南水北調(diào)中線工程途經(jīng)區(qū)生態(tài)服務(wù)價值的時空變化

賈 毅,張松林

西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,蘭州 730070

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(以下簡稱生態(tài)服務(wù))是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(以下簡稱生態(tài)服務(wù)價值)是生態(tài)服務(wù)功能的貨幣化形式[2]。土地利用/覆被變化(Land Use/Land Cover,LULC)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)改變、進而導(dǎo)致生態(tài)服務(wù)價值變動[3]。因而,研究LULC引起的各類生態(tài)服務(wù)價值變化有助于區(qū)域的生態(tài)服務(wù)質(zhì)量分析、問題辨識和可持續(xù)發(fā)展。

20世紀(jì)70年代初,Daily系統(tǒng)介紹了生態(tài)服務(wù)功能的概念與作用[4],Constanza等細(xì)分了生態(tài)服務(wù)的類型,提出了定量評估方法,推動了生態(tài)服務(wù)量化研究[5]。目前的生態(tài)服務(wù)研究側(cè)重于功能分類[6-9]、驅(qū)動力研究[10]和價值預(yù)測[11-12],特別是土地利用類型變化對生態(tài)服務(wù)價值影響的研究更受關(guān)注[13-15]；研究范圍包括國家[1]、區(qū)域[16-19]、省[10,14,20-21]和市[2,11-12,22,24-25],乃至村鎮(zhèn)[23]。然而,針對大型水利工程對途經(jīng)區(qū)生態(tài)服務(wù)功能價值影響的研究較少。

大多數(shù)學(xué)者選用謝高地等修改的當(dāng)量因子法[7]。該方法雖然簡單易算,但是沒有考慮自然環(huán)境異質(zhì)性導(dǎo)致的生態(tài)服務(wù)價值核算復(fù)雜性。若將各生態(tài)服務(wù)功能等量齊觀,就會忽視損失量較多的服務(wù)功能、進而顯著影響區(qū)域生態(tài)服務(wù)功能的整體發(fā)揮[26]。

南水北調(diào)中線工程建成前后的生態(tài)服務(wù)價值變化研究有助于沿線土地的合理規(guī)劃和科學(xué)利用。本文基于2000—2018年南水北調(diào)中 線工程途徑區(qū)的土地利用類型變化情況,運用改進后的當(dāng)量因子法和構(gòu)建的優(yōu)先指數(shù),探討生態(tài)服務(wù)靜態(tài)價值的時空特征和動態(tài)價值的變化趨勢,為研究區(qū)土地資源可持續(xù)利用和針對性生態(tài)環(huán)境保護提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

南水北調(diào)中線工程途徑區(qū)(圖1)位于31.7°—41.6°N,105.51°—118.06°E,面積286176.22 km2,含四省(湖北、陜西、河南和河北省)22個地級市和2個直轄市(北京和天津),2018年總?cè)丝?6492.04萬人；區(qū)內(nèi)大部屬溫帶季風(fēng)氣候,80%為平原,主要土地利用類型為耕地和林地。其中,陜西省漢中市、安康市、商洛市和湖北省十堰市是南水北調(diào)中線工程的核心水源供給區(qū),北京市、天津市、河北省和河南省大部為南水北調(diào)中線工程的核心水源接收區(qū)。渠首位于湖北省丹江口水庫,總干渠1276.414 km,天津段155.531 km；截至2020年11月1日,累計輸水340.53億m3；其中,2019年底北京市地下水平均埋深提升近3 m,2020年8月底河北省淺層地下水位提升1.07 m,深層地下水位提升11.67 m,調(diào)水效果顯著[27-30]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)基于2000、2005、2010年的Landsat/ETM,2015、2018年的Landsat 8的土地利用數(shù)據(jù)以及行政邊界矢量數(shù)據(jù)源自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)。土地利用數(shù)據(jù)可直接使用,無需轉(zhuǎn)換。由遙感影像生成的土地利用圖位置誤差平均小于50 m,圖斑判讀正確率98.7%,土地利用一級類型分類綜合評價精度93%以上,二級類型分類綜合評價精度90%以上[31-33]。

本文將土地利用類型數(shù)據(jù)在ArcGIS 10.2中重分類為耕地、林地、草地、水體、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和未利用地,將生態(tài)服務(wù)細(xì)分為食物生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、水資源供給、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、水文調(diào)節(jié)、土壤保持、養(yǎng)分循環(huán)、生物多樣性和美學(xué)景觀十一類[9]。

