王大尚，李屹峰，鄭 華，歐陽(yáng)志云

(中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085)

20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外生態(tài)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)學(xué)者從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)的理論、方法和實(shí)踐應(yīng)用等方面進(jìn)行了大量探索，這些工作對(duì)于正確認(rèn)識(shí)生態(tài)資產(chǎn)、積極實(shí)施生態(tài)保護(hù)措施起到了極大的促進(jìn)作用［1-4］。實(shí)踐證明，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估可以應(yīng)用到環(huán)境保護(hù)政策制定中，但是在面對(duì)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題時(shí)，往往還面臨著當(dāng)?shù)厝藗兲岣吒ｌ淼钠惹行枨?。?005年千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估(MA)［4］創(chuàng)造性地提出了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與人類(lèi)福祉各個(gè)要素之間的相互關(guān)系以來(lái)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與人類(lèi)福祉的關(guān)系已逐漸成為近年來(lái)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究者與實(shí)踐者關(guān)注的焦點(diǎn)與熱點(diǎn)［5］。目前國(guó)內(nèi)外已在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與人類(lèi)福祉關(guān)系領(lǐng)域進(jìn)行了一系列探索，例如 Vemuri、Costanza和 Engelbrecht等［6-7］在國(guó)家尺度上探討了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與人類(lèi)主觀福祉的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)人均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生活滿(mǎn)意度呈顯著正相關(guān)，而在時(shí)間序列上卻呈現(xiàn)相反的結(jié)果。實(shí)踐中，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)經(jīng)濟(jì)福祉的分析也逐漸應(yīng)用到生態(tài)補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域［8-10］。雖然眾多學(xué)者在全球尺度和國(guó)家尺度上對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與人類(lèi)福祉的關(guān)系進(jìn)行了探討，充分說(shuō)明了人類(lèi)福祉對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的依賴(lài)性，但這對(duì)于區(qū)域尺度上消除貧窮、提高人類(lèi)福祉以及生態(tài)系統(tǒng)保育政策制定上的作用十分有限［11］。因此，區(qū)域尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與人類(lèi)福祉關(guān)系，以及如何將這種關(guān)系應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理的研究顯得尤為迫切。

流域作為經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境相互作用較強(qiáng)，整體性相對(duì)突出的區(qū)域，在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究中逐漸得到重視［12］。密云水庫(kù)是北京市城市供水的主要水源，潮白河密云水庫(kù)上游流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化對(duì)密云水庫(kù)的水量和水質(zhì)具有重要影響，同樣，流域內(nèi)河北地區(qū)與北京地區(qū)居民貧富差距較大，區(qū)域發(fā)展不平衡［13-14］。近年來(lái)，為提高密云水庫(kù)的水量和水質(zhì)，在潮白河流域上游地區(qū)采取了一系列生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施，但針對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能空間特征以及居民福祉的相關(guān)研究開(kāi)展甚少，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與區(qū)域福祉空間關(guān)系仍不明確［15］。本文采用GIS技術(shù)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估模型，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上刻畫(huà)了流域水資源供給、土壤保持、水質(zhì)凈化、以及產(chǎn)品供給服務(wù)和居民福祉空間格局，并在此基礎(chǔ)上初步探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與居民福祉之間的空間關(guān)系，不僅對(duì)建立長(zhǎng)期、有效的基于居民福祉的生態(tài)系統(tǒng)管理方法具有一定的理論與實(shí)踐意義，同時(shí)對(duì)該地區(qū)居民福祉的改善以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保育也具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

潮白河密云水庫(kù)上游流域是指潮白河流域密云水庫(kù)所控制的部分，它位于北緯40°19'—41°38'和東經(jīng) 115°25'—117°35'之間，流域面積為 15788 km2。流域由潮、白河兩大水系組成，地形西北高、東南低，西北多以海拔1000—2300 m的中山為主，東南部多低山、丘陵和少量平原河灘地。流域?qū)儆谂瘻貛Ъ撅L(fēng)型大陸性半濕潤(rùn)半干旱氣候，四季分明。流域內(nèi)植被以原始次生林和人工林為主，天然次生林樹(shù)種以闊葉混交雜木林為主，人工林主要包括油松、側(cè)柏、刺槐和落葉松。

