李慶旭，張 彪，史蕓婷，鄭 好

(1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

張承地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其區(qū)域關(guān)聯(lián)分析

李慶旭1,2，張 彪1①，史蕓婷1,2，鄭 好1

(1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其輻射效應(yīng)評(píng)估能夠揭示研究區(qū)域生態(tài)-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)耦合系統(tǒng)的整體性和關(guān)聯(lián)性特征?；趶埑械貐^(qū)2013年遙感影像和生態(tài)服務(wù)價(jià)值化方法，評(píng)估分析了該區(qū)域地表覆被組成、關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其對(duì)北京市的輻射效益。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，張承地區(qū)約97%地表覆被為林草地和農(nóng)田，是發(fā)揮生態(tài)屏障功能的主體；該地區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)可提供的關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為1 895億元·a-1，高值區(qū)分布在林草植被集中的承德市以及張家口市的東南部地區(qū)；張承地區(qū)每年約有21%關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以水和風(fēng)為介質(zhì)輻射到北京市，其中，懷來(lái)、赤城、宣化、涿鹿、崇禮和沽源等縣與北京市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)聯(lián)度較高，是北京市外來(lái)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的主要輸入?yún)^(qū)。該研究對(duì)于揭示京津冀區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)整體性以及科學(xué)構(gòu)建區(qū)域生態(tài)修復(fù)與合作機(jī)制具有一定的參考價(jià)值。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；區(qū)域關(guān)聯(lián)；土地覆被；張承地區(qū)

近年來(lái),隨著世界人口數(shù)量激增與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人類對(duì)自然界干擾程度日益增加,導(dǎo)致全球部分地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)遭受嚴(yán)重破壞,其生態(tài)服務(wù)功能明顯降低和退化[1]1,[2]。生態(tài)修復(fù)是對(duì)區(qū)域受損自然生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程和功能的重建[3],從而恢復(fù)區(qū)域社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的合理結(jié)構(gòu)、高效功能和協(xié)調(diào)的內(nèi)部關(guān)系。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外生態(tài)修復(fù)實(shí)踐主要集中在局地生態(tài)退化的人工重建修復(fù)治理上[4-5]。但局地尺度的修復(fù)治理難以整體提升區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能,依賴人工重建措施的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的自然恢復(fù)作用畢竟有限,尤其是因經(jīng)濟(jì)貧困引起生態(tài)破壞與退化的地區(qū)亟需理順經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)的關(guān)系,轉(zhuǎn)變區(qū)域發(fā)展模式以實(shí)現(xiàn)自我修復(fù),從源頭上扭轉(zhuǎn)生態(tài)惡化趨勢(shì)。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指人類從生態(tài)系統(tǒng)獲取的效益[1]53,主要表現(xiàn)為對(duì)人類有利的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品或功能[6],是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ),也是國(guó)家與區(qū)域生態(tài)安全的戰(zhàn)略保障[7]。由于生態(tài)系統(tǒng)是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)形成和維持的物質(zhì)基礎(chǔ),區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)差異以及環(huán)境條件的多樣性決定了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型及強(qiáng)度差異[8]。區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估有助于衡量不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相對(duì)重要性并揭示生態(tài)系統(tǒng)的整體性和關(guān)聯(lián)性特征,從而評(píng)估判斷區(qū)域生態(tài)修復(fù)的方向、途徑及潛力。比如,劉旭升等[9]研究發(fā)現(xiàn),1949—2006年北京市門頭溝區(qū)煤炭開采造成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)損失價(jià)值為543億元,且很難或需要相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)。張振明等[10]測(cè)算永定河(北京段)生態(tài)服務(wù)總價(jià)值為432.82億元·a-1,且調(diào)節(jié)和文化功能占主導(dǎo),為該河段生態(tài)修復(fù)目標(biāo)提供了科學(xué)依據(jù)。滇西北高原典型退化濕地——?jiǎng)迯?fù)后,每年可產(chǎn)生以凈化功能為主的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為185億元,水源涵養(yǎng)、生物多樣性保育和生態(tài)旅游的生態(tài)服務(wù)價(jià)值為32.7億元,以及以生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)為主的市場(chǎng)價(jià)值為270億元[11]。劉培斌等[12]測(cè)算發(fā)現(xiàn),永定河(北京段)1978—2009年生態(tài)服務(wù)價(jià)值下降30%～39%,如果按照2015和2030年生態(tài)修復(fù)目標(biāo),其生態(tài)服務(wù)價(jià)值較修復(fù)前(2009年)可分別增加258%和333%。

