学术交流 | 德清县自然生态系统质量量化评估方法探究

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摘 要：

针对县域自然生态系统质量量化评估方法的选择和优化问题。该文以德清县为例，选择物种多样性、生态承载力和生态系统服务价值量化评估模型和方法对其2010年和2018年的自然生态系统质量进行评估分析，结果显示，德清县林地物种多样性的Shannon-Wiener指数和Simpson指数均优于草地。2010—2018年的生态承载力和生态系统服务价值呈上升趋势，生态系统服务价值能够有效评估地区自然资源的资本价值。生态系统服务价值结合物种多样性具有较高的实践价值。进一步拓展了地理国情和国土数据的实践应用，研究结果可用于县域土地利用规划、自然资产统计和自然保护地监测和评估等。

引言

自然生态系统是人类赖以生存的基础，其能为人类提供大量的自然资本及资产，给人类生存和发展提供物质基础。人们已经认识到当前社会经济的发展导致自然生态系统的退化，也意识到了保护自然生态系统的重要性。对于自然生态系统的评估分析有助于调整社会经济发展结构，制定相关保护政策，达到社会经济的可持续发展。生态系统质量（ecosystem quality）经常被用于自然生态系统量化评估中，它指在一定的时空范围内生态系统的总体或部分生命组分的质量，主要表现为其生产生态功能在受到外界干扰后的变化以及对人类社会系统的影响。因此生态系统质量评估方法和评价指标体系选合适与否，直接影响到评价结果的准确性和可靠性，在构建区域的自然生态系统质量评价指标体系时，要选取最能反映当地自然生态系统质量及变化状况的环境因子。目前对于自然生态系统质量的评价方法可以概述为3类：①生态系统的服务功能价值评价;②生态系统脆弱性和稳定性分析③是生态系统的承载能力评估。

为了更加具体地指导地区的发展，基于县域和更小尺度上的自然生态系统质量量化评估是非常必要的，然而对于县域或者更小尺度上自然生态系统质量的时空量化分析较少。生态系统具有较强的地域性，我国地域辽阔，生态环境差异性高，如何合理有效地评估县域生态系统质量是一个关键点，基于自然生态系统质量的时空分析有助于确定地区目标政策的热点区域，理解区域发展过程中自然生态系统的变化过程。本文基于3S、实地调查和社会经济数据，采用物种多样性，生态承载力和生态系统服务价值3种评价方法分析德清县自然生态系统质量现状和时空变化，比较分析3种评价方法在县域自然生态系统质量量化评价的差异性和适用性，探索浙江省县域自然生态系统质量评估的方法和指标体系，为国内其他县域自然生态系统质量评估工作奠定基础。

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研究区概况和技术路线

1.1研究区概况

德清县位于长江三角洲杭嘉湖平原西部，为浙江省湖州市辖，地理坐标为30°26′～30°42′ N， 119°45′～120°21′ E。2015年乡镇调整后全县4个街道、8个镇，县城在武康街道。陆地面积937.95平方千米，东西跨度为55.95 km，南北跨度为29.92 km。德清县属于低山丘陵区，地势自西向东倾斜，西部为天目山余脉，主要是莫干山镇和武康街道部分；中部为丘陵，主要是阜溪街道，武康街道部分，舞阳街道和下渚湖街道；东部为平原水乡，包括洛舍镇、乾元镇、钟管镇、新安镇、雷甸镇、新市镇和禹越镇。气候属于亚热带季风气候，温暖湿润，年平均气温16 ℃，多年平均年降水量1 400.6 mm，太阳年总辐射量为409.49 KJ/cm/a。2010年年末总人口为43.0万人，2017年年末总人口44.1万人。

德清县的土地利用类型以林地、耕地和建筑用地为主，林地主要分布在县域西部和南部地区，耕地分布在县域的东部，草地面积较少。2010年林地面积为42 141.59 ha，占总面积的44.93%，耕地面积为29 718.08 ha，占总面积的31.69%，建筑面积为12 140.52 ha，占总面积的12.94%。2018年林地面积为42 245.16 ha，占总面积的45.04%，耕地面积为25 958.16 ha，占总面积的27.68%，建筑面积为16 161.09 ha，占总面积的17.23%。总体上，从2010年到2018年林地分布更加集中，耕地面积减少，建筑面积增加（图1）。

