黃晉宇，王 思，鄧 超，楊 健，黃 平

(四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所，四川 成都 610066)

【研究意義】平武縣作為涪江上游的水源涵養(yǎng)地與重要生態(tài)功能區(qū)，素有“天下熊貓第一縣”的美譽。在大熊貓國家公園核心區(qū)建設(shè)背景下，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與自然資源資產(chǎn)化管理具有十分重要的現(xiàn)實意義。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(Ecological Services)是指通過生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程與功能直接或間接的得到生命支持產(chǎn)品和服務(wù)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估則是以經(jīng)濟價值量化的方式，為生態(tài)系統(tǒng)資產(chǎn)化管理、生態(tài)功能區(qū)劃、生態(tài)補償決策等提供數(shù)據(jù)支持與依據(jù)[1]?！厩叭搜芯窟M展】1997年，Costanza等[2]率先對全球的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行了經(jīng)濟價值核算，引起了國內(nèi)外研究者對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估及自然資產(chǎn)的關(guān)注[3-4]。歐陽志云等[5-6]系統(tǒng)地分析了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究進展與價值評估方法；謝高地等[7]梳理了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估的方法、功能與服務(wù)的復(fù)雜性等難點問題，還進一步開展了中國草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值[8]、青藏高原生態(tài)資產(chǎn)評估[9]等研究，又提出了基于專家知識的服務(wù)評估單價體系與時空動態(tài)綜合評估方法[10-11]，并實現(xiàn)了全國尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空動態(tài)評估[12]。此外，還有一些研究者開展了省市[13-14]、重要生態(tài)功能區(qū)[15-16]的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估研究。【本研究切入點】但關(guān)于涪江上游重要生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值研究較少，且平武縣位于大熊貓國家公園岷山片區(qū)核心區(qū)，生態(tài)環(huán)境保護與自然資源資產(chǎn)管理的重要性十分突出。【擬解決的關(guān)鍵問題】因此，有必要開展針對平武縣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空動態(tài)評估分析研究。本研究以單位面積價值當(dāng)量因子法為基礎(chǔ)，基于土地利用/土地覆被遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展近十年間平武生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估與年內(nèi)價值變化時空動態(tài)分析，以期為平武縣自然資源資產(chǎn)管理與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測提供支持與參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

平武縣位于四川盆地西北部，青藏高原向四川盆地過渡的東緣，長江的二級支流涪江的上游，隸屬于四川省綿陽市。全縣轄25個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，縣境總面積5974 km2，其中耕地面積273 km2。境內(nèi)地勢起伏，高差懸殊，整體西北高、東南低，縣境最高海拔5588 m，最低海拔約600 m。氣候特點隨海拔高度變化呈垂直帶性分布，低河谷地屬亞熱帶山地濕潤性季風(fēng)氣候，中山、高山分處寒溫帶氣候、亞寒帶氣候、極高山屬寒帶氣候。境內(nèi)年均氣溫14.8 ℃，年降雨量866.5 mm，森林覆蓋率高達74.49 %，境內(nèi)森林資源豐富，野生動植物種類繁多，境內(nèi)已建立王朗、雪寶頂兩個以大熊貓保護為主的國家級自然保護區(qū)，境內(nèi)保護區(qū)總面積約占全縣國土總面積的25 %。

1.2 數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

2005、2010、2015三年的平武縣土地利用與覆被數(shù)據(jù)，分辨率為30m，來源于中科院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。四川省2015年逐月公里格網(wǎng)歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)數(shù)據(jù)、四川省2015年公里格網(wǎng)逐月降水?dāng)?shù)據(jù)、四川省2015年500 m土壤侵蝕模數(shù)數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)，均來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心。采用ArcGIS模型構(gòu)建器批量掩膜提取平武縣行政范圍內(nèi)的各類數(shù)據(jù)(表1)。

表1 數(shù)據(jù)源

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估算 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估算基于單位面積價值當(dāng)量因子方法，計算方法如下：

(1)

