基于GIS的生态系统服务直接利用价值评估方法

基于GIS的生态系统服务直接利用价值评估方法 基于GIS的生态系统服务直接利用价值评 估方法 中国环境科学2008,28(7):661~666ChinaEnvironmentalScience 基于GIS的生态系统服务直接利用价值评估方法 陈能汪,张潇尹,卢晓梅(浙江大学环境科学系,浙江杭州310028) 摘要:针对目前生态系统服务直接利用价值评估中缺乏空间达,对数据要求高, 评估效率低等不足,初步构建了适用于县域尺度的生态 系统服务(产品提供和娱乐文化)直接利用价值评估框架与技术方法,确定评估 过程与关键步骤,初步形成一套基于GIS的科学高效的农业 服务价值,森林木材价值和旅游价值的空间表达技术方法.对浙江省天台县生态 系统服务直接利用价值进行空间分配与评估.2005年全县 生态系统服务直接利用价值达5.38亿元,其中以农业服务价值为主(65%),其次 是森林木材价值(3O%),旅游价值所占比例较低(5%).生态系 统服务直接利用价值与产品及服务的空间分布状况密切相关,存在高度的空间 变化. 关键词;地理信息系统(GJs);评估方法 :生态系统服务;直接利用价值 中图分类号:X82文献标识码:A文章编号:1000—6923(2008)07—0661,06 Mappingdirectusevalueofecosystemservices:aGIS-basedapproach.CHENNeng-wang’,ZHANGXiao-ym,LU Xiao-mei(DepartmentofEnvironmentalScience,ZhqiangUniversity,Hangzhou310028,China).ChinaEnvironmental Science,2008,28(7):661~666 Abstract:AGIS-basedapproachdesignedforspatiallyvaluationandvisualizationWasdevelopedtoestimatedirectuse valueofecosystemserviceandtomapresultsforacasestudyrepresentingacountyscale.Theapproachhighlightsthe useofGIStocollectdata,spatialanalysis,andcalibrateeconomicvaluesofecosystemservice.Threecorestepsofspatial valuationforagriculturalproducts,forestproducts,andtourismassetswereinvestigatedinthetechnicalframework.The GIS-basedapproachWasimplementedinacaseofTiantaiCounty,ZhejiangprovinceinsoutheastChina.Selected componentsofnaturalproductsandtourismassetsintheTiantaiCountyweremappedasdatalayersinaGIS,witheach layercontainingmonetaryvaluesforevery25mcel1.Theresultsofthiscasestudyshowedthatatotalvalueof538million RMBsin2005,8.6%ofGDP,Wasmostlycontributedbyagriculturalproducts(65%oftotalvalue)andforestproducts (30%oftotalvalue).AcurrentloweconomicvalueoftourismassetsCanbeincreasedbydev elopmentofeco-tourismand ecosystem-basedconservationandmanagement.Theeconomicvaluemapsofecosystems erviceCanbeusedtoobtain distributionofthenaturalcapitalandidentifyregionsneededmoreconcern.Thepresentstu dydemonstratesthatGISisa powerfultoolformappingdirectusevalueofecosystemservice,andalsoprovidesasolidfo undationforintegrated valuationofregionalecosystem,eco—environmentalzoningandplanning,aswellaspolic ymaking. Keywords:ecosystemservices;directusevalue;geographicinformationsystem(GIS);ev aluationapproach 生态系统服务价值评估已成为当前生态经 济学领域的研究热点[1-2l,生态系统服务价值可 分为直接利用价值,间接利用价值,选择价值与 存在价值[31.