湟水國家濕地公園濕地價值及其輻射格局研究

張艷春,毛旭鋒,*,魏曉燕,張志法,唐文家,周華坤,馬建海,尹心安,佟玲玲

1 青海師范大學地理科學學院,高原科學與可持續發展研究院,西寧 810008 2 青海省自然地理與環境過程重點實驗室,青藏高原地表過程與生態保育教育部重點實驗室,西寧 810008 3 青海師范大學經濟與管理學院,西寧 810008 4 湟水國家濕地公園管理服務中心,西寧 810008 5 青海省生態環境廳,生態環境監測中心,西寧 810008 6.中國科學院西北高原生物研究所,青海省寒區恢復生態學重點實驗室,西寧 810008 7 青海省林業與草原局,西寧 810008 8 北京師范大學環境學院,北京 100875

濕地是水陸相互作用形成的獨特生態系統,是一切與水相關的生態系統服務的重要提供者,在營養循環、氣候變化、物種多樣性、旅游文化等方面均發揮著重要作用[1—2]。在全球氣候變化和快速城市化的雙重影響下[3],濕地資源面臨著前所未有的壓力,不合理的使用和破壞導致濕地的數量和質量下降[4—5],迫切需要各國政府采取相應措施保護和修復濕地資源。濕地生態系統服務評價研究通過明確濕地生態系統與人類福祉之間的聯系,為濕地的規劃和可持續發展提供了一個科學可靠的框架。

1997年,Costanza對全球17種生態系統服務進行的經濟價值評估引起了巨大的關注,此后有關生態系統服務的研究日漸豐富,有關其定義、分類、評估、規劃和管理等研究不斷增加,集中在森林[6—7]、草地[8]、流域[9]和濕地[10—11]等生態系統類型。生態系統服務價值評估很重要,但是僅僅提供了價值上的評估結果,對生態系統的格局和過程并不清楚；關于空間格局的研究多以土地利用數據為基礎數據,在模型運算基礎上分析得到研究區的服務分布及變化情況；而對小區域的生態系統服務空間分布情況研究較少,主要是因為小區域土地利用數據要求精度高,且當前生態系統服務的運算模型多適用于大、中型區域。而且國內對城市濕地這類半自然半人工的生態系統服務研究較少[12—13],在評估基礎上對空間格局展開的相關研究更是匱乏；此外,明確生態系統服務的作用邊界一直是復雜難以解決的問題,同一區域內不同濕地的生態系統服務之間的空間溢出和疊加,相關研究也亟待開展。

斷裂點模型主要應用于經濟地理研究中,主要關于城市腹地范圍、經濟區劃分確定和城鎮吸引范圍等[14—15]；2017年喬旭寧等[16]將斷裂點模型和場強模型用于研究確定兩區域之間生態系統服務價值的相互作用關系,并確定生態系統服務的作用邊界,為斷裂點的應用研究擴展了全新的方向。

本文以位于西寧市的湟水國家濕地公園為例,在生態系統服務價值評價的基礎上,應用斷裂點理論方法,開展濕地價值和空間分布格局的研究,解決生態系統服務的作用邊界和空間溢出疊加確認問題,對支持高原城市濕地生態系統的可持續利用具有重要的理論和現實意義。

1 研究區概況和數據來源

1.1 研究區概況

湟水國家濕地公園地處青海省西寧市城區段,其分布范圍為36°33′41″—36°44′42″N,101°37′06″—101°54′50″E(圖1)。屬高原半干旱氣候,氣壓低,日照長,太陽輻射強,晝夜溫差大；年平均氣溫為7.6℃,降水的季節分配和年度分配不均勻,年平均降水量為380 mm[17]；公園內濕地可劃分為2類2型,為河流濕地和人工濕地2類,永久性河流和洪泛平原濕地2個濕地型。

