綠洲發(fā)展生態(tài)價值與社會經(jīng)濟價值的綜合分析

史艷萍，佟 玲，馬黎華

(1.西南大學 資源環(huán)境學院，重慶 北碚 400715；2.中國農業(yè)大學 水利與土木工程學院，北京 100083)

1 研究背景

中國綠洲歷史悠久[1]，水資源開發(fā)利用程度高，綠洲社會經(jīng)濟的發(fā)展與綠洲生態(tài)環(huán)境之間矛盾突出。以石羊河流域為例，全區(qū)域面積僅有5%為綠洲，卻養(yǎng)育了區(qū)域內90%的人口，支撐著地區(qū)95%的經(jīng)濟發(fā)展[2]。中國綠洲景觀類型包括耕地、林地、人工草地及改良草地、城鎮(zhèn)、村莊等，以人工綠洲為主。綠洲景觀類型及其分布變化深刻影響著綠洲地表輻射、水氣交換等物質與能量循環(huán)過程，從而影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，甚至對全球范圍內的生態(tài)環(huán)境產生重大影響[3]。1972-2017年, 渭干河-庫車河綠洲的林地、草地、鹽堿地和水域不斷減少，造成下游綠色長廊消失[4]。景觀類型及其比例是綠洲生態(tài)效益的最直接體現(xiàn)，適宜的景觀類型比例在有限的綠洲面積上可以實現(xiàn)最大的生態(tài)價值，基于綠洲生態(tài)價值與經(jīng)濟價值的綜合分析對于平衡綠洲社會經(jīng)濟發(fā)展與維持綠洲生態(tài)安全方面有重要的現(xiàn)實意義。

綠洲的演變由人類活動與氣候變化共同決定，同時，水資源狀況對于綠洲發(fā)展至關重要[5]。在全球變暖背景下，氣溫的升高增加了冰山融水，補充了地表徑流，但人類活動增加了灌溉分流和用水消耗，導致綠洲水資源的補給量仍呈減少趨勢。由于農業(yè)灌溉活動的影響，下墊面對氣候條件的影響主要發(fā)生在夏季，而在冬季影響大不。在針對黑河[6]、阿勒泰地區(qū)[7]和葉爾羌河綠洲氣候變化[8]特征分析中發(fā)現(xiàn)，這些綠洲區(qū)域降水增加，氣溫升高，但不同季節(jié)降水存在變化不一致的情況。氣候條件也同樣影響著下墊面狀況的改變。Schlesinger等[9]研究表明，在綠洲荒漠化的過程中，由于人類活動與氣候變化的共同影響導致了區(qū)域水文循環(huán)的重大改變，最終造成綠洲植被分布和土地利用格局的改變。Pannkov等[10]研究表明，當綠洲擴大時，一些地區(qū)會出現(xiàn)鹽漬化和風蝕過程加劇的現(xiàn)象。當區(qū)域的水資源開采量超過一定閾值時，就會造成區(qū)域地表天然植被的枯萎甚至死亡[11]。

石羊河流域開發(fā)較早，水資源利用較高，區(qū)域內存在水資源嚴重超采、地下水水質嚴重惡化、地表植被退化和土壤鹽漬化等一系列生態(tài)環(huán)境問題。本研究充分考慮區(qū)域水資源變化因素、社會經(jīng)濟發(fā)展因素和綠洲景觀類型面積變化因素，在區(qū)域統(tǒng)計數(shù)據(jù)收集的基礎上，采用情景假設分析的方法，對綠洲適宜面積、耕地安全底線面積以及石羊河流域生態(tài)價值和社會經(jīng)濟價值等進行估算。其結果可以加深對綠洲發(fā)展過程的認識，為保障綠洲人民生活和生存權益提供科學依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

