河北滨海湿地生态系统服务供需特征与情景分析*

2023-07-24齐菲王丰刘斌付同刚高会刘金铜

中国生态农业学报(中英文) 2023年7期

齐菲 ,王丰 ,刘斌 ,付同刚 ,高会 ,刘金铜**

(1.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中国科学院农业水资源重点实验室/河北省土壤生态学重点实验室石家庄 050022;2.中国科学院大学北京 100049;3.山东省大数据局济南 250011)

湿地是在水陆生态系统界面延伸重合的空间中形成的过渡类生态系统[1],发挥着调节气候、蓄洪防旱、防治土壤侵蚀、过滤污染物等重要功效[2]。湿地被称为“地球之肾”,滨海湿地在涵养水资源、提供水产品、维护生态平衡等方面发挥了重大作用。湿地作为大自然赋予的一项宝贵的自然资源,具有极大的社会经济效益和生态效益。因此,社会各界和相关单位顺应国家和政府的相关政策,落实出台了多项湿地保护举措,近年来一系列重要湿地生态文明制度先后落地生根。2017 年国家海洋局印发了《海岸线保护与利用管理办法》。2018 年国务院印发了《关于加强滨海湿地保护严格管控围填海的通知》(国发〔2018〕24 号),新时期对海洋生态文明建设提出了更高的要求。2022 年6 月1 日,我国第一部湿地保护法《中华人民共和国湿地保护法》开始实施。

随着对湿地重要性认识的加深,湿地生态系统的服务价值越来越受到人们的重视。我国湿地生态系统服务功能价值评价工作的系统性研究始于20世纪90 年代中期[3]。由于研究历史较短,目前还未形成关于湿地生态系统服务、功能和价值的统一认识[4]。

目前湿地生态系统服务需求和供需关系的量化评估均处于探索阶段[5]。湿地生态系统服务供需研究中存在的问题主要有以下几方面:第一,研究集中于湿地生态系统服务供给的评估,对于需求研究较少,对于人类需求的湿地生态系统服务功能的大小目前还没有有效的办法来衡量;第二,湿地生态系统服务价值评估研究主要针对单个湿地进行,没有以整个滨海湿地作为研究对象进行系统研究;第三,基于土地利用类型变化进行的湿地生态服务价值评估,忽视了湿地生态系统本身的动态变化特性,缺乏对未来生态系统服务供需关系的预测研究。

滨海湿地是处于海陆交错区的“边缘地带”,是脆弱且具有珍贵资源的生态系统[6]。滨海湿地斑块通过生态廊道将不同湿地连接起来,组成更大的湿地生态系统网络,为湿地中的生物营造更广阔的生存活动空间[7]。当前滨海湿地生态系统服务已经开展了大量研究,如李楠等[8]、魏强等[9]、商慧敏等[10]分别探讨了不同地区的滨海湿地生态系统服务状况,程敏等[11]也论述了滨海湿地生态系统服务研究进展,但滨海地区与人类发展密切相关,滨海湿地生态系统服务供需研究几乎还是空白,有待人们进一步深入探讨。

河北滨海湿地生态系统服务功能可为实施京津冀协同发展战略方面提供重要的生态支撑。由于近年来人类活动加剧,导致滨海湿地出现了不同程度的退化和萎缩,湿地生态系统服务功能减弱,制约了区域可持续发展进程的推进和社会福祉的进一步提高。河北滨海湿地生态系统服务与社会需求关系研究是促进湿地生态系统保护、提高河北滨海区发展潜力的基础性研究工作,其供需动态评估和不同情景下供需安全预测,有利于决策者及时掌握服务动态变化及准确把握湿地生态系统服务与经济发展之间的平衡点。

本文通过分析滨海湿地面积变化,对2000−2020年河北滨海湿地生态系统服务的供给量和社会对湿地提供的生态系统服务功能的需求量进行评估,进一步从社会需求的角度定量分析滨海湿地生态系统服务功能的供需特征,预测了2030 年不同情景下滨海湿地供需安全状况,以期为滨海湿地功能修复、湿地生态系统服务提升、近海岸生态环境保护与生态安全管理提供参考。

