基于GIS的縣級生態系統服務價值數據庫建設方法及應用
——以山東省鄒城市為例

楊學作,王英,梁東,唐偉

(自然資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室,山東省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室,山東省地質科學研究院,山東 濟南 250013)

0 引言

構建全面的生態產品價值實現機制,是十九大以后黨中央國務院在生態文明領域部署的又一項重大戰略任務,是新時代落實習近平生態文明思想、推進國家生態文明建設的重要舉措與頂層設計,其主要目標是“探索政府主導、企業和社會各界參與、市場化運作、可持續的生態產品價值實現路徑”[1]。生態產品或生態服務的主要來源是自然資源各類生態系統,正是生態系統服務的稀缺性和對人類的有效性使其產生了價值。因此研究自然資源生態系統的服務價值是建立生態產品價值實現機制的先決條件,其意義不言而喻。

謝高地等將生態系統服務定義為“通過生態系統的結構、過程和功能直接或間接得到的生命支持產品和服務”[2],對人類社會及區域綠色、可持續發展具有供給、調節、支持和文化4大類服務。自1997年Costanza等《The value of the world’s ecosystem services and natural capital》[3]一文發布伊始,國內外的相關專業人員進行了大量卓有成效的研究與實踐,內容多集中在生態系統服務的概念與內涵[4-6],多個空間范圍尺度的自然資源生態系統服務價值的估算與評價,如全球尺度上[3,5]、全國尺度上[2,7-9]、區域或流域尺度上[10-13],單個生態系統或單項生態服務的價值估算或評價[7,14-16],在生態系統服務價值的時空變化及特征和生態補償等方面也有涉及[9,6-18]。在評估方法的研究中,以謝高地的修正改進型當量因子法[2,19]最為關注,使用率最高。其他方法如替代市場技術[20]與模擬市場技術[21]也有比較深入的研究。這些研究成果都推動生態系統服務體系更加完善、評估方法更加科學、動態更新更加合理,但與開發共享的生態產品價值信息云平臺的銜接不夠緊密,且不利于動態監測與年度更新。本研究從更好地銜接生態產品價值實現平臺系統出發,就構建區域生態系統服務價值核算基底數據庫的方法進行研究,以期豐富生態系統服務產品價值信息云平臺體系的整體架構,為從源頭上推動生態環境領域國家治理體系和治理能力現代化提供參考意義。

縣級生態系統服務價值核算數據庫(以下簡稱“數據庫”)的建設,是建立健全生態產品價值實現機制的數據基礎,能提供縣級區域各生態系統服務價值核算的本底數據與資源價值,為區域生態系統的保護與修復提供決策依據與信息反饋,更能為自然資源生態系統生態產品的調查監測、動態更新、價值評價、經營開發、保護補償、價值實現等機制提供數據支撐與依據,是實現人與自然和諧共生的有效路徑選擇。

1 數據庫設計

1.1 主要內容

以第三次全國國土調查成果數據為基底,結合現勢性較強的區域地形地貌、遙感影像、數字線劃圖、數字高程模型、農用地分等定級等資料,以及森林、草地、濕地、水流等自然資源專項調查及年度變更調查成果數據,匯總分析、整理出區域各類生態系統資源數據,并按照生態系統的具體服務類型設置數據結構與要素分層,采用修正的當量因子法[2]構建生態系統服務評價指標體系,建成邊界、坐標、精度、指標相統一的數據庫系統。

1.2 數學基礎

為使數據庫系統有效銜接縣級國土空間基礎信息平臺、國土空間規劃“一張圖”實施監督系統及國土空間生態修復信息監管平臺,數據庫建設采用的數學基礎如下:坐標系統采用“2000國家大地坐標系”,即CGCS2000;地圖投影與分帶采用高斯-克呂格投影,標準3度分帶;高程基準采用“1985國家高程基準”;比例尺不低于1∶10000。

計量單位設置為,面積單位使用平方米(m2),匯總時使用公頃(hm2),價值單位使用元,匯總時使用億元。

1.3 內容結構與要素設計

數據庫內容結構與要素體現其數據的原有性、附加性及延伸性,同時還應為生態產品價值實現機制體系的延展與深化預留接口,因此應符合以下設計原則[22-24]:

(1)內容分類與要素分層科學合理;

(2)結構設計符合行業標準、命名合理規范;

(3)基礎資料(特別是“三調”)數據結構、編碼、屬性等的延續性與繼承性;

(4)數據庫內容的動態性與可擴充性;

