基于地理國情監(jiān)測的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務評價
——以杭州市為例

張明珠

(合肥市測繪設計研究院，安徽 合肥 211100)

近年來，隨著改革開發(fā)政策的實行，我國在取得經(jīng)濟迅速發(fā)展的同時，由于其粗放的增長模式導致了如資源約束趨緊、環(huán)境污染嚴重、生態(tài)系統(tǒng)退化、發(fā)展與人口資源環(huán)境之間的矛盾日益突出等諸多環(huán)境問題，不僅影響人民的健康和安全，而且制約社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展[1]。

運用地理國情監(jiān)測技術對自然、人文等地理要素進行動態(tài)化、定量化和空間化監(jiān)測，并對其空間分布、地域差異、變化量、變化率以及變化趨勢進行量測、分析、模擬，通過將多種資源、環(huán)境、生態(tài)、經(jīng)濟要素信息集成整合，綜合反映生態(tài)和環(huán)境發(fā)展現(xiàn)狀，為生態(tài)文明建設提供科學數(shù)據(jù)以及技術支持。

人類對自然生態(tài)環(huán)境進行干涉，在改變土地利用方式的同時，不僅改變地表自然景觀，同時也促使了生態(tài)系統(tǒng)服務功能變化[2]。生態(tài)系統(tǒng)服務就是生態(tài)學界為了滿足這種需求而提出的聯(lián)系生態(tài)系統(tǒng)和人類福祉的一個重要概念，生態(tài)系統(tǒng)服務研究旨在為完善對生態(tài)系統(tǒng)的管理，確保對生態(tài)系統(tǒng)的保護與可持續(xù)利用，進而為提高人類福祉和推動經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展進程提供科學信息，目前其已成為國際上科學研究的熱點問題之一，一些研究甚至認為可將其納入國民經(jīng)濟核算體系。

1 研究概況

地理國情是制定國家和區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃、推動社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要數(shù)據(jù)基礎[3-4]。地理國情監(jiān)測是傳統(tǒng)測繪的延伸和拓展，是對傳統(tǒng)測繪地理信息事業(yè)的深刻變革。其可將重要水體、森林及污染情況等自然環(huán)境要素信息集成整合，綜合反映生態(tài)和環(huán)境發(fā)展現(xiàn)狀，為生態(tài)文明建設提供科學數(shù)據(jù)支持。我國于2012年開展了歷時4年的全國地理國情監(jiān)測工作，全面完成地理國情普查和重要、典型地理國情監(jiān)測工作[5]。在完成第一次地理國情普查工作的基礎上，全國又啟動了一批如省會城市城區(qū)面積分布監(jiān)測、國家級新區(qū)建成區(qū)面積監(jiān)測等重點專題國情監(jiān)測項目，對城市的可持續(xù)發(fā)展和開發(fā)區(qū)經(jīng)濟發(fā)展起到了很好的基礎支撐作用。李德仁等[6]在總結我國第一次中國地理國情普查和重點專題國情監(jiān)測成果的基礎上，提出地理國情普查和監(jiān)測在內(nèi)容、技術和成果表達3個方面亟需創(chuàng)新。

生態(tài)系統(tǒng)服務是指生態(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，也就是自然生態(tài)系統(tǒng)及其組成物種產(chǎn)生的對人類生存和發(fā)展有支持作用的狀況和過程。生態(tài)系統(tǒng)服務概念的第一次使用是在20世紀60年代[7-8]，其全面地科學表達及其系統(tǒng)的定量研究始于20世紀70年代，Holdren和Ehrlich在1974年發(fā)表的《人口與全球環(huán)境》一文中提出了“生態(tài)系統(tǒng)服務功能”概念[9]，最后由Ehrlich (1981)將其確定為“生態(tài)系統(tǒng)服務”[10]。隨后幾十年中，生態(tài)系統(tǒng)服務理論得到不斷發(fā)展與完善，Caims從生態(tài)系統(tǒng)的特征出發(fā)定義了生態(tài)系統(tǒng)服務，Daily于1999年在她的標志性著作《自然服務：人類社會對自然生態(tài)系統(tǒng)的依賴》一書中定義了生態(tài)系統(tǒng)服務[11]。我國歐陽志云、謝高地等也對生態(tài)系統(tǒng)服務功能的概念進行了概括[12-13]，傅伯杰等對我國生態(tài)系統(tǒng)服務與生態(tài)安全、生態(tài)系統(tǒng)管理、制圖發(fā)展等方面進行了研究[14-16]。

