肖 驍, 李京忠, 楊新軍, 張子龍, 薛 冰

1 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所, 沈陽(yáng) 110016 2 遼寧省環(huán)境計(jì)算與可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 沈陽(yáng) 110016 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 4 許昌學(xué)院城市與環(huán)境學(xué)院,許昌 461000 5 西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,西安 710127 6 蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,蘭州 730000

黃河流域是華夏文明的發(fā)源地,也是我國(guó)重要的生態(tài)屏障。2019年9月,習(xí)近平總書(shū)記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)上發(fā)表講話,強(qiáng)調(diào)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展[1]。黃河中上游地區(qū)作為黃河流域的重要組成部分,約占黃河流域面積的97%,生態(tài)功能地位突出,中上游流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量直接決定了下游地區(qū)的環(huán)境狀況[2—3]。在多年持續(xù)治理下,黃河中上游的水土流失、河流泥沙淤積、洪水災(zāi)害等局面得到有效改善,但由于生態(tài)脆弱性及不穩(wěn)定性使得中上游流域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與治理依然重要[4—5]。林草生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分,是全球大氣、水及土壤等生態(tài)要素的連結(jié)紐帶[6],對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)起到涵養(yǎng)水源、保持水土及維持生物多樣性等重要調(diào)節(jié)作用,是流域?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵生態(tài)基礎(chǔ)[7—9]。測(cè)算黃河中上游林草地生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)功能價(jià)值,對(duì)于明確流域生態(tài)服務(wù)功能的本底價(jià)值、制定生態(tài)治理及調(diào)控對(duì)策,進(jìn)而處理好流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)之間的關(guān)系具有重要意義[10—12]。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究起步于Daily對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)為人類提供的各種服務(wù)及價(jià)值的闡述[13]。Costanza等提出了對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行評(píng)估的原理及方法,并將全球生態(tài)系統(tǒng)分為16類,并以氣體調(diào)節(jié)、水調(diào)節(jié)等指標(biāo)開(kāi)展生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值測(cè)算[14]。相繼有學(xué)者對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了探討,例如評(píng)估草地在維持大氣環(huán)境、保持土壤以及和基因遺傳等方面的服務(wù)功能[15]；闡述森林在生物多樣性維護(hù)、流域保護(hù)、固碳以及游憩方面的價(jià)值[16—17]；估算生態(tài)系統(tǒng)維持生物多樣性、氣體調(diào)節(jié)等服務(wù)功能總價(jià)值[9,18—19]。聯(lián)合國(guó)千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估組開(kāi)展了“生態(tài)系統(tǒng)與人類福祉”研究[20],定量評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值,為推動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和可持續(xù)利用奠定科學(xué)基礎(chǔ)。當(dāng)前,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估技術(shù)及方法成為了該領(lǐng)域重要交叉前沿課題[21—23],例如利用當(dāng)量因子法[24]、功能價(jià)值法[25]等估算生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值。但傳統(tǒng)方法多是基于統(tǒng)計(jì)或調(diào)查數(shù)據(jù)的靜態(tài)估算,難以掌握服務(wù)價(jià)值在區(qū)域內(nèi)的空間格局及微觀變化規(guī)律[26—27]。而考慮到不同區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和環(huán)境條件的多樣性,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)強(qiáng)度存在著空間差異性,因此微觀尺度的生態(tài)服務(wù)價(jià)值空間異質(zhì)性是重要的科學(xué)問(wèn)題。基于遙感技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估近年來(lái)得到了普遍關(guān)注[28]。目前主要有兩種主要的評(píng)估方法：一是利用遙感數(shù)據(jù)計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)面積并根據(jù)面積計(jì)算結(jié)果構(gòu)建當(dāng)量因子法模型[29—31],二是整合遙感數(shù)據(jù)和生態(tài)學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù),借助生理生態(tài)模型進(jìn)行價(jià)值量計(jì)算[32—34]。以上研究克服了傳統(tǒng)靜態(tài)評(píng)估技術(shù)對(duì)服務(wù)功能價(jià)值量空間異質(zhì)性認(rèn)識(shí)不足的問(wèn)題,提升了評(píng)估結(jié)果的精度和可靠性。

