國家重點生態功能區2010—2015年生態系統服務價值變化評估

劉慧明, 高吉喜,*, 劉 曉, 張海燕, 徐新良

1 生態環境部衛星環境應用中心, 北京 100094 2 北京林業大學水土保持學院, 北京 100083 3 中國科學院地理科學與資源研究所, 北京 100101

2010年12月,《全國主體功能區規劃》(國發〔2010〕46號)由國務院發布并確定了25個國家重點生態功能區,明確了“保障國家生態安全的主要區域,人與自然和諧相處的示范區”的定位。國家重點生態功能區是指與全國或較大范圍區域的生態安全密切相關,生態系統十分重要,當前生態系統有所退化,在國土空間開發中需要限制開展大規模高強度城鎮化開發、工業化,需保持和提高生態產品供給能力的區域[1]。重點生態功能區旨在保護、恢復和提高區域水源涵養、防風固沙、保持水土、調蓄洪水、保護生物多樣性等重要生態功能,在保持流域、區域生態平衡、減輕自然災害、確保國家和地區生態環境安全方面具有重要作用,是國家重要的生態安全屏障,也是生態環境保護的重中之重[2]。中央財政設立重點生態功能區轉移支付,2008—2014 年,中央財政累計下撥國家重點生態功能區轉移支付2004億元[3]。雖然近年來重點生態功能區的生態環境總體轉好,但部分區域仍存在生態破壞的現象,如內蒙古地區的水土保持區和防風固沙區的草原和坡耕地上出現新的耕地開墾等[4]。

生態系統為維持人類生存所提供的自然環境條件及效用被稱為生態系統服務價值,既包括為人類提供物質產品、文化娛樂服務等直接利用價值,也包括保護環境、維持生態平衡等間接利用價值[5],服務范圍涵蓋國民生產各個部門。生態系統服務價值評估是生態保護、生態功能區劃、自然資產核算和生態補償決策的重要依據和基礎[6- 7]。自1997年以來,全球生態系統服務價值的概念及其計算方法由Daily、Constanza等提出后,引起國內外學者的廣泛關注。近年來,Costanza等[8]、歐陽志云等[9- 10]、趙景柱[11]、謝高地等[12- 13]對生態系統服務價值計算方法進行了不斷改進。目前,生態系統服務價值的估算廣泛應用于區域[14]、流域[15- 16]、生態系統[17- 18]等各個尺度,并取得豐富的研究成果,促進了全球資源、環境價值評估的開展。許多學者針對國家重點生態功能區的生態系統服務價值展開大量研究,但主要集中在單個類型或單個區域[19- 25],然而在國家尺度上,重點生態功能區各類型生態系統服務價值的量化分析較少,尤其是缺乏重點生態功能區生態系統服務價值時空分布差異、動態變化和內在機制的研究。

因此本文選擇國家重點生態功能區作為研究區,基于單位面積價值當量因子法,利用模型運算和地理信息空間分析等手段開展了生態系統服務價值的長時間序列估算,從25個分區及4大自然區劃分類尺度上,定量分析和評估實施轉移支付后(2010—2015 年),國家重點生態功能區生態系統服務價值的時空變化特征,評估生態保護對其發揮生態服務的作用,對于支撐與完善國家重點生態功能區轉移支付制度的管理決策及績效評估考核具有重要意義。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

為動態評估重點生態功能區的生態系統服務價值變化,選擇全國25個生態功能區作為研究對象,包括水土保持型、水源涵養型、生物多樣性維護型和防風固沙型4類[26],總面積3.77×106km2,占陸地國土面積的39.33%。重點生態功能區在全國各地均有分布 (圖1), 其中屬于西部地區的生態功能區有16個,總面積為2.85×106km2,占國家重點生態功能區總面積的75.55%。這些地區往往平原較少、山地較多,生態環境相對脆弱,水資源時空分布差異較大,自然災害發生頻率較高,但開發利用前景廣闊,能源和礦產資源豐富[27],且關系著區域生態保護與社會經濟協調發展,西部與其他區域的平衡發展。本文以這25個國家重點生態功能區及其4類自然生態功能劃分作為研究區,探討其生態系統服務價值的變化特征。