2.2 研究方法

2.2.1靜態(tài)生態(tài)服務(wù)價值核算

基于謝高地等提出的陸地生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量因子[7-9],參考朱九龍等[34]和林棟等[22]的城鄉(xiāng)建設(shè)用地價值系數(shù),本文對價值當(dāng)量表進行了適度的修正,提出適合于研究區(qū)實際的價值當(dāng)量表(表1)。

考慮到研究區(qū)大部屬于我國的糧食主產(chǎn)區(qū),故使用全國糧食單價。2000—2018年我國糧食單產(chǎn)4982.003 kg/hm2,按照2018年國家發(fā)改委規(guī)定的糧食最低收購價,只考慮早秈稻、中晚稻、粳稻和小麥,得出單位面積糧食價格為12230.82元,由此研究區(qū)一個生態(tài)服務(wù)價值的當(dāng)量因子(即價值系數(shù))為1747.14元/hm2[13],以此類推得到研究區(qū)各項生態(tài)服務(wù)價值的系數(shù)(表1)。

表1 研究區(qū)不同利用類型土地和各項生態(tài)服務(wù)功能的價值系數(shù)/(元/hm2)Table 1 Value coefficients of different land use types and ecological service functions in the study area

采用以下公式計算研究區(qū)的靜態(tài)生態(tài)服務(wù)價值[5]：

ESV=∑Ak×VCk

(1)

ESVf=∑Ak×VCfk

(2)

式中,ESV為研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價值；Ak為研究區(qū)第k類土地利用類型的面積,VCk為第k種土地利用類型生態(tài)服務(wù)功能的價值系數(shù),即單位面積生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值(元 hm-2a-1)；ESVf為生態(tài)系統(tǒng)第f項服務(wù)功能的價值；VCfk為研究區(qū)第k種土地利用類型第f項服務(wù)功能的價值系數(shù)。

2.2.2靜態(tài)服務(wù)價值敏感性

為驗證靜態(tài)服務(wù)價值估算結(jié)果的合理性及其變化趨勢對價值系數(shù)的依賴度,本文參考利潤敏感系數(shù)概念,將各項生態(tài)服務(wù)的價值系數(shù)分別上調(diào)50%,計算敏感指數(shù)(coefficient of sensitivity,CS)[35-36]：

(3)

式中,ESVi和ESVj分別為調(diào)整前后的生態(tài)服務(wù)價值,VCik和VCjk分別為第k類土地利用類型調(diào)整前后的生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)。若CS>1,則生態(tài)服務(wù)價值對其價值系數(shù)的敏感度高,可信度低；若CS=1,則不敏感,一般不采納；若CS<1,則敏感度低,結(jié)果可信。

2.2.3靜態(tài)服務(wù)總價值時空分布特征

使用ArcGIS 10.2平臺,根據(jù)研究區(qū)實際情況建立5 km×5 km格網(wǎng),基于土地利用數(shù)據(jù)計算每個格網(wǎng)的生態(tài)服務(wù)靜態(tài)價值；依據(jù)自然間斷點分級法(Jenks)對其分級,一級最低,五級最高,制作空間分布圖[15,37-40]。

2.2.4動態(tài)價值重構(gòu)

生態(tài)服務(wù)價值具有動態(tài)變動性且各類生態(tài)服務(wù)功能的供給能力差異性較大[41],需要對快速退化的生態(tài)服務(wù)功能優(yōu)先保護。為此,本文以每種生態(tài)服務(wù)價值的多年平均變化率和分層聚類權(quán)重[26,41-43]構(gòu)建優(yōu)先指數(shù),對生態(tài)服務(wù)靜態(tài)價值進行動態(tài)重構(gòu),以克服原有生態(tài)服務(wù)價值核算的局限性。優(yōu)先指數(shù)的計算公式為：

(4)

研究區(qū)生態(tài)服務(wù)動態(tài)價值ESVD的計算公式為：

(5)

3 結(jié)果

3.1 不同利用類型土地的時空分布特征

表2和圖2表明,研究區(qū)土地總面積隨著時間延續(xù)雖有增減但是變化不大。圖2和圖3表明,2000—2018年,研究區(qū)耕地和草地面積均減少。耕地面積的降幅最大,2015—2018年降幅2.91%。林地、水體和城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積均不同程度增加。其中,城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積的增幅最大,2015—2018年88.0%的城建用地源于耕地；未利用地占比最小但是波幅較大。土地利用格局變動會對生態(tài)服務(wù)功能發(fā)揮造成影響。