作為我國(guó)重要生態(tài)屏障和經(jīng)濟(jì)地帶的黃河流域,目前仍然存在系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,制約著流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[35]。其中黃河上游草場(chǎng)植被退化,降低了水源涵養(yǎng)能力；中上游地區(qū)土地沙化和水土流失嚴(yán)重,易造成洪澇災(zāi)害。林草生態(tài)系統(tǒng)具有的水源涵養(yǎng)、水土保持等功能,對(duì)于流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理意義重大[36]。開(kāi)展林草生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)功能價(jià)值的精細(xì)化評(píng)估,根據(jù)價(jià)值量的空間分布特征,制定環(huán)境功能區(qū)劃、生態(tài)恢復(fù)和生態(tài)補(bǔ)償?shù)日?有利于生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化配置,促進(jìn)生態(tài)服務(wù)功能的正常發(fā)揮和生態(tài)產(chǎn)品價(jià)值實(shí)現(xiàn),推進(jìn)流域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)治理并促進(jìn)全流域高質(zhì)量發(fā)展[37]。然而目前林草生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)在指標(biāo)體系建立和評(píng)估參數(shù)選取等方面仍然具有一定主觀性,大區(qū)域尺度的遙感影像解譯和模型構(gòu)建相對(duì)困難[38],因此如何提高小區(qū)域評(píng)估參數(shù)體系的科學(xué)性同時(shí)提高大區(qū)域評(píng)估結(jié)果的精細(xì)度是目前面臨的重要挑戰(zhàn)。因此本文以黃河中上游流域?yàn)檠芯繀^(qū)域,基于多源空間數(shù)據(jù)以及遙感與空間統(tǒng)計(jì)分析技術(shù),集成聯(lián)合國(guó)千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估框架、《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)[39]以及國(guó)內(nèi)外林草生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估的方法體系和基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù),嘗試構(gòu)建像元尺度的林草生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估體系,明確黃河中上游流域生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值組成及空間格局,以期為黃河流域生態(tài)保護(hù)與治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

黃河中上游地區(qū)西起黃河源頭的約古宗列曲,東至華北平原西部邊界,南至秦嶺北麓,北至陰山。從西到東主要橫跨青藏高原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原3個(gè)地貌區(qū),涉及青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西和河南8個(gè)省域,包括60個(gè)地級(jí)市域。地理坐標(biāo)為東徑95°42′—113°35′,北緯32°12′—41°50′,面積約77.2萬(wàn)km2[40]。其中,上游為青海河源至內(nèi)蒙古托克托縣的河口鎮(zhèn),流域面積42.8萬(wàn)km2,屬高寒地區(qū)；中游自河口鎮(zhèn)至河南鄭州桃花峪,流域面積34.4萬(wàn)km2,地處黃土高原區(qū)。黃河中上游流域?qū)儆诟珊岛桶敫珊禋夂?并受到降水集中、毀林開(kāi)荒、城市建設(shè)等因素的影響,是我國(guó)典型生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū),區(qū)域開(kāi)發(fā)與生態(tài)保護(hù)關(guān)系復(fù)雜,人地矛盾突出,生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展需求迫切。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

(1)黃河流域邊界數(shù)據(jù)：黃河流域邊界數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心,數(shù)據(jù)生產(chǎn)過(guò)程是在中國(guó)1∶25萬(wàn)一級(jí)、二級(jí)流域分級(jí)基礎(chǔ)上,結(jié)合相應(yīng)數(shù)字高程信息進(jìn)行提取。根據(jù)黃河中上游起訖地點(diǎn)[41]提取黃河中上游邊界。

(2)土地利用數(shù)據(jù)：2015年土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.resdc.cn)中國(guó)土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù),以Landsat衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源,空間分辨率重采樣至1km×1km[41],投影坐標(biāo)系統(tǒng)為阿爾伯斯等積圓錐投影。通過(guò)提取有林地(郁閉度>30%的天然林和人工林)、灌木林(指郁閉度>40%且高度<2m矮林地和灌叢林地)、疏林地(林木郁閉度為10%—30%的林地)開(kāi)展森林生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)估；將高覆蓋度草地(覆蓋度>50%的天然草地)、中覆蓋度草地(覆蓋度在20%—50%的天然草地和改良草地)和低覆蓋度草地(覆蓋度在5%—20%的天然草地)統(tǒng)稱為“草地”類型,進(jìn)行草地生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值評(píng)估；最終得到2015年黃河中上游林地面積104545km2,草地面積375753km2(表1)。

