蘇州市2000—2014年生態(tài)系統(tǒng)服務價值及灰色模型預測研究

程媛媛， 周漢磊， 潘勝強， 劉 琦， 周海江， 周天鵬， 陳德超， 伍燕南

（蘇州科技大學 環(huán)境科學與工程學院，江蘇 蘇州215009）

生態(tài)系統(tǒng)服務功能是指生態(tài)系統(tǒng)為人類生存及福祉所提供的直接與間接貢獻[1－4]。 影響生態(tài)系統(tǒng)服務功能的因素主要有五個：土地用途變化、外來物種入侵、過度開發(fā)、環(huán)境污染和氣候變化[5]，其中土地用途變化是導致空間格局及生態(tài)服務功能變化的最重要因素[6]。 因此，文中從土地用途角度，對蘇州市2000—2014 年期間的生態(tài)服務價值的變化開展了研究，旨在掌握蘇州市生態(tài)系統(tǒng)服務功能的變化特征，為資源更優(yōu)化配置的實現(xiàn)及相關保護生態(tài)系統(tǒng)的政策制定提供理論基礎。

當量因子法是由謝高地等學者建立的生態(tài)系統(tǒng)價值評估的常用方法之一，該方法針對農田、荒漠、水域、森林四種生態(tài)系統(tǒng)分別進行評估。 在荒漠系統(tǒng)的生態(tài)評估中需要建設用地面積的數(shù)據(jù)支撐，而統(tǒng)計年鑒中建設用地的面積數(shù)據(jù)存在統(tǒng)計口徑不一致的問題，如蘇州統(tǒng)計年鑒中2008 年前的建設用地數(shù)據(jù)基于市區(qū)而統(tǒng)計，2008 年后的數(shù)據(jù)是基于市域而統(tǒng)計。 該統(tǒng)計口徑的不一致嚴重影響了荒漠生態(tài)系統(tǒng)服務價值的評估計算。 因此，筆者通過建立灰色模型，預測相關年份的用地數(shù)據(jù)，并借助遙感解譯方法對該模型進行驗證與優(yōu)化，從而提高荒漠生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估計算的可行性與準確性。

近年來歐陽志云和謝高地等國內外學者對生態(tài)系統(tǒng)服務功能及其價值評估展開了深入研究[7－20]。歐陽志云等對生態(tài)系統(tǒng)服務功能的價值評估方法進行了研究，并基于科斯坦薩（Costanza）評估指標和方法對我國陸地生態(tài)系統(tǒng)的6 項服務功能進行了評估[21]；謝高地等在科斯坦薩（Costanza）的研究基礎上，以調查問卷形式咨詢了我國200 多位生態(tài)學家后，制定出我國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子表[22]。部分學者從不同尺度對多種類型的生態(tài)系統(tǒng)進行了實例研究。 2012 年，世界自然保護聯(lián)盟（IUCN）駐華代表朱春全先生提出了把自然生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)總值納入國家可持續(xù)發(fā)展的評估核算體系[23]，從而進一步促進了生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估的發(fā)展[24]。

盡管蘇州處于長江三角洲平原地區(qū)，其高速的經(jīng)濟發(fā)展不可避免的影響著生態(tài)環(huán)境，如何保證生態(tài)建設和經(jīng)濟發(fā)展的雙贏，是影響蘇州可持續(xù)發(fā)展的核心問題[25]。部分學者對蘇州森林資源或太湖水域的生態(tài)服務價值開展了相關研究，但針對蘇州市整體生態(tài)系統(tǒng)服務價值的評估研究目前較少。 因此，筆者擬對蘇州市生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行評估，厘清蘇州市生態(tài)系統(tǒng)服務功能類型；通過計算其生態(tài)系統(tǒng)服務價值，定量分析生態(tài)系統(tǒng)在社會經(jīng)濟發(fā)展中的作用與功能，為蘇州市生態(tài)系統(tǒng)走可持續(xù)發(fā)展道路提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 區(qū)域概況

