基于多源數(shù)據(jù)的岷江上游生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)評(píng)估

郭 兵, 姜 琳， 孫彩紅， 韓 芳

(1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 山東 淄博 255000; 2.地理國(guó)情監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430079；3.區(qū)域開(kāi)發(fā)與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430062; 4.東華理工大學(xué) 江西省數(shù)字國(guó)土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013)

基于多源數(shù)據(jù)的岷江上游生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)評(píng)估

郭 兵1,2，3，4, 姜 琳1， 孫彩紅1， 韓 芳1

(1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 山東 淄博 255000; 2.地理國(guó)情監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430079；3.區(qū)域開(kāi)發(fā)與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430062; 4.東華理工大學(xué) 江西省數(shù)字國(guó)土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013)

為深入了解四川省重要生態(tài)屏障—岷江上游地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，在RS，GIS技術(shù)的支持下，綜合運(yùn)用RUSLE模型、CASA模型以及水源涵養(yǎng)模型結(jié)合影子工程法、碳稅法、造林成本法、能量替代法等環(huán)境經(jīng)濟(jì)方法，對(duì)岷江上游的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了科學(xué)評(píng)估，揭示了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空變化格局及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制。結(jié)果表明：(1) 2003—2013年，岷江上游生態(tài)服務(wù)價(jià)值總值呈現(xiàn)先增加(2003—2007年)后減小(2007—2013年)的趨勢(shì)。(2) 2007年單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值相對(duì)于2003年呈現(xiàn)較大程度增加，而2013年比2007年的單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值有所減少。(3) 岷江上游各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值均在10月份達(dá)到最小值，而土壤保育價(jià)值和水源涵養(yǎng)價(jià)值在8月份達(dá)到最大值，基于NPP的固碳釋氧、有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價(jià)值則在7月份達(dá)到最大值。(4) 2003—2007年，松潘縣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總值增加幅度最大，2007—2013年，各縣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總值均表現(xiàn)為一定程度的減小，其中汶川縣的減小幅度最大。相關(guān)研究成果不僅可以為岷江上游的生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)支持，還可以為區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生態(tài)補(bǔ)償提供決策參考。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù); 岷江上游; 環(huán)境經(jīng)濟(jì)法; 價(jià)值評(píng)估; 時(shí)空變化

生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)提供不同的生態(tài)服務(wù)功能實(shí)現(xiàn)對(duì)人類(lèi)的服務(wù)價(jià)值。如何正確劃分生態(tài)服務(wù)功能類(lèi)型是國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍關(guān)注的問(wèn)題[1-2]。20世紀(jì)以來(lái)，頻繁發(fā)生的自然災(zāi)害不僅威脅到人類(lèi)的生命財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)也對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成了巨大的損失，這促使各個(gè)國(guó)家開(kāi)始逐步關(guān)注經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，以謀求經(jīng)濟(jì)、資源與環(huán)境三者的協(xié)調(diào)發(fā)展。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值的量化，不僅可以為政府部門(mén)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)提供經(jīng)濟(jì)決策依據(jù)，也可以以貨幣價(jià)值的尺度來(lái)衡量生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為人類(lèi)生存發(fā)展所提供的福利，從而減少甚至避免人類(lèi)由于短期經(jīng)濟(jì)行為對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成破壞。

國(guó)內(nèi)外對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的研究中，由于生態(tài)功能劃分的不同，價(jià)值算法上又多采用替代法進(jìn)行計(jì)算，不同人采用的參數(shù)不一樣，導(dǎo)致同一片區(qū)域不同估算結(jié)果差異很大[3-5]。如何準(zhǔn)確定價(jià)生態(tài)價(jià)值成為未來(lái)生態(tài)價(jià)值研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)生態(tài)價(jià)值的估算方法主要有3種：當(dāng)量因子表法，直接引用謝高地等[6]制定的不同土地利用類(lèi)型下的單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表進(jìn)行陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究[7-13]。條件價(jià)值法，即通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查訪問(wèn)當(dāng)?shù)鼐用駥?duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)保護(hù)所愿支付的金錢(qián)數(shù)額；它可以反映人們的主觀意愿，但是由于人類(lèi)心理因素以及社會(huì)習(xí)俗和文化背景差異大，調(diào)查問(wèn)卷的設(shè)計(jì)以及調(diào)查對(duì)象的確定直接影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。雖然此種方法還存在著一定的缺陷，但是還是得到了普遍的認(rèn)可和使用[14-17]。物質(zhì)量估算法，根據(jù)模型或者相關(guān)方法算出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的物質(zhì)量，再依據(jù)環(huán)境經(jīng)濟(jì)方法估算物質(zhì)量提供的各項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值[18-21]。此種方法在計(jì)算物質(zhì)量的時(shí)候可以結(jié)合遙感數(shù)據(jù)和GIS技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)生態(tài)價(jià)值的空間和時(shí)間尺度上的連續(xù)性，而且結(jié)合典型樣點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行本地化參數(shù)的修改，從而更好的體現(xiàn)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的本地化特征。

