生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估及其時(shí)空差異研究
——以九龍江流域?yàn)槔?/h1>

2022-04-06 12:03:14鄭舒瓊張精林婕妤鄭亦瑯吳小剛

河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)訂閱 2022年2期 收藏

關(guān)鍵詞：九龍江當(dāng)量土地利用

鄭舒瓊,張精,林婕妤,鄭亦瑯,吳小剛

（1.福建農(nóng)林大學(xué)藝術(shù)園林學(xué)院,福建 福州 350002;2.福建農(nóng)林大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，福建 福州 350002）

對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其價(jià)值估算的研究主要集中在不同空間尺度和時(shí)空差異上.對(duì)于不同尺度的研究,既有大到全球、國家[1-2]和流域[3-5]為單位的價(jià)值評(píng)估,也有小到城市[6-8]、農(nóng)莊[9],乃至單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值[10-11]的評(píng)估.

當(dāng)前的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空差異分析研究主要分為兩個(gè)主流：一種是基于修正后的當(dāng)量因子表和土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),核算不同年度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化,基于灰色預(yù)測(cè)法GM（1,1）對(duì)未來進(jìn)行預(yù)測(cè).例如趙軍等[12]以石羊河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,采用當(dāng)量因子法,基于土地利用變化分析了流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化.另一種則是以土地利用數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、植被光輻射數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),基于Invest水源涵養(yǎng)、CASA光統(tǒng)計(jì)模型和NPP模型,通過構(gòu)建影子工程,計(jì)算區(qū)域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,然后采用基于CA-Markov模型和元胞自動(dòng)機(jī)模型對(duì)一定空間尺度下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行研究.例如稅偉等[13]采用元胞自動(dòng)機(jī)模型研究了閩三角流域未來生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化.后者對(duì)于單個(gè)研究人員開展某區(qū)域的研究具有挑戰(zhàn)性,獲取、分析數(shù)據(jù)和撰寫門檻較高,更依賴于研究團(tuán)隊(duì)長時(shí)間的跟蹤研究;而前一種方法,則可以由個(gè)人開展對(duì)一個(gè)區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估工作.

當(dāng)前的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究,都著重于對(duì)價(jià)值的計(jì)算,對(duì)其空間上是否具有聚類特征沒有進(jìn)行探討,也沒有認(rèn)真地辨析上下游之間的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是否具有溢出效應(yīng).本研究通過增加空間自相關(guān),對(duì)理論研究進(jìn)行了一定的補(bǔ)充.

九龍江流域作為福建省重點(diǎn)流域生態(tài)補(bǔ)償?shù)脑圏c(diǎn)流域,從本世紀(jì)以來就已經(jīng)陸續(xù)經(jīng)歷過各種各樣的治理,但收集近十年以來九龍江流域的治理新聞,仍以負(fù)面新聞居多.通過閱讀整理有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估方法[14-16]的相關(guān)文獻(xiàn),本研究選用當(dāng)量因子法比對(duì)4個(gè)年度的生態(tài)系統(tǒng)因子服務(wù)價(jià)值,希望從現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)分析近15年以來的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值究竟是否因系統(tǒng)化的生態(tài)補(bǔ)償和治理而變好.

1 研究區(qū)概況

九龍江流域是福建省境內(nèi)僅次于閩江的第二大河流,位于福建省的東南部.主要以中、低山地的地貌為主,地勢(shì)整體呈現(xiàn)出自西北向東南傾斜的變化趨勢(shì).流域全境氣候帶主要位于南亞熱帶和中亞熱帶,氣候類型以亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候?yàn)橹?植被類型主要是針葉林、闊葉林和灌木.

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所搜集和采用的九龍江流域各縣市糧食作物播種面積、糧食作物單產(chǎn)和糧食作物價(jià)格、城市GDP和居民人均GDP均來自于福建省統(tǒng)計(jì)年鑒,四個(gè)年度的九龍江流域行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、1～3級(jí)水系數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)集合、長時(shí)間植被覆蓋數(shù)據(jù)集均來自于中國科學(xué)院的資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心.研究在4個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上提取了2005年、2010年、2015年和2019年的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和糧食生產(chǎn)數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)支撐.其中,土地利用數(shù)據(jù)集合、長時(shí)間植被覆蓋數(shù)據(jù)集的精度均為1 km.相關(guān)數(shù)據(jù)見圖1和圖2.