圖1 國家重點生態功能區空間分布格局Fig.1 The pattern of spatial distribution of national key ecological function zones in China1. 阿爾金草原荒漠化防治生態功能區; 2. 阿爾泰山地森林草原生態功能區; 3. 藏東南高原邊緣森林生態功能區; 4. 藏西北羌塘高原荒漠生態功能區; 5. 川滇森林及生物多樣性生態功能區; 6. 大別山水土保持生態功能區; 7. 大小興安嶺森林生態功能區; 8. 甘南黃河重要水源補給生態功能區; 9. 桂黔滇喀斯特石漠化防治生態功能區; 10. 海南島中部山區熱帶雨林生態功能區; 11. 呼倫貝爾草原草甸生態功能區; 12. 黃土高原丘陵溝壑水土保持生態功能區; 13. 渾善達克沙漠化防治生態功能區; 14. 科爾沁草原生態功能區; 15. 南嶺山地森林及生物多樣性生態功能區; 16. 祁連山冰川與水源涵養生態功能區; 17. 秦巴生物多樣性生態功能區; 18. 若爾蓋草原濕地生態功能區; 19. 三江平原濕地生態功能區; 20. 三江源草原草甸濕地生態功能區; 21. 三峽庫區水土保持生態功能區; 22. 塔里木河荒漠化防治生態功能區; 23. 武陵山區生物多樣性與水土保持生態功能區; 24. 陰山北麓草原生態功能區; 25. 長白山森林生態功能區

1.2 數據來源

本文以土地利用/覆被空間分布數據為主要數據源,數據來源于中國科學院資源環境數據中心的全國土地利用數據庫,全國陸地區域全覆蓋、多時相1∶10萬比例尺土地利用現狀數據集,研究時間為2010年和2015年[28-30]。該數據集以Landsat TM/ETM遙感影像為主要數據源,基于人工目視解譯生成,經過野外調查實地驗證,土地利用一級類型的綜合評價精度達到90%以上[31- 32]。

本文中的凈初級生產力(Net Primary Product,NPP)數據、降水數據、土壤保持量均來自中國科學院資源環境數據中心[33],空間分辨率均為1km。其中,NPP數據是基于光能利用率模型GLO-PEM計算獲取的；年降水量空間插值數據是基于全國2400多個氣象站點日觀測數據,通過整理、計算并運用澳大利亞的插值軟件ANUSPLIN插值而成,其單位為0.1mm；土壤保持量數據[34- 35]是采用通用土壤流失方程(USLE)計算全國潛在土壤侵蝕量和現實土壤侵蝕量兩者之差獲得。

1.3 生態系統服務價值的估算

1.3.1生態系統服務價值的計算方法

本研究以Costanza等[5- 6]與謝高地等[12- 13,36]生態服務價值當量因子法為基礎,依據全國NPP、降水、土壤保持量空間分布數據等,分別對生態系統各服務價值當量因子價值進行調整,計算2010和2015年兩個時間段的生態系統服務價值動態變化。

區域生態系統服務價值的總量是區域內所有生態系統類型提供的所有服務功能及其自然資源價值的總和,它會隨著區域內所含有的生態系統類型、面積、質量的變化而變化[37]。一定區域內的生態系統服務價值總量(V)可以表示為：

(1)

式中,c=1,2,…,n,表示生態服務功能的類型；Vc表示生態系統第c種生態服務價值。

(2)

式中,j= 1, 2, …,n, 表示第c種生態服務功能的第j類生態系統；D表示1個標準當量因子的生態系統服務價值量(元/hm2)；Fcij指第j類生態系統在第i地區第c類生態服務功能的單位面積價值當量因子;l=1,2,…,m表示一定區域內第c類生態系統在空間上分布的象元數；Alj表示各個象元的面積大小,對于等面積投影,Alj為給定的常數。

