王培俊 劉 旗 孫 煌 林曉嵐 范勝龍

(1.福建農(nóng)林大學(xué)公共管理學(xué)院，福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福州 350002)

0 引言

近年來(lái)，由于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)行，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(Ecosystem service value，ESV)成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。十七大報(bào)告首次提出“建設(shè)生態(tài)文明”的重要舉措，十八大報(bào)告把“生態(tài)文明建設(shè)”作為我國(guó)的發(fā)展戰(zhàn)略任務(wù)之一，并首次使用了“生態(tài)價(jià)值”概念，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究迎來(lái)了良好的發(fā)展機(jī)遇[1]。生態(tài)資產(chǎn)評(píng)估包括自然資產(chǎn)估價(jià)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估，是從整體上直接對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行評(píng)估[2]。自然資產(chǎn)估價(jià)是一種外在的資產(chǎn)，易于評(píng)估，而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值是一種潛在的、長(zhǎng)期被忽略的資產(chǎn)，且不便評(píng)估。因此，生態(tài)資產(chǎn)評(píng)估的難點(diǎn)在于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估研究最早始于20世紀(jì)70年代。從1972年起，美國(guó)國(guó)家自然資源調(diào)查局采用野外抽樣調(diào)查統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)美國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行定期調(diào)查、評(píng)估、發(fā)布，極大促進(jìn)了美國(guó)各地的生態(tài)環(huán)境建設(shè)[3]。COSTANZA等[2]利用土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)當(dāng)量，計(jì)算了全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。DAILY[4]系統(tǒng)地介紹了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的概念、研究簡(jiǎn)史、服務(wù)價(jià)值評(píng)估、不同生物系統(tǒng)的服務(wù)功能以及區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能等。ARKEMA等[5]估計(jì)了伯利茲海洋生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值。YU等[6]采用文獻(xiàn)計(jì)量法研究發(fā)現(xiàn)，國(guó)外評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的方法多樣，但經(jīng)濟(jì)估值方法仍是最主要的方法，同時(shí)出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)建模、地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)集成等新技術(shù)。

國(guó)內(nèi)關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的研究起步較晚。潘耀忠等[3]提出了基于遙感定量測(cè)量的生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)資產(chǎn)評(píng)估模型，對(duì)中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)資產(chǎn)進(jìn)行了全覆蓋定量測(cè)量，并基于遙感技術(shù)獲取的生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)，探討了中小尺度區(qū)域范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)資產(chǎn)變化及與人類(lèi)活動(dòng)的關(guān)系。謝高地等[7-9]提出的當(dāng)量因子法受到廣泛應(yīng)用，基于當(dāng)量因子法的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估是以其中食物生產(chǎn)為基礎(chǔ)當(dāng)量，通過(guò)當(dāng)量因子表計(jì)算出生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值當(dāng)量，該方法能夠提高評(píng)估的效率。采用當(dāng)量因子法，文獻(xiàn)[10-14]計(jì)算了長(zhǎng)三角、三江源、銀川市、川東地區(qū)和北京市不同類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值。寧佳等[15]通過(guò)直接對(duì)水源涵養(yǎng)、土壤保持和防風(fēng)固沙服務(wù)進(jìn)行估算，分別探討了各服務(wù)價(jià)值的時(shí)空變化。錢(qián)彩云等[16]和徐建英等[17]基于InVEST模型或模塊原理，計(jì)算了產(chǎn)水量、碳儲(chǔ)量、土壤保持量及農(nóng)作物生產(chǎn)4項(xiàng)典型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。當(dāng)量因子法屬于靜態(tài)評(píng)價(jià)，難以準(zhǔn)確及時(shí)反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空變化。近年來(lái)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)估算開(kāi)始逐漸采用遙感和GIS等技術(shù)反演生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)[1,18-23]?？傮w而言，上述生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)主要以大中尺度為主，關(guān)于小尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究相對(duì)較少。

長(zhǎng)汀縣是南方紅壤水土流失區(qū)生態(tài)破壞的重災(zāi)區(qū)之一[24]。該地區(qū)年降雨量大，人為活動(dòng)開(kāi)發(fā)過(guò)度，導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重。由于坡面水力侵蝕導(dǎo)致耕地退化，使江河湖泊淤積和洪澇災(zāi)害頻發(fā)，這也是面源污染發(fā)生的重要形式和運(yùn)輸載體[25]。近年來(lái)，長(zhǎng)汀縣生態(tài)環(huán)境整體質(zhì)量不斷提升，水土流失情況得到明顯改善[26]。相較于傳統(tǒng)的靜態(tài)評(píng)估，可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化，考慮了生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量時(shí)空分異，使結(jié)果真實(shí)可信，進(jìn)而為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理提供直觀可視化、定量的評(píng)價(jià)結(jié)果[27]。本文以縣域小尺度為基礎(chǔ)，通過(guò)遙感和GIS技術(shù)研究長(zhǎng)汀縣不同水土流失治理措施下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空變化，分析這些措施對(duì)水土流失治理的有效性和不足，進(jìn)而提出優(yōu)化建議，為長(zhǎng)汀縣水土流失治理和生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然條件