(5)先進數據庫技術與GIS平臺數據一體化原則。

依據數據庫的主要內容,采用通用分類編碼原則,代碼結構與編號引用《基礎地理信息要素分類與代碼》(GB/T 13923-2006)[25]。各要素類中如含有“其他”類,則該類代碼直接設為“9”或“99”,再同類相近要素編碼疊加時依次兩位數累加,具體要素與代碼見表1,其中生態系統服務的類型采用謝高地的研究成果[2]。

分析評價要素中,資源承載力評價和開發適宜性評價以成為區域資源利用分析的基礎信息,在空間規劃、決策分析和評估評價等方面得到廣泛應用;生態系統綜合評價方面,在指標體系構建、湖泊濕地保護、海岸帶綜合評價等方面已有深入的研究,為開展生態系統服務價值核算奠定區域資源分析評價的基礎。

1.4 要素屬性數據結構

空間要素的屬性結構設計是衡量數據庫是否符合標準的核心環節,表1中涉及的基礎地理信息與分析評價信息要素的13個圖層均有相關的數據庫標準對應,在此不再詳細列舉,生態系統服務價值核算要素圖層的屬性結構設計詳見表2。

2 研究區概況與研究方法

2.1 研究區概況

鄒城市位于山東省西南部,地處魯中南低山丘陵區的西南邊緣,介于116°44′～117°28′E,35°09′～35°32′N,東連臨沂市平邑縣,北靠泗水縣、曲阜市和兗州區,西鄰濟寧市任城區和微山縣,南接棗莊市山亭區和滕州市,轄3個街道、13個鎮。全市總面積16.16×104hm2,東西(最大橫距63km)寬、南北(最大縱距35km)窄,地勢東高西低、北高南低,平均海拔77.8 m,低山丘陵約占總面積75.31%,其余屬黃淮平原北部、華北平原南部的湖東山前沖積平原;境內有大小河流111條,總長度304.9km,年徑流總量3.3億m3,多系山洪河道,集水面小、源短流急、含沙量大、水土保持差,流向呈輻射式。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,四季分明,雨熱同季,多年平均氣溫14.9℃,年平均日照時數2282.2h,平均降水量686.5mm,從南向北遞減,降水集中在6—8月。全市土壤類型可分4個土類、11個亞類、15個土屬、48個土種,耕地土壤耕層厚度平均0.24m,有機質平均含量12.4g/kg,養分處偏上水平且含量合理。

表1 數據庫內容與要素分類代碼表

表2 數據庫屬性結構描述表(屬性表名:SJKSXJGMSB)

2.2 主要數據來源

鄒城市自然資源各生態系統數據主要來源于第三次全國國土調查成果,并結合最新遙感影像、森林、草地、濕地、水流等自然資源專項調查及年度變更調查成果數據修正后得到,見表3;計算1個標準單位面積農田自然糧食產量經濟價值的數據主要來源于《全國農產品成本收益資料匯編2019》[26]《山東省統計年鑒2020》[27]以及《2019年鄒城市國民經濟和社會發展統計公報》[28],整理得研究區1個標準當量的經濟價值量為2125.20元/hm2。

表3 鄒城市2019年各類生態系統面積表(修正后)

2.3 研究方法

(1)標準當量計算

根據謝高地等人的研究成果[19],一個生態系統服務價值因子的經濟價值為本研究區域的單位面積農田自然糧食產量經濟價值的1/7,公式(1)為:

J=(m×n)/7

(1)

式中:J為鄒城市一個生態系統服務價值當量因子的經濟價值;m為2019年全國主要糧食的平均單價;n為山東省濟寧市2019年糧食的平均產量;計算得J為2125.20元/hm2。

(2)單位面積生態系統服務功能價值當量及修正計算

將生態系統服務所提供的供給等4大類型細分為食物生產、原料生產等11種小類型(表4),并以2015年中國生態系統單位面積生態服務價值當量表為基礎[2],將生態系統類型調整到適合鄒城市的生態類型,在土地利用類型與生態系統類型及價值當量的對應上[29],森林當量值依據鄒城市自然資源狀況取闊葉類數值;草地取草甸數值;荒漠對應裸地;其他土地利用類型與中國生態價值當量表一一對應。同時參考謝高地等[30]對我國生態系統服務價值進行的區域修正結果(山東省修正系數為1.38),得到鄒城市單位面積生態系統服務價值當量,見表4。

(3)單位面積生態系統服務功能價值計算

數據庫中各生態系統是以單個圖斑存放的,某一類型生態系統的服務功能價值(V)是此類型所有圖斑所產生的的服務功能價值(∑)的總和,生態系統單一圖斑的服務功能價值為標準當量與生態系統服務價值當量的乘積,由此可得V的計算公式(2)為:

