高空间分辨率生态系统生产总值时空演化分析--以2000—2020年湖南省为例.pdf

第 卷第 期自 然 资 源 遥 感.年 月 .:./.引用格式:胡晨霞邹滨梁玉等.高空间分辨率生态系统生产总值时空演化分析 以 年湖南省为例.自然资源遥感():.(.:.():.)高空间分辨率生态系统生产总值时空演化分析 以 年湖南省为例胡晨霞 邹 滨 梁 玉 贺晨骋 林治家(.中南大学地球科学与信息物理学院长沙 .自然资源部时空信息与智能服务重点实验室长沙 .湖南省地质调查院长沙)摘要:基于现有生态系统服务理论与方法通过引入文教科研指标、优化气体调节指标提出了湖南省本土自然资源生态系统生产总值()核算指标体系集成构建了 格网化评估模型在 格网尺度评估分析了全省 年、年和 年 时空演化特征 研究结果表明:时间维度近 间湖南省 上升.亿元增幅达.各生态系统类型对 贡献的排序为:森林 农田 草地 湿地 城市 空间维度湖南省 总体呈现出西部和东南部高、中部和北部低的空间分布格局 西部武陵山片区增长率高北部洞庭湖区增长率低 与已有 研究结果相比本研究高空间分辨率 结果在水域及城市生态系统呈现的空间分布细节信息更多 各单项生态系统功能价值量对湖南省 的贡献度排序随时间呈现规律性变化土壤保持功能价值量的贡献对武陵山片区和洞庭湖区 变化占据主导作用 研究结果可为湖南省自然资源监管及生态环境保护提供科学决策依据关键词:自然资源 生态系统生产总值 高空间分辨率 时空演化 湖南省中图法分类号:.文献标志码:文章编号:()收稿日期:修订日期:基金项目:国家自然科学基金项目“面向城市微环境场景的.浓度空间分布精细模拟”(编号:)和湖南省自然资源科研项目“矿产资源价值评估模型研究”(编号:)共同资助第一作者:胡晨霞()女博士研究生研究方向为自然资源与可持续发展:.通信作者:邹 滨()男教授博士生导师研究方向为大气/土壤遥感监测、自然资源监测与分析:.引言自然资源为人类提供了有形的物质产品与无形的生态服务是人类赖以生存和可持续发展的基础然而因经济高速发展以及人们对自然资源合理利用和生态环境有效保护的认识不足自然资源被过度开发、占有、索取导致生态系统被破坏、生态环境不断恶化的现象时有发生 为掌握自然资源开发利用状况、评估生态环境影响国内外学者对生态系统服务价值展开了系列研究并取得了丰硕成果 但在双碳目标国家重大战略背景下如何将生态效益与经济发展评价体系结合形成生态文明建设成果核算指标体系是保障可持续发展和生态文明建设目标实现亟待解决的关键问题借鉴国内生产总值()概念欧阳志云等提出了可评价与分析生态系统对人类经济社会发展支撑作用以及对人类福祉贡献的评估核算指标 生态系统生产总值()即生态系统为人类提供的产品与服务价值的总和 自此我国学者从全国、省域、市域、县域等不同尺度围绕 核算开展了系列研究 伴随着 技术的发展近年来基于行政区划面板数据的地级市间、区县间、乡镇甚至行政村间 差异分析已成为常态但此类研究仍存在难以揭示面板单元内部 空间差异的缺陷 对此有学者通过单位面积价值空间化方法探讨分析了 空间变化特征 亦有少数学者尝试以参与计算的栅格数据分辨率为基准在 格网尺度评估了青海省域长时序单一调节服务价值量的空间分布、在 格网尺度评估了 年与 年长三角地区 及各单项生态系统功能价值量的空间分布、在 格网尺度分别评估了自 然 资 源 遥 感 年单一年份浙江省域和长株潭城市群的调节服务及各单项生态系统功能价值量的空间分布、在 