基于生态服务价值的三江源生态工程成本效益分析

刘璐璐， 邵全琴， 曹 巍， 吴 丹， 巩国丽， 樊江文

(1. 中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟院重点实验室, 北京 100101； 2. 成都大学建筑与土木 工程学院，四川 成都 610106; 3. 中国科学院大学，北京 100049; 4. 环境保护部南京环境科学研究所，江苏 南京210042; 5. 山西省环境规划院， 山西 太原 030024)

三江源区位于青藏高原腹地，是长江、黄河及澜沧江的发源地，被誉为“中华水塔”，是我国重要的生态屏障，同时也是全球生态环境十分敏感和脆弱的地区之一。受全球气候变暖及日趋频繁的人类经济活动的共同影响，近几十年来三江源区自然生态系统发生了严重的退化，已对我国黄河、长江及澜沧江中下游乃至亚洲东部地区的生态安全构成威胁。2005年，国务院批准《青海三江源自然保护区生态保护和建设总体规划》[1]，一期工程投资75亿，2012年底已全部完成。工程建设布局以核心区为中心，是严格保护区域；第二层为缓冲区，是重点保护区域；第三层为实验区，是一般保护区域(图1)。生态工程的效益评价通常包括生态效益、经济效益和社会效益。针对三江源生态工程的生态效益，邵全琴等[2-3]开展了系统的评估。但是三江源生态工程的经济效益评价，尚未见到报道。

图1 三江源区自然保护区空间分布图Fig.1 Spatial distribution of natural reservation areas in the TRHR

Birch等[4]、Newton等[5]利用情景分析法基于生态系统服务价值分别针对拉美干旱地区森林生态恢复工程及英国弗罗姆河支流流域的生态修复工程的成本效益进行了研究；Peh等[6]利用TESSA工具(Toolkit for ecosystem service site-based assessment)，评估了威肯沼泽自然保护区退化土地治理工程，发现工程可使生态系统服务净增加MYM199 ha-1yr-1。但是，他们的研究都是将生态系统的变化及其生态系统服务的增加归因于生态工程，忽视了气候因素对生态系统的影响。

本研究通过核算2004年和2012年三江源区生态系统水源涵养、土壤保持、防风固沙、固碳释氧、净化大气环境、牧草供给和水供给等主要服务物质量和价值量，在采用模型模拟变量控制法厘定生态工程与气候因子对生态成效贡献率的基础上，开展了三江源生态保护和建设工程的成本效益分析，可为二期三江源生态保护和建设工程的实施提供决策信息，同时为三江源区草地奖补机制的实施和评估、三江源国家公园的建立以及三江源生态资产负债表的编制提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 生态系统水源涵养服务物质量和价值量估算

生态系统水源涵养服务物质量采用降水贮存量法计算[7]。本研究改进了该方法中的K值(产流降水量占降水总量的比例)和草地降雨径流率R0。在物质量估算中采用了项目组遥感解译得到的2004年和2012年土地覆被数据[8-9]，以及1997—2012年13个国家台站的日降水数据。利用直门达、沱沱河、吉迈、唐乃亥水文站1997—2012年的实测径流量数据，对4个流域估算结果进行相关性验证，R2系数均超过0.6。

水源涵养价值包括调节水量价值和净化水质价值，估算方法采用替代工程法和防护费用法[10]。水量价值采用水库建设单位库容投资额，为6.11元·t-1；水质净化费用采用2.09元·t-1。

1.2 生态系统土壤保持服务物质量和价值量估算

土壤水蚀模数采用修正的通用土壤流失方程(revised universal soil loss equation, RUSLE)计算[7]。本研究将降雨侵蚀力因子及草地覆盖因子修正为半月尺度；在坡长计算中充分考虑了坡面径流的阻隔因素。在物质量估算中采用了1997—2012年13个国家台站的日降水数据，1：100 万中国土壤数据库的土壤数据包括土壤类型、土壤质地、土壤有机质，SRTM3 V4.1(90米分辨率)DEM数据，1997—2000年的AVHRR NDVI和2000—2012年MODIS NDVI数据。利用沱沱河、吉迈以及直门达3个水文站1997-2012年5-10月的逐日输沙量数据对估算结果进行相关性验证，R2为0.72。

