基于地理國情監測的區域生態系統服務評價
——以杭州市為例

張明珠

(合肥市測繪設計研究院，安徽 合肥 211100)

近年來，隨著改革開發政策的實行，我國在取得經濟迅速發展的同時，由于其粗放的增長模式導致了如資源約束趨緊、環境污染嚴重、生態系統退化、發展與人口資源環境之間的矛盾日益突出等諸多環境問題，不僅影響人民的健康和安全，而且制約社會經濟可持續發展[1]。

運用地理國情監測技術對自然、人文等地理要素進行動態化、定量化和空間化監測，并對其空間分布、地域差異、變化量、變化率以及變化趨勢進行量測、分析、模擬，通過將多種資源、環境、生態、經濟要素信息集成整合，綜合反映生態和環境發展現狀，為生態文明建設提供科學數據以及技術支持。

人類對自然生態環境進行干涉，在改變土地利用方式的同時，不僅改變地表自然景觀，同時也促使了生態系統服務功能變化[2]。生態系統服務就是生態學界為了滿足這種需求而提出的聯系生態系統和人類福祉的一個重要概念，生態系統服務研究旨在為完善對生態系統的管理，確保對生態系統的保護與可持續利用，進而為提高人類福祉和推動經濟社會可持續發展進程提供科學信息，目前其已成為國際上科學研究的熱點問題之一，一些研究甚至認為可將其納入國民經濟核算體系。

1 研究概況

地理國情是制定國家和區域發展戰略與規劃、推動社會經濟可持續發展的重要數據基礎[3-4]。地理國情監測是傳統測繪的延伸和拓展，是對傳統測繪地理信息事業的深刻變革。其可將重要水體、森林及污染情況等自然環境要素信息集成整合，綜合反映生態和環境發展現狀，為生態文明建設提供科學數據支持。我國于2012年開展了歷時4年的全國地理國情監測工作，全面完成地理國情普查和重要、典型地理國情監測工作[5]。在完成第一次地理國情普查工作的基礎上，全國又啟動了一批如省會城市城區面積分布監測、國家級新區建成區面積監測等重點專題國情監測項目，對城市的可持續發展和開發區經濟發展起到了很好的基礎支撐作用。李德仁等[6]在總結我國第一次中國地理國情普查和重點專題國情監測成果的基礎上，提出地理國情普查和監測在內容、技術和成果表達3個方面亟需創新。

生態系統服務是指生態系統與生態過程所形成及維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用，也就是自然生態系統及其組成物種產生的對人類生存和發展有支持作用的狀況和過程。生態系統服務概念的第一次使用是在20世紀60年代[7-8]，其全面地科學表達及其系統的定量研究始于20世紀70年代，Holdren和Ehrlich在1974年發表的《人口與全球環境》一文中提出了“生態系統服務功能”概念[9]，最后由Ehrlich (1981)將其確定為“生態系統服務”[10]。隨后幾十年中，生態系統服務理論得到不斷發展與完善，Caims從生態系統的特征出發定義了生態系統服務，Daily于1999年在她的標志性著作《自然服務：人類社會對自然生態系統的依賴》一書中定義了生態系統服務[11]。我國歐陽志云、謝高地等也對生態系統服務功能的概念進行了概括[12-13]，傅伯杰等對我國生態系統服務與生態安全、生態系統管理、制圖發展等方面進行了研究[14-16]。

基于杭州市第一次地理國情普查成果，以及不斷發展、完善的地理國情監測技術并綜合考慮前人對生態系統服務功能的總結，本文將基于地理國情監測技術從碳儲量、水資源供給兩個方面進行區域生態系統服務評價。

