生态系统服务功能

生态系统服务功能

1.生态系统的研究背景与相关概念

水文过程（水资源、水环境）是维持流域生态系统健康和社会经 济持续发展的关键制约因素。健康的流域生态系统不仅具有抵抗干扰、恢复自身结构和 功能的能力，维持流域生态系统的完整性和功能的稳定性，并且能够为流域提供满足自 然和人类需求的生态系统服务。

流域是由不同生态系统组成的异质性区域，是由水热气候、地质地貌、水文、植物 和土壤等异质单元所构成的镶嵌体，也是生态、经济和社会发展等复杂问题研究的焦点。

三峡库区是长江流域的重要生态屏障，也是我国重要的水土保持生态功能区，对整 个长江流域土壤保持、水源涵养等生态服务功能起到重大作用。

生态系统服务是指自然生态系统所提供的能满足和维持人类生活所需要的条件和过程，生态系统及生态过程作为生态系统服务功能的载体，通过物质循环、能量流动以及信息传递等方式直接或者间接地为人类社会提供必要的环境条件以及物质基础。

生态系统服务即人类直接或间 接从生态系统中获得的惠益。 —MAE提出

生态系统服务的内涵包括了三个部分的内容：

（1）生态系统向经济社会系统输入有用的能量和物质；

（2）生态 系统接受和转化来自经济社会系统的废弃物；

（3）生态系统直接向人类社会成员提供服务。

生态系统服务的研究应是将“生态—社会经济—人类”三个领域整合在一起的 综合性研究，既要考虑生态系统服务的自然属性，也要考虑其社会属性。

**生态系统服务驱动因素：**生态系统服务及其演变是一个由多种因素共同驱动的复杂过程，这些驱动因素涉及 自然、社会经济、以及人为干扰等多个方面，土地利用和植被覆盖变化通过改变生态系统的结构、过程和功能影响生态系统服务， 已被确定为生态系统服务变化的主要驱动因素

生态系统服务权衡与协同：当一种服务的供应因另一种服 务的使用增加而减少时，就会出现生态系统服务的权衡作用（Trade-off）；而当两种或多 种生态系统服务同时增强时，就会出现生态系统服务的协同作用（Synergy）。研究生态系统服务之间的相互作 用机制，明确生态系统权衡与协同形成的驱动因素、类型特征以及时空格局，对于实现 生态系统服务利益最大化和避免竞争用途之间的冲突至关重要，同时对推动生态系统服 务研究的进一步发展也具有重要的意义

生态系统服务功能评估方法：

• 能值评估法（太阳能）

  能值评估法主要用于定量分析环境资源价值及生态系统与经济、社会系统的复杂关 系，其主要思想为通过计算不同形式物质和能量的能值转换率，将其统一转化为相应的太阳能焦耳值。主要被应用于区域社会经济发展的评价研究中。

  这种方法也存在较高的局限性：（1）需要很多不易获取的数据资料，计算非 常复杂，分析难度也大；（2）评估过程中，存在很多与太阳能关系非常微弱的物质，难 以用太阳能来度量；（3）评价结果难以反映人类对生态系统的需求性和生态系统服务自 身的稀缺性。

• 价值量评估法（钱）

  价值量评估法，即从货币价值量的角度对生态系统提供的服务进行定量评估。也叫当量因子法，当量因子法适用于大尺度区域的生态系统服务价值核算。

  也有学者通过市场价值法和间接市场法来评 估生态系统服务的价值。直接市场法通常用于在市场上可直接交易的服务价值评估，而 对于固碳释氧、土壤保持等未能在市场上交易的服务，一般通过替代市场以及支付意愿等间接市场法进行价值评估。

• 物质量评估法

  物质量评估法是从生态系统服务机制出发，以物质量的角度对生态系统提供的各项 服务进行定量评价的方法，用生态系统服务的实际值作为评价指标和依据。

  对于粮食生 产和林业产品提供等服务的物质量评价可通过直接观测、实地调查等方法收集研究区域 的原始数据，以及查阅相关部门的统计数据来实现；而对于气候调节、水源涵养等服务往往需要采用相应的过程模型来估算生态系统服务的物质量。

