前提下，依然导致了总价值的下降，说明该区林地的变化是影响整体价值量变化的首要原因．价值量从大至小的顺序为林地、水域、裸地、建设用地．从总体上看，15年来，特别是建立自然保护区之后，全岛生态系统服务功能价值不断增高，育林还林、整治土地等措施起到了显著的效果．林地面积的增长及林地生态系统服务功能价值的上升直接导致了总价值的上升．

图1　淇澳岛1999—2013年生态服务功能各指标价值变化图

Table 4Changes of ecosystem service function values of different types of land of Qi′ao Island from 1999 to 2013

土地类型价值量/(×106元)生态服务功能价值变化率/%19992003200820131999—20032003—20082008—2013林地139.23166.01163.89199.6519.3-1.321.8建设用地0000000裸地0.170.160.170.69-3.34.8-58.9水域9.646.226.997.66-35.412.49.6总和149.04172.46171.07207.3515.7-0.821.2

4结论

通过对1999、2003、2008、2013年淇澳岛4期高分辨率遥感图的解译，得到了土地覆被类型变化结果以及生态系统服务功能价值变化结果，得出以下结论：

(1)1999—2013年，淇澳岛土地覆被变化情况如下：林地占全岛比例不断增加，总变化率为39.8%，尽管2008年中国南方大范围降温致使部分海桑死亡、林地面积微弱衰减，但仍然阻挡不了林地增长总趋势；其他用地所占比例均在减少：建设用地为-12.8%、裸地为-57.4%、水域(鱼塘)为-13.4%．岛屿总面积增大了2.2%，主要增长区域为该岛西北部红树林地区．

(2)淇澳岛1999年生态系统服务功能总价值为149.04×106元，2003年为172.46×106元，2008年为171.07×106元，2013年为207.35×106元，总体趋势不断上升．其中林地在总价值中所占的比重逐年上升，与面积的变化规律相吻合，在全岛价值量变化中起到了决定性的作用．以生态系统服务价值功能的增长情况来看，淇澳岛人工红树林种植重建对该岛生态修复效果显著．

(3)1999—2013年，淇澳岛的外部环境发生了巨大的变化．经济的发展、城市的扩张以及珠三角地区在国家经济大形势下的定位，造成建筑用地比重升高，林地、耕地比例下降等结果．根据文献[16]608的研究结果，珠三角生态系统服务价值与土地利用结构之间显著相关，2000—2006年珠三角地区的生态系统服务功能价值减少了3.18%，但珠海市的生态系统服务功能价值增加了4%，为11.68亿元(其中淇澳岛的价值升高了15%左右，达到1.7亿元以上，约占珠海全市总价值的15%)．这说明淇澳岛省级自然保护区的建立在红树林修复建设上做出了重要贡献，对珠海地区乃至珠三角地区的环境生态都产生了积极的影响．

(4)一个地区实际生态系统服务功能价值远远大于目前评价体系所测算到的价值，但是完整精确地测算某一地区的生态系统服务功能价值在实际操作中的难度非常大，有待进一步研究．本文选取的指标是在生态系统服务功能中最具有代表性的指标，可以反映主要的价值水平，但其他体系中给出的指标如经济产出价值(贩售木材)、旅游价值与主要指标会有一些此消彼长的关系，无法单纯相加，且影响程度不确定，因此未被采用．同时，单一评价某地区某时期的生态系统服务功能价值，并与其他地区基于其他系统评价出的价值进行对比的意义不大．利用同一评价体系多年动态评价一个地区生态系统服务价值、以时间为轴线纵向对比价值变化，可以准确地反映该地生态系统的健康状况，更有现实意义．

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【中文责编：庄晓琼英文责编：肖菁】

LUCC-Based Dynamic Evaluation of Ecosystem Service Value in Qi’ao Island, Zhuhai

NIU Anyi, CHEN Zhiyun, XU Songjun*, XU Guanchang, YANG Qian, MA Jiaojiao

(School of Geography, South China Normal University, Guangzhou 510631, China)

Abstract：By analyzing high resolution images of Qi’ao Island area in Zhuhai in years of 1999, 2003, 2008, and 2013, the LUCC (Land-Use and Land-Cover Change) of this area from 1999 to 2013 is obtained. The result indicates the immense value of ecosystem service in Qi’ao Island, and the value has been increasing steadily in general for 15 years. The land area increases 2.5% in which forest area increases 464 hm2; construction land decreases 39.6 hm2; bare land area decreases 279.36 hm2 and water area (ponds) decreases 97.45 hm2. The ecosystem service value of this area in these four stages are 149.04×106 yuan, 172.46×106 yuan, 171.07×106 yuan, and 207.35×106 yuan, respectively. Among which, the value of the forest, which is the biggest and has been increasing, is playing a critical role. The result shows how great the ESV of Qi’ao Island is, which has been increasing consistently for 15 years overall. Also, the ecological recovery has made remarkable achievement. Taking the change of ecosystem services function as index to monitor the effect of island ecological restoration is an effective method. Qi’ao Island Provincial nature reserve has made good results on the protection of mangrove, which has a positive influence on the environment and ecology of Zhuhai area and the Pearl River Delta area.

Key words：LUCC; ecosystem service function; dynamic value assessment; Qi’ao Island

中图分类号：P96

文献标志码：A

文章编号:1000-5463(2016)02-0081-07

*通讯作者:徐颂军，教授，Email: xusj@scnu.edu.cn.

基金项目：国家自然科学基金项目(41271060)

收稿日期：2015-09-18《华南师范大学学报(自然科学版)》网址：http://journal.scnu.edu.cn/n