1 研究区概况

河北省海岸带位于38°07′14″～40°01′37″N,117°23′07″～119°57′02″E,海岸线北与辽宁省接壤,南至山东省边界(除去中间天津市部分),滨海平原为河流逐渐向海淤积而成,地势平坦,平均海拔小于5 m,沿渤海西岸呈半环状分布有秦皇岛、唐山和沧州3 市。

河北滨海区属于大陆性季风气候,具有明显的暖温带半湿润季风气候特征,多年平均气温12.2 ℃,多年平均降水量573.5 mm。河北省沿海共有入海河流52 条,由滦河、冀东沿海诸河和南运河三大水系入海。河流入海口主要有洋河口、大蒲河口、滦河口、小清河口、涧河口、南排河口、大口河口等。多年平均入海水量为42.60 亿m3,入海沙量1113.37万t。

河北省滨海湿地主要由自然湿地、人工湿地和以河流沟渠为主的湿地生态廊道组成,自然湿地沿渤海西岸由北向南,位于秦皇岛、唐山、沧州市区内呈半环状分布。考虑到滨海湿地的尺度、代表性、资料可获得性等,选择唐秦海岸带丰南区、曹妃甸区、滦南县、乐亭县、北戴河区、山海关区、抚宁区、海港区境内的曹妃甸湿地、滦河口湿地、黄金海岸湿地和北戴河湿地等滨海湿地,沧州海岸带海兴县、黄骅市境内的海兴湿地、南大港湿地和黄骅湿地等滨海湿地作为研究区(图1)。

图1 河北滨海区及其土地利用特征示意图Fig.1 Schematic diagram of the location and land use types of the coastal district in Hebei Province

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 湿地生态系统服务供给量评估

基于河北滨海湿地面积进行生态系统服务供给的物质量和价值量评估,评估方法参照当量法和DB13_T2784−2018 湿地生态系统服务评估规范[12],具体计算方法如表1 所示。根据河北滨海湿地实际情况,人工湿地主要以养殖水面为主,人工湿地的水产品供给服务价值大于自然湿地,自然湿地的调节服务、支持服务和文化服务大于人工湿地。湿地生态廊道具有过滤污染物、保护环境、调控洪水等多种重要功能[13],生态廊道的净化水质和调节洪水功能大于人工湿地和其他自然湿地。

表1 河北滨海湿地生态系统服务供给量评估方法Table 1 Evaluation methods of ecosystem service supply of Hebei coastal wetland ecosystem

水产品供给服务、固碳服务和释氧服务的供给量评估采用物质量评估方法,水资源供给服务、净化水质服务、调节洪水服务和美学景观服务的供给量评估采用价值量评估方法。

2.1.2 湿地生态系统服务需求量估算

基于公式法计算河北滨海区域对湿地提供的各项生态系统服务的总需求量,估算采用文献[14-22]中的方法,估算参数来源于参考文献[16-22]。具体评估方法如表2 所示。

表2 河北滨海湿地生态系统服务需求量估算方法Table 2 Estimation method for service demand of Hebei coastal wetland ecosystem

水产品供给服务、固碳服务和释氧服务的需求量评估采用物质量评估方法,水资源供给服务、净化水质服务、调节洪水服务和美学景观服务的需求量评估采用价值量评估方法。

2.1.3 情景设定

情景分析是一种系统地、创造性地针对研究对象设置系列情景来思考未来的方法[23]。滨海区域长时间尺度土地利用变化具有显著的系统性、复杂性和不确定性,因此,情景分析是一种行之有效的研究方法。生态系统服务供给量情景设定本文重点参照Chen等[24]和姜彤等[25]的研究成果以及《全国湿地保护规划 (2022−2030 年)》,通过模拟未来湿地面积变化,构建2030 年河北滨海区域未来发展情景,共设置以下3 种情景:

情景①:湿地自然发展情景,设定自然湿地面积减少速率不变。

情景②:湿地合理开发情景,设定自然湿地面积减少速率减少50%。

情景③:湿地严格保护情景,《全国湿地保护规划(2022−2030 年)》指出以滨海湿地生态系统结构恢复和服务功能提升为主攻方向,设定修复2000−2020 年退化的湿地,自然湿地面积恢复40%,湿地生态系统服务供给量提高20%。

生态系统服务需求量情景设定本文重点参照第七次全国人口普查主要数据,人口年平均增长率为0.53%,通过模拟未来人口变化,模拟2030 年河北滨海区湿地生态系统服务需求量。

2.2 数据来源与处理

2.2.1 湿地面积

自然湿地土地利用数据:利用GlobeLand30 的2000 年和2020 年全球30 m 地表覆盖数据。

人工湿地土地利用数据:利用已有研究成果《河北省滨海湿地退化及生态修复技术集成与应用研究报告》[26],并对遥感数据进行处理,包括卫星遥感数据的检查、正射校正、数据配准、融合、图像增强、数据匀色、镶嵌、裁剪、质量检查等流程。

湿地生态廊道数据:河流是重要的生态廊道之一,起着传送物质、能量与信息的重要作用[27-28],与内陆湿地不同的是,滨海湿地通过河流生态廊道近距离连通近岸海域,极大地影响了滩涂和海域的生态环境和水体质量,甚至影响了近海水生生物的生存与生态安全。因此,考虑数据可获取性,本研究以河流水面作为滨海湿地河流生态廊道,重点研究滨海湿地生态廊道在滨海湿地的作用。

2.2.2 社会与统计数据

研究区行政边界数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所资源环境科学与数据中心(https://www.resdc.cn/)。

历史时期人口、人均水资源需求、人均水产品需求、水利投资、碳排放量等社会经济数据来源于《河北统计年鉴》《中国环境统计年鉴》《中国水利统计年鉴》、中国水利统计公报及文献资料等。

3 结果与分析

3.1 河北滨海湿地面积变化

2000 年和2020 年河北滨海湿地面积变化如表3所示。其中唐秦滨海湿地两年间始终为人工湿地面积最大,人工湿地面积呈增加趋势,自然湿地面积减少,主要是曹妃甸工业区旅游业和工业发展侵占了海岸带,挤压了滨海湿地的存在空间[27];唐秦滨海湿地生态廊道面积增加,说明唐秦滨海湿地间连通性增加。在沧州滨海湿地2000 年自然湿地面积大于人工湿地面积,2020 年变为人工湿地面积大于自然湿地面积,主要是因为近年来人类活动加剧,大量河流水面被开发利用成盐田和养殖水面,导致河流水面面积逐年减少[26];同时沧州滨海湿地生态廊道面积减少,说明沧州滨海湿地生态廊道受到了人类干扰,湿地间连通性降低。

试验所用岩石为花岗岩和大理岩，所有同类岩石试件均取自同一大块岩样，朝同一方向切割加工而成，通过切割机获得尺寸为75mm×75mm×150mm的试样，中间有效跨距长L=128mm，处于自然干燥状态。选取花岗岩和大理岩各4个岩样，都分作2组，每组2个岩样。分别对两种岩样做以下加工：第1组岩样不做任何改变，保持原岩试样；第2组岩样利用金刚石锯片在试件中部精心加工了一个深度2mm，宽度1mm的裂纹。

表3 2000 年和2020 年河北滨海湿地面积Table 3 Areas of Hebei coastal wetland in 2000 and 2020 km2

面积可以作为湿地退化的重要标准。从生态廊道面积来看,生态廊道总面积减少,生态廊道是连接不同生态源地之间的重要通道,是生物进行迁移扩散的主要路径,湿地生态廊道面积的减少会导致湿地生境破碎化程度不断提高,甚至会导致生境斑块消失,使得滨海湿地生态系统功能日益衰退[28]。

