国家重点生态功能区2010—2015年生态系统服务价值变化评估

刘慧明, 高吉喜,*, 刘 晓, 张海燕, 徐新良

1 生态环境部卫星环境应用中心, 北京 100094 2 北京林业大学水土保持学院, 北京 100083 3 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101

2010年12月,《全国主体功能区规划》(国发〔2010〕46号)由国务院发布并确定了25个国家重点生态功能区,明确了“保障国家生态安全的主要区域,人与自然和谐相处的示范区”的定位。国家重点生态功能区是指与全国或较大范围区域的生态安全密切相关,生态系统十分重要,当前生态系统有所退化,在国土空间开发中需要限制开展大规模高强度城镇化开发、工业化,需保持和提高生态产品供给能力的区域[1]。重点生态功能区旨在保护、恢复和提高区域水源涵养、防风固沙、保持水土、调蓄洪水、保护生物多样性等重要生态功能,在保持流域、区域生态平衡、减轻自然灾害、确保国家和地区生态环境安全方面具有重要作用,是国家重要的生态安全屏障,也是生态环境保护的重中之重[2]。中央财政设立重点生态功能区转移支付,2008—2014 年,中央财政累计下拨国家重点生态功能区转移支付2004亿元[3]。虽然近年来重点生态功能区的生态环境总体转好,但部分区域仍存在生态破坏的现象,如内蒙古地区的水土保持区和防风固沙区的草原和坡耕地上出现新的耕地开垦等[4]。

生态系统为维持人类生存所提供的自然环境条件及效用被称为生态系统服务价值,既包括为人类提供物质产品、文化娱乐服务等直接利用价值,也包括保护环境、维持生态平衡等间接利用价值[5],服务范围涵盖国民生产各个部门。生态系统服务价值评估是生态保护、生态功能区划、自然资产核算和生态补偿决策的重要依据和基础[6- 7]。自1997年以来,全球生态系统服务价值的概念及其计算方法由Daily、Constanza等提出后,引起国内外学者的广泛关注。近年来,Costanza等[8]、欧阳志云等[9- 10]、赵景柱[11]、谢高地等[12- 13]对生态系统服务价值计算方法进行了不断改进。目前,生态系统服务价值的估算广泛应用于区域[14]、流域[15- 16]、生态系统[17- 18]等各个尺度,并取得丰富的研究成果,促进了全球资源、环境价值评估的开展。许多学者针对国家重点生态功能区的生态系统服务价值展开大量研究,但主要集中在单个类型或单个区域[19- 25],然而在国家尺度上,重点生态功能区各类型生态系统服务价值的量化分析较少,尤其是缺乏重点生态功能区生态系统服务价值时空分布差异、动态变化和内在机制的研究。

因此本文选择国家重点生态功能区作为研究区,基于单位面积价值当量因子法,利用模型运算和地理信息空间分析等手段开展了生态系统服务价值的长时间序列估算,从25个分区及4大自然区划分类尺度上,定量分析和评估实施转移支付后(2010—2015 年),国家重点生态功能区生态系统服务价值的时空变化特征,评估生态保护对其发挥生态服务的作用,对于支撑与完善国家重点生态功能区转移支付制度的管理决策及绩效评估考核具有重要意义。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

为动态评估重点生态功能区的生态系统服务价值变化,选择全国25个生态功能区作为研究对象,包括水土保持型、水源涵养型、生物多样性维护型和防风固沙型4类[26],总面积3.77×106km2,占陆地国土面积的39.33%。重点生态功能区在全国各地均有分布 (图1), 其中属于西部地区的生态功能区有16个,总面积为2.85×106km2,占国家重点生态功能区总面积的75.55%。这些地区往往平原较少、山地较多,生态环境相对脆弱,水资源时空分布差异较大,自然灾害发生频率较高,但开发利用前景广阔,能源和矿产资源丰富[27],且关系着区域生态保护与社会经济协调发展,西部与其他区域的平衡发展。本文以这25个国家重点生态功能区及其4类自然生态功能划分作为研究区,探讨其生态系统服务价值的变化特征。

