市域尺度兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價方法對比研究*

劉世梁, 趙 爽, 成方妍, 侯笑云, 賈克敬, 祁 帆, 楊 楓

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市域尺度兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價方法對比研究*

劉世梁1, 趙 爽1, 成方妍1, 侯笑云1, 賈克敬2, 祁 帆2, 楊 楓2

(1. 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院水環(huán)境模擬國家重點實驗室 北京 100875; 2. 中國土地勘測規(guī)劃院 北京 100875)

生態(tài)保護(hù)紅線的劃定對于規(guī)范人類活動、控制人類活動強度、維護(hù)生態(tài)安全和保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)功能的可持續(xù)性具有重要意義, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價是其中重要的一環(huán)。由于我國地域面積廣闊、地形地貌特征多樣、區(qū)域自然狀況復(fù)雜多變, 因此環(huán)境保護(hù)部于2015年出臺的《生態(tài)保護(hù)紅線劃定技術(shù)指南》中有兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價的方法, 即NPP定量指標(biāo)法和模型評價法。本研究基于MODIS遙感影像, 利用NPP定量指標(biāo)法對鶴壁市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行評價, 并與模型評價法進(jìn)行比較, 為選取更為適合該區(qū)域的評價方法, 及較小尺度的生態(tài)保護(hù)紅線的劃定提供理論依據(jù)。結(jié)果表明在市域尺度上, NPP定量指標(biāo)法和模型評價法的評價結(jié)果之間存在顯著差異。模型評價法對鶴壁市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(水土保持功能和生物多樣性保護(hù)功能)的高評價區(qū)域與生態(tài)保護(hù)現(xiàn)狀較好的區(qū)域更為一致(面積重疊比例分別為19%和85%), 而NPP定量指標(biāo)法的評價結(jié)果與保護(hù)現(xiàn)狀并不一致。相對于NPP定量指標(biāo)法, 模型評價法更適合對該研究區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行評價。因此在以后的研究中, 應(yīng)結(jié)合研究區(qū)域的實際情況, 選取適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價。本研究的對比分析可為市域尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價及生態(tài)保護(hù)紅線的劃定提供參考。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù); 模型評價法; NPP定量指標(biāo)法; 生態(tài)保護(hù)紅線; 鶴壁市

生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《生態(tài)保護(hù)紅線劃定技術(shù)指南》規(guī)范了我國境內(nèi)生態(tài)保護(hù)紅線的劃定工作, 其中提出, 在重點生態(tài)功能區(qū)、生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)和生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)等區(qū)域, 依法劃定生態(tài)保護(hù)紅線的嚴(yán)格管控邊界, 用以維護(hù)國家和區(qū)域的生態(tài)安全。生態(tài)保護(hù)紅線的劃定有利于降低人類活動對生態(tài)環(huán)境的干擾、保護(hù)人類的生產(chǎn)生活、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[1]。

我國已經(jīng)開展了國家尺度的生態(tài)保護(hù)紅線劃定工作, 各省級生態(tài)保護(hù)紅線的劃定也接近完成, 目前市域尺度的生態(tài)保護(hù)紅線試點劃定工作正在開展或者啟動[2-3]。但在生態(tài)保護(hù)紅線的劃定過程中, 存在分級困難、指標(biāo)多樣化、尺度難確定、評價方法眾多等問題[4]。其中, 關(guān)鍵因素之一是區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的效益[5-6],是人類生存與現(xiàn)代文明的基礎(chǔ)[7]。但由于人類對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其重要性的忽視, 導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境的破壞, 從而對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)造成了嚴(yán)重的損害, 威脅著人類的安全與可持續(xù)發(fā)展[8], 因此開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價十分必要[9-10]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價是針對區(qū)域典型生態(tài)系統(tǒng), 評價其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的綜合特征,目的是在人類發(fā)展的同時, 實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)[11]。在評價生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時, 研究尺度和評價方法的選擇是兩大難點[12-13]。

