降雨因素对生态系统生产总值核算结果的影响_束承继.pdf

第 卷第 期 年 月生态学报 ，：基金项目：国家自然科学基金青年项目（）；深圳市 年各区 核算项目收稿日期：；网络出版日期：通讯作者 ：束承继，孟菡，韩宝龙，杨红龙，潘雪莲，林立，欧阳志云降雨因素对生态系统生产总值核算结果的影响生态学报，（）：，（）：降雨因素对生态系统生产总值核算结果的影响束承继，孟 菡，韩宝龙，杨红龙，潘雪莲，林 立，欧阳志云 中国科学院生态环境研究中心，城市与区域生态国家重点实验室，北京 中国科学院大学，北京 联合国环境规划署世界保护监测中心，剑桥 深圳市气象局，深圳 深圳市环境科学研究院，深圳 福建农林大学园林学院，福州 摘要：目前生态系统生产总值（）核算工作已在全国多地开展，并在不少地方已将其纳入政绩考核指标，但 核算中相关生态系统服务多基于实际降雨数据和多年平均降雨数据，导致在进行年际间 变化分析时，结果难以反应实际的生态系统质量和数量的变化，从而影响 管理应用的效果。本文以深圳为研究案例，提出了更能代表本地降雨一般化特征的可比降雨条件，以及基于主成分分析的确定方法，并且在可比降雨条件和实际降雨条件下核算了可比降雨年和临近年共 种情景下的生态系统生产总值（），分析了不同情景下的 构成以及降雨因素对年际间 变化的影响能力。研究发现：（）年为深圳可比降雨年，且符合 年间各年深圳市气候公报对降雨情况的阐述；（）可比降雨条件下，与降雨相关的 项生态系统服务价值（减少泥沙淤积、减少面源污染、涵养水源、削减洪涝）呈年际间增长趋势，实际降雨条件下，减少泥沙淤积、减少面源污染价值增长，涵养水源、削减洪涝价值下降；（）降雨因素显著影响 年际变化，不同降雨条件下，深圳 年 变化差异高达 亿元，而可比降雨条件可以有效减少非人为因素对 变化的影响；（）计算多年平均降雨过程中，数据“峰度”会被人为降低的，导致平均结果不能代表地区典型气候特征；（）可比降雨条件下，年际间 变化特征更能反应生态系统质量和数量的实际变化特征。研究结果可为今后面向管理应用的 核算提供新的思路与方法。关键词：气象；生态系统生产总值（）；可比降雨条件；深圳 ，：（），：，：（）；（）（，），；（），；（），“”，；（），：；（）；生态系统生产总值（，以下简称）这一概念最早由中国科学院生态环境研究中心欧阳志云及世界自然保护联盟（）朱春全等人共同提出，它是指一定时期一定区域内自然生态系统为人类福祉和经济社会可持续发展提供的各种最终产品与服务的货币价值的总和。将自然生态系统对人类的贡献用人类社会的价值方法进行评价，有效的提升了人类对自然生态系统价值的认识，架起了沟通生态环境保护与社会经济发展的价值评估桥梁。为此，联合国环境经济核算委员会在 年 月将 纳入最新的国际统计标准环境经济核算体系生态系统核算（）中；我国中共中央办公厅、国务院办公厅 年 月印发关于建立健全生态产品价值实现机制的意见，强调要制定生态产品价值核算规范，并探索将生态产品纳入国民经济核算体系和政绩考核体系，间接为生态系统生产总值（）的研究提出了要求；此外，多个省市相继出台了地方 核算标准，不少地方还探索将 与生态补偿、自然资源有偿使用、自然资源资产离任审计、生态文明绩效考核等工作进行衔接，充分说明了 核算工作在当前生态环境与自然资源管理工作中的重要性。在现行的 核算方法中，降雨因素直接参与了多个生态系统服务核算过程，如水源涵养、土壤保持（一些地区称之减少泥沙淤积和面源污染控制）、洪涝削减（一些地区称之暴雨径流调节）等。以深圳 年官方发布 核算结果为例，这几项生态系统调节服务价值占总 高达。但是以管理为导向的 核算与应用，更多的关注在年际间人的生产生活活动造成的 变化，而降雨因素在短期内和局地尺度上受人为因素影响十分有限。因此，科学控制降雨因素对提升 核算结果在管理应用中的有效性十分重要。