岷江上游是長(zhǎng)江流域重要的生態(tài)保障區(qū)，但是區(qū)域內(nèi)脆弱的地質(zhì)條件、復(fù)雜的氣候因素以及人類(lèi)長(zhǎng)期的過(guò)度干擾利用使得該地區(qū)滑坡、泥石流等自然災(zāi)害頻發(fā)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能?chē)?yán)重受損。開(kāi)展岷江上游生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)估不僅可以為當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、生態(tài)補(bǔ)償提供依據(jù)，也可以提高居民的生態(tài)服務(wù)價(jià)值觀和強(qiáng)化生態(tài)環(huán)境保護(hù)的觀念。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

岷江上游位于四川盆地的西北部(102°59′—104°14′E，31°26′—33°16′N(xiāo))，流域面積為24 600 km2，與汶川縣、理縣、茂縣、黑水縣和松潘縣5個(gè)縣的行政邊界基本吻合。岷江上游地處青藏高原高原東緣高山峽谷地帶，地勢(shì)南高北低，平均海拔3 400 m，屬于典型的高山峽谷景觀[17]。區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，氣候差異顯著，具有山地立體型氣候特征。降水季節(jié)分配不均，干濕季分明，主要集中在5—10月，占全年降水量的85%左右，且多大雨、暴雨，降水強(qiáng)度大。流域內(nèi)的土地覆被類(lèi)型主要以林地為主，草地次之，耕地分布較少[17]。地質(zhì)構(gòu)造活躍，坡面和谷地侵蝕嚴(yán)重，滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。流域內(nèi)土壤和氣候的垂直地帶性決定了該區(qū)植被的種類(lèi)和分布，其植被類(lèi)型主要有高山草甸、高山灌叢、亞高山針、闊葉林以及干旱河谷地區(qū)的耐旱灌叢。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究中MODIS13Q1 16 d合成的NDVI產(chǎn)品主要來(lái)源于美國(guó)航空航天局(NASA),共69幀影像(2003年、2007年、2013年三期)，利用MODIS Projection Tool(MRT)對(duì)NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)集進(jìn)行拼接和重投影(阿爾伯斯等積投影)，空間分辨率為250 m。氣象數(shù)據(jù)主要來(lái)于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)，包括岷江上游以及周邊45個(gè)氣象站點(diǎn)1981—2013年33 a的日降雨數(shù)據(jù)、日均風(fēng)速、日均氣壓、日均溫度、日均相對(duì)濕度、日最低溫度、日最高溫度及日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)，以及岷江上游以及周邊25個(gè)站點(diǎn)的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)(來(lái)自中國(guó)太陽(yáng)輻射臺(tái)站基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)集)，單位為MJ/m2。2003年、2007年、2013年三期1∶10萬(wàn)岷江上游土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所數(shù)字山地中心科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)。1∶100萬(wàn)土壤類(lèi)型數(shù)據(jù)由地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)下載獲取，而土壤屬性中的N，P，K、有機(jī)質(zhì)的含量以及黏粒，粉粒和砂粒的含量則來(lái)自《四川省土種志》。30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)則分別來(lái)源于國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)和四川省統(tǒng)計(jì)年鑒。本研究基于ENVI 5.2和ArcGIS 10.2對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，數(shù)據(jù)空間分辨率為1 000 m，投影類(lèi)型Krassovsky-Albers。

