京津冀地区水生态系统服务演变规律及其驱动力分析
2016-12-08刘梦圆曾思育孙傅刘毅
刘梦圆，曾思育，孙傅，刘毅
(清华大学环境学院，北京 100084)
京津冀地区水生态系统服务演变规律及其驱动力分析
刘梦圆，曾思育，孙傅，刘毅
(清华大学环境学院，北京 100084)
通过建立水生态系统服务评价指标体系，对京津冀地区2003—2013年间的水分调节、水质净化、水资源供给、水生境提供4项服务用6项指数进行评价，并通过逐步线性回归方法识别综合服务水平与社会经济发展间的关系。京津冀10年内水生态系统服务功能不断下降；北京水生态系统服务功能最差，天津略好于河北，但可通过协同发展实现全区环境保护一体化；京、津、冀水生态系统服务能力的主要驱动力差异较大，分别为城镇化水平、二产规模和一产规模，据此提出了区域优化调整社会经济发展、促进水生态系统服务能力提升的对策建议。
水生态系统服务；指标体系；驱动力；京津冀；区域协同发展
水生态系统是人类社会赖以发展的重要因素，但在城市化和工业化进程中，水生态系统受到的负面影响日益显著，对其开展评价已成为提出缓解社会经济发展与生态环境保护之间矛盾的建议与措施的基础。常见的水生态系统评价内容包括水生态系统健康评价[1]、完整性评价[2]、风险评价[3]和水生态系统服务评价[4]几类，而以服务为终点的评价因为能够表征人类社会从生态系统中获得的“福利”而得到广泛应用。水的生态服务功能指的是水生态系统及其生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用[5]。对于生态服务功能的研究大多基于Costanza[6]提出的生态系统服务评价指标体系[7-9]，评价方法主要包括功能分类法和价值分类法。张志明[10]、王金龙[11]等对我国巢湖水域、辽河水域等区域开展了水生态系统服务功能评价，覆盖水源供给、水产品供给、水质净化、水量调蓄等多项功能。门苗苗[12]、杨美玲[13]等利用影子价格法、替代成本法、旅行费用法、恢复费用法等价值评价方法，对水生态系统服务功能作了探索研究。
京津冀地区是国家经济发展战略的重要指向区，2015年颁布的《京津冀协同发展规划纲要》更加明确了京津冀协同互补、共建绿色生态的发展要求。但是，京津冀地区河道断流、地下水漏斗、黑臭劣V类水体、近岸海域富营养化等水资源环境问题严峻，水生态系统已经严重失衡。解决好京津冀地区发展面临的水问题成为实现其发展目标的战略前提。为了科学客观地认识该地区的水生态系统特征及其演变特征，并在此基础上识别其决定性因素和提出相应的改进对策，本研究结合该地区的特点，构建了相应的水生态系统服务评价指标体系，用于评价该地区2003—2013年的水生态系统演变过程。同时，结合地区社会经济发展状况，分析其与水生态系统服务的关联关系，探究该地区水生态系统服务变化的主要原因、内部差异和协调改善的可能性。
1 研究方法
1.1 水生态系统服务评价指标体系
本研究以服务为终点，根据Costanza提出的生态系统服务功能，结合京津冀地区特点，构建水生态系统评价指标体系，涉及调节、供给和支持服务，包括5项具体指标。
(1)水分调节服务
水分调节是属于生态系统调节服务的内容，是指区域尺度上对水循环的调节作用。本研究采用降水量贮存法计算生态系统的持水量，认为贮存在生态系统中的降水量即为水源涵养量，并以此来表征水分调节服务能力的大小。计算公式如下：
式中，F1为水分调节服务指数；Qw为生态系统的水分调节量；Qu为地表水资源量；i表示生态系统类型，包括森林、草地和农田；Si为生态系统面积；P0为区域内年降雨量；K为产流降雨的比例，京津冀地区可取0.4；Ri为各生态系统减少径流调节水分的效益系数，森林、草地、农田的值分别为0.416、0.358和0.45[14]。
(2)水质净化服务
水质净化是生态系统调节服务中的另一项内容，指稀释、转化所接纳的污染物直至其浓度降低。由于京津冀地区水质条件差，河道黑臭、断流问题长期以来都较为严重，用断面水质评价服务状况不能明确识别其变化过程。因此采用“十二五”提出的污染物排放要求和实际排放量的比值来表征水质净化服务，涉及COD和氨氮两种污染物。计算公式如下：
式中，F2、F3分别是COD和氨氮净化能力指数；WsCOD和WsNH分别是“十二五”规划中允许的COD和氨氮排放量；WCOD和WNH分别是COD、氨氮实际排放量。
(3)水资源供给服务
水资源供给是生态系统供给服务的一种形式，指为人类社会提供生产、生活、生态用水。京津冀地区的供水结构涉及多种水源，为综合描述不同途径的供给特征，采用地表水资源供给指数和地下水资源供给指数表征相应的服务状况，计算公式为：
式中，F4和F5分别为地表水、地下水资源供给指数；Qu supply和Qd supply指地表水、地下水资源供给量；Qu和Qd指地表水、地下水资源量。地表水供给包含传统地表河流湖库供水(包括本地的和从外流域调来的地表水)和再生水、淡化海水等非常规来源。再生水和淡化海水已在京津投入使用，非常规水资源利用率增大将使F4变大。当外调水量高而导致F4>1时，表明该区域对外部供水依赖程度强。对于地下水资源供给，当0
(4)水生境提供服务
提供水生境是生态系统支持服务的内容之一，是指为水生生物提供生存、栖息、繁衍场所。由于京津冀地区的水生境总体较差，本研究重点考察水生态系统能够提供给水生生物的生存空间的基本能力，通过生态水量的利用状况对该项服务水平进行描述，计算公式为：
(5)水生态系统服务及指标集成