圖1 湟水國家濕地公園地理位置示意圖Fig.1 The location of Huangshui National Wetland Park1. 海湖北岸濕地西側；2. 海湖北岸西片泉水和東片泉水；3. 海湖北岸濕地中部；4. 海湖北岸出水口；5. 海湖南岸公園科普館前；6. 海湖南岸瀑布景觀；7. 海湖南岸濕地；8. 海湖南岸出水口；9. 北川公園1號湖；10. 北川公園2號湖；11. 北川公園3號湖；12. 北川公園5號湖；13. 北川公園6號湖；14. 火燒溝出水口；15. 火燒溝中段；16. 火燒溝上游；17. 寧湖進水口1；18. 寧湖進水口2；19. 寧湖木棧道；20. 寧湖出水口；21. 湟水主河道. 海湖進水口前；22. 湟水主河道. 海湖出水口后；23. 湟水主河道. 火燒溝出水口后；24. 北川河. 外河泄洪河道；25. 北川河. 匯入湟水河前；26. 湟水主河道. 北川河匯入后；27. 南川河. 匯入湟水河前；28. 湟水主河道. 南川河匯入后；29. 湟水主河道. 寧湖進水口前；30湟水主河道. 寧湖出水口后

湟水國家濕地公園依湟水河及其一級支流北川河而建,貫穿西寧城市中心,總面積508.7hm2。以西寧市人民公園T字形水系的河道為中心,北至北川河康家橋,南至北川河與湟水河交匯處,西至湟水河解放渠進水閘,東至湟水河小峽口閘亭。其中包括海湖濕地公園、火燒溝公園、北川濕地公園、寧湖濕地公園和湟水河主干道公園五個主要公園。本研究以湟水國家濕地公園的五個主要公園為研究區,具體監測點分布如圖1所示。

1.2 數據來源

數據主要采集于2020年,包括野外調查與實驗分析數據、社會調查,以及歷史數據。在湟水國家濕地公園共布設30個樣點,根據濕地公園與湟水河的進出水斷面位置,在各公園進水口之前和出水口之后的湟水河主干道、北川河河道總共設置了10個樣點；5個公園的人工濕地內,沿進水口、出水口方向均勻布設樣點,總計20個(圖1)。

每月進行一次野外監測,包括：樣點的基本概況、水文參數的監測、各樣點收集三個平行水樣(1L)；植物調查,在每個樣點附近布設3個50cm×50cm樣方,采用網格法和目測法確定植物蓋度,蓋度、植物豐富度、生物量都以3個樣方的平均為準；鳥類樣方調查記錄以各樣方的50m為半徑的范圍內見到和聽到的鳥類種類和數量,每個樣方停留不低于10min,指標包括：物種數、個體數。實驗室進行水質的TOC、TN、TP含量測定；其中TOC采用TOC分析儀法,TN和TP分別采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法和鉬酸銨分光光度法。于2020年5月—7月的8點—20點前往各公園進行調查問卷發放,共發放1300份問卷,剔除無效問卷和不完整問卷40份,有效回收率為96.92%；訪問對象選擇公園內的游客,進行面對面訪談；訪問結果選擇分層抽樣方法以使樣本更具有代表性,并剔除支付意愿超出收入5%及以上的數據。土地利用面積情況參考《青海西寧湟水國家濕地公園總體規劃(2013—2020年)》。部分評估數據參考《中國生物多樣性國情研究報告》[18]、《青海水文手冊》[19],和中華人民共和國林業行業標準《森林生態系統服務功能評估規范》(LY/T1721—2008)[20]中各產品的推薦使用價格,以及TN、TP和TOC的生活污水處理成本[21],由于以上各評估對象的市場價格出現年份不同,通過2020年物價指數修正,參考以下公式[22]：

(1)

