基于地理国情监测的区域生态系统服务评价<br/>——以杭州市为例

基于地理国情监测的区域生态系统服务评价
——以杭州市为例

2021-03-10张明珠

林业调查规划 2021年1期

张明珠

(合肥市测绘设计研究院，安徽合肥 211100)

近年来，随着改革开发政策的实行，我国在取得经济迅速发展的同时，由于其粗放的增长模式导致了如资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化、发展与人口资源环境之间的矛盾日益突出等诸多环境问题，不仅影响人民的健康和安全，而且制约社会经济可持续发展[1]。

运用地理国情监测技术对自然、人文等地理要素进行动态化、定量化和空间化监测，并对其空间分布、地域差异、变化量、变化率以及变化趋势进行量测、分析、模拟，通过将多种资源、环境、生态、经济要素信息集成整合，综合反映生态和环境发展现状，为生态文明建设提供科学数据以及技术支持。

人类对自然生态环境进行干涉，在改变土地利用方式的同时，不仅改变地表自然景观，同时也促使了生态系统服务功能变化[2]。生态系统服务就是生态学界为了满足这种需求而提出的联系生态系统和人类福祉的一个重要概念，生态系统服务研究旨在为完善对生态系统的管理，确保对生态系统的保护与可持续利用，进而为提高人类福祉和推动经济社会可持续发展进程提供科学信息，目前其已成为国际上科学研究的热点问题之一，一些研究甚至认为可将其纳入国民经济核算体系。

1 研究概况

地理国情是制定国家和区域发展战略与规划、推动社会经济可持续发展的重要数据基础[3-4]。地理国情监测是传统测绘的延伸和拓展，是对传统测绘地理信息事业的深刻变革。其可将重要水体、森林及污染情况等自然环境要素信息集成整合，综合反映生态和环境发展现状，为生态文明建设提供科学数据支持。我国于2012年开展了历时4年的全国地理国情监测工作，全面完成地理国情普查和重要、典型地理国情监测工作[5]。在完成第一次地理国情普查工作的基础上，全国又启动了一批如省会城市城区面积分布监测、国家级新区建成区面积监测等重点专题国情监测项目，对城市的可持续发展和开发区经济发展起到了很好的基础支撑作用。李德仁等[6]在总结我国第一次中国地理国情普查和重点专题国情监测成果的基础上，提出地理国情普查和监测在内容、技术和成果表达3个方面亟需创新。

生态系统服务是指生态系统与生态过程所形成及维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用，也就是自然生态系统及其组成物种产生的对人类生存和发展有支持作用的状况和过程。生态系统服务概念的第一次使用是在20世纪60年代[7-8]，其全面地科学表达及其系统的定量研究始于20世纪70年代，Holdren和Ehrlich在1974年发表的《人口与全球环境》一文中提出了“生态系统服务功能”概念[9]，最后由Ehrlich (1981)将其确定为“生态系统服务”[10]。随后几十年中，生态系统服务理论得到不断发展与完善，Caims从生态系统的特征出发定义了生态系统服务，Daily于1999年在她的标志性著作《自然服务：人类社会对自然生态系统的依赖》一书中定义了生态系统服务[11]。我国欧阳志云、谢高地等也对生态系统服务功能的概念进行了概括[12-13]，傅伯杰等对我国生态系统服务与生态安全、生态系统管理、制图发展等方面进行了研究[14-16]。

基于杭州市第一次地理国情普查成果，以及不断发展、完善的地理国情监测技术并综合考虑前人对生态系统服务功能的总结，本文将基于地理国情监测技术从碳储量、水资源供给两个方面进行区域生态系统服务评价。

2 研究区概况

选取杭州市为主要研究区。杭州市位于中国东南沿海、浙江省北部、钱塘江下游、京杭大运河南端，地处东经118°20′～120°37′，北纬29°11′～30°34′。全市总面积 16 596 km2，地形以丘陵、平原为主，全市丘陵山地占总面积的65.6%，集中分布在西部、中部和南部；平原占26.4%，主要分布在东北部；江、河、湖、水库占8.0%。森林覆盖率达65%，居全国省会城市第一。河网密集，湖泊密布，物产丰富，具有典型的“江南水乡”特征。属亚热带季风区，雨热充沛。

