中国草地生态系统服务价值估算及其动态分析

刘洋洋, 任涵玉, 周荣磊, 巴桑参木决, 张 伟， 章钊颖, 温仲明*

(1. 西北农林科技大学草业与草原学院， 陕西 杨凌 712100；2. 南京大学国际地球系统科学研究所， 江苏 南京 210023)

生态服务功能表示生态系统或其形成过程中能够直接或间接参与并维持人类所赖以生存的作用或环境效用[1]。草地作为地球表面覆盖较广的主要生态系统，具有产品供给、生态环境调节、支持功能及文化旅游功能等重要的生态服务功能[2-4]。当前，人类过分关注草地生态系统的直接物质产品供给功能，忽略草地生态系统在平衡大气温室气体浓度及维持区域生态平衡等方面的支持和调节功能[5]，进而导致草地退化、水土流失及生物多样性锐减等生态问题[6]。因此，草地生态服务功能及其价值的定量评估已成为国内外学者关注的焦点。

目前，国内外众多学者对不同时空尺度下的草地生态服务功能及价值进行定量核算评估。1997年Costanza等率先定量评估了全球草地生态系统的气候调节、水土保持等9个主要的服务功能价值[7]，并从全球尺度上估算单位面积的平均生态价值，为后期广大学者对区域尺度下草地生态服务价值的定量核算奠定基础。小区域尺度上，焦亮等[8]采用市场价值法、影子工程法、造林成本法等方法定量评估小尺度范围下祁连山山丹马场草地资源的涵养水源及气候调节等主要的草地服务功能；高超等[9]通过InVEST模型辅以遥感数据定量评估2000—2015年间石羊河流域草地生态系统的覆盖度、固碳及土壤保持功能，并探究了草地覆盖度对服务功能的影响。大区域尺度上，姜立鹏等[10]通过遥感技术提出采用净初级生产力和植被覆盖率来评估草地生态系统服务价值，核算2003年中国草地生态系统有机物生产、维持碳氧平衡及涵养水源等生态服务价值；赵同谦[1]以及刘起等[11]分别从全国尺度对中国草地多种生态服务功能和价值进行核算，但由于评估方法存在差异，造成评估结果的差异性较大。

草地生态服务价值在气候和人为因素的影响下不断发生着变化，对于草地生态价值的时空格局进行动态评估有助于我们明确草地生态系统服务功能的真实变化状况。本研究通过构建生态系统服务价值定量评估体系，采用多种方法模拟分析2000—2016年中国草地生态系统的有机物生产、水土保持、水源涵养等主要生态服务价值的时空动态格局及其价值组成，对于草地资源优化及草地生态服务价值的进一步提升具有科学指导意义。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

1.1.1草地覆被数据 采用Global Land Cover 2000(GLC2000)产品提取中国草地覆被。GLC2000产品(http://bioval.jrc.ec.europa.eu/products/glc2000/data_access.php) 空间分辨率为1 km，相对于IGBP分类数据而言，GLC2000分类精度更高，且草地精度高达66.95%[12-13]。该分类法中中国草地总面积为335×104km2，草地类型及其分布如图1所示。

图1 中国草地类型分布特征

1.1.2气象和归一化植被指数(Normalized difference vegetation index,NDVI)数据 气象数据源于中国气象数据共享网(http://cdc.cma.gov.cn) 2000—2016年的中国720多个标准气象站点的月降水量和月平均气温数据[12]。此外，该网站也提供用以驱动净初级生产力(Net primary productivity，NPP)估算模型的辐射数据。通过引入海拔及日照等协变量因子，基于ANUSPLIN程序实现气象数据的空间插值处理。NDVI数据选用美国国家航天航空局(National aeronautics and space administration，NASA)地球观测系统提供的MOD13A2产品(2000—2016年)，该数据的时空分辨率为1 km，数据为HDF存储格式，采用MRT工具实现数据格式的转换及数据的拼接、裁剪[14]。

1.1.3NPP数据 基于气象数据、NDVI数据结合光能利用效率(Carnegie-ames-stanford approach,CASA)模型模拟草地NPP[12,14]。CASA模型通过能够被植被吸收利用的光合有效辐射(Absorbed photosynthetically active radiation，APAR)及光能利用率(ε)两个变量确定植被NPP，计算公式如下[13]：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

