基于CASA 模型的農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)變化

湖南農(nóng)業(yè)大學生物科學技術(shù)學院,湖南長沙 410128

基于生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、發(fā)展變化過程與功能獲取的生命支持產(chǎn)品與服務(wù)即生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[1]，其對于人類與自然界的存在與生存產(chǎn)生重要影響，不僅是人類與自然界生存與發(fā)展不可或缺的基礎(chǔ)條件，也是人類健康安全與高品質(zhì)生活的必要條件。一旦生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能受到嚴重破壞，人類與自然界的生存將受到嚴重威脅[2]。當前人類與自然界中各種生態(tài)問題的生產(chǎn)與加劇均與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的受損及退化相關(guān)，甚至是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能受損及退化導(dǎo)致的直接結(jié)果。生態(tài)系統(tǒng)中人類與自然接觸最緊密的環(huán)節(jié)就是土地利用[3]，人類行為活動時刻改變地表覆被環(huán)境，使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能發(fā)生變化。相較于城市地表覆被的相對固定[4]，農(nóng)村土地面積遼闊，地表覆被變化空間更為巨大，因此研究農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)變化對區(qū)域生態(tài)建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義。

CASA 模型的本質(zhì)在于研究植被光能利用率[5]，該模型于研究初始是針對大尺度空間驗證，其參數(shù)設(shè)定均以區(qū)域為基礎(chǔ)，能夠更好地描述生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展過程。提出農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)變化研究，希望在理論與實際操作中均可為農(nóng)村區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)變化研究提供依據(jù)。

1 農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)變化

1.1 基于CASA 模型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值系數(shù)計算

以遙感數(shù)據(jù)、太陽輻射、溫度以及土壤類型等一致驅(qū)動的光能利用率模型即CASA 模型[6]，該模型利用光合有效輻射與光能轉(zhuǎn)化率獲取生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值系數(shù)，可描述為：

上式內(nèi)，Lij、A和η分別表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值系數(shù)、光合有效輻射和光能轉(zhuǎn)化率。

式（2）和式（3）分別描述A和的計算過程：

上式內(nèi)，SOL和FP分別表示太陽總輻射量和植被冠層對入射光合有效輻射的吸收比例；0.5 為一常數(shù)，可用于描述太陽整體輻射內(nèi)植被占用太陽有效輻射的比率。Rη1和Rη1均用于描述光能轉(zhuǎn)化率在溫度影響下產(chǎn)生脅迫作用兩者計算公式如式（4）和式（5）所示；Eη和η*分別表示水分脅迫系數(shù)和光能轉(zhuǎn)換率上限的最優(yōu)值，η*值根據(jù)植被類型的差異而有所差異[7]。

上式內(nèi)，Ropt和R分別表示植被生長過程中的最佳溫度和月均溫度。

Eη可表示光能轉(zhuǎn)化率受植被所利用的有效水分影響的變化狀態(tài)，可利用遙感反演地表濕潤指數(shù)計算獲取[8]：

上式內(nèi)，LS、?mir和?swir分別表示地表濕潤指數(shù)、近紅外波段以及段波。

1.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值動態(tài)變化

農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能機制動態(tài)變化研究需在價值計算模型基礎(chǔ)上結(jié)合Slope 趨勢變化研究方法，公式描述為：

上式內(nèi)，n表示動態(tài)變化研究區(qū)間內(nèi)的年數(shù)。Slope 趨勢變化研究方法所得結(jié)果的高低可描述研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能整體價值隨時間變化速率高低[9]。為更加深入的描述研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能整體價值動態(tài)變化水平，通過F檢驗確定Slope 趨勢變化的顯著性，公式描述如下：

上式內(nèi)，Y2表示動態(tài)變化研究區(qū)間內(nèi)各像元生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能整體價值與年份間的復(fù)相關(guān)系數(shù)。動態(tài)變化研究過程中，F(xiàn)值可劃分為三個等級[10]，如表1 所示。

表1 顯著性等級劃分標準Table 1 Grading standards of significance

2 實驗分析

實驗為驗證本文所提方法的研究性能，選取我國延安市柳林鎮(zhèn)為研究對象，采用本文方法研究其2010 年-2019 年間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)變化情況，結(jié)果如下。

2.1 研究區(qū)域概況

根據(jù)所選研究區(qū)域土地利用與覆被狀態(tài)，結(jié)合相關(guān)土地利用與覆被劃分標準，統(tǒng)一劃分研究區(qū)域土地利用類型與面積。

表2 2010 年-2019 年間各土地利用類型的面積Table 2 Areas of land use types from 2010a to 2019a

2.2 研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)變化研究結(jié)果

2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值系數(shù)計算采用本文方法計算研究區(qū)域2010 年-2019 年間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)，結(jié)果如表3 所示。

表3 2010 年-2019 年間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)Table 3 Service value coefficient of ecosystem from 2010a to 2019a

表3 可見，研究區(qū)域2010 年-2019 年間全部土地利用類型內(nèi)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)均值有低至高分別是：耕地、建設(shè)用地、林地、水域、濕地、園地、未開發(fā)地。未開發(fā)地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)均值最高，達到457.9 g·cm-2，而耕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)均值最低，達到313.0 g·cm-2

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)變化情況采用本文方法計算研究區(qū)域2010 年-2019 年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)變化情況，結(jié)果如表4 所示。

表4 研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)變化情況Table 4 The dynamic changes of ecosystem service value in studied area

分析表4 可得，研究區(qū)域大部分土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值處于穩(wěn)定狀態(tài)，這一研究結(jié)果同國內(nèi)相關(guān)研究學者研究結(jié)果一致[11,12]，符合實際客觀情況。

綜合表2、表3 和表4 內(nèi)的結(jié)果可知本文方法能夠有效計算研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，并得到其動態(tài)變化趨勢，研究結(jié)果符合實際客觀情況，由此說明本文方法具有可用性。

2.3 研究效率分析

本文方法在計算研究區(qū)域不同年份生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值過程中所需時間如圖1 所示。

圖1 計算過程所需時間Fig.1 Time during calcuation

由圖1 可知，采用本文方法計算研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值過程中，不同年份計算時間基本控制在0.4 s～0.7 s 之間，平均計算時間與對比方法相減少0.2 s 左右。由此可知本文方法具有較高的計算效率。

3 結(jié)論

在整體生態(tài)過程中，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值具有變化性，這種變化主要是由土地利用類型與社會發(fā)展變化導(dǎo)致的。本文提出農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值動態(tài)變化研究，實驗結(jié)果顯示本文研究方法所得研究結(jié)果在確保準確的基礎(chǔ)上提升了研究效率，可應(yīng)用于農(nóng)村區(qū)域生態(tài)規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境改善以及土地資源整合等領(lǐng)域。