研究区概况
武夷山国家公园
武夷山国家公园总面积为1126.94km²，位于中国东南部，横跨江西、福建两省，属中亚热带季风气候区，四季气温较均匀、温和湿润，年均温17~19°C，年降水量在1500mm以上。
域内有常绿阔叶林、针阔叶混交林等植被类型，有高等植物269科2799种，有野生脊椎动物5纲35目125科332属558种，生物多样性十分丰富。
重要地位
武夷山国家公园是中国生物多样性热点地区和中亚热带森林保存完好的交汇地带，是中国陆地11个具有全球意义的生物多样性保护的区域之一，是中亚热带野生动植物的物种基因库，于2021年10月被列入中国第一批国家公园名单。
图1 研究区位置及DEM、2021年土地利用示意
数据来源
表1 研究数据及来源
| 数据类型 | 数据名称 | 时间/年 | 数据来源 |
|---|---|---|---|
| 土地利用 | 土地利用数据 | 2017-2021 | Sentinel-2 10-Meter Land Use |
| 遥感数据 | Landsat8 OLI | 2017-2021 | 美国地质勘探局 |
| 遥感数据 | MOD15A2H | 2017-2021 | Earthdata |
| 社会经济 | GDP数据 | 2021 | 《武夷山市统计年鉴(2021)》 |
研究方法
技术流程
图2 时空动态调节因子的构建及生态系统服务价值计算流程
研究构建了3类时空动态调节因子作为生态系统服务价值修正系数，将遥感反演与当量因子法结合，对比改进型遥感生态指数、遥感生态指数及净初级生产力指数作为时空动态调节因子的3种方法，定量评估和分析武夷山国家公园生态系统服务价值的时空状况(2017-2021年)。
遥感指标构建
绿度指标(NDVI)
反映植被生物量及植被覆盖度等植被信息
湿度指标(WET)
通过缨帽变化提取湿度分量，反映生态系统湿度水平
干度指标(NDBSI)
由建筑指数IBI和土壤指数SI合成
热度指标(LST)
用地表亮度温度表示，基于Landsat8热红外数据反演
生物多样性指标(DHI-cum)
动态栖息地指数DHI-(cum,min,sea)是基于植被吸收的光合有效辐射比例(FPAR)的时间序列数据的组合向量，可以间接指示物种丰度
时空动态调节因子
改进型遥感生态指数(DRSEI)
引入DHI-cum作为生物多样性指标补充，与其余4个指标共同构成时空动态调节因子
遥感生态指数(RSEI)
由绿度、湿度、热度、干度指标构成，反映区域的生态环境质量
净初级生产力(NPP)
使用MODIS产品数据经过处理后得到
权重确定方法
采用熵权法对各指标进行拟合，利用指标变异性特点确定权重，变异程度越大的指标其权重也越大。
wj = (1 - Ej) / (m - ∑Ej)
其中n代表样本总数；xij表示归一化后的指标j第i个样本的值；m为指标的个数。
生态系统服务价值计算
采用当量因子法计算生态系统服务价值，标准单位当量因子值是根据区域每年的粮食产值来确定的，具体为粮食作物每公顷经济价值的七分之一。
计算公式
ESV = ∑ESVc
ESVc = ∑∑Rij × ESVci × Sij
Rij = Adijc / Adc
其中：i为第c类生态系统的第i种生态系统服务功能；ESVci表示第c类生态系统的第i类生态系统服务类型的单位面积价值；j为某一区域内在空间上的像元数量；Sij为像元的单位面积大小；Rij为像元的调整系数。
敏感性分析
敏感性指数(CS)可以反映一个变量对另一个变量的依赖程度或敏感程度。
CS = |(ESVj-ESVi)/ESVi| / |(Vjc-Vic)/Vic|
其中：ESVj和ESVi分别为调整后和调整前的生态系统服务价值，Vjc和Vic分别为调整后和调整前第c类土地利用类型的当量因子值。
研究结果