蘇州市地處東經(jīng) 119°55′～121°20′，北緯 30°47′～32°02′之間，東依上海，南傍浙江，西抱太湖，北臨長江，總面積8 657.32 km2。 境內河網(wǎng)密布，湖泊眾多，三分之二太湖水面位于蘇州境內，灘涂、湖泊、河流面積占全市總面積的36.6%，水域面積達到36 094 hm2[26]。 蘇州屬亞熱帶季風海洋性氣候，年平均氣溫16.9 ℃，年平均降水量1 745.5 mm。 2016 年末，蘇州市實現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值15 475.09 億元。 蘇州的主要糧食作物為小麥、水稻、大豆和玉米。

1.2 計算方法與數(shù)據(jù)來源

第一步：采用謝高地的當量因子法（見表1）對蘇州市2000—2014 年期間的生態(tài)服務價值的變化進行計算與分析。 （1）將面積為1 hm2的全國平均產(chǎn)量農田每年所產(chǎn)出的自然糧食經(jīng)濟價值視為1，其他生態(tài)系統(tǒng)某一服務價值當量因子數(shù)值則為該生態(tài)服務功能與農田食物生產(chǎn)服務功能價值的比值；（2）確定1/7 個單位的全國平均糧食單產(chǎn)市場價值為1 個生態(tài)服務價值當量因子的經(jīng)濟價值量。

當量因子法在區(qū)分不同生態(tài)系統(tǒng)服務功能的基礎上，基于可量化的標準構建不同類型生態(tài)系統(tǒng)各種服務功能的價值當量來進行評估。 該方法較其他方法，如服務價值法，更直觀易用，數(shù)據(jù)需求較少，是適合我國生態(tài)系統(tǒng)狀況和經(jīng)濟發(fā)展水平的一種生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估工具[27]。 很多學者采用了該方法對我國不同城市地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值開展了相關研究，如杜加強等采用該方法對重慶市生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行了動態(tài)評估[28]。 因此，當量因子法應用于蘇州生態(tài)系統(tǒng)服務價值的研究與計算，在理論上是適用的，可行性較好。

表1 中國不同陸地類型生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值當量表（2003）

第二步：基于蘇州市用地現(xiàn)狀，將蘇州市土地利用類型分為耕地、園地、林地、水域、建設用地和未利用地六種類型，并建立各用地類型與生態(tài)系統(tǒng)類型的對應關系（如圖1 所示）[29]。

第三步：數(shù)據(jù)主要基于《蘇州統(tǒng)計年鑒》（2001 年鑒）和《中國物價年鑒》（2001 國物價年鑒）。 針對2008年前后蘇州市建設用地面積統(tǒng)計口徑不一致的問題，文中采用了遙感圖像解譯和線性回歸模型結合的方法，對2000—2007 年蘇州市域建設用地面積進行了估算，結果見表2。

表2 蘇州市2000—2007 年市域建設用地面積估算結果

由于缺乏2013 年和2014 年玉米的全國平均價格數(shù)據(jù)， 文中采用回歸系數(shù)為0.98 的指數(shù)回歸模型對2013、2014 年數(shù)據(jù)進行預測；回歸方程為 exp（0.080 3*X）*0.757 7（X 取 13、14）。 預算結果見表 3。

1.3 計算過程與步驟

蘇州生態(tài)系統(tǒng)服務價值的計算過程依據(jù)公式（1）、（2）、（3）主要有3 個步驟。

步驟1：依據(jù)公式（1），對蘇州2000 年服務價值年度單位農田生態(tài)系統(tǒng)提供食物生產(chǎn)服務功能的經(jīng)濟價值（Ea）進行計算[30]

