基于小流域的汾河上游生態服務價值演變

王怡帆, 師學義

(中國地質大學(北京) 土地科學技術學院, 北京 100083)

生態系統服務是指由生態系統提供的，有助于人類生存和生活質量提升的各類產品和服務功能的總和。在不同的研究尺度下，人們對生態系統服務的理解不盡相同[1]，綜合而看，生態系統服務類型主要分為供給服務、支持服務、調節服務和文化服務4種[2]。生態系統服務為人類和地球上各類生物提供穩定和舒適的生活環境，其功能多樣，包括食物生產、水土保持、氣候調節、防風固沙等。生態服務價值評估是以貨幣的形式顯化自然資源的經濟價值，從短期看，有利于幫助人們正確利用生態系統，從而保障自身宜居的生態環境；從長遠看，可以作為政府決策者制定發展戰略和衡量發展效益的工具，有助于人類福祉和可持續發展。

20世紀末，Costanza等[3]13位科學家將生態系統服務功能價值進行估算求和。2001年，為了促進生態系統保護和可持續發展，千年生態系統評估(MA)對全球生態系統進行首次多層次綜合性評估[4]。國內最具有影響力的是謝高地等[5-7]基于Costanza研究提出的模型，制定出我國生態系統當量因子表，并且于2008年重新修訂。2015年謝高地首次選擇除NPP外的其他生態指標(降雨量和土壤保持量)對服務功能進行了修正，將單位面積價值當量因子靜態評估修訂為動態評估，并將其運用到時間和空間上的生態系統服務評估。

本文的研究區域是山西省汾河上游的寧武縣和靜樂縣，區域資源豐富，但在過分追求經濟發展的同時，常常伴隨著生態環境越發脆弱的問題，地形破碎、水土流失嚴重、自然災害現象時有發生，嚴峻的生態問題不容小覷。2018年以來，山西省為貫徹落實習近平總書記“一定要高度重視汾河的生態環境保護，讓這條山西的母親河水量豐起來、水質好起來、風光美起來”的重要指示精神，著力開始實施以汾河中上游為治理核心的山水林田湖草生態保護修復工程。目前，學界對于生態服務價值的研究，大多基于大尺度區域，如以縣、鄉鎮為評價單元，而本文將汾河上游地區按分水嶺和下游河道出口斷面劃分為數個小流域，以小流域為評價單元，開展汾河上游地區2006年、2011年、2016年生態系統服務價值評估演變與空間動態分析，以此建立起汾河上游重點保護區生態賬戶，為生態保護修復工程的布局提供依據，有利于最終形成“山青、水綠、林郁、田沃、和美”的生態格局。

1 研究區概況

研究區域位于山西省忻州市中部，地處黃土高原東沿的汾河上游地區，東依原平市和忻府區，西隔管涔山與五寨、岢嵐縣為鄰，南與太原市婁煩縣、古交市相連，北靠神池縣、朔州市朔城區。地理坐標介于東經111°42′43″—112°36′55″，北緯38°7′57″—39°8′41″，兩縣境內汾河流域總面積3 441 km2，其中寧武境內1 395 km2，靜樂境內2 046 km2，汾河自北向南流經蘆芽山和云中山，縱貫寧武、靜樂兩縣。區域山峰高聳、巖石裸露、溝壑縱橫、土少石多。寧武、靜樂兩縣涉及28個鄉鎮845個行政村，區域總土地面積達3 981.29 km2，境內總人口為32.29萬人，人口密度達81.10人/km2。

2 試驗材料與方法

2.1 數據來源及處理

本文所用數據包括衛星遙感數據、野外實地調查數據以及其他數據來源。其中衛星遙感影像數據來自于“地理空間數據云”平臺，2006年、2011年所使用的遙感數據影像由Landset5衛星拍攝，2016年所使用的遙感數據影像由Landset8所拍攝，掃描寬度與Landset5相仿。本文利用ENVI軟件對3期衛星遙感影像進行預處理，以汾河上游1∶5萬的地形圖為基準實現圖像幾何校正，之后再對其鑲嵌和裁剪。利用ArcGIS等相關軟件，通過人工目視解譯與監督分類相結合的方法，對研究區的遙感影像進行信息分類。根據國家相關分類標準和已有的調查資料，并結合之后研究的需要，擬將汾河上游地區的土地利用類型劃分為6大類，分別為耕地、草地、林地、建設用地、水域和未利用地。本文將針對這6種土地類型的生態服務價值演變進行深入的研究與評價。