式中,P2020為評估對象修正后2020年價格(元)；Pi為評估對象原價格(元)；L2020為2020年物價指數；Li為評估對象所在時間的物價指數。

2 研究方法

2.1 生態系統服務評價方法

(1)湟水國家濕地公園評估指標體系

根據湟水國家濕地公園各生態系統服務類型特點,剔除不重要的指標,選取最適合的評估指標和估算方法,結合實測數據與不同的土地利用類型,進行生態系統服務價值量估算。支持服務是供給、調節和文化服務的基礎與源泉,為整個濕地生態系統提供物質循環和能量流動,在計算過程中容易與其他三大服務出現重復計算[23],本研究僅對濕地為鳥類提供棲息地的服務進行估算,與其他服務類型無明顯交集。此外,文化服務中的休閑娛樂價值指游客為了自己或他人能夠在濕地公園休閑放松、鍛煉健身而支付的費用；存在價值指沒有任何功利目的,只為了讓濕地資源永續存在,游客自愿支付費用；遺產價值是游客為了將濕地資源作為遺產留給子孫后代,而自愿支付的費用。最終以千年生態系統評估(MA)的生態系統服務分類為基礎,結合湟水國家公園的生態系統特征,將各項服務分為2個層級,第一級分類分為13個服務項目,第二級具體評估指標對第一級進行細化區分,保證各層次指標間相互獨立；最終篩選出研究區的生態系統服務具體評價指標共15項。具體評價體系見表1。

(2)城市濕地生態系統服務評估方法

根據湟水國家濕地公園的生態特點,依據《濕地生態系統服務評估規范》[24]理論基礎,以市場價值法為基礎,篩選最優方法對各項服務進行價值評估,選擇最適合、最易操作的計算方法,結合野外調查數據和實驗分析數據,使研究結果更貼近實際情況。具體采用市場價值法、碳稅法、工業制氧價格法、費用支出法、影子工程法、成果參數法和條件價值評估法(CVM)等功能價值法對各項服務進行價值評估,綜合各類方法準確評估城市濕地生態系統服務。具體計算過程見表2。

2.2 斷裂點理論及方法

斷裂點理論包括斷裂點公式,用于確定起點城市到斷裂點的距離；場強公式,即起點城市在斷裂點的輻射范圍；輻射半徑由斷裂點處場強大小決定起點城市的輻射范圍。通過斷裂點模型定量計算不同公園的生態系統服務的作用邊界[15—16]。具體過程如下：

(1)斷裂點公式[30]：

(2)

式中,Di為公園i到斷裂點的距離；Dij為公園j中心點與公園i中心點間的距離；Vi、Vj分別為公園i和公園j生態系統服務價值量。

表1 湟水國家公園生態系統服務價值評估體系

表2 生態系統服務價值評估方法

(2)場強公式[30]：

(3)

式中,Fik為公園i在斷裂點k處的輻射能力大小(轉移能力里的強度)；Vi為公園i的生態系統服務價值量；Dik為公園i中心點到斷裂點k的距離。

(3)輻射半徑公式[30]：

(4)

式中,Dr為公園r生態系統服務作用半徑；Vi為公園i的生態系統服務價值量；F為邊界場強,可以根據各公園的綜合關系確定F取值。

公式(2)中兩個公園的中心點間的距離,采用交通距離；結合各個公園的生態系統服務總價值量,計算得到5個濕地公園彼此之間的斷裂點到起點公園的距離,找到兩公園的斷裂點位置；利用公式(3)計算公園在斷裂點處生態系統服務的輻射強度F,即公園生態系統服務在轉移過程中的強度。

各個公園的輻射半徑,即為該公園生態系統服務的輻射影響范圍,利用公式(4)對輻射半徑的計算主要在場強的選擇上。同一起點公園到其他不同公園,在平衡點處發揮的生態系統服務輻射強度不同,選擇能發揮最大輻射強度的場強,進行生態系統服務強輻射半徑的計算,在該半徑內公園的生態系統服務能夠得到高效率發揮。通過濕地公園與其他四個公園的場強平均值進行弱輻射半徑的計算,采用場強的平均值可以代表該濕地公園對其他公園的平均影響強度。計算得到各公園的強輻射半徑和弱輻射半徑,利用ArcGIS9.2的緩沖區分析工具得到各個公園的輻射范圍,強輻射區作為公園生態系統發揮效用的核心區,弱輻射區為公園的生態系統過渡區。

