哈爾濱市生態資產遙感測量評估

侯淑濤, 鄭緒玲, 邸延順, 王語檬, 于曉雷

(東北農業大學 資源與環境學院, 哈爾濱 150030)

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哈爾濱市生態資產遙感測量評估

侯淑濤, 鄭緒玲, 邸延順, 王語檬, 于曉雷

(東北農業大學 資源與環境學院, 哈爾濱 150030)

生態資產是生態系統生物資源直接價值及生態服務間接價值的綜合表征，是國民經濟和社會可持續發展的物質基礎和保障。綜合遙感與地理信息技術，利用遙感影像、土壤、氣象及MODIS生態環境數據，構建生態資產遙感測量評估指標體系，評估分析哈爾濱市2000—2010年生態資產變化及時空分布狀況。結果表明：1) 時間變化表明：兩期生態資產總價值降低了21.03億元，單位面積價值減少了3.96萬元/(km2·a)；2) 空間分布表明：兩期哈爾濱市的生態資產總價值分布都呈現由西向東逐漸增加的態勢，其中東部地區最高，西部地區最低；3) 生態資產價值構成表明，在兩期的生態資產總價值構成中，均遵循相同的規律，即土壤保持價值>涵養水源價值>空氣質量調節價值>有機質生產價值>養分循環價值。研究成果可以很好地反映區域生態環境質量及其變化狀況，可為區域可持續發展評價、生態環境建設規劃提供重要依據。

生態資產; 遙感; 價值評估; 時空變化; 哈爾濱市

近幾十年來，由于生態環境劇變引起全球變化，給人類的生存和發展帶來了極大的壓力，威脅著人類的安全，生態資產研究也成為國內外研究的熱點之一。生態環境的可持續發展與土地生態安全存在著必然聯系[1]，定量估算土地利用變化對生態服務價值損益，為自然生態系統可持續發展提供科學依據[2]。生態資產是在理論與現實的雙重推動下產生的，是生態系統生物資源直接價值及生態服務價值的綜合表征。生態資產包括一切能為人類提供服務和福利的自然資源和生態環境，其服務和福利的形式包括有形的、實物形態的資源供給，也包括隱形的或不可見的、或非實物形態的生態服務。Turner[3]在討論國家債務時,首次提出了自然資本(Natural Capital)的概念，并指出耗竭自然資源資本將會損耗償還債務能力。國內外諸多學者對準確量化生態環境及生物資源的方法進行了仔細研究，已有學者建議將生態資產核算納入國民經濟核算體系[4]，Costanza[5]，朱文泉[6]，潘耀忠[7]，李京[8]，陳仲新[9]等均運用遙感技術建立生態資產模型，保守估算大尺度范圍的生態資產價值，為后人提供了重要的經驗借鑒，但對小尺度生態資產評估存在一定誤差。王紅巖[10]，陳明輝[11]等結合前輩學者的經驗，估算了縣域生態資產總價值，為小尺度生態資產價值評估提供了一定的經驗借鑒。本研究以小尺度范圍為基準，估算哈爾濱市生態資產價值，為區域可持續發展、生態環境建設規劃提供重要依據。

1 研究區概況

哈爾濱市位于東經125°42′—130°10′、北緯44°04′—46°40′，黑龍江省省會。全市總面積5.31萬km2；屬半濕潤大陸季風性氣候，年平均降水度深為406 mm；森林資源較為豐富；全市共有9個土類、21個亞類、25個土種；水資源總量為66.07億m3。全年實現地區生產總值4 550.1億元，三次產業結構為11.1∶36.1∶52.8，第一、二、三產業對地區生產總值增長的貢獻率分別為9.9%，42.2%和47.9%，人均地區生產總值45 810元。十縣(市)實現地區生產總值1 538.3億元，占全市地區生產總值的33.8%，縣域經濟對全市經濟增長的貢獻率為40.9%。

2 材料與方法

2.1 數據來源

本文研究需要遙感影像數據、土壤數據、氣象數據、矢量邊界數據四種類型數據資料。DEM為90 m分辨率的SRTM DEM高程數據；MODIS數據主要包括1 km分辨率的植被凈初級生產力(NPP)和500 m分辨率的植被覆蓋度(fg)數據；遙感影像采用30 m分辨率的 Landsat TM數據；土壤數據來自1∶100萬中國土壤數據庫；氣象數據來自中國氣象數據共享服務網；矢量邊界數據來自國家基礎地理信息系統1∶400萬數據。

2.2 生態資產估算方法

一定區域的生態系統服務價值是在某一時期內該區域中各類生態系統所提供的不同生態系統服務價值之和。由于生態系統服務的價值量受時間及地域的影響，同類型生態系統服務價值亦不同，區域生態系統服務總價值可表示為：

(1)

