基于多邊界改進(jìn)的京津冀城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算

劉金雅,汪東川,2,*,張利輝,汪翡翠,胡炳旭,陳俊合,孫志超

1 天津城建大學(xué),地質(zhì)與測(cè)繪學(xué)院,天津 300384 2 天津城建大學(xué),天津市土木建筑結(jié)構(gòu)防護(hù)與加固重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300384

生態(tài)系統(tǒng)作為生物與環(huán)境的統(tǒng)一,是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)所形成、維持的人類賴以生存和發(fā)展的自然環(huán)境條件與效用[2- 3],不僅為人類生產(chǎn)生活提供直接的生態(tài)產(chǎn)品,還通過調(diào)節(jié)、支持等功能提供間接服務(wù)[4- 5],對(duì)其價(jià)值進(jìn)行定量評(píng)估是生態(tài)資源合理配置和生態(tài)環(huán)境有效保護(hù)的基礎(chǔ)和前提[6- 7],在實(shí)現(xiàn)人與自然可持續(xù)性發(fā)展和全球生態(tài)安全等方面至關(guān)重要。

自1997年Costanza等最早對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行估算以來[8],國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在此基礎(chǔ)上,紛紛針對(duì)不同區(qū)域[9- 10]、不同尺度[11- 12]、不同類型[13- 14]的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行評(píng)估,評(píng)估結(jié)果廣泛應(yīng)用在生態(tài)環(huán)境保護(hù)[15- 16]、生態(tài)功能分區(qū)[17- 18]、土地利用優(yōu)化配置[19- 20]和生態(tài)補(bǔ)償決策[21- 22]等多個(gè)方面。特別的,隨著近年來全球生態(tài)環(huán)境問題的不斷加劇,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值作為衡量生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo),其評(píng)估研究也已成為生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性研究的熱點(diǎn)問題[23- 24]。在我國(guó)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究中,被大多數(shù)學(xué)者接納和采用的是謝高地等在對(duì)我國(guó)200多位生態(tài)學(xué)者進(jìn)行問卷調(diào)查的基礎(chǔ)上,提出的適合我國(guó)生態(tài)環(huán)境的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表,該表依據(jù)千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估的方法,將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分為供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)四大類[25- 27],然后結(jié)合不同類型生態(tài)系統(tǒng)的面積來對(duì)其生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行定量評(píng)估。但是現(xiàn)有的針對(duì)不同區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估研究,大都以省市、區(qū)縣的行政邊界[28- 31]作為生態(tài)系統(tǒng)劃分和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估的界限。然而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是生態(tài)系統(tǒng)所固有的,用以生態(tài)系統(tǒng)維持和發(fā)展的基礎(chǔ),其部分服務(wù)功能的影響已經(jīng)超越了行政邊界的限制,具有全局性、一體化的特點(diǎn)[32]。因此,由行政邊界確定的一個(gè)城市、區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值已經(jīng)存在不足。

京津冀地區(qū)幾十年的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展導(dǎo)致了該地區(qū)生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化,人與自然之間的矛盾日益突出,嚴(yán)重威脅著該地區(qū)的生態(tài)安全[33]。2015年《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》的發(fā)布,不僅將生態(tài)環(huán)境保護(hù)作為率先突破的重點(diǎn)領(lǐng)域之一,還將京津冀協(xié)同發(fā)展、打造京津冀世界級(jí)城市群上升為重大國(guó)家戰(zhàn)略[34]。因此,作為生態(tài)環(huán)境保護(hù)的基礎(chǔ)與前提,京津冀城市群的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估應(yīng)該突破傳統(tǒng)行政邊界的界限,從生態(tài)環(huán)境一體化角度出發(fā),對(duì)該地區(qū)13個(gè)地市的不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行有效劃分,以評(píng)估13個(gè)地市實(shí)際獲得的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值、實(shí)現(xiàn)京津冀城市群生態(tài)資源的合理配置和人與自然的可持續(xù)發(fā)展。

本研究從京津冀城市群生態(tài)環(huán)境一體化角度出發(fā),結(jié)合13個(gè)地市的行政邊界、泰森多邊形邊界和基于最小累計(jì)阻力模型構(gòu)建最小累計(jì)阻力邊界3種不同類型的界限,對(duì)13個(gè)地市實(shí)際獲得的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行有效、合理的評(píng)估,并將其與傳統(tǒng)方法的估算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,并利用敏感性分析方法探討京津冀生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)。以期為京津冀城市群生態(tài)環(huán)境的建設(shè)與保護(hù)、自然資源核算和生態(tài)補(bǔ)償?shù)葲Q策提供有力依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

