兩種生態系統服務價值評估方法的比較研究
——以環杭州灣地區為例

李魯冰, 林文鵬, 任晨陽, 徐 丹

(上海師范大學 環境與地理科學學院, 上海 200234)

黨的十九大報告明確提出中國既要創造更多的物質財富和精神財富以滿足人民日益增長的美好生活需要，也要提供更多優質生態產品以滿足人民日益增長的優美生態環境需要[1]。隨著生態文明建設成為時代強音，犧牲環境為代價的發展已遭到摒棄。中國創新綠色發展理論與實踐[2]，諸如珠海[3]、蘇州[4]、舟山等[5]城市實現了經濟增長、社會進步與生態建設的協調發展。

生態建設的代表性指標之一是生態系統服務(Ecosystem Service Value，簡稱：ESV)[6-8]，被靈活運用在環境經濟分析[9]、生態風險判定[10]、人類福祉研究[11]、生態空間區劃[12]、土地管理決策等[13]領域。核算生態系統服務價值最常用的方法為當量因子評估法和功能價值評估法。前者由美國學者Costanza等在《Nature》發布的成果[14]得到推廣，他提出的生態系統服務價值當量經過修之后可以應用到不同空間尺度的研究中[15-18]。后者則是對生態系統服務的功能逐項估價。趙同謙等[19]運用該方法對中國森林生態系統服務價值進行核算為1.41 × 104億元，徐冉等[20]對長江三角洲海岸帶生態系統服務估價為1 493.04億元，寧瀟等[21]對杭州灣國家濕地公園的濕地生態系統服務價值評估為4.20× 106元。但針對同一地區，兩種方法的評估結果可能差別較大，如，薛明皋[22]和何浩[23]分別利用當量因子評估法和功能價值評估法對2000年中國生態系統服務價值進行核算，結果相差近20億元。周小平等[24]曾利用兩種計算方法對四川金堂縣的生態效益進行評估、對比并得到了科學的結果，除此之外，兩種方法的比較研究案例較少。

探索適合區域生態系統服務價值評估方法不僅是準確評價區域生態效益的前提，更是協調區域經濟發展、促進生態建設的重要路徑。本文將當量因子評估法與功能價值評估法應用在長江三角洲(簡稱：長三角)南部的環杭州灣地區，以期在比較兩種方法的同時為環杭州灣區域城市發展和生態環境保護提供參考。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區概況

研究區的四至范圍是29°39′10″—31°15′10″N，120°520′45″—122°54′45″E，包含浙江省、上海市沿海市轄區或縣級行政區域18個。研究對象為濱海-城市生態系統，地處中國海岸線中點，北岸為侵蝕性海岸，南岸為淤漲型海岸，擁有豐富的海岸帶資源。該區域是典型的自然-人工復合生態系統，依托優越的地理位置與自然條件，沿岸城市在2000—2015年發展迅速，區域生產總值從2 451.00億元增長到37 473.50億元，常住人口的城市化率從24.74%增長為44.31%。評估該地生態系統服務價值可以直觀辨識出經濟發展、城市化進程中生態環境狀況的損益。

1.2 數據來源

土地利用數據通過解譯研究時段(2000年、2005年、2010年、2015年)四期Landsat TM/OLI影像(http:∥www.gscloud.cn)獲得，空間分辨率為30 m，運用了ENVI軟件中最大似然法分類模塊配合目視判讀加以實現；NDVI數據源為MOD13Q1(https:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov)，原始分辨率為250 m，利用MODIS Reprojection Tool軟件對研究時段的數據產品進行了鑲嵌、投影轉換、裁剪、重采樣等步驟的批量處理，得到研究區NDVI數據集；2000年、2005年、2010年、2015年氣溫、降水數據來自中國氣象科學數據共享服務網(http:∥data.cma.cn)，土壤數據下載自中國土壤數據庫(http:∥vdb3.soil.csdb.cn)，使用ArcGIS 10.3中的克里金插值將站點數據轉化為了覆蓋研究區的面數據；上述年份的地形數據為中國科學院資源環境科學與數據中心(https:∥www.resdc.cn/Default.aspx)發布的DEM數據，柵格單元大小為30 m×30 m；社會經濟數據來自各級人民政府頒布的統計年鑒以及國民經濟和社會發展統計公報。

2 研究方法

本文分別采用當量因子評估法與功能價值評估法對研究區的生態系統服務價值進行核算，植被凈初級生產力(NPP)發揮了重要作用，技術路線圖見圖1。

對生態系統服務(Ecosystem Service，ES)進行分類是價值評估的前提和關鍵點[25]。在當量因子評估法的應用中，謝高地[26]采用的分類方法在我國普及程度最高，他認為生態系統的功能分類首先為供給、支持、調節和文化四大類，進而被細分為11種明確的生態系統服務功能。受限于數據可得性，本研究依賴的遙感技術僅能對其中部分功能進行價值評估，但兩種方法的比較不受影響。因此調整、選取以下6種生態系統服務功能進行探究，指標明細見表1。

