郝慧梅，郝永利，田黨生

基于RS與GIS的LUCC生態(tài)服務(wù)功能價值動態(tài)核算

郝慧梅1，郝永利2，田黨生3

(1.西安市國土資源信息中心，西安 710021;2.內(nèi)蒙古包頭市固陽房地產(chǎn)交易所，包頭 014200;3.西安市國土資源局，西安 710021)

采用基于決策樹的分層分類與監(jiān)督分類相結(jié)合的方法，提取關(guān)中地區(qū)1990年、2000年和2007年土地覆蓋信息，并運用生態(tài)經(jīng)濟學(xué)方法構(gòu)建研究區(qū)3期生態(tài)服務(wù)價值空間格局。結(jié)果表明，3期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值分別為557.39億元、507.29億元和533.77億元。1990—1998年，由于林地、草地局部破壞嚴重，區(qū)域生態(tài)服務(wù)功能總價值大幅縮減;1999年之后，隨著退耕還林還草及配套政策的落實，區(qū)域生態(tài)有所好轉(zhuǎn)，尤其是2000年之后，生態(tài)服務(wù)總價明顯回升，但就現(xiàn)狀而言，依然不容樂觀。3期的生態(tài)經(jīng)濟承載指數(shù)分別為0.436 9、2.678 4和6.430 2，土地生態(tài)壓力在逐年增大。加強渭河平原區(qū)的耕地保護，穩(wěn)定和推進渭北高原和秦嶺—關(guān)山區(qū)的生態(tài)恢復(fù)和建設(shè)成果，是未來關(guān)中地區(qū)土地利用管理中的重要環(huán)節(jié)。

關(guān)中地區(qū);土地利用/覆蓋變化(LUCC);生態(tài)服務(wù)功能價值;生態(tài)經(jīng)濟承載指數(shù);遙感(RS);地理信息系統(tǒng)(GIS)

0 引言

土地利用/覆蓋系統(tǒng)是區(qū)域及全球變化的主要反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，具有重要的生態(tài)服務(wù)功能［1－7］。眾多研究表明［7－14］，生態(tài)系統(tǒng)所提供的生命支持功能(或稱生態(tài)服務(wù))是不能輕易由技術(shù)取代的。一個地區(qū)能否實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，在很大程度上取決于人們對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值的正確認識和有效管理。在傳統(tǒng)經(jīng)濟學(xué)中，由于對生態(tài)服務(wù)“資本性”的忽視，引發(fā)了一系列危及人類可持續(xù)發(fā)展的重大環(huán)境問題［15－16］。為此，生態(tài)補償問題已成為學(xué)界研究的熱點，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值核算正是生態(tài)補償?shù)幕A(chǔ)研究之一。

國內(nèi)外學(xué)者圍繞生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的定義、內(nèi)涵和價值核算方法等進行了廣泛的理論和實證研究［17－25］。Costanza［17］將全球生態(tài)系統(tǒng)類型劃分為16大類26小類，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能劃分為調(diào)節(jié)氣候、控制水土流失等17種功能。歐陽志云等［18－20］探討了陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其價值理論;謝高地等［21－22］研究得出了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量因子表;張志強等［23］利用條件價值法(CVM)進行了生態(tài)恢復(fù)成本評估研究;肖寒等［24］采用物質(zhì)量與價值量相結(jié)合的方法進行了森林生態(tài)服務(wù)價值核算;陳仲新等［25］估算得出中國生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值為GDP的1.73倍。上述研究豐富了生態(tài)服務(wù)研究的理論方法，為我國生態(tài)補償實踐奠定了基礎(chǔ)，但生態(tài)服務(wù)種類和強度區(qū)域差異顯著，其價值核算方法仍處于不斷探索之中。

本文運用生態(tài)經(jīng)濟學(xué)方法，對關(guān)中地區(qū)土地利用變化過程中的生態(tài)服務(wù)功能價值空間格局進行構(gòu)建和動態(tài)核算，并據(jù)此提出未來關(guān)中地區(qū)不同區(qū)域土地資源開發(fā)的主導(dǎo)方向和重點環(huán)節(jié)，以期為區(qū)域土地有效、持續(xù)利用與科學(xué)管理提供參考。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)源

