河北省位于E 113° 27'~119° 50', N 36° 03'~42° 40'之间, 包括石家庄、保定等11个地市, 南北约750 km, 东西约650 km, 总面积约18.77万 km²。河北省属于温带大陆性季风气候, 四季分明, 年平均气温介于0~13℃之间, 年平均降水量300~800 mm, 年无霜期110~220 d, 年日照时数2 400~3 100 h。省内地貌复杂多样, 地势西北高东南低, 海拔高度差距显著, 从数十米至两千多米不等。

针对本文的研究目的, 分别选择了中高空间分辨率的TM数据及高时间分辨率的MODIS NDVI数据作为研究所需遥感数据。

1)TM数据。选择了2007— 2009年植物生长季中某月份完全覆盖研究区的19幅TM图像, 图像质量良好, 无云或有少量云覆盖, 地表覆盖分异明显。经过几何纠正、辐射校正及拼接裁剪后, 采用人机交互的监督分类方法对图像进行了分类。采用二级分类法, 将地表覆盖类型总体上分为7个一级类型, 21个二级类型。根据2008年、2009年对研究区的野外实测GPS点, 对分类精度进行评价, 整体分类精度为89.05%, Kappa系数为0.86, 达到了研究所需的标准。

2)MODIS NDVI数据产品。选择了编号为MOD13Q1的MODIS数据产品。此产品为16 d合成的250 m空间分辨率的植被指数。时间跨度为2009年1— 12月, 为了与气象数据的时间分辨率保持一致, 采用了最大值合成法(maximum value composites, MVC)将数据进行两两合成^{[14, 15, 16]}, 生成研究区逐月的NDVI数据。

1)植被中氨(N), 磷(P), 钾(K)等营养元素含量。按照不同生态系统类型, 在野外共采样156个, 其中采样点利用类型为林地的49个、灌丛57个、草地49个、农田12个, 涉及多种植被类型, 均匀分布于全省。在实验室分析其N, P, K等营养元素含量, 用于生态系统积累营养物质价值的计算。

2)土壤参数。对研究中所需的现有土壤数据库中缺失部分进行补充测定, 按照不同类型的土壤类型分别测定了容重、营养元素含量、粒径组成等指标, 用于生态系统土壤保持部分的价值的计算。

气象数据包括了研究区及其周围区域的27个气象站点的逐月平均温度、降水及太阳日照时数, 时间跨度为2009年1— 12月, 来源于国家气象局网站。按照研究需要, 以ArcGIS为平台, 对气象数据进行了插值处理, 获取了空间上连续分布的气象数据信息, 其像元大小及投影类型与MODIS NDVI数据保持一致。

包括河北省DEM数据, 为栅格格式, 空间分辨率为90 m; 河北省1:100万土壤类型图, 包括矢量格式及对应的数据库; 河北省1:100万行政边界图, 矢量格式, 包括地级市及区县行政边界; 中国河川径流系数图, 来源于中华人民共和国自然地理图集, 数字化后转为栅格格式。

本文采用了基于光能利用率的NPP估算模型估算研究区内的NPP。该模型认为NPP可以由植物吸收的光合有效辐射(APAR)和实际光能利用率(ε )两个因子来表示^[17], 即

NPP(x, t)=APAR(x, t)ε (x, t), (2)

式中: APAR(x, t)为像元x在t月吸收的光合有效辐射, gC· m^-2· 月^-1; ε (x, t)为像元x在t月的实际光能利用率, gC· MJ^-1; ε _max为植被在理想条件下具有的最大光能利用率, gC· MJ^-1。在实际情况下, 最大光能利用率ε _max分别受到温度和水分的影响, 即低温和高温对光能利用率的胁迫系数T_{ε 1}(x, t)和T_{ε 2}(x, t)(无量纲)以及水分胁迫系数(无量纲)的影响, 式(2)也可写为

NPP(x, t)=APAR(x, t)T_{ε 1}(x, t)T_{ε 2}(x, t)ε (x, t)ε _max。 (3)

