基于格網(wǎng)尺度的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算與分析

唐秀美 劉 玉 劉新衛(wèi) 潘瑜春 吳彥澎 李 虹

(1.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心， 北京 100097； 2.國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心， 北京 100097；3.國(guó)土資源部土地整治中心， 北京 100035； 4.北京市農(nóng)林科學(xué)院， 北京 100097)

基于格網(wǎng)尺度的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算與分析

唐秀美1,2劉 玉1,2劉新衛(wèi)3潘瑜春1,2吳彥澎4李 虹1,2

(1.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心， 北京 100097； 2.國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心， 北京 100097；3.國(guó)土資源部土地整治中心， 北京 100035； 4.北京市農(nóng)林科學(xué)院， 北京 100097)

以北京市海淀區(qū)為例，在對(duì)區(qū)域土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行劃分的基礎(chǔ)上，基于格網(wǎng)尺度估算了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，并根據(jù)價(jià)值分布狀況將區(qū)域劃分為不同的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分區(qū)，基于GIS和FRAGSTAS軟件，分析了不同分區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)和景觀格局狀況。結(jié)果表明：海淀區(qū)格網(wǎng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值處于-234.56～207.97萬(wàn)元之間，并呈現(xiàn)明顯的從南部到西北部增加的趨勢(shì)；不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)差距較大，高值區(qū)的土地利用類型主要為城市綠地，中值區(qū)土地利用類型面積較大的為耕地和城市綠地，低值區(qū)建設(shè)用地的面積較大；不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分區(qū)的景觀格局指數(shù)變化較大，從高值區(qū)到低值區(qū)，景觀格局的破碎化程度逐漸增加，人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響不斷加劇，人類活動(dòng)對(duì)景觀的干擾程度加大。研究結(jié)果可以為精細(xì)化評(píng)估區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值提供參考，并能服務(wù)于區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整和可持續(xù)利用及生態(tài)景觀建設(shè)。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值； 地理信息系統(tǒng)； 格網(wǎng)； 評(píng)估

引言

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)形成和所維持的人類賴以生存和發(fā)展的環(huán)境條件與效用[1]。生態(tài)系統(tǒng)是生態(tài)服務(wù)與功能形成和維持的物質(zhì)基礎(chǔ)，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)自身和環(huán)境條件的多樣性決定了生態(tài)服務(wù)功能類型和強(qiáng)度的空間差異[2]。隨著環(huán)境問(wèn)題的惡化，利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值定量評(píng)估土地利用引起的生態(tài)效應(yīng)已成為研究熱點(diǎn)[3]，國(guó)內(nèi)外圍繞生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)內(nèi)涵[4]、類型劃分[5]及其價(jià)值評(píng)估方法[6-7]等方面進(jìn)行了探討，對(duì)不同類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了評(píng)估[8-13]，包括森林、草地、農(nóng)田、濕地、河流、城市等。并在不同尺度[14-19]進(jìn)行了深入的研究。作為人類實(shí)踐的基本活動(dòng)，土地利用是人與自然交叉最密切的環(huán)節(jié)，對(duì)維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能起著決定性作用[5]。研究土地利用/覆蓋變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響，對(duì)促進(jìn)區(qū)域生態(tài)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義[20]。目前大部分研究是在對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行初步定義的基礎(chǔ)上，依據(jù)土地變化、植被覆蓋類型等信息進(jìn)行供應(yīng)能力價(jià)值估算[21-23]。由于建設(shè)用地在城市分布較為廣泛，且其對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成的影響較大，有研究者嘗試探索對(duì)其價(jià)值進(jìn)行估算[24]，但目前城市中建設(shè)用地類型較為復(fù)雜，將其估算為單一價(jià)值影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算的科學(xué)性?；谝陨戏治觯疚囊院５韰^(qū)為例，在對(duì)其土地利用類型，特別是建設(shè)用地類型進(jìn)行細(xì)分的基礎(chǔ)上，基于500 m×500 m格網(wǎng)尺度，對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行測(cè)算分析，并基于此對(duì)區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，研究不同分區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)和景觀格局特征，以期為有目標(biāo)地進(jìn)行土地利用調(diào)整、科學(xué)合理促進(jìn)生態(tài)景觀建設(shè)和保護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境提供參考和依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

