南水北調中線水源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估

張先起, 聶永博

(1.華北水利水電大學 水利學院,河南 鄭州 450046; 2.黃河流域水資源高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 鄭州 450046)

生態(tài)系統(tǒng)是聯(lián)合國千年生態(tài)系統(tǒng)評估(millennium ecosystem assessment,MA)[1]的核心,為人類的生活和發(fā)展提供了不可或缺的物質生存條件與各類生態(tài)服務功能,評估生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ecosystem service value,ESV)以達成生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展以及提供生態(tài)補償?shù)闹卮笠罁?jù)[2],其變化表明了生態(tài)系統(tǒng)各功能之間的轉化及變化趨勢,同時也反映了生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)演變的驅動特性。目前以COSTANZA R等[3],DALIY G C[4]和歐陽志云等[5]對ESV評估方法的應用居多。在國外,TEREFE T等[6]對埃薩俄比亞中部高原的生態(tài)價值量變化趨勢的預測進行了研究。LAURA O等[7]對馬達加斯加ESV的驅動因素進行了探討。MENGISTIE K等[8]研究了穆尼薩·沙謝梅內1973—2012年ESV變化對土地利用/覆被動態(tài)的響應。在國內,王文川等[9]通過利用隨機森林算法,建立了河流流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價法,并應用到清水河流域當中。唐見等[10]評估了陜、鄂、豫3省40個縣的ESV。朱九龍等[11]基于某研究區(qū)的ESV,探討了生態(tài)補償資金分配問題。國內外對于南水北調中線水源地區(qū)ESV的研究較缺乏,多是對某一年整個區(qū)域或典型流域ESV的評估,缺少演變特性方面的探討,特別是近年的研究更有所不足。南水北調工程中線水源地區(qū)對于保障生態(tài)環(huán)境質量、供水安全具有十分深遠的意義,對其ESV的評估可為中線水源地生態(tài)環(huán)境保護、中線工程供水安全等提供理論依據(jù)和技術支撐。本文以ESV當量法[12]為主要方法,利用ArcGIS軟件和ENVI軟件進行土地利用類型劃分,并結合南水北調中線工程水源地實際制定出城鎮(zhèn)和非城鎮(zhèn)ESV當量表,分析1989—2019年南水北調中線水源區(qū)ESV及其演變特征。

1 研究方法

1.1 圖像解譯

研究中采用美國的Landsat系列衛(wèi)星影像資料。由于衛(wèi)星遙感圖像會因日光、大氣等因素導致圖像出現(xiàn)變形,使得獲取的遙感數(shù)據(jù)灰度值失真,所以需要使用ENVI軟件進行輻射定標、大氣校正等方式來糾偏,從而獲得較為真實的圖像。最后再對其進行分析解譯,由此得到水源區(qū)的土地利用數(shù)據(jù)。不同土地利用類型及含義，詳見表1。

表1 土地利用類型及含義

1.2 非城鎮(zhèn)ESV當量因子估算

參考ESV當量法[12]和MA理論,組建一級指標:供給服務(S)、調節(jié)服務(R)、支持服務(U)和文化服務(C);在這4個一級指標下,選取食物生產(chǎn)(S1)、原料生產(chǎn)(S2)、水資源供給(S3)、氣體調節(jié)(R1)、氣候調節(jié)(R2)、凈化環(huán)境(R3)、水文調節(jié)(R4)、土壤保持(U1)、維持養(yǎng)分循環(huán)(U2)、生物多樣性(U3)、美學景觀(C1)共計11個二級指標組成指標體系。

研究區(qū)林地生態(tài)系統(tǒng)中不同植被面積占比:針葉林10%、針闊混交4%、闊葉林85%、灌木林1%[13];草地生態(tài)系統(tǒng)不同類型面積占比:灌草叢65%,草甸35%;水域則主要為水系;耕地生態(tài)系統(tǒng)主要包含水田和旱地,二者面積比為1.15∶5.10[14];其他生態(tài)系統(tǒng)不同類型面積占比分別為:濕地80%、裸地15%、荒漠5%。結合上述資料,構建南水北調中線水源區(qū)非城鎮(zhèn)ESV當量因子,詳見表2。

表2 南水北調中線水源區(qū)非城鎮(zhèn)ESV當量因子

1.3 城鎮(zhèn)ESV系數(shù)估算

隨著城市化的進行,城鎮(zhèn)的規(guī)模逐漸擴大,其規(guī)模面積已經(jīng)不可忽視。近年來,城鎮(zhèn)已成為評估區(qū)域ESV不可忽視的一個模塊。將城鎮(zhèn)用地包含進ESV評估體系中,結合林地、草地等基礎系統(tǒng)體系,可多維分析地類體系更替同生態(tài)系統(tǒng)間的關聯(lián)[15]。城鎮(zhèn)指標體系主要包括氣體調節(jié)(R1)、凈化環(huán)境(R2)、水文調節(jié)(R3)、美學景觀(C1)。運用市場價值法、工程替代法等方法[16],對南水北調中線水源區(qū)城鎮(zhèn)ESV系數(shù)進行計算,詳見表3。