1個標準單位生態系統生態服務價值當量因子(以下簡稱標準當量)是指1hm2全國平均產量的農田每年自然糧食產量的經濟價值[13],以此當量為參照并結合專家知識可以確定其他生態系統服務的當量因子,其作用在于可以表征和量化不同類型生態系統對生態服務功能的潛在貢獻能力。在實際應用中,特別是在區域尺度上,完全消除人為因素的干擾以準確衡量農田生態系統自然條件下能夠提供的糧食產量的經濟價值存在較大難度。本研究參考謝高地等[12]的處理方法,將單位面積農田生態系統糧食生產的凈利潤作為1個標準當量因子的生態系統服務價值量。農田生態系統的糧食產量價值主要依據稻谷、小麥和玉米三大糧食主產物計算。其計算公式如下：

D=Sr×Fr+Sw×Fw+Sc×Fc

(3)

式中：D表示1個標準當量因子的生態系統服務價值量(元/hm2)；Sr、Sw和Sc分別表示2010 年稻谷、小麥和玉米的播種面積占三種作物播種總面積的百分比(%)；Fr、Fw和Fc分別表示2010 年全國稻谷、小麥和玉米的單位面積平均凈利潤(元/hm2)。依據《中國統計年鑒2011》[38]、《全國農產品成本收益資料匯編2011》[39]和公式(3),得到D值為3406.5 元/hm2。

單位面積生態系統服務價值的基礎當量是指不同類型生態系統單位面積上各類服務功能年均價值當量(以下簡稱基礎當量)。基礎當量體現了不同生態系統及其各類生態系統服務功能在全國范圍內的年均價值量,也是合理構建表征生態系統服務價值區域空間差異和時間動態變化的動態當量表的前提和基礎[7- 8]。本研究以謝高地等[13]構建的生態系統服務價值基礎當量表為基礎對各類生態系統的不同生態服務價值進行核算。

生態系統在不同區域、不同時間其內部結構與外部形態是不斷變化的,因而其所具有的生態服務功能及其價值量也是不斷變化的。通過前人的研究[12- 13],生態系統食物生產、原材料生產、氣體調節、氣候調節、凈化環境、維持養分循環、生物多樣性和美學景觀功能與生物量在總體上呈正相關,水資源供給和水文調節與降水變化相關,而土壤保持與降水、地形坡度、土壤性質和植被蓋度密切相關。基于上述認識,本文進一步分析確定了NPP、降水和土壤保持調節的動態因子,結合生態系統服務價值基礎當量表,通過下式構建了生態服務動態變化價值當量修正方法：

(4)

式中：Fcij指第j類生態系統在第i地區第c類生態服務功能的單位面積價值當量因子；Fc指該類生態系統的第c種生態服務價值當量因子；Pij指第j類生態系統第i地區某年的NPP調節因子；Rij指第j類生態系統第i地區某年的降水調節因子；Sij指第j種生態系統第i地區某年的土壤保持調節因子；c1表示食物生產、原材料生產、氣體調節、氣候調節、凈化環境、維持養分循環、維持生物多樣性和提供美學景觀等服務功能；c2表示水資源供給或者水文調節服務功能；c3指土壤保持服務功能。

1.3.2生態系統服務價值的分級

為更清晰地描述和比較各個重點生態功能區間生態系統服務的差異與變化,本研究將1km格網的生態系統服務價值進行標準化[40- 41],并在標準化的基礎上,將生態功能區生態系統服務價值劃分為5個等級,分別為低值區、較低值區、中值區、較高值區和高值區。

(5)

式中：Zi為第i個柵格內生態系統服務價值的標準化值,值域范圍為0—1；Xi為第i個柵格生態系統服務價值的實際值；Xmax為研究區域生態系統服務價值的最大值；Xmin為研究區域生態系統服務價值的最小值。

表1 生態系統服務價值分級標準

1.3.3生態系統服務價值的變化程度

本文用生態系統服務價值變化幅度和變化程度來表述生態系統服務價值的變化態勢,變化幅度定義為一定時段內生態系統服務價值的變化量,變化程度則定義為5年間生態系統服務價值變化比例[41],計算公式如下：

ΔE=Eend-Estar

(6)

K=ΔE×100%

(7)

式中：Estar、Eend為某區域研究期初和研究期末的總生態系統服務價值；ΔE為研究時段內生態系統服務價值的變化幅度,K為研究時段內生態系統服務價值的變化程度。為更清晰刻畫區域生態系統服務價值的變化態勢,依據變化程度的大小分為明顯減少、較明顯減少、基本持衡、較明顯增加以及明顯增加等5個類型[42](表2)。