式中：S——生態系統服務總價值；Si——第i種生態系統的服務價值總和。基于遙感技術Si的計算方法如下：

(2)

式中：q=1,2，…，p，代表該生態系統的第q種生態系統服務；i——遙感影像的行數，j——遙感影像的列數；Vq(i,j)——第(i,j)象元第q種生態系統服務價值量；r(i,j)——調整系數。

(1) 調整系數r(i,j)。本研究借鑒李京[8]等人的評估方法，以植被凈初級生產力和植被覆蓋度兩個指標建立調整系數r作為生態狀況評價參數，不同象元價值量的動態變化可表達為：

(3)

式中：NPP(i,j)，fg(i,j)——第(i,j)象元的植被凈初級生產力和植被覆蓋度；NPPmean和fgmean——第i類生態系統的植被凈初級生產力和植被覆蓋度的均值。

(2) 有機質生產價值Vyjz。根據能量替代法，利用標煤的市場價格估算有機質生產價值為：

Vyjz=1.23×NPP×Vm

(4)

式中：Vyjz——有機質生產價值；NPP——研究區生態系統某年份所生產的有機質總量(g)；Vm——標煤的單位市場價格(元)。參照市場調查數據，本文取658元/t。

(3) 養分循環價值V。本研究以植被凈初級生產力為基礎，評估氮、磷、鉀三種營養元素的循環價值。

V=VN+VP+VK

(5)

式中：V——研究區某年的養分循環價值(元)；VN——研究區某年氮元素的吸收價值(元)；VP——研究區某年磷元素的吸收價值(元)；VK——研究區某年鉀元素的吸收價值(元)。

以氮元素為例，單項元素吸收價值的計算方法為：

VN=NPP×μ1×μ2×N

(6)

式中：NPP——研究區某年的植被凈初級生產力值(g)；μ1——氮元素在不同的生態系統有機物中的分配率；μ2——純氮(CON2H4)折合為化肥的比率為60/28。相應的純磷(P2O5)、純鉀(Kcl)折合比例分別為62/142，39/74.5。N為2000年、2010年氮肥均價，分別為1 550，2 100元/t。

對于不同生態系統，參數μ1的取值有所不同，具體參見表1。

表1 不同生態系統的營養元素在有機物中的分配率

注:營養物質分配率和機會成本單位分別為g/g和元/(hm2·a)[12]。

(4)空氣質量調節價值。空氣質量調節價值較難商品化，可間接計算其價值[13]。本研究依據光合作用與呼吸作用原理，根據影子工程法確定工業制氧價格來評估釋放O2的價值，并采用成本替代法以瑞典碳稅率的單位價值來替代CO2價值，依此確定的氣候調節間接價值如下：

Vsfo=1.2×NPP×VO2

(7)

Vxsc=1.62×NPP×VCO2

(8)

式中：Vsfo——釋放O2的價值；Vxsc——氣候調節的價值；NPP——研究區生態系統某年份所生產的有機質總量(g)；VO2——工業制氧單位價格，根據市場調查可知，工業制氧成本為900元/t；VCO2——依據瑞典碳稅率所換算出的CO2單位質量價格，為351.5元/t。

(5)涵養水源價值Vhy。本研究根據影子工程法，以三峽水庫為例，由其單位成本推算我國每建造1 m3容積水庫所耗費的成本來估計哈爾濱市涵養水源的服務價值。

Vhy=QW×Vsk×S

(9)

式中：Vhy為涵養水源的服務價值；QW——研究區生態系統某年份的單位面積降水存量(m3/m2)；Vsk——建造1 m3水庫所需的成本4.705元/m3；S——研究區面積(m2)。

(6)土壤保持價值Vtr。生態系統對土壤的保護主要體現在減少表層土壤損失、保護土壤肥力、防止泥沙淤積三個方面[14]，評估土壤保持的價值Vtr可表達為：

Vtr=Vbc+Vfl+Vyj

(10)

式中：Vtr——土壤保持的價值；Vbc——減少表層土壤損失的價值(元)；Vfl——保護土壤肥力的價值(元)；Vyj——防止泥沙淤積的價值(元)。

1) 減少表層土壤損失的價值Vbc。根據機會成本法，減少表層土壤損失的價值Vbc為：

(11)

式中：Qqs——研究區減少的土壤侵蝕量[t/hm2·a)]；h——所在地區的土壤深度(m)；Vt——土壤生產相對應的機會成本(表2)[15]。

Qqs=(Ql-Qg)×S×fg

(12)

式中：Ql——裸土狀態下潛在土壤侵蝕量[t/(hm2·a)]；Qg——實際土壤侵蝕量[t/(hm2·a)]；S——研究區面積(hm2)；fg——研究區植被覆蓋度(%)。