海淀區(qū)位于北京市區(qū)西北部，地理位置北緯39°53′～40°09′、東經(jīng)116°03′～116°23′，東與西城區(qū)、朝陽(yáng)區(qū)相鄰，南與豐臺(tái)區(qū)毗連，西與石景山區(qū)、門頭溝區(qū)交界，北與昌平區(qū)接壤。南北長(zhǎng)約30 km，東西最寬處29 km，面積426 km2。海淀內(nèi)有平原和山地2種地形，地勢(shì)有起伏，總體呈西高東低。從功能上來(lái)劃分，海淀區(qū)屬于北京市城市功能拓展區(qū)，是連接北京市區(qū)與城郊的一個(gè)過(guò)渡地區(qū)。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展上，海淀區(qū)的東部和西部差異較大，東部臨近北京市中心，城市化程度高，開發(fā)強(qiáng)度大，商業(yè)區(qū)、高新技術(shù)研發(fā)區(qū)大部分聚集于此；西部城市化程度較低，有大面積的農(nóng)業(yè)用地。

本研究數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)產(chǎn)高分1號(hào)遙感影像數(shù)據(jù)，分辨率為2 m，經(jīng)目視解譯獲取海淀區(qū)2014年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，如圖1所示，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研進(jìn)行地類核實(shí)，將土地利用類型劃分為耕地、水域、城市綠地、未利用地和建設(shè)用地，其中，建設(shè)用地細(xì)分為居住用地、商業(yè)用地、工礦用地、公共服務(wù)用地和道路。

圖1 海淀區(qū)土地利用類型分布圖Fig.1 Land use types distribution of Haidian District

2 研究方法

2.1 研究思路

本研究基于國(guó)產(chǎn)高分1號(hào)遙感影像數(shù)據(jù)獲取海淀區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合已有研究，確定各土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)基準(zhǔn)價(jià)值，特別是建設(shè)用地的基準(zhǔn)價(jià)值；其次，將海淀區(qū)劃分為500 m×500 m的格網(wǎng)，以格網(wǎng)為單元，測(cè)算每個(gè)格網(wǎng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，分析海淀區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分布狀況；最后，根據(jù)海淀區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值狀況將海淀區(qū)劃分為3個(gè)分區(qū)，并分析不同分區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)特征和景觀格局。

2.2 土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算

對(duì)海淀區(qū)的土地利用現(xiàn)狀類型進(jìn)行綜合分析，最終確定了9個(gè)土地利用現(xiàn)狀用地類型，參照文獻(xiàn)[21,24-27]，確定了各個(gè)土地類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)基準(zhǔn)價(jià)值，特別是各類型建設(shè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)基準(zhǔn)價(jià)值，繼而進(jìn)行了空間尺度和時(shí)間尺度上的修正[28]，使之適合于北京的實(shí)際情況，最終得到北京市各土地利用類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)基準(zhǔn)價(jià)值，其中，城市綠地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值取林地、水域和草地的平均值，如表1所示。

表1 海淀區(qū)土地利用類型的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

基于500 m×500 m格網(wǎng)，根據(jù)表1的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)基準(zhǔn)價(jià)值，計(jì)算海淀區(qū)格網(wǎng)尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，結(jié)果如圖2所示。海淀區(qū)共劃分為1854個(gè)單元，各格網(wǎng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值處于-234.56～207.97萬(wàn)元之間，格網(wǎng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)明顯的從南部到西北部增加的趨勢(shì)，其中，海淀區(qū)南部和中西部區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較低，多數(shù)格網(wǎng)的價(jià)值低于-100萬(wàn)元，中部和北部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值多數(shù)處于-100～0萬(wàn)元之間，少數(shù)格網(wǎng)處于0～100萬(wàn)元，西部的格網(wǎng)價(jià)值較高，多數(shù)格網(wǎng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值高于100萬(wàn)元。