1.2技术流程

本研究将国土数据重分类，社会经济数据、文献数据和气象数据空间插值，得到文本和空间数据库。利用国土数据界进行分层随机抽样，获得物种多样性的样点，通过实地调查法计算德清县各乡镇的物种多样性。依据生态承载力计算方法，利用已发表文献数据和社会经济数据，确定产量因子和均衡因子，得到德清县各乡镇生态承载力及其相关指标。依据生态系统服务价值计算方法，利用数据库，计算德清县域供给价值，涵养水源价值，生产有机质价值和固碳释氧价值，通过栅格数据加和获得生态系统服务价值，对各项价值叠加行政区界进行分乡镇统计。然后对指标的时空分布特征进行分析后，采用极差法，对部分数据进行标准化，插值法计算2010—2018年的变化量，绘制热图进行分析。通过分析3种模型和方法在自然生态系统质量量化评估中的效能，得到县域自然生态系统质量量化评估的合适方法。

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自然生态系统质量量化评估的模型与方法

综合已发表文献中自然生态系统质量量化评估相关的3种模型与方法，具体如下：

2.1 物种多样性评估方法

物种多样性的测定采用实地调查方法。

野外取样：本文于2019年10—11月，采用分层随机抽样，结合三调图斑数据，在德清县每个乡镇选择一个林地样点和一个草地样点，每个样点设置3个样方。每个样方记录物种数、物种名称、测量株高、胸径等，盖度和林地木本的高度采用目测估计法。

数据分析：利用R语言计算了物种多样性相关指标，包括丰富度指数（Species, S），Shannon-Wiener指数，Simpson指数，Inverse Simpson指数（Inv-simpson）和均匀度指数（Pielou’, J）。物种多样性指标与自然生态系统质量均呈正相关。具体计算和指标含义见表1。

2.2 生态承载力模型

生态系统能够为人类的生活生产提供必需的产品和服务，生态承载力是对地区产品和服务的具体定量评估。基于生态足迹法，生态承载力定义为区域内一定时期（一般为一年）所有可用的生物生产性土地和水域面积的总和。

2.3 生态系统服务功能价值模型

通过将生态系统服务功能价值化来评价生态效益，主要包括生态系统服务的直接价值（供给价值）和间接价值（涵养水源价值，固碳释氧价值以及净化和文化价值等）两大类。

1）供给价值：包括经济产品供给价值和淡水资源价值。

经济产品供给价值，主要是耕地、桑蚕、果园和茶园等方面的产品,见式（5）。

2.4 数据来源及处理

1)数据来源。研究所用到的德清土地利用矢量数据来源于2018年国土调查矢量数据和逐年变更矢量数据。社会经济和人口数据来源于德清年鉴和德清县志等。水文气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网，数据空间化和栅格化以及相关计算均在ArcGIS10.0中完成。

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结果

对德清各乡镇的林地的植物多样性计算结果显示(表2)，林地S最高的乡镇首先是下渚湖街道，其次是洛社镇和武康街道，最低的是禹越镇和乾元镇，下渚湖镇、洛社镇和武康寄到显著高于其他乡镇（p＜0.05）。Shannon-Wiener指数最高的是下渚湖街道，最低的是新安镇，新安镇的Shannon-Wiener指数显著低于其他乡镇（p＜0.05）。Simpson指数和Inv-simpson指数最高的是下渚湖街道，最低的是武康街道，各乡镇的Simpson指数不存在统计学差异，下渚湖街道的Inv-simpson指数显著高于其他乡镇。J最高的是下渚湖街道，最低的是武康街道，各乡镇之间不存在统计学差异。

3.2 德清生态承载力的变化分析

结合德清的社会经济数据，修订产量因子后，计算2010年和2018年德清生态承载力，由表4可知，德清县2010年生态承载力总计5.086×105 gha，2018年的生态承载力总计5.351×105 gha，德清2010—2018年的生态承载力呈上升趋势。其中耕地、草地和建筑用地的生态承载力变化最大，耕地生态承载力降低，草地生态承载力和建设用地生态承载力增加。2010—2018年生态承载力略有上升，其中耕地生态承载力大幅度下降，粮食单位面积产量的相对提升有限是德清生态承载力降低的主要因素之一，虽然从2010—2018年，德清的单位面积粮食产量呈现上升趋势，但是相较于全国单位面积粮食产量，相对比值减小，产量因子下降。研究中我们修订了建制镇和农村宅基地的产量因子，德清住宅多以多层住宅和高层建筑为主，有效提升了宅基地的土地利用，增加了建筑用地的生态承载力。

