空间数据驱动的生态审计

李正荣， 陈昱蓉， 张 丰， 刘仁义， 杜震洪

(浙江大学浙江省资源与环境信息系统重点实验室，杭州 310028)

随着经济发展和社会进步，自然环境受到广泛关注，集中体现在十八届三中全会提出的将自然资源纳入政府部门政绩考核范围，从制度上推行自然资源审计，有利于为推动自然环境保护、资源短缺、自然灾害频发等问题提供制度保障。生态审计属于自然资源审计，它产生于美国环境立法推动下对企业发展过程中环境影响评价[1]，作为企业在政策框架下分析环境绩效影响因素、建立有效环境保护体系和环境绩效评价方法、向公众传达企业环境绩效信息的工具[2]。生态审计还被认为是一种公共政策评价[3]，适用于环境状况描述和环境影响分析[4]。为推动环境保护制度和相关条例的有效性，中外相关学者做了不同层面探索。中外学者则较多关注企业发展过程中对环境的影响，较为突出的是对产品生命周期评估及不同产品处置方案对环境的影响[5-8]。在实证研究中，李兆东等[9]将草原生态审计定义为审计机关对与草原生态保护相关单位的经济活动和各级党政领导的自然资源责任的真实性、合法性和绩效性所进行的监督、评价和鉴证工作；生态审计过程中较多考虑生态领域内容，毛敏[10]将生态审计作为一种工具运用到企业建立基于自然生态系统有机循环审计模式和企业生产经营各环节和部门之间自然生态链中，以实现充分、合理、有效利用资源，消除环境破坏，提高经济效益的目的。综合生态审计内容与现有研究成果，将生态审计概括为以自然资源的可持续利用和自然环境保护为出发点，为审计主体依据一定的行业标准或依据对被审计对象活动过程中产生的资金利用、自然环境变化、政策制订与实施等进行审计的一种手段。

当前生态审计方法主要有能值分析法、生态足迹法[11]、平衡计分卡[12]、市场价值法[13]。已有的评价方法以物质、货币量对生态审计内容进行表征，对时间动态性进行表达，多使用数值统计数据进行评价、审查，忽略了空间尺度上的信息，不利于因地制宜、因时制宜服务于管理与决策。

现有研究成果针对生态审计的相关研究较少，且多集中在政府和企业生态审计方面，对自然资源方面开展的生态审计研究相对较少，采用的审计方法普适性偏低。因此在现有研究成果的基础上，采用空间数据，顾及区域差异，结合GIS(地理信息系统)方法从生态和经济两方面综合考虑，进行生态审计研究，拓展生态审计研究领域。因资源环境所处地域差异，不同区域对社会经济开发应激程度不同，因而引入生态敏感性评价开展生态审计研究。在时空维度上，基于生态敏感性和土地利用变化监测数据计算的生态系统服务价值进行生态审计具有动态、高效等特征。现采用的生态审计方法能够有效地对审计对象的空间差异变化、长期动态监测等进行可视化表达。

1 研究区概况

贵州省属于西南内陆省份，位于103°36′～109°35′E和24°37′～29°13′N，地跨长江水系和珠江水系。贵州省地势西高东低，地形以山地为主，因其山地和丘陵面积占全省总面积的92%以上，素有“八山一水一分田”之称。贵州省受亚热带季风气候影响，雨热同期，气候湿润。贵州省不仅是长江经济带的重要组成部分，同时还是中国首个国家级大数据综合试验区、世界知名山地旅游大省、国家生态文明试验区和内陆开放型经济试验区。省会贵阳具有连通东西、贯穿南北的作用，是西南地区重要交通枢纽中心。2018年底，贵州省经济发展取得巨大进展，经济发展速度居全国之首。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

采用的数据包括2015年中国土地利用现状遥感监测数据、贵州省30 m数字高程模型(digital elevation model，DEM)数据、土壤类型数据、侵蚀强度数据。其中，2015年中国土地利用现状遥感监测数据、土壤类型、侵蚀强度数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心；贵州省30 m DEM数据来源为地理空间数据云。

2.2 研究方法

2.2.1 生态敏感性分析

(1)指标确定。生态敏感性主要用于评价人类对自然的作用程度和自然环境对外界作用力的应激响应。选取的指标应具有区域性和环境适应性，综合前人研究[14-16]和研究区域特性选取坡度、高程、土壤类型、土地利用类型和侵蚀强度作为评价指标，各指标分级标准见表1。

(2)权重计算方法。层次分析法将人们的主观判断用数量形式表达、处理，是一种定性和定量相结合的多准则决策方法[17]。在生态敏感性评价过程中采用层次分析法确定指标的相对重要程度并计算权重，步骤分为判断指标重要性、计算指标相对权重、检验权重一致性和指标权重确定。