京津冀城市群地處中國(guó)華北地區(qū),位于113°34′—120°05′E,36°00′—42°40′N之間,包括北京市、天津市以及河北省內(nèi)的石家莊市、保定市、滄州市、承德市、邯鄲市、衡水市、廊坊市、秦皇島市、唐山市、邢臺(tái)市和張家口市,共13個(gè)地市,總面積近22萬km2,常住人口超過1億,不僅是我國(guó)重要的政治中心、文化中心,也是我國(guó)北方經(jīng)濟(jì)規(guī)模最大、發(fā)展程度最高的經(jīng)濟(jì)核心區(qū)。京津冀城市群東臨渤海灣,西倚太行山,南面華北平原,北接燕山山脈[33],區(qū)域地形呈現(xiàn)由西北向東南的半環(huán)狀逐級(jí)下降分布特點(diǎn),是華北平原和環(huán)渤海重要的生態(tài)屏障區(qū),具有重要的防風(fēng)固沙、水源涵養(yǎng)和水土保持功能[34]。

1.2 研究數(shù)據(jù)

本文以下載于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)京津冀城市群2015年的Langsat8 OLI影像(空間分辨率30 m×30 m)作為主要數(shù)據(jù)源,結(jié)合野外調(diào)查及相關(guān)歷史數(shù)據(jù),在軟件ArcGIS 10.2的支持下,對(duì)研究區(qū)進(jìn)行人工目視解譯得到京津冀城市群2015年的土地利用數(shù)據(jù)。解譯的土地利用類型包括林地、草地、水域、耕地、人工表面和未利用地6種。由于下文對(duì)京津冀城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的估算是基于柵格數(shù)據(jù),所以先將解譯出的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化處理,柵格大小確定為100 m×100 m。另外,進(jìn)行京津冀城市群2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算時(shí)用到的糧食統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來自《2016中國(guó)糧食年鑒》。

2 研究方法

2.1 京津冀城市群?jiǎn)挝幻娣e生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表的確定

謝高地等在2015年提出的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表中,將生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行二級(jí)分類,分為旱地、水田、針葉、針闊混交、闊葉、灌木、草原、灌草叢、草甸、濕地、荒漠、裸地、水系和冰川積雪14種類型[27]。據(jù)此,確定本文的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表時(shí),就需要將生態(tài)系統(tǒng)二級(jí)分類的14種類型與本文的6種土地利用類型進(jìn)行對(duì)應(yīng),根據(jù)郭亞鴿、劉玉等研究成果中的京津冀城市群土地利用一級(jí)分類與對(duì)應(yīng)二級(jí)分類的面積和比例[35- 36],在此不考慮人工表面的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值[18,24,37- 38],生成京津冀城市群?jiǎn)挝幻娣e生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表(表1)。該表中將1 hm2全國(guó)平均產(chǎn)量的農(nóng)田每年自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值定義為1,其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子是指該生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的生態(tài)服務(wù)相對(duì)于農(nóng)田食物生產(chǎn)服務(wù)的貢獻(xiàn)大小[25]。

表1 京津冀城市群?jiǎn)挝幻娣e生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表

2.2 不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能有效界限的確定

2.2.1 行政邊界

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中的供給服務(wù),由于其通過糧食生產(chǎn)(將太陽能轉(zhuǎn)為可食用的動(dòng)、植物產(chǎn)品)、原料生產(chǎn)(將太陽能轉(zhuǎn)為生物能,提供人類生產(chǎn)、生活原材料)等方式[26]直接影響著區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,因而具有行政區(qū)域的特點(diǎn),所以對(duì)于京津冀城市群供給服務(wù)的評(píng)估應(yīng)該以13個(gè)地市的行政邊界為界限。