表2 變化程度類型的劃分

2 結果與分析

2.1 2015年國家重點生態功能區生態系統服務價值現狀

從圖2可以看出,2015年國家重點生態功能區的生態系統服務價值具有明顯的空間分異特征。從整體的生態系統服務價值分級來看,全國重點生態功能區生態系統服務價值中高值區的面積占生態功能區總面積的31.60%,面積占比不足一半。其中,中值區面積為56.49×104km2,占生態功能區總面積的14.96%；有33.83×104km2處于較高值區,占生態功能區總面積的8.96%；高值區面積僅為29.02×104km2,占生態功能區總面積的7.68%；而生態功能區低于0.005即低值區的面積為174.40×104km2,占生態功能區總面積的46.19%；較低值區面積為83.87×104km2,占生態功能區總面積的22.21%。生態系統服務價值總體上呈“西北低,東南高”的趨勢,這與我國降水和生物量的分布是一致的。低值區主要位于我國西部荒漠及高原地區,該地區生物量較少,其生態環境本身就比較脆弱,人類活動的干擾會加劇其脆弱性[39],損害自然生態系統原有的功能,應對該區著重保護。高值區主要分布于我國南部的生態功能區,大部分位于湖北、重慶、陜西的交界處,江西、湖南、廣東交界處,廣西北部等地,該區降水充足、且大多是森林分布區、生物量豐富,其生態功能被完美的運用,對生態環境起到有效的保護,應繼續保持其生態保護及生態功能。

圖2 2015年全國重點生態功能區生態系統服務價值分布Fig.2 Spatial distribution of ecosystem service value of national key ecological function zones in China in 2015

通過統計,從各重點生態功能區的生態系統服務價值均值(圖3)得出：25個重點生態功能區的生態系統服務價值大部分處于高值區和中值區狀態。其中,處于高值區和較高值區的功能區共7個,共占功能區總個數的28%；處于中值區的8個,占功能區總個數的32%；低值區和較低值區的個數為10個,占功能區總個數的40%。生態系統服務價值較高的功能區為海南島中部山區熱帶雨林生態功能區、大別山水土保持生態功能區、南嶺山地森林及生物多樣性生態功能區、三峽庫區水土保持生態功能區、桂黔滇喀斯特石漠化防治生態功能區、秦巴生物多樣性生態功能區、武陵山區生物多樣性與水土保持生態功能區等,而處于生態系統服務價值低值區的功能區從高到低依次是陰山北麓草原生態功能區、藏西北羌塘高原荒漠生態功能區、塔里木河荒漠化防治生態功能區、阿爾金草原荒漠化防治生態功能區。

圖3 2015年全國重點生態功能區和自然生態功能區生態系統服務價值Fig.3 Ecosystem service value of the national key ecological function zones and natural ecological function zones in 2015

從2015年全國4類自然生態功能區來看(圖2,圖3),生態系統服務價值均值大小排序為水土保持型功能區>生物多樣性維護型功能區>水源涵養型功能區>防風固沙型功能區。其中水土保持功能區全區均值為0.042,為較高值區；生物多樣性維護功能區和水源涵養功能區的全區均值分別為0.024、0.021,均為中值區；而防風固沙功能區的生態系統服務價值均值僅為0.006,處于較低值區,生態系統服務功能較差,應重點保護。

2.2 2010—2015年國家重點生態功能區生態系統服務價值變化特征

2.2.1國家重點生態功能區生態系統服務價值變化特征

2010—2015年間,國家重點生態功能區實施轉移支付后,生態系統服務價值均值由0.016增加到0.019,增加幅度為16.46%,呈較明顯增加。生態系統服務價值基本保持不變的面積為302.63×104km2,占功能區總面積的80.14%；生態系統服務價值增加(變化幅度>1%)的面積為49.82×104km2,占功能區總面積的13.19%,其中較明顯增加和明顯增加的面積分別占增加區域總面積的89.05%和10.95%；而生態系統服務價值減少的區域占功能區總面積的6.66%,為25.17×104km2,其中生態系統服務價值明顯減少的面積僅占減少區域總面積的7.70%。從生態系統服務價值變化空間分布格局來看(圖4),生態系統服務價值呈增加狀態的區域主要分布于我國中部及南部地區和內蒙古中部地區,可能與該區實施的退牧還草工程等有關,生態工程有效提升了生態系統保持水土、減少侵蝕、涵養水源等的能力。而云南北部和西藏南部、中西部部分地區則呈較明顯減少趨勢,則可能與農牧業發展帶來的土地利用類型轉變有關,土地開墾使濕地、草地、林地向農田的轉化,導致生態系統服務價值減少。

