程琳琳，黃 婷，劉焱序

〔1.中國礦業(yè)大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京100083；2.北京師范大學 地理科學學部 地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，北京100875〕

生態(tài)系統(tǒng)不僅可以為人類的生存直接提供各種原料或產(chǎn)品，而且具有調(diào)節(jié)氣候、凈化污染、涵養(yǎng)水源、保持水土、防風固沙、減輕災害、保護生物多樣性等功能，對人類生存和生活有貢獻的所有生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品和服務統(tǒng)稱為生態(tài)系統(tǒng)服務［1-2］。自1997年Costanza實現(xiàn)基于土地覆被類型的生態(tài)服務價值量制圖以來，生態(tài)系統(tǒng)服務價值量核算逐漸被作為生態(tài)資產(chǎn)核算的核心依據(jù)，從而以更直觀的方式輔助于對生態(tài)系統(tǒng)的空間認知和可持續(xù)管理［3-4］。但是，由于不同學者的參數(shù)選擇不同，同種生態(tài)系統(tǒng)服務的評估結果可能存在巨大的差異，不同定價方法所得到的生態(tài)系統(tǒng)服務價值量之間缺乏可比性，而生態(tài)系統(tǒng)服務價值的成熟定價方法在目前國際上尚未形成［5-8］。

目前，生態(tài)系統(tǒng)服務價值的研究途徑可以大致分為兩類［9-10］：①基于單位服務物質(zhì)量的價格估算方法，通常采用影子價格、替代工程或損益分析等途徑進行定價［11-14］；②基于單位面積價值的當量因子估算方法，沿用Costanza的思路將價值量轉(zhuǎn)換至單位面積的生態(tài)系統(tǒng)類型或土地覆被類型上［15-16］。就第一種研究途徑而言，單位服務物質(zhì)量的計算較為復雜，涉及的參數(shù)較多而且各個參數(shù)的標準也難以統(tǒng)一。更重要的是，降水等氣候因素在物質(zhì)量評估中較為重要，導致生態(tài)系統(tǒng)服務評估結果更多取決于氣候變異而非土地利用改變［17-18］。這種估算方式導致了一些生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估結果無法直接與土地資源管理相對接，弱化了評估的決策支持意義［19-20］。

對于第二種研究途徑，基于單位面積價值當量因子的方法是在區(qū)分不同種類生態(tài)系統(tǒng)服務的基礎上基于可量化的標準構建不同類型生態(tài)系統(tǒng)各種服務的價值當量，然后結合生態(tài)系統(tǒng)類型的空間分布進行評估［10，15］。但是，以往研究涉及的生態(tài)系統(tǒng)類型相對較少，并不能細致刻畫某種土地利用類型下的生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變；評估所涉及的時間序列也相對較短，不足以體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的漸變式演化；同時，采用的當量因子更多的考慮靜態(tài)評估，忽略了生態(tài)系統(tǒng)服務價值動態(tài)演化規(guī)律的重要性。近年來，中國的生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子表得到了修改和補充，為評估不同生態(tài)系統(tǒng)類型、不同生態(tài)服務價值的時間和空間動態(tài)提供了更加充分的科學依據(jù)［16］?；诖?，本研究采用改進的單位面積生態(tài)服務價值基礎當量表，以及目前最長時間序列的土地覆被數(shù)據(jù)集，評估中國重要生態(tài)屏障青藏高原的1992—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務價值演化規(guī)律，為青藏高原生態(tài)安全保障提供空間指引。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

青藏高原南起喜馬拉雅山脈南緣，北至昆侖山、阿爾金山和祁連山北緣，西部為帕米爾高原和喀喇昆侖山脈，東及東北部與秦嶺山脈西段和黃土高原相接?？偯娣e約2.50×106km2，東西約長2 800 km，南北約寬300～1 500 km，是中國最大、世界上海拔最高的高原，被稱為“世界屋脊”、“第三極”。青藏高原是全世界最高、最年輕而水平地帶性和垂直地帶性緊密結合的自然地理單元，一般海拔在3 000～5 000 m 之間，平均海拔4 000 m 以上，為東亞、東南亞和南亞許多大河流發(fā)源，腹地年平均溫度在0 ℃以下，大片地區(qū)最暖月平均溫度也不足10℃。青藏高原的森林生態(tài)系統(tǒng)不足10%，草地生態(tài)系統(tǒng)比例約50%，冰川、荒漠的面積近40%，其他生態(tài)系統(tǒng)類型比例較少。