2 研究區概況

選取杭州市為主要研究區。杭州市位于中國東南沿海、浙江省北部、錢塘江下游、京杭大運河南端，地處東經118°20′～120°37′，北緯29°11′～30°34′。全市總面積 16 596 km2，地形以丘陵、平原為主，全市丘陵山地占總面積的65.6%，集中分布在西部、中部和南部；平原占26.4%，主要分布在東北部；江、河、湖、水庫占8.0%。森林覆蓋率達65%，居全國省會城市第一。河網密集，湖泊密布，物產豐富，具有典型的“江南水鄉”特征。屬亞熱帶季風區，雨熱充沛。

2005年以來，杭州市委市政府先后編制實施了《杭州生態市建設規劃》、《杭州市生態文明建設規劃(2010-2020)》、《杭州市環境功能區劃》等系列規劃，形成了生態市—生態縣—生態鄉鎮—生態村四級生態規劃體系。杭州作為浙江省會城市，全省政治、經濟、文化中心，通過實施以西部山區和千島湖濕地為重點的生態屏障保護工程，以及城區“六條生態帶”保護和修復，形成了形態完備、功能完善、質量完美的生態格局。目前杭州已擁有2個世界自然文化遺產(西湖和大運河)、2個國家級自然保護區和9個國家森林公園。

3 數據來源與數據處理

3.1 數據來源

研究基礎是利用InVEST模型的碳儲量模塊和產水量模塊，以及Schwarz等提出的關于區域氣候調節功能估算方法對杭州市2000—2010年10年間以碳儲量、水資源供給和區域氣候調節為代表的生態系統服務功能進行估算，所需數據來源見表1。

表1 數據獲取

3.2 土地利用與土地覆蓋數據

研究中所使用的土地利用數據來源于國家地理信息中心提供的全球30 m地表覆蓋數據(Global Land 30),該數據覆蓋南北緯80度的陸地范圍，包括耕地、森林、草地、灌木林地、濕地、水體、苔原、城鎮建設用地、貧瘠地、冰川和永久積雪等10類。圖1為杭州市2000年、2010年土地利用數據。

3.3 潛在蒸散發量PET數據

潛在蒸散發量PET(potential evapotranspiration)是水分循環和能量平衡的重要組成部分，其表示在一定的氣象條件且供水充分情況下，平坦地面上有植被覆蓋的區域的蒸散發能力[17]。本文從地理數據共享平臺上收集了研究區內氣象站的每日平均溫度、最低溫度及最高溫度，然后利用Penman-Monteith公式計算出年均蒸發量，最后通過克里金插值，獲得柵格格式的年均蒸發量(圖2)。

3.4 年均降水量數據

從中國氣象數據網上申請獲取浙江省杭州市2000年、2010年氣象站點的年均降水觀測值，利用ArcGIS中的地統計分析工具采用克里格插值方法進行空間插值，生成2期不同時間段的年均降水量圖(圖3)。

3.5 土壤深度與土壤含水量數據

土壤深度數據(圖4)和植被可利用水含量(圖5)數據均來源于寒區旱區科學數據中心提供的基于世界土壤數據庫(HWSD)的中國土壤數據集(China Siol Map Based Harmonized World Soil Database)(v1.1)，通過對空間屬性數據進行空間柵格化，以及裁剪、數據融合等預處理得到模型所需的數據格式。

4 基于地理國情監測的區域生態系統服務評價方法

生態系統服務和交易的綜合評估模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)，簡稱InVEST，對生態系統服務功能進行量化，并以圖的形式表達[18]，從而識別出在何處投資、以及投資力度的大小，其分析成果可作為多服務和多目標優化方案的基礎。InVEST模型從最初的1.0到本文用到的3.3.3共有20多個版本，截至目前已開發到3.5.0版本，其包含三大生態系統的評估：海洋系統、陸地系統和淡水系統。

圖1 杭州市2000年、2010年土地利用狀況

4.1 基于InVEST模型的碳儲量估算

陸地生態系統中的碳儲存主要來自于包含地上部分生物量、地下部分生物量、土壤碳、死亡有機質碳庫四大基本碳庫。InVEST模型使用土地利用與土地覆被圖和木材砍伐速率數據、產品衰減速率、四大基本碳庫來估算在景觀中目前存儲的碳和未來存儲的碳以及研究時段內固定或釋放的碳。其計算公式為：

