许旭， 任斐鹏， 韩念龙

(1.深圳市规划国土发展研究中心，深圳 518034; 2.北京师范大学资源学院，北京 100875；3.长江科学院水土保持研究所，武汉 430010; 4.深圳市房地产评估发展中心，深圳 518034)

2000—2009年河北省生态系统服务价值时空动态遥感监测

许旭1,2， 任斐鹏3， 韩念龙4

(1.深圳市规划国土发展研究中心，深圳 518034; 2.北京师范大学资源学院，北京 100875；3.长江科学院水土保持研究所，武汉 430010; 4.深圳市房地产评估发展中心，深圳 518034)

以TM图像及MODIS NDVI数据为主要数据源，通过建立生态系统服务价值评估体系、物质量评估模型及价值量评估模型，对河北省2000—2009年生态系统服务价值进行了计算。2000—2009年间，河北省生态系统总服务价值呈现出波动增长趋势；总体的空间分布规律呈现出北高南低、西高东低、山地丘陵区高于平原区的规律；生态系统服务价值的空间变化呈现出南北两端地区减少、中部地区增加,且增加部分面积大于减少部分面积的特点。

生态系统服务价值；MODIS NDVI数据；TM图像；河北省

0 引言

生态系统是人类赖以生存的物质环境基础，假如人类失去了生态系统的某项庇护，通过人工恢复或替代这项服务将会付出巨大的代价[1,2]。正是基于这样的假设，生态系统服务价值及其评估的研究已成为生态学研究的热点之一[3-16]。目前，在生态系统服务价值评估的方法中，静态参数评估法和生态模型评估法是较为常见的2种方法。静态参数法是采用基于经验或调研计算得来的某生态系统类型单位面积服务价值与该类生态系统的面积相乘得到总服务价值，其优点是计算便捷，缺点是无法反映同类生态系统内部的异质性；生态模型评估法是通过生态学模型对生态参数进行反演，然后通过一定的价值转换方法计算出服务价值，因其相对精确且可以充分反映生态系统内部的异质性而体现了今后的研究趋势。

以往生态系统服务价值评估的研究，大多属于某一时间点的静态评估，即使是动态评估，也仅仅选取少数几个时间断面，鲜见形成连续时间跨度的评估研究。本文借助2000—2009年逐月的MODIS NDVI数据，采用生态模型评估法对河北省生态系统服务价值进行了评估，形成了长达10 a跨度的逐年生态系统服务价值序列。本研究不仅更清楚地反映了河北省生态环境的变动情况，也对河北省生态环境保护和建设具有一定的指导意义。

1 数据源

1)遥感数据。①MODIS NDVI数据。选择编号为MOD13Q1的MODIS数据产品。此产品为16 d合成的250 m分辨率的植被指数，时间跨度为2000年4月—2009年12月。在使用中，采用了最大值合成法(maximum value composites，MVC)将数据进行两两合成[17-19]，生成逐月的NDVI数据，建立了2000年1月—2009年12月逐月的MODIS NDVI数据集。由于受资料来源的影响，2000年1—3月的数据采用了其他年份相同月份的平均值代替。②TM图像。相对于生态系统内部的变化，生态系统类型变化的速率并不强烈，因此对于生态系统类型的解译以5 a为尺度，分别选择了2001年左右及2008年左右的各19幅植物生长季中某月份完全覆盖研究区的TM图像。采用人机交互的监督分类方法对影像进行了分类，在对21类二级分类进行合并的基础上，形成了林地、灌丛、草地、耕地、园地、水域、建筑用地及其他未利用地等7个一级类型。对2期图像分类精度的评价表明，整体分类精度分别达到87.03%和89.05%，Kappa系数分别为0.84和0.86，均达到了研究所需的标准。

2)气象数据。气象数据包括了研究区及其周围区域的27个气象站点的逐月平均温度、降水及太阳日照时数，时间跨度为2000年1月—2009年12月，来源于国家气象局网站。按照研究需要对气象数据进行了插值处理，像元大小及投影类型与MODIS NDVI数据保持一致。

3)野外实测数据。野外实测数据包括植被参数和土壤参数。植被数据是指植被中N，P及K等营养元素的含量，按照不同生态系统类型进行实地采样，用于生态系统积累营养物质价值的计算；土壤参数是实测的不同类型土壤的容重、营养元素含量、粒径组成等指标，主要用于生态系统土壤保持部分价值的计算。