圖4 2010—2015年國家重點生態功能區生態系統服務價值空間變化Fig.4 Spatial distribution of the variation characteristics of ecosystem service value at national key ecological function zones from 2010 to 2015

2010—2015年,國家重點生態功能區實施轉移支付后,從生態系統服務價值分級來看,重點生態功能區的整體生態系統服務等級有所提升,具體表現為“高值區、較高值區的面積增加,中值區面積減少；較低值區面積增加,低值區的面積明顯減少”。其中高值區、較高值區的面積分別增加8.93×104km2、3.13×104km2,分別占生態功能區總面積的2.37%、0.83%；中值區面積稍有減少,減少了5.53×104km2,占生態功能區總面積的1.46%；而低值區面積明顯減少,減少了24.19×104km2,占生態功能區總面積的6.41%,較低值區面積增加17.62×104km2,占生態功能區總面積的4.67%。可以明顯看出,較低值區增加的面積小于低值區減少的面積,說明生態功能區生態系統服務價值低值區的區域正向較高值區和高值區轉變,生態系統服務價值明顯提升。總的來說,實施轉移支付的5年來,國家重點生態功能區的生態系統服務價值明顯提高,生態保護成效顯著。

圖5 2010—2015年全國重點生態功能區生態系統服務價值變化趨勢Fig.5 The variation trend of ecosystem service value at the national key ecological function zones from 2010 to 2015

2.2.2各重點生態功能區生態系統服務價值變化特征

圖6 2010—2015年國家自然生態功能分區生態系統服務價值變化趨勢Fig.6 The variation trend of ecosystem service value the natural ecological function zones from 2010 to 2015

2010—2015年間,實施轉移支付后,國家重點生態功能區生態系統服務價值增加的有21個,占生態功能區總數的84%。其中桂黔滇喀斯特石漠化防治生態功能區、大別山水土保持生態功能區、三峽庫區水土保持生態功能區、黃土高原丘陵溝壑水土保持生態功能區等4個重點生態功能區生態系統服務價值增加幅度大于1%,呈較明顯增加趨勢；南嶺山地森林及生物多樣性生態功能區、武陵山區生物多樣性與水土保持生態功能區、科爾沁草原生態功能區、海南島中部山區熱帶雨林生態功能區等17個生態功能區生態系統服務價值增加幅度在0—1%之間,處于基本持衡狀態。塔里木河荒漠化防治生態功能區、藏西北羌塘高原荒漠生態功能區、長白山森林生態功能區、藏東南高原邊緣森林生態功能區等4個重點生態功能區的生態系統服務價值呈下降趨勢,生態系統服務變化幅度在-1%—0之間,處于基本持衡狀態。2010—2015年,25個重點生態功能區中大部分生態功能區生態系統服務價值呈增加趨勢,并且無生態系統服務價值明顯減少,可見5年間國家重點生態功能區生態環境保護較好,生態系統服務功能逐漸提升。

2.2.3重點生態功能區生態系統服務價值變化特征

從重點生態功能區來看,2010—2015年間生態系統服務價值均呈增加趨勢,其增幅從高到低依次是水土保持生態功能區、水源涵養生態功能區、防風固沙生態功能區、生物多樣性生態功能區,增加幅度分別為1.44%、0.22%、0.21%、0.08%。其中水土保持生態功能區呈較明顯增加趨勢,說明5年間水土保持工作實施效果較好,生態系統服務功能得到提升。