2 研究方法

本文選取岷江上游保育土壤、固碳釋氧、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)以及水源涵養(yǎng)5類(lèi)生態(tài)服務(wù)功能，利用RUSLE模型、CASA模型以及區(qū)域水量平衡法分別獲取岷江上游2003年、2007年、2013年5—10月各月的土壤保持量、NPP產(chǎn)量以及水源涵養(yǎng)量，并基于以上3種物質(zhì)量，結(jié)合環(huán)境經(jīng)濟(jì)方法反演岷江上游生態(tài)服務(wù)價(jià)值，并從多角度對(duì)研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空變化格局進(jìn)行分析和探討。

2.1 生態(tài)服務(wù)功能物質(zhì)量的估算

2.1.1 基于RUSLE的土壤保持物質(zhì)量估算模型 本研究采用RUSLE模型估算岷江上游土壤潛在侵蝕量與現(xiàn)實(shí)侵蝕量，兩者之差為岷江上游的土壤保持量，表達(dá)式如下：

A=R·K·LS·(1-C·P)

(1)

α=21.239β-7.3967

i=1,2，…,N；j=1,2，…，ml=1,2，…n

(2)

(3)

L=(λ/22.13)m

(4)

(5)

fg=(NDVI-NDVI0)/(NDVIg-NDVI0)

(6)

式中：A為土壤保持量(t/hm2)；R為降雨侵蝕力因子[(MJ·mm)/(hm2·h)]；K為土壤可蝕性因子[(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)]；LS為坡度坡向因子，無(wú)量綱；C為植被覆蓋因子，無(wú)量綱；P為水土保持措施因子，包括工程措施和耕作措施因子，根據(jù)岷江上游地區(qū)的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行賦值獲取，無(wú)量綱；Sa為沙粒含量(%)；Si為粉粒(%)；Cl為黏粒含量(%)；Sn為1-Sa；C0為有機(jī)質(zhì)含量(%)；θ為坡度(°)；fg為植被覆蓋度，無(wú)量綱。考慮到降水和植被的季節(jié)動(dòng)態(tài)性以及兩者隨季節(jié)變化所產(chǎn)生的不同耦合作用，本研究采用了齊述華[22]修正后的月模式方程：

(7)

式中：m為月份。

2.1.2 基于CASA模型的NPP物質(zhì)量的估算方法 本文采用國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的CASA模型估算岷江上游NPP產(chǎn)量[23-24]，表達(dá)式如下：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(8)

式中：NPP(x,t)為凈初級(jí)生產(chǎn)力(gc/m2)；APAR(x,t)為像元x在t月吸收的光合有效輻射[gC/(m2·月)]；ε(x,t)為像元x在t月的實(shí)際光能利用率(gC/MJ)。

APAR(x,t)計(jì)算公式為：

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

(9)

式中：SOL(x,t)表示像元x在t月時(shí)接收的太陽(yáng)總輻射量[gC/(m2·月)]；FPAR(x,t)為植被層對(duì)入射光合有效輻射的吸收比例，無(wú)量綱；常數(shù)0.5表示有一半的太陽(yáng)入射輻射處于FPAR的光譜范圍(0.4～0.7 μm)[16]。

ε(x,t)的計(jì)算公式為：

ε(x,t)=Tε1(x,t)·Tε2(x,t)·Wε(x,t)·εmax

(10)

式中：Tε1(x,t)和Tε2(x,t)表示低溫和高溫對(duì)光能利用率的脅迫作用，無(wú)量綱；Wε(x,t)為水分脅迫影響系數(shù)，反映水分條件的影響，無(wú)量綱；εmax是理想條件下的最大光能利用率(gC/MJ)。

2.1.3 基于區(qū)域水量平衡法的水源涵養(yǎng)量的估算 水源涵養(yǎng)概念較廣，主要表現(xiàn)形式包括生態(tài)系統(tǒng)的攔蓄降水、調(diào)節(jié)徑流、影響降雨量、凈化水質(zhì)等。目前水源涵養(yǎng)量的定量評(píng)估方法主要有蓄水能力法和區(qū)域水量平衡法，考慮到該區(qū)的實(shí)際情況和特殊地理位置以及現(xiàn)有資料數(shù)據(jù)，本研究采用區(qū)域水量平衡法估算岷江上游水源涵養(yǎng)量[25]，表達(dá)式如下：

