第一作者简介:谢高地(1962- ),男,甘肃西和人,研究员,主要从事生态系统和资源生态研究。E-mail:xiegd@igsnrr.ac.cn
生态系统服务价值是生态保护、生态功能区划、自然资产核算和生态补偿决策的依据和基础,并且生态系统服务功能呈现出与生态结构和生态功能密切相关的时空动态变化特征,但目前国内尚缺乏统一和完整的生态系统服务价值的动态评估方法。研究基于文献调研、专家知识、统计资料和遥感监测等数据源,通过模型运算和地理信息空间分析等方法,对单位面积价值当量因子静态评估方法进行了改进和发展,构建了基于单位面积价值当量因子法的中国陆地生态系统服务价值的动态评估方法,实现了对全国14种生态系统类型及其11类生态服务功能价值在时间(月尺度)和空间(省域尺度)上的动态综合评估。初步的应用与评估结果表明,2010年我国不同类型生态系统服务的总价值量为38.1×1012元,总体变化趋势为从东南向西北逐渐降低,年内变化多表现为以7月为最高,1月和12月最低。总体而言,尽管还需要进一步地改进和完善,论文构建的评价体系为我国生态系统服务价值的时空动态评估提供了一个相对全面的综合评估方案,从而为我国自然资产评估、生态补偿等方面提供更为全面的科学依据与决策支持。
Ecosystem service value is the base of decision-making for ecological protection, ecological regionalization and ecological compensation, and it appears the dynamic spatio-temporal changes which are closely connected with the variations of ecological structure and function. However, it is still lack of a universal and integrated dynamic evaluation method for ecosystem service value in China. Based on literature survey, expert knowledge, statistical data and remote sensing data, using model simulations and GIS spatial analysis method, this paper modified and developed the method for evaluating the value equivalent factor in unit area, and proposed an integrated method for dynamic evaluation on Chinese terrestrial ecosystem service value. This method can realize the comprehensive and dynamic assessment of ecosystem service value for 11 service types of 14 different types of terrestrial ecosystem at monthly and provincial scales in China. The preliminary application indicated that the total ecosystem service value was 38.1×1012 yuan in 2010, in which the value from forest ecosystem was the highest, accounting for about 46%, followed by water body and grassland. Among different ecosystem service types, the contribution from regulation function was the highest, especially the values from hydrological regulation and atmospheric regulation which accounted for about 39.3% and 18.0% of total service value, respectively. Moreover, ecosystem service value presented apparent spatio-temporal patterns in China. Spatially, the ecosystem service value decreased from southeast to northwest and the highest value appeared in southeastern and southwestern