石羊河流域位于河西地區(qū)東部(100°57′～104°12′ N，37°02′～39°17′ E)，是甘肅省河西走廊三大內陸河流域之一，東臨烏鞘嶺，南接祁連山北麓，北部與巴丹吉林、騰格里沙漠相鄰，流域總面積40 687 km2。石羊河流域屬大陸性溫帶干旱氣候，區(qū)域內蒸發(fā)強烈降雨稀少，多年平均蒸發(fā)量和多年平均降雨量分別為1 050.42和163.2 mm(1951-1997 年)，年日照時數(shù)為28 946 h，日照率為67%，多年平均氣溫為7.7 ℃，流域水資源總量為16.59×108m3。石羊河流域主要行政區(qū)由武威與金昌兩市組成，武威市以農業(yè)為主，金昌市是我國主要的有色金屬生產基地。截止到2018年，流域總人口為219.73×104人，城鎮(zhèn)人口有105.17×104人，地區(qū)生產總值為696.05×108元，其中農業(yè)產值為132.43×108元。耕地面積51.9×104hm2，農田有效灌溉面積29.7×104hm2，農田實灌面積25.9×104hm2，林草實灌面積3.28×104hm2；糧食總產量149.87×104t。

2.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要來源于《石羊河流域水資源公報》[12]和《甘肅省水資源公報》[13](2014-2018年)。

2.3 研究方法

本研究將綠洲演化歸為氣候變化和人類活動的共同影響，在氣候變化的影響中主要考慮流域降雨量、蒸發(fā)量和對應流域可利用水資源量等因素。由于石羊河流域為人工綠洲，人類活動主要考慮下墊面條件改變和社會經(jīng)濟的影響。其中，下墊面條件的改變主要是綠洲景觀類型因素的變化，包括耕地、林地、草地、水域和未利用地的土地利用類型面積的變化；關于綠洲社會經(jīng)濟的影響主要考慮人口、各產業(yè)產值、糧食產量和用水量等因素的發(fā)展。在各個指標的基礎上計算適宜綠洲面積和適宜耕地面積，并結合流域的情景假設分析分別得到綠洲的生態(tài)價值和社會經(jīng)濟價值，在此基礎上進行干旱區(qū)石羊河流域生態(tài)價值和經(jīng)濟價值的綜合評價分析。技術流程如圖1所示。

圖1 綠洲生態(tài)效益與經(jīng)濟效益綜合評價分析技術流程

2.3.1 綠洲適宜面積估算 確定適宜的綠洲面積有利于對綠洲進行維護，控制其影響因素的范圍。根據(jù)水熱平衡理論，適宜的綠洲面積計算方法如公式(1)所示[14]：

(1)

式中：A為適宜的綠洲面積，104hm2；W為水資源可利用量，108m3；W′為年均工業(yè)和人畜用水量，108m3；ET0為流域多年平均蒸發(fā)蒸騰量，mm；P為年均降水量，mm；Kp為植被綜合影響系數(shù)，可以參照不同植被的作物系數(shù)加權平均，在黑河流域的研究中[15]，草地、林地和耕地Kp的選取值分別為0.44、0.70和0.90。H0為判斷綠洲規(guī)模適應性的指標，H0=0.50時，代表綠洲處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)；H0=0.75時，代表綠洲處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此，適宜的綠洲規(guī)模面積區(qū)間是將H0分別賦值為0.50和0.75時計算得到的[14]。

2.3.2 耕地安全底線估算 在石羊河流域，超過90%的用水用于耕地灌溉[16]，妥善處理好生態(tài)用水和農業(yè)用水的關系對于維持綠洲生態(tài)健康意義重大。在早期(1990年)綠洲適宜耕地的研究中，綠洲適宜耕地面積是由耗水量的比例決定的，一般認為：耕地面積的年耗水量為綠洲年耗水量的60%時，可以保證生態(tài)系統(tǒng)的平衡[17]；在針對綠洲生態(tài)用水和綠洲的水資源合理配置中，認為應該將30%～40%的水資源配置給生態(tài)用水[18]。因此考慮耕地數(shù)量安全底線對于指導綠洲發(fā)展意義重大，本文采用最低的糧食自給標準來進行石羊河流域的耕地數(shù)量安全底線計算，計算公式如下[19]：

(2)

式中：S為耕地數(shù)量安全底線，hm2；β為糧食自給率，%；N為人口數(shù)量；G為人均糧食需求量，kg；P為糧食單產量，kg/hm2；Q為糧食作物占總播種面積之比，%；K為糧食復種指數(shù)。根據(jù)《國家糧食安全中長期規(guī)劃綱要(2008-2020年)》，我國居民的糧食自給率為95%，人均糧食需求量為400 kg[20]，糧食復種指數(shù)約為1.1，糧食單產量(P)與糧食作物占總播種面積之比(Q)分別為約7 550 kg/hm2和66%。

