基于GIS和力矩平衡点的生态系统服务价值时空动态分布研究

张鑫 杨潋威 王晓敏 王宁 刘奇 赵娟 张平*

（1.西安工程大学环境与化学工程学院，陕西西安 710048；2.陕西省土地整治重点实验室，陕西西安 710075）

1 引言

生态系统服务是指通过生态系统的过程、结构和功能直接或间接得到的生命产品和服务，形成和维持了人类生存和发展的环境条件与效用，是人类得以生存的基础［1］。人类对环境的压力正在时空上发生变化，这对地球的生物多样性和人类经济发展有着深远的影响，合理评价生态系统的服务价值是进行生态环境保护的必要前提［2-4］。生态系统服务评估为人与地之间的关系研究提供重要的实践领域［5］。自从生态系统服务类型、价值科学测算的原理及方法被Costanza 等［6］提出并发展后，现已逐渐成为国内外相关领域的研究热点。近年来，国内外从生态系统服务、生物多样性以及自然资本等方面开展了大量自然资源价值的评估工作［7-8］，并在相关方法、理论以及应用方面取得了较大进展［9-11］。目前国内外生态服务价值评估的研究重点集中在生态系统分类方法研究［12-14］、评估方法创新研究［9］，生物多样性与生态系统服务价值［15］，生态系统组分变化以及生态管理方面的模拟生态过程的模型研究［16］。总体而言，当前的研究多是对研究区域进行土地类型生态系统分类，采用不同的评估方法研究土地利用变化引起的生态系统服务价值变化。对区域内部不同类型、不同功能生态系统服务价值的时空动态变化研究不足［17］。本文基于遥感解译获取的研究区不同年代的土地利用数据，应用地理信息系统GIS，定量计算不同用地类型生态系统服务价值、不同生态服务功能价值，借助力矩平衡点法评估研究区生态系统服务价值空间分布重心变化，为区域土地利用规划决策和生态环境保护政策提供合理依据。

2 材料与方法

2.1 生态系统服务价值计算方法

1998 年Costanza 等提出了以生态价值量评价生态系统服务功能价值的理论方法，谢高地等［18］根据中国的实际情况对中国陆地生态系统单位面积生态系统服务价值当量表进行了修正［19］。

其计算公式如下：

式中，ESVk为k 种土地利用类型的生态系统服务价值；ESVf为f 种生态服务功能价值；ESV 为区域总生态服务价值；Ak表示k 种土地利用类型分布面积；VCkf为k 种土地利用类型f 种生态服务功能的生态服务功能价值指数。

2.2 生态系统服务价值重心计算方法

力矩平衡点法是美国学者弗朗西斯·沃尔克于1874 年提出的，通过计算出研究区不同时期生态系统服务价值重心的坐标值，根据重心移动的轨迹，分析生态服务价值的变化趋势，结合不同时期生态系统服务价值的变化，分析生态系统服务价值的时空变化规律［20］。

其计算公式如下：

由于本研究的研究区域为整个中国，因此，n 表示研究区内一级行政区（包括省、直辖市、自治区、特别行政区）的数目；Ei表示一级行政区内土地生态系统服务总价值（或不同类型土地生态系统服务价值）；xi，yi分别代表一级行政区的政府（省会）所在地的相对坐标。

2.3 研究数据

本研究土地覆盖数据是采用MODIS 土地覆盖分类产品（MOD12Q1），该数据空间分辨率为500 m，为2001，2007，2013 年的土地利用数据，土地利用类型包括林地、耕地、草地、建设用地、未利用地和水域。此外，还包括中国省界数据、中国各省会城市地理坐标数据。

3 结果与分析

3.1 生态系统服务价值变化分析

2001—2013 年中国生态系统服务价值和生态服务功能价值见表1。中国生态系统服务总价值2001 年为 119 335.39 亿元，2007 年为 118 437.31亿元，2013 年为120 408.88 亿元。中国生态系统服务总价值在2001—2007 年是减少的，2007—2013年是增加的。2001—2013 年，中国生态系统服务总价值呈现出先减少后增加的规律，而且变化较大。生态系服务价值最大的用地类型是林地，草地、耕地次之，生态系统服务价值量最小的用地类型是建筑用地。

表1 2001—2013 年中国生态系统服务价值 亿元

为进一步分析不同区域的生态系统服务价值状况，分区统计了不同省份的生态系统服务价值，并进行了排序，结果见表2。由表2 得出，2001—2013 年生态系统服务总价值最大的区域是新疆，最小的是香港；以2001 年各省份生态系统服务总价值排序为基准，2007 年生态系统服务总价值增长的地区有四川、黑龙江、湖南、湖北、贵州、安徽、辽宁、重庆；下降的地区有甘肃、云南、广西、广东、福建、山西、江苏；其他地区价值排名没有变化。2013 年生态系统服务总价值增长的地区有四川、云南、安徽、辽宁、重庆、黑龙江；下降的地区有山西、甘肃、江苏；其他地区价值排名没有变化。