本研究所采用的歐空局CCI-LC（climate change initiative land cover）數(shù)據(jù)集，是目前時空分辨率最高的土地覆被產(chǎn)品之一（http：∥maps.elie.ucl.ac.be／CCI／viewer／index.php），其 時 間 分 辨 率 為1992 到2015的每年，空間分辨率為300 m。地形數(shù)據(jù)使用GTOPO30數(shù)據(jù)（https：∥lta.cr.usgs.gov／GTOPO30），空間分辨率為1 km2。此外，由于土地覆被不變的區(qū)域遠遠多于變化的區(qū)域，為增強對價值量空間差異的表述，制成21 km 邊長正方形格網(wǎng)，統(tǒng)計格網(wǎng)內(nèi)平均價值量用于空間制圖，反映一定空間內(nèi)的價值量漸變過程。

1.2 基于單位面積的價值當量因子法

謝高地等［16］將一個標準單位生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務價值當量因子定義為1 hm2全國平均產(chǎn)量的農(nóng)田每年自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟價值。1 個標準當量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務價值量可參考單位面積農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)糧食生產(chǎn)的凈利潤。單位農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的糧食產(chǎn)量價值的計算公式為：

W ＝P1×W1＋P2×W2＋P3×W3（1）

式中：W——1個標準當量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務價值量（元／hm2）；P1，P2，P3——2010年小麥、玉米和稻谷各占3 種總作物總面積的比例（%）；W1，W2，W3——2010年小麥、玉米和稻谷的單位面積凈利潤（元／hm2）。其中農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)來自于《中國統(tǒng)計年鑒2011》和《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編2011》，根據(jù)數(shù)據(jù)和公式（1）得到W 值為3 406.5 元／hm2。

相較于原先6大類生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務價值當量表，改進的基于單位面積價值當量因子法實現(xiàn)了對全國11類生態(tài)系統(tǒng)服務功能和14種生態(tài)系統(tǒng)類型的價值評估（見表1）［16］。農(nóng)田、森林、草地、濕地、荒漠、水域6個一級分類生態(tài)系統(tǒng)被細分為14種二級類型，其與CCI-LC數(shù)據(jù)的對應關系如表2所示。供給、調(diào)節(jié)、支持、文化4大類生態(tài)系統(tǒng)服務也進一步細分為食物生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、水資源供給、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、水文調(diào)節(jié)、土壤保持、維持養(yǎng)分循環(huán)、生物多樣性和美學景觀這11種服務類型。

表1 研究區(qū)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量［16］

表2 研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)分類與CCI-LC地類對應關系

2 結果與分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化趨勢

通過基于單位面積價值當量因子法得到青藏高原1992—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量（見圖1）。2014年的價值總量最高，為7.72×1012元；1995年價值總量最低，為7.56×1012元。整體趨勢為增加，且增加速度先慢后快。將年份和年服務價值總量進行一元線性回歸分析，兩者之間存在良好的線性關系，R2值達0.98（見圖1）。

