平武县生态系统服务价值时空动态分析

黄晋宇，王 思，邓 超，杨 健，黄 平

(四川省农业科学院遥感应用研究所，四川 成都 610066)

【研究意义】平武县作为涪江上游的水源涵养地与重要生态功能区，素有“天下熊猫第一县”的美誉。在大熊猫国家公园核心区建设背景下，生态环境质量监测与自然资源资产化管理具有十分重要的现实意义。生态系统服务(Ecological Services)是指通过生态系统的结构、过程与功能直接或间接的得到生命支持产品和服务，生态系统服务价值评估则是以经济价值量化的方式，为生态系统资产化管理、生态功能区划、生态补偿决策等提供数据支持与依据[1]。【前人研究进展】1997年，Costanza等[2]率先对全球的生态系统服务进行了经济价值核算，引起了国内外研究者对于生态系统服务价值评估及自然资产的关注[3-4]。欧阳志云等[5-6]系统地分析了生态系统服务功能研究进展与价值评估方法；谢高地等[7]梳理了生态系统服务价值评估的方法、功能与服务的复杂性等难点问题，还进一步开展了中国草地生态系统服务价值[8]、青藏高原生态资产评估[9]等研究，又提出了基于专家知识的服务评估单价体系与时空动态综合评估方法[10-11]，并实现了全国尺度的生态系统服务价值时空动态评估[12]。此外，还有一些研究者开展了省市[13-14]、重要生态功能区[15-16]的生态系统服务价值评估研究。【本研究切入点】但关于涪江上游重要生态功能区的生态系统服务价值研究较少，且平武县位于大熊猫国家公园岷山片区核心区，生态环境保护与自然资源资产管理的重要性十分突出。【拟解决的关键问题】因此，有必要开展针对平武县的生态系统服务价值时空动态评估分析研究。本研究以单位面积价值当量因子法为基础，基于土地利用/土地覆被遥感监测数据，开展近十年间平武生态系统服务价值评估与年内价值变化时空动态分析，以期为平武县自然资源资产管理与生态环境质量监测提供支持与参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

平武县位于四川盆地西北部，青藏高原向四川盆地过渡的东缘，长江的二级支流涪江的上游，隶属于四川省绵阳市。全县辖25个乡镇，县境总面积5974 km2，其中耕地面积273 km2。境内地势起伏，高差悬殊，整体西北高、东南低，县境最高海拔5588 m，最低海拔约600 m。气候特点随海拔高度变化呈垂直带性分布，低河谷地属亚热带山地湿润性季风气候，中山、高山分处寒温带气候、亚寒带气候、极高山属寒带气候。境内年均气温14.8 ℃，年降雨量866.5 mm，森林覆盖率高达74.49 %，境内森林资源丰富，野生动植物种类繁多，境内已建立王朗、雪宝顶两个以大熊猫保护为主的国家级自然保护区，境内保护区总面积约占全县国土总面积的25 %。

1.2 数据源与预处理

2005、2010、2015三年的平武县土地利用与覆被数据，分辨率为30m，来源于中科院资源环境科学数据中心。四川省2015年逐月公里格网归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)数据、四川省2015年公里格网逐月降水数据、四川省2015年500 m土壤侵蚀模数数据、行政区划矢量数据，均来源于国家地球系统科学数据中心。采用ArcGIS模型构建器批量掩膜提取平武县行政范围内的各类数据(表1)。

表1 数据源

1.3 研究方法

1.3.1 生态系统服务价值估算 生态系统服务价值估算基于单位面积价值当量因子方法，计算方法如下：

(1)

式中，ESV表示生态系统服务总价值，元/a；Ai为i类生态系统类型面积，hm2；Ffi表示第i种生态系统类型的第f项生态系统服务功能单位面积价值当量因子；V0表示一个标准当量因子的生态系统服务价值量，元/(hm2·a)。