Cveg=Cabove+Cbelow+Cdead#

C=Cveg+Csoil#

式中:Cveg為植被總碳儲量(t/hm2)；Cabove為地上部分碳儲量；Cbelow為地下部分碳儲量；Cdead為死亡有機質碳儲量；Csoil為土壤碳儲量圖層數據。

圖2 杭州市2000年、2010年潛在蒸散發量分布

模型運行所需數據主要包括土地利用/覆被(LUCC)圖和碳庫表(表2)。土地利用/覆蓋(LUCC)圖為2000年、2010年杭州市土地覆蓋/土地利用分類圖。InVEST模型為使用者提供了一個基于IPCC 2006溫室氣體排放清單的碳庫表，經整理歸并為本文所用。

4.2 基于InVEST模型的產水量估算

“產水量”模型是基于一個簡化的水文循環模型，忽略地下水的影響，模擬一定區域內的地表產水量，產水量越多，水資源供給服務就越多。水資源供給又是一項重要的生態系統服務，涉及到人類的很多福祉。InVEST模型的產水模塊是一種基于水量平衡的估算方法，某柵格單元的降雨量減去實際蒸散發后的水量即為水資源供給量，包括地表產流、土壤含水量、枯落物持水量和冠層截留量。InVEST模型的產水估算是建立在Budyko水熱平衡假設和年均降水量的基礎上[19]。不同土地利用類型柵格單元年產水量Y(x)的計算公式為：

圖3 杭州市2000年、2010年降水量分布

式中：Y(x)為柵格單元x的年產水量；AET(x)為柵格單元x的年實際蒸散量；P(x)為柵格單元x的降水量，詳細計算過程參見InVEST模型用戶手冊[18]。

表2 不同LUCC碳密度

該模塊需要的數據主要包括研究區土地利用/覆蓋(LUCC)圖、年降水量、潛在蒸散量、土壤深度、根系深度、植物可利用水含量、植被蒸散系數等。其中年降雨量根據杭州市各氣象站點觀測數據插值而得到；潛在蒸散量的計算則是先根據Modified-Hargreaves法求得各氣象站點的潛在蒸散量，再在ArcGIS平臺中插值而得到；其他模型數據由InVEST自帶的生物物理表整理得到。

5 結果與分析

5.1 基于InVEST模型的估算結果分析

基于兩期土地利用/覆蓋(LUCC)數據，運用InVEST模型Carbon模塊，得到杭州市2000、2010年碳儲存總量分別為 295 054.43 t、296 546.92 t。研究區碳儲量計算結果如圖6所示。

圖6 杭州市碳儲量計算結果

兩個時相的計算結果均顯示杭州市碳儲量的高值在杭州市山區境內，這是由于山區內植被茂密，森林覆蓋率高，因此碳密度很高。此外，由于土地肥沃，土壤有機碳含量高，在評估結果中也呈高值。從變化量來看，大部分區域碳儲量基本未變，桐廬縣城中心、余杭區東部、蕭山區西南部均有所增高，這是由于杭州市土地利用變化所致，2000—2010年城市擴張明顯，耕地、坑塘等轉變為城鎮建設用地，而城鎮建設用地的碳密度值較之前更高導致。而碳儲量減少的區域較少且分布較分散，多是由于土壤肥力下降、植被生長環境遭到破壞，土地利用類型由耕地、草地等轉變為貧瘠地所致。其中變化量的最大值、最小值均分布在邊界上，是由于邊界處數據采集誤差導致。

輸入預處理好的數據，運行InVEST模型，計算研究區范圍內的產水量，得到結果如圖7所示。

基于InVEST模型分別估算了杭州市2000、2010年不同時期年產水量，產水總量分別為2.1×107m3和1.9×107m3；柵格平均值分別為939.55 mm和865.12 mm。