选用通用土壤流失方程(universal soil loss equation, USLE)来计算研究区生态系统土壤保持量^[18]。该模型认为区域内土壤侵蚀量与降雨、坡度、坡长、地表植被、土壤类型及管理措施等6个因素有关, 即

A_r=RKLSCP, (4)

式中: A_r为现实土壤侵蚀量, t· hm^-2· a^-1; R为降雨侵蚀力因子, MJ· mm· hm^-2· h^-1· a^-1; K为土壤可侵蚀因子, t· hm²· h· MJ^-1· mm^-1· hm^-2; L为坡长因子, 无量纲; S为坡长坡度因子, 无量纲; C为地表覆盖因子, 无量纲; P为土壤保持措施因子, 无量纲。

当不考虑地表植被覆盖以及土壤保持措施因子时, 所得出的侵蚀量为区域潜在侵蚀量, 也就是没有地表植被保护时的最大侵蚀量, 即

A_p=RKLS, (5)

式中A_p为区域潜在土壤侵蚀量, t· hm^-2· a^-1。

将式(5)和式(4)相减, 即可得到区域土壤保持量, 即

A_c=A_p-A_r, (6)

式中A_c为土壤保持量, t· hm^-2· a^-1。土壤保持量反映了地表植被以及土壤保持措施对土壤侵蚀的防治效应。

采用水量平衡法计算研究区生态系统涵养水源量。该方法以水量的输入和输出为着眼点, 从水量平衡的角度, 认为降水量与森林蒸散量以及其他消耗的差为水源涵养量^[19], 即

Q(x)=P-E-C, (7)

式中: P为降水量, mm· a^-1; E为生态系统植被蒸散量, mm· a^-1; C为地表径流量, mm· a^-1。

采用孙睿等通过年蒸散量与累积NDVI及相对湿润指数之间的关系建立的区域年蒸散量的评估模型^[20], 对研究区年度蒸散进行计算, 即

ET= 463RMI1+exp(-1.79∑NDVI-1.34)+150, (8)

RMI=MI/ MI¯, (9)

MI=P/0.16∑ T_{(≥ 10)}, (10)

式中: ET为区域年蒸散量, mm· a^-1; RMI为相对湿润指数; MI为本年度区域湿润指数; 为区域多年平均湿润指数; P为区域年降水总量, mm· a^-1; T_{(≥ 10)}为区域大于10℃积温。当NDVI< 0.05时, 地表基本无植被生长, 且当温度小于0℃时地表不存在蒸发现象, 因此取温度大于0℃且NDVI> 0.05的像元值, 用作累积NDVI的计算。

以NPP为基础, 根据光合作用和呼吸作用的反应方程式推算, 每形成1g干物质, 需要1.63g CO₂。因此这部分价值可通过式(11)求出, 即

V_r(x)=1.63NPP(x)R_碳C_碳, (11)

式中, V_r(x)为像元x处生态系统单位面积每年吸收CO₂的价值, 元· hm^-2· a^-1; NPP(x)为像元x处单位面积每年生产的干物质量, g· hm^-2· a^-1; R_碳 为CO₂中碳的含量, 为27.27%; C_碳为碳税率价格。

以NPP为基础, 根据光合作用和呼吸作用的反应方程式推算, 每形成1 g干物质, 可以释放1.19 g O₂, 因此可根据式(12)求出释放O₂的价值, 即

V_s(x)=1.19NPP(x)R, (12)

式中: V_s(x)为像元x处生态系统单位面积每年释放O₂的价值, 元· hm^-2· a^-1; R为工业制氧价格。

以NPP为基础, 根据N, P, K的质量分配率计算积累营养物质价值, 即

V_ni(x)=r_1iM∑ NPP(x)/r_2i, (13)

式中: V_ni(x)为像元x处生态系统单位面积每年吸收的i元素价值, 元· hm^-2· a^-1; r_1i为不同生态系统中i元素在有机物质中的分配率, %; r_2i为纯i元素在化肥中的含量, %; M为化肥的平均价格, 元· t^-1; i分别代表N, P, K。

