平武縣生態系統服務價值時空動態分析

黃晉宇，王 思，鄧 超，楊 健，黃 平

(四川省農業科學院遙感應用研究所，四川 成都 610066)

【研究意義】平武縣作為涪江上游的水源涵養地與重要生態功能區，素有“天下熊貓第一縣”的美譽。在大熊貓國家公園核心區建設背景下，生態環境質量監測與自然資源資產化管理具有十分重要的現實意義。生態系統服務(Ecological Services)是指通過生態系統的結構、過程與功能直接或間接的得到生命支持產品和服務，生態系統服務價值評估則是以經濟價值量化的方式，為生態系統資產化管理、生態功能區劃、生態補償決策等提供數據支持與依據[1]。【前人研究進展】1997年，Costanza等[2]率先對全球的生態系統服務進行了經濟價值核算，引起了國內外研究者對于生態系統服務價值評估及自然資產的關注[3-4]。歐陽志云等[5-6]系統地分析了生態系統服務功能研究進展與價值評估方法；謝高地等[7]梳理了生態系統服務價值評估的方法、功能與服務的復雜性等難點問題，還進一步開展了中國草地生態系統服務價值[8]、青藏高原生態資產評估[9]等研究，又提出了基于專家知識的服務評估單價體系與時空動態綜合評估方法[10-11]，并實現了全國尺度的生態系統服務價值時空動態評估[12]。此外，還有一些研究者開展了省市[13-14]、重要生態功能區[15-16]的生態系統服務價值評估研究。【本研究切入點】但關于涪江上游重要生態功能區的生態系統服務價值研究較少，且平武縣位于大熊貓國家公園岷山片區核心區，生態環境保護與自然資源資產管理的重要性十分突出。【擬解決的關鍵問題】因此，有必要開展針對平武縣的生態系統服務價值時空動態評估分析研究。本研究以單位面積價值當量因子法為基礎，基于土地利用/土地覆被遙感監測數據，開展近十年間平武生態系統服務價值評估與年內價值變化時空動態分析，以期為平武縣自然資源資產管理與生態環境質量監測提供支持與參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

平武縣位于四川盆地西北部，青藏高原向四川盆地過渡的東緣，長江的二級支流涪江的上游，隸屬于四川省綿陽市。全縣轄25個鄉鎮，縣境總面積5974 km2，其中耕地面積273 km2。境內地勢起伏，高差懸殊，整體西北高、東南低，縣境最高海拔5588 m，最低海拔約600 m。氣候特點隨海拔高度變化呈垂直帶性分布，低河谷地屬亞熱帶山地濕潤性季風氣候，中山、高山分處寒溫帶氣候、亞寒帶氣候、極高山屬寒帶氣候。境內年均氣溫14.8 ℃，年降雨量866.5 mm，森林覆蓋率高達74.49 %，境內森林資源豐富，野生動植物種類繁多，境內已建立王朗、雪寶頂兩個以大熊貓保護為主的國家級自然保護區，境內保護區總面積約占全縣國土總面積的25 %。

1.2 數據源與預處理

2005、2010、2015三年的平武縣土地利用與覆被數據，分辨率為30m，來源于中科院資源環境科學數據中心。四川省2015年逐月公里格網歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)數據、四川省2015年公里格網逐月降水數據、四川省2015年500 m土壤侵蝕模數數據、行政區劃矢量數據，均來源于國家地球系統科學數據中心。采用ArcGIS模型構建器批量掩膜提取平武縣行政范圍內的各類數據(表1)。

表1 數據源

1.3 研究方法

1.3.1 生態系統服務價值估算 生態系統服務價值估算基于單位面積價值當量因子方法，計算方法如下：

(1)

式中，ESV表示生態系統服務總價值，元/a；Ai為i類生態系統類型面積，hm2；Ffi表示第i種生態系統類型的第f項生態系統服務功能單位面積價值當量因子；V0表示一個標準當量因子的生態系統服務價值量，元/(hm2·a)。

