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自然生态系统服务的意义探新

2013/04/11 阅读:

数据与方法

1研究区概况

三江源区地处青藏高原腹地、青海省南部,位于89°24''''~102°23''''E和31°39''''~36°16''''N之间,行政区域涉及果洛、玉树、海南、黄南4个藏族自治州的16个县和格尔木市的唐古拉乡,土地总面积约为36.3×104km2。三江源区地貌类型复杂多样,地势由东南至西北逐渐抬升,同时受来自南部孟加拉湾暖湿气流的影响,造成自东南向西北温度和降水量均逐渐降低,具有典型的高原大陆性气候特征。受地貌、气候等自然因素的影响,该区自然成土过程缓慢,土层薄、质地粗、肥力低下,尚处于年轻发育阶段。植被类型以森林和草地为主。2003年,国家正式批准了三江源国家级自然保护区(以下简称“保护区”),总面积达15.23×104km2(图1),并从2005年开始启动实施《青海三江源自然保护区生态保护和建设总体规划》,总投资超过75亿元,用于生态保护与建设、农牧民生产生活基础设施建设和科技支撑等建设项目,其中生态保护与建设投资49.25亿元,主要涉及退牧还草、已垦草原还草、退耕还林、生态恶化土地治理、森林草原防火、草地鼠害治理、水土保持和保护管理设施与能力建设等8项内容。

2数据来源

1.土地利用/覆被数据:2000、2008年2期土地利用/覆被数据来源于中国资源与环境数据中心,分辨率为1km。结合土地利用和区域生态环境等相关资料,将研究区划分为农田、森林、草地、水体与湿地、荒漠和其他生态系统6种类型,其中农田生态系统包括水田和旱地,森林生态系统包括密林地(有林地)、灌丛、疏林地和其他林地,草地生态系统包括高覆盖度草地、中覆盖度草地和低覆盖度草地,水体与湿地生态系统包括沼泽地、河渠、湖泊、水库、冰川与永久积雪及滩地,其他生态系统包括居民点(城镇、农村居民点和工矿用地)、裸土地和裸岩石砾地,荒漠生态系统包括沙地、戈壁、盐碱地和高寒荒漠。

2.遥感数据:NPP数据来源于美国蒙大拿大学森林学院(TheNumericalTerradynamicSimulationGroup)工作组提供的MOD17A3产品(基于BIOME-BGC模型计算),分辨率为1km;NDVI数据来源于“国际科学数据服务平台”提供的MODIS月植被指数L3产品,分辨率为1km。

3.DEM数据:DEM数据及其衍生的坡度数据来源于中国资源与环境数据中心,分辨率为1km。

4.气象数据:三江源区16个气象台站的降水量和气温数据来源于国家气象局。5.土壤数据:全国1∶100万土壤类型分布图来源于中国资源与环境数据中心。6.其他数据:主要包括《中国物价年鉴》、《青海统计年鉴》、《黄河水资源公报》、《长江水资源公报》、《青海省水资源公报》等。

3生态系统服务价值评估方法

生态系统服务分类以及价值评估指标的选取是生态系统服务价值评估的重要环节。当前,国内外学者对生态系统服务分类进行了诸多探讨,其中以Costanza、DeGroot以及MA的研究成果最具有代表性。由于MA提出的分类体系有助于反映生态系统服务与人类福祉的关系,本文依此将三江源区生态系统服务归纳为供给服务、调节服务、文化服务和支持服务四类。供给服务是指人类从生态系统获得的各种产品;调节服务是指人类从生态系统过程的调节作用获得的收益;文化服务是指通过丰富精神生活、发展认知、大脑思考、消遣娱乐以及美学欣赏等方式,而使人类从生态系统获得的非物质收益;支持服务是指生态系统生产和支持其他服务的基础服务。考虑到土壤形成、初级生产等支持服务发挥作用的时间周期长,在空间上也往往是全球或区域性的,其价值全部体现在其他三种服务类型上,对其估价会造成价值的重复计算,故不对支持服务进行估价。结合MA的分类体系,并从研究区的生态系统类型、生态系统服务的重要程度、价值评估的目的、数据的可获得性以及经济价值的量化方法等角度进行分析,最终选取了产品供给、水分调节、空气质量调节、气候调节、土壤保持以及游憩休闲6项评估指标。采用物质量和价值量相结合的方法对其逐一进行估算,具体方法如下。