2.2.2 泰森多邊形

泰森多邊形作為一種常用的平面剖分方法,是由一組相鄰點(diǎn)間的垂直平分線組成的連續(xù)多邊形,常被用于解決空間選址、連接度和可達(dá)性等多種空間分析問題。其特點(diǎn)就是在多邊形內(nèi)任意位置的點(diǎn)距離該多邊形內(nèi)樣點(diǎn)的距離最近,距離相鄰多邊形內(nèi)樣點(diǎn)距離遠(yuǎn),并且每個(gè)多邊形內(nèi)有且僅有一個(gè)樣點(diǎn)。換句話說,泰森多邊形是根據(jù)空間距離的遠(yuǎn)近,將樣點(diǎn)進(jìn)行空間平面分配,而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中的部分服務(wù)功能,如氣候調(diào)節(jié)功能(植被通過其根系吸收土壤中的水分,然后經(jīng)過葉片蒸騰將水分釋放到大氣中,從而減少水分流失,對(duì)區(qū)域氣候具有調(diào)節(jié)作用),并不會(huì)因?yàn)樾姓吔缍拗苹蜃钄嘣撋鷳B(tài)服務(wù)功能的發(fā)揮,而是距離一個(gè)城市的中心點(diǎn)越近,那么提供給該城市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值也就越高,該城市實(shí)際獲得的該項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)也就越多,因此表現(xiàn)出的是一種空間實(shí)際距離的可達(dá),與泰森多邊形的構(gòu)建原理相似。

通過專家咨詢與對(duì)各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的考量,在此將調(diào)節(jié)服務(wù)中的氣體調(diào)節(jié)(生態(tài)系統(tǒng)對(duì)不同空間尺度上大氣化學(xué)組分的平衡效用,如吸收SO2、氯化物等)、氣候調(diào)節(jié)(生態(tài)系統(tǒng)對(duì)區(qū)域氣候的調(diào)節(jié)作用,如改變降水、氣溫等)、凈化環(huán)境(生態(tài)系統(tǒng)在物理、化學(xué)和生物等作用下的環(huán)境凈化作用)、水文調(diào)節(jié)(生態(tài)系統(tǒng)的淡水過濾、保持、存儲(chǔ)和供給等功能),以及支持服務(wù)中的土壤保持(土壤為生物生長(zhǎng)、發(fā)育提供場(chǎng)所的支撐功能等)、維持養(yǎng)分循環(huán)(土壤中有機(jī)質(zhì)的存儲(chǔ)、還原,以及N、C、S等營(yíng)養(yǎng)元素在循環(huán)中的關(guān)鍵作用等)共計(jì)6項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[2,26]的估算界限確定為以13個(gè)地市為樣點(diǎn)構(gòu)建的泰森多邊形。在此,基于ArcGIS 10.2軟件完成13個(gè)地市間泰森多邊形的構(gòu)建。

2.2.3 基于最小累計(jì)阻力模型確定的最小累計(jì)阻力邊界

對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中的生物多樣性功能,不僅指生態(tài)系統(tǒng)提供給各類生物繁衍的場(chǎng)所,還包括提供給生物進(jìn)化以及生物多樣性維持等生命過程的條件[2]。由于不同的生態(tài)系統(tǒng)類型直接決定著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的差異[39- 40],那么在確定京津冀城市群13個(gè)地市實(shí)際獲得的該項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí),就要考慮在生物進(jìn)行空間擴(kuò)散越過不同生態(tài)系統(tǒng)類型的過程中,生物的空間運(yùn)動(dòng)、棲息地的維護(hù)等均需要克服一定的阻力來完成,而13個(gè)地市之間累計(jì)阻力最小的范圍就構(gòu)成了各地市該項(xiàng)生物多樣性功能的有效影響范圍,最小累計(jì)阻力的邊界就是該項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的有效界限,它反映的是一種潛在的可達(dá)性[41],在此,將13個(gè)地市的行政中心視作代表13個(gè)地市的“源地”。同樣,對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)提供的文化服務(wù),主要指生態(tài)系統(tǒng)提供給人類的文化、娛樂、游憩、休閑等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。一般認(rèn)為距離13個(gè)地市的行政中心越近,所獲得的文化服務(wù)價(jià)值就越大,那么限制13個(gè)地市該項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值大小的阻力,就應(yīng)該是城市群內(nèi)任土地單元距離最近的行政中心的距離,同時(shí)考慮該土地單元的空間可達(dá)性,基于這兩方面影響確定的最小累計(jì)阻力邊界就是該項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能有效影響范圍的界限。

基于最小累計(jì)阻力模型,確定京津冀城市群13個(gè)地市生物多樣性和文化服務(wù)兩項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的累計(jì)阻力表面,計(jì)算公式為[41- 42]:

(1)