長(zhǎng)汀縣地處福建省龍巖市西部山區(qū)，與廣東省和江西省接壤，總面積3 089.9 km2，地理位置116°0′45″～116°39′20″E，25°18′40″～26°2′5″N(圖1)。氣候類(lèi)型為亞熱帶季風(fēng)性氣候，年平均氣溫19℃，年降水量1 500 mm以上，降水集中在夏季。全縣境內(nèi)地形復(fù)雜，多山地丘陵，主城區(qū)位于中部，四周環(huán)山，村鎮(zhèn)零星分布，地勢(shì)崎嶇。該縣境內(nèi)的成土母巖以花崗巖為主，雨量充沛，年內(nèi)分配不均，風(fēng)化作用十分強(qiáng)烈，易受侵蝕。植被屬中亞熱帶常綠闊葉林區(qū)，原生植被多受土壤侵蝕和人為破壞，幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)榇紊郑葬樔~林為主，馬尾松分布普遍，闊葉林占較少部分。該縣的地貌特點(diǎn)、成土母巖的巖性、植被特征和氣候環(huán)境共同決定了該區(qū)域資源生態(tài)環(huán)境的脆弱性，加上近百年來(lái)人為破壞使得長(zhǎng)汀縣成為我國(guó)南方紅壤區(qū)水土流失最為嚴(yán)重的縣域之一。長(zhǎng)汀縣水土流失治理自1940年開(kāi)始，先后設(shè)立土壤保肥實(shí)驗(yàn)區(qū)、長(zhǎng)汀縣河田水土保持站和建立實(shí)驗(yàn)基地。1980年后以防治性治理為主，實(shí)行生物措施和工程措施相結(jié)合。1990年后實(shí)行開(kāi)發(fā)性治理。長(zhǎng)汀縣生態(tài)建設(shè)使水土流失面積不斷減少，生態(tài)環(huán)境逐漸改善。

1.2 水土流失治理措施

長(zhǎng)汀縣水土保持措施主要有自然生態(tài)修復(fù)模式、等高草灌帶造林技術(shù)、草灌喬混交模式、老頭松改造、草-牧-沼-果循環(huán)種養(yǎng)模式、小穴播草模式和崩崗分類(lèi)治理等[28]。自然生態(tài)修復(fù)模式以封山育林為主，同時(shí)為當(dāng)?shù)厝罕娞峁貉a(bǔ)貼、使用沼氣代替燒煤等措施。等高草灌帶以河田為中心，具體措施為坡面沿等高線挖小水平溝，水平溝的斷面挖成梯形，并做好溝壁，撒施生物肥，并與草灌喬混交模式結(jié)合，水平溝內(nèi)種植草灌喬木，提高植被覆蓋率。草-牧-沼-果循環(huán)種養(yǎng)模式以三洲鎮(zhèn)、策武鎮(zhèn)為中心，通過(guò)種植狼尾草，作為家畜飼料，家畜糞尿用于發(fā)酵并制造沼氣，解決燒煤帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，而沼渣作為果園肥料，提升果園肥力，通過(guò)各個(gè)環(huán)節(jié)的無(wú)縫鏈接，形成一個(gè)良性循環(huán)模式，對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展產(chǎn)生良好促進(jìn)作用。小穴播草模式主要是在策武鎮(zhèn)、河田鎮(zhèn)、三洲鎮(zhèn)、濯田鎮(zhèn)、涂坊鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)，先在冬季挖穴，春季播草種并施肥，有效改善土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)生態(tài)良性循環(huán)發(fā)展。老頭松是由于土壤貧瘠導(dǎo)致植被無(wú)法正常生長(zhǎng)，植被單一，馬尾松不能正常生長(zhǎng)。因此，老頭松改造是通過(guò)施肥、改造地形保留肥力，并補(bǔ)植灌草、闊葉樹(shù)形成混交，促進(jìn)馬尾松的生長(zhǎng)，增加生物多樣性，并改善生態(tài)環(huán)境。對(duì)于崩崗實(shí)行分類(lèi)治理，穩(wěn)定型崩崗施行封禁治理，自然恢復(fù)植被；活動(dòng)型崩崗則采取“上攔、下堵、中綠化”的方式進(jìn)行治理，是一種生物措施與工程措施相結(jié)合的方式；崩塌嚴(yán)重的崩崗主要以工程措施為主，修反坡臺(tái)地或等高條帶，種植草灌喬木植被與等高草灌帶模式結(jié)合，可以有效治理崩崗。

