基于RS与GIS的赣江上游流域生态系统服务价值变化

陈美球，赵宝苹，罗志军,*，黄宏胜，魏晓华，吕添贵，许 莉

(1.江西农业大学/江西省鄱阳湖流域农业生态工程技术研究中心,南昌 330045; 2.江西省煤田地质局测绘大队，南昌 330001)

生态系统服务是指通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到的生命支持产品(如食物、原材料)和服务(如废弃物同化)，是人类生存和发展的物质基础和基本条件，既为人类提供实物型的生态产品，还以其丰富的生物多样性向人类提供更多类型的非实物型生态服务，这些生态产品和服务给人类带来了巨大的价值[1-5]。近十几年来，国内外学者已经重视并开展了各尺度上的生态系统服务价值评估研究，并成为生态系统可持续研究的热点之一[6-7]。土地利用作为人类最基本的实践活动，对维持生态系统服务功能起着决定性的作用[8-9]，研究土地利用背景下的生态系统服务价值变化对促进区域生态建设、研究区域可持续发展具有重要意义[10-11]。

赣江是鄱阳湖流域第一条大河，其流域面积占鄱阳湖流域的51.5%，在江西省社会经济的发展中占有极其重要的地位[12]。赣江上游流域作为水源涵养区、生态环境保护与恢复的核心区，其生态环境状况是整个流域生态系统赖以存续的基础，也是确保整个鄱阳湖流域生态系统健康的前提条件[13]。随着鄱阳湖生态经济区建设上升为国家战略，要实现“全国生态文明与经济社会发展协调统一、人与自然和谐相处的生态经济示范区和中国低碳经济发展先行区”的战略目标[14]，维持赣江上游流域良好的生态环境更显重要。将生态系统服务价值核算引入赣江上游流域，并在地理空间框架上进行空间分布分析，将有助于建立区域生态补偿机制，解决上游流域生态系统外部性的突出问题。为此，本研究借助遥感信息，对赣江上游流域1990—2005年的生态系统服务价值(ESV)进行分析，摸清近15年来赣江上游流域生态系统服务价值的时空变化规律，为维持和提升区域生态系统服务功能提供科学依据。

1 研究区域概况

1.1 研究区域范围的界定

图1 研究区域范围和地理位置示意图

《江西水系》[15]按集水面划定赣江流域，而《江西省统计年鉴》[16]中对江西各行政单位流域隶属的统计资料以行政界线为依据。为便于社会经济的资料的获取、分析及成果的应用，本文根据以下两个原则确定研究区域范围：①县级行政中心在赣江上游流域边界内的县(市、区)应纳入研究范围；②政区面积60%以上在赣江上游流域边界内的县(市、区)的应纳入研究范围。依此，本文确定的研究区域范围(图1)，包括章贡区、赣县、南康市、信丰县、大余县、上犹县、崇义县、安远县、龙南县、全南县、宁都县、于都县、兴国县、瑞金市、会昌县、石城县等16个县(市、区)。

1.2 研究区域概况

赣江上游流域在江西省南部，位于113°54′—116°38′E，24°29′—27°09′N之间，处于我国东南沿海地区向中部内地延伸的过渡地带，也是内地通向东南沿海的重要通道之一。赣江上游流域研究区域面积35699km2，流域总面积27095km2，河流总长度312km。该区地形复杂多，地貌以丘陵、山地为主，地势四周高，中间低。区内属亚热带气候，热量丰富，雨量充沛，年平均气温18.9℃，年平均降水量1573mm，生物资源和矿产资源丰富，该区是全国重点有色金属基地之一。

2 研究方法

2.1 数据来源及处理

本研究以1990年、1995年、2000年和2005年4期的Landsat TM/ETM遥感图像为主要数据源，利用Erdas软件对影像进行波段选择与组合、统一投影系统、几何校正(误差不超过0.5个像元)、区域裁减等数据预处理，然后在ArcGIS的支持下，采用人机交互式解译，通过监督分类和目视解译相结合，获得研究区域4期的土地利用数据库。根据野外调查采样点的数据，对遥感影像分类结果进行检验，4期土地利用分类的总精度和Kappa指数等均大于0.8，其分类结果基本符合精度要求。将土地利用/土地覆被类型分为六个大类，即耕地、林地(园地)、草地、水域、建设用地(城镇用地、农居点用地、独立工矿用地、交通用地、水利设施用地等)和未利用地。

2.2 生态系统服务价值评价方法

2.2.1 生态系统服务价值评价方法

Costanza 等[1]对全球尺度上的生态服务价值进行估算，为了减少其应用于中国陆地生态系统所造成的误差，谢高地等[2]在Costanza 等提出的评价模型基础上，结合对我国200位生态学者进行的生态问卷调查结果,建立了中国陆地生态系统单位面积服务价值表(表1)，并确定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。考虑到研究区的实际情况和当前的研究进展,本文引用谢高地的中国陆地生态系统单位面积生态服务价值表,利用Costanza等[1]提出的生态服务价值分析模型计算赣江上游流域的生态系统服务价值,其公式为：

ESV=∑(Ak×VCk)

(1)

式中,ESV为生态系统服务价值(元)；Ak为第k类土地利用类型的面积(hm2)；VCk为第k类土地利用类型的生态系统价值系数(元·hm-2·a-1)。

表1 中国陆地生态系统单位面积生态系统服务价值当量表/(元/hm2)