圖1 九龍江流域2005年、2010年土地利用圖Fig.1 Land usemap of Jiulongjiang River Basin in 2005 and 2010

圖2 九龍江流域2015年、2019年土地利用圖Fig.2 Land usemap of Jiulongjiang River Basin in 2015 and 2019

2.2 研究方法

本研究需比對(duì)四個(gè)年度的生態(tài)因子服務(wù)價(jià)值,數(shù)據(jù)量較大,用當(dāng)量因子法可以較快獲得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值.同時(shí),當(dāng)量因子法作為學(xué)界普遍認(rèn)可的一套計(jì)算體系,其計(jì)算結(jié)果具有一定的普適性.

2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值核算

2.2.1.1 當(dāng)量基準(zhǔn)單價(jià)計(jì)算方法 依據(jù)謝高地等[17]定義的單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值量,由此計(jì)算出各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值單量因子權(quán)重所對(duì)應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單價(jià).具體計(jì)算公式如下

式（1）中：Ea為單位面積農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提供食品生產(chǎn)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值;mi是i種糧食作物的播種面積;pi是i種糧食作物2018年的全國平均價(jià)格;qi是i種糧食作物單產(chǎn);M是糧食作物播種的總面積,n指糧食種類.

2.2.1.2 總價(jià)值計(jì)算方法 基于不同生態(tài)系統(tǒng)提供的不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),是基于各類服務(wù)所屬的標(biāo)準(zhǔn)功能模塊構(gòu)建,乘以相應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)所覆蓋的生態(tài)面積得到最終值.其具體的計(jì)算方法如下

式（2）和式（3）中：i為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型;j為生態(tài)系統(tǒng)的類型;Eij為某類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的單位經(jīng)濟(jì)價(jià)值;eij是第j種生態(tài)系統(tǒng)的第i種的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的當(dāng)量因子;ESV是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的總價(jià)值;Aj是某類生態(tài)系統(tǒng)所占的土地利用面積.

2.2.2 空間自相關(guān)分析

2.2.2.1 全局空間關(guān)聯(lián)性指標(biāo) 全局莫蘭指數(shù)I可以反映研究區(qū)域內(nèi)各個(gè)地域單元與鄰近地域單元之間的相似性,等同于觀測(cè)值與其空間滯后變量的相關(guān)系數(shù)[18-19].自關(guān)聯(lián)全局莫蘭指數(shù)I的計(jì)算公式如下

式（4）中：n是地域單元的總數(shù),wij是空間矩陣的權(quán)重值,xi和yi是地域單元i的變量.

2.2.2.2 局部空間關(guān)聯(lián)性指標(biāo) 同理,局部莫蘭指數(shù)（LISA）用來衡量局部空間是否存在變量聚集.某個(gè)屬性的地域單元的局部莫蘭指數(shù)能夠用來度量它與周邊單元的關(guān)聯(lián)程度,其計(jì)算公式如下

3 結(jié)果與分析

3.1 基于中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表的生態(tài)價(jià)值評(píng)估

按照中國土地利用分類方法（國家標(biāo)準(zhǔn)《土地利用現(xiàn)狀分類》GB/T 21010-2017）將九龍江流域生態(tài)系統(tǒng)分為農(nóng)田、森林、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地等6類.通過將中國植被類型覆蓋的柵格數(shù)據(jù)矢量化且按流域邊界裁剪,林地當(dāng)量根據(jù)九龍江流域所分布的植物類型覆蓋面積所占比例確定,即林地的當(dāng)量值為針葉林和闊葉林在流域森林中所占的比例與中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表中所對(duì)應(yīng)的當(dāng)量值相乘再加總得到;草地取灌木叢所對(duì)應(yīng)的當(dāng)量值;水域取水系所對(duì)應(yīng)的當(dāng)量值;農(nóng)田取耕地和農(nóng)田兩者的平均值;未利用土地對(duì)應(yīng)荒漠;建設(shè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子值則取0[20]，其余土地利用類型與中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表對(duì)應(yīng).當(dāng)量因子見表1.

