郑国强，王景升

(1.山东建筑大学 地理信息系统实验室，山东 济南 250101；2.中国科学院 地理科学与资源研究所，北京100101)

西藏天然林保护区生态服务价值评估*

郑国强1，王景升2

(1.山东建筑大学 地理信息系统实验室，山东 济南 250101；2.中国科学院 地理科学与资源研究所，北京100101)

以西藏天然林保护工程实施县域为研究区，利用2000年TM/ETM数据和2010年环境卫星数据，经过几何纠正和大气辐射校正，采用面向对象技术进行分类，最终获取了两期的生态系统类型数据库。参照Costanza和谢高地等人的研究成果，结合天保三县实际调查情况，构建了天保工程区不同生态系统类型单元面积的生态服务价值表，定量研究了生态系统服务价值构成和不同生态类型服务价值的变化。研究结果表明，西藏天然工程区建设成效显著。10年期间，森林面积和灌木林呈增加趋势，尤其森林面积增加显著，草地、高寒荒漠和冰川雪被呈减少趋势；天保三县生态环境质量得到明显的改善，生态服务价值增加10.74×108元/年，间接价值增加量为直接价值增加量的4倍多。其中，森林和灌木林生态服务价值分别增长6.16%和1.59%，草地生态服务价值减少2.01%；生态服务价值构成增长主要排序为土壤形成与保护>气体调节>水源涵养>生物多样性保护。生态系统服务价值垂直空间分布差异明显，海拔4 100～4 500m区间为生态系统服务价值最大区间，也是生态价值量变化的最大区间。

生态服务价值；生态系统；西藏自治区；天保工程

地球陆地生态系统不仅为人类提供了供给和服务功能，更重要的是提供了地球的生命支持系统[1]。近年来，由于人口增加带来的物质和能源需求的增长，导致自然生态系统的长期超负荷运行，极大地损害和削弱了各类生态系统服务的功能[2～4]。因此，越来越多的学者意识到生态系统服务功能和价值，这已经成为生态学和生态经济学研究的一个热点领域[5～7]。1997年Costanza等在Nature上发表文章探讨全球生态环境价值的初步估算而引发关注，对生态系统服务价值评估研究工作产生了深远影响。国外学者的生态服务价值评估研究主要集中在全球或区域生态系统服务价值评估、流域尺度生态系统价值评估、单个生态系统价值评估、物种和生物多样性保护价值评估4个方面[8]。国内生态系统服务价值评估研究开展较晚，但发展较快。薛达元等[9]对长白山自然保护区生物多样性的间接使用价值、非使用价值、旅游价值进行了详细的评价；欧阳志云等[10]对中国陆地生态系统的6种服务功能进行了评估；陈仲新等[11]对中国植被生态系统的效益价值进行了全面的评价；谢高地等[12]对以Costanza的方法为基础，辅以问卷调查资料中国自然草地、青藏高原、青海草地等区域和群落生态系统的经济价值进行了评估。现阶段生态系统服务价值评估以大尺度区域为主，而基于地区级界线、重点流域、自然保护区等小尺度区域的研究较少[8,13]。

青藏高原作为中国东部和东南亚地区的江河源区和气候启动器，生态战略地位十分重要[2]。西藏天然林保护工程自1999年在昌都地区的3个县开始实施，全面管护天然林、禁止商品性采伐木材和封山育林[14]，截止2010年完成了天保一期的建设任务。天保实施后生态系统功能变化、生态服务价值及变化趋势等问题鲜有研究。因此本文以2000年TM/ETM+数据和2010年环境星(HJ)数据为基础，评估了2000-2010年间西藏天保工程区各主要生态系统的生态服务价值动态变化，以期为后续的天保政策调整制定和西藏生态安全屏障功能效果评估提供基础参考数据。

