基于全球陆地生态系统的水源涵养服务价值时空变化分析

2021-11-22高月明吴文俊蒋洪强周夏飞马国霞

环境科学研究 2021年11期

高月明, 吴文俊, 蒋洪强, 段扬, 周夏飞, 马国霞

1.生态环境部环境规划院，国家环境保护环境规划与政策模拟重点实验室, 北京 100012

2.生态环境部环境规划院生态环境与经济核算研究中心, 北京 100012

3.生态环境部环境规划院京津冀区域生态环境研究中心, 北京 100012

生态系统服务的价值评估是国内外研究的热点[1-3]，可构建自然生态系统与生态效益之间的评估体系，认识国家或区域之间的生态关联[4-5]，借助生态系统服务价值大小及其空间分布特征来定量刻画全球生态系统运行的总体状况[6-7]. 全球陆地生态系统服务评估可以识别由生态系统服务损害和削弱所导致的水土流失、洪涝灾害和生物多样性丧失等生态问题，维持和改善区域生态系统服务，是定量评估生态保护成效的有效途径.

1997年，Costanza等揭开了对生态系统服务价值研究的序幕，如对全球17种生态系统服务价值进行估算，得出全球生态系统每年提供服务的水源涵养服务价值约1.12×1012美元，占陆地生态系统价值的9%[8]，到2011年增至1.87×1012美元[9]，增幅达67.8%，为生态系统服务价值评估的主要指标之一. 随着千年生态系统评估(MA)、生态系统和生物多样性经济学(TEEB)、财富账户与生态系统价值核算(WAVES)、环境经济核算-试验生态账户(SEEA-2012)等概念及框架的发布，许多学者开始尝试对全国和各地区的生态系统服务价值进行评估研究[10]，以充分反映自然生态系统的价值. Ouyang等[11]评估了中国2000—2010年水源涵养等7项指标价值的变化情况，水源涵养实物量增幅为3.6%，增幅区域主要分布在长江经济带等，并从物质产品、调节服务与非物质产品三方面构建GEP评估体系模型[12]，评估得出青海省2000—2015年GEP增长了74.9%，以此强调15年间大规模生态保护和恢复工程增加生态资产的重要性. 王金南等[13]对中国2018年31个省(自治区、直辖市)不同生态系统的经济生态生产总值(GEEP)进行了评估，森林和草地的水源涵养服务价值为4.9×1012元，呈现自东南向西北递减的空间趋势.

随着人类经济活动和城镇化发展，自然资源存量不断被消耗和侵占[14]，全球森林生态系统面积持续下降，2016年占全球陆地面积比例仅为30.72%. 全球气候变化和土地利用状态不断转换，使生态系统格局破碎化加剧，泥石流、洪水等自然灾害频发，控制土壤沙化、降低水土流失[15-16]，加强生态系统水源涵养研究意义凸显. 该研究从生态系统提供服务的角度，借鉴GEP的评估思路和方法，采用1 km×1 km分辨率，对2000—2015年全球陆地生态系统服务中水源涵养服务价值开展评估，重点聚焦于国家、典型区域和主要生态系统类型的对比分析，并与区域面积、人口等进行叠加，全面评价全球生态系统水源涵养服务价值的变化情况. 该研究对构建大尺度生态系统水源涵养服务价值评估的方法和分析手段以及摸清全球各国家和地区水源涵养服务价值的时空分布规律具有一定的科学参考价值，对支撑“两山转化”、生态产品价值实现机制、生态补偿、生态脱贫等生态环境保护政策制定具有重要作用.

1 研究方法

生态系统通过其结构和过程拦截滞蓄降水，增强土壤下渗，涵养土壤水分和补充地下水、调节河川流量[17]. 水源涵养量大的地区不仅能满足评估区内生产生活的水源需求，还会持续向区域外提供水资源[18]. 水源涵养服务价值评估方法主要有基本价值转移法和空间建模法[19]. 其中，基本价值转移法是借助单位面积生态系统水源涵养服务价值定价结果评估生态系统价值，需结合已有研究基础，根据专家意见对生态系统服务价值进行修正，提高评估准确性，但无法量化生态系统服务实物量；空间建模法则通过存量和流量的概念切入，从生态系统提供的生态福祉角度建立模型，模拟得到不同生态系统服务实物量，以替代成本法、市场价值法等对实物量进行定价.