3.1产品供给

生态系统的产品供给价值可以通过市场交换来实现,本文以农林牧渔行业的增加值(增加值=总产值-中间消耗)来表示这部分价值。

3.2水分调节

根据水量平衡原理,水分调节的物质量为降水量与蒸散发量及其他消耗的差。本文利用InVEST模型和SCS模型分别计算区域产水量和地表径流量,水分调节的物质量即产水量与地表径流之差。水分调节的价值量通过影子工程法来确定(表1)。

3.3空气质量调节

生态系统对空气质量的调节作用主要体现在吸收空气有害物质和吸附粉尘等方面。考虑到研究区及周边地区的实际环境状况,本文估算了森林和草地生态系统吸收SO2的价值(表2)。

3.4气候调节

气候调节服务价值指生态系统调节空气温度、湿度以及吸收温室气体带给人类的利益。本文根据已有方法和资料,估算了保护区森林和草地生态系统在固碳(吸收CO2)方面的经济价值(表3)。

3.5土壤保持

运用土壤流失方程(USLE)计算生态系统单位面积土壤保持量;从恢复生态学角度出发,分别评价保护区保持土壤养分、减少废弃土地和减少泥沙淤积等方面的经济价值(表4)。

3.6游憩休闲

采用旅行费用法(TCM)对游憩价值进行评估。该方法把游憩价值划分为实际支付的旅行费用(包括交通费、与旅游有关的直接花费等)、旅行时间费用和消费者剩余三部分。由于三江源国外旅游人数占旅游总人数的比例很小,因而仅计算国内游客的游憩价值。

结果与分析

1生态系统类型转换与面积变化

基于土地利用/覆被数据,将研究区生态系统划分为农田、森林、草地、水体与湿地、荒漠和其他生态系统6种类型。由图2可知,2000—2008年保护区生态系统类型发生转换的面积共有38120km2,占保护区总面积的26.05%。各生态系统类型间的转换强度存在差异(表5),其中以草地与荒漠、其他生态系统之间的相互转换最为激烈。8a间,草地向荒漠和其他生态系统转出11098km2,同时荒漠和其他生态系统向草地转入9045km2;其次,草地和水体与湿地之间的转换也较强烈,但后者对前者的转入量远高于前者对后者的转出量,导致水体与湿地面积大幅度下降;草地与森林之间的相互转换量基本持平,其余各生态系统类型之间的转换程度比较微弱。

研究期内,保护区农田面积变化最大(增加420km2),而其他类型生态系统的面积没有发生太大改变,其中,其他生态系统、荒漠和森林的面积分别增加1308km2、866km2和247km2,草地和水体与湿地分别减少841km2和2000km2(图2)。保护区生态系统类型以草地为主,生态工程实施前(2000年),高、中、低覆盖度草地面积分别占保护区总面积的3.35%、25.33%和43.10%;生态工程实施后(2008年),高、中、低覆盖度草地面积分别占保护区总面积的4.14%、28.21%和38.86%,8a间高、中覆盖度草地面积一共增加了5368km

2生态系统服务价值变化

2.1产品供给

根据《青海统计年鉴》[29]可以统计得到2000年和2008年三江源区(除唐古拉乡外)的产品供给价值,按面积折算后,得到2000年和2008年保护区的产品供给价值(经价格指数调整)分别为5.10×108元和1.47×109元(表6)。8a间,农田、森林和草地的产品供给价值分别增加了3.09×108元、3.45×106元和6.50×108元,其余各生态系统类型的产品供给价值未发生变化;草地和森林的单位面积价值分别增加了6271元/km2和498元/km2,而农田的单位面积价值减少了4.31×105元/km2。

2.2水分调节

由表7可知,2000—2008年农田、森林、草地和其他生态系统的水分调节价值分别增长了1.42×108元、2.48×108元、1.75×1010元和2.61×108元,而水体与湿地和荒漠生态系统的水分调节价值分别减少了1.99×109元和8.84×108元。8a间,草地的单位面积价值增长最快(1.70×105元/km2),其次为森林(2.05×104元/km2)和其他生态系统(7621元/km2),其余各生态系统类型(包括农田、水体与湿地和荒漠)的单位面积价值均有所减少。

