基于全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化分析

高月明, 吳文俊, 蔣洪強(qiáng), 段 揚(yáng), 周夏飛, 馬國(guó)霞

1.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院， 國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境規(guī)劃與政策模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100012

2.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)核算研究中心, 北京 100012

3.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院京津冀區(qū)域生態(tài)環(huán)境研究中心, 北京 100012

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值評(píng)估是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1-3]，可構(gòu)建自然生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)效益之間的評(píng)估體系，認(rèn)識(shí)國(guó)家或區(qū)域之間的生態(tài)關(guān)聯(lián)[4-5]，借助生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值大小及其空間分布特征來定量刻畫全球生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行的總體狀況[6-7]. 全球陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估可以識(shí)別由生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)損害和削弱所導(dǎo)致的水土流失、洪澇災(zāi)害和生物多樣性喪失等生態(tài)問題，維持和改善區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，是定量評(píng)估生態(tài)保護(hù)成效的有效途徑.

1997年，Costanza等揭開了對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究的序幕，如對(duì)全球17種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行估算，得出全球生態(tài)系統(tǒng)每年提供服務(wù)的水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值約1.12×1012美元，占陸地生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值的9%[8]，到2011年增至1.87×1012美元[9]，增幅達(dá)67.8%，為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估的主要指標(biāo)之一. 隨著千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估(MA)、生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性經(jīng)濟(jì)學(xué)(TEEB)、財(cái)富賬戶與生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值核算(WAVES)、環(huán)境經(jīng)濟(jì)核算-試驗(yàn)生態(tài)賬戶(SEEA-2012)等概念及框架的發(fā)布，許多學(xué)者開始嘗試對(duì)全國(guó)和各地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行評(píng)估研究[10]，以充分反映自然生態(tài)系統(tǒng)的價(jià)值. Ouyang等[11]評(píng)估了中國(guó)2000—2010年水源涵養(yǎng)等7項(xiàng)指標(biāo)價(jià)值的變化情況，水源涵養(yǎng)實(shí)物量增幅為3.6%，增幅區(qū)域主要分布在長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶等，并從物質(zhì)產(chǎn)品、調(diào)節(jié)服務(wù)與非物質(zhì)產(chǎn)品三方面構(gòu)建GEP評(píng)估體系模型[12]，評(píng)估得出青海省2000—2015年GEP增長(zhǎng)了74.9%，以此強(qiáng)調(diào)15年間大規(guī)模生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)工程增加生態(tài)資產(chǎn)的重要性. 王金南等[13]對(duì)中國(guó)2018年31個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)不同生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)生態(tài)生產(chǎn)總值(GEEP)進(jìn)行了評(píng)估，森林和草地的水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值為4.9×1012元，呈現(xiàn)自東南向西北遞減的空間趨勢(shì).

隨著人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和城鎮(zhèn)化發(fā)展，自然資源存量不斷被消耗和侵占[14]，全球森林生態(tài)系統(tǒng)面積持續(xù)下降，2016年占全球陸地面積比例僅為30.72%. 全球氣候變化和土地利用狀態(tài)不斷轉(zhuǎn)換，使生態(tài)系統(tǒng)格局破碎化加劇，泥石流、洪水等自然災(zāi)害頻發(fā)，控制土壤沙化、降低水土流失[15-16]，加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)研究意義凸顯. 該研究從生態(tài)系統(tǒng)提供服務(wù)的角度，借鑒GEP的評(píng)估思路和方法，采用1 km×1 km分辨率，對(duì)2000—2015年全球陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值開展評(píng)估，重點(diǎn)聚焦于國(guó)家、典型區(qū)域和主要生態(tài)系統(tǒng)類型的對(duì)比分析，并與區(qū)域面積、人口等進(jìn)行疊加，全面評(píng)價(jià)全球生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值的變化情況. 該研究對(duì)構(gòu)建大尺度生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估的方法和分析手段以及摸清全球各國(guó)家和地區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空分布規(guī)律具有一定的科學(xué)參考價(jià)值，對(duì)支撐“兩山轉(zhuǎn)化”、生態(tài)產(chǎn)品價(jià)值實(shí)現(xiàn)機(jī)制、生態(tài)補(bǔ)償、生態(tài)脫貧等生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策制定具有重要作用.