生態(tài)系統(tǒng)可在不同的空間尺度上進(jìn)行定義, 因此對于其服務(wù)的評價尺度的選擇也多種多樣[14]。目前我國已經(jīng)在較大尺度上對城市[15-16]、自然保護(hù)區(qū)[17-18]、森林[19-20]、濕地[21-22]、農(nóng)田[23-24]、喀斯特地貌區(qū)[25]、水庫[26-27]等進(jìn)行了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評價, 劃定了部分生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要區(qū)域[28], 對受到威脅或破壞的重要生態(tài)系統(tǒng)開展了一定的保護(hù)性工作[29], 用以維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定, 實行可持續(xù)的發(fā)展戰(zhàn)略。但較大尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價, 在評價的過程中降低了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性, 使其無法應(yīng)用于較小尺度。為了更為合理地劃定較小尺度的生態(tài)保護(hù)紅線, 有必要在較小尺度上進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價的研究, 且中、小尺度上的研究, 更加精確受保護(hù)地的覆蓋范圍, 可以為大尺度上的保護(hù)工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[30]。

評價方法的選擇是進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價的前提, 因而得到了較為廣泛的研究[31-32]。趙小汎[33]分別使用Costanza評價方法和謝高地評價方法對遼寧省生態(tài)服務(wù)價值進(jìn)行估算, 結(jié)果顯示謝高地評價方法得出的數(shù)值更為符合遼寧省的實際情況, 證明了評價方法具有一定地域適宜性。

本文在市域尺度上, 選取河南省鶴壁市為案例區(qū),以《生態(tài)保護(hù)紅線劃定技術(shù)指南》為基礎(chǔ),對比模型評價法和NPP定量指標(biāo)法的評價結(jié)果,選取更為適合該區(qū)域的評價方法,為較小尺度生態(tài)保護(hù)紅線的劃定提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)鶴壁市位于太行山東麓向華北平原的過渡地帶(35°26′~36°02′N, 113°59′~114°45′E), 屬于暖溫帶半濕潤型季風(fēng)氣候, 市土地面積共計2 182 km2[34]。年均氣溫14.2~15.5 ℃,年降水量349.2~970.1 mm, 春季多風(fēng)少雨, 夏季濕潤炎熱, 秋季秋高氣爽, 冬季寒冷多霧, 四季較為分明。境內(nèi)有羑河、湯河和淇河3條主要河流, 孕育了古老的朝歌文化。鶴壁市的中東部地區(qū)多為平原(圖1), 人為活動對生態(tài)環(huán)境的影響較為嚴(yán)重, 因此西部山區(qū)的生態(tài)保護(hù)作用就顯得更為重要。

圖1 研究區(qū)鶴壁市土地利用圖

1.2 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

1.2.1 評價指標(biāo)體系的構(gòu)成

準(zhǔn)確評價鶴壁市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù), 可以為鶴壁市生態(tài)保護(hù)紅線的劃定奠定基礎(chǔ)。本研究采用NPP定量指標(biāo)法和模型評價法對鶴壁市的水源涵養(yǎng)功能、水土保持功能、生物多樣性保護(hù)功能進(jìn)行評價, 數(shù)據(jù)來源及評價方法詳見表1和表2。其中氣象數(shù)據(jù)的獲取, 是通過計算鶴壁市周圍地區(qū)氣象站點全年的數(shù)據(jù), 使用克里金插值法得到整個區(qū)域的數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)的來源不同, 具體的參數(shù)計算方法也不同, 因此得到的各個結(jié)果的分辨率也不一致, 因而本研究在最后進(jìn)行圖層疊加時, 將參數(shù)統(tǒng)一分辨率為300 m。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)化方法

采用離差標(biāo)準(zhǔn)化對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換, 使結(jié)果值映射至[0, 1]。轉(zhuǎn)換公式為:

式中:max為樣本數(shù)據(jù)的最大值,min為樣本數(shù)據(jù)的最小值。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種評價方法結(jié)果的空間差異對比分析

NPP定量指標(biāo)法對鶴壁市水源涵養(yǎng)功能的評價結(jié)果見圖2A。其中, 水源涵養(yǎng)功能高的區(qū)域多分布于中部和東部, 西部的水源涵養(yǎng)功能則相對較弱。在不同行政區(qū)內(nèi), 高的水源涵養(yǎng)功能區(qū)主要分布在?？h, 而鶴山區(qū)、山城區(qū)和淇濱區(qū)的水源涵養(yǎng)功能則整體較弱。模型評價法的評價結(jié)果從整體上來看(圖2B), 水源涵養(yǎng)功能高的區(qū)域多分布于南部地區(qū)(?？h和淇縣), 北部地區(qū)的水源涵養(yǎng)功能則相對較弱。

