海平面上升对生态系统服务价值的影响及适应措施

王宝强，杨 飞，王振波

1同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092 2浙江大学城乡规划设计研究院，杭州 310028 3中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101

海平面上升对生态系统服务价值的影响及适应措施

王宝强1,*，杨 飞2，王振波3

1同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092 2浙江大学城乡规划设计研究院，杭州 310028 3中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101

海平面上升导致了海岸线后退、沿海侵蚀、风暴潮加强、生物栖息地改变、湿地变迁等，引起了近海域生态系统服务价值的变化。以美国Hillsborough County为研究区域，应用SLAMM模型，模拟了海平面从2010年—2100年上升1m的情景下各类用地面积的变化，利用效益转移法评价了生态系统服务价值的变化。结果表明：①旱地面积减少3037hm2，湿地面积增加3037hm2，其中河口水域、滩涂、盐沼、定期洪水沼泽面积大幅度增加；季节性洪水沼泽、潮汐淡水沼泽、河流潮汐、沙滩面积大幅度减少，其它类型湿地受影响较小。②湿地总面积的增加反而导致了生态系统服务价值总量的降低，从2010年的61672万美元降低到2100年的61548万美元，这是由于净水湿地和沙滩大面积损失引起的；其中艺术娱乐、水调节、气候调节、文化精神价值将下降，水供应、栖息地保护、干扰调节和废物处理价值将上升。③防护、适应、后退3种措施分别降低、不影响、提升了生态系统服务价值，应根据其适用范围综合应用以制定应对海平面上升的适应性措施。

生态系统服务价值；海平面上升；适应性措施；SLAMM模型； Hillsborough County

据观测，20世纪海平面上升的速度远远大于以往，达到1.7mm/a[1]，而近十多年来达到3.1mm/a[2]。尽管每个地区海平面上升的速度存在争议性和不确定性[3-4]，但是海平面上升的趋势是肯定的，而且对沿海生态系统产生了一系列深远的影响。其直接影响结果包括海岸线后退、沿海侵蚀[5]、风暴潮频率和强度加强、污染性物质释放、生物栖息地改变、湿地变迁[7]等，间接影响了沿海生态系统服务的发挥。

理论上出现了对海平面上升过程中沿海侵蚀过程的概念模型分析[6-9]；也提出了海平面上升的生态系统影响评估方法[10-11]，其中在美国被广泛应用的模型之一就是海平面上升的湿地影响模型(Sea Level Affecting Marshes Model，以下简称SLAMM)。该模型由美国环境保护署(EPA)研发，是分析长时间范围内海平面上升对湿地影响的转变过程的特定模型，是采用几何关系来定量描述沿海土地利用的变化的一种决策工具。实践中，很多地区发布了适应海平面上升行动计划，制定了从州政府到地方政府的适应性策略[12]。我国对于海平面上升的研究主要集中在风险和脆弱性评估[13-14]、社会经济和生态系统服务的影响[15-16]、海岸带湿地的生态效应[17]、人类活动对海岸带的影响[18]等领域，但是存在着简化海平面上升的影响过程(仅考虑基于高程评估的淹没分析和定性的侵蚀分析)、对海平面上升的生态系统服务影响缺乏定量分析、较少提出应对海平面上升的适应性措施等问题。

本文通过对美国佛罗里达州(Florida，FL)Tampa Bay的Hillsborough County为研究区域，运用SLAMM模型定量分析沿海湿地在海平面上升影响下自然变迁的过程，进而通过评价“生态系统服务价值”的变化来客观认识海平面上升对生态系统的影响。本文所指的湿地，采用国际湿地公约中对广义的湿地的定义，指天然或人工、长久或暂时性的沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带，带有或静止或流动、或为淡水、半咸水或咸水水体，包括低潮时水深不超过6m的水域。在此基础上，提出并评价Hillsborough County沿海地区应对海平面上升的防护、适应、后退措施。通过本研究，以期将SLAMM模型介绍入国内海平面上升研究中，为定量化、客观性地认知和评价海平面上升对生态系统的影响，以及沿海生态保护决策提供启示。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域

Hillsborough County位于美国佛罗里达(Florida)半岛西岸中部、墨西哥湾东部、Tampa Bay的入口处(图1)，总面积3280km2，其中陆域面积2600km2，水域面积为640km2,海岸线长度大约为254.71km。近百年来该地区海平面上升速度为2.4mm/a，海岸线远离陆地的速度为1.5m/a[19]。