1 研究方法

生態(tài)系統(tǒng)通過其結(jié)構(gòu)和過程攔截滯蓄降水，增強(qiáng)土壤下滲，涵養(yǎng)土壤水分和補(bǔ)充地下水、調(diào)節(jié)河川流量[17]. 水源涵養(yǎng)量大的地區(qū)不僅能滿足評(píng)估區(qū)內(nèi)生產(chǎn)生活的水源需求，還會(huì)持續(xù)向區(qū)域外提供水資源[18]. 水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估方法主要有基本價(jià)值轉(zhuǎn)移法和空間建模法[19]. 其中，基本價(jià)值轉(zhuǎn)移法是借助單位面積生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值定價(jià)結(jié)果評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值，需結(jié)合已有研究基礎(chǔ)，根據(jù)專家意見對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行修正，提高評(píng)估準(zhǔn)確性，但無法量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)實(shí)物量；空間建模法則通過存量和流量的概念切入，從生態(tài)系統(tǒng)提供的生態(tài)福祉角度建立模型，模擬得到不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)實(shí)物量，以替代成本法、市場(chǎng)價(jià)值法等對(duì)實(shí)物量進(jìn)行定價(jià).

在深入總結(jié)聯(lián)合國(guó)千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估[20]、SEEA實(shí)驗(yàn)生態(tài)系統(tǒng)賬戶[21]、《陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)總值(GEP)核算技術(shù)指南》[22]和《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》[23]以及國(guó)內(nèi)外知名學(xué)者[8-13,24-25]相關(guān)成果經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，充分考慮數(shù)據(jù)可獲得性，提出全球生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估方法.

全球生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)評(píng)估原則與GEP保持一致： ①評(píng)估周期為1年；②評(píng)估對(duì)象為最終產(chǎn)品，不包括中間產(chǎn)品；③屬于流量概念，而非存量概念，即評(píng)估周期內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)為人類提供的生態(tài)效益；④評(píng)估涵蓋實(shí)物量和價(jià)值量.

1.1 水源涵養(yǎng)實(shí)物量評(píng)估方法

生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量是通過水量平衡方程計(jì)算一定時(shí)空內(nèi)降水輸入與暴雨徑流和生態(tài)系統(tǒng)自身水分消耗量的差值.

(1)

式中：Qwr為水源涵養(yǎng)量，m3/a；Pi為產(chǎn)流降水量，mm/a；Ri為地表徑流量，mm/a；ETi為蒸散發(fā)量，mm/a；Ai為第i類生態(tài)系統(tǒng)面積，m2；i為評(píng)估區(qū)域的第i類生態(tài)系統(tǒng)類型，包括森林、草地、濕地、農(nóng)田、城鎮(zhèn)和荒漠生態(tài)系統(tǒng)；n為評(píng)估區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)類型總數(shù).

1.2 水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估方法

水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值主要體現(xiàn)為蓄水保水所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，即采用影子工程法模擬建設(shè)蓄水量與生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量相當(dāng)?shù)乃O(shè)施，用建設(shè)該水利設(shè)施所需要的成本來評(píng)估水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值.

Vwr=Qwr×(Cwe+Cwo)×s

(2)

式中：Vwr為蓄水保水價(jià)值，美元/a；Cwe為水庫(kù)單位庫(kù)容的工程造價(jià)，元/m3；Cwo為水庫(kù)單位庫(kù)容的年運(yùn)營(yíng)成本，元/m3；s為當(dāng)年貨幣匯率.

受數(shù)據(jù)獲取限制，全球單位庫(kù)容的成本以中國(guó)的水庫(kù)單位庫(kù)容總成本為評(píng)估依據(jù). 根據(jù)1993—1999年《中國(guó)水利年鑒》平均水庫(kù)庫(kù)容造價(jià)為2.17元/m3，通過不同價(jià)格指數(shù)貼現(xiàn)至2015年單位庫(kù)容造價(jià)為7.29～7.78元/m3. 參考聯(lián)合國(guó)地理方案，將全球劃分16個(gè)區(qū)域，通過中國(guó)單位庫(kù)容總成本以及全球各國(guó)工資成本數(shù)據(jù)來折算各區(qū)域的水庫(kù)單位庫(kù)容成本(見表1)，并采用中間值進(jìn)行價(jià)值量核算.

