京津冀地區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)服務演變規(guī)律及其驅動力分析

劉夢圓，曾思育，孫傅，劉毅

(清華大學環(huán)境學院，北京 100084)

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京津冀地區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)服務演變規(guī)律及其驅動力分析

劉夢圓，曾思育，孫傅，劉毅

(清華大學環(huán)境學院，北京 100084)

通過建立水生態(tài)系統(tǒng)服務評價指標體系，對京津冀地區(qū)2003—2013年間的水分調節(jié)、水質凈化、水資源供給、水生境提供4項服務用6項指數(shù)進行評價，并通過逐步線性回歸方法識別綜合服務水平與社會經(jīng)濟發(fā)展間的關系。京津冀10年內水生態(tài)系統(tǒng)服務功能不斷下降；北京水生態(tài)系統(tǒng)服務功能最差，天津略好于河北，但可通過協(xié)同發(fā)展實現(xiàn)全區(qū)環(huán)境保護一體化；京、津、冀水生態(tài)系統(tǒng)服務能力的主要驅動力差異較大，分別為城鎮(zhèn)化水平、二產(chǎn)規(guī)模和一產(chǎn)規(guī)模，據(jù)此提出了區(qū)域優(yōu)化調整社會經(jīng)濟發(fā)展、促進水生態(tài)系統(tǒng)服務能力提升的對策建議。

水生態(tài)系統(tǒng)服務；指標體系；驅動力；京津冀；區(qū)域協(xié)同發(fā)展

水生態(tài)系統(tǒng)是人類社會賴以發(fā)展的重要因素，但在城市化和工業(yè)化進程中，水生態(tài)系統(tǒng)受到的負面影響日益顯著，對其開展評價已成為提出緩解社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護之間矛盾的建議與措施的基礎。常見的水生態(tài)系統(tǒng)評價內容包括水生態(tài)系統(tǒng)健康評價[1]、完整性評價[2]、風險評價[3]和水生態(tài)系統(tǒng)服務評價[4]幾類，而以服務為終點的評價因為能夠表征人類社會從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的“福利”而得到廣泛應用。水的生態(tài)服務功能指的是水生態(tài)系統(tǒng)及其生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用[5]。對于生態(tài)服務功能的研究大多基于Costanza[6]提出的生態(tài)系統(tǒng)服務評價指標體系[7-9]，評價方法主要包括功能分類法和價值分類法。張志明[10]、王金龍[11]等對我國巢湖水域、遼河水域等區(qū)域開展了水生態(tài)系統(tǒng)服務功能評價，覆蓋水源供給、水產(chǎn)品供給、水質凈化、水量調蓄等多項功能。門苗苗[12]、楊美玲[13]等利用影子價格法、替代成本法、旅行費用法、恢復費用法等價值評價方法，對水生態(tài)系統(tǒng)服務功能作了探索研究。

京津冀地區(qū)是國家經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略的重要指向區(qū)，2015年頒布的《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》更加明確了京津冀協(xié)同互補、共建綠色生態(tài)的發(fā)展要求。但是，京津冀地區(qū)河道斷流、地下水漏斗、黑臭劣V類水體、近岸海域富營養(yǎng)化等水資源環(huán)境問題嚴峻，水生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)嚴重失衡。解決好京津冀地區(qū)發(fā)展面臨的水問題成為實現(xiàn)其發(fā)展目標的戰(zhàn)略前提。為了科學客觀地認識該地區(qū)的水生態(tài)系統(tǒng)特征及其演變特征，并在此基礎上識別其決定性因素和提出相應的改進對策，本研究結合該地區(qū)的特點，構建了相應的水生態(tài)系統(tǒng)服務評價指標體系，用于評價該地區(qū)2003—2013年的水生態(tài)系統(tǒng)演變過程。同時，結合地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展狀況，分析其與水生態(tài)系統(tǒng)服務的關聯(lián)關系，探究該地區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)服務變化的主要原因、內部差異和協(xié)調改善的可能性。

