南水北調(diào)中線工程核心水源區(qū)生態(tài)服務(wù)價值變化研究

陳曉玲， 何 雄， 劉 海

(1.武漢大學(xué) 測繪遙感信息工程國家重點實驗室， 武漢 430079； 2.湖北大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院， 武漢 430062)

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陳曉玲1， 何 雄1， 劉 海2*

(1.武漢大學(xué) 測繪遙感信息工程國家重點實驗室， 武漢 430079； 2.湖北大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院， 武漢 430062)

南水北調(diào)中線工程已正式開始向北方輸水，研究核心水源區(qū)的生態(tài)服務(wù)價值，可以為合理利用自然資源，保護生態(tài)環(huán)境提供重要的參考依據(jù).該文確定了南水北調(diào)中線工程核心水源區(qū)范圍，在分析生態(tài)服務(wù)價值評估方法的基礎(chǔ)，評估了核心水源區(qū)生態(tài)服務(wù)價值，并從生態(tài)服務(wù)價值生態(tài)系統(tǒng)差異、區(qū)域差異、變化率以及空間分布等方面，分析了20多年來核心水源區(qū)生態(tài)服務(wù)價值的變化特征：全流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈逐年遞增的趨勢；單位面積生態(tài)服務(wù)價值最高的子流域為官渡河流域、堵河流域與霍河流域，丹江流域與老灌河流域最低；老灌河流域、丹江流域、天河流域變化趨勢最好，潭口河流域最差；中南部生態(tài)服務(wù)價值高于西南、東南部，北部最低.

核心水源區(qū); 南水北調(diào); 生態(tài)服務(wù)價值; 變化分析

自然生態(tài)系統(tǒng)是人類和其他生命生存和發(fā)展所必須的環(huán)境條件，為人類提供了一切生存所需的資源，不僅包括實物型生態(tài)產(chǎn)品，還有更多類型的非實物型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[1].生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值是指自然生態(tài)系統(tǒng)及其組成物種所產(chǎn)生的對人類生存和發(fā)展有支持作用的狀況和過程，有著極大的經(jīng)濟價值[2].定量評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，可以為合理利用自然資源，提供重要的參考依據(jù).而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的不確定性和復(fù)雜性，使得對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的獲取有一定難度.自上世紀90年代以來，國內(nèi)外許多研究者在各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值方面做了大量研究.

國外對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的研究起步較早，在大范圍評價某一類資源的生態(tài)服務(wù)價值方面，Costanza等人將全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能劃分為17種類型來進行評估，并以貨幣的形式對其服務(wù)價值進行估算[3].隨后多位學(xué)者基于此方法，對世界各地，不同類型的區(qū)域開展了研究[4-8].近年來，部分學(xué)者又引入了不同的方法來進行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的評估，如GIS方法，元分析和價值轉(zhuǎn)移方法，效益轉(zhuǎn)移方法，多目標的空間決策支持系統(tǒng)等方法開展了研究[9-12].在我國，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究工作于20世紀80年代起步，多位學(xué)者分別對我國陸地生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、林地生態(tài)系統(tǒng)等的區(qū)域，基于不同的方法，評估研究了其生態(tài)服務(wù)價值[13-18].

南水北調(diào)中線工程核心水源區(qū)是緩解北方缺水問題，尤其是京津地區(qū)缺水的重大戰(zhàn)略工程與基礎(chǔ)設(shè)施[19].2014年11月，丹江口水源區(qū)正式開始向北方輸水，研究核心水源區(qū)的生態(tài)服務(wù)價值，對水源區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護，以及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.

1 研究區(qū)劃定

根據(jù)南水北調(diào)中線工程水源區(qū)所涉及到搬遷的區(qū)域，即庫區(qū)加高后可能被淹沒的區(qū)域，將其定義為丹江口核心水源區(qū).據(jù)此確定水源區(qū)所在的行政區(qū)域包括陜西省境內(nèi)的白河縣，河南省境內(nèi)的淅川縣和鄧州市，以及湖北省十堰市全域.獲取水源區(qū)行政區(qū)所在的DEM數(shù)據(jù)，本研究采用國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺提供的SRTM 90 m空間分辨率DEM，通過水文分析，提取核心水源區(qū)流域范圍及各個子流域邊界，如圖1.