1 研究区概况

西藏天然林保护工程实施于昌都地区3个县域(江达县、贡觉县和芒康县)，简称天保三县，地处芒康山区，与四川的雀儿山、沙鲁里山隔江(金沙江)相望(见图1)。西藏天保工程区面积为3.10×104km2，平均海拔4 300m以上，具有高原大陆性气候特征，年平均降水量是400～600mm。由于受中低纬度地理位置和南北平行峡谷等因素影响，气候以寒冷为主，具有区域性差异大和垂直分布显著的特点。

图1 西藏天保工程实施区示意图

2 数据源和研究方法

2.1 数据源

本研究2000年TM/ETM数据来源于美国地质调查局USGS及国际科学数据共享平台(http://datamirror.csdb.cn)，2010年HJ(日环境星)数据来源于国家卫星资源中心数据库(http://www.cresda.com)；森林数据来源于西藏自治区林业局天保办和昌都地区林业局天保一期工程验收资料，以及西藏林规院的西藏森林资源二类清查资料；此外，还使用了公开发行的中国1︰10×104地形图、DEM数据和中国行政区划图等辅助数据。

2.2 研究方法

2.2.1 生态系统类型分类方法

根据全国《土地利用现状调查技术规程》和天保三县的自然环境特点，研究区最终确定5种主要生态系统类型：森林、灌木林、草地、高寒荒漠和冰川雪被。由于耕地、城镇居民点和水域在研究区所占的面积比例非常小，且变化总量小，故未进行单独判读。

遥感影像的生态系统类型数据获取主要采用面向对象分割和规则集分类，并辅以人工交互式判读分类。首先，在面向对象分类软件中进行多尺度影像分割。分割尺度越大，分割对象越大。分割对象的异质性则是由光谱(spectral)和形状(shape)差异确定的，形状的异质性则由平滑(smoothness)与致密性(compactness)这两个子异质性指标来衡量；其次，建立分类规则集。冰川雪被主要依靠图像的高亮度值加以区分；高寒荒漠与其他地类区别主要表现为植被覆盖度低，主要依靠植被指数小于一定的阈值加以区分；草地、森林和灌木间主要依靠植被指数、颜色、纹理特征、光谱反射率、DEM和类型间空间位置关系加以区分；最后，导出数据，在ArcGIS下参考高分辨遥感图像和森林资源二类清查资料，人工判读改正，在ERDAS下以分类混淆矩阵进行精度评价。

2.2.2 马尔科夫转移矩阵模型

马尔科夫转移矩阵模型是指在一系列特定的时间间隔下，一个亚稳态系统由t时刻状态向t+1时刻状态转化的一系列过程[15]。它表明不同生态类型间的相互转化情况,从而揭示出生态类型间的转移速率，对分析生态系统动态变化有着极其重要的理论意义。基于ArcGIS平台，将2000年和2010年的生态系统类型进行空间叠加分析，导出面积属性到Excel中，通过透视表获取生态类型的转移矩阵模型。

2.2.3 生态服务价值计算

生态服务价值计算方法中，替代成本法是在评估过程中使用最多的一种方法。它假定在不同时间段，产品与服务的经济价格不发生变化，以货币值为基础，便于计算不同生态系统间或同一生态系统不同单项间生态系统的服务价值。谢高地等[12]参考Costanza等研究方法，将生态服务划分为气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、废物处理、生物多样性保护、食物生产、原材料、休闲娱乐共9类，确定1个生态服务价值当量因子的经济价值量等于当年全国平均粮食单产市场价值的1/7。在问卷调查的基础上，制定出中国陆地生态系统生态服务价值当量因子表和中国不同陆地生态系统单位面积生态服务价值表。

表1 天保工程区不同生态系统类型单位面积的生态服务价值表

本文参考谢高地等[12]青藏高原不同类型生态系统服务价值表和天保三县实际调查情况，确定森林、灌木林、草地、高寒荒漠和冰川雪被的服务价值分别为10 668.8元/hm2、9 636.5元/hm2、4 779.9元/hm2、371.3元/hm2和372.3元/hm2。在中国不同陆地生态系统单位面积生态服务价值表基础上，按比例计算各生态类型的生态服务价值，最终构建出天保工程区不同生态系统类型单元面积的生态服务价值(见表1)。采用公式(1)计算研究区的生态系统服务价值。