表3 南水北調中線水源區(qū)城鎮(zhèn)ESV系數(shù)評價方法

由于研究區(qū)包含淅川縣和丹江口市兩地，故需要對南水北調中線水源區(qū)城鎮(zhèn)ESV系數(shù)進行修正。參考胡登奎[18]的研究成果修正城鎮(zhèn)ESV系數(shù),計算公式如下:

(1)

表4 南水北調中線水源區(qū)城鎮(zhèn)ESV系數(shù) 元/hm2

1.4 研究區(qū)ESV評估模型

根據(jù)謝高地等[12]的研究,單位當量因子的經(jīng)濟價值量約等于當年全國平均糧食單產(chǎn)市場價值的1/7,但考慮到全國各地天氣、土壤等多種因素的差異性,需要基于研究區(qū)情況進行修正。選擇淅川縣、丹江口市兩地的單位面積耕地作物經(jīng)濟均價,以此來修正單位當量因子的經(jīng)濟價值量[19],計算公式為:

(2)

(3)

參考兩地年鑒和《中國農(nóng)產(chǎn)品價格調查年鑒》,分析得出淅川縣的單位當量因子經(jīng)濟價值為2 078.67元/hm2,丹江口市的為1 664.17元/hm2。通過遙感影像得出淅川縣和丹江口市1989、1999、2009、2019年的耕地面積的平均值分別為115 380、55 964 hm2,結合公式(3),得出研究區(qū)單位當量因子經(jīng)濟價值為1 943元/hm2。

研究區(qū)ESV的計算公式為:

Kr=XrNa,

(4)

(5)

式中:Kr為第r種生態(tài)指標的ESV系數(shù),元/hm2;Xr為第r種生態(tài)指標;Esl為研究區(qū)ESV,元;Aj為第j種土地利用類型的面積,hm2。

1.5 ESV影響演變因素分析

ESV變差貢獻率指在一段時間內某單一生態(tài)系統(tǒng)變化量占所有地類ESV變化量的比重[20],反映個體變化對整體的影響程度。其計算公式為:

(6)

2 南水北調中線水源區(qū)ESV估算

2.1 研究區(qū)概況

淅川縣和丹江口市位于豫、鄂、陜三省相鄰處,東鄰鄧州市,南接房縣,西鄰十堰城區(qū),北靠西峽縣,位于東經(jīng)111°34′～111°58′與北緯32°13′～33°23′。丹江口市總面積3 129.168 km2,淅川縣總面積2 820.68 km2。淅川縣和丹江口市地理位置如圖1所示。

圖1 淅川縣和丹江口市地理位置

2.2 數(shù)據(jù)來源

選取1989、1999、2009、2019年作為典型年,土地利用類型來源于各時期的Landsat5 TM和Landsat8 OLI-TIRS影像。其余數(shù)據(jù)參考《南陽市統(tǒng)計年鑒》《丹江口市統(tǒng)計年鑒》《丹江口市水資源公報》《淅川縣統(tǒng)計年鑒》等,主要包含糧食產(chǎn)量、經(jīng)濟數(shù)據(jù)等其他統(tǒng)計資料。

2.3 土地利用面積及覆被變化分析

ENVI為一款發(fā)展成熟的現(xiàn)代遙感地圖解析分析軟件。從地理空間數(shù)據(jù)云獲取淅川縣、丹江口市的遙感圖像,并利用ENVI調取工具箱來進行輻射校正和大氣校正，從而完成預處理。然后,利用ArcGIS配準,采用人機交互方式解譯得到淅川縣、丹江口市1989、1999、2009、2019年4個典型年的土地利用情況。對結果進行檢測,得Kappa系數(shù)>0.7,故影像數(shù)據(jù)的精度滿足最低判別度。研究區(qū)4個典型年的土地利用情況如圖2所示。南水北調中線水源區(qū)土地利用變化如圖3所示。

圖2 研究區(qū)土地利用

圖3 南水北調中線水源區(qū)土地利用類型面積

結合圖2、圖3可以看出,1989—1999年南水北調中線水源區(qū)的地物代表主要為林地、草地和耕地3種,占據(jù)了水源區(qū)面積的80%;隨著時間演變,森林的面積保持著不斷增長的趨勢,且漲勢迅速,其主要原因是開展退耕還林等計劃以及出臺和實施一些相關的政策,深化了人們的環(huán)境保護意識;而耕地、草地的面積持續(xù)縮小,主要是因為在其上栽種樹木以及部分新水域的形成,使得部分草地和耕地轉化為了林地和水域;水域面積也呈擴大趨勢,主要是因為丹江口市水庫大壩加高使得水位抬升,導致部分草地、耕地形成新水域;而城鎮(zhèn)面積由于土地城市化原因擴展也極其迅速,但總體面積占比較小;其他地物類型面積變化趨勢較小且比重不大。