本研究中，将平武生态系统类型划分为6个一级类型，14个二级类型，生态系统服务功能类型包括4种一级类型，进一步细分为11种二级服务类型。基于平武县生态系统类型构建单位面积价值当量因子表，当量因子表数值参照谢高地[11]等提出的“中国生态系统单位面积生态服务价值当量”，并结合平武生态系统特点和专家经验，构建了平武县生态系统服务价值当量因子表(表2)。V0的数值以谢高地等[12]确定的中国2010年一个生态系统价值当量的经济价值，即3406元/hm2。

1.3.2 时空动态当量表方法 生态系统服务价值当量因子表刻画了各生态系统类型的各类生态服务功能全年的平均服务价值。为了体现生态系统服务价值县内空间变异和逐月时间动态变化，本文以单位面积价值当量因子表(表2)为基础，引入基于NDVI构建的植被指数时空调节因子、基于降水数据构建的降水时空调节因子和基于NDVI与土壤侵蚀模数构建的土壤保持时空调节因子，按照公式(2)构建生态服务时空动态变化价值当量表。

表2 平武生态系统服务单位面积价值当量

(2)

式中，Ffjt指某种生态系统在第j区域第t月第f类生态服务功能的单位面积价值当量因子；Pjt指该类生态系统第j区域第t月的植被指数时空调节因子；Rjt指该类生态系统第j区域第t月的降水时空调节因子；Ejt指该类生态系统第j区域第t月的土壤保持时空调节因子；Ff1指除水域类型外各类生态系统的食物生产、原材料生产、气候调节、气体调节、净化环境、维持养分循环、维持生物多样性、提供美学景观服务的研究区年均单位面积价值当量因子；Ff2指水域类型所有生态系统功能和各类生态系统的水资源供给和水文调节功能服务的研究区年均单位面积价值当量因子；Ff3指各类生态系统的土壤保持功能的年均单位面积价值当量因子。

其中植被指数时空调节因子Pjt计算方法为：

(3)

(4)

式中，NDVIt、NDVImax分别为第t月平均归一化植被指数、年内最大月平均归一化植被指数；NDVIa为旺盛生长季多月平均归一化植被指数，取5-10月；Mean(NDVIt)、Mean(NDVIa)分别为第t月平均归一化植被指数与生长季多月平均归一化植被指数的整体图像均值。ε为补偿参数，其意义在于在植被指数高于生长季平均植被指数的月份，给与植被指数调节因子数值补偿，使其月度变化更符合实际。本研究对谢高地等[11]的植被指数时空调节因子计算方法进行如此改进，一方面因为NDVI数据源广泛易获取、计算简单易于推广，另一方面可以通过比值与补偿参数设计极大减少NDVI低值区域的异常计算结果产生。

降水时空调节因子Rjt的计算方法为：

(5)

土壤保持时空调节因子Ejt的计算方法为：

Ejt=Pjt×Q

(6)

(7)

式中，Pjt为公式(3)中植被指数时空调节因子，Q指的是土壤抗侵蚀因子，q为研究区年土壤侵蚀模数数据，qmax、qmin分别指县域年土壤侵蚀模数中的极大值与极小值。本研究以年土壤侵蚀模数数据与逐月植被指数数据为基础，构建了土壤保持功能时空调节因子。

2 结果与分析

2.1 平武土地利用变化

2005-2015年间平武县土地利用空间格局整体比较稳定，仅局部区域发生了变化，统计结果(表3)显示，耕地共减少了999 hm2，林地增加了2466.36 hm2，草地共减少了2715.75 hm2，减少的比例均低于2 %；水域面积增加了760.59 hm2，增加了6.9倍，建设用地增加了205.56 hm2，增加的比例相对较大。耕地减少与林地增加主要由于退耕还林工程的持续实施，建设用地增加主要是城镇化和农村居民区地震灾后重建，水域面积的增加和水电大坝等水利水电工程的持续建设有关。