(3)综合生态敏感性计算方法。综合生态敏感性是在单个指标敏感性分析的基础上进行的加权空间叠加计算，计算公式为

(1)

式(1)中:ES为综合生态敏感性；Si为指标敏感性等级；ωi为指标权重。

表1 生态敏感性评价指标及分级标准

2.2.2 生态系统服务价值计算方法

现有研究主要对森林、草地、耕地、水域和未利用地的气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、废物处理、生物多样性保护、食物生产、原材料、娱乐文化等9种生态服务功能计算生态服务价值。生态系统服务价值在不同土地利用服务价值的基础上进行综合计算，计算公式为

(2)

式(2)中：ESV为生态系统服务价值；Ai为第i种土地利用类型面积；VCi为第i种土地利用类型的生态服务价值。

2.2.3 GIS空间分析

空间分析是GIS区别于其他信息系统的重要功能之一。由于本空间分析的对象多为栅格数据，因此主要采用栅格数据叠加分析方法进行数据的处理和分析，包括Raster Calculator和Weighted Sum工具。其中，Raster Calculator对栅格图像构建和执行单个地图代数表达式，处理结果同是栅格格式，此外用于栅格像素值的叠加计算；Weighted Sum则是通过将栅格各自乘以指定的权重并合计在一起来叠加多个栅格，输出结果同样是栅格数据，此处用于栅格单元属性值的计算。

3 生态审计结果与分析

3.1 生态敏感性

基于生态敏感性指标敏感性分级办法，即表1的评价指标和分级标准，采用层次分析法计算各指标权重，结果见表2。

运用GIS可视化方法对坡度、高程、土壤类型、土地利用类型、侵蚀强度敏感性进行空间可视化分析，结果如图1(a)～图1(e)所示。基于表2中生态敏感性指标权重和表1中指标等级，使用ArcGIS Desktop 10.2中Weighted Sum工具依据综合生态敏感性计算方法对生态敏感性进行叠加计算，得到综合生态敏感性。根据研究区实际情况将敏感性程度分为五级：不敏感性(0，4]，轻度敏感性(4，5.6]，中度敏感性(5.6，7.2]，高度敏感性(7.2，8.8]，极度敏感性(8.8，10)，分类后结果如图1(f)所示。

表2 生态敏感性指标权重

贵州省各指标敏感性面积和所占比例见表3，坡度和土地利用类型的生态敏感性以轻度敏感为主，所占比重分别为50.72%和57.38%；高程、土壤类型的生态敏感性以中度敏感为主，所占比重分别为29.64%和59.27%；侵蚀强度指标以不敏感区域为主，所占比重为65.07%；综合生态敏感性的中度敏感区域占比例偏高，比例为38.32%，不敏感区域不足1%，轻度敏感区域和高度敏感区域比例相近。上述分析表明贵州省生态敏感性以中度敏感区域为主，不敏感区域分布较少。从空间分布上来看，各级敏感区的分布有所交叉，但仍具有一定的聚集特征。不敏感区域集中分布在贵州省中部地区，轻度敏感区域广泛分布在贵州省中部及偏南地区，而极度敏感区域则分布在贵州省西北部、西南部和东北部等边缘地区。

3.2 不同敏感区域土地利用变化分析

在综合生态系统敏感性分析的基础上，使用ArcGIS Desktop10.2中Raster Calculator工具对2005年、2010年和2015年土地利用数据进行空间叠加分析，结果如图2所示。

从贵州省土地利用状况来看，耕地、林地和草地占比例较大，水域、建设用地和未利用地占比例较少。随着时间和社会经济变化，2005—2015年不同敏感区域土地利用类型呈现不同程度的变化特征。2005—2010年，轻度敏感区域建设用地上涨幅度最大，从2 km2上升到320 km2；高度敏感区域水域、极度敏感区域水域、不同敏感区域建设用地均呈现上涨趋势，除轻度敏感区域建设用地外，其他地类增长幅度处于9%～25%；轻度敏感区域水域和不同敏感区域未利用地无明显变化；其他不同敏感区域地类均呈减少变化，减少幅度处于0～20%。2010—2015年，高度敏感区域、极度敏感区域水域、不同敏感区域建设用地和极度敏感区域未利用地均呈增长变化，增加幅度在6%～220%；极度敏感区域建设用地和高度敏感区域未利用地无明显变化；其他敏感区域地类均有减少，减少幅度为0.05%～100%(表4)。从空间分布上来看，轻度和中度敏感区域建设用地在中部、北部和西部区域增加较多，轻度敏感区域耕地在中部、北部和西南部均有所减少。