流域跨越北京市和河北省，其中北京市境內(nèi)的面積約為3476.7 km2，分布在密云、懷柔和延慶3個(gè)區(qū)縣，占水庫(kù)流域面積的23.3%，河北省境內(nèi)的面積約為11892 km2，分布在赤城縣、豐寧滿(mǎn)族自治縣、灤平縣、興隆縣、沽源縣和崇禮縣等6個(gè)縣。處上游河北地區(qū)的赤城、豐寧、灤平3縣的農(nóng)民人均收入分別為2645、2685、3258元。而同屬于潮白河密云水庫(kù)上游的北京市懷柔區(qū)、密云縣、延慶縣的2009年農(nóng)民家庭平均每人年純收入分別為 11012、10682、10470元，區(qū)域發(fā)展不均衡。

本文選取流域內(nèi)6個(gè)主要縣市共56個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)為研究對(duì)象，其中河北省內(nèi)共計(jì)3個(gè)縣41個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，北京市內(nèi)3個(gè)縣共15個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積142.05×104hm2，占整個(gè)流域面積的93.1%，如圖1所示。

圖1 密云水庫(kù)流域水系與行政區(qū)劃Fig.1 Drainage basins and the administrative divisions of Miyun reservoir watershed

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及InVEST模型簡(jiǎn)介

2.1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究采用分辨率為30 m的2009年Landsat TM遙感影像，解譯出了潮白河流域各種生態(tài)類(lèi)型面積及其空間分布，并利用野外采集的樣點(diǎn)對(duì)解譯的結(jié)果進(jìn)行了精度檢驗(yàn)，分類(lèi)精度達(dá)到75%，可運(yùn)用解譯結(jié)果進(jìn)一步研究分析.徑流和泥沙以及水環(huán)境數(shù)據(jù)來(lái)自北京市水利科學(xué)研究所以及河北省水利科學(xué)研究院。

本研究中用到的其他基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)自各地縣市的統(tǒng)計(jì)資料。

2.1.2 InVEST 模型簡(jiǎn)介

InVEST模型是在自然資本項(xiàng)目支持下，由美國(guó)斯坦福大學(xué)、WWF和TNC聯(lián)合開(kāi)發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)定量評(píng)估模型，該模型基于GIS，能夠在不同地理尺度和社會(huì)經(jīng)濟(jì)尺度上展示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的空間變化以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡。根據(jù)流域的實(shí)際情況及研究目的，本研究選取了“產(chǎn)水量”、“土壤保持”、“水質(zhì)凈化”一共3個(gè)子模塊。

2.2 評(píng)價(jià)方法

2.2.1 水資源供給服務(wù)

在本研究中，水資源供給服務(wù)指一定區(qū)域內(nèi)的地表產(chǎn)水量，地表產(chǎn)水量的計(jì)算基于一個(gè)簡(jiǎn)化的水文循環(huán)模型，忽略地下水的影響，由降雨量、蒸散量、土壤深度、植物可利用水等眾多參數(shù)綜合決定，水量越多，水資源供給服務(wù)就越好。水資源供給服務(wù)通過(guò)InVEST模型的“產(chǎn)水量”模塊進(jìn)行評(píng)估，土壤深度在標(biāo)準(zhǔn)土壤圖中獲取，植物可利用水含量根據(jù)流域土壤類(lèi)型以及蔡燕等人［16］的研究結(jié)果得出。

式中，Yxj為第j土地利用類(lèi)型柵格x的產(chǎn)水量;AETxj為第j土地利用類(lèi)型柵格x的年實(shí)際水分蒸散量;Pxj為第j類(lèi)土地利用類(lèi)型柵格x的年降雨量。

通過(guò)InVEST模型計(jì)算每個(gè)像元內(nèi)的水資源供給服務(wù)，然后在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍內(nèi)對(duì)各個(gè)像元水資源供給量Yij求和，再除以鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積即可得到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)單位面積水資源供給服務(wù)。模型校驗(yàn)及運(yùn)行結(jié)果參考李屹峰的研究結(jié)果［17］。

2.2.2 土壤保持服務(wù)