在深入总结联合国千年生态系统评估[20]、SEEA实验生态系统账户[21]、《陆地生态系统生产总值(GEP)核算技术指南》[22]和《森林生态系统服务功能评估规范》[23]以及国内外知名学者[8-13,24-25]相关成果经验的基础之上，充分考虑数据可获得性，提出全球生态系统水源涵养服务价值评估方法.

全球生态系统水源涵养服务评估原则与GEP保持一致： ①评估周期为1年；②评估对象为最终产品，不包括中间产品；③属于流量概念，而非存量概念，即评估周期内生态系统为人类提供的生态效益；④评估涵盖实物量和价值量.

1.1 水源涵养实物量评估方法

生态系统水源涵养量是通过水量平衡方程计算一定时空内降水输入与暴雨径流和生态系统自身水分消耗量的差值.

(1)

式中：Qwr为水源涵养量，m3/a；Pi为产流降水量，mm/a；Ri为地表径流量，mm/a；ETi为蒸散发量，mm/a；Ai为第i类生态系统面积，m2；i为评估区域的第i类生态系统类型，包括森林、草地、湿地、农田、城镇和荒漠生态系统；n为评估区域的生态系统类型总数.

1.2 水源涵养服务价值评估方法

水源涵养服务价值主要体现为蓄水保水所产生的经济价值，即采用影子工程法模拟建设蓄水量与生态系统水源涵养量相当的水利设施，用建设该水利设施所需要的成本来评估水源涵养服务价值.

Vwr=Qwr×(Cwe+Cwo)×s

(2)

式中：Vwr为蓄水保水价值，美元/a；Cwe为水库单位库容的工程造价，元/m3；Cwo为水库单位库容的年运营成本，元/m3；s为当年货币汇率.

受数据获取限制，全球单位库容的成本以中国的水库单位库容总成本为评估依据. 根据1993—1999年《中国水利年鉴》平均水库库容造价为2.17元/m3，通过不同价格指数贴现至2015年单位库容造价为7.29～7.78元/m3. 参考联合国地理方案，将全球划分16个区域，通过中国单位库容总成本以及全球各国工资成本数据来折算各区域的水库单位库容成本(见表1)，并采用中间值进行价值量核算.

表1 2015年全球主要区域的水库单位库容总成本

1.3 土地利用变化分析

定量分析时间迁移过程中不同土地利用类型之间的转移方向，计算土地利用转移矩阵，反映生态系统服务变化的驱动力因素影响情况.

1.4 数据分析方法

用Excel 2019和ArcGIS 10.4软件处理数据，气象站点通过ArcGIS 10.4中克里金插值法进行插值分析，IBM SPSS 25.0(Statistical Product and Service Solutions)软件进行不同指标的相关性分析和聚类分析.

1.5 数据来源

研究区域包括全球183个国家和地区，研究时段选取2000年、2005年、2010年和2015年，主要包括全球降水量、蒸散发、地表径流、土地覆盖、社会经济等数据(见表2).

表2 数据来源及描述

2 结果与分析

2.1 全球陆地生态系统水源涵养服务价值

2015年全球183个国家和地区提供的生态系统水源涵养服务价值如图1所示. 评估结果表明，2015年全球陆地生态系统水源涵养服务价值大，接近25×1012美元，单位面积水源涵养服务价值为17.98×104美元/km2. 从国家层面来看，排名前15位国家的生态系统水源涵养服务价值合计约为19×1012美元，占全球总量的76%，排名前5位的是中国、澳大利亚、美国、加拿大、俄罗斯，此外，刚果(金)、中非、肯尼亚等非洲南部国家生态系统开发程度低，植被保护良好，同样具有相对较高的水源涵养水平. 从洲际分布来看，在全球陆地生态系统水源涵养服务价值中，亚洲占31%，美洲占29%，非洲占17%，大洋洲占13%，欧洲占10%；从南北半球分布来看，北半球占75%，南半球占25%；从发展程度来看，发达国家占36%，发展中国家占46%，最不发达国家占18%，不同国家和地区的生态禀赋不同，全球水源涵养空间分布差异明显.

图1 2015年全球水源涵养服务价值空间分布

2.2 像元尺度水源涵养时空变化分析

2000年、2005年、2010年和2015年全球生态系统水源涵养的变化情况如图2、3所示.