式中,MCR為從13個(gè)地市行政中心擴(kuò)散到空間任一點(diǎn)的最小生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)累計(jì)阻力;fmin為空間任一點(diǎn)對(duì)13個(gè)地市取生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)累計(jì)阻力的最小值;m為土地單元數(shù)量;k為京津冀城市群13個(gè)地市;Dik為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)由地級(jí)市k擴(kuò)散到空間任一點(diǎn)越過土地單元i的距離;Ri為土地單元i對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)向某個(gè)方向擴(kuò)散過程中產(chǎn)生的阻力,兩種類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)應(yīng)的土地單元阻力賦值及依據(jù)見表2。

借助ArcGIS 10.2軟件,基于上述阻力構(gòu)建生物多樣性和文化服務(wù)的阻力面;以京津冀地區(qū)13個(gè)地市的行政中心為源點(diǎn),利用ArcGIS 10.2中的Cost Distance工具生成13個(gè)地市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)累計(jì)阻力表面;再利用水文分析中的Basin工具對(duì)京津冀的空間范圍進(jìn)行剖分,確定13個(gè)地市各自的生物多樣性和文化服務(wù)的有效界限。

表2 京津冀城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)阻力賦值

2.3 京津冀13個(gè)地市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的確定

參考《2016中國(guó)糧食年鑒》中的北京市、天津市和河北省2015年各糧食作物的播種面積、糧食單產(chǎn)以及對(duì)應(yīng)的全國(guó)平均價(jià)格,確定京津冀城市群?jiǎn)挝幻娣e農(nóng)田食物生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值[48]:

(2)

式中,Ea為單位面積農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提供的食物生產(chǎn)服務(wù)功能的經(jīng)濟(jì)價(jià)值(元/hm2);i為研究區(qū)糧食作物的種類,京津冀城市群的主要作物有稻谷、小麥、玉米和大豆;n為研究區(qū)共有的糧食作物種類,在此n=4;si為第i種糧食作物在研究區(qū)的種植面積(hm2);S為n種糧食作物總的種植面積(hm2);pi為第i種糧食作物的全國(guó)平均價(jià)格(元/kg);qi為第i種糧食作物的單產(chǎn)(kg/hm2)。1/7是指在沒有人力投入的自然生態(tài)系統(tǒng)提供的經(jīng)濟(jì)價(jià)值是現(xiàn)有單位面積農(nóng)田提供的食物生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的1/7[25,48]。

根據(jù)表2與京津冀城市群?jiǎn)挝幻娣e農(nóng)田食物生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值,確定京津冀城市群的其他生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值,并結(jié)合各種生態(tài)系統(tǒng)的面積估算出京津冀城市群的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值,計(jì)算公式如下:

Eij=fijEai=1,2,…,6;j=1,2,…,11

(3)

(4)

式中,Eij為單位面積第i種生態(tài)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的第j種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(元/hm2);fij為第i種生態(tài)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的第j種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子;i為6種生態(tài)系統(tǒng)類型;j為表2中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能類型,包括食物生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、水資源供給、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、水文調(diào)節(jié)、土壤保持、維持養(yǎng)分循環(huán)、生物多樣性和美學(xué)景觀共11種;ESV為京津冀城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值(元);Ai為第i種生態(tài)系統(tǒng)的面積(hm2)。

2.4 敏感性分析

為了驗(yàn)證本文確定的當(dāng)量因子是否適合京津冀地區(qū)每一類生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)功能,在此利用經(jīng)濟(jì)學(xué)中的彈性系數(shù)概念來驗(yàn)證生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值ESV對(duì)6種生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值系數(shù)Ei的敏感度CS[49]。通過對(duì)6種生態(tài)系統(tǒng)類型林地、草地、水域、耕地、人工表面和未利用地的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)上下調(diào)整50%,來確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)的依賴程度[3,38,50]:

(5)

式中,CS為敏感度系數(shù);ESV和ESV′分別為調(diào)整前、后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值;Ei和Ei′分別為調(diào)整前、后的6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù);i為6種生態(tài)系統(tǒng)類型。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的有效界限

對(duì)于生物多樣性和文化服務(wù)兩項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有效界限的確定,首先利用Cost Distance工具生成13個(gè)地市該兩項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的累計(jì)阻力表面(圖1),其中累計(jì)阻力隨著距13個(gè)地市行政中心距離的增加而呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢(shì),而13個(gè)地市間累計(jì)阻力最大的邊界就構(gòu)成了13個(gè)地市各自的生物多樣性有效界限和文化服務(wù)有效界限。