遥感指标时空分布
图3 2017、2021年武夷山国家公园NDVI、WET、NDBSI、LST、DHI-cum空间分布及其5年变化趋势
主要发现
- • 武夷山国家公园自东向西海拔逐渐升高，仅地表能量表现出明显的高程依赖性
- • 植被指数与湿度(干度)空间上表现出明显的相关性
- • 动态栖息地指数与植被指数在低植被覆盖区域表现出一致性
变化趋势
- • 西部海拔较高的自然保护区，植被指数和动态栖息地指数呈现明显下降趋势
- • 地表能量呈现出明显的增加趋势
- • 东南部风景名胜区93%的区域DRSEI呈上升趋势
时空动态调节因子比较
图4 2017、2021年武夷山国家公园DRSEI、RSEI、NPP空间分布及其对应的5年变化趋势
DRSEI优势
- • 引入反映生物多样性的动态栖息地指数，林地、草地的DRSEI值相对RSEI更高
- • 图像空间信息、纹理细节更加突出，特征区分更准确
- • 对于当量因子值变化的灵敏度高于RSEI
三类调节因子对比
DRSEI：适合自然生态为主的区域，全面多维反映生态系统服务功能
RSEI：适合自然生态为主的区域，缺乏生物多样性因子
NPP：适合农作物为主的区域，局限于植被生产力
生态系统服务价值时空变化
图5 2017-2021年各年生态系统服务价值及总价值年际变化
图6 2017、2021年武夷山国家公园生态系统服务价值空间分布及其5年变化趋势
总体变化
- • 2017-2021年生态系统服务价值总体上升，增长5398.89万元，增幅0.82%
- • 空间分布呈西北高-东南低特征
- • 西北区域生态系统服务价值呈下降趋势，东南区域呈增长趋势
土地利用类型变化
- • 林地、草地、裸地、水体的生态系统服务价值不断增加
- • 农田生态系统服务价值下降37.28%
- • 裸地生态系统服务价值增加48.86%
各生态系统服务功能价值变化
调节服务价值占比最大(67%)，其次为支持服务(23%)、供给服务(6%)和文化服务(4%)
- • 原料生产价值小幅增加
- • 水资源供给价值增长6.18%
- • 食物生产价值下降1.73%
- • 调节服务各项价值均增长，气候调节受林地、草地影响较大
- • 净化环境、水文调节受水体面积影响较大
- • 支持服务和文化服务价值均小幅增加0.8%左右
结论与讨论
主要结论
DRSEI优势明显
DRSEI作为时空动态调节因子对比RSEI以及NPP，图像空间信息特征更加丰富，提高了土地利用方式对生态系统服务价值的表达能力，能够更加多维、精确的呈现生态系统服务价值空间分异。
价值总体上升
2017-2021年武夷山国家公园生态系统服务价值总体呈上升的趋势，2021年较2017年增长了5398.89万元，增幅为0.82%，反映了生态环境保护与资源开发利用之间的适当平衡。
林地贡献最大
武夷山国家公园域内96%以上区域被森林覆盖，林地对生态系统服务价值贡献最大，达到总价值的90%以上。水体的生态系统服务价值仅次于林地。
空间分布特征
生态系统服务价值整体上呈现为西北高于东南。西北为自然保护区，森林覆盖率高；东南为风景名胜区，人为扰动较大，但表现出了向好的趋势。
讨论与建议
研究局限
本文构建的改进型遥感生态指数仅在武夷山国家公园进行了验证，对于城市等受人为影响较大的生态系统区域适用性有待验证。动态栖息地指数的空间分辨率较其他遥感指标偏低，会影响适用的空间尺度。
未来展望
未来将扩大时间跨度，进行长时间序列研究。综合利用各种资源环境数据和现代信息技术，综合研究各尺度区域性生态系统的服务价值评估，解决与国家公园生态系统管理有关的科学问题。
管理建议
- • 严守生态红线，平衡各类型生态系统服务功能价值
- • 进一步退耕还林还草，限制农业用地以及避免茶园的无序扩张
- • 有序引导用地类型的变化，改善生态系统服务功能