基于单位面积价值当量因子法对湘潭市生态系统服务功能价值评估分析

赵 理

(湘潭市林业综合服务中心，湖南 湘潭 411102)

2021年，中共中央办公厅、国务院办公厅出台的《关于建立健全生态产品价值实现机制的意见》是践行绿色发展理念的纲领性文件，是中国特色的生态文明建设制度框架的顶层设计，旨在倡导保护优先，合理利用。生态价值已受到全社会关注和认可，摸清区域各类生态系统资源、产品数量、质量等底数，科学、客观地研究和评估区域生态系统服务功能价值，可为实现生态产品价值提供基础数据，有利于对区域生态系统承载能力作出客观评价，优化国土空间规划，科学区划生态保护等级，保护生态区位重点区域；有利于实现可持续高质量发展，推进生态文明建设，为生态系统生产总值(GEP)核算、实现“双碳”目标提供依据。

目前，对生态系统服务功能价值(ecosystem services value，简称ESV)评估有两类较成熟的方法[1]，一类是基于单位服务功能价格法[2]，一类是基于单位面积价值当量因子法[3]。当量因子法在国内外研究中被广泛应用，较为直观易用，数据需求少，适用于较大区域ESV的评估[4]。张乐勤[5]等通过局部地区研究和对比两种方法后认为，当量因子法评估相对接近人们的支付意愿，在生态补偿领域若使用此方法，补偿方与受补方易接受，可操作性强。2015年，谢高地等[6]采用当量因子法结合2010年全国土地植被覆盖遥感数据对全国生态系统各类生态服务功能类型价值进行了评估，为评估区域ESV提供了示范。从文献检索结果看，目前只有湖南省主要森林类型生态服务功能及价值评价[7]、长株潭城市群生态绿心地区森林生态系统服务功能评估[8]、长株潭城市群绿心地区生态系统服务价值时空变化研究[9]和韶山市土地利用变化对周围土地生态服务价值的影响等[10]与湘潭市相关的ESV评估和研究的实例，前二者只对相关区域森林生态系统服务功能价值基于单位服务功能价格法进行了专项评估，后二者用当量因子法分别对长株潭绿心和韶山市进行了ESV评估。本文采用单位面积价值当量因子法，利用湘潭市三调数据库资料结合森林资源数据库，对湘潭市生态系统服务功能价值(ESV)进行评估，并对结果进行分析评价。

1 研究区概况

湘潭市地处湖南省中东部，与长沙、株洲构成长株潭“两型”社会建设示范区，辖湘潭县、湘乡市、韶山市、雨湖区、岳塘区五个县(市、区)，地理位置为111°58′—113°05′E，27°20′55″—28°05′40″N，总面积5005.78 km2(数据来源于湘潭市三调数据)。为典型的低山—丘陵地貌，地势西高东低、南北高中部低，全市地貌以四山(韶峰、褒忠山、昌山、晓霞山)、一江(湘江)、两水(涟水、涓水)为骨架构成了湘乡—湘潭盆地，北、西、南三面丘陵环绕(见图1)，湘潭市水系发达，分布广，河网冲沟密度为1.5～5.0 km·km-2，水系密布呈树枝状。路网密度、人口密度高于全省水平。

图1 湘潭市高程分析图Fig.1 Elevation analysis map of Xiangtan City

湘潭市年平均降水量1350 mm左右，雨水多，湿度大，全年日照平均天数为189d，日照时数在1300h以上，6—9月日照最多，夏季气温高。无霜期达290d左右，属中亚热带季风湿润气候区。

境内动植物资源丰富，自然植被属中亚热带常绿阔叶林，主要为壳斗科(Fagaceae)、樟科(Lauraceae)、蔷薇科(Rosaceae)、山茶科(Theaceae)、冬青科(Aquifoliaceae)、芸香科(Rutaceae)、杜鹃科(Cuculidae)等。全市有种子植物173科562属1 078种，有陆生野生脊椎动物32目82科352种。