格网尺度评估了单一年份北京市延庆区、物质产品、调节服务与文化服务功能价值量的空间分布初步揭示了 的空间异质性 然而受限于数据可获取性等原因对于同时进行省域、长时序、高空间分辨率 及各单项生态系统功能价值量时空演化特征的综合研究鲜见报道针对上述问题本研究以湖南省为例在综合考虑湖南省生态环境特点及先验研究基础上优化提出了一套湖南省本土化 核算指标体系集成构建了顾及数据可获取性的高空间分辨率 格网化评估模型在 格网尺度分析了湖南省 年 长时序空间变化规律及单项生态系统功能价值量贡献以期为湖南省生态环境保护提供科学决策依据 研究区概况湖南省地理位置为:位于我国中部、长江中下游南部(图)总面积约为.万 全省东、西、南三面环山总体地势西高东低、南高北低呈向东偏北开口的不对称“马蹄”形 省内西部武陵山片区是全国区域发展与扶贫攻坚示范区北部洞庭湖生态修复工程入围国家第三批山水林田湖草生态保护修复工程试点二者形成长江流域重要生态安全保护屏障 伴随着新型城镇化建设中对自然资源的开发利用湖南省土地利用格局发生显著变化引发了植被净初级生产量减少和生态系统服务供需空间分布不均衡等问题严重制约了经济高质量可持续发展因此开展湖南省自然资源 核算评图 研究区概况.估与分析对省内生态环境保护、可持续发展以及长江流域生态环境协调发展具有重大现实意义 核算.核算指标选取目前被广泛采用的 核算指标体系包括物质产品、调节服务和文化服务 个一级指标 物质产品包括食物及原材料生产和能源 调节服务包括气体调节、气候调节、水文调节和土壤保持 文化服务包括景观价值和文化价值 但也有学者在进行 核算时根据研究区生态环境状况增加维持生物多样性及科学研究等指标 对上述指标进行重构综合 考 虑 现 有 生 态 系 统 服 务 价 值及核算指标参考生态环境部 年发布的陆地生态系统生产总值()核算技术指南框架本研究在湖南省 核算中一方面沿用了食物及原材料生产、有机物质生产、水资源供给、土壤保持、维持生物多样性等大部分通用评估指标 另一方面因生态系统文化服务功能源于生态系统组分和过程的文学艺术灵感、知识、教育和景观美学等而现有文化服务价值核算指标多以景观旅游价值为主、对知识教育价值核算较少未完全体现生态系统文化服务价值量且湖南省洞庭湖、湘西地区等生态环境问题近年来已再次引发学术界广泛关注本研究对此在文化服务功能价值量核算中在沿用原休闲旅游指标基础上引入了体现知识教育价值的文教科研指标 同时考虑到湖南省.污染不容忽视的历史实际且研究表明.对人体健康和大气环境具有严重负面影响、甚至致人过早死亡而森林植被可以有效降低空气中的.浓度因此本研究亦将“降低.暴露水平”这一指标补充纳入了气体调节功能二级指标.格网化评估建模为反映 评估结果空间异质性本研究以 格网为基本单元构建了 格网化评估模型即()式中:为格网单元 的 元 为格网单元 所在的生态系统类型(农田、森林、草地、湿地和城市)的第 个二级指标核算的生态系统功能价值量元 各指标具体计算方法如表 所示第 期胡晨霞等:高空间分辨率生态系统生产总值时空演化分析 以 年湖南省为例表 湖南省自然资源资产 核算方法.生态产品与服务类型二级指标指标描述及计算方法物质产品食物及原材料生产生产农副产品、提供工业原料计算方法参考文献有机物质生产将无机物转化为有机物计算方法参考文献水资源供给地表产流、土壤含水量、冠层截留量等计算方法参考文献调节服务气体调节由固碳释氧价值、净化空气价值、森林生态系统降低.