2010年中國生態系統服務空間數據集

2010年中國生態系統服務空間數據集
作者：張路　肖燚　鄭華　徐衛華　逯非　江凌　饒恩明　肖洋　吳炳方　曾源　歐陽志雲
2018年12月31日

本作品收錄於《中國科學數據》

張路, 肖燚, 鄭華, 等. 2010年中國生態系統服務空間數據集[J/OL].中國科學數據, 2018, 3(4). (2018-09-06). DOI: 10.11922/csdata.180.2017.0145.

摘要&關鍵詞

摘要：生態系統服務是生態系統形成並維持的人類賴以生存和發展的環境條件與效用，是測度自然生態系統保護價值的重要指標。採用科學方法模擬生態系統服務的空間分布對掌握當前我國生態本底狀況，識別生態保護重要區，從而有效支持生態管理決策具有重要意義。本研究以遙感地物分類數據為基礎，根據通用土壤流失方程、水量平衡方程、風動模型等生態過程模擬方法，通過匯總文獻和地面監測數據率定模型參數，模擬了我國2010年生態系統提供食物生產、土壤保持、水源涵養、防風固沙、生物多樣性、碳固定6種功能的空間分布，形成了分辨率250 m的空間數據集。能夠為我國的生態補償、生態功能區劃、生態紅線等國家尺度生態保護政策的設計和實施提供充分的科學依據。

關鍵詞：生態系統服務；食物生產；土壤保持；水源涵養；防風固沙；生物多樣性；碳固定；中國

Abstract & Keywords

Abstract: Ecosystem service is a key indicator for measuring the value of natural ecosystems, that is, the benefits supplied to human societies by natural ecosystems. The increasing risk brought by natural ecosystem degradation led to the implementation of natural conservation programs at national level. Therefore, it is crucial to assess China’s natural ecosystems for designing future projects of ecosystem protection and restoration. Here, we produced a spatial dataset of ecosystem services in China in 2010, which was simulated by using ecological process models. The dataset covers such aspects as food production, carbon sequestration, soil retention, sand fixation, water retention, and biodiversity conservation. The dataset provides valuable scientific foundation for improving ecological conservation polices in China, such as formation of ecosystem compensation programs, zoning of ecosystem services, and spatial planning of ecosystem conservation.

Keywords: ecosystem service; food production; soil retention; water retention; sand fixation; biodiversity conservation; carbon sequestration; China

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	2010年中國生態系統服務空間數據集
數據作者	張路、肖燚、鄭華、徐衛華、逯非、饒恩明、江凌、肖洋、龔詩涵、吳炳方、曾源、歐陽志雲
數據通信作者	歐陽志雲（zyouyang@rcees.ac.cn）
數據時間範圍	2010年
地理區域	中國大陸和海南島
空間分辨率	250 m
數據格式	*.tif
數據量	325 MB
數據服務系統網址	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/458
基金項目	國家自然科學基金項目（71603251）；中國科學院A類戰略性先導科技專項（XDA19050504）；中國科學院信息化專項「科學大數據工程」（XXH13505-03-208）；環保部、中科院全國生態環境十年變化（2000–2010年）遙感調查與評估項目（STSN-04-00）。
數據庫（集）組成	數據集共包括6個獨立數據文件，其中Food_production.zip文件為2010年食物生產縣域柵格數據；Soil_retention.zip為2010年土壤保持柵格數據；Water retention.zip為2010年水源涵養柵格數據；Sand_storm_prevention.rar為2010年防風固沙柵格數據；Biodiversity.zip文件為珍稀物種分布縣域柵格數據；Carbon sequestration.zip為2000–2010年平均固碳數據。