4)其他数据。其他数据包括： 河北省DEM，栅格格式，空间分辨率为90 m；河北省1∶100万土壤类型图，包括矢量格式及对应的数据库；河北省1∶100万行政边界图，矢量格式，含有地级市及区县的边界数据。

2 研究方法

一定区域内的生态系统服务的总价值是区域内所有生态系统提供的所有服务功能价值的总和，随区域内生态系统的质量、面积以及类型的变化而变化。考虑到遥感技术的特点和研究区的生态环境特点，本文确定了研究区生态系统服务价值评估的指标体系，包括5项服务功能、8项评估指标和3项生态系统服务物质量，如表1所示。

表1 基于遥感手段的生态资产评估指标Tab.1 Evaluation indicators of ecosystem services assessment based on remote sensing

以生态系统服务物质量为基础，参考中华人民共和国林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721-2008)[20]中的价格参数取值标准，按照一定的经济学模型，计算2000—2009年河北省各项生态系统服务价值。计算流程见图1。

图1 生态系统服务价值评估流程Fig.1 Flowchart of ecosystem services value assessment

3 生态系统服务物质量评估模型

3.1 植被净初级生产力估算

采用了基于光能利用率的NPP估算模型对研究区内的NPP进行估算。该模型认为NPP可以由植物吸收的光合有效辐射(APAR)和实际光能利用率(ε)2个因子来表示[21]，其计算式为

NPP(x,t)=APAR(x,t)ε(x,t),

(1)

式中:APAR(x,t)为像元x在t月吸收的光合有效辐射,gC·m-2·月-1；ε(x,t)为像元x在t月的实际光能利用率,gC·MJ-1。植被在理想条件下具有最大的光能利用率εmax，在实际情况下最大光能利用率分别受到温度和水分的影响，即低温和高温对光能利用率的胁迫系数Tε1(x,t)和Tε2(x,t)以及水分胁迫系数Wε(x,t),式(1)也可写为

NPP(x,t)=APAR(x,t)Tε1(x,t)Tε2(x,t)Wε(x,t)εmax。

(2)

采用MODISNDVI数据、TM图像分类得到的土地利用类型(生态系统类型)数据、太阳辐射数据及月均温及月降水数据，分别求出式(2)中的参数，估算出研究区2000—2009年逐年NPP。

3.2 土壤保持量估算

选用通用土壤流失方程(universalsoillossequation，USLE)模型来计算研究区生态系统土壤保持量[22]。该模型认为区域内土壤侵蚀量与降雨、坡度、坡长、地表植被、土壤类型及管理措施等6个因素有关，即

Ar=RKLSCP,

(3)

式中：Ar为现实土壤侵蚀量，t·hm-2·a-1；R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm/hm-2·h-1·a-1；K为土壤可侵蚀因子，t·hm2·h·MJ-1·mm-1·hm-2；L，S，C，P分别为坡长、坡度、地表覆盖和土壤保持措施因子，量纲均为1。

若不考虑地表植被覆盖及土壤保持措施因子，得出的侵蚀量为区域潜在侵蚀量AP,t·hm-2·a-1，即没有地表植被保护时的最大侵蚀量,即

Ap=RKLS。

(4)

区域土壤保持量Ac,t·hm-2·a-1，反映了地表植被以及土壤保持措施对土壤侵蚀的防治效应，计算式为

Ac=Ap-Ar。

(5)

通过土壤属性数据、逐月降水数据、DEM数据、TM分类得到的土地利用类型(生态系统类型)数据及MODISNDVI数据求得的研究区植被覆盖度数据，分别求得研究区K，R，L，S，P及C因子的值，进而得到2000—2009年河北省生态系统逐年土壤保持量。

3.3 水源涵养量的遥感估算

采用水量平衡法计算了研究区生态系统涵养水源量。该方法以水量的输入和输出为着眼点，从水量平衡的角度，认为降水量与森林蒸散量以及其他消耗的差即为水源涵养量[12]，计算式为

Q=P-E-C，

(6)

