近35 年新安江流域生態系統服務價值評估與驅動力分析

胡文君, 嵇振青, 冉璇

(浙江工商大學, 浙江 杭州 310000)

生態環境是人類生存最為基礎的條件, 是我國持續發展最為重要的基礎。黨的十八大以來, 以習近平同志為核心的黨中央以前所未有的力度抓生態文明建設, 大力推進建設美麗中國。十九屆六中全會更是充分認識到加強生態環境保護的重要性和緊迫性, 明確生態文明建設在黨和國家事業發展全局中的重要地位。

在加強生態文明建設的同時, 我國越來越重視開展生態系統服務價值 (ecosystem service values,ESV) 的評價工作。生態系統服務是指人類從生態系統中獲得的各種惠益, 主要分為供給、調節、支持、文化這4 種服務類型, 為人類的生存與發展提供了必要條件, 對實現生態系統可持續發展具有重要意義[1], 而生態系統服務價值則是從經濟學角度對其進行量化[2-4]。開展生態系統服務價值的評估工作有利于將生態學保護的目標整合到經濟社會決策中, 最終實現人與自然和諧發展、生態社會經濟協調發展, 為國家生態文明建設戰略提供有效的支撐。

近年來, 生態系統服務價值研究也成為生態學領域的熱點, 學者們基于不同視角[5-6]、不同區域[7-8]、不同方法[9-10]對生態系統服務價值進行研究。例如璩路路等[11]從土地利用變化對生態系統服務價值產生影響的角度切入, 運用土地利用空間分析模型和Meta 分析方法, 分析井岡山的生態用地變化空間格局及其生態服務價值損益。鄧靈稚則立足于城市化背景, 構建了城市化過程對水生態系統服務功能的影響方式框架, 分析了重慶市2001—2015 年水生態系統服務價值的時序變化特征。目前, 學者們的研究區域大多集中于省市地區、長江黃河等大尺度范圍, 很少關注類似新安江流域等小尺度流域, 而且對其生態系統服務價值時空演變及其驅動力探測的研究更少。

流域是人類文明的搖籃和中心, 是人與自然共生的主體自然空間, 擁有豐富的自然資源, 具有調節氣候、保護土壤等多種功能。“十四五” 規劃明確提出了重視基于流域的生態文明建設的要求, 把以流域為基礎放在主導戰略位置, 以加快推動流域經濟生態轉型, 強化流域生態安全建設, 創新流域生態文明體制機制。因此, 本文開展新安江流域生態系統服務價值評估, 深入剖析影響生態系統服務價值評估時空演變的驅動力因素, 以期為新安江流域的生態環境保護、人類福祉提升、區域可持續發展實踐提供科學參考。

1 研究區概況及數據來源

新安江發源于安徽徽州 (今黃山市) 休寧縣境內, 東入浙江省西部, 經淳安至建德與蘭江匯合后為錢塘江干流桐江段、富春江段, 東北流入錢塘江, 是錢塘江正源。干流長373 km, 流域面積1.1萬多hm2。其中, 安徽省境內的新安江干流長242.3 km, 面積6 500 hm2, 占錢塘江流域面積的11.9%[13]。作為安徽省境內僅次于長江、淮河的第三大河流, 地跨浙皖兩省, 為皖浙兩省沿岸近千萬居民的生產、生活所需水源提供了保障, 是皖浙乃至長三角地區重要的生態屏障。

研究數據主要包括土地利用數據、社會經濟數據、高程數據等多源數據。土地利用數據來源于地球大數據科學工程共享服務系統, 空間分辨率為30 m, 該數據是基于Landsat 衛星數據在Google Earth Engine 云計算平臺完成長時序的地表覆蓋檢測, 最終生成1985—2020 年全球30 m 精細地表覆蓋動態監測數據。該數據共包含29 個地表覆蓋類型, 考慮到研究區域的土地利用類型較為簡單, 因此, 將其重分類為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用土地共6 類。研究區各類糧食作物(稻谷、小麥、玉米) 的平均價格、產量、農業產值等社會經濟數據來源于 《全國農產品成本收益匯編》 《安徽省統計年鑒》 《浙江省統計年鑒》。高程數據來源于地理空間數據云平臺的數字高程模型(DEM)。