Wwater=Wpre-Wet

(11)

式中：Wwater為水源涵養(yǎng)量(mm)；Wpre為降雨量(mm)；Wet為實(shí)際蒸散量(mm)。

2.2 生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值的估算

2.2.1 基于土壤保持量的土壤保育功能生態(tài)價(jià)值估算 土壤保育功能包括保肥和保土兩方面，因此土壤保育功能的生態(tài)價(jià)值等于保肥價(jià)值與保土價(jià)值之和。

土壤中含有大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，主要包括N，P，K，植被等陸表生態(tài)系統(tǒng)可以有效地減少水土流失，保持土壤中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。而N，P，K的保持量可以折算成化肥的數(shù)量，利用影子價(jià)格法[25]算出保肥價(jià)值，公式如下：

(12)

式中：V1為保肥價(jià)值(元/m2)；A為土壤保持量(t/hm2)；C1，C2，C3為土壤中N，P，K的百分含量(%)；R1，R2，R3分別為N，P折算為磷酸二銨的系數(shù)、K折算為氯化鉀的系數(shù)，分別為：14%，15.01%，50%；P1，P2為磷酸二銨化肥、氯化鉀肥的市場(chǎng)價(jià)格，元/t。其中化肥的市場(chǎng)價(jià)格來(lái)自于《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》(LY/T1721—2008)，見(jiàn)表1。

水土流失能夠造成水庫(kù)和河道堵塞，而植被則會(huì)較好地保持土壤，防止水土流失，從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的保土功能。保土價(jià)值的估算利用影子工程法[26]，即挖取土方的費(fèi)用來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體公式如下：

(13)

式中：V2為保土價(jià)值(元/m2)；A為土壤的保持量(t/hm2)；ρ為土壤容重(g/cm3)，取均值為0.98 g/cm3；P為挖取單位體積土方的費(fèi)用(元/m3)，見(jiàn)表1。

2.2.2 基于NPP的生態(tài)功能價(jià)值估算 (1) 固碳釋氧功能的價(jià)值估算。生態(tài)系統(tǒng)中的綠色植物可通過(guò)光合作用吸收CO2，釋放出O2，從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧功能。根據(jù)光合作用公式可得出，植被每生成1 g NPP，可以固定11/3 g CO2，同時(shí)釋放出8/3 g O2，然后分別根據(jù)碳稅法[27]，造林成本法[28]算出固碳、釋氧的價(jià)值，其公式為：

(14)

式中：V3為固碳釋氧價(jià)值(元/m2)；M為NPP(gC/m2)；P3，P4分別為固碳價(jià)格、制造氧氣價(jià)格(元/t)，見(jiàn)表1。

(2) 有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)功能的價(jià)值估算。有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)的價(jià)值估算采用能量替代法[29]，即根據(jù)碳燃燒產(chǎn)生的熱量折算為標(biāo)準(zhǔn)煤的數(shù)量，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)煤的價(jià)格來(lái)估算出有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)的價(jià)值，公式為：

(15)

式中：V4為有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)價(jià)值(元/m2)；M為NPP(gC/m2)；Hc為碳的熱值：0.036(MJ/g)；Hcoal為標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值：0.029 27(MJ/g)；Pcoal為標(biāo)準(zhǔn)煤的價(jià)格，見(jiàn)表1。

(3) 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)功能的價(jià)值估算。歐陽(yáng)志云等[30]的研究表明，生態(tài)系統(tǒng)每固定1 g碳，就可以積累氮0.025 426 g，磷0.002 01 g，鉀0.010 12 g，利用影子價(jià)格法算出營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價(jià)值，其公式為：

(16)

2.2.3 基于水源涵養(yǎng)量的水源涵養(yǎng)功能生態(tài)價(jià)值估算 水源涵養(yǎng)價(jià)值采用影子工程法依據(jù)水庫(kù)建設(shè)單位庫(kù)容投資以及水的凈化費(fèi)用價(jià)格進(jìn)行計(jì)算[31]，其公式為：

V=Vwater×(Pk+Pw)×106

(17)

式中：V為水源涵養(yǎng)價(jià)值(元/m2)；Wwater為水源涵養(yǎng)量(mm)；Pk為建設(shè)單位庫(kù)容價(jià)格(元/m3)；Pw為凈化水質(zhì)價(jià)格(元/m3)，見(jiàn)表1。

