基于生态资源数据库的生态系统服务价值动态变化研究

武爱彬，李永魁

（河北省科学院地理科学研究所，河北 石家庄 050021）

当前，我国处于大力推进生态文明建设的新阶段。土地等生态资源已成为国家发展建设的稀缺资源之一［1］，迫切需要对生态资源的可持续性利用有更科学的规划。在此背景下，建立区域性生态资源数据库对于动态监测、综合管理各种基础信息就显得尤为重要。数据库的建立有利于量化、细化生态建设基础，可以全面、准确的反应区域内土地利用现状、水文、植被、地形地貌等基础地理信息，实现数据的实时更新，快速、有效的检索和使用。进行生态系统服务价值动态研究可以为区域内经济结构调整、重大建设项目布局、促进社会经济的可持续发展及为生态环境保护管理提供科学决策依据。

1 研究区域概况

河北燕山浅山丘陵位于燕山东部，河北省东北部，地理位置介于北纬39°53′和40°58′，东经117°19′和119°35′之间。涵盖承德市东南部、秦皇岛市北部和唐山市北部等区域，总面积约28534.26平方公里。中西部处于暖温带大陆性季风气候区，年均温6～10℃，1月均温－12～－6℃，7月20～25℃，年降水量700mm 左右，流水侵蚀作用强烈。东部属于温带季风气候，因受海洋影响较大，气候比较温和，春季少雨干燥，夏季温热无酷暑。

2 数据库的构建

河北省燕山浅山丘陵区生态资源信息库包含土地覆盖、地貌、地形、气象、DEM、水文、土壤、植被、自然灾害、行政区划、古河道、环境现状、环境敏感性分析、环境重要性评价、交通、旅游、农业区划、区片价等多种资源信息。

2.1 数据收集与处理

数据库的数据主要来源于不同时段，不同谱段的遥感图像（1987年、1995年、2000年TM影像，2010年中巴影像等）、各种基础底图（行政界线、地质、地貌、植被、气候等）、环境专题图、GPS的定位信息和地面高程模型等。将图件资料扫描矢量化，最后得到地貌、地形、气象、DEM、水文（堤防、湖泊水库、水利枢纽、水文站、水系、泄洪区、雨量站）、土地覆盖（1987 年、1995年、2000年、2010年）、土壤（土壤氮含量、土壤钾含量、土壤磷含量、土壤类型、土壤有机质、土壤质地）、植被、自然灾害、行政区划（区域、市、县、乡、村行政界线、乡镇居民点、农村居民点）、古河道、环境（环境现状、环境敏感性分析、环境重要性评价）、交通、旅游、农业区划、土地利用现状、区片价等图层。

空间数据采用正轴等面积双标准纬线割圆锥投影（Albers）。地形图数据采用经向分带的高斯－克吕格投影方式，设计参数与变形估算如下：中央经线选取东经115°；坐标原点位于东经115°与北纬35°的交点；南标准纬线为北纬36°；北标准纬线为北纬40°；地理坐标采用克拉索夫斯基椭球体。

2.2 建立拓扑关系

在在ArcCatalog中新建个人数据库（Personal Geodatabase），在个人数据库中新建一个要素集（Feature Dataset），并将处理好的各图层数据作为要素类批量导入该要素集下。在该要素集空白处右键选择Topology窗口，建立各图层间的拓扑规则。

2.3 输入属性和注记

按照相关部门的标准规定和研究的实际需要对数据的属性进行输入和完善。输入注记可以新建注释标记点图层，将地名注记、地形地貌注记、地类注记和道路注记等录入图层，导入注记层，建立注记层和线、面图层的拓扑关系。

2.4 数据库检查与建立数据库字典

传统的数据库检查方法一般有目视法、属性检查法、透明图与原图叠加比较法和追踪元数据法等。此外，本数据库还利用了空间数据自身的地理特征的相关性来分析数据质量，如利用数据库中的等高线和等高点生成DEM 数据与河流等数据叠加分析，效果十分直观。数据库检查合格后建立数据库字典。

3 生态系统服务价值评价

3.1 生态系统服务价值计算方法

生态系统服务是生态系统与生态过程所形成及维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用，包括对人类生存及生活质量有贡献的生态系统产品和生态系统功能［2］。Costanza等［3］在总结过去几十年生态系统公益价值评价研究的基础上，将生态系统服务功能归纳为17种类型，并进行了货币化测算（公式1），谢高地等人在Costanza的基础上统计修正得出的“中国生态系统服务价值当量因子表”［4－5］，土地利用的变化是影响生态系统的结构和功能变化最重要的因素之一［6］，生态系统结构和功能的变化直接影响生态系统的服务价值。通过生态资源数据库不同年份同季遥感影像可以获取不同年份的土地利用现状图，利用“中国生态系统服务价值当量因子表”可以计算出研究区域生态系统服务价值的动态变化。

式中：ESV——生态系统服务总价值；AK——研究区k种土地利用类型的面积；VCk——生态系统服务价值系数。

结合研究区域的实际情况，在从遥感图像中提取6种土地利用类型：耕地、林地、草地、建设用地、水域和未利用地进行监督分类，并参照土地利用现状图进行野外校核、进行错误纠正，获取研究区1987、2000和2010的遥感解译土地利用现状数据。

谢高地等制定了“中国生态系统服务价值当量因子表”（表1），当量因子是指在定义1公顷全国平均产量的农田每年自然粮食产量的经济价值为1的基础上，其他生态系统相对于农田食物生产服务的贡献值。本研究针对研究区域的具体情况，对生态系统服务价值的当量因子做如下修订：以燕山浅山丘陵区1987－2010年平均粮食产量3195.52kg／ha为研究区的基准单产，考虑到没有人力投入的自然生态系统提供的经济价值是现有单位面积农田提供的食物生产服务经济价值的1／7［6］，得出燕山浅山丘陵区单位面积农田每年自然粮食产量的经济价值是456.70元／（ha·a），以此来计算燕山浅山丘陵区各类土地面积年度生态服务价值量，建设用地生态服务价值为零。

