陆海复杂区生态服务功能评估

· 水源涵养生态服务功能核算

水源涵养服务是生态系统拦截滞蓄降水,增强土壤下渗、蓄积,涵养土壤水分、调节暴雨径流和补充地下水,增加可利用水资源的功能。水源涵养量大的地区不仅满足核算区内生产生活的水源需求,还持续地向区域外提供水资源。选用水源涵养量,作为生态系统水源涵养实物量的评价指标。

其中水源涵养量一般通过水量平衡法进行计算,通过水量平衡方程计算。水量平衡方程是指在一定的时空内,水分在生态系统中保持质量守恒,即生态系统水源涵养量是降水输入与暴雨径流和生态系统自身水分消耗量的差值。

核算区域的产流降雨量数据通过气象数据获取,地表径流量、蒸散发量等从遥感数据中获取,生态类型的面积由土地利用分类产品获得。将所有数据通过插值、重采样等方式进行预处理,得到10米分辨率的数据产品,使用ArcGIS软件进行计算,得到研究区内的水源涵养量生态服务功能产品。

· 土壤保持生态服务功能核算

土壤保持功能是生态系统(如森林、草地等)通过林冠层、枯落物、根系等各个层次保护土壤、消减降雨侵蚀力,增加土壤抗蚀性,减少土壤流失,保持土壤的功能。选用土壤保持量,即生态系统减少的土壤侵蚀量(用潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量的差值测度)作为生态系统水土保持功能的评价指标。其中,实际土壤侵蚀是指当前地表植被覆盖情形下的土壤侵蚀量,潜在土壤侵蚀是指没有地表植被覆盖情形下可能发生的土壤侵蚀量。由于坡度和坡长因子相互之间联系较为紧密,因此通常将它们作为一个整体进行考虑。坡长因子是指在其它条件相同的情况下,某一长度的田块破面上的土壤流失量与72.6英尺(标准单位小区的长度)长坡面上的流失量的比值;坡度因子是指在其它条件相同的情况下,某一坡度的田块坡面上的土壤流失量与9%(标准单位小区的坡度)坡度的坡面上流失量的比值。植被覆盖和管理因子是指在一定的植被覆盖度和管理措施下,一定面积土地上的土壤流失量与采取连续清耕、休闲处理的相同面积土地上的流失量的比值,为无量纲数,介于0-1之间。要确定C因子的值,需要详细的气候、土地利用、前期作物残留量、土壤湿度等资料,在大尺度研究中,一般难以获取这些资料,且 C 值的经典算法非常复杂,国内部分学者采用植被覆盖度求解C值。

· 防风固沙生态服务功能重要性评估

防风固沙是生态系统(如森林、草地等)通过其结构与过程减少由于风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。防风固沙功能主要与风速、降雨、温度、土壤、地形和植被等因素密切相关。防风固沙功能重要性评估计算使用《生态保护红线划定指南》中的生态系统防风固沙服务能力指数进行计算。月潜在蒸发量因子是衡量水分从地表(包括土壤和植物)蒸发和植物蒸腾的能力,用于描述在不受水分限制情况下地表水分的最大散失量。它是水文和农业研究中的关键参数之一,特别是在干旱监测、作物需水量估算和水资源管理方面。潜在蒸发量受气候因素影响,包括温度、湿度、风速和太阳辐射等。潜在蒸发量因子的准确计算对预测干旱、优化灌溉管理以及评估水资源供应有重要意义。

· 生物多样性维护功能重要性评估

生物多样性维护功能是生态系统在维持基因、物种、生态系统多样性发挥的作用,是生态系统提供的最主要功能之一。生物多样性维护功能与珍稀濒危和特有动植物的分布丰富程度密切相关。

· 气候调节生态服务功能核算

生态系统气候调节服务是指生态系统通过植被蒸腾作用、水面蒸发过程吸收太阳能,降低气温、增加空气湿度,改善人居环境舒适程度的生态功能。选用生态系统蒸散发过程消耗的能量作为生态系统气候调节服务的评价指标。气候调节服务核算可用实际测量生态系统内外温差、生态系统消耗的太阳能量和生态系统的总蒸散量进行核算,优先选择实际测量方法,其次根据数据可得性选取生态系统消耗的太阳能量方法或生态系统的总蒸散量进行核算。

· 洪水调蓄生态服务功能核算

洪水调蓄功能是指自然生态系统所特有的生态结构能够吸纳大量的降水和过境水,蓄积洪峰水量,削减并滞后洪峰,以缓解汛期洪峰造成的威胁和损失的功能。原则上只核算年降雨量大于400 mm地区的洪水调蓄价值。选用植被调蓄水量表征生态系统的洪水调蓄能力,即调节洪水的潜在能力。