圖1 水源區(qū)流域分布圖Fig.1 The watershed distribution of water source

2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估算

2.1 估算方法確定

目前，對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的評估方法有很多，但還沒有形成一個統(tǒng)一的、規(guī)范的評估方法，大多數(shù)來源于生態(tài)經(jīng)濟學(xué)、環(huán)境經(jīng)濟學(xué)和資源經(jīng)濟學(xué).目前較為常用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估方法主要有市場價值法、替代市場法和假象市場價值法3大類，每類評價方法都有多種形式，常用的有市場價值法、機會成本法、費用支出法、條件價值法、影子工程法等[20-21].

謝高地等人依據(jù)Costanza提出的生態(tài)服務(wù)價值評估方法，結(jié)合我國的實際情況，運用條件價值法，對多位專業(yè)人員進行問卷調(diào)查，得出新中國生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值表[22-23].根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的單位面積價值，可以計算研究區(qū)域生態(tài)服務(wù)功能的經(jīng)濟價值，其計算公式如下：

其中，ESV表示研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值(元)，VCi表示第i類土地利用類型單位面積的生態(tài)功能總服務(wù)價值系數(shù)(元/hm2)，Ai表示研究區(qū)域內(nèi)第i類土地利用類型的面積(hm)，n為土地利用類型數(shù)目.

2.2 生態(tài)服務(wù)價值估算

采用1990年、2000年和2013年3期30m分辨率的Landsat遙感影像，通過幾何校正配準，基于最大似然的監(jiān)督分類以及目視解譯相結(jié)合的方法，獲得丹江口1990年、2000年和2013年3期土地利用數(shù)據(jù).運用謝高地等人計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的方法，對丹江口核心水源區(qū)不同流域生態(tài)服務(wù)價值進行計算[22].結(jié)果見表1.

表1 丹江口流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值

3 生態(tài)服務(wù)價值分析

3.1 生態(tài)服務(wù)價值生態(tài)系統(tǒng)差異分析

1.2.2 MDC熒光染色檢測TU686細胞自噬產(chǎn)生 參考文獻[10]進行自噬檢測。在24孔培養(yǎng)板中鋪上爬片，3×104/孔，37 ℃、5% CO2培養(yǎng)箱中貼壁培養(yǎng)24 h。按OPC濃度分為4組實驗組，濃度分別為0、20、30和40 μg/mL，分別處理細胞24 h。培養(yǎng)板中將已爬好細胞的玻片用PBS浸洗3次，3 min/次。每孔加入200 μL 1 mmol/L MDC染液，37 ℃孵育1 h。PBS浸洗爬片3次，3 min/次，洗盡殘余MDC染液。爬片置于載玻片，正置熒光顯微鏡下觀察。

分析丹江口流域不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值可知，林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值最高，2013年服務(wù)價值為1 684 356.82萬元，占流域生態(tài)系統(tǒng)總服務(wù)價值的72.9%，遠高于其他類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值；其次是耕地和水體，2013年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分別為280 004.97萬元和169 360.41萬元，占流域生態(tài)系統(tǒng)總服務(wù)價值的比例分別為12.1%和7.3%；未利用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值最低，為261.64萬元.

對比分析不同類型生態(tài)系統(tǒng)年際變化趨勢，1990年～2013年，林地和水體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值逐年增加，草地、耕地和未利用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值逐年降低.流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值呈逐年增加的趨勢.

3.2 生態(tài)服務(wù)價值區(qū)域差異分析

為使各流域間差異在各時期更為直觀明了，計算各流域各時期單位面積生態(tài)服務(wù)價值占全流域單位面積生態(tài)服務(wù)價值比例(表2).

表2 各時期單位面積生態(tài)服務(wù)價值占總價值比例

對各流域而言，官渡河流域生態(tài)服務(wù)價值在3個時期所占比例均明顯高于其余流域，即該流域發(fā)展?jié)摿ψ畲螅瑑r值最高，其3個時期所占比例均超過1.2.堵河流域與霍河流域單位面積生態(tài)服務(wù)價值比例次之，其生態(tài)服務(wù)價值比例在3個時期均在1.0以上.丹江流域與老灌河流域單位面積生態(tài)服務(wù)價值比例最低，3個時期生態(tài)服務(wù)價值比例均在0.71以下.其余流域單位面積生態(tài)服務(wù)價值除夾河流域、天河流域、漢江流域在2013年在1.0與1.05之間外，其余時期各流域均在0.7與0.1之間.