2 研究方法

2.1 土地利用動態度

土地利用動態度定量地描述了土地利用的變化速度[14], 可分為單一土地利用類型動態度和綜合土地利用類型動態度, 其中單一土地利用類型動態度用于表示研究區一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況; 綜合土地利用類型動態度用于表示研究區一定時間范圍內所有土地利用類型的數量變化情況, 計算公式如下:單一土地利用類型動態度:

式 (1) 中:K為研究期某種土地利用類型動態度 (%);Ua和Ub分別為研究初期及研究期末某種土地利用類型面積 (hm2);T為研究時長 (a)。

綜合土地利用類型動態度:

式 (2) 中:C為研究期所有土地利用類型動態度 (%);Ui為研究初期第i類土地利用類型面積 (hm2);Ui,j為研究期第i 類土地利用類型轉為非i類土地利用類型面積的絕對值 (hm2);T為研究時長 (a)。

2.2 生態系統服務價值評估

當量因子法是指在可量化標準下, 根據不同類型生態系統服務的各種服務功能構建價值當量, 并結合土地利用面積進行生態系統服務價值的評估。本研究以千年生態系統評估法 (MA) 為框架, 將生態系統服務分為供給服務、調節服務、支持服務、文化服務4 大類, 進一步細化為11 種服務功能, 結合新安江流域的土地使用情況, 最終獲取4種土地利用類型的價值當量, 分別為耕地、林地、草地、水域。基于30 m 精細地表覆蓋分類數據,本研究采用謝高地等[4,15]等當量因子法確定新安江流域生態系統服務價值。

生態系統服務價值是通過土地利用類型面積和對應土地利用類型單位面積得到的, 計算公式如下:

式 (3) 中: ESV 為新安江流域生態系統服務價值;Ai為第i類生態系統面積 (hm2);eij為第i類生態系統類型在第n類生態系統服務的單位面積價值當量因子;W為新安江流域1 個標準當量因子的生態系統服務價值 (元·hm-2)。

一個標準單位生態系統服務價值當量因子的價值量 (以下簡稱標準當量), 是指1 hm2農田每年糧食作物的經濟價值 (元·hm-2), 根據新安江流域主要糧食作物 (稻谷、小麥和玉米) 的種植面積、產量、農業產值等數據[16], 計算單位面積農田生物生產的生態系統服務價值。由于缺乏新安江流域相關農業數據, 本研究選取黃山市、淳安縣、建德市3 個地區的相關農業數據進行平均計算分析, 計算公式如下:

式 (4) 中:Wa為某地區1 個標準當量因子的生態系統服務價值量 (元·hm-2);i為作物種類;mi為第i類糧食作物的播種面積 (hm2);pi為第i種糧食作物的平均價格 (元·t-1);qi為第i種糧食作物的單位面積產量 (t·hm-2);M為n種糧食作物的總面積是指沒有人力投入條件下的自然生態系統提供的經濟價值為現有單位面積農田提供的食物生產服務經濟價值的。由于缺乏研究區糧食作物各自的平均價格, 本研究選取全國3 種糧食的平均價格, 并根據安徽省與浙江省的消費者物價指數 (CPI 指數) 計算得出各地區糧食作物的可比價格。以2020 年為例, 計算得到黃山市、淳安縣、建德市1 個標準當量因子的價值量分別為676.16、1 710.09、2 371.78 元·hm-2, 由此得出新安江流域1 個標準當量因子的生態系統服務價值為1 586.01 元·hm-2。

2.3 地理探測器

地理探測器是探測空間分異性, 以及揭示其背后驅動力的一組統計學方法[18]。該方法基于自變量與因變量存在統計相關性, 即自變量與因變量的空間分布具有相似性的假設, 計算q統計量, 可用以度量空間分異性、探測解釋單因子并探測多因子的交互關系。地理探測器包括4 個探測器: 分異及因子探測、交互作用探測、風險區探測和生態探測。本文運用分異及因子探測器與交互作用探測器對生態系統服務價值及其驅動因子之間的空間關系進行定量的闡述與分析, 探討新安江流域生態系統服務價值變化的驅動機制。

