清水河流域生態系統服務評估及預測

裴宏偉，張紅娟，張良，李雅麗，張高偉，劉孟竹*

1.河北建筑工程學院市政與環境工程系

2.河北省水質工程與水資源綜合利用重點實驗室

3.河北省張家口水文勘測研究中心

生態系統是人類賴以生存的環境與基礎，在生態過程中產生的物質與服務有著無法替代的價值[1]。生態系統服務是人類從生態系統中獲得的直接或間接的所有惠益，包括有形的物質供給和無形的服務提供，主要分為供給服務、調節服務、文化服務和支持服務[2]。隨著人類活動對生態系統的干擾日益加強，加上不穩定的氣候變化，全球超過2/3的生態系統服務出現下降，生態系統退化的程度已經超過了預期水平[3-4]。世界范圍內，生態系統服務已經成為地理學、生態學、測繪學、社會科學等相關學科的研究前沿與熱點。目前，生態系統服務評估已經上升到國家尺度[5-7]，生態系統服務價值的研究也已在全球尺度上開展[8-9]。生態系統服務與價值的評估對自然資源的合理配置與利用，生態補償、生態恢復和生態紅線政策制定等具有重大意義[10-11]。

由人類活動引起的土地利用變化是影響生態系統服務與價值的主要原因，情景分析法能夠準確量化土地利用變化對生態系統服務的具體影響。例如，Bai等[12]基于情景比較法區分了土地利用對生態系統服務的相對貢獻；王培俊等[13]通過土地預測模型預測了未來的生態系統服務價值，為未來的生態資產評估提供了可行的方案。然而，基于預測模型或假設情景建立的情景分析法往往難以量化某一種或某幾種特定的土地利用變化對生態系統服務的影響。這是因為預測模型模擬出的土地情景產生了全局的變化，無法準確解釋最終的生態系統服務變化主要受哪種土地利用轉變的影響。為了解決這一問題，部分研究通過設計未來的土地情景來判斷某一種人為的土地管理方式是否能夠達到預期的生態系統服務供給水平[14-15]，研究的方法是將對應某一土地利用類型的柵格改變為另一種特定的土地利用柵格，從而實現準確地量化某一種土地轉變對生態系統服務的影響，但這種設計情景法缺少了對未來的預測。綜上，通過模型預測未來的情景，并以此對未來情景進行土地柵格的特定轉變的設計（預測+設計），能夠達到準確地模擬未來不同發展方向變化的土地情景，進而實現對未來不同情景下生態系統服務和價值的評估。

清水河流域地處河北省西北部，與張家口市崇禮區行政邊界較為一致。該流域為半濕潤向半干旱過渡的生態脆弱區，也是土地利用受人類活動影響較大的典型區域。為揭示清水河流域未來的生態系統服務和價值的變化，本研究以該流域2000—2018年的產水服務、固碳服務、土壤保持服務以及生態系統服務價值為研究內容，采用預測+設計的情景分析法，在預測未來土地格局自然發展的基礎上加入了人為管理的土地利用設計方案，以預測未來自然、人為影響下的生態系統服務與價值變化，促使實現生態系統服務與價值的最大化供給，以期為生態系統服務和價值的預測提供評估框架，同時也為生態可持續發展、土地規劃決策提供科學依據。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

清水河流域（114°47′E～115°31′E，40°49′N～41°16′N）位于海河上游，處于內蒙古高原和華北平原過渡地區。流域內400 mm等降水量線穿過，多年平均降水量為442 mm，降水主要集中在6—9月，多年平均氣溫為8.6 ℃，屬于大陸性季風氣候。流域總面積約 2 200 km2，高程為 780～2 165 m（圖 1）。2018年，清水河流域總人口約13萬人，人口密度約50人/km2，農、林、牧產值分別占經濟總產值的1/2、1/5、1/4，其中僅蔬菜的經濟產值就達到了2/5。高強度的農業活動和城鎮化快速擴張給當地的水資源、生態環境帶來了較大影響。此外，流域氣候較為惡劣，暴雨、冰雹災害時有發生，水土流失較為嚴重、生態環境極為脆弱[16]。