(3)遙感產(chǎn)品數(shù)據(jù)：歸一化植被指數(shù)(Normalized Differential Vegetation Index, NDVI)、數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái),NDVI是基于連續(xù)時(shí)間序列的SPOT/VEGETATION NDVI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),采用最大值合成法生成,以上數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)拼接、裁剪、重采樣操作得到1km×1km分辨率的NDVI和DEM數(shù)據(jù)。

表1 2015年黃河中上游流域林草地面積/km2

(4)氣象數(shù)據(jù)及其他：從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)獲取研究區(qū)2015年黃河中上游流域內(nèi)72個(gè)氣象站點(diǎn)及流域周邊地區(qū)51個(gè)氣象站點(diǎn)的平均降水量、平均氣溫、平均水汽壓、平均相對(duì)濕度、月日照百分率的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)以上氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行普通克里金插值并裁切,得到1km×1km 分辨率氣象柵格數(shù)據(jù)。其他基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于流域內(nèi)部分地區(qū)水資源公報(bào)、統(tǒng)計(jì)年鑒等資料[42—46],或已有研究文獻(xiàn)中的歷史記錄數(shù)據(jù)以及實(shí)地采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)[47—57]。

2 研究方法

2.1 評(píng)估方法與指標(biāo)體系

結(jié)合黃河中上游流域生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)及森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范,利用市場(chǎng)價(jià)格法、影子價(jià)值法、機(jī)會(huì)成本法等評(píng)估方法[48],開(kāi)展中上游流域的林草生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)功能價(jià)值核算。森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能參考《規(guī)范》[39],選取涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧、積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、凈化大氣環(huán)境、生物多樣性保護(hù)6項(xiàng)服務(wù)功能建立評(píng)估體系(表2)。

草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能參考千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估框架與既有研究[49],選取涵養(yǎng)水源、土壤保持、固碳釋氧、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)保持、環(huán)境凈化5項(xiàng)進(jìn)行評(píng)估。各項(xiàng)價(jià)值量計(jì)算公式為公式(1)—公式(20),常數(shù)類參數(shù)引自《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》以及相關(guān)文獻(xiàn),非常數(shù)類參數(shù)來(lái)源于土地利用數(shù)據(jù)、遙感產(chǎn)品數(shù)據(jù)以及政府統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。對(duì)于無(wú)法從已有數(shù)據(jù)直接取值的參數(shù)(如土壤侵蝕模數(shù)、NPP數(shù)據(jù)等)利用遙感影像、氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等建模反演以1km×1km像素格網(wǎng)作為最小評(píng)估單元進(jìn)行價(jià)值量核算。受限于數(shù)據(jù)、評(píng)估方法等因素,生物多樣性保護(hù)價(jià)值僅考慮森林生態(tài)系統(tǒng),未對(duì)森林防護(hù)功能以及草地廢棄物降解功能進(jìn)行價(jià)值核算。

2.2 部分關(guān)鍵評(píng)估參數(shù)求解

2.2.1凈初級(jí)生產(chǎn)力計(jì)算

森林和草地生態(tài)系統(tǒng)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)基于2015年植被指數(shù)與氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),借鑒姜立鵬等構(gòu)建的光能利用率模型[32]計(jì)算得到,計(jì)算公式如下：

NPP=(FPAR×PAR)×(ε*×σT×σE)

(21)

(22)

PAR=0.47Q

(23)

Q=Q0(a+bS)

(24)

Q0=0.0418675(c0+c1φ+c2H+c3e)

(25)

表2 林草生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值量評(píng)估公式及參數(shù)說(shuō)明

(26)

(27)

