2017, Vol. 37
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2. 重庆交通大学建筑与城市规划学院, 重庆 400074;
3. 重庆市环境保护信息中心, 重庆 401147;
4. 重庆市环境科学研究院, 重庆 401147
2. College of architecture and urban planning of Chongqing jiaotong Univiestity, Chongqing 400074;
3. Information Center of Chongqing Environment Protect, Chongqing 401147;
4. Chongqing academy of Environmrnt Science, Chongqing 401147
生态系统服务价值(Ecosystem Service Values, ESV)指生态系统提供的商品和服务, 包括自然资本的物流、能流和信息流(Costanza et al., 1999), 通过评价区域生态系统服务价值的时空变化, 来反映该区域生态环境质量变化的一种方法, 国内外的生态学者们对相关生态服务功能进行了深入的研究(Swallow et al., 2009； Limburg et al., 2002；Haines Young, 2009； Chee, 2004), 1997年国外学者(Costanza, 1999)通过将全球生态系统服务功能划分为17种类型, 并以此为基础完成了全球生态系统服务价值的估算, 并将成果首次发表在Nature杂志上；我国的生态系统服务价值研究主要针对不同生态系统类型所进行的概算式研究, 整体看来仍然处于初级阶段(李文华, 2009).谢高地等(2008;2010;2015) 根据中国的实际情况, 以国内实物量计算方法为主的生态系统服务价值量评价结果, 结合遥感影像数据对NPP和生物量的模拟分析和专家经验, 修订并分析了中国二级生态系统服务价值.Costanza等(1997) 对生态系统服务功能价值评估的发展产生了深远的影响, 并为国内学者深入剖析生态系统服务功能及其价值提供了概念基础和理论支持；之后很多相关研究大多参考此份文献, 根据生态系统服务分类方案和单位面积生态价值开展对生态服务价值的评估(张振明等, 2011), 到目前为止, 该文章己经被引用超过1.5万次, 其影响程度可见一斑.其他学者基于GIS、遥感(曾杰等, 2014)、土地利用/覆被变化(LUCC)(Guan et al. 2014;王刚, 2011)、水源涵养(杜加强等, 2008)、固碳(孙荣等, 2012)、生物多样性生境(肖强等, 2014)等多要素的生态效应、格局和生态系统服务功能等方面开展了相应的研究, 其他学者(邓伟等, 2015)选取生物多样性维持、土壤保持、水源涵养和固碳4种指标, 综合研究了重庆市域内重要生态功能区的生态系统服务的时空变异特征；学者(李月臣等, 2013;刘春霞等, 2011)对三峡库区重庆段生态系统服务功能进行综合研究, 揭示了研究区生态系统服务功能重要性程度及其空间分布规律.2003年以来, 区域生态系统服务的理论和方法的研究深入与多元化, 并得到广泛的认识与应用, 从中国不同尺度(流域、区域、国家)和不同类型(河流、森林、草地等)开展了生态服务价值的研究, 与此相对应的一些评价模型也开始应用到该研究领域, 同时开始探讨生态系统服务理论与方法与其他研究方向的融合(张振明等, 2011；房学宁等, 2013；杨旭等, 2015).多数学者(李文华等, 2009)描述生态服务功能重要性的定性描述, 有关生态系统服务价值估算方面的研究成果限于利用统计数据值对总量的静态估算, 对生态系统类型、质量状况的空间/时间差异缺乏综合考虑.
