三峡库区流域生态系统服务评估研究

夏晶晶

（武汉大学 中国发展战略与规划研究院，武汉430072）

一、引言

流域以水为纽带，是由水资源、土地资源、生物资源等自然要素与社会、经济等人文要素组成的复合生态系统，既是促进国民经济发展、创造物质财富的重要单元，又是加强生态文明建设，提供优质生态产品和功能的重要载体，兼有重要的资源功能、生态功能和经济功能[1～2]。健康的流域生态系统不仅具有抵抗干扰、恢复自身结构和功能的能力，维持流域生态系统的完整性和功能稳定性，而且可以提供满足人类生存和发展需求的生态系统服务[3]。从流域尺度开展生态系统服务评估研究，对于构建流域自然-社会协调发展格局，实现流域可持续发展具有重要意义[4～5]。

流域内森林、草地、农田、城镇等通过河流湖库水系构成一个有机整体，流域内部自然生态条件和社会经济特征呈现高度的复杂性和异质性[6～7]。水是流域生态系统的关键要素，流域生态系统的核心价值表现为与水有关的生态过程在支撑流域社会经济发展、维护生态系统健康、保障生态环境安全等方面的作用[1][8]。当前，流域尺度的生态系统服务研究大多采用全球或区域尺度的研究方法，主要集中在资源供给和生态调节方面，对流域水环境作为一种公共资源和公共产品为人类生存和发展提供的惠益考虑不足，难以全面反映以流域水循环过程和水生态调节过程为纽带的生态系统产品和服务。此外，区域尺度的生态系统服务评估方法考虑到自然生态系统的净化环境功能，通常通过生态系统吸收降解的大气污染物或水环境污染物的量来核算，而忽略了环境资源作为生产要素在支撑流域社会经济发展方面提供的服务。

基于此，本文从生态系统功能稳定性和人文因素的双重角度，构建了包含“水资源-水环境-水生态”三个方面的流域生态系统服务评估指标体系，并引入流域水环境模型充实和完善流域生态系统服务评估方法。三峡库区是我国典型受到“自然-人工”二元干扰的流域地带，自然生态条件和社会经济特征复杂，其生态系统演变过程较好地反映了经济发展过程中二者相互影响的耦合关系。本文以三峡库区为研究区域，开展流域生态系统服务评估的研究，明晰三峡库区流域生态系统服务空间分布规律，有助于全面认识流域生态系统为人类社会发展提供的服务，以期对流域尺度的生态环境保护和综合管理提供相关借鉴。

二、研究方法与数据来源

（一）评估指标选取与数据来源

考虑流域生态系统服务的特征和三峡库区的生态环境优势，选取水资源供给、流域水环境容量、水土保持和水源涵养作为三峡库区主要的生态系统服务评估指标。水资源供给评估数据主要包括生产用水、生活用水和生态环境用水数据；流域水环境容量评估基础数据包括流域水系、数字高程地图、土地利用和土壤属性等地理空间数据和气象、点源等统计监测数据；水土保持服务评估的基础数据包括数字高程地图、土地利用、土壤属性数据以及降雨监测数据；水源涵养服务评估的基础数据包括降水、蒸散发的空间数据集和生态系统类型数据。具体数据类型及来源如表1所示。流域生态系统服务评估所需的空间数据较多，考虑到数据的实效性和可获取性，本文选取2015年为基准年开展三峡库区流域生态系统服务及其价值评估研究。值得注意的是，考虑到水情波动的影响，本文在评估流域水环境容量服务时，采用的是P=90%最枯月（2010年2月）水文条件。

表1 流域生态系统服务评估基础数据类型及来源

（二）评估方法

1.功能量评估

（1）水资源供给。水资源是流域内最重要的生产要素之一，为流域内居民和各生产部门提供生活和生产用水，是流域生态系统提供的最直接的服务功能。根据用户特性，流域水资源供给服务可分为生产用水、生活用水和生态环境用水三类，可通过流域内各用户的用水量来评估。

（2）流域水环境容量。流域水环境容量与水体特征、水质目标及污染物特性有关。基于流域水环境功能区划和确定的水文设计条件，将天然河道概化为计算河道，根据重要的水质控制断面位置将流域水系划分为计算单元，利用非点源模型估算流域污染负荷，进而计算流域的各计算单元的水环境容量，计算方法如式（1）所示。