式中,NPP為凈初級(jí)生產(chǎn)力,FPAR表示草所吸收的光合有效輻射比例,PAR為到達(dá)地表的光合有效輻射,ε*是植物的最大光能利用率,根據(jù)Running等[52]對(duì)植被的模擬結(jié)果對(duì)草地的模擬結(jié)果,草地最大光能利用率取值0.608g/MJ,森林取值1.106g/MJ；σT為溫度對(duì)植物生長(zhǎng)的影響系數(shù),σE為大氣水分含量對(duì)植物生長(zhǎng)的影響系數(shù)；FPAR根據(jù)比值植被指數(shù)(VI)計(jì)算,FPARmax=0.950,FPARmin=0.001[32],VImax和VImin分別表示植被最大和最小比值植被指數(shù),VI由NDVI計(jì)算得到；PAR是指綠色植物吸收的太陽(yáng)輻射中使葉綠素分子呈激發(fā)狀態(tài)的那部分光譜能量,Q為太陽(yáng)總輻射,a和b是常數(shù)(取a=0.248,b=0.752)；S為日照百分率,由月日照百分率數(shù)據(jù)插值得到；Q0為最大晴天總輻射量,由地理緯度φ、海拔高度H及地面水汽壓e估算得到,c0、c1、c2、c3為常數(shù),取值參見(jiàn)文獻(xiàn)[53]；σT由地表溫度TS按式(26)計(jì)算得到；σE由地表溫度按式(27)計(jì)算得到,Td為近地層露點(diǎn)溫度。

2.2.2土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算

土壤侵蝕模數(shù)是計(jì)算林草生態(tài)系統(tǒng)保育土壤價(jià)值中的重要參數(shù),潛在土壤侵蝕模數(shù)是指在沒(méi)有植被覆蓋條件下(裸地)的土壤侵蝕量,現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕模數(shù)是現(xiàn)實(shí)的植被覆蓋條件下的土壤侵蝕量。計(jì)算公式如下[55]。

A=R×K×L×S×C×P

(28)

R=0.043p1.61

(29)

(30)

(31)

式中,A為年土壤侵蝕模數(shù);R為降雨侵蝕因子,并通過(guò)伍育鵬等[56]的研究方法,由公式(29)計(jì)算,其中p為年降雨量(mm),年降雨量數(shù)據(jù)由氣象監(jiān)測(cè)展點(diǎn)數(shù)據(jù)空間插值得到;K為土壤可蝕性因子,采用童李霞[49]的取值0.2519;L、S為坡長(zhǎng)因子、坡度因子,根據(jù)魏蘭香等[57]的研究方法,由利用DEM、坡度數(shù)據(jù)根據(jù)公式(30)、(31)計(jì)算,式中S為坡度因子值(無(wú)量綱)；L為坡長(zhǎng)因子值(無(wú)量綱)；θ為坡度值(°)；λ為水平坡長(zhǎng)值(m)；m 為坡長(zhǎng)指數(shù)(無(wú)量綱)；C為植被覆蓋因子,由植被覆蓋度計(jì)算得到,植被覆蓋度參考肖驍?shù)萚58]計(jì)算方法;P為水土保持措施因子,取值為1[49]。

3 結(jié)果與分析

3.1 林草生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)功能價(jià)值

2015年黃河中上游流域林草生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)功能總價(jià)值為18997.69億元,單位面積林草生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值量為395.54萬(wàn)元/km2。既有研究結(jié)果顯示,黃河中上游流域GDP總量為6.95萬(wàn)億元[59],林草生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值量相當(dāng)于GDP的27.33%。森林生態(tài)系統(tǒng)提供的涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧、積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、凈化大氣環(huán)境、生物多樣性保護(hù)六項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值為11833.11億元,單位林地面積價(jià)值量為1131.87萬(wàn)元/km2。草地生態(tài)系統(tǒng)提供的涵養(yǎng)水源、土壤保持、固碳釋氧、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)保持、環(huán)境凈化、廢棄物降解等五項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值為7164.58億元(表3),單位草地面積價(jià)值量為190.67萬(wàn)元/km2。森林生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值量最大的是保育土壤功能(6756.10億元),最小的是積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)功能(273.35億元),標(biāo)準(zhǔn)差是2208.65億元；草地生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值量最大的是固碳釋氧功能(4170.42億元),最小的是環(huán)境凈化功能(30.10億元),標(biāo)準(zhǔn)差是1690.58億元。森林和草地均在保育土壤方面具有較高價(jià)值,森林在生物多樣性保護(hù)、凈化大氣環(huán)境等方面具有優(yōu)勢(shì),草地在固碳釋氧、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)保持方面具有優(yōu)勢(shì)。

