CN111353667A - 一种基于野外环境监测站点的生态系统服务评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于野外环境监测站点的生态系统服务评价方法，包括：步骤1)通过野外生态监测站点确定生态风险监测的地域范围，在选定地域范围内采集生态数据，转换为坐标系内的栅格数据；步骤2)建立生态系统服务指标，根据所述栅格数据，计算选定地域范围各类生态系统服务指标值；步骤3)通过各类生态系统服务指标值，合成得到选定地域范围内总生态系统服务指数值；步骤4)根据选定地域范围内总生态系统服务指数值的变化对生态系统服务进行实时评价，得到选定地域范围内的生态系统服务状态。

Description

一种基于野外环境监测站点的生态系统服务评价方法

技术领域

本发明涉及野外台站环境监测领域，具体而言涉及一种基于野外环境监测站点的生态系统服务评价方法。

背景技术

生态风险评估与预警系统根据科技部、环保部发布的文献1[《国家生态系统野外研究站章程》]文献2[《国家生态系统野外研究站考核与评估办法》文献3《国家生态系统野外研究站数据管理与数据共享条例》]和文献4[《生态保护红线划定技术指南》]等标准规范，以野外生态观测站点数据传感体系为基础，运用最新的生态学理论研究成果和空间信息技术，建立野外台站生态系统服务监测系统。

系统通过野外台站的数据采集中心对所属区域各监测点位环境数据的实时采集传输，实现区域生态系统服务评价、在线查询、地图显示等。

评价生态系统服务目前应用较为广泛的有物质量评价法、能值分析法、市场价值化方法。传统评价方法以简单的物质、货币总量数字对区域生态系统服务进行表征，对生态系统作为复合功能体的非线性、动态性表达有所缺失，反而忽略了其自身在时空尺度上的内在丰富信息，不利于对生态系统的管理决策，因而存在诸多局限性。

发明内容

本发明的目的在于解决了传统生态系统服务定量评价法可能出现数据冗余和合成结果的不确定性的问题。为实现上述目的，本发明提出一种基于野外环境监测站点的生态系统服务评价方法。包括：

步骤1)通过野外生态监测站点确定生态风险监测的地域范围，在选定地域范围内采集生态数据，转换为坐标系内的栅格数据；

步骤2)建立生态系统服务指标，根据所述栅格数据，计算选定地域范围各类生态系统服务指标值；

步骤3)通过各类生态系统服务指标值，合成得到选定地域范围内总生态系统服务指数值；

步骤4)根据选定地域范围内总生态系统服务指数值的变化对生态系统服务进行实时评价，得到选定地域范围内的生态系统服务状态。

作为所述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)通过野外生态监测站点确定生态风险监测的地域范围；

步骤1-2)在选定地域范围内采集生态数据；包括采集气象数据、地形数据、土壤数据、植被遥感数据；所述气象数据包括气温和降水；所述地形数据包括高程、坡长和坡度；所述土壤数据包括土壤组分；所述植被遥感数据包括植被覆盖度；

步骤1-3)对所述生态数据运用地理信息技术进行空间化处理，转换为坐标系内的栅格数据。

作为所述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：

步骤2-2)根据选定区域的生态系统类型i，计算栅格数据的像元x在t时间下第j项生态系统服务的标准化指数值S_ij(x,t)；其中，j＝1,2,3,4；

步骤2-3)计算选定地域范围内生态系统服务指标的广义均值μ(S_j)：

其中，ε为均值参数；n像元总数，μ(S₁)对应植被固碳服务指标值、μ(S₂)对应水土保持服务指标值、μ(S₃)对应水源供给与涵养服务指标值和μ(S₄)生物多样性保护服务指标值。

