基于RS与GIS的LUCC生态服务功能价值动态核算

郝慧梅，郝永利，田党生

基于RS与GIS的LUCC生态服务功能价值动态核算

郝慧梅1，郝永利2，田党生3

(1.西安市国土资源信息中心，西安 710021;2.内蒙古包头市固阳房地产交易所，包头 014200;3.西安市国土资源局，西安 710021)

采用基于决策树的分层分类与监督分类相结合的方法，提取关中地区1990年、2000年和2007年土地覆盖信息，并运用生态经济学方法构建研究区3期生态服务价值空间格局。结果表明，3期生态系统服务总价值分别为557.39亿元、507.29亿元和533.77亿元。1990—1998年，由于林地、草地局部破坏严重，区域生态服务功能总价值大幅缩减;1999年之后，随着退耕还林还草及配套政策的落实，区域生态有所好转，尤其是2000年之后，生态服务总价明显回升，但就现状而言，依然不容乐观。3期的生态经济承载指数分别为0.436 9、2.678 4和6.430 2，土地生态压力在逐年增大。加强渭河平原区的耕地保护，稳定和推进渭北高原和秦岭—关山区的生态恢复和建设成果，是未来关中地区土地利用管理中的重要环节。

关中地区;土地利用/覆盖变化(LUCC);生态服务功能价值;生态经济承载指数;遥感(RS);地理信息系统(GIS)

0 引言

土地利用/覆盖系统是区域及全球变化的主要反馈调节系统，具有重要的生态服务功能［1－7］。众多研究表明［7－14］，生态系统所提供的生命支持功能(或称生态服务)是不能轻易由技术取代的。一个地区能否实现可持续发展，在很大程度上取决于人们对生态系统服务功能价值的正确认识和有效管理。在传统经济学中，由于对生态服务“资本性”的忽视，引发了一系列危及人类可持续发展的重大环境问题［15－16］。为此，生态补偿问题已成为学界研究的热点，生态系统服务功能价值核算正是生态补偿的基础研究之一。

国内外学者围绕生态系统服务的定义、内涵和价值核算方法等进行了广泛的理论和实证研究［17－25］。Costanza［17］将全球生态系统类型划分为16大类26小类，将生态系统服务功能划分为调节气候、控制水土流失等17种功能。欧阳志云等［18－20］探讨了陆地生态系统服务及其价值理论;谢高地等［21－22］研究得出了中国陆地生态系统服务价值当量因子表;张志强等［23］利用条件价值法(CVM)进行了生态恢复成本评估研究;肖寒等［24］采用物质量与价值量相结合的方法进行了森林生态服务价值核算;陈仲新等［25］估算得出中国生态系统的服务价值为GDP的1.73倍。上述研究丰富了生态服务研究的理论方法，为我国生态补偿实践奠定了基础，但生态服务种类和强度区域差异显著，其价值核算方法仍处于不断探索之中。

本文运用生态经济学方法，对关中地区土地利用变化过程中的生态服务功能价值空间格局进行构建和动态核算，并据此提出未来关中地区不同区域土地资源开发的主导方向和重点环节，以期为区域土地有效、持续利用与科学管理提供参考。

1 研究区和数据源

关中地区位于陕西省中部，面积5.55×104km2。北部的渭北高原区土壤潜在侵蚀强度大，是全国水土流失重点治理区之一;中部的渭河平原区土肥地平，是陕西省人口、经济聚集区;南部的秦岭—关山区是重要的水源地和生态屏障，兼具山地生态系统本身的脆弱性。未来，随着《关中—天水经济区发展规划》的实施、经济产业快速发展和城市人口激增，该区将迎来更为活跃的土地用途变更，土地管理也将面临更大的挑战。因此，在该地区进行土地利用/覆盖变化(LUCC)信息提取和LUCC生态效应经济核算，对于充分发挥遥感系统效能和生态服务资本化是有益的理论探索，对于区域土地管理、科学发展更具有重要的实践价值。

本研究用到的数据包括遥感影像、NDVI数据集、DEM、统计数据、气象数据(1966—2007年气温、降水、太阳辐射、相对湿度和水汽压等要素的逐月数据)和实地考察观测数据等，分别来源于美国NASA网站以及陕西省测绘局、气象局、统计局等其他相关单位。

2 研究方法

在GIS、ERDAS、ENVI等平台的支持下，基于遥感影像进行典型地物光谱特征分析、地学相关知识分析和解译试验，实现1990年、2000年和2007年3个时期的LUCC信息提取，并建立数据库;以此为基础，按照综合分析的思路，把生态系统服务功能综合价值分解为有机物生产、生态系统固定CO2、释放O2、涵养水源和保持土壤等项单一服务价值，分别选择相应的模型对其空间格局予以构建、叠加，形成综合生态服务价值空间格局，并对其进行动态分析。