图2 不同时期全球水源涵养实物量的变化

图3 2000—2015年全球生态系统水源涵养实物量的空间变化

从时间尺度变化来看，2000—2015年水源涵养实物量年均增长率为1.05%. 其中，2000—2005年期间，2005年全球年降水量陷入低谷，水源涵养实物量较2000年下降5.5%，实物量亦是4个年份中最低，为14.8×1012m3. 2005—2015年，水源涵养实物量变化率基本维持在10%左右，这可能是因为全球生态环境保护理念得到进一步认识，生态系统功能加强. 另外，全球变暖、冰川融化导致降水量增多，频次提高，导致水源涵养量提高. 从空间分布来看，2000—2015年亚洲东部与南部、非洲中部和北美洲大部分地区生态系统水源涵养实物量呈增长趋势，而世界第三极喜马拉雅山脉附近的增幅最大；大洋洲、欧洲和南美洲则出现大规模的水源涵养能力流失，其中澳大利亚、印度尼西亚、葡萄牙、巴西等国家表现最为明显.

由生态系统类型分布(见图4)可知，2000—2015年全球以森林生态系统水源涵养实物量为主，占比为44.8%～46.0%，农田和草地水源涵养实物量基本在20%左右，城镇生态系统最低. 2000—2015年全球森林生态系统水源涵养增量(1.26×1012m3)最大，年均增长率为1.11%. 农田生态系统(2.37%)和湿地生态系统(2.19%)年均增幅显著，2015年单位面积水源涵养实物量分别为0.16 m3/m2和0.04 m3/m2，其中，湿地生态系统数值偏低，主要是因为南极洲和格陵兰岛遍布冰川，基本不具备水源涵养功能，归类为湿地生态系统. 2015年草地生态系统单位面积水源涵养实物量为0.22 m3/m2，较2000年增长了60.9%. 荒漠生态系统水源涵养功能整体呈削弱趋势，年均降幅为2.68%.

图4 全球不同生态系统类型的水源涵养实物量变化

由表3可见，2000—2015年全球陆地主要生态系统类型为森林，其面积占比超过35%，其次为荒漠和农田. 从时间变化来看，15年间全球陆地生态系统类型发生转变的面积为0.33×108km2，2015年农田、城镇和荒漠生态系统面积较2000年分别提高了63.8%、42.6%和13.4%，草地和森林生态系统面积则分别缩减了29.1%和12.0%，湿地生态系统面积基本不变. 新增的农田生态系统面积主要来源于草地生态系统(31.5%)和森林生态系统(20.9%)，主要分布在南美洲和亚洲南部；新增的城镇生态系统面积主要来源于农田生态系统(20.6%)、草地生态系统(16.6%)和森林生态系统(13.9%)，主要分布在北美洲和亚洲；新增的荒漠生态系统面积主要来源于森林生态系统(9.9%)和草地生态系统(7.2%)，主要分布在大洋洲和非洲；缩减的森林生态系统面积主要变更为农田生态系统(8.3%)、草地生态系统(5.7%)和荒漠生态系统(5.5%)，主要分布在北美洲和亚洲南部；缩减的草地生态系统面积主要转移为农田生态系统(34.5%)、荒漠生态系统(11.0%)和森林生态系统(9.5%)，主要分布在亚洲南部；湿地生态系统面积占比变化率低于1‰. 全球生态系统类型转移可能是导致生态系统水源涵养服务价值变化的驱动因素之一.

表3 2000—2015年全球陆地的生态系统转移矩阵

2.3 国家尺度水源涵养聚类分析

以系统聚类方法对2000—2015年全球水源涵养实物量评估结果进行分类，将各国家和地区的水源涵养实物量由高到低划分为“高”“较高”“中等”“较低”4个类别.