圖 1 清水河流域高程Fig.1 Elevation of Qingshui River Basin

1.2 數據來源與處理

土地利用數據來源于遙感數據解譯，在前期研究[16]中已經完成，分辨率為30 m，選取了2000年、2009年、2018年3個年份數據，根據清水河流域實際情況分為耕地、林地、草地、水域、建設用地5個一級土地利用類型。DEM數據（30 m）來源于地理空間數據云（http://www.gscloud.cn）。氣象數據來源于中國地面氣候資料日值數據集（V3.0）（http://data.cma.cn），包括清水河流域及周邊地區4個氣象站2000—2018年降水量、相對濕度、溫度等數據。由Penman-Monteith公式計算得到每個站點作物參考蒸散量，最后由克里金插值法得到30 m的蒸散量柵格數據（與降水量數據分辨率一致）。年降水量柵格數據（1 km）來源于國家地球系統科學數據中心（http://www.geodata.cn/），相比于插值法得到的降水量數據，柵格數據具有更好的空間分布，空間分辨率經過重采樣達到了30 m。流域及子流域矢量圖由ArcMap軟件中水文分析工具提取得到。糧食產量數據來源于《張家口經濟年鑒》（2000—2019年），糧食價格來源于《中國農產品價格調查年鑒2019》，均下載于中國知網（https://www.cnki.net/）。

1.3 研究方法

1.3.1 技術路線

元胞自助機（cellular automata，CA）模型是在空間上相互作用、時間上又具有因果關系的一種網格動力學模型，具有處理復雜空間系統的能力。Markov模型基于Markov鏈，因其較好的穩定性和無后效性，能夠預測土地利用變化中各時刻的變動過程。CA-Markov模型綜合了Markov模型的時序預測和CA模型的空間分布模擬，已經被廣泛應用于土地利用數量變化、空間格局變化的模擬中[16-17]。不同于CLUE-S模型以及FLUS模型，CA-Markov模型可以將上一階段的土地利用轉移矩陣作為Markov鏈，進而根據以往時期的土地流轉趨勢作為預測未來土地格局的方向，因此該模擬方法符合本研究中的自然發展情景，即土地利用變化向著原本的趨勢發展。

分析2000—2018年清水河流域的土地利用時空變化，利用CA-Markov模型預測未來自然發展情形下的土地利用情景；在此基礎上，通過ArcMap軟件中重分類工具設計未來的退耕還林、還草發展情景，得到不同時空尺度下的土地利用情景；根據InVEST（integrated valuation of ecosystem services and trade-offs）模型、當量因子法和當量系數表來模擬不同時空尺度下的產水量、土壤保持量、碳儲量以及生態系統服務價值，最后實現清水河流域近20年來的生態系統服務及價值的評估。研究技術路線如圖2所示。

圖 2 研究技術路線Fig.2 Research technology roadmap

1.3.2 產水服務

使用InVEST模型中的產水量模塊計算產水量，以表示產水服務，計算公式如下：

式中：Yij為柵格i中土地利用類型j的年產水量，mm/a；AETij為柵格i中土地利用類型j的年實際蒸散量，mm/a；Pi為柵格i的年降水量，mm/a；PETi為柵格i的年潛在蒸散量，mm/a；ET0,i為柵格i的年參考作物蒸散量，mm/a；Kc，j為土地利用類型j的蒸散系數，無量綱；w為氣候-土壤的非物理參數；Z為季節性常數；max(layer_depthi)為柵格i的最大土壤深度，mm；root_depthi為柵格i的最大根系限制深度，mm；AWCi為柵格i的土壤有效含水量，mm；PAWCi為柵格i的植物可利用含水量，其值處于[0，1]。