圖1 1992－2015青藏高原生態(tài)系統(tǒng)價值

1992—2015年，青藏高原服務總價值提高1.62×1011元。但在1992—1995 年，服務價值量略有下降，主要是植被覆蓋面積減少所致。1995—2015年隨著氣候變化和生態(tài)保護下植被覆蓋面積的增加，青藏高原的服務價值開始不斷提升。整體增幅為2%，24 a間2014年取得最大增值1.60×1010元。就不同的生態(tài)系統(tǒng)服務類型而言，2015 年生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)服務價值量最高，為5.54×1012元，占總體價值的71.72%，二級分類下水文調(diào)節(jié)服務量＞凈化環(huán)境服務量＞氣體調(diào)節(jié)服務量＞氣候調(diào)節(jié)服務量。其次是支持服務和供給服務，兩者價值量分別為1.33×1012元和1.26×1012元，比例分別為15.81%，14.99%。占比最低的是文化服務，僅占總價值的3.5%，價值量為2.95×1011元。就生態(tài)系統(tǒng)類型而言，2015年草地的服務價值最高，為3.70×1012元，占總服務價值的47.92%，水域和森林的服務價值量分別為2.41×1012和1.35×1012元，所占比例為31.16%和17.46%。農(nóng)田、濕地和荒漠的服務價值量較低，分別為9.80×1010，1.16×1011和5.20×1010元，所占比例分別為1.28%，1.51%和0.67%。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間分布

1993—2015年不同生態(tài)系統(tǒng)服務類型的價值量相對1992年的變化率如圖2所示，調(diào)節(jié)服務價值量遠高于其他3種生態(tài)系統(tǒng)服務類型，調(diào)節(jié)服務價值總量在5.00×1012元／a以上，而取值最低的文化服務價值總量不足3.00×1011元／a。4種生態(tài)系統(tǒng)服務價值所占比例在24 a間大體一致，且各類生態(tài)系統(tǒng)服務價值均呈逐年增加的趨勢，增加最多的是調(diào)節(jié)服務1.36×1011元和供給服務的1.30×1010元，其增幅分別達到2.53%和2.34%；其次是支持服務的1.00×1010元，增幅僅為0.76%；文化服務相對而言增加雖然最少，僅為3.20×109元，但增幅卻為1.11%。

圖2 1992－2015年青藏高原不同生態(tài)系統(tǒng)服務類型的價值量變化率

圖3 為1993—2015年的不同生態(tài)系統(tǒng)類型的服務價值量相對1992年的變化率。草地的服務價值最高，達3.70×1012元／a左右，荒漠、濕地和農(nóng)田的價值總量都相對低，不超過1.20×1011元／a。24 a間各類土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務總價值均有不同程度的提高，其中水域增加最多，為1.39×1011元，增幅也高達6.20%。

附圖18—20描繪了青藏高原1995—2015 年單位柵格內(nèi)的年生態(tài)系統(tǒng)服務價值量與1992年價值量的差值空間分布，1995年和2000年相比較1992年生態(tài)系統(tǒng)服務價值量都有所下降，但降低值不大。在這2 a期間服務價值在不同地區(qū)都呈減少趨勢，但整體降低量并不多；2005，2010 和2015 年的年差值有正有負，說明部分地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值量出現(xiàn)增長，并且呈現(xiàn)增長的格網(wǎng)數(shù)量不斷增加。

圖3 1992－2015年青藏高原不同生態(tài)系統(tǒng)類型的服務價值變化率

具體而言，單位面積服務價值最高的地區(qū)主要分布在青藏高原中部、南部和東北部，總體趨勢呈現(xiàn)由南部向西北逐漸降低。主要因為單位面積價值量較高的農(nóng)田、森林和草地生態(tài)系統(tǒng)主要分布在南部，而西北部主要分布濕地和荒漠，其服務價值較低。青藏高原共有214個縣，其中服務價值量大于3.00×1012元的占到73個，價值量大于2.00×1012元的縣有72個，生態(tài)服務價值量占總價值量最高的是酒泉市（3.60×1012元），其次是玉門市、仁布縣、高臺縣、貴南縣和西謝通門縣等。渭源縣、康樂縣、蘭坪白族普米族自治縣、福貢縣和瀘水縣等的服務價值量較低不足1.00×1012元，渭源縣最低僅有1.50×1011元。在絕對增量上，崗巴縣的服務價值量上升最多，達3.30×1011元，共和縣的服務價值量的增幅最大，達到11%。