暴露水平价值和温室气体排放的负效应价值 叠加获得计算方法详见表后文说明气候调节增加湿度、降低大气温度计算方法参考文献水文调节涵养水源、调洪蓄水计算方法参考文献土壤保持保持土壤肥力、减少土地废弃、减轻泥沙淤积计算方法参考文献维持生物多样性提供栖息地计算方法参考文献文化服务休闲旅游旅游消费支出、旅游时间成本计算方法参考文献文教科研生态主题科研论文产出计算方法参考文献 注:各年份的 采用湖南省居民消费价格指数()修正到 年可比价格 气体调节价值的计算公式为:()式中:为气体调节价值元 为固碳释氧价值元 为净化空气价值元 为森林生态系统降低.暴露水平的价值元 为温室气体排放的负效应价值元 其中本研究新增的森林生态系统降低.暴露水平价值采用支付意愿法计算 其计算公式为:()式中:为格网单元上因降低.暴露水平而避免过早死亡的价值元 为个人最低工资标准经 修正后为 .元/人 为格网单元上避免过早死亡人数人 其计算公式为:(/)/()式中:和分别为非森林地区和集中连片森林地区因.暴露而过早死亡人数人 为非森林地区面积 为面积大于 的集中连片森林地区面积 为集中连片森林区域的格网数 其中格网单元 上因.暴露而过早死亡人数 计算公式为:()()()()()()()(.)()式中:为格网单元 的人口数量人 为成年人基准死亡率取各年份中国地区均值()为相对风险指数 为格网单元.浓度/和 均为模型中与年龄相关的参数这里分别取值为.和.评估数据收集与处理.土地利用数据土地利用数据采用 年、年和 年 全球土地覆被数据产品(:/./)空间分辨率为 本研究将土地利用数据重分类为农田、森林、草地、湿地和城市共 类生态系统类型(图)()年()年()年图 年湖南省生态系统类型.自 然 资 源 遥 感 年.植被数据植被数据包含归一化植被指数()、植被净初级生产力()和蒸散发()数据 数据来源于 提供的 卫星影像 产品空间分辨率为 年和 年 数据选自/数据集空间分辨率为 年 数据选自/数据集时间分辨率为 年和 年 数据选自/数据集空间分辨率为 年 数据选自/数据集空间分辨率为 时间分辨率为 .其他专题数据其他专题数据主要包括研究区降水数据、地表.浓度数据、土壤数据、地形数据、人口数据和社会经济数据 降水数据下载自中国气象数据网(:/./)空间分辨率为.地表.浓度数据来源于(:/./)空间分辨率为 土壤氮、磷、钾、有机质含量数据来源于中国土壤有机质数据集(:/./)空间分辨率为 土壤砂粒、黏粒、粉粒数据来源于世界土壤()数据集空间分辨率为 数字高程模型()来源于美国宇航局(:/./)数据空间分辨率为 人口数据来源于 官方网站(:/./)空 间 分 辨 率 为 农林牧渔产量及产值、旅游人数和旅游收入等数据来自湖南省统计年鉴 大中小型水库蓄水量来自湖南省水资源公报本研究所有栅格数据均采用 投影坐标系地理坐标系为 基准面为 鉴于土地利用数据为 核算的关键因此本研究以土地利用数据的空间分辨率为准其他栅格数据利用双线性插值法重采样至 参与计算 结果与分析.湖南省 时间维度分析 年湖南省 变化情况如表 所示从表 中可以看出湖南省 年 整体增长.亿元增幅约.期 呈现先减后增的变化趋势 其中 年湖南省 减少.亿元降幅约.年湖南省 增长.亿元增幅约.与湖南省已有 核算研究报道对比本研究发现的 年湖南省 小幅下降的时间变化趋势与刘永强等、熊鹰等的研究结果一致(尚未有 年湖南省 相关研究报道)与此同时因对核算指标体系和计算方法的优化本研究 年和 年核算的湖南省 结果分别为.亿元和.亿元整体高于刘永强等核算的.亿元和.