包 蕊,劉 峰,*,張建平,段穎琳,趙 帥,嚴(yán)曉亞,劉 英

1 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,重慶 400715 2 甘肅省平?jīng)鍪嗅轻紖^(qū)水土保持局,平?jīng)?744000 3 蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,蘭州 730070 4 重慶市市政環(huán)衛(wèi)監(jiān)測中心,重慶 401121

隨著社會經(jīng)濟(jì)與人口的快速發(fā)展及其對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的過度需求,全球生態(tài)系統(tǒng)有60%的功能項(xiàng)正在退化[1],影響了人類的生存發(fā)展和區(qū)域的生態(tài)安全,其主要原因之一是缺乏生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的有效管理[2]。由于生態(tài)系統(tǒng)類型的多樣化及其相互關(guān)系的復(fù)雜性,過于強(qiáng)調(diào)某項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時,可能導(dǎo)致其他服務(wù)的降低[3- 4]。因此,權(quán)衡和協(xié)調(diào)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),減輕人類對自然環(huán)境的干擾,促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)功能恢復(fù),是提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理水平的有效手段之一[5- 7]。在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的方法中,閾值分析法[8]可分析不同生態(tài)系統(tǒng)類型之間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的權(quán)衡關(guān)系[9],但該方法本身存在不確定性,轉(zhuǎn)換自然資本為經(jīng)濟(jì)資本的過程較為片面靜態(tài)；極值分析法假設(shè)兩個或多個存在沖突的對象存在線性關(guān)系,通過設(shè)置不同系數(shù)值使之求和最大化,但目前考慮因素有限,主要應(yīng)用于水資源管理[10]；InVEST模型分析法可預(yù)測不同情況下各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的潛在變化,以減少其與生物多樣性之間的沖突[11],適用于大尺度研究；多目標(biāo)分析法[12]可將復(fù)雜的沖突簡化,從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境及社會多方平衡的目標(biāo),適用于復(fù)雜的系統(tǒng)分析[6]。以上方法都可歸結(jié)為土地利用類型的改造與調(diào)整[13-14]。

流域作為社會、經(jīng)濟(jì)與自然相互作用強(qiáng)烈的區(qū)域,水土流失、生態(tài)系統(tǒng)退化等問題突出[15]。實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)系統(tǒng)能流、物流良性循環(huán)，自然資源可持續(xù)利用，從而達(dá)到社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的目的是流域生態(tài)系統(tǒng)管理的目標(biāo)[16]。我國小流域水土流失綜合治理模式主要以治理試驗(yàn)觀測為主,隨著實(shí)地治理經(jīng)驗(yàn)的積累[17- 19],形成了一系列試驗(yàn)示范成果與治理模式[20-21]。但這種模式存在治理周期長、投入較大和措施推廣性較差等局限性[22]。過程模擬與情景分析可權(quán)衡并預(yù)測小流域未來狀態(tài),計算各類治理措施下的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)與社會效益[23-24],能快速經(jīng)濟(jì)地為制定不確定性的政策提供重要參考[25]。此外,從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的角度優(yōu)化小流域治理方案已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[26]。主要集中在分析人類活動(治理措施、農(nóng)業(yè)措施和土地利用類型變化等)對流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響,權(quán)衡生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的關(guān)系[8,27- 29]等方面。

黃土高原丘壑區(qū)高低起伏,溝壑縱橫,干旱少雨,地形破碎,水土流失嚴(yán)峻[30],嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給。同時,土地資源長期不合理利用進(jìn)一步導(dǎo)致水土流失日漸嚴(yán)重及土地生產(chǎn)力的下降[31]。甲積峪小流域于1998—2004年實(shí)施了黃土高原水土保持世行二期貸款項(xiàng)目,2007—2011年又實(shí)施了英國贈款小流域治理管理項(xiàng)目[32],水土流失得到了有效的治理。然而,在后續(xù)治理中各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡問題逐步突顯。據(jù)此,本文以甲積峪小流域?yàn)檠芯繉ο?采用多目標(biāo)線性規(guī)劃方法,在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估的基礎(chǔ)上,設(shè)置供給服務(wù)、水土保持服務(wù)和其他服務(wù)3個目標(biāo),根據(jù)小流域土地利用優(yōu)化方向和現(xiàn)有治理措施設(shè)計規(guī)劃變量并建立約束方程,通過規(guī)劃求解實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡優(yōu)化,為小流域綜合治理提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

圖1 甲積峪小流域位置與坡度分布Fig.1 Location and slope distribution of Jiajiyu small watershed

甲積峪小流域(106°57′02″—107°01′59″E,35°14′18″—35°18′00″N)[32]是涇河的一級支流,屬黃土高原殘塬溝壑區(qū),位于甘肅省平?jīng)鍪嗅轻紖^(qū)東南部(圖1)。海拔1382—1785m,面積28.2km2,平均氣溫8.6°C,年降雨量511mm,2012年總?cè)丝?713人,以回民為主。在甘肅省水土保持區(qū)劃中,該流域?qū)冱S土高原溝壑侵蝕區(qū)。