2.1 生态系统有机质生产功能价值测算模型

本文采用遥感估算模型估算生态系统的净生产力(NPP)和物质量［26－32］，其模型为

式中，APAR(x，t)为像元x在t月份吸收的光合有效辐射(MJ/m2);ε(x，t)为像元x在t月份的实际光能利用率(gC/MJ)。

Potter［26］等认为，在理想条件下植被具有最大光能利用率，而在现实条件下的最大光能利用率主要受温度和水分的影响，即

式中，f1(x，t)、f2(x，t)和 w(x，t)分别为低温、高温和水分的胁迫系数，可依据气象数据计算得到［29－31］;εmax为理想条件下的最大光能利用率，可依据朱文泉等［26］的研究成果结合土地利用/覆盖分类数据赋值。其余相关的生物物理参数获取方法为

式中，常数0.5为植被所能利用的太阳有效辐射(波长为0.38 ～0.71 μm)占太阳总辐射的比例;SOL(x，t)为t月份在像元x处的太阳总辐射，来自于气象数据;FPAR(x，t)为植被层对入射光合有效辐射的吸收比例;FPAR(x，t)NDVI和 FPAR(x，t)SR分别为由归一化植被指数(NDVI)和比值植被指数(SR)计算所得的植被层对入射光合有效辐射的吸收比例;NDVIi，max和 NDVIi，min分别为第 i种植被类型的 NDVI最大值和最小值;SRi，max和 SRi，min分别为第i种植被类型的比值植被指数最大值和最小值;NDVI(x，t)和SR(x，t)分别为 t月份在像元 x处的归一化植被指数和比值植被指数，可据MODIS数据处理得到;FPARmax和FPARmin的取值与植被类型无关，分别为0.95 和 0.001。

基于物质量估算结果，以具有一定市场价格的能源(如煤炭、石油、天然气)为桥梁，按照植被生产的有机物折合成能量进行相应替代。具体测评模型为

式中，V为植被生产有机物的价值(元);A为植被生产有机质干重;B为煤的质量系数，标煤B=1;P为标煤的市场价格，采用345.5元/t;Q1为干重生物量折合热量，Q1=6.7 kJ/g;Q2为标煤的折合热量，Q2=10 kJ/g［33］。

2.2 生态系统固碳释氧功能价值测算模型

2.3 生态系统保持土壤功能价值测算模型

采用美国通用水土流失方程(USLE)进行生态系统保持土壤物质量测算，即

式中，Ar、Ap分别为单位面积上的土壤实际流失量和土壤潜在侵蚀量，单位均为(t·hm－2·a－1);Ac为生态系统保持土壤量，单位为(t·hm－2·a－1);R为降雨侵蚀力因子，单位为(m·t·cm·hm－2·h－1·a－1);K 为土壤可蚀性因子，单位为(t·h·m－1·t－1·cm－1);LS 为坡长坡度因子(无量纲);C为地表植被覆盖因子(无量纲);P为土壤保持措施因子(无量纲)［34－35］。

在保持土壤物质量测算的基础上，分别采用机会成本法、影子价格法和替代工程法计算其保土、保肥、减淤的价值［33］。

2.4 生态系统涵养水源功能价值测评

生态系统涵养水源总物质量包括植被层、枯枝落叶层和土壤层截留降水的综合能力［36－37］。其计算公式为

式中，Q总为生态系统涵养水源总物质量;Q1为林冠截留量;Q2为枯枝落叶层截留量;Q3为土壤层截留量，在测量时可根据土壤类型分别按如下方法测算，再加权求和，即

式中，r为降水量，单位为(mm);l为林冠截留率;s为总面积，单位为(hm2);k为枯枝落叶层的干重，单位为(t·hm－2);w为饱和吸水率;m为土壤面积，单位为(km2);h为土壤深度，单位为(m);p为土壤的粗孔隙率。

以此为基础，采用影子工程法计算生态系统涵养水源价值量。

2.5 生态系统服务功能综合价值测算模型

生态系统服务功能综合价值测算模型为

式中，V综为区域生态系统服务功能综合价值(元·a－1);Vi为第i项生态服务功能价值;n为生态系统服务功能总项数。

2.6 区域生态经济承载指数分析

以区域GDP与生态系统服务功能总价值的比值作为衡量区域经济社会发展现状施加于区域生态系统的压力大小指标，称之为生态经济承载指数，即

式中，Ie－e为区域某年的生态经济承载指数;GDP为区域某年的国内生产总值;Ve为区域某年的生态系统服务功能总价值。

在一定的社会阶段，当区域主体经济发展方式没有发生质的飞跃时，区域生态经济承载指数的极限值与两个因素有关:从横向看，与区域主体功能定位有关，具有重要生态意义的限制和禁止开发区的区域生态经济承载指数极限值要低于优先和重点开发区;从纵向看，与区域的经济主体发展方式有关，如果区域经济主体发展方式发生升级(如从资源主体型升级为智能密集型)，则生态经济承载指数极限值可以发生跃迁。

3 研究结果

3.1 关中地区LUCC格局及其动态

关中地区土地利用结构以农用地为主，耕地约占全区总面积的43%，且水浇地比例大;林地约占25%;草地接近林地，略低于25%;其余地类所占比例较小。1990年、2000年和2007年的具体LUCC结果如图1所示。

图1 关中地区3个年份LUCC空间格局Fig.1 Spatial distribution of LUCC in Guanzhong area in 1990，2000 and 2007

