锡林郭勒盟草地生态系统服务功能价值动态估算

娄佩卿,付波霖,*,刘海新,高二涛,范冬林,唐廷元,林星辰

1 桂林理工大学测绘地理信息学院,桂林 541004 2 河北工程大学矿业与测绘工程学院,邯郸 056001

草地生态系统是我国陆地上面积最大的生态系统,对发展畜牧业、维护生态平衡有着重大的作用和价值[1]。草地生态系统服务功能是指草地生态系统及其生态过程中所形成及维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用[2]。锡林郭勒盟是中国北方重要的畜牧业基地之一,也是中国北方重要生态屏障,因此动态估算锡林郭勒盟草地生态系统服务功能的价值对科学管理与合理利用当地草地资源、保护草地生态系统具有重要意义。

1997年Costanza对多种类型的生态系统服务功能的价值进行了评估研究,且研究方法及成果沿用至今[3]；2001年,联合国“千年生态系统评估”工作的开展,首次在全球尺度上揭示了各类生态系统的现状和变化趋势,对生态系统服务功能的研究产生了深远影响[4]；Aiming等对英国草地生态系统的服务价值进行了估算研究[5]；Gashaw和Sannigrahi通过估算生态系统服务功能的价值来判断土地覆盖类型变化对生态系统影响,具有重要的借鉴意义[6-7]。国内对于生态系统服务功能的研究始于20世纪80年代,中国科学院建立了用于生态系统研究的GERN研究网络；谢高地等参考Costanza的方法进一步提出了适用于中国的区域草地生态系统服务功能价值的算法,为后人提供了极大便利[8]；赵同谦和欧阳志云等将草地生态系统服务功能划分为调节功能、支持功能、产品提供和文化功能四个大类,并对草地生态系统的间接价值进行分类并提出相应算法[9-10]；赵苗苗等人对青海省草地生态系统服务价值进行了估算[11]。

然而由于生态系统本身极其复杂且不断发展变化,很难通过某一年的生态服务功能价值对研究区域的生态系统发展趋势进行评价[12-13]；另一方面,迄今为止很多学者的研究忽略了对研究区域内各个区划的草地生态系统服务价值分别进行估算,并对比分析其结果[14-17]。为了精确估算锡林郭勒盟草地的生态服务价值,本文利用2000—2015年的长时间序列MODIS数据和年值降水量数据,构建了定量的生态服务价值估算体系,分别估算了提供产品、营养物质循环、保持土壤、维持碳氧平衡、涵养水源及文化娱乐6种服务功能的价值,并动态分析了锡林郭勒盟各旗、市、县草地生态系统服务价值,以期为进一步协调各地草地资源的协调发展,制定更为合理的草地资源利用及保护政策提供依据。

1 数据源和处理方法

1.1 研究区域概况

锡林郭勒盟(Xilingol League)是内蒙古自治区所辖盟,地处内蒙古自治区中部,东经115°13′—117°06′,北纬43°02′—44°52′之间。海拔高度在767—1300m之间,全盟土地总面积约为19.98万km2(图1)。锡林郭勒盟境内具有复杂多样的生态系统和丰富的野生动植物资源,草原、森林、湖泊、河流和沙地等各类生态系统形成有规律的结合格局,以针茅、羊茅、羊草等各种植物为建群种所构成的原生草原,具有极高的观赏、科研、保护价值,在内蒙古高原草原区具有很好的代表性,是优良的天然放牧场,中国北方重要的畜牧业基地之一,也是中国北方重要生态屏障。对锡林郭勒盟草地生态系统的服务功能价值进行动态估算对草原生态系统保护和区域畜牧业的可持续发展以及维护国家生态安全具有重要意义。

图1 锡林郭勒盟所处位置、土地利用类型及随机验证点分布Fig.1 Xilingol League location and land use types and random verification point distribution 0 二连浩特市 1 锡林浩特市 2 阿巴嘎旗 3 苏尼特左旗 4 苏尼特右旗 5 东乌珠穆沁旗 6 西乌珠穆沁旗 7 太仆寺旗 8 镶黄旗 9 正镶白旗 10 正蓝旗 11 多伦县