表1 2015年全球主要區(qū)域的水庫(kù)單位庫(kù)容總成本

1.3 土地利用變化分析

定量分析時(shí)間遷移過程中不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移方向，計(jì)算土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的驅(qū)動(dòng)力因素影響情況.

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

用Excel 2019和ArcGIS 10.4軟件處理數(shù)據(jù)，氣象站點(diǎn)通過ArcGIS 10.4中克里金插值法進(jìn)行插值分析，IBM SPSS 25.0(Statistical Product and Service Solutions)軟件進(jìn)行不同指標(biāo)的相關(guān)性分析和聚類分析.

1.5 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)域包括全球183個(gè)國(guó)家和地區(qū)，研究時(shí)段選取2000年、2005年、2010年和2015年，主要包括全球降水量、蒸散發(fā)、地表徑流、土地覆蓋、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)(見表2).

表2 數(shù)據(jù)來源及描述

2 結(jié)果與分析

2.1 全球陸地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值

2015年全球183個(gè)國(guó)家和地區(qū)提供的生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值如圖1所示. 評(píng)估結(jié)果表明，2015年全球陸地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值大，接近25×1012美元，單位面積水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值為17.98×104美元/km2. 從國(guó)家層面來看，排名前15位國(guó)家的生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值合計(jì)約為19×1012美元，占全球總量的76%，排名前5位的是中國(guó)、澳大利亞、美國(guó)、加拿大、俄羅斯，此外，剛果(金)、中非、肯尼亞等非洲南部國(guó)家生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)程度低，植被保護(hù)良好，同樣具有相對(duì)較高的水源涵養(yǎng)水平. 從洲際分布來看，在全球陸地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值中，亞洲占31%，美洲占29%，非洲占17%，大洋洲占13%，歐洲占10%；從南北半球分布來看，北半球占75%，南半球占25%；從發(fā)展程度來看，發(fā)達(dá)國(guó)家占36%，發(fā)展中國(guó)家占46%，最不發(fā)達(dá)國(guó)家占18%，不同國(guó)家和地區(qū)的生態(tài)稟賦不同，全球水源涵養(yǎng)空間分布差異明顯.

圖1 2015年全球水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值空間分布

2.2 像元尺度水源涵養(yǎng)時(shí)空變化分析

2000年、2005年、2010年和2015年全球生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)的變化情況如圖2、3所示.

圖2 不同時(shí)期全球水源涵養(yǎng)實(shí)物量的變化

圖3 2000—2015年全球生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)實(shí)物量的空間變化

從時(shí)間尺度變化來看，2000—2015年水源涵養(yǎng)實(shí)物量年均增長(zhǎng)率為1.05%. 其中，2000—2005年期間，2005年全球年降水量陷入低谷，水源涵養(yǎng)實(shí)物量較2000年下降5.5%，實(shí)物量亦是4個(gè)年份中最低，為14.8×1012m3. 2005—2015年，水源涵養(yǎng)實(shí)物量變化率基本維持在10%左右，這可能是因?yàn)槿蛏鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)理念得到進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，生態(tài)系統(tǒng)功能加強(qiáng). 另外，全球變暖、冰川融化導(dǎo)致降水量增多，頻次提高，導(dǎo)致水源涵養(yǎng)量提高. 從空間分布來看，2000—2015年亞洲東部與南部、非洲中部和北美洲大部分地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)實(shí)物量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，而世界第三極喜馬拉雅山脈附近的增幅最大；大洋洲、歐洲和南美洲則出現(xiàn)大規(guī)模的水源涵養(yǎng)能力流失，其中澳大利亞、印度尼西亞、葡萄牙、巴西等國(guó)家表現(xiàn)最為明顯.

由生態(tài)系統(tǒng)類型分布(見圖4)可知，2000—2015年全球以森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)實(shí)物量為主，占比為44.8%～46.0%，農(nóng)田和草地水源涵養(yǎng)實(shí)物量基本在20%左右，城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)最低. 2000—2015年全球森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)增量(1.26×1012m3)最大，年均增長(zhǎng)率為1.11%. 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)(2.37%)和濕地生態(tài)系統(tǒng)(2.19%)年均增幅顯著，2015年單位面積水源涵養(yǎng)實(shí)物量分別為0.16 m3/m2和0.04 m3/m2，其中，濕地生態(tài)系統(tǒng)數(shù)值偏低，主要是因?yàn)槟蠘O洲和格陵蘭島遍布冰川，基本不具備水源涵養(yǎng)功能，歸類為濕地生態(tài)系統(tǒng). 2015年草地生態(tài)系統(tǒng)單位面積水源涵養(yǎng)實(shí)物量為0.22 m3/m2，較2000年增長(zhǎng)了60.9%. 荒漠生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能整體呈削弱趨勢(shì)，年均降幅為2.68%.