土壤保持价值包括固土价值及保肥价值，估算方法分别采用替代工程法及市场价格法[10]。固土价值采用挖取单位面积土方费用，12.6元·m-3；保肥价值考虑了氮、磷、钾和有机质，其中磷酸二铵含氮量14%，含磷量15.01%，氯化钾含钾量50%，磷酸二铵化肥价格为2 400元·t-1，氯化钾化肥价格为2200元·t-1，有机质价格为320元·t-1。

1.3 生态系统防风固沙服务物质量和价值量估算

土壤风蚀模数采用修正的土壤风蚀方程(revised wind erosion equation，RWEQ)计算[7]。本研究对方程中气候因子(风、土壤湿度、雪盖)、地表土壤糙度因子(自由糙度)、植被因子(倒伏植被、农作物直立残茬、植被冠层)、结皮因子等进行了参数本地化，考虑了月尺度和春冬季枯萎覆盖度等。在物质量估算过程中采用了1997—2012年国家台站的日均风速、降水、温度、日照时数数据，中国西部环境与生态科学数据中心提供的雪深数据集，实测不同土壤属性下的土壤糙度以及上述土壤数据及NDVI数据。利用137Cs同位素法监测结果与模拟结果多年均值进行验证，R2为0.85。

防风固沙价值估算方法与土壤保持价值估算方法一致。

1.4 生态系统固碳释氧服务物质量和价值量估算

生态系统固碳释氧服务物质量基于植被净初级生产力(NPP)数据进行计算。在改进遥感生产力模型(GLOPEM)的基础上，基于大样地循环采样数据进行模型参数调试[11]，继而模拟得到三江源区1997—2012年每16天1km的植被NPP时空数据。模拟结果与野外采样NPP 线性关系显著(R2=0.93，P< 0.01)[12]。

固碳释氧价值包括固碳价值以及释氧价值，估算方法采用市场价格法[10]。固碳价格采用瑞典的碳税率，每吨1200元；氧气价格为1000元·t-1。

1.5 生态系统净化大气环境服务物质量和价值量估算

生态系统净化大气环境服务物质量采用分类参数法计算。在物质量估算中，采用了项目组遥感解译得到的2004年和2012年土地覆被数据[8-9]及各植被类型净化大气环境能力参数，主要来源于文献搜集。

表1 各植被类型净化大气环境参数[13-15] Table 1 The parameters of purity air capacity of different vegetation types/ kg·hm-2·a-1

净化大气环境价值包括释放负氧离子价值及吸收污染物和滞尘价值，分别采用生产成本法及防护费用法进行计算[10]。负氧离子生产费用为5.82×10-18元·个-1，二氧化硫治理费用为1.20元·kg-1，氟化物治理费用为0.69元·kg-1，氮氧化物治理费用为0.63元·kg-1，降尘清理费用为0.15元·kg-1。

1.6 生态系统水供给服务物质量和价值量估算

基于2004年及2012年唐乃亥站、吉迈站、直门达站、沱沱河站径流量日观测数据，估算三江源区向下游的水资源供给量。水供给价值估算方法采用替代工程法[10]，采用水库建设单位库容投资，为6.11元·t-1。

1.7 生态系统牧草供给服务物质量和价值量估算

基于上述NPP数据及各类草地植被地下部分生产力和地上部分生产力的比值，估算得到2004及2012年1km空间分辨率的草地产草量数据。方程中草地植被根系生物量和地上部分生产力参数分别采用2003—2005年在三江源区测定的高寒草甸、高寒草原和温性草原等各类草地地下生物量和地上生产力的样方数据，活根系生物量占总根系生物量比例取值0.79[16]。利用2006—2012年研究区195个草地观测基础站点和课题组路线调查得到的野外测定产草量，验证模型估算得到的产草量，具有较好的相关性(R2=0.54，P<0.01)[17]。