由圖7看出，產水量較高的區域多分布在城市建成區，這是因為降雨到達地面后，便在地表產生徑流，而地表狀況復雜且土壤含水率也不盡相同，造成不同地塊的徑流系數不同，產水量也就不同。城市建成區多為不透水面、徑流系數普遍較大，產水量自然就高。由于杭州市大部分區域2010年的降水量較2000年減少，而潛在蒸散發量較2000年增加，導致這些區域2010年的產水量比2000年少。杭州市城區產水量隨城市規模的擴大而增加。另外，杭州市千島湖地區產水量也有一定程度的增加，主要是由于當地2010年降水量比2000年多且該區域自然環境保護狀況較好，潛在蒸散發量變化不大，由于總增加量小于其他產水量減少區域的總減少量，導致全市產水量總量呈減少趨勢。

圖7 杭州市產水量計算結果

5.2 服務“熱點”與服務“范圍”定義

確定每種服務的范圍和熱點至關重要，因為兩者均對最終評價結果有顯著影響。服務范圍和熱點的劃分與空間上生物多樣性評估中所采用的方法基本相同。將生態系統服務的范圍定義為有意義的供應區域，類似于物種的活動范圍或居住區域。“熱點”一詞由諾曼·邁爾斯在20世紀80年代提出，指物種豐富度高、地域性強或威脅大的地區。這里所說的生態系統服務“熱點”是指提供大量特定服務的地區，不包括威脅或地方性措施。

通常使用兩種方法來確定服務“范圍”和“熱點”的閾值。第一種方法是將一系列生物物理指標值定義為閾值[20]。本研究中使用的第二種方法，即在給定區域使用最高服務價值的百分比[21]。在本研究中，對每個單元的服務值進行排名，并將排名前10%的單元值定義為服務“熱點”的閾值。多個服務“熱點”的交叉區域被定義服務“熱點”的重疊，即該格網在多種生態系統服務中均處于熱點區域。另外，值的中位數(50%)被定義為服務“范圍”的閾值，其中重疊被定義為多個服務“范圍”。

基于前面關于碳儲量、水資源供給兩種生態系統服務的估算，結合服務“熱點”、服務“范圍”的定義，這里對這兩種服務的具體服務“熱點”以及服務“范圍”的閾值進行設定(表3)。

表3 各生態系統服務“熱點”和“范圍”相關閾值設定

5.3 城鎮—郊區—鄉村區域劃分

近年來隨著地方人才引進、招商引資等政策的落實，以及G20第十一屆金融峰會等全國性、國際性會議的召開，為杭州市注入鮮活血液的同時，也讓世界認識到了杭州市作為我國經濟大都市蓬勃生機與澎湃的動力。然而，城鄉差異、區域差異問題不可避免，為了城市的穩步、可持續發展，要考慮并制定出具體實施方案努力縮小差異。城鄉差異、區域差異不僅體現在經濟發展上，也體現在自然資源的擁有量、利用率，生態環境質量，生態系統服務功能等多方面，而這些也影響著一個區域、一個城市的全面發展。因此，對杭州市進行子區域的生態審計研究是必要的。

Dagmar Haase等[22]在其相關研究中利用人口密度和建筑密度2個指標將Leipzig-Halle區劃分為高密集建筑區域的城市部分、內部城市周邊地區、外圍城市地區、其他地區4個等級。本研究中子研究區劃分考慮因素包括人口密度、地均GDP、城鎮建筑用地3個因素，將杭州市分為城鎮、郊區、農村3個等級，具體界定范圍見表4。