ESV= ∑Ak×VCk(1)，式中，ESV为生态系统服务价值；Ak为第k种生态系统类型的面积；VCk为单位面积的生态系统服务价值。

3 结果与分析

3.1 生态系统类型数据库构建

将经过几何纠正和辐射纠正后的2个时相的遥感图像，采用面向对象的遥感分类软件易康(eCognition 9)，进行多尺度分割和规则集构建，在ArcGIS下人工交互式改正，在ERDAS下通过分类混淆矩阵进行精度评价，其结果总精度大于90%和Kappa系数大于0.8，满足分类精度要求，最终建立天保三县2000年和2010年的生态系统类型数据库(图2)。

a.2000年b.2010年

图2 天保三县2000年和2010年生态系统类型空间分布

Fig.2 The spatial distribution of ecosystem types of three counties implementing Natural Forest Resources Conservation Programme in 2000 and 2010

3.2 生态系统动态变化

根据马尔科夫转移矩阵模型，利用天保三县2000年和2010年生态系统类型数据库，计算得到2000-2010年生态系统类型转移矩阵(表2)。

表2 天保三县生态系统类型转移矩阵

Tab.2 Transition matrix of ecosystem types in three counties implementing Natural Forest Resources Conservation Program

km2

由表2可以看出，2000-2010年，森林面积和灌木林呈增加趋势，尤其森林面积增加显著，草地、高寒荒漠和冰川雪被呈减少趋势。森林面积增加了1 111.69km2，用地比例从23.21%增加到26.79%；草地面积减少了779.087km2，用地比例从43.17%减少到40.44%；灌木林面积增加了329.44km2，用地比例从16.15%增加到17.12%；高寒荒漠和冰川雪被分别减少了500.261km2和161.783 km2，用地比例分别下降了0.68%和0.52%。森林面积增加主要来源于灌木林和草地，转移比例分别为4.39%和3.63%，林线上缘的灌丛-草甸带是森林面积增加的主要来源。草地减少主要流向灌木林、森林，转移比例分别为6.9%和3.63%；同时草地也向着高寒荒漠和冰川雪被区域延伸，延伸比例为3.23%和1.33%。灌木林增加主要来源为草地，其次为森林，所占比例分别为6.9%和2.93%，而灌木林的流出去向也主要为草地和森林，所占比例分别为4.56%和4.39%，这表明灌木林与森林、草地间互相转换较为频繁，灌木林被森林侵占的同时亦向草地扩展。高寒荒漠主要流向草地，所占比例为3.23%。冰川雪被主要流向高寒荒漠和草地，所占比例分别为1.7%和1.33%。

研究表明，西藏天然林保护工程一期经过10年的建设，成效显著。西藏天保工程区森林面积的变化主要得益于人工造林，灌木林面积增加归因于封山育林，这两部分效果是真正的天保成效，而其它3种生态类型的变化归因于自然因素，即全球变暖导致冰川雪被萎缩，促使草地上缘向高海拔伸展。

图3 生态系统类型在天保三县内的分布比例(2010年)

从图3可看出，2010年各种用地类型在研究区内的空间分布表现出明显的不均衡性。森林主要分布在芒康县和江达县；灌木林在3个县分布面积比较均衡；草地在3个县分布面积比例都很高，其中江达县为最高；高寒荒漠也主要分布在江达县；冰川雪被主要分布在江达县和芒康县。由于天保三县主要生态类型分布的差异，导致天保工程期间，生态系统类型变化趋势的不同。江达县森林面积增加最大，为3.96%，冰川雪被和高寒荒漠减少面积最多，分别为1.35%和1.21%；贡觉县灌木林面积增加最大，为2.89%，而草地面积减少了2.69%；芒康县森林面积增加3.90%，灌木林面积增加2.50%，而草地面积减少4.80%。

