寬灘型河流生態系統服務價值核算
——以遼河干流為例

王德旺，何萍，徐杰，侯利萍，任穎

國家環境保護區域生態過程與功能評估重點實驗室，中國環境科學研究院

河流在橫向上一般可分為河槽、河漫灘和岸坡幾個部分，分別具有水、水陸交錯帶和陸地3種生態系統特征[1]。不同于大尺度景觀中的森林、草地等寬闊的自然生態系統，河流由于呈狹窄線狀，河道內的生態差異難以在地理信息系統(GIS)平臺上表征[2]。已有的在全國性[3-4]、流域性[5-6]或區域性[7-9]等空間尺度上的生態系統服務價值核算均未對線狀河流進行強調。根據Costanza等[10]對全球各類生態系統服務價值的核算，單位面積河流的價值是森林的8.77倍、草地的36.63倍、耕地的92.37倍，河流生態系統服務不容忽視。目前針對河流生態系統服務價值核算多采用均一計算的方法，沒有落實在空間柵格上，如生態經濟學公式用于黑河中游濕地[11],服務價值當量法用于海河流域農牧交錯區[12]、漓江流域[13]、延河流域[14]與東江流域[15],能值轉化率方法用于舟山流域[16]和雙臺河濕地[17]。河流生態系統具有多種生態系統服務功能。在千年生態系統評估[18]分類基礎上，歐陽志云等[4]基于水生態系統提供服務的機制、類型和效用，把水生態系統的服務劃分為提供產品功能(人類生活生產用水、水力發電、航運、水產品生產、基因資源等)，調節功能(水文調節、河流輸送、侵蝕控制、水質凈化、空氣凈化、區域氣候調節等)，文化功能(生物多樣性、教育價值、靈感啟發、美學價值、文化遺產價值、娛樂和生態旅游價值等)和生命支持功能四大類。這些生態系統服務類別，嚴格來說，有的是由河槽產生的，如航運、水產品生產等；有的是基于岸灘植被產生的，如固碳釋氧；大部分服務類型是由河流整體空間共同產生的，如文化功能。對于一定寬度的河流，借助高分辨率遙感影像或土地利用/覆被數據，可使其生態系統服務及價值核算的空間差異化表征成為可能。因此，研究建立基于GIS的高分辨率河流生態系統服務價值核算方法具備現實意義。

在河流生態系統服務價值空間計算中，河流寬度和柵格精度是主要限制因素。寬灘型河流通常位于河流下游平原地區，河道寬闊，具有流水河槽(平水期水流所占據的部分)和灘地(河槽的兩側，汛期淹沒而非汛期出露的部分[19])。應用米級的遙感影像即可區分河流生態系統不同土地利用類型，如水體、裸灘與植被(林、灌、草)等。對河槽、灘地或河流整體空間產生的生態系統服務進行精細化落地或分攤，可顯示河流橫向和縱向不同空間的服務功能量及價值量的差異性。選擇寬灘型河流開展生態系統服務價值核算，全面囊括生態系統服務類型，不僅能深刻表達河流空間內生態系統服務的差異性，還能將河流與更大空間尺度其他生態系統進行對比和整合，提升對河流生態系統保護的重視程度。

遼河干流大堤內河道的寬度為1.15～9.69 km，灘地內分布有林地、草地、濕地、農田、建設用地和裸地等土地利用/覆被類型(圖1)，是典型的寬灘型河流。筆者基于高分辨率遙感影像，區分源于河槽、灘地植被和河流整體空間的各種生態系統服務類型，梳理適用于GIS計算的方法和參數，并核算河流生態系統服務價值，以期建立一套適于寬灘型河流生態系統服務價值的核算方法，也可供其他地貌形態的河流參考。