当量：指生态系统产生的生态服务功能相对贡献的大小，定义为1hm2全国平均产量的农田每年自然粮食产量的经济价值，确定1单位的当量价值为当年全国粮食平均价值的1/7; 当量与全国粮食平均价值的1/7相乘即可得到某生态系统单位价值量

2.2.2 单位面积生态服务价值的确定

根据表1，陆地生态系统单位面积生态系统服务价值=当量×单位当量价值，建设用地的当量根据周飞等的研究[17]推算而来。根据江西省统计年鉴的数据，计算出赣江上游流域的不同生态系统单位面积生态服务价值(表2)。

2.2.3 生态系统敏感性指数计算

为了确定生态系统服务价值(ESV)随时间的变化对于生态服务功能价值指数(VC)的依赖程度，选取经济学中常用的弹性系数概念来计算价值系数的敏感性指数(CS)[18]。CS的含义是指VC变动1%引起ESV的变化情况，如果CS>1,表明ESV 相对于VC是富有弹性的；如果CS<1，ESV则被认为是缺乏弹性的,比值越大，表明生态服务功能价值指数的准确性越关键[19-20]。本文将耕地、林地、草地和水域的价值指数分别调整50%,衡量总生态系统服务价值变化。敏感性指数的计算公式如下：

(2)

式中,CS为敏感性指数；ESV为总生态系统价值量；VC为生态系统价值系数；i和j分别为最初的和调整后的价值；k为某种土地利用类型。

表2 赣江上游流域生态系统单位面积生态服务价值表(元/hm2)

3 结果与分析

3.1 时间变化分析

将各时期解译后的土地利用现状数据从空间数据库中导出，进行归一化处理，得出1990—2005年的土地利用变化数据(表3)，并根据表2，按不变价格计算出相应年份的生态系统服务价值(表4)。

表4表明，1990—2005年各种生态系统功能的价值量都有所上升，其中土壤的形成与保护功能的功能价值增加最多，增加20.88亿元，其次是气体调节功能增加18.95亿元，生物多样性保护的功能价值增加也比较高为17.67亿元，整个区域的食物生产、废物处理和娱乐文化功能增加迟缓，分别只增加0.82、7.18亿元和7.21亿元。

3.2 空间变化分析

以县(市、区)为单位，对生态系统服务价值进行汇总(表5)。各县(市、区)的生态服务价值总量与其的政区面积正相关，对于县(市、区)的价值总量上比较，其实际意义不大。故本文着重分析其在地均单位价值量的变化及1990—2005年间生态系统服务价值量的变化。

1990—2005年间的变化量上最多为石城县0.45万元/ hm2之间，其次的上犹县、崇义县：均为0.41万元/ hm2，其余依次为大余县、瑞金市、南康市、赣县、会昌县、于都县、章贡区、全南县、兴国县、信丰县、宁都县、安远县和龙南县。从空间地域看(图2)，位于贡江源头的石城及位于章江源头的上犹县和崇义县，其生态系统服务价值量增加最多，说明源头的生态系统不断得到改善，而这3个县也正是退耕还林最多的区域。

图2 赣江上游流域各县(市、区)的ESV变化率图

3.3 敏感度分析

根据CS计算公式,将耕地、林地、草地和水域的价值指数分别上下调整50%,计算了研究区1990 年、1995 年、2000年和2005年的生态系统服务价值敏感性指数。结果表明，ESV 对CS的敏感性指数都小于1，说明研究区内ESV 对VC是缺乏弹性的，研究结果是可信的。其中，由于林地的面积和单位面积的生态服务价值较大，所以林地的敏感性指数最大，为0.57，表示林地的VC增加1%，ESV增加0.57%。而其他土地利用类型的CS都远小于1，趋近于0。相对于水域和林地，耕地和草地的生态价值系数都较低，但是耕地的灵敏度大于草地，这是由于耕地的面积大于草地。

4 结论与讨论

(1)本文参照前人研究成果，结合赣江上游流域的实际情况，确定了赣江上游流域各类用地单位面积生态系统服务价值当量表；利用遥感、地理信息系统的作为生态系统服务价值核算手段，具有快捷、覆盖面广、获取信息全面、准确等优点，通过遥感解译与制定各类生态系统服务价值当量，能够实现赣江上游流域的动态、持续的生态系统服务价值长期研究。

(2)研究表明，赣江上游流域的ESV总量1990—1995年增长速度缓慢，增加了25.21亿元；1990—1995年间增长速度变缓，并且增加量幅度不大，共增加17.73亿元；2000—2005年增加迅速，增加量为74.33亿元，主要原因为期间实施的退耕还林工程，这说明研究区域ESV的变化，政策导向作用是一个关键因素；随着区域新增建设用地不断增加，建设用地ESV总量2005年比1990年减少2.68亿元，是区域内ESV变化幅度最大的地类，这导致区域内食物生产功能、废物处理功能比其他功能价值增加速度低，可见区域内各生态系统功能彼此密不可分，土地利用方式的改变是不可忽视的因素。

(3)根据分析，研究区生态系统服务价值变化的原因：一是土地利用/覆被格局改变造成各自然生态系统面积变化；二是自然生态系统健康程度直接造成单位面积生态系统提供的服务功能价值的变化[18]。但政策因素对生态系统服务价值变化的影响不可忽视，因此相关部门在制定区域发展政策时，要特别注重国土管理，加强生态环境建设，实现区域社会效益、经济效益、生态效益相协调发展。

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