張家口市和承德市(簡(jiǎn)稱張承地區(qū))均位于北京市北部,擔(dān)負(fù)著為北京保水源、阻沙源和改善生態(tài)環(huán)境的生態(tài)屏障重任。但是由于特殊區(qū)位特征和歷史原因,張承地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后,區(qū)域性生態(tài)貧困問(wèn)題突出。近年來(lái),雖然在風(fēng)沙治理、水土流失防治、生態(tài)環(huán)境改善、京津水源地保護(hù)以及京津綠色生態(tài)屏障建設(shè)等方面取得了一定成效,局部治理效果明顯[13-14],但是該區(qū)域生態(tài)環(huán)境仍未發(fā)生根本性改變,部分地區(qū)仍存在生態(tài)系統(tǒng)退化甚至邊治理邊破壞現(xiàn)象[15],主要原因是區(qū)域生態(tài)保護(hù)功能定位與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求之間長(zhǎng)期存在矛盾。在京津冀協(xié)同發(fā)展背景下,亟需在更大尺度上研究京津冀區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)的整體性以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的分工合作,合理布局配置區(qū)域內(nèi)生態(tài)資源[16]。因此,研究揭示該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布及其與周邊區(qū)域的關(guān)系,對(duì)于加強(qiáng)京津冀生態(tài)環(huán)境方面的合作以及制定生態(tài)修復(fù)與生態(tài)補(bǔ)償政策具有重要意義。筆者基于張承地區(qū)2013年土地覆被狀況,測(cè)算分析了5項(xiàng)重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其差異,并評(píng)估分析了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間流轉(zhuǎn)及其與北京市的關(guān)聯(lián)程度,從而為京津冀協(xié)同發(fā)展和區(qū)域生態(tài)保護(hù)與合作機(jī)制的構(gòu)建提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

張承地區(qū)位于河北省北部,地理位置為北緯39°18′～42°37′,東經(jīng)113°50′～119°15′,區(qū)域總面積為763萬(wàn)km2,2013年區(qū)內(nèi)總?cè)丝跒?45萬(wàn)人,其中,農(nóng)業(yè)人口為558萬(wàn)人。張家口市轄13縣4區(qū)、2個(gè)管理區(qū)和1個(gè)高新區(qū),承德市轄8縣3區(qū)和1個(gè)高新區(qū)。地貌類型主要有壩上高原、冀北山地和冀西北黃土丘陵,海拔從西北向東南階梯遞減。該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū),壩上高原多年平均降水量為300～400 mm,年均蒸發(fā)量為1 400～1 700 mm,年均氣溫為-1～2 ℃,年均8級(jí)以上大風(fēng)日數(shù)在60 d以上,最大風(fēng)速可達(dá)30 m·s-1;壩下山地氣候受地形和緯度影響,由北到南溫度逐漸增高,多年平均降水量為430～600 mm,年均氣溫為5～9 ℃。在張家口市境內(nèi)分布有海河流域的永定河、潮白河、大清河、灤河和內(nèi)陸河5大水系,承德市境內(nèi)有灤河、北三河(潮白河、白河、薊運(yùn)河)、遼河和大凌河4大水系,區(qū)內(nèi)水資源總量為54.97億m3,其中,地表水資源為47.92億m3,地下水資源為28.73億m3,重復(fù)計(jì)算水量為21.69億m3。該區(qū)域處于京津城市群的上風(fēng)上水方向,是維護(hù)北京市和天津市生態(tài)安全的重要屏障區(qū)。同時(shí),該區(qū)域?qū)傥覈?guó)生態(tài)脆弱區(qū),土地沙化和自然災(zāi)害多發(fā),研究表明1995—2011年該區(qū)土壤侵蝕面積逐年減少,但仍是河北省土壤侵蝕最嚴(yán)重地區(qū)[15]。由于特殊的區(qū)位特征和歷史原因,張承地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)落后,區(qū)域性生態(tài)貧困問(wèn)題突出[16-17]。