研究区重庆市兼有国家级生物多样性保护、国家级生态功能区以及三峡库区, 其特殊的地理位置关系着三峡库区乃至长江流域的生态安全, 近年来的GDP快速发展导致部分区域土地利用覆被剧烈变化, 在“人工-自然”驱动下生态系统更为脆弱(邓伟等, 2015)；中央已明确提出长江经济带“共抓大保护, 不搞大开发”的生态环境保护思路, 如何保护和修复长江流域生态环境, 使研究区内的自然生态资产增值, 提高区域生态系统服务功能和发挥更大的生态效益将成为新的研究课题, 研究其生态系统服务功能重要性及其时空变化规律的研究具有重要学术与应用意义.基于此, 本研究以重庆市为例, 参照了国内谢高地等的生态系统服务价值数据, 结合重庆实际进行系数修正, 计算了2000年、2005年和2010年3期的遥感解译数据的21个二级土地利用分类数据, 得出了每一个空间图斑的4大类共17个生态系统服务价值, 采用单位面积生态价值密度指数, 引入研究时段内的生态系统服务价值保持率等指标表征研究区内10年来生态系统服务价值的变化特征, 可为环境审计、生态创建等提供科学决策依据.
2 研究区域与研究方法 (Research areas and methods) 2.1 研究区概况研究区重庆市位于长江经济带的上游, 地处秦巴山地生态系统、四川盆地生态系统、云贵高原的生态交错带, 长江上游三峡库区及四川盆地东南部, 辖38个区县, 幅员面积8.24×104 km2；地质环境处于大巴山断褶皱带、川东褶皱带和川湘黔隆起褶皱带三大构造单元交汇处, 地形地貌较为复杂；属湿润亚热带季风气候, 多年平均气温为14.8~18.7 ℃, 多年平均降雨量为1038~1186 mm, 境内江河纵横, 多年平均入境水量为3981×108 m3；土壤类型多样, 含8个土类16个亚类.研究区内水热条件较好, 物种资源丰富, 分布“三峡库区水土保持生态功能区、秦巴生物多样性生态功能区、武陵山区生物多样性与水土保持生态功能区”国家级重点生态功能区, 同时, 渝东北大巴山区、渝东南武陵山区是具有全球保护意义的生物多样性关键地区, 也是长江上游地区一个重要的生态屏障(袁兴中等, 2012)；2015年全年地区生产总值(GDP)为1.57万亿元, 户籍总人口为3371.84万人, 其中农业人口为1980.82万人, 农民人均纯收入为10505元(重庆市统计局, 2015).因此, 研究生态系统服务价值的时空变化规律特征显得尤为重要.
2.2 数据获取及处理①基础的土地利用/覆被数据来源于重庆市生态环境十年遥感调查与评估项目, 基于Landsat TM/ETM影像的2000年、2005年和2010年每年8月共3期面向对象最大似然法分类的遥感解译数据, 以2010年土地利用类型数据为核查对象进行野外核查验证, 核查时间为2010年8月, 遥感分类评估精度(88.05%)较高, 数据质量满足研究精度(邓伟等, 2015).②研究采用的粮食生产、人口、经济等数据来源于《重庆市统计年鉴(2001—2015年)》, 为了使生态系统服务价值的评价尺度具有可比性, 以区县级单元作为基本分析尺度, 鉴于主城区较为一致的经济和生态功能, 研究时将主城区合并共形成30个评价单元.以上数据派生的数据, 以及一些相关的辅助数据, 如行政区划图等, 为了便于空间运算以上所有数据均转换为统一坐标与投影系统(Albers)的栅格(30 m)数据进行空间运算.
2.3 研究方法 2.3.1 生态系统服务价值估算基于谢高地等提出的“中国生态系统单位面积生态服务价值当量”, 以单位面积农田提供的食物生产服务经济当量为依据, 结合重庆实际确定符合经济发展与用地特征的生态系统服务价值系数, 因建设用地的价值较小未参与计算.谢高地等(2015) 将生态系统生产的净利润看作该生态系统所能提供的生产价值, 将单位面积农田生态系统粮食生产的净利润当作1个标准当量因子的生态系统服务价值量.确定中国2010年1个生态系统价值当量的经济价值为3406.50元·hm-2, 根据《2010年重庆市统计年鉴》(重庆市统计局, 2011)资料, 重庆市耕地地均粮食产量为5152.4 kg·hm-2, 而同期全国地均粮食产量为4974 kg·hm-2, 根据此对各生态系统服务当量价值进行系数修订, 确定重庆市的修正系数为1.036, 即重庆市的一个生态系统服务功能当量为3528.79元·hm-2.以2010年的价格指数分别计算重庆市土地利用二级分类下的不同生态系统服务价值量.
