秦岭大熊猫保护区生态系统服务价值时空变化研究

何祥博,刘雪华,郑 艺,何柳熠,陈思羽

(1.陕西佛坪国家级自然保护区管理局，陕西 佛坪 723400;2.清华大学环境学院生态所，北京 100084;3.山东科技大学测绘学院，山东 青岛 266590;4.重庆大学新闻学院，重庆 401331)

自1995年全球环境变化中的人文领域计划(HDP)和国际地圈-生物圈计划(IGBP)联合提出了“土地利用/覆被变化”(Land use and cover change, LUCC)研究计划后，这一主题迅速成为了全球环境变化研究的焦点问题[1]。研究土地利用/覆被格局主要基于遥感(RS)和地理信息系统(GIS)，结合实地考察，通过对遥感影像及其他卫星数据的分析，识别土地类型。牛天林等人基于4个年份的遥感影像，分析了1990-2009年黄河源草地格局时空变化情况[2]。靳强等人分析了1988-1997年长青和佛坪保护区的土地利用/覆被格局，得到了该地区植被分布的一般规律，并分析了植被面积及所占比例的变化情况[3]。保护区内土地利用/覆被格局的变化是普遍存在的，但对于各保护区来说其变化规律和趋势不尽相同。

“生态系统服务价值”是在20世纪70～80年代提出的。Daily提出了生态系统具有多样的有潜在经济价值的服务功能，除了生态系统自身具有的直接价值，其物质能量流动、生态过程也具有一定的经济效益[4]。同年，Costanza首次明确了生态系统服务价值估算原理及方法，突破性的将全球的生态系统分成16种类型，生态系统服务价值类型分为17种类型[5]。针对中国特殊的生态环境及发展状况，我国学者谢高地等认为Costanza等提出的生态系统服务价值评估方法对中国这样的发展中国家来说，其评价生态系统服务价值的标准并不适用，通过问卷调查的方式，得出了适用于中国社会经济发展和生态环境现状的生态系统服务价值评估方法[6-7]。2008年，国家林业局颁布了《森林生态系统服务功能评估规范》，明确了包括森林在涵养水源、保育土壤、固碳释氧、积累营养物质、净化大气环境、森林防护、生物多样性保护和森林游憩在内的多项生态系统服务功能的价值评价方法。

本文通过选取不同位置、不同时间、不同背景的4个区域，利用3S技术对区域内30年的土地利用/覆被变化和生态系统服务价值进行研究，旨在分析研究区域的生态系统服务功能价值时空变化，明确生态保护的重要意义，揭示人为活动和国家政策对生态保护的影响和作用。

1 研究区域

本项目的研究区由相连的陕西佛坪国家级自然保护区(以下简称佛坪保护区或佛坪)、陕西老县城国家级自然保护区(以下简称老县城保护区或老县城)、观音山-龙草坪区域(包括陕西观音山国家级自然保护区和龙草坪林业局以下简称观音山——龙草坪区域或观音山龙草坪)和陕西天华山国家级自然保护区(以下简称天华山保护区或天华山)组成(图1)。研究区域地处陕西省南部，位于秦岭南坡，地理坐标位于东经107°40′～108°14′，北纬33°30′～33°50′，总面积超过100 000 hm2。据全国第四次大熊猫调查结果该区域有大熊猫106只[8]，为秦岭大熊猫集中分布区。

佛坪保护区隶属汉中市佛坪县，1978年建立，总面积29 240 km2。海拔980～2 200 m为自然恢复的原始次生林，海拔2 200～2 904 m为原始林，整个区域都有大熊猫分布，保护区建立前森林资源几乎没有受到强度破坏。

老县城保护区隶属西安市周至县，1993年成立，2013年晋升为国家级自然保护区，总面积12 611 hm2。该地区整体海拔较高，海拔1 524～2 200 m为次生林，海拔2 200～2 904 m为原始林，大熊猫主要分布于海拔1 850 m以上地区，保护区建立前森林资源没有受到强烈破坏。

观音山-龙草坪区域隶属汉中市佛坪县，其中观音山保护区建立前是龙草坪林业局一部分，观音山-龙草坪区域总面积23 013 hm2，海拔1 150～2 574 m。1973年起开始采伐，1998年天保工程启动后停止，现所辖区域全为次生林。

天华山保护区隶属安康市宁陕县，始建于2002年，2008年晋升为国家级自然保护区，总面积25 485 hm2，最低海拔730 m,最高海拔2 704.6 m。天华山保护区前身为陕西省宁西林业局，1998年天然林禁伐后转产。区内有居民36户，136人，周边有居民1 098户，4 094人。