2.3.3 綠洲生態(tài)服務價值估算 隨著對生態(tài)系統(tǒng)服務價值研究的不斷深入，謝高地等[21]綜合了文獻調查的方法，在我國土地利用類型劃分的基礎上，制定了更加符合我國國情的陸地生態(tài)系統(tǒng)在單位面積上的生態(tài)服務價值表，針對不同土地利用類型的不同生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行生態(tài)服務價值賦值，本研究采用的不同土地利用類型下的不同生態(tài)服務價值系數(shù)來源于此。基于石羊河流域土地利用類型的分類結果，并根據(jù)生態(tài)質量指數(shù)進行賦值[21]。通過進行不同土地對生態(tài)環(huán)境的具體作用的生態(tài)服務價值統(tǒng)計，可以直觀地看出各土地利用類型的各個功能所發(fā)揮的價值。土地生態(tài)服務價值賦值評價如公式(3)、(4)所示[22]：

ESV=∑(Ak·VCk)

(3)

ESVf=∑(Ak·VCfk)

(4)

式中：ESV為區(qū)域的年生態(tài)系統(tǒng)服務總價值，元；Ak為研究區(qū)域第k種土地利用類型面積，hm2；VCk為土地利用類型k單位面積上的年生態(tài)系統(tǒng)服務價值，元/hm2；ESVf為區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)第f項年服務功能總價值，元;VCfk為研究區(qū)第k種土地利用類型的第f項的年生態(tài)系統(tǒng)服務價值，元/hm2。

2.3.4 流域情景設計 近年來，國家及地方加大了對石羊河流域的治理力度，采取了實施生態(tài)綠化工程、生態(tài)移民和推行集約生產等多種措施來改善石羊河環(huán)境。在此基礎上，基于適宜綠洲面積和耕地數(shù)量安全底線，以綠洲生態(tài)價值等計算中涉及的綠洲主要特征指標的組合變換對石羊河流域進行規(guī)劃情景假設。在規(guī)劃情景假設中，以實測數(shù)據(jù)的2014-2018共5 a的計算平均值作為參照情景(business as usual, BAU)。情景1～4為減少的情景，即：情景1為人口和耕地面積的減少；情景2為工業(yè)的減少；情景3為畜牧業(yè)的減少；情景4為人口、面積、畜牧業(yè)和工業(yè)的組合的減少。情景5～8為增加的情景，即：情景5為人口和耕地面積的增加；情景6為工業(yè)的增加；情景7為畜牧業(yè)的增加；情景8為人口、耕地面積、畜牧業(yè)和工業(yè)的組合的增加。增加和減少的幅度變化為20%，具體的情景設計如表1所示。

表1 石羊河流域規(guī)劃情景設計

情景設計中指標變化及其影響對應的數(shù)據(jù)指標的變化具體為：(1)人口變化對應人口數(shù)量、居民生活用水及國民生產總值中第三產業(yè)占比的變化，主要影響綠洲適宜面積及耕地底線面積；(2)耕地變化對應耕地面積相應幅度變化，主要影響耕地底線面積及土地生態(tài)價值；(3)工業(yè)變化對應工業(yè)用水及國民生產總值中第二產業(yè)價值相應幅度變化，主要影響綠洲適宜面積及社會經(jīng)濟價值；(4)畜牧業(yè)變化對應畜牧業(yè)用水及國民生產總值中第一產業(yè)價值相應幅度變化，主要影響綠洲適宜面積及社會經(jīng)濟價值。

3 結果與分析

3.1 綠洲適宜面積

考慮到石羊河流域中、下游為綠洲分布的主要區(qū)域，以下游民勤縣紅崖山雨量站作為代表站，對站內逐月降雨量進行分析并計算雨量站全年降水量，將此降水量作為計算值。進行綠洲適宜面積計算時，以供水量作為用水量。

考慮到目前石羊河流域耕地面積仍占有較大比重，故公式(1)中的Kp值，即植物的綜合影響系數(shù)選取耕地的影響系數(shù)0.9進行計算。流域多年平均蒸發(fā)量按照1 050.42 mm計算，公式(1)中的綠洲規(guī)模適應性指標H0分別取值為H0=0.50(綠洲處于臨界穩(wěn)定狀態(tài))和H0=0.75(綠洲處于穩(wěn)定狀態(tài))。計算得到的2014-2018年石羊河流域適宜綠洲規(guī)模如表2所示。