1.2 数据来源及预处理

1.2.1数据来源

(1)降水量数据：气象站点降水量数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/)提供的国家级气象站点地面气象资料年值数据集,本文中选用的降水量数据均为该数据集中2000—2015年锡林郭勒盟及其周围10个国家级气象站点(表1)的年值降水量数据。

表1 气象站点位置信息Table 1 Location information of weather stations

(2)本文所用的2000—2015年植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)数据源于NASA(National Aeronautics and Space Administration)的数据共享网站(https://www.nasa.gov/),是由MOD17A3年产品合成NPP数据,分辨率为1 km,数据格式为GeoTIFF,投影坐标系统为WGS84。该数据参考BIOME-BGG模型和光能利用率模型建立NPP估算模型模拟得到陆地生态系统年NPP数值,在全球和区域NPP与碳循环研究中得到广泛应用[18]。

(3)本文所用的2000—2015年土地覆盖数据来源于NASA的数据共享网站(https://www.nasa.gov/),选用MCD12Q1年合成土地覆盖类型数据,分辨率为500 m,数据格式为HDF。该数据集共有5种土地覆盖分类方案,本文选用第一种分类方案,即IGBP(International Geosphere-Biosphere Program)分类方案,将土地利用类型共划分为17类。结合研究内容和区域特点,将17种土地利用类型合并为耕地、林地、草地、湖泊、建设用地及未利用土地5种土地利用类型(表2)。

(4)本文所用的2000—2015年NDVI数据及DEM数据均源于中国地理空间数据云网站(http：//www.gscloud.cn/),其中NDVI数据为500 m分辨率的MODND1M月合成产品,DEM数据为30 m分辨率的GDEMDEM全球数字高程数据产品；土壤数据源于中国土壤数据库(http：//www.gis.soil.csdb.cn/)；验证数据源于中国科学院地理科学与资源研究所编制的2010年锡林郭勒盟1∶100000土地利用数据；经济数据源于2000—2015年锡林郭勒盟统计年鉴。

表2 土地利用类型合并表Table 2 Consolidation table of land use types

1.2.2数据预处理

(1)在MRT软件中对MCD12Q1、MODND1M、GDEMDEM原始数据进行格式转换、投影处理操作,对其重采样达到与MOD17A3数据分辨率一致。利用锡林郭勒盟行政矢量边界裁剪出目标区域数据,并在ArcGIS 10.2软件中对处理后的MCD12Q1数据进行重分类操作,提取出研究区域内土地利用类型为草地的范围。

(2)根据草地利用类型与所有土地利用类型的像元比例推算出草地利用类型的土地面积约占锡林郭勒盟总面积的84%,草地利用类型面积约为16.79万km2,通过查询2015年《锡林郭勒盟统计年鉴》可知,2015年锡林郭勒盟实际草地面积为17.95万km2,精度达到93.5%。在锡林郭勒盟行政边界范围内随机选取150点(图1),结合2010年锡林郭勒盟1∶100000土地利用数据对随即点进行精度验证,各类别样点正确率均超过85%(表3),故MCD12Q1的精度满足本文要求。

表3 MCD12Q1锡林郭勒盟区域内各类型精度Table 3 MCD12Q1 all types of accuracy in Xilingol League area

(3)在ArcGIS 10.2软件中通过栅格计算器功能对数据进行去异值处理,并将处理过的MOD17A3数据乘以其比例因子0.0001还原真值。并以提取出的草地利用类型范围为矢量边界对NPP数据进行裁剪。

(4)对年值降水量数据进行Kriging插值出其栅格图像,使其分辨率与MOD17A3数据保持一致,并以草地利用类型范围为矢量边界对插值出的年值降水量栅格数据进行裁剪。本文总体技术路线如图2所示。