牧草供给服务价值采用市场价格法进行计算，2004年牧草单价采用当年平均值为1 500元·t-1，2012年牧草单价采用当年平均值为2 000元·t-1。

1.8 工程与气候贡献的辨识方法

本文采用模型模拟变量控制法实现生态工程与气候因子对生态成效贡献率的厘定。在前述生态系统服务物质量计算模型(GLOPEM、RULSE、RWEQ、降水贮存量法等)中，通过输入工程前(1997—2004年)、工程后(2005—2012年)多年平均气候要素，估算平均气候状况下工程前、后的各生态系统服务量变化，在不考虑其他非决定性因素的情况下，认为其主要反映生态工程的影响。因此，对比平均气候状况和真实气候状况下工程实施前、后的服务量变化，可以分离出生态工程和气候因子对生态系统服务变化的贡献率。具体公式如下：

(1)

(2)

式中：Cproject是生态工程的贡献率，Cnature是气候因子的贡献率，GA_l、GA_p是平均气候状况下工程实施后和实施前的指标量，GR_l、GR_p是真实气候状况下工程实施后和实施前的指标量。

作为江河源头区域，三江源区水供给变化主要受温度升高造成的冰川融水、降水等气候因子影响，因此本文中三江源区水供给服务的变化全部归因于气候因素。

2 结果与分析

2.1 三江源区生态系统主要服务价值量变化

2004年，三江源区生态系统主要服务总价值为7 339.25亿元，单位面积生态系统服务价值为202.18万元·km-2，2012年总价值为9 711.48亿元，单位面积生态系统服务价值为267.53万元·km-2，与2004年相比，生态系统服务总价值增加了2 372.23亿元，单位面积价值增加了65.35万元·km-2。2004年，水供给服务价值最高，为1 797.93亿元，其次是土壤保持服务，牧草供给服务最低，为226.68亿元；2012年，水供给服务价值最高，为3 256.4亿元，其次是水源涵养服务，牧草供给服务价值最低，为425.67亿元；从生态系统服务价值变化来看，2004—2012年间，水供给价值增加最为明显，增加1458.47亿元，净化大气价值增加最少，为5.64亿元(图2)。从生态系统服务价值空间分布来看，2004年及2012年三江源区生态系统服务价值量均呈现由东向西、由南向北递减的趋势；从生态系统服务价值变化的空间分布来看，中部增加最为明显，西部及东南部局部区域有所减少(图3)。

图2 2004年、2012年三江源生态系统各主要服务价值量Fig.2 The value of the every ecosystem services in the TRHR between 2004 and 2012

图3 2004年、2012年三江源生态系统主要服务价值量空间分布及其变化规律Fig.3 The spatial distribution of the value of the ecosystem services and its change in the TRHR between 2004 and 2012

分区域单位面积生态系统服务价值来看，2004年，实验区最高，为167.57万元·km-2，缓冲区最低，为155.08万元·km-2；2012年，实验区最高，为214.62万元·km-2，非保护区最低，为189.85万元·km-2；从两期变化来看，各区单位面积生态系统服务价值都有所增加，其中缓冲区增加最为明显，增加比例达到31.70%，非保护区升高比例最低，仅21.98%(图4)。

图4 三江源区不同区域2004年、2012年生态系统服务价值及其变化Fig.4 Ecosystem services values of different zones between 2004 and 2012 in the TRHR

2.1.1水源涵养服务价值量变化 2004年，三江源区林、草生态系统水源涵养总价值为1 224.46亿元，其中，调节水量和净化水质价值分别为912.4亿元和312.06亿元；2012年，水源涵养总价值为1 467.92亿元，其中，调节水量和净化水质价值分别为1 093.81亿元和374.11亿元。2012年比2004年净增长243.46亿元。从空间分布来看，三江源区水源涵养价值量呈现由东向西、由南向北递减的趋势，2012年与2004年相比，中部增加最为明显，西部增加最少，西南角有少量减少(图5)。