3.3 生態(tài)服務(wù)價值變化率分析

根據(jù)不同時期各流域生態(tài)服務(wù)價值分布，計算得到丹江口核心水源區(qū)各子流域不同時期生態(tài)服務(wù)價值變化率，如表3所示：

表3 丹江口核心水源區(qū)各流域生態(tài)服務(wù)價值變化率

全流域1990年～2000年總體生態(tài)服務(wù)價值狀況呈上升趨勢.天河河流生態(tài)服務(wù)價值上升程度最高，增長率為15.54%，約為該時期全流域生態(tài)服務(wù)價值漲幅的3倍，是該時期發(fā)展?jié)摿ψ罡叩膮^(qū)域.官渡河流域生態(tài)服務(wù)價值提升程度最小，為0.22%.

從全流域角度而言，1990年～2013年丹江口核心水源區(qū)生態(tài)服務(wù)價值呈上升趨勢，即水源區(qū)土地發(fā)展?jié)摿χ鹌谔嵘?1990年～2000年生態(tài)服務(wù)價的變化率小于2000年～2013年生態(tài)服務(wù)價值的變化率，即水源區(qū)2000年～2013年土地發(fā)展?jié)摿μ嵘潭却笥?990年～2000年生土地發(fā)展?jié)摿μ嵘某潭?從各流域生態(tài)服務(wù)價值變化量分布來看，老灌河流域、丹江流域、天河流域變化趨勢最好，生態(tài)服務(wù)價值逐期增加，即發(fā)展?jié)摿χ鹌谔嵘?，而潭口河流域生態(tài)服務(wù)價值是在該時期內(nèi)唯一下降的流域.

3.4 生態(tài)服務(wù)價值空間分布分析

為了更加直觀的表達評價的結(jié)果，將各流域單位面積生態(tài)服務(wù)價值標準化后從高到低劃分為不同的等級，以表達不同區(qū)域的生態(tài)服務(wù)價值分布情況.

表4 丹江口核心水源區(qū)各流域生態(tài)服務(wù)價值標準化處理

使用處理公式對其進行標準化處理：

yi=(ximax-xi)/(ximax-ximin)，

式中，yi表示第i種營養(yǎng)物負荷歸一化后的值；xi表示第i種營養(yǎng)物負荷的原始值；ximin表示第i種營養(yǎng)物負荷的最小值.

根據(jù)各流域單位面積生態(tài)服務(wù)價值標準化計算結(jié)果，對其進行分級評估.本次分級評估選擇使用自然斷點法(Natural Breaks)分類.將各流域生態(tài)服務(wù)價值分為5個等級，分別為高、較高、一般、較低、低，分級標準如表5.

依據(jù)上述生態(tài)服務(wù)價值污染分級表，結(jié)合處理得到的丹江口流域各年各區(qū)域生態(tài)服務(wù)價值得分，處理得到各流域不同時期生態(tài)服務(wù)價值級別分布圖，如圖2.

表5 生態(tài)服務(wù)價值分級

圖2 丹江口核心水源區(qū)生態(tài)服務(wù)價值分級圖Fig.2 The map of ecosystem service value classification

分析可知，1990年即第1期時，丹江口核心水源區(qū)大部分地區(qū)生態(tài)服務(wù)價值狀況涵蓋了低、較低、一般、較高和高5個等級.水源區(qū)中南部區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力最佳，處于高水平級別，整體水平南高北低.

2000年即第2時期時，除水源區(qū)西北向、東北向部分地區(qū)的生態(tài)服務(wù)價值有跨級別上升外，其余流域的生態(tài)服務(wù)價值均與上一個時期保持一致，但水源區(qū)北部的生態(tài)服務(wù)價值級別仍總體低于中南部區(qū)域.