關(guān)中地區(qū)位于陜西省中部，面積5.55×104km2。北部的渭北高原區(qū)土壤潛在侵蝕強度大，是全國水土流失重點治理區(qū)之一;中部的渭河平原區(qū)土肥地平，是陜西省人口、經(jīng)濟聚集區(qū);南部的秦嶺—關(guān)山區(qū)是重要的水源地和生態(tài)屏障，兼具山地生態(tài)系統(tǒng)本身的脆弱性。未來，隨著《關(guān)中—天水經(jīng)濟區(qū)發(fā)展規(guī)劃》的實施、經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和城市人口激增，該區(qū)將迎來更為活躍的土地用途變更，土地管理也將面臨更大的挑戰(zhàn)。因此，在該地區(qū)進行土地利用/覆蓋變化(LUCC)信息提取和LUCC生態(tài)效應(yīng)經(jīng)濟核算，對于充分發(fā)揮遙感系統(tǒng)效能和生態(tài)服務(wù)資本化是有益的理論探索，對于區(qū)域土地管理、科學(xué)發(fā)展更具有重要的實踐價值。

本研究用到的數(shù)據(jù)包括遙感影像、NDVI數(shù)據(jù)集、DEM、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)(1966—2007年氣溫、降水、太陽輻射、相對濕度和水汽壓等要素的逐月數(shù)據(jù))和實地考察觀測數(shù)據(jù)等，分別來源于美國NASA網(wǎng)站以及陜西省測繪局、氣象局、統(tǒng)計局等其他相關(guān)單位。

2 研究方法

在GIS、ERDAS、ENVI等平臺的支持下，基于遙感影像進行典型地物光譜特征分析、地學(xué)相關(guān)知識分析和解譯試驗，實現(xiàn)1990年、2000年和2007年3個時期的LUCC信息提取，并建立數(shù)據(jù)庫;以此為基礎(chǔ)，按照綜合分析的思路，把生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合價值分解為有機物生產(chǎn)、生態(tài)系統(tǒng)固定CO2、釋放O2、涵養(yǎng)水源和保持土壤等項單一服務(wù)價值，分別選擇相應(yīng)的模型對其空間格局予以構(gòu)建、疊加，形成綜合生態(tài)服務(wù)價值空間格局，并對其進行動態(tài)分析。

2.1 生態(tài)系統(tǒng)有機質(zhì)生產(chǎn)功能價值測算模型

本文采用遙感估算模型估算生態(tài)系統(tǒng)的凈生產(chǎn)力(NPP)和物質(zhì)量［26－32］，其模型為

式中，APAR(x，t)為像元x在t月份吸收的光合有效輻射(MJ/m2);ε(x，t)為像元x在t月份的實際光能利用率(gC/MJ)。

Potter［26］等認為，在理想條件下植被具有最大光能利用率，而在現(xiàn)實條件下的最大光能利用率主要受溫度和水分的影響，即

式中，f1(x，t)、f2(x，t)和 w(x，t)分別為低溫、高溫和水分的脅迫系數(shù)，可依據(jù)氣象數(shù)據(jù)計算得到［29－31］;εmax為理想條件下的最大光能利用率，可依據(jù)朱文泉等［26］的研究成果結(jié)合土地利用/覆蓋分類數(shù)據(jù)賦值。其余相關(guān)的生物物理參數(shù)獲取方法為

式中，常數(shù)0.5為植被所能利用的太陽有效輻射(波長為0.38 ～0.71 μm)占太陽總輻射的比例;SOL(x，t)為t月份在像元x處的太陽總輻射，來自于氣象數(shù)據(jù);FPAR(x，t)為植被層對入射光合有效輻射的吸收比例;FPAR(x，t)NDVI和 FPAR(x，t)SR分別為由歸一化植被指數(shù)(NDVI)和比值植被指數(shù)(SR)計算所得的植被層對入射光合有效輻射的吸收比例;NDVIi，max和 NDVIi，min分別為第 i種植被類型的 NDVI最大值和最小值;SRi，max和 SRi，min分別為第i種植被類型的比值植被指數(shù)最大值和最小值;NDVI(x，t)和SR(x，t)分別為 t月份在像元 x處的歸一化植被指數(shù)和比值植被指數(shù)，可據(jù)MODIS數(shù)據(jù)處理得到;FPARmax和FPARmin的取值與植被類型無關(guān)，分別為0.95 和 0.001。