1.3.3 固碳服務

InVEST碳儲量模型中需要的輸入數據為土地利用數據以及基本的四大碳庫（地上碳庫、地下碳庫、土壤碳庫和死亡有機質碳庫）數據，輸出結果為總碳儲量以及不同土地利用類型的碳儲量。本研究只考慮基本的四大碳庫，碳密度數據參考同地區研究結果（表1）[18]，用總碳儲量表示固碳服務，計算公式如下：

表 1 清水河流域不同土地利用類型碳密度參數Table 1 Carbon density parameters of land use types in Qingshui River Basin t/hm2

式中：C為總碳儲量，t；Ca為地上碳密度，t/hm2；Cb為地下碳密度，t/hm2；Cc為土壤碳密度，t/hm2；Cd為死亡有機質碳密度，t/hm2；S為各土地利用類型面積，hm2。

1.3.4 土壤保持服務

InVEST泥沙運移模型在土壤流失流失方程（USLE）的理論基礎上進行了改進，在沉積物持留方面，該模型考慮了植物對土壤侵蝕的減緩以及對上坡沉積物具有攔截作用這一重要水文過程，使得模擬結果更科學合理。本研究采用改進的USLE方程，具體計算方法如下：

式中：RKLSi為柵格i基于地貌和氣候計算的潛在土壤侵蝕量，t；Ri、Ki、LSi、Ci、Zi為單元柵格i的降水侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、坡長坡度因子、植被覆蓋與管理因子、土壤保持措施因子；USLEi為柵格i的土壤實際侵蝕量，t；SEDRi為柵格i的土壤持留量，t；SEi為柵格i的泥沙持留率；SEDRETi為柵格i的土壤保持量，t；Ci對應于柵格i中耕地、林地、草地、水域、建設用地的取值分別為0.05、0.03、0.04、0、0， 類似地，Zi對應柵格i中的耕地、林地、草地、水域、建設用地分別取值1、1、1、0、0。其他因子根據模型推薦參數輸入。

1.3.5 生態系統服務價值計算

根據謝高地等[19-20]發展的當量因子法來計算生態系統服務價值，計算公式如下：

式中：Vj為土地利用類型j的生態系統服務價值，元；Cjn為土地利用類型j對應的二級生態系統服務價值n（食物生產價值、氣候調節價值等），元；Sj為土地利用類型j的總面積，hm2；ESV為研究區總的生態系統服務價值，元。

以單位面積農田生態系統糧食生產的凈利潤當作1個標準當量因子的生態系統服務價值量，標準當量因子的值參考以往研究定義為實際糧食產值的1/7[21]，當量系數表參照文獻[19]。根據《全國農產品成本收益資料匯編》，2018年全國3種稻谷糧食收購價格平均值為2.51元/kg，清水河流域2000—2018年糧食產量均值為19 314 t/a，糧食種植面積均值為8 374 hm2/a，其中2001年、2002年糧食種植面積數據缺失，采用2000年、2003年的數據利用線性插值法得到。參考謝高地等[19]發展的植被凈初級生產力（net primary productivity，NPP）修正方法，崇禮區2018年平均NPP為422.38 g/(m2·a)，全國水平為338.16 g/(m2·a)，修正系數為1.25。最終計算得到標準當量因子為1 033.82元/hm2，進而得到2000—2018年清水河流域不同土地利用類型單位面積生態系統服務價值（表2）。

1.3.6 未來情景構建

結合CA-Markov模型以及ArcMap軟件中的重分類工具來實現土地情景預測及設計。按照清水河流域自然發展情景，通過CA-Markov模型模擬出2027年流域的土地利用分布（參考前期研究[16]），在ArcMap軟件中對該柵格實施不同規則的柵格屬性重分類，得到不同力度生態修復措施下的土地利用情景。重分類規則參考清水河流域當地的退耕還林、還草政策而制定，不同情景設計具體見表3。