式中：Lx为流域某单元的流域水环境容量（t）；Qn为断面流量（m3/s）；Tm为当月天数（d）；C0为断面水质标准（mg/L）；Mn污染物负荷（t）。

（3）水土保持。水土保持是生态系统构成要素（如森林、草地等）发挥其结构与过程优势，减少水蚀所导致的土壤侵蚀的功能。采用修正通用水土流失方程（RUSLE），计算流域潜在和实际土壤侵蚀量，以二者的差值作为流域生态系统水土保持功能的评估指标。计算方法如式（2）～（4）所示。

式中：Ap为潜在最大土壤侵蚀量（t/hm2·a）；Ar为实际土壤侵蚀量（t/hm2·a）；Ac为水土保持量（t/hm2·a）；R 为降雨侵蚀力因子（MJ·mm/hm2·h·a）；K 为土壤可蚀性因子（t·hm2·h/hm2·M·mm）；LS 为地形因子；C∙P 为植被覆盖与管理-水土保持措施因子。

（4）水源涵养。水源涵养是生态系统通过其要素和相关过程对降水进行截留、渗透、蓄积，并通过蒸散发过程实现对水流、水循环的调控功能。采用水量平衡方程，计算降雨量与蒸散发量之差来评估流域水源涵养功能量，计算方法如式（5）所示。

式中：TQ 为水源涵养量（m3）；Pi为降雨量（mm）；Ri为地表径流量（mm）；ETi为蒸散发量（mm）；Ai为第i 类生态系统的面积；j 为研究区生态系统类型数。

2. 价值量评估

三峡库区生态系统服务价值包括三个部分：第一部分为提供生态系统服务而产生的直接经济价值；第二部分为间接经济价值，即利用生态系统服务而对经济发展中工业、农业、渔业、旅游业、服务业等带来的效益，通过GDP来反映；第三部分为自然生态系统对于人所具有的“非消费性”价值，反映自然生态系统对人们在精神、道德、教育、审美等方面形成的价值观的贡献，通过社会发展水平和受教育程度来体现。

（1）直接经济价值。包括水资源供给、流域水环境容量、水土保持、水源涵养等方面。其中，水资源供给采用市场价值法计算流域水资源供给服务价值，如式（6）所示。

式中：Vwr为水资源供给服务价值（元）；WPi表示i 种用途的供水水价（元/t）；Qi为第i 种用途用水量（t），i 表示水资源用途，分别为生产用水、生活用水和生态环境用水。

流域水环境容量的直接经济价值为利用了流域水环境容量而节省的污水处理费用，采用替代工程法计算，如（7）所示。

式中：Vwec为流域水环境容量的直接经济价值（元）；Pci表示i 种污染物的单位处理成本（元/t）；Mi为i种污染物的流域水环境容量（t），i 表示污染物的种类，包括COD、NH3-N、TP和TN。

流域生态系统水土保持服务的直接经济价值包括保持土壤养分价值和减少泥沙淤积价值，运用市场价值法和机会成本法进行估算。

保持土壤养分价值估算方法如式（8）所示。

式中：Vac1为保持土壤养分价值（元/a）；Ac为土壤保持量（t/a）；Ni为土壤氮、磷、钾的纯含量；Pi为化肥（尿素、磷酸氢二铵和氯化钾）价格（元/t）。

减少泥沙淤积价值估算方法如式（9）所示。

式中：Vac2为减少泥沙淤积的价值（元/a）；Ac为土壤保持量（t/a）；B 为农业年均收益（元/hm2）；d 为土壤厚度（m）；ρ 为土壤容重（t/m3）。

采用替代工程法估算水源涵养服务的直接经济价值，计算公式如（10）所示。

式中：VTQ为水源涵养服务价值（元）；TQ 为水源涵养量（m3）；PR为单位库容水库建造成本（元/m3）。

（2）间接经济价值。流域生态系统服务的间接经济价值表现为社会扩大再生产以及人民生活水平的提高，由GDP来反映。GDP由生产要素如人力、资本、土地、资源环境、原材料、管理、服务等来实现。本文中三峡库区流域生态系统服务的间接经济价值通过估算水资源和流域水环境容量在生产要素中的占比得到。