图1 国家重点生态功能区空间分布格局Fig.1 The pattern of spatial distribution of national key ecological function zones in China1. 阿尔金草原荒漠化防治生态功能区; 2. 阿尔泰山地森林草原生态功能区; 3. 藏东南高原边缘森林生态功能区; 4. 藏西北羌塘高原荒漠生态功能区; 5. 川滇森林及生物多样性生态功能区; 6. 大别山水土保持生态功能区; 7. 大小兴安岭森林生态功能区; 8. 甘南黄河重要水源补给生态功能区; 9. 桂黔滇喀斯特石漠化防治生态功能区; 10. 海南岛中部山区热带雨林生态功能区; 11. 呼伦贝尔草原草甸生态功能区; 12. 黄土高原丘陵沟壑水土保持生态功能区; 13. 浑善达克沙漠化防治生态功能区; 14. 科尔沁草原生态功能区; 15. 南岭山地森林及生物多样性生态功能区; 16. 祁连山冰川与水源涵养生态功能区; 17. 秦巴生物多样性生态功能区; 18. 若尔盖草原湿地生态功能区; 19. 三江平原湿地生态功能区; 20. 三江源草原草甸湿地生态功能区; 21. 三峡库区水土保持生态功能区; 22. 塔里木河荒漠化防治生态功能区; 23. 武陵山区生物多样性与水土保持生态功能区; 24. 阴山北麓草原生态功能区; 25. 长白山森林生态功能区

1.2 数据来源

本文以土地利用/覆被空间分布数据为主要数据源,数据来源于中国科学院资源环境数据中心的全国土地利用数据库,全国陆地区域全覆盖、多时相1∶10万比例尺土地利用现状数据集,研究时间为2010年和2015年[28-30]。该数据集以Landsat TM/ETM遥感影像为主要数据源,基于人工目视解译生成,经过野外调查实地验证,土地利用一级类型的综合评价精度达到90%以上[31- 32]。

本文中的净初级生产力(Net Primary Product,NPP)数据、降水数据、土壤保持量均来自中国科学院资源环境数据中心[33],空间分辨率均为1km。其中,NPP数据是基于光能利用率模型GLO-PEM计算获取的；年降水量空间插值数据是基于全国2400多个气象站点日观测数据,通过整理、计算并运用澳大利亚的插值软件ANUSPLIN插值而成,其单位为0.1mm；土壤保持量数据[34- 35]是采用通用土壤流失方程(USLE)计算全国潜在土壤侵蚀量和现实土壤侵蚀量两者之差获得。

1.3 生态系统服务价值的估算

1.3.1生态系统服务价值的计算方法

本研究以Costanza等[5- 6]与谢高地等[12- 13,36]生态服务价值当量因子法为基础,依据全国NPP、降水、土壤保持量空间分布数据等,分别对生态系统各服务价值当量因子价值进行调整,计算2010和2015年两个时间段的生态系统服务价值动态变化。

区域生态系统服务价值的总量是区域内所有生态系统类型提供的所有服务功能及其自然资源价值的总和,它会随着区域内所含有的生态系统类型、面积、质量的变化而变化[37]。一定区域内的生态系统服务价值总量(V)可以表示为：

(1)

式中,c=1,2,…,n,表示生态服务功能的类型；Vc表示生态系统第c种生态服务价值。

(2)

式中,j= 1, 2, …,n, 表示第c种生态服务功能的第j类生态系统；D表示1个标准当量因子的生态系统服务价值量(元/hm2)；Fcij指第j类生态系统在第i地区第c类生态服务功能的单位面积价值当量因子;l=1,2,…,m表示一定区域内第c类生态系统在空间上分布的象元数；Alj表示各个象元的面积大小,对于等面积投影,Alj为给定的常数。