式中：APAR(x，t)表示像元x在t月份所能够吸收的光合有效辐射(MJ·m-2)[15]，(x，t)表示t月份像元x处所具备的光能利用率(gC·MJ-1)。该模型的具体计算过程见文献[16]。

1.1.4土壤数据 土壤质地数据(砂粒、粉粒和黏粒含量)及土壤类型空间数据由中科院资源环境数据中心网站(http://www.resdc.cn)提供，土壤数据基于1995年的全国土壤普查办公室所出版的《1∶100 万中华人民共和国土壤图》而生成[17]，土壤实测数据源于南京土壤所的全国第二次土壤普查数据[18]。

1.1.5数字高程模型(Digital elevation model，DEM)数据 DEM数据源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)提供的GDEM-DEM产品，分辨率为30 m×30 m，采用Arcgis10.3通过最邻近法将数据分辨率重采样为1 km×1 km。

1.1.6植被覆盖度 植被覆盖度与NDVI的线性关系非常显著，因而根据两者之间的转换关系，基于象元二分模型计算覆盖度[12]。该计算方法假设各个象元的光谱信息是仅由植被和裸地构成的混合象元，具体计算公式如下：

NDVI=NDVIVCi+NDVIS(1-Ci)

(2)

式中：NDVIV表示植被覆盖部分象元的NDVI值，NDVIs表示裸地部分象元的NDVI值，Ci表示植被象元覆盖度。因此，植被覆盖度Ci的计算方式如下：

(3)

对于地表有纯植被覆盖的象元，植被生长季相变化、群落组成、类型及地形因素均能够导致NDVIV值产生差异。而对于裸地地表的象元，通常NDVIS的值在时间上较为稳定且几乎趋于0，但实际上NDVIS会在空气湿度及光照等因素的影响下发生波动变化，且波动范围大致为-0.1～0.2。目前在植被覆盖度的计算过程中，学者们对NDVIV和NDVIS的取值方法有明显差别，其中某些研究将各种植被类型的NDVIV和NDVIS设为固定的值；而另一种广泛应用的方法是根据研究区域NDVI的0.5%置信度上下限阈值表示NDVIV及NDVIS。本研究以植被NDVI生长季内的最大及最小值来表示NDVIV及NDVIS，具体表示如下：

(4)

式中：NDVImin和NDVImax分别表示植被生长季内NDVI的最小及最大值。

1.2 生态服务价值评价指标体系的构建

本研究以Costanza等提出的生态系统服务价值分类为基础[20]，基于数据的可获得性，选取草地生态系统的有机物质生产、营养物质保持、土壤保持、固碳释氧及水源涵养等5个主要生态服务功能来构建评价体系(表1)，通过能量代替法、影子工程法及市场价值法等方法核算草地的生态服务价值，技术路线如图2所示。

表1 草地生态服务价值评估体系构建

图2 草地生态服务价值评估技术路线

1.3 主要研究方法

1.3.1有机物质生产价值 本研究基于CASA模型估算的草地NPP，利用能量代替法实现估算，即将草地所固定的碳转为等能量的标准煤，并通过标准煤的价格估算草地有机物质生产价值[21]，计算公式如下：

(5)

式中：Vom表示草地生态系统的有机物质生产价值(元·m-2·a-1)；Ce表示碳的热值，通常为0.036 MJ·g-1；Se表示标准煤的热值，通常为0.029 27 MJ·g-1；NPP(x)(gC·m-2·a-1)为草地净初级生产力；Sp表示标准煤的价格为354元·t-1(1990年不变价)[22]。

1.3.2营养物质循环价值 本研究以草地NPP为基础，采用市场价值法来定量核算草地生态系统的营养物质循环价值，计算公式如下：

Vnc= ∑Vnc(X) = ∑NPP(x)×Rj1×Rj2×Pj

(6)

式中：Vnc表示草地生态系统的营养物质循环总价值，其中主要包括氮循环价值、磷循环价值以及钾循环价值3部分；Vnct(X)表示在象元x处草地生态系统单位面积上所积累的3种不同营养元素的价值(元·m-2·a-1)；j表示氮、磷、钾3种营养元素；NPP同上；Rj1为第j种元素折算成该元素所对应化肥的比例(%)；Rj2表示草地生态系统j元素在有机物质中的分配比率(%)；Pj表示j化肥的平均价格。