基于杭州市第一次地理國情普查成果，以及不斷發(fā)展、完善的地理國情監(jiān)測技術并綜合考慮前人對生態(tài)系統(tǒng)服務功能的總結，本文將基于地理國情監(jiān)測技術從碳儲量、水資源供給兩個方面進行區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務評價。

2 研究區(qū)概況

選取杭州市為主要研究區(qū)。杭州市位于中國東南沿海、浙江省北部、錢塘江下游、京杭大運河南端，地處東經(jīng)118°20′～120°37′，北緯29°11′～30°34′。全市總面積 16 596 km2，地形以丘陵、平原為主，全市丘陵山地占總面積的65.6%，集中分布在西部、中部和南部；平原占26.4%，主要分布在東北部；江、河、湖、水庫占8.0%。森林覆蓋率達65%，居全國省會城市第一。河網(wǎng)密集，湖泊密布，物產(chǎn)豐富，具有典型的“江南水鄉(xiāng)”特征。屬亞熱帶季風區(qū)，雨熱充沛。

2005年以來，杭州市委市政府先后編制實施了《杭州生態(tài)市建設規(guī)劃》、《杭州市生態(tài)文明建設規(guī)劃(2010-2020)》、《杭州市環(huán)境功能區(qū)劃》等系列規(guī)劃，形成了生態(tài)市—生態(tài)縣—生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)—生態(tài)村四級生態(tài)規(guī)劃體系。杭州作為浙江省會城市，全省政治、經(jīng)濟、文化中心，通過實施以西部山區(qū)和千島湖濕地為重點的生態(tài)屏障保護工程，以及城區(qū)“六條生態(tài)帶”保護和修復，形成了形態(tài)完備、功能完善、質量完美的生態(tài)格局。目前杭州已擁有2個世界自然文化遺產(chǎn)(西湖和大運河)、2個國家級自然保護區(qū)和9個國家森林公園。

3 數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)來源

研究基礎是利用InVEST模型的碳儲量模塊和產(chǎn)水量模塊，以及Schwarz等提出的關于區(qū)域氣候調節(jié)功能估算方法對杭州市2000—2010年10年間以碳儲量、水資源供給和區(qū)域氣候調節(jié)為代表的生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行估算，所需數(shù)據(jù)來源見表1。

表1 數(shù)據(jù)獲取

3.2 土地利用與土地覆蓋數(shù)據(jù)

研究中所使用的土地利用數(shù)據(jù)來源于國家地理信息中心提供的全球30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)(Global Land 30),該數(shù)據(jù)覆蓋南北緯80度的陸地范圍，包括耕地、森林、草地、灌木林地、濕地、水體、苔原、城鎮(zhèn)建設用地、貧瘠地、冰川和永久積雪等10類。圖1為杭州市2000年、2010年土地利用數(shù)據(jù)。

3.3 潛在蒸散發(fā)量PET數(shù)據(jù)

潛在蒸散發(fā)量PET(potential evapotranspiration)是水分循環(huán)和能量平衡的重要組成部分，其表示在一定的氣象條件且供水充分情況下，平坦地面上有植被覆蓋的區(qū)域的蒸散發(fā)能力[17]。本文從地理數(shù)據(jù)共享平臺上收集了研究區(qū)內(nèi)氣象站的每日平均溫度、最低溫度及最高溫度，然后利用Penman-Monteith公式計算出年均蒸發(fā)量，最后通過克里金插值，獲得柵格格式的年均蒸發(fā)量(圖2)。