任意兩公園之間的斷裂點位置基本位于兩公園中間位置,采用起點公園到斷裂點距離值,在兩公園總距離的占比情況,占比總會大于或小于50%,以此說明不同公園受起點公園的影響情況,即由于起點公園不同,在任意兩公園中間的斷裂點位置不同,當占比大于50%時,說明該方向的公園存在生態系統服務溢出,與另一公園的生態系統服務疊加。

3 結果與分析

3.1 生態系統服務的價值構成

結合實測數據、調查問卷數據和物價修正后物品單價等,由表2的評估方法計算得到湟水國家濕地公園的各項生態系統服務價值量(圖2)。湟水國家濕地公園生態系統提供生態系統服務總價值為6.18億元,核心服務為增濕服務、休閑娛樂和遺產價值。5大公園的生態系統服務價值量對比中,湟水主河道的價值最高,約占總體價值的37.92%,達到了23441.37萬元/a。其次為北川濕地和海湖濕地,分別為14008.26萬元和8964.78萬元；火燒溝公園和寧湖濕地差別較小,分別為7802.04萬元和7600.74萬元。

圖2 湟水國家公園生態系統服務價值分布圖Fig.2 The distribution of ecosystem service value of Huangshui National Wetland ParkA1, 植物產品；A2, 生態環境用水；B11, 固碳；B12,釋氧；B21, 溫度調節；B22,增濕；B3,凈化空氣；B4,地表水調蓄；B5, 污染物降解；B6, 河流輸沙；C1, 文教科研；C2, 休閑娛樂；C3,存在價值；C4,遺產價值；D1,生物多樣性保護

本研究中評估的15項生態系統服務類型價值量由高到低依次為：增濕>休閑娛樂>遺產價值>存在價值>地表水調蓄>河流輸沙量>文教科研>溫度調節>生物多樣性保護>生態環境用水>凈化空氣價值>釋氧>固碳>污染物降解>植物產品價值。調節服務中的增濕服務、文化服務中休閑娛樂、存在價值和遺產價值是湟水國家濕地公園的核心功能,價值量達56437.47萬元,對總價值的貢獻率91.30%。而年價值量低于100萬元的服務類型包括凈化空氣價值、釋氧、固碳、植物產品價值和污染物降解,占總價值的百分比分別為0.144%、0.081%,0.037%,0.017%和0.036%；其中污染物降解的價值量最低,但當水質污染超過自凈能力時,不僅會使水質繼續惡化,還會因水體富營養化影響休閑娛樂功能的發揮,因此,加強對水質的管理和凈化尤為重要。

3.2 濕地公園的空間分布格局

由斷裂點理論計算得到5個濕地公園彼此之間的斷裂點到起點公園的距離和起點公園在斷裂點處發揮的場強,結果見表3。根據表3計算結果選擇各公園的最大場強和場強平均值計算輻射半徑；海湖濕地的強輻射半徑采用海湖濕地-火燒溝公園的場強,火燒溝公園、北川濕地、寧湖濕地和湟水主河道的強輻射半徑分別采用火燒溝公園-湟水主河道、北川濕地-湟水主河道、寧湖濕地-湟水主河道,以及湟水主河道-火燒溝公園的場強,以上兩公園的場強均大于其他公園組合。弱輻射半徑通過濕地公園與其他四個公園的場強均值進行計算,海湖濕地、火燒溝公園、湟水主河道、北川濕地和寧湖濕地的平均場強分別為1054.97、2089.95、497.52、2030.80和118.42。根據以上選擇和計算得到的場強值,進一步計算各公園強輻射半徑和弱輻射半徑,結果見表4,在此基礎上緩沖得到各個公園的輻射范圍(圖3)。