流域內(nèi)以農(nóng)業(yè)種植為主,主要農(nóng)作物為小麥、玉米、胡麻、大豆,少量紫花苜蓿,下游地區(qū)有蘋果和梨等果樹。主要的畜牧養(yǎng)殖為牛、羊和雞等。土地自然坡度在5°以下面積為454hm2,占16.1%；5°—15°面積1194hm2,占42.3%；15°—25°面積713hm2,占25.3%；25°—35°面積296hm2,占10.5%；35°以上面積163hm2,占5.8%。地貌變化大,溝壑縱橫,植被稀少,地表為黃土覆蓋。由于長期沖刷侵蝕,地貌被分割成塬、梁、峁和臺等多級階狀。“V”型溝極為發(fā)育,溝壑密度1.34km/km2。多年平均土壤侵蝕模數(shù)6600t km-2a-1,徑流模數(shù)63000m3km-2a-1。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

遙感數(shù)據(jù)為2012年GeoEye影像,分辨率為0.5m。DEM與國際標(biāo)準(zhǔn)分幅地形圖來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心,比例尺為1∶50000。遙感影像已經(jīng)過輻射校正、幾何校正等預(yù)處理。由于小流域整體為長條形,面積小,采用監(jiān)督分類和野外檢驗(yàn)相結(jié)合的方法解譯獲得各土地利用類型空間分布。糧食單產(chǎn)數(shù)據(jù)來源于《平?jīng)鍪嗅轻紖^(qū)統(tǒng)計年鑒(2012)》、文獻(xiàn)資料及2012年甲積峪居民問卷調(diào)查等。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估方法

小流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可分為供給服務(wù)(產(chǎn)品供給)、調(diào)節(jié)服務(wù)(固碳釋氧、涵養(yǎng)水源、凈化環(huán)境)、支持服務(wù)(保持土壤、維持營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán))和文化服務(wù)(休閑旅游和科研教育)[1]。如表1所示,供給服務(wù)價值采用市場價值法評估,調(diào)節(jié)服務(wù)和支持服務(wù)采用影子價格法、影子工程法、替代成本法和機(jī)會成本法評估。由于甲積峪水域和未利用地研究資料較少,結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況,采用謝高地當(dāng)量表[33]對其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行評估。研究區(qū)域無旅游景區(qū),且文化服務(wù)價值缺少可靠的計算數(shù)據(jù),本文未對其進(jìn)行評估。

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型及其價值評價指標(biāo)與方法

2.2.1 產(chǎn)品供給

產(chǎn)品供給服務(wù)價值采用市場價值法評估,市場價格采用2012年當(dāng)?shù)厥召弮r。主要產(chǎn)品包括玉米、小麥、牧草、仁用杏、蘋果、農(nóng)作物秸稈和活立木(喬木林)。出于水土保持的需要,甲積峪小流域內(nèi)荒草地和封山育林禁伐禁牧,本文未計算其產(chǎn)品供給服務(wù)價值。

2.2.2 固碳釋氧

根據(jù)光合作用方程,按照各類植被凈初級生產(chǎn)力計算其固碳釋氧量[34]。采用造林成本法計算固碳釋氧價值,O2單價按照352.93元/t計算,CO2單價按照260.9元/t計算[35]。喬木林和經(jīng)濟(jì)林年凈初級生產(chǎn)力分別為2.98[36]、1.445t hm-2a-1[37]；果園和封山育林分別采用綠當(dāng)量換算,折算為喬木林的系數(shù)分別為0.47、0.73[38]；根據(jù)“英國贈款中國小流域治理管理項(xiàng)目”監(jiān)測結(jié)果,荒草地年凈初級生產(chǎn)力為1.1t hm-2a-1[39]；根據(jù)調(diào)查結(jié)果,人工草地年凈初級生產(chǎn)力為12.50t hm-2a-1(按每年刈割3次計)。研究區(qū)內(nèi)糧食主要供當(dāng)?shù)鼐用袷秤?秸稈與人工草用來飼養(yǎng)當(dāng)?shù)嘏Ｑ?。農(nóng)田作物為一年生,人工草地的牧草為10年生,從權(quán)衡優(yōu)化的時間尺度考慮,本文未計算農(nóng)田固碳釋氧價值,人工草地以其地下部生物量進(jìn)行評估。

2.2.3 涵養(yǎng)水源

根據(jù)各水土保持措施的保水率計算其攔蓄徑流量,采用影子工程法計算其價值。因缺少裸地徑流深監(jiān)測數(shù)據(jù),參照《平?jīng)鍪嗅轻紖^(qū)甲積峪示范小流域規(guī)劃報告》中甲積峪多年平均徑流深63mm進(jìn)行保守估算,各措施保水率取當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)值。蓄水成本為3.75元/m3。計算公式為[40]：

W=P×H×Q

(1)

式中,W為保水量(m3)；P為保水定額或保水率(%)；H為徑流深(mm)；Q為措施面積(hm2)。

2.2.4 凈化環(huán)境

研究區(qū)凈化環(huán)境服務(wù)以滯塵為主,采用替代成本法計算。農(nóng)田(坡耕地和梯田)滯塵能力為0.95t hm-2a-1[41],喬木林滯塵能力為10.11t hm-2a-1[42],果園、經(jīng)濟(jì)林和封山育林折算為喬木林系數(shù)分別為0.47、0.73和0.73[38],草地(荒草地和人工草地)滯塵能力為0.12t hm-2a-1[43],滯塵成本為170元/t[44]。