表3 平武土地利用类型变化

2.2 平武多年生态系统服务价值演变

2005-2015年平武生态系统服务价值比较稳定、变化较小(表4)，呈现缓慢增加的趋势，2005年生态系统总价值为330.20亿元，2015年达333.30亿元。其中，森林生态系统价值占平武生态系统服务总价值的比例最大，2015年为64.75 %，其余按比例依次是草地、农田、水域、湿地、裸地裸岩等生态系统类型。从多年变化趋势上看，农田生态系统价值持续小幅下降，森林生态系统价值小幅提高，草地生态系统价值略微下降，水域生态系统价值有大幅提高，由2005年的0.47亿元增加至2015年的3.73亿元。

表4 近10年平武生态系统服务价值变化

2005-2015年平武生态系统服务价值空间格局比较稳定、变化较小(图1)，境内中部呈西北-东南走向的涪江水域的生态系统服务价值密度较高，约为42.8万元/hm2；而河谷地区以耕地为主、生态系统服务价值相对较低，约为1.3万元/hm2，主要分布在龙安镇、古城镇、南坝镇、响岩镇、水田乡、坝子乡等乡镇范围内；境内中西部低山、中山森林植被茂盛、生态系统服务价值密度较高，范围为5.2～7.8万元/hm2，主要位于县内中部大桥镇、大印镇、徐塘乡、锁江乡，以及西部水晶镇、阔达乡、木皮乡、泗耳乡、土城乡、黄羊关乡等乡镇；西部高山草甸植被区域生态系统服务价值低于森林生态系统，大致为1.7～6.7万元/hm2，主要位于白马乡、虎牙乡、木座乡等。

如图2所示，按服务功能类型分，平武生态系统服务价值总量最高的服务功能为气候调节功能，2005-2015年其服务价值总量为88.31～88.36亿元，其次价值较高的是水文调节功能，且近十年呈略微增加趋势(66.22～66.85亿元)，土壤保持功能(40.78～40.80亿元)、生物多样性功能(35.44～35.48亿元)，其余分别是气体调节(32.17～32.19亿元)、净化环境(27.24～27.37亿元)、提供美学景观服务(15.61～15.65亿元)、食物生产(6.92～6.95亿元)、原材料生产(9.99亿元)、水资源供给(4.19～4.45亿元)、维持养分循环(3.24～3.25亿元)等功能。

2.3 年内时空动态价值当量因子分析

以植被变化为主导的生态系统功能服务价值年内各月变化显著(图3-a)，5-10月价值整体较高，11月至次年4月价值相对较低，8月最高，2月最低，从空间上看，以河谷地区、高山积雪与高寒草甸覆盖区域价值相对较低，境内中西部等森林植被覆盖区域价值整体较高。5-10月，温度升高、降水增加，植被生长旺盛，生物量积累加快，生态系统各服务功能增强，所以其价值快速提高。11月至次年4月温度相对较低、降水偏少，一年生植被衰败、多年生植被生长放缓，生态系统各服务功能减弱，所以其价值逐渐降低。

受降水时空变化强烈影响，水域类型及水文水资源功能服务价值各月差异显著(图3-b)，且空间分布不均。4-9月，降水增多，水文水资源功能服务价值相对较高，10月至次年3月，降水偏少，其服务功能价值相对较低，其中9月水文水资源功能服务价值最高，2月由于降水稀少，服务价值整体都处于最低水平。

土壤保持功能价值当量因子逐月变化与植被变化相似(图3-c)，5-10月整体较高，11月至次年4月相对较低，8月最高，2月最低，反映出地表植被茂盛能有效抵御土壤水力侵蚀，提供高水平的土壤保持服务功能。从空间分布上看，土壤保持功能价值分布不均、且十分破碎，受地形地貌影响，中部、东部河谷地区斑块破碎、价值较低，西部高山积雪区域价值也较低，中西部低山、中山森林植被覆盖区域价值整体较高。

