粤港澳大湾区生态系统服务价值时空演变研究*

吴隽宇，江伟康，黄钰婷

21 世纪以来，在人类活动过度干扰和全球气候剧烈变化的双重影响下，生态系统受到严重破坏，近60%的已知生态系统服务在过去半个世纪间显著退化[1]，代际间公平也遭到威胁。因此，研究生态系统服务对于未来人类福祉、可持续发展、地球生态安全有重要意义。

1997 年Costanza 首次针对全球生态系统服务构建了基于单位面积经济价值参数的评估模型，在学界引起巨大反响[1]。2001年联合国主导的千年生态系统评估项目（MA）进一步强调了生态系统服务与人类福祉的联系[2，3]，结果显示全球过半的生态系统服务正处于退化或已不可使用的状态，全球生物多样性可持续发展形势严峻[4]。其后，生态系统服务相关的政策平台，如IPBES 和伙伴关系全球大会[5]等纷纷启动，标志着世界各国对于生态系统服务的关注程度上升到了一个全新的高度。

国内，著名学者欧阳志云于1999 年最先展开对中国陆地生态系统服务的价值评估[6]。此后相继有学者对我国不同生态系统如热带雨林[7]、自然草地[8]、森林[9]等价值进行评估，多参照了Constaza 的生态系统服务价值当量法[1]、MA 提出的生态系统服务分类法[4]等，但是缺乏结合中国生态系统特征的评估体系。直到2008 年，谢高地等基于Costanza 的研究，结合中国实际情况进行修正，得到“中国生态系统服务价值当量表”[10]，大大提升了国内价值量法的有效性与可行性，被广泛应用于中国森林、草地、流域、城市群等生态系统服务估值研究中[9，11-13]。近年来，生态系统服务评估中计算机模型应用逐渐广泛，向着多元化发展，其中InVEST 模型作为一种基于生态过程评估的综合类模型，因其要求的数据较少且易获取，是目前评估生态系统服务物质量的最广泛、成熟的模型之一[14，15]，主要应用于省市县、流域与城市群等较大尺度的区域，并从各个模块的影响因素出发分析生态系统服务时空变化的影响因素及其与经济发展之间的平衡关系研究[16，17]。但综合来看，利用InVEST 模型对区域生态系统服务评估的研究中往往将研究区多种生态系统服务进行逐个分析，如生境质量[18]、水源供给[19]、土壤保持[20]、碳储存[21]等，缺乏对多种生态系统服务进行综合评价[22]，且大量研究成果表明多种服务之间存在相互竞争而彼竭我盈的权衡关系[23，24]，尤其是在供给服务与支持、调节服务之间，因此本研究尝试采用生态系统服务综合指标对研究区域进行评估，结合不同生态系统服务的价值与空间制图结果，落实到国土空间的尺度去指导区域的全面发展。

粤港澳大湾区（以下简称为大湾区）是我国经济最发达、人口密度和开放程度最高的城市群之一，在新时期下大湾区的发展规划被定位为国家的核心战略区域。同时，区域内多地被划定为重要的水源涵养、生物多样性保护和土壤保持生态功能区。然而针对大湾区的生态环境调查报告结果表明其生态系统服务功能退化严重[25]，尤其是生物多样性保护能力下滑，人地矛盾突出，生态环境总体情况不容乐观。因此，粤港澳大湾区后续高质量发展的重点在于寻求经济发展与生态保护协调发展的平衡点，其中，生态系统服务价值评估是基础研究，意义重大。经过文献梳理，发现目前对中国城市群的研究中，频次最多的重要生态系统服务包括生物多样性维护、土壤保持、调节气候、固碳释氧、净化大气环境、水源供给六大类。其中，水源涵养、水土保持、生物多样性维护三类生态系统服务同时被中国的《生态保护红线划定指南》和2020 年广东省发布的“双评价”指引中确认为广东省生态系统服务功能重要性的关键指标。此外，为了响应国家提出的“双碳”目标和大湾区绿色低碳发展战略对了解区域碳汇情况的需求，本研究还选取了碳储存作为大湾区生态系统服务价值评估的关键指标之一。综上，本文基于InVEST 模型，选取生境质量、碳储存、水源供给、土壤保持四个重要指标，分析粤港澳大湾区2005 ～2018年生态系统服务时空演变特征，并对其进行经济价值叠加制图，最后得出大湾区重要的本地化生态系统服务经验数据及综合价值量，为粤港澳大湾区的生态政策制定及国土空间规划提供依据。