3.2 湿地生态系统服务供给量评估

基于解译的湿地面积计算了2000 年和2020 年河北滨海湿地生态系统服务供给量变化率以及不同湿地类型、不同生态系统服务类型和不同区域的生态系统服务供给量。

从整个河北滨海湿地的生态系统服务供给量来看(图2),2000−2020 年除水产品供给服务增加外,其他生态系统服务供给均呈降低趋势,水产品供给增加8.05%,增加0.22 万t。其他生态系统服务供给降低11.10%～22.30%。这主要是由于人工湿地面积增加、自然湿地面积减少,人类活动加剧使部分自然湿地被开发利用成为养殖用地。

图2 2000—2020 年河北滨海湿地生态系统服务供给量变化率Fig.2 Change rates of ecosystem service supply of Hebei coastal wetland ecosystem from 2000 to 2020

从不同湿地类型的不同生态系统服务的供给量来看(图3),河北省滨海人工湿地的生态系统服务价值高于自然湿地,这主要是由于人工湿地比自然湿地面积大所致。

图3 2000 年和2020 年河北滨海湿地不同湿地类型的不同生态系统服务的供给量Fig.3 Supply of different ecosystem services for different wetland types in Hebei coastal wetland in 2000 and 2020

从不同生态系统服务类型来看(图3),价值量评估中调节服务的调节洪水服务是滨海湿地生态系统服务中价值最高的服务,湿地作为蓄水库具有较高的调节洪水能力;物质量评估中固碳服务和释氧服务是河北滨海湿地生态系统服务中供给量最多的服务,湿地由于厌氧环境容易导致有机质不充分分解,湿地土壤中积累大量碳成为“碳汇”,因此湿地碳固定量也较高[29]。

从不同区域的生态系统服务供给量来看(图4),沧州滨海湿地的生态系统服务供给量大于唐秦滨海湿地的生态系统服务供给量,特别是调节服务中的调节洪水和支持服务中的释氧服务,主要由于沧州滨海湿地比唐秦滨海湿地面积大。

图4 2000 年和2020 年河北滨海湿地不同区域的生态系统服务供给量Fig.4 Supply of ecosystem services in different regions of Hebei coastal wetland in 2000 and 2020

总体来看,河北滨海湿地生态系统具有供给、调节、支持、文化等多种生态系统服务功能,不但能够提供丰富的水产品和清洁的水资源,而且具备抵御自然洪涝灾害、固碳释氧和促进湿地生态旅游发展等得天独厚的优势条件,因此,对于社会福祉诸多方面的改善和提高均发挥着不可替代的作用[30-32]。根据英国《自然》杂志公布的研究成果全球生态系统价值为33 万亿美元,其中只占地球表面积6%的湿地却提供了全球生态系统服务价值的45%,高达14.9 万亿美元[33],可见滨海湿地提供的生态系统服务不可替代。

3.3 湿地生态系统服务需求评估

河北滨海湿地生态系统服务的受益人数越多,对湿地生态系统服务的需求也会随之增长。基于河北滨海区各地市人口数量和人均需求计算出2000 年和2020 年河北滨海区社会对湿地生态系统服务的需求增加率、不同区域生态系统服务需求供需比。

图5 2000—2020 年河北滨海湿地生态系统服务需求量增加率Fig.5 Increase rates of service demand of Hebei coastal wetland ecosystem from 2000 to 2020

从不同生态系统服务类型来看(图6),价值量评估中文化服务中的美学景观服务是河北滨海区社会需求最高的服务,湿地包含着的丰富的自然景观和历史文化遗产,具有科学研究及教育价值和旅游价值;物质量评估中支持服务中的释氧服务和固碳服务是河北滨海区湿地提供的生态系统服务中需求量最高的服务。

图6 2000 年和2020 年河北滨海湿地不同区域的生态系统服务需求量Fig.6 Demands for ecosystem services in different regions of Hebei coastal wetland in 2000 and 2020

从不同区域的生态系统服务需求量来看(图6),唐秦滨海区对湿地提供的各项生态系统服务的需求大于沧州滨海区。

3.4 生态系统服务供需特征

生态系统服务供需比是供给量与需求量的比值,反映了生态系统服务的供需安全状况,基于计算的河北滨海湿地生态系统服务供给量和河北滨海区社会对湿地提供的各项服务的需求量计算得出2000 年和2020 年河北滨海湿地生态系统服务的不同类型和不同区域供需比。

