中國土地生態系統服務當量因子空間修正及價值評估

薛明皋，邢 路，王曉艷

（華中科技大學管理學院，湖北 武漢 430074）

1 引言

生態系統服務（Ecosystem Services）是指生態系統通過生態結構、功能和過程為人類生存所提供的必要的生態產品和服務[1]。在中國快速城市化背景下，經濟發展和人口增加給生態環境帶來了巨大壓力[2]。其中，人類活動所引起的土地利用變化對地區生態系統服務產生最直接的影響[3]。因此，科學評估土地生態系統服務價值（ESV），有助于制定科學的土地生態保護、規劃以及補償政策。

目前ESV評估方法主要有兩大類，即功能價值評估法和當量因子評估法[4]。功能價值評估法通過一系列生態方程，對一些關鍵的服務功能進行評估，如食物生產、水土保持、固碳制氧和棲息地質量等[5-8]。具體的，學者會采用一些經濟學方法將不同的物質量單位轉為統一的貨幣價值，如實際市場法、替代市場法和虛擬市場法[9-11]。功能價值法能夠較準確地衡量地區某些服務功能量的大小，然而針對不同的服務功能，往往需要不同的生態方程和參數輸入，計算過程較為復雜[4]，因此該方法多集中在小尺度范圍，且實施成本較大。另外，采用該方法進行評估時，學者往往缺乏對研究區域生態背景的考量，自行選擇所要評估的服務功能及其參數設定，這就給評估結果帶來巨大的不確定性[12]，同時限制了各研究結果之間的可比性[8]。當量因子評估法最早由Costanza等[1]提出，該方法劃分了不同土地生態系統和服務功能，并基于薈萃分析法（Meta-analysis）得到當量價值，再結合各生態系統面積得到地區ESV。相比于功能價值法，該方法能夠更加有效地對大尺度范圍ESV進行評估[13]，因而在研究中被廣泛采用[1，4，14-16]。

學者研究發現，只有當當量因子能夠準確反映研究區域生態背景時，當量因子法的評估結果才是有效可靠的[13，17-18]。Costanza等[1，14]提出的當量因子針對的是全球尺度的價值評估，不符合中國真實的生態現狀。謝高地等[15-16]通過對中國生態學家進行問卷調查，先后在2003和2008年提出了針對中國的生態系統服務當量因子表。2015年，謝高地等[4]結合各類文獻資料和地區生物量對當量因子表進行了進一步更新和完善，該表亦是目前中國最科學和系統的當量因子表。謝高地等[4]提出的當量因子表實質上反映的是全國生態系統服務功能的平均水平，而目前大量研究[8]表明，不同服務功能的強度受不同生態過程和條件的影響，如有機物生產、氣體調節和營養物循環等功能[6]與凈初級生產力（NPP）密切相關，水源供給和調節功能、土壤保持、生物多樣性保護以及文化服務功能，則分別與降雨量[24]、土壤侵蝕度[25]、棲息地質量[7]以及游憩場所可達性[26]密切相關。因此，在采用當量因子法對地區生態價值進行評估時，需要對當量因子做相應的空間修正[19-20]。目前學者基本都僅采用生物量或NPP對所有類型的服務功能進行修正[15-16，21-23]，這顯然不符合真實情形。謝高地等[4]首次選擇除NPP外的其他生態指標（降雨量和土壤保持量）對服務功能進行了修正。并且國內研究較少從全國層面分析土地利用及其生態價值的時空變化。綜上，本文以謝高地等[4]的當量因子為基礎，通過總結已有功能評估法，識別影響各服務功能的關鍵因素，進而構建一個能夠反映各服務功能地區差異的空間異質評估模型，為中國ESV評估提供更全面和客觀的評估方法，并以2000—2015年中國地級層面城市為樣本，評估和分析中國土地利用及其生態效應的現狀和時空變化，以期為中國土地生態保護和管理提供更科學的參考。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源及處理

表1列出了本文的數據信息。其中，土地利用數據用于計算ESV，地級層面土地利用數據通過ArcGIS面積制表功能得到。其余數據用于計算服務功能調節因子。同時，為便于分析ESV的時空變化，本文行政邊界統一以2015年中國行政地圖數據為準。