式中：Q为水源涵养量；P为降水量；E为生态系统植被蒸散量；C为地表径流量。单位均为mm·a-1。

采用孙睿等通过年蒸散量与累积NDVI及相对湿润指数之间的关系建立的区域年蒸散量的评估模型，对研究区年度蒸散量进行了计算[23]，即

(7)

(8)

(9)

采用中华人民共和国自然地理图集中的中国河川径流系数图，经数字化后转化为栅格数据，得到研究区径流系数分布图，进而通过年降雨量得到研究区年地表径流量分布图。根据区域年度降水量、蒸散量及地表径流量数据，求得河北省生态系统2000—2009年逐年水源涵养量。

4 生态系统服务价值量评估模型

4.1 吸收固定CO2的价值

以NPP为基础，根据光合作用和呼吸作用的反应方程式推算，每形成1 g干物质，需要1.63 g CO2。因此这部分价值可通过

V碳(x)=1.63NPP(x)R碳C碳

(10)

求出。式中：V碳(x)为像元x处生态系统单位面积每年吸收CO2的价值，元· hm-2·a-1；NPP(x)为像元x处单位面积每年生产的干物质量，g· hm-2·a-1；R碳为CO2中碳的含量，为27.27%；C碳为碳税率价格，元·g-1。

4.2 释放O2的价值

以NPP为基础，根据光合作用和呼吸作用的反应方程式推算，每形成1 g干物质，可以释放1.19 g O2。这部分价值可通过

V氧(x)=1.19NPP(x)R氧

(11)

求出。式中：V氧(x)为像元x处生态系统单位面积每年释放O2的价值，元·hm-2·a-1；NPP(x)为像元x处单位面积每年生产的干物质量，g·hm-2·a-1；R氧为工业制氧价格，元·g-1。

4.3 营养物质循环与储存价值

以NPP为基础，根据氮(N)、磷(P)、钾(K)的质量分配率计算，即

V营i(x)=∑NPP(x)r1M化/r2,

(12)

式中，V营i(x)为像元x处生态系统单位面积每年吸收的i(i=N,P,K)元素价值,元·hm-2·a-1；NPP(x)为像元x处每年生产的干物质量,g·hm-2·a-1；r1为不同生态系统中i元素在有机物质中的分配率,%；r2为纯i元素在化肥中的含量,%；M化为化肥的平均价格,元·g-1。

4.4 生产有机质价值

根据市场上有机物的价格，计算出生态系统通过光合作用生产的有机质的价值，即

V有(x)=NPP(x)M有,

(13)

式中:V有(x)为像元x处生态系统单位面积每年生产有机物的价值,元·hm-2·a-1；M有为有机质的平均价格,元·g-1。

4.5 保护土壤肥力价值

土壤中含有N,P,K以及有机质等营养物质，生态系统保持土壤的作用减少了大量土壤营养物质的流失，因此可以根据营养物质的市场价值来评估生态系统保护土壤肥力的价值，即

(14)

式中:V肥为单位面积生态系统保护土壤肥力的经济效益，元·hm-2·a-1；Ac(x)为像元x处每年单位面积的土壤保持量，t·m-2·a-1；Mi为土壤中N，P，K的含量；Pi为氮肥、磷肥、钾肥的价格，元·t-1；Ri为化肥中纯N，P，K的含量；Q为土壤中有机质含量，%；C为有机质价格，元·t-1。

4.6 固定土壤价值

采用影子工程法，假定挖取和运输同样体积的土方所需的费用，估算生态系统固定土壤的价值，即

V固=Ac(x)C土/ρ,

(15)

式中:V固为单位面积生态系统年固土价值，元·hm-2·a-1；Ac(x)为像元x处每年单位面积的土壤保持量，t·m-2·a-1；C土为挖取和运输单位体积土方所需费用，元·m-3；ρ为土壤容重,t·m-3。

4.7 调节水量价值

生态系统调节水量与水库蓄水的本质类似，本研究采用水库工程的蓄水成本来确定生态系统涵养水源的经济价值。根据水库工程的蓄水成本(替代工程法)计算生态系统每年调节水量的价值，即

V调=V(x)C库，

(16)

式中：V调为像元x处每年调节水量的价值，元·m-2·a-1；V(x)为像元x处每年单位面积的水源涵养量，m3·m-2·a-1；C库为水库建设单位库容投资，元·m-3。

