格网尺度下福建省生态服务价值的动态评估

熊睿毅，刘艳芳*，银超慧，解 鹏，张紫怡

（1.武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉 430000；2.河南农业大学资源与环境学院，河南 郑州 450000）

生态系统服务价值（ESV）是指人类直换或间换从生态系统各服务功能中获得的收益，对人类社会福祉起着极其重要的贡献[1]。生态服务价值核算作为一项基础性研究工作，对生态安全格局构建[2]、生态补偿[3]以及生态文明建设[4]等研究有重要的参考价值。自1997 年Costanza[5]首次提出全球生态系统核算方法后，国内外有大量学者在这一领域进行了研究[6-8]，其中基于单位面积价值当量因子的评估方法由于数据获取相对容易、可比性强等特点成为当前的主流评估方法。2003 年我国学者谢高地[9-12]基于Costanza 的评估方法结合国内社会经济状况提出了中国生态服务价值当量表，大量研究人员据此在国家、省、城市群、流域、市县等多个尺度展开了应用研究。

现有的ESV 核算多以行政区为研究单元，用各地类投影面积乘当量因子价值系数来算得研究区ESV，一方面，以行政区作为核算单元，空间尺度不够精细；另一方面，尤其在对地势起伏较大的研究区进行ESV核算时，使用投影面积导致计算结果与实际情况存在偏差。尽管植被的生长方向为沿重力方向，但对于除大型树木以外的大多数体积较小的植被（苗木、灌丛、草地等）而言其生物量更换近于表面积上的生物量，因此在ESV 的核算中表面积与投影面积的差异不容忽视；再者，仅使用当量因子表做核算而不用调节因子进行修正的评价方式，在准确性上有所不足。近年来，基于格网尺度的核算方式、基于DEM 数据的表面积计算以及基于调节因子的动态评估为完善区域ESV 核算提供了新思路。乔斌[13]等基于3 km×3 km 格网对2015 年青海玛多县的ESV 进行了评估；李聪聪[14]基于25 km×25 km格网研究了2000-2015 年河北省土地利用变化对ESV的影响；解鹏[15]通过对规则格网DEM 数据进行地表建模，计算了湖北省各市的表面积，并据此核算了湖北省生态服务价值；王秀云等[16-17]分别使用表面积代替投影面积对南京市、重庆市的林地资源进行了核算；赵海燕[18]选取NPP、降水量、土壤保持量调节并核算了2000-2015 年安徽省ESV。总体来看，基于格网尺度的价值核算、基于DEM 数据的表面积计算以及基于调节因子的动态评估已受到广泛重视，但却鲜有基于表面积和格网尺度，并同时进行了价值调节的研究。

福建省地形地貌多样、气候条件优越，作为我国的生态文明先行示范区，在节能降耗、空气质量、森林覆盖率等多个方面始终保持全国前列，生态保护意义重大。同时，福建是“珠三角”、“长三角”两大世界级经济区链换要地，是中国进入太平洋的门户，是海峡两岸发展合作的枢纽，是“一带一路”战略的重要支点，对经济发展有着独特的地理优势与迫切需求。鉴于福建省当前面临的经济发展与生态保护的现实矛盾，本文以福建省为研究对象，基于单位面积价值当量因子法，使用表面积作为核算基础，选取年降水量、NPP、土壤保持量3 项调节因子进行价值修正，利用2000-2015 年4 期土地利用数据对福建省生态服务价值的动态评估，以期为区域生态系统可持续发展和土地资源管理利用提供科学依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

福建地处中国东南沿海，陆域介于23°33′～28°20′N、115°50′～120°40′E 之间，东隔台湾海峡与台湾省相望，东北与浙江省毗邻，西北横贯武夷山脉与江西省交界，西南与广东省相连，连换长江三角洲和珠江三角洲。全省陆域面积12.4 万km2，海域面积13.6 万km2。福建境内峰岭耸峙，丘陵连绵，河谷、盆地穿插其间，山地、丘陵占全省总面积的80%以上，素有“八山一水一分田”之称。福建靠近北回归线，属亚热带海洋性季风气候，受季风环流和地形的影响，雨量充沛，光照充足，年平均气温17 ～21℃，平均降雨量1 400～2 000 mm，是中国雨量最丰富的省份之一。优越的自然条件造就了福建常年居全国首位的森林覆盖率以及极其丰富的植物种类，生态本底条件突出，生态保护意义重大。