圖4 全球不同生態(tài)系統(tǒng)類型的水源涵養(yǎng)實(shí)物量變化

由表3可見，2000—2015年全球陸地主要生態(tài)系統(tǒng)類型為森林，其面積占比超過35%，其次為荒漠和農(nóng)田. 從時(shí)間變化來看，15年間全球陸地生態(tài)系統(tǒng)類型發(fā)生轉(zhuǎn)變的面積為0.33×108km2，2015年農(nóng)田、城鎮(zhèn)和荒漠生態(tài)系統(tǒng)面積較2000年分別提高了63.8%、42.6%和13.4%，草地和森林生態(tài)系統(tǒng)面積則分別縮減了29.1%和12.0%，濕地生態(tài)系統(tǒng)面積基本不變. 新增的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)面積主要來源于草地生態(tài)系統(tǒng)(31.5%)和森林生態(tài)系統(tǒng)(20.9%)，主要分布在南美洲和亞洲南部；新增的城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)面積主要來源于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)(20.6%)、草地生態(tài)系統(tǒng)(16.6%)和森林生態(tài)系統(tǒng)(13.9%)，主要分布在北美洲和亞洲；新增的荒漠生態(tài)系統(tǒng)面積主要來源于森林生態(tài)系統(tǒng)(9.9%)和草地生態(tài)系統(tǒng)(7.2%)，主要分布在大洋洲和非洲；縮減的森林生態(tài)系統(tǒng)面積主要變更為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)(8.3%)、草地生態(tài)系統(tǒng)(5.7%)和荒漠生態(tài)系統(tǒng)(5.5%)，主要分布在北美洲和亞洲南部；縮減的草地生態(tài)系統(tǒng)面積主要轉(zhuǎn)移為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)(34.5%)、荒漠生態(tài)系統(tǒng)(11.0%)和森林生態(tài)系統(tǒng)(9.5%)，主要分布在亞洲南部；濕地生態(tài)系統(tǒng)面積占比變化率低于1‰. 全球生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)移可能是導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值變化的驅(qū)動(dòng)因素之一.

表3 2000—2015年全球陸地的生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣

2.3 國(guó)家尺度水源涵養(yǎng)聚類分析

以系統(tǒng)聚類方法對(duì)2000—2015年全球水源涵養(yǎng)實(shí)物量評(píng)估結(jié)果進(jìn)行分類，將各國(guó)家和地區(qū)的水源涵養(yǎng)實(shí)物量由高到低劃分為“高”“較高”“中等”“較低”4個(gè)類別.

由圖5可見，處于“較高”水平國(guó)家的水源涵養(yǎng)實(shí)物量之和在2000年、2010年和2015年這3個(gè)年份中均排名第一，占比分別為29.1%、29.5%和41.7%；處于“高”水平國(guó)家的水源涵養(yǎng)實(shí)物量之和占比僅在2005年排名第一，達(dá)到34.9%，其余年份均處于末位，在14.9%～23.0%之間. 從國(guó)家層面來看，2000—2015年水源涵養(yǎng)實(shí)物量處于“較高”及以上水平的國(guó)家是澳大利亞、中國(guó)、印度和阿根廷，其中澳大利亞連續(xù)3個(gè)年份位居“高”水平行列，但在2015年被中國(guó)反超，降至“較高”水平. 從年際變化趨勢(shì)來看，中國(guó)、俄羅斯、印度、加拿大等國(guó)家水源涵養(yǎng)實(shí)物量聚類評(píng)估等級(jí)趨于良好；而巴西、蘇丹等國(guó)家水源涵養(yǎng)實(shí)物量聚類評(píng)估等級(jí)則呈惡化趨勢(shì). 從洲際層面來看，水源涵養(yǎng)實(shí)物量較大的國(guó)家主要分布在亞洲和美洲，大部分歐洲國(guó)家由于國(guó)土面積相對(duì)較小，難以排名前茅，而非洲國(guó)家大多位于赤道附近，因氣候炎熱、年度蒸散量大，生態(tài)系統(tǒng)難以有效進(jìn)行水源涵養(yǎng). 另外，發(fā)達(dá)國(guó)家或經(jīng)濟(jì)總量較高的國(guó)家更加注重生態(tài)環(huán)境保護(hù)，國(guó)家整體水源涵養(yǎng)水平相對(duì)較高，從而提高了生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力.