1个标准单位生态系统生态服务价值当量因子(以下简称标准当量)是指1hm2全国平均产量的农田每年自然粮食产量的经济价值[13],以此当量为参照并结合专家知识可以确定其他生态系统服务的当量因子,其作用在于可以表征和量化不同类型生态系统对生态服务功能的潜在贡献能力。在实际应用中,特别是在区域尺度上,完全消除人为因素的干扰以准确衡量农田生态系统自然条件下能够提供的粮食产量的经济价值存在较大难度。本研究参考谢高地等[12]的处理方法,将单位面积农田生态系统粮食生产的净利润作为1个标准当量因子的生态系统服务价值量。农田生态系统的粮食产量价值主要依据稻谷、小麦和玉米三大粮食主产物计算。其计算公式如下：

D=Sr×Fr+Sw×Fw+Sc×Fc

(3)

式中：D表示1个标准当量因子的生态系统服务价值量(元/hm2)；Sr、Sw和Sc分别表示2010 年稻谷、小麦和玉米的播种面积占三种作物播种总面积的百分比(%)；Fr、Fw和Fc分别表示2010 年全国稻谷、小麦和玉米的单位面积平均净利润(元/hm2)。依据《中国统计年鉴2011》[38]、《全国农产品成本收益资料汇编2011》[39]和公式(3),得到D值为3406.5 元/hm2。

单位面积生态系统服务价值的基础当量是指不同类型生态系统单位面积上各类服务功能年均价值当量(以下简称基础当量)。基础当量体现了不同生态系统及其各类生态系统服务功能在全国范围内的年均价值量,也是合理构建表征生态系统服务价值区域空间差异和时间动态变化的动态当量表的前提和基础[7- 8]。本研究以谢高地等[13]构建的生态系统服务价值基础当量表为基础对各类生态系统的不同生态服务价值进行核算。

生态系统在不同区域、不同时间其内部结构与外部形态是不断变化的,因而其所具有的生态服务功能及其价值量也是不断变化的。通过前人的研究[12- 13],生态系统食物生产、原材料生产、气体调节、气候调节、净化环境、维持养分循环、生物多样性和美学景观功能与生物量在总体上呈正相关,水资源供给和水文调节与降水变化相关,而土壤保持与降水、地形坡度、土壤性质和植被盖度密切相关。基于上述认识,本文进一步分析确定了NPP、降水和土壤保持调节的动态因子,结合生态系统服务价值基础当量表,通过下式构建了生态服务动态变化价值当量修正方法：

(4)

式中：Fcij指第j类生态系统在第i地区第c类生态服务功能的单位面积价值当量因子；Fc指该类生态系统的第c种生态服务价值当量因子；Pij指第j类生态系统第i地区某年的NPP调节因子；Rij指第j类生态系统第i地区某年的降水调节因子；Sij指第j种生态系统第i地区某年的土壤保持调节因子；c1表示食物生产、原材料生产、气体调节、气候调节、净化环境、维持养分循环、维持生物多样性和提供美学景观等服务功能；c2表示水资源供给或者水文调节服务功能；c3指土壤保持服务功能。

1.3.2生态系统服务价值的分级

为更清晰地描述和比较各个重点生态功能区间生态系统服务的差异与变化,本研究将1km格网的生态系统服务价值进行标准化[40- 41],并在标准化的基础上,将生态功能区生态系统服务价值划分为5个等级,分别为低值区、较低值区、中值区、较高值区和高值区。

(5)

式中：Zi为第i个栅格内生态系统服务价值的标准化值,值域范围为0—1；Xi为第i个栅格生态系统服务价值的实际值；Xmax为研究区域生态系统服务价值的最大值；Xmin为研究区域生态系统服务价值的最小值。

表1 生态系统服务价值分级标准

1.3.3生态系统服务价值的变化程度

本文用生态系统服务价值变化幅度和变化程度来表述生态系统服务价值的变化态势,变化幅度定义为一定时段内生态系统服务价值的变化量,变化程度则定义为5年间生态系统服务价值变化比例[41],计算公式如下：

ΔE=Eend-Estar

(6)

K=ΔE×100%

(7)

式中：Estar、Eend为某区域研究期初和研究期末的总生态系统服务价值；ΔE为研究时段内生态系统服务价值的变化幅度,K为研究时段内生态系统服务价值的变化程度。为更清晰刻画区域生态系统服务价值的变化态势,依据变化程度的大小分为明显减少、较明显减少、基本持衡、较明显增加以及明显增加等5个类型[42](表2)。