圖2 2000—2018年研究區(qū)不同利用類型土地的面積變化趨勢Fig.2 The area change trend of different land use types in the study area from 2000 to 2018

表2 2000—2018年研究區(qū)不同利用類型土地的面積及其變化狀況/hm2Table 2 The area and change status of different land use types in the study area from 2000 to 2018

圖3 2000—2018年研究區(qū)不同利用類型土地的面積及其占比Fig.3 The area and its proportion of different land use types in the study area from 2000 to 2018

3.2 靜態(tài)生態(tài)服務(wù)價值演變

3.2.1生態(tài)服務(wù)總價值變化

由圖4可知,2000—2018年,研究區(qū)生態(tài)服務(wù)的靜態(tài)總價值呈增長態(tài)勢,從2000年的5.1558×1011元下降到2015年的5.1397×1011元,再上升到2018年的5.1601×1011元,19年間的變化率為0.084%；生態(tài)服務(wù)價值略有起伏,差異不大。

圖4 2000—2018年各利用類型土地的生態(tài)服務(wù)價值與總價值Fig.4 Changes of ecosystem service value and total value of various land use types from 2000 to 2018

圖5表明,不同利用類型土地的生態(tài)服務(wù)價值年際變化呈波動狀態(tài)：耕地和草地均呈減少趨勢,而林地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、水體和未利用地總體呈現(xiàn)增加趨勢。2000—2015年,耕地和未利用地均為負(fù)增長；水體和城鄉(xiāng)建設(shè)用地均為正增長,增長率由0.11%—7.12%不等。而2015—2018年,除耕地和草地外的其它四類土地類型的生態(tài)服務(wù)價值均為正增長,城鄉(xiāng)建設(shè)用地增長率為24.01%；2000—2018年,除城鄉(xiāng)建設(shè)用地和未利用地之外,水體是變化率最大的土地利用類型,變化率為4.88%。

圖5 2000—2018年研究區(qū)各利用類型土地生態(tài)服務(wù)價值單項與總價值的增量及其變化率Fig.5 The increment and change rate of individual and total value of eco-service value of different land use types in the study area from 2000 to 2018

研究區(qū)生態(tài)服務(wù)提供主體從大到小依次為：林地>耕地>草地>水體>城鄉(xiāng)建設(shè)用地>未利用地。林地和草地均為研究區(qū)各年份生態(tài)服務(wù)價值的主要部分,19年間林地生態(tài)服務(wù)價值一直占據(jù)多數(shù)(46.65%—48.25%),增幅最明顯(2.50×1011元),而未利用地的增幅最少(1.99×108元)。2000—2015年,研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價值呈現(xiàn)負(fù)增長,主要是由于耕地、林地與草地面積大幅減少；而2015—2018年間,林地與水體面積逐步上升,使研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價值增長。2000—2015年間水體面積小幅增加,增幅為1.67%,2015—2018年間增幅明顯,為3.16%,增加值為2000—2015年間增加值的1.89倍,可能是2014年12月12日南水北調(diào)中線工程全線貫通正式運營后輸水對途經(jīng)區(qū)水體面積增加的貢獻,使得其生態(tài)服務(wù)價值增加,尤其在南水北調(diào)中線工程開工并正式輸水(2014年12月)之后增加明顯,2015—2018年增加量為2.457×109元,是2000—2015年增加量的1.93倍。

3.2.2靜態(tài)生態(tài)服務(wù)價值的敏感性分析

研究區(qū)歷年各利用類型土地靜態(tài)生態(tài)服務(wù)價值的敏感性指數(shù)均低于1,表明其對價值系數(shù)的敏感性較低、缺乏彈性,因而可信(表3)。

表3 研究區(qū)不同利用類型土地靜態(tài)生態(tài)服務(wù)價值的敏感指數(shù)Table 3 The sensitivity index of static ecological service value of different land use types in the study area