1 研究方法

1.1 水生態(tài)系統(tǒng)服務評價指標體系

本研究以服務為終點，根據(jù)Costanza提出的生態(tài)系統(tǒng)服務功能，結合京津冀地區(qū)特點，構建水生態(tài)系統(tǒng)評價指標體系，涉及調節(jié)、供給和支持服務，包括5項具體指標。

(1)水分調節(jié)服務

水分調節(jié)是屬于生態(tài)系統(tǒng)調節(jié)服務的內容，是指區(qū)域尺度上對水循環(huán)的調節(jié)作用。本研究采用降水量貯存法計算生態(tài)系統(tǒng)的持水量，認為貯存在生態(tài)系統(tǒng)中的降水量即為水源涵養(yǎng)量，并以此來表征水分調節(jié)服務能力的大小。計算公式如下：

式中，F(xiàn)1為水分調節(jié)服務指數(shù)；Qw為生態(tài)系統(tǒng)的水分調節(jié)量；Qu為地表水資源量；i表示生態(tài)系統(tǒng)類型，包括森林、草地和農(nóng)田；Si為生態(tài)系統(tǒng)面積；P0為區(qū)域內年降雨量；K為產(chǎn)流降雨的比例，京津冀地區(qū)可取0.4；Ri為各生態(tài)系統(tǒng)減少徑流調節(jié)水分的效益系數(shù)，森林、草地、農(nóng)田的值分別為0.416、0.358和0.45[14]。

(2)水質凈化服務

水質凈化是生態(tài)系統(tǒng)調節(jié)服務中的另一項內容，指稀釋、轉化所接納的污染物直至其濃度降低。由于京津冀地區(qū)水質條件差，河道黑臭、斷流問題長期以來都較為嚴重，用斷面水質評價服務狀況不能明確識別其變化過程。因此采用“十二五”提出的污染物排放要求和實際排放量的比值來表征水質凈化服務，涉及COD和氨氮兩種污染物。計算公式如下：

式中，F(xiàn)2、F3分別是COD和氨氮凈化能力指數(shù)；WsCOD和WsNH分別是“十二五”規(guī)劃中允許的COD和氨氮排放量；WCOD和WNH分別是COD、氨氮實際排放量。

(3)水資源供給服務

水資源供給是生態(tài)系統(tǒng)供給服務的一種形式，指為人類社會提供生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水。京津冀地區(qū)的供水結構涉及多種水源，為綜合描述不同途徑的供給特征，采用地表水資源供給指數(shù)和地下水資源供給指數(shù)表征相應的服務狀況，計算公式為：

式中，F(xiàn)4和F5分別為地表水、地下水資源供給指數(shù)；Qu supply和Qd supply指地表水、地下水資源供給量；Qu和Qd指地表水、地下水資源量。地表水供給包含傳統(tǒng)地表河流湖庫供水(包括本地的和從外流域調來的地表水)和再生水、淡化海水等非常規(guī)來源。再生水和淡化海水已在京津投入使用，非常規(guī)水資源利用率增大將使F4變大。當外調水量高而導致F4>1時，表明該區(qū)域對外部供水依賴程度強。對于地下水資源供給，當01時，代表地下水供水量大于能利用的地下水資源量，即超采地下水，F(xiàn)5越大表明超采越嚴重，水資源供給能力的提高是犧牲生態(tài)環(huán)境安全換取的。

(4)水生境提供服務

提供水生境是生態(tài)系統(tǒng)支持服務的內容之一，是指為水生生物提供生存、棲息、繁衍場所。由于京津冀地區(qū)的水生境總體較差，本研究重點考察水生態(tài)系統(tǒng)能夠提供給水生生物的生存空間的基本能力，通過生態(tài)水量的利用狀況對該項服務水平進行描述，計算公式為：

