基于全球陸地生態系統的水源涵養服務價值時空變化分析

高月明, 吳文俊, 蔣洪強, 段 揚, 周夏飛, 馬國霞

1.生態環境部環境規劃院， 國家環境保護環境規劃與政策模擬重點實驗室, 北京 100012

2.生態環境部環境規劃院生態環境與經濟核算研究中心, 北京 100012

3.生態環境部環境規劃院京津冀區域生態環境研究中心, 北京 100012

生態系統服務的價值評估是國內外研究的熱點[1-3]，可構建自然生態系統與生態效益之間的評估體系，認識國家或區域之間的生態關聯[4-5]，借助生態系統服務價值大小及其空間分布特征來定量刻畫全球生態系統運行的總體狀況[6-7]. 全球陸地生態系統服務評估可以識別由生態系統服務損害和削弱所導致的水土流失、洪澇災害和生物多樣性喪失等生態問題，維持和改善區域生態系統服務，是定量評估生態保護成效的有效途徑.

1997年，Costanza等揭開了對生態系統服務價值研究的序幕，如對全球17種生態系統服務價值進行估算，得出全球生態系統每年提供服務的水源涵養服務價值約1.12×1012美元，占陸地生態系統價值的9%[8]，到2011年增至1.87×1012美元[9]，增幅達67.8%，為生態系統服務價值評估的主要指標之一. 隨著千年生態系統評估(MA)、生態系統和生物多樣性經濟學(TEEB)、財富賬戶與生態系統價值核算(WAVES)、環境經濟核算-試驗生態賬戶(SEEA-2012)等概念及框架的發布，許多學者開始嘗試對全國和各地區的生態系統服務價值進行評估研究[10]，以充分反映自然生態系統的價值. Ouyang等[11]評估了中國2000—2010年水源涵養等7項指標價值的變化情況，水源涵養實物量增幅為3.6%，增幅區域主要分布在長江經濟帶等，并從物質產品、調節服務與非物質產品三方面構建GEP評估體系模型[12]，評估得出青海省2000—2015年GEP增長了74.9%，以此強調15年間大規模生態保護和恢復工程增加生態資產的重要性. 王金南等[13]對中國2018年31個省(自治區、直轄市)不同生態系統的經濟生態生產總值(GEEP)進行了評估，森林和草地的水源涵養服務價值為4.9×1012元，呈現自東南向西北遞減的空間趨勢.

隨著人類經濟活動和城鎮化發展，自然資源存量不斷被消耗和侵占[14]，全球森林生態系統面積持續下降，2016年占全球陸地面積比例僅為30.72%. 全球氣候變化和土地利用狀態不斷轉換，使生態系統格局破碎化加劇，泥石流、洪水等自然災害頻發，控制土壤沙化、降低水土流失[15-16]，加強生態系統水源涵養研究意義凸顯. 該研究從生態系統提供服務的角度，借鑒GEP的評估思路和方法，采用1 km×1 km分辨率，對2000—2015年全球陸地生態系統服務中水源涵養服務價值開展評估，重點聚焦于國家、典型區域和主要生態系統類型的對比分析，并與區域面積、人口等進行疊加，全面評價全球生態系統水源涵養服務價值的變化情況. 該研究對構建大尺度生態系統水源涵養服務價值評估的方法和分析手段以及摸清全球各國家和地區水源涵養服務價值的時空分布規律具有一定的科學參考價值，對支撐“兩山轉化”、生態產品價值實現機制、生態補償、生態脫貧等生態環境保護政策制定具有重要作用.