2.2 研究方法

2.2.1 小流域的劃定 國內外研究中基于小流域的研究較多，但普遍只是選取某一個固定小流域開展相關研究，如鄭國權等[8]以廣東省清遠市瑤安小流域為例，對小流域綜合治理效益進行定量評價。大多沒有系統地將研究區域劃分成眾多小流域進行研究。人依水而居，本次研究的評價單元之所以選取小流域，是因為小流域已經成為水土流失治理、生態系統修復等研究工作的重要地理單元。在定義上，小流域通常是指集水面積在小于50 km2以下的相對獨立和封閉的自然匯水區域，水利上通常指是在一個縣屬范圍內的流域。

本次以小流域為單元進行綜合評價和管控，有利于因地制宜改善生態環境，保護水土資源，進而提升人居質量。本次小流域的劃分遵循以下標準：(1) 每個小流域的面積控制在3～50 km2；(2) 小流域的邊界須經過山頂部、鞍部，須與等高線處處垂直；(3) 小流域可分為完整型、坡面型和區間型3種類型[9]。

2.2.2 系數修正與ESV評估 本文以謝高地等[7]2015年修訂的中國生態系統單位面積生態系統服務價值當量表為基礎，結合研究區實地情況修正當量表系數，其中修正指標包括社會經濟條件、自然資源稀缺度等，由此獲得汾河上游生態系統服務價值當量因子表(表1)。

表1 汾河上游生態系統服務價值當量因子

經過測算，糧食單產扣除成本后的價值即為農田的自然產量經濟價值，在沒有人力投入的自然狀態下，農田自然生態系統提供的經濟價值是現有糧食平均單價的1/7，公式如下：

En=P×Qn×1/7

(1)

式中：En為1個標準當量因子的生態系統服務價值；P為糧食作物的平均價格；Qn為所有糧食作物的平均產量。

生態服務價值計算公式為

Vij=Ak×VCij

(2)

(3)

式中：Vij為研究區地類j的第i種生態服務功能價值；Ak為地類k的面積；VCij為校正后地類j的第i種生態服務功能價值系數；ESV為總生態服務價值。

2.2.3 敏感性指數 為了衡量生態系統服務價值(ESV)隨時間變化對于生態服務功能價值系數(VC)的依賴程度，本文特引入敏感性指數(CS)來驗證評估結果的可信程度[10]。如果CS>1，說明價值系數每增加或減少1，生態服務價值將對應變化的幅度大于1，表明ESV具有彈性，評估結果不具有可信度；如果CS<1，說明價值系數的變化不會很大程度地影響生態服務價值的變化，ESV缺乏彈性，評價結果具有可信度。敏感性指數越大，說明其價值系數越準確[11]。本研究通過各地類的價值系數分別增加或減少50%來計算敏感性指數，以此來判斷ESV的可信度。敏感性指數(CS)計算公式如下:

(4)

式中：CS為生態敏感性指數；ESVj，ESVi分別為變化后和變化前的生態服務價值總量；VCjk，VCik分別為變化后和變化前的生態服務價值系數；k為各個土地利用類型。

2.2.4 空間自相關與冷熱點演化

(1) Global-Moran′sI分析。Moran′sI用于確定某個范圍內的空間對象之間是否存在相關性，其數值分布在[-1，1]。若Moran′sI>0表示空間正相關性，其值表明空間正相關性的明顯程度，若Moran′sI<0表示空間負相關性，其值越小，則空間差異越大，若Moran′sI=0，則表明空間呈隨機性，不具有相關性[12]?？臻g自相關的Moran′sI統計用如下公式計算：

(5)

(6)

(7)

統計的zi計算公式如下：

(8)

E[I]=-1/(n-1)

(9)

V[I]=E[I2]-E[I]2

(10)

(2) Getis-Ord GeneralG分析。高/低聚類工具與Global-Moran′sI不同，是對于給定的研究區域，可以測量其聚集密度，進而得出高/低聚類空間分布模式[13]，這一工具是一種推論統計。計算公式如下：

(11)

式中：xi，xj為要素i和j的屬性值；?j≠i代表要素i和j不是相同值。

統計的ZG計算公式如下:

(12)

(13)

V[G]=E[G2]-E[G]2

(14)