(5)水生態(tài)系統(tǒng)服務及指標集成

采用水生態(tài)系統(tǒng)服務指數(shù)來描述其綜合服務能力。由于水質凈化和水資源供給服務均分別由兩項指標描述，可通過對其進行加權平均來量化。在此基礎上，將水分調節(jié)、水質凈化、水資源供給和水生境提供這4項服務指數(shù)再次加權平均的結果作為水生態(tài)系統(tǒng)服務指數(shù)。由于各指標取值范圍不同，例如F4和F5都可能大于1，在參與加權平均計算之前，所有指標均需通過離差標準化將其數(shù)值轉換到[0，1]區(qū)間，且數(shù)值越大則該項服務能力越強(雖然有時服務能力的提高是損害生態(tài)安全換來的)。水生態(tài)系統(tǒng)服務指數(shù)具體計算公式為：

FT=a1ZF1+a23(b2ZF2+b3ZF3)+a45(b4ZF4+

b5ZF5)+a6ZF6

a1+a23+a45+a6=1

b2+b3=1

b4+b5=1

式中，F(xiàn)T為水生態(tài)系統(tǒng)服務指數(shù)；ZFi為各項服務Fi經(jīng)過離差標準化后的數(shù)值；aj、bk均為權重系數(shù)；Fi,min和Fi,max分別為三個省市在2003到2013年間Fi的最小值和最大值。在本案例中，出于計算簡單和結果直觀的考慮，將權重設定為a1=a23b2=a23b3=a45b4=a45b5=a6=1/6。

1.2 水生態(tài)系統(tǒng)服務演變的關鍵驅動力識別

經(jīng)濟發(fā)展和社會進步構成了水生態(tài)系統(tǒng)服務演變的主要驅動力?，F(xiàn)有研究大多通過產(chǎn)值和人口構成來描述社會經(jīng)濟發(fā)展特征[16]。本研究采用一產(chǎn)GDP、二產(chǎn)GDP、三產(chǎn)GDP、總人口數(shù)、城鎮(zhèn)化率5個社會經(jīng)濟指標來描述區(qū)域發(fā)展狀況，在回歸中分別用P1、P2、P3、P4和P5進行表示，與水生態(tài)系統(tǒng)服務指數(shù)進行逐步線性回歸，以識別服務演變的主要驅動力和影響程度。

2 結果與討論

2.1 水生態(tài)系統(tǒng)服務功能評價

如圖1所示，整個地區(qū)的水分調節(jié)服務主要由河北省提供，該省水分調節(jié)能力較強但在觀測時間段內持續(xù)波動下降，北京和天津該能力較弱且在觀測期內變化不大。河北省是農(nóng)業(yè)大省，其森林、草地、農(nóng)田占地較多，貯水能力明顯優(yōu)于高度城市化的北京和天津。雖然水分調節(jié)能力強有利于緩解河道斷流，但是由于該區(qū)內地下水超采量高、漏斗面積大，通過森林、草地和農(nóng)田貯存的水量遠不足以解決斷流河道需水。

全區(qū)COD凈化服務能力持續(xù)提升。其中，北京市已基本穩(wěn)定且逐步改善，而天津和河北省的COD排放仍與目標值差距較大。與COD凈化服務能力不同，全區(qū)氨氮凈化服務能力在持續(xù)減弱后，從2010年開始持續(xù)上升。天津市氨氮凈化能力明顯優(yōu)于北京市和河北省，特別是2009年氨氮排放量較10年平均值減少28.8%，出現(xiàn)氨氮凈化指數(shù)最高值；北京市和河北省該指數(shù)變化趨勢相近，排放量始終高于控制要求。

全區(qū)地表水資源供給指數(shù)圍繞1波動變化。其中，天津的地表水資源供給服務能力較強，而北京市和河北省的地表水資源供給能力在波動中逐漸下降。全區(qū)地下水資源供給指數(shù)持續(xù)下降，但因數(shù)值大于1，

圖1 京津冀地區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)各項服務功能變化情況Fig.1 The service function change of water ecosystem services in Beijing-Tianjin-Hebei Region