圖5 2000—2015全球國(guó)家尺度水源涵養(yǎng)實(shí)物量聚類結(jié)果

2.4 國(guó)家尺度水源涵養(yǎng)指標(biāo)分析

由圖6可見，全球水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值排名前20位的國(guó)家主要集中分布于第二象限區(qū)域，即水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值相對(duì)較少、但密度指標(biāo)(單位面積和人均水平)較高的區(qū)域，基本屬于非洲國(guó)家和最不發(fā)達(dá)國(guó)家，地理位置最為偏僻、經(jīng)濟(jì)最為落后，亟需建立健全生態(tài)產(chǎn)品價(jià)值實(shí)現(xiàn)機(jī)制和實(shí)現(xiàn)路徑. 俄羅斯受限于國(guó)土面積遼闊，中國(guó)和印度受限于人口基數(shù)巨大，均處于第四象限. 全球發(fā)達(dá)國(guó)家人均水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值為0.99×104美元，單位面積價(jià)值量23.6×104美元/km2，排名前20位的發(fā)達(dá)國(guó)家中，除挪威外，美國(guó)、加拿大和澳大利亞均位于第一象限，阿根廷具備良好的生態(tài)環(huán)境稟賦，這可能助其躍居發(fā)達(dá)國(guó)家行列.

圖6 2015年水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值排名前20位國(guó)家的密度指標(biāo)分析結(jié)果

以國(guó)家為最小單元，對(duì)比分析不同年份下水源涵養(yǎng)實(shí)物量與社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的斯皮爾曼相關(guān)性(見表4). 水源涵養(yǎng)實(shí)物量與水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值和降水量的相關(guān)性高且不斷增強(qiáng)，2015年水源涵養(yǎng)實(shí)物量與價(jià)值量的相關(guān)系數(shù)為0.997. 水源涵養(yǎng)實(shí)物量與蒸散發(fā)量亦具有較強(qiáng)的相關(guān)性. 在社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面，水源涵養(yǎng)實(shí)物量與國(guó)土面積相關(guān)性最為顯著，與GDP相關(guān)性一般. 水源涵養(yǎng)實(shí)物量與人口總數(shù)的相關(guān)系數(shù)介于0.6～0.7之間，且呈現(xiàn)逐年遞增趨勢(shì)，這可能是因?yàn)槿祟悓?duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)注度和需求量日益增加，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與全人類福祉的關(guān)系更加緊密. 水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值與GDP之間存在顯著的權(quán)衡關(guān)系，相關(guān)系數(shù)穩(wěn)定在0.4～0.5之間，而降水量和蒸散發(fā)量則呈現(xiàn)出顯著的協(xié)同效應(yīng)，相關(guān)系數(shù)均超過0.9.

表4 2000—2015年國(guó)家尺度下各項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)性

3 討論

關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)的研究較多(見表5)，空間尺度主要為區(qū)域和流域?qū)用?，涉及的生態(tài)系統(tǒng)類型種類多，主要包括森林、草地、濕地、農(nóng)田、城鎮(zhèn)和荒漠生態(tài)系統(tǒng). Daily等[25]系統(tǒng)闡述了水源涵養(yǎng)等生態(tài)系統(tǒng)功能和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的內(nèi)容與評(píng)價(jià)方法，分析了全球不同地區(qū)森林、濕地、海岸等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)價(jià). Ma等[26]對(duì)我國(guó)2016年31個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)GEP和GEEP進(jìn)行評(píng)估，其中森林、草地和濕地生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)和洪水調(diào)蓄服務(wù)價(jià)值為10.39×1012元，分別占GEP和GEEP的14.28%和8.21%. 翟月鵬等[27]通過分析京津冀區(qū)域的水源涵養(yǎng)服務(wù)空間異質(zhì)性，對(duì)各區(qū)縣、各流域劃分供體區(qū)和受體區(qū). Zhang等[28]認(rèn)為，在全球氣候變化背景下，生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)引起公眾的廣泛關(guān)注，并根據(jù)北京市森林資源調(diào)查資料和數(shù)學(xué)模擬，估算北京市森林水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值高達(dá)52.3×108元. 生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響甚大，但缺乏國(guó)家甚至全球尺度下生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)和貨幣價(jià)值的空間異質(zhì)性的宏觀評(píng)估研究[29].