  基于物质量评估的结果可以客观反映相关生态过程和生态系统服务的功能量大小， 其评估过程在反映生态系统结构和过程的同时，通常耦合空间显式的景观格局可以作为 科学规划的依据，此外，物质 量评估过程模型依赖于空间地理信息的输入，基础数据的精细程度直接影响评估结果的精度。

流域生态系统服务：

流域生态系统为人类提供多种服务：以丰富的水资源哺育人类、灌溉农田、净化环 境，以广阔的水域维持生物多样性，以干、支流为纽带联系全流域，以蕴藏的巨大水能 为流域经济发展提供动力。河流和湖泊等流域水体周围的植被可在一定程度上阻截污染 物，降低水体污染程度。城市化发展和人口增长导致对流域生态系统的需求日益增加。

2.三峡库区流域生态系统服务评估研究技术路线

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3.三峡流域概况

流域生态系统服务分类

流域生态系统服务划分为水资源服务、水环境服务和水生态服务三类

水资源服务包括生活用水、生产用水和生态环境用水；

水环境服务包括主要水质指标的流域水环境容量；

水生态服务主要包括水源涵养、水土保持等。

三峡库区主要生态系统服务

三峡库区是一跨地域的独特地理单元，既有水电库区的特性，也有明显流域特性， 是一完整的流域单元。库区地理条件和气候资源优越，是我国重要的水土保持功能区， 对整个长江流域土壤保持、水源涵养等生态系统服务功能具有重要作用

水资源供给、流域水环境容量、水土保持 和水源涵养作为三峡库区主要的生态系统服务评估指标。

4.非点源模型

非点源是指在降雨和地表径流的驱动作用下污染物的迁移转化过程，在此过程中， 非点源污染物由土壤圈向水圈扩散，径流、污染物与流域土壤、地形、植被覆盖等下垫面条件在一定时空尺度内发生复杂的交互作用。流域分布式非点源模型集水文循环模块、 土壤侵蚀模块及污染负荷模块于一体，适用于大、中尺度的水文循环、土壤侵蚀、土地 利用对非点源污染影响等多方面的准确模拟。

4.1SWAT分布式流域水文模型

SWAT 模型中运用水量平衡方程来描述流域水文循环过程，主要包括地表径流、蒸 散发、土壤水以及地下水的产生和输移过程：
Q s u r f = R − ( Q s o − Q s t ) − Q e − Q s e e p − Q g w Q_{surf}=R-(Q_{so}-Q_{st})-Q_{e}-Q_{seep}-Q_{gw} Qsurf​=R−(Qso​−Qst​)−Qe​−Qseep​−Qgw​
式中： Q s u r f Q_{\mathrm{surf}} Qsurf​地表径流量（mm)；R为降雨量（mm)； Q s o Q_{\mathrm{so}} Qso​为土壤前期含水量（mm); Q s t Q_{\mathrm{st}} Qst​为降雨后土壤含水量（mm)； Q e Q_{\mathrm{e}} Qe​为径流蒸散发量（mm)； Q s e e p Q_{\mathrm{seep}} Qseep​为土壤侧流及渗流水量（mm); Q g w Q_{\mathrm{gw}} Qgw​为地下水含量（mm）。