2 研究方法

本研究选取1984年7月的MSS影像、1995年5月的TM影像、2002年9月的ETM影像和2013年9月的ETM影像，分辨率统一为30 m×30 m。通过对遥感影像进行监督分类，得到各年份土地利用/覆被类型图及面积，计算各年份间转移矩阵，分析其土地利用/覆被格局时空变化以及各土地利用/覆被类型间的转化关系。

生态系统服务价值的计算方法主要依据《森林生态系统服务功能评估规范》，同时参考了已有研究中的相关参数及统计数据，根据现行价格进行折算。

2.1 遥感影像解析

选取1984、1995、2002、2013年遥感影像，进行校正和预处理，根据佛坪保护区、老县城保护区、观音山-龙草坪区域、天华山保护区边界裁剪图像，以避免研究区域外影像对分类的影响。

利用ENVI软件，采用最大似然法进行监督分类，分类时依据遥感影像中不同土地覆盖类型的地物类型、颜色纹理等特征，参考研究区域林分图以及社区经济调查数据中有关土地利用/覆被类型的数据建立分类模板。

根据第三次大熊猫调查中生境类型的相关数据，选取100个样本点对分类结果进行精度评估，总精度均大于80%，Kappa系数均处于0.6～0.8区间，高度一致，分类结果较为准确。

2.2 生态系统服务价值计算方法

2.2.1 涵养水源价值 植被涵养水源的功能主要体现在林冠涵养、枯落物涵养、土壤涵养三部分上。采用李晶等人依据径流量和土壤蓄水力，通过降水量、林冠截流率、林冠面积、枯枝落叶干重、饱和吸水率、土壤枯水深度、土壤粗孔隙率等指标对秦岭地区不同植被涵养水源量进行了测算。利用影子工程法对其生态功能进行量化，用一个蓄水功能与植被涵养水源量相同工程的价值来替代其价值[9]。

2.2.2 保育土壤价值 参照李晶等人从保护土壤肥力、减少土地废弃和减轻泥沙淤积3个方面，运用市场价值法、机会成本法等计算植被保育土壤的价值。根据其试验参数进行计算得到的结果表明针叶林保育土壤价值最高，其次为针阔混交林、阔叶林[10]。

2.2.3 积累营养物质价值 植被积累营养物质的量即植被每年净生产量，依据孙建平和孙根年通过能量平衡和转化定律计算植被生长量，按市场价格替代法，1 t有机物合0.67 t煤，每吨煤345.5元，可计算得到森林生态系统积累营养物质的价值[11]。

2.2.4 固碳释氧价值 森林生态系统通过光合作用固定二氧化碳，同时释放氧气，对维持生态系统中的碳氧动态平衡、减少温室效应有重要作用。根据光合作用方程式计算得积累1 kg营养物质，可固碳1.63 kg，释氧1.185 kg。通过各林分积累营养物质的量，即可算出固碳释氧量。造林成本法得二氧化碳260元·t-1，根据工业制氧价格得氧450元·t-1，可计算得到森林生态系统固碳释氧的价值[12]。

2.2.5 净化空气价值 森林生态系统对净化空气的价值主要体现在提供负氧离子，吸收污染物和滞尘，其中滞尘价值最高[13]。二氧化硫排污收费1.20元·kg-1，氮氧化物0.63元·kg-1，氟化物0.69元·kg-1，一般性粉尘0.15元·kg-1。负氧离子寿命10 min，电费0.4元/(kW·h)，则生产负离子费用按5.818 5元/1 019个计算。

2.2.6 生物多样性价值 Shannon Wiener指数是衡量物种多样性指数的重要指标，其值在不同地区、对于不同土地利用/覆被类型均不相同。王兵等人在全国范围内，统计了39种土地利用/覆被类型的价值量[14]。可得到秦岭地区森林生态系统各土地利用/覆被类型的生物多样性价值。

2.2.7 生态系统服务价值汇总 基于《森林生态系统服务功能评估规范》，根据秦岭地区已有研究结果选取了森林生态系统的涵养水源、保育土壤、积累营养物质、固碳释氧、净化大气、生物多样性保护6项功能来评估其生态系统服务价值。

根据生态系统服务价值指标计算各土地利用/覆被类型单位面积生态系统服务价值(表1)，可以看出生态系统服务功能：针阔混交林>阔叶林>针叶林>竹林>灌丛。

表1 不同土地利用/覆被类型生态系统服价值 元·a-1·hm-2

2.3 生态系统服务价值时空变化分析方法

得到分类结果后，用ArcGIS对研究区域土地利用/覆被类型进行数据统计，进行变化量和变化率的计算。采用每一个1 km2的正方形网格区域为研究单元，计算每一个研究单元的平均生态系统服务价值，从而得出单位面积生态系统服务价值空间分布；通过对各年份的生态系统服务价值分布图进行相减，可以得到每10年间生态系统服务价值空间分布变化情况。

