基于CASA 模型的農村生態系統服務價值動態變化

湖南農業大學生物科學技術學院,湖南長沙 410128

基于生態系統結構、發展變化過程與功能獲取的生命支持產品與服務即生態系統服務[1]，其對于人類與自然界的存在與生存產生重要影響，不僅是人類與自然界生存與發展不可或缺的基礎條件，也是人類健康安全與高品質生活的必要條件。一旦生態系統服務功能受到嚴重破壞，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問題的生產與加劇均與生態系統服務功能的受損及退化相關，甚至是生態系統服務功能受損及退化導致的直接結果。生態系統中人類與自然接觸最緊密的環節就是土地利用[3]，人類行為活動時刻改變地表覆被環境，使生態系統服務功能發生變化。相較于城市地表覆被的相對固定[4]，農村土地面積遼闊，地表覆被變化空間更為巨大，因此研究農村生態系統服務價值動態變化對區域生態建設與可持續發展具有重要現實意義。

CASA 模型的本質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，其參數設定均以區域為基礎，能夠更好地描述生態系統發展過程。提出農村生態系統服務價值動態變化研究，希望在理論與實際操作中均可為農村區域生態系統服務價值動態變化研究提供依據。

1 農村生態系統服務價值動態變化

1.1 基于CASA 模型生態系統服務功能價值系數計算

以遙感數據、太陽輻射、溫度以及土壤類型等一致驅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化率獲取生態系統服務功能價值系數，可描述為：

上式內，Lij、A和η分別表示生態系統服務功能價值系數、光合有效輻射和光能轉化率。

式（2）和式（3）分別描述A和的計算過程：

上式內，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，可用于描述太陽整體輻射內植被占用太陽有效輻射的比率。Rη1和Rη1均用于描述光能轉化率在溫度影響下產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和光能轉換率上限的最優值，η*值根據植被類型的差異而有所差異[7]。

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

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

1.2 生態系統服務功能價值動態變化

農村生態系統服務功能機制動態變化研究需在價值計算模型基礎上結合Slope 趨勢變化研究方法，公式描述為：

上式內，n表示動態變化研究區間內的年數。Slope 趨勢變化研究方法所得結果的高低可描述研究區域生態系統服務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域生態系統服務功能整體價值動態變化水平，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，Y2表示動態變化研究區間內各像元生態系統服務功能整體價值與年份間的復相關系數。動態變化研究過程中，F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為研究對象，采用本文方法研究其2010 年-2019 年間生態系統服務價值動態變化情況，結果如下。

2.1 研究區域概況

根據所選研究區域土地利用與覆被狀態，結合相關土地利用與覆被劃分標準，統一劃分研究區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 研究區域生態系統服務價值動態變化研究結果

2.2.1 生態系統服務功能價值系數計算采用本文方法計算研究區域2010 年-2019 年間生態系統服務價值系數，結果如表3 所示。

表3 2010 年-2019 年間生態系統服務價值系數Table 3 Service value coefficient of ecosystem from 2010a to 2019a

表3 可見，研究區域2010 年-2019 年間全部土地利用類型內，生態系統服務價值系數均值有低至高分別是：耕地、建設用地、林地、水域、濕地、園地、未開發地。未開發地生態系統服務價值系數均值最高，達到457.9 g·cm-2，而耕地生態系統服務價值系數均值最低，達到313.0 g·cm-2

2.2.2 生態系統服務價值動態變化情況采用本文方法計算研究區域2010 年-2019 年生態系統服務價值動態變化情況，結果如表4 所示。

表4 研究區域生態系統服務價值動態變化情況Table 4 The dynamic changes of ecosystem service value in studied area

分析表4 可得，研究區域大部分土地生態系統服務價值處于穩定狀態，這一研究結果同國內相關研究學者研究結果一致[11,12]，符合實際客觀情況。

綜合表2、表3 和表4 內的結果可知本文方法能夠有效計算研究區域生態系統服務價值，并得到其動態變化趨勢，研究結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域不同年份生態系統服務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域生態系統服務價值過程中，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 結論

在整體生態過程中，生態系統服務價值具有變化性，這種變化主要是由土地利用類型與社會發展變化導致的。本文提出農村生態系統服務價值動態變化研究，實驗結果顯示本文研究方法所得研究結果在確保準確的基礎上提升了研究效率，可應用于農村區域生態規劃、生態環境改善以及土地資源整合等領域。