亿元和熊鹰等核算的.亿元和.亿元表 年湖南省 变化.年份指标农田森林草地湿地城市合计 年/亿元.贡献度/.年/亿元.贡献度/.年/亿元.贡献度/.年变化量/亿元.变化率/.年变化量/亿元.变化率/.年变化量/亿元.变化率/.分析各类型生态系统对湖南省 贡献可知 年、年和 年 期皆是森林生态系统贡献最大其余依次是农田、草地、湿地、城市生态系统这与湖南省各生态系统类型面积占比排序一致可以看出各类型生态系统的面积对 的贡献度具有决定性影响 从各生态系统类型 的变化可以看出:来湖南省城市生态系统 变化幅度最大增幅达 .远高于其他生态系统第 期胡晨霞等:高空间分辨率生态系统生产总值时空演化分析 以 年湖南省为例类型 与旅游业收入显著提升有关.湖南省 空间维度分析整体而言湖南省 年、年和 年 期(图)均呈现出西高、中低的空间分布格局森林生态系统因其植被覆盖率高有利于提高土壤保持、气候调节等服务价值同时高坡度地区人为活动较少、生态系统优越因此 高值区域集中分布于湖南省西部及东南角即森林生态系统与 高值分布区域 低值区主要分布在湖南省北部和中部即农田、草地、湿地、城市生态系统所在区域 这一空间分布特征与熊鹰等基于 格网尺度的研究结果大体一致但相比于后者本研究 格网尺度的 结果可明显呈现更多空间分布细节信息如图 所示区域(洞庭湖)湿地生态系统 均较低而后者在该区域的生态系统服务价值相对较高 区域(长株潭城市群)低值区与城市生态系统范围较为吻合而这一结果在后者研究中没有呈现 此外结合图 可以看出湖南省有机物质生产、气体调节、气候调节、土壤保持和维持生物多样性功能价值量的空间分布格局与 较相似皆呈现出“西部和东南部高”、“中部和北部低”的空间分布格局 说明森林生态系统对 及单项功能价值量的空间分布格局具有重要作用()年()年()年()变化率图 年湖南省 空间分布.()年有机物质生产价值量()年有机物质生产价值量()年有机物质生产价值量()有机物质生产价值量变化率()年气体调节价值量()年气体调节价值量()年气体调节价值量()气体调节价值量变化率()年气候调节价值量()年气候调节价值量()年气候调节价值量()气候调节价值量变化率图 年湖南省各单项生态系统功能价值量空间分布.自 然 资 源 遥 感 年()年水文调节价值量()年水文调节价值量()年水文调节价值量()水文调节价值量变化率()年土壤保持价值量()年土壤保持价值量()年土壤保持价值量()土壤保持价值量变化率()年维持生物多样性价值量()年维持生物多样性价值量()年维持生物多样性价值量()维持生物多样性价值量变化率()年文教科研价值量()年文教科研价值量()年文教科研价值量()文教科研价值量变化率图 年湖南省各单项生态系统功能价值量空间分布.分析湖南省 时空演化特征(图)可得 年湖南省西部武陵山片区 高值区范围明显扩大且变化率显著较高 其中有机物质生产、气候调节、水文调节和土壤保持功能价值量(图)的时空演化特征与 相似 其主要原因是 年间湖南省西部生态系统类型变化以草地向森林转移为主森林生态系统面积的增加导致该区域 增长说明湖南省 年出台的中共湖南省委湖南省人民政府关于抓住西部大开发机遇加快湘西自治州发展的若干意见中“加强生态建设和环境保护构筑生态安全屏障”目标建设取得了重大成效湘西武陵山片区生态环境得到了有效改善此外湖南省北部地区因水域面积增加、中部地区因草地面积的增加导致 也略有提高反映出湖南省退田还湖、退耕还林还草成效显著整体生态环境有极大的改善 