表1 數據來源及介紹Tab.1 The source and introduction of the data

2.2 生態系統服務價值評估

2.2.1 當量因子空間修正模型

本文對當量因子的修正是基于2015年謝高地等[4]提出的當量因子表，其將服務功能分為4種一級功能和11種二級功能，將生態系統分為6種一級生態系統和14種二級生態系統。本文結合相關研究[24-27]，最終選取5個關鍵的生態經濟指標對11種服務功能進行空間修正。公式為：

式（1）中：Vaif指某種生態系統第f類服務功能在地區i的當量因子；Vf指該種生態系統第f類服務功能全國平均當量因子（其中，第1類服務功能包括食物生產、原料生產、氣體調節、氣候調節、維持養分循環和凈化環境；第2類包括水資源供給和水文調節；第3類指生物多樣性；第4類指土壤保持；第5類指美學景觀）；Eif指該種生態系統在地區i針對第f類服務功能的空間調節因子（Ei1到Ei5對應5類服務功能，分別指NPP調節因子、降雨量調節因子、棲息地質量調節因子、土壤侵蝕度調節因子和可達性調節因子）。NPP和降雨量調節因子在謝高地等[4]的研究中已做介紹，故不再贅述。下面重點介紹棲息地質量、土壤侵蝕度和可達性調節因子。

（1）棲息地質量調節因子。生物在不同土地類型間遷徙會遇到不同的阻力，阻力越大意味著生物遷徙要克服更大的困難，進而導致較差的棲息地質量，影響地區生物多樣性水平[27]。利用ArcGIS成本距離工具計算遷徙阻力水平，遷徙阻力由“生態源”和成本柵格兩個要素共同決定。因為林地是陸地生物最適宜的棲息地，因此本文將林地從土地利用數據中提取出來作為“生態源”，其余土地類型作為成本柵格，成本參數設置參考Li等[7]的研究。棲息地質量調節因子公式如下：

式（2）中：Ri指地區i的平均阻力度；Ri指全國平均阻力度。

（2）土壤侵蝕度調節因子。土壤侵蝕是地理環境諸多因素相互作用和制約的結果，地區土壤保持功能受到自然土壤侵蝕的影響。根據中國科學院地理科學與資源環境所的土壤侵蝕分類，本文將不同土壤侵蝕程度賦值1～6，1代表輕微侵蝕，6代表劇烈侵蝕，再通過ArcGIS計算地區的平均侵蝕強度。土壤侵蝕度調節因子公式如下：

式（3）中：ei指地區i的平均侵蝕強度；ei指全國平均侵蝕強度。

（3）可達性調節因子。根據游憩機會譜（ROS）理論[26]，文化服務功能由兩個關鍵因素決定，即娛樂潛力指數（RPI）和游憩場所可達性指數。文化服務當量因子反映的是不同土地生態系統的RPI，而可達性將決定這些生態系統文化服務功能真實的供給水平。本文通過ArcGIS計算了地區交通密度，即地區交通越便利，文娛功能供給能力越強。可達性調節因子公式如下：

式（4）中：RDi指地區i的平均道路密度（km/hm）；RDi指全國平均道路密度（km/hm2）。

2.2.2 標準當量因子經濟價值計算

以稻谷、小麥和玉米三大主要糧食作物凈利潤的加權平均作為標準當量因子經濟價值。考慮種植面積和糧食價格受自然和市場因素的影響而產生波動，取2010—2014年糧食凈利潤的平均值作為本文的標準當量因子價值。本文標準當量因子經濟價值計算公式如下：

式（5）中：D指1個標準當量因子的生態系統服務經濟價值（元/hm2）；Srn、Swn和Scn分別指稻谷、小麥和玉米的播種面積占三種作物播種總面積的比例；Frn、Fwn和Fcn分別指稻谷、小麥和玉米的單位面積凈利潤（元/hm2）；n指年份；農產品價格指數r將本文價格轉為2000年不變價格。作物播種面積和凈利潤數據來源于2011—2015年《全國農產品成本收益資料匯編》。