圖2 海淀區(qū)500 m×500 m格網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分布圖Fig.2 Ecosystem service value distribution in Haidian District based on 500 m×500 m grid

2.3 土地利用分析

圖3 海淀區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分區(qū)圖Fig.3 Zoning map of ecosystem service value in Haidian District

基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)海淀區(qū)格網(wǎng)進(jìn)行聚類，將其聚類為3個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分區(qū)，分別為高值區(qū)、中值區(qū)和低值區(qū)(圖3)，分析3個(gè)區(qū)域的土地利用結(jié)構(gòu)和景觀格局狀況。從表2可看出，3個(gè)區(qū)域的土地利用結(jié)構(gòu)差距較大，高值區(qū)的土地利用類型主要為城市綠地，其面積占65.74%，其次為耕地和居住用地，其他用地類型的比例較?。恢兄祬^(qū)土地利用類型面積較大的為耕地和城市綠地，其次是居住用地和公共服務(wù)用地，低值區(qū)占比較高的用地類型是建設(shè)用地，包括居住用地、公共服務(wù)用地和商業(yè)用地等，城市綠地的面積也較高。

表2 海淀區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)

2.4 景觀格局分析

從表3中可以看出，不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分區(qū)景觀格局指數(shù)的變化較大，其中，斑塊密度從高值區(qū)到低值區(qū)逐漸增加，斑塊密度反映了景觀的破碎化程度，斑塊密度逐步增加，說(shuō)明從高值區(qū)到低值區(qū)，景觀格局的破碎化程度逐漸增加，人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響不斷加劇，人類活動(dòng)對(duì)景觀的干擾程度加大；平均分維數(shù)差距不大，平均分維數(shù)意味著斑塊的自相似程度，從一定程度上反映了人類活動(dòng)對(duì)斑塊的影響程度，平均分維數(shù)越小說(shuō)明斑塊形狀相似性越小，形狀越不規(guī)則，3個(gè)分區(qū)的景觀平均分維數(shù)都在1.04左右，說(shuō)明3個(gè)分區(qū)的景觀形狀都較為不規(guī)則；景觀破碎化指數(shù)從高值區(qū)到低值區(qū)持續(xù)增加，景觀破碎化表征景觀被分割的破碎程度，反映景觀空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，低值區(qū)的景觀破碎化程度最高，說(shuō)明人類活動(dòng)在低值區(qū)對(duì)景觀的影響最大；景觀多樣性指數(shù)高值區(qū)最低，中值區(qū)最高，低值區(qū)也較高，景觀均勻度指數(shù)與景觀多樣性指數(shù)的特征相似，說(shuō)明中值區(qū)的景觀最多樣且分布最均勻；而景觀聚集度指數(shù)和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)都是高值區(qū)最高，特別是優(yōu)勢(shì)度指數(shù)明顯高于中值區(qū)和低值區(qū)，說(shuō)明高值區(qū)的景觀類型中，某種景觀占優(yōu)勢(shì)地位且分布比較聚集，而中值區(qū)和低值區(qū)某一種或幾種景觀組分占優(yōu)勢(shì)的情況比較小，景觀整體結(jié)構(gòu)受人類活動(dòng)影響較大。

表3 海淀區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分區(qū)景觀格局指數(shù)

3 結(jié)束語(yǔ)