2 数据与方法

2.1 数据来源

以湘潭市三调数据库和森林资源数据库融合成果为基础数据，根据中国科学院土地利用覆盖分类体系和中国生态系统分类标准，对照三调数据库土地利用分类体系和森林资源数据库林地分类系统将湘潭市土地利用类型与新版当量因子表的一、二级生态系统比较进行归类，分为5大类、9项二级类型。湘潭市各县市区土地利用情况见表1，土地利用类型分布见图2。

表1 湘潭市各县市区土地利用统计表Tab.1 Statistical table of land use in each county and urban area of Xiangtan Citykm2行政区域国土调查总面积耕地森林草地旱地水田针叶林针阔林阔叶林灌木林地灌草丛水域建设用地及其它用地湘潭市500 578.718 916.39127 154.66103 091.6159 629.4338 894.0934 773.911 014.9643 229.9483 873.72湘潭县213 998.912 887.6960 673.2343 628.3023 347.2416 011.8917 268.30215.9718 529.4731 437.82湘乡市196 621.114 330.8148 113.3150 022.3022 580.2316 231.0911 862.82418.3315 957.0727 105.15韶山市24 722.02412.895 379.322 756.317 311.602 167.761 197.8027.561 403.594 065.19雨湖区44 596.47753.4611 080.755 462.104 003.402 770.012 878.95152.454 824.0912 672.26岳塘区20 640.20531.541 908.051 222.602 387.961 713.341 567.04201.652 515.728 593.30

图2 湘潭市土地利用类型分布图Fig.2 Distribution map of land use types of Xiangtan City

根据《全国农产品成本收益资料汇编2020》《湘潭市统计年鉴》[11]《湘潭市国民经济和社会发展统计公报》[12]等统计资料，湘潭市2019年谷物播种面积166760hm2，总产量1210662t(见表2)，谷物及其他作物总产值423154.26万元。

2.2 评估方法

2.2.1 ESV评价方法 1997年，Costanza等[13]提出生态服务价值评价体系；2008年，谢高地等[16]依据Costanza的评估方法，结合我国实际编制了中国陆地生态系统每1 hm2ESV当量因子表，并于2015年进行了改进和扩展。此方法以全国每1 hm2农田年自然粮食产量经济价值为一个基础单位，即一个功能当量，通过基于CASA模型[[14]所得的净初级生产力(NPP)数据[6，15]，根据专家经验构建了耕地、森林、草地、湿地、水域、建设用地等6个一级生态类型10种二级生态类型生态系统各项服务功能的基础当量表，每种生态系统类型包含供给服务、调节服务、支持服务和文化服务4大项服务功能和11项细分服务功能[6]。根据当量因子法的生态系统分类方法，将湘潭市区域生态系统分为耕地、森林、草地、水域、建设用地及其他用地五个大类。根据专家的研究成果将建设用地的ESV为0，因三调数据库中湿地面积仅为656.87 hm2，因此将湿地归并入水域，取水域和湿地当量因子的平均值作为本地水域的生态服务价值指标。调整后的基础当量表见表3。

根据谢高地等[6]的研究成果在计算研究区域ESV当量时，采用区域每1 hm2农田年自然生产主要粮食作物(稻谷、小麦和玉米等)数据计算1个标准当量因子的生态系统服务功能价值量(ESV)[6]。即1个标准当量因子的ESV，大约等于

表2 2019年湘潭市各县市区谷物播种面积和产量统计表Tab.2 Statistical table of grain planting area and yield in each county and urban area of Xiangtan City in 2019谷物稻谷小麦玉米高粱面积/(×103 hm2)总产量/t面积/(×103 hm2)总产量/t面积/(×103 hm2)总产量/t面积/(×103 hm2)总产量/t面积/(×103 hm2)总产量/t湘潭市166.761 210 662164.341 195 6090.01192.1213 8720.281 162湘潭县85.26619 81584.50614 805——0.765 010——湘乡市61.63446 19460.59439 5450.01191.036 630——韶山市5.2941 5475.2541 381——0.03166——雨湖区13.7296 19713.1493 013——0.292 0220.281 162岳塘区0.866 9090.856 865——0.0144——

