基于生態(tài)資源數據庫的生態(tài)系統(tǒng)服務價值動態(tài)變化研究

武愛彬，李永魁

（河北省科學院地理科學研究所，河北 石家莊 050021）

當前，我國處于大力推進生態(tài)文明建設的新階段。土地等生態(tài)資源已成為國家發(fā)展建設的稀缺資源之一［1］，迫切需要對生態(tài)資源的可持續(xù)性利用有更科學的規(guī)劃。在此背景下，建立區(qū)域性生態(tài)資源數據庫對于動態(tài)監(jiān)測、綜合管理各種基礎信息就顯得尤為重要。數據庫的建立有利于量化、細化生態(tài)建設基礎，可以全面、準確的反應區(qū)域內土地利用現狀、水文、植被、地形地貌等基礎地理信息，實現數據的實時更新，快速、有效的檢索和使用。進行生態(tài)系統(tǒng)服務價值動態(tài)研究可以為區(qū)域內經濟結構調整、重大建設項目布局、促進社會經濟的可持續(xù)發(fā)展及為生態(tài)環(huán)境保護管理提供科學決策依據。

1 研究區(qū)域概況

河北燕山淺山丘陵位于燕山東部，河北省東北部，地理位置介于北緯39°53′和40°58′，東經117°19′和119°35′之間。涵蓋承德市東南部、秦皇島市北部和唐山市北部等區(qū)域，總面積約28534.26平方公里。中西部處于暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，年均溫6～10℃，1月均溫－12～－6℃，7月20～25℃，年降水量700mm 左右，流水侵蝕作用強烈。東部屬于溫帶季風氣候，因受海洋影響較大，氣候比較溫和，春季少雨干燥，夏季溫熱無酷暑。

2 數據庫的構建

河北省燕山淺山丘陵區(qū)生態(tài)資源信息庫包含土地覆蓋、地貌、地形、氣象、DEM、水文、土壤、植被、自然災害、行政區(qū)劃、古河道、環(huán)境現狀、環(huán)境敏感性分析、環(huán)境重要性評價、交通、旅游、農業(yè)區(qū)劃、區(qū)片價等多種資源信息。

2.1 數據收集與處理

數據庫的數據主要來源于不同時段，不同譜段的遙感圖像（1987年、1995年、2000年TM影像，2010年中巴影像等）、各種基礎底圖（行政界線、地質、地貌、植被、氣候等）、環(huán)境專題圖、GPS的定位信息和地面高程模型等。將圖件資料掃描矢量化，最后得到地貌、地形、氣象、DEM、水文（堤防、湖泊水庫、水利樞紐、水文站、水系、泄洪區(qū)、雨量站）、土地覆蓋（1987 年、1995年、2000年、2010年）、土壤（土壤氮含量、土壤鉀含量、土壤磷含量、土壤類型、土壤有機質、土壤質地）、植被、自然災害、行政區(qū)劃（區(qū)域、市、縣、鄉(xiāng)、村行政界線、鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民點、農村居民點）、古河道、環(huán)境（環(huán)境現狀、環(huán)境敏感性分析、環(huán)境重要性評價）、交通、旅游、農業(yè)區(qū)劃、土地利用現狀、區(qū)片價等圖層。

空間數據采用正軸等面積雙標準緯線割圓錐投影（Albers）。地形圖數據采用經向分帶的高斯－克呂格投影方式，設計參數與變形估算如下：中央經線選取東經115°；坐標原點位于東經115°與北緯35°的交點；南標準緯線為北緯36°；北標準緯線為北緯40°；地理坐標采用克拉索夫斯基橢球體。

2.2 建立拓撲關系

在在ArcCatalog中新建個人數據庫（Personal Geodatabase），在個人數據庫中新建一個要素集（Feature Dataset），并將處理好的各圖層數據作為要素類批量導入該要素集下。在該要素集空白處右鍵選擇Topology窗口，建立各圖層間的拓撲規(guī)則。