式中，ESV表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值，元/a；Ai為i類生態(tài)系統(tǒng)類型面積，hm2；Ffi表示第i種生態(tài)系統(tǒng)類型的第f項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能單位面積價值當(dāng)量因子；V0表示一個標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量，元/(hm2·a)。

本研究中，將平武生態(tài)系統(tǒng)類型劃分為6個一級類型，14個二級類型，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能類型包括4種一級類型，進一步細分為11種二級服務(wù)類型?；谄轿淇h生態(tài)系統(tǒng)類型構(gòu)建單位面積價值當(dāng)量因子表，當(dāng)量因子表數(shù)值參照謝高地[11]等提出的“中國生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量”，并結(jié)合平武生態(tài)系統(tǒng)特點和專家經(jīng)驗，構(gòu)建了平武縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量因子表(表2)。V0的數(shù)值以謝高地等[12]確定的中國2010年一個生態(tài)系統(tǒng)價值當(dāng)量的經(jīng)濟價值，即3406元/hm2。

1.3.2 時空動態(tài)當(dāng)量表方法 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量因子表刻畫了各生態(tài)系統(tǒng)類型的各類生態(tài)服務(wù)功能全年的平均服務(wù)價值。為了體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值縣內(nèi)空間變異和逐月時間動態(tài)變化，本文以單位面積價值當(dāng)量因子表(表2)為基礎(chǔ)，引入基于NDVI構(gòu)建的植被指數(shù)時空調(diào)節(jié)因子、基于降水?dāng)?shù)據(jù)構(gòu)建的降水時空調(diào)節(jié)因子和基于NDVI與土壤侵蝕模數(shù)構(gòu)建的土壤保持時空調(diào)節(jié)因子，按照公式(2)構(gòu)建生態(tài)服務(wù)時空動態(tài)變化價值當(dāng)量表。

表2 平武生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位面積價值當(dāng)量

(2)

式中，F(xiàn)fjt指某種生態(tài)系統(tǒng)在第j區(qū)域第t月第f類生態(tài)服務(wù)功能的單位面積價值當(dāng)量因子；Pjt指該類生態(tài)系統(tǒng)第j區(qū)域第t月的植被指數(shù)時空調(diào)節(jié)因子；Rjt指該類生態(tài)系統(tǒng)第j區(qū)域第t月的降水時空調(diào)節(jié)因子；Ejt指該類生態(tài)系統(tǒng)第j區(qū)域第t月的土壤保持時空調(diào)節(jié)因子；Ff1指除水域類型外各類生態(tài)系統(tǒng)的食物生產(chǎn)、原材料生產(chǎn)、氣候調(diào)節(jié)、氣體調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、維持養(yǎng)分循環(huán)、維持生物多樣性、提供美學(xué)景觀服務(wù)的研究區(qū)年均單位面積價值當(dāng)量因子；Ff2指水域類型所有生態(tài)系統(tǒng)功能和各類生態(tài)系統(tǒng)的水資源供給和水文調(diào)節(jié)功能服務(wù)的研究區(qū)年均單位面積價值當(dāng)量因子；Ff3指各類生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持功能的年均單位面積價值當(dāng)量因子。

其中植被指數(shù)時空調(diào)節(jié)因子Pjt計算方法為：

(3)

(4)

式中，NDVIt、NDVImax分別為第t月平均歸一化植被指數(shù)、年內(nèi)最大月平均歸一化植被指數(shù)；NDVIa為旺盛生長季多月平均歸一化植被指數(shù)，取5-10月；Mean(NDVIt)、Mean(NDVIa)分別為第t月平均歸一化植被指數(shù)與生長季多月平均歸一化植被指數(shù)的整體圖像均值。ε為補償參數(shù)，其意義在于在植被指數(shù)高于生長季平均植被指數(shù)的月份，給與植被指數(shù)調(diào)節(jié)因子數(shù)值補償，使其月度變化更符合實際。本研究對謝高地等[11]的植被指數(shù)時空調(diào)節(jié)因子計算方法進行如此改進，一方面因為NDVI數(shù)據(jù)源廣泛易獲取、計算簡單易于推廣，另一方面可以通過比值與補償參數(shù)設(shè)計極大減少NDVI低值區(qū)域的異常計算結(jié)果產(chǎn)生。