3 结果

3.1 土地利用/覆被类型及分布

依据研究目标和地物特点，土地利用/覆被类型分为竹林、针叶林、针阔混交林、阔叶林、灌丛、岩石裸地六类。由于研究区域由4个保护区和1个林业局构成，区域内居民点和农田面积均较小，所以本研究并未区分居民点和农田。本研究所选取的遥感影像分辨率为30 m，而研究区域内河流宽度不足以在遥感影像中被识别，同时河流区域多有植被遮挡，若单独提取出来会影响岩石裸地、灌丛等的识别，故没有设置水域这一类型。

从遥感影像分类结果(图2)可以看出：(1)针叶林主要分布在高海拔地区(2 400～2 800 m)，佛坪保护区、老县城保护区和天华山保护区有较大面积分布，观音山-龙草坪区域分布较少；(2)阔叶林主要分布在低海拔区域(1 200～1 600 m)，在佛坪、观音山-龙草坪、天华山的沟谷地区均有较大范围分布，而老县城整体海拔较高，阔叶林分布较少；(3)针阔混交林处于针叶林、落叶林过渡区域，分布较广，占了很大的比例；(4)岩石裸地在高海拔山地区域以及低海拔河谷区域、人为活动区域均有少量分布；(5)灌丛主要分布在低海拔居民点和河谷附近以及高海拔针叶林与岩石裸地过渡区；(6)竹林多为林下层，被上层乔木遮挡，不易辨别，仅在高海拔地区(2 400～2 800 m)部分无上层树冠遮挡的竹林被识别出。由于1984年影像清晰度较差，波段较少，并未识别出竹林。

图2 研究区域土地利用/覆被类型图

3.2 土地利用/覆被类型变化

四个研究区域的固有自然条件、地形地貌各不相同，社会因素也有很大影响，土地利用/覆被类型结构以及近30年的变化情况不尽相同。研究区域内土地利用/覆被类型所占比例变化趋势为:成立较早的佛坪保护区和老县城保护区受到较好的保护，整体来看土地利用/覆被类型没有发生较大改变，主要是针叶林的分布和灌丛的面积发生了改变。而2000年后才成立的天华山保护区则呈现出较大的波动,在东北方位存在有大面积的岩石裸地和灌丛分布，为人为活动造成的砍伐斑块，从1984年到1995年间，面积显著增大，而后逐渐恢复为阔叶林及针阔混交林。在观音山-龙草坪区域内，灌丛、阔叶林的变化较为明显，可以看出在1984年到1995年间有大面积林地转换为灌丛，而后又经历了由灌丛到阔叶林再到针阔混交林的恢复过程(表2)。

表2 1984-2013各研究区域土地利用/覆被面积 单位：hm2

研究区域内土地利用/覆被类型变化面积(表2)和变化率进行统计(图3)。可以看出，四个研究区域内，针阔混交林占比例最大，普遍高于50%，基本在50%～70%范围内波动，且近10年来均有所增加。除观音山-龙草坪区域外，其他三个保护区针叶林所占比例均在20%以上，又以老县城为最高，其次是天华山，这主要与研究区域地形和海拔相关。阔叶林则不同，除了老县城保护区所占比例较低外，其余研究区域阔叶林比例约在10%上下波动，且波动明显，这是由于阔叶林多处于低海拔地区，靠近人类活动区域，受人为干扰较大。岩石裸地所占比例最低，约为1%左右，且基本保持不变。灌丛虽所占比例较小，但变化非常明显，在10%的范围内变化幅度较大，基本呈先增加后减少的趋势，灌丛分布多靠近低海拔人类活动区，可以看出人为活动对于土地利用/覆被格局的变化有很大的影响。各研究区域内均有竹林分布，然而所占比例较低，佛坪和老县城保护区竹林面积逐年减少，观音山-龙草坪区域和天华山保护区竹林面积均为增加后减少，规律并不明显。

(a)老县城；(b)佛坪；(c)观音山-龙草坪；(d)天华山；1-面积；2-比例；BAM-竹林；CF-针叶林；MIX-针阔混交林；DBF-阔叶林；SGH-灌丛；RB-岩石裸地图3 近30年各研究区域土地利用/覆被类型变化面积及比例图