表3 单位面积ESV基础当量表[16]Tab.3 Unit area ESV foundation equivalent table生态系统服务功能供给服务调节服务支持服务文化服务一级分类二级分类食物生产原料生产水资源供给气体调节气候调节净化环境水文调节土壤保持维持养分循环生物多样性美学景观耕地旱地0.850.400.020.670.360.100.271.030.100.130.06水田1.360.09-2.631.110.570.172.720.010.100.210.09针叶0.220.520.271.75.071.493.342.060.101.880.82森林混交0.310.710.372.357.031.993.512.860.202.601.14阔叶0.290.660.342.176.51.934.742.650.202.411.06灌木0.190.430.221.414.231.283.351.720.101.570.69草地灌草0.380.560.311.975.211.723.822.400.102.180.96水域水系0.660.375.441.342.954.5863.231.620.125.213.31

当地粮食每1 hm2产量价值的1/7，计算公式为：

(1)

式中：D为单位当量因子的价值，Si、Fi分别表示研究区粮食平均产量和粮食平均价格[10]。查阅湘潭市2019年主要农作物种植面积、产量和价格等相关统计资料，计算出湘潭市2019年主要粮食作物平均产量为7 259.9 kg·hm-2，粮食平均价格为3.495元·kg-1。由公式(1)计算出湘潭市2019年1个标准当量ESV为3 827元·hm-2。

2.2.2 格网ESV空间数据的构建和空间统计分析 GIS格网尺度法是指用空间格网单元作为指标因子的数据载体和基本评价分析单元的方法[17-18]。采用GIS格网尺度法进行生态服务价值空间分布模拟，可直观反映湘潭市格网ESV空间分布具体情况，实现ESV空间格局可视化表达。基于ArcGIS平台，运用渔网(Create Fishnet)工具，将湘潭市区域以0.5 km×0.5 km为基础单元划分为18 320个格网单元，将单个格网内不同生态系统类型的ESV进行求和计算，得到每个格网单元的ESV值，实现以格网ESV空间数据的构建。再用ArcGIS空间自相关(Moran’s I)和聚类和异常值分析(Anselin Local Moran’s I)等空间统计分析工具对湘潭市生态服务价值(ESV)空间格局进行定量可视化分析[16]。

3 结果与分析

3.1 湘潭市ESV总体评价

根据湘潭生态系统构成、基础当量表和标准当量生态服务价值，计算出湘潭市2019年各生态系统的ESV，湘潭市生态系统服务功能价值(ESV)为344.27亿元(见表4)。

从表4可知，比较不同类型生态系统的ESV，从大到小依次为：森林>水域>耕地>草地。其中：森林生态系统ESV最高176.27亿元，占比全市ESV的51.20%；水域生态系统ESV为146.94亿元，占比全市ESV的42.68%；耕地生态系统ESV为20.30亿元，占比全市ESV的5.90%；草地生态系统ESV为0.76亿元，占比全市ESV的0.22%。

表4 湘潭市各生态系统ESV统计表Tab.4 Statistical table of ESV of various ecosystems of Xiangtan City亿元生态系统服务功能供给服务ESV调节服务ESV支持服务ESV文化服务ESV一级分类二级分类食物生产原料生产水资源供给气体调节气候调节净化环境水文调节土壤保持维持养分循环生物多样性美学景观合计占总服务价值/%小计6.910.57-12.795.632.900.8613.330.400.971.070.4620.305.90耕地旱地0.290.140.010.230.120.030.090.350.040.040.021.370.40水田6.620.44-12.805.402.770.8313.240.050.921.020.4418.935.50 小计2.265.232.7117.1851.3515.0032.7020.891.6019.038.33176.2751.20 针叶林0.872.051.076.7120.005.8813.188.130.637.423.2469.1620.09 森林针阔林0.711.620.845.3616.044.548.016.530.505.932.6052.6915.31 阔叶林0.430.980.513.239.682.877.063.940.303.591.5834.169.92 灌木林地0.250.570.291.885.631.704.462.290.172.090.9220.255.88 草地灌草丛0.010.020.010.080.200.070.150.090.010.080.040.760.22 水域1.080.609.002.214.877.57104.622.680.218.625.48146.9442.68 合计10.276.43-1.0725.0959.3223.49150.7924.062.7828.8014.30344.27100.00