圖1 生物多樣性和文化服務(wù)的累計(jì)阻力表面Fig.1 The cumulative resistance surfaces for biodiversity conservation and cultural service

京津冀城市群13個(gè)地市的行政邊界、泰森多邊形邊界、基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)阻力生成的生物多樣性和文化服務(wù)的最小累計(jì)阻力邊界如圖2所示。

圖2 京津冀城市群不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的有效界限Fig.2 Effective boundaries of different ecosystem services in Beijing-Tianjin-Heibei urban agglomeration

相比13個(gè)地市的行政邊界,基于13個(gè)地市行政中心構(gòu)建的泰森多邊形邊界、生物多樣性和文化服務(wù)的最小累計(jì)阻力邊界分別是按照不同規(guī)則進(jìn)行空間的等分,與13個(gè)地市的行政邊界相差較大。其中,泰森多邊形是根據(jù)13個(gè)地市的空間距離進(jìn)行平面的等分,其表示的是空間資源有效配置效率最高的范圍;而生物多樣性和文化服務(wù)的最小累計(jì)阻力邊界是根據(jù)阻力范圍進(jìn)行平面的等分,其代表的是該兩項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在空間的有效影響范圍。由于文化服務(wù)考慮的主要阻力是距離13個(gè)地市行政中心的距離,所以計(jì)算出的最小累計(jì)阻力邊界比較接近泰森多邊形的邊界,而生物多樣性主要受土地利用類型的影響,所以其最小累計(jì)阻力邊界與泰森多邊形邊界相差較大。

基于上述京津冀城市群不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的有效界限,分別統(tǒng)計(jì)各個(gè)邊界下京津冀城市群各生態(tài)系統(tǒng)類型的面積,以對(duì)京津冀城市群13個(gè)地市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行估算。

3.2 京津冀13個(gè)地市2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)的確定

基于2015年京津冀地區(qū)的糧食統(tǒng)計(jì)資料,由公式(1)確定1個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值量為1766.10元/hm2,根據(jù)公式(2)可以確定單位面積各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的價(jià)值系數(shù)(表3),再結(jié)合不同生態(tài)系統(tǒng)類型的面積就可以對(duì)京津冀地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行估算。

表3 京津冀城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)/(元/hm2)

3.2.2 改進(jìn)方法估算的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

對(duì)于京津冀城市群的供給服務(wù)采用行政邊界進(jìn)行估算;調(diào)節(jié)服務(wù)中的氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境、水文調(diào)節(jié),以及支持服務(wù)中的土壤保持、維持養(yǎng)分循環(huán)共計(jì)6項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)采用泰森多邊形進(jìn)行估算;生物多樣性和文化服務(wù)分別采用各自的最小累計(jì)阻力邊界進(jìn)行估算,估算結(jié)果如表4所示。

估算結(jié)果表明,針對(duì)京津冀城市群區(qū)域整體,各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的總價(jià)值為4544.81億元。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能類型來看,服務(wù)價(jià)值最高的是各生態(tài)系統(tǒng)提供的調(diào)節(jié)服務(wù),為3058.64億元,占總價(jià)值的67.30%,其中的水文調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值>氣候調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值>凈化環(huán)境服務(wù)價(jià)值>氣體調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值;其次是占總價(jià)值為19.43%的支持服務(wù),表現(xiàn)在土壤保持、維持養(yǎng)分循環(huán)以及生物多樣性保護(hù)3個(gè)方面;供給服務(wù)占總價(jià)值的比例較低,為9.72%,主要以水資源供給服務(wù)為主;生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最低的是文化服務(wù),為161.46億元,占京津冀地區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值的3.55%。在生態(tài)系統(tǒng)類型方面,提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值由高到低依次為林地>水域>耕地>草地>未利用地>人工表面。其中以林地、水域、耕地3種生態(tài)系統(tǒng)提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為主,占總價(jià)值的比例分別為50.62%、26.02%、14.50%;另外3種生態(tài)系統(tǒng)類型提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較少,均不超過總價(jià)值的10.00%。

