2000—2009年河北省生態(tài)系統服務價值時空動態(tài)遙感監(jiān)測

許旭， 任斐鵬， 韓念龍

(1.深圳市規(guī)劃國土發(fā)展研究中心，深圳 518034; 2.北京師范大學資源學院，北京 100875；3.長江科學院水土保持研究所，武漢 430010; 4.深圳市房地產評估發(fā)展中心，深圳 518034)

2000—2009年河北省生態(tài)系統服務價值時空動態(tài)遙感監(jiān)測

許旭1,2， 任斐鵬3， 韓念龍4

(1.深圳市規(guī)劃國土發(fā)展研究中心，深圳 518034; 2.北京師范大學資源學院，北京 100875；3.長江科學院水土保持研究所，武漢 430010; 4.深圳市房地產評估發(fā)展中心，深圳 518034)

以TM圖像及MODIS NDVI數據為主要數據源，通過建立生態(tài)系統服務價值評估體系、物質量評估模型及價值量評估模型，對河北省2000—2009年生態(tài)系統服務價值進行了計算。2000—2009年間，河北省生態(tài)系統總服務價值呈現出波動增長趨勢；總體的空間分布規(guī)律呈現出北高南低、西高東低、山地丘陵區(qū)高于平原區(qū)的規(guī)律；生態(tài)系統服務價值的空間變化呈現出南北兩端地區(qū)減少、中部地區(qū)增加,且增加部分面積大于減少部分面積的特點。

生態(tài)系統服務價值；MODIS NDVI數據；TM圖像；河北省

0 引言

生態(tài)系統是人類賴以生存的物質環(huán)境基礎，假如人類失去了生態(tài)系統的某項庇護，通過人工恢復或替代這項服務將會付出巨大的代價[1,2]。正是基于這樣的假設，生態(tài)系統服務價值及其評估的研究已成為生態(tài)學研究的熱點之一[3-16]。目前，在生態(tài)系統服務價值評估的方法中，靜態(tài)參數評估法和生態(tài)模型評估法是較為常見的2種方法。靜態(tài)參數法是采用基于經驗或調研計算得來的某生態(tài)系統類型單位面積服務價值與該類生態(tài)系統的面積相乘得到總服務價值，其優(yōu)點是計算便捷，缺點是無法反映同類生態(tài)系統內部的異質性；生態(tài)模型評估法是通過生態(tài)學模型對生態(tài)參數進行反演，然后通過一定的價值轉換方法計算出服務價值，因其相對精確且可以充分反映生態(tài)系統內部的異質性而體現了今后的研究趨勢。

以往生態(tài)系統服務價值評估的研究，大多屬于某一時間點的靜態(tài)評估，即使是動態(tài)評估，也僅僅選取少數幾個時間斷面，鮮見形成連續(xù)時間跨度的評估研究。本文借助2000—2009年逐月的MODIS NDVI數據，采用生態(tài)模型評估法對河北省生態(tài)系統服務價值進行了評估，形成了長達10 a跨度的逐年生態(tài)系統服務價值序列。本研究不僅更清楚地反映了河北省生態(tài)環(huán)境的變動情況，也對河北省生態(tài)環(huán)境保護和建設具有一定的指導意義。

1 數據源

1)遙感數據。①MODIS NDVI數據。選擇編號為MOD13Q1的MODIS數據產品。此產品為16 d合成的250 m分辨率的植被指數，時間跨度為2000年4月—2009年12月。在使用中，采用了最大值合成法(maximum value composites，MVC)將數據進行兩兩合成[17-19]，生成逐月的NDVI數據，建立了2000年1月—2009年12月逐月的MODIS NDVI數據集。由于受資料來源的影響，2000年1—3月的數據采用了其他年份相同月份的平均值代替。②TM圖像。相對于生態(tài)系統內部的變化，生態(tài)系統類型變化的速率并不強烈，因此對于生態(tài)系統類型的解譯以5 a為尺度，分別選擇了2001年左右及2008年左右的各19幅植物生長季中某月份完全覆蓋研究區(qū)的TM圖像。采用人機交互的監(jiān)督分類方法對影像進行了分類，在對21類二級分類進行合并的基礎上，形成了林地、灌叢、草地、耕地、園地、水域、建筑用地及其他未利用地等7個一級類型。對2期圖像分類精度的評價表明，整體分類精度分別達到87.03%和89.05%，Kappa系數分別為0.84和0.86，均達到了研究所需的標準。