比较不同类型生态系统单位面积ESV，从大到小依次为：水域>针阔林>阔叶林>草地>针叶林>灌木林地>旱地>水田，水域生态系统单位面积生态系统服务价值最高，为339895万元·hm-2；森林生态系统，单位面积平均ESV为74567.1万元·hm-2；除建设用地外，最低的为水田生态系统，单位面积ESV为14887.03万元·hm-2。

就生态系统服务类别ESV排序，调节服务价值>支持服务价值>供给服务价值>文化服务价值。调节服务ESV最高，为258.70亿元，占比75.14%；支持服务ESV为55.64亿元，占比16.16%。另外，按服务功能分类而言，水文调节ESV位列第一，为150.79亿元，气候调节ESV居第二位，为59.32亿元，两种服务ESV分别占总价值量的43.80%和17.23%。其次是生物多样性、气体调节、土壤保持和净化环境，此四种服务功能合计价值量为101.44亿元，占比29.47%。其他食物生产、原料生产、水资源供给、美学景观等ESV占总服务价值的7.95%。

3.2 各县市区ESV比较分析

2019年，湘潭市下辖5县市区中，湘乡市总ESV最高，为146.64亿元(见表5)，岳塘区总ESV最低，为14.42亿元。从生态系统角度看，湘潭县、湘乡市、韶山市森林生态系统ESV排第一，雨湖区、岳塘区水域生态系统ESV排第一，这与各县市区各生态系统面积大小直接相关。在单位面积ESV统计中，全市单位面积ESV平均为6.877 4万元·hm-2，岳塘区单位面积ESV最高，为6.984 1万元·hm-2，雨湖区单位面积ESV最低，为6.634 6万元·hm-2，这是由于各区域生态系统内部结构、生产力质量差异和建城区面积造成的，如水域面积和森林林分质量差异，阔叶林、针叶林、混交林和灌木林的占比差异密切相关。

从单位面积ESV空间分布分析，绿心区单位面积ESV最高，这与绿心区有大面积水域和良好的森林资源对区域ESV的贡献有很大关系。

表5 湘潭市各县市区生态系统ESV和单位面积ESV统计表Tab.5 Statistical table of ecosystem ESV and unit area ESV in each county and urban area of Xiangtan City单位国土面积/hm2供给服务/亿元调节服务/亿元支持服务/亿元文化服务/亿元生态系统生产总值/亿元单位面积ESV/(万元·hm-2)湘潭市500 578.7115.62258.6955.6414.30344.276.877 4 湘潭县213 998.916.27110.8423.476.06146.646.852 4 湘乡市196 621.116.32102.1322.875.74137.066.970 6 韶山市24 722.020.7711.983.100.7216.576.701 5雨湖区44 596.471.3922.824.181.1929.596.634 6岳塘区20 640.200.8810.922.020.5914.426.984 1

3.3 ESV空间分析

3.3.1 空间格局分析 基于ArcGIS平台，采用自然间断点法将格网单元ESV划分为5个不同区间[18]，对格网单元ESV进行分类，获得格网尺度ESV空间分布图(见图3)，格网单元的平均ESV为192.92万元，格网单元ESV最小值为0元，最大值为892.87万元。从湘潭市格网尺度ESV空间分布图来看，各格网单元ESV之间差异较大，分布不均匀，格网单元ESV的空间变化明显与湘潭市地形地貌、水资源分布一致。区域内大面积水域(湘江、涟水、涓水、水府庙水库、花石水库)和森林分布(长株潭绿心、韶山风景名胜区、褒忠山、东台山、昌山、晓霞山、仙女山)与空间ESV数据相一致，空间ESV数据明显高于其他区域。