3.2 生态系统服务价值变化分析

如表2所示，河北燕山浅山丘陵区1987、2000和2010年的生态服务价值分别为171.21、198.02和202.82亿元，表明该区域生态生产力呈上升趋势，生态系统服务功能整体上是提高的，生态环境不断优化。1987－2000年生态服务价值增加26.80亿元，平均每年增加2.06亿元，2000－2010年生态服务价值增加4.80亿元，平均每年增加0.48亿元，说明与2000年相比生态系统调整速度变缓，2000年前生态系统优化调整更为明显，总体上来说，从1987－2010年，土地利用类型的变化从生态服务价值角度判断是可持续发展的。

表1 中国陆地生态系统单位面积生态服务价值当量表

从各生态系统服务功能价值来看，林地生态系统所占比例最大，1987、2000和2010年都达到了总价值的65%以上且在不断增长，增长幅度为52.49%。草地、耕地、水域和未利用地的生态系统服务价值量都在不断下降，其中未利用地下降幅度最大，由1987年164.76万元／年下降到2010 年11.85 万元／年，下降幅度达到了92.81%；水域、草地和耕地分别下降了73.86%、55.30%和21.51%。说明1987－2010年期间，耕地、草地、水域和未利用地的变化趋势对生态服务价值和生态环境质量的影响是负面的，林地起到了明显改善生态环境的作用。

表2 河北燕山浅山丘陵区1987－2010年生态系统服务功能价值及其变化

由表3可以看出燕山丘陵区1987－2010年期间占生态系统功能总价值比重较大的单项生态系统服务是保持土壤、水源涵养、气体调节、气候调节和维持生物多样性，食物生产和提供美学景观价值比重最小。1987－2000年，食物生产和废物处理生态服务功能价值在减少，减少比例为14.57%和5.46%，其他各项生态服务功能价值都在增加，增加幅度较大的为保持土壤、气体调节、维持生物多样性和水源涵养，分别增加了18.34%、14.76%、14.43%和14.39%，这与期间耕地大幅度减少和林地大幅度增加有关。2000－2010年，食物生产、水源涵养和废物处理生态服务功能价值在减少，减少比例分别为7.65%、3.15%和12.44%，食物生产生态服务功能价值减少的数量和幅度相比1987－2000年都在减缓，与此期间耕地数量减少的速度在放缓有关，废物处理服务功能价值减少的速度在增加，水源涵养服务功能价值由1987－2000年期间增加变成了减少，主要与此期间水域面积锐减相关。总体来说，1987－2010年期间，保持土壤、维持生物多样性、气体调节、气候调节、原材料生产和提供美学景观的服务功能价值在不断增加，食物生产、水源涵养和废物处理的服务功能价值在减少。

表3 燕山浅山丘陵区1987－2010年各项生态系统服务功能的价值变化（亿元／a）

4 结论与讨论

（1）生态资源数据库的建立可以对燕山浅山丘陵区资源环境诸领域业已获取的大量数据信息进行综合管理，以备作进一步的分析研究，提供基础研究所必需的资料.以地理信息系统作为支撑条件，使本系统具备足够的灵活性，今后可以根据一些具体的应用需求，进行数据库的扩充和展开，完善相关的分析和建模功能，进行系统的二次开发，达到满足不同需要的目的.

（2）燕山浅山丘陵区1987、2000 和2010 年的生态服务价值分别为171.21、198.70 和202.02亿元。其中林地生态系统服务价值在不断增加，增长幅度为52.49%，草地、耕地、水域和未利用地的生态系统服务价值在不断下降，其中未利用地下降幅度最大，下降幅度达到了92.81%；水域、草地和耕地分别下降了73.86%、55.30%和21.51%。说明1987－2010年期间，耕地、草地、水域和未利用地的变化趋势对生态服务价值和生态环境质量的影响是负面的，林地起到了明显改善生态环境的作用。保持土壤、维持生物多样性、气体调节、气候调节、原材料生产和提供美学景观等单项生态服务功能价值在不断增加，食物生产、水源涵养和废物处理等单项服务功能价值在减少。

（3）生态系统服务价值可以一定程度上反应区域生态环境质量现状，结合生态资源数据库中自然、地理、环境状况以及经济、人口、社会等信息数据，可以更加深入、系统地分析研究区域土地利用以及生态环境现状，为各级政府和有关部门规划和决策提供可靠的科技支撑，有利于研究区域生态环境保护和社会经济的可持续发展。

［1］陈军，田永中，燕思思，钟燕林.基于ArcGIS的县级土地利用数据库的建立——以巫溪县为例［J］.广东土地科学，2008（12）：32－35.

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

［3］Costanza R，Arge R，Groot R etc，The value of the world＇s ecosystem services and nature capital［J］.nature 1997，386：253－260.

［4］谢高地，甄霖，鲁春霞，等.一个基于专家知识的生态系统服务价值化方法［J］.自然资源学报，2008，23（5）：911－919.

［5］谢高地，鲁春霞，冷允法，郑度，李双成.青藏高原生态资产的价值评估［J］.自然资源学报，2003，18（2）：189－195.

［6］Lambin E F，Baulies X，Bockstael N，et al.Land use and land cover change，implementation strategy.In：IGBP Report No.35／HDP Report No.10.Stockholm：IGBP，1999.