2005年以来，杭州市委市政府先后编制实施了《杭州生态市建设规划》、《杭州市生态文明建设规划(2010-2020)》、《杭州市环境功能区划》等系列规划，形成了生态市—生态县—生态乡镇—生态村四级生态规划体系。杭州作为浙江省会城市，全省政治、经济、文化中心，通过实施以西部山区和千岛湖湿地为重点的生态屏障保护工程，以及城区“六条生态带”保护和修复，形成了形态完备、功能完善、质量完美的生态格局。目前杭州已拥有2个世界自然文化遗产(西湖和大运河)、2个国家级自然保护区和9个国家森林公园。

3 数据来源与数据处理

3.1 数据来源

研究基础是利用InVEST模型的碳储量模块和产水量模块，以及Schwarz等提出的关于区域气候调节功能估算方法对杭州市2000—2010年10年间以碳储量、水资源供给和区域气候调节为代表的生态系统服务功能进行估算，所需数据来源见表1。

表1 数据获取

3.2 土地利用与土地覆盖数据

研究中所使用的土地利用数据来源于国家地理信息中心提供的全球30 m地表覆盖数据(Global Land 30),该数据覆盖南北纬80度的陆地范围，包括耕地、森林、草地、灌木林地、湿地、水体、苔原、城镇建设用地、贫瘠地、冰川和永久积雪等10类。图1为杭州市2000年、2010年土地利用数据。

3.3 潜在蒸散发量PET数据

潜在蒸散发量PET(potential evapotranspiration)是水分循环和能量平衡的重要组成部分，其表示在一定的气象条件且供水充分情况下，平坦地面上有植被覆盖的区域的蒸散发能力[17]。本文从地理数据共享平台上收集了研究区内气象站的每日平均温度、最低温度及最高温度，然后利用Penman-Monteith公式计算出年均蒸发量，最后通过克里金插值，获得栅格格式的年均蒸发量(图2)。

3.4 年均降水量数据

从中国气象数据网上申请获取浙江省杭州市2000年、2010年气象站点的年均降水观测值，利用ArcGIS中的地统计分析工具采用克里格插值方法进行空间插值，生成2期不同时间段的年均降水量图(图3)。

3.5 土壤深度与土壤含水量数据

土壤深度数据(图4)和植被可利用水含量(图5)数据均来源于寒区旱区科学数据中心提供的基于世界土壤数据库(HWSD)的中国土壤数据集(China Siol Map Based Harmonized World Soil Database)(v1.1)，通过对空间属性数据进行空间栅格化，以及裁剪、数据融合等预处理得到模型所需的数据格式。

4 基于地理国情监测的区域生态系统服务评价方法

生态系统服务和交易的综合评估模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)，简称InVEST，对生态系统服务功能进行量化，并以图的形式表达[18]，从而识别出在何处投资、以及投资力度的大小，其分析成果可作为多服务和多目标优化方案的基础。InVEST模型从最初的1.0到本文用到的3.3.3共有20多个版本，截至目前已开发到3.5.0版本，其包含三大生态系统的评估：海洋系统、陆地系统和淡水系统。

图1 杭州市2000年、2010年土地利用状况

4.1 基于InVEST模型的碳储量估算

陆地生态系统中的碳储存主要来自于包含地上部分生物量、地下部分生物量、土壤碳、死亡有机质碳库四大基本碳库。InVEST模型使用土地利用与土地覆被图和木材砍伐速率数据、产品衰减速率、四大基本碳库来估算在景观中目前存储的碳和未来存储的碳以及研究时段内固定或释放的碳。其计算公式为：

Cveg=Cabove+Cbelow+Cdead#

C=Cveg+Csoil#

式中:Cveg为植被总碳储量(t/hm2)；Cabove为地上部分碳储量；Cbelow为地下部分碳储量；Cdead为死亡有机质碳储量；Csoil为土壤碳储量图层数据。

图2 杭州市2000年、2010年潜在蒸散发量分布

模型运行所需数据主要包括土地利用/覆被(LUCC)图和碳库表(表2)。土地利用/覆盖(LUCC)图为2000年、2010年杭州市土地覆盖/土地利用分类图。InVEST模型为使用者提供了一个基于IPCC 2006温室气体排放清单的碳库表，经整理归并为本文所用。

4.2 基于InVEST模型的产水量估算

“产水量”模型是基于一个简化的水文循环模型，忽略地下水的影响，模拟一定区域内的地表产水量，产水量越多，水资源供给服务就越多。水资源供给又是一项重要的生态系统服务，涉及到人类的很多福祉。InVEST模型的产水模块是一种基于水量平衡的估算方法，某栅格单元的降雨量减去实际蒸散发后的水量即为水资源供给量，包括地表产流、土壤含水量、枯落物持水量和冠层截留量。InVEST模型的产水估算是建立在Budyko水热平衡假设和年均降水量的基础上[19]。不同土地利用类型栅格单元年产水量Y(x)的计算公式为：