表5 水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值相關(guān)研究進(jìn)展

方法層面，水量平衡法和單位面積價(jià)值法是目前用于評(píng)估水源涵養(yǎng)的主要方法. 其中，前者受植被覆蓋、土壤水分、凋落物層厚度和土壤孔隙度等多種因素影響，蒸散量和徑流量難以準(zhǔn)確測(cè)量，并受插值方法、降水季節(jié)變化、極端降雨事件等影響，但可以解釋水源涵養(yǎng)作用機(jī)理，更準(zhǔn)確地估算節(jié)水效率，指導(dǎo)區(qū)域水資源的合理配置和管理，逐漸被廣泛應(yīng)用[30-31]；后者以土地利用現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，通過對(duì)各類生態(tài)系統(tǒng)定價(jià)，評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值，缺乏水源涵養(yǎng)實(shí)物量核算，單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值取決于像元內(nèi)生物量分布、空間異質(zhì)性等，冰川、荒漠等生態(tài)系統(tǒng)定價(jià)困難，可通過兩種方法對(duì)比進(jìn)行當(dāng)量因子修正[32-33].

筆者結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域研究，基于1 km×1 km像元尺度定量評(píng)估了2000—2015年全球生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)實(shí)物量和價(jià)值量. 考慮到全球生態(tài)系統(tǒng)地理格局的相互作用和世界各國(guó)家和地區(qū)的變化，以國(guó)家為單元的全球生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)評(píng)估，可強(qiáng)調(diào)國(guó)家保護(hù)對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值的貢獻(xiàn)[34]. 根據(jù)2000—2015年全球水源涵養(yǎng)實(shí)物量與國(guó)土面積的相關(guān)性分析可知，國(guó)土面積大則降水受納范圍廣，這也在一定程度上與聚類分析結(jié)果相契合，水源涵養(yǎng)實(shí)物量“較高”水平及以上者均為全球國(guó)土面積排名前8位的國(guó)家，它們?cè)?000年甚至占據(jù)水源涵養(yǎng)實(shí)物量的前8位. 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與人類福祉息息相關(guān)[35]，水源涵養(yǎng)實(shí)物量與國(guó)家人口總數(shù)的相關(guān)性系數(shù)接近0.7，側(cè)面展現(xiàn)了全球森林、農(nóng)田、水資源和氣候的生態(tài)環(huán)境改變將影響70多億人的需求. 2000—2015年全球生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣分析結(jié)果顯示，生態(tài)系統(tǒng)類型發(fā)生轉(zhuǎn)移的面積占比為22.3%，土地利用變化使人類能夠獲取地球上越來越多的資源，這也可能破壞生態(tài)系統(tǒng)平衡[36]. 通過評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)人類生產(chǎn)生活所帶來的價(jià)值，可對(duì)人類需求和生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期提供產(chǎn)品和服務(wù)的能力進(jìn)行權(quán)衡.