表2 2001—2013 年中国各省份生态系统服务总价值 亿元

3.2 生态系统服务价值重心变化

从整个中国来看，2001—2013 年中国不同土地利用类型及生态服务总价值重心分布在河南省、河北省、湖北省、湖南省、甘肃省、青海省，并且青海省分布的价值重心最多。其中总价值重心分布在甘肃省和青海省东部地区；耕地的价值重心分布在河南省东北部地区和河北省西南部地区；林地的价值重心分布在青海省东部地区；草地的价值重心分布在青海省、甘肃省西部；水域的价值重心分布在青海省中部地区；未利用地的价值重心分布在湖南省东部地区和东北部地区以及湖北省东部地区。

从时间变化上来看，生态系统服务总价值重心在2001—2007 年期间主要由西往东移动，南北方向移动幅度很小。在2007—2013 年期间，其总价值重心主要由北向南移动，东西方向移动幅度很小。耕地的价值重心在2001—2007 年这一时段主要由北往南移动，东西方向移动幅度较小，在2007—2013 年期间主要由南向北移动，东西方向移动幅度较小。林地的价值重心在2001—2007 年期间主要由西往东移动，南北方向上变化幅度不大，在2007—2013 年间主要由北向南移动，东西方向上移动幅度很小。草地的价值重心在2001—2013 年期间主要由东往西移动，南北方向上的移动幅度不大。水域的价值重心在2001—2007 年期间主要由南往北移动，东西方向上变化很小，而在2007—2013 年期间却与之相反，其价值重心主要由东往西移动，南北方向上移动幅度很小。未利用地的价值重心在2001—2013 年期间主要由南向北移动，东西方向上的移动幅度不大。

从整个中国的空间范围上看，9 种生态服务功能的价值重心分布在青海省、甘肃省和陕西省，同时，青海省分布的服务功能价值重心最多，其次是甘肃省，最少的是陕西省。从时间变化上看，气体调节的价值重心在2001—2007 年主要由北向南移动，东西方向移动幅度很小，在2007—2013 年时由西往东南移动，东西方向移动幅度很小。土壤形成与保护的价值重心在东西方向上移动，南北方向几乎没有移动。气候调节的价值重心在2001—2007年主要由西往东移动，南北方向上变化较小，在2007—2013 年主要由北向南移动，东西方向移动幅度较大。水源涵养的价值重心在2001—2007 年主要由西往东移动，南北方向上移动幅度较东西方向小，在2007—2013 年主要由北向南移动，东西方向移动很小。土壤形成与保护的价值重心在2001—2007 年主要由西往东移动，南北方向移动很小，在2007—2013 年主要由北向南移动，东西方向上移动幅度较大。废物处理的价值重心在2001—2007 年在南北方向和东西方向上的移动幅度都较大，在2007—2013 年主要由东往西移动，南北方向移动幅度较小。生物多样性保护的价值重心在2001—2007年主要由西往东移动，南北方向移动较小，在2007—2013 年主要由北向南移动，东西方向移动幅度很小。食物生产的价值重心在2001—2007 年由北向南的移动幅度较大，东西方向移动较小，在2007—2013 年主要由南向北移动，东西方向几乎没有移动。原材料的价值重心在2001—2007 年主要由西往东移动，南北方向移动幅度非常小，在2007—2013 年主要由北向南移动，东西方向移动幅度较大。娱乐文化的价值重心在2001—2007 年主要由西往东移动，南北方向移动幅度较小，在2007—2013 年主要由北向南移动，东西方向移动幅度较小。

4 结论与讨论

由生态系统服务价值统计计算结果来看，2001—2013 年中国的生态系统服务价值是先减少后增加的。不同用地类型的价值重心转移情况显示，总价值与林地的价值重心在研究时期内的转移方向一直都是同步的。2001—2007 年它们的价值重心都是由西往东移动，而在2007—2013 年时，主要都是从北向南转移。由此说明林地对总价值重心的转移起到了一定的推动作用。就服务功能而言，2001—2013 年，废物处理与食物生产在东西南北4个方向上均有大幅移动，只有气体调节由北向南转移。2007—2013 年时期，气体调节与废物处理的价值重心主要在东西方向上移动，只有食物生产主要由南向北移动。

本文从国家尺度上分析了中国生态系统服务价值的时空动态变化，揭示了生态系统服务价值在不同土地类型和服务价值类型2 个方面的分布重心以及转移规律。认为力矩平衡点法可以对分类型、分功能的生态系统服务价值的重心进行变化趋势分析，可以分析生态系统服务价值的时空变化规律。今后还应和区县小尺度研究结合，从大尺度和小尺度2 个不同尺度探讨土地利用变化的生态系统服务价值时空动态分布。