基于当量因子法的中国森林生态系统服务价值时空动态及其驱动因素研究

《Frontiers in Forests and Global Change》：Spatiotemporal dynamics and drivers of forest ecosystem service value in China based on the equivalent factor method

　　

专业术语翻译 摘要 引言： 为评估中国森林生态系统服务价值（FESV）并支持生态保护与森林生态系统高质量发展，本研究从地理学视角考察了2000—2023年FESV的时空变化。 方法： 采用当量因子法（equivalent factor method），并在省级和县级层面进行系数调整。将县级FESV估算结果汇总获得各年度省级和全国估算值，并运用重心模型（center-of-gravity model）、标准差椭圆（standard deviational ellipse）和地理探测器（Geodetector）进行分析。 结果： 结果表明：（1）中国FESV总体呈波动上升趋势，2000—2023年间增长12%。调节服务（regulating services）占比最大，各年均超过66%。（2）西部地区FESV总量最高，研究期内平均占全国总量的46%以上。中部和东北地区处于中间水平，东部地区FESV总量最低。单位森林生态系统面积FESV以东部地区最高，中部地区总体居第二位，东北和西部地区相对较低。处于最高FESV等级（第5级）的省份主要位于西部和东北地区，其数量由2个增加至4个。低值省份的分布保持相对稳定。（3）FESV空间分布总体呈东北—西南走向，分布形态相对稳定。重心始终位于河南省境内，总体向北迁移并伴有轻微东移，2000年和2023年重心位置相距88.42 km。（4）在本研究选取的自然因子中，坡度和海拔对FESV空间分异的解释力最大。各代表性年份中，所有因子两两交互均表现为双因子增强或非线性增强。 讨论： 上述发现可为森林资源空间配置及生态保护与管理政策的制定提供参考。

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一、研究背景与问题提出

森林提供原材料、气候调节、水文调节和游憩等多种生态系统服务。对森林生态系统进行严格评估是森林保护与资源管理的重要基础。森林生态系统服务评估涵盖服务识别、服务供给量化和价值化三个环节。由于森林生态系统服务以不同单位度量，货币化评估提供了统一的价值表达基础，有助于分析服务价值构成和区域差异，并促进森林资源管理与经济决策的衔接。因此，本研究中的FESV特指采用当量因子法估算的货币价值，不直接度量各项服务的生物物理供给量。

在货币化评估方法中，当量因子法以单位面积生态系统服务价值当量因子为基础，操作简便、数据需求相对较低，便于在大空间尺度和多区域间进行比较，因而在中国FESV研究中得到广泛应用。然而，已有研究仍存在以下不足：第一，部分中国FESV研究采用全国统一的价值系数或仅在单一空间层级进行调整，未能充分反映区域差异；第二，部分研究仅关注个别年份或多年度间隔比较，对年度波动和近期变化的刻画有限；第三，虽有研究探讨了中国FESV空间分异的关联因素，但基于多层级系数调整的长期估值，对不同年份自然和社会经济因素相对解释力及其交互作用变化仍需进一步比较。

基于此，本研究采用当量因子法并在省级和县级两个层级进行系数调整，利用多源数据估算2000—2023年中国县级森林生态系统服务的货币价值，并汇总至省级进行分析。研究旨在回答：中国FESV总量及其服务类别构成在研究期内如何变化？区域差异、FESV等级空间分布及重心如何演变？哪些自然和社会经济因素对FESV空间分异具有更强的解释力，因子交互的解释力与单因子相比如何？

二、研究设计与主要技术方法

研究人员以中国县级行政边界为基本统计单元，采用2000—2023年归一化植被指数（NDVI）、土地利用、粮食产量和平均粮价等多源数据估算FESV。NDVI数据来自中国科学院资源环境科学与数据中心，空间分辨率1 km；土地利用数据采用武汉大学中国土地覆盖数据集（CLCD），空间分辨率30 m；粮食产量和平均粮价数据来自中国统计年鉴和全国农产品成本收益资料汇编。研究未包含香港、澳门特别行政区和台湾省数据。森林生态系统分类参照中国科学院资源环境科学与数据中心多期生态系统类型数据集，将CLCD中的森林和灌木地合并作为本研究定义的森林生态系统面积。