2.2.3 空間異質生態系統服務價值計算

地區總ESV由下式可得：

式（6）中：ESV是地區生態系統服務總價值（元）；Ak是k類土地生態系統面積（hm2）；Vakf是k類土地生態系統功能f修正后的當量因子。

3 研究結果及分析

基于2000年、2005年、2010年和2015年中國土地利用數據，利用ArcGIS和Excel統計軟件，對中國ESV進行評估，并分析其時空變化。

3.1 2000—2015年中國土地利用變化

由圖1可見，草地覆蓋面積最廣，占陸地總面積的31.47%，其次為林地（23.57%）、未利用地（20.06%）和耕地（18.79%），剩余類型（水域、建筑用地和濕地）僅占總面積的6.12%。耕地主要位于長江中下游平原、華北平原、東北平原及四川盆地。林地主要位于東北和東南地區，而草地主要集中在西北和內蒙古地區。建筑用地主要分布于東部沿海，并呈明顯聚集特征，形成幾大主要都市圈，如京津冀都市圈（9.13%）、長三角都市圈（12.32%）、珠三角都市圈（5.43%）和成渝都市圈（2.87%）。濕地主要位于青海和黑龍江，兩省占總濕地面積的41.59%。未利用地包括沙地、戈壁、鹽堿地和裸地等，主要位于內蒙古、青海、甘肅及新疆。2

圖1 2015年中國土地使用空間分布Fig.1 The spatial distribution of China’s land use in 2015

15年間，除建設用地和水域外，其余土地類型都呈下降趨勢（表2）。建設用地急劇增長，總共增長4.94×104km2，年均增長率1.91%。水域波動增長，總共增長3.33%。草地下降最多，總共減少2.05×104km2，其次為耕地和未利用地，分別減少1.45×104km2和1.21×104km2。濕地和林地變動相對較少，分別減少4 063 km2和2 614 km2。

15年間1.59%的土地發生了變動，年均變動1.01×104km（2表3）。其中，林地主要轉變為建設用地（34.75%）、草地（28.05%）和耕地（27.89%），同時分別有6 170 km2和8 070 km2的耕地和草地轉變為林地。盡管耕地和草地都經歷了較大幅度的下降，但兩者減少部分的去向存在差異，耕地主要轉為建設用地（63.47%），而草地主要轉為耕地（45.21%）。水域跟濕地存在相互轉變的關系，主要由于濕地跟水域擁有較為類似的生態性質。建設用地以其他土地轉入為主，其中耕地是建設用地增長的主要來源（65.99%）。最后，未利用地主要轉為耕地、草地和水域等自然與半自然用地，說明對未利用地的開發總體遵循了綠色發展原則。綜上，中國建設用地的急劇擴張，導致了生態用地的急劇減少，尤其對耕地安全產生了嚴重威脅。

表2 2000—2015年中國土地利用格局變化Tab.2 Changes of China’s land use pattern from 2000 to 2015 (103 km2)

3.2 2000—2015年中國生態系統服務價值時空變化

2015年中國總ESV為29.12萬億元。林地貢獻最多，為19.90萬億元，占68.34%；其次為草地和水域，分別占13.09%和9.55%；剩余生態系統合計貢獻9.02%。從服務功能看，支持服務和調節服務是兩大主要的生態功能，分別貢獻53.59%和40.15%的ESV，而剩余兩種功能（供給服務和文化服務）僅貢獻6.26%。其中，生物多樣性、水文調節和氣候調節功能貢獻了78.72%的ESV，剩余21.28%由其余8種功能所提供。

表3 2000—2015年土地利用轉移矩陣Tab.3 The transition matrix of land use from 2000 to 2015 (103 km2)