分異及因子探測: 探測因變量Y的空間分異性, 以及探測X因子多大程度上解釋了Y的空間分異。探測結果用q值度量,q的值域為 [0, 1],q值越大說明自變量X對Y的解釋力越強[18], 反之值越小,X對Y的解釋力越弱。表達式為:

式中: SSW 和SST 分別為層內方差之和、全區總方差;h(=1, …,L) 為變量Y或因子X的分層;Nh和N分別為層h和全區的單元數;σ2h和σ2分別為層h和全區Y值的方差。

交互作用探測: 識別評估因子X1和X2共同作用時是否會增加或減弱對因變量Y的解釋力。首先基于因子X2和X2對Y的q值, 計算兩個因子交互時的q值, 即q(X1∩X2), 比較q(X1)、q(X2)、q(X1∩X2) 的值, 得出對應的交互作用類型。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化特征分析

利用GIS 技術, 制作新安江流域不同時期土地利用空間分布圖 (圖1)。從圖中可以看出, 新安江流域最主要的土地利用類型為耕地、林地、草地、水域、建設用地, 其中林地面積最大, 占總面積的77%～82%, 其次為耕地, 占總面積的10%～17%。近35 a 以來, 新安江流域林地、建設用地擴張明顯, 用地面積分別增加了217.31、158.55 hm2; 耕地面積縮減明顯, 用地面積減少了400.74 hm2(圖2)。

圖1 新安江流域土地利用分類

圖2 土地利用面積統計

土地利用類型動態度用于定量描述研究區域土地利用變化的速度[19], 由表1 可知, 近35 a 新安江流域綜合土地利用動態度>0.5%, 1985—2000年綜合土地利用動態度逐漸增加, 2000—2020 年則逐年降低。1985—2020 年林地、草地、水域、建設用地單一土地利用類型動態度呈正向變化, 而耕地單一土地利用類型動態度呈負向變化。

表1 1985—2020 年新安江流域土地利用類型動態度 單位:%

3.2 生態系統服務價值的時空變化分析

3.2.1 生態系統服務價值的時間變化特征1985—2020 年新安江流域總生態系統服務價值增加了276.76 億元 (表2)。從表2 可以看出,近35 a 新安江流域各項生態系統服務功能價值隨時間呈增長趨勢, 增長率均大于1.5%, 表明新安江流域的生態價值逐漸增加, 生態系統服務價值格局比較穩定[20], 其中供給服務的水資源供給服務功能增長率最高, 達2.14%, 在一定程度上也說明了近年來新安江流域生態補償機制對于水環境的治理效果較為明顯。對比四大生態系統服務類型,調節服務的生態系統服務價值占比最大, 其次為支持服務和供給服務, 文化服務價值最低, 從生態系統服務類型的二級分類來看, 水文調節的生態系統服務價值占比在所有服務類型中最大, 因此, 作為流域生態系統所提供的重要服務之一[21], 水文調節服務對于流域生態系統保護與恢復具有重要意義。為了更清晰地展示各項生態系統服務價值的變化趨勢, 本研究繪制了新安江流域各項生態系統服務功能價值變化量熱力圖, 如圖3 所示。

表2 1985—2020 年新安江流域各項生態系統服務功能價值估算

圖3 研究區各項生態系統服務功能價值變化量熱力圖

1985—2020 年新安江流域各土地利用類型生態系統服務價值如表3 所示, 新安江流域各類土地利用類型生態系統服務價值變化量熱力圖如圖4 所示。從不同土地利用類型來看, 林地的生態系統服務價值貢獻率最高, 占63%～66%, 水域的價值貢獻率位于第二, 占32%～34%。從總體上看, 各類土地利用類型所產生的生態系統服務價值呈增加趨勢; 各單項土地利用類型中, 林地、草地、水域的生態系統服務價值占比總體提高, 而耕地的價值占比卻呈減小趨勢, 從一定程度上反映新安江流域各土地利用類型生態系統服務價值變化趨勢與土地利用動態度變化趨勢相似[20], 符合國家推出的 “統籌推進山水林田湖一體化生態保護” 政策, 順應建設社會主義現代化和美麗中國的要求。