(2)

式中:J為鄒城市一個生態系統服務價值當量因子的經濟價值,Dj為鄒城市生態系統服務價值當量因子,i為生態系統的圖斑數量,j為生態系統服務價值當量。

表4 鄒城市單位面積生態系統服務價值當量(修正后)

(4)生態系統總服務價值

將上述所有數據及公式,按照數據庫要素屬性結構標準統一入庫,結合GIS數據統計分析功能,可得到鄒城市生態系統總服務價值(ESV)。

3 研究結果

3.1 生態系統服務功能基準單價

由數據庫統計可得,鄒城市自然資源生態系統的各服務功能基準單價,食物生產、原料生產、水資源供給、氣體調節、氣候調節、凈化環境、水文調節、土壤保持、維持養分循環、生物多樣性和美學景觀分別為7830.51元、6217.48元、33492.29元、19561.61元、46249.86元、36014.47元、392258.61元、24430.01元、1994.29元、41792.04元、24371.36元。在各項服務功能價值中,按大類計算,調節服務價值最大,為494084.54元/hm2,支持服務次之,為68216.34元/hm2,文化服務最小為24371.36元/hm2,僅是調節服務價值的4.9%;按二級類計算,維持養分循環的價值最低,僅為價值最高的水文調節功能的0.5%,而價值最高的水文調節是其他所有服務功能價值總和的1.6倍,作為初級服務功能的食物生產和原料生產兩項之和僅占全部服務功能的2.2%,僅為美學景觀價值的一半多點。

3.2 不同類型單位面積生態系統服務價值

不同類型生態系統提供服務功能決定其價值差異,由鄒城市生態系統服務價值數據庫結果可知,水域單位面積生態服務價值最高,為368473.80元/hm2,主要是其水文調節服務功能引起,荒漠生態系統最小,僅為586.55元/hm2,對全市生態服務功能貢獻最小,其他由高到低依次為濕地、森林、草地和農田。

3.3 生態系統服務總價值

結合鄒城市生態系統服務價值數據庫與GIS數據統計與分析技術,可得全市各類型、各鄉鎮生態系統服務價值(表5、表6)。鄒城市2019年年度生態服務功能總價值69.21億元,高于全市同年農林牧漁業增加值62.76億元的9.32%(數據來自《2019年鄒城市國民經濟和社會發展統計公報》[28])。

表5 鄒城市生態系統服務總價值按類型統計表

3.3.1 按生態系統類型

在各項服務功能價值中,供給服務(包括食物生產、原料生產和水資源供給)價值為6.91億元,占生態系統服務總價值的9.98%;調節服務(包括氣體調節、氣候調節、凈化環境和水文調節)價值為50.22億元,占72.56%;支持服務(包括土壤保持、維持養分循環和生物多樣性)價值為10.19億元,占14.72%;文化服務(美學景觀)價值僅為1.90億元,占2.74%,可見,對于自然資源生態系統的潛在娛樂用途、文化和藝術價值應持續加大開發利用程度,提高其服務功能價值。

表6 鄒城市生態系統服務總價值按行政區域統計表

在不同生態系統類型服務功能價值中,水域服務價值為32.45億元,對生態系統服務價值的貢獻率最高,為46.89%,接近一半;森林次之,服務價值為38.80億元,貢獻了38.80%;濕地、草地、荒漠較小,三類合計僅為0.57億元,貢獻0.83%,主要原因是三類生態系統的分布較少,三類面積合計僅占全市自然資源生態系統總面積的3.46%,各生態系統類型服務價值按貢獻率由高到低排序為水域、森林、農田、草地、濕地、荒漠。

3.3.2 按行政區域

在不同鎮(街)生態系統服務功能價值中,城前鎮和香城鎮最高,兩鎮合計16.13億元,占全市生態系統服務功能總價值的23.31%;嶧山鎮、北宿鎮和中心店鎮處于中等水平,功能價值分別為4.36億元、3.87億元、3.81億元,合計占17.38%;鋼山街道和鳧山街道最小,合計為0.94億元,占1.36%(表6)。全市16鎮(街)生態系統服務功能價值與其同年GDP基本呈反比關系,主要是由長期以來形成的國土利用方式引起,經濟發展較好、人口聚集程度較高的鎮(街)自然資源生態系統被擠壓,分布與面積減少,其服務功能價值就低,反正則較高。