對(duì)于京津冀城市群的13個(gè)地市而言,各地市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值差別較大。其中,實(shí)際獲得的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值較高的地市包括承德市和張家口市,分別為1092.13億元和656.01億元,占13個(gè)地市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值的比例分別為24.03%和14.43%,這不僅與這兩個(gè)地市的占地面積較大有關(guān),還與兩個(gè)地市及周邊的土地利用狀況有關(guān)。對(duì)于承德市,由于市內(nèi)和周邊地區(qū)存在大面積的林地,所以僅林地單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值就達(dá)到了943.58億元,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他地市;而對(duì)于張家口市,市內(nèi)的大面積草原和周邊良好的土地利用狀況,同樣保證了該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的有效性。其次,作為直轄市的北京市與天津市,由于其獨(dú)特的地理位置,使其能與周邊地市共享生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),所以在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí),其實(shí)際享受的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值也較高,分別達(dá)到453.18億元和378.71億元,其中北京市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值主要來源于林地,達(dá)到332.86億元,而天津由于靠近渤海灣,包含大面積的濕地,所以由水域提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為338.30億元。其余地市中,與北京市、天津市實(shí)際獲得的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值相似的是唐山市和保定市,分別為418.04億元和382.95億元,而其余幾個(gè)地市實(shí)際獲得的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值較小,占13個(gè)地市的比例均不超過7.00%。

結(jié)合13個(gè)地市在京津冀城市群的地理位置可知,13個(gè)地市實(shí)際獲得的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值在空間上的分布差異較大,總體呈現(xiàn)出由北向南的下降趨勢(shì)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較大的地市為承德市、張家口市和北京市,主要分布于京津冀北部的燕山地區(qū)和西部的太行山地區(qū)處,相比較京津冀南部地區(qū),這些地區(qū)的自然資源豐厚,存在大面積的林地和草地資源,如承德市、張家口市內(nèi)的林地和草地面積總和分別超過3萬km2、2萬km2,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他地市的林地和草地資源面積,因此大量的林地和草地資源不僅為地區(qū)的農(nóng)牧業(yè)提供豐富的原材料,還在區(qū)域的氣候調(diào)節(jié)、環(huán)境凈化、水文調(diào)節(jié)、土壤保持和生物多樣性的保護(hù)方面起到了顯著作用,同時(shí)也給人類提供了大量的旅游、休閑、娛樂等文化服務(wù)功能[51]。而對(duì)于京津冀南部的衡水市、邢臺(tái)市和邯鄲市等,市內(nèi)平緩的地形條件為耕作提供了良好的地形條件,這些地區(qū)存在的大面積耕地,除了提供食物生產(chǎn)、原料生產(chǎn)等供給服務(wù)外,也在土壤保持、氣體調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮著積極的服務(wù)作用,因此土地利用類型的限制使得這部分地區(qū)實(shí)際所享受到的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值明顯小于位于京津冀北部地區(qū)的地市。位于京津冀中部地區(qū)的滄州市、保定市和石家莊市等,市內(nèi)的土地利用類型既包括部分陡峭的山地,也包含部分較為平坦的耕地,因此這些地市實(shí)際所享受到的供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)價(jià)值適中,介于京津冀北部地市和南部地市之間。所以從京津冀區(qū)域生態(tài)環(huán)境一體化角度考慮,為了避免生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布的不均衡,應(yīng)該在京津冀城市群范圍內(nèi)合理規(guī)劃產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)管理與人力資源配備,優(yōu)化自然資源的空間配置,統(tǒng)籌環(huán)境保護(hù)工作,通過政府部門、企業(yè)和公民等不同層次的行動(dòng)主體的通力合作、共同管理,以保證各個(gè)地市實(shí)際所享受的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值均衡[52]。如對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較小的京津冀南部地市衡水市、邢臺(tái)市和邯鄲市等,在發(fā)展農(nóng)業(yè)以保證地區(qū)食物、原料等供給服務(wù)外,還應(yīng)注重地區(qū)林草資源和水資源等的保護(hù)與規(guī)劃發(fā)展,以保證地區(qū)氣體、氣候和水文調(diào)節(jié)等調(diào)節(jié)服務(wù)和生物多樣性保護(hù),同時(shí)大力發(fā)展文化服務(wù)功能,以使得區(qū)域?qū)嶋H享受到的生態(tài)服務(wù)價(jià)值均衡高效。

3.2.3 改進(jìn)、傳統(tǒng)兩種方法的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算結(jié)果比較