圖1 遼河干流河槽灘地邊界與土地利用特征Fig.1 Channel flood plain and land use of the MSLR

1 數據來源與核算方法

1.1 研究區概況

遼河干流由東遼河和西遼河在鐵嶺市福德店匯流而成，依次流經鐵嶺、沈陽、鞍山和盤錦4市，在盤錦紅海灘匯入渤海，干流全長538 km。2010年3月，經遼寧省政府批準將遼河干流的狹長區域劃定為遼河保護區[20]，面積為1 869.2 km2。區域地貌類型以平原為主，地勢平坦，灘地開闊，河道迂回曲折，主要土壤類型為草甸土、潮土和沼澤土。區域屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均降水量為517～657 mm，年平均蒸發量為1 110～2 500 mm；生物多樣性豐富，2016—2017年共監測到234種植物和483種動物[21]。

1.2 數據來源

采用的主要數據包括土地利用、凈初級生產力(NPP)、數字高程模型(DEM)、土壤屬性、氣象數據(降水量、蒸散發量)等，其他數據來自問卷調查、文獻資料、統計年鑒和網絡等。其中，土地利用數據由2.5 m×2.5 m分辨率的SPOT 5遙感影像解譯獲得，投影方式為WGS_1984_Albers，包含6個大類11個小類土地利用類型，分別是林地(有林地、灌木林)，草地，濕地(河流、坑塘、灘涂)，耕地(水田、旱地)，建設用地(農村居民用地、其他建設用地)，裸地；NPP數據基于歸一化植被指數(NDVI)、氣象數據、植被類型數據應用CASA模型計算獲得，分辨率為30 m×30 m；DEM數據源自地理空間數據云，分辨率為30 m×30 m；土壤屬性數據源自中國科學院南京土壤研究所1∶100萬土壤類型及屬性數據；氣象數據源自國家氣象科學數據中心(http://data.cma.cn/)，由遼河保護區及周邊27個站點的降水量、蒸散發量計算年均值并經過插值獲得。

1.3 核算方法

遼河干流生態系統服務價值核算過程中，供給服務包括水資源供給1項；調節服務包括水質凈化、空氣污染物吸收、負離子提供、氣候調節、土壤保持、固碳釋氧、洪水調蓄、輸沙和水源涵養9項；支持服務包括棲息地服務價值1項；文化服務包括旅游休閑和科研教育2項。

為便于差異化、精細化地從空間上表達寬灘型河流的生態系統服務，將不同生態系統服務產生的空間類型進行分類：河槽產生的生態系統服務包含水資源供給、水質凈化和輸沙3項；灘地植被產生的生態系統服務包含固碳釋氧、空氣污染物吸收和土壤保持3項；河流整體空間產生的生態系統服務包含氣候調節、負離子提供、洪水調蓄、水源涵養、棲息地、旅游休閑和科研教育7項；建設用地和裸地的服務價值忽略不計。按照生態系統服務的類型特征和數據可獲取性，核算方法可分為總量平攤、柵格計算和分類賦值3種(表1)。

表1 寬灘型河流生態系統服務的空間差異化分布和精細化核算方式Table 1 Spatial differential allocation and detailed accounting for ecosystem services in broad beach rivers

由于生態系統服務功能量單位不一，致使各生態系統服務類型間不可比；通過價值核算，可形成統一可比的價值量。受篇幅限制，對功能量的核算不予展開，主要討論價值核算與價值差異內容。

1.3.1供給服務

水資源供給量基于生活用水量、農業用水量、工業用水量和環境用水量進行評估，其價值核算采用市場價值法[22]，計算公式如下：

Vg=∑Qy×Py

(1)

式中：Vg為水資源供給價值，元/a；Qy為第y種用途的用水量，m3/a；Py為第y種用途的用水價格，元/m3。

1.3.2調節服務

1.3.2.1水質凈化

水質凈化量為河流生態系統對影響河流水質的主要污染物(如COD、氨氮、總氮、總磷等)的凈化能力，其價值核算采用替代成本法[22]，計算公式如下：

VJ=Qk×Pk

(2)

式中：VJ為水質凈化價值，元/a；Qk為河流水體對第k種水體污染物的納污量，t/a；Pk為第k種污染物的人工處理費用，元/t。其中，水體污染物納污量根據河流或河段的特征，選擇GB/T 25173—2010《水域納污能力計算規程》中的零維、一維或二維模型進行計算[23]。