表3 2015年黃河中上游林草生態(tài)系統(tǒng)各項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值與組成

圖1 2015年黃河中上游流域林草生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價(jià)值空間分布Fig.1 Spatial distribution of total value of forest and grassland ecosystem services in the upper and middle reaches of the Yellow River in 2015

從價(jià)值區(qū)間上看,每平方千米林草生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)總價(jià)值介于75.74萬(wàn)元到1417.66萬(wàn)元之間(圖1),表明具有較強(qiáng)的空間差異；青海東部、甘肅南部、陜西中部、山西西部以及河南西部的單位面積林草價(jià)值量較高,一般在760萬(wàn)元/km2以上,主要為祁連山、阿尼瑪卿山、呂梁山以及秦嶺山地。內(nèi)蒙古南部、寧夏大部、甘肅中部以及黃河源部分地區(qū)為價(jià)值量低值區(qū),大多數(shù)在350萬(wàn)元/km2以下。從行政單元上看,(1)省域尺度上林草生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值總量排名依次是青海、山西、甘肅、陜西、內(nèi)蒙、河南、四川。各省每平方千米林草生態(tài)價(jià)值量變化規(guī)律為河南(917.72萬(wàn)元)>山西(700.90萬(wàn)元)>陜西(500.46萬(wàn)元)>四川(446.93萬(wàn)元)>甘肅(384.90萬(wàn)元)>青海(355.84萬(wàn)元)>寧夏(193.96萬(wàn)元)>內(nèi)蒙古自治區(qū)(188.13萬(wàn)元)；(2)市級(jí)尺度上,林草生態(tài)價(jià)值最大值在青海省果洛藏族自治州(1519.21億元)、最小值在河南省平頂山市(1225萬(wàn)元),中位數(shù)在甘肅省蘭州市(189.96億元)。每平方千米價(jià)值量最大值為河南省南陽(yáng)市(1295.98萬(wàn)元)、最小值為內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市(114.96萬(wàn)元),中位數(shù)所在城市為內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市(480.52萬(wàn)元)。

3.2 森林生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)功能價(jià)值

森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值集中在青海東部、甘肅西南部、陜西中部,這些地區(qū)也是黃河中上游流域有林地的主要聚集區(qū)(圖2)。有林地的價(jià)值量最高,達(dá)到1281.59萬(wàn)元/km2；疏林地和灌木林的價(jià)值量均值分別為1167.56萬(wàn)元/km2和1078.27萬(wàn)元/km2。森林生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值量的高低主要取決于有林地土壤侵蝕模數(shù)、土壤容重、凈生產(chǎn)力以及年物種損失機(jī)會(huì)成本等評(píng)估參數(shù)。利用分區(qū)統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算不同森林類型的土壤侵蝕模數(shù)的結(jié)果表明：有林地土壤侵蝕模數(shù)最低,且土壤容重等其他生態(tài)參數(shù)最高,其所提供的生態(tài)功能價(jià)值最高。研究區(qū)灌木林面積最大,生態(tài)價(jià)值總量居于首位,為5155.23億元,有林地和疏林地的價(jià)值貢獻(xiàn)分別為4706.78億元和1921.81億元。

圖2 2015年黃河中上游流域森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價(jià)值空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of total value of forest ecosystem services in the upper and middle reaches of the Yellow River in 2015

3.3 草地生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)功能價(jià)值

草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值集中在黃河上游的青海東部、四川北部、甘肅西部以及黃河中游的陜西西部,涉及祁連山區(qū)、阿尼瑪卿山、黃土高原部分地區(qū)(圖3)。根據(jù)每種草地提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值均值和總量可知,高覆蓋度草地的價(jià)值均值最高(264.79萬(wàn)元/km2),中覆蓋度草地和低覆蓋度草地價(jià)值均值分別為185.15萬(wàn)元/km2及151.88萬(wàn)元/km2。草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值量與草地凈生產(chǎn)力、草地土壤侵蝕模數(shù)以及所在地區(qū)降雨量密切相關(guān),高覆蓋度草地比中低覆蓋度草地具有更高的凈生產(chǎn)力和最低的土壤侵蝕量。中覆蓋度草地的面積最大,價(jià)值量占比為44.44%,高、低覆蓋度草地價(jià)值占比為29.38%和26.18%。

