基于格网尺度的区域生态系统服务价值估算与分析

2017-06-05唐秀美刘新卫潘瑜春吴彦澎

农业机械学报 2017年4期

唐秀美刘玉刘新卫潘瑜春吴彦澎李虹

(1.北京农业信息技术研究中心，北京 100097； 2.国家农业信息化工程技术研究中心，北京 100097；3.国土资源部土地整治中心，北京 100035； 4.北京市农林科学院，北京 100097)

唐秀美1,2刘玉1,2刘新卫3潘瑜春1,2吴彦澎4李虹1,2

以北京市海淀区为例，在对区域土地利用现状进行划分的基础上，基于格网尺度估算了区域生态系统服务价值，并根据价值分布状况将区域划分为不同的生态系统服务价值分区，基于GIS和FRAGSTAS软件，分析了不同分区的土地利用结构和景观格局状况。结果表明：海淀区格网的生态系统服务价值处于-234.56～207.97万元之间，并呈现明显的从南部到西北部增加的趋势；不同生态系统服务价值分区土地利用结构差距较大，高值区的土地利用类型主要为城市绿地，中值区土地利用类型面积较大的为耕地和城市绿地，低值区建设用地的面积较大；不同生态系统服务价值分区的景观格局指数变化较大，从高值区到低值区，景观格局的破碎化程度逐渐增加，人类活动对生态环境的影响不断加剧，人类活动对景观的干扰程度加大。研究结果可以为精细化评估区域生态系统服务价值提供参考，并能服务于区域土地利用结构调整和可持续利用及生态景观建设。

生态系统服务价值；地理信息系统；格网；评估

引言

生态系统服务是指生态系统形成和所维持的人类赖以生存和发展的环境条件与效用[1]。生态系统是生态服务与功能形成和维持的物质基础，区域生态系统自身和环境条件的多样性决定了生态服务功能类型和强度的空间差异[2]。随着环境问题的恶化，利用生态系统服务价值定量评估土地利用引起的生态效应已成为研究热点[3]，国内外围绕生态系统服务内涵[4]、类型划分[5]及其价值评估方法[6-7]等方面进行了探讨，对不同类型的生态系统服务价值进行了评估[8-13]，包括森林、草地、农田、湿地、河流、城市等。并在不同尺度[14-19]进行了深入的研究。作为人类实践的基本活动，土地利用是人与自然交叉最密切的环节，对维持区域生态系统服务功能起着决定性作用[5]。研究土地利用/覆盖变化对生态系统服务价值的影响，对促进区域生态建设和可持续发展具有现实意义[20]。目前大部分研究是在对生态系统服务进行初步定义的基础上，依据土地变化、植被覆盖类型等信息进行供应能力价值估算[21-23]。由于建设用地在城市分布较为广泛，且其对区域生态环境造成的影响较大，有研究者尝试探索对其价值进行估算[24]，但目前城市中建设用地类型较为复杂，将其估算为单一价值影响区域生态系统服务价值计算的科学性。基于以上分析，本文以海淀区为例，在对其土地利用类型，特别是建设用地类型进行细分的基础上，基于500 m×500 m格网尺度，对区域生态系统服务价值进行测算分析，并基于此对区域进行分区，研究不同分区的土地利用结构和景观格局特征，以期为有目标地进行土地利用调整、科学合理促进生态景观建设和保护区域生态环境提供参考和依据。

1 研究区概况与数据来源

海淀区位于北京市区西北部，地理位置北纬39°53′～40°09′、东经116°03′～116°23′，东与西城区、朝阳区相邻，南与丰台区毗连，西与石景山区、门头沟区交界，北与昌平区接壤。南北长约30 km，东西最宽处29 km，面积426 km2。海淀内有平原和山地2种地形，地势有起伏，总体呈西高东低。从功能上来划分，海淀区属于北京市城市功能拓展区，是连接北京市区与城郊的一个过渡地区。在经济发展上，海淀区的东部和西部差异较大，东部临近北京市中心，城市化程度高，开发强度大，商业区、高新技术研发区大部分聚集于此；西部城市化程度较低，有大面积的农业用地。