表2 2014 -2018年石羊河流域適宜綠洲規(guī)模

根據(jù)表2的結果，2014-2015年適宜綠洲面積的最小值呈減少趨勢，臨界穩(wěn)定狀態(tài)的適宜綠洲面積由2014年的50.26×104hm2降為49.63×104hm2；穩(wěn)定狀態(tài)的適宜綠洲面積由33.51×104hm2降為33.09×104hm2。考慮到用水量呈逐年下降趨勢，這種適宜綠洲面積的減少主要是由于區(qū)域可用水資源量的減少導致。

3.2 耕地面積安全底線

由公式(2)和2014-2018年石羊河流域的人口數(shù)量計算得出逐年耕地數(shù)量安全底線值，并通過《甘肅省水資源公報》獲得2014-2018年實際耕地面積，如表3所示。

表3 2014-2018年石羊河流域耕地數(shù)量安全底線

由表3可以看出，2014-2017年的實際耕地面積變化不大，2018年增加明顯，各年份實際耕地面積均大于計算的耕地面積安全底線。2014和2018年的石羊河流域實際耕地面積分別是耕地面積安全底線的1.99倍和3.41倍，說明在石羊河流域還有較大的耕地壓縮空間。

3.3 綠洲生態(tài)服務價值

依據(jù)土地利用情況[23-24]和中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位生態(tài)服務價值[21]，石羊河流域具有綠洲生態(tài)服務價值的土地利用類型有耕地、林地、草地、水域及荒漠(未利用土地)。2014-2018年石羊河流域綠洲各土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)價值計算結果如表4所示。

表4 2014-2018年石羊河流域綠洲各土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)價值 108元

分析表4可知，在石羊河流域，生態(tài)系統(tǒng)服務價值減幅最大的是水域，2018年比2014年減少了72.04%；增幅最大的是草地，2018年比2014年增加了93.33%。流域的生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量從2014年的179.90×108元增加至2018年的193.72×108元，增加了13.82×108元。

3.4 情景假設分析

各情景規(guī)劃下主要指標的變化如表5所示。

表5 各情景規(guī)劃下主要指標的變化

由表5可看出，綠洲適宜面積最小值為情景8的32.37×104hm2，最大值為情景4的51.30×104hm2；耕地數(shù)量安全底線的最小值為情景1和情景4的12.25×104hm2，最大值為情景5和情景8的18.38×104hm2；綠洲生態(tài)價值的最小值為情景7的149.44×104元，最大值為情景3的202.21×108元；社會經(jīng)濟價值的最小值為情景4的487.85×108元，最大值為情景8的789.99×108元；綠洲生態(tài)價值和社會經(jīng)濟價值之和(總價值)的最小值為情景4的683.64×108元，最大值為情景8的945.85×108元。

根據(jù)以上情景假設分析的結果可知，對人口、耕地、工業(yè)、畜牧業(yè)進行同時或分別減少時，適宜綠洲規(guī)模呈現(xiàn)出增大的趨勢，這主要是由于綠洲適宜面積計算方法(公式(1))涉及到的耗水量及可利用水量相對關系的增加所致；耕地數(shù)量安全底線的變化主要由人口數(shù)量決定，在人口減少的情景設計中，耕地數(shù)量安全底線降低，在人口增加的情景設計中，耕地數(shù)量安全底線增加，不涉及人口數(shù)量變化的耕地數(shù)量安全底線無變化；綠洲生態(tài)價值的變化主要由綠洲景觀類型面積的改變導致，在情景假設分析中，綠洲景觀類型面積的變化主要考慮由人為活動直接影響的耕地及草地面積的變化，兩者的生態(tài)價值系數(shù)存在一定差異，且初始面積也存在差異，因而兩者的最終變化對生態(tài)價值有不同程度的影響。在社會經(jīng)濟價值中，其組成劃分為第一產業(yè)、第二產業(yè)及第三產業(yè)，上述各個因素的變化涉及到不同產業(yè)的變化，從而對社會經(jīng)濟價值狀況產生一定的影響。