2 結果和分析

2.1 清水河流域2000—2018年生態系統服務時空變化

2000—2018年清水河流域碳儲量、土壤保持量、產水量及其空間變化分別如表4和圖3所示。碳儲量由2000年的2.23×107t減至2009年的2.21×107t，2018年進一步減至2.20×107t。整個時期清水河流域單位面積碳儲量減少約1.10 t/hm2（表4），固碳服務呈下降趨勢。研究區土壤保持總量在2000—2009 年由 175.92×106t增至 176.03×106t，2018 年增至176.04×106t，單位面積土壤保持量在近20年增加約0.54 t/hm2，土壤保持服務呈輕微增強趨勢。研究區產水量由2000年的123.77×106m3增至2009年的 127.18×106m3，2018 年又增至 130.78×106m3，單位面積產水量增加了3.19 mm，產水服務相較于固碳和土壤保持服務明顯增強。

表 2 清水河流域不同土地利用類型單位面積的生態系統服務價值Table 2 Ecosystem service values per unit area in different land use types in Qingshui River Basin 元/hm2

表 3 清水河流域不同力度生態修復措施下的土地利用情景Table 3 Land use scenarios under different ecological restoration measures in Qingshui River Basin

表 4 清水河流域單位面積生態系統服務變化Table 4 Changes of ecosystem services per unit in Qingshui River Basin

近20年來，清水河流域碳儲量變化空間差異較為顯著，固碳功能較強的區域分布在流域西北部和南部等林地覆蓋度較高的區域，而碳儲量減少的區域主要分布在城鎮擴張以及草地轉變為耕地的區域（圖3）。土壤保持量空間格局與高程、坡度以及土地利用分布格局相關，在海拔低、坡度平緩的耕地區域，土壤保持量較低，在海拔高、坡度陡的林草地區域土壤保持量較高。

產水量空間分布在全流域尺度上與降水量分布有關，在區域尺度上則與土地利用類型分布相關。研究區東北部多年平均降水量較高，因此該區域產水量高于其他地區。從不同土地利用類型的產水量而言，建設用地產水量較高，通常建設用地下墊面缺少土壤無法存續水，導致降水直接形成了徑流產生更多的水量，產水量顯著增加的區域也主要分布于建設用地擴張區域；林地區域的產水量整體偏低，這是由于林地區域的年降水量遠遠小于潛在蒸散量（潛在蒸散量約是降水量的2倍以上），林地的高蒸散發增加了更多的水分消耗。盡管林地的增加減少了生態系統產水服務，但林地的降水截留以及固土、持水能力也能夠調節徑流、涵養水源，提供了潛在的額外生態系統服務與價值。

2.2 不同情景下生態系統服務預測

通過土地利用預測及設計的方式得到清水河流域未來不同發展情景下的生態系統服務及其變化（圖4）。以2018年碳儲量為基準，清水河流域在自然發展情景下2027年單位面積碳儲量減少了0.56 t/hm2，退耕還林情景下單位面積碳儲量增長了0.59 t/hm2，而加大還林力度后則增長了4.32 t/hm2，在退耕還草和深度退耕還草情景下分別減少了2.63、3.70 t/hm2。在退耕還草后，碳儲量有所降低，這是由于在該區域碳庫中草地的碳密度小于農田的碳密度，因此在耕地轉變為草地后總碳儲量減少。

圖 3 清水河流域2000—2018年生態系統服務變化Fig.3 Changes of ecosystem services in Qingshui River Basin from 2000 to 2018

圖 4 不同預測情景下2027年相較于2018年生態系統服務變化Fig.4 Changes of ecosystem services in 2027 compared with 2018 under different forecast scenarios

在自然發展情景下，土壤保持量呈減少趨勢，2027年單位面積土壤保持量相較2018年減少了0.08 t/hm2，這主要是由于自然情景下植被覆被土地面積減少，耕地和建設用地面積增多，導致土地的固土能力減弱。情景分析結果顯示，退耕還林措施能夠逆轉未來土壤保持服務減弱的趨勢，將坡度大于25°的耕地改造成林地后，2027年清水河流域單位面積土壤保持量相較于2018年增加了0.19 t/hm2，而將坡度大于15°的耕地改造成林地后，單位面積土壤保持量增加了0.71 t/hm2；退耕還草情景下單位面積土壤保持量增加了0.10 t/hm2，深度退耕還草情景下單位面積土壤保持量增長了0.37 t/hm2。