2.3 不同地形的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化

青藏高原在不同高程和坡度上的服務價值量存在大的差異。將高程分為0～2 000，2 000～3 000，3 000～4 000，4 000～5 000 m 和5 000 m 以上5個等級（見圖4）。對照1993—2015年不同高程下的生態(tài)系統(tǒng)服務價值相對1992年的變化量，發(fā)現(xiàn)隨著高程的增加，不同高程范圍的服務價值先增加后減少，在0～5 000 m 高程范圍內(nèi)隨著海拔的增加服務價值也增加。然而，以5 000 m 高程為節(jié)點，服務價值開始隨著高程的增加而降低。海拔在4 000～5 000 m的區(qū)域上植被分類以草地為主，所以生態(tài)系統(tǒng)服務價值最高；而高程低于2 000 m 的服務價值最低。此外，以2004年為節(jié)點，4 000～5 000 m 的高程范圍上的服務價值先降低后增加，2000 年有最大降低值1.60×1010元；2014年有最大增值1.00×1010元。

圖4 1992－2015年青藏高原不同高程下的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化量

將坡度分級為0°～5°，5°～15°，15°～25°，25°～35°和35°以上5 個等級（見圖5）。對照1993—2015年不同坡度下的生態(tài)系統(tǒng)服務價值相對1992年的變化量，不同坡度范圍的服務價值變化情況與高程相同，隨著坡度增加服務價值先增加后減少，在0°～15°范圍內(nèi)隨著坡度增加服務價值增加。5°～15°范圍內(nèi)的服務價值量達到最大，以15°為節(jié)點生態(tài)系統(tǒng)服務價值開始減少。坡度大于20°的區(qū)域主要以森林分布為主，坡度小于5°的區(qū)域草地分布為主其服務價值具有絕對優(yōu)勢。在5°～15°的范圍內(nèi)，1992—2001年的服務價值變化量有正有負，1995 年有最大降低值1.30×1010元，1999 年有最大增值6.06×109元。2001—2015年的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化量皆為正值，在2014年達到最大的變化量8.54×109元。

圖5 1992－2015年青藏高原不同坡度下的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化量

3 討論

基于單位面積價值當量因子法在實際應用中更易于操作、結果便于比較，可以作為生態(tài)系統(tǒng)服務價值核算的一個有效工具。近年來不同學者進行了青藏高原生態(tài)系統(tǒng)價值的評估，其評估結果會因為數(shù)據(jù)、對生態(tài)系統(tǒng)服務價值認知的差異和估算方法不同等原因造成結果的不一致性［21-22］。劉軍會等［23］基于青藏高原生態(tài)系統(tǒng)類型，凈初級生產(chǎn)力和植被覆蓋度的分布，結合生態(tài)學模型測算生態(tài)系統(tǒng)服務價值，得到1985和2000年青藏高原生態(tài)系統(tǒng)服務價值分布為1.85×1013元和1.88×1013元。該研究結果高于本研究核算的價值量，原因有：①數(shù)據(jù)不同，氣象數(shù)據(jù)和遙感植被指數(shù)數(shù)據(jù)的年際變化差異大于本研究使用的土地覆被數(shù)據(jù)；②生態(tài)系統(tǒng)服務指標不同，該研究采用二級指標有吸收CO2和釋放O2；森林涵養(yǎng)水源、草地涵養(yǎng)水域、農(nóng)田涵養(yǎng)水域；減少表土流失、保持土壤肥力、減輕泥沙淤積，少于本研究所采取的當量因子表涉及的指標類型。謝高地等［24］采用舊價值當量因子對青藏高原高寒草地不同的生態(tài)系統(tǒng)的服務價值進行經(jīng)濟評估，得到2003年青藏高原天然草地生態(tài)系統(tǒng)服務價值為2.60×1011元／年，低于本研究計算的草地生態(tài)系統(tǒng)服務價值。該差異一方面是由于生態(tài)系統(tǒng)類型的劃分不一致，另一方面也應考慮到當年糧食市場價格的不同。