1 研究方法

生態系統通過其結構和過程攔截滯蓄降水，增強土壤下滲，涵養土壤水分和補充地下水、調節河川流量[17]. 水源涵養量大的地區不僅能滿足評估區內生產生活的水源需求，還會持續向區域外提供水資源[18]. 水源涵養服務價值評估方法主要有基本價值轉移法和空間建模法[19]. 其中，基本價值轉移法是借助單位面積生態系統水源涵養服務價值定價結果評估生態系統價值，需結合已有研究基礎，根據專家意見對生態系統服務價值進行修正，提高評估準確性，但無法量化生態系統服務實物量；空間建模法則通過存量和流量的概念切入，從生態系統提供的生態福祉角度建立模型，模擬得到不同生態系統服務實物量，以替代成本法、市場價值法等對實物量進行定價.

在深入總結聯合國千年生態系統評估[20]、SEEA實驗生態系統賬戶[21]、《陸地生態系統生產總值(GEP)核算技術指南》[22]和《森林生態系統服務功能評估規范》[23]以及國內外知名學者[8-13,24-25]相關成果經驗的基礎之上，充分考慮數據可獲得性，提出全球生態系統水源涵養服務價值評估方法.

全球生態系統水源涵養服務評估原則與GEP保持一致： ①評估周期為1年；②評估對象為最終產品，不包括中間產品；③屬于流量概念，而非存量概念，即評估周期內生態系統為人類提供的生態效益；④評估涵蓋實物量和價值量.

1.1 水源涵養實物量評估方法

生態系統水源涵養量是通過水量平衡方程計算一定時空內降水輸入與暴雨徑流和生態系統自身水分消耗量的差值.

(1)

式中：Qwr為水源涵養量，m3/a；Pi為產流降水量，mm/a；Ri為地表徑流量，mm/a；ETi為蒸散發量，mm/a；Ai為第i類生態系統面積，m2；i為評估區域的第i類生態系統類型，包括森林、草地、濕地、農田、城鎮和荒漠生態系統；n為評估區域的生態系統類型總數.

1.2 水源涵養服務價值評估方法

水源涵養服務價值主要體現為蓄水保水所產生的經濟價值，即采用影子工程法模擬建設蓄水量與生態系統水源涵養量相當的水利設施，用建設該水利設施所需要的成本來評估水源涵養服務價值.

Vwr=Qwr×(Cwe+Cwo)×s

(2)

式中：Vwr為蓄水保水價值，美元/a；Cwe為水庫單位庫容的工程造價，元/m3；Cwo為水庫單位庫容的年運營成本，元/m3；s為當年貨幣匯率.

受數據獲取限制，全球單位庫容的成本以中國的水庫單位庫容總成本為評估依據. 根據1993—1999年《中國水利年鑒》平均水庫庫容造價為2.17元/m3，通過不同價格指數貼現至2015年單位庫容造價為7.29～7.78元/m3. 參考聯合國地理方案，將全球劃分16個區域，通過中國單位庫容總成本以及全球各國工資成本數據來折算各區域的水庫單位庫容成本(見表1)，并采用中間值進行價值量核算.

表1 2015年全球主要區域的水庫單位庫容總成本

1.3 土地利用變化分析

定量分析時間遷移過程中不同土地利用類型之間的轉移方向，計算土地利用轉移矩陣，反映生態系統服務變化的驅動力因素影響情況.

1.4 數據分析方法

用Excel 2019和ArcGIS 10.4軟件處理數據，氣象站點通過ArcGIS 10.4中克里金插值法進行插值分析，IBM SPSS 25.0(Statistical Product and Service Solutions)軟件進行不同指標的相關性分析和聚類分析.

1.5 數據來源

研究區域包括全球183個國家和地區，研究時段選取2000年、2005年、2010年和2015年，主要包括全球降水量、蒸散發、地表徑流、土地覆蓋、社會經濟等數據(見表2).