基于物質(zhì)量估算結(jié)果，以具有一定市場價格的能源(如煤炭、石油、天然氣)為橋梁，按照植被生產(chǎn)的有機物折合成能量進行相應(yīng)替代。具體測評模型為

式中，V為植被生產(chǎn)有機物的價值(元);A為植被生產(chǎn)有機質(zhì)干重;B為煤的質(zhì)量系數(shù)，標煤B=1;P為標煤的市場價格，采用345.5元/t;Q1為干重生物量折合熱量，Q1=6.7 kJ/g;Q2為標煤的折合熱量，Q2=10 kJ/g［33］。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧功能價值測算模型

2.3 生態(tài)系統(tǒng)保持土壤功能價值測算模型

采用美國通用水土流失方程(USLE)進行生態(tài)系統(tǒng)保持土壤物質(zhì)量測算，即

式中，Ar、Ap分別為單位面積上的土壤實際流失量和土壤潛在侵蝕量，單位均為(t·hm－2·a－1);Ac為生態(tài)系統(tǒng)保持土壤量，單位為(t·hm－2·a－1);R為降雨侵蝕力因子，單位為(m·t·cm·hm－2·h－1·a－1);K 為土壤可蝕性因子，單位為(t·h·m－1·t－1·cm－1);LS 為坡長坡度因子(無量綱);C為地表植被覆蓋因子(無量綱);P為土壤保持措施因子(無量綱)［34－35］。

在保持土壤物質(zhì)量測算的基礎(chǔ)上，分別采用機會成本法、影子價格法和替代工程法計算其保土、保肥、減淤的價值［33］。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源功能價值測評

生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源總物質(zhì)量包括植被層、枯枝落葉層和土壤層截留降水的綜合能力［36－37］。其計算公式為

式中，Q總為生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源總物質(zhì)量;Q1為林冠截留量;Q2為枯枝落葉層截留量;Q3為土壤層截留量，在測量時可根據(jù)土壤類型分別按如下方法測算，再加權(quán)求和，即

式中，r為降水量，單位為(mm);l為林冠截留率;s為總面積，單位為(hm2);k為枯枝落葉層的干重，單位為(t·hm－2);w為飽和吸水率;m為土壤面積，單位為(km2);h為土壤深度，單位為(m);p為土壤的粗孔隙率。

以此為基礎(chǔ)，采用影子工程法計算生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源價值量。

2.5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合價值測算模型

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合價值測算模型為

式中，V綜為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合價值(元·a－1);Vi為第i項生態(tài)服務(wù)功能價值;n為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總項數(shù)。

2.6 區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟承載指數(shù)分析

以區(qū)域GDP與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價值的比值作為衡量區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展現(xiàn)狀施加于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的壓力大小指標，稱之為生態(tài)經(jīng)濟承載指數(shù)，即

式中，Ie－e為區(qū)域某年的生態(tài)經(jīng)濟承載指數(shù);GDP為區(qū)域某年的國內(nèi)生產(chǎn)總值;Ve為區(qū)域某年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價值。

在一定的社會階段，當區(qū)域主體經(jīng)濟發(fā)展方式?jīng)]有發(fā)生質(zhì)的飛躍時，區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟承載指數(shù)的極限值與兩個因素有關(guān):從橫向看，與區(qū)域主體功能定位有關(guān)，具有重要生態(tài)意義的限制和禁止開發(fā)區(qū)的區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟承載指數(shù)極限值要低于優(yōu)先和重點開發(fā)區(qū);從縱向看，與區(qū)域的經(jīng)濟主體發(fā)展方式有關(guān)，如果區(qū)域經(jīng)濟主體發(fā)展方式發(fā)生升級(如從資源主體型升級為智能密集型)，則生態(tài)經(jīng)濟承載指數(shù)極限值可以發(fā)生躍遷。

3 研究結(jié)果

3.1 關(guān)中地區(qū)LUCC格局及其動態(tài)

關(guān)中地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)以農(nóng)用地為主，耕地約占全區(qū)總面積的43%，且水澆地比例大;林地約占25%;草地接近林地，略低于25%;其余地類所占比例較小。1990年、2000年和2007年的具體LUCC結(jié)果如圖1所示。

圖1 關(guān)中地區(qū)3個年份LUCC空間格局Fig.1 Spatial distribution of LUCC in Guanzhong area in 1990，2000 and 2007

