格網(wǎng)尺度下福建省生態(tài)服務價值的動態(tài)評估

熊睿毅，劉艷芳*，銀超慧，解 鵬，張紫怡

（1.武漢大學資源與環(huán)境科學學院，湖北 武漢 430000；2.河南農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，河南 鄭州 450000）

生態(tài)系統(tǒng)服務價值（ESV）是指人類直換或間換從生態(tài)系統(tǒng)各服務功能中獲得的收益，對人類社會福祉起著極其重要的貢獻[1]。生態(tài)服務價值核算作為一項基礎性研究工作，對生態(tài)安全格局構建[2]、生態(tài)補償[3]以及生態(tài)文明建設[4]等研究有重要的參考價值。自1997 年Costanza[5]首次提出全球生態(tài)系統(tǒng)核算方法后，國內外有大量學者在這一領域進行了研究[6-8]，其中基于單位面積價值當量因子的評估方法由于數(shù)據(jù)獲取相對容易、可比性強等特點成為當前的主流評估方法。2003 年我國學者謝高地[9-12]基于Costanza 的評估方法結合國內社會經濟狀況提出了中國生態(tài)服務價值當量表，大量研究人員據(jù)此在國家、省、城市群、流域、市縣等多個尺度展開了應用研究。

現(xiàn)有的ESV 核算多以行政區(qū)為研究單元，用各地類投影面積乘當量因子價值系數(shù)來算得研究區(qū)ESV，一方面，以行政區(qū)作為核算單元，空間尺度不夠精細；另一方面，尤其在對地勢起伏較大的研究區(qū)進行ESV核算時，使用投影面積導致計算結果與實際情況存在偏差。盡管植被的生長方向為沿重力方向，但對于除大型樹木以外的大多數(shù)體積較小的植被（苗木、灌叢、草地等）而言其生物量更換近于表面積上的生物量，因此在ESV 的核算中表面積與投影面積的差異不容忽視；再者，僅使用當量因子表做核算而不用調節(jié)因子進行修正的評價方式，在準確性上有所不足。近年來，基于格網(wǎng)尺度的核算方式、基于DEM 數(shù)據(jù)的表面積計算以及基于調節(jié)因子的動態(tài)評估為完善區(qū)域ESV 核算提供了新思路。喬斌[13]等基于3 km×3 km 格網(wǎng)對2015 年青海瑪多縣的ESV 進行了評估；李聰聰[14]基于25 km×25 km格網(wǎng)研究了2000-2015 年河北省土地利用變化對ESV的影響；解鵬[15]通過對規(guī)則格網(wǎng)DEM 數(shù)據(jù)進行地表建模，計算了湖北省各市的表面積，并據(jù)此核算了湖北省生態(tài)服務價值；王秀云等[16-17]分別使用表面積代替投影面積對南京市、重慶市的林地資源進行了核算；趙海燕[18]選取NPP、降水量、土壤保持量調節(jié)并核算了2000-2015 年安徽省ESV?？傮w來看，基于格網(wǎng)尺度的價值核算、基于DEM 數(shù)據(jù)的表面積計算以及基于調節(jié)因子的動態(tài)評估已受到廣泛重視，但卻鮮有基于表面積和格網(wǎng)尺度，并同時進行了價值調節(jié)的研究。

福建省地形地貌多樣、氣候條件優(yōu)越，作為我國的生態(tài)文明先行示范區(qū)，在節(jié)能降耗、空氣質量、森林覆蓋率等多個方面始終保持全國前列，生態(tài)保護意義重大。同時，福建是“珠三角”、“長三角”兩大世界級經濟區(qū)鏈換要地，是中國進入太平洋的門戶，是海峽兩岸發(fā)展合作的樞紐，是“一帶一路”戰(zhàn)略的重要支點，對經濟發(fā)展有著獨特的地理優(yōu)勢與迫切需求。鑒于福建省當前面臨的經濟發(fā)展與生態(tài)保護的現(xiàn)實矛盾，本文以福建省為研究對象，基于單位面積價值當量因子法，使用表面積作為核算基礎，選取年降水量、NPP、土壤保持量3 項調節(jié)因子進行價值修正，利用2000-2015 年4 期土地利用數(shù)據(jù)對福建省生態(tài)服務價值的動態(tài)評估，以期為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展和土地資源管理利用提供科學依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