3.2.3不同利用類型土地單項生態(tài)服務(wù)功能價值的變化

由圖6可知,2000—2018年,研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價值中占比最高的是水文調(diào)節(jié)功能,約為30.37%—30.44%；養(yǎng)分循環(huán)的生態(tài)服務(wù)價值占比最低,約為1.35%—1.41%。2000—2015年,食物生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、生物多樣性、土壤保持和養(yǎng)分循環(huán)均呈減少趨勢；2015—2018年,水資源供給、氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、水文調(diào)節(jié)、養(yǎng)分循環(huán)、生物多樣性與美學(xué)景觀均為正增長。而由于耕地流失導(dǎo)致食物生產(chǎn)價值的下降最顯著,為5.59%。氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、土壤保持和養(yǎng)分循環(huán)等的生態(tài)服務(wù)價值均小幅減少,導(dǎo)致研究區(qū)生態(tài)服務(wù)的總價值降低。水文調(diào)節(jié)與水資源供給在2015—2018年增加量分別為4.7683×108元和2.2228×109元,增加率分別為 3.04%和9.17 %,部分歸因于南水北調(diào)中線工程調(diào)水,2015—2018年水體面積增加值為2000—2015年間增加值的1.89倍(圖6)。

圖6 2000—2018年研究區(qū)各項生態(tài)服務(wù)功能價值的變化Fig.6 Change of different ecological service function value in the study area from 2000 to 2018

3.2.4生態(tài)服務(wù)靜態(tài)總價值的時空分布特征

圖7表明,2000—2018年,研究區(qū)生態(tài)服務(wù)靜態(tài)總價值的空間分布差異明顯,總體來看西高東低。對照研究區(qū)高程狀況(圖1)可知,高值區(qū)主要集中在海拔較高的西南部水源核心供給區(qū),即十堰市、漢中市、安康市、商洛市和南陽市西部,是因為主要土地類型為林地和水體,森林覆蓋率高,水體面積廣；低值區(qū)主要位于地形較為平坦的平原區(qū)和城市群,即河南省和河北省大部,是因為主要土地類型為耕地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地,人類活動強度較大。

圖7 2000—2018年研究區(qū)靜態(tài)服務(wù)總價值的空間分布Fig.7 Spatial distribution of total static service value in the study area from 2000 to 2018

從2000—2018年,研究區(qū)低價值區(qū)的面積略有減少,但是分布區(qū)域相對固定；高值區(qū)的面積逐步增加,尤其是大規(guī)模調(diào)水后河南省和河北省大部分地區(qū)都出現(xiàn)了零星分布于調(diào)水線路周邊的高值區(qū)；核心調(diào)入?yún)^(qū)北京市和天津市的高值區(qū)增加度更明顯,北京市北部高值區(qū)數(shù)量增加,天津市低值洼地周邊出現(xiàn)了3個明顯的高值區(qū)。

3.3 生態(tài)服務(wù)動態(tài)價值

研究區(qū)各生態(tài)服務(wù)功能的優(yōu)先指數(shù)見表4。從2000—2018年,研究區(qū)水資源供給、氣候調(diào)節(jié)和水文調(diào)節(jié)的優(yōu)先指數(shù)較低,食物生產(chǎn)、美學(xué)景觀和原料生產(chǎn)的優(yōu)先指數(shù)較高,表明后三種生態(tài)服務(wù)功能的供給能力有所下降,需要針對性保護以提高其服務(wù)能力；而前三者的供給能力有所增強,需要持續(xù)維護。研究區(qū)2000—2018年生態(tài)服務(wù)功能的動態(tài)總價值為1.38×1012元,顯著低于靜態(tài)總價值(2.58×1012元),主要是由于動態(tài)與靜態(tài)生態(tài)服務(wù)的價值系數(shù)差別較大。

表4 研究區(qū)各生態(tài)服務(wù)功能的優(yōu)先指數(shù)Table 4 Priority index of each ecological service function in the study area

與圖6相比,研究區(qū)氣候調(diào)節(jié)、土壤保持、養(yǎng)分循環(huán)和生物多樣性的動態(tài)價值減少,而食物生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、水資源供給、氣體調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境和美學(xué)景觀的動態(tài)價值增加。不同服務(wù)功能價值對研究區(qū)動態(tài)總價值的貢獻大小不一。研究區(qū)耕地面積近半且降幅明顯,因此其食物生產(chǎn)和土壤保持功能對研究區(qū)生態(tài)服務(wù)的動態(tài)價值與總價值均影響較大,今后要注意維持耕地的數(shù)量相對穩(wěn)定,提高糧食單產(chǎn),提升食物生產(chǎn)與土壤形成與保護的生態(tài)服務(wù)功能價值,以維護研究區(qū)生態(tài)服務(wù)供給的平衡[38]。可見,生態(tài)服務(wù)靜態(tài)價值重構(gòu)可充分體現(xiàn)其單項生態(tài)服務(wù)功能貢獻的相對重要性和動態(tài)變化性；靜態(tài)價值與動態(tài)價值相結(jié)合的分析方法更能全面反映研究區(qū)生態(tài)服務(wù)功能的變化趨勢,為生態(tài)環(huán)境針對性保護與合理利用提供科學(xué)依據(jù)(表5)。