对各类生态系统服务价值的科学评 估是区域生态系统管理的重要基础,国内外对不 同尺度生态系统服务价值的评估方法进行了大 量的探索与实践?.目前在生态系统服务直接 利用价值(产品或服务价值)评估中,主要利用国 民经济统计数据(如每个县的GDP)进行计算和 描述,这在宏观尺度(如全国,省,市)评估中尚可 尤其在南方丘陵地 接受.然而在县域尺度评估中, 区自然资源与地理特征高度异质的情况下,现有 县级统计数据的精度决定了产品或服务价值往 往只能以单一的数值表示,难以实现空间表达,不 能体现产品或服务的空间变化,因此无法与土壤 保持等生态系统服务间接利用价值评估结果进行 收稿日期:2007—12—03 基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(Y5o7o63);浙江省教育厅 科研资助项目(20070210) 责任作者,博士,nwchen@zju.edu.O11 662中国环境科学28卷 空间上的叠加,一定程度上影响了评估结果的科 学性和指导作用.为此,本研究主要探讨如何在县 域尺度上,将现有统计数据进行产品或服务价值 的空间分配与表达,初步建立基于GIS的生态系 统服务直接利用价值的空间表达技术方法和评 估框架,为区域生态环境功能区规划,生态系统管 理和生态补偿机制等政策制定提供有力支撑. 的产品;林业包括林木栽培,林产品的采集和林 木采伐;牧业包括除渔业养殖以外的一切动物饲 养和放牧.森林木材价值,主要计算森林生产活立 木的价值【6].旅游价值则体现为一个地区的旅游 收入,是指以自然生态景观和人文生态景观为消 费客体,旅游者置身其中享受陶冶性情,净化心 灵和增长见识等服务时的支付意愿. 1评估方法1.2评估技术框架 1.1直接利用价值的界定 直接利用价值即生态系统产品价值,是指自 然生态系统为人类提供的产品或服务的价值.受 资料的可获性和有效性限制,在大多数评估研究 中主要考虑国民经济统计涉及的自然生态系统 提供的农业服务价值,森林木材价值和旅游价值 (SL称娱乐文化价值)3部分.农业包括种植业,林 .具体包括:粮食,油料,糖料, 业,牧业和渔业等 棉花,麻类,甘蔗,烟叶,药材,蔬菜,花卉, 瓜类和其他农作物,以及来自茶园,果园,桑园 研究区识别 对生态系统服务直接利用价值进行评估和 空间维度上的表达,包括以下3个关键步骤:研究 区识别.综合考察研究区生态系统特征,识别评估 对象,确定评估项目;资料收集与数据库建立.收 利用GIS平 集评估工作需要的相关资料与图件, 台建立空间数据库与属性数据库;GIS分析与空 间表达.基于生态系统产品和娱乐文化资源(如 景点)的空间分布,确定评价指标与相关系数,利 用GIS的空间分析功能,进行价值计算与可视化 表达.评估技术框架见图1. 资料收集与数据库建立 统计年鉴I/行政区划//土地利用/]/数字高程模型(DEM)//旅游单体(景点)分布 森林资源 视域分析I距离分析 一—— )I[塑厂 ..............................:....】l...............................一 生态系统服务直接利用价值空间分布 图1生态系统服务直接利用价值评估技术框架 Fig.1Avaluationframeworkformappingdirectusevalueofecosystemservice 1.3资料收集与数据库建立 图件主要包括数字高程模型(DEM),土地利 用图,森林资源分布图,旅游资源分布图和行政 区划图等,其来源包括测绘局,国土资源局,林 业局,旅游局和民政局等.部分县域可能无森林 资源分布图,可从土地利用分布图中提取,或者通 一 7期陈能汪等:基于GIS的生态系统服务直接利用价值评估方法663 过遥感影像解译得到.纸质图件通过GIS软件(如 Maplnfo)进行坐标配准和矢量化,也可直接购买 电子数据.所有数据图层(包括栅格数据和矢量 数据两种格式)按研究区边界拼合,裁剪处理后, 转换为一致的投影坐标系统(如西安80或北京 54),以便后续的空间分析.空间分析平台可采用 ArcGIS或ArcView.此外,还需收集或购买统计年 鉴,旅游资源调查,森林资源调查报告等有 关资料,用于建立属性数据库. 1.4农业服务价值评估 从统计资料中获得各种农产品和林产品的 在GIS技术支持下, 产值和产量,结合土地利用图, 进行农业服务价值评估与空间表达.