本研究中，將平武生態系統類型劃分為6個一級類型，14個二級類型，生態系統服務功能類型包括4種一級類型，進一步細分為11種二級服務類型。基于平武縣生態系統類型構建單位面積價值當量因子表，當量因子表數值參照謝高地[11]等提出的“中國生態系統單位面積生態服務價值當量”，并結合平武生態系統特點和專家經驗，構建了平武縣生態系統服務價值當量因子表(表2)。V0的數值以謝高地等[12]確定的中國2010年一個生態系統價值當量的經濟價值，即3406元/hm2。

1.3.2 時空動態當量表方法 生態系統服務價值當量因子表刻畫了各生態系統類型的各類生態服務功能全年的平均服務價值。為了體現生態系統服務價值縣內空間變異和逐月時間動態變化，本文以單位面積價值當量因子表(表2)為基礎，引入基于NDVI構建的植被指數時空調節因子、基于降水數據構建的降水時空調節因子和基于NDVI與土壤侵蝕模數構建的土壤保持時空調節因子，按照公式(2)構建生態服務時空動態變化價值當量表。

表2 平武生態系統服務單位面積價值當量

(2)

式中，Ffjt指某種生態系統在第j區域第t月第f類生態服務功能的單位面積價值當量因子；Pjt指該類生態系統第j區域第t月的植被指數時空調節因子；Rjt指該類生態系統第j區域第t月的降水時空調節因子；Ejt指該類生態系統第j區域第t月的土壤保持時空調節因子；Ff1指除水域類型外各類生態系統的食物生產、原材料生產、氣候調節、氣體調節、凈化環境、維持養分循環、維持生物多樣性、提供美學景觀服務的研究區年均單位面積價值當量因子；Ff2指水域類型所有生態系統功能和各類生態系統的水資源供給和水文調節功能服務的研究區年均單位面積價值當量因子；Ff3指各類生態系統的土壤保持功能的年均單位面積價值當量因子。

其中植被指數時空調節因子Pjt計算方法為：

(3)

(4)

式中，NDVIt、NDVImax分別為第t月平均歸一化植被指數、年內最大月平均歸一化植被指數；NDVIa為旺盛生長季多月平均歸一化植被指數，取5-10月；Mean(NDVIt)、Mean(NDVIa)分別為第t月平均歸一化植被指數與生長季多月平均歸一化植被指數的整體圖像均值。ε為補償參數，其意義在于在植被指數高于生長季平均植被指數的月份，給與植被指數調節因子數值補償，使其月度變化更符合實際。本研究對謝高地等[11]的植被指數時空調節因子計算方法進行如此改進，一方面因為NDVI數據源廣泛易獲取、計算簡單易于推廣，另一方面可以通過比值與補償參數設計極大減少NDVI低值區域的異常計算結果產生。

降水時空調節因子Rjt的計算方法為：

(5)

土壤保持時空調節因子Ejt的計算方法為：

Ejt=Pjt×Q

(6)

(7)

式中，Pjt為公式(3)中植被指數時空調節因子，Q指的是土壤抗侵蝕因子，q為研究區年土壤侵蝕模數數據，qmax、qmin分別指縣域年土壤侵蝕模數中的極大值與極小值。本研究以年土壤侵蝕模數數據與逐月植被指數數據為基礎，構建了土壤保持功能時空調節因子。

2 結果與分析

2.1 平武土地利用變化

2005-2015年間平武縣土地利用空間格局整體比較穩定，僅局部區域發生了變化，統計結果(表3)顯示，耕地共減少了999 hm2，林地增加了2466.36 hm2，草地共減少了2715.75 hm2，減少的比例均低于2 %；水域面積增加了760.59 hm2，增加了6.9倍，建設用地增加了205.56 hm2，增加的比例相對較大。耕地減少與林地增加主要由于退耕還林工程的持續實施，建設用地增加主要是城鎮化和農村居民區地震災后重建，水域面積的增加和水電大壩等水利水電工程的持續建設有關。