2013年即第3時期時，除東北角老灌河流域水源區(qū)生態(tài)服務(wù)價值由低級別上升至較低級別外，其余流域的生態(tài)服務(wù)價值均與上一個時期保持一致.全區(qū)生態(tài)服務(wù)價值狀況的最低級別提升，由低級別提升至較低級別.中南部水源區(qū)域的生態(tài)服務(wù)價值雖高于北部水源區(qū)，但其提升幅度低于北部水源區(qū).

對于丹江口核心水源區(qū)整體而言，中南部水源區(qū)生態(tài)服務(wù)價值高于水源區(qū)西南角、東南角，北部水源區(qū)雖在不同時期生態(tài)服務(wù)價值狀況提升較大，但其生態(tài)服務(wù)價值狀況仍低于上述區(qū)域.

4 小結(jié)

論文分析了生態(tài)服務(wù)價值的研究現(xiàn)狀以及估算方法，并采用Costanza等人計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的方法，對丹江口流域及其各子流域在1990年、2000年和2013年3個時期的生態(tài)服務(wù)價值進行了估算，并對其時空變化進行了分析.結(jié)果表明：

(1)1990年～2013年，丹江口流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈逐年遞增的趨勢.各類型生態(tài)系統(tǒng)中，林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值最高，其次是耕地和水體，未利用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值最低.

(2)比較各子流域，官渡河流域生態(tài)服務(wù)價值在3個時期所占比例均明顯高于其余流域；堵河流域與霍河流域單位面積生態(tài)服務(wù)價值比例次之，其生態(tài)服務(wù)價值比例在3個時期均全流域平均以上.丹江流域與老灌河流域單位面積生態(tài)服務(wù)價值比例最低，3個時期生態(tài)服務(wù)價值比例均在0.71以下.其它流域各時期均在0.7以上.

(3)全流域1990年～2013年生態(tài)服務(wù)價值呈上升趨勢,其中2000年年～2013年提升程度大于1990年年～2000年提升的程度.從各流域生態(tài)服務(wù)價值變化量分布來看，老灌河流域、丹江流域、天河流域變化趨勢最好，而潭口河流域生態(tài)服務(wù)價值是在該時期內(nèi)唯一下降的流域.

(4)在空間分布方面， 中南部水源區(qū)生態(tài)服務(wù)價值高于西南、東南部，北部水源區(qū)雖在不同時期生態(tài)服務(wù)價值狀況提升較大，但其生態(tài)服務(wù)價值狀況仍低于上述區(qū)域.

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Changes on eco-service value in central water source area of Middle Route of South-to-North Water Diversion Project

CHEN Xiaoling1， HE Xiong1， LIU Hai2

(1.State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying， Mapping and Remote Sensing，Wuhan University， Wuhan 430079; 2.Faculty of Resources and Environmental， Hubei University， Wuhan 430062)

Middle Route of South-to-North Water Diversion Project has diverted water to north. Research on the eco-service value in central water source area provides reference for rational utilization of natural resources and protecting the ecological environment. This paper determined the range of Middle Route of South-to-North Water Diversion Project， evaluated eco-service value in central water source area based on analyzing the ecological service value evaluation method. And it analyzed the ecological service value change characteristics for more than twenty years of the central water source， from the several aspects of ecosystem differences， regional difference， rate of change and spatial distribution and so on. The whole watershed ecosystem services value gradually increases. The sub-basins with the highest per unit area ecosystem service value include Guandu river basin， Duhe river basin and Hohe river basin. The lowest includes Danjiang river basin and Laoguan river basin.The Sub-basins with the best variation trend include Laoguan river basin， Danjiang river basin and Tianhe river basin. The worst is Tankou river basin. Ecological service value in south-central is higher than both the southwest and southeast， while north is the lowest．

central water source area; South-to-North Water Diversion; eco-service value; change analysis

2015-01-26.

2015測繪地理信息公益性行業(yè)科研專項項目(201512026).

陳曉玲(1962- )，女，湖北武漢人，二級教授，博士生導(dǎo)師，主要從事定量遙感理論方法以及RS/GIS技術(shù)在生態(tài)、環(huán)境、災(zāi)害中的應(yīng)用研究.E-mail：cxl@lmars.whu.edu.cn.

*通訊聯(lián)系人. E-mail: liuhai11191@163.com.

1000-1190(2015)03-0434-06

TU991.11；F062.2

A