表2 數據來源及描述

2 結果與分析

2.1 全球陸地生態系統水源涵養服務價值

2015年全球183個國家和地區提供的生態系統水源涵養服務價值如圖1所示. 評估結果表明，2015年全球陸地生態系統水源涵養服務價值大，接近25×1012美元，單位面積水源涵養服務價值為17.98×104美元/km2. 從國家層面來看，排名前15位國家的生態系統水源涵養服務價值合計約為19×1012美元，占全球總量的76%，排名前5位的是中國、澳大利亞、美國、加拿大、俄羅斯，此外，剛果(金)、中非、肯尼亞等非洲南部國家生態系統開發程度低，植被保護良好，同樣具有相對較高的水源涵養水平. 從洲際分布來看，在全球陸地生態系統水源涵養服務價值中，亞洲占31%，美洲占29%，非洲占17%，大洋洲占13%，歐洲占10%；從南北半球分布來看，北半球占75%，南半球占25%；從發展程度來看，發達國家占36%，發展中國家占46%，最不發達國家占18%，不同國家和地區的生態稟賦不同，全球水源涵養空間分布差異明顯.

圖1 2015年全球水源涵養服務價值空間分布

2.2 像元尺度水源涵養時空變化分析

2000年、2005年、2010年和2015年全球生態系統水源涵養的變化情況如圖2、3所示.

圖2 不同時期全球水源涵養實物量的變化

圖3 2000—2015年全球生態系統水源涵養實物量的空間變化

從時間尺度變化來看，2000—2015年水源涵養實物量年均增長率為1.05%. 其中，2000—2005年期間，2005年全球年降水量陷入低谷，水源涵養實物量較2000年下降5.5%，實物量亦是4個年份中最低，為14.8×1012m3. 2005—2015年，水源涵養實物量變化率基本維持在10%左右，這可能是因為全球生態環境保護理念得到進一步認識，生態系統功能加強. 另外，全球變暖、冰川融化導致降水量增多，頻次提高，導致水源涵養量提高. 從空間分布來看，2000—2015年亞洲東部與南部、非洲中部和北美洲大部分地區生態系統水源涵養實物量呈增長趨勢，而世界第三極喜馬拉雅山脈附近的增幅最大；大洋洲、歐洲和南美洲則出現大規模的水源涵養能力流失，其中澳大利亞、印度尼西亞、葡萄牙、巴西等國家表現最為明顯.

由生態系統類型分布(見圖4)可知，2000—2015年全球以森林生態系統水源涵養實物量為主，占比為44.8%～46.0%，農田和草地水源涵養實物量基本在20%左右，城鎮生態系統最低. 2000—2015年全球森林生態系統水源涵養增量(1.26×1012m3)最大，年均增長率為1.11%. 農田生態系統(2.37%)和濕地生態系統(2.19%)年均增幅顯著，2015年單位面積水源涵養實物量分別為0.16 m3/m2和0.04 m3/m2，其中，濕地生態系統數值偏低，主要是因為南極洲和格陵蘭島遍布冰川，基本不具備水源涵養功能，歸類為濕地生態系統. 2015年草地生態系統單位面積水源涵養實物量為0.22 m3/m2，較2000年增長了60.9%. 荒漠生態系統水源涵養功能整體呈削弱趨勢，年均降幅為2.68%.

圖4 全球不同生態系統類型的水源涵養實物量變化

由表3可見，2000—2015年全球陸地主要生態系統類型為森林，其面積占比超過35%，其次為荒漠和農田. 從時間變化來看，15年間全球陸地生態系統類型發生轉變的面積為0.33×108km2，2015年農田、城鎮和荒漠生態系統面積較2000年分別提高了63.8%、42.6%和13.4%，草地和森林生態系統面積則分別縮減了29.1%和12.0%，濕地生態系統面積基本不變. 新增的農田生態系統面積主要來源于草地生態系統(31.5%)和森林生態系統(20.9%)，主要分布在南美洲和亞洲南部；新增的城鎮生態系統面積主要來源于農田生態系統(20.6%)、草地生態系統(16.6%)和森林生態系統(13.9%)，主要分布在北美洲和亞洲；新增的荒漠生態系統面積主要來源于森林生態系統(9.9%)和草地生態系統(7.2%)，主要分布在大洋洲和非洲；縮減的森林生態系統面積主要變更為農田生態系統(8.3%)、草地生態系統(5.7%)和荒漠生態系統(5.5%)，主要分布在北美洲和亞洲南部；縮減的草地生態系統面積主要轉移為農田生態系統(34.5%)、荒漠生態系統(11.0%)和森林生態系統(9.5%)，主要分布在亞洲南部；濕地生態系統面積占比變化率低于1‰. 全球生態系統類型轉移可能是導致生態系統水源涵養服務價值變化的驅動因素之一.