图1 Florida在美国及Hillsborough County在Florida的地理位置(红色区域) Fig.1 The location of Florida in US and Hillsborough County in Florida(in read)

1.2 研究方法

1.2.1 确定海平面上升情景

影响海平面上升的原因是多样的，与全球碳排放和气温直接相关，根据IPCC发布的碳排放情景特别报告[20]，最大碳排放量的情景下，到2100年，全球海平面相对于2010年将上升0.88m。地方海平面上升计算公式为：

LocalSLRTModel=GlobalSLRTModel+(TModel-T0)(HistoricSLRLocal-HistoricSLRGlobal)

式中，LocalSLR为地方海平面上升相对高程(m)；GlobalSLR为全球海平面上升相对高程(m)；HistoricSLR为历史海平面上升相对高程(m)；TModel为模型预测年份，T0为基准年份。

本研究中，基准年为2010年，预测年份为2100年，则至2100年，Hillsborough County海平面上升为：SLR2100=0.88+(2100-2010)×(0.0024-0.0017)=0.943(m)，为了考虑未来的不确定性，并方便计算，研究取值1m。

1.2.2 模拟海平面上升情景下用地变化

生态系统服务指“生态系统与生态过程所形成的、维系人类赖以生存的自然生态环境条件与效用”[21]，包括供给、调节、支持和文化服务[22]，一般采用生态系统服务价值(ESV)来评估其重要性。沿海生态系统服务的载体是不同类型的用地，因此要研究海平面上升对生态系统服务价值的影响，首先要分析其对于沿海各类用地(主要是湿地)的影响。本文采用SLAMM进行海平面上升情景下研究范围内的不同类型用地变化情况。该模型中构建了淹没、侵蚀、冲积、饱和、吸积5种海平面上升影响过程的子模型和算法(表1)[23]，通过输入所需数据和参数(表2)，能够模拟在设定海平面上升情景下，不同年份的海平面相对高度和沿海用地类型的变化。

表1 5种海平面对沿海地区的影响过程[23]Table 1 Five affected process on coastal areas of sea level rise[23]

首先在Arc GIS10.0中建立包括地形、土地利用、大坝(或防护堤)等初始年份(2010年)的基础数据库，对各类土地利用数据编码，将以上栅格数据转化为ASCⅡ数据。然后，在SLAMM 6.0软件中按照操作界面要求，输入地形、土地利用、大坝ASCⅡ数据和影响参数数据，设定起始年份为2010年，预测终点年份为2100年，海平面上升期望值为1m，输出数据年份设置为每10年输出，确认一切数据准备无误后，SLAMM软件将自动计算每10年研究区域的用地类型变化情况，并将每类用地的面积以表格形式输出，用地的空间分布以GIS栅格数据输出。对输出结果进行分析，就可以确定每10年研究区域的各类用地自然变迁情况。

表2 SLAMM输入数据Table 2 Input data in SLAMM

1.2.3 评估海平面上升对生态系统服务价值的影响

(1)通过文献综述法确定沿海各类湿地的生态系统服务类型，主要包括水供应、水调节、气候调节、干扰调节、栖息地保护、废物处理、艺术娱乐、文化精神等[25]。

(2)将具有同等生态系统服务类型的湿地归类，确定其2010年单位面积生态系统服务价值(ESV)。生态服务价值评估的准确性主要取决于各类型湿地生态系统服务价值的单位面积价值，其不仅与所处地域、环境密切相关，且随着时间的变化而发生变化。因此研究区域、研究方法、研究时间不同导致对沿海湿地的生态系统服务价值评估结果大相径庭。未来随着人类活动的加强和气候变化的加剧，沿海湿地的生态系统服务功能愈加重要，因此一般认为沿海湿地的单位面积ESV将随时间推进而不断提高。本文暂不讨论湿地的单位面积ESV随着时间变化的规律，而是按照2010年各类湿地单位面积生态系统服务价值进行比较。

生态系统服务价值评估的方法众多，如生产力影响法、价值替代法、旅行费用法、支付意愿法等[26-27]。本文选取效益转移法(Benefit Transfer)，即可以基于已有的某地的生态环境经济信息，利用一定的转移手段获取新的类似生态环境产品及服务的评估结果，采用Robert Costanza对New Jersey生态系统服务价值研究的成果，得到Hillsborough County每类湿地的单位面积生态系统服务价值见表3[28]。