土壤侵蝕定量估算過(guò)程中，利用遙感數(shù)據(jù)，獲取植被和土地利用信息，提取模型所需的植被和人為措施因子，收集降雨資料和土壤數(shù)據(jù)，計(jì)算降雨侵蝕力和土壤可蝕性因子，在通用土壤流失方程的框架基礎(chǔ)上建立區(qū)域土壤侵蝕模型，經(jīng)過(guò)諸因子算式及監(jiān)測(cè)模型運(yùn)算，逐個(gè)計(jì)算出各30m×30m像元的土壤侵蝕模數(shù)，最終估算出整個(gè)區(qū)域以及各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的年土壤侵蝕量以及土壤保持量.模型所需參數(shù)有流域、子流域、DEM、降雨侵蝕力、土壤可蝕力、生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型圖、植被覆蓋因子指數(shù)C、管理因子指數(shù)P，泥沙去除效率sedret_eff、流量累積閾值、坡度閾值。降雨侵蝕力根據(jù)公式(4)結(jié)合降雨量計(jì)算得出，土壤可蝕力則采用周為峰和吳柄芳的研究結(jié)果［18］。C因子和P因子結(jié)合于興修和于洋等人研究成果［19-20］及InVEST幫助文檔匯總得出。土壤保持系數(shù)表征地表植被截留從上游遷移來(lái)的泥沙，結(jié)合流域的實(shí)際情況，參考水文學(xué)者的意見(jiàn)，得出不同地類(lèi)的土壤保持系數(shù)大致范圍，并根據(jù)模型調(diào)試的結(jié)果進(jìn)行微調(diào)，最終確定可行的土壤保持系數(shù)。流量累積閾值默認(rèn)采取1000，坡度閾值取45。模型校驗(yàn)及運(yùn)行結(jié)果參考李屹峰的研究結(jié)果［17］。

首先，采用通用水土流失方程進(jìn)行評(píng)價(jià):

式中，USLEx表示像元x年土壤侵蝕量;Rx為降雨侵蝕因子;Kx為土壤可蝕性因子;LSx為坡長(zhǎng)坡度因子;Cx為植被覆蓋因子;Px為管理因子.

單個(gè)像元潛在土壤保持量可以通過(guò)下述公式估計(jì):

然后對(duì)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍內(nèi)各個(gè)像元土壤保持量Tx求和，再除以鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積即可得到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)單位面積土壤保持量:

式中，Si表示鄉(xiāng)鎮(zhèn)i的單位面積年土壤保持量，Ai表示鄉(xiāng)鎮(zhèn)i的總面積.

2.2.3 水質(zhì)凈化服務(wù)功能

本文所指的水質(zhì)凈化服務(wù)功能主要考慮各鄉(xiāng)鎮(zhèn)植被對(duì)徑流中氮元素的凈化能力，由于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)實(shí)際凈化污染物的數(shù)量受到該地區(qū)本身的污染排放量以及上游徑流的影響，本文采用鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)各像元平均N素輸出負(fù)荷來(lái)評(píng)價(jià)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水質(zhì)凈化服務(wù)功能，像元平均N輸出量越高，表明該鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水質(zhì)凈化服務(wù)功能越差。

首先計(jì)算每一個(gè)像元的養(yǎng)分持留量，再計(jì)算每個(gè)像元的污染輸出負(fù)荷，然后在鄉(xiāng)鎮(zhèn)的尺度上計(jì)算所有像元的平均N輸出負(fù)荷，再對(duì)該值取倒數(shù)以表征該鄉(xiāng)鎮(zhèn)水質(zhì)凈化服務(wù)功能的高低.模型所需的參數(shù)有:數(shù)字高程模型(DEM)、根系長(zhǎng)度、植物蒸散系數(shù)、產(chǎn)水量、土地利用圖、氮輸出負(fù)荷系數(shù)、植物濾除效率、流量累積閾值。根系長(zhǎng)度參考Canadell［21］、劉鈺等人［22］的研究結(jié)果及InVEST模型幫助手冊(cè)匯總整理得出;植物蒸散系數(shù)ETK參考吳元芝、張東等［23-24］研究者的數(shù)據(jù)得出不同土地利用類(lèi)型大致的蒸散系數(shù)。評(píng)估方法如下:

式中，WPx是指柵格x的水質(zhì)凈化服務(wù)功能，ALVx是柵格x的污染負(fù)荷值，polx是柵格x的輸出系數(shù)，HSSx是水文敏感分值，λx是柵格x的徑流系數(shù)，λW是研究流域內(nèi)的平均徑流系數(shù)，∑UYu是柵格x及最后匯入該柵格的所有上游柵格的總產(chǎn)水量。模型校驗(yàn)及運(yùn)行結(jié)果參考李屹峰的研究結(jié)果［17］。

2.2.4 產(chǎn)品供給服務(wù)