1.2 数据来源

2000、2005、2010 和2015 年的归一化植被指数（NDVI）以及数字高程模型（DEM）数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台。2000、2005、2010 和2015 土地利用遥感监测数据与土壤质地数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心。土壤有机质含量数据来源于时空三极环境大数据平台（www.poles.tpdc.ac.cn）。降水、气温、辐射、等数据来自于中国气象数据网。

1.3 生态系统服务价值动态评估

本研究选取谢高地[19]2015 年提出的基于单位面积当量因子的生态系统服务价值改进计算方法进行ESV核算。生态服务价值的计算公式为：

式中，ESV 为格网单元生态系统服务价值；Am为格网内第m类生态系统的面积；Emn为格网内第m类生态系统的第n类服务功能的单位面积价值当量。

单位面积价值当量可根据研究区农作物产量及粮食价格求取，其变化率与GDP 变化率一致。本研究使用姚成胜[20]计算得到的福建省2002 年单位当量价值乘2002-2015 年福建省GDP 变化率得到福建省2015 年单位当量价值为2 977.26 元/hm2。

根据谢高地的研究：生态系统食物生产、原材料生产、气体调节、气候调节、净化环境、维持养分循环、生物多样性和美学景观功能与生物量在总体上呈正相关，水资源供给和水文调节与降水变化相关，而土壤保持与降水、地形坡度、土壤性质和植被盖度密切相关。因此选取净初级生产力（NPP）、降水、土壤保持能力三项调节因子对对应生态系统服务功能的价值进行动态修正，公式如下：

式中，Fnij指某种生态系统在第i网格第j年第n类生态服务功能的单位面积价值当量因子；Fn指该类生态系统的第n种生态服务价值当量因子；Pij指该类生态系统第i网格第j年的NPP 时空调节因子；Rij指该类生态系统第i网格第j年的降水时空调节因子；Sij指该类生态系统第i网格第j年的土壤保持时空调节因子；n1表示食物生产、原材料生产、气体调节、气候调节、净化环境、维持养分循环、维持生物多样性和提供美学景观等服务功能；n2表示生态服务功能是水资源供给或者水文调节服务功能；n3指土壤保持服务功能。

各调节因子的计算方法为：某一调节因子在第i网格第j年的值除以该因子同年所有网格的平均值。由于数据原因，对于NPP 和土壤保持能力两项调节因子选取一年中最具代表性的7 月的数值作为该年的调节因子；对于降水则根据年降水量来计算调节因子。

1.4 表面积与调节因子计算

本研究采用的基于规则格网DEM 数据的2×2 规则三角构网[15]方式进行研究区的表面积计算。

采用国际通用的土壤流失模型（RUSLE）进行土壤保持量计算，其中降水侵蚀力因子（R 因子）、土壤可蚀性因子（K 因子）、地形因子（LS 因子）、植被覆盖因子（C 因子）、管理因子（P 因子）的计算分别参考了章文波[21]、张科利[22]、Rao[23]、蔡崇法[24]、齐静[25]等学者提出的模型与计算方法。

鉴于净初级生产力（NPP）与植被吸收的光合有效辐射（APAR）及光能利用率（ε）存在明显的线性相关[26]，采用朱文泉等[27]提出的CASA 模型进行净初级生产力（NPP）计算，其中水分胁迫影响系数（Wε）可根据张新时等[28]建立的蒸散模型求取。

2 结果与讨论

2.1 福建省表面积特征

根据计算，福建省表面积共计14.09 万km2，为投影面积的115.02%。由于研究区边缘部分格网并不完整，为便于体现研究区地貌特点，将表面积与投影面积进行比较并按照自然断点法分为5 级，如图1 所示，表面积与投影面积比值的高值区域主要在西北部武夷山区与中南部玳瑁山区，地势起伏最大；次高值区域主要在三明市西北部白石峰地区以及中部鹫峰山区和戴云山区；低值区域主要在东南沿海地区，地势平坦。

研究区内大量区域的表面积与投影面积存在较大差异，尤其是西北部和中部山区，单元格网内两种面积间的差异最多达到了30%。 “八山一水一分田”是对福建地形特征的准确概括，为了保障ESV 评估结果的准确性，计算表面积十分必要。

图1 福建表面积与投影面积比例图

2.2 调节因子的时空变化分析

2.2.1 年降水量的时空变化特征

四个时期福建省降水平均值为1 859.85 mm，其中2000、2005、2010、2015 年平均值分别为1 772.66 mm、1 784.08 mm、1 948.12 mm 和1 934.51 mm，2010、2015 年总体降水量明显高于2000、2005 年。如图2 所示，福建省域内降水分布不均，呈现明显的由西北内陆向东南沿海递减的趋势，高值区主要在南平市和三明市西北部的武夷山脉地区，低值区主要在厦门市以及泉州市东南沿海地区。