表5 重構(gòu)后的研究區(qū)各生態(tài)服務(wù)功能的動態(tài)價值/元Table 5 Dynamic value of each ecological service function in the study area after reconstruction

4 討論

綜合比較可操作性、對比性和經(jīng)濟性,謝高地等基于Costanza等研究結(jié)果修正的當(dāng)量因子法更適合于中國生態(tài)服務(wù)價值評估的實際[5,9]。但是,由于當(dāng)量因子法未細(xì)分單項生態(tài)服務(wù)功能,未區(qū)分各單項生態(tài)服務(wù)功能的貢獻權(quán)重[41]。本文基于優(yōu)先指數(shù)對生態(tài)服務(wù)靜態(tài)價值進行重構(gòu),根據(jù)動態(tài)價值判斷其保護的優(yōu)先級別,以對薄弱的單項生態(tài)服務(wù)功能進行針對性保護,彌補了現(xiàn)有當(dāng)量因子法的不足。

孫東琪等[44]研究發(fā)現(xiàn),2000—2005年中國的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量趨于惡化但惡化趨勢減緩；2005—2010年中國的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量仍較差但惡化態(tài)勢明顯趨緩且局部有所改善；本文的研究結(jié)果與之吻合。

然而,受數(shù)據(jù)獲取限制,本文未對南水北調(diào)中線工程導(dǎo)致的各省市生態(tài)服務(wù)價值變化進行詳細(xì)分析；受數(shù)據(jù)源分辨率和分類精度影響,也未對同一土地利用類型進行二級細(xì)分類,而是將水田和旱地等整合為耕地,導(dǎo)致這類土地生態(tài)服務(wù)的價值系數(shù)存在偏差；同時,生態(tài)服務(wù)功能的價值系數(shù)賦值也有一定的主觀性,導(dǎo)致生態(tài)服務(wù)價值核算誤差[45]。

社會因素和自然因素同時影響著生態(tài)服務(wù)功能的維持和供給,社會因素中的人口數(shù)量與質(zhì)量、經(jīng)濟發(fā)展水平、城鎮(zhèn)化率和政策等因素都會導(dǎo)致研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價值產(chǎn)生變動,其中政策因素直接影響、甚至決定著土地利用結(jié)構(gòu)的變化方向,導(dǎo)致土地利用類型變化,使研究區(qū)單項與總的生態(tài)服務(wù)價值變化[2]。不同的土地利用強度也會影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值[46]。本文僅從土地利用變化角度探討區(qū)域生態(tài)服務(wù)價值時空分布特征及其影響因素，未能充分識別社會經(jīng)濟因素的作用。

5 結(jié)論

生態(tài)服務(wù)價值的合理估算可以判斷區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)服務(wù)功能的強弱。本文基于改進后的當(dāng)量因子法評估了南水北調(diào)中線工程途經(jīng)區(qū)2000—2018年生態(tài)服務(wù)價值的時空變化,應(yīng)用優(yōu)先指數(shù)對生態(tài)服務(wù)靜態(tài)價值進行重構(gòu)得到了生態(tài)服務(wù)的動態(tài)價值。結(jié)果表明：

(1)2000—2018年研究區(qū)生態(tài)服務(wù)靜態(tài)價值略有增加,2018年達到峰值。19年間各利用類型土地的生態(tài)服務(wù)價值差距較大,森林的最高,未利用地的最低；耕地和草地的連續(xù)減少,水體和城鄉(xiāng)建設(shè)用地的連續(xù)增加；水文調(diào)節(jié)服務(wù)價值的貢獻率最高。(2)2000—2018年研究區(qū)生態(tài)服務(wù)靜態(tài)價值的空間分布差異明顯,自西部向東部遞減,北京市和天津市調(diào)水后高值區(qū)增加。(3)2000—2018年研究區(qū)生態(tài)服務(wù)功能的動態(tài)總價值僅有低于靜態(tài)總價值的一半,主要是由于動態(tài)與靜態(tài)生態(tài)服務(wù)的價值系數(shù)差別較大。

因此,應(yīng)重視土地利用類型變化和薄弱生態(tài)服務(wù)功能對生態(tài)服務(wù)總價值的影響,優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu),開展針對性保護,以穩(wěn)步提升整個區(qū)域生態(tài)服務(wù)的總價值。