3 結(jié)果與分析

3.1 各項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值月際變化分析

岷江上游單位面積生態(tài)價(jià)值年內(nèi)變化顯著，其變化的主要影響因素包括光照、降雨、溫度以及植被生長(zhǎng)周期等。本小節(jié)主要分析各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)功能在不同月份的變化情況。由于岷江上游>85%的降雨都集中在5—10月份，同時(shí)該時(shí)間段也是植被的生長(zhǎng)季，因而5種生態(tài)服務(wù)功能的價(jià)值幾乎全集中在5—10月份，因此本研究針對(duì)2003年，2007年，2013年三年5—10月份每個(gè)月份的平均值進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值月際變化分析。

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估參數(shù)表

注：引自《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》(LY/T1721—2008年)。

由表2可得：各生態(tài)服務(wù)功能的單位面積價(jià)值在10月份達(dá)到最小值；單位面積土壤保育價(jià)值在8月份達(dá)到最大值，為0.426元/m2，其次是7月份，為0.376元/m2，最小為10月份(0.095元/m2)，7月、8月份單位面積土壤保育價(jià)值遠(yuǎn)大于其他月份，主要原因在于岷江上游在7月，8月份多暴雨，而此時(shí)的植被長(zhǎng)勢(shì)較好，植被通過(guò)根系對(duì)土壤產(chǎn)生固結(jié)作用，提高土壤的穩(wěn)定性，還能通過(guò)截留降水和阻礙地表水的沖刷進(jìn)而直接保護(hù)地表，降低土壤侵蝕量，因此在這兩個(gè)月，土壤的保持量比較大；單位面積水源涵養(yǎng)價(jià)值最大值同樣出現(xiàn)在8月份，為0.485元/m2，而且單位面積水源涵養(yǎng)價(jià)值在7—9月份變化呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì)，分別為0.256元/m2，0.485元/m2，0.158元/m2，其主要原因在于雖然7月、8月份的降雨量較大，但8月份相比7月份，多陰雨天，太陽(yáng)輻射較少，導(dǎo)致蒸散量較小，因而水源涵養(yǎng)量較大；而基于NPP的固碳釋氧、有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)單位面積生態(tài)價(jià)值則均在7月份達(dá)到最大值，分別為0.39元/m2，0.024元/m2，0.028元/m2，主要原因在岷江流域在7月份雨水和光照比較充沛，溫度適宜，因此植被光合作用比較強(qiáng)，累積的有機(jī)物質(zhì)(NPP)較多。

表2 各項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能單位面積生態(tài)價(jià)值月際變化分析

3.2 各項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值年際變化分析

由表3可知：岷江上游2003年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總和為1 065.96億元，2007年則增長(zhǎng)為1 316.39億元，而2013年相比2007年出現(xiàn)一定程度的減小，為1 267.18億元。近10 a，岷江上游平均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值為1 216.51億元：其中固碳釋氧價(jià)值最大，為502.69億元，占總值的41.52%；其次為水源涵養(yǎng)價(jià)值、土壤保育價(jià)值，分別為326.77億元和319.64億元，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)價(jià)值較小，分別為36.46億元和30.95億元。

土壤保育功能價(jià)值由2003年的268.37億元增長(zhǎng)為2007年的340.70億元，增長(zhǎng)幅度為72.33億元，而2013年(349.85億元)相比2007年，土壤保育價(jià)值則出現(xiàn)較小幅度增加(9.15億元)，其原因在于2000年之后政府實(shí)行退耕還林、退耕還草政策，林草地得到一定程度的恢復(fù)，植被蓋度增加，土壤流失量減小，然而2008年汶川地震使災(zāi)區(qū)土壤質(zhì)地變松散，加上大量植被遭到破壞，造成了土壤保育功能增加幅度減小。2007年土壤固碳釋氧功能價(jià)值相比2003年(476.46億元)增長(zhǎng)46.23億元，為522.69億元，而2013年則減小為508.92億元。2007年有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價(jià)值則均比2003年增長(zhǎng)2億元，而2013年則均減少1億元左右，變化幅度較小。2003—2013年，水源涵養(yǎng)價(jià)值的變化幅度最大：相比2003年(257.25億元)，2007年的水源涵養(yǎng)價(jià)值增長(zhǎng)幅度為125.66億元，達(dá)到382.91億元；然而2013年的水源涵養(yǎng)價(jià)值則出現(xiàn)較大幅度的減小(42.75億元)，為340.16億元，其主要原因在于2003—2007年岷江上游降水量普遍增加，水源涵養(yǎng)量增大，而2007—2013年該區(qū)域的降水量減小，而蒸發(fā)量加大，造成該流域出現(xiàn)一定程度的干旱，因此水源涵養(yǎng)價(jià)值減小。