3.4 年均降水量數(shù)據(jù)

從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)上申請獲取浙江省杭州市2000年、2010年氣象站點的年均降水觀測值，利用ArcGIS中的地統(tǒng)計分析工具采用克里格插值方法進行空間插值，生成2期不同時間段的年均降水量圖(圖3)。

3.5 土壤深度與土壤含水量數(shù)據(jù)

土壤深度數(shù)據(jù)(圖4)和植被可利用水含量(圖5)數(shù)據(jù)均來源于寒區(qū)旱區(qū)科學數(shù)據(jù)中心提供的基于世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)的中國土壤數(shù)據(jù)集(China Siol Map Based Harmonized World Soil Database)(v1.1)，通過對空間屬性數(shù)據(jù)進行空間柵格化，以及裁剪、數(shù)據(jù)融合等預處理得到模型所需的數(shù)據(jù)格式。

4 基于地理國情監(jiān)測的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務評價方法

生態(tài)系統(tǒng)服務和交易的綜合評估模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)，簡稱InVEST，對生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行量化，并以圖的形式表達[18]，從而識別出在何處投資、以及投資力度的大小，其分析成果可作為多服務和多目標優(yōu)化方案的基礎。InVEST模型從最初的1.0到本文用到的3.3.3共有20多個版本，截至目前已開發(fā)到3.5.0版本，其包含三大生態(tài)系統(tǒng)的評估：海洋系統(tǒng)、陸地系統(tǒng)和淡水系統(tǒng)。

圖1 杭州市2000年、2010年土地利用狀況

4.1 基于InVEST模型的碳儲量估算

陸地生態(tài)系統(tǒng)中的碳儲存主要來自于包含地上部分生物量、地下部分生物量、土壤碳、死亡有機質碳庫四大基本碳庫。InVEST模型使用土地利用與土地覆被圖和木材砍伐速率數(shù)據(jù)、產(chǎn)品衰減速率、四大基本碳庫來估算在景觀中目前存儲的碳和未來存儲的碳以及研究時段內(nèi)固定或釋放的碳。其計算公式為：

Cveg=Cabove+Cbelow+Cdead#

C=Cveg+Csoil#

式中:Cveg為植被總碳儲量(t/hm2)；Cabove為地上部分碳儲量；Cbelow為地下部分碳儲量；Cdead為死亡有機質碳儲量；Csoil為土壤碳儲量圖層數(shù)據(jù)。

圖2 杭州市2000年、2010年潛在蒸散發(fā)量分布

模型運行所需數(shù)據(jù)主要包括土地利用/覆被(LUCC)圖和碳庫表(表2)。土地利用/覆蓋(LUCC)圖為2000年、2010年杭州市土地覆蓋/土地利用分類圖。InVEST模型為使用者提供了一個基于IPCC 2006溫室氣體排放清單的碳庫表，經(jīng)整理歸并為本文所用。

4.2 基于InVEST模型的產(chǎn)水量估算

“產(chǎn)水量”模型是基于一個簡化的水文循環(huán)模型，忽略地下水的影響，模擬一定區(qū)域內(nèi)的地表產(chǎn)水量，產(chǎn)水量越多，水資源供給服務就越多。水資源供給又是一項重要的生態(tài)系統(tǒng)服務，涉及到人類的很多福祉。InVEST模型的產(chǎn)水模塊是一種基于水量平衡的估算方法，某柵格單元的降雨量減去實際蒸散發(fā)后的水量即為水資源供給量，包括地表產(chǎn)流、土壤含水量、枯落物持水量和冠層截留量。InVEST模型的產(chǎn)水估算是建立在Budyko水熱平衡假設和年均降水量的基礎上[19]。不同土地利用類型柵格單元年產(chǎn)水量Y(x)的計算公式為：

圖3 杭州市2000年、2010年降水量分布

式中：Y(x)為柵格單元x的年產(chǎn)水量；AET(x)為柵格單元x的年實際蒸散量；P(x)為柵格單元x的降水量，詳細計算過程參見InVEST模型用戶手冊[18]。