在氣候不變的情況下，2018—2027年清水河流域植被面積將會減少，建設用地和耕地面積增加；相應地，流域的實際蒸散發量將減小，徑流、土壤中水以及下滲水等地表水將增多，最終表現流域生態系統的產水服務增強。在退耕還林情景下，2027年產水量相較于還林前減少了0.67 mm，而深度退耕還林情景下產水量相較還林前減少了2.84 mm；在輕度、重度退耕還草情景下產水量相較于還草前分別減小了0.41、1.77 mm。總體而言，力度較小的還草措施會增大流域生態系統產水服務，而力度較大的還草措施則會減少產水服務。

2.3 不同情景下生態系統服務價值變化

2000—2018年以及2027年不同情景下清水河流域生態系統服務價值變化如圖5所示。2000年、2009年和2018年清水河流域生態系統服務價值分別為24.97億、25.38億、24.42億元，單位面積生態系統服務價值分別為11 360、11 550、11 110元/hm2。2018年，研究區生態系統服務價值分別是該區當年農林漁牧業產值（10.59億元）和GDP（31.37億元）的2.31、0.78倍。流域生態系統服務價值在 2000—2009年增長了0.41億元（+1.66%），在2009—2018年減少了0.96億元（-3.77%）。經分析，2000—2009年研究區生態系統服務價值增加是由于水域、林地等具有高生態價值的土地利用類型擴張，2009—2018年減小則是因為植被、水域等土地面積減少以及城鎮化擴張。總體來講，2000—2018年清水河流域生態系統服務價值呈輕微減小趨勢，減小幅度約為0.55億元，主要是由于城鎮化的擴張導致原本具有多種生態功能和高生態價值的土地萎縮進而減小了生態系統服務價值。

圖 5 2000—2018年以及不同預測情景下單位面積生態系統服務價值的變化Fig.5 Changes of ecosystem service values per unit area in 2000-2018 and under different forecast scenarios

與基礎情景(2018年)相比較，在自然發展情景下2027年清水河流域單位面積生態系統服務價值降低了590元/hm2，退耕還林情景下單位面積生態系統服務價值降低了150元/hm2；深度退耕還林情景下單位面積生態系統服務價值出現顯著增高趨勢，相較于2018年水平增長了1 850元/hm2；退耕還草、深度退耕還草情景下，流域單位面積生態系統服務價值相較于2018年分別減少約30、110元/hm2。

3 結論與建議

（1）2000年、2009年和2018年，清水河流域單位面積碳儲量平均水平為100.68 t/hm2，流域生態系統固碳服務近20年呈下降趨勢，單位面積碳儲量下降了1.10 t/hm2；單位面積土壤保持量平均水平為800.62 t/hm2，土壤保持服務近20年呈上升趨勢，單位面積土壤保持量增加了0.54 t/hm2；3個年份的產水量平均值為57.884 mm，流域生態系統產水服務增強，近20年產水量增加了3.19 mm。

（2）2000年、2009年、2018年清水河流域生態系統服務價值分別為24.97億、25.38億、24.42億元，呈先增加后減少的趨勢。2018年，流域生態系統服務價值是同時期GDP的0.78倍，這體現了清水河流域生態系統服務價值的高度稀缺性。

（3）在大于15°的陡坡區域實施退耕還林將增加175.98 km2的林地，同時也會顯著提升清水河流域固碳、土壤保持服務和生態系統服務價值，但擴張的林地同時會產生更多蒸散量從而削弱生態系統的產水服務。

（4）針對清水河流域近20年來生態系統服務評估結果，提出如下建議：研究區整體坡度較高，應加大15°以上陡坡的植樹造林力度，以防止水土流失，增加生態系統固碳功能；增加對草地修復的人力物力投資，嚴禁過度草地開墾、放牧等；進一步推進生態退耕、生態補償，減少耗水蔬菜種植規模，以保障流域生態可持續發展。