3.3 天保三县生态服务价值变化

3.3.1 生态服务价值构成变化

通过生态系统类型单位面积的生态服务价值表和生态系统类型转移矩阵计算得到天保三县生态服务价值构成(表3)。2000年生态系统每年的服务价值为191.42×108元/年，2010年为202.16×108元/年，增加了10.74×108元/年，表明“天保”工程实施10年期间，天保三县生态环境质量得到明显的改善。生态系统价值服务增长主要排序为：土壤形成与保护>气体调节>水源涵养>生物多样性保护。其中，土壤形成与保护增加1.90×108元/年，其价值主要来源于芒康县，占增加值的47%；气体调节增加1.78×108元/年，其价值主要来源于芒康县和江达县，各占增加值的44%和40%。由于森林和草地在天保三县的生态系统类型中占有支配地位，共计67.23%，森林在土壤形成与保护方面的生态服务价值最高，且面积呈增加趋势，造成土壤形成与保护价值服务增长幅度最大。

表3 天保三县生态服务价值构成

按各县统计，10年间，江达县、贡觉县和芒康县生态服务价值分别占总增加值的35.38%、19.09%和45.53%。江达县在气体调节、原材料、水源涵养和土壤形成与保护方面的生态价值分别增加了0.71×108元/年、0.64×108元/年、0.63×108元/年和0.56×108元/年。贡觉县在土壤形成与保护、气体调节和生物多样性保护方面的生态价值分别增加了0.45×108元/年、0.29×108元/年和0.28×108元/年。芒康县在土壤形成与保护、气体调节和水源涵养方面的生态价值分别增加了0.89×108元/年、0.78×108元/年和0.72×108元/年。各县生态服务价值增长的差异主要是由于生态系统类型空间分布不均衡性及生态系统类型间互相转换的频率引起的。

将气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、废物处理和生物多样性保护作为间接价值，将食物生产、原材料、休闲娱乐作为直接价值，2010年研究区直接价值为22.38×108元/年，间接价值为179.78×108元/年，间接价值是直接价值的8倍。因此，天然林保护区的生态服务价值主要体现在间接价值上。10年期间，研究区的生态服务价值增加了10.74×108元/年，其中，间接价值增加了8.68×108元/年，为直接价值增加量的4倍多。生态服务价值的增加量主要来自于芒康县，占45.5%；其次来自于江达县，占35.38%。其主要是由于芒康县和江达县的森林服务价值增加量远高于贡觉县的森林服务价值增加量。

3.3.2 不同生态系统类型的生态服务价值变化

在生态系统类型变化区内，土地的生态服务价值同时发生着增加和减少两种相反趋势，在很大程度上二者价值相互抵消，使其总体上价值维持相对稳定。因此，生态系统类型价值的稳定并不意味着生态系统类型的生态价值变化较小。表4给出了2000-2010年期间天保三县非变化区生态系统类型的生态服务价值、变化区内各种用地类型的流入、流出价值及其价值的变化。可以看出，2010年非变化区的生态服务价值为124.87×108元/年，只占整个生态系统服务价值的61.77%，说明不同生态系统类型间生态服务价值的流动性较大。其中，流动价值变化较大的用地类型为灌木林和高寒荒漠，分别占其总价值的60.96%和54.22%。10年间，森林和灌木林的生态服务价值为上升趋势，分别增加11.80×108元/年和3.03×108元/年，增加比例分别为6.16%和1.59%，森林价值的增加远高于灌木林价值的增加。草地、高寒荒漠和冰川雪被的生态服务价值为下降趋势，且草地的生态服务价值减少量最大，为3.84×108元/年，减少比例为2.01 %。草地主要流向森林和灌木林，总面积减少，是生态服务价值减少的主要原因。另外，10年间草地生态环境质量的改善情况，不同草地类型的生态服务价值的差异，并没有通过单位面积生态服务价值体现出来，也是造成其生态服务价值减少的原因，这方面的工作有待于进一步研究。