2.2.5 土壤保持

土壤保持價值體現(xiàn)在減輕泥沙淤積、減少土地廢棄和土壤肥力保持三方面。采用修正后的通用土壤流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation,RUSLE)[45]估算潛在土壤侵蝕量與現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕量,兩者之差為土壤保持量。計算公式為：

Ac=Ap-Ar

Ap=R×K×LS

Ar=R×K×LS×C×P

(2)

式中,Ac為單位面積土壤保持量(t/hm2)；Ap為單位面積潛在土壤侵蝕量(t/hm2)；Ar為單位面積實(shí)際土壤侵蝕量(t/hm2)；R為降雨侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1)；K為土壤可蝕性因子(t h MJ-1mm-1)；LS為坡長、坡度因子(無量綱)；C為植被覆蓋因子(無量綱)；P為水土保持措施因子(無量綱)。

依據(jù)相關(guān)研究成果,獲取各土地利用類型的C、P因子[46-47]；計算得出R為51.58MJ mm hm-2h-1；K為0.470t h MJ-1mm-1[46]；通過GIS軟件水文分析模塊獲得LS因子圖層。

E1=24%×Ac×P

(3)

式中,E1為單位面積減輕泥沙淤積價值(元/hm2)；24%為泥沙淤積在河道占總流失量的百分比；Ac為單位面積的土壤保持量(t/hm2)；P為減沙成本(18元/t)；

E2=Ac×B/(10000ρ×D)

(4)

式中,E2為單位面積減少土地廢棄價值(元/hm2)；Ac為單位面積土壤保持量(t/hm2)；B為單位面積土地的機(jī)會成本(元/hm2)；ρ為土壤容重(t/m3)；D為土層厚度(0.5m)。

E3=Ac×P×R

(5)

式中,E3為單位面積保持土壤營養(yǎng)物質(zhì)價值(元/hm2)；Ac為單位面積土壤保持量(t/hm2)；P為養(yǎng)分價格(元/t)；R為養(yǎng)分含量(g/kg)。氮、磷、鉀養(yǎng)分價格采用我國化肥平均價2549元/t[44],有機(jī)質(zhì)價格為320元/t[48]。

2.2.6 營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)

根據(jù)各植被年凈增長量(gC/m2)和生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)物質(zhì)分配率,計算植物體內(nèi)氮磷鉀積累量,采用影子價格法計算其價值。農(nóng)田年凈增長量由經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)系數(shù)和含水量推算[49- 52]。人工草地種植年限較長,主要以地上部生長與還田方式維持營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán),本文以其地上部年凈增長量的氮磷鉀含量進(jìn)行計算。

2.3 多目標(biāo)線性規(guī)劃模型

2.3.1 參數(shù)選取

圖2 甲積峪小流域土壤侵蝕程度分布圖Fig.2 Soil erosion degree distribution of Jiajiyu small watershed

如圖2所示,甲積峪較嚴(yán)重的土壤侵蝕主要發(fā)生在上游與中游,這與其坡度和土地利用類型的空間分布特征一致。小流域上游<15°、15°—25°和>25°面積分別占上游總面積的23.09%、58.16%和18.75%,均以封山育林為主,坡耕地和荒草地面積分別占上游總面積的8.71%和9.24%。中游<15°和15°—25°面積分別占中游總面積的32.93%和46.58%,以梯田和喬木林為主,>25°面積占中游總面積的20.49%,以梯田和封山育林為主,坡耕地和荒草地面積分別占中游總面積的7.38%和7.92%。下游<15°和15°—25°面積分別占下游總面積的56.44%和39.39%,以梯田、建設(shè)用地和經(jīng)濟(jì)林為主,>25°面積占下游總面積的4.17%,以經(jīng)濟(jì)林和人工草為主,其中坡耕地和荒草地面積分別占下游總面積的6.81%和6.69%。坡度越大,可能導(dǎo)致潛在的土壤侵蝕量越大,同時中下游的坡耕地和荒草地已得到了集中治理,余下的坡耕地和荒草地則主要集中在上游和中游,因此上游和中游土壤侵蝕程度相對較為嚴(yán)重。

以甲積峪在治理中形成的上、中、下游生態(tài)功能區(qū)定位為基礎(chǔ),依據(jù)坡度適宜性[53],分析了坡度約束條件下甲積峪土地利用的可優(yōu)化方向(表2)。以各優(yōu)化方向?qū)?yīng)的土地利用類型面積,作為約束方程中可優(yōu)化的各類生態(tài)系統(tǒng)面積變量。