目前学界多采用多年平均降雨量来进行相关生态产品价值核算研究，如欧阳志云、董天、杨渺等均在各自的 核算研究中基于多年平均降雨数据，对核算指标体系中的水源涵养、土壤保持、洪涝削减三项服务进行了核算，基于多年平均降雨数据利用 模型模拟了位于加拿大纽芬兰西部的 期 束承继 等：降雨因素对生态系统生产总值核算结果的影响：哈里河流域的产沙量，等以上海为例，在城市尺度上基于多年平均降雨数据评估了生态系统洪涝削减服务的供需特征，等在评估黄河流域气候、植被和水库影响下的洪水调节生态系统服务时，也使用了多年平均降雨数据。但是，多年平均降雨数据易受个别年份极端监测数据影响，难以反应地区典型气候情况（比如以暴雨判定标准为例，某日在过去 年中有 年降雨达到，其中一年降雨仅，则该日在多年平均降雨数据统计结果中被判定为非暴雨日）。本文以深圳为例，提出了更能代表本地降雨一般化特征的“可比降雨条件”的概念以及确定方法，在现有深圳市生态系统生产总值核算技术规范（）框架下，评估了可比降雨条件和实际降雨条件下深圳市两年三种情景的生态系统服务功能量和价值量，分析了降雨条件对 年际间差异的影响。基于可比降雨条件开展面向生态管理应用的 核算时，可以减少非人为因素的干扰，使核算结果更能反应实际的生态质量变化，以期为今后面向管理应用的 核算提供新的思路与方法。研究区概况深圳市是我国南部沿海重要城市，位于广东省南部，珠江口东岸，是粤港澳大湾区四大中心城市之一。深圳陆域面积，其中建设用地面积。深圳属于南亚热带季风气候区，雨季集中在每年的 月份，年均降雨量，从近 年深圳国家基本站气象监测数据看，年累计降雨量最高达，年累计降雨量最低为，年际间波动幅度较大（图）；暴雨天数 年最高为 天，年最少仅 天，年际间也存在较大差异（图）。此外，深圳市提出将 纳入当地的政绩考核机制，因此对消除降雨因素对 的影响具有迫切的现实需求。图 深圳市近 年平均累计降雨量 技术路线与研究方法 技术路线本文研究降雨因素对生态系统生产总值（）的影响，重点关注可比降雨条件下年际间 变化情况与实际降雨条件下年际间 变化情况的差异，技术路线如图。先基于已有降雨特征数据利用主成分分析法确定可比降雨年，以可比降雨年的降雨数据作为可比降雨条件（同样也是当年的实际降雨条件），计算当年的生态系统生产总值（），作为情景；再以“可比降雨条件”计算临近年的生态系统生产总值（），作为情景；最后以临近年的降雨数据计算临近年的生态系统生产总值（），作为情景。最后分析 种情景下的 构成特征，并通过分析情景 与情景 之间的变化情况、情景 与情景 之间的变化情况，探讨不同降雨数据条件下 年际变化的差异性，并在管理考核应用层面，讨论可比降雨条件相较于实际降雨条件和多年平均降雨条件的适用性。生态系统生产总值核算指标体系及方法深圳市于 年 月正式发布实施了深圳市生态系统生产总值核算技术规范（），明确了 项生 态 学 报 卷：图 技术路线图 ，生态系统生产总值 一级指标、项二级指标的指标内涵、核算方法、数据要求、定价方案等信息。其中减少泥沙淤积、减少面源污染、削减洪涝、涵养水源 项服务核算涉及降雨数据（表）。表 深圳市 指标体系中与降雨相关的指标及核算 指标功能量核算方法 价值量核算方法 减少泥沙淤积 在产流降雨条件下，由通用土壤流失方程计算得出土壤保持量，再乘以泥沙形成系数。利用土方清运成本计算减少泥沙淤积价值。减少面源污染 减少泥沙淤积量乘以单位重量泥沙中的面源污染物含量。利用污染物治理成本计算减少面源污染价值。削减洪涝 在城市范围内利用 模型计算指标削减径流量；以及利用监测数据计算湖泊、水库的滞留水量。城区植被暴雨径流调节价值基于海绵城市蓄水池建设成本计算；郊野植被暴雨径流调节价值和水库洪水调蓄价值基于水库单位库容造价和管养费用计算。涵养水源 本地降雨量减去径流量，再减去蒸散发量。基于水库单位库容造价计算涵养水源价值。，生态系统生产总值，可比降雨条件确定方法可比降雨条件作为生态系统生产总值（）核算的统一降雨基准数据，需选择近年来极端降雨天气较少、降雨特征一般化明显的年份，相较于传统的实际降雨条件和多年平均降雨条件，将该年逐日降雨数据作为可比降雨条件用于 核算，即能综合反应地区典型气候特征，又能避免多年平均降雨数据中个别年份数据的突出影响。