由于資料所限及流域內(nèi)實(shí)際產(chǎn)業(yè)情形，本研究產(chǎn)品供給服務(wù)主要分為糧食產(chǎn)品供給服務(wù)、蔬菜產(chǎn)品供給服務(wù)以及畜牧產(chǎn)品供給服務(wù)，并采用糧食作物種植面積比例、單位面積蔬菜產(chǎn)量以及單位面積肉蛋奶總價(jià)值分別表征流域內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的糧食產(chǎn)品供給服務(wù)、蔬菜產(chǎn)品供給服務(wù)和畜牧產(chǎn)品供給服務(wù)，進(jìn)而對(duì)這幾種供給服務(wù)的空間特征進(jìn)行刻畫(huà)。其中肉蛋奶價(jià)值采用2009年當(dāng)?shù)馗鞣N肉類(lèi)價(jià)值進(jìn)行計(jì)算，肉類(lèi)主要計(jì)算豬肉、羊肉、牛肉和雞肉，雞蛋價(jià)格采用2009年河北地區(qū)雞蛋價(jià)格，牛奶價(jià)格則采用2009年河北省牛奶價(jià)格。

2.2.5 居民福祉指標(biāo)

人類(lèi)福祉是指?jìng)€(gè)人在他們生活的文化氛圍和擁有的價(jià)值觀范疇內(nèi)對(duì)目前生活狀態(tài)的多維評(píng)價(jià)，這里將福祉與快樂(lè)、幸福、生活質(zhì)量視為同義詞［25-28］.在生態(tài)學(xué)上，人類(lèi)福祉包括過(guò)上良好生活所必須的最低物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、自由和選擇、健康和身體安康、良好的社會(huì)關(guān)系、安全、心情舒暢以及精神體驗(yàn)等［4］。

國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表明，國(guó)家或地區(qū)的富裕程度與人們的幸福感水平之間存在著較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系“伊斯特林悖論”也指出，在約1.5萬(wàn)美元的臨界點(diǎn)下方，人均收入的增加會(huì)明顯提升人類(lèi)福祉，而高于這一臨界點(diǎn)，幸福的提升則很有限，追求經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)會(huì)帶來(lái)消極影響，如碳排放、環(huán)境惡化，會(huì)使人們不幸福［29］。

研究區(qū)域大部分屬于貧困地區(qū)或者低收入水平地區(qū)，經(jīng)濟(jì)收入對(duì)他們的影響非常大，因此在本文中，將以農(nóng)民人均年純收入這一指標(biāo)評(píng)價(jià)區(qū)域居民福祉。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與居民福祉空間特征

3.1.1 水資源供給服務(wù)

各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水資源供給服務(wù)的空間格局(圖2)，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)單位面積水資源供給范圍在145.29—613.30 m3/hm2，在整個(gè)流域范圍內(nèi)，水資源供給服務(wù)最好的區(qū)域位于上游流域的赤城縣和豐寧縣。

3.1.2 土壤保持服務(wù)

各鄉(xiāng)鎮(zhèn)年土壤保持量的范圍在103—1073 kg/hm2。整個(gè)流域整體上的土壤保持服務(wù)功能從上游到下游呈逐漸遞增的趨勢(shì)，上游地區(qū)以赤城和豐寧二縣的土壤保持功能較好，下游地區(qū)以密云縣和懷柔縣的土壤保持服務(wù)功能較差。流域內(nèi)北京地區(qū)土壤保持服務(wù)功能要好于河北地區(qū)土壤保持服務(wù)功能(圖2)。

3.1.3 水質(zhì)凈化服務(wù)

本研究采用鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)各像元(30 m×30 m)平均N素輸出負(fù)荷來(lái)評(píng)價(jià)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水質(zhì)凈化服務(wù)功能，像元平均N輸出量越高，表明該鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水質(zhì)凈化服務(wù)功能越差。如圖2所示，整個(gè)流域水質(zhì)凈化功能最好的區(qū)域位于潮河流域和白河流域上游以及灤平縣與密云縣交界處，這些區(qū)域植被覆蓋度較好，水質(zhì)凈化服務(wù)功能較強(qiáng)。水質(zhì)凈化功能總體上在流域內(nèi)呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢(shì)。水質(zhì)污染主要來(lái)源于上游地區(qū)生活生產(chǎn)產(chǎn)生的N污染，并且由于上游地區(qū)人類(lèi)活動(dòng)，改變了當(dāng)?shù)氐闹脖桓采w，降低了地表覆蓋物的水質(zhì)凈化服務(wù)功能，因此水質(zhì)凈化功能與產(chǎn)品提供功能具有密切的關(guān)系，如表1所示，水質(zhì)凈化服務(wù)功能與糧食作物面積、蔬菜產(chǎn)量以及肉蛋奶產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.1.4 產(chǎn)品供給服務(wù)