采用水生态系统服务指数来描述其综合服务能力。由于水质净化和水资源供给服务均分别由两项指标描述，可通过对其进行加权平均来量化。在此基础上，将水分调节、水质净化、水资源供给和水生境提供这4项服务指数再次加权平均的结果作为水生态系统服务指数。由于各指标取值范围不同，例如F4和F5都可能大于1，在参与加权平均计算之前，所有指标均需通过离差标准化将其数值转换到[0，1]区间，且数值越大则该项服务能力越强(虽然有时服务能力的提高是损害生态安全换来的)。水生态系统服务指数具体计算公式为：
FT=a1ZF1+a23(b2ZF2+b3ZF3)+a45(b4ZF4+
b5ZF5)+a6ZF6
a1+a23+a45+a6=1
b2+b3=1
b4+b5=1
式中，FT为水生态系统服务指数；ZFi为各项服务Fi经过离差标准化后的数值；aj、bk均为权重系数；Fi,min和Fi,max分别为三个省市在2003到2013年间Fi的最小值和最大值。在本案例中，出于计算简单和结果直观的考虑，将权重设定为a1=a23b2=a23b3=a45b4=a45b5=a6=1/6。
1.2 水生态系统服务演变的关键驱动力识别
经济发展和社会进步构成了水生态系统服务演变的主要驱动力。现有研究大多通过产值和人口构成来描述社会经济发展特征[16]。本研究采用一产GDP、二产GDP、三产GDP、总人口数、城镇化率5个社会经济指标来描述区域发展状况，在回归中分别用P1、P2、P3、P4和P5进行表示，与水生态系统服务指数进行逐步线性回归，以识别服务演变的主要驱动力和影响程度。
2 结果与讨论
2.1 水生态系统服务功能评价
如图1所示，整个地区的水分调节服务主要由河北省提供，该省水分调节能力较强但在观测时间段内持续波动下降，北京和天津该能力较弱且在观测期内变化不大。河北省是农业大省，其森林、草地、农田占地较多，贮水能力明显优于高度城市化的北京和天津。虽然水分调节能力强有利于缓解河道断流，但是由于该区内地下水超采量高、漏斗面积大，通过森林、草地和农田贮存的水量远不足以解决断流河道需水。
全区COD净化服务能力持续提升。其中，北京市已基本稳定且逐步改善，而天津和河北省的COD排放仍与目标值差距较大。与COD净化服务能力不同，全区氨氮净化服务能力在持续减弱后，从2010年开始持续上升。天津市氨氮净化能力明显优于北京市和河北省，特别是2009年氨氮排放量较10年平均值减少28.8%，出现氨氮净化指数最高值；北京市和河北省该指数变化趋势相近，排放量始终高于控制要求。
全区地表水资源供给指数围绕1波动变化。其中，天津的地表水资源供给服务能力较强，而北京市和河北省的地表水资源供给能力在波动中逐渐下降。全区地下水资源供给指数持续下降，但因数值大于1，
图1 京津冀地区水生态系统各项服务功能变化情况Fig.1 The service function change of water ecosystem services in Beijing-Tianjin-Hebei Region
意味着超采趋势得到一定控制，特别是河北省该指数较高，超采程度在全区内最严重。
京津冀三省市大部分年份的水生境提供服务指数均为零，即因其他部门用水量过高而无法保证生态用水量。三省市水资源公报定义的丰水年中，天津的水生境提供指数较高，即天津具有较为良好的生态供水基础，当降雨量充足时能够一定程度地提供生态需水。而河北省最弱，即现有用水结构远未考虑其生态用水需求。
如图2所示，综合来看，北京的水生态系统服务功能最差，天津略好于河北；但三省市的水生态系统服务指数均呈波动下降趋势，其服务功能逐渐变弱，生态环境形势不容乐观。
图2 京津冀地区水生态系统服务综合指数变化情况Fig.2 The composite index change of water ecosystem service index in Beijing-Tianjin-Hebei Region
由于三省市同属海河流域，其自然水系分布因上下游关系而具有天然形成的高度关联性，因而不仅生态系统服务能力密切相关，服务功能的地域差异还为相互协调和整体优化提供了基础。但与此同时，三者的社会经济发展水平、发展目标和方式却极为不均衡，由此可知在实现该地区协同发展的过程中，把实现生态环境保护的一体化作为重要内容非常必要。结合水生态系统服务评价结果，建议可从以下方面入手：从产业发展优化的角度出发，应统一调控三地COD和氨氮排污企业规模，并在产业转移过程中实现均衡布局，从而改善水质净化服务能力；还应以京津冀地区为一个整体，进一步合理配置水资源，例如在丰水年优化调整河北向天津供水，可改善本地的水生境提供服务；考虑到河北省在保障本地需求时还为京津提供水资源，应强化生态补偿、支付转移等手段，以促进三省市地下水压采的可操作性和效率，可优化水资源供给服务。
2.2 水生态系统服务演变驱动力分析
将水生态系统服务指数与5项驱动力变量进行逐步线性回归，拟合结果如表1所示。回归方程中进入的社会经济指标，可视作水生态系统服务的驱动力，即北京市水生态系统服务功能水平受城镇化率水平影响显著；天津市水平取决于第二产业GDP；河北省水生态系统服务受第一产业GDP影响较大，而其城镇化进程能够提高水生态系统服务能力。
表1 水生态系统服务与社会经济指标拟合结果
进入后工业化阶段的北京，对水生态系统服务功能影响最大的因素是其城镇化水平，城镇化进程造成的森林草地减少、污染物排放增加、用水需求上升、生态用水不足等问题都在一定程度上限制了水生态系统服务水平的改善。所以，北京市在发展过程中需要更加强调生态文明建设对新型城镇化建设的要求，强调科学布局、节约高效利用资源、推动基础设施绿色低碳化和聚焦环境治理等生态建设措施。