4 應用

構建基于GIS的縣級生態系統服務價值數據庫,是推動國土生態空間治理體系與治理能力現代化水平的有效手段之一,同時也是全面推動建設人與自然和諧共生現代化[31]的實踐探索,為應對和解決當前我國生態文明建設面臨的挑戰和問題提供科技信息化的解決方案,提升自然資源生態系統保護和利用水平,為促進高質量與可持續發展筑牢生態資源基礎。結合歷年國土調查和變更調查成果及社會經濟發展數據,建立起服務價值年度數據庫,并進行數據維護與更新,逐步完善價值數據庫系統,形成系統、完整、全面的數據鏈,與國土空間生態系統監測評估體系、國土空間生態修復規劃實施監督體系、國土空間規劃“一張圖”監督實施體系[32]相融合,推進國土生態空間治理體系與治理能力現代化水平真正走向規范化、信息化、標準化。

在融入國土空間生態系統監測評估體系(以下簡稱“監測評估體系”)方面,便捷高效的生態系統監測與評估是實現2030年前碳達峰與2060年前碳中和生態安全狀態的科學有效手段之一[33],以監測評估體系所秉承的技術標準、運行規則與反饋機制為系統接入規則,將歷年時空服務價值數據庫系統銜接于監測評估體系的“一套數據”中,充分利用平臺中的監測與評估兩大系統,借助常規監測、專項監測和應急監測3個系統手段,對區域國土空間生態系統進行全方位動態跟蹤、監測與評估,將監測評估結果進行及時反饋,為政府部門科學決策和嚴格管理提供有效支撐。

在融入國土空間生態修復規劃實施監督體系(以下簡稱“修復規劃實施監督體系”)方面,基于底線預警的修復規劃實施監督體系是推進人與自然和諧共生現代化的科學途徑與國家生態空間依法治理的有效手段[34],將區域自然資源服務價值數據庫銜接于新時代國土空間生態修復智慧監管平臺系統(以下簡稱“智慧平臺”)[35]之中,與修復規劃實施監督體系全生命周期融合為一體,通過底線預警、動態監測、應急監測等方式構筑區域自然生態系統安全屏障,同時與智慧平臺中的生態系統服務空間分析模塊和服務價值估算模塊相結合,共同為輔助決策人員估算生態系統服務價值動態變化提供數據支撐。

在融入國土空間規劃“一張圖”監督實施體系(以下簡稱“一張圖”)方面,“一張圖”新時代國土空間規劃體系中實施監督的最重要環節之一,價值服務數據庫系統、監測評估體系與修復規劃實施監督體系的架構體系是基于“一張圖”信息系統的組成部分,是對區域自然生態系統的保護利用、監測評估、生態修復等方面全方位的監管與有效的反饋,對價值服務數據庫年度數據更新、動態變化與國土空間生態修復實施監督相結合,通過“一張圖”年度體檢、中期評估等方式進行反饋[36],為部署國土空間規劃總體保護安全格局,從區域自然生態系統服務價值演變及修復效果等方面給與數據分析和有效參考。

5 結語

區域自然資源生態系統生態產品的調查監測、動態更新、價值評價、經營開發、保護補償、價值實現等機制離不開價值核算數據庫系統的信息支撐與數據服務,內容結構、要素設計與屬性結構以及區域生態系統服務價值核算方法,是構建縣級生態系統服務價值數據庫的關鍵要素。通過研究得到以下結論:

(1)建立的基于GIS的包含基礎地理、分析評價與生態系統服務價值核算三大要素,行政區、行政區界線等18個圖層的縣級生態系統服務價值數據庫架構,要素齊全、架構合理,設計的生態系統服務價值核算要素圖層的詳細屬性結構符合有關標準、切實可行;

(2)以山東省鄒城市為例對服務價值數據庫系統進行了驗證,其結果基本符合現實,證明其方法可用;

(3)探討的服務價值數據庫系統在國土空間生態系統監測評估體系、國土空間生態修復規劃實施監督體系、國土空間規劃“一張圖”監督實施體系等方面的應用,能夠為相關決策提供分析與支撐。

服務價值數據庫的最終目的是生態產品價值實現機制提供基礎數據支撐,在價值核算方法選擇、與其他應用信息系統融合等方面還應持續開展研究,結合自然資源產權制度改革、自然資源統一確權登記等工作,特別是國家、省市地籍調查(自然資源)數據庫建設等,找準服務價值數據庫的切入點,切實發揮服務價值數據庫的有效作用,在把區域自然生態系統的優勢轉變為經濟優勢、生態效益轉變為經濟效益和社會效益方面展現其應有的作用。