經(jīng)分析可知，關(guān)中地區(qū)土地利用變化情況如下:①1990—2007年，關(guān)中地區(qū)耕地、水域面積不斷減少，耕地年均減少15 498.07 hm2;建設(shè)用地面積不斷增加，17 a間增加了1.92倍，自1999年退耕還林還草及相關(guān)配套政策全面落實以來，林草植被總面積不斷增加。②建設(shè)占地是水澆地減少的主要原因，空間上主要分布在渭河平原區(qū)，該區(qū)17 a間建設(shè)用地增加了12.95×104hm2，占整個研究區(qū)的77.04%;時間上主要發(fā)生在近期，渭河平原區(qū)最近7 a間就增加了10.34×105hm2，占整個研究期間總增量的61.49%。③退耕還林還草是旱地減少的主要原因。④1990—2007年，關(guān)中地區(qū)土地利用類型間的轉(zhuǎn)換較為復(fù)雜，改善生態(tài)和致使生態(tài)退化的土地利用類型變化在空間上并存，且尤以前一階段更為復(fù)雜，后一階段的土地利用類型間轉(zhuǎn)換表現(xiàn)得較為有序。

3.2 關(guān)中地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合價值空間格局及動態(tài)

1990年、2000年和2007年關(guān)中地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價值分別為557.39億元、507.29億元和533.77億元。3個年份單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合價值空間分布如圖2所示。

圖2 關(guān)中地區(qū)3個年份單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值空間分布Fig.2 Spatial distribution of service value of unit ecosystems in 1990，2000 and 2007 in Guanzhong area

其主要特征為:①從城區(qū)到農(nóng)區(qū)，從渭河平原區(qū)的農(nóng)區(qū)到黃土高原以及秦嶺關(guān)山的林牧區(qū)，單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合價值遞增，縣域平均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合價值的空間分布也表現(xiàn)出類似的環(huán)狀或帶狀分布特點。單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合價值的這種空間規(guī)律與其類間差異有關(guān)，不同土地覆蓋類型的生態(tài)服務(wù)功能綜合價值排序為:林地＞草地＞耕地＞水域＞其他類型＞建設(shè)用地。就保持土壤價值而言，草地優(yōu)于林地。建設(shè)用地生態(tài)服務(wù)價值主要體現(xiàn)在硬化地面保持土壤、減少泥沙淤積上，水域生態(tài)服務(wù)價值主要體現(xiàn)在蓄水和調(diào)節(jié)洪水上。②生態(tài)服務(wù)總價值空間分布上，各年份秦嶺—關(guān)山區(qū)最高，渭北高原區(qū)略高于渭河平原區(qū)，同樣就年際變化幅度而言，由高而低依次為秦嶺—關(guān)山區(qū)、渭北高原區(qū)、渭河平原區(qū)。各區(qū)縣生態(tài)服務(wù)總價值也體現(xiàn)了類似的空間分布特點，從平原區(qū)的城區(qū)向南北兩個方向呈帶狀遞增。

3.3 不同空間尺度區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟承載指數(shù)測算

關(guān)中地區(qū)1990年、2000年和2007年的生態(tài)經(jīng)濟承載指數(shù)分別為 0.436 9、2.678 4 和 6.430 2，呈逐年倍增之勢，市域統(tǒng)計也有類似特征。1990年，生態(tài)經(jīng)濟承載指數(shù)小于1的區(qū)縣共有27個，介于1～10的區(qū)縣19個，高于10的區(qū)縣共8個，包括西安城6區(qū)(蓮湖、新城、碑林、雁塔、未央、灞橋)、咸陽秦都區(qū)和寶雞金臺區(qū);2007年，生態(tài)經(jīng)濟承載指數(shù)小于1的縣區(qū)僅剩8個，介于1～10的區(qū)縣增加至31個，而高于10的區(qū)縣增加至15個。對于渭北高原和關(guān)山—秦嶺區(qū)的多數(shù)區(qū)縣而言，20多a來的主體經(jīng)濟發(fā)展方式?jīng)]有發(fā)生根本升級，20世紀90年代末集中爆發(fā)的區(qū)域環(huán)境問題在一定程度上提示這些縣區(qū)在2000年左右的生態(tài)經(jīng)濟承載指數(shù)已經(jīng)接近其極限值;但縣域生態(tài)經(jīng)濟指數(shù)在2000年之后持續(xù)增加，一方面揭示了這些區(qū)域未來生態(tài)建設(shè)和成果鞏固的任務(wù)依然艱巨;另一方面也表明在保護生態(tài)的前提下，升級區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展模式、建立生態(tài)稅收、進行區(qū)域間生態(tài)補償可能是實現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。