1.3.3土壤保持价值 本研究采用改进的土壤流失方程(RUSLE模型)估算草地生态系统的土壤保持量。

潜在土壤侵蚀模数表示土壤在没有任何植被覆盖且不存在任何水土防护措施下的土壤侵蚀量。该状态下，不考虑植被覆被因素和水土防护措施因素，即C=1，P=1，此时RUSLE可表示为：

Ap=R×K×LS

(7)

现实土壤侵蚀模数表示土壤表面存在植被覆盖及受到各种水土保持措施之下产生的土壤侵蚀量。该状态下需要考虑植被覆盖因素及水土防护措施因素，此时RUSLE可表示为：

Ar=R×K×LS×C×P

(8)

潜在土壤侵蚀模数和现实土壤侵蚀模数之差即为土壤保持量：

Ac=Ap-Ar

(9)

式中：Ap和Ar分别表示潜在土壤侵蚀模数和现实土壤侵蚀模数，Ac为土壤保持量，单位均为t·hm-2·a-1；R表示降水的侵蚀力因子(MJ·mm·hm-2·h-1·a-1);K表示土壤可蚀性因子(t·hm2·h·MJ-1·hm-2·mm-1)；LS分别表示坡长和坡度因子(无量纲)；C和P则分别表示植被覆盖因子和土壤防护措施因子(无量纲)。各个因子的具体计算方法可见文献[18,23-24]。

土壤保持价值主要包括保护土壤肥力、减少土壤表层土的损失以及减少河道淤积价值，计算公式如下[25]：

Vac=Vef+Ven+Ves

(10)

式中：Vef，Ven和Ves分别表示草地生态系统的土壤肥力保护价值、减少表层土壤流失价值及减少河道淤积价值。

土壤肥力保护价值：采用市场价值法估算草地生态系统的土壤肥力保护价值，根据土壤保持量、土壤中的主要元素(氮、磷、钾)的百分比含量及化肥市场均价计算,计算方式如下：

Vef=∑Ac(x)×Ci×P

(11)

式中：Vef表示单位面积草地生态系统的土壤肥力保护价值(元·m-2·a-1)；Ac(x)表示象元x的单位面积土壤保持量(t·hm-2·a-1)；Ci为土壤中氮、磷、钾3种元素的百分比含量，草地生态系统土壤中的氮、磷、钾含量百分比分别取值为0.177%，0.08%和1%[10]；P为化肥均价，通常取值为2 549 元·t-1(1990年不变价)[10]。

减少表层土壤流失价值：首先，基于土壤保持量及土层平均厚度计算废弃土地发生损失面积，并基于该部分土地上可以种植草地而产生的年平均收益来表示废弃土地的经济价值，计算方式如下[10]：

Ves=∑Ac(x)×Pg÷Dsoil÷Hsoil÷10000

(12)

式中：Ves表示草地生态系统减少土壤表层土流失的价值(元·m-2·a-1)；Ac(x)表示单位面积象元x处的土壤保持量(t·hm-2·a-1)；Pg表示单位面积的草地种植生产收益，参考以往研究取值为245.5元·hm-2·a-1(1990年不变价)[26]；Dsoil表示土壤的密度(1.28 t·m-3)[18]；Hsoil表示土壤的平均土层厚度，通常取0.5 m[26]。

减轻泥沙淤积价值：根据水库蓄水的平均成本费用估算草地生态系统的减少泥沙沉积价值，计算如下[27]：

Ven=∑Ac(x)×Aw×Pw÷Dsoil÷10000

(13)

式中：Ven表示草地生态系统减轻泥沙沉积的价值(元·m-2·a-1)；Ac(x)表示象元x处的土壤保持量(t·hm-2·a-1)；Aw表示土壤发生侵蚀流失之后能够沉积在江河、水库及湖泊中的比例，根据欧阳志云等[28]对泥沙运动规律的研究，约有24%比例的泥沙容易发生沉积，因此Aw取24%；Pw表示库容成本费用，为0.67元·m-3(1990年不变价)；Dsoil表示土壤的密度(1.28 t·m-3)[18]。