主要技术方法包括以下三项：

第一，当量因子法。参照千年生态系统评估（Millennium Ecosystem Assessment）的服务分类框架，建立涵盖4类服务类别和11项单项服务的FESV评估框架，基线当量因子系数取自谢高地等（2015）的单位面积生态系统服务价值当量表，对表中4个森林生态系统亚型的对应系数取算术平均值。系数调整分两个层级：省级层面以各省单位面积粮食产量与全国单位面积粮食产量之比作为省级调整系数；县级层面以县级与省级标准化NDVI指数之比进一步调整省级系数。一个标准当量因子的货币价值按全国粮食单位面积产量和平均粮价分时段计算，取均值1,640.45元/公顷。县级FESV由森林生态系统面积乘以调整后系数和标准当量因子货币价值获得，再汇总得到省级和全国估值。

第二，重心模型。以各空间单元的FESV乘以其几何中心坐标，求和后除以研究区FESV总量，得到加权重心坐标，并计算重心迁移距离。

第三，地理探测器模型。在ArcGIS中生成0.5°×0.5°经纬度网格采样点，提取对应FESV值和解释因子数据，共获得3,846条采样点记录。连续解释因子采用自然断点法离散化以满足分层要求，随后进行因子探测和交互探测。选取的自然因子包括降水、温度、湿度、坡度和海拔，社会经济因子包括人口密度、夜间灯光强度和人均GDP。

三、研究结果

3.1 中国森林生态系统面积的时空变化

研究人员在ArcGIS中对栅格数据进行分析，计算2000—2023年各年度森林生态系统面积及其占全国土地面积的比例。结果显示，森林生态系统面积总体呈波动上升趋势，研究期内增长2.17%，占全国土地面积比例由2000年的24.70%上升至2023年的25.24%。面积在2000—2003年间略有波动，2003—2011年间增长1.51%，2011—2014年间下降0.46%，2014—2023年间总体恢复并增长1.16%，2023年达到研究期内最高水平。

3.2 FESV的时间变化

3.2.1 生态系统服务类别分析

2000—2023年中国FESV总体呈波动上升趋势，首末年份间增长12%，2001年达到最低值，此后波动增长，2018年达到峰值。从服务构成看，调节服务在研究期内各年度占比最大，均超过66%，其次为支持服务，供给服务和文化服务占比较小且相对稳定。在当量因子估值框架内，气候调节和水文调节的估算价值相对较高。2000—2023年间，FESV总量和四类服务价值均有所增长，其中调节服务对总增长的贡献最大。

3.2.2 FESV区域差异分析

2000—2023年间，中国FESV总量和单位森林生态系统面积FESV呈现不同的区域格局。FESV总量以西部地区最高、东部地区最低，中部和东北地区处于中间水平。西部地区FESV增长19.64%，东北地区增长19.31%，东部地区下降2.06%，中部地区下降0.62%。西部地区占全国FESV比重由45.93%升至49.06%，东北地区由17.77%升至18.93%，东部和中部地区分别下降1.96和2.34个百分点。单位森林生态系统面积FESV则以东部地区最高，中部地区总体居第二位，东北和西部地区相对较低。东部地区单位面积FESV超过西部地区26.12%—53.05%，年均差异为39.13%，该差异由2000年的50.25%缩小至2023年的29.98%。