图3 杭州市2000年、2010年降水量分布

式中：Y(x)为栅格单元x的年产水量；AET(x)为栅格单元x的年实际蒸散量；P(x)为栅格单元x的降水量，详细计算过程参见InVEST模型用户手册[18]。

表2 不同LUCC碳密度

该模块需要的数据主要包括研究区土地利用/覆盖(LUCC)图、年降水量、潜在蒸散量、土壤深度、根系深度、植物可利用水含量、植被蒸散系数等。其中年降雨量根据杭州市各气象站点观测数据插值而得到；潜在蒸散量的计算则是先根据Modified-Hargreaves法求得各气象站点的潜在蒸散量，再在ArcGIS平台中插值而得到；其他模型数据由InVEST自带的生物物理表整理得到。

5 结果与分析

5.1 基于InVEST模型的估算结果分析

基于两期土地利用/覆盖(LUCC)数据，运用InVEST模型Carbon模块，得到杭州市2000、2010年碳储存总量分别为 295 054.43 t、296 546.92 t。研究区碳储量计算结果如图6所示。

图6 杭州市碳储量计算结果

两个时相的计算结果均显示杭州市碳储量的高值在杭州市山区境内，这是由于山区内植被茂密，森林覆盖率高，因此碳密度很高。此外，由于土地肥沃，土壤有机碳含量高，在评估结果中也呈高值。从变化量来看，大部分区域碳储量基本未变，桐庐县城中心、余杭区东部、萧山区西南部均有所增高，这是由于杭州市土地利用变化所致，2000—2010年城市扩张明显，耕地、坑塘等转变为城镇建设用地，而城镇建设用地的碳密度值较之前更高导致。而碳储量减少的区域较少且分布较分散，多是由于土壤肥力下降、植被生长环境遭到破坏，土地利用类型由耕地、草地等转变为贫瘠地所致。其中变化量的最大值、最小值均分布在边界上，是由于边界处数据采集误差导致。

输入预处理好的数据，运行InVEST模型，计算研究区范围内的产水量，得到结果如图7所示。

基于InVEST模型分别估算了杭州市2000、2010年不同时期年产水量，产水总量分别为2.1×107m3和1.9×107m3；栅格平均值分别为939.55 mm和865.12 mm。

由图7看出，产水量较高的区域多分布在城市建成区，这是因为降雨到达地面后，便在地表产生径流，而地表状况复杂且土壤含水率也不尽相同，造成不同地块的径流系数不同，产水量也就不同。城市建成区多为不透水面、径流系数普遍较大，产水量自然就高。由于杭州市大部分区域2010年的降水量较2000年减少，而潜在蒸散发量较2000年增加，导致这些区域2010年的产水量比2000年少。杭州市城区产水量随城市规模的扩大而增加。另外，杭州市千岛湖地区产水量也有一定程度的增加，主要是由于当地2010年降水量比2000年多且该区域自然环境保护状况较好，潜在蒸散发量变化不大，由于总增加量小于其他产水量减少区域的总减少量，导致全市产水量总量呈减少趋势。

图7 杭州市产水量计算结果

5.2 服务“热点”与服务“范围”定义

确定每种服务的范围和热点至关重要，因为两者均对最终评价结果有显著影响。服务范围和热点的划分与空间上生物多样性评估中所采用的方法基本相同。将生态系统服务的范围定义为有意义的供应区域，类似于物种的活动范围或居住区域。“热点”一词由诺曼·迈尔斯在20世纪80年代提出，指物种丰富度高、地域性强或威胁大的地区。这里所说的生态系统服务“热点”是指提供大量特定服务的地区，不包括威胁或地方性措施。

通常使用两种方法来确定服务“范围”和“热点”的阈值。第一种方法是将一系列生物物理指标值定义为阈值[20]。本研究中使用的第二种方法，即在给定区域使用最高服务价值的百分比[21]。在本研究中，对每个单元的服务值进行排名，并将排名前10%的单元值定义为服务“热点”的阈值。多个服务“热点”的交叉区域被定义服务“热点”的重叠，即该格网在多种生态系统服务中均处于热点区域。另外，值的中位数(50%)被定义为服务“范围”的阈值，其中重叠被定义为多个服务“范围”。

基于前面关于碳储量、水资源供给两种生态系统服务的估算，结合服务“热点”、服务“范围”的定义，这里对这两种服务的具体服务“热点”以及服务“范围”的阈值进行设定(表3)。