表2 不同LUCC碳密度

該模塊需要的數(shù)據(jù)主要包括研究區(qū)土地利用/覆蓋(LUCC)圖、年降水量、潛在蒸散量、土壤深度、根系深度、植物可利用水含量、植被蒸散系數(shù)等。其中年降雨量根據(jù)杭州市各氣象站點觀測數(shù)據(jù)插值而得到；潛在蒸散量的計算則是先根據(jù)Modified-Hargreaves法求得各氣象站點的潛在蒸散量，再在ArcGIS平臺中插值而得到；其他模型數(shù)據(jù)由InVEST自帶的生物物理表整理得到。

5 結果與分析

5.1 基于InVEST模型的估算結果分析

基于兩期土地利用/覆蓋(LUCC)數(shù)據(jù)，運用InVEST模型Carbon模塊，得到杭州市2000、2010年碳儲存總量分別為 295 054.43 t、296 546.92 t。研究區(qū)碳儲量計算結果如圖6所示。

圖6 杭州市碳儲量計算結果

兩個時相的計算結果均顯示杭州市碳儲量的高值在杭州市山區(qū)境內(nèi)，這是由于山區(qū)內(nèi)植被茂密，森林覆蓋率高，因此碳密度很高。此外，由于土地肥沃，土壤有機碳含量高，在評估結果中也呈高值。從變化量來看，大部分區(qū)域碳儲量基本未變，桐廬縣城中心、余杭區(qū)東部、蕭山區(qū)西南部均有所增高，這是由于杭州市土地利用變化所致，2000—2010年城市擴張明顯，耕地、坑塘等轉變?yōu)槌擎?zhèn)建設用地，而城鎮(zhèn)建設用地的碳密度值較之前更高導致。而碳儲量減少的區(qū)域較少且分布較分散，多是由于土壤肥力下降、植被生長環(huán)境遭到破壞，土地利用類型由耕地、草地等轉變?yōu)樨汃さ厮?。其中變化量的最大值、最小值均分布在邊界上，是由于邊界處?shù)據(jù)采集誤差導致。

輸入預處理好的數(shù)據(jù)，運行InVEST模型，計算研究區(qū)范圍內(nèi)的產(chǎn)水量，得到結果如圖7所示。

基于InVEST模型分別估算了杭州市2000、2010年不同時期年產(chǎn)水量，產(chǎn)水總量分別為2.1×107m3和1.9×107m3；柵格平均值分別為939.55 mm和865.12 mm。

由圖7看出，產(chǎn)水量較高的區(qū)域多分布在城市建成區(qū)，這是因為降雨到達地面后，便在地表產(chǎn)生徑流，而地表狀況復雜且土壤含水率也不盡相同，造成不同地塊的徑流系數(shù)不同，產(chǎn)水量也就不同。城市建成區(qū)多為不透水面、徑流系數(shù)普遍較大，產(chǎn)水量自然就高。由于杭州市大部分區(qū)域2010年的降水量較2000年減少，而潛在蒸散發(fā)量較2000年增加，導致這些區(qū)域2010年的產(chǎn)水量比2000年少。杭州市城區(qū)產(chǎn)水量隨城市規(guī)模的擴大而增加。另外，杭州市千島湖地區(qū)產(chǎn)水量也有一定程度的增加，主要是由于當?shù)?010年降水量比2000年多且該區(qū)域自然環(huán)境保護狀況較好，潛在蒸散發(fā)量變化不大，由于總增加量小于其他產(chǎn)水量減少區(qū)域的總減少量，導致全市產(chǎn)水量總量呈減少趨勢。