2 研究方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

本研究數(shù)據(jù)主要包括遙感影像數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。遙感影像數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云的Landsat5和Landsat8衛(wèi)星數(shù)據(jù)，其中2005年和2009年影像來(lái)自Landsat5數(shù)據(jù)，2013年和2016年影像來(lái)自Landsat8數(shù)據(jù)，分辨率均為30 m。對(duì)其進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)、大氣校正和裁剪等預(yù)處理，得到研究區(qū)的遙感影像。對(duì)遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)，劃分為5種生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型，分別為林地、耕地、水體、裸地和建設(shè)用地。DEM(數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云，通過(guò)裁剪、坡度和水文分析工具，計(jì)算研究區(qū)坡度、坡長(zhǎng)。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)中國(guó)地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集、中國(guó)地面國(guó)際交換站氣候資料月值數(shù)據(jù)集，包括長(zhǎng)汀縣2005、2009、2013、2016年的9、10月的月平均溫度、降水量、日照時(shí)數(shù)、日照百分率和經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)。輻射數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)中國(guó)氣象輻射基本要素月值數(shù)據(jù)集，包括年輻射總量和月輻射總量等數(shù)據(jù)。氣象、輻射數(shù)據(jù)通過(guò)Excel打開(kāi)，進(jìn)行篩選、排序和對(duì)應(yīng)臺(tái)站信息等并分門(mén)別類(lèi)，導(dǎo)入ArcGIS軟件，進(jìn)行矢量化、重投影成Albers Equal Area Conic投影。對(duì)氣溫和降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行克里金插值，對(duì)輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行反距離權(quán)重插值，用研究區(qū)矢量文件進(jìn)行掩膜提取。土壤數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心，包含土壤黏粒、砂粒、粉粒、氮、磷、鉀、碳含量和土壤深度、土壤孔隙度等，重投影成Albers Equal Area Conic投影。矢量數(shù)據(jù)來(lái)自地理國(guó)情檢測(cè)云平臺(tái)，包括長(zhǎng)汀縣邊界矢量數(shù)據(jù)，通過(guò)ArcMap軟件對(duì)中國(guó)縣級(jí)行政區(qū)2004年數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出得到。社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)化肥網(wǎng)，包括氮、磷、鉀肥價(jià)格和氮磷鉀折合成化肥的比例(質(zhì)量比)等。

2.2 生態(tài)參數(shù)遙感反演

2.2.1歸一化植被指數(shù)

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是植被演變研究的重要參數(shù)，可以較好地反映植被生長(zhǎng)狀態(tài)及植被的空間分布，具有覆蓋范圍廣、分辨率高以及較易獲取等特點(diǎn)，成為植被研究常用指標(biāo)[29]。在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)中，NDVI是計(jì)算凈初級(jí)生產(chǎn)力中光合有效輻射量和植被覆蓋率的重要參數(shù)。利用Landsat系列遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)植被NDVI進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式為

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

式中NIR——近紅外波段反射率

R——紅光波段反射率

2.2.2凈初級(jí)生產(chǎn)力

凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)是從光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)總量中扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余部分[30]。在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)中，NPP是有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)價(jià)值、大氣平衡調(diào)節(jié)價(jià)值和營(yíng)養(yǎng)循環(huán)價(jià)值評(píng)價(jià)的重要參數(shù)。利用潘耀忠等[3]改進(jìn)的CASA模型，測(cè)算長(zhǎng)汀縣2005—2016年NPP，其計(jì)算式為

NPP(x,t)=APAR(x,t)ε(x,t)

(2)

式中APAR(x,t)——像元x在t月吸收的光合有效輻射，g/(m2·月)

ε(x,t)——像元x在t月的實(shí)際光能利用率，g/MJ

2.2.3植被覆蓋率

植被覆蓋率fv是指植被枝葉在地面的垂直投影面積占研究區(qū)域總面積的百分比[31]。植被覆蓋率深刻影響著生態(tài)系統(tǒng)的植被生產(chǎn)能力、土壤理化性質(zhì)、產(chǎn)流匯流過(guò)程和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)中，植被覆蓋率是評(píng)價(jià)土壤保持價(jià)值的重要參數(shù)，同時(shí)，也是影響NDVI和NPP的重要決定因素，計(jì)算公式為[30]

fv=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(3)

式中NDVIsoil——5%下側(cè)百分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)的NDVI

NDVIveg——95%下側(cè)百分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)的NDVI

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估

2.3.1評(píng)估模型

一定區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值隨著時(shí)間、區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型和面積變化，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值可表示為[32]

(4)

(5)

(6)

式中V——生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，元

t′——生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型總數(shù)量

VC——第C類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，元

n——生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能類(lèi)型總數(shù)量

m——第C類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)在空間上分布的像元數(shù)，個(gè)