1 研究区概况

粤港澳大湾区位于我国华南沿海（21o25'N～24o30'N，111o12'E ～115o35'E），包括广东省广州、深圳、珠海、佛山、惠州、东莞、中山、江门、肇庆九个城市和香港、澳门两个特别行政区（图1），国土面积达5.6 万km2，属亚热带季风气候区，年平均温度约为22.5℃，四季温暖，年平均降水量属1500 ～2500mm 区间内，基本集中于夏季，植被类型以亚热带常绿阔叶林为主，是全球四大湾区之一，也是我国建设高质量发展的世界级城市群的重要载体。

图1 粤港澳大湾区概况及高程分布

表1 研究数据来源与描述

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究涉及的自然地理数据具体来源及描述见表1。

2.2 研究方法

2.2.1 基于InVEST 模型的生态系统服务物理量评估方法

InVEST 模型是目前评估生态系统服务物质量中应用较为成熟的软件系统，能够为生态系统管理和决策提供科学依据，具体原理见InVEST 用户指导手册[26]，本文不作赘述。结合研究区现状，将土地利用类型分为耕地、草地、林地、水域、建设用地和未利用地6 个一级类及22 个二级类[27]。所有数据均经过ArcGIS 重采样工具统一为100m×100m 的分辨率，用于研究中4 个模块的评估与分析。

（1）生境质量

生境质量表示生态栖息地的环境质量相对大小，数值介乎于0 ～1 之间，可用来衡量区域的生物多样性，值越大生境质量越高[28]。本研究采用InVEST 模型中的“Habitat Quality”模块进行评估。

首先区分生境与非生境，将人为干扰强度大，环境恶劣，对生境有威胁作用的区域定义为非生境；结合研究区现状，将生态效应良好的区域定义为生境[29]。其余所需参数参考国内外学者的研究[30-34]、模型指导手册[26]并结合相关领域专家的访谈结果进行修正。

（2）水源供给

基于水量平衡原理，结合植被、地形、气候与土壤等因素，利用InVEST 模型的Water Yield 模块进行水源供给量的计算，公式如下：

式中：Yi是年平均水源供给量；AET（i）是第i 个栅格年实际蒸散发量；P（i）是第i 个栅格年均降水量。

（3）土壤保持

基于通用土壤流失方程USLE，利用InVEST 模型的SDR 模块，并结合研究区现状对相关参数加以修正，土壤保持量为土壤潜在侵蚀量和实际侵蚀量的差值，公式如下：

式中：SCi是第i 个栅格的年土壤保持量；Ri是第i个栅格的降雨侵蚀力因子[MJ·mm·hm-2·h-1]；Ki是第i 个栅格的土壤可蚀性因子；LSi是第i 个栅格的坡长坡度因子；Ci和Pi分别是第i 个栅格的植被覆盖管理因子和土壤保持措施因子。

（4）碳储存

参考相关文献数据[34-39]，利用InVEST 模型的Carbon 模块进行计算，公式如下：

式中：CStotal为总碳储存量；CSabove为地上生物碳储量；CSbelow为地下生物碳储量；CSsoil为土壤碳储量；CSdead为死亡有机物碳储量。

因水域碳储量测算难度大，本研究主要聚焦于陆地生态系统的碳储量。综合《2010年中国陆地生态系统碳密度数据集》及相关文献研究，整理得到各类土地利用类型的碳密度值。

2.2.2 生态系统服务经济价值计算

本研究评估的四项生态系统服务量纲不同，需统一量纲才能综合分析粤港澳大湾区的生态系统服务供给。目前多数研究采用的是归一化处理方法，存在因极大值和极小值影响而出现较大误差的可能，因此本文提出依据生态系统服务经济价值的统一量纲方法，进行生态系统服务供给量评价，从生态经济学角度赋予各项因子权重，实现4 个生态系统服务的价值叠加：