從生態系統服務價值分級來看,4類生態功能區生態系統服務價值等級整體呈上升趨勢。其中水土保持生態功能區由中值區提升為較高值區,水源涵養生態功能區由較低值區提升為中值區,防風固沙生態功能區由低值區提升為較低值區,而生物多樣性生態功能區提升幅度較小,為中值區保持不變。5年間我國實行了水土保持、退耕還林、防沙治沙等多項生態建設工程,由生態功能區服務價值的提高可見,生態保護措施成效顯著,有效的保證了重點生態功能區獨特生態功能的發揮。

3 結論與討論

3.1 結論

本文圍繞2010—2015年轉移支付政策實施后,從國家重點生態功能區的生態系統服務價值時空動態變化特征的角度,在整體和分區上對重點生態功能區轉移支付政策的成效進行了評估,其主要結論如下：

(1)2015年全國重點功能區生態系統服務價值,空間上整體呈現“西北低,東南高”的分布格局,中高值區的面積占生態功能區總面積的31.60%,面積占比不足一半；從各區均值來看,低值區和較低值區的功能區個數較多,共10個,占功能區總個數的40%。4類自然生態功能類型區按生態系統服務價值均值大小依次為水土保持型功能區>生物多樣性維護型功能區>水源涵養型功能區>防風固沙型功能區。

(2)實施轉移支付后(2010—2015年),全國重點生態功能區的生態系統服務價值增加幅度為16.46%,呈明顯增加趨勢。大部分區域生態系統服務價值基本持衡,其面積為302.63×104km2,占功能區總面積的80.14%；5年來,重點生態功能區生態系統服務價值等級變化特征表現為“高值區、較高值區的面積增加,中值區面積減少,較低值區面積增加,低值區的面積減少”,我國中部及南部地區和內蒙古中部地區的生態功能區生態系統服務價值呈較明顯增加趨勢。

(3)5年間生態系統服務價值增加的功能區有21個,占生態功能區總數的84%。其中桂黔滇喀斯特石漠化防治生態功能區、大別山水土保持生態功能區增加幅度高于1.5%,增加明顯；生態系統服務價值減少的生態功能區減少幅度均小于1%,處于基本持衡狀態。

(4)水土保持型生態功能區生態系統服務價值增加最明顯,說明5年間水土保持工作實施效果較好,其生態系統服務功能得到明顯提升；4類生態功能區生態系統服務價值等級整體呈上升趨勢,而生物多樣性維護型生態功能區提升幅度較小,為中值區保持不變。不同功能性分區有其特有的功能,應著重保持重點生態功能區單項生態功能價值。

3.2 討論

生態系統服務價值是國家實施生態補償和構建生態安全屏障的重要基礎和依據。本文從整體及分區尺度分析了國家重點生態功能區生態系統服務價值的時空動態變化特征,可為國家有關部門實施生態系統的保護和管理以及土地資源開發利用戰略提供參考依據。從本文研究結果來看,2010年實施轉移支付以來,國家重點生態功能區的生態系統服務價值整體趨于增加趨勢,但少數區域生態系統服務價值呈現下降趨勢,這類區域應引起足夠重視,應根據區域各項生態系統服務價值變化的特點和規律,具體問題具體分析,有針對性的加強土地管理措施,加大生態保護力度,避免生態系統服務功能的退化和惡化。

本文僅研究了轉移支付政策實施后,國家重點生態功能區生態系統服務價值的空間變化情況,轉移支付政策支持下的各項生態工程,以及氣候變化是生態系統服務價值變化的主要影響因素[43],需進一步研究定量評估各影響因子的貢獻率[44]。同時,國家重點生態功能區除實施保護外,還需加強監管[45]。

生態系統本身具有多樣性與復雜性,加上生態系統服務價值計算的模型和方法多樣,其價值評估可能與實際價值存在一定差異性,因此其計算方法及參考指標數據仍有完善的空間。另外,生態系統服務價值存在空間尺度差異性,本文主要從國家重點生態功能區整體來研究,而對于較小區域尺度存在的生態系統服務差異性未充分考慮,未來可以選擇某一典型重點生態功能區進行細致深入的研究。此外,生態系統服務的價值估算還存在市場定價不確定性因素,現有的定量方法可能會隨著社會經濟發展而發生改變,因此國家重點生態功能區的生態系統價值定量估算需要不定期更新。