本研究数据来源于国产高分1号遥感影像数据，分辨率为2 m，经目视解译获取海淀区2014年土地利用现状数据，如图1所示，并通过现场调研进行地类核实，将土地利用类型划分为耕地、水域、城市绿地、未利用地和建设用地，其中，建设用地细分为居住用地、商业用地、工矿用地、公共服务用地和道路。

图1 海淀区土地利用类型分布图Fig.1 Land use types distribution of Haidian District

2 研究方法

2.1 研究思路

本研究基于国产高分1号遥感影像数据获取海淀区土地利用数据，结合已有研究，确定各土地利用类型的生态系统服务基准价值，特别是建设用地的基准价值；其次，将海淀区划分为500 m×500 m的格网，以格网为单元，测算每个格网的生态系统服务价值，分析海淀区生态系统服务价值空间分布状况；最后，根据海淀区的生态系统服务价值状况将海淀区划分为3个分区，并分析不同分区的土地利用结构特征和景观格局。

2.2 土地利用类型生态系统服务价值估算

对海淀区的土地利用现状类型进行综合分析，最终确定了9个土地利用现状用地类型，参照文献[21,24-27]，确定了各个土地类型的生态系统服务基准价值，特别是各类型建设用地的生态系统服务基准价值，继而进行了空间尺度和时间尺度上的修正[28]，使之适合于北京的实际情况，最终得到北京市各土地利用类型单位面积生态系统服务基准价值，其中，城市绿地的生态系统服务价值取林地、水域和草地的平均值，如表1所示。

表1 海淀区土地利用类型的单位面积生态系统服务价值

基于500 m×500 m格网，根据表1的生态系统服务基准价值，计算海淀区格网尺度生态系统服务价值，结果如图2所示。海淀区共划分为1854个单元，各格网的生态系统服务价值处于-234.56～207.97万元之间，格网的生态系统服务价值呈现明显的从南部到西北部增加的趋势，其中，海淀区南部和中西部区域生态系统服务价值较低，多数格网的价值低于-100万元，中部和北部地区生态系统服务价值多数处于-100～0万元之间，少数格网处于0～100万元，西部的格网价值较高，多数格网的生态系统服务价值高于100万元。

图2 海淀区500 m×500 m格网生态系统服务价值分布图Fig.2 Ecosystem service value distribution in Haidian District based on 500 m×500 m grid

2.3 土地利用分析

图3 海淀区生态系统服务价值分区图Fig.3 Zoning map of ecosystem service value in Haidian District

基于生态系统服务价值对海淀区格网进行聚类，将其聚类为3个生态系统服务价值分区，分别为高值区、中值区和低值区(图3)，分析3个区域的土地利用结构和景观格局状况。从表2可看出，3个区域的土地利用结构差距较大，高值区的土地利用类型主要为城市绿地，其面积占65.74%，其次为耕地和居住用地，其他用地类型的比例较小；中值区土地利用类型面积较大的为耕地和城市绿地，其次是居住用地和公共服务用地，低值区占比较高的用地类型是建设用地，包括居住用地、公共服务用地和商业用地等，城市绿地的面积也较高。

表2 海淀区不同生态系统服务价值分区土地利用结构

2.4 景观格局分析

从表3中可以看出，不同生态系统服务价值分区景观格局指数的变化较大，其中，斑块密度从高值区到低值区逐渐增加，斑块密度反映了景观的破碎化程度，斑块密度逐步增加，说明从高值区到低值区，景观格局的破碎化程度逐渐增加，人类活动对生态环境的影响不断加剧，人类活动对景观的干扰程度加大；平均分维数差距不大，平均分维数意味着斑块的自相似程度，从一定程度上反映了人类活动对斑块的影响程度，平均分维数越小说明斑块形状相似性越小，形状越不规则，3个分区的景观平均分维数都在1.04左右，说明3个分区的景观形状都较为不规则；景观破碎化指数从高值区到低值区持续增加，景观破碎化表征景观被分割的破碎程度，反映景观空间结构的复杂性，低值区的景观破碎化程度最高，说明人类活动在低值区对景观的影响最大；景观多样性指数高值区最低，中值区最高，低值区也较高，景观均匀度指数与景观多样性指数的特征相似，说明中值区的景观最多样且分布最均匀；而景观聚集度指数和优势度指数都是高值区最高，特别是优势度指数明显高于中值区和低值区，说明高值区的景观类型中，某种景观占优势地位且分布比较聚集，而中值区和低值区某一种或几种景观组分占优势的情况比较小，景观整体结构受人类活动影响较大。