1.3.2.2空氣污染物吸收

空氣污染物吸收的物理量應為河流生態系統對硫化物、氮氧化物、粉塵等主要空氣污染物的納污能力，其價值核算采用防治成本法[18]，計算公式如下：

Vx=∑Aj×NPPj×εj×Pj

(3)

式中：Vx為污染物吸收價值，元/a；Aj為第j類植被的面積，m2；NPPj為第j類植被的凈初級生產力，g/m2；εj為第j類植被的凈化效率，無量綱；Pj為第j類植被削減SO2和粉塵等廢氣的排污收費價格。

1.3.2.3負離子提供

河道內不同生態系統類型提供的負離子量與下墊面類型面積、負離子聚集高度等有關，負離子提供價值核算采用影子價格法[24]，計算公式如下：

Va=∑Am×Qa×L×Pa

(4)

式中：Va為提供空氣負離子價值，元/a；Am為第m種生態系統類型面積，m2；Qa為空氣負離子濃度，個/cm3；L為負離子聚集高度，cm；Pa為空氣負離子生產的市價，元/個。

1.3.2.4氣候調節

河流生態系統中植物的蒸騰作用和水面蒸發能夠增加空氣濕度。氣候調節的物理量采用植物蒸騰所消耗的熱量與水面蒸發所吸收的熱量之和來計算，在遙感解譯的蒸散發數據產品中，可直接讀取蒸散發量。氣候調節價值核算采用替代成本法[25]，計算公式如下：

Vq=ET×γ×Pe

(5)

式中：Vq為氣候調節價值，元/a；ET為生態系統的蒸發量，m3/a；γ為加濕器蒸發單位體積水汽的耗電量，(kW·h)/a；Pe為電價，元/(kW·h)。

1.3.2.5土壤保持

土壤保持的物理量采用通用土壤流失方程(USLE)計算，其價值核算采用替代成本法[8]，計算公式如下：

(6)

式中：VT為土壤保持功能價值，元/a；Wusle為依據通用水土流失方程計算的土壤保持量，t/hm2；B為不同土地利用類型土壤容重，t/m3；D為不同土地利用類型土層厚度，m；Ps為人工固沙造田的成本，元/m2。

1.3.2.6固碳釋氧

根據光合作用反應方程式，形成每g干物質需要1.63 g CO2，釋放O21.19 g，結合NPP數據計算固碳釋氧量。固碳釋氧價值采用替代成本法[25]核算，計算公式如下：

Vfr=∑Aj×NPPj×(Tc×Pc+To×Po)

(7)

式中：Vfr為植被每年固碳釋氧的價值，元/a；Tc和To分別為單位質量植物干物質的CO2固定量和O2釋放量，t；Pc和Po分別為固定CO2的造林成本和人工生產O2的價格，元/t。

1.3.2.7洪水調蓄

洪水調蓄的物理量為河堤內河道的最大洪水調蓄量，其價值核算采用影子工程法[22]，計算公式如下：

Vf=∑Am×H×Pr

(8)

式中：Vf為洪水調蓄價值，元/a；H為堤壩相對高度，指壩頂到河底的平均深度,m；Pr為水庫的單位庫容造價，元/m3。

1.3.2.8輸沙功能

輸沙能力的物理量為河流年均輸沙總量，其價值核算采用替代成本法[22]，計算公式如下：

Vs=Qs×Prc

(9)

式中：Vs為河流輸沙價值，元/a；Qs為河流年均輸沙量，t/a；Prc為人工清理河道費用，元/t。

1.3.2.9水源涵養

水體水源涵養的物理量為年現存水量與年入滲量之和；林地、草地等水源涵養的物理量評估采用水量平衡法，為年降水量與蒸散發量之差。水源涵養價值核算采用替代成本法[23]，計算公式如下：

(10)

式中：Vw為水源涵養價值，元/a；R為年降水量，mm/a；Pw為水資源價格，元/m3。

1.3.3支持服務

河流生態系統棲息地服務的物理量基于高分辨率遙感影像和土地利用數據，通過InVEST模型生境質量模塊計算得出的生境質量指數來評估。在問卷調查基礎上，采用支付意愿法[18]核算棲息地服務價值，計算公式如下：

Vh=∑Wn×ρ×Pn

(11)