參考Costanza等[54]與謝高地等[33]對生態(tài)系統(tǒng)類型的劃分與《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2007),結(jié)合研究區(qū)土地利用情況與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化目標(biāo),將研究區(qū)土地利用類型分為耕地、草地、果園、林地、水域、建設(shè)用地和未利用地七大類,耕地細(xì)分為坡耕地與梯田,草地細(xì)分為荒草地與人工草地,林地細(xì)分為喬木林、經(jīng)濟(jì)林與封山育林。建設(shè)用地相關(guān)研究資料較少,本文未計算其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值[38]。根據(jù)表2的坡度適宜性約束結(jié)果,結(jié)合區(qū)域主要治理措施,進(jìn)一步分析甲積峪糧油產(chǎn)量需求、人口和規(guī)劃面積約束。選取以下35個決策變量(表3),包括各土地利用類型規(guī)劃后的面積,以及上、中、下游不同坡度區(qū)間內(nèi)土地可調(diào)整的面積。

表2 甲積峪土地利用優(yōu)化的坡度適宜性約束

2.3.2 規(guī)劃目標(biāo)

由于過度強(qiáng)化某類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可能導(dǎo)致同一區(qū)域其他服務(wù)衰減,在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化時需要對不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行權(quán)衡,如供給服務(wù)與其他服務(wù)的權(quán)衡[55]。本文結(jié)合研究區(qū)水土流失突出的特點(diǎn),將生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)價值、水土保持服務(wù)價值和其他服務(wù)價值分別設(shè)為目標(biāo)函數(shù)F1(X)、F2(X)和F3(X),則有：

MaxF1(X)=∑V1i×Xi
MaxF2(X)=∑V2i×Xi
MaxF3(X)=∑V3i×Xi

(6)

式中,V1i為第i類土地利用類型的單位面積供給服務(wù)價值(元/hm2)；V2i為第i類土地利用類型的單位面積水土保持服務(wù)價值(元/hm2)；V3i為第i類土地利用類型的單位面積其他服務(wù)價值(元/hm2)；Xi為第i類土地利用類型的面積(hm2)。

表3 決策變量設(shè)計

(7)

2.3.3 約束條件

糧油產(chǎn)量需求約束。經(jīng)調(diào)查得知,2012年梯田小麥產(chǎn)量2632kg/hm2,小流域內(nèi)居民以小麥為主食,人均小麥占有量125.16kg/a,自留種子用糧平均124.37kg/hm2；玉米產(chǎn)量7806.08kg/hm2,人均玉米占有量為391.90kg/a,種子由購買獲得；人均胡麻油占有量為30kg/a,產(chǎn)量1683.82kg/hm2。

人口約束。2012年甲積峪人口7713人,以崆峒區(qū)“十二五”規(guī)劃中人口自然增長率8‰計算,規(guī)劃期末人口宜控制在8353人以內(nèi)。

面積約束。優(yōu)化后各土地利用類型增加面積與可調(diào)整面積(坡耕地212.45hm2、荒草地224.63hm2)相等。

依據(jù)上述糧油產(chǎn)量需求、人口和土地面積約束,結(jié)合各土地利用類型調(diào)整時對坡度的適宜性約束(表2),設(shè)置17個約束方程(表4)。

表4 約束方程設(shè)置

2.4 敏感性分析

為驗(yàn)證生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)的準(zhǔn)確性,將各土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)分別上下調(diào)整50%,計算其敏感度(Coefficient Sensibility,CS),以反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)的依賴程度,計算公式[56]為：

(8)

式中,CS為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值敏感性指數(shù)；ESVi和ESVj分別為調(diào)整前后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(萬元)；VCik和VCjk分別為第k類土地利用類型調(diào)整前后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)(元/hm2)。若CS>1,ESV對VC富有彈性；CS<1,ESV對VC缺乏彈性。CS越大,表明VC的準(zhǔn)確性對ESV評估的影響越大。

2.5 小流域綜合治理效益評價方法

2.5.1 保水保土效益評價

根據(jù)治理所減少的水土流失量(t),按照甲積峪實(shí)際工程成本計算其價值(元)。依據(jù)研究區(qū)多年治理經(jīng)驗(yàn),保水效益按照3.75元/t計算,減沙效益按照18元/t計算。

2.5.2 經(jīng)濟(jì)效益評價

經(jīng)濟(jì)效益為坡改梯、種植經(jīng)濟(jì)林和果園等土地利用調(diào)整措施產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)收益(元/hm2)。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，糧食、秸稈、經(jīng)濟(jì)林果實(shí)和果園果實(shí)價格分別按2.00、0.60、2.50、3.50元/kg計算。

2.5.3 生態(tài)效益評價

森林覆蓋率。森林植被面積占整個小流域面積的比例(%)[57]。

固碳綜合能力。指單位流域面積固定CO2的量,用于衡量流域內(nèi)植被固定CO2能力。公式為[57]：

(9)

式中,Q為流域單位面積植被的固碳量(t hm-2a-1)；S為流域植被總面積(hm2)；n為植被類型總數(shù)(個)；Qi為第i種植被單位面積的固碳量(t hm-2a-1)；Si為第i種植被的面積(hm2)。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估