表3 沿海湿地的生态系统服务及其2010年单位面积价值(美元 a-1 hm-2)[28]Table 3 Ecosystem services values of various types of coastal wetlands in 2010[28]

净水湿地包括潮汐淡水沼泽、内陆海岸、内陆淡水沼泽、红树林、河流潮汐；盐水湿地包括滩涂、盐沼、定期洪水沼泽、一般沼泽、柏树沼泽、季节性洪水沼泽；未发展用地为未利用旱地；开放水域包括河口开放水域和内陆开放水域；滩涂和河口沙滩均为单独类别

(3)计算2010—2100年每10a的生态系统服务价值总量。公式如下：

式中，ESV(t)为第t年的生态系统服务总价值，单位：美元/年；i为湿地类型；Ai,t为第t年第i类湿地面积(hm2)；PESVi为第i类单位湿地面积的生态系统服务价值(美元 a-1hm-2)；t为年份。

1.2.4 归纳和评价适应性措施

采用文献综述法总结美国其它地区应对海平面上升的适应性措施，从生态系统服务价值影响的角度定性评估每类适应性措施的适用范围，在此基础上综合确定Hillsborough County沿海地区的适应性措施。

2 分析结果与讨论

2.1 沿海用地面积变化

通过SLAMM运行的结果，可将2010—2100年每10年的用地变化情况予以输出，其中2010年、2100年用地的变化情况如图2和表4所示。结果表明，从2010年至2010年，旱地(包括已开发旱地和未开发旱地)的面积减少了约3037hm2，湿地(除旱地外其它用地)面积增加了约3037hm2，之所以旱地减少的面积数量恰好等于湿地增加的面积数量，是由于根据湿地的定义，被淹没、侵蚀的旱地其水深并未超过6m，成为新的不同类型的湿地(包括沿海水域)。而海平面上升本身是一个缓慢的过程，在上升的过程中通过各种作用将其影响范围扩大，从而产生了更多的湿地。旱地和湿地面积随海平面上升的变化如图3所示。

尽管湿地总量是增加的，但是不同类型的湿地变化量具有差异性。通过表4可以看出，河口开放水域、滩涂、盐沼、定期洪水沼泽面积将出现大幅度的增加；季节性洪水沼泽、潮汐淡水沼泽、河流潮汐、河口沙滩、内陆海岸面积将出现大幅度减少；而红树林 、内陆开放水域、一般沼泽、内陆淡水沼泽、柏树沼泽面积变化程度较小。

图2 海平面上升影响下用地变化模拟Fig.2 The simulation of land use change with sea level rise

2.2 生态系统服务价值变化

2.2.1 生态系统服务价值总量变化

按照1.2.3的计算方法，结果表明(表5)：尽管湿地的总面积增加了，但是其生态系统服务价值总量随年份呈现减少趋势(2010年为61672万美元，到2100年为61548万美元)，主要是因为具有最高生态系统服务价值的净水湿地和沙滩面积的大量减少所致。个别年份出现波动的原因在于某些湿地面积的急剧增加或减少导致当年生态系统服务价值总量的变化。生态系统服务价值与海平面上升的关系如图4，总体呈递减趋势。

表4 2010年与2100年各类用地面积变化比较Table 4 The comparison of all kinds of lands area changes in 2010and 2100

图3 旱地、湿地面积随海平面上升的变化图Fig.3 Dry lands and wetlands area changes with sea level rise

图4 生态系统服务价值随海平面上升的变化图Fig.4 Ecosystem service value changes with sea level rise

2.2.2 不同类型生态系统服务价值变化

计算每10a不同类型的生态系统服务价值(表5)，结果表明：艺术娱乐、水调节、气候调节、文化精神价值将降低，相对于2010年，2100年分别减少了313万美元、150万美元、48万美元、12万美元；水供应、栖息地保护、干扰调节和废物处理价值将提升，相对于2010年，2100年分别增加了19万美元、65万美元、155万美元、159万美元。艺术娱乐价值减少最多的原因是失去了大量的河口沙滩，水调节价值减少的原因是净水湿地的大量损失；废物处理价值增加最多的原因是大量新的盐水湿地的产生。可见海平面上升在降低某些生态系统服务价值的同时，由于湿地类型的转变也提高了某些生态系统服务价值，但是总体的生态系统服务价值是下降的。从生态系统服务价值的年平均变化率来看，水调节、气候调节、艺术娱乐和文化精神价值的年均降低速率较快，栖息地保护和干扰调节价值的上升速率较快。