3.3 生态系统服务价值计算

基于遥感分类图，对各土地利用/覆被类型进行赋值，可以得到四个年份生态系统服务价值分布图(图4)。绿色越深，则表示该地区生态系统服务价值越高，生态系统服务功能越强。

图4 1984-2013生态系统服务价值空间分布图

基于已有遥感分类图及统计结果对研究区域生态系统服务价值进行计算(表3)。整个区域生态系统服务价值基本稳定，在32～34亿元·a-1范围内波动，波动比例在上下2%左右，并呈现先下降后上升趋势。1995年较1984年生态系统服务价值下降1.57%，随后10年又增长了2.41%，2002-2013年期间，增长率仅为0.52%，基本稳定。

表3 1984-2013研究区域生态系统服务价值表

为了便于比较各研究区域间的整体生态系统服务功能的优劣，评价其各年份间生态系统服务价值是否有损失，计算每个区域内平均生态系统服务价值(表4、5)。生态系统服务价值越高，说明该地区生态系统服务功能越强。

表4 1984-2013各研究区域生态系统服务价值表 单位：万元·a-1

表5 1984-2013各研究区域单位面积生态系统服务价值表 单位：万元·hm-2·a-1

整体来看这4个研究区域4年平均单位面积生态系统服务价值相差并不太多。其中佛坪最高，达到了3.73万元·hm-2·a-1。老县城和观音山-龙草坪区域的4年平均单位面积生态系统服务价值相等，为3.66万元·hm-2·a-1。但从保护区发展历程来看，老县城保护区成立较早，1993年成立，受到了较好的保护；而观音山保护区2003年才成立。老县城保护区森林生态系统服务价值理论上应高于受破坏较为严重的观音山-龙草坪区域。但是由于老县城整体海拔较高，阔叶林分布较少，取而代之的是生态系统服务价值较低的针叶林，导致该地区生态系统服务价值不如海拔较低区域。同时，观音山-龙草坪区域整体波动很大，而保护区的禁伐造林等恢复措施达到了很好的效果。天华山地区一直受较严重破坏，平均单位面积生态系统服务价值最低，仅为3.64万元·hm-2·a-1。

4 讨论

(1)本研究的生态系统服务价值计算结果并不能准确反映研究区域的总生态系统服务价值，但可在一定程度上反映出各保护区域生态系统服务价值的相对高低以及变化趋势。一是因为生态系统服务价值计算并未涉及许多尚未得到充分研究的森林生态系统服务功能和土地利用/覆被类型，故所得结果低估了各土地利用/覆被类型生态系统服务价值。二是研究区域单位面积内森林群落是以乔木-灌木-竹林为主的立体群落，遥感影像解析只能反映单一的土地利用/覆被类型，竹林和灌丛在乔木林下，大部分没有统计到，其每公顷每年4.05万元的生态系统服务价值没有计算在内。三是研究区域是自然保护区，其生物多样性价值应远高于保护区外的同类土地利用/覆被类型的价值。

(2)研究区域30年来土地利用/覆被类型发生变化，最主要原因是人为活动，如砍伐、食用菌、自用材、开荒等，其次森林群落的自我演替，最后是自然灾害。佛坪保护区土地利用/覆被类型变化最小，主要集中在2002年前后的针阔混交林变化，其原因是保护区成立早，区内村民较少，但在2002前由于在集体林大量砍伐阔叶树种栎类发展食用菌，2002年遭遇超大洪水后，村民砍伐针叶树种松类建房和做家具引起针阔混交林变化。老县城保护区土地利用/覆被类型变化主要集中在针叶林、针阔混交林和灌丛。针阔混交林经历了先减少后增加的变化过程，2013年针阔混交林比例与1984年持平，其变化趋势与针叶林的变化趋势相反，这种波动可能是由于针叶林与阔叶林间自然的转化，另外低海拔的灌丛面积变化也较大，1995-2002年有大幅减少，主要原因是粮食产量提高，撂荒地增加。观音山-龙草坪区域土地利用/覆被类型具有较大的波动，尤其是针叶林和阔叶林，变化幅度很大，其原因是大量砍伐和种植针叶树种。天华山保护区内针阔混交林、阔叶林和灌丛的变化较为明显，主要是因为人类活动频繁，并且从未间断，其生态价值也最低。

(3)天然林禁伐对大熊猫栖息地的保护至关重要，封山育林对秦岭南坡的植被恢复起着决定性的作用。成立较早的佛坪、老县城保护区生态系统稳定，波动很小，成立较晚的天华山、观音山-龙草坪区域在保护区建成后生态系统得到了较好的恢复。同时，限制保护区内人类活动对保护区长期的发展，维持生态系统平衡至关重要。