生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)生命共同體，水源涵養(yǎng)、土壤保持、固碳等生態(tài)系統(tǒng)功能間存在權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系，將是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的熱點(diǎn)[37-38]. Liu等[39]通過文獻(xiàn)計(jì)量方法，以水源涵養(yǎng)和土壤保持為關(guān)鍵詞分析，結(jié)果表明我國(guó)水土保持方面的研究迅速增加，農(nóng)業(yè)、水資源利用、水土流失與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是密切相關(guān)的主題，水土保持對(duì)水資源等全球環(huán)境變化的響應(yīng)管理、土地利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)是潛在的新興研究熱點(diǎn). 森林生產(chǎn)力的提高和生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)間存在權(quán)衡，F(xiàn)arooqi等[40]研究表明固碳作用和水源涵養(yǎng)是森林生態(tài)系統(tǒng)改善環(huán)境問題的兩項(xiàng)關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，從森林的發(fā)展趨勢(shì)和社會(huì)視角出發(fā)，提出森林碳匯和水源涵養(yǎng)雙重考慮的綜合研究框架，建立全球或區(qū)域森林保護(hù)研究網(wǎng)絡(luò)，旨在提供平衡的森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，包括固碳、水源涵養(yǎng)和其他服務(wù). 在全球氣候變化背景下，各國(guó)相繼提出碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，優(yōu)化雙重或多重服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)減緩全球氣候變化和維護(hù)陸地水平衡的最終目標(biāo)[38]. 游惠明等[41]對(duì)泉州灣河口濕地生態(tài)系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，城市化和經(jīng)濟(jì)開發(fā)強(qiáng)度提升會(huì)導(dǎo)致污染物排放、水利工程修建、圍塘養(yǎng)殖等影響加劇，自然濕地面積不斷減少，水源涵養(yǎng)等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值降低. 目前的研究多數(shù)僅是服務(wù)價(jià)值核算，僅少數(shù)研究開展驅(qū)動(dòng)力分析，主要是主成分分析或相關(guān)性分析等單驅(qū)動(dòng)因子探討，需針對(duì)多因子間的權(quán)衡協(xié)同、相互作用途徑、作用強(qiáng)度等方法開展研究[42]. 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和權(quán)衡的綜合評(píng)估模型(InVEST模型)基于水量平衡機(jī)理進(jìn)行評(píng)估，提供了多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估，涵蓋陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)，可模擬水源涵養(yǎng)、土壤侵蝕、岸線保護(hù)、碳儲(chǔ)量、生境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，利用InVEST模型評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)功能及研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系將是未來研究的熱點(diǎn)之一[43-44].

水源涵養(yǎng)服務(wù)作為生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在一定程度上會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值. 由于開展全球生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在查找和獲取上面臨較大困難，無法完全收集到全球各國(guó)的相應(yīng)數(shù)值，價(jià)格設(shè)定均以中國(guó)的相關(guān)參數(shù)和價(jià)格為參照，存在一定程度的偏差. 鑒于全球各國(guó)實(shí)際徑流量數(shù)據(jù)難以獲取，故采取降雨強(qiáng)度替代法評(píng)估水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值，可能使結(jié)果存在一定偏差. 選用影子工程法計(jì)算水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值，可能會(huì)產(chǎn)生高估. 筆者將生態(tài)系統(tǒng)類型劃分為6類生態(tài)系統(tǒng)，由于全球生態(tài)系統(tǒng)類型和自然環(huán)境條件異質(zhì)性強(qiáng)，該評(píng)估所得僅為大致結(jié)果.

4 結(jié)論

a) 2015年全球183個(gè)國(guó)家和地區(qū)的陸地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值較大，接近25×1012美元，不同國(guó)家和地區(qū)的生態(tài)稟賦不同，空間分布差異明顯. 排名前15位國(guó)家的生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值總和約為19×1012美元，超過全球總量的3/4；亞洲和美洲水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值較高，約占全球總量的30%.

b) 2000—2015年，全球水源涵養(yǎng)實(shí)物量呈先降后升的趨勢(shì)，年均增長(zhǎng)率為1.05%，亞洲東部與南部、非洲中部和北美洲大部分地區(qū)隨年際變化呈現(xiàn)正向分布，而大洋洲、歐洲和南美洲呈逆向分布；生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)移趨勢(shì)與其水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值變化趨勢(shì)基本相符.

c) 部分非洲國(guó)家或最不發(fā)達(dá)國(guó)家水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值相對(duì)較低，而單位面積和人均指標(biāo)卻較高，需加快生態(tài)產(chǎn)品價(jià)值路徑探索. 全球發(fā)達(dá)國(guó)家不到15%的國(guó)土面積承載著超過1/3的水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值. 中國(guó)、印度和俄羅斯受限于生態(tài)環(huán)境本底、人口基數(shù)、國(guó)土面積等因素，與發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在一定差距.

d) 處于“較高”及以上水平國(guó)家水源涵養(yǎng)實(shí)物量占比基本在48%～57%之間，澳大利亞、中國(guó)、印度等國(guó)家基本穩(wěn)定在“較高”及以上水平，發(fā)達(dá)國(guó)家或經(jīng)濟(jì)總量較高的國(guó)家生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度高，生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，單位面積水源涵養(yǎng)服務(wù)價(jià)值高.