如果Z得分為正，觀察GeneralG指數大于期望GeneralG指數，則表示數據在高值區域聚類；如果Z得分為負，期望GeneralG指數大于觀察GeneralG指數則表示數據在低值區域聚類。

(3) 冷熱點Getis-Ord Gi*統計。這一工具能夠對點或面數據進行分析，提取出具有一定統計顯著性的高值(熱點)和低值(冷點)在空間上的聚類，從而對相鄰區域間的要素或屬性的空間關聯模式進行測度，在時間變化的冷熱程度上反映區域生態服務價值的變化特征[11]。其中z得分越大，表明熱點的聚類程度越大，即越緊密。對于統計學上的顯著性負z得分，z得分越小，則表明冷點的聚類程度越大。其計算公式如下：

(15)

(16)

(17)

3 結果與分析

3.1 生態服務價值評估結果

3.1.1 生態服務價值系數 通過計算汾河上游2006—2016年糧食作物種植面積與總產量，得出研究區在這一區間內糧食平均單產量為3 150.24 kg/hm2，同時，為消除不同年份價格變化差異，以山西省2016年糧食作物平均價格1.93元/kg為標準，最終求得汾河上游單位面積農田生態系統食物生產服務的經濟價值為868.56元/hm2。由此得到的汾河上游生態服務價值系數見表2。

表2 2006-2016年汾河上游生態系統服務價值系數 元/hm2

3.1.2 生態服務價值時空演變 (1) 總體生態系統服務價值變化。根據生態系統服務價值計算公式和2006—2016年3個時相各土地利用類型面積，結合對應的生態服務價值系數，對汾河上游3期不同土地利用類型的生態系統服務價值分別進行計算。由計算可得，2006年、2011年、2016年的生態服務價值總量分別為45.99億元、40.72億元、39.67億元，呈現出持續減少的變化特點。以5年時間尺度為跨度，減少量分別為5.27億元，1.04億元，由表3可知，減少率分別為11.47%，2.6%，其中2006—2011年生態服務價值減少程度相當劇烈。2011—2016年減少程度相對緩和(表3)。

表3 2006-2016年汾河上游地區各地類ESV變化

從研究時段不同土地利用類型生態服務價值來看，雖然各地類的價值占比在數值上發生了變化，但整體結構上保持穩定，不同地類生態價值的大小關系保持不變：草地>林地>水域>耕地>未利用地>建設用地。其中，草地生態服務價值連續多年保持第一。在3個時期所占比例分別為37.83%，39.59%，38.1%，而建設用地生態服務價值最少。草地作為汾河上游的優勢景觀，貢獻了大量的生態服務價值，其次是林地。雖然耕地面積也很大，但因其生態服務價值系數較低，綜合而言對汾河上游生態服務價值的貢獻不是很大。

從不同階段生態服務價值變化來看，2006—2011年生態服務價值總量減少程度高達11.47%。從各地類角度分別觀察，耕地、林地、建設用地、未利用地的生態服務價值均有不同程度的增加,而水域和草地的服務價值均略有減少。所以這一階段生態服務價值的減少主要是受到水域面積縮減的影響。2011—2016年生態服務價值總量變化幅度較小，共減少了2.75%。其中耕地、林地的生態服務價值增大，其余地類的價值量減小。林地價值的增量最大，為4 951.09萬元，草地價值的減量最大，高達10 378.47萬元，減少速率最大的是未利用地，其生態服務價值累計減少了66.2%。這一階段服務價值的增量主要來源于林地，得益于研究區內國家天然林保護、三北防護林、京津冀風沙源綜合治理等工程的扎實推進，以及地區的“兩山”造林、“兩網”綠化、“兩區”增綠、“兩林”富民、“雙百”精品、“雙?！惫茏o等省級林業6大工程的有效順利實施。

從總體空間格局來看(圖1)，研究區內各地區生態服務價值的分布和變化呈現出較為顯著的空間差異現象，研究區以汾河、東碾河、鳴河為主的8大河流網狀分布，東部為管涔山，西部為蘆芽山，中部為汾河川，山川地區生態環境好，總體生態服務價值較高，而各鄉鎮中心周邊區域生態服務價值較低，與農田和建設用地占比較大有密切關系。從時間尺度來看ESV分布，研究區西南部生態服務價值減少程度極為顯著，主要原因是隨著開發建設力度的加大，導致原來ESV高和較高地區的水域面積減少，具有生態服務價值負效應的建設用地面積加大。應加大保護力度，采取生態修復工程來不斷提高其生態服務價值。