表2 变化程度类型的划分

2 结果与分析

2.1 2015年国家重点生态功能区生态系统服务价值现状

从图2可以看出,2015年国家重点生态功能区的生态系统服务价值具有明显的空间分异特征。从整体的生态系统服务价值分级来看,全国重点生态功能区生态系统服务价值中高值区的面积占生态功能区总面积的31.60%,面积占比不足一半。其中,中值区面积为56.49×104km2,占生态功能区总面积的14.96%；有33.83×104km2处于较高值区,占生态功能区总面积的8.96%；高值区面积仅为29.02×104km2,占生态功能区总面积的7.68%；而生态功能区低于0.005即低值区的面积为174.40×104km2,占生态功能区总面积的46.19%；较低值区面积为83.87×104km2,占生态功能区总面积的22.21%。生态系统服务价值总体上呈“西北低,东南高”的趋势,这与我国降水和生物量的分布是一致的。低值区主要位于我国西部荒漠及高原地区,该地区生物量较少,其生态环境本身就比较脆弱,人类活动的干扰会加剧其脆弱性[39],损害自然生态系统原有的功能,应对该区着重保护。高值区主要分布于我国南部的生态功能区,大部分位于湖北、重庆、陕西的交界处,江西、湖南、广东交界处,广西北部等地,该区降水充足、且大多是森林分布区、生物量丰富,其生态功能被完美的运用,对生态环境起到有效的保护,应继续保持其生态保护及生态功能。

图2 2015年全国重点生态功能区生态系统服务价值分布Fig.2 Spatial distribution of ecosystem service value of national key ecological function zones in China in 2015

通过统计,从各重点生态功能区的生态系统服务价值均值(图3)得出：25个重点生态功能区的生态系统服务价值大部分处于高值区和中值区状态。其中,处于高值区和较高值区的功能区共7个,共占功能区总个数的28%；处于中值区的8个,占功能区总个数的32%；低值区和较低值区的个数为10个,占功能区总个数的40%。生态系统服务价值较高的功能区为海南岛中部山区热带雨林生态功能区、大别山水土保持生态功能区、南岭山地森林及生物多样性生态功能区、三峡库区水土保持生态功能区、桂黔滇喀斯特石漠化防治生态功能区、秦巴生物多样性生态功能区、武陵山区生物多样性与水土保持生态功能区等,而处于生态系统服务价值低值区的功能区从高到低依次是阴山北麓草原生态功能区、藏西北羌塘高原荒漠生态功能区、塔里木河荒漠化防治生态功能区、阿尔金草原荒漠化防治生态功能区。

图3 2015年全国重点生态功能区和自然生态功能区生态系统服务价值Fig.3 Ecosystem service value of the national key ecological function zones and natural ecological function zones in 2015

从2015年全国4类自然生态功能区来看(图2,图3),生态系统服务价值均值大小排序为水土保持型功能区>生物多样性维护型功能区>水源涵养型功能区>防风固沙型功能区。其中水土保持功能区全区均值为0.042,为较高值区；生物多样性维护功能区和水源涵养功能区的全区均值分别为0.024、0.021,均为中值区；而防风固沙功能区的生态系统服务价值均值仅为0.006,处于较低值区,生态系统服务功能较差,应重点保护。

2.2 2010—2015年国家重点生态功能区生态系统服务价值变化特征

2.2.1国家重点生态功能区生态系统服务价值变化特征

2010—2015年间,国家重点生态功能区实施转移支付后,生态系统服务价值均值由0.016增加到0.019,增加幅度为16.46%,呈较明显增加。生态系统服务价值基本保持不变的面积为302.63×104km2,占功能区总面积的80.14%；生态系统服务价值增加(变化幅度>1%)的面积为49.82×104km2,占功能区总面积的13.19%,其中较明显增加和明显增加的面积分别占增加区域总面积的89.05%和10.95%；而生态系统服务价值减少的区域占功能区总面积的6.66%,为25.17×104km2,其中生态系统服务价值明显减少的面积仅占减少区域总面积的7.70%。从生态系统服务价值变化空间分布格局来看(图4),生态系统服务价值呈增加状态的区域主要分布于我国中部及南部地区和内蒙古中部地区,可能与该区实施的退牧还草工程等有关,生态工程有效提升了生态系统保持水土、减少侵蚀、涵养水源等的能力。而云南北部和西藏南部、中西部部分地区则呈较明显减少趋势,则可能与农牧业发展带来的土地利用类型转变有关,土地开垦使湿地、草地、林地向农田的转化,导致生态系统服务价值减少。