福建地處中國東南沿海，陸域介于23°33′～28°20′N、115°50′～120°40′E 之間，東隔臺灣海峽與臺灣省相望，東北與浙江省毗鄰，西北橫貫武夷山脈與江西省交界，西南與廣東省相連，連換長江三角洲和珠江三角洲。全省陸域面積12.4 萬km2，海域面積13.6 萬km2。福建境內峰嶺聳峙，丘陵連綿，河谷、盆地穿插其間，山地、丘陵占全省總面積的80%以上，素有“八山一水一分田”之稱。福建靠近北回歸線，屬亞熱帶海洋性季風氣候，受季風環(huán)流和地形的影響，雨量充沛，光照充足，年平均氣溫17 ～21℃，平均降雨量1 400～2 000 mm，是中國雨量最豐富的省份之一。優(yōu)越的自然條件造就了福建常年居全國首位的森林覆蓋率以及極其豐富的植物種類，生態(tài)本底條件突出，生態(tài)保護意義重大。

1.2 數(shù)據(jù)來源

2000、2005、2010 和2015 年的歸一化植被指數(shù)（NDVI）以及數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺。2000、2005、2010 和2015 土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)與土壤質地數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心。土壤有機質含量數(shù)據(jù)來源于時空三極環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺（www.poles.tpdc.ac.cn）。降水、氣溫、輻射、等數(shù)據(jù)來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。

1.3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值動態(tài)評估

本研究選取謝高地[19]2015 年提出的基于單位面積當量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務價值改進計算方法進行ESV核算。生態(tài)服務價值的計算公式為：

式中，ESV 為格網(wǎng)單元生態(tài)系統(tǒng)服務價值；Am為格網(wǎng)內第m類生態(tài)系統(tǒng)的面積；Emn為格網(wǎng)內第m類生態(tài)系統(tǒng)的第n類服務功能的單位面積價值當量。

單位面積價值當量可根據(jù)研究區(qū)農作物產量及糧食價格求取，其變化率與GDP 變化率一致。本研究使用姚成勝[20]計算得到的福建省2002 年單位當量價值乘2002-2015 年福建省GDP 變化率得到福建省2015 年單位當量價值為2 977.26 元/hm2。

根據(jù)謝高地的研究：生態(tài)系統(tǒng)食物生產、原材料生產、氣體調節(jié)、氣候調節(jié)、凈化環(huán)境、維持養(yǎng)分循環(huán)、生物多樣性和美學景觀功能與生物量在總體上呈正相關，水資源供給和水文調節(jié)與降水變化相關，而土壤保持與降水、地形坡度、土壤性質和植被蓋度密切相關。因此選取凈初級生產力（NPP）、降水、土壤保持能力三項調節(jié)因子對對應生態(tài)系統(tǒng)服務功能的價值進行動態(tài)修正，公式如下：

式中，F(xiàn)nij指某種生態(tài)系統(tǒng)在第i網(wǎng)格第j年第n類生態(tài)服務功能的單位面積價值當量因子；Fn指該類生態(tài)系統(tǒng)的第n種生態(tài)服務價值當量因子；Pij指該類生態(tài)系統(tǒng)第i網(wǎng)格第j年的NPP 時空調節(jié)因子；Rij指該類生態(tài)系統(tǒng)第i網(wǎng)格第j年的降水時空調節(jié)因子；Sij指該類生態(tài)系統(tǒng)第i網(wǎng)格第j年的土壤保持時空調節(jié)因子；n1表示食物生產、原材料生產、氣體調節(jié)、氣候調節(jié)、凈化環(huán)境、維持養(yǎng)分循環(huán)、維持生物多樣性和提供美學景觀等服務功能；n2表示生態(tài)服務功能是水資源供給或者水文調節(jié)服務功能；n3指土壤保持服務功能。

各調節(jié)因子的計算方法為：某一調節(jié)因子在第i網(wǎng)格第j年的值除以該因子同年所有網(wǎng)格的平均值。由于數(shù)據(jù)原因，對于NPP 和土壤保持能力兩項調節(jié)因子選取一年中最具代表性的7 月的數(shù)值作為該年的調節(jié)因子；對于降水則根據(jù)年降水量來計算調節(jié)因子。

1.4 表面積與調節(jié)因子計算

本研究采用的基于規(guī)則格網(wǎng)DEM 數(shù)據(jù)的2×2 規(guī)則三角構網(wǎng)[15]方式進行研究區(qū)的表面積計算。