· 碳固定量生态服务功能核算

生态系统固碳功能是指自然生态系统吸收大气中的二氧化碳(CO2)合成有机质,将碳固定在植物或土壤中的功能。该功能有利于降低大气中二氧化碳浓度,减缓温室效应。生态系统的固碳功能,对降低减排压力具有重要意义。选用固定二氧化碳量作为生态系统固碳功能的评价指标。净生态系统生产力(NEP)是定量化分析生态系统碳源/汇的重要科学指标,生态系统固碳量可以用NEP 衡量。NEP广泛应用于碳循环研究中,NEP可由净初级生产力(NPP)减去异氧呼吸消耗得到,或根据NPP与NEP的相关转换系数换算得到,然后测算出陆地生态系统固定二氧化碳的质量。

· 水质净化生态服务功能核算

水质净化服务功能用于评估流域的水资源质量,并描述水生态系统对污染物的处理能力,其功能的强弱对保障流域水质具有重要的作用。由于植被和土壤对氮和磷元素的拦截转移能起到水质净化作用,所以通常用氮和磷营养盐的输出量 来表征水质净化程度。氮、磷输出量越小,表示水质净化功能越好,相反则水质净化功能越差。水质净化量主要基于INVEST水质净化模块来计算。该模块是基于土地利用数据,评估在1a内提供的营养物质(氮、磷)持留服务,并强调土地利用变化对水质的影响。

该模型运行所需文件包括:高程、产水量、土地利用分类、流域边界、氮及磷输出系数;其中,产水量利用年平均降水量来代替,流域边界通过DEM提取。 由于东营市尚无氮和磷输出系数的数据,依据自然环境的相似性原则,选择黄河三角洲地区的数据确定研究区氮、磷的输出系数。流域流量累积阈值设置为1000,Boreselli k参数设置为2。输出的氮、磷污染负荷量单位为kg/像元面积。

表 生态服务功能产品数据来源列表

指标层 评价指标所需数据 说 明
水源涵养 地表径流量 降水量为GEE下载,CHIRPS数据集,0.05°分辨率;地表径流量为系数与降水量乘积;蒸散发数据使用温度、降水量、蒸散发调整系数计算所得;土地利用为地理实体级转化,10米分辨率;计算方法:https://www.ecologica.cn/stxb/ch/html/2017/7/stxb201512012406.htm
降水量
蒸散发量
土地利用数据
土壤保持 降水量 降水量为GEE下载,0.05分辨率;土壤数据库来自HWSD,1km分辨率;DEM SRTM数据90米分辨率;植被覆盖度10米分辨率,哨兵计算;计算公式参考:https://zhuanlan.zhihu.com/p/673953106
土壤数据库
DEM
植被覆盖度
防风固沙 净初级生产力平均值 NPP来自MODIS产品,500米分辨率;土壤数据库来自HWSD1km分辨率,计算K值与土壤保持一致;气象数据获取ERA5,分辨率0.1°;DEM计算地表粗糙度,90米分辨率。计算方法参考:https://zhuanlan.zhihu.com/p/138566806
降水量数据、风速数据、气温数据、湿度数据
土壤数据库
DEM
固碳量 NPP 使用NPP进行计算以及转换系数;分辨率500米 MODIS;如果有其他课题组产品可直接使用。计算方法参考:https://zhuanlan.zhihu.com/p/676110852
生物多样性维护 多年植被净初级生产力平均值 NPP来自MODIS 500米分辨率;降水气温来自CHIRPS与ERA5;DEM来自STRM 90米分辨率。计算方法参考:https://zhuanlan.zhihu.com/p/342718815
降水量、气温
DEM
气候调节 年蒸散总量 年蒸散总量来自MODIS产品。500米分辨率;FPAR数据来自MODIS产品,500米分辨率;总辐射日总量同样来自MODIS产品,500米分辨率;计算方法参考:https://www.ygxb.ac.cn/zh/article/doi/10.11834/jrs.20231590/
光合有效辐射分量
总辐射日总量
洪水调蓄 降水量数据 降水量数据获取每日降水量,筛选暴雨降水量生成栅格;0.05°;地表径流量使用上述生成;土地利用来自地理实体级,10米分辨率;计算方法参考:https://zhuanlan.zhihu.com/p/614454321
地表径流量数据
地表覆盖类型
水质净化 高程 DEM STRM 90米;产水量使用降水量;土地利用10米地理实体栅格;参考文献获取系数;计算方法参考:https://zhuanlan.zhihu.com/p/614205606
产水量
土地利用分类
氮磷输出系数