从整个河北滨海湿地的生态系统服务需求比来看(图7),2000 年到2020 年河北滨海生态系统服务供需比呈明显降低趋势,其中水产品供给服务和调节洪水的供需比降低最多。2000 年,水产品供给、净化水质和调节洪水3 种服务的供需比均>1,说明河北滨海湿地提供的这3 种服务可以满足河北滨海区全社会的需求。2020 年,只有调节洪水服务的供需比大于1。

图7 2000 年和2020 年河北滨海湿地生态系统服务供需比Fig.7 Supply-demand ratios of Hebei coastal wetland ecosystem services in 2000 and 2020

从不同生态系统服务类型来看(图7),2000 年价值量评估中调节服务的调节洪水服务是河北滨海湿地供需比最高的服务,物质量评估中供给服务中的水产品供给是供需比最高的服务。河北滨海湿地可提供社会总需求2.85 倍的水产品供给服务、1.02 倍的净化水质服务和8.19 倍的调节洪水服务。2020 年,物质量评估中供给服务中的水产品供给提供了社会总需求68.43%的水产品供给服务,调节服务中的调节洪水服务的供需比最高,是社会总需求的1.23 倍。可见,随着河北滨海湿地的退化,能提供的生态系统服务在满足河北滨海全域人类社会总需求的基础上,各服务类型的供需余量显著降低。

从不同区域的生态系统服务供需比来看(图8),沧州滨海区湿地的供需比稍大于唐秦滨海区,说明沧州滨海湿地供需安全状况与唐秦滨海湿地相比较好。

图8 2000 年和2020 年河北滨海湿地不同区域的生态系统服务供需比Fig.8 Supply-demand ratios of ecosystem services in different regions of Hebei coastal wetland in 2000 and 2020

3.5 不同情景下生态系统服务供需预测

运用情景假设并参照第七次全国人口普查主要数据,得到 2030 年3 个情景下河北滨海湿地生态系统服务供给量(图9a)、需求量(图9b)和供需比(图9c)预测结果。

图9 河北滨海湿地不同情景下生态系统服务供给量(a)、需求量(b)及供需比(c)预测Fig.9 Forecast of ecosystem service supply (a),demand (b) and supply and demand ratio (c) under different scenarios of Hebei coastal wetland

情景①为湿地自然发展情景,设定湿地面积降低速率不变,即河北滨海湿地会保持2000−2020 年的退化速率,湿地面积会持续减少。

情景②为湿地合理开发情景,设定湿地面积降低速率减少50%,即降低河北滨海湿地的退化速率,合理开发湿地,集中发展养殖业,能有效促进滨海湿地保护与修复,从整个河北滨海湿地生态系统服务供需比来看,情景②的供需比略大于情景①。

情景③为湿地严格保护情景,即根据《全国湿地保护规划(2022−2030 年)》规划目标,科学修复退化湿地,提高湿地的生态系统服务功能。在湿地保护下,河北滨海湿地空间分布由破碎化向恢复和扩大的趋势发展,情景③的生态系统服务供需比大于情景①和情景②。

在自然发展情景(情景①)下,湿地会延续以往的减少趋势,相比之下,如果根据湿地合理开发情景(情景②),湿地面积的降低速率会放缓,但仍不能避免湿地面积的减少,无论情景①还是情景②,湿地面积将会越来越少,而河北滨海湿地已面临的生态安全问题将会得到放大。从供需比的变化不难看出,随着湿地保护规划的贯彻实施(情景③),退化的湿地得到恢复,湿地面积将增加,河北滨海湿地生态安全格局将趋于稳定。