采用國際通用的土壤流失模型（RUSLE）進行土壤保持量計算，其中降水侵蝕力因子（R 因子）、土壤可蝕性因子（K 因子）、地形因子（LS 因子）、植被覆蓋因子（C 因子）、管理因子（P 因子）的計算分別參考了章文波[21]、張科利[22]、Rao[23]、蔡崇法[24]、齊靜[25]等學者提出的模型與計算方法。

鑒于凈初級生產力（NPP）與植被吸收的光合有效輻射（APAR）及光能利用率（ε）存在明顯的線性相關[26]，采用朱文泉等[27]提出的CASA 模型進行凈初級生產力（NPP）計算，其中水分脅迫影響系數(shù)（Wε）可根據(jù)張新時等[28]建立的蒸散模型求取。

2 結果與討論

2.1 福建省表面積特征

根據(jù)計算，福建省表面積共計14.09 萬km2，為投影面積的115.02%。由于研究區(qū)邊緣部分格網(wǎng)并不完整，為便于體現(xiàn)研究區(qū)地貌特點，將表面積與投影面積進行比較并按照自然斷點法分為5 級，如圖1 所示，表面積與投影面積比值的高值區(qū)域主要在西北部武夷山區(qū)與中南部玳瑁山區(qū)，地勢起伏最大；次高值區(qū)域主要在三明市西北部白石峰地區(qū)以及中部鷲峰山區(qū)和戴云山區(qū)；低值區(qū)域主要在東南沿海地區(qū)，地勢平坦。

研究區(qū)內大量區(qū)域的表面積與投影面積存在較大差異，尤其是西北部和中部山區(qū)，單元格網(wǎng)內兩種面積間的差異最多達到了30%。 “八山一水一分田”是對福建地形特征的準確概括，為了保障ESV 評估結果的準確性，計算表面積十分必要。

圖1 福建表面積與投影面積比例圖

2.2 調節(jié)因子的時空變化分析

2.2.1 年降水量的時空變化特征

四個時期福建省降水平均值為1 859.85 mm，其中2000、2005、2010、2015 年平均值分別為1 772.66 mm、1 784.08 mm、1 948.12 mm 和1 934.51 mm，2010、2015 年總體降水量明顯高于2000、2005 年。如圖2 所示，福建省域內降水分布不均，呈現(xiàn)明顯的由西北內陸向東南沿海遞減的趨勢，高值區(qū)主要在南平市和三明市西北部的武夷山脈地區(qū)，低值區(qū)主要在廈門市以及泉州市東南沿海地區(qū)。

2.2.2 土壤保持量的時空變化分析

四個時期福建省土壤保持平均值為1 146.23 t/hm2，其中2000、2005、2010、2015 年平均值分別為791.60 t/hm2、1 556.42 t/hm2、899.74 t/hm2和1 337.17 t/hm2。

如圖3 所示，2000 年各地土壤保持量普遍較低，中部地區(qū)山地地形占比高土壤保持量也較高，西部和東南沿海地區(qū)相對較低；受臺風“龍王”的影響，2005 年研究區(qū)尤其是東北部地區(qū)的土壤保持量整體水平高于其他3 個時期，這一現(xiàn)實氣候現(xiàn)象也在ESV 的分布圖中得到直觀體現(xiàn)；2010 年全域土壤保持量差異較小，北部地區(qū)相對較高；2015 年土壤保持量與地形相關較強，東南沿海地區(qū)土壤保持量較低，高值網(wǎng)格主要在西北部武夷山脈地區(qū)、東北部鷲峰山區(qū)以及中南部的戴云山、玳瑁山和博平嶺地區(qū)。

圖2 2000－2015 年福建省年降水量分布圖

圖3 2000－2015 年福建省土壤保持量分布圖

2.2.3 凈初級生產力的時空變化分析

2000-2015年間，福建省NPP 呈逐年下降趨勢。四個時期福建省植被凈初級生產力（NPP）平均值為94.50 gC/m2，其中2000、2005、2010、2015 年的平均值分別為99.71 gC/m2、98.23 gC/m2、93.88 gC/m2和86.17 gC/m2。從空間分布來看，四個時期福建省東南沿海地區(qū)NPP 值均較低，在高值區(qū)域的分布上四個時期之間有所不同。具體來看，2000 年NPP 整體最高并且高值區(qū)也分布較廣，主要分布在南平市西北部、寧德市東部、三明市西部、龍巖市東部以及三明市東部與各市相鄰地區(qū)；2005 年NPP 高值區(qū)域主要在南平市西北部、寧德市東部與西南部、福州市西南部、三明市西北部與東部；2010 年NPP 高值區(qū)域主要在南平市西北部、寧德市東部以及三明市東部與各市相鄰地區(qū)；2015 年NPP 整體水平最低，三明市西部、寧德市東部、龍巖市中部以及漳州市西南部NPP 值相對較高，如圖4 所示。