3.2.3 FESV等级差异分析

研究人员基于2018年省级行政区FESV总量设定五个等级的固定阈值，应用于2000、2003、2008、2013、2018和2023年。第5级省份主要位于西部和东北地区，数量由2000年的2个增至2023年的4个，内蒙古、黑龙江、四川和云南自2013年起均处于该等级。北京、天津、上海、江苏、山东、青海、宁夏和新疆在所有选定年份均处于第1级。其余省份多处于第2—4级，部分省份在相邻等级间变动。

3.3 FESV空间分布形态与重心变化

标准差椭圆分析显示，2000—2023年间FESV总体呈东北—西南走向，椭圆面积有所变化但形状相对稳定，略微拉长表明方向性略有增强。FESV重心在整个研究期内始终位于河南省境内，总体位于几何中心东北方向，由河南—湖北边界附近向河南中部移动，首末年份间净位移88.42 km，总体向北并略向东。分时段看，2000—2003年向东北移动35.31 km，2003—2008年继续向东北移动66.66 km，2008—2013年转向西北，2013—2018年转向西南移动52.09 km，2018—2023年再次转向西北。

3.4 FESV空间分异关联因素分析

地理探测器分析选取8个自然和社会经济因子，考察2005、2010、2015和2020四个代表性年份。所有因子在各代表性年份均在5%水平上统计显著。在自然因子中，坡度和海拔的解释力最大，q值范围分别为0.3675—0.3963和0.3040—0.3200。在社会经济因子中，人口密度和人均GDP解释力相对较强，q值范围分别为0.1706—0.2408和0.1464—0.3214。交互探测结果显示，各代表性年份中所有因子两两交互均表现为双因子增强或非线性增强，交互q值均超过两个对应因子的单独q值。海拔或坡度与其他自然因子的若干组合具有较高的交互q值，与因子探测中海拔和坡度解释力较强的结果一致。

四、讨论与结论

讨论部分要点：

与已有研究比较，本研究发现中国FESV在2000—2023年总体呈波动上升趋势，与已有研究报道的总体增长趋势基本一致，但峰值年份存在差异，可能归因于面积数据集和系数调整方法的不同。空间分析显示西部FESV总量最高、东部最低，与已有研究关于欠发达地区FESV高于发达地区的发现基本一致。本研究还发现FESV总量与单位面积FESV的区域排序不一致，表明两者反映区域差异的不同方面。在关联因素方面，坡度和海拔解释力较高，与已有研究侧重气候因素的结果存在差异，主要反映了解释因子选择的不同。

关于时空变化机制，FESV总体增长与天然林保护、退耕还林还草、三北防护林等重大生态保护修复工程的持续推进，以及2008年启动的集体林权制度改革和全面推行林长制等法律和制度措施相吻合。西部地区FESV总量最高可能与其广袤的森林资源有关，东部地区人口和经济活动集中，城市扩张和基础设施建设可能加剧土地竞争，部分森林面临转用风险。单位面积FESV的区域差异可能与水热条件及其与植被生长的关联有关。重心总体北移可能与中国北方扩大植被覆盖、南方提升森林质量的区域绿化策略有关。地形因子解释力较高，因为海拔和坡度与水热条件、土壤特性和植被分布密切相关，高海拔和陡坡地区建设开发和农业发展的约束更强，森林转用和人为干扰可能更少。

研究结论：

本研究通过省级和县级两级系数调整的当量因子法，估算了2000—2023年中国县级森林生态系统服务价值并汇总至省级分析。结果表明：中国FESV总体呈波动上升趋势，2000—2023年间增长12%，调节服务占比最大；西部地区FESV总量最高，东部地区单位面积FESV最高；FESV空间分布呈东北—西南走向，重心位于河南省境内并总体向北迁移；坡度和海拔对FESV空间分异解释力最大，所有因子交互均表现为增强作用。这些发现可为森林资源空间配置和生态保护与管理政策制定提供参考。研究以县级为基本估值单元进行长时间序列分析，可更细致地刻画FESV时空变化，并将估值结果与县级行政单元衔接，为森林生态系统保护与可持续管理提供参考。