從空間分布看，單位面積ESV總體上從東南向西北逐漸減少（圖2），這一分布與林地分布相似（圖1），說明林地對地區生態安全有著重要意義。具體來看，中國ESV高值區主要位于南方和東北地區，單位面積ESV最高的是福建（1 307.85萬元/km2），隨后依次為廣東（1 131.84萬元/km2）、浙江（1 122.03萬元/km2）、廣西（1 098.50萬元/km2）、江西（996.67萬元/km2）和湖南（970.27萬元/km2）。而東北部分城市及華北和西北地區屬于低值區，其中新疆、寧夏、青海、甘肅、內蒙古和西藏最低，分別為13.82萬元/km2、51.55萬元/km2、62.84萬元/km2、74.88萬元/km2、88.85萬元/km2和90.36萬元/km2。可以看出，高值區擁有較高密度的植被覆蓋，而低值區主要以耕地、草地和未利用地等低價值生態系統為主。

圖2 2015年中國生態系統服務價值空間分布Fig.2 The spatial distribution of China’s ecosystem service values in 2015

由表4可見，15年總ESV增長7.42億元，得益于水域ESV的增長（增長1 227.21億元）。除水域外，其余生態系統提供的ESV都在減少，其中減少最多的是林地生態系統，減少460.25億元，其次為耕地、草地和濕地，分別減少326.65億元、236.38億元和192.38億元，未利用地未發生顯著變化（減少4.12億元）。從5年變化來看，只有耕地和草地提供的ESV在持續減少，其余4種生態系統波動變化。總體上，總ESV先增后減，呈倒“U”型趨勢。2000—2005年快速上漲，5年增長533.49億元，主要由于水域提供的ESV顯著增長，增長1 061.28億元，其次林地ESV也有輕微上漲（52.33億元）。其余生態系統顯著下降，下降最多的是濕地（288.19億元），其次為草地（149.65億元）和耕地（141.97億元）。這一階段ESV的上漲主要歸功于1998年洪澇災害后，國家大力推行的退耕還湖和退耕還林等重大生態工程[5]。然而，在往后10年中，總價值持續下降，并呈加速態勢，2005—2010年減少173.79億，2010—2015年減少352.28億元，可見快速城市化對生態系統的負面影響越發顯著。2005—2010年下降最多的是水域生態系統，減少376.91億元，其次為耕地（78.46億元）和草地（61.59億元），而濕地上漲最多，增加283.08億元，其次為林地（61.18億元）。可見，水域和濕地提供的ESV存在此消彼長的關系，這同樣是由于兩者擁有類似生態屬性所導致。2010—2015年，盡管水域上漲542.84億元，但其余生態系統都經歷顯著下降，其中林地下降最為明顯，減少573.76億元，其次為濕地（187.27億元）、耕地（106.22億元）、草地（25.14億元）和未利用地（2.73億元）。

表4 2000—2015年中國生態系統服務價值的變化Tab.4 Changes of China’s ecosystem service values from 2000 to 2015 (108 元)

從ESV變化的空間分布看，15年間，東北、東南和新疆西部城市的ESV呈下降趨勢，而部分沿海和絕大部分中西部城市呈增長趨勢（圖3），東部快速城市化發展，以及中西部眾多生態項目的實施共同決定了這一空間分布特征[28]。佳木斯、佛山、大興安嶺地區、麗水、岳陽和中山下降最明顯，分別減少103.65億元、74.15億元、60.17億元、57.75億元、47.51億元和40.49億元。從增速來看，珠海增長最快，15年共增長23.45%，其次為克拉瑪依（22.18%）、湖北省直轄市（包括天門、潛江和仙桃，15.87%）和濟源（12.78%）；從絕對值來看，荊州（61.90億元）、普洱（60.52億元）、重慶（48.38億元）、湖北省直轄市（42.33億元）、涼山州（35.76億元）和寧波（35億元）增長最多。

從5年變化來看，ESV變化呈現明顯的時空規律。首先，15年間，ESV增長的城市越來越少，2000—2005年有197個城市增長，2005—2010年有173個城市，而到2010—2015年，僅102個城市價值增長。其次，2000—2005年，ESV增長城市主要集中于東部沿海地區（如山東、江蘇和浙江）、西南地區（如重慶、四川和貴州）、湖北省和陜西省（圖3（a））。2005—2010年，東部大部分城市的ESV下降，而增長城市主要位于西南和西北地區（如重慶、云南、四川、貴州、青海以及新疆東部和內蒙古西部城市）（圖3（b））。2010—2015年，中東部絕大數城市的ESV都在下降，增長城市主要集中在西北地區（圖3（c））。最后，本文發現中東部ESV增長的城市越來越少，價值增長的城市整體向西推移。這一方面說明快速城市化發展對生態的影響越來越劇烈，尤其是中東部發達地區；另一方面說明西部地區在眾多生態保護項目的支持下，生態環境逐漸改善。