如表5所示,2012年果園的單位面積供給服務(wù)價值最高,為26325.74元/hm2,經(jīng)濟(jì)林次之；喬木林的單位面積水土保持服務(wù)價值最高,為16425.62元/hm2,封山育林次之；水域的單位面積其他服務(wù)價值最高,為13660.04元/hm2。單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值排序?yàn)楣麍@>經(jīng)濟(jì)林>梯田>喬木林>水域>人工草地>封山育林>坡耕地>荒草地>未利用地。甲積峪單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較低,主要是由于坡耕地與荒草地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較低,且所占面積比例較大所致。坡耕地占總面積的7.53%,對水土保持價值的貢獻(xiàn)僅為3.64%；荒草地占總面積的7.96%,因水保需要禁止放牧,短期內(nèi)不利用其產(chǎn)品供給價值。因此,需通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡優(yōu)化將其調(diào)整為其他土地利用類型。未利用地為河流兩岸裸地,為保證河流生態(tài)系統(tǒng)完整性,不對其進(jìn)行調(diào)整。

表5所示坡耕地單位面積保持土壤服務(wù)價值略高于果園,這是由于當(dāng)前果園均位于小流域下游區(qū)域,LS因子低所致。進(jìn)一步結(jié)合式2計算結(jié)果分析表明,對坡耕地而言,改為梯田、人工草地、經(jīng)濟(jì)林與果園時,供給服務(wù)、水土保持服務(wù)和其他服務(wù)價值均明顯提高；改為喬木林或采取封山育林措施時,除供給服務(wù)價值略有下降外,水土保持服務(wù)和其他服務(wù)價值也明顯提高。對荒草地而言,改為其他各土地利用類型均可提高其供給服務(wù)、水土保持服務(wù)和其他服務(wù)價值。

表5 2012年甲積峪各土地利用類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值/(元/hm2)

為提高優(yōu)化結(jié)果的合理性,排除2012年各土地利用類型坡度坡長因子對模型權(quán)衡結(jié)果的影響,分別提取坡耕地和荒草地在不同生態(tài)功能區(qū)、不同坡度分級斑塊的LS值,評估2022年各土地利用類型在不同斑塊的水土保持服務(wù)價值(表6),帶入目標(biāo)函數(shù)(式7)進(jìn)行規(guī)劃求解。

3.2 最優(yōu)解與土地利用變化

3.2.1 線性規(guī)劃最優(yōu)解

運(yùn)用Excel規(guī)劃求解功能,分別設(shè)定對應(yīng)目標(biāo)單元和約束單元,求得目標(biāo)方程MaxF(X)最優(yōu)解時的決策變量值(表7),據(jù)此分別對坡耕地與荒草地不同斑塊優(yōu)化后的同一土地利用類型面積進(jìn)行加和,得到規(guī)劃前后的土地利用轉(zhuǎn)移關(guān)系(表8)。

表6 2022年各決策變量水土保持服務(wù)價值/(元/hm2)

表7 決策變量權(quán)衡最優(yōu)值

表8 規(guī)劃前后甲積峪土地利用轉(zhuǎn)移矩陣/hm2

3.2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

如表8所示,甲積峪生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡優(yōu)化后,坡耕地與荒草地全部調(diào)整為其他土地利用類型。優(yōu)化前后梯田所占面積比例均為最大,分別占小流域總面積的31.40%和34.92%；其次為封山育林,所占面積比例由17.36%增至19.83%。調(diào)整后各土地利用類型面積增加量為喬木林>梯田>經(jīng)濟(jì)林>封山育林>果園,增幅為經(jīng)濟(jì)林>喬木林>果園>封山育林>梯田。因喬木林可同時提供較高的水土保持服務(wù)價值和其他服務(wù)價值(表5),其面積增加量最大。由于荒草地和坡耕地在不同生態(tài)功能區(qū)坡度分布不同,且坡耕地優(yōu)化需滿足梯田的最低面積約束,使得兩者土地利用調(diào)整方向的優(yōu)先順序不同。優(yōu)化結(jié)果總體表現(xiàn)為坡耕地優(yōu)先調(diào)整為喬木林和梯田,荒草地優(yōu)先調(diào)整為經(jīng)濟(jì)林和喬木林。

坡耕地調(diào)整為梯田的面積最大,其次調(diào)整為喬木林,分別占坡耕地面積的46.78%和40.45%。坡耕地主要集中在上中游區(qū)域,在LS因子相同的條件下,因喬木林的單位面積水土保持服務(wù)價值與其他服務(wù)價值最大,使得坡耕地優(yōu)化為喬木林的面積僅次于梯田?；牟莸卣{(diào)整為經(jīng)濟(jì)林、喬木林和封山育林的面積比例大致相當(dāng),分別為35.35%、33.65%和31.00%?；牟莸胤植荚谥杏蔚拿娣e最大,為128.12hm2,占荒草地總面積的57.04%,由于中游為農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū),對土地利用類型調(diào)整的約束較少,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的選擇性更大,優(yōu)化結(jié)果更加多元化。