圖4 2000－2015 年福建省植被凈初級生產力分布圖

2.3 福建省生態(tài)服務價值分析

2.3.1 生態(tài)服務價值時序變化特征

經過調節(jié)與計算得到四個時期的生態(tài)服務價值，由表1 可以看出2000-2015 年福建省生態(tài)服務價值呈先增加后下降的趨勢。2000、2005、2010、2015 年福建省生態(tài)服務價值分別為6 236.73、6 659.73、6 123.69 和6 077.87 億元。從變化率來看，15 a 間福建省ESV 共計減少148.19 億元，變化率為-1.93%，其中2000-2005 年ESV 值增加了6.78%，而2005-2010 年和2010-2015 年間ESV 分別下降了8.05%和0.75%。

各生態(tài)系統(tǒng)類型中，有林地對福建的ESV 貢獻最大，2000-2015 年間有林地年平均價值為3 899.92 億元，平均貢獻率為62.16%；除林地外高覆蓋度草地和水域貢獻率也較高，其年平均價值分別為519.64 億元和555.26 億元，貢獻率分別為8.28% 和8.85%。從變化情況來看，多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)的ESV 值減少，其中價值減少最多的是有林地，價值共計減少273.34 億元，減少速度最快的是低覆蓋度草地和旱地，變化率分別為-20.89%和-14.35%；在增加的生態(tài)系統(tǒng)類型中，其他林地和水域漲幅較大，價值分別增加32.23 億元和96.65 億元，變化率分別為118.12%和19.56%。

在2000-2005 年間，臺風、洪水等自然災害頻發(fā)使得城市化進程減慢，加之災后重建工作對生態(tài)恢復的重視，再加上充足的降水對研究區(qū)的水資源供給、水文調節(jié)、土壤保持等多項生態(tài)服務功能的正向影響作用，使得這一時期福建省生態(tài)服務價值出現(xiàn)增長態(tài)勢。2005-2015 期間，尤其是2009 年《國務院關于支持福建省加快建設海峽西岸經濟區(qū)的若干意見》印發(fā)以來，福建省社會經濟發(fā)展不斷加快，城鎮(zhèn)化進程使得大量非建設用地向建設用地轉變，所以生態(tài)服務價值不斷呈連續(xù)下降趨勢。

2.3.2 生態(tài)服務價值的空間分布

如圖5 所示，將2000-2015 年福建省生態(tài)服務價值按自然斷點法分為5 個等級，總體來看，福建省ESV 空間差異明顯，高低價值區(qū)分布基本穩(wěn)定 。高價值區(qū)主要分布在5 個區(qū)域，分別是南平市西北部的武夷山脈區(qū)域；三明市西北部的白石峰區(qū)域；南平、寧德、三明、福州四市交換處的鷲峰山、閩江交匯區(qū)域；三明、福州、莆田、泉州四市交換處的戴云山區(qū)；龍巖市中部的玳瑁山區(qū)。這些地區(qū)林草地面積占比較高、降水豐富，生態(tài)本底良好，加之地勢起伏較大，水土保持意義重大，所以其ESV 顯著高于其他地區(qū)。低值區(qū)主要在東南沿海的莆田、泉州、廈門、漳州市東部地區(qū)，人類的開發(fā)建設是制約這里ESV 的主要因素。