VCi——第C類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)的第i種生態(tài)服務(wù)功能類(lèi)型的單位面積價(jià)值，元

Sij——每個(gè)像元的面積，m2

Rij——每個(gè)像元的調(diào)整系數(shù)

NPPmean——區(qū)域內(nèi)第C類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)植被凈第一性生產(chǎn)力的均值，g/(m2·a)

fmean——植被覆蓋率均值，%

NPPj——j像元的凈第一性生產(chǎn)力，g/(m2·a)

fj——j像元植被覆蓋率，%

2.3.2長(zhǎng)汀縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估指標(biāo)

COSTANZA等[2]基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估目的，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值劃分為氣體調(diào)節(jié)、干擾調(diào)節(jié)和基因資源等17個(gè)類(lèi)型。謝高地等[7]根據(jù)中國(guó)國(guó)情將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)一步劃分為氣體調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)和食物生產(chǎn)等9個(gè)類(lèi)型。而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的指標(biāo)選取沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的選取規(guī)則，許多研究者有著各自的選取標(biāo)準(zhǔn)。本文通過(guò)借鑒文獻(xiàn)，結(jié)合長(zhǎng)汀縣當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境特征和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r，按照綜合性、獨(dú)立性和數(shù)據(jù)可獲得性原則，合理選取適應(yīng)長(zhǎng)汀縣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值指標(biāo)，構(gòu)成長(zhǎng)汀縣生態(tài)服務(wù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，包括大氣平衡調(diào)節(jié)價(jià)值、有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)價(jià)值、營(yíng)養(yǎng)循環(huán)價(jià)值、土壤保持價(jià)值和水源涵養(yǎng)價(jià)值5方面。其中，大氣平衡調(diào)節(jié)價(jià)值包括二氧化碳吸收和氧氣產(chǎn)生，營(yíng)養(yǎng)循環(huán)價(jià)值包括氮磷鉀營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)，土壤保持價(jià)值包括土壤固持價(jià)值、營(yíng)養(yǎng)元素保持價(jià)值和減少泥沙淤積價(jià)值。

2.3.3各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算

(1)有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)價(jià)值

通過(guò)能量標(biāo)煤替換法，使用標(biāo)煤價(jià)值代替有機(jī)質(zhì)單位質(zhì)量?jī)r(jià)值，1 g碳相當(dāng)于1.474 g標(biāo)煤。因此，有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)價(jià)值計(jì)算公式為[33]

Vn=∑Vn(x)

(7)

其中

Vn(x)=1.474×10-6NPP(x)Ox

(8)

式中Vn——有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)價(jià)值，元

Vn(x)——像元x處有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)價(jià)值，元/(m2·a)

NPP(x)——像元x處的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力，g/(m2·a)

Ox——標(biāo)煤價(jià)格，元/g

(2)營(yíng)養(yǎng)循環(huán)價(jià)值

氮磷鉀是營(yíng)養(yǎng)循環(huán)的主要元素，以氮磷鉀元素為基礎(chǔ)，營(yíng)養(yǎng)循環(huán)價(jià)值計(jì)算公式為[27]

Vy=VN+VP+VK

(9)

式中Vy——營(yíng)養(yǎng)循環(huán)價(jià)值，元

VN——每年吸收氮營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)價(jià)值，元

VP——每年吸收磷營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)價(jià)值，元

VK——每年吸收鉀營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)價(jià)值，元

3種元素計(jì)算方法相同，以氮元素為例，氮元素循環(huán)價(jià)值為

VN=∑VN(x)

(10)

其中

VN(x)=NPP(x)R1R2M

(11)

式中R1——不同生態(tài)系統(tǒng)中氮元素在有機(jī)質(zhì)中的分配率，g/g

R2——純氮折算成尿素的比例

M——尿素價(jià)格，元/g

當(dāng)元素為氮時(shí)，采用尿素作為氮肥，R2為100/46，M為1.95×10-9元/g(中國(guó)化肥網(wǎng)，http:∥www.fert.cn/)；當(dāng)元素為磷時(shí)，采用磷酸二銨為磷肥，R2為100/20，M為2.1×10-9元/g；當(dāng)元素為鉀時(shí)，采用氯化鉀為鉀肥，R2為100/30，M為1.8×10-9元/g，R1見(jiàn)表1。

表1 不同生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分配率

(3)大氣平衡調(diào)節(jié)價(jià)值

大氣平衡調(diào)節(jié)主要是通過(guò)光合作用和呼吸作用對(duì)大氣中氧氣和二氧化碳含量產(chǎn)生影響，而氧氣的產(chǎn)生和二氧化碳的固定與植被凈初級(jí)生產(chǎn)力有著密切的聯(lián)系。依據(jù)碳稅率和工業(yè)制氧法[23]，大氣平衡調(diào)節(jié)價(jià)值計(jì)算方法為