3.2.3 土地利用空間變化

如圖3所示,規(guī)劃前甲積峪梯田與坡耕地面積分別為885.70hm2和212.45hm2,分別占總面積的31.40%和7.53%。對于坡耕地,優(yōu)化后在糧食生產(chǎn)得到基本保障的前提下,優(yōu)先調(diào)整為具有更高水土保持服務(wù)價值和其他服務(wù)價值的喬木林。對于荒草地,上游全部實(shí)行封山育林,中游主要調(diào)整為喬木林和經(jīng)濟(jì)林(調(diào)整面積分別占中游荒草地面積的59.00%、41.00%),下游全部調(diào)整為經(jīng)濟(jì)林。從上、中、下游空間分布來看,上游坡度較陡且水土流失較為嚴(yán)重的坡耕地與荒草地主要優(yōu)化為喬木林和封山育林,中下游坡度較緩且土壤肥力相對較高的坡耕地與荒草地主要優(yōu)化為供給價值較高的經(jīng)濟(jì)林和果園等。結(jié)合生態(tài)功能區(qū)劃分、土地坡度及土壤肥力對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡優(yōu)化結(jié)果,可同時滿足上游水土流失防治和中下游農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。規(guī)劃后小流域植被覆蓋面積增加,土地利用格局發(fā)生明顯正向變化。

圖3 規(guī)劃前后甲積峪土地利用空間分布Fig.3 Spatial distribution of land-use types of Jiajiyu before and after optimization

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡優(yōu)化效果

3.3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量變化

小流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化后,供給服務(wù)價值、水土保持服務(wù)價值和其他服務(wù)價值分別增加了6.24%、9.81%和17.35%,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值增加了9.23%(表9)。三者增加量分別占生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值增加量的25.96%、54.42%和19.62%。喬木林與封山育林增加面積較大,由于兩者的水土保持服務(wù)和其他服務(wù)價值相對較高,但供給價值均低于坡耕地,使得供給服務(wù)價值的增幅相對較小。坡耕地和荒草地的其他服務(wù)價值均遠(yuǎn)低于人工草地、果園、經(jīng)濟(jì)林、封山育林和喬木林,因此將兩者調(diào)整為上述各類土地利用類型都會明顯提高其他服務(wù)價值,使其他服務(wù)價值增長率高于供給服務(wù)和水土保持服務(wù)價值。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu)來看,調(diào)整后供給服務(wù)價值占比有所下降,同時其他服務(wù)價值的比例增幅明顯,優(yōu)化了小流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu)。

表9 規(guī)劃前后甲積峪各生態(tài)服務(wù)價值對比

3.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間變化

空間分析表明(圖4),規(guī)劃目標(biāo)年上、中、下游供給服務(wù)價值變化差異明顯,上游減小了18.14%,而中、下游分別增加了9.87%和16.24%,其變化量分別占供給服務(wù)價值總變化量的-46.16%、96.91%和49.25%。上游有較大面積土地適宜規(guī)劃為供給價值低但水土保持服務(wù)和其他服務(wù)價值高的喬木林和封山育林,因而其供給服務(wù)價值下降。中下游適合發(fā)展農(nóng)業(yè)與生態(tài)經(jīng)濟(jì),調(diào)整后的土地利用類型中,經(jīng)濟(jì)林和梯田所占比例較大,因而其供給服務(wù)價值明顯增加。

優(yōu)化后上、中、下游水土保持服務(wù)價值分別增加8.02%、11.03%和6.83%,其變化量分別占水土保持服務(wù)價值總變化量的20.96%、71.21%和7.82%。中游調(diào)整后的經(jīng)濟(jì)林、喬木林和梯田的水土保持服務(wù)價值均較高,使其水土保持服務(wù)增加量最大。上游均調(diào)整為封山育林和喬木林,下游主要調(diào)整為經(jīng)濟(jì)林和果園,由于上、下游可調(diào)整面積均小于中游,且果園水土保持服務(wù)價值相對較低,因而上、下游水土保持服務(wù)價值增加量較小。

優(yōu)化后上、中、下游其他服務(wù)價值分別增加23.86%、14.25%和14.76%,其變化量分別占其他服務(wù)價值總變化量的43.54%、46.80%和9.66%。上游和中游優(yōu)化為喬木林與封山育林面積較大,兩者其他服務(wù)價值均高于其他土地利用類型,因而其他服務(wù)價值明顯增高。下游可優(yōu)化面積較小,且有21.62%的面積優(yōu)化為其他服務(wù)價值較低的果園,因而其他服務(wù)價值增加量最小。

優(yōu)化后上、中、下游生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分別增加3.00%、10.88%和12.38%,其變化量分別占生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值變化量的7.40%、73.34%和19.26%。上游有大部分規(guī)劃為封山育林和喬木林,兩者的水土保持服務(wù)價值較高,但供給服務(wù)價值低,使其總服務(wù)價值相對較低。下游盡管有部分土地優(yōu)化為總服務(wù)價值最高的果園,但優(yōu)化面積僅有11.73hm2,使其總服務(wù)價值增加量所占比例較小。中游有較大面積土地優(yōu)化為總服務(wù)價值僅次于果園的經(jīng)濟(jì)林,使其總服務(wù)價值增加量最大。

各權(quán)衡目標(biāo)價值在中游的增加量占總增加量的比例均最高,這是由于中游主要將坡耕地與荒草地調(diào)整為梯田、喬木林和經(jīng)濟(jì)林,三者都具有較高水土保持服務(wù)價值或供給服務(wù)價值。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)不變區(qū)域?yàn)槲匆?guī)劃區(qū)域,包括水域、建設(shè)用地和未利用地,以及經(jīng)過前期治理、土地利用適宜的梯田、人工草地和林地(喬木林、經(jīng)濟(jì)林和封山育林)。