表4 人口密度、地均GDP閾值分城鎮、郊區、鄉村三級設定

最后疊加2010年城鎮建設用地范圍，并進行區域綜合、簡化處理后得到城鎮、郊區、鄉村三級子區域范圍(圖8)。

圖8 城鎮—郊區—鄉村三級子研究區劃分

5.4 生態系統服務的城鄉區域差異分析

將整個杭州市按人口密度、地均GDP和城鎮建筑用地3個要素劃分為城鎮、郊區、鄉村三級，分別統計2000年、2010年三級服務“熱點”和服務“范圍”占比(表5，表6)。

從表5、表6可以看出，碳儲量服務的“熱點”和“范圍”面積占比在城鎮、郊區、鄉村三級里2010年較2000年均有所減少，但就總量來說，城鎮和郊區的2010年與2000年相比有增加的趨勢。且城鎮、郊區、鄉村呈現明顯的分布不均，這主要是因為城區多為人工建筑物等不透水面，草地、林木等植被較少。水資源供給服務的總量和“范圍”面積占比在城鎮、郊區、鄉村三級里均呈減少趨勢，特別是在郊區和鄉村一級“范圍”面積分別減少了1.34倍、0.74倍，而在城鎮一級服務“熱點”面積有所增加。

表5 碳儲量分城鎮、郊區、鄉村三級統計

表6 產水量分城鎮、郊區、鄉村三級統計

使用每個子區域的平均值對該研究區城鎮、郊區和鄉村進行分析，假設2000年的評估值為100%，則評估值大于105%意味著生態系統服務供應量與2000年相比有所增加，該區域的生態系統服務有所改善；評估值小于95%意味著相應減少(表7)。

表7 城鎮、郊區、鄉村的各生態系統服務變化

由于區域氣候調節是指標統計量，并不能做累積平均計算，這里取指標數大于0的比例做比較分析。可以看出：郊區的碳儲量平均值增加量超過5%；而水資源供給減少超過5%，城鎮和鄉村則分別表現為碳儲量增加超過5%，水資源供給減少超過5%的同時水資源供給減少小于5%，碳儲量增加小于5%。

6 結論與討論

6.1 結論

以杭州市為研究對象，對杭州市2000年、2010年的生態系統服務進行估算、分析。對杭州市進行全局空間分布特征分析顯示：杭州市碳儲量總量2010年比2000年有所增多，而水資源供給的指標產水量相反。碳儲量的增多主要是由于城市擴張，耕地、坑塘等轉變為城鎮建設用地所致，產水量的增多集中在城區和千島湖地區，但由于杭州市大部分區域2010年的降水量較2000年減少，而潛在蒸散發量較2000年增加，總增加量小于其他產水量減少區域的總減少量，導致全市產水量總量呈減少趨勢。綜合考慮人口密度、地均GDP和城鎮建設用地3個要素，將杭州市劃分為城鎮、郊區、鄉村三級，分析表明：碳儲量服務的“熱點”和“范圍”面積占比在城鎮、郊區、鄉村三級里2010年較2000年均有所減少，但就總量來說，城鎮和郊區的2010年與2000年相比有增加的趨勢。水資源供給服務的總量和“范圍”面積占比在城鎮、郊區、鄉村三級里均呈減少趨勢，特別是在郊區和鄉村兩級“范圍”面積分別減少了1.34倍、0.74倍，而在城鎮一級服務“熱點”面積有所增加。

6.2 討論

6.2.1 數據精度問題

本研究中的多種生態系統服務估算是基于LUCC數據，雖然該數據的平均分類精度在83.51%，但由于后續的各種指標值均劃分到1 km格網上，并在此基礎上完成多種分析。

6.2.2數據的時間尺度問題

本次研究僅采用了2000年、2010年兩期數據，在數據可獲得性條件允許的情況下應采用長時間序列進行多時段分析。

6.2.3分析的全面性問題

本研究僅從碳儲量、水資源供給兩個方面展開，生態系統服務框架中包括供給服務、調節服務、文化服務共17種[23]，在以后數據可獲取性和模型方法的成熟度得到改善的前提下還可對區域生態系統服務進行更加準確的評估與分析。