式中：Vh為棲息地服務價值，萬元/a；Wn為評估流域內第n個行政區每人每年的支付意愿，元/(人·a)；ρ為調查群體的支付率，%；Pn為評估流域內第n個行政區的城鎮人口數，萬人。

1.3.4文化服務

旅游休閑服務的評估主要考慮流域內以自然景觀為主體的旅游風景區。在問卷調查基礎上，采用旅行費用法[26]核算價值，計算公式如下：

Ve=E×ω×μ×Pt

(12)

式中：Ve為休閑娛樂服務價值，元/a；E為流域內城鎮人口數，萬人；ω為城鎮人口中去往景區旅游的人數占比，%，可由調查問卷獲取；μ為每年游客前往景區的旅游次數；Pt為每次旅游的平均費用，可由旅游總人數和總費用計算得到。

科研教育服務的物理量采用公開發表的河流類(以評估河流為調研區域或實驗場所)科技論文的數量進行評估，其價值核算采用直接成本法[27]，計算公式如下：

Vr=Qz×F

(13)

式中：Vr為科研教育價值，萬元/a；Qz為每年發表的以評估河流為調查研究區域或實驗場所的河流類科技論文的數量，篇/a；F為每篇河流類科技論文的科研經費投入，萬元/篇，采用國家和地方河流相關科技項目科研經費投入與同年發表河流類科技論文總數之比來計算。

1.4 參數選取及來源

遼河干流生態系統服務價值核算分類體系、基本參數及其來源等見表2。

表2 遼河干流生態系統服務價值核算參數及來源Table 2 Accounting parameters and sources for ecosystem services value in the MSLR

續表2

2 結果與分析

2.1 河流生態系統服務整體狀況

2.1.1分類型生態系統服務價值

依據河流生態系統服務評估指標和評估方法，核算得到遼河干流生態系統服務功能及價值如表3所示。由表3可知，2013年遼河干流(遼河保護區)生態系統服務總價值為537.39億元。從服務類型看，遼河干流不同生態系統服務類型的價值量表現為調節服務>供給服務>文化服務>支持服務，其中，調節服務價值為424.13億元，占總價值的78.92%，在遼河干流生態系統服務價值中占主導地位。從服務功能看，遼河干流生態系統服務以洪水調蓄價值為最高(占比46.99%)，其次是氣候調節價值(占比29.22%)，水資源供給價值和旅游休閑價值分別占總價值的9.13%和8.51%，其他各項生態系統服務價值占比都低于5%。從空間分布看(圖2)，遼河干流單位面積生態系統服務價值高值區主要在河槽寬闊的遼河口區，為50～65元/m2；低值區主要在遼河口附近的灘涂區和遼河干流上游，為20～25元/m2；其他區域為25～50元/m2。

表3 遼河干流各類型生態系統服務的功能量及價值量Table 3 Function and value of ecosystem services of different types in the MSLR

圖2 2013年遼河干流單位面積生態系統服務價值空間分布Fig.2 Spatial distribution of ecosystem services value per unit area in the MSLR in 2013

2.1.2單位面積生態系統服務價值

遼河干流不同土地利用類型的單位面積生態系統服務價值統計如表4所示。由表4可知，遼河干流不同土地利用類型單位面積生態系統服務價值存在差異。具體表現為河槽(46.300元/m2)>坑塘(43.760元/m2)>旱地(28.740元/m2)>灌木林(28.700元/m2)>有林地(28.690元/m2)>草地、灘涂(28.630元/m2)>水田(28.380元/m2)。河槽的單位面積生態系統服務價值最高，其次是坑塘，這主要與水資源供給服務價值產生在河槽空間內有關；旱地、灌木林、有林地、草地、灘涂和水田的單位面積生態系統服務總價值較為接近，這與植被的NPP及其他環境因素有關。

表4 遼河干流不同土地利用類型的單位面積生態系統服務價值統計Table 4 Statistics for ecosystem services value of different land use types in the MSLR 元/m2