Dataset Profile

Title	A spatial dataset of ecosystem services in China (2010)
Data authors	Zhang Lu, Xiao Yi, Zheng Hua, Xu Weihua, Lu Fei, Rao Enming, Jiang Ling, Xiao Yang, Gong Shihan, Wu Bingfang, Zeng Yuan, Ouyang Zhiyun
Data corresponding author	Ouyang Zhiyun (zyouyang@rcees.ac.cn)
Time range	2010
Geographical scope	Mainland China and Hainan Island
Data volume	325 MB
Data format	TIF
Data service system	<http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/458>
Sources of funding	National Natural Science Foundation of China (71603251); Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDA19050504); Informatization project of the Chinese Academy of Sciences: Engineering of Scientific big data (XXH13505-03-208); Science and Technology Service Network Initiative of Chinese Academy of Sciences (STSN-04-00).
Dataset composition	This data set consists of 6 subdsets, including: (1) Food production of each county (Food_production.zip); (2) Soil retention raster data (Soil_retention.zip); (3) Water retention raster data (Water retention.zip); (4) Sand storm prevention raster data (Sand_storm_prevention.rar); (5) Number of indicator species of each county (Biodiversity.zip); (6) Carbon sequestration raster data (Carbon sequestration.zip).

引 言

在人與自然耦合生態系統中，保護生態系統為人類提供服務的能力應當作為生態系統保護決策的重要目標^[1]。掌握空間明晰的生態系統服務分布數據有助於直觀認識到重要保護價值的空間分布，從而更加合理地配置保護資源。為此，生態系統服務的空間模擬模型得到了迅速發展，針對提供產品、調節功能、支持功能、文化服務功能4個方面的模擬也逐步深入^[2][3][4]。最具代表性的是斯坦福大學開發的InVest模型組，其中提供了對18種生態系統服務的空間模擬方法^[5]。而在我國，生態系統服務的空間分布模擬多集中在區域尺度^[6][7]，並且不同的方法產生的研究結果差異較大。模擬全國尺度生態系統服務的主要難點在於我國生態系統複雜，獲得具有普適性的模型比較困難。數據需求量大，不僅需要高精度的遙感分類數據和生物地理數據，還需要大量遙感衍生數據、地面監測數據以及統計數據來率定模型參數^[8]。因此，生產我國生態系統服務空間數據集挑戰很大，但能夠為更複雜的生態過程模擬提供借鑑，也能為我國準確識別生態系統保護重要區提供依據。

本研究使用2010年生態系統分類數據作為基礎，綜合遙感、監測站點、統計文獻等多元數據，在前人的定點研究基礎上獲得擬合生態系統產生服務功能過程中的關鍵參數，構建了機理明確、數據可獲得性強的模型系統。在此方法體系下，模擬了中國生態系統服務空間數據集，共包括食物生產、土壤保持、水源涵養、防風固沙、生物多樣性、碳固定6種重要的生態系統服務。與同類數據相比，本數據集均採取國際認可的最成熟模型，同時採用大量實地生態網絡監測數據擬合及驗證模擬結果，能夠為我國重大生態戰略提供數據支持。

1 數據採集和處理方法

1.1 基礎數據

2010年中國生態系統服務空間數據集的基礎數據來自中國科學院生產的ChinaCover數據集。ChinaCover在「全國生態環境十年變化（2000–2010年）遙感調查評估」項目支持下使用HJ1/2數據生產了全國2010年土地利用分類和植被覆蓋度數據^[9]。本項目依據地物類型的管理方式、群落結構和生態過程差異對土地利用數據做重新分類^[10]，形成生態系統分布數據集。植被覆蓋度數據以MODIS衛星數據Q13A1產品為基礎，使用像元二分模型模擬。氣溫和降水數據均來自中國氣象數據共享網提供的全國756個地面台站監測數據，使用ANUSPLIN軟件完成空間插值。地形數據來自美國GEOM衛星數據。全部空間數據重採樣為250 m空間分辨率。

1.2 生態系統服務數據集生產流程

數據集的生產流程如圖1所示：

圖片

圖1 中國生態系統服務空間數據集製作流程

數據生產流程包括數據準備、數據預處理、指標提取、服務功能模擬4個部分。其中數據準備包括收集遙感數據、生態系統二級分類，收集統計年鑑、地面調查資料和研究文獻中記載的數據。收集數據後對不同類型進行相應的預處理，例如將縣級統計資料按照統一的縣級行政矢量邊界整理，對遙感數據做必備的校正和拼接。使用整理後的數據提取服務功能模擬所需的植被覆蓋度、淨初級生產力（NPP）等空間參數。最後採用對應的模型模擬6類生態系統空間分布數據。