由图5可见，处于“较高”水平国家的水源涵养实物量之和在2000年、2010年和2015年这3个年份中均排名第一，占比分别为29.1%、29.5%和41.7%；处于“高”水平国家的水源涵养实物量之和占比仅在2005年排名第一，达到34.9%，其余年份均处于末位，在14.9%～23.0%之间. 从国家层面来看，2000—2015年水源涵养实物量处于“较高”及以上水平的国家是澳大利亚、中国、印度和阿根廷，其中澳大利亚连续3个年份位居“高”水平行列，但在2015年被中国反超，降至“较高”水平. 从年际变化趋势来看，中国、俄罗斯、印度、加拿大等国家水源涵养实物量聚类评估等级趋于良好；而巴西、苏丹等国家水源涵养实物量聚类评估等级则呈恶化趋势. 从洲际层面来看，水源涵养实物量较大的国家主要分布在亚洲和美洲，大部分欧洲国家由于国土面积相对较小，难以排名前茅，而非洲国家大多位于赤道附近，因气候炎热、年度蒸散量大，生态系统难以有效进行水源涵养. 另外，发达国家或经济总量较高的国家更加注重生态环境保护，国家整体水源涵养水平相对较高，从而提高了生态系统调节能力.

图5 2000—2015全球国家尺度水源涵养实物量聚类结果

2.4 国家尺度水源涵养指标分析

由图6可见，全球水源涵养服务价值排名前20位的国家主要集中分布于第二象限区域，即水源涵养服务价值相对较少、但密度指标(单位面积和人均水平)较高的区域，基本属于非洲国家和最不发达国家，地理位置最为偏僻、经济最为落后，亟需建立健全生态产品价值实现机制和实现路径. 俄罗斯受限于国土面积辽阔，中国和印度受限于人口基数巨大，均处于第四象限. 全球发达国家人均水源涵养服务价值为0.99×104美元，单位面积价值量23.6×104美元/km2，排名前20位的发达国家中，除挪威外，美国、加拿大和澳大利亚均位于第一象限，阿根廷具备良好的生态环境禀赋，这可能助其跃居发达国家行列.

图6 2015年水源涵养服务价值排名前20位国家的密度指标分析结果

以国家为最小单元，对比分析不同年份下水源涵养实物量与社会经济指标的斯皮尔曼相关性(见表4). 水源涵养实物量与水源涵养服务价值和降水量的相关性高且不断增强，2015年水源涵养实物量与价值量的相关系数为0.997. 水源涵养实物量与蒸散发量亦具有较强的相关性. 在社会经济指标方面，水源涵养实物量与国土面积相关性最为显著，与GDP相关性一般. 水源涵养实物量与人口总数的相关系数介于0.6～0.7之间，且呈现逐年递增趋势，这可能是因为人类对生态系统服务关注度和需求量日益增加，全球陆地生态系统服务与全人类福祉的关系更加紧密. 水源涵养服务价值与GDP之间存在显著的权衡关系，相关系数稳定在0.4～0.5之间，而降水量和蒸散发量则呈现出显著的协同效应，相关系数均超过0.9.

表4 2000—2015年国家尺度下各项指标的相关性

3 讨论

关于生态系统水源涵养服务的研究较多(见表5)，空间尺度主要为区域和流域层面，涉及的生态系统类型种类多，主要包括森林、草地、湿地、农田、城镇和荒漠生态系统. Daily等[25]系统阐述了水源涵养等生态系统功能和生态系统服务的内容与评价方法，分析了全球不同地区森林、湿地、海岸等生态系统服务功能价值评价. Ma等[26]对我国2016年31个省(自治区、直辖市)GEP和GEEP进行评估，其中森林、草地和湿地生态系统的水源涵养和洪水调蓄服务价值为10.39×1012元，分别占GEP和GEEP的14.28%和8.21%. 翟月鹏等[27]通过分析京津冀区域的水源涵养服务空间异质性，对各区县、各流域划分供体区和受体区. Zhang等[28]认为，在全球气候变化背景下，生态系统水源涵养服务引起公众的广泛关注，并根据北京市森林资源调查资料和数学模拟，估算北京市森林水源涵养服务价值高达52.3×108元. 生态系统水源涵养服务对社会经济发展影响甚大，但缺乏国家甚至全球尺度下生态系统水源涵养和货币价值的空间异质性的宏观评估研究[29].

表5 水源涵养服务价值相关研究进展

方法层面，水量平衡法和单位面积价值法是目前用于评估水源涵养的主要方法. 其中，前者受植被覆盖、土壤水分、凋落物层厚度和土壤孔隙度等多种因素影响，蒸散量和径流量难以准确测量，并受插值方法、降水季节变化、极端降雨事件等影响，但可以解释水源涵养作用机理，更准确地估算节水效率，指导区域水资源的合理配置和管理，逐渐被广泛应用[30-31]；后者以土地利用现状为基础，通过对各类生态系统定价，评估生态系统水源涵养服务价值，缺乏水源涵养实物量核算，单位面积生态系统服务价值取决于像元内生物量分布、空间异质性等，冰川、荒漠等生态系统定价困难，可通过两种方法对比进行当量因子修正[32-33].