圖3 2015年黃河中上游流域草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價(jià)值空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of total value of grassland ecosystem services in the upper and middle reaches of the Yellow River in 2015

3.4 森林生態(tài)系統(tǒng)各類調(diào)節(jié)服務(wù)功能價(jià)值空間格局

將林草生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值按不同服務(wù)功能進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并以柵格像元為最小單位進(jìn)行空間可視化表達(dá)(圖4)。綜合發(fā)現(xiàn),森林生態(tài)系統(tǒng)的各項(xiàng)服務(wù)功能價(jià)值分布上具有差異化特征。其中,保育土壤、凈化大氣環(huán)境的單位面積價(jià)值分布有“東部高于西部、南部高于北部”的明顯趨勢(shì),這與不同林地類型的分布密切相關(guān)。有林地單位面積保育土壤價(jià)值和凈化大氣環(huán)境價(jià)值分別為711.47萬(wàn)元/km2、169.52萬(wàn)元/km2,均高于灌木林(641.01萬(wàn)元/km2、167.62萬(wàn)元/km2)和疏林地(641.92萬(wàn)元/km2、168.38萬(wàn)元/km2),東南部的太岳山、呂梁山西部、秦嶺北麓地區(qū)地處半濕潤(rùn)氣候區(qū),林地分布廣泛且林分以天然林和人工林為主。反觀西部的黃土高原甘肅段、青海阿尼瑪卿山麓等地區(qū)以及西北部的祁連山脈,有林地面積和聚集度均不及東南部,因此東部林地比西部林地產(chǎn)生較高的保育土壤和凈化大氣環(huán)境價(jià)值；而涵養(yǎng)水源、固碳釋氧、積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)單位面積價(jià)值的高值區(qū)呈現(xiàn)東、西兩翼的分布態(tài)勢(shì),即“青海-甘肅”與“陜西-山西”兩個(gè)高值區(qū),這是氣候、海拔以及地理緯度等因素綜合作用的結(jié)果。

3.5 草地生態(tài)系統(tǒng)各類調(diào)節(jié)服務(wù)功能價(jià)值空間格局

草地生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水源、土壤保持功能價(jià)值量均呈現(xiàn)“南高北低”的空間格局,高值區(qū)分布在四川邛崍山北麓、甘肅陜西南部的秦嶺北麓,涵養(yǎng)水源價(jià)值達(dá)到6萬(wàn)元/km2以上,土壤保持價(jià)值達(dá)到了70萬(wàn)元/km2以上(圖5)。涵養(yǎng)水源價(jià)值自南向北梯式遞減,這與降雨量的空間態(tài)勢(shì)相吻合。而土壤保持價(jià)值量自南向北則是驟減,除在甘肅南部、陜西南部存在東西連片窄條狀的過(guò)度帶外,北部的鄂爾多斯高原、黃土高原、河套平原、寧夏平原等大部分地區(qū)草地土壤保持價(jià)值低于10萬(wàn)元/km2,這些地區(qū)由于深居內(nèi)陸,氣候干旱,草地覆蓋度較低,致使土壤侵蝕量較高,是全域土壤保持價(jià)值的低值區(qū)。草地固碳釋氧與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)保持價(jià)值高值區(qū)集中在黃河上游的甘南草原、阿尼瑪卿山、祁連山南麓、湟水谷地等高海拔連片地帶,單位面積草地提供的固碳釋氧價(jià)值高達(dá)400.85萬(wàn)元/km2以上,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)保持價(jià)值高達(dá)73.73萬(wàn)元/km2以上。黃河中游草地面積較大,但大部分草地固碳釋氧與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)保持價(jià)值偏低,單位面積草地提供的固碳釋氧價(jià)值低至153.17萬(wàn)元/km2以下,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)保持價(jià)值低至71.54萬(wàn)元/km2以下。陜西南部受到南水北調(diào)、水源涵養(yǎng)地等政策因素形成了局部高值區(qū),其固碳釋氧價(jià)值達(dá)到300萬(wàn)元/km2以上,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)保持價(jià)值達(dá)到72萬(wàn)元/km2以上。

圖5 2015年黃河中上游流域草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of functional value of grassland ecosystem services in the upper and middle reaches of the Yellow River in 2015