（3）社会文化价值。流域生态系统服务的社会文化价值难以通过有形的物质产品来估算，因此采用条件价值法利用社会发展水平和受教育程度来估算，计算公式如式（11）所示。

式中：Vcul为流域生态系统服务的社会文化价值（元）；CR 为城市化率（%）；SA 为居民平均的文化层次（年）；IC 为家庭年收入（元）；b 为估计的误差扰动项；α1、α2和α3为常数。

三、评估结果分析

（一）生态系统服务功能

1. 水资源供给

农村土地流转是指农村家庭承包的土地通过合法的形式，保留承包权，将经营权转给其他农户或其他经济组织的行为。一般以土地承包经营权流转、集体建设用地使用权流转、宅基地使用权流转三种形式存在。

以三峡库区范围内各区县的用水情况及用途分类评估其流域水资源供给服务。2015年三峡库区总用水量为63.73亿m3，其中生产用水50.84亿m3，生活用水12.12亿m3，生态环境用水0.77亿m3，分别占总用水量的79.77%、19.02%和1.21%。生产用水中，第一产业用水18.89亿m3，第二产业用水28.47亿m3，第三产业用水3.48亿m3，分别占总用水量的29.64%、44.67%和5.46%。

各区县用水量范围在4105～87544万m3之间，具体如图1所示。重庆市梁平区、巫溪县、巫山县、渝中区、大渡口区、石柱县和湖北省兴山县、巴东县总用水量相对较少，在1亿m3以下。总用水量最高的区域为重庆市永川区、綦江区、长寿区、万州区、涪陵区、江津区，总用水量均在3亿m3以上，且依次递增，江津区总用水量最高，为8.75亿m3，其次为涪陵区，总用水量为5.03亿m3。三峡库区总用水量较高的区域主要分布在库区上游重庆市主城区周边“一小时经济圈”区域和库区腹地万州区。三峡库区各区县生产用水占总用水量的主要部分，除渝中区外，其余区县生产用水均超过总用水量的60%。三峡库区用水集中于主城区及其外围“一小时经济圈”和以万州区为次中心的社会经济和人口集聚程度较高的区域，其中都市核心区用水以生活用水为主，都市核心区以外以工业用水为主，库区腹地及东部发展水平较低的区域以农业用水为主。

图1 三峡库区各区县用水组成

2. 流域水环境容量

采用P=90%最枯月（2010年2月）水文条件代入水环境容量计算公式，计算三峡库区流域水环境容量。三峡库区COD、NH3-N、TP和TN流域水环境容量分别为19.86万t/a、9429.36t/a、5514.77t/a、775.43t/a，各区县流域水环境容量如图2所示（a、b、c、d分别表示COD、NH3-N、TP和TN流域水环境容量，其中图像在X轴上方表示水环境容量剩余，图像在X轴下方表示水环境容量已用尽）。总体上，三峡库区仍有剩余水环境容量，能够支撑流域的发展需求，但也有局部区域水环境容量为负值。从水质指标来看，三峡库区COD和NH3-N流域水环境容量基本还有剩余，尚可满足城市发展需求，但在部分支流或区县TP和TN的流域水环境容量明显小于流域污染物排放量，亟需加强污染物削减控制措施。

图2 三峡库区流域水环境容量

江津区、长寿区、奉节县、巫山县、巫溪县和云阳县COD的流域水环境容量相对较多，超过1.5万t/a；巴东县、秭归县、大渡口区、南岸区、渝中区和石柱县COD的流域水环境容量相对较少。江津区、奉节县、巫山县、巫溪县和云阳县NH3-N的流域水环境容量相对较多，超过800t/a；巴东县、秭归县、大渡口区、南岸区、渝中区和石柱县NH3-N的流域水环境容量相对较小，低于30t/a。奉节县、巫山县、巫溪县和云阳县TP的流域水环境容量相对较多，超过100t/a；巴东县、秭归县、长寿区、万州区、永川区、垫江县、丰都县和璧山区TP流域水环境容量为负值。奉节县、巫山县、巫溪县和云阳县TN的流域水环境容量相对较多，超过500t/a；巴东县、秭归县、万州区、永川区、璧山区TN流域水环境容量为负值。

