基于AnnAGNPS模型的三峽庫區(qū)秭歸縣生態(tài)服務價值

田耀武,黃志霖,肖文發(fā) (1.河南科技大學林學院,河南 洛陽 471003；.中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所,國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室,北京 100091)

基于AnnAGNPS模型的三峽庫區(qū)秭歸縣生態(tài)服務價值

田耀武1,2,黃志霖2*,肖文發(fā)2(1.河南科技大學林學院,河南 洛陽 471003；2.中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所,國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室,北京 100091)

利用三峽庫區(qū)秭歸縣統(tǒng)計和調(diào)查資料,并基于AnnAGNPS模型獲取秭歸縣1985、1990、2000、2007年徑流、土壤侵蝕和養(yǎng)分流失等數(shù)據(jù),客觀計量秭歸縣年際生態(tài)服務物質(zhì)量,進而估算各年際生態(tài)服務價值量.結果表明,1985～2007年,秭歸縣生態(tài)服務物質(zhì)量均發(fā)生了變化.2000年徑流、泥沙、總氮、總磷和有機碳的年輸出量最高,分別為473mm、68.6t/km2、133kg/km2、33kg/km2和684kg/km2,而2007年上述指標最低,分別為419mm、40.6t/km2、112kg/km2、20kg/km2和445 kg/km2,分別下降了12.8%、68.9%、18.7%、65.4%和53.5%;1985～2007年秭歸縣生態(tài)服務價值也發(fā)生了變化,2000年最低,為45.1億元,2007年最高,為54.2億元,增加了20.1%.利用調(diào)查統(tǒng)計和模型輸出的方法進行生態(tài)服務價值量的計量較為客觀準確,避免了一些計算上的不確定性,但該方法所需數(shù)據(jù)量龐大,可能會限定其他地區(qū)的應用.

AnnAGNPS模型；生態(tài)服務價值；秭歸縣

目前有關生態(tài)服務價值估算方面的研究多集中于森林生態(tài)系統(tǒng)[1-3]和行政區(qū)域[4-5]的大體估算,計量方法多是利用單位面積價值對總量的靜態(tài)估算[6-10].這些研究對生態(tài)系統(tǒng)類型、質(zhì)量狀況的時空差異缺乏考慮,結果難以反映生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務價值在時間和空間分布上的真實狀況

[11].同時,不同學者采用不同方法得出的生態(tài)服務價值量差異較大,不確定性較高,結果難以判定.本文利用秭歸縣統(tǒng)計公報資料,并依托國家林業(yè)局三峽庫區(qū)秭歸縣森林生態(tài)定位站對對秭歸縣杉木溪、蘭陵溪等流域植被生產(chǎn)力、氣候、土壤、水文的監(jiān)測數(shù)據(jù),借助AnnAGNPS模型強大的徑流泥沙等模擬輸出功能,較為精確地計量秭歸縣1985、1990、2000和2007年徑流、泥沙、總氮總磷等輸出量,進而客觀評定秭歸縣22年間生態(tài)服務價值量的變化,以期為區(qū)域生態(tài)服務價值評定提供新思路.

1 材料與方法

1.1 秭歸縣概況

秭歸縣位于湖北省西部,(110°18′E～110°0′E, 30°38′N～31°11′N),總面積 2427km2,長江橫貫中部,流長64km,與境內(nèi)8條溪流形成“蜈蚣”狀水系,境內(nèi)四周高,中間低,呈東西開口的不規(guī)則盆狀分布.秭歸縣地處中緯度,屬亞熱帶大陸性季風區(qū),多年平均降雨量 1439mm,年際差異大,年內(nèi)降雨分布為單峰型(5～8月占全年68%).土壤類型有黃壤、黃棕壤、棕壤、石灰土、紫色土、潮土、水稻土等 7類,分別占林地和耕地的 14.34%、28.22%、0.15%、35.93%、17.91%、0.23%和3.22%.

2000年起秭歸縣開始推行退耕還林,2002年秭歸縣蘭陵溪被國家林業(yè)局確定為全國退耕還林模范流域,流域＞25°農(nóng)坡地開始實施退耕還林工程,2005年全縣部分流域＞15°農(nóng)坡地開始實施退耕,2007年農(nóng)地、林果地開始實施坡改梯、免耕、緩沖帶等生態(tài)防護工程.目前,全縣流域水土保持效果顯著,生態(tài)環(huán)境效益得到明顯提高.