表5 主要年份各种生态系统服务价值Table 5 The ecosystem service value in main years

3 应对海平面上升的适应性措施及评价

3.1 应对海平面上升的适应性措施

适应性指自然或人类系统对于事实上存在或者预期的灾害及其影响而做出的调整的程度或能力。应对海平面上升的适应性措施就是对于未来海平面上升所产生的不利影响做出的调整策略。常见的海平面上升适应性措施见表6[29-32]，可以看出，州政府层面多体现政策支持，地方政府层面多关注具体的工程和非工程性措施。

表6 常见的海平面上升适应性措施Table 6 Common adaptation measures for sea level rise

这些措施可以分为两大类：(1)硬措施：即防护、适应、后退等工程性措施，尽量避免海平面上升的不利影响；(2)软措施：即通过土地利用规划、法律法规、鼓励刺激计划等一系列政策引导区域发展、公众和社会投资建设，并促进硬措施的实施。

3.2 基于ESV视角的适应性措施评价

本文主要讨论工程性措施及其对生态系统服务价值的影响。选取3种措施中的6类具体方式，定性地分析其对沿海湿地的面积及生态系统服务价值的影响(表7)。防护措施是一种最直接有效的适应对策，但是由于其改变了自然界原有的生态系统结构，因此导致了生态系统服务价值的降低；适应措施主要针对建筑物，因此其对生态系统服务价值影响不大；后退措施一定程度上增加了生态用地的面积，因此提升了生态系统服务价值。实际的运用中，应根据每类措施的适用范围综合使用，并进行“成本-效益”分析，确定综合的、有效的适应性措施。

表7 各种适应性措施对湿地面积和生态系统服务的影响Table 7 Effect on wetlands area and ESV of different adaptation measures

①+表示面积增加，—表示面积减少；↑表示价值提升，↓表示价值下降；/表示没有影响;②增加、减少、上升、下降均是相对于不采取任何适应性措施的情况而言，并非相对于现状。

各类适应性措施的适用范围如下：①大坝、海堤适用于邻近海域的大面积、高密度城市建成区；②人工育滩、沼泽、沙丘适用于沙滩、净水湿地的缓冲区，从而降低海水的侵蚀率；③建筑物、道路加高适用于建筑量较少、湿地将建筑与海域分离的居住区；④滚动式使用适用于当前质量较好、仍然在使用并远离建成区的区域；⑤人口、建筑物迁移适用于湿地为主、少量居住的区域；⑥公共产权购买适用于湿地为主、少量建成区的区域。综合以上信息，构建Hillsborough County沿海地区的适应性措施分布图(图5)。

图5 Hillsborough County海平面上升的适应性措施Fig.5 Adaptation measures for sea level rise in Hillsborough County

4 结论与讨论

Hillsborough County的研究表明，在假定2100年海平面上升至1m的情况下，沿海的旱地面积将减少，相应地增加了同等面积的湿地，这是海平面上升过程中，淹没、侵蚀、冲积、饱和、吸积等共同作用的结果。但是湿地总面积的增加反而导致了生态系统服务价值总量的减少，由2010年的61672万美元减少到2100年的61548万美元，究其原因是因为每种类型的湿地所具有的生态系统服务价值不同，而湿地内部结构发生的变化，使得具有最高单位面积生态系统服务价值的净水湿地和沙滩面积的大量损失造成了生态系统服务价值总量的降低。如果考虑单位面积湿地生态系统服务价值随时间可能增大的情况下，生态系统服务价值总体减少的趋势可能更为明显。其中，艺术娱乐价值和水调节价值减少明显，废物处理和干扰调节价值则增加明显。从生态系统服务价值影响的角度来看，防护措施降低了生态系统服务价值；适应措施对生态系统服务价值影响不大；后退措施提升了生态系统服务价值。实际在确定应对海平面上升的工程性措施时，是根据其适用综合考虑加以应用的，以减轻海平面上升对生态系统服务价值的影响。