2.3 輸入屬性和注記

按照相關部門的標準規(guī)定和研究的實際需要對數據的屬性進行輸入和完善。輸入注記可以新建注釋標記點圖層，將地名注記、地形地貌注記、地類注記和道路注記等錄入圖層，導入注記層，建立注記層和線、面圖層的拓撲關系。

2.4 數據庫檢查與建立數據庫字典

傳統(tǒng)的數據庫檢查方法一般有目視法、屬性檢查法、透明圖與原圖疊加比較法和追蹤元數據法等。此外，本數據庫還利用了空間數據自身的地理特征的相關性來分析數據質量，如利用數據庫中的等高線和等高點生成DEM 數據與河流等數據疊加分析，效果十分直觀。數據庫檢查合格后建立數據庫字典。

3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值計算方法

生態(tài)系統(tǒng)服務是生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成及維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用，包括對人類生存及生活質量有貢獻的生態(tài)系統(tǒng)產品和生態(tài)系統(tǒng)功能［2］。Costanza等［3］在總結過去幾十年生態(tài)系統(tǒng)公益價值評價研究的基礎上，將生態(tài)系統(tǒng)服務功能歸納為17種類型，并進行了貨幣化測算（公式1），謝高地等人在Costanza的基礎上統(tǒng)計修正得出的“中國生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子表”［4－5］，土地利用的變化是影響生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能變化最重要的因素之一［6］，生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的變化直接影響生態(tài)系統(tǒng)的服務價值。通過生態(tài)資源數據庫不同年份同季遙感影像可以獲取不同年份的土地利用現狀圖，利用“中國生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子表”可以計算出研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務價值的動態(tài)變化。

式中：ESV——生態(tài)系統(tǒng)服務總價值；AK——研究區(qū)k種土地利用類型的面積；VCk——生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數。

結合研究區(qū)域的實際情況，在從遙感圖像中提取6種土地利用類型：耕地、林地、草地、建設用地、水域和未利用地進行監(jiān)督分類，并參照土地利用現狀圖進行野外校核、進行錯誤糾正，獲取研究區(qū)1987、2000和2010的遙感解譯土地利用現狀數據。

謝高地等制定了“中國生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子表”（表1），當量因子是指在定義1公頃全國平均產量的農田每年自然糧食產量的經濟價值為1的基礎上，其他生態(tài)系統(tǒng)相對于農田食物生產服務的貢獻值。本研究針對研究區(qū)域的具體情況，對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的當量因子做如下修訂：以燕山淺山丘陵區(qū)1987－2010年平均糧食產量3195.52kg／ha為研究區(qū)的基準單產，考慮到沒有人力投入的自然生態(tài)系統(tǒng)提供的經濟價值是現有單位面積農田提供的食物生產服務經濟價值的1／7［6］，得出燕山淺山丘陵區(qū)單位面積農田每年自然糧食產量的經濟價值是456.70元／（ha·a），以此來計算燕山淺山丘陵區(qū)各類土地面積年度生態(tài)服務價值量，建設用地生態(tài)服務價值為零。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化分析

如表2所示，河北燕山淺山丘陵區(qū)1987、2000和2010年的生態(tài)服務價值分別為171.21、198.02和202.82億元，表明該區(qū)域生態(tài)生產力呈上升趨勢，生態(tài)系統(tǒng)服務功能整體上是提高的，生態(tài)環(huán)境不斷優(yōu)化。1987－2000年生態(tài)服務價值增加26.80億元，平均每年增加2.06億元，2000－2010年生態(tài)服務價值增加4.80億元，平均每年增加0.48億元，說明與2000年相比生態(tài)系統(tǒng)調整速度變緩，2000年前生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化調整更為明顯，總體上來說，從1987－2010年，土地利用類型的變化從生態(tài)服務價值角度判斷是可持續(xù)發(fā)展的。

表1 中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值當量表

從各生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值來看，林地生態(tài)系統(tǒng)所占比例最大，1987、2000和2010年都達到了總價值的65%以上且在不斷增長，增長幅度為52.49%。草地、耕地、水域和未利用地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值量都在不斷下降，其中未利用地下降幅度最大，由1987年164.76萬元／年下降到2010 年11.85 萬元／年，下降幅度達到了92.81%；水域、草地和耕地分別下降了73.86%、55.30%和21.51%。說明1987－2010年期間，耕地、草地、水域和未利用地的變化趨勢對生態(tài)服務價值和生態(tài)環(huán)境質量的影響是負面的，林地起到了明顯改善生態(tài)環(huán)境的作用。