综上所述,情景③的模拟效果总体最好,是河北滨海湿地生态系统未来发展最好的情景模式。

4 讨论

4.1 滨海湿地生态系统服务供需安全格局需要得到重视

生态安全指生态系统在面临威胁时保持结构、过程和功能完整性的能力,高质量的生态系统服务供给和供给满足人们需求后具有余量是保障生态安全的前提[34]。目前全球范围的湿地生态系统几乎都经历了极大程度的退化或消失,《千年生态系统评估报告》指出,全球湿地20 世纪的退化率已超过50%[35],有研究表明美国54%的湿地几乎全部转化为农业用地[36];西班牙60%的天然湿地在 1948−1990年间退化消失[37];法国63%的天然湿地在1900−1993年间消失[38]。伴随着全世界湿地资源的退化与消失、对湿地生态系统服务需求量的迅速增加,湿地生态安全正遭遇巨大危机,湿地生态安全格局分析迫在眉睫。

本文基于河北滨海湿地生态廊道面积变化和生态系统服务供需比变化分析了湿地生态系统服务供需特征,研究表明人类对湿地生态系统的干预已经导致河北滨海湿地出现了潜在生态危机。从面积变化来看,在2000−2020 年,河北滨海湿地人工湿地面积显著增加、自然湿地面积和生态廊道面积减少。从生态系统服务供需比来看,调节洪水服务供需比最高,调节洪水服务是目前暂时无需考虑的生态安全问题;河北滨海湿地面积仅占河北滨海区全域面积的6.3%,而水产品供给服务、水资源供给服务和净化水质服务均提供社会总需求量的60%以上,是目前需要重点关注的生态安全问题,是未来可能影响区域生态安全的隐患;固碳、释氧和美学景观服务的供需比都较低,是未来生态安全发展中的短板。

已有研究表明,人口与社会经济活动等人为干扰是影响湿地生态安全的关键驱动力[39-40],与人为活动相比,自然因素对湿地生态系统影响相对较小[39,41]。如海南岛湿地水产养殖事业发展、城市化扩张迅速,已经给湿地景观生态安全带来负面影响[42]。在宏观管理层面,我国第一部湿地保护法《中华人民共和国湿地保护法》已开始实施,同时《全国湿地保护规划 (2022−2030 年)》等湿地相关规划已出台,为今后湿地保护和管理提供强有力的法治保障,可以维护和强化区域生态空间格局的连续性和完整性,以最大限度发挥湿地生态功能。

4.2 不同情景下湿地生态保护与社会经济发展之间的权衡

中国湿地面积占世界湿地的10%,位于亚洲第1 位,世界第4位[43],然而我国人均湿地面积却不到世界人均湿地面积的1/5。量化湿地生态系统服务与社会需求之间的关系能够清晰表达湿地资源的生态价值,而且还能展现湿地资源可提供的社会经济效益。本文研究结果表明,河北滨海自然湿地面积减少,滨海经济发展与生态环境保护之间的矛盾进一步凸显,在目前湿地大规模退化和亟待保护的背景下,如何权衡生态效益和经济效益关系是当前面临且急需解决的科学问题,基于此本研究利用情景分析进行了探讨。

湿地资源的过度开发以及利用方式改变通常是由于忽略了其提供的间接生态系统服务。本研究的优势在于,不仅考虑到各情景下生态系统服务功能的变化,同时也考虑各情景人类实际需求的变化,如果片面追求生态系统服务价值的最大化,这样的发展模式很难实现区域经济与环境的协调发展。利用情景分析法分析未来生态系统服务供需比,可以得到一个综合效益较优的解决方案,从而实现不同发展目标的土地利用方式及滨海湿地发展方向。

与其他方案相比,基于确定的最优情景假设方案湿地面积的增加可以满足滨海生态安全的需要,这也是该方案中湿地保护的趋向性决定的,但同时人工湿地和建设用地的发展会为滨海生态环境保护做出一定的让步,但若优化产业结构、加快产业升级[27],从湿地生态系统中寻求弹性较大、适应能力较强的生态经济发展模式不但能够加强地区经济发展与生态环境之间的协调性,而且也能够显著提高地区发展潜力和竞争优势。因此,走以自然的解决方案为指导的经济发展道路是河北滨海实现可持续发展的必然选择。