為更清晰反映不同定價方法所得到的生態(tài)系統(tǒng)服務價值量差異性，本研究采用Zhang等［25］基于凈初級生產(chǎn)力（NPP）數(shù)據(jù)對青藏高原2000—2010年生態(tài)系統(tǒng)服務的評估結果，包括碳固定、土壤保持、水源涵養(yǎng)、棲息地保護等，對應于本研究氣體調(diào)節(jié)、土壤保持、生物多樣性、水文調(diào)節(jié)這4類服務。假設4類服務所對應的全域價值總量相等，觀察兩種算法下的單位格網(wǎng)內(nèi)多年平均價值量空間差異（如附圖21—22所示）?？梢婋m然4類服務價值的空間分布都呈現(xiàn)從東南向西北逐漸減少的趨勢，但4類生態(tài)系統(tǒng)服務價值量在不同算法下的空間分布的確存在明顯差異。采用NPP轉(zhuǎn)換的生態(tài)系統(tǒng)服務價值量具有更明顯的空間差異特征，而基于土地覆被當量因子的價值量空間均質(zhì)性相對更強；在NPP轉(zhuǎn)換計算方式下，相同土地覆被類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值量可能大相庭徑。這一對比關系說明，采用NPP 轉(zhuǎn)換這種生態(tài)遙感估算方法的優(yōu)勢在于具有較好的制圖表達效果，而缺陷在于針對于土地利用和土地覆被的規(guī)劃管理指向相對不明確。

綜合上述文獻比較與數(shù)據(jù)實證，相比較其他的研究方式，本研究有3點優(yōu)勢。①實現(xiàn)了對青藏高原生態(tài)系統(tǒng)服務價值的時空動態(tài)核算，展現(xiàn)了青藏高原1992—2015年24 a間的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化與空間分布，在時間長度和空間分辨率上均優(yōu)于現(xiàn)有研究。②生態(tài)系統(tǒng)類型和生態(tài)系統(tǒng)服務功能劃分細化。改進的單位面積價值當量因子法結合中國土地利用類型和植被分布，在6類一級類型下細分出14類二級生態(tài)系統(tǒng)，使其應用的土地覆被類型范圍擴大，突出了青藏高原生態(tài)系統(tǒng)服務價值量的空間異質(zhì)性。③總結不同地形條件下的青藏高原生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化，發(fā)現(xiàn)不同高程坡度下的生態(tài)系統(tǒng)服務價值量增減規(guī)律并不一致，與總價值量的全面增加態(tài)勢有較大差異。總而言之，本研究中所確定的生態(tài)系統(tǒng)服務價值化方法繼承了當量因子表的形式與優(yōu)點，雖然結果的不確定性難以完全避免，但和已有當量表方法相比，評價結果的可靠性有所增強。

4 結論

本研究依據(jù)改進的單位面積價值當量表，結合1992—2015年土地覆蓋數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)對青藏高原24 a間的生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行核算，分析結果的時空演化規(guī)律，得到主要結論如下：

（1）1992—2015年的青藏高原生態(tài)系統(tǒng)服務總價值在不斷升高，共上升1.62×1011元，并且生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間分布呈現(xiàn)由南向西北減少的特征。針對不同的生態(tài)系統(tǒng)類型，草地面積占青藏高原總面積的比例最大，草地生態(tài)系統(tǒng)的服務價值量也為最高；占青藏高原總面積8.6%的森林生態(tài)系統(tǒng)服務價值位于第2位，而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量較低。

（2）針對不同的生態(tài)系統(tǒng)服務類型，其中生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)服務價值最高，24 a間增幅也最大，達到2.53%。細分下的水文調(diào)節(jié)服務量價值最高，其他依次為凈化環(huán)境、氣體調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)；第二高的生態(tài)系統(tǒng)服務類型是支持服務，但其價值量增幅不足1%；供給服務價值量不高但其增幅卻達到2.34%；而文化服務價值量最低，但增加的幅度達到1.05%。

（3）在垂直方向上，不同海拔和坡度下的青藏高原生態(tài)系統(tǒng)服務價值表現(xiàn)出明顯的空間分布差異。不同地形條件下的生態(tài)系統(tǒng)服務價值都是隨著高程和坡度的增加先增加后減少，且都出現(xiàn)了峰值。海拔在4 000～5 000 m 的生態(tài)系統(tǒng)服務價值最大，在24 a間的變化趨勢大致是先減少后增加；坡度在5°～15°范圍內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)價值量最大，其變化趨勢同高程相似。