糧食作物面積比例范圍在0.6%—23.1%之間，蔬菜單位面積產(chǎn)量在0—2715 kg/hm2，肉蛋奶按2009年價(jià)值進(jìn)行核算，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)肉蛋奶產(chǎn)值范圍在26—8523元/hm2之間。這3種供給服務(wù)在流域內(nèi)整體格局大致相同，赤城縣西部與豐寧縣西部的產(chǎn)量較高，而位于兩縣交界區(qū)域鄉(xiāng)鎮(zhèn)的產(chǎn)量較低，密云縣和灤平縣西部產(chǎn)量較高而東部以及懷柔大部分地區(qū)的產(chǎn)量較低(圖2)。供給服務(wù)功能的空間格局也與自然條件密切相關(guān)，潮河流域地勢(shì)相對(duì)平坦，適于耕種，因而潮河流域區(qū)域供給服務(wù)較好，且糧食作物、蔬菜產(chǎn)量以及畜牧業(yè)產(chǎn)量呈現(xiàn)相同的空間格局，潮河流域＞白河流域＞潮白河流域中間區(qū)域，即豐寧、灤平以及密云縣較好，赤城縣次之，而懷柔縣與延慶縣服務(wù)供給服務(wù)較差。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布圖Fig.2 spatial distribution of ecosystem services

3.1.5 居民福祉

流域內(nèi)居民福祉的空間分布呈明顯的區(qū)域特征。流域內(nèi)北京區(qū)域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)民人均年純收入范圍為6408—10808元，河北區(qū)域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)民人均年純收入范圍為667—3050元，其中縣居民福祉水平最低，大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)人均純收入低于2009年貧困縣標(biāo)準(zhǔn)1196元，而懷柔縣大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)民福祉水平最高，人均年純收入達(dá)到1萬(wàn)元左右(圖3)。

圖3 鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度居民福祉空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of human wellbeing at township scale

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互空間關(guān)系

采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法對(duì)以上6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明:流域內(nèi)水資源供給服務(wù)與水質(zhì)凈化服務(wù)和土壤保持服務(wù)呈顯著負(fù)相關(guān)，又與糧食供給、蔬菜供給呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而土壤保持功能則與以上3種產(chǎn)品提供功能無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系(表1)。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與居民福祉關(guān)系模式

由于產(chǎn)品供給服務(wù)對(duì)居民福祉具有直接影響，因此，本文將糧食產(chǎn)品供給服務(wù)、蔬菜產(chǎn)品供給服務(wù)和畜牧產(chǎn)品供給服務(wù)劃分為供給服務(wù)，將水質(zhì)凈化服務(wù)和土壤保持服務(wù)則劃分為調(diào)節(jié)服務(wù)，而水資源供給服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)。現(xiàn)將供給服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù)兩類(lèi)共5種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變量進(jìn)行主成分分析，結(jié)果顯示第一個(gè)主成分可以解釋43.7% 的變異，第二主成分可以解釋22.1%的變異，其他的出成分解釋的變異都小于10%。其中:

y1=－0.751×水質(zhì)凈化服務(wù)－0.390×土壤保持服務(wù)+0.721×糧食產(chǎn)品供給服務(wù) +0.734×蔬菜產(chǎn)量供給服務(wù) +0.640×肉類(lèi)產(chǎn)量

y2=0.383×水質(zhì)凈化服務(wù)+0.835×土壤保持服務(wù)+0.247×糧食產(chǎn)品供給服務(wù)+0.347×蔬菜產(chǎn)品供給服務(wù)+0.282×畜牧產(chǎn)品供給服務(wù)

如主成分分析所示，可以用這兩個(gè)主成分來(lái)分別表征產(chǎn)品供給服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù)，以該2種主成分以及居民福祉共3個(gè)變量進(jìn)行聚類(lèi)分析，以探討居民福祉和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間的關(guān)系。聚類(lèi)結(jié)果如圖4。