表3 2000—2015年全球陸地的生態系統轉移矩陣

2.3 國家尺度水源涵養聚類分析

以系統聚類方法對2000—2015年全球水源涵養實物量評估結果進行分類，將各國家和地區的水源涵養實物量由高到低劃分為“高”“較高”“中等”“較低”4個類別.

由圖5可見，處于“較高”水平國家的水源涵養實物量之和在2000年、2010年和2015年這3個年份中均排名第一，占比分別為29.1%、29.5%和41.7%；處于“高”水平國家的水源涵養實物量之和占比僅在2005年排名第一，達到34.9%，其余年份均處于末位，在14.9%～23.0%之間. 從國家層面來看，2000—2015年水源涵養實物量處于“較高”及以上水平的國家是澳大利亞、中國、印度和阿根廷，其中澳大利亞連續3個年份位居“高”水平行列，但在2015年被中國反超，降至“較高”水平. 從年際變化趨勢來看，中國、俄羅斯、印度、加拿大等國家水源涵養實物量聚類評估等級趨于良好；而巴西、蘇丹等國家水源涵養實物量聚類評估等級則呈惡化趨勢. 從洲際層面來看，水源涵養實物量較大的國家主要分布在亞洲和美洲，大部分歐洲國家由于國土面積相對較小，難以排名前茅，而非洲國家大多位于赤道附近，因氣候炎熱、年度蒸散量大，生態系統難以有效進行水源涵養. 另外，發達國家或經濟總量較高的國家更加注重生態環境保護，國家整體水源涵養水平相對較高，從而提高了生態系統調節能力.

圖5 2000—2015全球國家尺度水源涵養實物量聚類結果

2.4 國家尺度水源涵養指標分析

由圖6可見，全球水源涵養服務價值排名前20位的國家主要集中分布于第二象限區域，即水源涵養服務價值相對較少、但密度指標(單位面積和人均水平)較高的區域，基本屬于非洲國家和最不發達國家，地理位置最為偏僻、經濟最為落后，亟需建立健全生態產品價值實現機制和實現路徑. 俄羅斯受限于國土面積遼闊，中國和印度受限于人口基數巨大，均處于第四象限. 全球發達國家人均水源涵養服務價值為0.99×104美元，單位面積價值量23.6×104美元/km2，排名前20位的發達國家中，除挪威外，美國、加拿大和澳大利亞均位于第一象限，阿根廷具備良好的生態環境稟賦，這可能助其躍居發達國家行列.

圖6 2015年水源涵養服務價值排名前20位國家的密度指標分析結果

以國家為最小單元，對比分析不同年份下水源涵養實物量與社會經濟指標的斯皮爾曼相關性(見表4). 水源涵養實物量與水源涵養服務價值和降水量的相關性高且不斷增強，2015年水源涵養實物量與價值量的相關系數為0.997. 水源涵養實物量與蒸散發量亦具有較強的相關性. 在社會經濟指標方面，水源涵養實物量與國土面積相關性最為顯著，與GDP相關性一般. 水源涵養實物量與人口總數的相關系數介于0.6～0.7之間，且呈現逐年遞增趨勢，這可能是因為人類對生態系統服務關注度和需求量日益增加，全球陸地生態系統服務與全人類福祉的關系更加緊密. 水源涵養服務價值與GDP之間存在顯著的權衡關系，相關系數穩定在0.4～0.5之間，而降水量和蒸散發量則呈現出顯著的協同效應，相關系數均超過0.9.