1.3 生態系統服務數據模擬方法

1.3.1 食物生產

食物生產數據為縣生態系統提供的糧食、水產品、肉類、林果產品等食物產量，統一轉換為能量。

計算中以縣為單元對各種糧食、肉、蛋、奶、水果產量進行核算。其中，食物供給功能評估以縣為單位，計算該縣生產食物的總熱量，反映區域提供食物、支撐人類生存的能力和重要程度。評估的作物或產品主要包括：水稻、小麥、玉米、大豆、甘蔗、油料、花生、牛奶、各種肉類與水產品、柑桔、蘋果、梨、桃、葡萄、香蕉等。

計算公式為：

\({E}_{s}=\sum _{i=1}^{n}{E}_{i}=\sum _{i=1}^{n}\left(100×{M}_{i}×{EP}_{i}×{A}_{i}\right)\) （1）

式中，\({E}_{s}\)為縣食物總供給熱量（kcal）；\({E}_{i}\)為第i種食物所提供的熱量（kcal）；\({M}_{i}\)為縣第i種食物的產量（t）；\({EP}_{i}\)為第i種食物可食部的比例（％）；\({A}_{i}\)為第i種食物每100g可食部中所含熱量（kcal）；i=1，2，3，……，n為某縣食物種類。

1.3.2 土壤保持

土壤保持採用通用土壤流失方程模擬。在具體計算時，需利用已有實測土壤侵蝕數據對模型模擬結果進行驗證，並修正參數（式2–4）。

土壤保持量：

\({A}_{soil erosion}={A}_{potential erosion}-{A}_{actural erosion}\) （2）

實際土壤侵蝕量：

\({A}_{actural erosion}=R×K×L×S×C\) （3）

潛在土壤侵蝕量：

\({A}_{potential erosion}=R×K×L×S\) （4）

式中Aactual erosion 為單位面積實際土壤侵蝕量，單位為t/(hm2·a)；Apotential erosion 為單位面積潛在土壤侵蝕量，單位為t/(hm2·a)；Asoil conservation 為單位面積土壤保持量，單位為t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力因子，用多年平均年降雨侵蝕力指數表示；K為土壤可蝕性因子，表示為標準小區下單位降雨侵蝕力形成的單位面積上的土壤流失量。L為坡長因子（無量綱）；S為坡度因子（無量綱）；C為植被覆蓋因子（無量綱）。其中，降雨侵蝕力因子R來源於Fouriner指數（式5）：

圖片 （5）

式中R為降雨侵蝕力因子，單位為（MJ mm hm-2 h-1 a-1）；j為月降水量（mm）；J為年降水量（mm）；i為月份。

土壤可蝕性因子K的計算公式為：

圖片 （6）

式中K為土壤可蝕性因子，表示為標準小區下單位降雨侵蝕力形成的單位面積上的土壤流失量。mc 、msilt 、ms 和orgC分別為粘粒（＜0.002mm）、粉粒（0.002–0.05mm）、砂粒（0.05–2mm）和有機碳的百分含量（％）。

坡長–坡度因子通過下述模型從DEM中提取。坡長因子L、坡度因子S計算方法如下（式7–10）：

圖片 （7）

圖片 （8）

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圖片 （10）

式中L為坡長因子（無量綱），m為坡長指數，λ為坡長（m）；S為坡度因子（無量綱），θ為坡度（°）；植被覆蓋管理因子C根據植被覆蓋類型和植被覆蓋度查詢文獻資料或諮詢專家；水土保持措施因子P來源於文獻或專家諮詢。

1.3.3 防風固沙

防風固沙功能通過估算潛在和實際風蝕強度模擬，計算方法如下（式11–18）：

圖片 （11）

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圖片 （14）

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圖片 （18）

其中，SR為固沙量（t km-2 a-1）；Rk 為固沙率；SL潛 為潛在風力侵蝕量（t km-2 a-1）；SL 為實際土壤侵蝕量（t km-2 a-1）；S潛 與S分別表示潛在和實際關鍵地塊長度，單位為m；QMAX 為最大轉移量（kg/m)；QMAX潛 為潛在最大轉移量（kg/m)；z為最大風蝕出現距離（m）；WF為綜合氣候因子（kg/m）；K'為地形因子；EF為土壤侵蝕因子；SCF為土壤結皮因子；C為植被覆蓋因子。