1.2 研究方法

1.2.1 土地覆被類型劃分

選用2013年張承地區(qū)SPOT 5影像數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源(來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球科學(xué)中心),首先對(duì)影像進(jìn)行幾何校正處理,然后確定分類系統(tǒng)與分類方法對(duì)影像進(jìn)行解譯,最后對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,具體處理方法見(jiàn)文獻(xiàn)[18],得到最終的土地覆被解譯數(shù)據(jù)(表1)。

1.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)測(cè)算

自然生態(tài)系統(tǒng)理論上能夠提供水產(chǎn)品生產(chǎn)、水文調(diào)節(jié)、氣候改善、污染控制和景觀游憩等多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),但是不同區(qū)域自然要素條件、生態(tài)系統(tǒng)類型以及生態(tài)環(huán)境需求不同,決定了各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間重要性的不同[19]。張承地區(qū)位于京津城市群的上風(fēng)上水方向,其自然生態(tài)系統(tǒng)所提供的水源涵養(yǎng)、水土保持和防風(fēng)固沙等生態(tài)屏障功能極其重要,因此,該研究重點(diǎn)評(píng)估以水和風(fēng)為介質(zhì)傳播的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),包括水源涵養(yǎng)、水土保持、固碳釋氧、空氣凈化和防風(fēng)固沙。該地區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值參照首都生態(tài)圈生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值化方法[18],采用目前較為成熟的物質(zhì)量-價(jià)值量方法的測(cè)算結(jié)果,計(jì)算研究區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)的5項(xiàng)重要生態(tài)服務(wù)價(jià)值,計(jì)算公式如下:

(1)

式(1)中,Se為研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值,元·a-1;Sij和Aij分別為第i個(gè)評(píng)價(jià)斑塊第j種土地覆被類型的單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值(元·m-2)和面積(m2);i和j分別為土地覆被類型和評(píng)價(jià)斑塊單元。

表1 張承地區(qū)土地覆被類型及其組成

Table 1 Type and composition of the land cover of the Zhangjiakou-Chengde region in 2013

一級(jí)類型二級(jí)類型分類依據(jù)面積/km2森林針葉林植被高度3m以上且郁閉度02以上的自然或半自然針葉植被，包括常綠針葉林和落葉針葉林286311闊葉林植被高度3m以上且郁閉度02以上的自然或半自然闊葉植被，包括常綠闊葉林和落葉闊葉林1312956灌木林植被高度03～5m之間且郁閉度02以上的自然半自然灌木植被，包括常綠闊葉灌木林、常綠針葉灌木林和落葉闊葉灌木林2231418經(jīng)濟(jì)林植被高度03m以上且郁閉度02以上的人工植被，包括喬木園地和灌木園地559草地天然草地植被高度3cm以上且覆蓋度大于20%的自然或半自然草地，包括草甸、草原和草叢1111496人工草地植被高度3cm以上且覆蓋度大于20%的人工草地，主要指城鄉(xiāng)建設(shè)區(qū)內(nèi)部或周邊的草本綠地598濕地沼澤水生或沼生草本植物組成優(yōu)勢(shì)群落的淡水沼澤，包括森林沼澤、灌叢沼澤和草本沼澤21025湖庫(kù)以蓄水、發(fā)電、農(nóng)業(yè)灌溉、農(nóng)村生活、凈化水質(zhì)等為目的而建造的面積大于1hm2的蓄水區(qū)，包括湖泊和水庫(kù)、坑塘24485河流常年有河水徑流的河流、雨季或間歇性有水徑流的河流，雨季或間歇性有水徑流的河流，或?yàn)檩斔蛩\(yùn)而建造的人工河流，包括河流、人工運(yùn)河和輸水渠9357農(nóng)田水田經(jīng)常蓄水，用于種植水稻等水生作物的土地5724旱地用于種植旱生作物的土地2453035荒地荒草地郁閉度02以下或覆蓋度20%以下的自然或半自然植被，包括稀疏林、稀疏灌木林和稀疏草地235裸地沒(méi)有植物生長(zhǎng)的裸露地面，包括苔蘚/地衣、裸巖、裸土、沙漠/沙地和鹽堿地等35855城鎮(zhèn)硬化地面人工建設(shè)區(qū)域，包括居住地、工業(yè)用地、交通用地和采礦場(chǎng)等136947