表3 2003年、2007年、2013年各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值統(tǒng)計(jì)

3.3 不同縣域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值年際變化分析

圖1和表4分析發(fā)現(xiàn)，2003—2007年，岷江上游5個(gè)縣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總值均表現(xiàn)為一定程度的增大：松潘縣的增加幅度最大，為76.68億元，其中水源涵養(yǎng)功能貢獻(xiàn)最大，增長(zhǎng)幅度為44.13億元，貢獻(xiàn)率達(dá)到57.93%；其次為茂縣、汶川縣和理縣，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總值增幅分別為52.53億元、46.11億元、42.41億元；而增幅最小的是黑水縣，為33.11億元。2007—2013年，5個(gè)縣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總值均表現(xiàn)為一定程度的減小：其中汶川縣減小幅度最大，為18.42億元，其原因在于2008年汶川地震及其次生災(zāi)害(如滑坡、泥石流、水土流失等)極大地破壞了震區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，導(dǎo)致各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能都損壞嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值都在減少，其中減少幅度最大的為土壤保育價(jià)值，為8.33億元，其貢獻(xiàn)率達(dá)到45.22%；其次為松潘縣，減小幅度為12.30億元，其中水源涵養(yǎng)功能價(jià)值減小幅度最大，達(dá)到9.09億元；黑水縣、茂縣、理縣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總值減小幅度依次為8.76億元、5.67億元、3.88億元。2007—2013年，汶川縣各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值均呈現(xiàn)不同程度減小，其他各縣除土壤保育價(jià)值外，其余各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值均表現(xiàn)為減小趨勢(shì)。

圖1 2003年、2007年、2013年各縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總值的年際變化

注：(1)a代表2007年與2003年的差值;(2)b代表2013年與2007年的差值；(3)“-”代表減少。

3.4 2003-2013年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化狀況分析

為深入分析岷江上游2003年、2007年、2013年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化狀況，本研究分別將2003年、2007年、2013年三期岷江上游單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值做差值運(yùn)算，并對(duì)最終的差值結(jié)果進(jìn)行分級(jí)，見(jiàn)表5。

表5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化狀況分級(jí)

由表6分析發(fā)現(xiàn)：2003—2007年，單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化以輕微增加為主，其所占面積百分比為64.17%，主要分布于茂縣、松潘縣西部和北部、黑水縣南部和西部等；其次是穩(wěn)定區(qū)和增加區(qū)，所占面積百分比分別為15.86%，16.97%，穩(wěn)定區(qū)主要分布于岷江上游西部海拔較高的草地區(qū)，增加區(qū)則主要集中于汶川縣南部的平原地帶；而減少區(qū)(劇烈減少區(qū)、減少區(qū)和輕微減少區(qū))分布面積較小，主要集中于高山峽谷地帶，該區(qū)植被較低，地勢(shì)陡峻，在密集降雨的沖刷下容易形成大量的滑坡、泥石流，進(jìn)而造成高強(qiáng)度的土壤侵蝕。總體上，2007年單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值相對(duì)于2003年表現(xiàn)為較大程度的增加。