图4 2010—2015年国家重点生态功能区生态系统服务价值空间变化Fig.4 Spatial distribution of the variation characteristics of ecosystem service value at national key ecological function zones from 2010 to 2015

2010—2015年,国家重点生态功能区实施转移支付后,从生态系统服务价值分级来看,重点生态功能区的整体生态系统服务等级有所提升,具体表现为“高值区、较高值区的面积增加,中值区面积减少；较低值区面积增加,低值区的面积明显减少”。其中高值区、较高值区的面积分别增加8.93×104km2、3.13×104km2,分别占生态功能区总面积的2.37%、0.83%；中值区面积稍有减少,减少了5.53×104km2,占生态功能区总面积的1.46%；而低值区面积明显减少,减少了24.19×104km2,占生态功能区总面积的6.41%,较低值区面积增加17.62×104km2,占生态功能区总面积的4.67%。可以明显看出,较低值区增加的面积小于低值区减少的面积,说明生态功能区生态系统服务价值低值区的区域正向较高值区和高值区转变,生态系统服务价值明显提升。总的来说,实施转移支付的5年来,国家重点生态功能区的生态系统服务价值明显提高,生态保护成效显著。

图5 2010—2015年全国重点生态功能区生态系统服务价值变化趋势Fig.5 The variation trend of ecosystem service value at the national key ecological function zones from 2010 to 2015

2.2.2各重点生态功能区生态系统服务价值变化特征

图6 2010—2015年国家自然生态功能分区生态系统服务价值变化趋势Fig.6 The variation trend of ecosystem service value the natural ecological function zones from 2010 to 2015

2010—2015年间,实施转移支付后,国家重点生态功能区生态系统服务价值增加的有21个,占生态功能区总数的84%。其中桂黔滇喀斯特石漠化防治生态功能区、大别山水土保持生态功能区、三峡库区水土保持生态功能区、黄土高原丘陵沟壑水土保持生态功能区等4个重点生态功能区生态系统服务价值增加幅度大于1%,呈较明显增加趋势；南岭山地森林及生物多样性生态功能区、武陵山区生物多样性与水土保持生态功能区、科尔沁草原生态功能区、海南岛中部山区热带雨林生态功能区等17个生态功能区生态系统服务价值增加幅度在0—1%之间,处于基本持衡状态。塔里木河荒漠化防治生态功能区、藏西北羌塘高原荒漠生态功能区、长白山森林生态功能区、藏东南高原边缘森林生态功能区等4个重点生态功能区的生态系统服务价值呈下降趋势,生态系统服务变化幅度在-1%—0之间,处于基本持衡状态。2010—2015年,25个重点生态功能区中大部分生态功能区生态系统服务价值呈增加趋势,并且无生态系统服务价值明显减少,可见5年间国家重点生态功能区生态环境保护较好,生态系统服务功能逐渐提升。

2.2.3重点生态功能区生态系统服务价值变化特征

从重点生态功能区来看,2010—2015年间生态系统服务价值均呈增加趋势,其增幅从高到低依次是水土保持生态功能区、水源涵养生态功能区、防风固沙生态功能区、生物多样性生态功能区,增加幅度分别为1.44%、0.22%、0.21%、0.08%。其中水土保持生态功能区呈较明显增加趋势,说明5年间水土保持工作实施效果较好,生态系统服务功能得到提升。