图2 粤港澳大湾区2005 ～2018 年土地利用分布

图3 粤港澳大湾区2005 ～2018 一级土地利用类型数量演变

式中：E总为生态系统服务综合价值，一定程度上反应区域的生态系统服务供给量空间分布特征；Vh表示生境质量价值（元），Xh表示生境质量指数，参照1997年Costanza 等针对单位面积栖息地功能价值为304 美元/hm2的成果[1]，Vw表示水源供给价值（元），Xw表示水源供给量（mm），2018 年单位库容水库的建造成本，一般取0.67 元/m3[40]， Vc表示碳储存价值（元），Xc表示碳储存量（t），采用造林成本法计算，得到碳储存的价值指数为260.9 元/ tC，Vs表示土壤保持价值（元），Xs表示土壤保持量（t），结合学者欧阳志云有关土壤保持价值的研究，得出我国1998 年每吨保持土壤量的平均经济价值为57.24 元[6]，结合通货膨胀的影响，根据国家统计局的居民消费价格指数（CPI）进行修正，最后依据栅格尺度换算得出4类服务的经济价值参数Ph、Pw、Pc、Ps分别为3260 元/ hm2、7.1 元/ mm、408.6元/tC、89.6 元/t。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化特征

2005 ～2018 年期间，大湾区超过一半的面积为林地，约为29725.90km2，耕地占比超过大湾区的1/5，约为12410.64km2，即大湾区3/4 以上的土地为耕地和林地，生态基底优越（图2）。大湾区以广州、深圳为中心，建设用地向四周急剧扩张，生态用地逐年减少。耕地减少了5.6%，达737.34km2，水域减少了10.3%，达440.69km2，未利用地减少了55.8%，达10.79km2，生态用地中仅有草地增加了8.5%，达97.49km2，而建设用地大量扩张，增加28.3%，达1815.83km2（图3）。其中，广州、深圳、东莞、佛山是土地利用变化的核心区域。耕地转出为建设用地、水域与林地，分别转出了1248.19km2、367.79km2与361.64km2，表明城市建设占用了大量的耕地，水域有26.0%发生转化，由于开垦水田、填海造陆、围塘造陆等用地扩张行为，使得大量水域转化为耕地及建设用地，主要集中在佛山、江门等地区。由此可见，耕地、林地、水域和未利用地被建设用地侵占，水域被开垦为水田，林地与耕地间的相互转化是大湾区自2005 年来13 年间主要的土地利用变化趋势。

3.2 生态系统服务时空变化

2005 ～2018 年粤港澳大湾区生境质量、水源供给、土壤保持、碳储存均有较大的时空变化（图4、5），具体分析如下：

在生境质量方面，大湾区2005～2018年均生境质量平均每年下降0.0014，呈现出逐年下降，降速先减缓后增加的规律。其中2005～2010 年降幅最大，2010 ～2015 年相对较缓，至2015 ～2018 年再次增加，表明2015 年后对于生境质量的保护力度有所减弱。大湾区生境质量在空间上大致呈中心城市向四周辐射降低的分布特征，低值区集中于广佛和东莞等核心城市群，均值为0.35，相邻的深圳、中山等城市均值为0.40。大湾区以广、深为发展引擎，其中佛山、东莞、中山等紧邻广深的城市受到的辐射影响较大，生境恶化现象也相对严重。北部肇庆与惠州拥有大量的林地资源，生境良好，是大湾区的北部生态屏障，但其中部分区域也已经显现出生境质量退化及生态用地破碎化等不良趋势。

在水源供给方面，大湾区2005 ～2018 年水源供给量的年波动在0.33%～2.50%之间，平均每年水源供给量为813.91×108m3，变化差异不大，基本呈“U”型上升的态势。水源供给与降雨量及实际蒸散量密切相关，降雨量越大、实际蒸散量越低的区域水源供给量越大。空间分布上，大湾区水源供给量呈现出极大的时空分布不均性，水源供给量较大区域为中北部广佛地区、西南沿海区域，这些地区常年降雨量较大，且中北部为广州、佛山、东莞等人口密集的城市，建设用地占比较大，实际蒸散量小，水源供给量相对较多；较小区域则分布在西北部、东部林地，这些区域降雨量相对较小，且林地蒸腾作用强烈。