增濕、休閑娛樂、遺產價值是湟水國家濕地公園的三大核心服務,根據斷裂點模型,結合各公園的核心服務價值量,分別計算各個公園核心服務的輻射半徑,利用ArcGIS緩沖區分析得到三大服務各個公園的輻射范圍。將其與公園總價值分布圖疊加,得到增濕、休閑娛樂、遺產價值的空間分布圖,并與總價值分布圖對比,相關結果見圖3)。

由圖3明顯看出,寧湖濕地的生態系統服務總價值分布范圍最大,其次為北川濕地和湟水主河道,最后是海湖濕地和火燒溝公園,這與各個公園的總價值量情況不同。寧湖濕地的分布區最大,該濕地的生態系統服務的貢獻范圍最廣,主要是因為該濕地位于城東區,西寧市東部地區濕地資源匱乏,居民需求大,到公園的可達距離增大；北川濕地的生態系統服務范圍基本覆蓋城北區,作為新修復完成的濕地,服務價值增加的潛力巨大,未來北川濕地的生態系統服務的分布區有望進一步擴大。湟水主河道選擇以北川河匯入處的湟水河為中心點,服務范圍以河道兩側的城北區、城中區為主。海湖濕地和火燒溝公園的核心區和過渡區分布面積較小,且重合區域大,海湖濕地和火燒溝公園的生態系統服務面積小的原因可能與兩個公園距離較近,游客競爭力大,且城西區公園數量較多,海湖濕地和火燒溝公園的生態系統服務的發揮空間較小。

湟水國家濕地公園的三大核心服務增濕、休閑娛樂、遺產價值的空間分布圖與總價值分布圖的對比情況,見圖3。寧湖濕地和火燒溝公園的休閑娛樂、遺產價值的空間分布面積大于總價值分布范圍,而增濕服務的分布面積遠小于總價值分布面積；海湖濕地的增濕服務、休閑娛樂的空間分布與總價值分布范圍大體一致,而遺產價值分布面積遠小于總價值分布面積；北川濕地、湟水主河道的增濕服務分布面積與總價值分布范圍相差較小。此外,湟水主河道的休閑娛樂、遺產價值的分布區小于總價值服務的分布區；北川濕地的休閑娛樂空間分布面積大于總價值分布范圍,遺產價值分布區與總服務的分布區大致相同。

表3 各個公園的斷裂點及場強

表4 各公園強輻射半徑和弱輻射半徑表

圖3 湟水國家濕地公園生態系統服務總價值及核心服務的空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of ecosystem services and core services of the Huangshui National Wetland Park

3.3 生態系統服務重疊和溢出

在湟水國家濕地公園生態系統服務總價值分布圖中看到,海湖濕地、火燒溝公園、湟水主河道和北川濕地分布相對集中,各公園的空間分布重合區域較多。將圖4各公園的最大分布范圍與西寧市區的城市功能區相疊加(圖4),對濕地公園的空間分布重合情況進行研究分析。三個公園生態系統服務的共同分布區重疊后形成1個優選區,兩個公園生態系統服務的共同分布區重疊后形成5個次優區。

圖4 湟水國家濕地公園生態系統服務重疊區分布圖Fig.4 Ecosystem services overlapping of the Huangshui National Wetland Park