圖4 優(yōu)化前后甲積峪生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化空間分布Fig.4 Spatial distribution of ESV of Jiajiyu before and after optimization

3.4 敏感性分析

由表10可知,規(guī)劃前后各土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的敏感度均小于1。2012年敏感度排序?yàn)樘萏?封山育林>喬木林>人工草地>經(jīng)濟(jì)林>坡耕地>荒草地>果園>水域>未利用地,以梯田的敏感度最大(0.41),即當(dāng)梯田生態(tài)價值系數(shù)增加1%時,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值增加0.41%；規(guī)劃后各土地利用類型敏感度的排序變?yōu)樘萏?喬木林>封山育林>經(jīng)濟(jì)林>人工草地>果園>水域>未利用地,以經(jīng)濟(jì)林和喬木林的敏感度增加較大,這與經(jīng)濟(jì)林和喬木林面積增加較大有關(guān)[56]。敏感性分析結(jié)果還反映了各土地利用類型對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值的影響程度,即敏感度越高,其影響程度越大。表明,研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值對各土地利用類型的生態(tài)價值系數(shù)缺乏彈性,即研究結(jié)果可信。

表10 價值系數(shù)變化50%時甲積峪生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化率與價值系數(shù)敏感度

3.5 綜合治理效益評價

通過小流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與土地利用類型的權(quán)衡優(yōu)化,以2012年為基礎(chǔ),到2022年研究區(qū)年徑流減少11.02萬t,保水價值增加41.33萬元；減少產(chǎn)沙4406.67t,減少河道清淤成本7.93萬元；森林覆蓋率由32.66%提高到44.22%；坡改梯單產(chǎn)由3865.95kg/hm2提高到5219.04kg/hm2,增加產(chǎn)值3453.07元/hm2；新增果品601.63t,產(chǎn)值達(dá)159.23萬元；固碳綜合能力由1.14t hm-2a-1提高到1.37t hm-2a-1,提高了20.19%。此外，坡改梯和果園種植可為農(nóng)田機(jī)械化耕作提供便利條件。表明,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會三大效益均得到了明顯提高。

4 結(jié)論與討論

本文綜合了研究區(qū)土地利用的坡度適宜性、生態(tài)功能分區(qū)和黃土高原主要的小流域綜合治理措施,在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估的基礎(chǔ)上,采用多目標(biāo)線性規(guī)劃方法,通過設(shè)置供給服務(wù)價值、水土保持服務(wù)價值和其他服務(wù)價值3個決策目標(biāo),探討了甲積峪小流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡優(yōu)化。

坡耕地和荒草地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較低且面積比例較大,是研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值偏低的主要原因。通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡優(yōu)化,在滿足土地利用類型的坡度適宜性和人口糧油需求等的約束條件下,將坡耕地與荒草地主要調(diào)整為喬木林、梯田、經(jīng)濟(jì)林和封山育林,少量調(diào)整為果園,與相關(guān)研究結(jié)果一致[22,58- 60],使得3個目標(biāo)函數(shù)值均明顯增加。其中,其他服務(wù)價值增長率最高,其次為水土保持服務(wù)價值,供給服務(wù)價值增長率相對較低?？臻g分析表明,其他服務(wù)價值在上游的增長率最高,供給服務(wù)和總服務(wù)價值在下游的增長率最高,水土保持服務(wù)價值在中游的增長率最高。僅有上游部分區(qū)域供給服務(wù)價值和總服務(wù)價值略有下降。優(yōu)化后,小流域的森林覆蓋率、減少的水土流失量、固碳綜合指數(shù)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)值等指標(biāo)均有所提高,為研究區(qū)坡耕地和荒草地的治理方向提供了參考依據(jù)。