其中，Ea為單位面積農田生態(tài)系統(tǒng)提供食物生產(chǎn)服務的經(jīng)濟價值（元/hm2）；1/7，定義面積為1 hm2的全國平均產(chǎn)量農田每年所產(chǎn)的自然糧食的經(jīng)濟價值為1， 確定1 個生態(tài)服務價值當量因子的經(jīng)濟價值量等于1/7個單位的全國平均糧食單產(chǎn)市場價值；i 為作物種類；mi為i 種糧食作物種植面積（hm2）；qi為i 種糧食作物單位面積產(chǎn)量（kg/hm2）；pi為 i 種糧食作物全國平均價格（元/kg）；M 為糧食作物種植總面積（hm2）。 Ea計算分兩種方式：（1）用 2000 年不變價；（2）用當年價。

表3 單位面積農田生態(tài)系統(tǒng)的食物生產(chǎn)服務經(jīng)濟價值

步驟2：計算不同土地類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)Ck（計算結果見表4、表5）

其中，F(xiàn)ky為k 類土地利用類型y 類生態(tài)系統(tǒng)服務功能的當量因子。

步驟3：計算蘇州生態(tài)系統(tǒng)服務價值ESV（計算結果見表6）

其中，ESV 為蘇州市生態(tài)系統(tǒng)服務價值（萬元）；Ak為k 類土地利用類型的面積（hm2）。

表4 不同土地類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)Ck（2000 年不變價）

表5 不同土地類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)Ck（當年價）

表6 蘇州市2000—2014 生態(tài)系統(tǒng)服務價值（不變價、當年價）與GDP

2 結果分析與討論

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務總價值的變化

依據(jù)當量因子法，分別采用不變價（2000 年）和當年價計算生態(tài)系統(tǒng)服務價值，解析蘇州市2000—2014年生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化趨勢（如圖2 所示）。

圖2 2000—2014 年蘇州市生態(tài)系統(tǒng)服務價值及其與GDP 比值的變化趨勢

不變價（2000 年）的變化曲線顯示，蘇州市生態(tài)系統(tǒng)服務價值總體呈緩慢上升趨勢，由2000 年的198 億增至2014 年的213 億。 當年價的變化曲線顯示，蘇州市生態(tài)系統(tǒng)服務價值從2000—2002 年期間較平穩(wěn)，無明顯變化；而2002 年后逐步上升，且上升幅度在2007 年后顯著增大，由2008 年的352 億增至2014 年的550 億元，期間的年平均增長率為9.4%。

基于不變價（2000 年）計算得出的蘇州市生態(tài)系統(tǒng)服務價值年平均增長率較?。?.5%），而采用當年價得到的年平均增長率較大（12.0%）。 蘇州市GDP 從2000 年的1 540 億增至2014 年的13 760 億，年平均增長率為52.9%，但生態(tài)系統(tǒng)服務價值與GDP 的比值（即ESV/GDP）不斷縮小，分別從2000 年的12.85%減少到2014 年的1.6%（2000 年不變價）和4%（基于當年價）。 這表明蘇州市GDP 增長速度大于生態(tài)系統(tǒng)服務價值的增長速度，尚未實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)建設同步的目標。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值組成結構變化情況

生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值結構是指各項服務功能價值占總服務價值的比例[27，31－33]。 從圖3 和圖4 來看，基于不變價（2000 年）和當年價兩種方法解析出的蘇州市2000—2014 年生態(tài)系統(tǒng)服務價值結構類似：占比最大的兩大功能分別為水源涵養(yǎng)功能（約39%）和廢物處理功能（約35%），體現(xiàn)出蘇州水資源豐富的實際情況以及環(huán)境的納污功能。 娛樂文化和生物多樣性保護的占比分別為8%和7%，其余五種服務功能價值總占比為11%左右。