表4 2000—2015年國家尺度下各項指標的相關性

3 討論

關于生態系統水源涵養服務的研究較多(見表5)，空間尺度主要為區域和流域層面，涉及的生態系統類型種類多，主要包括森林、草地、濕地、農田、城鎮和荒漠生態系統. Daily等[25]系統闡述了水源涵養等生態系統功能和生態系統服務的內容與評價方法，分析了全球不同地區森林、濕地、海岸等生態系統服務功能價值評價. Ma等[26]對我國2016年31個省(自治區、直轄市)GEP和GEEP進行評估，其中森林、草地和濕地生態系統的水源涵養和洪水調蓄服務價值為10.39×1012元，分別占GEP和GEEP的14.28%和8.21%. 翟月鵬等[27]通過分析京津冀區域的水源涵養服務空間異質性，對各區縣、各流域劃分供體區和受體區. Zhang等[28]認為，在全球氣候變化背景下，生態系統水源涵養服務引起公眾的廣泛關注，并根據北京市森林資源調查資料和數學模擬，估算北京市森林水源涵養服務價值高達52.3×108元. 生態系統水源涵養服務對社會經濟發展影響甚大，但缺乏國家甚至全球尺度下生態系統水源涵養和貨幣價值的空間異質性的宏觀評估研究[29].

表5 水源涵養服務價值相關研究進展

方法層面，水量平衡法和單位面積價值法是目前用于評估水源涵養的主要方法. 其中，前者受植被覆蓋、土壤水分、凋落物層厚度和土壤孔隙度等多種因素影響，蒸散量和徑流量難以準確測量，并受插值方法、降水季節變化、極端降雨事件等影響，但可以解釋水源涵養作用機理，更準確地估算節水效率，指導區域水資源的合理配置和管理，逐漸被廣泛應用[30-31]；后者以土地利用現狀為基礎，通過對各類生態系統定價，評估生態系統水源涵養服務價值，缺乏水源涵養實物量核算，單位面積生態系統服務價值取決于像元內生物量分布、空間異質性等，冰川、荒漠等生態系統定價困難，可通過兩種方法對比進行當量因子修正[32-33].

筆者結合相關領域研究，基于1 km×1 km像元尺度定量評估了2000—2015年全球生態系統水源涵養服務實物量和價值量. 考慮到全球生態系統地理格局的相互作用和世界各國家和地區的變化，以國家為單元的全球生態系統水源涵養服務評估，可強調國家保護對全球生態系統價值的貢獻[34]. 根據2000—2015年全球水源涵養實物量與國土面積的相關性分析可知，國土面積大則降水受納范圍廣，這也在一定程度上與聚類分析結果相契合，水源涵養實物量“較高”水平及以上者均為全球國土面積排名前8位的國家，它們在2000年甚至占據水源涵養實物量的前8位. 生態系統服務與人類福祉息息相關[35]，水源涵養實物量與國家人口總數的相關性系數接近0.7，側面展現了全球森林、農田、水資源和氣候的生態環境改變將影響70多億人的需求. 2000—2015年全球生態系統轉移矩陣分析結果顯示，生態系統類型發生轉移的面積占比為22.3%，土地利用變化使人類能夠獲取地球上越來越多的資源，這也可能破壞生態系統平衡[36]. 通過評估生態系統服務對人類生產生活所帶來的價值，可對人類需求和生態系統長期提供產品和服務的能力進行權衡.