2.4 平武生态系统类型服务价值年内变化

平武生态系统服务功能价值4-10月整体较高(图4)，11月至次年3月相对较低，反映出境内生态系统功能季节性变化显著，随夏季温度升高、降水增加，植被生长逐渐旺盛，生物量积累加快，生态系统各服务功能增强，其价值快速提高，冬季温度降低、降水减少，植被生长放缓或终止，生态系统各服务功能减弱，其价值处于较低水平。空间分布上看，中部、东部河谷地区农田占比较大、斑块破碎，生态系统各服务功能较低，西部高山积雪区域价值密度也较低，中西部低山、中山森林植被覆盖区域价值整体生态系统各服务功能较强，相应价值密度也较高。

平武生态系统服务功能价值8月最高(图5)，为422亿元；2月最低，为150亿元；5-9月价值超过当年年均价值333.30亿元，为平武生态系统服务功能最强的时期。平武生态系统中，森林和草地生态系统占比最大，季节性变化对其生态服务价值影响最突出，农田、水域、湿地、裸地裸岩等生态系统类型服务功能价值也受到季节性变化影响，因其面积占比较小，在总生态系统服务功能价值逐月变化中表现不突出。

3 讨 论

2005-2015年间平武县土地利用空间格局整体比较稳定，变化较小，存在林地小幅增加、耕地略微减少、建成区与水域逐渐增加、草地略微减少的整体趋势。十年间，平武县生态系统服务价值呈现略微增加的趋势，达到333.30亿元，说明近些年平武县实施的各项生态保护与绿色发展举措得当，尤其是持续的退耕还林工程、自然保护区建设等措施，较好的保持和培育了当地的自然资源与生态环境，对维持生态系统服务功能价值与可持续发展起到了积极的作用。

本研究中，基于土地利用/土地覆被遥感监测数据对生态系统服务价值进行评估，类型划分与谢高地等[11]的生态系统类型有所不同，邸向红等[13]指出基于土地利用数据的公里格网数据便于刻画生态系统服务价值的空间格局，发挥土地利用数据更新频繁、利于时空动态分析的特点。

在单位面积价值当量因子法基础上，引入时间序列NDVI、降水量与土壤侵蚀模数数据，分别对三类生态系统服务功能价值进行逐月估算，结果较好的反映了平武县生态系统服务价值的时空变化。在植被功能调节因子构建中，不同于谢高地等[12]引入了NPP参与、邓伟等[17]引入生物量与植被覆盖度参与，而是与Shi等[18]类似采用NDVI数据，因为NDVI数据来源广泛、计算方便，更易于方法应用与推广。

将平武县生态系统划分为14个二级类型，生态系统服务功能划分为11种细分类型，并构建了平武生态系统服务单位面积价值当量因子表，但由于平武相关研究的缺乏，各生态系统类型的细分服务功能相关参数与结果难以获取，在价值当量因子表构建中大量参照了谢高地等[11]的当量因子表中反映全国平均的数值，使得评估结果数值上存在一定的不确定性，今后的研究有必要收集更多研究资料进行整合分析，为精细划分的生态系统类型和服务功能价值评估服务。

4 结 论

本研究以单位面积价值当量因子法为基础，基于土地利用/土地覆被遥感监测数据，评估了2005、2010、2015年间的平武生态系统服务价值。并构建了三类受植被生长、降水与土壤抗侵蚀性主要影响的生态系统功能的时空动态调节因子，完成各生态系统类型在2015年内的生态系统服务价值时空动态变化分析。

(1)2005-2015年间，平武县土地利用格局比较稳定，生态系统服务价值整体稳定、略微增加，2015年达到333.30亿元，其中森林生态系统价值服务占比最大，接近65 %。在生态系统服务功能中，气候调节功能价值总量最大，达88.36亿元，其次价值较高的是水文调节功能、土壤保持功能与生物多样性功能等。

(2)在2015年内，平武生态系统服务功能价值8月最高，大约422亿元；2月最低，约150亿元；5-9月的价值超过当年年均价值，为平武生态系统服务功能最强的时期。

(3)基于单位面积价值当量因子法，可以快速有效的评估区域生态系统服务价值，引入逐月的植被数据、降水数据与土壤侵蚀模数数据，进行区域生态系统服务功能价值空间变异和年内时间动态变化分析，为生态环境与自然资源资产管理提供数据依据。