regions. Temporally, the ecosystem service value for most of the ecosystems attained the peak in July and reached the trough during December and January except desert, barren and glacier ecosystem. Generally, although this established method still needs to be developed and optimized, it is the first to provide a relatively comprehensive approach for the spatio-temporal dynamic evaluation of ecosystem service value in China, which will be helpful to the scienjpgic decision-making on natural capital rating and ecological compensation.
生态系统服务(Ecological Services)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和服务, 其价值评估是生态环境保护、生态功能区划、环境经济核算和生态补偿决策的重要依据和基础[1, 2, 3, 4]。虽然国内外就生态系统服务价值的评估方法开展了大量的研究工作[5, 6, 7, 8, 9], 但尚未形成一套统一的评估体系[10, 11, 12, 13], 方法的不同也导致研究结果之间存在较大差异, 从而限制了对生态系统服务功能及其价值的客观认知。目前, 生态系统服务价值核算可以大致分为两类, 即基于单位服务功能价格的方法(以下简称功能价值法)[14, 15, 16, 17, 18]和基于单位面积价值当量因子的方法(以下简称当量因子法)[5, 6]。功能价值法即基于生态系统服务功能量的多少和功能量的单位价格得到总价值, 此类方法通过建立单一服务功能与局部生态环境变量之间的生产方程来模拟小区域的生态系统服务功能[19, 20]。但是该方法的输入参数较多、计算过程较为复杂, 更为重要的是对每种服务价值的评价方法和参数标准也难以统一[10, 11, 12, 13]。当量因子法是在区分不同种类生态系统服务功能的基础上, 基于可量化的标准构建不同类型生态系统各种服务功能的价值当量, 然后结合生态系统的分布面积进行评估[5, 6, 7]。相对服务价值法而言, 当量因子法较为直观易用, 数据需求少, 特别适用于区域和全球尺度生态系统服务价值的评估[21, 22]。
当量因子表的构建是采用当量因子法进行生态系统服务功能价值评估的前提条件。为了构建客观和准确的当量因子表, 谢高地等[6, 7]在Costanza等[5]生态系统服务功能分类的基础上, 构建了一种基于专家知识的生态系统服务价值化方法, 并在样点、区域和全国尺度生态系统服务功能价值评估中得到了广泛的应用[7, 22, 23]。随着研究的深入, 越来越多的学者认识到, 生态系统服务功能的形成受到了各种生态学机制的调控, 呈现出与生态结构和生态功能密切相关的时空动态变化过程[24, 25]。而目前研究中采用的当量因子法仅仅是一种静态的评估方法, 对生态系统类型、质量状况的时空差异缺乏考虑, 估算结果不足以反映生态服务功能在时间和空间上的动态变化[10, 17, 26, 27, 28], 限制了生态系统服务价值评估在生态系统与环境管理中的实际应用[11, 12]。因此, 本研究以谢高地等[6, 7]生态服务价值当量因子法为基础, 依据各类文献资料调研和生物量时空分布数据等, 通过对生态系统服务价值当量因子表进行修订和补充, 建立不同生态系统类型、不同生态服务功能价值的时间和空间动态评估方法, 为我国生态系统服务价值的动态评估提供相对全面和较为客观的评估方法, 从而为我国自然资产评估和生态补偿等提供更为科学的理论依据与支持。
1个标准单位生态系统生态服务价值当量因子(以下简称标准当量)是指1 hm2全国平均产量的农田每年自然粮食产量的经济价值[6], 以此当量为参照并结合专家知识可以确定其他生态系统服务的当量因子, 其作用在于可以表征和量化不同类型生态系统对生态服务功能的潜在贡献能力。在实际应用中, 特别是在区域尺度上, 完全消除人为因素的干扰以准确衡量农田生态系统自然条件下能够提供的粮食产量的经济价值存在较大难度。本研究参考谢高地等[6]的处理方法, 将单位面积农田生态系统粮食生产的净利润作为1个标准当量因子的生态系统服务价值量。农田生态系统的粮食产量价值主要依据稻谷、小麦和玉米三大粮食主产物计算。其计算公式如下:
式中:D表示1个标准当量因子的生态系统服务价值量(元/hm2); Sr、Sw和Sc分别表示2010年稻谷、小麦和玉米的播种面积占三种作物播种总面积的百分比(%); Fr、Fw和Fc分别表示2010年全国稻谷、小麦和玉米的单位面积平均净利润(元/hm2)。依据《中国统计年鉴2011》[29]、《全国农产品成本收益资料汇编2011》[30]和公式(1), 得到D值为3 406.5元/hm2。