1.3.4固碳释氧价值 本研究以草地NPP为基本物质量来核算中国草地资源的固碳释氧服务价值，其中主要包括草地生态系统固碳价值和氧气释放价值2部分，计算公式如下：

Vgr= ∑1.62×NPP(x)×RC×PCO2+ ∑1.2×NPP(x)×PO2

(14)

式中：Vgr表示单位面积草地生态系统固碳释氧的总价值(元·m-2·a-1)，NPP同上，Rc为CO2中碳含量，取值为27.27%；Pco2表示市场上CO2的固定价格，依据瑞典碳税率价格换算，通常取3.36×10-4元·gC-1；Po2为市场工业制氧价格，通常取值为4×10-4元·gC-1[18]。

1.3.5涵养水源价值 采用替代工程法，对草地生态系统的水源涵养价值进行核算，即水库建造的平均成本费用代替草地资源的生态服务价值，计算公式如下[18]：

Vwc=prew(x)×Kw×Rw×Pw

(15)

式中：Vwc是草地生态系统的水源涵养价值(元·m-2·a-1)；prew(x)表示象元x处的年降水量(mm)；Kw表示产流降雨量和降雨总量之间的比值，根据赵同谦等[29]的研究，Kw值以秦岭—淮河为分界区，即该界线以北为0.4，以南为0.6；Rw表示草地生态系统与裸地地表相比能够产生减少径流量的效益系数，参考以往学者对各个区域草地减少径流效益系数的选取[18]，本研究将草地生态系统的Rw设定为0.24；Pw为库容成本，通常中国建设1 m3库容工程的费用为0.67元，因而Pw为0.67元[30]。

2 结果与分析

2.1 中国草地生态系统服务功能和价值的基本状况

近17年来平均草地生态系统服务总价值为13 815.65亿元·a-1(表2)。就各生态系统服务子功能来说，平均单位面积有机物质生产量为5.77×10-3t·m-2·a-1，有机物质生产总量为1.93×106万t·a-1，平均总价值为2 720.85亿元·a-1。营养物质循环总量最少，为0.03×106万t·a-1，服务总价值为1 378.78亿元·a-1。平均单位面积土壤保持量为3.51×10-3t·m-2·a-1，土壤保持总量为1.18×106万t·a-1，土壤保持总价值为2 567.05亿元·a-1。平均单位面积固碳释氧量为7.7×10-3t·m-2·a-1，固碳释氧总量为2.58×106万t·a-1，固碳释氧总价值为3 148.69亿元·a-1。平均水源涵养总量为25.8×106万t·a-1，水源涵养总价值为4 000.29亿元·a-1。从各生态系统服务功能的价值对总价值的贡献率来看(图3)，水源涵养功能价值的贡献率最大，占总价值的28.95%，其次为固碳释氧价值(22.79%)，而营养物质循环价值的贡献率相对较低(9.98%)。

图3 中国各项草地生态服务功能价值的比例

表2 中国平均草地生态系统服务物质量和价值量

2.2 中国草地生态系统服务价值空间分布特征

图4a，b和d表示单位面积草地的有机物质生产价值、营养物质循环价值和固碳释氧价值，其平均值分别为8.12，4.12和9.40万元·km-2·a-1，由于这3种价值是基于NPP为物质量来计算的，因此其空间分布格局大体一致，与NPP的分布格局类似，具体表现为单位面积价值由东南向西北逐渐递减的变化特征，这种格局与植被的地带性分布规律类似。图4c表明中国草地单位面积土壤保持价值为7.66万元·km-2·a-1，土壤保持功能受降雨、坡度、海拔、植被覆盖度及土壤质地等多种因素共同影响，其分布格局体现为青藏高原西北处最低，而西北其他地区和内蒙古等地相对较高。图4e表明中国草地单位面积水源涵养价值为11.94万元·km-2·a-1，该功能主要受降雨影响，因此其分布特征与中国降水梯度大致相符，呈现出由南向北不断递减特征，水源涵养价值较高地区集中在西藏南部及四川、广西及云南等地，而低值区则主要集中在青藏高原中部及北部、新疆和内蒙等地。将各项生态服务功能价值进行叠加可获得中国草地平均单位面积总服务价值的分布格局。图4f表明单位面积总价值的均值为41.24万元·km-2·a-1。空间上，大体呈现为南高北低的特点，高值区主要位于云南、广西和四川西部及中原地区，中值区主要分布在内蒙古、新疆北部及青藏高原腹地，低值区则主要集中在西北地带，其中新疆西部和南部及其与西藏交汇地带最明显。