4 結(jié)論與討論

4.1 主要結(jié)論

基于多源空間信息數(shù)據(jù),利用空間統(tǒng)計(jì)分析技術(shù),評(píng)估了2015年黃河中上游流域像元級(jí)林草生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)功能價(jià)值量以及空間格局與區(qū)劃特征。主要得出以下結(jié)論：

(1)集成運(yùn)用土地利用數(shù)據(jù)、遙感產(chǎn)品數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),參考聯(lián)合國(guó)千年評(píng)估框架、《規(guī)范》以及既有研究,通過(guò)反演NPP、土壤侵蝕模數(shù)等生態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù),構(gòu)建了1km×1km格網(wǎng)尺度林草生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估體系,克服了傳統(tǒng)研究根據(jù)實(shí)地采樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以點(diǎn)帶面估算價(jià)值量存在精確度不足的缺點(diǎn),彌補(bǔ)了傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)受限于特定行政單元的局限,發(fā)現(xiàn)整個(gè)流域范圍內(nèi)生態(tài)價(jià)值量的微觀空間異質(zhì)性特征,為開(kāi)展系統(tǒng)性、整體性以及協(xié)同性區(qū)域生態(tài)保護(hù)和治理提供科學(xué)依據(jù)。在GIS分區(qū)統(tǒng)計(jì)技術(shù)的支持下,該方法體系支持省、市行政單元生態(tài)價(jià)值的核算,有利于各級(jí)行政部門制定生態(tài)環(huán)境治理對(duì)策；支持不同林分區(qū)域、不同密度草地、不同海拔以及氣候帶等自然單元價(jià)值量核算,為探究生態(tài)服務(wù)價(jià)值空間差異的形成機(jī)制以及差異化生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制制定提供參考。

(2)2015年黃河中上游流域林草生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)功能價(jià)值為18997.69億元,其中森林提供11833.11 億元,草地提供7164.58億元。單位面積林草生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值具有較強(qiáng)的空間異質(zhì)性,高值區(qū)集中在青、甘、陜、山四省連片區(qū)域,主要受到祁連山、阿尼瑪卿山、秦嶺山地等水熱條件的影響作用,而內(nèi)蒙古南部、寧夏大部、甘肅中部以及青海河源區(qū)由于受降水、地形、地貌等因素的影響,單位面積林草生態(tài)價(jià)值較低。有林地和高覆蓋度草地單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值最高,但對(duì)全域生態(tài)服務(wù)價(jià)值貢獻(xiàn)最大的是灌木林與中覆蓋度草地；

(3)森林生態(tài)系統(tǒng)的6項(xiàng)調(diào)節(jié)服務(wù)功能價(jià)值量均呈現(xiàn)西部青海甘肅、中北部寧夏內(nèi)蒙、東部陜西山西等三大區(qū)域空間分布特征,保育土壤、凈化大氣環(huán)境的單位面積價(jià)值的空間分布有東南高于西北態(tài)勢(shì),而涵養(yǎng)水源、固碳釋氧、積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的單位面積價(jià)值的高值聚集區(qū)分為東、西兩翼,這與有林地空間分布以及NPP等生態(tài)參數(shù)值的影響。草地涵養(yǎng)水源、土壤保持價(jià)值呈現(xiàn)“南高北低”的空間格局,與降雨量等氣候因素密切相關(guān),草地固碳釋氧與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)保持價(jià)值高值區(qū)集中在黃河上游高海拔地帶。

4.2 討論

實(shí)施黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略,不僅要維系林草生態(tài)服務(wù)功能,還要依托生態(tài)產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。在當(dāng)前階段,在落實(shí)生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的背景下,必須要著力于兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題以構(gòu)建高質(zhì)量發(fā)展動(dòng)力系統(tǒng),一是在生態(tài)保護(hù)中推進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展,努力探索在“綠水青山”的保護(hù)、修復(fù)、重建過(guò)程中實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)恢復(fù)與產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的協(xié)同效應(yīng),推動(dòng)整個(gè)社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)的革新與優(yōu)化；二是統(tǒng)籌當(dāng)前和未來(lái)一段時(shí)期的生態(tài)政策、扶貧政策、產(chǎn)業(yè)政策等并通過(guò)政策之間的整合、融合以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新機(jī)制與模式的目的,突破目前在發(fā)展中存在的環(huán)境生態(tài)桎梏。