4.2 土壤保持（水土保持）

水土保持是生态系统组分（如森林、草地等）通过其结构与过程能够减少由于水蚀 所导致的土壤侵蚀的作用，是生态系统提供的重要调节服务之一。

水土保持功能主要与气候、土壤、地形和植被有关。采用修正通用水土流失方程（RUSLE）的水土保持服务模型，建立降雨侵蚀力、土壤可蚀性、地形因子和地表植被覆盖等数据源获取潜在和实际土壤侵蚀量，以二者的差值即潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量的差值，作为生态系统水土保持功能的评估指标。计算方法如式：
A p = R ⋅ K ⋅ L S A r = R ⋅ K ⋅ L S ⋅ C ⋅ P A c = R ⋅ K ⋅ L S ⋅ ( 1 − C ⋅ P ) \begin{gathered} A_{p}=R\cdot K\cdot LS \\ A_{r}=R\cdot K\cdot LS\cdot C\cdot P \\ A_{c}=R\cdot K\cdot LS\cdot\left(1-C\cdot P\right) \end{gathered} Ap​=R⋅K⋅LSAr​=R⋅K⋅LS⋅C⋅PAc​=R⋅K⋅LS⋅(1−C⋅P)​
式中， A P A_P AP​为潜在最大土壤侵蚀量 ( t / h m 2 ⋅ a ) (t/hm^2\cdot{a}) (t/hm2⋅a); A r A_r Ar​为实际土壤侵蚀量 ( t / h m 2 ⋅ a ) (t/hm^2\cdot{a}) (t/hm2⋅a); A c A_c Ac​为水土保持量 ( t / h m 2 ⋅ a ) (t/hm^2\cdot{a}) (t/hm2⋅a)；R为降雨侵蚀力因子 ( M J ⋅ m m / h m 2 ⋅ h ⋅ a ) \mathrm{(MJ\cdot mm/hm^2\cdot h\cdot a)} (MJ⋅mm/hm2⋅h⋅a);K为土壤可蚀性因子 ( t ⋅ h m 2 ⋅ h / h m 2 ⋅ M ⋅ m m ) (t\cdot{hm}^{2}\cdot{h}/{hm}^{2}\cdot{M}\cdot{mm}) (t⋅hm2⋅h/hm2⋅M⋅mm)；LS为地形因子；$C\cdot P$为植被覆盖于管理-水土保持措施因子。

4.2.1降雨侵蚀力因子R

可以采用基于日降雨量的半月侵蚀力模型来计算，通过将每年 24 个半月的降雨侵蚀力因子相加得 到年降雨侵蚀力因子。

P i , j , k P_{i,j,k} Pi,j,k​ 为第 i 年第 k 半月第 j 个侵蚀性日降雨量（mm），可以根据全国范围内气象站点多年的逐日降雨量资料，通过插值获得。两个模型参数可以通过以下公式获得
α = 0.8363 + 18.177 P d 12 + 24.455 P y 12 δ = 21.58 α − 7.1891 \begin{aligned}\alpha&=0.8363+\frac{18.177}{P_{d12}}+\frac{24.455}{P_{y12}}\\\delta&=21.58\alpha^{-7.1891}\end{aligned} αδ​=0.8363+Pd12​18.177​+Py12​24.455​=21.58α−7.1891​
式中： Pd12 为日雨量≥12 mm 的日平均雨量(mm)； P y12 为日雨量≥12 mm 的年雨量 (mm)。

4.2.2土壤可蚀性因子

4.2.3 地形因子

地形因子包括坡长因子和坡度因子，反映了地形对土壤侵蚀的影响
L = ( λ 22.13 ) m m = β 1 + β β = sin ⁡ θ 0.089 3.0 ( sin ⁡ θ ) 0.8 + 0.56 \begin{aligned} &L= \left(\frac\lambda{22.13}\right)^m \\ &m=\frac{\beta}{1+\beta} \\ &\beta=\frac{\frac{\sin\theta}{0.089}}{3.0\left(\sin\theta\right)^{0.8}+0.56} \end{aligned} ​L=(22.13λ​)mm=1+ββ​β=3.0(sinθ)0.8+0.560.089sinθ​​​

S = { 10.8 sin ⁡ θ + 0.03 θ < 5.14 ° 16.8 sin ⁡ θ − 0.5 5.14 ° ≤ θ < 10.20 ° 21.91 sin ⁡ θ − 0.96 10.20 ° ≤ θ < 28.81 ° 9.5988 θ ≥ 28.81 ° S=\begin{cases}10.8\sin\theta+0.03&\theta<5.14°\\16.8\sin\theta-0.5&5.14°\leq\theta<10.20°\\21.91\sin\theta-0.96&10.20°\leq\theta<28.81°\\9.5988&\theta\geq28.81°\end{cases} S=⎩ ⎨ ⎧​10.8sinθ+0.0316.8sinθ−0.521.91sinθ−0.969.5988​θ<5.14°5.14°≤θ<10.20°10.20°≤θ<28.81°θ≥28.81°​