2)氣象數據。氣象數據包括了研究區(qū)及其周圍區(qū)域的27個氣象站點的逐月平均溫度、降水及太陽日照時數，時間跨度為2000年1月—2009年12月，來源于國家氣象局網站。按照研究需要對氣象數據進行了插值處理，像元大小及投影類型與MODIS NDVI數據保持一致。

3)野外實測數據。野外實測數據包括植被參數和土壤參數。植被數據是指植被中N，P及K等營養(yǎng)元素的含量，按照不同生態(tài)系統類型進行實地采樣，用于生態(tài)系統積累營養(yǎng)物質價值的計算；土壤參數是實測的不同類型土壤的容重、營養(yǎng)元素含量、粒徑組成等指標，主要用于生態(tài)系統土壤保持部分價值的計算。

4)其他數據。其他數據包括： 河北省DEM，柵格格式，空間分辨率為90 m；河北省1∶100萬土壤類型圖，包括矢量格式及對應的數據庫；河北省1∶100萬行政邊界圖，矢量格式，含有地級市及區(qū)縣的邊界數據。

2 研究方法

一定區(qū)域內的生態(tài)系統服務的總價值是區(qū)域內所有生態(tài)系統提供的所有服務功能價值的總和，隨區(qū)域內生態(tài)系統的質量、面積以及類型的變化而變化?？紤]到遙感技術的特點和研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境特點，本文確定了研究區(qū)生態(tài)系統服務價值評估的指標體系，包括5項服務功能、8項評估指標和3項生態(tài)系統服務物質量，如表1所示。

表1 基于遙感手段的生態(tài)資產評估指標Tab.1 Evaluation indicators of ecosystem services assessment based on remote sensing

以生態(tài)系統服務物質量為基礎，參考中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準《森林生態(tài)系統服務功能評估規(guī)范》(LY/T 1721-2008)[20]中的價格參數取值標準，按照一定的經濟學模型，計算2000—2009年河北省各項生態(tài)系統服務價值。計算流程見圖1。

圖1 生態(tài)系統服務價值評估流程Fig.1 Flowchart of ecosystem services value assessment

3 生態(tài)系統服務物質量評估模型

3.1 植被凈初級生產力估算

采用了基于光能利用率的NPP估算模型對研究區(qū)內的NPP進行估算。該模型認為NPP可以由植物吸收的光合有效輻射(APAR)和實際光能利用率(ε)2個因子來表示[21]，其計算式為

NPP(x,t)=APAR(x,t)ε(x,t),

(1)

式中:APAR(x,t)為像元x在t月吸收的光合有效輻射,gC·m-2·月-1；ε(x,t)為像元x在t月的實際光能利用率,gC·MJ-1。植被在理想條件下具有最大的光能利用率εmax，在實際情況下最大光能利用率分別受到溫度和水分的影響，即低溫和高溫對光能利用率的脅迫系數Tε1(x,t)和Tε2(x,t)以及水分脅迫系數Wε(x,t),式(1)也可寫為

NPP(x,t)=APAR(x,t)Tε1(x,t)Tε2(x,t)Wε(x,t)εmax。

(2)

采用MODISNDVI數據、TM圖像分類得到的土地利用類型(生態(tài)系統類型)數據、太陽輻射數據及月均溫及月降水數據，分別求出式(2)中的參數，估算出研究區(qū)2000—2009年逐年NPP。

3.2 土壤保持量估算

選用通用土壤流失方程(universalsoillossequation，USLE)模型來計算研究區(qū)生態(tài)系統土壤保持量[22]。該模型認為區(qū)域內土壤侵蝕量與降雨、坡度、坡長、地表植被、土壤類型及管理措施等6個因素有關，即