表1 評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)名稱、內(nèi)容及來源

表2 不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價方法的指標(biāo)體系說明

圖2 NPP定量指標(biāo)法(A, C, E)和模型評價法(B, D, F)對2015年鶴壁市生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能(A, B)、水土保持功能(C, D)和生物多樣性保護(hù)功能(E, F)的評價結(jié)果

NPP定量指標(biāo)法的水土保持功能評價結(jié)果不同區(qū)域之間的分布差異較大(圖2C)。東部既有大量的水土保持功能高評價區(qū), 也存在大量水土保持功能較弱的區(qū)域。在不同行政區(qū)內(nèi), 浚縣既有大量的水土保持功能高評價區(qū)域, 也存在大量的水土保持較低的區(qū)域。而在鶴山區(qū)、山城區(qū)、淇濱區(qū)和淇縣, 水土保持功能分布相對多樣, 主要為中和低的水土保持功能區(qū)。模型評價法的評價結(jié)果如圖2D所示, 鶴壁市水土保持功能高評價區(qū)主要分布在西部山區(qū)。從不同行政區(qū)劃來看, ?？h水土保持功能高的區(qū)域分布較為分散, 同時存在大量的水土保持低或極低的區(qū)域。而在鶴山區(qū)、淇濱區(qū)和淇縣, 水土保持功能高評價區(qū)域的分布則較為集中。

NPP定量指標(biāo)法將NPP、平均降水量、平均氣溫和海拔4個指標(biāo)的數(shù)值進(jìn)行疊加, 而模型評價法則考慮NDVI、SHDI、Hper和NPP數(shù)值進(jìn)行疊加, 用以分析鶴壁市生物多樣性保護(hù)功能的空間分布。結(jié)果顯示NPP定量指標(biāo)評價法的高評價地區(qū)主要分布于鶴壁市南部(圖2E), 中評價地區(qū)主要分布于鶴壁市東部。模型評價法的評價結(jié)果與NPP定量指標(biāo)法的評價結(jié)果基本相反(圖2F), 即高和中評價地區(qū)主要分布在西部山區(qū)、淇河流域和衛(wèi)河流域。

2.2 兩種評價結(jié)果與保護(hù)現(xiàn)狀的對比分析

由于森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能、水土保持功能和生物多樣性保護(hù)功能均較高[35], 本文以鶴壁市省級以上的森林公園(森林公園是研究區(qū)域內(nèi)主要的森林生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)區(qū)域, 即在森林公園的分布范圍內(nèi), 具有較高的水源涵養(yǎng)功能、水土保持功能和生物多樣性保護(hù)功能)的分布范圍為依據(jù)(圖3), 對比分析兩種不同評價方法的結(jié)果與現(xiàn)狀的差異。

圖3 鶴壁市森林公園分布圖

由表3可知, 相對于NPP定量指標(biāo)法的評價結(jié)果, 模型評價法對水土保持功能和生物多樣性保護(hù)功能的評價較為準(zhǔn)確。而兩種方法對于水源涵養(yǎng)功能的評價均不準(zhǔn)確。通過對比分析, 認(rèn)為模型評價法更適合對研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行評價。

表3 兩種評價方法的高評價區(qū)域與森林公園的重疊比例

3 討論

由于目前存在多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價方法, 且不同的評價方法適用于不同的區(qū)域[33], 為了更為準(zhǔn)確地評價河南省鶴壁市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù), 本研究通過采用兩種常用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價方法, 對比兩種評價方法對鶴壁市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(水源涵養(yǎng)功能、水土保持功能和生物多樣性保護(hù)功能)的評價結(jié)果, 并以鶴壁市省級以上森林公園的分布區(qū)域為基礎(chǔ), 篩選評價結(jié)果更為準(zhǔn)確的評價方法。