表4 天保三县生态系统类型的生态价值变化

3.3.3 不同地形条件下生态服务价值变化

天保三县生态系统服务价值垂直空间分布差异明显，见表5。

表5 不同地形条件下天保三县生态服务价值空间分布

海拔在2 100～4 100m区间内的生态服务价值占总生态服务价值的40.15%，森林为主导生态类型；海拔在4 100～4 500m区间生态服务价值占比最高，占总生态服务价值的42.06%，也是生态服务价值变化的主要区域，森林、灌木林和草地为主导生态类型；海拔4 500～6 300m区间内生态服务价值仅占总生态服务价值的17.79%，草地为主导生态类型，同时也是高寒荒漠和冰川雪被主要分布区，分别占其价值总量的72%和95%。

10年期间，森林生态价值增加量主要来自于海拔3 500～4 500m区间，占其总价值增加量的66%；灌木林生态价值增加量主要来自于海拔4 100～4 500m区间，占其总价值增加量的73%；草地生态价值减少量主要来自于海拔4 100～4 500m区间，说明此海拔区间为草地向森林、灌木林转换的主要区间；高寒荒漠和冰川雪被生态价值减少量主要来自于海拔4 500m以上，这是由于其生态类型主要分布在海拔4 500m以上区域。森林、灌木林、高寒荒漠和冰川雪被主要分布在坡度15°～35°内；草地主要分布于相对平坦地区，坡度为15°以下。在坡度15°～35°内森林生态服务价值增加量占其总增加量的63%；灌木林生态服务价值增加量主要在坡度15°以下；草地生态服务价值减少量主要在坡度15°以下，说明在相对平坦地区灌木林区向草地延伸为其服务价值减少的主要原因。

4 结论

(1)西藏天然林保护工程一期建设，成效显著。10年期间，森林面积和灌木林呈增加趋势，尤其森林面积增加显著，草地、高寒荒漠和冰川雪被呈减少趋势。其中，森林面积增加了1 111.69km2，草地面积减少了779.087km2。灌木林与森林、草地间转换较为频繁，灌木林被森林侵占的同时亦向草地扩展。

(2)天保三县生态环境质量得到明显的改善，间接价值为其生态服务价值的主要体现。10年间，生态服务价值增加了10.74×108元/年，间接价值增加量为直接价值增加量的4倍多。在生态系统价值构成演变中，价值服务增长主要排序为：土壤形成与保护>气体调节>水源涵养>生物多样性保护。

(3)不同生态系统类型间生态服务价值的流动性较大。2010年非变化区的生态服务价值只占整个生态系统服务价值的61.77%。森林和灌木林的生态服务价值增长显著，分别增加了11.80×108元/年和3.03×108元/年，增加比例分别为6.16%和1.59%；草地的生态服务价值减少量最大，为3.84×108元/年，减少比例为2.01%。

(4)天保三县生态系统服务价值垂直空间分布差异明显，海拔4 100～4 500m区间为生态系统服务价值最大区间，也是生态价值量变化的最大区间。10年期间，草地向森林、灌木林转换主要发生在海拔4 100～4 500m区间，坡度为15°以下相对平坦的地区。

[1]Costanza R,d’Arge R,Groot R,etal.The value of the world’s ecosystem services and natural capital[J].Nature,1997,387:253-260.

[2]王景升,李文华,任青山,等.西藏森林生态系统服务价值[J].自然资源学报,2007,22(5):831-841.

[3]史培军,王静爱,冯文利.中国土地利用/覆盖变化的生态环境安全响应与调控[J].地球科学进展,2006,21(2):111-119.

[4]吕立刚,周生路,周兵兵,等.区域发展过程中土地利用转型及其生态环境响应研究—以江苏省为例[J].地理科学,2013,33(12):1442-1449.

[5]Costanza R.Ecological Economics.The science and management of sustainability[M].New York:Columbia University Press,1991.

[6]Harold A,Angela C,Walter R.The millennium ecosystem assessment:what is it all about?[J].Trends in Ecology and Evolution,2004,19(5):221-224.