图5 2004年、2012年三江源区林草生态系统水源涵养服务价值及其变化Fig.5 The value of water regulation and its change of forest and grass ecosystem in the TRHR between 2004 and 2012

2.1.2土壤保持服务价值量变化 2004年，三江源区生态系统土壤保持总价值为1 302.06亿元，2012年为1 451.74亿元。2012年比2004年净增长149.68亿元。从空间分布来看，三江源土壤保持价值量东部及中部价值稍高，西部最低，2012年与2004年相比，中部增加最明显，其次为西部，东部地区局部减少(图6)。

图6 2004年、2012年三江源区土壤保持服务价值及其变化量Fig.6 The value of soil conservation and its change in the TRHR between 2004 and 2012

2.1.3防风固沙服务价值量变化 2004年，三江源区生态系统防风固沙总价值为1 115.67亿元，其中固土与保肥价值分别为116.45亿元和999.21亿元；2012年，防风固沙总价值为1 133.12亿元，其中固土和保肥价值分别为118.70亿元和1 014.42亿元。2012年比2004年净增长17.45亿元。从空间分布来看，三江源防风固沙价值量呈现由西向东递减的趋势，2012年与2004年相比，中西部和东部有少量增加，中部则减少，西南部减少最明显(图7)。

图7 2004年、2012年三江源区防风固沙服务价值及其变化Fig.7 The value of sand-fixing and its change in the TRHR between 2004 and 2012

2.1.4固碳释氧服务价值量变化 2004年，三江源区生态系统固碳释氧总价值为1 154.98亿元，其中固碳和释氧价值分别为357.47亿元和797.52亿元；2012年，固碳释氧总价值为1 453.52亿元，其中固碳和释氧价值分别为451.09亿元和1 002.42亿元。2012年比2004年净增长298.54亿元。从空间分布来看，三江源区固碳释氧价值量呈现从东向西、从南到北递减的趋势，2012年与2004年相比，增加量呈现由东向西递减的趋势(图8)。

图8 2004年、2012年三江源区固碳释氧服务价值及其变化Fig.8 The value of the carbon fixation and oxygen release and its change in the TRHR between 2004 and 2012

2.1.5净化大气环境服务价值量变化 2004年，三江源区林、草、农生态系统净化大气环境总价值为517.47亿元，2012年为523.11亿元。2012年比2004年净增长5.64亿元。从空间分布来看，三江源区净化大气环境价值量呈现从东向西递减的趋势(图9)，2012年与2004年相比，变化较小。

图9 2012年三江源区林草农生态系统净化大气环境服务价值Fig.9 The value of clean air service in the TRHR in 2012

2.1.6水供给服务价值量变化 2004年，三江源向下游水供给服务价值为1 797.93亿元，2012年为3 256.4亿元。2012年比2004净增加1 458.47亿元，且黄河流域增加最为明显(表2)。水供给是三江源各生态系统主要服务价值量增加最为明显的，占全区生态系统主要服务价值量增加总量的50.21%。

表2 三江源水供给服务价值量Table 2 The value of water supply in the TRHR between 2004 and 2012 /108 yuan

2.1.7牧草供给服务价值量变化 2004年，三江源区牧草供给总价值为226.68亿元，2012年为425.67亿元。2012年比2004年净增长198.99亿元。从空间分布来看，三江源区牧草供给服务价值量呈现从东向西、从南向北逐渐递减的趋势，2012年与2004年相比，全区大致呈增加态势，从东向西逐渐递减，西北地区有少量减少(图10)。