基于兩種方法的評價結(jié)果, 并將其與森林公園的分布范圍對比可知, 相對于NPP定量指標(biāo)法, 模型評價法對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評價結(jié)果更符合實際狀況。這是由于在NPP定量指標(biāo)法的評價公式中, 生物多樣性保護(hù)的重要性主要受到海拔和NPPmean結(jié)果的影響(降水和溫度在市域尺度差別并不大)。鶴壁市作為農(nóng)業(yè)大市, 其東部地區(qū)多為農(nóng)業(yè)區(qū), 該區(qū)域的NPPmean結(jié)果與西部山區(qū)的NPPmean結(jié)果差異不大, 因此最終的生物多樣性保護(hù)功能的評價結(jié)果主要由海拔決定, 即海拔越高的地區(qū)生物多樣性保護(hù)的重要性分級越低, 而海拔越低的地區(qū)反而分級越高, 這就導(dǎo)致鶴壁市西部山區(qū)的生物多樣性保護(hù)功能的評價較低, 與實際狀況不符(西部山區(qū)廣泛分布著公益林、水庫和森林公園, 擁有較高的水源涵養(yǎng)功能、水土保持功能和生物多樣性保護(hù)功能)。水源涵養(yǎng)功能和水土保持功能的評價結(jié)果也是如此, 由坡度決定, 且與坡度呈反比, 而西部山區(qū)的坡度顯然較東部平原地區(qū)大, 加之土壤滲流等的評價結(jié)果, 則可以得出西部山區(qū)的水源涵養(yǎng)功能和水土保持功能較低。綜上可知, NPP定量指標(biāo)法不適宜作為鶴壁市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價的方法。但并不代表NPP定量指標(biāo)法不適用于其他的區(qū)域, 王麗霞等[36]采用NPP定量指標(biāo)法對北京市昌平區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行評價, 結(jié)果顯示, 相對于東南的平原區(qū)域, 西北部山區(qū)的水源涵養(yǎng)功能、水土保持功能和生物多樣性保護(hù)功能較高, 符合昌平區(qū)的實際狀況, 證明NPP定量指標(biāo)法適合對該地區(qū)進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價。該研究結(jié)果與本研究結(jié)果相反, 是由于昌平區(qū)的山區(qū)NPPmean評價較高, 但平原區(qū)以城市為主(鶴壁市以農(nóng)業(yè)為主), NPPmean評價較低。因此, 雖然NPP定量指標(biāo)法的評價結(jié)果與海拔、坡度呈反比, 但山區(qū)較高的NPPmean評價結(jié)果決定了區(qū)域整體的評價結(jié)果。

模型評價法對生物多樣性保護(hù)功能的評價結(jié)果較為準(zhǔn)確, 這是由于公式中所考慮的指標(biāo)(NPP, NDVI, Hper)分布與森林公園的分布較為契合, 即均呈西高東低之勢。雖然鶴壁市的東部植被覆蓋因子評價結(jié)果較高, 但東部地區(qū)多為耕地, 其水土保持能力遠(yuǎn)不如西部山區(qū)的落葉闊葉林帶, 因此水土保持功能的評價結(jié)果也較為符合實際情況。但水源涵養(yǎng)功能的評價不準(zhǔn)確, 是由于鶴壁市的降水呈現(xiàn)由東南向西北遞減的趨勢, 且評價公式并未考慮下墊面的情況, 因此西部山區(qū)的水源涵養(yǎng)評價結(jié)果偏低。

通過對比兩種評價方法的結(jié)果及其與鶴壁市森林公園的空間分布差異, 研究認(rèn)為在選擇適宜的評價方法時, 應(yīng)注意以下3個方面: 1)深入了解不同評價方法所選擇的評價參數(shù), 篩選適合研究區(qū)的評價參數(shù); 2)對比評價結(jié)果與實際受保護(hù)區(qū)域的空間分布差異, 從而選擇合適的評價方法; 3)若由于特殊的氣候、地形、地貌等因素, 無較為適宜的評價方法時, 則應(yīng)對部分區(qū)域的評價參數(shù)進(jìn)行加權(quán)。

4 結(jié)論

研究采用兩種不同的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價方法, 分別對鶴壁市的水源涵養(yǎng)功能、水土保持功能和生物多樣性保護(hù)功能進(jìn)行評價。在與鶴壁市省級以上森林公園的分布范圍進(jìn)行疊加分析的基礎(chǔ)上, 對比了兩種評價方法的評價結(jié)果, 進(jìn)而得出模型評價法更為適合作為研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評價方法。但該結(jié)果并不能說明NPP定量指標(biāo)法不適用于其他地區(qū),而是不同的方法適用于不同的地區(qū), 以及不同的尺度。因此, 在將來的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價研究中, 應(yīng)結(jié)合研究區(qū)域的實際情況, 選取適合該區(qū)域的評價方法, 力求使評價結(jié)果更為詳實可靠, 為當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)管理與可持續(xù)發(fā)展提供一定的理論依據(jù)。