3. 水土保持

三峡库区水土保持服务量为102.54亿t，各区县水土保持服务量如表2所示。水土保持服务较高的区域主要分布在东部植被覆盖度较高和受人类活动影响程度较低的区域，其中库区东北部巫溪县和开州区水土保持服务最高，其次为云阳县、奉节县、万州区、巫山县和丰都县。三峡库区重庆市主城区及其周边地区水土保持服务较低。

表2 三峡库区各区县水土保持服务量

4. 水源涵养

2015年三峡库区水源涵养服务量为431.40亿m3，各区县水源涵养服务量如表3所示。空间分布上，水源涵养服务呈现“中间高，两边低”的格局，沿库区东北向西南方向，水源涵养服务量先从最低值逐渐增加，至巫溪县、奉节县、开州区，达到较高值，然后又逐渐降低。水源涵养服务量高值区出现于奉节县、巫山县南部；低值区主要分布在三峡库区湖北省宜昌市境内北部区域和重庆市主城区及其周边区域。

表3 三峡库区各区县水源涵养服务量

（二）流域生态系统服务价值

2015年三峡库区流域生态系统服务总价值为5097.73亿元，其中直接经济价值、间接经济价值和社会文化价值分别为668.92亿元、3217.94亿元和1210.87亿元，占比分别为13.12%、63.13%和23.75%。可见，三峡库区流域生态系统服务价值以生态系统服务带来的经济效益为主，应当进一步提高资源利用率和利用效率，减少经济发展所消耗的水资源和流域水环境容量。社会文化价值在流域生态系统服务价值中已经占有一定的比例。

各区县流域生态系统服务价值在45.48亿元～409.73亿元之间，如图3所示。其中生态系统服务价值高值区在涪陵区、九龙坡区、万州区、渝北区、渝中区，生态系统服务价值在290亿元以上，这些地区流域生态系统服务直接经济价值较低，但产生的间接经济价值和社会文化价值显著。生态系统服务价值低值区在巴东县、兴山县、秭归县、大渡口区、石柱县和武隆区，生态系统服务价值低于70亿元，这些地区流域生态系统服务直接经济价值相对较高，但由于区域水土资源组合较差，资源环境承载能力较弱，生态系统产生的间接经济价值和社会文化价值较低。

2015年三峡库区流域生态系统服务的直接经济价值中，水资源供给服务为203.19亿元，流域水环境容量服务为94.94亿元、水土保持服务为122.23亿元，水源涵养服务为248.55亿元。各类型生态系统服务价值占比由高到低依次为水源涵养＞水资源供给＞水土保持＞流域水环境容量，分别为37.16%、30.38%、18.27%和14.19%。各区县流域生态系统服务直接经济价值如图4所示。三峡库区流域生态系统服务直接经济价值低值区集中于主城区及其周边区域，长江干流西侧的生态服务价值明显低于长江流域东侧。从县域尺度各类生态系统服务直接经济价值占比来看，重庆市九大主城区及其周边社会经济发展程度较高的区域水资源供给服务占主导类型，其中渝中区水资源供给服务占比高达95%以上；巴东县、兴山县、秭归县、巫山县、巫溪县、石柱县和奉节县水土保持和水源涵养服务为主导类型；长寿区、江北区、奉节县、巫山县、巫溪县、武隆区和云阳县流域水环境容量价值相对较高。

图3 三峡库区各区县流域生态系统服务价值

图4 三峡库区各区县流域生态系统服务直接经济价值

（三）协同与权衡关系分析

采用相关性分析法对三峡库区各类流域生态系统服务之间的权衡与协同关系进行分析，结果如表4所示。当两种服务的相关性为显著正相关时（R＞0，p＜0.05），则认为服务间的相互作用关系为协同，反之，当两种服务的相关性为显著负相关时（R＜0，p＜0.05），则称为权衡；当两种服务间相关系数绝对值小于0.1且未通过显著性检验时（p＞0.05），则认为服务间不存在相互作用关系。对于其中相关系数绝对值大于或等于0.1但未通过显著性检验的服务组合，则认为服务间可能存在一定的相互作用关系。