处于工业化后期阶段的天津，其水生态系统服务能力主要受到第二产业发展的制约。结合协同发展中对天津“一基地三区”的定位，即全国先进制造研发基地、北方国际航运核心区、金融创新运营示范区、改革开放先行区，天津一方面要落实产业转型，培育和发展战略新兴产业，另一方面要大力推行节能减排、循环经济，以缓解城市产业发展对水生态系统造成的压力。
作为农业大省，河北省第一产业GDP与其水生态系统服务功能呈现出明显的负相关性。为此，河北省需要落实农业可持续发展，推动其增长方式向资源节约、适度规模经营方向转型。另外，京津冀协同发展对河北省的定位为全国现代商贸物流重要基地、产业转型升级试验区、新型城镇化与城乡统筹示范区、京津冀生态环境支撑区，也为河北省通过生态环境保护和城镇化建设推进水生态系统服务能力的提升指明了方向。
3 结论
本研究通过建立水生态系统服务评价指标体系，对京津冀区域2003—2013年间的水分调节、水质净化、水资源供给、水生境提供4项水生态系统服务能力进行评价。评价结果显示，三省市的水生态系统功能均呈现波动下降态势。基于该地区水系分布特征和社会经济发展现状，实行协同发展实现生态环境保护一体化对提升地区水生态系统服务非常必要。在此基础上，应用逐步线性回归的方法，识别出京、津、冀的水生态系统服务水平主要分别由城镇化水平、工业发展规模和农业发展规模决定，反映了各地不同的社会经济发展与水生态系统耦合关系，进而提出了相应的水生态系统服务功能改善建议。研究所建立的评价指标体系能够帮助识别水生态系统的演变规律及其潜在原因，为相关决策提供依据。
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Analysis on the Evolution Law and Driving Force of Water Ecosystem Services in Beijing-Tianjin-Hebei Region
LIU Meng-yuan, ZENG Si-yu, SUN Fu, LIU Yi
(School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
This research established an evaluation indicator system for water ecosystem services, and evaluated four types of services, which are water conditioning, water purification, water supply, and aquatic habitat supply, in Beijing-Tianjin-Hebei region from 2003 to 2013 with six indicators. In addition, step wise linear regression method was used to identify the relationship between comprehensive service level and social economic development. The results showed that the regional water ecosystem services deteriorated during the observed ten years. Beijing shared the worst water ecosystem services, and Tianjin was slightly better than Hebei, but the situation can be improved through collaborative development. The driving force for Beijing, Tianjin, and Hebei is urbanization level, industrial scale, and agricultural scale respectively, according to which countermeasures and suggestions for optimizing social-economic development and improving water ecosystem service were made in this paper.
water ecosystem service; indicator system; driving force; Beijing-Tianjin-Hebei region; regional collaborative development
2016-01-21
刘梦圆(1991—)，女，云南昆明人，硕士研究生，主要从事水系统评价与管理研究，E-mail：liumy13@mails.tsinghua.edu.cn
曾思育(1973—)，女，山西长治人，副教授，博士，主要从事环境规划与管理、非点源污染负荷与流域水质模拟研究，E-mail：szeng@tsinghua.edu.cninghua.edu.cn
10.14068/j.ceia.2016.06.010
X824
A
2095-6444(2016)06-0036-05