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Comparative study on two evaluating methods of ecosystem services at city-scale*

LIU Shiliang1, ZHAO Shuang1, CHENG Fangyan1, HOU Xiaoyun1, JIA Kejing2, QI Fan2, YANG Feng2

(1. State Key Laboratory of Water Environment Simulation, School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China; 2. China Land Surveying and Planning Institute, Beijing 100875, China)

The red line of ecological protection is significance in controlling the intensity of human activity and in maintaining ecological security and sustainability. China has already carried out a demarcation work of red line for ecological protection at national scale and is now nearing completion at provincial scale. Also the demarcation of red line for ecological protection at municipal scale is underway. However, in the process of delineating the red line for ecological protection, problems such as difficulty in classification, diversification of indicators, determination of scale and selection of evaluation methods have been encountered. The evaluation of ecosystem services is one important step in delineating red lines. Ecosystem service refers to any benefit that mankind can obtain from the ecosystem and it is the basis of human survival and modern civilization. Human neglect of ecosystem services and their importance has caused serious damage to critical natural ecosystems. Therefore, it is necessary to carry out an evaluation of ecosystem services. To standardize the evaluation of ecosystem services in China, the Technical Guidelines for the delineation of red lines for ecological protection issued by the Ministry of Ecology and Environment recommended the NPP quantitative index method and the model evaluation method to evaluate ecosystem services. As China has wide geographical extent with complex topographic features and natural conditions, it is important to evaluate the suitability of the two methods for application in demarcating red lines for ecological service evaluation. Based on MODIS remote sensing images, the evaluation of ecosystem services in Hebi City was carried out using the NPP quantitative index method and compared with the model evaluation method. The purpose of the paper was to select a more suitable evaluation method for the area and to provide theoretical basis for the demarcation of red line for ecological protection smaller-scale. In this study, we compared the results of the ecosystem service evaluation derived from the two different methods. The results showed that there was a significant difference between the NPP quantitative index method and the model evaluation method at prefectural city scale. In order to judge which method was more accurate, we compared the results of the two evaluation methods in terms of spatial distribution of the forest park. The model evaluation method was more consistent for high evaluation area of ecosystem services (soil and water conservation functions and biodiversity protection function) and the area with better ecological protection (area overlapping ratios of 19% and 85%, respectively) in Hebi City. The evaluation result of the NPP quantitative index method was not consistent with the protection status. The reason why the NPP quantitative index method was inaccurate was that the selected parameters and calculation formulas were not suitable for the study area. Therefore, the model evaluation method was more accurate for evaluating ecosystem services in the study area, compared with the NPP quantitative index method at prefectural city scale. Appropriate method should be selected according to actual local conditions in order to accurately evaluate ecosystem services in future studies. The comparative analysis in this study provided a reference point for evaluating ecosystem services and delineating red lines for ecological protection.

Ecosystem service; Model evaluation method; NPP quantitative index method; Ecological protection red line; Hebi City

, LIU Shiliang, E-mail: shiliangliu@bnu.edu.cn

Dec. 29, 2017;

May 10, 2018

10.13930/j.cnki.cjea.171159

X321

A

1671-3990(2018)09-1315-09

2017-12-29

2018-05-10

* This study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2016YFC0502103) and the National Natural Science Foundation of China (41571173).

* 國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0502103)和國家自然科學(xué)基金面上項目(41571173)資助

劉世梁, 主要研究方向為景觀生態(tài)學(xué)。E-mail: shiliangliu@bnu.edu.cn

劉世梁, 趙爽, 成方妍, 侯笑云, 賈克敬, 祁帆, 楊楓. 市域尺度兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價方法對比研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2018, 26(9): 1315-1323

LIU S L, ZHAO S, CHENG F Y, HOU X Y, JIA K J, QI F, YANG F. Comparative study on two evaluating methods of ecosystem services at city-scale[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(9): 1315-1323