图2 技术路线Fig.2 Technical route

1.3 研究方法

1.3.1提供产品

锡林郭勒盟草地生态系统提供的产品主要有肉、毛、奶等畜牧业产品,本文采用市场价值法结合锡林郭勒盟实际情况对提供产品服务功能价值进行估算[18-19],主要公式(1)如下：

W1=∑(Pi×Qi)

(1)

式中,W1为提供产品功能的价值,单位是元；Pi为第i类产品的产量,单位为t；Qi第i类产品的单价,单位为元/t。

1.3.2营养物质循环

草地生态系统所有生物的体内都存在营养元素,并通过营养物质循环与外界环境进行元素交换。氮和磷是参与草地生态系统物质循环的主要元素。在NPP的基础上釆用市场价值法对营养物质循环价值进行估算,主要公式(2)如下：

W2=NPP×(PN×QN×RN+PP×QP×RP)

(2)

其中,W2为营养物质循环功能的价值,单位是元 m-2a-1；PN和PP分别是草地生态系统中氮和磷两种元素所占比例,分别为0.01715和0.0011；QN和QP分别是氮和磷折算成氮肥、磷肥的比例,由《化肥市场周报》可知分别取46%、和20.1%；RN和RP为氮肥和磷肥的价格,分别为2.1×10-3元/g和2.6×10-3元/g[20]。

1.3.3保持土壤

锡林郭勒盟草地生态系统保持土壤功能主要表现为减少表土损失、保持土壤养分及减少泥沙淤积3个相互联系的方面[21],本文采用RUSLE模型[22]估算出锡林郭勒盟潜在土壤侵蚀模数及草地覆盖土壤侵蚀模数,并根据公式(3)对保持土壤服务功能价值进行估算：

(3)

式中,Th为土壤保持总量；S为草地面积；Am为潜在土壤侵蚀模数；An为草地覆盖土壤侵蚀模数；Va为减少土地表土损失价值；B为单位面积草地年均收益；H为表土平均厚度,取0.5；ρ为土壤容重；Vb为保持土壤养分价值；Ci为土壤中第i类养分含量；Pi为第i种养分市场价格；Vc为减少泥沙淤积的价值；Ao为土壤侵蚀转化为泥沙淤积江河湖泊及水库的比例,取24%；其它同上。保持土壤功能价值(W3)则等于Va、Vb及Vc相加。

1.3.4维持碳氧平衡

由光合作用和和呼吸作用的反应方程式得出生产每千克干物质会释放1.2 kg氧气和固定1.62 kg二氧化碳,把NPP作为基础物质量,采用影子工程法,利用工业制氧的价格来分别估算氧气和二氧化碳的价格,可得到维持碳氧平衡功能价值估算的公式(4)为：

W4=NPP×(1.2×P+1.62×Q)

(4)

式中,W4单位为元 m-2a-1；P是工业制氧的价格,为8.8×10-4元/gC；Q是按照瑞典碳税率换算的价格,为7.39×10-4元/gC[23]。

1.3.5涵养水源

根据水库工程蓄水的成本和供水价格对锡林郭勒盟草地生态系统的涵养水源服务功能价值进行了估算,主要公式(5)如下：

W5=P×Q×R×C

(5)

式中，W5是涵养水源功能的价值,单位是元 m-2a-1；P为年降水量,单位为m；Q是产流降水量和总降水量的比值,因为锡林郭勒盟地处淮河以北故取0.4；R是减少径流效益系数为0.24；C是库容成本取0.67元[24]。

1.3.6文化娱乐

锡林郭勒盟草地生态系统为人类提供了娱乐、文化、科学教育等多个方面价值[25-26],本文主要以旅游价值法(查询锡林郭勒盟统计年鉴)评估锡林郭勒盟文化娱乐功能的价值(W6)。

1.3.7草地生态系统服务功能总价值

本文选取了适用于锡林郭勒盟草地生态系统的六种服务功能对其进行价值估算,其总价值公式(6)为：

W=W1+W2+W3+W4+W5+W6

(6)