圖7 杭州市產(chǎn)水量計算結果

5.2 服務“熱點”與服務“范圍”定義

確定每種服務的范圍和熱點至關重要，因為兩者均對最終評價結果有顯著影響。服務范圍和熱點的劃分與空間上生物多樣性評估中所采用的方法基本相同。將生態(tài)系統(tǒng)服務的范圍定義為有意義的供應區(qū)域，類似于物種的活動范圍或居住區(qū)域?！盁狳c”一詞由諾曼·邁爾斯在20世紀80年代提出，指物種豐富度高、地域性強或威脅大的地區(qū)。這里所說的生態(tài)系統(tǒng)服務“熱點”是指提供大量特定服務的地區(qū)，不包括威脅或地方性措施。

通常使用兩種方法來確定服務“范圍”和“熱點”的閾值。第一種方法是將一系列生物物理指標值定義為閾值[20]。本研究中使用的第二種方法，即在給定區(qū)域使用最高服務價值的百分比[21]。在本研究中，對每個單元的服務值進行排名，并將排名前10%的單元值定義為服務“熱點”的閾值。多個服務“熱點”的交叉區(qū)域被定義服務“熱點”的重疊，即該格網(wǎng)在多種生態(tài)系統(tǒng)服務中均處于熱點區(qū)域。另外，值的中位數(shù)(50%)被定義為服務“范圍”的閾值，其中重疊被定義為多個服務“范圍”。

基于前面關于碳儲量、水資源供給兩種生態(tài)系統(tǒng)服務的估算，結合服務“熱點”、服務“范圍”的定義，這里對這兩種服務的具體服務“熱點”以及服務“范圍”的閾值進行設定(表3)。

表3 各生態(tài)系統(tǒng)服務“熱點”和“范圍”相關閾值設定

5.3 城鎮(zhèn)—郊區(qū)—鄉(xiāng)村區(qū)域劃分

近年來隨著地方人才引進、招商引資等政策的落實，以及G20第十一屆金融峰會等全國性、國際性會議的召開，為杭州市注入鮮活血液的同時，也讓世界認識到了杭州市作為我國經(jīng)濟大都市蓬勃生機與澎湃的動力。然而，城鄉(xiāng)差異、區(qū)域差異問題不可避免，為了城市的穩(wěn)步、可持續(xù)發(fā)展，要考慮并制定出具體實施方案努力縮小差異。城鄉(xiāng)差異、區(qū)域差異不僅體現(xiàn)在經(jīng)濟發(fā)展上，也體現(xiàn)在自然資源的擁有量、利用率，生態(tài)環(huán)境質量，生態(tài)系統(tǒng)服務功能等多方面，而這些也影響著一個區(qū)域、一個城市的全面發(fā)展。因此，對杭州市進行子區(qū)域的生態(tài)審計研究是必要的。

Dagmar Haase等[22]在其相關研究中利用人口密度和建筑密度2個指標將Leipzig-Halle區(qū)劃分為高密集建筑區(qū)域的城市部分、內(nèi)部城市周邊地區(qū)、外圍城市地區(qū)、其他地區(qū)4個等級。本研究中子研究區(qū)劃分考慮因素包括人口密度、地均GDP、城鎮(zhèn)建筑用地3個因素，將杭州市分為城鎮(zhèn)、郊區(qū)、農(nóng)村3個等級，具體界定范圍見表4。

表4 人口密度、地均GDP閾值分城鎮(zhèn)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村三級設定

最后疊加2010年城鎮(zhèn)建設用地范圍，并進行區(qū)域綜合、簡化處理后得到城鎮(zhèn)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村三級子區(qū)域范圍(圖8)。

圖8 城鎮(zhèn)—郊區(qū)—鄉(xiāng)村三級子研究區(qū)劃分

5.4 生態(tài)系統(tǒng)服務的城鄉(xiāng)區(qū)域差異分析

將整個杭州市按人口密度、地均GDP和城鎮(zhèn)建筑用地3個要素劃分為城鎮(zhèn)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村三級，分別統(tǒng)計2000年、2010年三級服務“熱點”和服務“范圍”占比(表5，表6)。