在小流域的生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)中,糧食生產(chǎn)是當(dāng)?shù)鼐用駷樯姹仨殢氖碌幕顒?經(jīng)濟(jì)林和果園等食物供給與原材料供給是居民維持生計與區(qū)域直接經(jīng)濟(jì)效益的體現(xiàn)。片面追求農(nóng)業(yè)生產(chǎn)利益,會使區(qū)域的水土流失問題更加嚴(yán)峻,生態(tài)系統(tǒng)脆弱性也隨之增加。各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在著復(fù)雜的相互作用,盡可能通過權(quán)衡以減少其中的沖突并實(shí)現(xiàn)協(xié)作,才能實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的優(yōu)化。本文將供給服務(wù)價值、水土保持服務(wù)價值與其他服務(wù)價值設(shè)置為權(quán)衡優(yōu)化的子目標(biāo)函數(shù),同時參考相關(guān)研究成果[59,61- 64],在權(quán)衡優(yōu)化中側(cè)重三者的平衡關(guān)系,將3個決策目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)均設(shè)定為1/3,即將供給服務(wù)、水土保持服務(wù)與其他服務(wù)視為同等重要。在約束條件不變的前提下,將以產(chǎn)品供給、水土保持和其他服務(wù)價值3個子目標(biāo)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)與僅以單個子目標(biāo)或總服務(wù)價值作為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),3個子目標(biāo)的結(jié)果和僅其他服務(wù)價值為目標(biāo)的結(jié)果極為相似,即供給服務(wù)價值和總服務(wù)價值較低,水土保持服務(wù)和其他服務(wù)價值較高,同時林地面積最高,兩種方案都具有明顯的優(yōu)勢,但后者的供給服務(wù)價值和總服務(wù)價值低于前者。若僅以供給服務(wù)或總服務(wù)價值為目標(biāo),優(yōu)化后的供給服務(wù)和總服務(wù)價值均最高,但調(diào)整為林地(尤其是喬木林)的面積明顯減少,使得水土保持服務(wù)和其他服務(wù)價值均最低。而僅以水土保持服務(wù)價值為目標(biāo),則水土保持服務(wù)價值最高但優(yōu)勢不明顯,供給服務(wù)和總服務(wù)價值中等,其他服務(wù)價值低；供給服務(wù)價值居中是由于梯田同時具有很高的保土、保水價值和較高的供給價值,使得調(diào)整為梯田的面積增加而調(diào)整為林地的面積減少。因此,選擇3個子目標(biāo)的結(jié)果能在滿足產(chǎn)品供給服務(wù)價值的條件下,通過將坡耕地和荒草地更多地調(diào)整為林地而獲得較高的水土保持服務(wù)和其他服務(wù)價值,與預(yù)期效果一致,更符合甲積峪的實(shí)際情況。此外,由于本文從長遠(yuǎn)效益考慮,未計入農(nóng)田的固碳釋氧價值,且人工草地僅計算了其地下部的固碳釋氧價值。從黃土高原水土流失的突出問題出發(fā),凈化環(huán)境價值僅考慮了滯塵方面,而未考慮吸收SO2及NOx等污染物的價值。因此,其他服務(wù)價值遠(yuǎn)低于產(chǎn)品供給和水土保持服務(wù)價值,在一定程度上避免了其他服務(wù)價值虛高對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的影響。

土地利用不合理是導(dǎo)致該地區(qū)水土保持服務(wù)退化的主要原因之一,與其他學(xué)者的研究結(jié)果一致[20,65-66]。我國在1998—2008年間對土地利用進(jìn)行了一系列復(fù)雜的調(diào)整,使得我國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值下降幅度低于全球平均值[67],效果較明顯。坡耕地、荒山荒坡地和溝壑地是我國水土流失最嚴(yán)重的土地利用類型[68],研究區(qū)位于溫帶季風(fēng)氣候區(qū),降雨多集中于夏季,且坡耕地和荒草地面積較大,加劇了水土流失。如何將其調(diào)整為適宜的土地利用方式,以減少地表徑流量,改善小流域生態(tài)環(huán)境[65,69],是小流域綜合治理的重點(diǎn)和難點(diǎn)[20]。本文從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡優(yōu)化的角度對土地利用類型在數(shù)量和空間上進(jìn)行了調(diào)整,在考慮各土地利用類型坡度適宜性的基礎(chǔ)上,參考《封山(沙)育林技術(shù)規(guī)程》(GB/T 15163—2004)[70]中小流域內(nèi)不適于人工造林的高山、陡坡和水土流失嚴(yán)重地段等地塊,對其進(jìn)行封育以增加植被蓋度。研究區(qū)封山育林區(qū)域大多未成林,在計算其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時生物量取喬木林的0.73[38],使其與喬木林有所區(qū)別。

除土地利用類型調(diào)整外,小流域治理還可以從溝頭防護(hù)、工程措施及法律法規(guī)方面著手,以緩解人類活動與自然之間的矛盾,針對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡進(jìn)行多方面綜合研究是未來的重要方向[71]。其中溝頭防護(hù)措施主要從防治溝頭延伸、溝底下切和溝岸擴(kuò)張三方面遏制水土流失的加劇。當(dāng)?shù)鼐用瘛皝y砍濫挖”的情況比較嚴(yán)重,為防止過度索取導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境遭到更大的破壞,可成立村民自管小組,通過政府發(fā)布封禁通告實(shí)行管護(hù)措施,以此加強(qiáng)村民的自我約束和管理。加強(qiáng)道路建設(shè),修建小型堤壩和小型攔蓄工程也是小流域治理的有效措施之一。為了保證治理效果,使水土保持防治機(jī)制不斷完善,依法監(jiān)督和保護(hù)是必不可少的,國家與地方相繼制定了《中華人民共和國水土保持法》、《甘肅省水土保持條例》、《水土保持補(bǔ)償費(fèi)征收使用管理辦法》、《水利工程建設(shè)監(jiān)理規(guī)定》等一系列促進(jìn)水土保持工作法制化、規(guī)范化和科學(xué)化建設(shè)的法律法規(guī)和管理辦法。當(dāng)前甲積峪在綜合以上監(jiān)督、防預(yù)和治理的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了農(nóng)田種植結(jié)構(gòu)調(diào)整及梯田后續(xù)產(chǎn)業(yè)綜合開發(fā),力求在提高區(qū)域水土保持服務(wù)價值和其他服務(wù)價值的前提下,實(shí)現(xiàn)供給服務(wù)價值最大化。

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