2.1 植被凈初級生產力(NPP)測算

NPP將作為基礎數據參與生態系統服務價值的核算，本文采用CASA模型[27]進行估算，公式如下：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

式中: NPP(x,t)是像元x在t月產生的植被凈初級生產力(MJ·month);APAR(x,t)表示像元x在t月吸收的光合有效輻射(g C/m2·month)，見公式2;ε表示像元x在t月的實際光能利用率(MJ/g C·month)。

ARPR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

(2)

式中:APAR(x,t)表示像元x在t月吸收的光合有效輻射(g C/m2·month);SOL(x,t)表示像元x在t月的太陽總輻射量(g C/m2·month);FPAR(x,t)為植被層對入射光合有效輻射的吸收比例,0.5為植被的太陽輻射利用率。

圖1 技術流程

表1 杭州灣生態系統服務分類體系

2.2 當量因子評估法

依照中華人民共和國國家標準《土地利用現狀分類》(GB/T21010-2017)與環杭州灣區域遙感影像特征將生態系統劃分為城建、耕地、林地、草地、水體和裸地7個種類，選取研究區與全國的NPP比值為修正參數對中國陸地生態系統服務價值當量進行修正，依次計算出各類生態系統的各生態服務功能的價值并做加和。計算公式如下：

λy=NPPy,local/NPP2010,national

(3)

式中:λy表示y年的生態系統服務價值當量修正系數；NPPy,local(gC·m2)表示第y年研究區當地的植被凈初級生產力；NPPy,national(gC·m2)表示2010年中國陸地生態系統的植被凈初級生產力[28]。

生態系統服務價值的計算方法如下：

ESVa=∑Sy,i×λy×fi,j

(4)

式中:ESVa表示采用當量修正法計算得到的生態系統服務價值(元);Sy,i代表y年第i類生態系統的土地面積(km2);λy表示y年的生態系統服務價值當量修正系數;fi,j表示第i類生態系統第j項服務功能的價值當量,取值參考中國學者謝高地提出的2010年中國陸地生態系統服務價值當量體系[26]。

2.3 功能價值評估法

本研究中功能價值評估法的計算公式如下：

(5)

式中:ESVb表示采用功能價值評估法計算得到的生態系統服務價值(元);Vy,f表示y年第f種生態系統服務功能的價值(元),本文共選取了6項功能進行價值評估(表2)。

表2 功能價值評估詳表

3 結果與分析

3.1 基于當量因子評估法的生態系統服務價值核算

土地利用數據是當量因子評估法所需的基礎數據。環杭州灣地區的土地利用在研究期發生了較大改變，城建用地面積不斷增大，從2000年的2 002.32 km2增長到2015年的4 299.91 km2，增長率達53.43%，其空間分布格局見圖2。

此外，針對研究區的實際情況所得的修正系數將提升中國陸地生態系統服務價值當量體系的區域適用性。經計算2000年、2005年、2010年、2015年環杭州灣地區的修正系數分別為0.95，1.06，1.04，1.08，進而得到研究區生態系統服務價值的計算結果見表3。

2000—2015年期間，環杭州灣地區的生態系統服務價值先增后減。ESV由2000年779.58億元增加98.75億元并在2005年達到峰值，6項生態系統服務功能的價值均有升高，因涵養水源功能的價值增長高達85.80億元關注到水體在此項功能上的價值當量非常突出。此年間水體面積增幅較大(63.10 km2)，帶來了85.85億元的ESV增加值，可見水體面積變化在ESV變化因素中占主導地位。隨后的10 a時間里不斷減少、2005—2010年、2010—2015年的減少率分別為9.76%和7.07%。相比2005年、2015年研究區范圍內有319.28 km2水體被其他地類替代，造成了114.52億元的ESV損失，在ESV總減少量中占比80.82%。此外，建設用地擴張了1 635.57 km2，億元，侵占其他土地折損的ESV為73.78億元。由于各項功能在各類型土地生態系統上的價值當量懸殊較大，該方法受土地利用變化的密切影響，地類的面積變化幾乎可以控制總體結果的變化趨勢。

3.2 基于功能價值評估法的生態系統服務價值核算

通過遙感技術獲取基礎數據，利用能量代替法、影子工程法、成本替代法、市場價值法對各項生態系統服務功能的價值依次計算，所得環杭州灣地區在2000—2015年期間的生態系統服務價值見表4。