每个广义均值对应植被固碳服务指标值、水土保持服务指标值、水源供给与涵养服务指标值和生物多样性保护服务指标值。

作为所述方法的一种改进，所述步骤3)具体包括：根据各选定地域范围生态系统服务指标值μ(S_j)，求取总生态系统服务指标广义均值，得到总生态系统服务指数值ESI：

作为所述方法的一种改进，步骤4)具体包括：

步骤4)具体包括：结合选定地域范围内总生态系统服务指数值ESI的变化对生态系统服务进行实时评价；评价标准为：

当总生态系统服务指数ESI的变化幅度大，则判断生态环境发生剧烈波动；

当总生态系统服务指数值ESI相对于转移前变大时，区域总生态系统提供的服务增加，生态环境趋好；

总生态系统服务指数值ESI的数值大的区域的生态环境的供给情况比生态系统服务指数值ESI的数值小的区域的生态环境的供给情况好。

本发明的优势在于：

1、本发明的基于野外环境监测站点的生态系统服务评价方法对生态系统服务的内涵更具包容性；

2、本发明的基于野外环境监测站点的生态系统服务评价方法可适用于任意区域尺度下的总生态系统服务指数合成，无需根据区域范围大小进行修正，具有规模独立性；

3、本发明的基于野外环境监测站点的生态系统服务评价方法满足转移准则。

附图说明

图1为本发明的基于野外环境监测站点的生态系统服务评价方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

为了克服传统生态系统评价方法的不足，本发明提出一种基于野外环境监测站点对生态系统服务进行评价的方法，所述方法对生态系统服务的内涵更具包容性。

各类型生态系统服务指标具有显著的空间分布敏感性，满足转移准则。所述转移准则，是一种用于判别统计指标是否具有分布敏感性的标准，可以一般解释为，对于一个非负数据序列Q＝(q₁,q₂,...,q_n)，如果在其中一个数据q_i上减去a，同时在另一个数据q_k上加上a，就可认为发生了一次数值转移。数值转移并未引起数据序列Q的数值大小发生变化，而是仅仅改变了其数值分布，如果基于数值转移后的Q的统计结果发生变化，就可认为满足转移准则，它反映的是数据内部的联系和均衡性，以转移准则为规约，基于广义均值形式合成总指数可以限制和减少各指标间的数值替代性，并提供区域发展各指标间是否均衡的信息。

各类型生态系统服务指标具有显著的空间分布敏感性，满足转移准则，例如区域降雨量的空间变化引起水源供给服务能力的分布改变，进而发生数值转移，而这种分布的改变则足以导致区域总生态系统服务的结果变化。以此为准则，基于广义均值形式合成区域总生态系统服务不仅可以反映各类生态系统服务指标本身的分布敏感性，并有利于降低不同指标间的数值替代，判别它们间的发展是否相互均衡，因为区域生态系统服务的整体优异表现需要所有服务指标都表现良好，而广义均值的乘法结构可以使任意一种服务短板可以直接反映在总服务指数中。

本发明根据像元的广义均值计算法，建立生态系统服务的总指数合成，首先在尽可能小的地域内取得各生态系统服务指标S_j，作标准化指数处理，接着求取选定地区的生态系统服务指标的广义均值μ(S_j)；然后计算各生态系统服务指标广义均值得到总生态系统服务指数值，计算步骤为：

ESI＝μ[μ(S₁),μ(S₂),μ(S₃),μ(S₄)] (2)

其中：μ(S_j)为生态系统服务指标S_j的广义均值；S_ij(x,t)为像元x在t时间下第i类生系统第j项生态系统服务的指标值；像元的个数为n，ε为均值参数，该值越大处于越低位置的数据权重也就越大；ESI为总生态系统服务指数，其中，

μ(S₁)为植被固碳服务指标的值、μ(S₂)为水土保持服务指标的值、μ(S₃)为水源供给与涵养服务指标的值和μ(S₄)为生物多样性保护服务指标的值；

基于上述方法得到的区域总生态系统服务可适用于任意区域尺度下的总生态系统服务指数合成，可对该区域的尺度下的生态系统服务进行评价，无需根据区域范围大小进行修正，具有规模独立性；且其满足转移准则，数学表现为：

当任意一种数值较小(大)的生态系统服务如果向较大(小)的服务作数值转移，将使得合成的总生态系统服务因这种变异的扩大而变小；反之因变异的减小而变大。同时其数值转移过程中具有数值的分布敏感性，数学表现为：

即两种数值相隔较大的生态系统服务发生数值转移，相比两种相距较小的生态系统服务的转移所引起的结果变化更为显著。

如图1所示，本实施例提供的一种基于野外环境监测站点对生态系统服务进行评价的方法，包括以下步骤：

步骤1)通过搜寻野外生态监测站点，基于GIS平台对数据进行空间化处理，依据环保部《生态红线划定技术指南》对各项生态系统服务指标进行计算分析，初步建立植被固碳服务、水土保持服务、水源供给与涵养服务、生物多样性保护服务等生态系统服务指标，作标准化指数处理；

步骤2)求取选定地域范围该指标的广义均值，如公式(1)：

步骤3)求取各指标广义均值μ(S)得到区域范围总生态系统服务指数值，如公式(3)：

步骤4)根据地域范围内总生态系统服务指数值ESI的变化对生态系统服务进行实时评价，得到所述地域范围内的生态系统服务状态，具体包括：

步骤4-1)对μ(S₁)、μ(S₂)、μ(S₃)和μ(S₄)按数值大小进行排序，并计算一段时间内四个生态系统服务指标历史数据的平均值；

步骤4-2)根据排序结果结合所属地域范围内总生态系统服务指数值ESI的变化对生态系统服务进行实时评价：

评价a)总生态系统服务指数值ESI具有规模独立性，且满足转移准则，如公式4)：

当所述四个生态系统服务指标中任意一种数值较小的生态系统服务向较大的生态系统服务作数值转移时，使总生态系统服务指数值ESI相对于转移前变小，即两类不同的生态系统服务指标数值差距变大时，平衡性减弱，使得区域总生态系统提供的服务变少，即生态环境趋恶化；