圖3 基于不變價（2000 年）的生態(tài)服務功能價值組成及其變化趨勢

圖4 基于當年價的生態(tài)服務功能價值組成及其變化趨勢

2.3 土地利用類型及其面積的變化

蘇州市2000—2014 年期間各土地利用類型的面積見表7， 可以看出2000—2008 年期間耕地面積與水域逐步減少，建設用地面積顯著增加。 這主要由于蘇州處于經(jīng)濟高速發(fā)展時期，土地利用變化頻率較快[28]。2008—2014 年期間，林地面積顯著增加（由52 739 hm2增至98 946 hm2），園地與水域面積保持穩(wěn)定，建設用地面積小幅度增加，耕地面積略有降低。2007 年太湖水危機促使國家加強管理，并于2011 年實施《太湖流域管理條例》，因此，蘇州市水域面積在此期間（即2008-2014 年）保持穩(wěn)定。

表7 蘇州市2000—2014 年各土地利用類型面積/hm2

2.4 土地利用類型及生態(tài)系統(tǒng)服務價值

基于不變價（2000 年）和當年價兩種方法計算了各土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值。 計算結果（如圖5、 圖 6 所示）均顯示水域生態(tài)系統(tǒng)服務價值占比最大 （83%～84%），其次是林地（11%）和耕地（5%）；園地因面積和生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)均相對較小， 所以對應的生態(tài)系統(tǒng)服務價值也較??； 城市建設用地其生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)接近零，因此，忽略不計。

圖5 基于不變價（2000 年）的不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值

2.5 蘇州市生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值變化趨勢

采用不變價和當年價兩種方法， 評價結果都表明： 蘇州市生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值總體呈現(xiàn)出上升趨勢； 對生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化趨勢起決定性作用的服務功能是水源涵養(yǎng)和廢物處理功能； 起決定性作用的土地利用類型是水域和林地。

圖6 基于當年價的不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值

3 構建灰色預測模型

灰色預測是基于數(shù)據(jù)量少或者不完全的情況下，建立模型進行預測。 灰色預測模型可操作性強，應用范圍廣。 基于蘇州市2000—2014 年生態(tài)服務價值數(shù)據(jù)，建立方程式（4）、（5），預測蘇州市2020 年生態(tài)系統(tǒng)服務價值。

灰色模型建立后，采用后驗差檢驗法對其精度進行檢驗，檢驗結果及生態(tài)系統(tǒng)服務價值預測結果見表8。 預測結果顯示，蘇州市2015—2020 年生態(tài)系統(tǒng)服務價值總體呈上升趨勢，增長率分別為1%（基于2000年不變價）和9%（基于當年價）。 不變價的預測精度為二級，當年價為三級，即不變價精度較高。

關于利用灰色模型預測所得到的不變價和當年價對應的數(shù)值精度問題，有學者認為當年價的生態(tài)系統(tǒng)服務價值預測精度不高，這是由于采用當年價的計算方法影響因素較多，在建立模型時，其所需數(shù)據(jù)變化幅度較大，結果的確定性不強。 因此，文中得出的結論與其他學者研究相同，即不變價精確度較高。

表8 蘇州市2015—2020 年生態(tài)系統(tǒng)服務價值趨勢預測及模型檢驗

4 結語

研究結果表明：蘇州市生態(tài)系統(tǒng)服務價值總體呈上升趨勢且未來將一直保持，但其與蘇州市GDP 的比值呈下降趨勢；水源涵養(yǎng)功能和廢物處理功能是蘇州市生態(tài)系統(tǒng)服務的兩大核心功能；水域和林地則是決定蘇州市生態(tài)系統(tǒng)服務價值的兩大土地利用類型。 因此，從實現(xiàn)生態(tài)與經(jīng)濟協(xié)調發(fā)展和保護水域與林地兩個角度來提出調控措施。

在計算城市建設用地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值時，由于相關統(tǒng)計口徑發(fā)生變化，缺乏2000—2007 年蘇州市市域城市建設用地面積，文中采用遙感解譯和線性回歸相結合的方法，有效解決了數(shù)據(jù)不足的問題，且計算的精度較高。