表2 中國陸地生態系統土壤生產機會成本 元/hm2

2) 保護土壤肥力的價值Vfl。運用影子工程法，根據土壤中氮、磷、鉀含量計算保護土壤肥力的價值Vfl為：

Vfl=VtN+VtP+VtK

(13)

式中：Vfl——土壤肥力的價值；VtN——減少氮元素損失的價值(元)；VtP——減少憐元素損失的價值(元)；VtK——減少鉀元素損失的價值(元)。

減少營養元素損失價值的方法基本一致，故以減少氮元素損失價值為例的計算方法如下。

VtN=Qqs×CN×u2×N×S

(14)

式中：CN——土壤中純氮的含量(%)；u2——純氮折合為化肥的比率(%)；N——氮肥均價(元/t)。

3) 防止泥沙淤積的價值Vyi。運用成本替代法，根據我國主要流域泥沙的運動規律，我國一般有24%的泥沙通過土壤侵蝕而淤積于水庫和江河湖等區域。因此，可以利用減少淤積而降低的水庫建造成本來替代計算出防止泥沙淤積的價值。

Vyj=Qqs×r×s×Vsk

(15)

式中：Vyi——防止泥沙淤積的價值；r——土壤侵蝕總量中造成淤積的泥沙比例，本研究根據全國一般情況，取24%。

本研究基于遙感及地理信息數據處理軟件ENVI4.5與ArcGIS 10.0，獲取2000年，2010年兩期林地、耕地、濕地、建設用地及草地等土地利用分布，借鑒朱文泉[16]等人的經驗，計算1 km分辨率的植被凈初級生產力 NPP分布數據，進而測量區域生態資產總價值。

3 結果與分析

3.1 生態資產時間變化分析

基于遙感數據評估的2000—2010年哈爾濱市不同生態系統的生態資產價值如表3所示。

由表3可知，哈爾濱市生態資產總值由2000年的2 160.95億元減少到2010年的2 139.92億元，總價值減少了21.03億元，減少了0.97%，說明十年間總體變化幅度不大；單位面積價值由2000年的407.01萬元/(km2·a)減少到2010年的403.05萬元/(km2·a) ，單位面積生態資產價值減少是由于社會經濟發展、環境持續遭到破壞導致的。從不同生態系統類型的生態資產總價值上來看，各生態系統總價值高低依次為林地、耕地、濕地、建設用地、草地，林地生態系統價值最高，對區域生態系統價值貢獻率最大，草地貢獻率最低。

表3 2000-2010年哈爾濱市生態資產價值

不同類型生態系統的占比及變化亦不同，兩期林地生態系統價值占生態資產總價值比例均在80%以上，可見，哈爾濱市生態資產價值由林地生態系統資產價值所決定，區域生態環境良好；濕地生態系統價值由2000年的16.69億元增加到2010年的28.67億元，增幅達71.78% ；建設用地生態系統價值由18.03億元增加到25.29億元，增幅達40.27%； 耕地生態系統價值由307.23億元增加到373.70億元，增幅達21.63%；草地生態系統價值則由7 892.3萬元減少到672.62萬元，減少幅度達91.48%。十年間土地利用結構的改變導致了不同類型生態系統價值的顯著變化。松花江流域沿江灘涂地開發為水田這一人工濕地，極大地提高了濕地生態系統價值；哈爾濱市快速城市化進程中，城市規模的急劇擴張較大地提升了建設用地生態系統價值；毀林毀草開墾耕地使得耕地生態系統價值增加與林地及草地生態系統價值減少并存。十年間哈爾濱市生態系統總價值變幅不大，但林地面積的減少，特別是草地面積的急劇下降，加大了耕地生態系統的不穩定性，不利于區域土地資源的可持續利用。

3.2 生態資產空間分布分析

本研究計算得到的1 km分辨率的林地、耕地等各類型生態系統的植被凈初級生產力NPP分布及生態資產價值分布。

對分布進行分析可以得到，2000年，2010年區域像元生態資產最高為150萬元，0為無植被蓋度的河流和部分建設用地。50～150萬元的生態系統為分布在東南部少量林地類型區，20～50萬元的生態系統為分布在東南部、北部邊緣及中部少量的林地、耕地、濕地類型區； 6.7～20萬元的生態系統為分布在西部的林地、耕地、草地類型區；0～6.7萬元為遍布于除上述地區以外的大部分地區的耕地和林地類型區及西部少量的建設用地區，其中西部主要為耕地生態系統，東部主要為林地生態系統。總體而言，區域單位生態資產價值因生態系統用地類型、植被葉面積指數差異而導致的植被蓋度不同而差異顯著，東部、北部及中部較少地區較高，其他大部分地區較低；生態資產總價值，西部為280多億元，東部則達520多億元，區域生態資產總價值呈由西向東逐漸增大的態勢。