评估步骤如 下:统计各种农产品和林产品净产值(指一定时 期内农业劳动者从事农业生产劳动中新创造的 价值,等于总产值扣除中间消耗),除以种植面积 (播种面积除以复种指数),得到单位面积产值;将 各种农产品的单位面积产值经种植面积加权后 赋给相应的土地利用图斑(考虑到土地利用分类 与产品分类不能,一对应,如耕地可能种植粮食, 也可能种植蔬菜,因此在赋值前,应根据各种产品 的实际种植面积进行加权平均):产品提供能力 空间差异的修正.土壤肥力空间差异大.各地农作 管理水平也不尽一致.因此同种产品的产量即产 品提供能力在地区之间(如不同乡镇)必然存在 差异,为准确表达农业服务价值的空间分布,可计 算各种农产品在各个乡镇中的亩产与全县平均 亩产的比值作为修正权重系数,并赋给相应的行 政区划(乡镇)图斑;将土地利用图与行政区划图 进行叠加分析,利用修正权重系数乘以加权得到 的单位面积产值,即得各个图斑的农业服务价值: 对价值字段进行栅格化,形成农业服务价值空间 分布图. 1.5森林资源价值评估 基于森林资源分布图,采用市场价值法计算 各种林分的价值.评估步骤如下:确定森林生态系 统林分(优势物种)分布,根据森林资源调查资料, 统计林分年净生长蓄积量;确定活立木林价,乘以 蓄积量,得到各种林分木材价值;利用GIS软件. 将各种林分木材价值赋给相应的森林资源分布 图斑,栅格化后形成森林木材价值空间分布图.森 林资源价值计算公式为: Vf=M.P(1) 式中:M为蓄积量,m.;P为活立木林价,元. 1.6旅游价值评估 根据DEM和景点分布图,从景点可达性,景 点可视性2个方面进行旅游收入的分配与空间 表达.评估步骤:假设旅游收入主要由景点可达与 可视2部分贡献[41并对半分配作为景点可达性 计算和景点可视性计算的价值基数(各1/2旅游 收入);遵循距离景点越近价值越高的原理,利用 景点分布图进行距离分析,基于专业经验和文献 资料[41,按距离景点100,500,1000,5000m划分 成5个距离等级图斑,并假设其价值分别占1/2 旅游收入的30%,25%,20%,15%,10%,除以各等级 图斑的栅格总数,完成旅游收入在景点可达性方 面的空间分配过程. 利用景点分布图和DEM,通过ArcView的视 域分析模块(Viewshed),确定景点可视与不可视 单元格,不可视单元格价值为0,对于可视单元格, 再将不 首先统计各单元格可见到的景点数(1), 同景点数与相应的栅格数相乘加和,得到参与分 配的总栅格数,最后平均分配另外1/2旅游收入, 从而完成旅游收入在景点可视性方面的空问分 配过程;加和景点可达与可视2部分价值分配结 果,产生旅游价值空间分布图. 涉及的计算公式包括: Vt=Vt(a)+Vt(b)(2) 式中:(a)为景点可达部分价值;(b)为景点可视 部分价值,各占旅游收入的50%. (a)=??11?Pi(3) 式中:?11为按距离划分的不同等级单元格:Pi为 单元格所分配到的平均收入,元/格. Vt(b)--吼.11?Pi.(4) 式中:B..ll为景点可视单元格为可视单元格所 分配到的平均收入元/格. 1_7直接利用价值综合评估 将1.4节,1.5节,1.6节产生的3个图层 进行栅格加和运算,即可得到生态系统服务直 接利用价值的空间分布图.利用ArcView软件 中国环境科学28卷 的Zonalstatistics统计模块,进行相关统计,进 而综合评估生态系统服务价值的空间分布,为 区域生态环境功能区划和差别化管理提供定 量支持. 2案例研究 2.1研究区概况 天台县位于浙江省东部,地处120.41E, 121.15,E,28.57’N-29.20’N.东西长54.7km,南北 宽33.5km,总面积1423.8km2.境内山脉连绵,是典 型的山区盆地.天台县位于中亚热带季风气候区, 降水丰富,热量充足,主要土地利用与种植作物 见表1.天台县森林覆盖率达63%,林业总蓄积 192.7万m3,其中针叶林占91%,阔叶林占1.6%, 针阔混交林占7.4%.群落结构和树种单一,松类 面积占84.7%,杉木面积占3.8%:按龄组结构分, 幼龄林面积占53.5%,中龄林面积占33.0%,近熟 林面积占10.5%,成熟林面积占3.0%.天台县拥有 丰富的旅游资源,有上等级的旅游资源单体(景 点)268个,平均单体密度为0.19个/kl-n2”旅游收入 主要来自属于自然生态景观和人文生态景观的 72个景点. 表1天台县土地利用分类与作物种植情况 Table1LanduseandcropsinTiantaiCounty 2.2数据库 根据天台实际建立基础数据库.DEM(25m) 按行政区边界进行拼幅,裁剪;纸质土地利用现 状图(1:5万)经配准矢量化;景点分布经纬度资 所有图层的投影坐标系统 料经坐标转换导入. 均统一为西安80坐标.天台县2005年农业总产 值为53421万元’,扣除农业中间消耗18695万元, 农业净产值为34726万元.