2.4 南水北調中線水源區(qū)ESV分析

根據(jù)表2、表3及公式(4),可得南水北調中線水源區(qū)ESV當量因子及其系數(shù),分別見表5和表6。

表5 南水北調中線水源區(qū)ESV當量因子

表6 南水北調中線水源區(qū)ESV系數(shù) 元/hm2

根據(jù)表5、表6和公式(5),可得南水北調中線水源區(qū)1989、1999、2009、2019年4個典型年的ESV,如圖4所示。

圖4 南水北調中線水源區(qū)ESV

由圖4可知,南水北調中線水源區(qū)林地、水域的ESV隨時間推進在不斷提高,而其余地物ESV則不斷減少,說明林地、水域地物為水源地重要生態(tài)體系且面積占比較大。這一演變趨勢表明:隨著城鎮(zhèn)化進程的加快,相關保護環(huán)境政策的推出和人民環(huán)保意識的增強,使得水源區(qū)環(huán)境質量得到了極大的提高。

根據(jù)公式(6),得出水源區(qū)ESV變差貢獻率,詳見表7。

表7 南水北調中線水源區(qū)ESV變差貢獻率 %

由表7可知，土地利用類型在各個時期內對水源區(qū)的ESV所產(chǎn)生的影響是不一樣的。林草水域地物系統(tǒng)的演變將引起其相關ESV產(chǎn)生較大影響,而其余3種地物系統(tǒng)的演變則基本不會引起其相關ESV產(chǎn)生較大波動。由表7還可以看出,在1989—2019年的30年期間,林地地物系統(tǒng)面積不斷擴大,且其貢獻率始終為正,其變化對區(qū)域ESV的增加影響是正向的;草地、耕地、城鎮(zhèn)地物系統(tǒng)貢獻率均小于0,主要由于退耕還林等政策的實施,草地、耕地上不斷植樹造林,逐漸轉化為森林,但林地的單位面積ESV卻高于前兩者,這使得草地、耕地地物系統(tǒng)的演變同南水北調中線水源區(qū)總ESV的變化趨勢相反。水域生態(tài)系統(tǒng)對南水北調中線水源區(qū)總ESV的貢獻率較大,但呈現(xiàn)波動變化的趨勢,1989—1999年與2009—2019年水域生態(tài)系統(tǒng)貢獻率均在50%以上,主要由于丹江口水庫多年平均面積占研究區(qū)總面積的10.5%;而1999—2009年的貢獻率則低于0,其波動原因是因為丹江口水庫的庫容降低,使得總區(qū)域的水域地物系統(tǒng)的面積不斷縮減,導致該段時間之中,水域地物面積的演變同區(qū)域ESV的變化截然相反;其他生態(tài)系統(tǒng)則主要包含裸土地、鹽堿地等,在研究區(qū)的總面積中該類地物占地面積甚小,同時,它們的單位面積ESV較低,造成歷年來其他地物ESV長期保持較低且相對穩(wěn)定的低貢獻率。

3 結論

1)針對研究區(qū)的自然、地理、環(huán)境等實際狀況,將其劃分為林地、草地、耕地、城鎮(zhèn)、水域和其他共6類生態(tài)系統(tǒng),基于MA理論構建了包含供給服務、調節(jié)服務、支持服務、文化服務4個一級指標11個二級指標的南水北調中線水源區(qū)ESV評價指標體系。

2)利用ArcGIS和ENVI軟件對1989、1999、2009、2019年4個典型年的遙感數(shù)據(jù)進行解譯,分析了不同典型年研究區(qū)土地利用的時空演變特征;通過建立城鎮(zhèn)與非城鎮(zhèn)區(qū)域ESV指標體系,評估了不同典型年研究區(qū)ESV。得出結論:1989—2019年,研究區(qū)ESV增加了102.63億元,其中林地、水域分別增加了54.88億元、77.90億元;草地、耕地、城鎮(zhèn)、其他分別減少了23.61億元、3.77億元、0.29億元、2.48億元。

3)通過利用變差貢獻率分析法對研究區(qū)ESV的時空變化進行分析,6類土地利用類型在不同時段內對ESV的貢獻率存在著差異,其中水域、林地、草地生態(tài)系統(tǒng)對研究區(qū)ESV的影響最大,城鎮(zhèn)、耕地、其他生態(tài)系統(tǒng)對其ESV的影響則較小。

4)由于主觀因素等原因,在制作分類樣本時會造成樣本精度偏差,使得解譯出的土地利用類型圖存在一定的偏差。另外,由于研究尺度的限制,設定的城鎮(zhèn)ESV系數(shù)較少,ESV局部異常信息較難體現(xiàn),這些問題有待進一步深入研究解決。