表3 各生态系统服务“热点”和“范围”相关阈值设定

5.3 城镇—郊区—乡村区域划分

近年来随着地方人才引进、招商引资等政策的落实，以及G20第十一届金融峰会等全国性、国际性会议的召开，为杭州市注入鲜活血液的同时，也让世界认识到了杭州市作为我国经济大都市蓬勃生机与澎湃的动力。然而，城乡差异、区域差异问题不可避免，为了城市的稳步、可持续发展，要考虑并制定出具体实施方案努力缩小差异。城乡差异、区域差异不仅体现在经济发展上，也体现在自然资源的拥有量、利用率，生态环境质量，生态系统服务功能等多方面，而这些也影响着一个区域、一个城市的全面发展。因此，对杭州市进行子区域的生态审计研究是必要的。

Dagmar Haase等[22]在其相关研究中利用人口密度和建筑密度2个指标将Leipzig-Halle区划分为高密集建筑区域的城市部分、内部城市周边地区、外围城市地区、其他地区4个等级。本研究中子研究区划分考虑因素包括人口密度、地均GDP、城镇建筑用地3个因素，将杭州市分为城镇、郊区、农村3个等级，具体界定范围见表4。

表4 人口密度、地均GDP阈值分城镇、郊区、乡村三级设定

最后叠加2010年城镇建设用地范围，并进行区域综合、简化处理后得到城镇、郊区、乡村三级子区域范围(图8)。

图8 城镇—郊区—乡村三级子研究区划分

5.4 生态系统服务的城乡区域差异分析

将整个杭州市按人口密度、地均GDP和城镇建筑用地3个要素划分为城镇、郊区、乡村三级，分别统计2000年、2010年三级服务“热点”和服务“范围”占比(表5，表6)。

从表5、表6可以看出，碳储量服务的“热点”和“范围”面积占比在城镇、郊区、乡村三级里2010年较2000年均有所减少，但就总量来说，城镇和郊区的2010年与2000年相比有增加的趋势。且城镇、郊区、乡村呈现明显的分布不均，这主要是因为城区多为人工建筑物等不透水面，草地、林木等植被较少。水资源供给服务的总量和“范围”面积占比在城镇、郊区、乡村三级里均呈减少趋势，特别是在郊区和乡村一级“范围”面积分别减少了1.34倍、0.74倍，而在城镇一级服务“热点”面积有所增加。

表5 碳储量分城镇、郊区、乡村三级统计

表6 产水量分城镇、郊区、乡村三级统计

使用每个子区域的平均值对该研究区城镇、郊区和乡村进行分析，假设2000年的评估值为100%，则评估值大于105%意味着生态系统服务供应量与2000年相比有所增加，该区域的生态系统服务有所改善；评估值小于95%意味着相应减少(表7)。

表7 城镇、郊区、乡村的各生态系统服务变化

由于区域气候调节是指标统计量，并不能做累积平均计算，这里取指标数大于0的比例做比较分析。可以看出：郊区的碳储量平均值增加量超过5%；而水资源供给减少超过5%，城镇和乡村则分别表现为碳储量增加超过5%，水资源供给减少超过5%的同时水资源供给减少小于5%，碳储量增加小于5%。

6 结论与讨论

6.1 结论

以杭州市为研究对象，对杭州市2000年、2010年的生态系统服务进行估算、分析。对杭州市进行全局空间分布特征分析显示：杭州市碳储量总量2010年比2000年有所增多，而水资源供给的指标产水量相反。碳储量的增多主要是由于城市扩张，耕地、坑塘等转变为城镇建设用地所致，产水量的增多集中在城区和千岛湖地区，但由于杭州市大部分区域2010年的降水量较2000年减少，而潜在蒸散发量较2000年增加，总增加量小于其他产水量减少区域的总减少量，导致全市产水量总量呈减少趋势。综合考虑人口密度、地均GDP和城镇建设用地3个要素，将杭州市划分为城镇、郊区、乡村三级，分析表明：碳储量服务的“热点”和“范围”面积占比在城镇、郊区、乡村三级里2010年较2000年均有所减少，但就总量来说，城镇和郊区的2010年与2000年相比有增加的趋势。水资源供给服务的总量和“范围”面积占比在城镇、郊区、乡村三级里均呈减少趋势，特别是在郊区和乡村两级“范围”面积分别减少了1.34倍、0.74倍，而在城镇一级服务“热点”面积有所增加。