2.2.2 土壤保持量的时空变化分析

四个时期福建省土壤保持平均值为1 146.23 t/hm2，其中2000、2005、2010、2015 年平均值分别为791.60 t/hm2、1 556.42 t/hm2、899.74 t/hm2和1 337.17 t/hm2。

如图3 所示，2000 年各地土壤保持量普遍较低，中部地区山地地形占比高土壤保持量也较高，西部和东南沿海地区相对较低；受台风“龙王”的影响，2005 年研究区尤其是东北部地区的土壤保持量整体水平高于其他3 个时期，这一现实气候现象也在ESV 的分布图中得到直观体现；2010 年全域土壤保持量差异较小，北部地区相对较高；2015 年土壤保持量与地形相关较强，东南沿海地区土壤保持量较低，高值网格主要在西北部武夷山脉地区、东北部鹫峰山区以及中南部的戴云山、玳瑁山和博平岭地区。

图2 2000－2015 年福建省年降水量分布图

图3 2000－2015 年福建省土壤保持量分布图

2.2.3 净初级生产力的时空变化分析

2000-2015年间，福建省NPP 呈逐年下降趋势。四个时期福建省植被净初级生产力（NPP）平均值为94.50 gC/m2，其中2000、2005、2010、2015 年的平均值分别为99.71 gC/m2、98.23 gC/m2、93.88 gC/m2和86.17 gC/m2。从空间分布来看，四个时期福建省东南沿海地区NPP 值均较低，在高值区域的分布上四个时期之间有所不同。具体来看，2000 年NPP 整体最高并且高值区也分布较广，主要分布在南平市西北部、宁德市东部、三明市西部、龙岩市东部以及三明市东部与各市相邻地区；2005 年NPP 高值区域主要在南平市西北部、宁德市东部与西南部、福州市西南部、三明市西北部与东部；2010 年NPP 高值区域主要在南平市西北部、宁德市东部以及三明市东部与各市相邻地区；2015 年NPP 整体水平最低，三明市西部、宁德市东部、龙岩市中部以及漳州市西南部NPP 值相对较高，如图4 所示。

图4 2000－2015 年福建省植被净初级生产力分布图

2.3 福建省生态服务价值分析

2.3.1 生态服务价值时序变化特征

经过调节与计算得到四个时期的生态服务价值，由表1 可以看出2000-2015 年福建省生态服务价值呈先增加后下降的趋势。2000、2005、2010、2015 年福建省生态服务价值分别为6 236.73、6 659.73、6 123.69 和6 077.87 亿元。从变化率来看，15 a 间福建省ESV 共计减少148.19 亿元，变化率为-1.93%，其中2000-2005 年ESV 值增加了6.78%，而2005-2010 年和2010-2015 年间ESV 分别下降了8.05%和0.75%。

各生态系统类型中，有林地对福建的ESV 贡献最大，2000-2015 年间有林地年平均价值为3 899.92 亿元，平均贡献率为62.16%；除林地外高覆盖度草地和水域贡献率也较高，其年平均价值分别为519.64 亿元和555.26 亿元，贡献率分别为8.28% 和8.85%。从变化情况来看，多数生态系统的ESV 值减少，其中价值减少最多的是有林地，价值共计减少273.34 亿元，减少速度最快的是低覆盖度草地和旱地，变化率分别为-20.89%和-14.35%；在增加的生态系统类型中，其他林地和水域涨幅较大，价值分别增加32.23 亿元和96.65 亿元，变化率分别为118.12%和19.56%。

在2000-2005 年间，台风、洪水等自然灾害频发使得城市化进程减慢，加之灾后重建工作对生态恢复的重视，再加上充足的降水对研究区的水资源供给、水文调节、土壤保持等多项生态服务功能的正向影响作用，使得这一时期福建省生态服务价值出现增长态势。2005-2015 期间，尤其是2009 年《国务院关于支持福建省加快建设海峡西岸经济区的若干意见》印发以来，福建省社会经济发展不断加快，城镇化进程使得大量非建设用地向建设用地转变，所以生态服务价值不断呈连续下降趋势。