描述某年降雨特征的指标很多，如累计雨量、降雨天数、暴雨天数（日雨量）、强降雨天数（降雨量）等，如何综合考虑各项指标确定可比降雨年份是方法应用的考虑重点。本文利用 软件中主成分分析模块基于深圳市 年国站降雨监测数据进行可比降雨条件的确定，考虑累计雨量、降雨天数、暴雨天数（日雨量）、强降雨天数（降雨量）个参数（表）。理想状态下选取的分析期因为 年，但受于深圳本地气象站建设和气候公报发布情况的影响，期 束承继 等：降雨因素对生态系统生产总值核算结果的影响：年起相关设施和制度才完全建立，为保持数据口径的一致性，本文的研究期选为 年至 年。表 深圳国家基本站 年降雨特征 年份累计雨量 降雨天数（日雨量）暴雨天数（日雨量）强降雨天数（小时雨量）主成分分析即 （简称）是由卡尔（）和皮尔逊（）最早在 年提出，在涉及指标降维的国内外生态学研究中被广泛应用。主成分分析法的工作目标，就是要在力保数据信息丢失最小的原则下，对高维变量空间进行降维处理；即在保证数据信息损失最小的前提下，经线性变换和舍弃一小部分信息，以少数的综合变量取代原始采用的多维变量。设原变量为，主成分分析后得到的新变量为，均是，的线性组合（）。变量，构成的坐标系是在原坐标系经平移和正交旋转后得到的，称，张成的空间为 维主超平面。在主超平面上，第一主成分 对应于数据变异最大的方向，对于，依次有（）（）（），因此，是携带原数据信息最多的一维变量，而 维主超平面是保留原始数据信息量最大的 维子空间。主成分分析步骤如下：（）数据的标准化处理，可消除变量在数量级或量纲上的影响；（）根据标准化后的数据矩阵求出相关性矩阵，判定数据主成分分析的可行性；（）求相关性矩阵的所有特征值，按从大到小排列，选取特征值大于 的成分作为主成分；（）求主成分得分系数矩阵。数据来源受降雨影响的 指标（减少泥沙淤积、减少面源污染、削减洪涝、涵养水源）所涉及的中核算所需数据较多，包括地理信息数据、统计公报数据两大类，主要数据来源如下：（）地理信息类。生态系统分类数据来源于深圳市生态环境局，行政区边界矢量、归一化植被指数 数据来源于深圳市陆域生态调查评估项目成果，植被蒸散 数据、净初级生产力 数据来源于 卫星数据，土壤类型容重、质地组成数据来源于南京土壤所 万土壤数据，水库空间信息数据来源于深圳市水务局。（）统计公报数据。降雨站点逐日监测数据由深圳市气象局提供。研究结果 可比降雨条件分析结果 软件中主成分分析模块自带标准化处理功能，基于标准化处理后的数据进行相关性矩阵分析，结果见表。不难发现各指标间存在较高的相关性，且总体显著性较高，说明指标间信息存在生 态 学 报 卷：高度重叠以及降维的必要性，且 取样适切性量数高于，巴特利特球形度检验显著性小于，说明数据可进行主成分分析（表）。表 近十三年来的四项降雨指标的相关性矩阵 指标累计雨量降雨天数 暴雨天数 强降雨天数 相关性累计雨量 降雨天数暴雨天数 强降雨天数 ；表 和巴特利特检验 参数 数值 取样适切性量数 巴特利特球形度检验近似卡方 自由度显著性 分析总方差解释见表，四项成分中，初始特征值从大到小排列，提取初始特征值大于 的成分作为主成分，该成分可解释总体指标 的信息。该成分得分系数矩阵见表，得到各指标与主成分的关系为：式中，为降维后主成分，为累计雨量指标，为降雨天数指标，为暴雨天数指标，强降雨天数指标。利用降维公式对各年的降雨特征进行评价，并计算评价结果较平均值的偏离度，偏离度最小的一年即为可比气象年，结果见图。可知 年降维后的偏离度最小，为可比降雨年，该年逐日降雨数据即可比降雨条件。式中，为第 年的偏离度；为第 年的降维后主成分结果，为所有年份降维后主成分结果的平均值。表 总方差解释 成分初始特征值 提取载荷平方和 总计方差百分比累积 总计方差百分比累积 表 成分得分系数矩阵 成分累计雨量降雨天数 暴雨天数 强降雨天数