式中：L 为坡长因子， S 为坡度因子， m 为坡长指数； $\theta$为坡度（°）， $\lambda$为坡长（m）， 二者均通过 DEM 计算得到。

4.2.4 植被覆盖管理与水土保持措施因子

$C\cdot P$ 为植被覆盖与水土保持措施因子，反映了生态系统对土壤侵蚀的影响，对水土 保持服务有积极作用。植被覆盖管理因子（ C ）与植被覆盖度密切相关。植被覆盖有消 减能量、保持水土和预防侵蚀等作用，下垫面不同植被类型对防止土壤侵蚀与水土流失 的作用有显著差异，一般情况下，林地的作用最强，而荒地的作用最弱。流域内局部区 域植被的土壤保持能力与植被覆盖度成正相关，即水土保持能力会随着植被覆盖度的增 加而增加。土壤保持措施因子（ P ）在 0~1 之间，与水土保持措施效果呈负相关。

4.3 水源涵养

水源涵养是生态系统通过其要素和相关过程对降水进行截留、渗透、蓄积，并通过 蒸散发过程实现对水流、水循环的调控，主要表现在缓和地表径流、补充地下水、减缓 河流流量的季节波动、滞洪补枯、保证水质等方面。

通过计算降雨量与蒸散量之差来计算流域水源涵养量。
T Q = ∑ i = 1 j ( P i − R i − E T i ) ⋅ A TQ=\sum_{i=1}^{j}\bigl(P_{i}-R_{i}-ET_{i}\bigr)\cdot A TQ=i=1∑j​(Pi​−Ri​−ETi​)⋅A
式中，TQ为水源涵养量（m)； P i P_i Pi​为降雨量（mm)； R i R_i Ri​为地表径流量（mm)； E T i ET_i ETi​为丞散发量（mm); A i A_{i} Ai​为第 $\text{i}$ 类生态系统的面积;$\text{j}$为研究区生态系统类型数。

可以采用 InVEST 3.1.0 模型评估区域尺度水源涵养和固碳2 种生态系统服务

5.基础数据来源

1. 三峡库区土地利用/覆被数据

   可以选择Landsat TM/ETM+/OLI 卫星遥感影像，空间分辨率为 30 m

2. 国家气象局获取气象数据

   评估生态系统服务所需的气象数据主要有：三峡库区及周边年均降水量、蒸发量、气温及太阳总辐射数据。数据来源于国家气象局，主要包括降水、温度、辐射、风速、日照等要素的日值和月值数据，数据具有较高的准确性。其中涉及到三峡库区及其周边的基本站 46 个，基准站 11 个，一般站 131 个，总计 188 个气象站的气候数据。

3. 土壤数据

   土壤数据来源于国家青藏高原科学数据中心提供的中国土壤数据集（v1.1）（http://westdc.westgis.ac.cn），分辨率为 1km，数据集中包含了评估水源涵养所需的土壤类型、土壤质地、土壤有机质等资料；土壤深度数据可来源于三峡库区森林资源二类调查数 据 中 土 层 厚 度 字 段 数 据 值 ； 土 壤 田 间 持 水 量 和 萎 蔫 系 数 可由 SPAW 软 件 的Hydrology-Soil Water Characteristics 模块计算生成。

4. 社会经济数据

   社会经济统计数据来源于研究区涉及的重庆市、宜昌市和恩施巴东县历年统计年鉴、林业统计年鉴和农村统计年鉴等。

5. 高程数据

   30 m 分辨率的 DEM 数据来源于美国马里兰大学土地覆被数据库。DEM 数据主要用于水源涵养评估中子流域的划分、土壤保持评估中坡度坡向因子的生成以及生态系统服务驱动力分析中坡度坡向的生成。