因此,一是不同生態(tài)服務(wù)功能形成的空間區(qū)域特征表明：流域各省份應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)馗黜?xiàng)生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值的差異與優(yōu)勢(shì),突出生態(tài)功能區(qū)域空間特征,實(shí)施“系統(tǒng)性、整體性、協(xié)同性”的生態(tài)保護(hù)與治理策略。四川、青海、甘肅等上游流域是流域重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和補(bǔ)給區(qū),應(yīng)嚴(yán)格落實(shí)國(guó)家主體功能區(qū)戰(zhàn)略,保護(hù)三江源、祁連山、甘南草原等林草生態(tài)功能區(qū),推進(jìn)天然林與人工林保護(hù)、退牧還草、地震災(zāi)后植被恢復(fù)等重點(diǎn)生態(tài)工程,不斷提升水源涵養(yǎng)能力；甘肅、寧夏、山西、陜西的黃土高原丘陵溝壑區(qū)水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)易引發(fā)洪澇災(zāi)害,鑒于林草生態(tài)系統(tǒng)具有強(qiáng)大的水土保持功能,不同林分和草地覆蓋度的土壤保持價(jià)值各異。應(yīng)在該區(qū)域增加林草植被覆蓋度,并將水土流失預(yù)防重點(diǎn)由以往的增加林草地面積為主向復(fù)合生態(tài)修復(fù)轉(zhuǎn)變,例如實(shí)施樹(shù)種結(jié)構(gòu)調(diào)整、森林撫育、封育提升等工程[37]；

二是利用精細(xì)空間的生態(tài)服務(wù)價(jià)值估算結(jié)果,摸清生態(tài)產(chǎn)品家底,掌握生態(tài)產(chǎn)品清單,明晰生態(tài)服務(wù)與產(chǎn)品的空間位置及存在形態(tài),創(chuàng)新建立生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值實(shí)現(xiàn)機(jī)制。在黃河上中游流域探索林草生態(tài)效益精準(zhǔn)量化補(bǔ)償、自然資源資產(chǎn)負(fù)債表、綠色碳庫(kù)功能生態(tài)效益交易價(jià)值化等生態(tài)服務(wù)價(jià)值的就地實(shí)現(xiàn)路徑[60]；對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生的區(qū)域之外的價(jià)值,嘗試建立遷地實(shí)現(xiàn)路徑,按照“誰(shuí)受益誰(shuí)補(bǔ)償”的原則,探索建立可量化計(jì)算的上下游生態(tài)補(bǔ)償辦法,例如黃河上游涵養(yǎng)水功能的價(jià)值化實(shí)現(xiàn)需要在中游予以體現(xiàn),黃河中游的保育土壤功能的價(jià)值化實(shí)現(xiàn)需要在下游予以體現(xiàn)；

三是要打好生態(tài)產(chǎn)品組合拳,著力構(gòu)建精準(zhǔn)化的生態(tài)產(chǎn)業(yè)體系,通過(guò)生態(tài)產(chǎn)業(yè)化、產(chǎn)業(yè)生態(tài)化戰(zhàn)略,促進(jìn)生態(tài)價(jià)值與經(jīng)濟(jì)價(jià)值的持續(xù)穩(wěn)定協(xié)同增長(zhǎng)。提煉林草調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值轉(zhuǎn)化途徑與渠道,評(píng)估各區(qū)域生態(tài)服務(wù)及產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)潛力,因地制宜發(fā)展生態(tài)旅游、生態(tài)農(nóng)業(yè)、生態(tài)制造業(yè)、生態(tài)服務(wù)業(yè)和生態(tài)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè),全面提高生態(tài)產(chǎn)品的生產(chǎn)水平和供給能力。例如,上游青海、四川等生態(tài)功能區(qū)在保證生態(tài)功能的同時(shí)可通過(guò)發(fā)揮資源優(yōu)勢(shì),建立國(guó)家公園為主體的生態(tài)旅游業(yè),構(gòu)建綠色農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)體系和產(chǎn)品品牌；中游河套灌區(qū)、汾渭平原糧食主產(chǎn)區(qū)應(yīng)通過(guò)產(chǎn)業(yè)分工與協(xié)同,推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)提升農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量。