分河槽、灘地和河流整體空間3種核算空間，分析不同生態系統類型的單位面積生態系統服務價值，結果如圖3～圖5所示。由圖3可知，基于河槽的單位面積生態系統服務價值，表現為水資源供給(13.330元/m2)>輸沙(1.710元/m2)>水質凈化(0.550元/m2)。由圖4可知，基于灘地植被的單位面積生態系統服務價值，都是水田最高，灘涂最低，其他類型居中。其中，單位面積空氣污染物吸收價值為水田(0.180元/m2)>旱地(0.120元/m2)>有林地(0.110元/m2)>灌木林、草地(0.100元/m2)>灘涂(0.090元/m2)；單位面積土壤保持價值為水田(0.009元/m2)>有林地、旱地(0.006元/m2)>草地、灌木林(0.005元/m2)>灘涂(0.004元/m2)；單位面積固碳釋氧價值為水田(0.500元/m2)>旱地(0.330元/m2)>有林地(0.320元/m2)>灌木林、草地(0.290元/m2)>灘涂(0.250元/m2)。由圖5可知，基于河流整體空間的單位面積生態系統服務價值中，單位面積的負離子提供價值為河槽(0.230元/m2)>灘涂(0.190元/m2)>坑塘(0.120元/m2)>有林地(0.080元/m2)>灌木林(0.040元/m2)>草地(0.020元/m2)>旱地、水田(0.010元/m2)；單位面積的氣候調節價值坑塘、灘涂和河槽略高，高于9.360元/m2，旱地最低，低于9.320元/m2；單位面積的水源涵養價值河槽、坑塘略高，水田最低；單位面積棲息地價值河槽最高(2.970元/m2)，水田最低(0.220元/m2)。另外3項生態系統服務在河流整體空間平攤，沒有生態系統類型間的差異，平均水平表現為洪水調蓄(15.000元/m2)>旅游休閑(2.900元/m2)>科研教育(0.190元/m2)。

圖3 遼河干流基于河槽的單位面積生態系統服務價值Fig.3 Ecosystem services value per unit area in the MSLR based on river channel

1)單位為0.1元/m2。圖4 遼河干流基于灘地植被的單位面積生態系統服務價值Fig.4 Ecosystem services value per unit area in the MSLR based on beach vegetation

1)單位為0.1元/m2；2)單位為10元/m2。圖5 遼河干流基于河流整體空間的單位面積生態系統服務價值Fig.5 Ecosystem services value per unit area in the MSLR based on the space of land and water

2.2 河流生態系統服務空間差異

通過柵格計算方式獲得遼河干流生態系統的空氣污染物吸收、氣候調節等6項服務價值，結果如圖6所示。由圖6可知，空氣污染物吸收價值和固碳釋氧價值的高值區均集中分布在遼河口附近和遼河干流中游，其他區域差異小；氣候調節服務價值在遼河口和遼河干流北段較高，其他區域多為中低值區；水源涵養服務價值在遼河口最高，其他區域多為中低值區；土壤保持服務價值在遼河干流普遍較低，無明顯高值區；棲息地服務價值高值區集中在遼河口，其他區域多為中低值區。

圖6 2013年遼河干流生態系統服務價值空間分布及代表區段示意Fig.6 Spatial distribution of ecosystem services value in the MSLR and representative sections in 2013

結合環境影響因素，對基于柵格運算得出的生態系統服務價值空間差異的原因進行分析。據統計，各土地利用類型中，年均NPP以水田最高，灘涂最低(表5)。從遼河干流年均NPP的空間分布來看，NPP年均值為0～400 g/m2，在遼河口附近和遼河干流中游區最高(>150 g/m2)〔圖7(a)〕。這2個區域土地利用類型均以農田為主，其中遼河口附近是水田的主要分布區。由于固碳釋氧價值和空氣污染物吸收價值與NPP呈正相關，因此二者的單位面積生態系統服務價值都表現為水田最高，灘涂最低。

表5 2013年遼河干流不同土地利用類型的年均NPP統計Table 5 Annual average net primary productivity of different land use types in the MSLR in 2013 g/m2