VA=∑(VO2(x)+VCO2(x))

(12)

其中

VCO2(x)=1.62NPP(x)MCNC

(13)

VO2(x)=1.2NPP(x)MO

(14)

式中VA——大氣平衡調(diào)節(jié)價(jià)值，元/(m2·a)

VO2(x)——像元x處產(chǎn)生氧氣價(jià)值，元/(m2·a)

VCO2(x)——像元x處固定二氧化碳價(jià)值，元/(m2·a)

MC——碳稅率價(jià)格，元/g

NC——二氧化碳中碳含量，%

MO——氧氣價(jià)格，元/g

(4)水源涵養(yǎng)價(jià)值

運(yùn)用影子工程法[33]，通過(guò)土壤孔隙度和土壤深度計(jì)算其水源涵養(yǎng)價(jià)值，計(jì)算公式為

VW=∑VW(x)

(15)

其中

VW(x)=HWKF(x)SW

(16)

式中VW——水源涵養(yǎng)價(jià)值，元

VW(x)——像元x處水源涵養(yǎng)價(jià)值，元

H——土壤深度，m

WK——水庫(kù)單位庫(kù)容投資，元/m3

F(x)——土壤非毛管孔隙率，%

SW——像元面積，m2

(5)土壤保持價(jià)值

土壤保持量為潛在土壤侵蝕量與實(shí)際土壤侵蝕量之差，土壤實(shí)際侵蝕量采用通用的USLE方程估算[34]，計(jì)算公式為

A=Ap-Ar

(17)

其中

Ar=RKLSDP

(18)

Ap=RKLS

(19)

式中A——土壤保持量，t/(hm2·a)

Ap——土壤潛在侵蝕量，t/(hm2·a)

Ar——土壤實(shí)際侵蝕量，t/(hm2·a)

R——降水侵蝕力因子，(MJ·mm)/(hm2·h·a)

K——土壤可蝕性因子，(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)

L——坡長(zhǎng)因子S——坡度因子

D——植被覆蓋因子

P——水土保持因子

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)參數(shù)分析

3.1.1歸一化植被指數(shù)

由圖2可以看出，長(zhǎng)汀縣NDVI分布呈四周高、中間低的特征，城市鄉(xiāng)村等人口聚居地NDVI低，山地丘陵等植被覆蓋率高的地方NDVI較高。河田鎮(zhèn)、三洲鎮(zhèn)、濯田鎮(zhèn)和策武鎮(zhèn)等地區(qū)NDVI最低，在2009年以后明顯提高。由圖3可以看出，2005、2009、2013、2016年NDVI總體上呈上升趨勢(shì)，其平均值分別為0.731 2、0.726 8、0.788 6和0.775 5，2005—2009年有所下降，2009—2013年快速上升，2013—2016年又有所下降。

3.1.2凈初級(jí)生產(chǎn)力

由圖4可以看出，長(zhǎng)汀縣NPP分布呈四周高、中間低的分布特征，兩邊多山地灌叢，植被茂盛，中間多城鎮(zhèn)分布，植被相對(duì)稀少，河田鎮(zhèn)、三洲鎮(zhèn)、濯田鎮(zhèn)和策武鎮(zhèn)等地區(qū)NPP增加最為顯著。由圖3可以看出，2005、2009、2013、2016年長(zhǎng)汀縣NPP平均值分別為609.3、554.6、808.5、937.7 g/(m2·a)，呈先減少、后增加、且年際變化大的特征。各年NPP生產(chǎn)總量分別為189.9、172.8、251.7、286.9萬(wàn)t。NPP總體趨勢(shì)為隨著時(shí)間而增長(zhǎng)，其中2005—2009年NPP較低，2005—2009年NPP有所下降，2009—2016年快速上升。

3.1.3植被覆蓋率

從圖5可以看出，長(zhǎng)汀縣植被覆蓋率呈四周高、中間低的特征，人口聚居的城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村植被覆蓋率低。2005—2016年長(zhǎng)汀植被覆蓋率總體呈上升趨勢(shì)，河田鎮(zhèn)、三洲鎮(zhèn)、濯田鎮(zhèn)等地區(qū)植被覆蓋率明顯增加，2005—2009年緩慢上升，2009—2013年快速上升，2013—2016年有所下降。從圖3可以看出，植被覆蓋率fv在2005—2013年呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，2013—2016年呈下降趨勢(shì)，其中2005—2009年增長(zhǎng)較少，2009—2013年快速增長(zhǎng)，2013—2016年植被覆蓋率有所下降。

NPP、NDVI、fv三者在時(shí)間變化上有著相近的增長(zhǎng)規(guī)律，總體都呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，生態(tài)環(huán)境不斷改善。但不同參數(shù)之間各有特點(diǎn)，2013—2016年NPP持續(xù)增長(zhǎng)，而NDVI和fv有所下降；2005—2009年NPP和NDVI有所下降，而fv呈上升趨勢(shì)。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空分布特征分析