图3 湘潭市格网尺度ESV空间分布图Fig.3 Grid scale ESV spatial distribution map of Xiangtan City

3.3.2 空间自相关分析 根据ESV空间格局分析表明与各类地理实体一样存在空间关联性[18]。ESV的空间格局也可以基于空间自相关分析、聚类分析等方法进一步探究[16]。用ArcGIS 中空间自相关(Moran’s I)工具根据格网位置和ESV值统计量测量空间自相关性，得到Moran’s I指数0.529648、z值39.14、p值<0.000001，可见湘潭市格网 ESV 在空间分布上呈一定聚类分布。利用 ArcGIS 中的“聚类和异常值分析”(Anselin Local Moran’s I)工具，以格网的 ESV数据为基础，进行高低聚类分析，可以得到以下 5 种分类结果(见图4)：(1)“不显著”区域(NOT)表示该区域的生态地块破碎，高低ESV值生态地块和建设用地块相互交错，表现出ESV与空间关系不显著；(2)“高值聚类”区域(HH)表示该区域的生态系统服务价值与空间关系显著，高值聚类区域主要分布在湘江、涟水、涓水、水府庙水库、花石水库、长株潭绿心、韶山风景名胜区、褒忠山、东台山、昌山、晓霞山、仙女山等区域，且均为提供高价值生态系统服务的区域，是湘潭市重点生态源地；(3)“高值主要由低值围绕的异常值”区域(HL)以及“低值主要由高值围绕的异常值”区域(LH)表示该区域的ESV与空间关系显著，但区域内不均质，导致聚类结果异常；(4)“低值聚类”区域(LL)表示该区域的ESV与空间关系显著，且均为提供低价值生态系统服务的区域。低值聚类区域集中分布在湘潭市及各县市区建成区和城镇化发展水平较高、人口最密集的区域。空间聚集图分析湘潭市ESV空间聚集不明显，生态还有较大的提升空间，特别是自保地(除水域外)没有发挥自保地ESV空间规模效应和集聚效应，这也与湘潭市属丘陵区，人口、路网密度高于全省平均水平有很大关系。因此，需加强区域内自保地和ESV高值区的生态保护，提升林分质量，以促进区域生态建设。

图4 湘潭市格网尺度生态服务价值空间聚集分类图Fig.4 Spatial clustering classification map of ecological service vat grid scale of Xiangtan City

4 结论与讨论

本文利用湘潭市三调和森林资源等基础数据，采用单位面积价值当量因子法将研究区域划分成耕地、森林、草地、水域、建设用地5个一级类型9种二级类型均质化的生态系统服务功能测算单元进行价值评估，估算出湘潭市生态系统服务功能价值(ESV)344.27亿元；并对区域内各县市区、各生态系统ESV比较分析，用格网尺度法对ESV进行空间分析。其结果对摸清区域内各类生态系统资源、产品数量、质量底数，优化国土生态空间，实现生态产品价值具有一定意义。

依据区域重点生态区位空间分布特征，建议重点保护重点生态区位等ESV高值聚类区域，优化国土空间格局。通过水源地保护、国土绿化、森林质量精准提升、公益林、天然林保护、生物多样性保护等生态保护与修复措施，保护湿地、水生态系统，促进森林生态系统正向演替，提高生态源地内部功能质量，发挥空间规模效应和集聚效应；加大对ESV低值区的生态建设与修复，在土地利用上进行高效配置，增加绿量，重视生态基础设施的建设，改善城镇环境，提高生态效益，提升湘潭市生态环境，建成生态要市。