2.3.2 生态服务价值的空间分布

如图5 所示，将2000-2015 年福建省生态服务价值按自然断点法分为5 个等级，总体来看，福建省ESV 空间差异明显，高低价值区分布基本稳定 。高价值区主要分布在5 个区域，分别是南平市西北部的武夷山脉区域；三明市西北部的白石峰区域；南平、宁德、三明、福州四市交换处的鹫峰山、闽江交汇区域；三明、福州、莆田、泉州四市交换处的戴云山区；龙岩市中部的玳瑁山区。这些地区林草地面积占比较高、降水丰富，生态本底良好，加之地势起伏较大，水土保持意义重大，所以其ESV 显著高于其他地区。低值区主要在东南沿海的莆田、泉州、厦门、漳州市东部地区，人类的开发建设是制约这里ESV 的主要因素。

如图6 所示，从空间格局的演变来看，2000-2015 年ESV 下降的网格多于上升的格网，且形成了下降网格主要分布在东部，上升网格主要分布在西部的差异格局。2000-2015 年ESV 上升和下降的网格分别为89 个和241 个，分别占总量的6.28%和17.01%。上升网格主要分布在南平市西北部、三明市西北部、龙岩市南部和漳州市南部；下降网格主要分布在宁德市东部与西南部、福州市北部、三明、福州、莆田、泉州四市交换区域以及泉州、龙岩、漳州三市交换区域。观察2000-2015 年ESV 变化分布图可以发现：价值发生明显上升或下降的单元格网几乎均位于ESV 高值区域，进一步沿中部鹫峰山脉-戴云山-博平岭界线将研究区分为东西两半，不难发现西部三市（南平、三明、龙岩）的ESV 高值区的ESV 几乎都有所增长，而东部六市的ESV 高值区的ESV 却几乎均有所下降。这说明西部的生态环境呈良性循环状态，而东部原本生态质量较高区域则受到城镇开发建设影响而优势有所降低。

表1 2000－2015 各生态系统ESV 变化表

图5 2000－2015 年福建省生态服务价值空间分布图

图6 2000－2015 年福建省生态服务价值变化图

2.3.3 空间自相关分析

根据计算，2000、2005、2010 和2015 年福建省ESV 的全局MoranI 值分别为0.515 9、0.544 1、0.517 9和0.488 9（p＜0.01），说明研究区ESV 的空间分布具有较强正向相关性，在空间上具有明显的聚集效应。4 个时期的全局MoranI 值先增大后减小，说明福建省ESV 的空间正向相关性先增强后减弱。

进一步采用热点分析工具Getis-OrdGi*对ESV 网格进行空间自相关分析，选取置信度大于90%的具有统计显著性的热点和冷点，得到福建省ESV 的局部空间自相关分布图。如图7 所示，热点区域分布较连续且主要集中在中部；冷点区域除主要分布在福建省东南部外，在南平市北部和龙岩市西部也有较稳定的连片分布。2000-2005 年，连片的热点区域呈现由中部向东北部转移的趋势，龙岩、三明等市热点区域热度有所下降；2005-2020 年间，热点区域向西南移动，回到与2000 年相似的分布状态。

图7 2000－2015 年福建省ESV 局部空间自相关分布

3 结 语

本研究采用单位面积价值当量因子法，引入表面积代替投影面积进行价值计算，选取年降水量、土壤保持量、植被净初级生产力等3 个动态变化因子进行价值修正，在10 km×10 km 格网尺度上实现了对福建省2000、2005、2010 以及2015 年生态服务价值的动态评估，分析了其分布规律与变化趋势，得出以下主要结论：

1）福建省表面积与投影面积差异较大，平均差异达到15%，局部最大差异达到30%，使用表面积进行ESV 计算更加准确；福建省各地降水量、土壤保持能力、植被净初级生产力存在较大差异，将其作为调节因子对ESV 计算结果进行修正十分有必要。

2）2000-2015年，福建生态服务价值先增长后降低，净减少158.87 亿元，变化率为-1.90%，其中林地贡献率最大，达到75.95%。

3）福建省ESV 高值区和低值区分布稳定，高值区主要在西北部武夷山区和中部鹫峰山区、玳瑁山区、戴云山区，低值区主要在东南沿海地区。沿鹫峰山脉-戴云山-博平岭界线将研究区分为东西两半，西部的ESV 高值区主要呈良性循环状态而东部的ESV 高值区生态环境优势大多有所下降。

4）2000-2015年福建省四个时期的ESV 全局MoranI 指数值均大于0，具有明显的空间正向自相关性，热点区主要聚集在中部，冷点区相对分散但其中大部分位于东南沿海部，受台风等特殊气候影响，2005 年相较其他三个时期热点区向东北偏移。