圖6表明長(zhǎng)汀縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總體呈現(xiàn)四周高、中間低的趨勢(shì)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和NDVI、NPP、fv分布基本一致，在植被覆蓋率高的地方生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值同樣高，在人口聚居地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值低。此外，河田鎮(zhèn)、三洲鎮(zhèn)、涂坊鎮(zhèn)、濯田鎮(zhèn)和策武鎮(zhèn)等水土流失嚴(yán)重地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值顯著提升。

從表2可以看出，各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈先減少后增加的趨勢(shì)。2005—2016年綜合大氣平衡調(diào)節(jié)價(jià)值平均占比35%，水源涵養(yǎng)價(jià)值占比15%，土壤保持價(jià)值占比21%，營(yíng)養(yǎng)循環(huán)價(jià)值占比4%，有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)價(jià)值占比25%。除營(yíng)養(yǎng)循環(huán)價(jià)值較低外，各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較為均衡。大氣平衡調(diào)節(jié)價(jià)值最高，各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值由大到小依次為大氣平衡調(diào)節(jié)價(jià)值、有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)價(jià)值、土壤保持價(jià)值、水源涵養(yǎng)價(jià)值、營(yíng)養(yǎng)循環(huán)價(jià)值。

表2 2005—2016年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

從圖7可以看出，研究區(qū)2005—2016年4個(gè)階段生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分別為101.08、88.39、109.14、134.11億元，平均值為327.08、286.07、353.20、434.05萬(wàn)元/(km2·a)，按年份由小到大排序?yàn)?009年、2005年、2013年、2016年。長(zhǎng)汀縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總體呈上升趨勢(shì)，其中2005—2009年負(fù)增長(zhǎng)13%，減少12.69億元，2009—2016年持續(xù)增長(zhǎng)，其中2009—2013年增長(zhǎng)23%，共20.75億元，2013—2016年增長(zhǎng)23%，共24.97億元，12年來(lái)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增長(zhǎng)33.03億元。

由圖8可以看出，在人口聚居的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，尤其是濯田鎮(zhèn)、三洲鎮(zhèn)、河田鎮(zhèn)和策武鎮(zhèn)的水土流失區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加最為顯著，多數(shù)達(dá)到120萬(wàn)元/km2以上。在山地植被覆蓋區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增長(zhǎng)較少，大部分在120萬(wàn)元/km2之內(nèi)。少數(shù)地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值減少，是由于生態(tài)環(huán)境退化和建設(shè)用地增加等因素造成。

4 討論

影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變動(dòng)的因素復(fù)雜多樣，有太陽(yáng)輻射、氣溫、降水、地形、土壤、植被、人類(lèi)活動(dòng)、消費(fèi)價(jià)格變化等，大多數(shù)是不可控因素，而植樹(shù)造林是最經(jīng)濟(jì)有效的方法。因此，提高植被覆蓋率對(duì)NDVI、NPP和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值具有重要意義。作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)的重要參數(shù)，NDVI和植被覆蓋率呈先減少、后增加，然后減少的趨勢(shì)；NPP呈先減少、后增加的趨勢(shì)，與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化相同。在2013—2016年，植被覆蓋率和NDVI有所下降，而NPP和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值卻仍在增加。由2016年氣象條件得知，當(dāng)年降水豐富，氣溫偏高，雖然植被覆蓋率和NDVI減少且太陽(yáng)輻射有所下降，但NPP仍然增長(zhǎng)非常快，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值偏高，而氣候條件如氣溫、降水、太陽(yáng)輻射往往是不可控的，不能全歸因于長(zhǎng)汀縣水土保持措施的改善。

長(zhǎng)汀縣2005年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值偏低，是由于厄爾尼諾現(xiàn)象導(dǎo)致中國(guó)東南地區(qū)干旱和洪澇災(zāi)害頻繁，植被生長(zhǎng)環(huán)境較差，植被生產(chǎn)力偏低[35-36]，此外，當(dāng)年水土流失非常嚴(yán)重。2009年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值有所下降，是由于長(zhǎng)汀縣植被破壞嚴(yán)重，多處地表裸露。2013年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值明顯提升，裸露地區(qū)多覆蓋草被樹(shù)木，是因?yàn)楦＝ㄊ?shí)施的“四綠”工程(讓森林進(jìn)城、上路、下鄉(xiāng)、進(jìn)村)和2011年實(shí)施的“生態(tài)省”建設(shè)起到了積極作用，政策上注重生態(tài)環(huán)境保護(hù)，植樹(shù)造林，使植被覆蓋率明顯增加[37]。2016年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值繼續(xù)快速提升主要是因?yàn)楫?dāng)年降水豐富，達(dá)到2 467.6 mm，較常年高800 mm，年均溫達(dá)21.7℃，較常年高2～3℃，植被生產(chǎn)力偏高。同時(shí)，在一定范圍內(nèi)，土壤保持量與降水量成正比，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.91，當(dāng)年土壤保持價(jià)值也非常高?？臻g上，在山地丘陵地帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增長(zhǎng)較慢，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)周?chē)亮魇^(qū)增長(zhǎng)較快，主要是由于山地丘陵地區(qū)以植被自然恢復(fù)為主，人工干預(yù)少，而鄉(xiāng)鎮(zhèn)周?chē)扇×烁鞣N人工恢復(fù)措施，促使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值快速增加。