Ar=RKLSCP,

(3)

式中：Ar為現實土壤侵蝕量，t·hm-2·a-1；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/hm-2·h-1·a-1；K為土壤可侵蝕因子，t·hm2·h·MJ-1·mm-1·hm-2；L，S，C，P分別為坡長、坡度、地表覆蓋和土壤保持措施因子，量綱均為1。

若不考慮地表植被覆蓋及土壤保持措施因子，得出的侵蝕量為區(qū)域潛在侵蝕量AP,t·hm-2·a-1，即沒有地表植被保護時的最大侵蝕量,即

Ap=RKLS。

(4)

區(qū)域土壤保持量Ac,t·hm-2·a-1，反映了地表植被以及土壤保持措施對土壤侵蝕的防治效應，計算式為

Ac=Ap-Ar。

(5)

通過土壤屬性數據、逐月降水數據、DEM數據、TM分類得到的土地利用類型(生態(tài)系統類型)數據及MODISNDVI數據求得的研究區(qū)植被覆蓋度數據，分別求得研究區(qū)K，R，L，S，P及C因子的值，進而得到2000—2009年河北省生態(tài)系統逐年土壤保持量。

3.3 水源涵養(yǎng)量的遙感估算

采用水量平衡法計算了研究區(qū)生態(tài)系統涵養(yǎng)水源量。該方法以水量的輸入和輸出為著眼點，從水量平衡的角度，認為降水量與森林蒸散量以及其他消耗的差即為水源涵養(yǎng)量[12]，計算式為

Q=P-E-C，

(6)

式中：Q為水源涵養(yǎng)量；P為降水量；E為生態(tài)系統植被蒸散量；C為地表徑流量。單位均為mm·a-1。

采用孫睿等通過年蒸散量與累積NDVI及相對濕潤指數之間的關系建立的區(qū)域年蒸散量的評估模型，對研究區(qū)年度蒸散量進行了計算[23]，即

(7)

(8)

(9)

采用中華人民共和國自然地理圖集中的中國河川徑流系數圖，經數字化后轉化為柵格數據，得到研究區(qū)徑流系數分布圖，進而通過年降雨量得到研究區(qū)年地表徑流量分布圖。根據區(qū)域年度降水量、蒸散量及地表徑流量數據，求得河北省生態(tài)系統2000—2009年逐年水源涵養(yǎng)量。

4 生態(tài)系統服務價值量評估模型

4.1 吸收固定CO2的價值

以NPP為基礎，根據光合作用和呼吸作用的反應方程式推算，每形成1 g干物質，需要1.63 g CO2。因此這部分價值可通過

V碳(x)=1.63NPP(x)R碳C碳

(10)

求出。式中：V碳(x)為像元x處生態(tài)系統單位面積每年吸收CO2的價值，元· hm-2·a-1；NPP(x)為像元x處單位面積每年生產的干物質量，g· hm-2·a-1；R碳為CO2中碳的含量，為27.27%；C碳為碳稅率價格，元·g-1。

4.2 釋放O2的價值

以NPP為基礎，根據光合作用和呼吸作用的反應方程式推算，每形成1 g干物質，可以釋放1.19 g O2。這部分價值可通過

V氧(x)=1.19NPP(x)R氧

(11)

求出。式中：V氧(x)為像元x處生態(tài)系統單位面積每年釋放O2的價值，元·hm-2·a-1；NPP(x)為像元x處單位面積每年生產的干物質量，g·hm-2·a-1；R氧為工業(yè)制氧價格，元·g-1。

4.3 營養(yǎng)物質循環(huán)與儲存價值

以NPP為基礎，根據氮(N)、磷(P)、鉀(K)的質量分配率計算，即

V營i(x)=∑NPP(x)r1M化/r2,

(12)