如圖5所示，根據(jù)56個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)在空間上的聚集狀態(tài)，將其劃分為3種聚集模式，并采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法分別分析這3種模式下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與居民福祉的相關(guān)關(guān)系(表2)。根據(jù)其特點(diǎn)命名為貧困區(qū)域模式、供給服務(wù)依賴(lài)模式和北京區(qū)域模式。

(1)低服務(wù)低福祉模式

主要分布于流域上游，位于赤城縣和豐寧縣北部以及灤平縣東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)，共25個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。這些區(qū)域供給服務(wù)一般(接近平均值)，水質(zhì)凈化服務(wù)服務(wù)很好(遠(yuǎn)高于平均值)(圖5)。水質(zhì)凈化服務(wù)與土壤保持服務(wù)正相關(guān)，與糧食產(chǎn)品供給服務(wù)負(fù)相關(guān);福祉水平很差，農(nóng)民人均年純收入范圍為574—1994元，與蔬菜產(chǎn)品供給服務(wù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)(表2)。

表1 密云水庫(kù)上游流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlations between pairs of ecosystem services at watershed

圖4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與居民福祉空間聚集Fig.4 Spatial clustering of ecosystem services and residents'well-being

(2)供給服務(wù)依賴(lài)模式

分布于灤平大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)、赤城東部和豐寧西部，共16個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(圖5)。這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)產(chǎn)品供給服務(wù)較好(高于平均值)，水質(zhì)凈化服務(wù)較差，遠(yuǎn)低于流域整體平均值，土壤保持服務(wù)一般，接近流域整體平均值(圖5)。福祉水平一般，農(nóng)民人均年純收入范圍為2200—3050元，福祉與畜牧產(chǎn)品供給服務(wù)以及蔬菜產(chǎn)品供給服務(wù)呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，與水質(zhì)凈化服務(wù)呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01))(表2)。

圖5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與福祉關(guān)系不同模式示意圖及其空間位置Fig.5 relationships between ecosystem services and human well-being in different patterns and its locations

(3)高服務(wù)高福祉模式

分布于流域北京市境內(nèi)，共15個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，這些區(qū)域土壤保持功能較好，遠(yuǎn)好于流域整體土壤保持服務(wù)，水質(zhì)凈化功能與流域整體平均水平較接近，而供給服務(wù)較差，遠(yuǎn)低于流域平均水平(圖5)，水質(zhì)凈化服務(wù)與產(chǎn)品供給服務(wù)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)(表2);福祉水平較好，農(nóng)民年人均純收入范圍為7250—10808元，與各種服務(wù)相關(guān)性不顯著。

表2 不同區(qū)域模式生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與居民福祉之間相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlations between pairs of ecosystem services in different regional patterns

3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與居民福祉關(guān)系模式管理建議

針對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與居民福祉的3種關(guān)系模式的特點(diǎn)，以及不同模式的分布區(qū)域自然地理?xiàng)l件，應(yīng)采用不同的管理措施，如表3所示。

表3 不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與福祉關(guān)系模式下管理措施Table 3 Management measures under different ecosystem services and well-being relation patterns

4 討論

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究主要集中于特定區(qū)域或特定生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型總的價(jià)值評(píng)價(jià)，或者在全國(guó)尺度上對(duì)總的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行研究［30-32］。例如，方瑜等人對(duì)海河流域草原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的總價(jià)值進(jìn)行了評(píng)估［30］，陳龍等人則對(duì)瀾滄江流域的土壤保持服務(wù)進(jìn)行了評(píng)估［31］，石垚等人則對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了核算，并在省級(jí)尺度上分析了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間格局［32］。這些研究對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的認(rèn)識(shí)起到了重要作用，充分說(shuō)明了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保育的重要意義，對(duì)我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理具有重大的推動(dòng)作用。但這些研究對(duì)區(qū)域尺度上對(duì)多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間格局的研究較少，還難以滿(mǎn)足區(qū)域尺度上生態(tài)系統(tǒng)管理的需求。本研究利用InVEST模型，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上定量評(píng)價(jià)了密云水庫(kù)上游流域土壤保持服務(wù)、水質(zhì)凈化服務(wù)和水資源供給服務(wù)，并直觀展現(xiàn)了6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)不同的空間特征，土壤保持服務(wù)從上游到下游呈逐漸遞增趨勢(shì)，水質(zhì)凈化功能總體上在流域內(nèi)呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢(shì)，與糧食產(chǎn)品供給服務(wù)、蔬菜產(chǎn)品供給服務(wù)以及畜牧產(chǎn)品供給服務(wù)的空間分布呈相反的趨勢(shì)(圖2)，其中與糧食供給服務(wù)成顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(表1)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間特征分布及其相互關(guān)系的研究有助于深入了解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互作用機(jī)理，便于流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理。