生态系统通过光合作用生产有机质, 根据市场上有机物的价格, 计算出生态系统生产有机质的价值, 即

V_y(x)=Y∑ NPP(x), (14)

式中: V_y(x)为像元x处生态系统单位面积每年生产有机物的价值, 元· hm^-2· a^-1; Y为有机质的平均价格, 元· t^-1。

土壤中含有N, P, K以及有机质等营养物质, 生态系统保持土壤的作用, 减少了大量土壤营养物质的流失, 因此可以根据营养物质的市场价值来评估生态系统保护土壤肥力的价值, 即

V_肥= ∑iA_c(x)(M_iP_i/R_i+QC), (15)

式中: V_肥为单位面积生态系统保护土壤肥力的经济效益, 元· hm^-2· a^-1; A_c(x)为像元x处每年单位面积的土壤保持量, t· hm^-2· a^-1; M_i(i表示N, P, K)为土壤中N, P, K的含量; P_i为N肥、P肥、K肥的价格, 元· t^-1; R_i为化肥中纯N, P, K的含量; Q为土壤中有机质含量; C为有机质价格, 元· t^-1。

生态系统固定土壤的价值, 可以采用影子工程法, 假定挖取和运输同样体积的土方所需的费用进行估算, 即

V_固=A_c(x)C_土/ρ , (16)

式中: V_固为单位面积生态系统年固土价值, 元· hm^-2· a^-1; C_土为挖取和运输单位体积土方所需费用, 元· hm^-3; ρ 为土壤容重, t· hm^-3。

生态系统调节水量与水库蓄水的本质类似, 本研究采用水库工程的蓄水成本来确定生态系统涵养水源的经济价值。因此, 根据水库工程的蓄水成本(替代工程法)计算出生态系统每年调节水量的价值, 即

V_调=C_库∑ V(x)(17)

式中: V_调为像元x处每年调节水量的价值, 元· hm^-2· a^-1; V(x)为像元x处每年单位面积的水源涵养量, m³· m^-2; C_库为水库建设单位库容投资, 元· hm^-3。

生态系统净化水质与自来水净化原理一致, 因此在评估净化水质经济价值时, 可以参照居民用水平均价格, 计算出生态系统生态系统每年净化水质的价值, 即

V_水质=K∑ V(x), (18)

式中: V_水质为像元x处每年净化水质的价值, 元· hm^-2· a^-1; K为水的净化费用, 元· t^-1。

以生态系统服务物质量为基础, 参考中华人民共和国林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721-2008)中的价格参数取值标准, 按照上述经济学模型, 得到2009年河北省各项生态系统服务价值, 计算流程如图1所示。

图1

Fig.1

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	图1 生态系统服务价值评估流程图Fig.1 Flow chart of ecosystem services value assessment

对逐项服务价值进行加和, 得到2009年河北省生态系统服务总价值, 如图2所示。

图2

Fig.2

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	图2 2009年河北省生态系统服务总价值平均值空间分布Fig.2 Average ecosystem services value distribution map of Hebei Province, 2009

计算得出2009年河北省生态系统总服务价值为180.38× 10⁶万元, 其中各种服务的价值构成如表2所示。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 2009年河北省生态系统服务总价值构成 Tab.2 Ecosystem services value compositon of Hebei Province, 2009 生态系统服 务价值类型 生态系统服务价值 /(× 106万元) 占总价值比例/% 吸收固定CO2 11.50 6.38 释放O2 25.69 14.24 积累营养物质 9.81 5.44 生产有机质 6.94 3.85 保护土壤肥力 106.69 59.15 固定土壤 8.44 4.68 调节水量 8.56 4.75 净化水质 2.75 1.52 合计 180.38 100.00

表2 2009年河北省生态系统服务总价值构成 Tab.2 Ecosystem services value compositon of Hebei Province, 2009

在空间分布上, 2009年河北省生态系统服务总价值的空间分布呈现以下几个特点: ①北高南低, 以张家口市和保定市的分界线为界, 北部的生态系统服务总价值明显高于南部; ②由西北向东南先增加后逐渐减少, 西北坝上草原地区生态系统服务总价值较低, 向东南方向逐渐增加, 到东南部滨海平原及低平原区后, 生态系统服务总价值又逐渐减少; ③山区大于平原, 山地丘陵区的生态系统服务总价值明显高于平原地区, 而冀西北山间盆地区、燕山山麓平原区等地区的生态系统服务总价值在两者之间。