式中，V營i(x)為像元x處生態(tài)系統單位面積每年吸收的i(i=N,P,K)元素價值,元·hm-2·a-1；NPP(x)為像元x處每年生產的干物質量,g·hm-2·a-1；r1為不同生態(tài)系統中i元素在有機物質中的分配率,%；r2為純i元素在化肥中的含量,%；M化為化肥的平均價格,元·g-1。

4.4 生產有機質價值

根據市場上有機物的價格，計算出生態(tài)系統通過光合作用生產的有機質的價值，即

V有(x)=NPP(x)M有,

(13)

式中:V有(x)為像元x處生態(tài)系統單位面積每年生產有機物的價值,元·hm-2·a-1；M有為有機質的平均價格,元·g-1。

4.5 保護土壤肥力價值

土壤中含有N,P,K以及有機質等營養(yǎng)物質，生態(tài)系統保持土壤的作用減少了大量土壤營養(yǎng)物質的流失，因此可以根據營養(yǎng)物質的市場價值來評估生態(tài)系統保護土壤肥力的價值，即

(14)

式中:V肥為單位面積生態(tài)系統保護土壤肥力的經濟效益，元·hm-2·a-1；Ac(x)為像元x處每年單位面積的土壤保持量，t·m-2·a-1；Mi為土壤中N，P，K的含量；Pi為氮肥、磷肥、鉀肥的價格，元·t-1；Ri為化肥中純N，P，K的含量；Q為土壤中有機質含量，%；C為有機質價格，元·t-1。

4.6 固定土壤價值

采用影子工程法，假定挖取和運輸同樣體積的土方所需的費用，估算生態(tài)系統固定土壤的價值，即

V固=Ac(x)C土/ρ,

(15)

式中:V固為單位面積生態(tài)系統年固土價值，元·hm-2·a-1；Ac(x)為像元x處每年單位面積的土壤保持量，t·m-2·a-1；C土為挖取和運輸單位體積土方所需費用，元·m-3；ρ為土壤容重,t·m-3。

4.7 調節(jié)水量價值

生態(tài)系統調節(jié)水量與水庫蓄水的本質類似，本研究采用水庫工程的蓄水成本來確定生態(tài)系統涵養(yǎng)水源的經濟價值。根據水庫工程的蓄水成本(替代工程法)計算生態(tài)系統每年調節(jié)水量的價值，即

V調=V(x)C庫，

(16)

式中：V調為像元x處每年調節(jié)水量的價值，元·m-2·a-1；V(x)為像元x處每年單位面積的水源涵養(yǎng)量，m3·m-2·a-1；C庫為水庫建設單位庫容投資，元·m-3。

4.8 凈化水質價值

生態(tài)系統凈化水質與自來水凈化原理一致，因此在評估凈化水質經濟價值時，可以參照居民用水平均價格，從而計算出生態(tài)系統每年凈化水質的價值，即

V水質=V(x)K,

(17)

式中:V水質為像元x處每年凈化水質的價值，元·m-2·a-1；K為水的凈化費用，元·t-1。

按照年份將上述各項服務價值統一量綱后進行加和，得到2000—2009年逐年河北省生態(tài)系統服務總價值，見表2。

表2 2000—2009年河北省生態(tài)系統服務價值統計值Tab.2 Statistics of ecosystem services value of Hebei Province，2000—2009

5 生態(tài)系統服務價值時空變化分析

5.1 生態(tài)系統服務總價值時間變化分析

從表2中可以看出，10 a間河北省生態(tài)系統總服務價值的變化在1.65×108～2.20×108萬元之間，平均值為1.90×108萬元。最大值出現在2003年，最小值出現在2006年，其中2000年、2001年、2002年、2006年、2007年、2009年生態(tài)系統服務總價值較小，2003年、2004年、2005年、2008年生態(tài)系統服務總價值較大。河北生態(tài)系統單位面積服務價值在8.87～12.11萬元/hm2之間，平均值為10.24萬元/hm2。圖2顯示了10 a間河北省生態(tài)系統服務總價值的變動情況。

圖2 2000—2009年河北省生態(tài)系統服務總價值變化Fig.2 Ecosystem services value’s dynamic change of Hebei Province，2000—2009