从生态系统服务价值分级来看,4类生态功能区生态系统服务价值等级整体呈上升趋势。其中水土保持生态功能区由中值区提升为较高值区,水源涵养生态功能区由较低值区提升为中值区,防风固沙生态功能区由低值区提升为较低值区,而生物多样性生态功能区提升幅度较小,为中值区保持不变。5年间我国实行了水土保持、退耕还林、防沙治沙等多项生态建设工程,由生态功能区服务价值的提高可见,生态保护措施成效显著,有效的保证了重点生态功能区独特生态功能的发挥。

3 结论与讨论

3.1 结论

本文围绕2010—2015年转移支付政策实施后,从国家重点生态功能区的生态系统服务价值时空动态变化特征的角度,在整体和分区上对重点生态功能区转移支付政策的成效进行了评估,其主要结论如下：

(1)2015年全国重点功能区生态系统服务价值,空间上整体呈现“西北低,东南高”的分布格局,中高值区的面积占生态功能区总面积的31.60%,面积占比不足一半；从各区均值来看,低值区和较低值区的功能区个数较多,共10个,占功能区总个数的40%。4类自然生态功能类型区按生态系统服务价值均值大小依次为水土保持型功能区>生物多样性维护型功能区>水源涵养型功能区>防风固沙型功能区。

(2)实施转移支付后(2010—2015年),全国重点生态功能区的生态系统服务价值增加幅度为16.46%,呈明显增加趋势。大部分区域生态系统服务价值基本持衡,其面积为302.63×104km2,占功能区总面积的80.14%；5年来,重点生态功能区生态系统服务价值等级变化特征表现为“高值区、较高值区的面积增加,中值区面积减少,较低值区面积增加,低值区的面积减少”,我国中部及南部地区和内蒙古中部地区的生态功能区生态系统服务价值呈较明显增加趋势。

(3)5年间生态系统服务价值增加的功能区有21个,占生态功能区总数的84%。其中桂黔滇喀斯特石漠化防治生态功能区、大别山水土保持生态功能区增加幅度高于1.5%,增加明显；生态系统服务价值减少的生态功能区减少幅度均小于1%,处于基本持衡状态。

(4)水土保持型生态功能区生态系统服务价值增加最明显,说明5年间水土保持工作实施效果较好,其生态系统服务功能得到明显提升；4类生态功能区生态系统服务价值等级整体呈上升趋势,而生物多样性维护型生态功能区提升幅度较小,为中值区保持不变。不同功能性分区有其特有的功能,应着重保持重点生态功能区单项生态功能价值。

3.2 讨论

生态系统服务价值是国家实施生态补偿和构建生态安全屏障的重要基础和依据。本文从整体及分区尺度分析了国家重点生态功能区生态系统服务价值的时空动态变化特征,可为国家有关部门实施生态系统的保护和管理以及土地资源开发利用战略提供参考依据。从本文研究结果来看,2010年实施转移支付以来,国家重点生态功能区的生态系统服务价值整体趋于增加趋势,但少数区域生态系统服务价值呈现下降趋势,这类区域应引起足够重视,应根据区域各项生态系统服务价值变化的特点和规律,具体问题具体分析,有针对性的加强土地管理措施,加大生态保护力度,避免生态系统服务功能的退化和恶化。

本文仅研究了转移支付政策实施后,国家重点生态功能区生态系统服务价值的空间变化情况,转移支付政策支持下的各项生态工程,以及气候变化是生态系统服务价值变化的主要影响因素[43],需进一步研究定量评估各影响因子的贡献率[44]。同时,国家重点生态功能区除实施保护外,还需加强监管[45]。

生态系统本身具有多样性与复杂性,加上生态系统服务价值计算的模型和方法多样,其价值评估可能与实际价值存在一定差异性,因此其计算方法及参考指标数据仍有完善的空间。另外,生态系统服务价值存在空间尺度差异性,本文主要从国家重点生态功能区整体来研究,而对于较小区域尺度存在的生态系统服务差异性未充分考虑,未来可以选择某一典型重点生态功能区进行细致深入的研究。此外,生态系统服务的价值估算还存在市场定价不确定性因素,现有的定量方法可能会随着社会经济发展而发生改变,因此国家重点生态功能区的生态系统价值定量估算需要不定期更新。