6. 地面采样数据

   调查记录每个样地的土壤类型、树种组成、海拔、坡度、坡向等基本信息。对样地内所有树种每木检

   尺，测量林内所有树种的树高、胸径，记录林下灌草主要植物种类、高度及覆盖度等，

   并收集小样方内枯落物。

评估三峡库区生态系统的服务功能：水源涵养、土壤保持、固碳释氧、水质净化和洪水调蓄

1. 水源涵养

水源涵养是指生态系统对降雨水的截留、蓄存和释放，是维持水文循环的重要环节。在评估三峡库区的水源涵养能力时，需要收集以下数据：

• 降雨量数据：可以从中国气象数据网（http://data.cma.cn/）获取。

• 土地利用/覆盖变化数据：可以从中国土地利用/覆盖变化调查数据（http://www.data.ac.cn/）获取，这些数据可以反映出生态系统覆盖率的变化。

• 坡度数据：可以从数字高程模型 (DEM) 中提取，例如SRTM高程数据（https://earthexplorer.usgs.gov/）。

2. 土壤保持

土壤保持是指生态系统通过植被覆盖、地形和土壤性质等因素，防止水土流失和土地退化。在评估三峡库区的土壤保持能力时，需要收集以下数据：

• 土壤类型数据：可以从中国土壤信息系统（http://www.soilinfo.cn/）获取。

• 土地利用/覆盖变化数据：可以从中国土地利用/覆盖变化调查数据（http://www.data.ac.cn/）获取。

• 降雨量数据：可以从中国气象数据网（http://data.cma.cn/）获取。

3. 固碳释氧

固碳释氧是指生态系统通过植被和土壤等机制，将二氧化碳固定为有机碳，同时释放氧气。在评估三峡库区的固碳释氧能力时，需要收集以下数据：

• 植被类型和覆盖度数据：可以从中国森林资源调查数据（http://www.forestry.gov.cn/main/80/content-950048.html）获取。

• 土壤有机碳含量数据：可以从中国土壤信息系统（http://www.soilinfo.cn/）获取。

4. 水质净化

水质净化是指生态系统通过植被、土壤等机制，净化水体中的污染物，维护水体的生态健康。在评估三峡库区的水质净化能力时，需要收集以下数据：

• 水体营养盐浓度、重金属含量等数据：可以从中国环境监测总站（http://www.cnemc.cn/）获取。

• 水位和流量数据：可以从中国水文信息网（http://www.hydroinfo.gov.cn/）获取。

5. 洪水调蓄

洪水调蓄是指生态系统通过土地利用、植被、地形等因素，调节洪水的流量和速度，减缓洪水灾害。在评估三峡库区的洪水调蓄能力时，需要收集以下数据：

• 洪水历史数据：可以从中国水文信息网（http://www.hydroinfo.gov.cn/）获取。

• 降雨量数据：可以从中国气象数据网（http://data.cma.cn/）获取。

处理数据：

• 数据清洗：检查数据质量，删除错误数据或异常值。

• 数据处理：对原始数据进行处理，例如计算平均值、标准差、相关系数等。

• 空间分析：使用地理信息系统（GIS）等工具进行空间分析，例如绘制地图、空间插值、空间统计等。

• 统计分析：使用统计学方法进行数据分析，例如方差分析、回归分析等。

可以使用专业的数据处理软件，例如Python、R或GIS软件等，以便更好地处理和分析数据。在评估完成后，可以将结果可视化，例如制作地图和图表，以便更好地展示评估结果。

参考文献

[1]夏晶晶. 三峡库区流域生态系统服务评估研究[D].武汉学,2019.DOI:10.27379/d.cnki.gwhdu.2019.000159.

（GIS）等工具进行空间分析，例如绘制地图、空间插值、空间统计等。

• 统计分析：使用统计学方法进行数据分析，例如方差分析、回归分析等。

可以使用专业的数据处理软件，例如Python、R或GIS软件等，以便更好地处理和分析数据。在评估完成后，可以将结果可视化，例如制作地图和图表，以便更好地展示评估结果。

参考文献

[1]夏晶晶. 三峡库区流域生态系统服务评估研究[D].武汉学,2019.DOI:10.27379/d.cnki.gwhdu.2019.000159.

[2]李奇. 三峡库区生态系统服务时空变化与权衡研究[D].中国林业科学研究院,2020.DOI:10.27625/d.cnki.gzlky.2020.000078.

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