生態系統是一個生命共同體，水源涵養、土壤保持、固碳等生態系統功能間存在權衡和協同關系，將是生態系統服務研究的熱點[37-38]. Liu等[39]通過文獻計量方法，以水源涵養和土壤保持為關鍵詞分析，結果表明我國水土保持方面的研究迅速增加，農業、水資源利用、水土流失與生態系統服務是密切相關的主題，水土保持對水資源等全球環境變化的響應管理、土地利用和生態環境保護是潛在的新興研究熱點. 森林生產力的提高和生態系統水源涵養間存在權衡，Farooqi等[40]研究表明固碳作用和水源涵養是森林生態系統改善環境問題的兩項關鍵生態系統服務，從森林的發展趨勢和社會視角出發，提出森林碳匯和水源涵養雙重考慮的綜合研究框架，建立全球或區域森林保護研究網絡，旨在提供平衡的森林生態系統服務，包括固碳、水源涵養和其他服務. 在全球氣候變化背景下，各國相繼提出碳達峰、碳中和目標，優化雙重或多重服務是生態系統減緩全球氣候變化和維護陸地水平衡的最終目標[38]. 游惠明等[41]對泉州灣河口濕地生態系統研究發現，城市化和經濟開發強度提升會導致污染物排放、水利工程修建、圍塘養殖等影響加劇，自然濕地面積不斷減少，水源涵養等生態系統服務價值降低. 目前的研究多數僅是服務價值核算，僅少數研究開展驅動力分析，主要是主成分分析或相關性分析等單驅動因子探討，需針對多因子間的權衡協同、相互作用途徑、作用強度等方法開展研究[42]. 生態系統服務和權衡的綜合評估模型(InVEST模型)基于水量平衡機理進行評估，提供了多種生態系統服務評估，涵蓋陸地生態系統和海洋生態系統，可模擬水源涵養、土壤侵蝕、岸線保護、碳儲量、生境風險評估等生態系統服務，利用InVEST模型評估生態系統功能及研究生態系統服務權衡協同關系將是未來研究的熱點之一[43-44].

水源涵養服務作為生態系統調節服務的一項重要指標，在一定程度上會影響生態系統服務價值. 由于開展全球生態系統水源涵養服務價值評估所需基礎數據在查找和獲取上面臨較大困難，無法完全收集到全球各國的相應數值，價格設定均以中國的相關參數和價格為參照，存在一定程度的偏差. 鑒于全球各國實際徑流量數據難以獲取，故采取降雨強度替代法評估水源涵養服務價值，可能使結果存在一定偏差. 選用影子工程法計算水源涵養服務價值，可能會產生高估. 筆者將生態系統類型劃分為6類生態系統，由于全球生態系統類型和自然環境條件異質性強，該評估所得僅為大致結果.

4 結論

a) 2015年全球183個國家和地區的陸地生態系統水源涵養服務價值較大，接近25×1012美元，不同國家和地區的生態稟賦不同，空間分布差異明顯. 排名前15位國家的生態系統水源涵養服務價值總和約為19×1012美元，超過全球總量的3/4；亞洲和美洲水源涵養服務價值較高，約占全球總量的30%.

b) 2000—2015年，全球水源涵養實物量呈先降后升的趨勢，年均增長率為1.05%，亞洲東部與南部、非洲中部和北美洲大部分地區隨年際變化呈現正向分布，而大洋洲、歐洲和南美洲呈逆向分布；生態系統類型轉移趨勢與其水源涵養服務價值變化趨勢基本相符.

c) 部分非洲國家或最不發達國家水源涵養服務價值相對較低，而單位面積和人均指標卻較高，需加快生態產品價值路徑探索. 全球發達國家不到15%的國土面積承載著超過1/3的水源涵養服務價值. 中國、印度和俄羅斯受限于生態環境本底、人口基數、國土面積等因素，與發達國家仍存在一定差距.

d) 處于“較高”及以上水平國家水源涵養實物量占比基本在48%～57%之間，澳大利亞、中國、印度等國家基本穩定在“較高”及以上水平，發達國家或經濟總量較高的國家生態環境保護力度高，生態系統調節能力強，單位面積水源涵養服務價值高.