由圖2可知，河北省生態(tài)系統服務總價值波動顯著，趨勢線分析顯示總價值在10 a間呈現出增加的趨勢，平均每年增加0.011×108萬元，占總服務價值平均值的0.65%，但增加趨勢并不明顯(R2=0.029)。

5.2 生態(tài)系統服務總價值空間變化分析

對河北省生態(tài)系統服務總價值進行了3個剖面的分析，如圖3所示。

(a) E118°～E114°剖面 (b) N 42°～N 40°剖面(c) N 39°～N 37°剖面

圖3 河北省生態(tài)系統服務總價值剖面變化圖

Fig.3 Ecosystem services value profiles changes of Hebei Province

由圖3(a)可以看出，北部的生態(tài)系統服務總價值多在20萬元/hm2左右，而南部多在5萬元/hm2左右，北部明顯高于南部；圖3(b)剖面代表了北部地區(qū)生態(tài)系統服務總價值橫向變化情況，除西北部的壩上高原地區(qū)外，此剖面上的生態(tài)系統服務總價值一直維持在較高的水平，多在20～30萬元/hm2之間，個別像元值達到40萬元/hm2以上；圖3(c)剖面代表了南部地區(qū)生態(tài)系統服務總價值的橫向變化情況，該剖面上的生態(tài)系統服務總價值分布最不均衡，空間波動極大，最大值超過了90萬元/hm2，而最小值不超過10萬元/hm2，相差數十倍之多，以太行山麓為界，此剖面的西部生態(tài)系統服務總價值明顯高于東部，西部間或出現較高的生態(tài)系統服務總價值，而東部地區(qū)則相對平緩。

5.3 生態(tài)系統服務價值變化趨勢的空間分布

將2000—2009年河北省生態(tài)系統服務服務總價值按照時間順序排序進行回歸分析，得到逐像元的回歸系數，反映10 a間逐像元生態(tài)系統服務總價值的年度變化情況?；貧w系數為正，則該像元的生態(tài)系統服務總價值是逐年增加的，為負則結論相反，若通過了0.1水平的顯著性檢驗，則認為這種增加或減少的趨勢是顯著的。2000—2009年河北省生態(tài)系統服務價值變化趨勢及其年變化量見圖4，變化面積見表3。

圖4 2000—2009年河北省生態(tài)系統服務價值變化趨勢(左)及年變化量(右)

Fig.4 Variable trend (left) and variation (right) of ecosystem services value of Hebei Province，2000—2009

表3 2000—2009年河北省生態(tài)系統服務價值變化面積Tab.3 Change areas of ecosystem services value of Hebei Province，2000—2009

如圖4所示，10 a間河北省生態(tài)系統服務總價值的變化基本呈現出南北兩端地區(qū)減少，中部地區(qū)增加的趨勢，其中增加部分的面積大于減少部分的面積，但顯著增加和顯著減少的面積均較小。表3的統計結果顯示，河北省有近10.62萬km2面積的生態(tài)系統其服務總價值發(fā)生了增長，其中顯著增加的面積為2.78萬km2，占總面積的14.90%。發(fā)生增加的地區(qū)主要位于太行山山地丘陵區(qū)的北段、冀西北山間盆地區(qū)、冀東北燕山山麓平原區(qū)以及太行山以東平原區(qū)。其中太行山以東至濱海沿岸的廣大地區(qū)，生態(tài)系統服務總價值增長趨勢顯著，這些地區(qū)是河北省主要的糧食作物產區(qū)，近年來河北省農業(yè)發(fā)展迅猛，在種植面積、種植結構、農作物品種優(yōu)化、農田水利建設等方面均取得了長足的發(fā)展，農田生態(tài)系統服務總價值的提升是農業(yè)發(fā)展勢頭良好的一個很好的佐證。