式中,W为锡林郭勒盟是草地生态系统服务功能提供的总价值,单位是元；W1为提供产品功能提供的价值,W2为营养物质循环功能提供的价值,W3为保持土壤功能提供的价值,W4为维持碳氧平衡功能提供的价值,W5为涵养水源功能提供的价值,W6为旅游景观功能提供的价值。

2 结果与分析

本文根据研究区域的特点选取适合的评价指标对锡林郭勒盟草地生态系统服务功能提供的价值进行了动态分析,以期提高人们对各种草地生态系统功能重要性的认识,促进当地草地资源保护政策的制定和实施。

2.1 提供产品

提供产品功能是畜牧业发展的产物之一,提供产品服务价值的变化情况可反映锡林郭勒盟畜牧业的发展态势。由图3和图4可知2000年锡林郭勒盟提供产品功能提供的服务价值为72.56亿元；2005提供了67.33亿元服务价值,较2000年年均减少1.05亿元,年均减少率为1.44%；2010年提供了94.35亿元,较2005年年均增加5.40亿元,年均增长率为8.03%；2015年提供了104.03亿元,较2010年年均增长1.94亿元,年均增长率为2.05%。在2000—2005年发生了服务价值负增长,但在2000—2015年间仍呈增长态势,服务价值年均增长2.10亿元,年均增长率为2.89%。

图3 提供产品服务价值Fig.3 Product provision value

图4 提供产品服务价值年均增长率和年均差值Fig.4 Average annual growth rate and average annual difference of product provision value

2.2 营养物质循环

2000—2015年锡林郭勒盟草地生态系统营养物质循环功能提供的服务价值仅低于维持碳氧平衡功能及保持土壤功能,其分布特征如图5所示。经统计得出(图6，图7)锡林郭勒盟草地生态系统营养物质循环功能2000年提供了364.7亿元的服务价值；2005年提供了386.62亿元的服务价值,较2000年年均增长4.4亿元,年均增长率为1.2%；2010年为341.99亿元,较2005年年均减少8.9亿元,年均减少率为-2.3%；2015年提供了420.04亿元,较2010年年均增长15.6亿元,增长率为4.6%。在2005—2010年发生了服务价值负增长,但在2000—2015年间仍呈增长态势,服务价值年均增长3.7亿元,年均增长率为1.00%。

图5 营养物质循环服务价值分布特征图Fig.5 Nutrient recycling value distribution characteristics diagram

图6 营养物质循环服务价值Fig.6 Nutrient recycling value

图7 营养物质循环服务价值年均增长率和年均差值Fig.7 Average annual growth rate and average annual difference of Nutrient recycling value

2.3 保持土壤

保持土壤功能是锡林郭勒盟草地重要功能之一,对保护当地生态系统,促进畜牧业发展具有重要作用。由图8和图9可知2000年锡林郭勒盟保持土壤功能提供的服务价值为386.89亿元；2005提供了415.74亿元服务价值,较2000年年均增加5.77亿元,年均增长率为1.49%；2010年提供了403.28亿元,较2005年年均减少2.492亿元,年均减少率为0.60%；2015年提供了452.53亿元,较2010年年均增长9.85亿元,年均增长率为2.44%。在2005—2010年发生了服务价值负增长,但在2000—2015年间仍呈增长态势,服务价值年均增长4.38亿元,年均增长率为1.13%。

图8 保持土壤服务价值Fig.8 Soil maintenance value

图9 保持土壤服务价值年均增长率和年均差值Fig.9 Average annual growth rate and average annual difference of soil maintenance value

2.4 维持碳氧平衡

2000—2015年锡林郭勒盟草地生态系统维持碳氧平衡功能所提供的服务价值在本文所研究的六种生态系统服务功能中占比最高,约占总服务价值的1/3。其分布特征如图10所示。经统计得出(图11,图12)锡林郭勒盟草地生态系统维持碳氧平衡功能在2000年提供了高达479.38亿元的服务价值；2005年提供了585.19亿元的服务价值,较2000年年均增长585.19亿元,年均增长率为4.4%；2010年为517.64亿元,较2005年年均减少13.5亿元,年均减少率为-2.3%；2015年提供了659.06亿元,较2010年年均增长28.3亿元,增长率为5.5%。在2005—2010年发生了服务价值负增长,但在2000—2015年间仍呈增长态势,服务价值年均增长12亿元,年均增长率为2.5%。