2007—2013年，岷江上游單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值穩(wěn)定區(qū)所占面積最大，其面積比例為69.44%，主要分布于松潘縣北部、黑水縣西部和北部以及茂縣西部等。其次為輕微減少區(qū)17.95%，主要分布在岷江干流和支流兩岸的坡度較陡的林區(qū)，由NDVI數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)該區(qū)域2 013的NDVI值普遍比2003年和2007年小，主要是因?yàn)?008年的汶川地震導(dǎo)致的坡度較陡地區(qū)的植被遭到大量破壞，而且2013年與2007年相比存在1個(gè)顯著的劇烈減少區(qū)，即地震重災(zāi)區(qū)汶川縣東南部地帶，其劇烈減少面積達(dá)到268.5 km2，該地區(qū)由于地震的發(fā)生，山體滑坡、泥石流嚴(yán)重，大面積森林植被遭到破壞。2007—2013年，輕微增加區(qū)、增加區(qū)以及劇烈增加區(qū)三者面積比例之和不足10%，說(shuō)明2013年相比2007年單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值有一定程度減少。

2003—2013年，總體上岷江上游單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值表現(xiàn)為較大程度的增加：其中輕微增加區(qū)分布面積最廣，為12 865 km2，主要分布于理縣中部和南部、汶川縣西部、茂縣西部和松潘縣中部和東部，其原因在于近十幾年該地區(qū)降水表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，加上政府實(shí)施的退耕還林、退耕還草工程，使該地區(qū)的森林和草地面積得到一定程度的恢復(fù)；其次為穩(wěn)定區(qū)，所占面積為7 000.31 km2，多集中于黑水縣和松潘縣西部，其原因在于該區(qū)人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度較小，對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)干擾度較低；而劇烈減少區(qū)和減少區(qū)分布面積最小，主要集中于汶川地震災(zāi)區(qū)，這主要于地震及其次生災(zāi)害對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成較大程度的破壞有關(guān)。

表6 2003年、2007年、2013年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化狀況分析

4 結(jié)論與討論

(1) 從各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值的月際變化(5—10月份)規(guī)律來(lái)看，各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值均在10月份達(dá)到最小值，土壤保育價(jià)值和水源涵養(yǎng)價(jià)值在8月份達(dá)到最大值，而基于NPP的固碳釋氧、有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)價(jià)值則在7月份達(dá)到最大值。

(2) 2003—2013年，岷江上游生態(tài)服務(wù)價(jià)值總值呈現(xiàn)先增加(2003—2007年)后減小(2007—2013年)的趨勢(shì)。近十年岷江上游平均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值為1 216.51億元，其中固碳釋氧價(jià)值最大，占總值的41.52%，其次為水源涵養(yǎng)價(jià)值和土壤保育價(jià)值，分別占總值的26.69%，26.62%，而營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)價(jià)值最小，兩者之和占價(jià)值總值的5.56%。

(3) 不同縣域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值年際變化上：2003—2007年，松潘縣的生態(tài)服務(wù)價(jià)值總值增加幅度最大，而黑水縣變化最小；2007—2013年，各縣的生態(tài)服務(wù)價(jià)值總值均表現(xiàn)為一定程度的減小，其中汶川縣的減小幅度最大，這與汶川地震及其次生災(zāi)害相關(guān)。

(4) 在單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值年際變化強(qiáng)度上：2007年單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值相對(duì)于2003年呈現(xiàn)較大程度增加，而2013年比2007年的單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值有所減少。

岷江上游林地相對(duì)于其他土地利用類(lèi)型具有較高的土壤保持，凈初級(jí)生產(chǎn)以及水源涵養(yǎng)能力，可以更好地來(lái)改善小氣候環(huán)境。因此，增加岷江上游森林覆蓋面積是提高生態(tài)價(jià)值的關(guān)鍵，特別是加強(qiáng)岷江上游流域干旱河谷大于25°坡耕地的退耕還林、還草工程的實(shí)施。草地主要分布于氣候寒冷的高山區(qū)，由于全球氣候變暖以及過(guò)度放牧導(dǎo)致了該區(qū)草地的嚴(yán)重退化，極大的降低了該流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，因此應(yīng)根據(jù)草地的產(chǎn)量，草種的構(gòu)成，長(zhǎng)勢(shì)以及水源狀況來(lái)確定合理的載畜量以及放牧間隔時(shí)間，并依據(jù)氣候條件選擇不同的優(yōu)勢(shì)草種來(lái)因地補(bǔ)種退化的草地。