2.3.2 生态系统服务价值保持率借鉴生态资产保持率的计算方法(彭月等, 2012), 研究期前后两个时段采用同样的数据体系和方法进行生态系统服务价值的估算, 用其比值保持率来反映一段时期内研究区生态系统服务功能相对变化的情况, 用于表示具有生态功能的林地、草地、湿地、农田等生态系统具有的各生态系统服务及其价值得到维护和提升的程度和区域生态系统质量的变化.计算方法见式(1) .
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(1) |
式中, K为ESV保持率, Ni代表研究起始年的ESV值(万元), Nj代表研究结束年的ESV值(万元).
2.3.3 基于GIS的生态系统生态服务价值密度采用生态系统服务价值密度作为全市生态系统服务价值综合评价的核心指标.根据重庆市2000年、2005年和2010年土地利用现状图二级分类, 分别计算每一个斑块的各期各类生态系统服务功能的价值量, 建立基于GIS 网格单元(5 km×5 km)的各类生态系统服务价值量(彭月等, 2011;马骏等, 2014), 通过ARCGIS 10.1的数据处理Fishnet功能构建评价单元的网格, 大小为25 km2, 划分时网格应包含所有且略大于研究区边界, 然后再剪切, 计算各评价单元生态系统服务价值量, 即价值密度.以每个评价单元的中心位置生成点数据, 将该单元的ESV值赋在点数据上, 通过ARCGIS 10.1的Geostatistical Analyst地理统计模块进行表面克里金(Kriging)模拟、GIS图形化显示, 得到研究区的生态系统服务价值的空间分布趋势图.
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(2) |
式中, Desv为评价单位面积网格内的生态系统生态服务价值密度(元· hm-2)；ESV总为评价区域生态系统功能总价值量(万元), S为评价区域总面积(hm2).
3 结果分析与讨论 (Results analysis and discussion) 3.1 生态系统服务价值量分布特征基于谢高地等提出的“中国生态系统单位面积生态服务价值当量”, 结合重庆实际修正系数, 估算了基于土地利用二级分类的重庆市2000年、2005年和2010年的生态系统服务价值量(表 1, 表 2, 图 2).重庆市2000—2010年的生态系统服务价值变化的特征是, 2000年、2005年和2010年生态系统服务价值量分别为4285.39、4490.29和4621.18亿元；其单位面积的ESV价值密度分别为5.24×104、5.53×104和5.75×104元·hm-2.
| 表 1 重庆市2000—2010年各土地利用类型的生态系统服务价值估算和转移矩阵表 Table 1 Area of the different land use types in Chongqing from 2000 to 2010 |
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| 表 2 重庆市2000—2010年不同类型的生态服务价值估算表 Table 2 Evaluation of ecological service value of different types in Chongqing city in 2000—2010 |
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| 图 1 重庆市2000—2010年生态系统服务价值空间分布及其变化分布图 Fig. 1 Spatial distribution of ecosystem service value of Chongqing and its change during 2000—2010 |
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| 图 2 重庆市2010年网格ESV密度分布图 Fig. 2 Distribution map of grid ESV density in Chongqing city in 2010 |
2010年各土地利用类型的生态系统服务价值贡献量占比从高到低顺序为：针叶林>阔叶林>灌木林>水域> 灌草丛>旱地>针阔混交林>水田>草甸>湿地>裸地, 其中林地生态系统的阔叶林、针叶林、针阔混交林和灌木林合计为3190.2亿元, 占总比69.03%, 水域贡献了663.19亿元, 占总比14.4%.因此, 林地系统用60.36%面积占比提供了69.03%的生态系统服务价值, 而水域仅用1.86%面积占比提供了14.4%的生态价值服务.特别注意的是水田生态系统, 2010年重庆的面积占比8.81%仅仅贡献了2.10%的生态系统服务价值, 重庆所处湿润亚热带季风气候, 其水田兼有广义人工湿地的功能, 其生态功能服务价值计算低于实际.2010年提供的生态系统服务价值量(表 2)所示的重要性排序：调节服务(68.94%)>支持服务(20.48%)>供给服务(6.58%)>文化服务(4.00%), 其中调节服务的水文调节和气候调节服务占比分别是29.14%和23.21%, 二者合计52.35%, 由此, 提供的服务主要是水文和气候的调节服务.