1.2 AnnAGNPS 模型

AnnAGNPS模型是USDA-ARS與NRCS聯(lián)合開發(fā)的參數(shù)分布式、基于物理過程、連續(xù)模擬、流域尺度的高級流域評價工具,最新版本為AnnAGNPS4.0(2007).AnnAGNPS模型直接替代了其前身場次模型 AGNPS,實現(xiàn)了與 ArcView 3.x界面的高度集成.模型主要包括水文、土壤侵蝕、化學物質(zhì)輸移3大模塊.水文計算法則為土壤水分平衡方程與地表徑流模型 (SCS-CN)[12].泥沙輸出計算法則為修訂的通用水土流失方程RUSLE;氮的礦化平衡計算法則為EPIC模型,逐日計算氮磷等的吸收、降解,并按可溶態(tài)和顆粒吸附態(tài)計算并輸出.其詳細介紹可參考有關文獻

[13-14].據(jù)田耀武等[15]和黃志霖等[16-18]有關研究,AnnAGNPS模型對秭歸縣地理氣候條件下流域尺度徑流模擬的Nash-Sutcliff效率系數(shù)、百分誤差、決定系數(shù)校準期為 0.87、5.0%、0.93,驗證期為 0.79、5.3%、0.90;模型對泥沙模擬的Nash-Sutcliff預測效率系數(shù)、百分誤差、決定系數(shù)校準期為0.77、-15.1%、0.63,驗證期為0.69、-13.5%、0.66,模擬輸出精度達到研究要求.

根據(jù)秭歸縣四周高,中間低,呈東西開口的不規(guī)則盆狀地形特點,把秭歸縣數(shù)字高程模型DEM 首先進行行政區(qū)邊界切割,使之符合AnnAGNPS模型模擬條件,然后進行秭歸縣域條件下的NSP輸出和管理,為模型應用于行政區(qū)區(qū)域和行政區(qū)NSP管理提供新思路.

1.3 模型數(shù)據(jù)庫構建

模型數(shù)據(jù)庫主要包括數(shù)字高程模型(DEM)、土壤屬性、土地利用和流域管理等數(shù)據(jù).DEM采用國家測繪部門20m等高距1:50000地形圖件作為基本地形信息源,按照國家地形圖數(shù)字化技術規(guī)范標準矢量化等高線,利用ArcView GIS 3.2雙線性內(nèi)插重采樣方法生成 20m[15]水平格網(wǎng)尺度DEM.在地形圖上隨機選擇 50個點作為高程控制點,視其高程值作為準值,檢驗對應 DEM 柵格點的高程采樣精度;在流域內(nèi)隨機布設300個點,GPS定位并量測地面實際坡度,計算DEM提取地面坡度的中誤差[19].

矢量化土壤、土地利用資料數(shù)據(jù),形成soils.shp和fields.shp 輸入文件;作物參數(shù)由模型手冊和現(xiàn)場調(diào)查確定;化肥施用量、無機有機肥比重、施肥深度等由現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計來確定.以上流域管理資料由模型編輯模塊InpEdit輸入.

秭歸縣1985、1990、2000、2007年土地利用數(shù)據(jù)由中國科學院南京土壤研究所提供.基于確立的4個年份,按照上述建庫方法產(chǎn)生4個相應的AnnAGNPS.inp模型文件.

氣象文件Dayclim.inp由模型編輯模塊逐日輸入秭歸縣上述4年份最低最高氣溫、降雨量、風速、云量和露點溫度等6類氣象要素數(shù)據(jù)產(chǎn)生,氣象數(shù)據(jù)由秭歸縣氣象部門提供.分別加載4個年份之模型的氣候文件,利用模型污染負荷模塊進行流域徑流、泥沙、總氮、總磷和有機碳輸出.

1.4 生態(tài)服務價值量的確定

基于以上獲得的數(shù)據(jù),確定并計量秭歸縣固碳、釋氧、固土、保肥、生產(chǎn)有機物、水源涵養(yǎng)等6項生態(tài)服務價值.

參考李長榮等[2]、張榕等[20]、何浩等[11]以及國家林業(yè)局2008年發(fā)布的行業(yè)標準《森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估規(guī)范》(LY/T 1721－2008),確定固碳、釋氧和生產(chǎn)有機物價值量(圖 1).變更1985、1995、2000、2007等4年份土地利用方式中林地、農(nóng)地屬性為無林地、廢棄地(裸地)[21-22],使用 AnnAGNPS模型輸出流域更改屬性后4個年份之徑流、泥沙、養(yǎng)分等物質(zhì)量.同一年份 2次輸出之差作為該年生態(tài)效益物質(zhì)量

[6-10],利用圖1方法確定固土、保肥、水源涵養(yǎng)等生態(tài)服務價值.

圖1 秭歸縣生態(tài)服務價值估算流程Fig.1 Flow charts of ecosystem service value assessment in Zigui county

2 結果與分析

2.1 土地利用變化

秭歸縣的土地利用變化,包括土地利用結構變化和土地利用時空格局變化兩部分.圖2顯示了秭歸縣1985、1990、2000、2007等4年土地利用類型的面積和構成比例.4年間土地利用類型均以林地和農(nóng)地為主,二者合計占全縣總面積的 80%以上;其次為草地,1985年草地占12.7%,1990年占11.6%,2000年占11.3%,2007年減少到9.1%;建設用地和水域面積所占比例較小,說明22年來土地利用結構變化不大.