采用千年生态系统评估(MA)的方法, 将生态系统服务分为供给服务、调节服务、支持服务和文化服务4大类, 并进一步细分为食物生产、原料生产、水资源供给、气体调节、气候调节、净化环境、水文调节、土壤保持、维持养分循环、生物多样性和美学景观等11种服务功能(表1)。其中, 水供给服务功能是指由各生态系统提供的、为居民生活、农业(灌溉)、工业过程等使用的水资源; 水文调节功能是指生态系统截留、吸收和贮存降水, 调节径流, 调蓄洪水、降低旱涝灾害; 净化环境功能是指植被和生物去除和降解多余养分和化合物, 滞留灰尘、除污等, 包括净化水质和空气等; 维持养分循环功能是指对N、P等元素与养分的储存、内部循环、处理和获取; 其他服务功能含义与谢高地等[6, 7]相同。
![]() | 表2 中国陆地生态系统服务价值研究比较 Table 2 Comparison of the studies on Chinese terrestrial ecosystem service value |
单位面积生态系统服务功能价值的基础当量是指不同类型生态系统单位面积上各类服务功能年均价值当量(以下简称基础当量)。基础当量体现了不同生态系统及其各类生态系统服务功能在全国范围内的年均价值量, 也是合理构建表征生态系统服务价值区域空间差异和时间动态变化的动态当量表的前提和基础。本研究以谢高地等[6, 7]对生态系统服务价值评价研究为基础, 系统收集和梳理了国内已发表的以功能价值量计算方法为主的生态系统服务价值量评价研究成果, 参考《中国统计年鉴2011》[29]、《中国林业统计年鉴2010》[31]等各类公开发表的统计文献资料, 以及本研究小组基于改进的CASA模型[32], 利用2010年遥感数据和气象数据计算得到的净初级生产力(NPP)数据, 并结合专家经验构建不同类型生态系统和不同种类生态系统服务功能价值的基础当量, 开展全国尺度生态系统服务功能价值及其动态变化的综合评估。另一方面, 生物量不仅仅反映了生态系统的原料生产能力, 同时, 在生物量的形成和累积过程中对生态系统的其他服务也产生了重要影响[5], 因此, 本研究假设生物量可以在很大程度上反映不同类型生态系统之间服务功能的差异。参照如下计算过程得到了基础当量表(表1)。
![]() | 表1 单位面积生态系统服务价值当量 Table 1 Ecosystem service equivalent value per unit area |
1)对于生态系统供给功能中的原料生产服务, 主要根据《中国统计年鉴2011》[29]、《全国农产品成本收益资料汇编2011》[30]和《中国林业统计年鉴2010》[31]等统计资料提取和计算。
2)将文献与资料中直接对应的生态系统服务功能价值研究结果(修正单位功能价值量为统一标准后得到的结果)进行平均计算, 并计算与标准当量的比例, 作为该类生态系统服务功能的基础当量, 如森林、农田等部分生态系统服务功能价值当量的确定。
3)通过文献资料计算获取单位面积生态系统服务功能量和单位功能量的价值量, 进而计算得到单位面积服务价值, 再与标准当量价值比较, 得到该类生态系统服务功能的基础当量, 如森林、草地、湿地的气候调节服务功能价值当量因子的确定。
4)如果生态系统二级分类中无直接对应文献资料的服务功能价值, 参照一级分类的研究结果和生物量, 根据二级分类各类型生态系统的生物量和面积进行加权计算, 如部分森林、草地等生态服务功能价值当量的确定。
5)如果生态系统一级分类中也缺少直接对应文献资料的服务功能价值, 且不易根据现有文献资料推算其服务功能价值的, 对于陆地生态系统, 主要参照与森林生态系统生物量的比例关系进行推算; 对于水域生态系统, 如冰川的原材料供给、土壤保持、维持养分循环、维持生物多样性服务的价值当量因子主要采用专家经验确定。
6)对最终计算结果进行整体评价, 并对个别远远高出平均水平的指标进行了重新厘定, 如计算得到的湿地美学景观服务价值当量达标准当量的29.5倍, 远远高于其他类型生态系统的美学景观服务价值当量, 因此结合专家经验将其调整为森林的5倍。
生态系统在不同区域、同一年内不同时间段的内部结构与外部形态是不断变化的, 因而其所具有的生态服务功能及其价值量也是不断变化的。通过前期的初步研究[26, 27], 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。基于上述认识, 本研究进一步分析确定了NPP、降水和土壤保持调节的时空动态因子, 结合生态系统服务价值基础当量表, 通过下式构建了生态服务时空动态变化价值当量表:
式中:Fnij指某种生态系统在第i地区第j月第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地区第j月的NPP时空调节因子; Rij指该类生态系统第i地区第j月的降水时空调节因子; Sij指该类生态系统第i地区第j月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。