图10 维持碳氧平衡服务价值分布特征图Fig.10 Carbon and oxygen balance maintenance value distribution characteristics diagram

图11 维持碳氧平衡服务价值Fig.11 Carbon and oxygen balance maintenance value

图12 维持碳氧平衡服务价值年均增长率和年均差值Fig.12 Average annual growth rate and average annual difference of Carbon and oxygen balance maintenance value

2.5 涵养水源

2000—2015年锡林郭勒盟草地生态系统涵养水源功能提供的服务价值最低,其分布特征与当年降水量有很大关系(图13),整体分布特征为东南部地区高于西北部地区。经统计得出(图14,图15))锡林郭勒盟草地生态系统涵养水源功能2000年提供了22.06亿元的服务价值；2005年提供了26.33亿元的服务价值,较2000年年均增长0.85亿元,年均增长率为3.9%；2010年为23.45亿元,较2005年年均减少0.58亿元,年均减少率为2.2%；2015年提供了27.33亿元,较2010年年均增长0.78亿元,增长率为3.3%。尽管在2005—2010年发生了服务价值负增长,但在2000—2015年间仍呈增长态势,服务价值年均增长0.35亿元,年均增长率为1.6%。

图13 涵养水源服务价值分布特征图Fig.13 Water conservation value distribution characteristics diagram

2.6 文化娱乐

文化娱乐功能在所有6种服务功能中价值增长最为迅速,这与锡林郭勒盟大力发展旅游产业息息相关。由图16和图17可知2000年锡林郭勒盟文化娱乐功能提供的服务价值为9.89亿元；2005提供了17.79亿元服务价值,较2000年年均增加1.58亿元,年均增长率为16.00%；2010年提供了91.90亿元,较2005年年均增长14.82亿元,年均增长率为83.32%；2015年提供了282.14亿元,较2010年年均增长38.05亿元,年均增长率为41.40%。在2000—2015年间呈快速增长态势,服务价值年均增长18.15亿元,年均增长率为183.52%。

图14 涵养水源服务价值Fig.14 Water conservation value

图15 涵养水源服务价值年均增长率和年均差值Fig.15 Average annual growth rate and average annual difference of Water conservation value

图16 文化娱乐服务价值Fig.16 Entertainment value

图17 文化娱乐服务价值年均增长率和年均差值Fig.17 Average annual growth rate and average annual difference of entertainment value

2.7 总服务价值

由图18可知2000—2015年锡林郭勒盟中部和北部地区总服务价值呈增长趋势,而南部地区呈现负增长。经统计得到锡林郭勒盟草地生态系统每年提供的总服务价值如图19和图21所示。2000年提供的总服务价值为1335.48亿元；2005年为1499.00亿元,较2000年年均增长32.70亿元,年均增长率为2.45%；2010年为1472.61亿元,较2005年年均减少5.28亿元,年均减少率为0.36%；2015年为1841.10亿元,较2010年年均增长73.70亿元,年均增长率为5.00%；在2005—2010年发生了服务价值负增长,但在2000—2015年间仍是增长态势,服务价值年均增长33.71亿元,年均增长率为2.52%。通过图20可知在2000—2015年这段时间内,位于中部地区的锡林浩特市年际增长率最高,达到了1.71%；其次是位于东部地区的东乌珠穆沁旗、西乌珠穆沁旗、镶黄旗、阿巴嘎旗、苏尼特左旗及多伦县等地区,年际增长率约为1%左右；而位于西部地区的苏尼特右旗、二连浩特市及正蓝旗等地区增长较为缓慢,年际增长率约在0.1%—0.2%；正镶白旗和太仆寺旗的年际增长率为负值,草地资源发生了退化。