4.8 净化水质价值

生态系统净化水质与自来水净化原理一致，因此在评估净化水质经济价值时，可以参照居民用水平均价格，从而计算出生态系统每年净化水质的价值，即

V水质=V(x)K,

(17)

式中:V水质为像元x处每年净化水质的价值，元·m-2·a-1；K为水的净化费用，元·t-1。

按照年份将上述各项服务价值统一量纲后进行加和，得到2000—2009年逐年河北省生态系统服务总价值，见表2。

表2 2000—2009年河北省生态系统服务价值统计值Tab.2 Statistics of ecosystem services value of Hebei Province，2000—2009

5 生态系统服务价值时空变化分析

5.1 生态系统服务总价值时间变化分析

从表2中可以看出，10 a间河北省生态系统总服务价值的变化在1.65×108～2.20×108万元之间，平均值为1.90×108万元。最大值出现在2003年，最小值出现在2006年，其中2000年、2001年、2002年、2006年、2007年、2009年生态系统服务总价值较小，2003年、2004年、2005年、2008年生态系统服务总价值较大。河北生态系统单位面积服务价值在8.87～12.11万元/hm2之间，平均值为10.24万元/hm2。图2显示了10 a间河北省生态系统服务总价值的变动情况。

图2 2000—2009年河北省生态系统服务总价值变化Fig.2 Ecosystem services value’s dynamic change of Hebei Province，2000—2009

由图2可知，河北省生态系统服务总价值波动显著，趋势线分析显示总价值在10 a间呈现出增加的趋势，平均每年增加0.011×108万元，占总服务价值平均值的0.65%，但增加趋势并不明显(R2=0.029)。

5.2 生态系统服务总价值空间变化分析

对河北省生态系统服务总价值进行了3个剖面的分析，如图3所示。

(a) E118°～E114°剖面 (b) N 42°～N 40°剖面(c) N 39°～N 37°剖面

图3 河北省生态系统服务总价值剖面变化图

Fig.3 Ecosystem services value profiles changes of Hebei Province

由图3(a)可以看出，北部的生态系统服务总价值多在20万元/hm2左右，而南部多在5万元/hm2左右，北部明显高于南部；图3(b)剖面代表了北部地区生态系统服务总价值横向变化情况，除西北部的坝上高原地区外，此剖面上的生态系统服务总价值一直维持在较高的水平，多在20～30万元/hm2之间，个别像元值达到40万元/hm2以上；图3(c)剖面代表了南部地区生态系统服务总价值的横向变化情况，该剖面上的生态系统服务总价值分布最不均衡，空间波动极大，最大值超过了90万元/hm2，而最小值不超过10万元/hm2，相差数十倍之多，以太行山麓为界，此剖面的西部生态系统服务总价值明显高于东部，西部间或出现较高的生态系统服务总价值，而东部地区则相对平缓。

5.3 生态系统服务价值变化趋势的空间分布

将2000—2009年河北省生态系统服务服务总价值按照时间顺序排序进行回归分析，得到逐像元的回归系数，反映10 a间逐像元生态系统服务总价值的年度变化情况。回归系数为正，则该像元的生态系统服务总价值是逐年增加的，为负则结论相反，若通过了0.1水平的显著性检验，则认为这种增加或减少的趋势是显著的。2000—2009年河北省生态系统服务价值变化趋势及其年变化量见图4，变化面积见表3。

图4 2000—2009年河北省生态系统服务价值变化趋势(左)及年变化量(右)

Fig.4 Variable trend (left) and variation (right) of ecosystem services value of Hebei Province，2000—2009

表3 2000—2009年河北省生态系统服务价值变化面积Tab.3 Change areas of ecosystem services value of Hebei Province，2000—2009

如图4所示，10 a间河北省生态系统服务总价值的变化基本呈现出南北两端地区减少，中部地区增加的趋势，其中增加部分的面积大于减少部分的面积，但显著增加和显著减少的面积均较小。表3的统计结果显示，河北省有近10.62万km2面积的生态系统其服务总价值发生了增长，其中显著增加的面积为2.78万km2，占总面积的14.90%。发生增加的地区主要位于太行山山地丘陵区的北段、冀西北山间盆地区、冀东北燕山山麓平原区以及太行山以东平原区。其中太行山以东至滨海沿岸的广大地区，生态系统服务总价值增长趋势显著，这些地区是河北省主要的粮食作物产区，近年来河北省农业发展迅猛，在种植面积、种植结构、农作物品种优化、农田水利建设等方面均取得了长足的发展，农田生态系统服务总价值的提升是农业发展势头良好的一个很好的佐证。