如圖6 所示，從空間格局的演變來看，2000-2015 年ESV 下降的網(wǎng)格多于上升的格網(wǎng)，且形成了下降網(wǎng)格主要分布在東部，上升網(wǎng)格主要分布在西部的差異格局。2000-2015 年ESV 上升和下降的網(wǎng)格分別為89 個和241 個，分別占總量的6.28%和17.01%。上升網(wǎng)格主要分布在南平市西北部、三明市西北部、龍巖市南部和漳州市南部；下降網(wǎng)格主要分布在寧德市東部與西南部、福州市北部、三明、福州、莆田、泉州四市交換區(qū)域以及泉州、龍巖、漳州三市交換區(qū)域。觀察2000-2015 年ESV 變化分布圖可以發(fā)現(xiàn)：價值發(fā)生明顯上升或下降的單元格網(wǎng)幾乎均位于ESV 高值區(qū)域，進一步沿中部鷲峰山脈-戴云山-博平嶺界線將研究區(qū)分為東西兩半，不難發(fā)現(xiàn)西部三市（南平、三明、龍巖）的ESV 高值區(qū)的ESV 幾乎都有所增長，而東部六市的ESV 高值區(qū)的ESV 卻幾乎均有所下降。這說明西部的生態(tài)環(huán)境呈良性循環(huán)狀態(tài)，而東部原本生態(tài)質量較高區(qū)域則受到城鎮(zhèn)開發(fā)建設影響而優(yōu)勢有所降低。

表1 2000－2015 各生態(tài)系統(tǒng)ESV 變化表

圖5 2000－2015 年福建省生態(tài)服務價值空間分布圖

圖6 2000－2015 年福建省生態(tài)服務價值變化圖

2.3.3 空間自相關分析

根據(jù)計算，2000、2005、2010 和2015 年福建省ESV 的全局MoranI 值分別為0.515 9、0.544 1、0.517 9和0.488 9（p＜0.01），說明研究區(qū)ESV 的空間分布具有較強正向相關性，在空間上具有明顯的聚集效應。4 個時期的全局MoranI 值先增大后減小，說明福建省ESV 的空間正向相關性先增強后減弱。

進一步采用熱點分析工具Getis-OrdGi*對ESV 網(wǎng)格進行空間自相關分析，選取置信度大于90%的具有統(tǒng)計顯著性的熱點和冷點，得到福建省ESV 的局部空間自相關分布圖。如圖7 所示，熱點區(qū)域分布較連續(xù)且主要集中在中部；冷點區(qū)域除主要分布在福建省東南部外，在南平市北部和龍巖市西部也有較穩(wěn)定的連片分布。2000-2005 年，連片的熱點區(qū)域呈現(xiàn)由中部向東北部轉移的趨勢，龍巖、三明等市熱點區(qū)域熱度有所下降；2005-2020 年間，熱點區(qū)域向西南移動，回到與2000 年相似的分布狀態(tài)。

圖7 2000－2015 年福建省ESV 局部空間自相關分布

3 結 語

本研究采用單位面積價值當量因子法，引入表面積代替投影面積進行價值計算，選取年降水量、土壤保持量、植被凈初級生產力等3 個動態(tài)變化因子進行價值修正，在10 km×10 km 格網(wǎng)尺度上實現(xiàn)了對福建省2000、2005、2010 以及2015 年生態(tài)服務價值的動態(tài)評估，分析了其分布規(guī)律與變化趨勢，得出以下主要結論：

1）福建省表面積與投影面積差異較大，平均差異達到15%，局部最大差異達到30%，使用表面積進行ESV 計算更加準確；福建省各地降水量、土壤保持能力、植被凈初級生產力存在較大差異，將其作為調節(jié)因子對ESV 計算結果進行修正十分有必要。

2）2000-2015年，福建生態(tài)服務價值先增長后降低，凈減少158.87 億元，變化率為-1.90%，其中林地貢獻率最大，達到75.95%。

3）福建省ESV 高值區(qū)和低值區(qū)分布穩(wěn)定，高值區(qū)主要在西北部武夷山區(qū)和中部鷲峰山區(qū)、玳瑁山區(qū)、戴云山區(qū)，低值區(qū)主要在東南沿海地區(qū)。沿鷲峰山脈-戴云山-博平嶺界線將研究區(qū)分為東西兩半，西部的ESV 高值區(qū)主要呈良性循環(huán)狀態(tài)而東部的ESV 高值區(qū)生態(tài)環(huán)境優(yōu)勢大多有所下降。

4）2000-2015年福建省四個時期的ESV 全局MoranI 指數(shù)值均大于0，具有明顯的空間正向自相關性，熱點區(qū)主要聚集在中部，冷點區(qū)相對分散但其中大部分位于東南沿海部，受臺風等特殊氣候影響，2005 年相較其他三個時期熱點區(qū)向東北偏移。