表2 河北燕山淺山丘陵區(qū)1987－2010年生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值及其變化

由表3可以看出燕山丘陵區(qū)1987－2010年期間占生態(tài)系統(tǒng)功能總價值比重較大的單項生態(tài)系統(tǒng)服務是保持土壤、水源涵養(yǎng)、氣體調節(jié)、氣候調節(jié)和維持生物多樣性，食物生產和提供美學景觀價值比重最小。1987－2000年，食物生產和廢物處理生態(tài)服務功能價值在減少，減少比例為14.57%和5.46%，其他各項生態(tài)服務功能價值都在增加，增加幅度較大的為保持土壤、氣體調節(jié)、維持生物多樣性和水源涵養(yǎng)，分別增加了18.34%、14.76%、14.43%和14.39%，這與期間耕地大幅度減少和林地大幅度增加有關。2000－2010年，食物生產、水源涵養(yǎng)和廢物處理生態(tài)服務功能價值在減少，減少比例分別為7.65%、3.15%和12.44%，食物生產生態(tài)服務功能價值減少的數量和幅度相比1987－2000年都在減緩，與此期間耕地數量減少的速度在放緩有關，廢物處理服務功能價值減少的速度在增加，水源涵養(yǎng)服務功能價值由1987－2000年期間增加變成了減少，主要與此期間水域面積銳減相關?？傮w來說，1987－2010年期間，保持土壤、維持生物多樣性、氣體調節(jié)、氣候調節(jié)、原材料生產和提供美學景觀的服務功能價值在不斷增加，食物生產、水源涵養(yǎng)和廢物處理的服務功能價值在減少。

表3 燕山淺山丘陵區(qū)1987－2010年各項生態(tài)系統(tǒng)服務功能的價值變化（億元／a）

4 結論與討論

（1）生態(tài)資源數據庫的建立可以對燕山淺山丘陵區(qū)資源環(huán)境諸領域業(yè)已獲取的大量數據信息進行綜合管理，以備作進一步的分析研究，提供基礎研究所必需的資料.以地理信息系統(tǒng)作為支撐條件，使本系統(tǒng)具備足夠的靈活性，今后可以根據一些具體的應用需求，進行數據庫的擴充和展開，完善相關的分析和建模功能，進行系統(tǒng)的二次開發(fā)，達到滿足不同需要的目的.

（2）燕山淺山丘陵區(qū)1987、2000 和2010 年的生態(tài)服務價值分別為171.21、198.70 和202.02億元。其中林地生態(tài)系統(tǒng)服務價值在不斷增加，增長幅度為52.49%，草地、耕地、水域和未利用地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值在不斷下降，其中未利用地下降幅度最大，下降幅度達到了92.81%；水域、草地和耕地分別下降了73.86%、55.30%和21.51%。說明1987－2010年期間，耕地、草地、水域和未利用地的變化趨勢對生態(tài)服務價值和生態(tài)環(huán)境質量的影響是負面的，林地起到了明顯改善生態(tài)環(huán)境的作用。保持土壤、維持生物多樣性、氣體調節(jié)、氣候調節(jié)、原材料生產和提供美學景觀等單項生態(tài)服務功能價值在不斷增加，食物生產、水源涵養(yǎng)和廢物處理等單項服務功能價值在減少。

（3）生態(tài)系統(tǒng)服務價值可以一定程度上反應區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量現狀，結合生態(tài)資源數據庫中自然、地理、環(huán)境狀況以及經濟、人口、社會等信息數據，可以更加深入、系統(tǒng)地分析研究區(qū)域土地利用以及生態(tài)環(huán)境現狀，為各級政府和有關部門規(guī)劃和決策提供可靠的科技支撐，有利于研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護和社會經濟的可持續(xù)發(fā)展。

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