意味著超采趨勢得到一定控制，特別是河北省該指數(shù)較高，超采程度在全區(qū)內最嚴重。

京津冀三省市大部分年份的水生境提供服務指數(shù)均為零，即因其他部門用水量過高而無法保證生態(tài)用水量。三省市水資源公報定義的豐水年中，天津的水生境提供指數(shù)較高，即天津具有較為良好的生態(tài)供水基礎，當降雨量充足時能夠一定程度地提供生態(tài)需水。而河北省最弱，即現(xiàn)有用水結構遠未考慮其生態(tài)用水需求。

如圖2所示，綜合來看，北京的水生態(tài)系統(tǒng)服務功能最差，天津略好于河北；但三省市的水生態(tài)系統(tǒng)服務指數(shù)均呈波動下降趨勢，其服務功能逐漸變弱，生態(tài)環(huán)境形勢不容樂觀。

圖2 京津冀地區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)服務綜合指數(shù)變化情況Fig.2 The composite index change of water ecosystem service index in Beijing-Tianjin-Hebei Region

由于三省市同屬海河流域，其自然水系分布因上下游關系而具有天然形成的高度關聯(lián)性，因而不僅生態(tài)系統(tǒng)服務能力密切相關，服務功能的地域差異還為相互協(xié)調和整體優(yōu)化提供了基礎。但與此同時，三者的社會經(jīng)濟發(fā)展水平、發(fā)展目標和方式卻極為不均衡，由此可知在實現(xiàn)該地區(qū)協(xié)同發(fā)展的過程中，把實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護的一體化作為重要內容非常必要。結合水生態(tài)系統(tǒng)服務評價結果，建議可從以下方面入手：從產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)化的角度出發(fā)，應統(tǒng)一調控三地COD和氨氮排污企業(yè)規(guī)模，并在產(chǎn)業(yè)轉移過程中實現(xiàn)均衡布局，從而改善水質凈化服務能力；還應以京津冀地區(qū)為一個整體，進一步合理配置水資源，例如在豐水年優(yōu)化調整河北向天津供水，可改善本地的水生境提供服務；考慮到河北省在保障本地需求時還為京津提供水資源，應強化生態(tài)補償、支付轉移等手段，以促進三省市地下水壓采的可操作性和效率，可優(yōu)化水資源供給服務。

2.2 水生態(tài)系統(tǒng)服務演變驅動力分析

將水生態(tài)系統(tǒng)服務指數(shù)與5項驅動力變量進行逐步線性回歸，擬合結果如表1所示?；貧w方程中進入的社會經(jīng)濟指標，可視作水生態(tài)系統(tǒng)服務的驅動力，即北京市水生態(tài)系統(tǒng)服務功能水平受城鎮(zhèn)化率水平影響顯著；天津市水平取決于第二產(chǎn)業(yè)GDP；河北省水生態(tài)系統(tǒng)服務受第一產(chǎn)業(yè)GDP影響較大，而其城鎮(zhèn)化進程能夠提高水生態(tài)系統(tǒng)服務能力。

表1 水生態(tài)系統(tǒng)服務與社會經(jīng)濟指標擬合結果

進入后工業(yè)化階段的北京，對水生態(tài)系統(tǒng)服務功能影響最大的因素是其城鎮(zhèn)化水平，城鎮(zhèn)化進程造成的森林草地減少、污染物排放增加、用水需求上升、生態(tài)用水不足等問題都在一定程度上限制了水生態(tài)系統(tǒng)服務水平的改善。所以，北京市在發(fā)展過程中需要更加強調生態(tài)文明建設對新型城鎮(zhèn)化建設的要求，強調科學布局、節(jié)約高效利用資源、推動基礎設施綠色低碳化和聚焦環(huán)境治理等生態(tài)建設措施。