表3 平武土地利用類型變化

2.2 平武多年生態系統服務價值演變

2005-2015年平武生態系統服務價值比較穩定、變化較小(表4)，呈現緩慢增加的趨勢，2005年生態系統總價值為330.20億元，2015年達333.30億元。其中，森林生態系統價值占平武生態系統服務總價值的比例最大，2015年為64.75 %，其余按比例依次是草地、農田、水域、濕地、裸地裸巖等生態系統類型。從多年變化趨勢上看，農田生態系統價值持續小幅下降，森林生態系統價值小幅提高，草地生態系統價值略微下降，水域生態系統價值有大幅提高，由2005年的0.47億元增加至2015年的3.73億元。

表4 近10年平武生態系統服務價值變化

2005-2015年平武生態系統服務價值空間格局比較穩定、變化較小(圖1)，境內中部呈西北-東南走向的涪江水域的生態系統服務價值密度較高，約為42.8萬元/hm2；而河谷地區以耕地為主、生態系統服務價值相對較低，約為1.3萬元/hm2，主要分布在龍安鎮、古城鎮、南壩鎮、響巖鎮、水田鄉、壩子鄉等鄉鎮范圍內；境內中西部低山、中山森林植被茂盛、生態系統服務價值密度較高，范圍為5.2～7.8萬元/hm2，主要位于縣內中部大橋鎮、大印鎮、徐塘鄉、鎖江鄉，以及西部水晶鎮、闊達鄉、木皮鄉、泗耳鄉、土城鄉、黃羊關鄉等鄉鎮；西部高山草甸植被區域生態系統服務價值低于森林生態系統，大致為1.7～6.7萬元/hm2，主要位于白馬鄉、虎牙鄉、木座鄉等。

如圖2所示，按服務功能類型分，平武生態系統服務價值總量最高的服務功能為氣候調節功能，2005-2015年其服務價值總量為88.31～88.36億元，其次價值較高的是水文調節功能，且近十年呈略微增加趨勢(66.22～66.85億元)，土壤保持功能(40.78～40.80億元)、生物多樣性功能(35.44～35.48億元)，其余分別是氣體調節(32.17～32.19億元)、凈化環境(27.24～27.37億元)、提供美學景觀服務(15.61～15.65億元)、食物生產(6.92～6.95億元)、原材料生產(9.99億元)、水資源供給(4.19～4.45億元)、維持養分循環(3.24～3.25億元)等功能。

2.3 年內時空動態價值當量因子分析

以植被變化為主導的生態系統功能服務價值年內各月變化顯著(圖3-a)，5-10月價值整體較高，11月至次年4月價值相對較低，8月最高，2月最低，從空間上看，以河谷地區、高山積雪與高寒草甸覆蓋區域價值相對較低，境內中西部等森林植被覆蓋區域價值整體較高。5-10月，溫度升高、降水增加，植被生長旺盛，生物量積累加快，生態系統各服務功能增強，所以其價值快速提高。11月至次年4月溫度相對較低、降水偏少，一年生植被衰敗、多年生植被生長放緩，生態系統各服務功能減弱，所以其價值逐漸降低。

受降水時空變化強烈影響，水域類型及水文水資源功能服務價值各月差異顯著(圖3-b)，且空間分布不均。4-9月，降水增多，水文水資源功能服務價值相對較高，10月至次年3月，降水偏少，其服務功能價值相對較低，其中9月水文水資源功能服務價值最高，2月由于降水稀少，服務價值整體都處于最低水平。

土壤保持功能價值當量因子逐月變化與植被變化相似(圖3-c)，5-10月整體較高，11月至次年4月相對較低，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蝕，提供高水平的土壤保持服務功能。從空間分布上看，土壤保持功能價值分布不均、且十分破碎，受地形地貌影響，中部、東部河谷地區斑塊破碎、價值較低，西部高山積雪區域價值也較低，中西部低山、中山森林植被覆蓋區域價值整體較高。