笔者结合相关领域研究，基于1 km×1 km像元尺度定量评估了2000—2015年全球生态系统水源涵养服务实物量和价值量. 考虑到全球生态系统地理格局的相互作用和世界各国家和地区的变化，以国家为单元的全球生态系统水源涵养服务评估，可强调国家保护对全球生态系统价值的贡献[34]. 根据2000—2015年全球水源涵养实物量与国土面积的相关性分析可知，国土面积大则降水受纳范围广，这也在一定程度上与聚类分析结果相契合，水源涵养实物量“较高”水平及以上者均为全球国土面积排名前8位的国家，它们在2000年甚至占据水源涵养实物量的前8位. 生态系统服务与人类福祉息息相关[35]，水源涵养实物量与国家人口总数的相关性系数接近0.7，侧面展现了全球森林、农田、水资源和气候的生态环境改变将影响70多亿人的需求. 2000—2015年全球生态系统转移矩阵分析结果显示，生态系统类型发生转移的面积占比为22.3%，土地利用变化使人类能够获取地球上越来越多的资源，这也可能破坏生态系统平衡[36]. 通过评估生态系统服务对人类生产生活所带来的价值，可对人类需求和生态系统长期提供产品和服务的能力进行权衡.

生态系统是一个生命共同体，水源涵养、土壤保持、固碳等生态系统功能间存在权衡和协同关系，将是生态系统服务研究的热点[37-38]. Liu等[39]通过文献计量方法，以水源涵养和土壤保持为关键词分析，结果表明我国水土保持方面的研究迅速增加，农业、水资源利用、水土流失与生态系统服务是密切相关的主题，水土保持对水资源等全球环境变化的响应管理、土地利用和生态环境保护是潜在的新兴研究热点. 森林生产力的提高和生态系统水源涵养间存在权衡，Farooqi等[40]研究表明固碳作用和水源涵养是森林生态系统改善环境问题的两项关键生态系统服务，从森林的发展趋势和社会视角出发，提出森林碳汇和水源涵养双重考虑的综合研究框架，建立全球或区域森林保护研究网络，旨在提供平衡的森林生态系统服务，包括固碳、水源涵养和其他服务. 在全球气候变化背景下，各国相继提出碳达峰、碳中和目标，优化双重或多重服务是生态系统减缓全球气候变化和维护陆地水平衡的最终目标[38]. 游惠明等[41]对泉州湾河口湿地生态系统研究发现，城市化和经济开发强度提升会导致污染物排放、水利工程修建、围塘养殖等影响加剧，自然湿地面积不断减少，水源涵养等生态系统服务价值降低. 目前的研究多数仅是服务价值核算，仅少数研究开展驱动力分析，主要是主成分分析或相关性分析等单驱动因子探讨，需针对多因子间的权衡协同、相互作用途径、作用强度等方法开展研究[42]. 生态系统服务和权衡的综合评估模型(InVEST模型)基于水量平衡机理进行评估，提供了多种生态系统服务评估，涵盖陆地生态系统和海洋生态系统，可模拟水源涵养、土壤侵蚀、岸线保护、碳储量、生境风险评估等生态系统服务，利用InVEST模型评估生态系统功能及研究生态系统服务权衡协同关系将是未来研究的热点之一[43-44].

水源涵养服务作为生态系统调节服务的一项重要指标，在一定程度上会影响生态系统服务价值. 由于开展全球生态系统水源涵养服务价值评估所需基础数据在查找和获取上面临较大困难，无法完全收集到全球各国的相应数值，价格设定均以中国的相关参数和价格为参照，存在一定程度的偏差. 鉴于全球各国实际径流量数据难以获取，故采取降雨强度替代法评估水源涵养服务价值，可能使结果存在一定偏差. 选用影子工程法计算水源涵养服务价值，可能会产生高估. 笔者将生态系统类型划分为6类生态系统，由于全球生态系统类型和自然环境条件异质性强，该评估所得仅为大致结果.