与此同时湘西乃至湖南省全域生态环境问题愈发得到科研领域的重点关注 对比图 可以看出 年文教科研功能价值量在湘西、张家界略有上升同时在其他区域呈明显增长趋势与武陵山片区 逐年显著增高相反洞庭湖区的 及各单项生态系统功能价值量均呈现低增长态势 主要原因是:前期洞庭湖区围垦规模较大造成水域面积下降后期通过管控使得水域面积逐渐恢复、区域生态环境逐步得到改善 然而洞庭湖区生态环境问题仍须进一步加强改善需要政府及相关部门持续重点关注第 期胡晨霞等:高空间分辨率生态系统生产总值时空演化分析 以 年湖南省为例.单项生态系统功能价值量贡献分析从时间上看湖南省各单项生态系统功能价值量对 的贡献度(单项生态系统功能价值量与湖南省 之比)(表)随时间呈现出规律性变化森林生态系统在土壤保持、气候调节和气体调节等服务类型中发挥较大作用且湖南省森林生态系统面积占比在 以上因此该 项功能价值量对湖南省 的贡献度在 年间一直位居前三 文教科研功能价值量贡献度则一直居于末位水文调节、水资源供给、有机物质生产以及维持生物多样性功能价值量的贡献度逐渐靠后 值得注意的是随着人民物质生活水平的不断提高休闲旅游人数剧增湖南省因独特的张家界国家森林公园等自然景观、岳阳楼等文化遗产及声名大噪的茶饮、餐厅而成为最受欢迎的旅游胜地之一因此休闲旅游功能价值量贡献度由 年的倒数第二上升至 年的第四位 同时食物及原材料生产功能价值量的贡献度排序也逐渐靠前这与近几年湖南省在不断深化农业结构性调整、优化种植结构与渔业养殖结构有关表 年湖南省各单项生态系统功能价值量分析.生态系统功能 年 年 年价值量/亿元贡献度/排序价值量/亿元贡献度/排序价值量/亿元贡献度/排序食物及原材料生产.有机物质生产.水资源供给.气体调节.气候调节.水文调节.土壤保持.维持生物多样性.休闲旅游.文教科研.总计.就地域而言武陵山片区(表)总体上除 年呈负增长 外 在 年 和 年均为正增长变化率分别为.和.土壤保持功能价值量对片区 变化量的贡献度最高分别达.和.而维持生物多样性功能价值量最低 年武陵山片区 整体增长.亿元占全省同期增长总量的.其中仅维持生物多样性功能价值量为负增长其余单项皆为正增长 分时间段来看 年武陵山片区 减少.亿元占全省同期减少总量的.其中仅土壤保持功能价值量呈现负增长其余单项皆呈正增长趋势 年武陵山片区 整体增长 .亿元占全省同期增长总量的.其中气体调节与维持生物多样性功能价值量呈负增长趋势其余单项为正增长表 年武陵山片区各单项生态系统功能价值量分析.生态系统功能 年/亿元 年/亿元 年/亿元 年 年 年变化量/亿元贡献度/变化量/亿元贡献度/变化量/亿元贡献度/食物及原材料生产.有机物质生产.水资源供给.气体调节.气候调节.水文调节.土壤保持.维持生物多样性.休闲旅游.文教科研.总计.与武陵山片区 增长率高相反洞庭湖区的 变化率较低(表)年、年和 年分别为.和.洞庭湖区 变化量贡献度最高与最低自 然 资 源 遥 感 年单项均与武陵山片区相同 年洞庭湖区 增长总量为 .亿元仅占全省同期增长总量的.其中气候调节、水文调节和维持生物多样性功能价值量为负增长其余单项皆呈正增长趋势 分时间段来看 年洞庭湖区 增长量为.亿元仅占全省同期减少总量的 .除水文调节和维持生物多样性功能价值量减少外其余单项皆增加 年洞庭湖区 增长量为.亿元仅占全省同期增长总量的.其中食物及原材料生产、土壤保持、休闲旅游和文教科研功能价值量呈正增长趋势而其余单项均有不同程度的下降表 年洞庭湖区各单项生态系统功能价值量分析.