2.2 三江源生态保护和建设工程成本效益分析

2.2.1气候与生态工程对生态系统服务变化的贡献率辨识 依据真实与平均气候状况下，生态工程实施前、后各生态系统服务物质量的变化，计算得到生态工程及气候因子对生态成效的贡献率，结果如表3。真实与平均气候状况下，工程实施前、后NPP变化量分别为21.79和13.49 g C·m-2·yr-1，因而生态工程对NPP增加的贡献率为61.9%，气候因子的贡献率为38.1%；因牧草供给、固碳释氧基于NPP数据进行计算，所以参考生态工程与气候对NPP的影响贡献率，净化大气环境服务也参考此数据。两种气候状况下，工程实施前、后水源涵养量变化量分别为22.22和5.34亿m3·yr-1，说明生态工程对三江源区林草生态系统水源涵养服务增加的贡献率是24%，气候因子贡献了76%。两种气候状况下，工程实施前、后土壤水蚀变化量分别为2000和-1600万t·yr-1，说明生态工程实施后由于植被好转从而减少土壤水蚀的贡献达到80%，然而降水量增加导致降水侵蚀力增强(工程实施前8年，三江源区多年平均降雨侵蚀力为1 061 MJ·mm·hm-2·h-1·yr-1，工程实施后8年，增加至1 263 MJ·mm·hm-2·h-1·yr-1，增幅达到19%)从而增加土壤水蚀量，气候因子对土壤水蚀的影响达到180%，因此生态工程对土壤保持服务变化的贡献率为180%，气候因子的贡献为负效应为80%。两种气候状况下，工程实施前、后土壤风蚀变化量分别为-25.91和-587.87万t·yr-1，说明生态工程实施后减少土壤风蚀的贡献达到2 269.01%，气候因子对土壤风蚀量增加的影响达到2 169.01%，因此生态工程对防风固沙服务变化的贡献率为2 269.01%，气候因子的贡献为负效应达到2 169.01%。

图10 2004年、2012年三江源区牧草供给服务价值及其变化Fig.10 The value of the pasture supply service and its change in the TRHR between 2004 and 2012

表3 三江源生态工程及气候对生态系统主要服务影响贡献率辨识Table 3 The contribution rates of the ecological protection and climate on the change of ecosystem services in the TRHR

评估指标Indicators工程实施前、后的变化量The change before and after the projects生态工程贡献Contributions of the projects气候变化贡献Contributions of the climate change真实气候状况Real climate condition平均气候状况Average climate condition贡献率Contribution rates/%贡献率Contribution rates/%植被净初级生产力Metprimary productivity /gC·m-2 ·yr-121.7913.4961.90 38.10水源涵养量Water regulation/亿m3·yr-122.22 5.3424.03 75.97土壤水蚀量Soil water erosion/万t·yr-12 000-1 600-80.00*180.00*土壤风蚀量Soil wind erosion/万t·yr-1-25.91-587.87-2 269.01*2 169.01*水供给Water supply/亿m3238.50----100.00

注：*正值表示驱动因子使得土壤水蚀及风蚀量增加；负值表示驱动因子使得土壤水蚀及风蚀量减少

Note:*Positive value represents that driving factors increase soil loss volume, and negative value represents that driving factors decrease soil loss volume

2.2.2生态保护和建设工程成本效益核算 根据以上对三江源区生态系统主要服务价值量的核算及生态工程与气候因子贡献率的厘定，可得出2004—2012年间，生态工程的实施使得三江源区生态系统主要服务价值增加1 035.32亿元，其中水源涵养价值量增加58.50亿元，土壤保持价值量增加269.42亿元，防风固沙价值量增加395.94亿元，固碳释氧价值量增加184.80亿元，净化大气环境价值增加3.49亿元，牧草供给123.17亿元(表4)。因此，生态工程的实施，对防风固沙服务的影响最大，其次为土壤保持服务，影响最小的为净化大气环境服务。

表4 2004—2012年三江源主要生态系统服务价值量变化及生态工程和气候变化贡献量Table 4 The value change of ecosystem services and the contribution of ecological protection and climate in the TRHR from 2004 to 2012/108 yuan