表4 2000-2015年研究區生態系統服務功能及價值 億元

環杭州灣地區在2000—2015年這一城市快速發展時期的生態系統服務價值整體呈小幅度上升趨勢，由781.86億元增長到810.37億元，增長了3.65個百分點。期間，2010年的生態系統服務價值最高，為824.40億元。各項生態系統服務功能的價值從高到低依次為：土壤保持、涵養水源、有機物生產、氣候調節、氣體調節和養分循環。其中，土壤保持功能發揮出了最大的價值量，平均占ESV總量的34.06%，其次是涵養水源功能的服務價值占比26.77%。有機物生產、氣候調節、氣體調節三項功能的服務價值占比均在10%～15%，養分循環功能的價值量的占比最小，僅為2%左右。結合土地利用數據對各地類的ESV進行核算，基于服務功能ESV的評估結果依然呈現出了均勻的占比和變化。

3.3 兩種方法應用于環杭州灣地區的比較分析

當量因子評估法與功能價值評估法所得生態系統服務價值較為接近(圖3)，2000—2015年的平均值分別為796.80億元、806.93億元。但從較長的時間序列來看，兩種方法的評估結果呈現出相反的變化趨勢。當量因子評估法判定環杭洲灣的生態系統服務價值在研究期內以1.39%的平均降低率下降，相比研究基期，2015年的生態系統服務價值下降了5.51個百分點，高達42.95億元。功能價值評估法的結果顯示該地區生態系統服務價值以1.26%的平均增長率上升，研究末期的價值量得到了小幅度增高。

圖3 2000-2015年環杭州灣地區生態系統服務價值

研究期內，環杭州灣區域的建設用地面積增長了1.15倍，土地城市化率從15.03%增長到32.28%。在城市快速發展的階段，功能價值評估法的結果顯示生態效益保值，但當量因子評估法不能識別出這一細微的變化。該方法自上而下地開展評估，首先對國家尺度的價值當量體系進行修正而后運用于地區，即使研究范圍較小也無法繞開宏觀層面的估價。雖然通過修正參數可以完成空間尺度間的轉換，但我國幅員遼闊，地域差異顯著，以整體推測局部造成的偏差較大。

宏觀尺度的研究表明建設用地不能發揮生態系統服務功能，即生態系統價值為0[30-31]。然而，通過功能價值評估法對區域影像以像元為單位進行評估而后歸納、核算得到環杭州灣地區建設用地在2000年、2005年、2010年、2015年的生態系統服務價值分別為：54.82億元，74.26億元，101.83億元，108.50億元。該區域建設用地創造了可觀的生態系統服務價值，在總價值量中的占比約為12.29%。受限于普適的生態系統服務價值當量體系，當量修正法對建設用地的生態系統服務價值評估始終有所缺失，進一步說明參數修正不能保證價值參數完全適用于研究區域。而功能價值評估法能夠直接運用于各級空間尺度，對研究區十分具有針對性，計算結果更加細致。在對生態系統服務價值量評估結果的精確程度不求過高的前提下，兩種方法可以互相代替。通過比較環杭州灣區域18個行政區劃單位的生態系統服務價值，兩種方法的評估顯示出許多共性。研究期內慈溪市、上虞區、蕭山區和余姚市排名靠前，嵊泗縣、鎮海區處于末位。針對縣、區范圍，功能價值評估法所得的生態系統服務價值普遍略高于當量因子評估法，但是蕭山區、慈溪市、海寧市、柯橋區和岱山縣相反。這些區域的水體面積占比較大，使用當量因子評估法具有明顯優勢，因為生態系統服務價值當量以水體最為突出，高出其他地類2～3個數量級。該方法對水體面積變化反映靈敏，尤其適合用于濕地、湖泊等自然生態系統。但環杭州灣地區經濟、文化、創新活躍，受人工干擾較大，當量因子評估法對城市生態系統的服務價值評估不夠充分，基于單項服務的評估結果明顯更為均衡。