反之，当所述四个生态系统服务指标中任意一种数值较大的生态系统服务向较小的生态系统服务作数值转移时，使总生态系统服务指数值ESI相对于转移前变大，即两类不同的生态系统服务指标数值差距变小时，趋于平衡，使得区域总生态系统服务变大，即生态环境趋好；

评价b)所述的总生态系统服务指数值ESI在数值转移过程中具有数值的分布敏感性，如公式5)：

当所述四个生态系统服务指标中两种数值相隔较大的生态系统服务发生数值转移所引起的区域总生态系统服务指数的变化幅度，相比两种数值相距较小的生态系统服务的数值转移所引起的所引起的区域总生态系统服务指数的变化幅度大；

当所述四个生态系统服务指标中若各项生态系统服务指标均良好，则合成的区域总生态系统服务指数高，若存在某一项生态系统服务指标短板，则合成的区域总生态系统服务指数较低，从而反映区域生态系统服务指标是否均衡的信息。

评价c)总生态系统服务指数值ESI的数值大小即代表了区域生态系统服务状态，其值越大，表示生态环境的供给情况越好。

步骤4)通过监测终端对求取的区域总生态系统服务进行实时查询、评价及地图显示。

生态系统服务监测分析覆盖气温、降水、土壤、地形等因子。本发明的基于野外环境观测站点对对生态系统服务监测与评价的方法，通过评估四类主要的生态系统服务，顾及各指标的联系和均衡，基于生态系统服务的总指数合成法对区域生态系统服务进行评价。从多角度分析，全面反映植被固碳服务能力、水土保持服务能力、水源涵养服务能力、生物多样性保护服务能力，量化生态资源、建立生态产品价值的市场化实现机制，构建绿色低碳高效生态经济体系。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于野外环境监测站点的生态系统服务评价方法，包括：

步骤1)通过野外生态监测站点确定生态风险监测的地域范围，在选定地域范围内采集生态数据，转换为坐标系内的栅格数据；

步骤2)建立生态系统服务指标，根据所述栅格数据，计算选定地域范围各类生态系统服务指标值；

步骤3)通过各类生态系统服务指标值，合成得到选定地域范围内总生态系统服务指数值；

步骤4)根据选定地域范围内总生态系统服务指数值的变化对生态系统服务进行实时评价，得到选定地域范围内的生态系统服务状态。

2.根据权利要求1所述的基于野外环境监测站点的生态系统服务评价方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)通过野外生态监测站点确定生态风险监测的地域范围；

步骤1-2)在选定地域范围内采集生态数据；包括采集气象数据、地形数据、土壤数据、植被遥感数据；所述气象数据包括气温和降水；所述地形数据包括高程、坡长和坡度；所述土壤数据包括土壤组分；所述植被遥感数据包括植被覆盖度；

步骤1-3)对所述生态数据运用地理信息技术进行空间化处理，转换为坐标系内的栅格数据。

3.根据权利要求2所述的基于野外环境监测站点的生态系统服务评价方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)建立各类生态系统服务指标；每类生态系统包括的生态系统服务指标为：植被固碳服务指标S₁、水土保持服务指标S₂、水源供给与涵养服务指标S₃和生物多样性保护服务指标S₄；

步骤2-2)根据选定区域的生态系统类型i，计算栅格数据的像元x在t时间下第j项生态系统服务的标准化指数值S_ij(x,t)；其中，j＝1,2,3,4；

步骤2-3)计算选定地域范围内生态系统服务指标的广义均值μ(S_j)：

其中，ε为均值参数；n像元总数，μ(S₁)对应植被固碳服务指标值、μ(S₂)对应水土保持服务指标值、μ(S₃)对应水源供给与涵养服务指标值和μ(S₄)生物多样性保护服务指标值。

4.根据权利要求3所述的基于野外环境监测站点的生态系统服务评价方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：根据各选定地域范围4类生态系统服务指标的广义均值μ(S_j)，求取总生态系统服务指标广义均值，得到总生态系统服务指数值ESI：

5.根据权利要求4所述的基于野外环境监测站点的生态系统服务评价方法，其特征在于，步骤4)具体包括：结合选定地域范围内总生态系统服务指数值ESI的变化对生态系统服务进行实时评价；评价标准为：

当总生态系统服务指数ESI的变化幅度大，则判断生态环境发生剧烈波动；

当总生态系统服务指数值ESI相对于转移前变大时，区域总生态系统提供的服务增加，生态环境趋好；

总生态系统服务指数值ESI的数值大的区域的生态环境的供给情况比生态系统服务指数值ESI的数值小的区域的生态环境的供给情况好。

Images