注：*正值表示驱动因子使得土壤保持及防风固沙服务价值增加，负值表示驱动因子使得土壤保持及防风固沙服务价值减少

Note:*Positive value represents that driving factors increase soil conservation and sand-fixing volume, and negative value represents that driving factors decrease soil conservation and sand-fixing volume

总之，2004—2012年，三江源生态保护和建设工程的经济效益为1 035.32亿元，占生态系统服务价值增加总量的43.64%，其投入产出比为1:13.73。扣除成本后，得出生态保护与建设工程的净经济效益为959.92亿元，远高于其投入成本。

3 讨论与结论

本研究通过核算2004年和2012年三江源区生态系统水源涵养、土壤保持、防风固沙、固碳释氧、净化大气环境、牧草供给和水供给等主要服务物质量和价值量，在采用模型模拟变量控制法厘定生态工程与气候因子对生态成效贡献率的基础上，开展了三江源生态保护和建设工程的成本效益分析。结果表明：(1)2004年，三江源生态系统主要服务价值为7 339.25亿元，2012年为9 711.48亿元，增加了2 372.23亿元，其中水供给增加最为显著；(2)三江源区自然保护区内单位面积生态系统服务价值高于非自然保护区，且工程实施后，自然保护区内单位面积生态系统服务价值增加比例高于非自然保护区；(3)生态工程的实施对防风固沙服务的影响最大，其次为土壤保持服务，影响最小的为净化大气环境服务；(4)三江源生态保护和建设工程具有明显的经济效益，使生态系统服务价值增加1 035.32亿元，占生态系统服务价值增加总量的43.64%，其投入产出比为1:13.73，净经济效益为959.92亿元。

作为“中华水塔”、我国三条大江大河的源头，三江源区生态系统主要服务包括以初级生产力为基础的支持功能、以水和牧草供给为核心的供给功能，以及水源涵养和碳调节为主要内容的调节功能[3]。因此，本研究仅选取水源涵养、土壤保持、防风固沙、固碳释氧、净化大气环境、水供给及牧草供给7项生态系统服务来进行三江源生态工程的成本效益分析。其中，水源涵养的实质是生态系统对降雨进行再分配的复杂过程[18]，与水供给功能存在一定程度的重复计算，下一步研究中将对两种服务进行进一步区分。三江源区植被恢复实际受生态工程与气候变化(降水增加、气温上升)两方面的影响，尽管平均气候状况下，工程实施前、后的气候要素不变，但GLOPEM、RULSE、水源涵养模型中均有NDVI等植被因子的输入，植被因子的变化仍然部分反映了气候变化的影响，从而有可能造成生态工程的贡献率高估，下一步研究中将对贡献率厘定方法作进一步改进。同时，三江源区生物多样性维持服务是该区域非常重要的一项服务，其变化主要受气候因素对栖息地的连通度、破碎度、隐蔽性等景观尺度上的影响及可提供食量的影响，以及生态工程对动植物的直接保护影响，如禁猎、禁渔、野外巡护等，因受数据获取、模型模拟等限制，本文暂未将生物多样性维持进行定量分析。

虽然三江源生态保护和建设工程一期项目的实施使得生态系统退化趋势得到初步遏制，并逐渐向良性方向发展，但生态系统全面恢复尚需时日。例如，草地恢复处于震荡恢复过程[19]，过牧超载现象依然很严重，这是造成草地退化的一项关键因素[20]；降雨的增加在促进植被生长的同时，也造成了降雨侵蚀力的明显提高[21]，且生态工程的实施尚未遏制土壤水蚀增加的趋势(表3)；对下游供水能力显著增强，除因降水量增加外，还主要因为气温上升导致该区冰川、永久积雪和冻土加速融化，造成了径流增加，但从长远的角度，是不可持续的，同时还会对当地的生态系统平衡造成威胁。因此，在二期工程中，生态保护应向常态化、持续性保护升级，实现生态工程的精准空间规划，加强工程项目的针对性。