基于GIS和力矩平衡點的生態系統服務價值時空動態分布研究

張鑫 楊瀲威 王曉敏 王寧 劉奇 趙娟 張平*

（1.西安工程大學環境與化學工程學院，陜西西安 710048；2.陜西省土地整治重點實驗室，陜西西安 710075）

1 引言

生態系統服務是指通過生態系統的過程、結構和功能直接或間接得到的生命產品和服務，形成和維持了人類生存和發展的環境條件與效用，是人類得以生存的基礎［1］。人類對環境的壓力正在時空上發生變化，這對地球的生物多樣性和人類經濟發展有著深遠的影響，合理評價生態系統的服務價值是進行生態環境保護的必要前提［2-4］。生態系統服務評估為人與地之間的關系研究提供重要的實踐領域［5］。自從生態系統服務類型、價值科學測算的原理及方法被Costanza 等［6］提出并發展后，現已逐漸成為國內外相關領域的研究熱點。近年來，國內外從生態系統服務、生物多樣性以及自然資本等方面開展了大量自然資源價值的評估工作［7-8］，并在相關方法、理論以及應用方面取得了較大進展［9-11］。目前國內外生態服務價值評估的研究重點集中在生態系統分類方法研究［12-14］、評估方法創新研究［9］，生物多樣性與生態系統服務價值［15］，生態系統組分變化以及生態管理方面的模擬生態過程的模型研究［16］。總體而言，當前的研究多是對研究區域進行土地類型生態系統分類，采用不同的評估方法研究土地利用變化引起的生態系統服務價值變化。對區域內部不同類型、不同功能生態系統服務價值的時空動態變化研究不足［17］。本文基于遙感解譯獲取的研究區不同年代的土地利用數據，應用地理信息系統GIS，定量計算不同用地類型生態系統服務價值、不同生態服務功能價值，借助力矩平衡點法評估研究區生態系統服務價值空間分布重心變化，為區域土地利用規劃決策和生態環境保護政策提供合理依據。

2 材料與方法

2.1 生態系統服務價值計算方法

1998 年Costanza 等提出了以生態價值量評價生態系統服務功能價值的理論方法，謝高地等［18］根據中國的實際情況對中國陸地生態系統單位面積生態系統服務價值當量表進行了修正［19］。

其計算公式如下：

式中，ESVk為k 種土地利用類型的生態系統服務價值；ESVf為f 種生態服務功能價值；ESV 為區域總生態服務價值；Ak表示k 種土地利用類型分布面積；VCkf為k 種土地利用類型f 種生態服務功能的生態服務功能價值指數。

2.2 生態系統服務價值重心計算方法

力矩平衡點法是美國學者弗朗西斯·沃爾克于1874 年提出的，通過計算出研究區不同時期生態系統服務價值重心的坐標值，根據重心移動的軌跡，分析生態服務價值的變化趨勢，結合不同時期生態系統服務價值的變化，分析生態系統服務價值的時空變化規律［20］。

其計算公式如下：

由于本研究的研究區域為整個中國，因此，n 表示研究區內一級行政區（包括省、直轄市、自治區、特別行政區）的數目；Ei表示一級行政區內土地生態系統服務總價值（或不同類型土地生態系統服務價值）；xi，yi分別代表一級行政區的政府（省會）所在地的相對坐標。

2.3 研究數據

本研究土地覆蓋數據是采用MODIS 土地覆蓋分類產品（MOD12Q1），該數據空間分辨率為500 m，為2001，2007，2013 年的土地利用數據，土地利用類型包括林地、耕地、草地、建設用地、未利用地和水域。此外，還包括中國省界數據、中國各省會城市地理坐標數據。

3 結果與分析

3.1 生態系統服務價值變化分析

2001—2013 年中國生態系統服務價值和生態服務功能價值見表1。中國生態系統服務總價值2001 年為 119 335.39 億元，2007 年為 118 437.31億元，2013 年為120 408.88 億元。中國生態系統服務總價值在2001—2007 年是減少的，2007—2013年是增加的。2001—2013 年，中國生態系統服務總價值呈現出先減少后增加的規律，而且變化較大。生態系服務價值最大的用地類型是林地，草地、耕地次之，生態系統服務價值量最小的用地類型是建筑用地。

表1 2001—2013 年中國生態系統服務價值 億元

為進一步分析不同區域的生態系統服務價值狀況，分區統計了不同省份的生態系統服務價值，并進行了排序，結果見表2。由表2 得出，2001—2013 年生態系統服務總價值最大的區域是新疆，最小的是香港；以2001 年各省份生態系統服務總價值排序為基準，2007 年生態系統服務總價值增長的地區有四川、黑龍江、湖南、湖北、貴州、安徽、遼寧、重慶；下降的地區有甘肅、云南、廣西、廣東、福建、山西、江蘇；其他地區價值排名沒有變化。2013 年生態系統服務總價值增長的地區有四川、云南、安徽、遼寧、重慶、黑龍江；下降的地區有山西、甘肅、江蘇；其他地區價值排名沒有變化。