6 結論

1)2000—2009年間河北省生態(tài)系統服務總價值呈現出波動增加的趨勢，平均每年增加0.011×108萬元，增加趨勢不明顯。

2)在空間分布上，2000—2009年間生態(tài)系統服務價值呈現出北高南低、西高東低、山地丘陵區(qū)高于平原區(qū)的特點。

3)2000—2009年10 a間河北省生態(tài)系統服務總價值的空間變化呈現出南北兩端地區(qū)減少、中部地區(qū)增加的趨勢，其中增加部分的面積大于減少部分的面積，太行山以東至濱海沿岸的廣大地區(qū)增加顯著。

4)生態(tài)系統本身的復雜性和諸多不確定性決定了生態(tài)系統服務研究具有較高的難度，由于認識水平及技術手段的局限性，許多服務種類尚未被認識到，而窮盡所有服務種類的價值評估也很難實現。在相同的評估指標體系下，通過連續(xù)時間序列的生態(tài)系統服務價值評估，對生態(tài)系統服務價值的動態(tài)變化進行考量，研究其“增量價值”或“邊際價值”，比靜態(tài)的時間斷面研究更具有意義[24]。而通過小區(qū)域精細化實驗研究來拓展服務價值評估種類將是未來研究的主要突破點；同時生態(tài)系統服務價值變化與人類活動及氣候變化關系的探討、生態(tài)系統服務價值評估在綠色GDP測算、生態(tài)補償等方面的應用研究也是未來的研究方向。

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(責任編輯： 李瑜)

Remote sensing monitoring of spatio-temporal changes of ecosystem service values in Hebei Province, 2000—2009

XU Xu1,2, REN Feipeng3, HAN Nianlong4

(1.ShenzhenUrbanPlanning&LandResourceResearchCenter,Shenzhen518034,China；2.CollegeofResourcesScience&Technology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China; 3.SoilandWaterConservationDepartment，YangtzeRiverScientificResearchInstitute，Wuhan430010，China；4.CenterforAssessmentandDevelopmentofRealEstate，Shenzhen518034，China)

Quite a lot of researches on the estimation of ecosystem service value have been carried out all over the world. Most of these researches were static evaluations at some points in time. From these researches we can only know the ecosystem service value of some places at some time points, but the dynamic changes of ecosystem service value could not be detected, especially in a continuous time span. In this paper, the ecosystem services valuation system and methods were developed. 5 kinds of ecosystem services, i.e., fixation of solar energy, accumulation of nutrients, gas regulation, soil conservation and water conservation, were taken into account. The continuous monthly MODIS NDVI data from 2000 to 2009 were used as the main dataset to calculate the ecosystem services value in Hebei Province. A 10-year period of ecosystem services value was calculated and dynamic changes were analyzed. It is shown that the ecosystem services value of Hebei presented a dynamic increasing trend during this 10-year period. The average values were much higher in northern and western parts as well as mountain areas than in southern and eastern parts as well as plain areas. The ecosystem service values in northern and southern parts increased during the 10-year period, and the areas where the ecosystem service value increased were larger than those where the value decreased.

ecosystem services value; MODIS NDVI data; TM image; Hebei Province

2013-11-28；

2014-02-26

國家科技支撐計劃“城市土地空間立體化利用管理技術研究”(編號： 2013BAJ05B04)、國家自然科學基金青年科學基金項目“景觀格局對河流水質的影響規(guī)律及模型研究”(編號： 41301201)及中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費項目“流域土地利用景觀格局與水體營養(yǎng)鹽關系定量解析模型研究”(編號： CKSF2014023/TB)共同資助。

10.6046/gtzyyg.2015.01.30

許旭，任斐鵬，韓念龍.2000—2009年河北省生態(tài)系統服務價值時空動態(tài)遙感監(jiān)測[J].國土資源遙感，2015,27(1)：187-193.(Xu X,Ren F P,Han N L.Remote sensing monitoring of spatio-temporal changes of ecosystem service values in Hebei Province, 2000—2009[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(1)：187-193.)

TP 79; X 826; S 157

A

1001-070X(2015)01-0187-07

許旭(1984-)，男，博士，研究方向為土地資源管理與生態(tài)系統評價。Email: xuxu@suprc.org。