图5 2005 ～2018 年粤港澳大湾区四项生态系统服务物质量增减情况

在土壤保持方面，大湾区2005 ～2018 年土壤保持量呈现波动下降的规律。大湾区2005、2010、2015、2018 年平均降雨侵蚀力因子分别为18905、11886、13665、12500，与各年份土壤保持量相关系数为0.998（P ＜0.01），表明土壤保持量与降雨侵蚀力存在非常显著的正相关性。降雨越集中，暴雨次数越多，土壤潜在蒸散量越大，在一定的植被覆盖、地形情况下，土壤保持量就越大。此外，土壤保持下降还可能与植被覆盖减少，生态系统受到人为干扰有关。空间分布上，大湾区土壤保持整体呈现出南部沿海—北部林地高、中部区域低的分布规律，随着降雨强度的变化，每年略有波动。南部沿海降雨强度大，潜在土壤侵蚀量较大，造成土壤保持偏高；北部林地植被覆盖率高，人工设施较少，有很好的水土保持功能；而中部区域主要为核心城市，植被覆盖率低，开垦田地现象普遍，因此土壤保持量较低。

图6 2005 ～2018 年粤港澳大湾区生态系统服务综合价值空间分布图

图7 2005 ～2018 年粤港澳大湾区生态系统服务综合价值饼状图

在碳储存方面，大湾区2005 ～2018 年碳储量变化与生境质量一致，呈现出逐年下降，降速先减缓后增加的规律。整体而言，2005 ～2018 年大湾区的碳储存能力下降，原本储存在植被和土壤中的碳被释放到大气中，大湾区的气候环境质量因此有一定下降，但是自2015 年后，不利干扰因素有一定减轻。空间分布上，大湾区碳储量呈现出中部区域—伶仃洋东岸低、四周高的分布规律，其中西部、东北两翼碳储量极高，这些区域林地、草地等生态用地分布广、面积集中，是重要的碳汇资源，碳储量占大湾区总量70%以上；中部区域—伶仃洋东岸是大湾区人口密度最高、经济建设最剧烈的区域，主要为广州、佛山、深圳、东莞，硬质覆盖率高，生态用地破碎，因此碳储存较低。可以看出，碳储量与土地利用类型、人口分布有很大的相关性。

3.3 生态系统服务综合价值时空演变

粤港澳大湾区2005、2010、2015、2018 年生态系统服务综合价值（图6、7）总量分别为5499.59 亿元、3629.28 亿 元、4185.12 亿 元、3720.53 亿 元；平均每公顷价值量分别为103468.9 元、68237.8 元、78792.9 元、70496.1 元，呈现出波动下降的规律。其中2005 ～2010 年降幅最大，达34.01%，平均每年降低374.06 亿元；2010 ～2015 年呈上升趋势，平均每年增加111.17 亿元；2015 ～2018 年再次下降，平均每年下降92.92 亿元。四大指标中，土壤保持价值占比在62%～75%之间，年均值为2888.67 亿元，是经济价值最大的生态系统服务，因此土壤保持价值的年际变化，对于湾区生态系统服务综合价值变化有较大影响，二者呈现出近似的年度变化趋势。碳储存占比约在14%～21%，年均值为782.56 亿元，水源供给约在9%～13%，年均值为482.92 亿元，二者经济价值权重相近。生境质量则在2%～3%之间，年均值为104.49亿元，占比较低，这主要是由于目前的相关研究低估了生境质量的经济价值，未能充分阐述其功能机制与对人类福祉的影响。粤港澳大湾区2005 ～2018 年服务价值减少了1779.05 亿元。其中服务价值不变的区域占比5.5%，服务价值降低的区域占比70.3%，服务价值升高的区域占比24.2%，降低区域面积远大于不变及升高区域。降低区域以肇庆、广州、惠州、东莞等区域为主，惠州及肇庆北部下降尤为显著，生态系统服务功能有所下降；升高区域则分布在西南部江门、中山、深圳东南部，与土壤保持增加有关。不变区域多位于升高与降低的交界地带，呈现出过渡的渐变特征。空间分布上，大湾区生态系统服务综合价值整体呈现出南部沿海—北部林地高、中部区域低的分布规律，每年略有波动，这是由于沿海及北部林地有较好的生境质量、碳储存与土壤保持功能，共同构成较高的生态价值；价值较低的中部区域主要为广州南部、佛山、东莞、中山北部，主要为珠三角核心城市群，生态功能较弱。对比大湾区高程图，发现生态系统服务综合价值较高的区域主要分布在山地等海拔较高的地区，这可能是因为山区植被资源丰富、人口稀少，保留了较好的生态功能。