總體來說，前4種減少的情景設計中，社會經(jīng)濟價值主要呈現(xiàn)減少趨勢；后4種增加的情景設計中，社會經(jīng)濟價值主要呈現(xiàn)增加趨勢。由于流域的社會經(jīng)濟價值是流域的生態(tài)價值的數(shù)倍，因此流域總價值主要受到社會經(jīng)濟價值變化的影響，在前4種減少的情景設計中呈現(xiàn)減少趨勢，而后4種增加的情景設計中呈現(xiàn)增加趨勢。結合近年來石羊河流域實際情況的變化，即第三產業(yè)所占的比重越來越大，對第三產業(yè)產生主要影響的人口因素將發(fā)揮更大的作用。在情景假設分析中，增加人口數(shù)量、工業(yè)產值、畜牧業(yè)規(guī)模和耕地面積將導致適宜綠洲面積減少、人口耕地數(shù)量安全底線增大、社會經(jīng)濟價值和流域總價值增加。

4 討 論

在人工綠洲中，耕地及其灌溉活動是對綠洲景觀影響較大的因素，而耕地也是人類活動可控可調因素中最主要的土地利用類型。文獻[25]中對民勤縣綠洲的研究結果表明，人為生態(tài)輸水在2000-2015年對于綠洲的耕地適宜面積影響較大，2000年和2015年的民勤綠洲耕地適宜面積分別為2.5×104和5.3×104hm2，而實際的耕地面積變化不大，2000年為10.56×104hm2，2015年為10.03×104hm2，實際的耕地面積約為耕地適宜面積的兩倍(2015年)，這與本文中表3的結果類似。本研究基于人口的變化對耕地數(shù)量底線進行估算，通過對比發(fā)現(xiàn)，石羊河流域實際的耕地面積遠遠大于耕地數(shù)量底線，具有較大的可調整空間。綠洲生態(tài)價值主要體現(xiàn)在各種綠洲景觀類型面積及其對應的價值系數(shù)上，本研究由于采用的耕地和草地的生態(tài)服務價值較為接近，在情景假設分析中對于考慮人口耕地面積和畜牧業(yè)變化中生態(tài)服務價值的變化有相似的結果，例如情景1和情景3。社會經(jīng)濟價值主要是由人類社會三產的情況決定，近年來石羊河流域的社會經(jīng)濟價值呈現(xiàn)穩(wěn)定的增加趨勢。

對于綠洲的發(fā)展演化來說，水依然是最主要的制約因素。文獻[26]中對阿克蘇適宜綠洲規(guī)模與耕地面積的研究表明，耕地面積超出了水資源可承載的能力，退耕還林和退耕還草仍然是未來主要的政策導向。綠洲生態(tài)價值的評估多來自于不同的土地利用方式的差異[27]，事實上綠洲適宜面積、耕地數(shù)量底線、綠洲生態(tài)價值和社會經(jīng)濟價值這4個指標之間存在一定的制約關系。在情景假設結果的分析中，這種制約關系主要體現(xiàn)在參與計算的各個具體指標的變化上。例如，在情景1中，人口和耕地的變化對于綠洲生態(tài)價值和社會經(jīng)濟價值均有影響，使其分別減少了3.70%和11.54%。本研究將涉及綠洲演變氣候條件和人類活動下的流域可利用水資源情況、綠洲景觀類型和綠洲社會經(jīng)濟因素等整合在公式中，基于對綠洲適宜面積、耕地數(shù)量底線、綠洲生態(tài)價值和社會經(jīng)濟價值2014-2018年的變化和多種情景設計下的計算結果做出分析，相應結果對于分析石羊河流域綠洲當前的發(fā)展形勢和指導綠洲未來的發(fā)展具有一定的參考價值。

5 結 論

(1)石羊河流域2014-2018年平均綠洲適宜面積在33.09×104～50.26×104hm2之間；平均耕地數(shù)量底線為15.32×104hm2；平均河流域生態(tài)價值為170.78×108元；2014-2018年間，三者均呈現(xiàn)減少趨勢。

(2)綠洲生態(tài)價值受畜牧業(yè)的影響最大，最小值和最大值分別為假設畜牧業(yè)增加(情景7)的149.44×108元和假設畜牧業(yè)減少(情景3)的202.21×108元。

(3)綠洲生態(tài)價值和社會經(jīng)濟價值總和的最小值為假設減少人口、減少耕地面積、減少畜牧業(yè)和減少工業(yè)情景組合(情景4)的683.64×108元，最大值為假設增加人口、增加耕地面積、增加畜牧業(yè)和增加工業(yè)情景組合(情景8)的945.85×108元。