3.2 生态系统服务价值的空间分布特征2000—2010年变化的空间位置主要是各中心城区的建设用地, 增加主要是三峡库区蓄水后消落区以及各地均有分布的林地生态系统(图 1).重庆市的生态系统服务价值总量和单位价值密度存在着明显的空间分异特征, 最高值总体呈“西高东低, 一轴两翼”的分布格局(表 3, 图 2), 即长江带状和渝东北秦巴山地与渝东南武陵山区；按照行政区划分, 云阳、巫山、奉节的地均生态系统服务价值明显高于其他区域, 主要是区域良好的自然生态系统, 主城区虽未计建设用地的生态系统服务价值, 但林地、水域自然生态系统的面积占比高, 平行岭谷区保留了部分的林地和农田生态系统, 因此生态价值中等偏后, 最低值出现在中部的垫江县和南川区, 分析其原因垫江县以较为单一以农田生态系统为主, 南川区则是受南方喀斯特地质影响, 水土较为贫瘠.
| 表 3 重庆市2000—2010年生态系统服务价值分析表 Table 3 ESV in Chongqing city from 2000 to 2010 |
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2000—2010年, 重庆市的生态系统服务价值总体呈上升趋势, 10年间共增长了7.27%, 年均增长率为0.73%, 其中2000—2005年的年均增长率为0.91%, 2005—2010年增长率为0.57%, 2000—2010年全市的生态系统服务价值保持率值为1.08, 2000—2005年的ESV保持率为1.05, 2005—2010年的ESV保持率为1.03, 除去价格因素, 第一时段(2000—2005年)的增长速度快于第二时段(2005—2010年), 总体上有减缓的趋势.主要是近年来快速的城镇化、工业化占用了农田生态系统, 导致其服务价值的下降；而全市ESV价值的增长得益于自然生态系统水域和林地的面积增多, 尤其近年来三峡以及水利工程的大规模建设而引起水域的生态服务价值增长.按行政区划分来看, 30个评价单元均呈增长趋势, 其中渝东南的石柱县、秀山县增长最快, 得益于近年来的石漠化、水土保持等生态环境工程的建设和保护；而璧山、永川等则增长较缓, 这些区域位于重庆5大功能区的城市发展新区, 经济发展和自然生态系统保护的矛盾更为突出.
3.4 生态系统服务价值与GDP的关系为便于研究区的生态系统服务价值的时空差异对比, 采用地均ESV、人均ESV来表征研究区的生态系统服务价值的空间分异特征, 并与区域人均GDP对比分析(图 3).与谢高地等(2015) 2010年全国31个省级行政单元的生态系统服务价值参考对比, 各项指标统一选择2010年的数据, 2010年重庆的地均ESV为5.6万元·hm-2, 高于全国的平均值(3.96万元·hm-2)；其中云阳(6.67万元·hm-2)、巫山(6.47万元·hm-2)等12个区县高于全市平均值, 垫江县(4.00万元·hm-2)最低, 略高于全国平均值.最高值主要分布在渝东北和渝东南两翼地区, 且渝东北高于渝东南, 是国家级重要生态功能区、中国生物多样性优先保护以及自然保护区等的集中分布区域, 自然生态系统好, 因此, 其生态系统服务价值重要性凸显.就人均ESV值分析, 2010年重庆市人均ESV为1.60万元, 低于全国平均的2.84万元；重庆同期的平均人口密度是全国的2.5倍, 因此人口密度大是造成人均ESV低的主要原因；主城9区是各种自然、生态、经济流汇集区域, 常住人口密度大, 2010年城镇建设用地(未参与计算ESV)面积约占幅员面积的10%左右, 其人均和地均生态系统服务价值量均不及全市平均水平, 因此, 包括现有的水域、林地的自然生态系统的保护、修复成为一个重要研究课题.