2.3空气质量调节

2000年和2008年保护区森林吸收SO2量分别为1.34×108kg和1.39×108kg;SO2的治理费用按现行征收标准0.6元/kg来计算,得到2000年和2008年保护区森林的空气质量调节价值分别为8.05×107元和8.35×107元;8a间该类价值增加了3.05×106元。根据表2的评价方法,在已知草地NPP的情况下,推算出2000年和2008年保护区草地的空气质量调节价值分别为2.98×108元和2.64×108元;8a间该类价值减少3.39×107元,单位面积价值减少303元/km2。

2.4气候调节

基于表3分别估算了2000年和2008年保护区森林和草地的固碳量,结果发现,保护区森林固碳量由2000年的0.56TgC增加到2008年的0.61TgC,草地固碳量由2000年的6.72TgC减少到2008年的5.73TgC。

生态系统的固碳价格按碳税法(1.02元/kgC)来确定,得到2000年和2008年森林的气候调节价值分别为5.75×108元和6.18×108元,8a间该类价值一共增加4.38×107元,单位面积价值增加3250元/km2;2000年和2008年草地的气候调节价值分别6.86×109元和5.84×109元,8a间该类价值一共减少1.02×108元,单位面积价值减少9238元/km2。

2.5土壤保持

如表8所示,2000—2008年保护区生态系统的土壤保持价值一共增加9.17×108元,其中,农田、森林和草地的土壤保持价值分别增加2.93×107元、2.81×108元和8.17×108元,水体与湿地和荒漠的土壤保持价值分别减少1.72×108元和3.78×107元。8a间,森林的单位面积价值增长最快(3.48×104元/km2),其次为草地(8.51×103元/km2),其余各生态系统类型(包括农田、水体与湿地和荒漠)的单位面积价值呈减少趋势。

2.6游憩休闲

按照旅行费用法(TCM),游憩价值由实际支付的旅行费用、旅行时间费用和消费者剩余3部分组成。通过整理青海省旅游局提供的资料可得,2008年三江源区实际支付的旅行费用为1.53×109元。旅游时间价值采用机会工资成本替代,一般为实际工资的40%;游客的工资标准按2007年客源地职工年平均工资进行统计,职工月平均工作时间为167.4h/月,那么在已知青海省外和省内游客平均停留时间(2008年分别为151h和53h)的情况下,得到2008年三江源区的旅行时间价值为7.19×108元。运用SPSS13.0软件计算了三江源总旅行费用对旅游率的各种回归统计值,发现S曲线模型拟合性较好,R2=0.719;由回归方程进一步求得各主要客源地旅游人次与旅行费用之间的函数关系式及游憩需求曲线,消费者剩余即需求曲线与游客所支付的价格(即旅行费用)之间的面积;2008年三江源区消费者剩余为1.84×109元。基于现有可获得的资料,假设2000—2008年青海省游客主要客源地、人均旅行费用以及人均旅行时间价值保持不变。根据2000年和2008年青海省国内游客人次比例(35.22%)和2008年三江源区游憩价值,推算出2000年三江源区主要客源地实际支付的旅游费用为5.39×108元,旅行时间价值为2.53×108元,消费者剩余为1.76×109元。按面积折算后,得到2000年和2008年保护区的游憩价值分别为1.08×109元和1.73×109元;各生态系统类型的游憩价值如表9所示。

讨论

1.本文综合考虑各种因素,对生态恢复过程中三江源自然保护区生态系统服务价值动态变化进行了定量分析。结果发现,2000—2008年保护区生态系统服务总价值呈现明显的增长趋势,8a间一共增加1.68×1010元。草地是保护区生态系统服务价值的最大贡献者,2000年和2008年草地生态系统服务价值分别占保护区生态系统服务总价值的74.00%和82.75%。研究期内,区域草地面积基本保持不变(-841km2),但由其提供的生态系统服务价值却增加了1.84×1010元,因此可以推断,生态系统类型变化或土地利用类型变化不是引起研究区生态系统服务价值大幅度上升的主要原因。