图4 草地不同类型生态系统服务单位面积价值空间格局

2.3 不同草地类型及不同牧区草地生态服务价值基本概况

从表3可以看出，高山亚高山草甸的生态系统服务总价值最高(4 156.88亿元·a-1)，其次为草甸(3 724.71亿元·a-1)和荒漠草地(1557.17亿元·a-1)，而平原草地和坡面草地的生态服务总价值较低，分别为1388.61亿元·a-1和1449.98亿元·a-1。就单个草地类型来看，高山亚高山草甸、荒漠草地和高山亚高山草地3种类型均为水源涵养价值最高，坡面草地的土壤保持价值最高，平原草地以有机物质生产价值为主，草甸的固碳释氧价值最高。不同草地生态系统的单位面积服务价值可以反映各类型草地的生态服务供给能力和水平。具体看来，生态服务单位面积价值最高的为坡面草地69.11万元·km-2·a-1，草甸62.96万元·km-2·a-1和高山亚高山草甸39.30万元·km-2·a-1次之，荒漠草地和平原草地的生态服务单位面积价值较低，高山亚高山草地单位面积生态服务价值最低23.82万元·km-2·a-1，表明高山亚高山草地的生态系统服务供给水平和能力较差。

表3 中国不同类型草地生态服务单位面积价值及总价值

续表3

由表4可知，17年间中国平均草地生态服务功能总价值最高的省份为西藏(2274.21亿元·a-1)，最低的是宁夏(433.32亿元·a-1)。就单位面积服务价值而言，云南、黑龙江、山西及宁夏省的草地单位面积生态服务价值较高，都在100万元·km-2·a-1以上，而青海、西藏及新疆地区单位面积草地服务价值相对较低。营养物质循环价值在各省的草地生态服务价值中均为最低。宁夏、内蒙古、陕西、西藏及云南几个省份的水源涵养价值在该省的草地生态服务功能价值中最为突出，分别为101.98亿元·a-1、477.79亿元·a-1、166.2亿元·a-1、603.33亿元·a-1和308.26亿元·a-1；青海、甘肃和山西3个省份草地的有机物质生产价值最为突出，分别为477.2亿元·a-1、118.5亿元·a-1和270.96亿元·a-1；而四川和新疆地区草地则表现为土壤保持价值及固碳释氧价值最为突出，分别为398.75亿元·a-1和407.04亿元·a-1。综上所述，中国牧区及主要草地分布省份中草地的水源涵养及有机物质生产价值所占的比重较大。

表4 中国牧区草地生态服务单位面积价值及总价值

续表4

2.4 中国草地生态服务价值的年际变化及时空动态

由图5所示，2000—2016年间，中国草地生态服务单位面积价值呈现出显著增加的变化趋势(P=0.01)，年均增长率为0.22万元·km-2。就总价值而言，最高值出现在2015和2016年，分别为16 003.34亿元和15 719.914亿元，而最低值出现在2002和2013年，分别为13 501.85亿元和13 677.85亿元。

图5 中国草地生态系统服务价值年际变化趋势

2000—2016年间中国草地资源服务总价值的空间动态趋势及其显著性检验如图6所示。由图6a可以看出，生态服务价值增长率较高的地区集中在青藏高原的中西部及内蒙古的呼伦贝尔等地，而生态服务价值减少率较大的区域主要集中在黄土高原北部及内蒙古中部等地。显著性检验结果表明(图6b)，2000—2016年间，大多数地区草地生态服务价值表现为增加趋势，增加区域的比例占54.69%，而显著(5.79%)和极显著(3.12%)增加的区域集中在青海省南部及其与西藏交界处，而草地生态服务价值减少的区域占总草地面积的45.31%，显著(4.42%)和极显著(3.21%)减少的区域分布在新疆中部、黄土高原北部及甘肃省东部、云南省的东北地区(图6b)。