经分析可知，关中地区土地利用变化情况如下:①1990—2007年，关中地区耕地、水域面积不断减少，耕地年均减少15 498.07 hm2;建设用地面积不断增加，17 a间增加了1.92倍，自1999年退耕还林还草及相关配套政策全面落实以来，林草植被总面积不断增加。②建设占地是水浇地减少的主要原因，空间上主要分布在渭河平原区，该区17 a间建设用地增加了12.95×104hm2，占整个研究区的77.04%;时间上主要发生在近期，渭河平原区最近7 a间就增加了10.34×105hm2，占整个研究期间总增量的61.49%。③退耕还林还草是旱地减少的主要原因。④1990—2007年，关中地区土地利用类型间的转换较为复杂，改善生态和致使生态退化的土地利用类型变化在空间上并存，且尤以前一阶段更为复杂，后一阶段的土地利用类型间转换表现得较为有序。

3.2 关中地区生态系统服务功能综合价值空间格局及动态

1990年、2000年和2007年关中地区生态系统服务功能总价值分别为557.39亿元、507.29亿元和533.77亿元。3个年份单位面积生态系统服务功能综合价值空间分布如图2所示。

图2 关中地区3个年份单位面积生态系统服务功能价值空间分布Fig.2 Spatial distribution of service value of unit ecosystems in 1990，2000 and 2007 in Guanzhong area

其主要特征为:①从城区到农区，从渭河平原区的农区到黄土高原以及秦岭关山的林牧区，单位面积生态系统服务功能综合价值递增，县域平均生态系统服务功能综合价值的空间分布也表现出类似的环状或带状分布特点。单位面积生态系统服务功能综合价值的这种空间规律与其类间差异有关，不同土地覆盖类型的生态服务功能综合价值排序为:林地＞草地＞耕地＞水域＞其他类型＞建设用地。就保持土壤价值而言，草地优于林地。建设用地生态服务价值主要体现在硬化地面保持土壤、减少泥沙淤积上，水域生态服务价值主要体现在蓄水和调节洪水上。②生态服务总价值空间分布上，各年份秦岭—关山区最高，渭北高原区略高于渭河平原区，同样就年际变化幅度而言，由高而低依次为秦岭—关山区、渭北高原区、渭河平原区。各区县生态服务总价值也体现了类似的空间分布特点，从平原区的城区向南北两个方向呈带状递增。

3.3 不同空间尺度区域生态经济承载指数测算

关中地区1990年、2000年和2007年的生态经济承载指数分别为 0.436 9、2.678 4 和 6.430 2，呈逐年倍增之势，市域统计也有类似特征。1990年，生态经济承载指数小于1的区县共有27个，介于1～10的区县19个，高于10的区县共8个，包括西安城6区(莲湖、新城、碑林、雁塔、未央、灞桥)、咸阳秦都区和宝鸡金台区;2007年，生态经济承载指数小于1的县区仅剩8个，介于1～10的区县增加至31个，而高于10的区县增加至15个。对于渭北高原和关山—秦岭区的多数区县而言，20多a来的主体经济发展方式没有发生根本升级，20世纪90年代末集中爆发的区域环境问题在一定程度上提示这些县区在2000年左右的生态经济承载指数已经接近其极限值;但县域生态经济指数在2000年之后持续增加，一方面揭示了这些区域未来生态建设和成果巩固的任务依然艰巨;另一方面也表明在保护生态的前提下，升级区域经济发展模式、建立生态税收、进行区域间生态补偿可能是实现区域协调、可持续发展的重要环节。

4 结论

(1)土地利用变化不仅是生态环境变化的重要组成部分，而且也是生态环境变化的原因。生态系统服务功能价值货币化核算对全面客观衡量经济发展中的环境成本、进行生态税收及生态补偿、实现区域协调、可持续发展具有重要意义。

(2)关中地区近20 a的土地利用变化引发了区域土地生态服务功能总价值的波动。1990—2000年，由于林地、草地局部破坏严重，导致区域生态服务功能总价值大幅缩减;20世纪90年代末，随着退耕还林还草及配套政策落实，生态服务功能总价在2000年之后明显回升，但就现状而言，依然不容乐观。

(3)1990—2007年间，关中地区各区县土地生态经济承载压力逐年增大。稳定和推进渭北高原和秦岭—关山区的生态恢复和建设成果、加强渭河平原区的耕地保护、升级区域经济发展方式、建立生态税收、进行区域间生态补偿可能是实现区域协调、可持续发展的重要环节。

(4)对区域意义较大的土地生态系统生态服务功能价值进行核算，基本反映了关中地区土地利用变化的生态效应实际轮廓和轨迹;但由于生态系统服务类型的多样性和类间的交互性，生态系统服务功能的种类和价值测算方法有待继续深入探索;针对不同主体功能区，以更广阔的视角对生态经济承载力极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

国家自然科学基金项目“西北河谷平原土地生态安全动态与可持续发展途径”(编号:40771019)资助。

郝慧梅(1973－)，女，博士，工程师，主要从事国土资源管理、RS与GIS应用研究。

(责任编辑:李 瑜)