由表4可以看出,2000—2015年锡林郭勒盟区域内各草地生态系统服务功能按价值量可排序为维持碳氧平衡>保持土壤>营养物质循环>文化娱乐>提供产品>涵养水源。由图22可知2000—2015年锡林郭勒盟草地生态系统服务功能中提供价值较高的维持碳氧平衡功能、营养物质循环功能及土壤保持功能均呈缩减趋势；文化娱乐功能从占比0.74%增长到14.50%,增长极为迅速；而提供产品及涵养水源功能占比基本不变。

图18 总服务价值差值分布特征图Fig.18 Distribution characteristics of total value

图19 总服务价值Fig.19 Total value

图20 2000—2015年各区划总服务价值年均变化率Fig.20 The average change rate of total value years in different districts from 2000 to 2015

图21 总服务价值年均增长率和年均差值Fig.21 The average annual growth rate and average annual difference of total value

图22 2000—2015年锡林郭勒盟草地生态系统6种服务功能价值占比Fig.22 The proportion of six service functions of grassland ecosystem in Xilingol League from 2000 to 2015

W1为提供产品服务价值，W2为营养物质循环服务价值，W3为保持土壤服务价值，W4为维持碳氧平衡服务价值，W5为涵养水源服务价值，W6为文化娱乐服务价值

3 结论和展望

3.1 结论

本文利用2000—2015年MODIS数据及对应年份降水量数据,构建了生态服务价值估算体系对锡林郭勒盟草地生态系统的服务价值的动态变化进行了分析,结果表明：

(1)锡林郭勒盟范围内草地生态系统提供服务功能价值较高的区划为东乌珠穆沁,西乌珠穆沁,锡林浩特市,正蓝旗,多伦县,太仆寺旗,正镶白旗和镶黄旗,而位于西北部地区的阿巴嘎旗,苏尼特左旗,苏尼特右旗和二连浩特市提供的服务价值较低。这反映了锡林郭勒盟各旗、市、县之间草地资源发展情况极不平衡,需要制定更为协调的草地资源发展战略。

(2)2000—2015年锡林郭勒盟草地生态系统所提供的总服务价值呈增加趋势,位于锡林郭勒盟中部地区的锡林浩特市年际增长率最高,达到了1.71%,其次是位于东部地区的东乌珠穆沁旗、西乌珠穆沁旗、镶黄旗、阿巴嘎旗、苏尼特左旗及多伦县等地区,年际增长率约为1%左右；而位于西部地区的苏尼特右旗、二连浩特市及正蓝旗等地区增长较为缓慢,年际增长率约在0.1%—0.2%；正镶白旗和太仆寺旗的年际增长率为负值,草地生态系统提供的服务价值出现下降趋势。对于增长缓慢和负增长的区域应该制定更为合理的草地资源管理方案,通过退耕还草,禁止过度放牧等措施来防止草地退化。

(3)锡林郭勒盟草地生态系统各种服务功能所提供的价值并不平衡,其中维持碳氧平衡功能、营养物质循环功能及土壤保持功能均呈缩减趋势；文化娱乐功能从占比0.74%增长到14.50%,增长极为迅速；而提供产品及涵养水源功能占比基本不变。对于以畜牧业及旅游业为支柱型产业的锡林郭勒盟,应适当调节不同草地种类的分布,提高其土壤保持及文化娱乐功能的服务价值。

锡林郭勒盟草地生态系统每年提供巨大的服务价值(表4),各种草地生态系统服务功能对保护当地生态环境和生物多样性,平衡气体交换,水土保持及促进畜牧业和草原旅游业的发展具有重要意义。

3.2 展望

但是由于近3年的研究数据极难获取以及研究水平有限,本研究仍存在不足：缺乏长时间的动态的实际观测数据来与研究结果进行对比,无法进一步提高研究结果的精度；数据源的空间分辨率有待进一步提高；未对不同草地种类的生态系统服务功能价值进行对比。因此,利用RS与GIS相结合的手段建设更为合理的草地生态系统功能评估指标,更精细化的区分不同草种生态系统服务功能的异质性以及揭示生态系统随土地利用类型变化而发生的变化必然是以后研究的重点。