将天台县主要林地分 为松类,杉木,阔叶类和其他共4类,其年净生 长蓄积量分别为446155,20016,9261,42834m~. 参考王如松等【1I】的研究成果和有关数据,确定 其木材价值分别为350,315,280,250元.天台 县2005年72个景点门票收入1382万元,考虑 到目前多数景点未设门票,而且存在门票管理 等问题,确定实际旅游收入为统计门票收入的 2倍,即2764万元.利用前述评估方法,对全县 范围农业服务,森林木材和旅游价值进行计算 与空间表达.GIS工作平台采用ArcView3.3和 Maplnfo7.5,评价单元格统一为25m,所有价值 以2005年当年价计. 2.3结果与讨论 根据所建立的评估技术方法,得到天台县农业 服务价值分布【图(2a)】,其空间差异很大,这与土地 利用现状直接相关【图(2b)】.按单元格统计,其价值 从0到1064.3元/格不等,按乡镇平均值统计,最大 值43.6万了--,姗2I八口中部的始丰街道)与最小 值3.17j~an2(林地为主的里石门水库管理区)相 差14倍.由图2可见,农业服务价值集中分布在天 台县中部盆地农业发达区域,该区域主要种植蔬 菜,水果,茶叶,蚕茧,药材等经济作物.天台县 森林木材价值总计16076万元,主要分布在天台县 四周林地.天台县旅游价值分布见图3(a).图3(b) 显示了价值分配过程.可达性计算时,不同距离 天台县统计局.天台县统计年鉴.2005 7期陈能汪等:基于GIS的生态系统服务直接利用价值评估方法665 的单元格其价值不同,~N>5000m为0.12元/格, 1000~5000m为1.57元/格.同理.景点可视的单 元格也因其可见到的景点数多少呈现不同的 8万 价值.按栅格统计得到旅游总价值为275 元.与2005年天台旅游收入2764万元相差 0.2%,较好地完成了价值的空间分配.按乡镇统 计,旅游价值最高的是赤城街道(394.8万元), 万元);单位面积价值最高 其次是街头镇(356.7 的是华顶山国家森林公园(7.1万元m),其次 是华顶林场(5.0万元/kIIl2),这与它们拥有丰富 的旅游资源相一致,该区域是天台县的重点旅 游开发区. 图2天台县农业服务价值空间分布与土地利用情况 Fig.2MappingtheeconomicvalueofagriculturalproductsforTiantaiCounty,andcombin edlanduse. 视性价值 计算 图3天台县旅游价值空间分布及其计算示意 Fig.3MappingtheeconomicvalueoftourismforTiantaiCounty,andsketchmapofcalculat ion 综合以上3种类型生态系统服务价值,天台 县2005年生态系统服务直接利用价值达5.38 亿元,是当年GDP(62.50亿元)的8.6%,其中以农 业服务价值为主(65%),其次是森林木材价值 (30%).旅游价值较低,仅占5%.然而,天台县生态 环境良好,景观资源丰富,今后在保护生态环境 的同时,可重点发展生态旅游,提升生态系统的 娱乐文化服务功能,增加旅游收入,提高文化服 务价值. 从评估结果发现,生态系统服务直接利用价 值与间接利用价值一样,均存在高度空间异质性, 若不进行价值的空间分配过程,各项直接利用价 值只能按乡镇统计数据或全县单一数值进行表 示,难以体现空问差异.如农业服务价值与作物种 类,播种面积,土壤肥力,农作物管理水平等多 种因素有关,空间差异很大,若采用各乡镇统计数 中国环境科学28卷 据表示该项服务价值,一定程度上掩盖了其空间 分布特征.旅游价值与景点资源的分布,景点可 达性与可视性有密切关系,如果仅以全县统计数 据表示,就难以区分哪些区域是旅游资源重点保 护范围.通过直接利用价值空间分配过程,结合间 接利用价值评估结果,有利于对特定范围(县域) 的生态系统服务能力进行全面的分析. 3结语 利用GIS技术在数据采集和空问分析上的 优势,建立县域尺度生态系统服务直接利用价值 ,确定评估过程与关键步骤,初步 的评估技术框架 形成一套科学高效的农业服务价值,森林木材价 值和旅游价值的空间表达技术方法.根据服务价 在 值大小可确定不同区域的主导生态服务功能, 此基础上进行生态环境功能区划,明确生态保护 和生态系统管理的重点,实现不同功能分区的差 ,生态系统服务价值评估结果还可 别化管理.此外 以为生态补偿机制的建立提供定量数据支持,可 计算环境保护基 根据生态服务能力和贡献大小, 本公共服务财政转移支付额度. natureandthenatureofvalue[J】_Science,2000,289(5478): 395-396. 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