2.4 平武生態系統類型服務價值年內變化

平武生態系統服務功能價值4-10月整體較高(圖4)，11月至次年3月相對較低，反映出境內生態系統功能季節性變化顯著，隨夏季溫度升高、降水增加，植被生長逐漸旺盛，生物量積累加快，生態系統各服務功能增強，其價值快速提高，冬季溫度降低、降水減少，植被生長放緩或終止，生態系統各服務功能減弱，其價值處于較低水平。空間分布上看，中部、東部河谷地區農田占比較大、斑塊破碎，生態系統各服務功能較低，西部高山積雪區域價值密度也較低，中西部低山、中山森林植被覆蓋區域價值整體生態系統各服務功能較強，相應價值密度也較高。

平武生態系統服務功能價值8月最高(圖5)，為422億元；2月最低，為150億元；5-9月價值超過當年年均價值333.30億元，為平武生態系統服務功能最強的時期。平武生態系統中，森林和草地生態系統占比最大，季節性變化對其生態服務價值影響最突出，農田、水域、濕地、裸地裸巖等生態系統類型服務功能價值也受到季節性變化影響，因其面積占比較小，在總生態系統服務功能價值逐月變化中表現不突出。

3 討 論

2005-2015年間平武縣土地利用空間格局整體比較穩定，變化較小，存在林地小幅增加、耕地略微減少、建成區與水域逐漸增加、草地略微減少的整體趨勢。十年間，平武縣生態系統服務價值呈現略微增加的趨勢，達到333.30億元，說明近些年平武縣實施的各項生態保護與綠色發展舉措得當，尤其是持續的退耕還林工程、自然保護區建設等措施，較好的保持和培育了當地的自然資源與生態環境，對維持生態系統服務功能價值與可持續發展起到了積極的作用。

本研究中，基于土地利用/土地覆被遙感監測數據對生態系統服務價值進行評估，類型劃分與謝高地等[11]的生態系統類型有所不同，邸向紅等[13]指出基于土地利用數據的公里格網數據便于刻畫生態系統服務價值的空間格局，發揮土地利用數據更新頻繁、利于時空動態分析的特點。

在單位面積價值當量因子法基礎上，引入時間序列NDVI、降水量與土壤侵蝕模數數據，分別對三類生態系統服務功能價值進行逐月估算，結果較好的反映了平武縣生態系統服務價值的時空變化。在植被功能調節因子構建中，不同于謝高地等[12]引入了NPP參與、鄧偉等[17]引入生物量與植被覆蓋度參與，而是與Shi等[18]類似采用NDVI數據，因為NDVI數據來源廣泛、計算方便，更易于方法應用與推廣。

將平武縣生態系統劃分為14個二級類型，生態系統服務功能劃分為11種細分類型，并構建了平武生態系統服務單位面積價值當量因子表，但由于平武相關研究的缺乏，各生態系統類型的細分服務功能相關參數與結果難以獲取，在價值當量因子表構建中大量參照了謝高地等[11]的當量因子表中反映全國平均的數值，使得評估結果數值上存在一定的不確定性，今后的研究有必要收集更多研究資料進行整合分析，為精細劃分的生態系統類型和服務功能價值評估服務。

4 結 論

本研究以單位面積價值當量因子法為基礎，基于土地利用/土地覆被遙感監測數據，評估了2005、2010、2015年間的平武生態系統服務價值。并構建了三類受植被生長、降水與土壤抗侵蝕性主要影響的生態系統功能的時空動態調節因子，完成各生態系統類型在2015年內的生態系統服務價值時空動態變化分析。

(1)2005-2015年間，平武縣土地利用格局比較穩定，生態系統服務價值整體穩定、略微增加，2015年達到333.30億元，其中森林生態系統價值服務占比最大，接近65 %。在生態系統服務功能中，氣候調節功能價值總量最大，達88.36億元，其次價值較高的是水文調節功能、土壤保持功能與生物多樣性功能等。

(2)在2015年內，平武生態系統服務功能價值8月最高，大約422億元；2月最低，約150億元；5-9月的價值超過當年年均價值，為平武生態系統服務功能最強的時期。

(3)基于單位面積價值當量因子法，可以快速有效的評估區域生態系統服務價值，引入逐月的植被數據、降水數據與土壤侵蝕模數數據，進行區域生態系統服務功能價值空間變異和年內時間動態變化分析，為生態環境與自然資源資產管理提供數據依據。