雖然兩種方法的結果在數值上較為接近，但是在變化趨勢方面出現了明顯差異。當量因子評估法對環杭州灣大多數地區的評價顯示生態系統服務價值下降，僅有上虞區和平湖市、海寧市升高。其中上虞區增幅較大為23.66億元，水域面積增加帶來的生態系統服務價值為25.94億元，用以抵消地類面積變化而造成的生態系統服務價值損耗2.28億元。平湖市、海寧市的生態系統服務價值增幅較小，分別為3.64，1.53億元。功能價值評估法的評估結果顯示為15個區域的生態系統服務價值升高，僅浦東新區(原南匯)、奉賢區和鎮海區分別降低了6.18，3.42，2.16億元。該方法不受土地利用數據限制，但也可以按照地類對計算結果進行分析統計，發現18的區、縣的建設用地生態系統服務價值均有所提升，說明環杭州灣地區做到了城市發展與環境保護的兼顧。《浙江省環杭州灣地區城市群空間發展戰略規劃》設想在環杭州灣地區打破行政區劃界線，實現“抱團式”發展，在共建共享中對接上海，聯手應對土地、環境和生態等多方面的壓力[32]。如功能價值評估法的結果所示，環杭州灣區域的生態系統服務價值整體呈現上升趨勢，體現出該地區在生態文明建設中的積極成效(圖4)。

注：ESVa，ESVb的生態系統服務價值分別表示當量因子評估法和功能價值評估法的計算結果。

4 討論與結論

4.1 討 論

兩種方法應用在環杭州灣地區顯示出了生態系統服務價值在2000—2015年變化趨勢的不同。在使用當量因子評估法計算生態系統服務價值時，國內外研究普遍默認建設用地無法提供生態系統服務。城市生態系統的擴張時，水域、林地、草地等被替代為價值當量為0的建設用地，對生態系統服務價值造成損失。因此該方法對于環杭州灣地區這樣城市化進程較快的區域不利，特別是對杭州、寧波等生態經濟發達的城市。功能價值評估法的計算結果顯示環杭州灣地區的生態系統服務價值上升，其中由建設用地產出的價值從2000年的54.82億元增到2015年的108.50億元。如果去除掉這部分價值量，兩種方法的計算結果在變化趨勢上接近。充分說明當量因子評估法相比于功能價值評估法而言缺失了對城市生態系統的評估，后者更適用于城市化度較高的區域。當量因子評估法適用于受到人工干擾較小的自然生態系統。

本文研究區總面積為13 320.06 km2，使用基于遙感技術的功能價值評估法得到了細致、精確的結果。但該方法不適用于宏觀尺度的評測。因為測算步驟繁多，所需數據量極大，將給研究帶來難度。此外，遙感技術對文化服務功能的反映十分遲鈍，導致這方面服務功能的價值難以衡量出來。兩種方法存在各自的局限性，將二者結合應用不失為好的解決方案，但目前此類研究十分少見，在后續的研究中筆者將進行嘗試。

本文尚有不足之處：(1) 本文研究區范圍較小，在利用當量因子評估法時需要對全國尺度的當量因子進行修正，基于生態本底選取NPP為修正系數。實則修正方法并不只此一種。為確保計算結果的可靠性，本文采用兩種生態系統服務價值計算方法分別計算以達到相互驗證的目的。(2) 在運用功能價值評估法時，本文利用遙感技術僅對有機物生產、氣候調節、氣體調節、涵養水源、土壤保持、養分循環六項服務功能進行了價值核算。但生態系統的服務功能不止于此。受限于遙感技術難以對生態系統的文化功能進行評估，導致這一部分的缺失，因此計算結果較實際值偏小。在今后的研究工作中，作者及團隊將致力于攻克目前存在的問題，更加完善地還原生態系統服務價值的貨幣價值用以印證“綠水青山就是金山銀山”的科學論斷。

4.2 結 論

(1) 功能價值評估法得到的生態系統服務價值的結構更加均勻。各項服務功能按照價值百分比從高到底排列為：土壤保持(34.05%)、涵養水源(26.76%)、有機物生產(14.63%)、氣候調節(11.94%)、氣體調節(10.53%)、養分循環(2.09%)。而當量因子評估法的結果顯示，僅涵養水源功能的占比就高達75%，可歸因于水體的生態系統服務價值當量過高。認為針對環杭州灣地區，功能價值評估法的結果更均衡合理。

(2) 當量因子評估法與功能價值評估法得出的生態系統服務價值總量相近，但存在變化趨勢上的差異。通過對環杭州灣地區進行長時間序列的評估，當量系數評估法結果顯示該地區生態系統在研究期內整體呈現減小趨勢，意味著生態服務的供應能力降低，一定程度上反映出生態狀況下降。功能價值評估法的計算結果顯示環杭州灣區域的生態系統服務價值整體呈現增高趨勢，說明該地區發展過程中在一定程度上實現了對生態環境的保護。

(3) 當量因子評估法對土地利用數據的依賴性較大，建設用地擴張阻礙生態用地發揮生態系統服務價值。實則建設用地所代表的城市生態系統也能發揮生態服務功能。特別是當下城市追求綠色發展、生態發展，當量因子評估法無法檢測出城市生態系統的細微化。就城市化水平較高的區域而言，功能價值評估法的結果準確。