1.4.1 NPP时空调节因子(Pij)
NPP时空调节因子的计算方法为:
式中:Bij指该类生态系统第i地区第j月的NPP(t· hm-2),
1.4.2 降水时空调节因子(Rij)
降水时空调节因子具体计算方法如下:
式中:Wij指第i地区第j月的平均单位面积降水量(mm· hm-2);
1.4.3 土壤保持时空调节因子(Sij)
借鉴国际估算土壤侵蚀应用最广的通用土壤流失方程, 构建各地区土壤保持价值当量因子时空变异调节因子, 具体计算方式为:
式中:Eij为该生态系统第i地区第j月的土壤保持模拟量;
通过本研究改进的基于单位面积价值当量因子的生态系统服务价值化方法主要具有如下三个特点。
生态系统是指在一定地域范围内的生物群落与其生存环境之间相互作用、相互依赖所形成的自然综合体。不同生态系统类型所给予人类提供的生态系统服务及其价值量不同, 而即使同一大类的生态系统也因其内部具有较大的差异而使提供的服务价值有较大不同。在前期的生态服务价值当量研究中, 虽然将我国生态系统分成了森林、草地、农田、湿地、荒漠和河流湖泊6大类型以考虑生态系统类型间的差异[6, 7], 但随着研究的深入, 并不能满足生态系统分类评估更为精细的需要。针对这一问题, 本研究在我国土地利用和植被类型分类的基础上, 基于我国1:100万植被类型分布图确定了6类一级生态系统和14类二级生态系统(表1), 以更为全面地涵盖我国的主要生态系统类型。由于缺乏对海洋生态系统服务功能及价值的系统研究数据, 在本研究中尚未包括海洋生态系统。
生态系统服务来自于生态系统的物流、能流和信息流, 对生态系统服务价值进行评估首先要把复杂系统(结构和过程)分解为不同的服务功能, 并且这些功能要能产生代表人类从生态系统中所获得的包括资源供给、环境调节、文化娱乐以及生产支持等直接和间接的利益[33]。MA[34]将生态系统服务功能划分为供给服务、调节服务、文化服务和支持服务四大类。Costanza等[5]将生态系统服务细分为17种类型。谢高地等[7]根据中国民众和决策者对生态服务的理解状况, 将生态服务重新划分为食物生产、原材料生产、景观愉悦、气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保持、废物处理、生物多样性维持共9项服务功能。
本研究参考MA的方法将生态系统服务的一级类型概括为供给功能、调节功能、支持功能和文化功能等4大类型。在之前将二级类型划分为9种的研究基础上[7], 本研究进一步划分为11种生态系统服务类型(表1), 在供给服务中, 除了原有的食物生产、原料生产之外, 考虑到我国水资源较为贫乏的现状, 水资源供给服务相对更为重要, 因此将其单独列入二级分类; 在支持服务中, 除了土壤保持和生物多样性维持之外, 进一步考虑了生态系统对养分循环的维持服务。
通过引入NPP、降水和土壤保持调节因子, 并结合全国年均生态系统服务价值当量表, 构建了生态系统服务价值动态评估当量因子表, 以实现生态系统服务在空间上(分省区)和时间上(逐月)的动态价值评估, 为进一步评价我国生态系统服务价值的时空动态变化提供了重要的前提和基础。
基于构建的生态系统服务价值当量表, 结合2010年中国1:100万植被覆盖图, 利用ArcGIS 9.3、Access与Excel数据分析软件, 初步评估了我国生态系统服务功能的时空动态变化特征。
综合评估表明, 2010年我国不同类型生态系统服务的总价值量为38.10× 1012元。对不同类型生态系统而言, 森林的服务价值量最高, 为17.53× 1012元, 占总价值的46.0%; 其次是水域和草地, 分别占总价值的21.2%和19.7%; 湿地和农田较少, 分别占总价值的6.4%和6.2%; 荒漠提供的服务价值量最低, 仅占总价值量的0.6%(图1)。在不同类别的生态系统服务功能中, 调节功能的价值量最高, 其中水文调节和气候调节服务的价值量分别为14.96× 1012元和6.85× 1012元, 分别占总价值的39.3%和18.0%。其次是土壤保持、维持生物多样性、气体调节和净化环境, 约占总服务价值的32.3%; 其他各项生态服务价值较低, 仅占总服务价值的10.5%。
图2表明了2010年我国生态系统服务功能价值的空间分布情况。总体趋势上从东南向西北逐渐降低, 并与我国植被生物量密度和降水的空间分布相一致。生态系统服务功能单位面积价值最高的地区主要分布在华南和西南地区, 特别是在福建和云南等植被茂密的地区, 这反映出在水热条件较好、有利于植被生长的区域, 其生态系统的单位面积价值量也较高, 反之较低。生态服务价值量占全国总价值量最高的是四川(8.7%)和云南(8.8%), 其次是西藏(7.0%)、广东(6.1%)、广西(5.5%)、湖南(5.5%)、江西(5.3%)、黑龙江(5.0%)、湖北(4.9%)和内蒙古(4.8%)等地, 上海(0.1%)、北京(0.2%)、宁夏(0.2%)和天津(0.2%)最低。这种分布趋势主要受各省份生态系统总面积和单位面积生态服务价值量大小的影响。