降水時空調(diào)節(jié)因子Rjt的計算方法為：

(5)

土壤保持時空調(diào)節(jié)因子Ejt的計算方法為：

Ejt=Pjt×Q

(6)

(7)

式中，Pjt為公式(3)中植被指數(shù)時空調(diào)節(jié)因子，Q指的是土壤抗侵蝕因子，q為研究區(qū)年土壤侵蝕模數(shù)數(shù)據(jù)，qmax、qmin分別指縣域年土壤侵蝕模數(shù)中的極大值與極小值。本研究以年土壤侵蝕模數(shù)數(shù)據(jù)與逐月植被指數(shù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了土壤保持功能時空調(diào)節(jié)因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 平武土地利用變化

2005-2015年間平武縣土地利用空間格局整體比較穩(wěn)定，僅局部區(qū)域發(fā)生了變化，統(tǒng)計結(jié)果(表3)顯示，耕地共減少了999 hm2，林地增加了2466.36 hm2，草地共減少了2715.75 hm2，減少的比例均低于2 %；水域面積增加了760.59 hm2，增加了6.9倍，建設(shè)用地增加了205.56 hm2，增加的比例相對較大。耕地減少與林地增加主要由于退耕還林工程的持續(xù)實施，建設(shè)用地增加主要是城鎮(zhèn)化和農(nóng)村居民區(qū)地震災(zāi)后重建，水域面積的增加和水電大壩等水利水電工程的持續(xù)建設(shè)有關(guān)。

表3 平武土地利用類型變化

2.2 平武多年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值演變

2005-2015年平武生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值比較穩(wěn)定、變化較小(表4)，呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢，2005年生態(tài)系統(tǒng)總價值為330.20億元，2015年達333.30億元。其中，森林生態(tài)系統(tǒng)價值占平武生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值的比例最大，2015年為64.75 %，其余按比例依次是草地、農(nóng)田、水域、濕地、裸地裸巖等生態(tài)系統(tǒng)類型。從多年變化趨勢上看，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)價值持續(xù)小幅下降，森林生態(tài)系統(tǒng)價值小幅提高，草地生態(tài)系統(tǒng)價值略微下降，水域生態(tài)系統(tǒng)價值有大幅提高，由2005年的0.47億元增加至2015年的3.73億元。

表4 近10年平武生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化

2005-2015年平武生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間格局比較穩(wěn)定、變化較小(圖1)，境內(nèi)中部呈西北-東南走向的涪江水域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值密度較高，約為42.8萬元/hm2；而河谷地區(qū)以耕地為主、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值相對較低，約為1.3萬元/hm2，主要分布在龍安鎮(zhèn)、古城鎮(zhèn)、南壩鎮(zhèn)、響巖鎮(zhèn)、水田鄉(xiāng)、壩子鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍內(nèi)；境內(nèi)中西部低山、中山森林植被茂盛、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值密度較高，范圍為5.2～7.8萬元/hm2，主要位于縣內(nèi)中部大橋鎮(zhèn)、大印鎮(zhèn)、徐塘鄉(xiāng)、鎖江鄉(xiāng)，以及西部水晶鎮(zhèn)、闊達鄉(xiāng)、木皮鄉(xiāng)、泗耳鄉(xiāng)、土城鄉(xiāng)、黃羊關(guān)鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)；西部高山草甸植被區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值低于森林生態(tài)系統(tǒng)，大致為1.7～6.7萬元/hm2，主要位于白馬鄉(xiāng)、虎牙鄉(xiāng)、木座鄉(xiāng)等。