綜合氣候因子WF的表達式如下：

圖片 （19）

式中，WF為綜合氣候因子，單位為kg/m，12個月WF總和得到年均WF；Wf為各月平均風力因子，單位為(m/s)3；ρ為空氣密度，單位為kg/m3；g為重力加速度，單位為m/s2；SW為各月平均土壤濕度因子，無量綱；SD為雪蓋因子，無量綱。風力因子Wf的表達式如下：

圖片 （20）

式中，u1 為起沙風速，本次計算取5 m/s；u2 為氣象站各月監測風速，單位m/s；Nwd 為各月風速大於5 m/s的平均天數。土壤濕度因子SW表達式如下：

圖片 （21）

式中，R為各月平均降雨量，單位為mm；I為灌溉量，本次取0；Rd 為各月平均降雨天數；Nrd 為各月降雨平均天數；ETP 為各月平均潛在蒸發量，單位為mm。ETP 表達式如下：

圖片 （22）

式中，SR為各月平均太陽總輻射，單位為cal/cm2；DT為各月平均溫度，單位為℃。

雪蓋因子SD為對於積雪對風蝕的影響，RWEQ模型採用SD因子來進行表徵。SD值為各月平均積雪存在的頻率，如當一段時間內積雪存在的時間占該時期內的一半時間時，則SD值為0.5，以此類推。

空氣密度ρ的計算公式如下：

圖片 （23）

式中，ρ為空氣密度，單位為kg/m3；EL為海拔高度，單位為km；T為絕對溫度，即在各月平均氣溫數據t（℃）的基礎上加常數273.15。

土壤因子EF、SCF的計算見式24–25。

圖片 （24）

圖片 （25）

式中，sa為土壤粗砂含量（％）；si為土壤粉砂含量（％）；cl為土壤粘粒含量（％）；OM為土壤有機質含量（％）；CaCO3 為碳酸鈣含量（％），本次計算未予考慮，其值取0。

植被因子C計算如下：

圖片 （26）

式中，SC為植被覆蓋度（％），由每月3期植被覆蓋數據的最大值得到月植被覆蓋數據，12月均值計算而得年均植被覆蓋度；ai 為不同植被類型的係數，林地、草地、灌叢、裸地、沙地、農田分別為−0.1535，−0.1151，−0.0921，−0.0768，−0.0658，−0.0438。

地形因子K'計算見式27–28：

圖片 （27）

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式中Kr 為地形糙度（cm）；Crr 為隨機糙度因子（cm），本次取0；K'為地形因子（cm）；L為地勢起伏參數，取值見表1；ΔH為距離L範圍內的海拔高程差。

表1 不同地勢等級的參數L取值表

主要地勢等級	16km'2'內地勢起伏度（m）	None
微起伏地形	＜30	5
緩起伏地形	30–150	5
中起伏地形	150–300	10
山地地形	300–600	10
高山地形	＞600	50

1.3.4 水源涵養

水源涵養數據通過水量平衡方程（The Water Balance Equation）計算（式29）。水量平衡原理是指在一定的時空內，水分的運動保持着質量守恆，或輸入的水量和輸出的水量之間的差額等於系統內蓄水的變化量。

圖片 （29）

式中Qwater_conservation 為水源涵養量（m3）；Pi 為降雨量（mm）；Ri 為暴雨徑流量（mm）；ETi 為蒸散發量（mm）；Ai 為i類生態系統的面積（m2）；i為研究區第i類生態系統類型；j為研究區生態系統類型數。

1.3.5 生物多樣性維持

生物多樣性保護重要性模擬數據以縣為單元，收集指示物種分布。滿足如下任一標準即選為指示物種：（1）中國特有並處於瀕危；（2）中國特有並處於受威脅狀態的物種；（3）絕大多數種群分布在中國，並處於瀕危；（4）絕大多數種群分布在中國，並處於受威脅狀態的物種；（5）其它具有特殊意義的動植物物種、其他國家一級和二級保護動植物。

指示物種分級依據來自以下文獻：《中國物種紅色名錄》^[11]、《國家重點保護野生動物名錄》^[12]、《國家重點保護野生植物名錄（第一批）》^[13]、世界自然保護聯盟（IUCN）^[14]。