優選區為火燒溝公園、湟水主河道和北川濕地3個公園的服務分布區形成一個交叉區域,面積為139.33hm2；該區域以住宅區為主。5個次優區中北川濕地和湟水主河道的交叉區面積最大,為1145.23hm2,主要分布在城北區,以住宅區為主；火燒溝公園和湟水主河道的重疊區較大,為473.29hm2,該區域擁有豐富的文化資源和住宅基地；海湖濕地和火燒溝公園的重疊區面積為142.40hm2,該區域為當前西寧市的主要商業分布區,商業價值高；火燒溝公園和北川濕地的交叉區面積最小,為44.40hm2；海湖濕地和北川濕地的重疊區域區別于其他4個區域,該區域遠離城市中心且受高速影響,居民聚集程度低,總面積74.39hm2。綜上,各大濕地的生態系統服務分布區不同,其重疊區也不同,但各重疊區域均為重要的西寧市區住宅、文化和商業集中分布的區域,人口聚集程度高,商業價值大,人類可利用價值得到最大發揮；而且在原各自濕地服務空間中,相比其他區域占絕對優勢,對人類福祉貢獻較大。

生態系統服務也存在溢出的情況。由表3的占比情況可知,湟水國家濕地公園中任意兩公園之間的斷裂點位置基本位于兩公園中間位置；同時受各公園價值量不同影響,占比總會大于或小于50%。如海湖濕地到湟水主河道的斷裂點在距海湖濕地2.63km處,占總距離的38.21%,而從湟水主河道到海湖濕地的斷裂點在距湟水主河道4.26km處,占總距離的61.79%,說明在海湖濕地和湟水主河道的生態系統服務發揮功能時,海湖濕地受湟水主河道的影響較大。

海湖濕地、火燒溝公園和北川濕地的占比存在大于50%,影響其他公園的情況,也有小于50%,受其他公園影響的時候,類似于生態系統服務的流動“中轉站”；而湟水主河道與其他4個公園的占比均大于50%,則說明湟水主河道的生態系統服務均影響其他公園,屬于生態系統服務的“供給方”,是為其他公園提供生態系統服務的生態中心,這與實際情況一致,海湖濕地、火燒溝公園、北川濕地和寧湖濕地均是依托湟水主河道修建,并由湟水主河道將其串聯。寧湖濕地與以上情況相反,與其他4個公園的占比均小于50%,表明寧湖濕地在5個濕地公園中屬于“需求方”,受其他公園影響；但由于距離較遠,受影響強度較小。

4 結論

本文篩選構建了一套適合湟水國家濕地公園的生態系統服務評價體系,基于野外調查數據和實驗分析數據,采用功能價值法等計算方法計算生態系統服務價值,并應用斷裂點模型對生態系統服務的空間分布和流轉情況進行分析,主要結論如下：

(1)對2020年湟水國家濕地公園的15項生態系統服務進行評估,得到總價值為6.18億元,四大服務價值量按照價值高低排序依次為文化服務、調節服務、支持服務和供給服務；各分項價值量對比,由高到低依次為增濕>休閑娛樂>遺產價值>存在價值>地表水調蓄>河流輸沙量>文教科研>溫度調節>生物多樣性保護>生態環境用水>凈化空氣價值>釋氧>固碳>污染物降解>植物產品價值。

(2)5大濕地區中,湟水主河道的價值最高,其次為人工濕地,依次為北川濕地、海湖濕地、火燒溝公園和寧湖濕地。由于高原城市濕地的特殊性,湟水國家濕地公園的核心服務類型體現在存在價值、休閑娛樂和小氣候調節上。

(3)濕地價值輻射范圍由大到小依次為：寧湖濕地>北川濕地>湟水主河道>海湖濕地>火燒溝公園；對濕地服務輻射范圍疊加后,形成1個由三個公園的服務分布區重疊的優選區和5個兩兩交叉的次選區。

(4)湟水國家濕地公園的生態系統服務存在空間溢出和疊加現象,湟水主河道的生態系統服務流向周邊濕地公園溢出,其他四個濕地區之間生態系統服務存在相互溢出、疊加的現象。

值得注意的是,受地形、交通、人口分布等因素的影響,生態系統服務的空間并非均衡的。受數據等條件限制,本研究對生態系統服務的輻射空間做了均衡處理,這也是本研究的不足之處,需要在后續研究中進一步改善。