4 結論及討論

4.1 討論

目前，Costanza等[14]針對全球的研究、生態系統與生物多樣性經濟學（TEEB）提供的價值數據庫[29]以及謝高地等[4]針對中國的研究被廣泛運用于生態服務價值的評估中。根據國內外基于以上研究得到的最新評估結果（表5），發現本文結果調整至2010年價格后，與謝高地等[4]基本一致，Song和Deng[30]的結果最高，為42.80萬億元，Li等[28]的最低，為15.39萬億元。從各類生態系統ESV占比來看，Song和Deng[30]和Li等[28]與謝高地等[4]和本文的結果存在較大差異，說明國內外對不同生態系統的重視程度存在差異，原因在于國外對耕地和濕地的重視程度要高于國內，而林地低于國內。除林地與水域外，本文與謝高地等[4]基本一致，本文在采用成本距離計算棲息地質量時，是以林地作為“生態源”，因此林地面積占比越高的地區其調節系數會越高，從而導致本文林地價值要高于文獻[4]。通過比較，本文發現不同社會經濟背景下，人們對生態系統服務的認識會有差異，而本文屬于生態服務“供給側”的因子修正，并不能反映人們的偏好，因此未來采用當量因子法進行評估時，可以考慮社會經濟等因素，從生態服務的“需求側”進行修正。

圖3 2000—2015年生態系統服務價值變化的空間分布Fig.3 The spatial distribution of the change of ecosystem service values from 2000 to 2015

表5 與相關研究的比較Tab.5 Comparison of the related studies

4.2 結論

本文通過選擇5個影響不同服務功能的關鍵因素，對謝高地等[4]研究的當量因子進行空間修正。本文構建的空間異質評估模型能夠區分同類生態服務功能的地區差異，從而能夠更客觀地評估中國生態系統服務價值。基于2000年、2005年、2010年和2015年4期的土地利用數據，本文從全國層面分析了中國土地利用變化及其生態效應，主要結論及建議如下：

（1）草地是中國占地面積最多的土地類型，其次是林地、未利用地和耕地，剩余土地類型（水域、濕地和建設用地）僅占很小一部分。草地主要位于中國北部，林地位于南部及東北地區，耕地主要位于華北平原、東北平原和四川盆地，建設用地位于主要的核心都市圈，新疆幾乎覆蓋了所有未利用地。

（2）2000—2015年，草地與耕地減少最多，建設用地增長最多。首先，建設用地主要來源于耕地，說明中國城市發展應當注重耕地保護，確保糧食安全。其次，耕地和草地相互轉化，這一過程應當保證耕地質量及其完整性，避免劣田換良田現象的發生。最后，大量耕地、草地和未利用地轉為生態用地，說明中國生態戰略工程總體上取得了預期的效果。

（3）2015年，中國陸地總ESV為29.12萬億元，其中林地貢獻最多，其次為草地和水域。從服務功能看，支持和調節服務是主要服務功能；從空間分布看，服務價值從東南向西北逐漸下降，未來發展政策制定必須考慮地區間生態資本不平衡的現狀，以確保可持續的發展。

（4）2000—2015年ESV總共增長7.42億元，并呈倒“U”型變化趨勢。除水域價值增長外，其余生態系統的價值均有不同程度的下降。其中，林地下降最多，其次為耕地、草地和濕地。從變化的時空特征看，價值增長的城市逐漸往西推移，中東部城市的生態價值持續下降。這一方面說明中國在中西部實施的森林工程取得了預期效果，另一方面說明快速城市化已經嚴重危害了城市的生態質量。未來，政府在繼續推進生態工程的同時，需要加強城市綠色基礎設施建設，考量城市開發生態成本以及制定合理的生態補償政策。