全球范围内海平面上升的高度、当地的地形地貌、海水侵蚀程度、已有采取的措施等差异，使得很难武断地判断海平面上升的影响是利是弊。本文从生态系统服务价值的角度来评估海平面上升对生态系统的影响，对Hillsborough County的研究只是一个特例，且存在着一些局限性，具体表现在：海平面上升的不确定性导致未来沿海湿地的变化并不能予以准确的评估，因此采用多情景模拟是必要的；需要讨论随着时间变化湿地的单位面积生态系统服务价值的变化过程，及其对最终分析结果的影响；对各种适应性措施的“成本-效益”分析和生态系统服务价值影响研究缺乏定量分析。我国开展沿海地区海平面上升影响及适应性措施的研究，必须结合各地的实际情况，将定量模拟与定性分析相结合，构建科学的分析模型。此外，也有必要探讨SLAMM在开展我国此类研究中的适用性和有可能的改进。

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Impact of sea level rise on ecosystem services values and adaptation measures

WANG Baoqiang1,*，YANG Fei2，WANG Zhenbo3

1CollegeofArchitectureandUrbanPlanningatTongjiUniversity,Shanghai200092,China2UrbanPlanningandDesignInstituteofZhejiangUniversity,Hangzhou310028,China3InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China

Sea level rise, one of the most obvious and direct effects of climate change in coastal areas, has become an important and urgent problem.Rising sea level has brought about coastline retreat, coastal erosion, storm surge strengthening, pollutant release, habitat change, and wetlands migration.In addition, it has caused changes in the ecosystem service value of coastal areas.Five processes of coastal ecosystems that may be affected by sea level rise are inundation, erosion, overwash, saturation, and accretion.Wetlands migration is simulated by the Sea Level Affecting Marshes Model and benefit transfer method in Hillsborough County, US, where the sea level is assumed to rise 1m from 2010to 2100.According to the calculation results, ecosystem services values for every 10years are evaluated using the benefit transfer method.The results showed that dry land areas will decrease by 3037hm2, while wetlands will increase by 3037hm2with sea level rise.Areas of estuarine open water, beaches, salt marshes, and regularly flooded marshes will increase by 394.29%, 380.62%, 141.93%, and 121.41%, respectively.The areas of irregularly flooded marshes, tidal fresh marshes, tidal flats, estuarine beaches, and inland shores will decrease by 95.52%, 91.31%, 59.29%, 37.59%, and 21.44%, respectively.Mangroves, inland open waters, swamps, inland fresh marshes, and cypress swamps will be less affected, and will decrease by 6.67%, 4.05%, 2.35%, 0.90%, and 0.10%, respectively.Increasing the total wetland area contributes to reducing the total ecosystem service value due to the large loss of beaches and freshwater wetlands.The values of art, entertainment, water regulation, climate regulation, spirit and culture will decrease, while the values of water supply, habitat protection, disturbance regulation, and waste disposal will increase.Extensive efforts have been devoted to adaptation planning and impact analysis in the face of rising sea levels.Protection, accommodation, and retreat are the main adaptation measures that have been adopted by both state and local governments in the U.S.The analysis results showed that different measures have very different impacts on ecosystem services values.According to the comprehensive application of these measures, planners develop adaptive strategies to cope with rising sea levels.Due to global differences in sea level rise, local topography, seawater erosion degree, and the existing measures, it is difficult to judge whether the impact of sea level rise will have beneficial or detrimental effects on an ecosystem.The case study of Hillsborough County needs more discussion, such as the uncertainty of sea level rise and scenario simulation, the change and valuing of ecosystem service value per unit area for different types of wetlands, and quantitative analysis for impacts of adaptation measures on ecosystem services.In addition, the application of SLAMM in Chinese research should also be considered.

ecosystem service value;sea level rise;adaptation measures;SLAMM model;Hillsborough County

美国Florida Sea Grant College Program 2012—2013：A Spatial-Temporal Econometric Model to Estimate Costs and Benefits of Sea-Level Rise Adaptation Strategies资助

2014-08-08; < class="emphasis_bold">网络出版日期:

日期:2015-05-21

10.5846/stxb201408081583

*通讯作者Corresponding author.E-mail: wbq318@163.com

王宝强，杨飞，王振波.海平面上升对生态系统服务价值的影响及适应措施.生态学报,2015,35(24):7998-8008.Wang B Q，Yang F，Wang Z B.Impact of sea level rise on ecosystem services values and adaptation measures.Acta Ecologica Sinica,2015,35(24):7998-8008.