生态系统服务总价值的极大值出现在太行山山地丘陵区, 该地区主要植被类型为林地, 具有较高的NPP值, 因此具有较高的固碳、释氧、积累有机物及营养物质循环价值; 同时, 由于该区域地势险峻, 地表起伏度很高, 且地处迎风坡, 年降雨量很大, 导致其潜在土壤侵蚀量很高, 而该地区植被生长状况良好, 茂密的植被使得区域土壤保持量巨大, 相应地也产生了很高的固定土壤、保持土壤肥力价值; 极低值位于滨海沿岸、城市及其周边以及分布广泛未利用地, 这些地区几乎没有植被生长, 且地势平坦, 土壤侵蚀量及保持量均较低, 涵养水源能力也较差, 生态系统服务总价值很低。

根据TM图像解译的河北省土地利用类型图, 对不同土地利用类型的生态系统服务总价值进行了统计分析。分析结果如表3所示。

表3

Tab.3

表3(Tab.3)

表3 不同土地利用类型的生态系统服务总价值及单位面积价值 Tab.3 Ecosystem services total value and per hectare value of different land use categories 土地利用类型 总价值/(× 106万元) 单位面积价值/ (万元· hm-2) 林地 41.09 17.32 灌丛 30.46 12.41 草地 37.60 15.80 农田 59.59 6.62 水体 0.77 4.22 建筑用地 8.53 4.56 未利用地 2.18 5.87

表3 不同土地利用类型的生态系统服务总价值及单位面积价值 Tab.3 Ecosystem services total value and per hectare value of different land use categories

在总价值中, 生态系统保护土壤肥力的服务功能所产生的价值所占比重最大, 为59.15%; 其次为释放O₂价值, 为14.24%; 吸收固定CO₂价值、积累营养物质价值、固定土壤价值和调节水量价值所占比重相当, 均在5%左右; 而净化水质价值所占比重较小, 为1.52%。

农田生态系统的价值量最大, 为59.59× 10⁶万元, 占总价值的33.04%; 林地和草地生态系统所提供的生态系统服务总价值相当, 分别为41.09× 10⁶万元和37.60× 10⁶万元, 所占比例分别为22.78%和20.84%; 在自然植被中, 灌丛的生态系统服务总价值较小, 为30.46× 10⁶万元万元, 占总价值的16.89%; 城镇建筑用地由于具有硬地表, 有着较高的保持土壤的服务功能价值, 因此虽然植被生长稀疏, 但总价值也达8.53× 10⁶万元, 占总价值的4.72%; 水体和未利用地上植被生长很少或无植被生长, 与NPP相关的服务价值和土壤保持价值均很低, 仅提供部分涵养水源服务功能, 且面积较少, 因此生态系统服务价值很小, 分别占到总价值的0.42%和1.21%。

单位面积价值反映了生态系统提供服务功能的能力。林地的单位面积服务价值最高, 为17.32万元/hm², 林地具有较高的NPP和植被覆盖度, 且多生长在山地丘陵区, 固碳释氧、积累营养物质、防止水土流失的能力很强, 同时具有很好的水源涵养功能; 灌丛生态系统与草地生态系统的单位面积价值相近, 分别为12.41万元/hm²和15.80万元/hm², 说明两者所提供的生态系统服务功能相当; 农田生态系统单位面积服务价值为6.67万元/hm², 比3种自然植被的单位面积服务价值均低, 一方面是由于农作物的NPP一般低于自然植被, 另一方面由于农田多位于地势平坦的平原地区, 土壤侵蚀量很小, 相应的保持土壤肥力和固定土壤价值很低; 城镇建设用地、水体和未利用地的植被生长较少, 提供生态系统服务的能力有限, 因此生态系统服务价值较小, 均在4~5万元/hm²左右。