4 結(jié)論

(1)土地利用變化不僅是生態(tài)環(huán)境變化的重要組成部分，而且也是生態(tài)環(huán)境變化的原因。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值貨幣化核算對全面客觀衡量經(jīng)濟發(fā)展中的環(huán)境成本、進行生態(tài)稅收及生態(tài)補償、實現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

(2)關(guān)中地區(qū)近20 a的土地利用變化引發(fā)了區(qū)域土地生態(tài)服務(wù)功能總價值的波動。1990—2000年，由于林地、草地局部破壞嚴重，導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)服務(wù)功能總價值大幅縮減;20世紀90年代末，隨著退耕還林還草及配套政策落實，生態(tài)服務(wù)功能總價在2000年之后明顯回升，但就現(xiàn)狀而言，依然不容樂觀。

(3)1990—2007年間，關(guān)中地區(qū)各區(qū)縣土地生態(tài)經(jīng)濟承載壓力逐年增大。穩(wěn)定和推進渭北高原和秦嶺—關(guān)山區(qū)的生態(tài)恢復(fù)和建設(shè)成果、加強渭河平原區(qū)的耕地保護、升級區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展方式、建立生態(tài)稅收、進行區(qū)域間生態(tài)補償可能是實現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。

(4)對區(qū)域意義較大的土地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)功能價值進行核算，基本反映了關(guān)中地區(qū)土地利用變化的生態(tài)效應(yīng)實際輪廓和軌跡;但由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的多樣性和類間的交互性，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的種類和價值測算方法有待繼續(xù)深入探索;針對不同主體功能區(qū)，以更廣闊的視角對生態(tài)經(jīng)濟承載力極限的研究也有待深入。

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Dynamic Evaluating Regional Land－cover Changes and Associated Ecosystem’s Service Value Based on RS and GIS

HAO Hui－mei1，HAO Yong－li2，TIAN Dang－sheng3
(1.The Geomatics Center of Bureau of Land and Resources of Xi’an，Xi’an 710021，China;2.Center of Real Estate Transaction，Guyang County，Inner Mongolia，Baotou 014200，China;3.The Bureau of Land and Resources of Xi’an，Xi’an 710021，China)

The exploration and calculation of the eco－environment response to LUCC in Guanzhong area constitute the basis for the study and application of ecological compensation and for the realization of regional sustainable development.In this paper，the method for decision tree － based multi－ layer information extraction and supervised classification was employed to extract the information of land cover in Guanzhong area in 1990，2000 and 2007.Then the different kinds of general service values of ecosystems in Guanzhong area in 1990，2000 and 2007 were evaluated respectively using the method of ecological economics.Some conclusions have been drawn:① In 1990，2000 and 2007，the total service values of Guanzhong area’s ecosystems were 55.739 billion yuan，50.729 billion yuan and 53.377 billion yuan respectively，which further demonstrated that the regional service values of ecosystems decreased abruptly due to local serious degradation and deterioration of forest and grass from 1990 to 1998，and were increasing significantly after 1998 due to implementation of returning cultivated farmland to grassland and forest land.② The index of ecosystem’s capacity to support economy in Guanzhong area rose from 0.436 9 in 1990 to 6.430 2 in 2007，which indicated that pressure on ecosystem is increasing continuously with the development of economy，and the task of ecosystem restoration and construction remains a key link in keeping the sustainable development of regional economy.

Guanzhong area;Land use/land cover change(LUCC);Service value of ecosystem;Index of ecosystem’s capacity for supporting economy;RS;GIS

TP 79

A

1001－070X(2011)04－0115－06

2011－02－15;

2011－04－07

國家自然科學(xué)基金項目“西北河谷平原土地生態(tài)安全動態(tài)與可持續(xù)發(fā)展途徑”(編號:40771019)資助。

郝慧梅(1973－)，女，博士，工程師，主要從事國土資源管理、RS與GIS應(yīng)用研究。

(責(zé)任編輯:李 瑜)