對(duì)利用改進(jìn)、傳統(tǒng)兩種方法估算的京津冀城市群13個(gè)地市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值結(jié)果進(jìn)行比較(表4),發(fā)現(xiàn)由于兩種方法統(tǒng)計(jì)的該地區(qū)總面積以及各生態(tài)系統(tǒng)類型的總面積都相同,所以在京津冀城市群尺度上,兩種估算的各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能、各生態(tài)系統(tǒng)類型和對(duì)應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值都相同,而在13個(gè)地市尺度上,兩種方法的估算結(jié)果相差較大。

對(duì)于北京市、石家莊市、承德市、衡水市、廊坊市、秦皇島市、唐山市和邢臺(tái)市,通過改進(jìn)方法估算出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值比傳統(tǒng)方法估算的結(jié)果高,說明這幾個(gè)地市實(shí)際獲得的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值要大于傳統(tǒng)方法的估算結(jié)果,其中增加量最大的是唐山市,超過56.50億元;而其他地市實(shí)際獲得的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值要小于傳統(tǒng)方法的估算結(jié)果,減少量最大的是天津市,超過98億元。以唐山市為例,供給服務(wù)的行政區(qū)域性使得兩種方法估算的供給服務(wù)價(jià)值同為37.43億元;由于唐山市對(duì)應(yīng)的泰森多邊形范圍大于其行政范圍,除草地外,其統(tǒng)計(jì)的各生態(tài)系統(tǒng)類型的面積都大于利用行政邊界統(tǒng)計(jì)出的面積,由此計(jì)算出的調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值大于傳統(tǒng)方法計(jì)算結(jié)果;雖然生物多樣性的最小累計(jì)阻力邊界范圍小于行政邊界范圍,使得計(jì)算出的生物多樣性服務(wù)價(jià)值減少,但是減少量小于利用泰森多邊形邊界計(jì)算出的土壤保持、維持養(yǎng)分循環(huán)的增加量,所以改進(jìn)方法計(jì)算出的唐山市實(shí)際獲得的支持服務(wù)功能價(jià)值大于傳統(tǒng)方法計(jì)算結(jié)果;由于文化服務(wù)的最小累計(jì)阻力邊界與泰森多邊形邊界比較接近,所以計(jì)算出的文化服務(wù)價(jià)值也高于傳統(tǒng)方法,綜上,唐山市實(shí)際獲得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值高于傳統(tǒng)方法計(jì)算結(jié)果。而對(duì)于天津市,改進(jìn)方法估算出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值低于傳統(tǒng)方法估算值的主要原因就在于調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值的減少,根本原因是利用13個(gè)地市的行政中心構(gòu)建的泰森多邊形是根據(jù)13個(gè)地市之間的平面距離進(jìn)行空間范圍的等分,而忽略了13個(gè)地市行政邊界的不規(guī)律性,所以天津市對(duì)應(yīng)的泰森多邊形邊界遠(yuǎn)小于天津市的行政邊界,由此估算出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值小于傳統(tǒng)方法估算結(jié)果。由此,比較唐山市和天津市實(shí)際獲得的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值可知,部分生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的服務(wù)范圍早已打破了行政邊界的限制,呈現(xiàn)脫域化[53]、全局性、一體化的特點(diǎn),所以各個(gè)地市不僅要努力提高自身生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量,還需要注重有效的區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)同和共治,在現(xiàn)有國(guó)家治理體系的框架之下,最大限度地統(tǒng)一各地市的步調(diào)與行動(dòng),以使共同利益最大化[52]。

3.3 敏感性分析結(jié)果

由生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的敏感性分析結(jié)果(表5),可知ESV對(duì)Ei的敏感性指數(shù)都小于1,由高到低依次為林地、水域、耕地、草地、未利用地和人工表面。敏感性指數(shù)最高值為林地的0.51,當(dāng)林地的生態(tài)系服務(wù)價(jià)值系數(shù)增加1%時(shí),京津冀的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值增加0.51%。因此,京津冀總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量的變化相對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)是穩(wěn)定、缺乏彈性的,由此可以肯定估算方法有效,滿足京津冀城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的估算。