3.3 德清的人均生态承载力和生态系统服务价值时空分布

生态承载力与土地面积具有较高的相关性，因此,本文选择人均生态承载力进行分析。由图3可知，整体上除了下渚湖街道，北部地区乡镇的人均生态承载力高于南部地区。2010—2018年的大部分乡镇人均生态承载力呈现上升趋势，仅下渚湖街道下降。2010年人均生态承载力最高的乡镇为下渚湖街道，2018年最高的是阜溪街道。对各乡镇生态承载力分析可知，阜溪街道的人均生态承载力呈现大幅上升趋势，武康街道的人均生态承载力呈现大幅下降情况，主要原因是在2015年乡镇行政边界调整，将武康镇划分为武康街道，三合乡调整为下渚湖街道，乡镇功能区划更加明晰，虽然阜溪街道、武康街道和下渚湖街道的生态承载力变化不大，但人均生态承载力大幅变化。基于德清的人均生态承载力和全球人均生态承载力进行对比，2010年和2016年（已公布最近一年）全球人均生态承载力为1.7和1.63 gha/人，我国的人均生态承载力为0.94和0.96 gha/人。目前德清的人均生态承载力为1.32和1.73 gha/人，人均生态承载力增加，高于我国的平均水平，且与世界人均生态承载力相近，德清的可持续发展水平较高且在提升中。

德清2010年的生态系统服务价值合计21.85亿元，2018年30.04亿元，2010—2018年,呈上升趋势，增加不大。以下渚湖和乾元镇为界，德清的生态系统服务价值西部地区高于东部地区，2010和2018年莫干山镇的生态系统服务功能价值最高，其次是下渚湖街道最高。

3.4 2010—2018年德清各项指标的变化分析

对德清各项生态指标分乡镇进行标准化后，计算2018年和2010年的差值，并制作热图。结果显示，阜溪街道和雷甸镇的自然生产力增加，其他乡镇自然生产力均降低，尤其是禹越镇和新安镇，自然生产力减少超过15%。洛社镇、莫干山镇、下渚湖街道、乾元镇和钟管镇增加，其他乡镇的膳食承载力减少。各乡镇的人均生态承载力变化较大，武康街道和下渚湖街道大幅下降，阜溪街道，莫干山镇和舞阳街道人均生态承载力大幅提升。大部分乡镇的自然生产力呈现下降趋势。对于生态系统服务价值，雷甸镇和舞阳街道呈下降趋势，其他乡镇均增加。2010—2018年德清生态系统服务价值的总量增加，其供给价值增加值最大，水源涵养和生产有机质的价值均增加，但是固碳释氧的价值减小（图4）。

3.5 评价方法的对比分析

整体来看，物种多样性方法数据可获得性难，计算较为简单，其结果是对林地和草地的多样性状况评估，对于物种多样性变化的研究分析需要持续观测后得到结果，目前国内外对于物种多样性的关注较高，联合国2030年的可持续发展的第15个目标是保护、恢复和促进可持续利用的陆地生态系统，可持续管理森林，防治沙漠化，制止和扭转土地退化，遏制生物多样性的丧失等。生态承载力和生态系统服务价值计算数据比较容易获得，两者均可以实现空间化，进行区域和行政区分析，能够基于之前的数据获得年际变化结果，用于趋势预测。生态承载力的测算自2003年开始，基于国家尺度，计算每个国家和全球的生态承载力状况，以及人均生态承载力，涉及变量较少，且标准化比较简单，结果具有较高的对比性，但生态承载力涉及因子较少，在具体实践工作中指导价值有限。生态系统服务价值，研究性的论文偏多，由于涉及指标较多，地区国家间的贴现率问题等，结果的可比性不是很高，但是其货币化的计算方式有助于理解和应用，尤其是生态系统服务价值与GDP之间的转化。综合对评价方法的分析，生态系统服务价值结合物种多样性在县域生态县域自然生态系统质量量化评估、监测和自然资源开发利用中具有更高的实践价值。

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结束语

本文以德清县域为例，基于空间信息技术，分析了德清县自然生态系统质量的时空变化，探讨了县域生态系统质量量化评估方法的特点。由于数据获取限制，对德清县生态系统服务价值的计算以供给价值、水源涵养、生产有机质和固碳释氧为主，休憩旅游文化等价值未被计算，导致我们的生态系统服务总价值偏低。研究认为生态系统服务价值结合物种多样性在县域自然生态系统质量量化评估、监测和自然资源开发利用中具有较高的实践价值，进一步拓展了地理国情和国土数据的实践应用，研究结果可用于土地利用规划、县域自然资产统计和自然保护地监测和评估等。

END

作者简介：田涛（1992—），女，甘肃会宁人，博士研究生，主要研究方向为社会生态学。

来源：测绘学术资讯

原标题：《学术交流 | 德清县自然生态系统质量量化评估方法探究》

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