表3 1985—2020 年新安江流域各土地利用類型生態系統服務價值變化

圖4 研究區各類土地利用類型生態系統服務價值變化量熱力圖

從表3 中可以看出, 1990 年對應的各類土地利用類型生態系統服務價值是近35 a 來的一個低峰, 這可能與新安江流域的社會經濟發展相關, 快速經濟增長會對生態環境質量造成一定的影響[22-23]。在該階段, 研究區進入工業化、城鎮化快速發展階段, 工業化帶來的大量廢棄物與污水排入河流湖泊, 導致新安江流域的水質呈下降趨勢,進而導致生態系統服務價值減少。因此, 經濟社會發展與政策的制定對生態系統服務價值都具有較大影響。

3.2.2 生態系統服務價值的空間變化特征分析

本文基于GIS 可視化軟件, 計算每個網格不同土地利用類型的生態系統服務價值, 并進行插值分析, 將新安江流域的生態系統服務價值劃分為5 個等級, 分別為低值區域、較低值區域、中值區域、較高值區域、高值區域, 進而探索近35 a 新安江流域生態系統服務價值變化的空間表現。由圖5 可以看出, 新安江流域近35 a 間生態系統服務價值整體空間分布狀況較為一致, 空間異質性較強, 存在明顯的高值區與低值區。生態系統服務價值較高的區域主要集中在包括河流、湖泊與濕地在內的水域生態系統[24-25], 如圖5 中新安江流域的下游區域, 以千島湖為核心呈輻射狀向外分布, 低值區域則主要集中在城市建設用地等人口活動密集的區域, 如安徽省黃山市的休寧縣和歙縣等市縣區域,土地利用類型以耕地和建設用地為主。從圖中可以看出, 高值區域的分布較為穩定, 分布在千島湖等河湖水域周邊, 并隨時間呈現逐漸擴張趨勢, 由于水域的生態等級相對較高, 以及國家政策對千島湖水質的重視, 相對應其生態系統服務價值較高。低值區域的空間分布變化較大, 從2005 年開始, 研究區的低值區域面積逐漸縮小, 最終集中在研究區的西北部, 與土地利用中耕地與建設用地的分布較為一致; 較低值區域與中值區域面積呈分散塊狀逐步擴大, 于2015 年中值區域面積達到最大。

圖5 研究區生態系統服務價值空間分布圖

3.3 驅動力分析

3.3.1 因子探測

生態系統服務價值演變的驅動主要受人為因素和自然因素的影響, 為探測新安江流域生態系統服務價值的驅動因素, 本文選取并構建 (DEM)、坡度、氣溫、降水、GDP、人口密度共6 個指標因素, 從自然因素和社會因素分析了研究區的驅動程度。首先在Arc-GIS 中對得到的X、Y因子數據進行柵格化處理, 進行相應的驅動因子編碼, 生態系統服務價值為Y, 各驅動因子為Xi(i=1, 2, …,6); 其次考慮到地理探測器運行過程中的自變量X必須為類型量, 對原始數值型數據進行離散化處理, 本文采取自然斷點法, 對DEM、坡度、氣溫、降水、GDP、人口密度進行重分類; 隨后創建1 km×1 km 的漁網, 并建立采樣點, 提取重分類的結果作為自變量X數據, 提取每個網格的ESV 作為因變量Y數據; 最后將X、Y數據輸入地理探測器模型中進行因子探測與交互探測。因子探測結果如圖6 所示。

圖6 新安江流域生態系統服務價值單因子驅動力

從圖6 中可以看出, 單一驅動因素中因子貢獻率大小為坡度 (0.55) >DEM (0.18) ≈氣溫(0.18) >人口密度 (0.14) >降水 (0.12) >GDP(0.09)。ESV 與 DEM、坡度、氣溫有較大關系。該差異影響植被分布、人類活動范圍和強度, 通過形成局部地區異質環境而影響生態系統結構和功能[23]。其中坡度對生態系統服務價值影響最大。坡度不同, 導致土壤發育不同、土地利用類型的分布狀況不同、水土流失狀況不同、植被覆蓋狀況也不同, 最終造成區域生態系統服務價值的差異化[26-27]。