表2 2001—2013 年中國各省份生態系統服務總價值 億元

3.2 生態系統服務價值重心變化

從整個中國來看，2001—2013 年中國不同土地利用類型及生態服務總價值重心分布在河南省、河北省、湖北省、湖南省、甘肅省、青海省，并且青海省分布的價值重心最多。其中總價值重心分布在甘肅省和青海省東部地區；耕地的價值重心分布在河南省東北部地區和河北省西南部地區；林地的價值重心分布在青海省東部地區；草地的價值重心分布在青海省、甘肅省西部；水域的價值重心分布在青海省中部地區；未利用地的價值重心分布在湖南省東部地區和東北部地區以及湖北省東部地區。

從時間變化上來看，生態系統服務總價值重心在2001—2007 年期間主要由西往東移動，南北方向移動幅度很小。在2007—2013 年期間，其總價值重心主要由北向南移動，東西方向移動幅度很小。耕地的價值重心在2001—2007 年這一時段主要由北往南移動，東西方向移動幅度較小，在2007—2013 年期間主要由南向北移動，東西方向移動幅度較小。林地的價值重心在2001—2007 年期間主要由西往東移動，南北方向上變化幅度不大，在2007—2013 年間主要由北向南移動，東西方向上移動幅度很小。草地的價值重心在2001—2013 年期間主要由東往西移動，南北方向上的移動幅度不大。水域的價值重心在2001—2007 年期間主要由南往北移動，東西方向上變化很小，而在2007—2013 年期間卻與之相反，其價值重心主要由東往西移動，南北方向上移動幅度很小。未利用地的價值重心在2001—2013 年期間主要由南向北移動，東西方向上的移動幅度不大。

從整個中國的空間范圍上看，9 種生態服務功能的價值重心分布在青海省、甘肅省和陜西省，同時，青海省分布的服務功能價值重心最多，其次是甘肅省，最少的是陜西省。從時間變化上看，氣體調節的價值重心在2001—2007 年主要由北向南移動，東西方向移動幅度很小，在2007—2013 年時由西往東南移動，東西方向移動幅度很小。土壤形成與保護的價值重心在東西方向上移動，南北方向幾乎沒有移動。氣候調節的價值重心在2001—2007年主要由西往東移動，南北方向上變化較小，在2007—2013 年主要由北向南移動，東西方向移動幅度較大。水源涵養的價值重心在2001—2007 年主要由西往東移動，南北方向上移動幅度較東西方向小，在2007—2013 年主要由北向南移動，東西方向移動很小。土壤形成與保護的價值重心在2001—2007 年主要由西往東移動，南北方向移動很小，在2007—2013 年主要由北向南移動，東西方向上移動幅度較大。廢物處理的價值重心在2001—2007 年在南北方向和東西方向上的移動幅度都較大，在2007—2013 年主要由東往西移動，南北方向移動幅度較小。生物多樣性保護的價值重心在2001—2007年主要由西往東移動，南北方向移動較小，在2007—2013 年主要由北向南移動，東西方向移動幅度很小。食物生產的價值重心在2001—2007 年由北向南的移動幅度較大，東西方向移動較小，在2007—2013 年主要由南向北移動，東西方向幾乎沒有移動。原材料的價值重心在2001—2007 年主要由西往東移動，南北方向移動幅度非常小，在2007—2013 年主要由北向南移動，東西方向移動幅度較大。娛樂文化的價值重心在2001—2007 年主要由西往東移動，南北方向移動幅度較小，在2007—2013 年主要由北向南移動，東西方向移動幅度較小。

4 結論與討論

由生態系統服務價值統計計算結果來看，2001—2013 年中國的生態系統服務價值是先減少后增加的。不同用地類型的價值重心轉移情況顯示，總價值與林地的價值重心在研究時期內的轉移方向一直都是同步的。2001—2007 年它們的價值重心都是由西往東移動，而在2007—2013 年時，主要都是從北向南轉移。由此說明林地對總價值重心的轉移起到了一定的推動作用。就服務功能而言，2001—2013 年，廢物處理與食物生產在東西南北4個方向上均有大幅移動，只有氣體調節由北向南轉移。2007—2013 年時期，氣體調節與廢物處理的價值重心主要在東西方向上移動，只有食物生產主要由南向北移動。

本文從國家尺度上分析了中國生態系統服務價值的時空動態變化，揭示了生態系統服務價值在不同土地類型和服務價值類型2 個方面的分布重心以及轉移規律。認為力矩平衡點法可以對分類型、分功能的生態系統服務價值的重心進行變化趨勢分析，可以分析生態系統服務價值的時空變化規律。今后還應和區縣小尺度研究結合，從大尺度和小尺度2 個不同尺度探討土地利用變化的生態系統服務價值時空動態分布。