岷江上游生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空格局變化的驅(qū)動(dòng)力主要包括自然因素(如地震、滑坡、泥石流、植被變化、氣候的波動(dòng)等)和人為經(jīng)濟(jì)因素(如毀林毀草、耕地的過(guò)度利用、落后的農(nóng)耕措施以及不合理的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等)。岷江上游生態(tài)服務(wù)功能的改善可以減輕中下游的水土流失，有利于農(nóng)田的保護(hù)，對(duì)于中下游地區(qū)的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，因此應(yīng)對(duì)上游居民做好生態(tài)補(bǔ)償，以提高保護(hù)生態(tài)環(huán)境和增加生態(tài)服務(wù)價(jià)值的積極性。

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DynamicEvaluationonEcosystemServiceValueoftheUpperReachesofMinjiangRiverBasedonMulti-SourceData

GUO Bing1,2，3，4, JIANG Lin1, SUN Caihong1， HAN Fang1

(1.SchoolofCivilandArchitecturalEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo,Shandong255000,China; 2.KeyLaboratoryforNationalGeographicCensusandMonitoring,NationalAdministrationofSurveying,MappingandGeoinformation,Wuhan430079,China； 3.HubeiKeyLaboratoryofRegionalDevelopmentandEnvironmentalResponse(HubeiUniversity),Wuhan430062,China; 4.KeyLaboratoryforDigitalLandandResourcesofJiangxiProvince,EastChinaUniversityofTechnology,Nanchang330013,China)

The Upper Reaches of Minjiang River, as a typically fragile eco-system zone, is an important ecological protection region of Yangtze River. Utilizing the geographic information system and remote sensing, we have obtained the evaluations of the soil conservation, carbon sequestration and oxygen release, nutrient cycling, organic production and water conservation in 2003, 2007, and 2013 with the models of regional water balance, RUSLE and CASA based on multi-source data (remote sensing images, meteorological observations, land-use types, and so on ). Then the spatial and temporal change patterns of ecosystem service values of the Upper Reaches of Minjiang River were analyzed. The results showed that: (1) during 2003—2013, there were an increasing, trend in the gross of ecosystem service value for 2003—2007 and a decreasing trend for 2007—2013, respectively; (2) in 2007, the ecosystem service value of unit area increased compared with that of 2003 while there was a slightly decreasing change during 2007—2013; (3) each part of ecosystem service in the Upper Reaches of the Minjiang River reached the minimum value in October, while the values of water conservation and soil conservation reached the maximum in August; meanwhile, the values of carbon sequestration and oxygen release, the organic production, and nutrient recycling derived from net primary productivity (NPP) reached the maximum in July; (4) during 2003—2007, the ecosystem service value of Songpan county had the largest increase while that of Heishui County was the smallest; on the contrary, there was a decreasing trend in ecosystem service value for all five counties, among which the Wenchuan County had the largest reduction during 2007—2013; (5) compared with other land use types, the forest had higher capacities of soil conservation, net primary production, and water conservation. Therefore, it was of great importance to improve the condition of forest for raising the ecosystem service value of the Upper Reaches of Minjiang River. The main driving forces of ecosystem service value changes were composed of natural factors (such as earthquake, landslide, debris flow, vegetation, and climate fluctuations) and human disturbances (such as deforestation, land overuse, unreasonable economic structure). The improvement of ecosystem service value can reduce soil erosion and protect the farmland in the Middle and Lower reaches, which is of great significance for the sustainable economic development in the Upper Reaches of the Minjiang River. The results can not only provide the basis for the ecological environment management, but also strengthen the concept of environmental protection.

upper reaches of Minjiang River; ecosystem service; environment economy method; value evaluation; spatial and temporal variations

X87

A

1005-3409(2017)06-0131-08

2016-12-22

2017-01-05

地理國(guó)情監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(2016NGCM02);山東理工大學(xué)教學(xué)研究與改革項(xiàng)目(116205);國(guó)家自然科學(xué)基金(41501425);山東省自然科學(xué)基金(ZR2014DL001)；東華理工大學(xué)江西省數(shù)字國(guó)土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金(DLLJ201709);區(qū)域開(kāi)發(fā)與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金(2017(B)003)

郭兵(1987—),男,山東淄博人,博士,講師,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境遙感。E-mail:guobingjl@163.com

姜琳(1987—),女,山東文登人,碩士,研究方向?yàn)榄h(huán)境遙感。E-mail:linlin20061998@126.com