表1 九龍江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表Tab.1 Equivalent factorsof ecosystemservice value in Jiulong River Basin

根據(jù)表1和公式（1）得出九龍江流域單位面積糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值在2005年、2010年、2015年和2019年分別為1 570.51元、1 871.09元、2 707.84元、3 010.09元,因此九龍江流域的1個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值在4個(gè)年度分別為1 570.51元/hm2、1 871.09元/hm2、2 707.84元/hm2、3 010.09元/hm2.

3.2 九龍江流域生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值計(jì)算

3.2.1 單位面積服務(wù)價(jià)值計(jì)算 基于修正后的九龍江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子,結(jié)合3.1計(jì)算得出的九龍江流域2005年、2010年、2015年和2019年的1個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的經(jīng)濟(jì)價(jià)值額度,參考謝高地等[17]對(duì)糧食生產(chǎn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究得到的區(qū)域修正因子（因?yàn)榫琵埥饔蛭挥诟＝ㄊ【硟?nèi),故而采用福建省的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物量因子作為修正系數(shù),其修正系數(shù)為1.56）,分別得到4個(gè)年度修正后的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為2 450元/hm2、2 918.91元/hm2、4 224.24元/hm2、4 695.74元/hm2.

3.2.2 服務(wù)總價(jià)值計(jì)算 基于生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務(wù)價(jià)值結(jié)合各土地利用類型所占面積,根據(jù)公式（3）得到4個(gè)年度的九龍江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值如表2所示.

表2 2019九龍江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值Tab.2 Ecosystemservicevalueof Jiulong River Basin in 2019億元

由表2可知,九龍江流域2019年度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值分別為1 759.498 7億元.對(duì)表2中各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)所提供的4種一級(jí)分類服務(wù)和二級(jí)分類服務(wù)的服務(wù)價(jià)值數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察,雖然水文調(diào)節(jié)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為1 313.937 8億元,已經(jīng)占總服務(wù)價(jià)值的74.68%,但仍有將近1/4的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值比例由其他的服務(wù)類型提供.

3.3 九龍江流域各縣市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值計(jì)算

通過將核算的范圍分別縮小到九龍江流域的11個(gè)縣（市、區(qū)）,根據(jù)（公式3）重復(fù)研究,可以得出九龍江流域各縣市在4個(gè)年度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值,結(jié)果見表3.

表3 4年度九龍江流域各縣市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值Tab.3 Total valueof ecosystemservicesof counties and citiesin Jiulongjiang River Basin in four years 億元

3.4 九龍江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空差異研究

3.4.1 總體時(shí)空格局演化特征 分析得出2005年、2010年、2015年和2019年的九龍江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的Global Moran’s I指數(shù)如表4所示.

表4 九龍江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值（ESV）Global Moran’s I指數(shù)值Tab.4 Global Moran's Iindex of ecosystemservice value（ESV）in Jiulong River Basin

由表4可知,2005年、2015年和2019年的莫蘭值都是正數(shù),P＜0.05,置信度較高,表明這3個(gè)年份的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值均呈現(xiàn)出正的空間自相關(guān)性;且z值得分均為正值且＞2.58,說明各縣域的生態(tài)型服務(wù)價(jià)值高（低）與相鄰縣域表現(xiàn)出聚集模式,全局自相關(guān)非常顯著.2010年雖然因莫蘭值為負(fù)值呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān),但數(shù)值仍然具有較強(qiáng)的說服力,證明2010年九龍江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在空間上也表現(xiàn)出聚集模式,空間自相關(guān)性較高,圖3具體展示了ESV值的全局莫蘭值及其相關(guān)性.