不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增長(zhǎng)規(guī)律也不同，大氣平衡調(diào)節(jié)價(jià)值、有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)價(jià)值和營(yíng)養(yǎng)循環(huán)價(jià)值增長(zhǎng)規(guī)律一致，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99，三者與植被凈初級(jí)生產(chǎn)力密切相關(guān)，都是呈先減少后增長(zhǎng)的趨勢(shì)，在2009—2013年增速達(dá)到46%。土壤保持價(jià)值在2005—2013年呈遞減趨勢(shì)，在2013—2016年增長(zhǎng)88%。2005、2009、2013、2016年降水量分別為1 740、1 505、1 268.8、2 467.6 mm，土壤實(shí)際侵蝕量隨降雨量變化呈現(xiàn)先減少后增加趨勢(shì)，土壤潛在侵蝕量也呈現(xiàn)同樣趨勢(shì)，但增減幅度更大，因而土壤保持價(jià)值呈現(xiàn)先減少后增加趨勢(shì)。水源涵養(yǎng)價(jià)值呈先減少、后增加，然后平穩(wěn)發(fā)展的趨勢(shì)，是因?yàn)橹脖桓采w和土壤保持量增加，水源涵養(yǎng)量也在上升。

長(zhǎng)汀縣多年來(lái)有著豐富的水土流失治理經(jīng)驗(yàn)，不同地區(qū)的治理措施各有不同，各種措施相互作用，但不同措施的治理效果不盡相同。長(zhǎng)汀縣水土流失區(qū)主要分布在濯田鎮(zhèn)、三洲鎮(zhèn)、河田鎮(zhèn)和策武鎮(zhèn)4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其水土保持措施多樣，且通常多種治理措施同時(shí)使用。長(zhǎng)汀縣水土保持措施主要有自然生態(tài)修復(fù)模式、等高草灌帶造林技術(shù)、草灌喬混交模式、老頭松改造、草-牧-沼-果循環(huán)種養(yǎng)模式、小穴播草模式和崩崗分類(lèi)治理等[26]。不同措施各有優(yōu)勢(shì)，自然生態(tài)修復(fù)模式順應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)演替規(guī)律，有效且省力，但不適合水土流失嚴(yán)重地區(qū)；草灌喬混交模式在中、輕度水土流失區(qū)域增加了生物多樣性，改變單一的針葉林分，可以有效防治水土流失并促進(jìn)生態(tài)穩(wěn)定；等高草灌帶模式采用生物措施和工程措施相結(jié)合，可以有效控制坡面水土流失；小穴播草模式注重在地表林下的強(qiáng)度侵蝕控制，做到多層次綠化，減少“空中綠化”現(xiàn)象，在侵蝕嚴(yán)重地區(qū)，可作為草灌喬模式的過(guò)渡模式；草-牧-沼-果循環(huán)種養(yǎng)模式注重經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的相互促進(jìn)，形成一個(gè)良性循環(huán)，但技術(shù)要求較高；崩崗分類(lèi)治理針對(duì)不同侵蝕程度的裸露地塊，實(shí)行不同的治理措施，以工程措施為主，工程措施和生物措施相結(jié)合，常與等高草灌帶和草灌喬模式同時(shí)使用，起到了良好效果；老頭松改造主要是在貧瘠的松林進(jìn)行撫育施肥，促進(jìn)松樹(shù)和伴生灌草生長(zhǎng)。在濯田鎮(zhèn)、河田鎮(zhèn)、三洲鎮(zhèn)和策武鎮(zhèn)等嚴(yán)重水土流失地區(qū)，等高草灌帶治理措施、小穴播草治理措施、草灌喬混交措施和草-牧-沼-果循環(huán)種養(yǎng)模式同時(shí)進(jìn)行，不同措施相互結(jié)合作用下，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值得到顯著提升。但近年來(lái)，由于水土流失反彈和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理等原因，生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)度有所下降[38]。在長(zhǎng)汀縣四周山地，存在許多破碎的裸露斑塊，單純靠自然措施恢復(fù)植被效果欠佳，近年來(lái)植被覆蓋率有下降的趨勢(shì)。由于當(dāng)?shù)鼗旧隙际且择R尾松為主的次生林，植被覆蓋類(lèi)型單一，土壤貧瘠且生態(tài)多樣性差，樹(shù)下灌草稀少，水土流失仍然存在，自然生態(tài)脆弱且恢復(fù)緩慢，導(dǎo)致長(zhǎng)汀縣西部部分山地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值有所下降。草-牧-沼-果循環(huán)種養(yǎng)模式對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)銜接要求高，其對(duì)經(jīng)營(yíng)者的知識(shí)技術(shù)水平要求較高。該模式能保持水土，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，獲得更大的經(jīng)濟(jì)收益，但農(nóng)戶限于自身文化知識(shí)，往往忽視了生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，種植果樹(shù)時(shí)常常認(rèn)為林下草本植物搶奪了果樹(shù)的營(yíng)養(yǎng)，因而鋤草，導(dǎo)致地面裸露，不僅導(dǎo)致水土流失更加嚴(yán)重，而且經(jīng)濟(jì)效益也沒(méi)有得到增加。此外，建設(shè)用地的增加和礦區(qū)采礦導(dǎo)致植被覆蓋減少，也是當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值降低的一個(gè)重要原因。