表4 三峡库区流域生态系统服务的相关性

三峡库区水资源供给与流域水环境容量为正相关关系（R=0.229），但不显著；与水土保持的相关性为负相关（R=-0.114），相关性也不显著；与水源涵养之间的相关性为负相关，相关性系数低（R=-0.009），且不显著。流域水环境容量与水土保持和水源涵养之间保持着强正相关关系（R=0.558**、R=0.568**），且在p=0.01水平上显著相关。水土保持和水源涵养之间保持着强正相关关系（R=0.963**），且在p=0.01水平上显著相关。由此可见，三峡库区四种生态系统服务之间存在着一定的联系，虽然水资源供给与其他三种类型的相关性较低，但也表明了其与其他三种服务的相互作用形式。水资源供给与流域水环境容量之间为较弱的协同关系，与水土保持为较弱的权衡关系，可认为三峡库区水资源供给服务与水源涵养之间不存在相互作用关系。流域水环境容量、水土保持和水源涵养两两之间为协同关系。

生态系统服务权衡和协同关系在不同的时空尺度呈现出不同的特征。本文中水资源供给与流域水环境质量为协同关系，而与水土保持为较弱的协同关系。在不同的气象条件、环境条件和社会条件（如人口分布）的影响下，供给服务呈现出较大的空间异质性。区位优势较好如城市化水平较高和沿江区域更易集聚人口和经济，对供给服务的需求量也明显高于其他区域[9～11]。土地利用的变化也会影响生态系统服务协同和权衡，城镇化发展导致建设用地增加，林地面积下降，主要由林地提供的水土保持和水源涵养功能也会一起下降，而水资源的需求和消耗会增加[12～13]。生态系统服务权衡与协同关系在不同的时空尺度表现出不同的特征，在政策和相关管理措施的制定过程中适当考虑空间尺度效应可以有效削弱供给服务和调节服务之间的权衡效应，增强调节服务和文化服务之间的协同效应[14]。

四、结论与讨论

（一）结论

流域是一种特定的自然地理区域，具有“自然-人工”二元属性。本文从生态系统功能稳定性和人文因素的双重角度，构建了包含“水资源-水环境-水生态”三个方面的流域生态系统服务评估指标体系，引入流域水环境模型充实和完善流域生态系统服务评估方法，并在三峡库区进行了应用研究。本文的主要结论如下：（1）水资源供给服务较高的区域集中在重庆市主城区及其周边和以万州区为次中心的社会经济发展程度较高的区域。三峡库区水环境容量有剩余，在一定程度上能够支撑流域的发展需求。水土保持服务较高的区域主要分布在东部，重庆市主城区及其周边以及长寿区北部和涪陵区西部水土保持服务较低。水源涵养服务呈现“中间高，两边低”的空间分布格局。（2）2015年三峡库区流域生态系统服务总价值为5097.73亿元，以生态系统服务带来的经济效益为主。各类型生态系统服务价值占比由高到低依次为水源涵养＞水资源供给＞水土保持＞流域水环境容量。社会经济发展程度较高的区域水资源供给服务占主导类型，重点生态功能区多以水土保持和水源涵养服务为主导类型。（3）三峡库区四种生态系统服务间存在着一定的相关关系，水资源供给与流域水环境容量之间为较弱的协同关系，与水土保持和水源涵养为较弱的权衡关系。流域水环境容量、水土保持和水源涵养两两之间为协同关系。

（二）讨论

本文弥补了流域尺度生态系统服务评估体系的不足，研究成果可为实现流域生态系统良性循环提供科学支撑。但本文在选取流域生态系统服务评估指标时，主要考虑到水循环过程和水文生态过程中的主要服务类型，而未选取与生物相关的指标。此外，本文旨在构建适用于流域尺度生态系统服务的量化评估体系，基于数据的可获得性和实效性，考虑到水情波动的影响，文章在评估流域水环境容量服务时，采用的是P=90%最枯月（2010年2月）水文条件，在一定程度上揭示了三峡库区生态系统服务及价值的空间分布规律，可为三峡库区流域生态环境综合管理提供相关指导，但未对其动态变化规律进行研究。下一步将从完善评估指标体系和揭示动态变化特征两个方面对三峡库区流域生态系统服务进行深入研究。