3.3 生態資產價值構成變化分析

對于不同生態系統服務總價值而言，林地生態系統服務價值最高，占主導地位；林地、草地生態系統呈現不斷下降的趨勢，其他生態系統類型均呈增加趨勢。由表3可知，2000年，2010年區域生態資產價值大小構成均表現為：林地>耕地>濕地>建筑用地>草地生態系統價值，這是由于耕地、林地及濕地的植被覆蓋度較高，因而對生態系統服務價值貢獻率較大。

由表4可知，從單項服務價值構成方面來看，土壤保持價值量最大，兩期中其值均超過1 430億元，在生態資產價值中占主導地位，而養分循環價值量最低，兩期中最高值僅達到109.52億元。區域單項價值大小排序為：土壤保持>涵養水源>空氣質量調節>有機質生產>養分循環價值，除土壤保持價值略有降低，其他類型生態服務價值在10 a間均呈略增趨勢。

表4 2000-2010年哈爾濱市生態系統服務價值

4 結論與討論

(1) 本文利用遙感影像、土壤、氣象和調查數據對哈爾濱市生態資產進行測量，獲得了1 km分辨率像元尺度的哈爾濱市生態資產總價值及其動態變化，從不同生態系統類型的生態資產總價值上來看，林地>耕地>濕地>建設用地>草地生態系統價值，基于遙感測量的生態系統價值與經濟評價法基本一致。

(2) 哈爾濱市2000—2010年生態資產價值總量較高，期間總體變化幅度不大，但土地利用變化引起的不同類型生態系統價值差異及變化較為顯著，草地面積的銳減不利于耕地生態系統的穩定。

(3) 區域生態資產總價值呈自西向東逐漸增大的態勢，生態資產價值構成呈現出土壤保持>涵養水源>空氣質量調節>有機質生產>養分循環價值，土壤保持價值占主導地位，表明區域土地生態環境狀況較好 。

利用遙感技術評估生態資產價值具有客觀、快速的優勢，評估成果可很好地反映區域生態環境質量及分布狀況，為區域可持續發展評價、生態環境建設規劃提供依據，但基于遙感反演的生態資產價值仍存在一定的不確定性。

生態資產評價因子的價值標準體系尚不完善。本研究采用市場調查法確定的生態資產各指標價值的標準煤價格、工業制氧成本、瑞典碳稅稅率、氮磷鉀肥、水庫單位建設成本等數據，受調查的時間、范圍以及市場狀況影響可能產生一定的偏差，同時隨著研究時間尺度推移及匯率變化，估算的兩個時段生態資產價值的可比性亦可能受到一定程度的影響。

利用遙感技術評估濕地價值時，難以體現濕地對環境的污染凈化、生物多樣性保護、景觀生態作用等方面價值，導致濕地生態資產價值存在一定偏差。

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Evaluation of Ecological Assets in Harbin City by the Quantitative Method of Remote Sensing

HOU Shutao, ZHENG Xuling, DI Yanshun, WANG Yumeng, YU Xiaolei

(CollegeofResourcesandEnvironment,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

Ecological asset is a comprehensive characterization of the biological resources direct value of ecological system and the indirect value of ecological services, which is the material basis and guarantee of the national economic and social sustainable development. This paper integrated the remote sensing and geographic information technology to build the ecological asset remote sensing measurement evaluation index system, to evaluate ecological assets of Harbin from 2000 to 2010, and to analyze the change of the ecological asset and the status of the spatiotemporal distribution using remote sensing images, soil, climate and ecological environment of MODIS data. The conclusions are as follows. 1) Temporal changes showed that all the ecological asset values of Harbin city in 2000 and 2010 had reduced 21.03 billion Yuan, the per unit area value had reduced 39.6 thousand Yuan/(km2·a). 2) The spatial distribution showed that the distribution of Harbin ecological asset value gradually increased from the west to the east in 2000 and 2010. Among them, the eastern region was the highest, and the western region was the lowest; 3) the composition of ecological asset value showed that the order was soil conservation value>water conservation value>air quality adjustment value>organic production value>nutrient cycling value in the structure of the ecological asset value in two periods following the same rule. The research results can well reflect the status of regional ecological environment quality and its changes, it can provide important basis for regional sustainable development evaluation and eco-environment construction planning.

ecological asset; remote sensing; value evaluation; change of time and space; Harbin

2014-05-01

2014-05-31

黑龍江省普通高等學校青年學術骨干支持計劃(1251G010);黑龍江省教育廳科學技術研究項目(11551038)

侯淑濤(1965—),女,黑龍江樺川人,副教授,碩士生導師,從事農業遙感和土地利用研究。E-mail:houst129@126.com

F062.2

1005-3409(2015)02-0305-05