因此，為了提升長(zhǎng)汀縣水土保持和生態(tài)環(huán)境治理效果，未來(lái)應(yīng)在水土流失嚴(yán)重的山地丘陵地區(qū)實(shí)行草灌喬混交治理模式、小穴播草模式和老頭松改造模式等措施，增加山地生物多樣性和植被覆蓋率，并針對(duì)破碎的崩崗裸露斑塊進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)治理，如修建排水溝、擋土墻和沉沙池等水土保持工程設(shè)施。當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門(mén)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)村民的生態(tài)環(huán)境保護(hù)治理技術(shù)知識(shí)培訓(xùn)，提高村民種養(yǎng)水平，對(duì)于坡度大的地區(qū)實(shí)行退園還林、還草，對(duì)于坡度不大的地區(qū)，在林下套種適宜的植物，加快坡改梯進(jìn)度，并實(shí)行分工合作制，共同建設(shè)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境和諧發(fā)展的生態(tài)模式。此外，在日常生產(chǎn)建設(shè)過(guò)程中應(yīng)注重綠化，防止水土流失，嚴(yán)格實(shí)施防止水土流失措施與主體工程同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工、同時(shí)投產(chǎn)使用的三同時(shí)制度。

5 結(jié)論

(1)長(zhǎng)汀縣2005—2016年生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值服務(wù)空間呈現(xiàn)四周高、中間低的分布趨勢(shì)，4個(gè)階段生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分別為101.08、88.39、109.14、134.11億元，按年份由小到大排序?yàn)?009年、2005年、2013年、2016年。在河田鎮(zhèn)、策武鎮(zhèn)、三洲鎮(zhèn)和濯田鎮(zhèn)4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值增加最為顯著，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)各有不同程度的增加。

(2)長(zhǎng)汀縣2005—2016年綜合大氣平衡調(diào)節(jié)價(jià)值平均占比35%，水源涵養(yǎng)價(jià)值占比15%，土壤保持價(jià)值占比21%，營(yíng)養(yǎng)循環(huán)價(jià)值占比4%，有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)價(jià)值占比25%，除營(yíng)養(yǎng)循環(huán)價(jià)值較低外，各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較為均衡，大氣平衡調(diào)節(jié)價(jià)值最高，由小到大排序?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)循環(huán)價(jià)值、水源涵養(yǎng)價(jià)值、土壤保持價(jià)值、有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)價(jià)值、大氣平衡調(diào)節(jié)價(jià)值。各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)先減少、后增加的趨勢(shì)。

(3)在不同水土保持治理措施下長(zhǎng)汀縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化差異明顯，濯田鎮(zhèn)、三洲鎮(zhèn)、河田鎮(zhèn)和策武鎮(zhèn)采取等高草灌帶治理模式、草灌喬混交模式、草-牧-沼-果循環(huán)種養(yǎng)模式和小穴播草模式，治理效果良好，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值顯著增加。

(4)在水土流失嚴(yán)重的山地丘陵地區(qū)建議實(shí)行草灌喬混交治理模式、小穴播草模式和老頭松改造模式等，并針對(duì)破碎的崩崗裸露斑塊進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)治理，如修建排水溝、擋土墻和沉沙池等。在坡度大的地區(qū)實(shí)行退園還林、還草，在坡度不大的地區(qū)，林下套種適宜的植物，加快坡改梯進(jìn)度，并實(shí)行分工合作制。在日常生產(chǎn)建設(shè)過(guò)程中應(yīng)注重綠化，防止水土流失，嚴(yán)格實(shí)施防止水土流失措施與主體工程同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工、同時(shí)投產(chǎn)使用的三同時(shí)制度。