表3 不同敏感区域面积及比例

图1 生态敏感性空间分布

图2 2005年、2010年、2015年不同敏感区域土地利用类型

建设用地增长在社会经济发展过程中成为发展的必然趋势，建设用地占用其他地类是导致其他地类减少的主要因素，同时贵州省积极推行“退耕还林”政策和生态扶贫政策也导致了耕地面积减少，加大土地整理力度将未利用地转变为其他地类也是土地利用状况变化的影响因素。

3.3 生态系统服务价值分析

已有研究成果主要是针对生产性土地计算生态系统服务价值，在计算中均对建设用地生态系统服务价值取值为0，因此参照前人研究成果[18]，对森林、草地、耕地、水域、未利用地5种土地利用类型进行生态系统服务价值计算。森林、草地、耕地、水域、未利用地的生态服务价值参照表5[19]进行计算。

贵州省生态系统服务价值与土地利用变化情况大体相似，森林、草地和耕地生态系统服务价值较为突出，其中森林尤甚，水域和未利用地生态系统服务价值不明显。就森林、草地和耕地这3个生态系统服务价值较大的用地类型而言，2005—2010年，中度敏感区域林地、高度敏感区域林地和轻度敏感区域草地生态系统服务价值有所增长，其他敏感区域生态系统服务价值均呈现下降的变化趋势；由生态系统服务价值相对较少的水域和未利用地变化情况可知，不同敏感区域水域生态系统服务价值均增长，未利用地生态系统服务价值无明显变化。2010—2015年，高度敏感区域水域、极度敏感区域水域和极度敏感区域未利用地生态系统服务价值有所上升，其他敏感区域地类的生态系统服务价值均减少。2005年、2010年和2015年的生态系统服务总价值分别为23 075 630.8元、23 110 659元和23 030 393.8元，通过比较这三年总的生态系统服务价值，可以看出，2005—2010年，生态系统服务价值有所增加，增加幅度为0.15%；2010—2015年生态系统服务价值则有所减少，减少幅度为0.35%(表6)。

表4 不同敏感区域土地利用变化量

表5 中国陆地不同生态系统单位面积生态服务价值表

贵州省在2005—2010年大力发展经济，在经济发展过程中建设用地占用了耕地等生产性土地，造成土地利用类型发生不同程度的变化，与之相关的生态系统服务价值也受到不同程度影响。2010—2015年，贵州省加大了“退耕还林”和生态扶贫力度，促使耕地向园地、林地等土地类型转变，同时贵州省提出的“五个100”工程也促使农用地向其他用地类型转变，因此不同敏感性区域耕地所贡献的生态服务价值均有所下降。2005—2015年，小型水利工程实施导致了水域面积的扩大，高度、极度敏感区域水域的生态系统服务价值均有较多增加，这与其他用地存在明显的差异。以上结果表明社会经济发展过程中，生态系统服务价值减少使得生态系统呈现不稳定状况，生态安全稳定性受到一定影响。

4 结论与讨论

在空间数据的基础上，引入生态敏感性和生态系统服务价值开展生态审计研究。综上可知，贵州省全域的综合敏感性以中度敏感为主，单个指标的生态敏感性中，坡度和土地利用类型敏感性以轻度敏感为主，高程和土壤类型以中度敏感为主，侵蚀强度敏感性则以轻度敏感为主。

由于生态系统服务价值建立在不同土地利用类型基础上，因此重点采用GIS空间叠加分析对不同敏感区域土地利用生态系统服务价值进行分析。从土地利用类型变化来看，土地利用变化情况符合社会经济发展，体现在建设用地增长幅度较大，耕地和未利用地等地类有所减少。就生态系统服务价值而言，水域的生态系统服务价值较大，但由于在贵州省所占比例基数小，导致水域生态系统服务价值不突出；生态系统服务价值较为突出的耕地、林地和草地在2005—2015年均呈现减少的变化态势，使得生态系统服务价值呈现不同程度减少，生态安全稳定性受到影响。

表6 不同敏感区域生态系统服务价值

生态审计涉及多方面内容，无法直接对其价值进行估算，因此基于生态系统服务价值开展生态审计在一定程度上解决了价值估算问题。此外，结合空间数据和GIS空间分析方法开展生态审计有利于审计人员把握审计材料的时间和空间特征以及变化过程。因此，在系统的生态审计方法出现之前，运用审计知识结合GIS方法对不同敏感区域态系统服务价值进行估算是开展生态审计的有效、重要手段。