4 结论与讨论

4.1 结论

本研究以粤港澳大湾区为案例，基于InVEST 模型和生态经济学方法对区域关键的4 项生态系统服务，分别为生境质量、水源供给、土壤保持和碳储存的时空分异特征进行定量测度，其结果能充分、直观地展现生态系统服务所产生的实际经济价值。分析表明：

（1）粤港澳大湾区生境质量、碳储存逐年下降，降速先减缓后加快，土壤保持波动式下降，而水源供给呈“U”型上升趋势。空间分布上，生境质量呈中部向四周辐射降低的分布特征，碳储量呈中部区域—伶仃洋东岸低、四周高，水源供给量呈西北部—东部林地低、北部—西南沿海高，土壤保持呈中部低、南部沿海—北部林地高。

（2）粤港澳大湾区2005、2010、2015、2018 年生态系统服务综合价值量分别为5499.59 亿元、3629.28亿元、4185.12 亿元、3720.53 亿元，呈波动式下降的趋势（表2）。空间分布上，大湾区生态系统服务综合价值呈中部低、南部沿海—北部林地高。大湾区土壤保持经济价值占比最高，碳储存、水源供给、生境质量经济价值占比依次降低。

表2 2005 ～2018 年粤港澳大湾区生态系统服务价值统计

综上，粤港澳大湾区应着重保护南部沿海的滩涂湿地和北部林地等生态系统服务价值高的区域，严格落实生态保护红线，合理控制城市的建设规模；针对中部珠三角核心城市群，如广州、佛山和东莞等生态系统服务价值较低的区域，应制定科学的生态系统修复策略，如增加绿地面积、提升绿地质量和优化景观格局等以提升区域生态系统服务水平，为粤港澳大湾区实现经济与生态高质量协调发展助力。

4.2 讨论与展望

（1）大部分研究在针对多种生态系统服务统一量纲进行综合分析时往往采用归一化法，该方法存在较大缺陷，若区间内有极大值且占比较低，归一化处理后，会导致其余栅格元素值过低。同时由于归一化值高不代表其价值的绝对值高，无法准确对比分析多年来生态系统服务综合价值变化情况。因此用经济价值进行生态系统服务叠加，能够较好比较生态系统服务综合分布情况。

（2）经济价值计算方法一般来说，主要包括市场估价法、成本估价法、揭示性偏好法、陈述性偏好法、模拟交换价值法。估价方法不同，其结果差异也较大。本研究主要采用的是成本估价法。估价方法的准确度与人类对于生态系统服务的认知程度密切相关，因此需要进一步了解生态系统具体功能机制以及对人类的影响途径，且各类生态系统服务的实际经济价值也依赖于当下人类需求情况，后续在对其估值并进行综合研究时还应考虑供需关系下各生态系统服务存在的相对重要性权重方面的研究。

（3）随着城市化进程加快，我国重点城市群的区域生态安全问题皆十分显著，生境质量逐年降低。与长三角、京津冀地区进行横向对比发现，大湾区的平均生境质量相对较高而逐年退化率较低，各项生态系统服务总量也处于领先水平；在水源供给方面，由于不透水土地面积增加而整体都呈上升趋势；在碳储存方面，各城市群逐年来变化都不大，其中京津冀为上升趋势，而大湾区和长三角则略有降低；在土壤保持方面，大湾区和长三角逐年降低且大湾区的下降速率明显高于长三角，而京津冀则呈上升趋势[41-45]。综上，不难发现，本文的评估结果具有较高的科学性且与其他城市群的生态系统服务价值之间存在横向对比的研究价值。目前，虽然我国各城市群整体的生境质量皆处于一个下降的趋势，但是其中也有部分城市针对相关生态系统所作的修复策略，如京津冀的退耕还林工程已初显成效，因此亟需对比研究多城市群之间生态系统服务价值的时空分异，探究产生区域响应的影响机制，更好地构建利于多城市群经济与生态协调发展的科学管理框架。

图、表来源

文中图、表均由作者绘制。