表3 海淀区不同生态系统服务价值分区景观格局指数

3 结束语

以北京市海淀区为例，对区域土地利用现状进行分析，特别对建设用地类型进行了细分，划分为居住用地、商业用地、工矿用地、公共服务用地和道路，并结合已有研究，确定了不同土地利用类型的生态系统服务基准价值，同时，基于500 m×500 m的格网估算了区域生态系统服务价值，在分析区域生态系统服务价值空间结构的基础上，将区域划分为不同的生态系统服务价值分区，并分析了不同分区的土地利用结构和景观格局状况。探索了建设用地生态系统服务价值的赋值方法，对于全面认识区域的生态系统服务价值具有实际意义，研究结果可以为精细化评估区域生态系统服务价值做参考，并能服务于区域土地利用结构调整和可持续利用及生态景观建设。

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总结性评价的优势在于能对教学目的的达成情况进行评价。而沙盘类课程更注重过程的参与性与决策的精度、配合度，这些需求都是传统的总结性评价难以兼顾的，因而难以形成对沙盘模拟过程的考核与激励。

13 李文楷,李天宏, 钱征寒. 深圳市土地利用变化对生态系统服务功能的影响[J]. 自然资源学报, 2008, 23(3): 440-446. LI Wenkai, LI Tianhong, QIAN Zhenghan. Impact of land use change on ecosystem service values in Shenzhen [J]. Journal of Natural Resources,2008, 23(3): 440-446. (in Chinese)

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Estimation and Analysis of Ecosystem Service Value Based on Grid Scale

TANG Xiumei1,2LIU Yu1,2LIU Xinwei3PAN Yuchun1,2WU Yanpeng4LI Hong1,2

(1.BeijingResearchCenterforInformationTechnologyinAgriculture,Beijing100097,China2.NationalEngineeringResearchCenterforInformationTechnologyinAgriculture,Beijing100097,China3.CenterofLandConsolidation,MinistryofLandandResources，Beijing100035，China4.BeijingAcademyofAgricultureandForestrySciences,Beijing100097,China)

The regional ecosystem service value of Haidian District in Beijing was estimated in the 500 m×500 m grid scale by using present regional land use data. The research area was divided into different types of sub-regions according to the distribution of ecosystem service values. The land use structure and landscape pattern of different sub-regions were analyzed through the software of GIS and FRAGSTAS. The results showed that the ecosystem service value of Haidian District was ranged from -2.35 million yuan to 2.08 million yuan, which was increased from the south to northwest. The land use structure and ecosystem service value were different in different sub-regions. The main land use types were urban green space in high value regions, cultivated land and forest land in mid value regions and construction land in low value regions. There were also large differences of landscape pattern index among different sub-regions of ecosystem service value. The fragmentation of the landscape pattern was gradually increased from low value regions to high value regions, indicating that the influence of human activities on the ecological environment was increased, and the disturbing of human activities on the landscape structure was also increased. The results of this research can provide a reference for the intensive evaluation of regional ecosystem service, and serve as a scientific basis for the structure adjustment, sustainable utilization of regional land and ecological landscape construction.

ecosystem service value; GIS; grid; evaluation

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.019

2016-05-24

2016-06-22

国家自然科学基金项目(41301093)、北京市农林科学院科技创新能力建设专项(KJCX20170501)和2014年山东省高校人文社会科学研究计划项目(J14WF75)

唐秀美(1982—)，女，副研究员，主要从事土地利用与土地信息技术研究，E-mail： Tangxm@nercita.org.cn

刘新卫(1977—)，男，研究员，主要从事土地可持续利用研究，E-mail: Liuxinwei@lcrc.org.cn

F062

1000-1298(2017)04-0149-05