圖3 九龍江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值（ESV）Moran’s I散點(diǎn)圖Fig.3 Moran's Iscatter plot of ecosystemservicevalue（ESV）in Jiulong River Basin

3.4.2局部時(shí)空格局演化特征 研究將局部空間自相關(guān)數(shù)值運(yùn)用ArcGIS10.6將九龍江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的地理單元分為不顯著、高-高、低-低、低-高和高-低5種空間相關(guān)類別,具體的高低值分布情況如圖4所示.

從圖4和圖5可以得出,整體上看,年度間縣域碳足跡指數(shù)總體空間格局變化不大,置信水平95%的區(qū)域穩(wěn)定在九龍江中上游區(qū)域,且呈現(xiàn)高-高聚集;置信水平99%的區(qū)域穩(wěn)定在中下游區(qū)域,穩(wěn)定在漳州市轄區(qū)和廈門市轄區(qū)的范圍內(nèi);不顯著區(qū)域的范圍穩(wěn)定,變動(dòng)不大.雖然2010年的數(shù)據(jù)由于z值呈現(xiàn)負(fù)值,但考慮到是由于龍海市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在2010年表現(xiàn)較為突出,直接影響了統(tǒng)計(jì)結(jié)果,故此處認(rèn)為其相關(guān)性和顯著性穩(wěn)定.

圖4 九龍江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值（ESV）局部Moran’s I顯著性地圖Fig.4 Local Moran's Isignificancemap of ecosystemservicevalue（ESV）in Jiulong River Basin

圖5 九龍江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值（ESV）局部Moran’s I空間分布Fig.5 Local Moran's Ispatial distribution of ecosystemservicevalue（ESV）in Jiulong River Basin

4 討論

由3.2.1可知,九龍江流域4個(gè)年度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)變好趨勢(shì).從不同生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)總價(jià)值來看,水域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最為顯著,為1 553.11億元,占生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值的88.272%,雖然水域的利用面積在整個(gè)流域的生態(tài)系統(tǒng)分類中比例不高,但其所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值是決定性數(shù)據(jù),故而《福建省重點(diǎn)流域生態(tài)補(bǔ)償辦法》中首先以水質(zhì)水量作為考慮依據(jù)是正確的;其次為森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值為153.31億元,占生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值的8.725%,也與《福建省重點(diǎn)流域生態(tài)補(bǔ)償辦法》中以森林覆蓋率作為生態(tài)額度的計(jì)算依據(jù)吻合,證明其思路是正確的.從九龍江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值局部時(shí)空格局演化可以看出,各縣市空間聚集效應(yīng)較強(qiáng),集聚特征較為明顯.

目前,國內(nèi)已有部分縣市將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的重要性提高到了立法的高度,深圳市頒布了《深圳市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值核算辦法》,并將服務(wù)價(jià)值與政府績效核算相掛鉤;希望在未來,福建省能夠依托更加透明化的地理數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)作為支撐,更好評(píng)判各重點(diǎn)流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,更好實(shí)施重點(diǎn)流域生態(tài)保護(hù)措施.

5 結(jié)論

（1）基于修正后的九龍江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子評(píng)估2019年九龍江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為1 759.498 1億元.其中以水域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)最為顯著,各類生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值依次為水域＞森林＞農(nóng)田＞草地＞未利用用地＞建設(shè)用地.

（2）基于空間自相關(guān)對(duì)九龍江流域各縣市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值進(jìn)行時(shí)空分異分析后,證明了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在時(shí)間分異上起伏較大,但空間上表現(xiàn)較為穩(wěn)定,并具有聯(lián)動(dòng)效應(yīng)和聚類特征.

（3）2019年九龍江流域11個(gè)縣（市、區(qū)）生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值從大到小依次為安溪縣＞平和縣＞連城縣＞漳平市市轄區(qū)＞新羅區(qū)＞南靖縣＞龍海市＞華安縣＞長泰縣＞廈門市市轄區(qū)＞漳州市.生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及其單位面積價(jià)值高值區(qū)基本分布在上游地區(qū),該地區(qū)森林覆蓋率高,土壤保持和水源涵養(yǎng)等生態(tài)環(huán)境較好,低值區(qū)主要分布在下游城市群,該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值偏低.

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