2.2 徑流、泥沙、總氮、總磷物質(zhì)量的變化

模型模擬結果顯示(表 1),退耕還林前(2000年)全縣土壤侵蝕量約為68.6t/km2,至2007年已下降到40.6t/km2.在各土地利用類型中,坡耕農(nóng)地是產(chǎn)生土壤侵蝕的重要區(qū)域,2001年玉米和花生間作觀測區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)高達 899t/km2,為相同坡度條件下有林地的198倍[15-17].

1985年全縣徑流、泥沙、總氮、總磷和有機碳輸出量(表 1)分別為 429mm、47.7t/km2、113kg/km2、15kg/km2和453kg/km2,5年后的1990年,其徑流、泥沙、總氮、總磷和有機碳輸出量分別為455mm、56.8t/km2、132kg/km2、26 kg/km2和 678kg/km2,當?shù)氐臍Я衷焯锸股鲜鲋笜朔謩e增加了 6.1%、19.1%、16.8%、73.3%和 49.6%.到2000年,其徑流、泥沙、總氮、總磷和有機碳輸出量分別為473 mm、68.6t/km2、133kg/km2、33kg/km2和684kg/km2,與1985年相比,分別增加了10.3%、43.8%、17.6%、120%和50.9%.與2000年相比,2002年起實施的退耕還林工程(2007年數(shù)據(jù))使徑流、泥沙、總氮、總磷和有機碳輸出降低了 12.8%、68.9%、18.7%、65%和 53.7%,泥沙輸出量已低于1985年全縣泥沙輸出量.但總氮、總磷和有機碳的輸出量仍較高,說明退耕還林工程對泥沙削減效果大于對氮、磷的削減,要從根本上控制氮、磷的削減,還要合理使用化肥量,提高農(nóng)業(yè)管理水平.

表1 秭歸縣徑流、泥沙、總氮、總磷、有機碳輸出的變化Table 1 Changes of runoff, sediment yield, tota nitrogen, total phosphorus and total organic carbon exported from Zigui county

2.3 生態(tài)服務價值量的變化

由表2可知,從1985年到1990年,林地、草地、建設用地等生態(tài)服務價值均有所下降,下降幅度為林地＞草地＞建設用地.其中林地減少了4.28億元,草地減少0.42億元,建設用地減少0.38億元.同一時期農(nóng)地生態(tài)服務價值增加了2.62億元,主要是由于農(nóng)地面積的增加.從1990到2000年,各土地利用類型增加和減少的生態(tài)服務價值趨勢與前一階段相同.從 2000開始,由于林地面積的增加和林地生態(tài)防護功能的增強,林地生態(tài)服務價值持續(xù)地增加;農(nóng)地面積雖然有所減少,但由于大部分流域?qū)嵤┑霓r(nóng)田生態(tài)防護工程,特別是減少了農(nóng)地土壤流失,所以農(nóng)田生態(tài)服務價值也有所增加.2007年與2000年相比,林地和農(nóng)地生態(tài)服務價值量分別增加了 8.52和 2.27億元,增加了25%和20%.由于草地在這一階段轉化為建設用地和水域,這一階段草地生態(tài)服務功能下降了 0.6%;建設用地的急劇擴大,使其生態(tài)服務價值下降了1.6億元.

1985年,秭歸全縣生態(tài)服務價值為49.2億元,由于不斷的毀林造田使生態(tài)服務價值下降,到 1990年下降為46.8億元,下降了4.9%.到2000年實施退耕還林前,秭歸縣生態(tài)服務價值下降到了45.1億元.從 2000年實施退耕還林工程后,流域生態(tài)服務價值逐步上升,2007年秭歸縣生態(tài)服務價值達到了54.2億元,比2000年增加了9.1億元,同時也超過了1985年全縣生態(tài)服務價值.