以北京市海淀區(qū)為例，對(duì)區(qū)域土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，特別對(duì)建設(shè)用地類型進(jìn)行了細(xì)分，劃分為居住用地、商業(yè)用地、工礦用地、公共服務(wù)用地和道路，并結(jié)合已有研究，確定了不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)基準(zhǔn)價(jià)值，同時(shí)，基于500 m×500 m的格網(wǎng)估算了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，在分析區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將區(qū)域劃分為不同的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分區(qū)，并分析了不同分區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)和景觀格局狀況。探索了建設(shè)用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的賦值方法，對(duì)于全面認(rèn)識(shí)區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值具有實(shí)際意義，研究結(jié)果可以為精細(xì)化評(píng)估區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值做參考，并能服務(wù)于區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整和可持續(xù)利用及生態(tài)景觀建設(shè)。

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總結(jié)性評(píng)價(jià)的優(yōu)勢(shì)在于能對(duì)教學(xué)目的的達(dá)成情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。而沙盤類課程更注重過(guò)程的參與性與決策的精度、配合度，這些需求都是傳統(tǒng)的總結(jié)性評(píng)價(jià)難以兼顧的，因而難以形成對(duì)沙盤模擬過(guò)程的考核與激勵(lì)。

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30 于強(qiáng)，岳德鵬，YANG Di，等. 基于BCBS模型的生態(tài)節(jié)點(diǎn)布局優(yōu)化[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016,47(12):330-336,329. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=2016124/&flag=1. DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2016.12.041. YU Qiang,YUE Depeng,YANG Di, et al. Layout optimization of ecological nodes based on BCBS model[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2016,47(12):330-336,329. (in Chinese)

31 郭榮中，楊敏華，申海建. 長(zhǎng)株潭地區(qū)耕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016,47(10):193-201. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20161025&flag=1. DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2016.10.025. GUO Rongzhong,YANG Minhua, SHEN Haijian. Evaluation for ecological security of cultivated land in Chang-Zhu-Tan region[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2016,47(10):193-201. (in Chinese)

Estimation and Analysis of Ecosystem Service Value Based on Grid Scale

TANG Xiumei1,2LIU Yu1,2LIU Xinwei3PAN Yuchun1,2WU Yanpeng4LI Hong1,2

(1.BeijingResearchCenterforInformationTechnologyinAgriculture,Beijing100097,China2.NationalEngineeringResearchCenterforInformationTechnologyinAgriculture,Beijing100097,China3.CenterofLandConsolidation,MinistryofLandandResources，Beijing100035，China4.BeijingAcademyofAgricultureandForestrySciences,Beijing100097,China)

The regional ecosystem service value of Haidian District in Beijing was estimated in the 500 m×500 m grid scale by using present regional land use data. The research area was divided into different types of sub-regions according to the distribution of ecosystem service values. The land use structure and landscape pattern of different sub-regions were analyzed through the software of GIS and FRAGSTAS. The results showed that the ecosystem service value of Haidian District was ranged from -2.35 million yuan to 2.08 million yuan, which was increased from the south to northwest. The land use structure and ecosystem service value were different in different sub-regions. The main land use types were urban green space in high value regions, cultivated land and forest land in mid value regions and construction land in low value regions. There were also large differences of landscape pattern index among different sub-regions of ecosystem service value. The fragmentation of the landscape pattern was gradually increased from low value regions to high value regions, indicating that the influence of human activities on the ecological environment was increased, and the disturbing of human activities on the landscape structure was also increased. The results of this research can provide a reference for the intensive evaluation of regional ecosystem service, and serve as a scientific basis for the structure adjustment, sustainable utilization of regional land and ecological landscape construction.

ecosystem service value; GIS; grid; evaluation

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.019

2016-05-24

2016-06-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41301093)、北京市農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新能力建設(shè)專項(xiàng)(KJCX20170501)和2014年山東省高校人文社會(huì)科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(J14WF75)

唐秀美(1982—)，女，副研究員，主要從事土地利用與土地信息技術(shù)研究，E-mail： Tangxm@nercita.org.cn

劉新衛(wèi)(1977—)，男，研究員，主要從事土地可持續(xù)利用研究，E-mail: Liuxinwei@lcrc.org.cn

F062

A

1000-1298(2017)04-0149-05