圖1 2006-2016年汾河上游生態系統服務價值等級空間分布

(2) 單項生態系統服務價值變化。由不同生態系統服務功能的價值變化來看(表4)，2006年、2011年、2016年各單項生態服務價值貢獻率整體結構分布相對比較穩定。2006年等級次序為：水文調節>氣候調節>土壤保持>生物多樣性>氣體調節>凈化環境>美學景觀>原料生產>食物生產>水資源供給>維持養分循環，2011年與2016年等級次序相同，相比2006年只是后幾項功能順序發生些許變化。10年來水文調節功能一直是汾河上游的主導生態系統服務功能，價值量均大于90 000萬元，而氣候調節和土壤保持的貢獻率分別位于第二位和第三位，研究時段上述3種服務功能的綜合貢獻率加和已超過總體服務價值的一半。原因是草地和林地作為汾河上游的優勢景觀，具有較高的水文調節、氣候調節和土壤保持的功能。水資源供給和維持養分循環的貢獻率始終處于最后兩位，合計貢獻率不超過3%，這說明汾河上游調節服務功能遠大于其他服務功能。持續增加的功能有食物生產、原料生產和維持養分循環。其中食物生產價值量在單項功能中增加最多，凈增607.88萬元，研究后期(2011—2016年)增速明顯加快，主要因為具有較高食物生產功能的耕地快速增加所致。單項功能水文調節價值量減少最多，研究期內共減少了44 969萬元，減少幅度最大的是水資源供給功能，主要原因是具有較高水文調節功能的水域面積的減少以及有水源負效應的建設用地增加。

表4 汾河上游2006-2016年不同生態系統服務功能的價值變化

將各項單項生態系統服務功能聚類成為4大服務，分別是供給服務、調節服務、文化服務和支持服務[14]，得到生態服務類型空間分布圖(圖2)，由圖可得汾河上游水體分布較為廣泛，對于內部的小氣候改善及生態系統調節服務具有重要影響。供給服務整體價值量增加最多，研究后期(2011—2016年)增速明顯加快，主要因為中部地區具有較高食物生產功能的耕地快速增加所致。研究區西南地區文化服務和支持服務等級分布明顯降低，在一定程度上反映出人類的社會經濟活動極大程度地負向影響著汾河上游生態服務價值。但是由于土地利用方式和面積的分布，單項生態服務功能價值結構分布沒有較大變化，保持相對穩定。

3.2 生態敏感性分析

通過公式計算得出各地類的敏感性指數如圖3所示，2006—2016年汾河上游敏感性指數變化較小，其中草地的敏感性指數最高，為0.483～0.633，未利用的敏感型指數最低，為0.001。所有地類ESV的敏感性指數在研究時段內都小于1,表明ESV缺乏彈性,研究區的生態系統服務相對于價值系數變化缺乏彈性,本文采用的價值系數符合汾河上游實際情況，計算結果可信度高。

3.3 空間自相關與冷熱點演化

3.3.1 空間自相關分析 研究區域2006年、2011年、2016年ESV的Moran′sI值都大于0(Z>0)，表明該區域生態服務價值的空間分布存在一定程度的空間自相關性，但值并不大，表明整體空間自相關性程度不是很顯著。隨著年份的增長，Moran′sI值先減小后增大，且2016年Moran′sI值達到最大，表明在研究時段中，該區域生態服務價值的空間集聚程度先減小后增大，空間自相關性也存在先減小后增大的發展趨勢。

3.3.2 空間分布模式 分析汾河上游生態服務價值的高/低聚類指數可得(表5)，G值與E(G)值均較小且相當接近，且研究時段中，Z得分均為負，E(G)值大于G值，表示數據在低值區域聚類。隨著年份的增長，Z(G)值呈增長趨勢，說明ESV空間分布及其動態變化的低值聚集程度有所減弱，表明隨著時間的變化，ESV整體空間分布形態也發生了一定程度上的變化。

2006—2011年，研究區ESV增值熱點區和損失冷熱點區域變化顯著，整體分布有集中范圍擴大的趨勢，表明此階段ESV發生了劇烈的變化，其中位于研究區中南部的石家莊鎮、娘子神鄉、豐潤鎮等地由熱點區轉化為冷點區，說明此區域ESV急劇下降，主要原因是城市擴張、城鎮化的推進占用了大量農用地。而ESV熱點區集中分布于研究區西北部和東南部地區，主要原因是區域生態環境良好，分布有蘆芽山國家級自然保護區、冰洞國家地質公園、天池等，該區域群山蒼茫，植被茂盛，人煙稀少，人為活動對該區域干擾較小，土地較少被開發破壞。