人類(lèi)福祉與生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)有著密不可分的關(guān)系。2005年千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估明確了生態(tài)系統(tǒng)的狀況和變化與人類(lèi)福祉之間的密切聯(lián)系，提出評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)與人類(lèi)福祉之間相互關(guān)系的框架，為多尺度綜合評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與人類(lèi)福祉之間各組分的關(guān)系提供了一系列方法，后續(xù)又啟動(dòng)了一項(xiàng)將知識(shí)轉(zhuǎn)化為行動(dòng)的全球戰(zhàn)略計(jì)劃，提出了阻止和扭轉(zhuǎn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的下降趨勢(shì)來(lái)改善人類(lèi)福祉的愿景［4-5，33］。目前國(guó)外研究者對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和人類(lèi)福祉關(guān)系研究主要集中在全球尺度和國(guó)家尺度上，提出了一系列理念和方法［6-7，25］。在國(guó)內(nèi)，楊莉等［34］人探討了黃土高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化對(duì)人類(lèi)福祉的影響，代光爍等人［35］則探討了內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與人類(lèi)福祉關(guān)系，潘影等人［36］則分析了寧夏固原市生態(tài)保育對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民福祉的影響，這些研究充分說(shuō)明了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)居民福祉的影響和以及居民福祉對(duì)供給服務(wù)的依賴(lài)，但對(duì)于具體行政區(qū)域在空間格局上提供的管理依據(jù)依然有限［37］。本研究則在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上探討了6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與人類(lèi)福祉的相互關(guān)系，雖然在流域整體范圍內(nèi)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與居民福祉無(wú)顯著相關(guān)性，根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和居民福祉將區(qū)域劃分了3種不同的模式:貧困區(qū)域模式、供給服務(wù)依賴(lài)模式和北京區(qū)域模式。其中供給服務(wù)依賴(lài)模式中，供給服務(wù)水平最高，居民福祉與供給服務(wù)的提供具有明顯的相關(guān)性，說(shuō)明了該模式下居民福祉對(duì)供給服務(wù)的依賴(lài)性。北京區(qū)域模式的特點(diǎn)則表現(xiàn)為福祉高，調(diào)節(jié)服務(wù)好，而供給服務(wù)較差的特點(diǎn);貧困區(qū)域模式則表現(xiàn)為福祉差，供給服務(wù)差，而水質(zhì)凈化服務(wù)較好的特點(diǎn)。本文在分析了這3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與居民福祉的不同耦合模式，并探討了這種關(guān)系產(chǎn)生的地理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)原因，這有助于在鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政管理尺度上制定針對(duì)性的生態(tài)管理政策。

人類(lèi)福祉是一個(gè)與人的生活狀態(tài)、感知、情感等聯(lián)系緊密的一個(gè)復(fù)雜的多維度概念［26］。鑒于人類(lèi)福祉的復(fù)雜性，Smith等人［37］將人類(lèi)福祉指標(biāo)劃分為經(jīng)濟(jì)福祉、環(huán)境福祉和社會(huì)福祉;程國(guó)棟等人［27］則將人類(lèi)福祉指標(biāo)采用經(jīng)濟(jì)、人文、資源和環(huán)境等方面;Easterlin的研究表明，年人均純收入低于1.5萬(wàn)美元時(shí)，人類(lèi)主觀福祉與人均純收入顯著正相關(guān)［29］。由于數(shù)據(jù)的有限性和研究區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況，與代光爍和潘影等人［35-36］相同，本研究采用經(jīng)濟(jì)指標(biāo)即農(nóng)民人居純收入作為居民福祉的代理指標(biāo)。但是，人類(lèi)福祉的多維性特征也要求我們?cè)谠u(píng)價(jià)居民福祉過(guò)程中，需要從多個(gè)角度考慮居民福祉，避免過(guò)重強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)福祉，而忽略健康和社會(huì)以及主觀福祉等方面的內(nèi)容，使福祉評(píng)價(jià)內(nèi)容和評(píng)價(jià)方法更加科學(xué)，這還有待于在更多的案例中進(jìn)一步研究。

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