從表5、表6可以看出，碳儲量服務的“熱點”和“范圍”面積占比在城鎮(zhèn)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村三級里2010年較2000年均有所減少，但就總量來說，城鎮(zhèn)和郊區(qū)的2010年與2000年相比有增加的趨勢。且城鎮(zhèn)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村呈現(xiàn)明顯的分布不均，這主要是因為城區(qū)多為人工建筑物等不透水面，草地、林木等植被較少。水資源供給服務的總量和“范圍”面積占比在城鎮(zhèn)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村三級里均呈減少趨勢，特別是在郊區(qū)和鄉(xiāng)村一級“范圍”面積分別減少了1.34倍、0.74倍，而在城鎮(zhèn)一級服務“熱點”面積有所增加。

表5 碳儲量分城鎮(zhèn)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村三級統(tǒng)計

表6 產(chǎn)水量分城鎮(zhèn)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村三級統(tǒng)計

使用每個子區(qū)域的平均值對該研究區(qū)城鎮(zhèn)、郊區(qū)和鄉(xiāng)村進行分析，假設2000年的評估值為100%，則評估值大于105%意味著生態(tài)系統(tǒng)服務供應量與2000年相比有所增加，該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務有所改善；評估值小于95%意味著相應減少(表7)。

表7 城鎮(zhèn)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村的各生態(tài)系統(tǒng)服務變化

由于區(qū)域氣候調節(jié)是指標統(tǒng)計量，并不能做累積平均計算，這里取指標數(shù)大于0的比例做比較分析。可以看出：郊區(qū)的碳儲量平均值增加量超過5%；而水資源供給減少超過5%，城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村則分別表現(xiàn)為碳儲量增加超過5%，水資源供給減少超過5%的同時水資源供給減少小于5%，碳儲量增加小于5%。

6 結論與討論

6.1 結論

以杭州市為研究對象，對杭州市2000年、2010年的生態(tài)系統(tǒng)服務進行估算、分析。對杭州市進行全局空間分布特征分析顯示：杭州市碳儲量總量2010年比2000年有所增多，而水資源供給的指標產(chǎn)水量相反。碳儲量的增多主要是由于城市擴張，耕地、坑塘等轉變?yōu)槌擎?zhèn)建設用地所致，產(chǎn)水量的增多集中在城區(qū)和千島湖地區(qū)，但由于杭州市大部分區(qū)域2010年的降水量較2000年減少，而潛在蒸散發(fā)量較2000年增加，總增加量小于其他產(chǎn)水量減少區(qū)域的總減少量，導致全市產(chǎn)水量總量呈減少趨勢。綜合考慮人口密度、地均GDP和城鎮(zhèn)建設用地3個要素，將杭州市劃分為城鎮(zhèn)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村三級，分析表明：碳儲量服務的“熱點”和“范圍”面積占比在城鎮(zhèn)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村三級里2010年較2000年均有所減少，但就總量來說，城鎮(zhèn)和郊區(qū)的2010年與2000年相比有增加的趨勢。水資源供給服務的總量和“范圍”面積占比在城鎮(zhèn)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村三級里均呈減少趨勢，特別是在郊區(qū)和鄉(xiāng)村兩級“范圍”面積分別減少了1.34倍、0.74倍，而在城鎮(zhèn)一級服務“熱點”面積有所增加。

6.2 討論

6.2.1 數(shù)據(jù)精度問題

本研究中的多種生態(tài)系統(tǒng)服務估算是基于LUCC數(shù)據(jù)，雖然該數(shù)據(jù)的平均分類精度在83.51%，但由于后續(xù)的各種指標值均劃分到1 km格網(wǎng)上，并在此基礎上完成多種分析。

6.2.2數(shù)據(jù)的時間尺度問題

本次研究僅采用了2000年、2010年兩期數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)可獲得性條件允許的情況下應采用長時間序列進行多時段分析。

6.2.3分析的全面性問題

本研究僅從碳儲量、水資源供給兩個方面展開，生態(tài)系統(tǒng)服務框架中包括供給服務、調節(jié)服務、文化服務共17種[23]，在以后數(shù)據(jù)可獲取性和模型方法的成熟度得到改善的前提下還可對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務進行更加準確的評估與分析。