[7]梁欣,臧淑英,张思冲.基于土地利用变化的生态服务价值损益估算:以大庆市为例[J].自然灾害学报,2006,15(2):68-72.

[8]赵军,杨凯.生态系统服务价值评估研究进展[J].生态学报,2007,27(1):346-355.

[9]薛达元,包浩生,李文华.长白山自然保护区生物多样性非使用价值评估[J].中国环境科学,1999,19(3):247-252.

[10]欧阳志云,王效科,苗鸿.中国陆地生态系统服务功能及其生态经济价值的初步研究[J].生态学报,1999,19(5):607-613.

[11]陈仲新,张新时.中国生态系统效益的价值[J].科学通报,2000,45(1):17-22.

[12]谢高地,鲁春霞,冷允法,等.青藏高原生态资产的价值评估[J].自然资源学报,2003,18(2):189-196.

[13]李文杰,张时煌,王辉民.基于GIS和遥感技术的生态系统服务价值评估研究进展[J].应用生态学报,2011,12(12):3358-3364.

[14]向晓林.西藏天保建设进展顺利去年森林资源消耗量减少60.0万立方米[N].中国花卉报,2001-3-15.

[15]周秋文,苏维词,陈书卿.基于景观指数和马尔科夫模型的铜梁县土地利用分析[J].长江流域资源与环境,2010,19(7):770-775.

Ecological Services Evaluation of Natural Forest Resources Conservation Programme Area in Tibetan Autonomous Region

ZHENG Guo-qiang1,WANG Jing-sheng2

(1.Shandong Jianzhu University GIS Laboratory,Jinan Shandong 250101,P.R.China;>2.Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Science,Beijing 100101,P.R.China)

With Natural Forest Resources Conservation Program area in Tibetan Autonomous Region as the research area,based on TM/ETM+ data in 2000 and the environmental satellite data in 2010,ecosystem types database in 2000 and 2010 were established after geometry correction,atmospheric radiation correction,and object-oriented classification.According to research achievements of Costanza and Xie Gaodi et al and referring to actual investigation of three counties implementing Natural Forest Resources Conservation Programme,the ecological service value for unit area of different ecosystem types in Natural Forest Resources Conservation Programme area was calculated,and quantitative study on the structure of ecological service value and variation of service value in different ecosystem types were conducted.The results are as follows:significant progress has been made in Tibet’s Natural Forest Resources Conservation Programme area.During the past 10 years,forest land and shrub forest have showed an increasing trend,especially forest area increased significantly,but grassland,alpine desert and glacial snow showed an reducing trend; Ecosystem environment quality has been significantly improved and ecological service value increased 10.74×108yuan/year.The indirect increasing value is over four times more than the direct increasing value,among which,forest and shrub forest ecological service value increased 6.16% and 1.59% respectively,grass ecological service value reduced 2.01%; the growth sorting of ecological service type value is as follows:soil development and protection>gas regulation>water conservation>biodiversity protection.The vertical spatial distribution of ecological service value was significantly different.Areas at altitude ranging from 4 100 to 4 500m provided the biggest quantity of ecosystem service value,and also showed the biggest quantity change of ecological service value.

ecological services value; ecosystem;Tibetan Autonomous Region;Natural Forest Resources Conservation Program

10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.06.009

2015-10-20

中国科学院西部行动计划课题“天然林保护和退牧还草工程效果的监测评价”(KZCX2-XB3-08-03)，山东省高等学校优

郑国强(1972-)，男，副教授，博士，主要从事环境资源遥感和土地利用等研究。E-mail: zhenggq_ok@163.com

简介： 王景升(1973-)，男，高级工程师，博士，主要从事青藏高原植被恢复技术、生态服务功能评估研究，重点关注全球气候变化条件下不同生态系统响应与适应过程与机制。E-mail: wangjsh@igsnrr.ac.cn

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A

1672-8246(2016)06-0049-07

秀青年教师国内访问学者项目。