6 结论

1)2000—2009年间河北省生态系统服务总价值呈现出波动增加的趋势，平均每年增加0.011×108万元，增加趋势不明显。

2)在空间分布上，2000—2009年间生态系统服务价值呈现出北高南低、西高东低、山地丘陵区高于平原区的特点。

3)2000—2009年10 a间河北省生态系统服务总价值的空间变化呈现出南北两端地区减少、中部地区增加的趋势，其中增加部分的面积大于减少部分的面积，太行山以东至滨海沿岸的广大地区增加显著。

4)生态系统本身的复杂性和诸多不确定性决定了生态系统服务研究具有较高的难度，由于认识水平及技术手段的局限性，许多服务种类尚未被认识到，而穷尽所有服务种类的价值评估也很难实现。在相同的评估指标体系下，通过连续时间序列的生态系统服务价值评估，对生态系统服务价值的动态变化进行考量，研究其“增量价值”或“边际价值”，比静态的时间断面研究更具有意义[24]。而通过小区域精细化实验研究来拓展服务价值评估种类将是未来研究的主要突破点；同时生态系统服务价值变化与人类活动及气候变化关系的探讨、生态系统服务价值评估在绿色GDP测算、生态补偿等方面的应用研究也是未来的研究方向。

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(责任编辑： 李瑜)

Remote sensing monitoring of spatio-temporal changes of ecosystem service values in Hebei Province, 2000—2009

XU Xu1,2, REN Feipeng3, HAN Nianlong4

(1.ShenzhenUrbanPlanning&LandResourceResearchCenter,Shenzhen518034,China；2.CollegeofResourcesScience&Technology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China; 3.SoilandWaterConservationDepartment，YangtzeRiverScientificResearchInstitute，Wuhan430010，China；4.CenterforAssessmentandDevelopmentofRealEstate，Shenzhen518034，China)

Quite a lot of researches on the estimation of ecosystem service value have been carried out all over the world. Most of these researches were static evaluations at some points in time. From these researches we can only know the ecosystem service value of some places at some time points, but the dynamic changes of ecosystem service value could not be detected, especially in a continuous time span. In this paper, the ecosystem services valuation system and methods were developed. 5 kinds of ecosystem services, i.e., fixation of solar energy, accumulation of nutrients, gas regulation, soil conservation and water conservation, were taken into account. The continuous monthly MODIS NDVI data from 2000 to 2009 were used as the main dataset to calculate the ecosystem services value in Hebei Province. A 10-year period of ecosystem services value was calculated and dynamic changes were analyzed. It is shown that the ecosystem services value of Hebei presented a dynamic increasing trend during this 10-year period. The average values were much higher in northern and western parts as well as mountain areas than in southern and eastern parts as well as plain areas. The ecosystem service values in northern and southern parts increased during the 10-year period, and the areas where the ecosystem service value increased were larger than those where the value decreased.

ecosystem services value; MODIS NDVI data; TM image; Hebei Province

2013-11-28；

2014-02-26

国家科技支撑计划“城市土地空间立体化利用管理技术研究”(编号： 2013BAJ05B04)、国家自然科学基金青年科学基金项目“景观格局对河流水质的影响规律及模型研究”(编号： 41301201)及中央级公益性科研院所基本科研业务费项目“流域土地利用景观格局与水体营养盐关系定量解析模型研究”(编号： CKSF2014023/TB)共同资助。

10.6046/gtzyyg.2015.01.30

许旭，任斐鹏，韩念龙.2000—2009年河北省生态系统服务价值时空动态遥感监测[J].国土资源遥感，2015,27(1)：187-193.(Xu X,Ren F P,Han N L.Remote sensing monitoring of spatio-temporal changes of ecosystem service values in Hebei Province, 2000—2009[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(1)：187-193.)

TP 79; X 826; S 157

A

1001-070X(2015)01-0187-07

许旭(1984-)，男，博士，研究方向为土地资源管理与生态系统评价。Email: xuxu@suprc.org。