图6 中国草地生态系统总价值空间变化率及其显著性

3 讨论

通过对大尺度范围下的草地生态服务价值评估方法进行积极探索，在充分考虑生态质量的空间异质性的基础上，依靠3S技术，实现全国尺度下草地生态系统有机物质生产、营养物质循环、水土保持及水源涵养等生态服务功能价值的定量核算和时空动态评估，以期获得更为可靠的研究结果，本研究核算的生态价值均值与何浩[30]及姜立鹏等[10]学者对中国不同年份草地资源生态价值的估算结果相近，表明估算值较为可靠，具有一定的参考价值。

中国草地生态服务价值的高值区位于云南、广西和四川西部及中原地区，这些地区水热条件搭配最为合理，人为干扰程度较低，草地生长旺盛且植被覆盖度较高，因此生态服务价值相对较高。低值区则主要集中在西北地带，其中新疆西部和南部及其与西藏交汇地带最明显，这些地区生态环境较差，区域草地生长对于气候响应更为敏感，在气候变暖和降水减少的条件下，草地生长受到严重限制，进而造成生态服务价值偏低[4]。研究发现，草地生态系统的水源涵养和固碳释氧价值所占比重较高，表明草地资源在水源涵养、大气调节及水土保持方面具有重要的意义，本结果也与以往部分学者的研究一致[1,3]。研究表明高山亚高山草甸生态服务总价值最高，而平原草地较低，何浩等[30]对2000年中国陆地生态系统的生态服务价值进行测算，同样发现生态价值最高为高山亚高山草甸，主要在于中国高山亚高山草甸面积较大且分布广泛，因而成为主要的生态资源，对于我国区域生态环境的维持、水源涵养及土壤保持存在重要意义。单位面积价值可以衡量草地生态系统的服务供给能力和水平，本研究发现单位面积生态服务价值最高的为坡面草地，高山亚高山草地最低，同样与何浩的结果一致[30]，表明坡面草地的平均生态服务供给水平最高，而高山亚高山草地最低。研究发现不同省份草地单位面积服务价值及总价值的差异较大，这主要与不同区域的气候条件、地形地貌、草地类型及海陆位置的远近有很大关系[5]。17年间中国草地生态服务价值呈显著增加趋势，这种变化趋势主要与气候变化和生态工程的实施有很大关系。国家自1999年以来实施退耕还林还草等重大生态工程，有效地促进草地覆被的增加，对于区域生态服务价值的提升具有重要意义。草地生态服务价值的增加集中在青海和西藏等地，这也与近年来该地区退耕还草、禁牧政策的实施有很大关系[6,31]。

然而，研究结果可能与以往部分学者[7-8]对于中国区域尺度下草地生态系统服务价值的结果存在差异，在于研究时间段、评价指标及评价方法存在差异[9]。需要说明的是，本研究仅仅是对中国草地生态服务价值的时空动态格局进行初步探究，由于受数据可获得性的限制，所选取的评价指标较少，草地资源的文化价值、生物多样性保护价值等间接价值却未被定量核算[8-9]，因而导致所估算的草地资源价值比实际区域的生态服务总价值会低，但本估算结果便于以货币化的形式直接反映出不同草地类型及不同区域的草地服务价值的差异性[10]，对于草地管理和保护及生态服务价值的提升具有重要参考价值。

4 结论

2000—2016年间中国平均草地生态系统服务总价值为13 815.65亿元·a-1，各生态服务价值对总价值的贡献度由大到小依次为水源涵养价值(28.95%)>固碳释氧价值(22.79%)>有机物质生产价值(19.69%)>土壤保持价值(18.58%)>营养物质循环价值(9.98%)。其中，高值区集中在云南、广西和四川西部及中原地区，低值区集中在西北地带。高山亚高山草甸生态服务总价值最高(4 156.88亿元·a-1)，而平原草地和坡面草地较低(1 388.61亿元·a-1和1 449.98亿元·a-1)。就不同省份和牧区而言，西藏草地的平均生态服务功能总价值最高(1 874.69亿元·a-1)，宁夏最低(433.8亿元·a-1)。趋势上，中国草地生态服务单位面积价值呈现显著增加趋势(P<0.05)，年均增长速率为0.22万元·km-2，54.69%的地区草地生态服务价值呈增加趋势，其中显著的比例为8.91%，集中在青海省南部及其与西藏交界处。