3.3.2 交互探測

交互探測能夠評估因子X1和X2共同作用時是否會增強或減弱對因變量Y的解釋力。因此, 本文采用交互作用探測器對6 個因子進行交互探測,交互探測結果如表4 所示, 在交互作用之后各驅動因子解釋力度均明顯增強, 增強作用表現為雙因子增強和非線性增強, 且其影響效果非獨立存在, 表明多因子驅動相較于單因子對新安江流域的生態系統服務價值的影響更明顯。坡度與人口密度的交互作用最強, 達到了0.613 7, 其次為坡度與GDP,交互作用達到0.598 1, 可以發現坡度與其他因子的交互影響對新安江流域生態系統服務價值的分布影響較大。坡度大小影響人口密度的分布, 坡度較低的區域利于人類的生存發展, 因此, 人口大量集聚于此, 促進經濟快速發展, 城鎮化進程不斷加快, 最終導致生態系統穩定性受到干擾, 生態環境逐漸惡化, 生態系統服務價值減少。由此可見, 新安江流域的生態系統服務價值并不是僅由單一因子驅動作用的, 而是由人為因素和自然因素等多種因子交互作用影響的。

4 結論

生態系統服務為人類的生存與發展提供了必要條件, 對實現生態系統可持續發展具有重要意義[1], 開展生態系統服務價值的評估工作有利于將生態學保護的目標整合到經濟社會決策中, 最終實現人與自然和諧發展、生態社會經濟協調發展,為國家生態文明建設戰略提供有效的支撐。本文開展近35 a 新安江流域生態系統服務價值動態評估,估算不同時空生態系統服務價值變化, 分析新安江流域生態系統服務價值動態變化, 并運用地理探測器, 定量地探測研究區生態系統服務價值的空間分異性以及揭示其背后驅動力。結果表明:

研 究 區 1985、1990、1995、2000、2005、2010、2015、2020 年生態系統服務價值總量分別為146.33 億、128.97 億、236.32 億、324.50 億、389.64 億、413.41 億、445.78 億、414.09 億 元。近35 a 來新安江流域總生態系統服務價值隨時間總體上呈增長趨勢, 增長率達1.83%, 價值總量增加了267.76 億元。

從各項生態系統服務功能來看, 四大生態系統服務功能的價值占比由大到小排序依次為: 調節服務>支持服務>供給服務>文化服務, 從生態系統服務類型的二級分類來看, 水文調節的生態系統服務價值占比在所有服務類型中最大。近35 a 來新安江流域各項生態系統服務功能類型的價值增長率均大于1.5%, 其中水資源供給這一生態系統服務功能的增長幅度最大, 增加了2.14%; 食物生產的生態系統服務價值相較于其他服務價值, 增長率較低 (1.54%)。

從不同土地利用類型來看, 各土地利用類型的生態系統服務價值均呈有所增加。1985—2020 年生態系統服務價值占比由大到小排序依次為林地>水域>耕地>草地, 其中林地的生態系統服務價值貢獻率最高, 占63%～65%, 水域的價值貢獻率位于第二, 占32%～33%, 該數據結果在一定程度上與土地利用面積、基礎當量價值存在較大關系。從1985—2020 年各土地利用類型價值占比的變化率來看, 林地、草地、水域的價值占比提高, 而耕地的價值占比呈下降趨勢, 符合研究區在該時期的土地利用動態變化趨勢。

新安江流域近35 a 間生態系統服務價值整體空間分布狀況較為一致, 空間異質性較強, 存在明顯的高值區與低值區。生態系統服務價值較高的區域集中分布在新安江流域的下游區域, 以千島湖為核心呈輻射狀向外分布; 低值區域主要分布在人口集中的城市建成區域, 如安徽省黃山市的休寧縣和歙縣等市縣區域, 土地利用類型以耕地和建設用地為主。從整體上看, 新安江流域的低值區域面積逐漸縮小, 高值區域面積逐漸擴大。

從因子探測中可以看出, 生態系統服務價值與坡度、DEM、氣溫存在較大關系。從交互作用中可以看出, 所有因子在交互作用后解釋力度明顯增強, 表明多因子驅動相較于單因子對新安江流域的生態系統服務價值的影響程度更明顯。其中, 坡度與人口密度的交互作用最強, 達到了0.613 7, 由此可見新安江流域生態系統服務價值的演變驅動是由自然因素與人為因素等多種因子共同作用的結果。