圖2 汾河上游2006-2016年單項生態系統服務空間分布

圖3 生態系統服務價值敏感性指數變化

表5 汾河上游空間自相關與高/低聚類指數

2011—2016年，ESV增值熱點區和損失冷熱點區的分布在這一研究區間變化不大。ESV熱點區主要管涔山地區以及萬輝溝，這與小流域尺度的ESV分布趨勢保持一致，研究區西南部地區ESV冷點區面積有擴大趨勢，大多位于豐潤鎮、神峪溝鄉區域內，這與當地工業化、城鎮化的推進密不可分，因此需要重視對冷點區鄉鎮生態系統的監測工作，采取一系列保護措施，最大程度上控制冷點區范圍，遏制其范圍擴散。在冷點區內，通過改變地類的方式不斷促進生態價值的提高，進而促進汾河上游地區環境與經濟統一發展。

4 結 論

(1) 汾河上游地區2006年、2011年、2016年的生態服務價值總量分別為45.99億元、40.72億元、39.67億元，呈現逐年遞減的變化特點，2006—2016年共減少了6.31億元，減少了13.74%，ESV減少的主要原因是水域和草地面積的減小，說明人類活動一定程度上對生態服務價值產生了負向影響。研究時間區域各地類生態服務價值之間的關系保持穩定，為草地>林地>水域>耕地>未利用地>建設用地。各地類生態敏感性指數變化較小，且在研究時段內都小于1，說明生態系統服務價值對價值系數變化缺乏彈性，研究結果具有強可信度。

圖4 汾河上游ESV冷熱點分布格局

(2) 研究區內各地區ESV空間格局存在較為明顯的差異現象，研究區以汾河、東碾河、鳴河為主的8大河流網狀分布，東部為管涔山，西部為蘆芽山，中部為汾河川，山川總體生態服務價值較高，而各鄉鎮中心及周邊區域因農地和建設用地所占比例較大形成較大范圍范圍的ESV低值區。因此，為了提高汾河上游整體的生態系統服務價值，應該以小流域為基礎，針對各地生境現狀，實施生態修復工程來改善生態環境條件。

(3) 單項生態系統服務功能中，水文調節功能的貢獻率一直居于首位，價值量均大于9億元，氣候調節和土壤保持的貢獻率分別位于第二位和第三位。2006—2016年上述3種服務功能的綜合貢獻率分別為62.64%，60.81%，60.53%，超過總體服務價值的一半。而生態系統服務價值最低的水資源供給和維持養分循環功能，合計貢獻率不超過3%。

(4) 研究時段中區域的ESV存在一定程度的空間自相關性，但相關性程度不是很顯著，整體數據在低值區域聚類，隨著年份的增長，ESV空間分布及其動態變化的低值聚集程度有所減弱，空間分布在一定程度上發生顯著變化。國家天然林保護等工程和“兩山”造林、“兩網”綠化等省級林業工程的實施，在汾河上游ESV增值熱點區中發揮了重要作用，但是研究時段后期ESV損失冷點區面積有擴大趨勢，這與當地工業化、城鎮化的發展密切有關，這些區域往往是城鄉建設土地開發的重要區域，在促進當地經濟發展的同時，應當注重生態服務價值的損失，嚴格控制冷點區范圍。

(5) 本文基于遙感影像解譯，囿于數據的獲取，僅考慮了兩個時間區段內3個特定年份生態系統服務價值的變化，對于詳細的每年生態系統服務價值變化情況考慮欠缺，無法準確體現漸變型區間段變化情況，這在一定程度上會影響測算結果的精確性。且在對生態服務價值系數進行修正的過程中，結合實地選取的修正指標所需數據不盡充分，在后期研究工作中，應當進行更多的實地調研，收集更加完善的數據。深入分析生態系統服務價值的年際變化特征，結合專家問卷法等獲取更加準確的當量因子，并將次研究與生態補償研究緊密結合起來，健全生態保護的生態補償機制，實現汾河上游生態效益價值、社會效益價值和經濟效益價值的有效統一。