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| 图 3 研究区2010年地均(a)和人均(b)ESV分布图 Fig. 3 Map of the ESV unit area(a)and per capita(b)in 2010 in Chongqing |
就人均ESV和人均GDP值对比分析可得出, 2010年全市人均GDP为2.78万元, 人均ESV与人均GDP的比值为1:1.72, 远低于全国的平均接近1:1的比值, 高于北京(1:20.5) 、上海(1:37.3) 和天津(1:11.1) , 与中部的山西(1:1.61) 等相当(谢高地等, 2015), 表明重庆市的生态系统服务价值相对国民生产总值的不足.主城区的比值为1:12.69, 为最高, 最低为渝东北城口县(1:0.12) , 相差超过100倍, 城乡二元结构差距明显.而从时序上来看, 2000年、2005年的人均ESV与人均GDP的比值分别为1:0.42和1:0.77, 扣除价格指数, 全市的 ESV的增量为7.27%, 而同期常驻人口趋稳, GDP总量增长4.37倍, 因此, 研究区在空间分布和时序发展的差异明显, 可作为重庆市5大功能区差异化发展的生态补偿理论和技术依据.
3.5 分析讨论由于研究区所处的地理环境和区域生态系统的复杂性和动态性, 以及存在不同尺度转换的精度、生态系统服务价值会存在一定的重复计算(肖强等, 2014, 张梦婕等, 2015, 官冬杰等, 2007), 而占研究区面积超过10%的自然保护区、世界自然遗产地的美学景观的价值估算又偏低, 本研究所采用方法在较大宏观尺度方面的重庆市域生态系统服务价值是一个估算；重庆处亚热带湿润气候区, 土地利用类型中的水田属于广义的人工湿地(张艳军等, 2005), 约占总面积8.59%, 参照全国统一的水田生态系统服务价值较实际值低.
4 结论(Conclusions)1) 采用2010年的价格指数, 重庆市的2000年、2005年和2010年各类生态系统年提供总服务价值量分别为4285.39、4490.29和4621.18亿元；就生态系统而言, 森林生态系统提供的总服务价值最高, 占总价值的69.03%；其次是水域和草地, 分别占总价值的14.35%和9.12%；就生态系统服务类别重要性排序是调节服务(71.31%)>支持服务(19.01%)>供给服务(5.87%)>文化服务(3.81%), 二级服务类别的调节服务中的水文调节和气候调节占比最高, 占总价值的67.37%~68.94%.
2) 空间分异及其变化特征方面, 重庆市生态系统系统服务价值密度最高值呈“西低东高、一轴两翼”的分布格局, 中部的垫江县和南川区生态价值密度最低, 主要是较为单一的农田生态系统以及喀斯特等影响.
3) 在时间序列变化特征方面, 2000—2010年重庆市土地生态系统服务价值总体呈不断上涨的时序变化趋势, 生态系统服务价值保持率为1.078, 10年间的年均增长率为0.73%, 这与研究区水域、林地生态系统的面积的增长而引起的水文调节、美学景观等价值快速提升密切相关.
4) 研究区的ESV与GDP在空间分布和时序发展差异明显, 2010年重庆地均ESV为5.6万元·hm-2, 高于全国平均的3.96万元·hm-2；2010年重庆市人均ESV为1.60万元, 低于全国的平均值(2.84万元)；人均ESV和人均GDP值对比分析可得出, 人均ESV与人均GDP的比值为1:1.72, 远低于全国的平均接近1:1的比值, 表明重庆市的生态系统服务价值相对国民生产总值的相对不足.
5) 区域生态系统服务价值进一步的的研究应结合区域的自然环境资源禀赋、旅游资源等因素, 以更科学、准确地估算研究区的生态系统服务价值及其时空变化特征.
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