2.2000年以来,随着退牧还草、沙漠化防治、鼠害防治以及水土保持等各项工程的不断推进,大量的荒漠、沙地和裸地转换为草地,高、中覆盖度草地面积增加了5368km2,源区草地植被退化、沙化的态势已逐步得到遏制;同时,在气温升高、降水增加等有利因素的共同影响下,草地的单位面积价值增幅高达49.89%,表明2000—2008年间,保护区草地生态系统的整体质量状况有了很大程度的提升。研究期间,国家还采取了退耕还林、封山育林等措施对保护区森林进行积极治理和保护,然而,经统计分析可知,各项措施的总规模不足保护区森林总面积的0.005%;保护区森林面积虽然稳中有升(增加247km2),但森林生态系统类型的转换过程绝大部分发生在草地和森林之间,由此可见,当前生态建设对于森林生态系统服务价值变化的驱动作用并不显著。生态恢复过程中,保护区森林生态系统服务价值增加与森林区域水热条件的改善(年均降水量增加24.47mm,日均温增加0.44℃)关系更为密切。研究期内,水体与湿地的生态系统服务价值迅速减少(-2.14×109元),减幅达56.08%,同样是由气候因子变化所致。水体与湿地只有很少一部分转换成农田或其他生态系统,说明人为因素对该生态系统服务价值变化的影响较小,而区域年降水量减少(-3.16mm)、气温升高(0.79℃),一方面使水体与湿地大面积退缩,另一方面则造成水体与湿地的生态服务功能减弱和单位面积价值减少,因此,后者是水体与湿地生态系统服务价值骤然下降的主导原因。此外,人口增长也可间接引发区域生态系统服务价值变化。2000年和2008年保护区人口数量分别为24.19万和30.50万,8a间区内人口增加了26.08%;较高的人口增长压力促使大量的草地被开垦为农田,导致农田面积增加392.52%,进而引起保护区农田生态系统服务价值迅速上升。从评估结果来看,尽管农田总的单位面积价值较大,但森林、草地等的单位面积生态价值(包括水分调节、空气质量调节和土壤保持价值)要远高于农田,因此,从生态保护的需求出发,今后应加强围栏封育、封山育林等防护措施,合理开发利用土地资源,重点维护好保护区森林、草地和水体与湿地的生态环境。

3.生态系统服务价值变化是土地利用类型、植被覆盖状况以及气候等众多因素共同作用的结果。

本文对生态系统服务价值的动态评估及驱动力分析只是一个初步研究,如何区分和量化生态系统服务价值变化对不同因素的响应程度,以为后续生态恢复和评价提供科学依据,是今后研究尚待解决的重要问题。受基础资料和方法所限,本文关于生态服务价值的估算比较粗略,例如,生态系统服务价值评估过程只选取了产品供给、水分调节等6项指标,而忽略了对调节干扰、非使用价值等其他方面的估算,空气质量调节价值和气候调节价值只评估了森林和草地两个生态系统类型,产品供给价值和游憩休闲价值的统计数据不包括唐古拉乡且采用面积折算的办法得到等,评估结果可能存在一定偏差,但这并不影响对区域生态系统服务价值变化趋势的判断,也不会对气候要素、人类活动及政策等的驱动作用分析造成严重偏离。

结论

1.2000—2008年三江源自然保护区生态系统类型发生转换的面积共有38120km2,主要发生在草地与荒漠、其他生态系统之间;各生态系统类型的面积没有太大改变。8a间,保护区生态系统服务总价值呈现明显的增长趋势,一共增加1.68×1010元;其中,农田、森林、草地和其他生态系统服务价值分别增加4.86×108元、6.12×108元、1.84×1010元和3.15×108元,水体与湿地和荒漠的生态系统服务价值分别减少2.14×109元和8.44×108元。2.生态系统服务价值变化的驱动因子是多方面的综合因素。通过对主要生态系统类型的价值贡献及其面积变化等情况进行分析可知,生态系统类型变化不是引起研究区生态系统服务价值大幅度上升的主要原因。不同生态系统类型的生态服务价值变化对各驱动因素的响应存在差异;保护区草地生态系统服务价值增加是受生态建设和气候因子变化的双重影响,森林、水体与湿地生态系统服务价值变化受气候因子变化影响较深,而农田生态系统服务价值变化主要跟农田面积的扩大有关。

作者:赖敏吴绍洪戴尔阜尹云鹤潘韬赵东升单位:中国科学院地理科学与资源研究所中国科学院大学

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