我国各种生态系统在年内1— 12月的生态服务价值量变化如图3所示, 除了荒漠、裸地和冰川积雪全年服务价值变化极小外, 其他生态系统服务价值量变化趋势大体一致, 以7月为最高点, 向两边相邻的月份逐步递减, 1月和12月达到最低点。这是因为冬季气温低、降雨量少、植被生长减缓或停止, 生物量积累达到最低, 相应地生态系统提供的生态服务价值量也处于最低水平。从冬季到夏季, 气温升高, 降雨量逐渐增多, 随着植被生长的加快, 生态系统的生物量累积速度达到最快, 各种生态系统服务功能逐渐增强, 因此, 各生态系统提供的生态服务价值量逐渐增大。从夏季到冬季, 气温逐渐降低, 植被生长变缓甚至停止, 因此, 生态系统提供的生态服务价值量逐渐变小。这种季节变化对生态系统服务价值量的影响, 体现最为突出的是水系和阔叶林, 其次是草甸和针叶林, 再次是灌木林、湿地和针阔混交林等(图3)。
基于当量因子的方法和基于实物量的方法是当前生态系统服务功能价值评价中常用的两大方法。相对基于实物量的评价方法而言, 当量因子方法在实际应用中较为简单、易于操作和结果便于比较, 可以实现对生态系统服务价值的快速核算。但当量因子表的准确构建是当量因子法的核心。在对原有当量因子表的改进过程中, 一方面, 本研究采用资料整合分析(Meta-analysis)的方法, 充分借鉴了基于实物量方法的评价结果, 避免或者减少了以往单纯依靠专家经验打分易于导致的主观臆断性; 另一方面, 由于生态系统本身的复杂性, 受环境和生物条件的影响, 其服务功能的大小和类型存在显著差异, 因此, 客观上需要将生态系统类型和服务功能类别进行尽可能的精细区分。但由于相关研究的缺乏, 导致部分类型生态系统服务功能相关参数和结果的缺乏, 只得对二级生态系统分类进行调整与合并, 如不区分不同地带的森林类型等, 其对评价结果的影响还有待于开展进一步的研究分析。
我国的生态系统服务价值评估研究虽然在2010年左右达到高峰, 但文献调研发现在全国尺度上的研究尚不足总数的10%[12], 大部分研究以小流域和单项生态服务功能为研究重点[11]。从国家角度对整个陆地生态系统进行生态服务评价的研究较少, 且以单位面积价值量的计算方法为主。如表2所示, 本研究的评价结果远远高于基于单位面积价值量的评估结果[6, 9, 35, 36, 37], 其主要原因有三:一是二者用于表示价值的价格基础不同(文献[37]除外), 从2000到2010年, 物价明显上涨, 如三种主要农产品平均价格上涨了1.15倍之多[30], 从而导致即使生态系统实际价值相同也会表现出以评估年份价格为表征的价值量不同; 二是单位面积生态服务价值量的确定方法不同, 文献[35-36]采用的是Costanza等[5]的针对全球的研究结果, 文献[6]采用的是国内专家经验得到的结果, 前者缺乏国内针对性, 后者受主观意愿影响较大。本研究主要依据国内研究结果, 以生态服务功能量和专家经验相结合的方法确定单位面积生态服务价值量, 评估结果更为客观; 三是从2000到2010年人们对生态系统服务价值的认知度大幅提高, 生态系统提供的各种服务价值受到越来越多的关注和重视, 这也使得生态服务价值有了较大提升。
与欧阳志云等[8]和何浩等[28]的研究结果相比, 其原因除了计算方法、衡量价值量的价格基础以及不同时期对生态系统服务价值的认知度存在差异外, 由于数据和方法的限制导致文献[8, 28]的研究结果仅是对部分生态系统服务功能价值评估的结果, 这也是二者结果不同的重要原因。Shi等[9]虽然考虑了生态系统服务价值的时空变化, 但其在调整单位面积价值时, 仅仅考虑了植被归一化指数(NDVI), 且缺乏对陆地生态系统生态类型和生态服务功能的全面评估, 因此, 其评估结果并不能真实全面地反映我国陆地生态系统的生态服务价值现状。
本研究确定的生态系统服务价值化方法继承了当量因子表的形式与优点, 将原当量因子表的6大类型生态系统扩展为6类一级生态系统和14类二级生态系统, 并且考虑了水资源供给和养分循环维持功能, 使得生态系统服务功能的分类由之前的9种增加为11种, 比原当量因子表从生态系统类型和服务功能类型上有了更进一步细分。这将为更加准确地评估我国生态系统服务功能的价值提供了重要前提和基础。
本研究当量因子的确定借鉴了部分基于实物量方法的评价结果, 避免或者减少了单纯以专家经验打分易于导致的主观臆断性。同时, 通过构建生物量调节因子、降水调节因子和土壤调节因子, 构建了年内逐月和空间上分省的时空动态当量因子表, 并以2010年陆地生态系统为例, 系统评价了当年生态系统服务功能价值的时空格局。
结果表明, 改进后的价值当量评估方法, 可以实现对生态系统类型和服务功能类型的更进一步细分评价, 以及在空间上分省和时间上逐月的时空动态评价, 评价结果的可信度有所提高, 其时间分辨率和空间分辨率也均有较大幅度提高。该方法在实际应用中数据需求少、应用简单、易于操作、评估全面、方法统一、结果便于比较, 可以作为生态系统服务价值评估的快速核算工具。
The authors have declared that no competing interests exist.
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