2013年遼河干流年降水量在上游偏高，遼河口偏低〔圖7(b)〕；而蒸發量自上游向河口有升高趨勢〔圖7(c)〕。水源涵養價值主要受降水量和蒸發量影響，降水量和蒸發量的差值表現為遼河口區低、干流上游區高；由于遼河口附近主要土地利用類型為水田，因此水田的單位面積水源涵養價值很低。另外，遼河口蒸發量高，灘涂面積廣，氣候調節價值與蒸發量正相關，因此單位面積氣候調節服務價值最高；而旱地自上游向河口分布廣泛，蒸發量的均值偏低，導致旱地的單位面積氣候調節價值較低。

圖7 2013年遼河干流生態系統服務價值核算相關參數Fig.7 Related parameters for ecosystem services value accounting in the MSLR in 2013

2.3 河流生態系統服務年際差異

由2013年遼河保護區土地利用類型單位面積生態系統服務價值推算，2009年遼河干流生態系統服務總價值為435.76億元，2009—2013年生態系統服務總價值增加了101.63億元，平均每年增加25.4億元。

自遼河保護區劃定以來，因注重河流生態保護，河流生態系統服務價值得以提升。由土地利用數據變化看，2009—2013年草地和河流面積分別增加了211.61和136.49 km2；與此同時，旱地和灘涂面積分別減少了250.29和105.50 km2。另外，根據《2014年遼寧省統計年鑒》，2013年鐵嶺、沈陽、鞍山和盤錦4市的GDP共1.21萬億元，遼河保護區的生態系統服務價值占4市GDP總量的4.42%，與永定河流域[37]和廣東省河流生態系統[7]研究結果接近。

2.4 河流生態系統服務區域差異

遼河保護區自下游向上游分別是盤錦市、鞍山市、沈陽市、鐵嶺市，單位面積生態系統服務價值為26.38～37.16元/m2；單位面積生態系統服務價值盤錦市最高，鐵嶺市最低，沈陽市和鞍山市居中(表6)。生態系統服務價值的區域分異與河槽、坑塘面積比例關系緊密(單位面積的河槽和坑塘價值遠高于其他類型)。遼河口附近的盤錦市以灘涂為主要類型，占全市總面積的65.1%，遼河源頭區的鐵嶺市以草地和旱地為主，二者共占73.60%；盤錦、沈陽、鞍山、鐵嶺4市河槽和坑塘面積占比分別為11.93%、82.5%、7.70%和7.26%。

表6 遼河干流不同區域生態系統服務價值Table 6 Ecosystem services value of different regions in the MSLR

3 結論與展望

(1)2013年遼河干流生態系統服務總價值為537.39億元，其中洪水調蓄服務占比最高(46.99%)，其次是氣候調節服務(29.22%)。

(2)遼河干流單位面積生態系統服務價值以河槽最高，坑塘次之，其主要來自水體的水資源供給等服務價值；旱地、灌木林、有林地、草地、灘涂和水田較低且數值接近，這主要與土地利用分布、NPP和氣象因素等有關。

(3)2013年遼河干流生態系統服務總價值比2009年增長了101.63億元；遼河干流流經的4個城市，單位面積生態系統服務價值和生態系統服務總價值均以遼河口的盤錦市為最高，洪水調蓄和氣候調節2項服務在該區域的作用明顯。

相較于以往的研究，本研究提出的寬灘型河流生態系統服務價值核算方法表現出明顯優勢：核算結果落在空間柵格上，突破了1條河流1個數據的傳統局限；可以反映河流上下游不同區段價值變化及生態修復取得的成效，以服務于河流管理工作。但研究尚存在對于灘地按照陸域生態系統類型核算的不足。灘地連接水體和陸地，結構復雜，灘地植被對降水、氣溫等環境條件反應敏感，灘地生態系統服務價值年內和年際波動較大，使用年均值來表征其服務價值稍顯粗略。依靠長時間序列、高精度的遙感數據進行動態評估將有助于提升評估結果準確性。目前生態系統服務價值核算普遍存在潛在價值與現實價值交織問題，現有方法尚未區分。多種數據源精度不一，也會對核算結果產生影響。未來隨著遙感影像分辨率以及參數獲取能力的不斷提高，河流生態系統服務價值核算有望從寬灘型河流拓展到普通線狀河流。