表5 京津冀城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值敏感性分析

4 結(jié)論

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的合理評(píng)估是生態(tài)資源合理配置和生態(tài)環(huán)境有效保護(hù)的基礎(chǔ)和前提。本文從京津冀城市群生態(tài)環(huán)境一體化角度出發(fā),結(jié)合13個(gè)地市的行政邊界、泰森多邊形邊界和基于最小累計(jì)阻力模型構(gòu)建的最小累計(jì)阻力邊界3種不同類型的界限,對(duì)傳統(tǒng)基于行政邊界的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估方法進(jìn)行改進(jìn),以估算出京津冀城市群13個(gè)地市實(shí)際獲得的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,并將其與傳統(tǒng)方法的估算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,最后結(jié)合敏感性分析,探討京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)土地利用變化的響應(yīng),得出以下結(jié)論:

(1)13個(gè)地市對(duì)應(yīng)的泰森多邊形邊界表示的是空間資源有效配置效率最高的范圍,生物多樣性最小累計(jì)阻力邊界和文化服務(wù)的最小累計(jì)阻力邊界代表的是該兩項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在空間的有效影響范圍,與13個(gè)地市的行政邊界相差較大。

(2)京津冀城市群各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值為4544.81億元,各生態(tài)功能類型的價(jià)值量由高到低依次為調(diào)節(jié)服務(wù)>支持服務(wù)>供給服務(wù)>文化服務(wù),不同生態(tài)系統(tǒng)類型提供的生態(tài)服務(wù)價(jià)值由高到低依次為林地>水域>耕地>草地>未利用地>人工表面。13個(gè)地市實(shí)際獲得的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值差別較大,空間上呈現(xiàn)出由北向南的下降趨勢(shì)。為了避免生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布的不均衡,從京津冀區(qū)域生態(tài)環(huán)境一體化角度考慮,應(yīng)該優(yōu)化京津冀城市群范圍內(nèi)自然資源的空間配置,統(tǒng)籌環(huán)境保護(hù)工作,以保證各個(gè)地市實(shí)際所享受的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值更加均衡高效。

(3)北京市、石家莊市、承德市、衡水市、廊坊市、秦皇島市、唐山市和邢臺(tái)市實(shí)際獲得的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值要大于傳統(tǒng)方法的估算結(jié)果,其中增加量最大的是唐山市,超過56.50億元;而其他地市實(shí)際獲得的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值要小于傳統(tǒng)方法的估算結(jié)果,減少量最大的是天津市,超過98億元。

(4)通過對(duì)京津冀城市群進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的敏感性分析發(fā)現(xiàn),各生態(tài)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值的敏感度均小于1,說明京津冀總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量的變化相對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)是穩(wěn)定的,因此本文估算方法有效,研究結(jié)果可信。

5 討論

(1)本文結(jié)合京津冀13個(gè)地市的行政邊界、泰森多邊形邊界和最小累計(jì)阻力邊界,估算出各地市實(shí)際獲得的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。在此,13個(gè)地市對(duì)應(yīng)的泰森多邊形邊界和最小累計(jì)阻力邊界是根據(jù)13個(gè)地市的行政中心進(jìn)行的確定,該方法同樣適用于縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等不同尺度,同時(shí)結(jié)合人口數(shù)據(jù)可以估算出不同尺度下人均實(shí)際獲得的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。鑒于本文的重點(diǎn)是從京津冀城市群一體化角度,確定各地市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,同時(shí)考慮到數(shù)據(jù)短期內(nèi)難以獲取的問題,本文只在京津冀13個(gè)地市的尺度上進(jìn)行了討論和分析,不同尺度的研究可以作為后續(xù)的研究重點(diǎn)。

(2)本文基于謝高地等構(gòu)建的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表來制定京津冀地區(qū)的當(dāng)量因子表,表中沒有考慮人工表面的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。然而城鎮(zhèn)、村莊、工礦等人工表面的建設(shè)會(huì)因?yàn)楦淖兺恋乩梅绞?降低水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護(hù)等多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,同時(shí)增加娛樂等文化服務(wù),因此人工表面會(huì)提供正負(fù)價(jià)值。鑒于此,在以后的研究中可以嘗試對(duì)其進(jìn)行定量描述[1,54-55],以更確切的對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行估算。

(3)在基于最小阻力模型確定生物多樣性最小累計(jì)阻力邊界和文化服務(wù)最小累計(jì)阻力邊界的過程中,阻力類型的選取和賦值是參考現(xiàn)有研究成果進(jìn)行確定的,而針對(duì)不同的研究區(qū)域,其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響因子及對(duì)應(yīng)的權(quán)重也不盡相同。對(duì)此,今后仍需具體的定量方法進(jìn)行確定。