如圖2所示，按服務(wù)功能類型分，平武生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量最高的服務(wù)功能為氣候調(diào)節(jié)功能，2005-2015年其服務(wù)價值總量為88.31～88.36億元，其次價值較高的是水文調(diào)節(jié)功能，且近十年呈略微增加趨勢(66.22～66.85億元)，土壤保持功能(40.78～40.80億元)、生物多樣性功能(35.44～35.48億元)，其余分別是氣體調(diào)節(jié)(32.17～32.19億元)、凈化環(huán)境(27.24～27.37億元)、提供美學(xué)景觀服務(wù)(15.61～15.65億元)、食物生產(chǎn)(6.92～6.95億元)、原材料生產(chǎn)(9.99億元)、水資源供給(4.19～4.45億元)、維持養(yǎng)分循環(huán)(3.24～3.25億元)等功能。

2.3 年內(nèi)時空動態(tài)價值當(dāng)量因子分析

以植被變化為主導(dǎo)的生態(tài)系統(tǒng)功能服務(wù)價值年內(nèi)各月變化顯著(圖3-a)，5-10月價值整體較高，11月至次年4月價值相對較低，8月最高，2月最低，從空間上看，以河谷地區(qū)、高山積雪與高寒草甸覆蓋區(qū)域價值相對較低，境內(nèi)中西部等森林植被覆蓋區(qū)域價值整體較高。5-10月，溫度升高、降水增加，植被生長旺盛，生物量積累加快，生態(tài)系統(tǒng)各服務(wù)功能增強，所以其價值快速提高。11月至次年4月溫度相對較低、降水偏少，一年生植被衰敗、多年生植被生長放緩，生態(tài)系統(tǒng)各服務(wù)功能減弱，所以其價值逐漸降低。

受降水時空變化強烈影響，水域類型及水文水資源功能服務(wù)價值各月差異顯著(圖3-b)，且空間分布不均。4-9月，降水增多，水文水資源功能服務(wù)價值相對較高，10月至次年3月，降水偏少，其服務(wù)功能價值相對較低，其中9月水文水資源功能服務(wù)價值最高，2月由于降水稀少，服務(wù)價值整體都處于最低水平。

土壤保持功能價值當(dāng)量因子逐月變化與植被變化相似(圖3-c)，5-10月整體較高，11月至次年4月相對較低，8月最高，2月最低，反映出地表植被茂盛能有效抵御土壤水力侵蝕，提供高水平的土壤保持服務(wù)功能。從空間分布上看，土壤保持功能價值分布不均、且十分破碎，受地形地貌影響，中部、東部河谷地區(qū)斑塊破碎、價值較低，西部高山積雪區(qū)域價值也較低，中西部低山、中山森林植被覆蓋區(qū)域價值整體較高。

2.4 平武生態(tài)系統(tǒng)類型服務(wù)價值年內(nèi)變化

平武生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值4-10月整體較高(圖4)，11月至次年3月相對較低，反映出境內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)功能季節(jié)性變化顯著，隨夏季溫度升高、降水增加，植被生長逐漸旺盛，生物量積累加快，生態(tài)系統(tǒng)各服務(wù)功能增強，其價值快速提高，冬季溫度降低、降水減少，植被生長放緩或終止，生態(tài)系統(tǒng)各服務(wù)功能減弱，其價值處于較低水平?？臻g分布上看，中部、東部河谷地區(qū)農(nóng)田占比較大、斑塊破碎，生態(tài)系統(tǒng)各服務(wù)功能較低，西部高山積雪區(qū)域價值密度也較低，中西部低山、中山森林植被覆蓋區(qū)域價值整體生態(tài)系統(tǒng)各服務(wù)功能較強，相應(yīng)價值密度也較高。

平武生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值8月最高(圖5)，為422億元；2月最低，為150億元；5-9月價值超過當(dāng)年年均價值333.30億元，為平武生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能最強的時期。平武生態(tài)系統(tǒng)中，森林和草地生態(tài)系統(tǒng)占比最大，季節(jié)性變化對其生態(tài)服務(wù)價值影響最突出，農(nóng)田、水域、濕地、裸地裸巖等生態(tài)系統(tǒng)類型服務(wù)功能價值也受到季節(jié)性變化影響，因其面積占比較小，在總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值逐月變化中表現(xiàn)不突出。