處于工業(yè)化后期階段的天津，其水生態(tài)系統(tǒng)服務能力主要受到第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制約。結合協(xié)同發(fā)展中對天津“一基地三區(qū)”的定位，即全國先進制造研發(fā)基地、北方國際航運核心區(qū)、金融創(chuàng)新運營示范區(qū)、改革開放先行區(qū)，天津一方面要落實產(chǎn)業(yè)轉型，培育和發(fā)展戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，另一方面要大力推行節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟，以緩解城市產(chǎn)業(yè)發(fā)展對水生態(tài)系統(tǒng)造成的壓力。

作為農(nóng)業(yè)大省，河北省第一產(chǎn)業(yè)GDP與其水生態(tài)系統(tǒng)服務功能呈現(xiàn)出明顯的負相關性。為此，河北省需要落實農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，推動其增長方式向資源節(jié)約、適度規(guī)模經(jīng)營方向轉型。另外，京津冀協(xié)同發(fā)展對河北省的定位為全國現(xiàn)代商貿(mào)物流重要基地、產(chǎn)業(yè)轉型升級試驗區(qū)、新型城鎮(zhèn)化與城鄉(xiāng)統(tǒng)籌示范區(qū)、京津冀生態(tài)環(huán)境支撐區(qū)，也為河北省通過生態(tài)環(huán)境保護和城鎮(zhèn)化建設推進水生態(tài)系統(tǒng)服務能力的提升指明了方向。

3 結論

本研究通過建立水生態(tài)系統(tǒng)服務評價指標體系，對京津冀區(qū)域2003—2013年間的水分調節(jié)、水質凈化、水資源供給、水生境提供4項水生態(tài)系統(tǒng)服務能力進行評價。評價結果顯示，三省市的水生態(tài)系統(tǒng)功能均呈現(xiàn)波動下降態(tài)勢?；谠摰貐^(qū)水系分布特征和社會經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀，實行協(xié)同發(fā)展實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護一體化對提升地區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)服務非常必要。在此基礎上，應用逐步線性回歸的方法，識別出京、津、冀的水生態(tài)系統(tǒng)服務水平主要分別由城鎮(zhèn)化水平、工業(yè)發(fā)展規(guī)模和農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)模決定，反映了各地不同的社會經(jīng)濟發(fā)展與水生態(tài)系統(tǒng)耦合關系，進而提出了相應的水生態(tài)系統(tǒng)服務功能改善建議。研究所建立的評價指標體系能夠幫助識別水生態(tài)系統(tǒng)的演變規(guī)律及其潛在原因，為相關決策提供依據(jù)。

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Analysis on the Evolution Law and Driving Force of Water Ecosystem Services in Beijing-Tianjin-Hebei Region

LIU Meng-yuan, ZENG Si-yu, SUN Fu, LIU Yi

(School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

This research established an evaluation indicator system for water ecosystem services, and evaluated four types of services, which are water conditioning, water purification, water supply, and aquatic habitat supply, in Beijing-Tianjin-Hebei region from 2003 to 2013 with six indicators. In addition, step wise linear regression method was used to identify the relationship between comprehensive service level and social economic development. The results showed that the regional water ecosystem services deteriorated during the observed ten years. Beijing shared the worst water ecosystem services, and Tianjin was slightly better than Hebei, but the situation can be improved through collaborative development. The driving force for Beijing, Tianjin, and Hebei is urbanization level, industrial scale, and agricultural scale respectively, according to which countermeasures and suggestions for optimizing social-economic development and improving water ecosystem service were made in this paper.

water ecosystem service; indicator system; driving force; Beijing-Tianjin-Hebei region; regional collaborative development

2016-01-21

劉夢圓(1991—)，女，云南昆明人，碩士研究生，主要從事水系統(tǒng)評價與管理研究，E-mail：liumy13@mails.tsinghua.edu.cn

曾思育(1973—)，女，山西長治人，副教授，博士，主要從事環(huán)境規(guī)劃與管理、非點源污染負荷與流域水質模擬研究，E-mail：szeng@tsinghua.edu.cninghua.edu.cn

10.14068/j.ceia.2016.06.010

X824

A

2095-6444(2016)06-0036-05