特有性和瀕危等級信息參照《中國物種紅色名錄》和IUCN Red List of Threatened Species（國際自然保護聯盟瀕危物種紅色名錄）。

物種分布信息主要來自：（1）已經發表的有關動植物分布、數量、受威脅狀態、棲息地狀況等信息的專著、論文；（2）自然保護區考察報告；（3）中國生物多樣性信息系統（CBIS）^[15]；（4）中國物種數據庫^[16][17]。

1.3.6 碳固定

碳固定以生物多樣性的NNP為基礎，NPP的估算由植物吸收的光合有效輻射（APAR）和實際光能利用率（ε）表示，其估算公式如下（公式30）：

圖片 （30）

式中，圖片表示像元x在t月份吸收的光合有效輻射（單位：MJ / m2 / 10 d），10 d表示10天即每旬；圖片表示像元x在t月份的實際光能利用率（單位：gC / MJ）。

在分別得到2000年和2010年NPP數據後，根據如下算法得到10年平均固碳量（式31–33）：

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圖片 （32）

圖片 （33）

式中圖片表示2000–2010年平均固碳量；圖片表示2010年森林和草地NPP總和；圖片表示2000年森林和草地NPP總和；圖片表示森林NPP；圖片表示草地NPP。

2 數據樣本描述

圖2為2010年生態系統服務功能數據展示。其中食物生產功能表示每個縣生產食物熱量之和，單位為kcal/a（圖2A），土壤保持功能表示每像元保持土壤總重量，單位為t /a（圖2B），防風固沙功能表示每像元固定沙粒總重量，單位為t /a（圖2C），水源涵養功能表示每像元保持水資源的體積，單位為m3 /a（圖2D），生物多樣性維持功能表示每個縣有記錄分布的指示物種總數量，單位為物種個數（圖2E），固碳功能表示每像元固定碳的總重量，單位為t /a（圖2F）。

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圖2 2010年生態系統服務功能數據空間分布圖

3 數據質量控制和評估

6類生態系統服務功能數據的生產從方法上可分為兩類：一是以縣為單元，通過文獻數據直接記錄或經過簡單轉換得到空間數值，包括食物生產和生物多樣性維持功能。另一類使用生態學機理模型，通過文獻數據擬合參數，獲得空間分布數據，包括土壤保持、水源涵養、防風固沙、碳固定功能。其中第一類空間數據以權威文獻或由權威機構發布的數據為基礎，具有較好的質量控制體系。第二類空間數據製作的主要目的是分析生態系統變化造成的服務功能動態，因此，生態系統分布數據、NPP數據、植被覆蓋度等重要參數的精度直接決定了生態系統服務數據集的總體精度。

生態系統分類數據精度檢驗通過地面抽樣點與相應位置的2010年遙感分類結果進行空間疊加，逐個圖斑進行判斷，計算準確率。在2012–2013年間，項目組在全國範圍隨機抽取31675個樣點，疊加檢驗結果表明全國生態系統分類數據級類總精度為95％，二級類總精度為90％。對植被覆蓋度的精度檢驗，項目組在全國範圍內均勻布設了400個樣地，涵蓋了水體、荒漠以外的所有一級土地類型。精度檢驗結果顯示，估測值與實測值的RMSE為0.21，在樣本值0–0.5之間均存在一定的高估情況（圖3）。NPP數據通過全國50個典型樣區的地面調查進行驗證，其中地表溫度、水分指數以及全國氣象數據內插的太陽總輻射數據平均精度超過80％。

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圖3 植被覆蓋度精度檢驗

4 數據使用方法和建議

本數據集可通過sciencedb網站申請下載（http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/458），全部數據均由ArcGIS環境下製作生成，格式為tif，可在支持以上格式的可視化地理信息系統或遙感行業軟件中查看和使用。

致 謝

感謝中國科學院遙感與數字地球研究所、中國環境保護部衛星中心提供重要的基礎數據和驗證信息。

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數據引用格式

張路, 肖燚, 鄭華, 等. 2010年中國生態系統服務空間數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2017. (2018-01-02). DOI: 10.11922/sciencedb.458.