表2 秭歸縣退耕還林不同年份生態(tài)服務價值的變化(億元)Table 2 Changes of ecosystem service value of different CCFP scenarios in Zigui county(×108 yuan)

3 討論

相對于常見的生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務價值評估方法,本文提出了一種新的計量方法和評估模式:首先通過采用模擬精度比較高的AnnAGNPS[15-17]模型,建立GIS數(shù)據(jù)庫,較為客觀和準確地計量了三峽庫區(qū)秭歸縣 1985、1990、2000、2007年徑流、泥沙、總氮、總磷等物質(zhì)輸出量,進而估算出了全縣生態(tài)服務價值量,減少了生態(tài)服務價值評估中的不確定性;二是實現(xiàn)了全縣生態(tài)服務價值的科學評定.如對 2000年到2007年間農(nóng)田生態(tài)服務價值評估上,按照靜態(tài)估計方法進行單位面積價值對總量的靜態(tài)估算時,從水土保持方面上看,生態(tài)服務價值肯定會減小,但實際上由于農(nóng)地采取了坡改梯、免耕作等一系列水土保持措施,水土保持功能發(fā)生了變化,徑流、泥沙、總氮、總磷等輸出物質(zhì)量得到了控制,生態(tài)服務價值隨之增加,這也說明目前生態(tài)服務價值靜態(tài)評定的局限性.三是為我國退耕還林工程下一步的實施方向提供了理論基礎.實施退耕還林工程后,泥沙、總氮、總磷的輸出明顯減少,但輸出量還相對較大.對于一個區(qū)域而言,農(nóng)地不可能全部實施退耕還林,所以還要推廣免耕、坡改梯等生態(tài)防護工程,進行合理的科學施肥等流域管理措施,才能更好地發(fā)揮退耕還林流域生態(tài)效益,減少泥沙和養(yǎng)分的輸出.

本文提出的實地監(jiān)測和AnnAGNPS模型輸出的方法也具有一定的不足,如模型自身的一些不確定性因素[15-17]使模型輸出上還存在有一定的誤差;由于林木生長周期的長期性,農(nóng)地在實施退耕還林后,生態(tài)服務價值并不能立刻顯示出來,但模型在對林地參數(shù)率定時,要輸入成熟林分的一些屬性,這將對生態(tài)服務物質(zhì)量的輸出產(chǎn)生誤差.特別是實地監(jiān)測周期長,模型所需數(shù)據(jù)量龐大,過程繁雜,某些模型參數(shù)較難獲取,在生態(tài)服務價值評定中該方法受到一定的限制.

4 結語

從1985到2007年,三峽庫區(qū)秭歸縣生態(tài)環(huán)境效應產(chǎn)生了明顯的變化.退耕還林起始階段的2000年,生態(tài)系統(tǒng)受損程度最高,徑流、泥沙、總氮、總磷和有機碳的輸出量最大,分別為473mm、68.6t/km2、133kg/km2、33kg/km2和 684kg/km2. 2002年實施退耕還林和生態(tài)防護工程后,生態(tài)功能得到恢復,上述指標2007年變化為419mm、40.6t/km2、112kg/km2、20kg/km2和 445kg/km2. 1985到2007年秭歸縣生態(tài)服務價值也發(fā)生了變化,生態(tài)服務價值量最低的 2000為 45.1億元,2007年上升為54.2億元,增加了20.1%.

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Ecosystem service value changes of Zigui county in Three Gorges Reservoir area based on AnnAGNPS model.

TIAN Yao-wu1,2, HUANG Zhi-lin2*, XIAO Wen-fa2(1.Forestry College, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003,China；2.Key Laboratory of Forest Ecology and Environment, State Forestry Administration China, Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, Chinese Academy Forestry, Beijing 100091, China). China Environmental Science, 2011,31(12)：2071～2075

The changes in value of ecosystem services of 1985, 1990, 2000, 2007 in Zigui county in Three Gorges Reservoir area was studied using statistical and observed data, and annual runoff, sediment yield, nitrogen and organic carbon exported from Zigui based on AnnAGNPS (Annualized AGricultural Non-Point Source) model. Runoff, sediment yield, total nitrogen, total phosphorus and total organic carbon of 2000 exported from Zigui county were the highest, which were 473mm, 68.6t/km2, 133kg/km2, 33kg/km2and 684 kg/km2, respectively. All the above quantities of 2007 were the lowest, which were 419mm, 40.6t/km2, 112kg/km2, 20kg/km2and 445kg/km2, and which reduced by 12.8%, 68.9%, 18.7%, 65.4% and 53.5%, respectively. The value of ecosystem services in Zigui county were also changed in different years. The values of ecosystem services were 45.1×108Yuan (2000) and 54.2×108Yuan (2007) respectively, which increased 20.1%. The method using observed data and AnnAGNPS model was objectively which can reduce the uncertainty of the quantity of ecosystem services. This method not only needed a large amount of data, but also had a very complicated process, and which might be influenced by multiple factors above. This might limited the scale and depth in assessing the values of ecosystem services in some other places.

AnnAGNPS model；ecosystem service value；Zigui county

X321

A

1000-6923(2011)12-2071-05

2011-03-09

中國林科院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金(CAFRIFEEP200902)

* 責任作者, 研究員, hzlin66@163.com

田耀武(1975-),男,河南省許昌市人,副教授,博士,主要從事林業(yè)遙感與污染生態(tài)學研究.發(fā)表論文10余篇.