生态系统功能 年/亿元 年/亿元 年/亿元 年 年 年变化量/亿元贡献度/变化量/亿元贡献度/变化量/亿元贡献度/食物及原材料生产.有机物质生产.水资源供给.气体调节.气候调节.水文调节.土壤保持.维持生物多样性.休闲旅游.文教科研.总计.结论与讨论本研究基于 领域已有研究成果并结合现阶段热点实际问题对湖南省 核算评估指标体系进行了优化并通过格网化评估模型的构建分析了湖南省 及各单项生态系统功能价值量的时空变化特征为湖南省生态文明建设过程中的自然资源 核算评估与相关决策制定提供了参考主要结论如下:)年湖南省 上升.亿元增幅约.各生态系统类型对 贡献的排序为:森林 农田 草地 湿地 城市生态系统)湖南省 总体呈现出西部和东南部高、中部和北部低的空间分布格局西部武陵山片区 增长率较高北部洞庭湖区 及各单项生态系统功能价值量呈低增长态势森林生态系统对 空间分布格局起决定性作用 基于 格网尺度的高空间分辨率 结果在湿地及城市生态系统明显呈现更多的空间分布细节信息)各单项生态系统功能价值量对湖南省 的贡献度排序随时间呈现出规律性变化:土壤保持、气候调节、气体调节功能价值量贡献度一直位居前三文教科研功能价值量贡献度一直居于末位水文调节、水资源供给、有机物质生产以及维持生物多样性功能价值量贡献度排序逐渐靠后 休闲旅游、食物及原材料生产功能价值量的贡献度排序逐渐靠前 此外土壤保持功能价值量的贡献对武陵山片区和洞庭湖区 变化占据主导作用本研究对湖南省 核算指标体系进行了优化并获取了高空间分辨率的 及各单项生态系统服务功能价值量的空间分布结果但仍需要从以下几个方面进行深入研究:一方面因生态系统蕴含的价值十分广泛本研究采用的货币化评估结果仍难以全面反映 因此需要对指标体系进行进一步合理化调整以增加研究结果的实用性 另一方面本研究在进行 格网化评估时采用与土地利用数据尺度相同的 格网为基本单元但受其他数据可获取性限制只能通过重采样和统计数据空间化的方式将不同数据统一到相同的格网单元对 核算结果有一定程度的影响因此接下来可通过研究格网单元尺度与 的空间效应来确定最佳格网尺度从而对 实现空间分布精准核算参考文献():.:.():.第 期胡晨霞等:高空间分辨率生态系统生产总值时空演化分析 以 年湖南省为例():.():.谢高地张彩霞张昌顺等.中国生态系统服务的价值.资源科学():.():.欧阳志云朱春全杨广斌等.生态系统生产总值核算:概念、核算方法与案例研究.生态学报():.:.():.:.白 杨李 晖王晓媛等.云南省生态资产与生态系统生产总值核算体系研究.自然资源学报():.:.():.欧阳志云林亦晴宋昌素.生态系统生产总值()核算研究 以浙江省丽水市为例.环境与可持续发展():.():.():.陈华阳王 远黄逸敏等.生态承载力与生态系统生产总值耦合的生态系统服务评估 以福建省长汀县为例.水土保持学报():.:.():.江仕嵘.陕西省生态系统生产总值核算及时空演变研究.咸阳:西北农林科技大学.:.谢泽阳.赣南地区生态系统生产总值时空演变及驱动力研究.南昌:南昌大学.:.陈宗铸雷金睿吴庭天等.国家公园生态系统生产总值核算 以海南热带雨林国家公园为例.应用生态学报():.:.():.韩增林赵玉青闫晓露等.生态系统生产总值与区域经济耦合协调机制及协同发展 以大连市为例.经济地理():.:.():.魏 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