3 討 論

2005-2015年間平武縣土地利用空間格局整體比較穩(wěn)定，變化較小，存在林地小幅增加、耕地略微減少、建成區(qū)與水域逐漸增加、草地略微減少的整體趨勢。十年間，平武縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈現(xiàn)略微增加的趨勢，達到333.30億元，說明近些年平武縣實施的各項生態(tài)保護與綠色發(fā)展舉措得當(dāng)，尤其是持續(xù)的退耕還林工程、自然保護區(qū)建設(shè)等措施，較好的保持和培育了當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源與生態(tài)環(huán)境，對維持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值與可持續(xù)發(fā)展起到了積極的作用。

本研究中，基于土地利用/土地覆被遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行評估，類型劃分與謝高地等[11]的生態(tài)系統(tǒng)類型有所不同，邸向紅等[13]指出基于土地利用數(shù)據(jù)的公里格網(wǎng)數(shù)據(jù)便于刻畫生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間格局，發(fā)揮土地利用數(shù)據(jù)更新頻繁、利于時空動態(tài)分析的特點。

在單位面積價值當(dāng)量因子法基礎(chǔ)上，引入時間序列NDVI、降水量與土壤侵蝕模數(shù)數(shù)據(jù)，分別對三類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值進行逐月估算，結(jié)果較好的反映了平武縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空變化。在植被功能調(diào)節(jié)因子構(gòu)建中，不同于謝高地等[12]引入了NPP參與、鄧偉等[17]引入生物量與植被覆蓋度參與，而是與Shi等[18]類似采用NDVI數(shù)據(jù)，因為NDVI數(shù)據(jù)來源廣泛、計算方便，更易于方法應(yīng)用與推廣。

將平武縣生態(tài)系統(tǒng)劃分為14個二級類型，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能劃分為11種細分類型，并構(gòu)建了平武生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位面積價值當(dāng)量因子表，但由于平武相關(guān)研究的缺乏，各生態(tài)系統(tǒng)類型的細分服務(wù)功能相關(guān)參數(shù)與結(jié)果難以獲取，在價值當(dāng)量因子表構(gòu)建中大量參照了謝高地等[11]的當(dāng)量因子表中反映全國平均的數(shù)值，使得評估結(jié)果數(shù)值上存在一定的不確定性，今后的研究有必要收集更多研究資料進行整合分析，為精細劃分的生態(tài)系統(tǒng)類型和服務(wù)功能價值評估服務(wù)。

4 結(jié) 論

本研究以單位面積價值當(dāng)量因子法為基礎(chǔ)，基于土地利用/土地覆被遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，評估了2005、2010、2015年間的平武生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。并構(gòu)建了三類受植被生長、降水與土壤抗侵蝕性主要影響的生態(tài)系統(tǒng)功能的時空動態(tài)調(diào)節(jié)因子，完成各生態(tài)系統(tǒng)類型在2015年內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空動態(tài)變化分析。

(1)2005-2015年間，平武縣土地利用格局比較穩(wěn)定，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值整體穩(wěn)定、略微增加，2015年達到333.30億元，其中森林生態(tài)系統(tǒng)價值服務(wù)占比最大，接近65 %。在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中，氣候調(diào)節(jié)功能價值總量最大，達88.36億元，其次價值較高的是水文調(diào)節(jié)功能、土壤保持功能與生物多樣性功能等。

(2)在2015年內(nèi)，平武生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值8月最高，大約422億元；2月最低，約150億元；5-9月的價值超過當(dāng)年年均價值，為平武生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能最強的時期。

(3)基于單位面積價值當(dāng)量因子法，可以快速有效的評估區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，引入逐月的植被數(shù)據(jù)、降水?dāng)?shù)據(jù)與土壤侵蝕模數(shù)數(shù)據(jù)，進行區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值空間變異和年內(nèi)時間動態(tài)變化分析，為生態(tài)環(huán)境與自然資源資產(chǎn)管理提供數(shù)據(jù)依據(jù)。