1.2.3 區(qū)域關(guān)聯(lián)分析

自然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)從供給區(qū)到受益區(qū)存在空間流轉(zhuǎn)過(guò)程[20-23],因此,區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)不僅會(huì)造福區(qū)域本身,還具有通過(guò)某些途徑向該區(qū)范圍以外地區(qū)輻射的特征。區(qū)域關(guān)聯(lián)指生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在一定區(qū)域內(nèi)的輻射擴(kuò)散關(guān)系,采用從供給區(qū)流動(dòng)至受益區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值占供給區(qū)該項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的比例來(lái)表示。根據(jù)張承地區(qū)實(shí)際情況,以水為介質(zhì)傳播的水源涵養(yǎng)和土壤保持服務(wù)依據(jù)河流水系走向來(lái)確定流向,以評(píng)價(jià)單元在主要水系流向上至北京市的直線長(zhǎng)度作為距離衰減系數(shù);以風(fēng)為介質(zhì)傳播的空氣凈化、固碳釋氧和防風(fēng)固沙服務(wù)主要依據(jù)主導(dǎo)風(fēng)向(西北風(fēng))確定流向,以評(píng)價(jià)單元在主導(dǎo)風(fēng)向上至北京市的直線長(zhǎng)度作為距離衰減系數(shù)。此外,根據(jù)張家口市和承德市每年平均向北京市提供水資源量占其水資源總量比例,以及北京市面積占防風(fēng)固沙服務(wù)輻射區(qū)面積的比例計(jì)算生態(tài)服務(wù)輻射比;進(jìn)而測(cè)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)輻射至北京市的價(jià)值量及其關(guān)聯(lián)度,計(jì)算公式如下:

(2)

(3)

Vc=Re，s/Se×100%。

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 土地覆被組成

基于2013年土地覆被遙感影像數(shù)據(jù),張承地區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)面積為76 300.01 km2,其中,森林面積最大,占區(qū)域總面積的50.21%,類型組成以闊葉林和灌木林為主,針葉林和經(jīng)濟(jì)林面積較小;其次為農(nóng)田,面積為24 587.59 km2,占32.22%,包括24 530.35 km2旱地和57.24 km2水田;該區(qū)域分布有草地11 120.94 km2,占研究區(qū)面積的14.58%,主要由11 114.96 km2天然草地和5.98 km2人工草地組成;濕地和荒地面積相對(duì)較小,分別占張承地區(qū)的0.72%和0.47%,可見(jiàn),張承地區(qū)土地覆被以林草地和農(nóng)田為主。此外,還分布有1 369.47 km2城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng),約占研究區(qū)面積的1.80%(表1)。

從張承地區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)的空間分布來(lái)看,森林在承德市大部分地區(qū)以及張家口市的崇禮縣、赤城縣、涿鹿縣和蔚縣的南部比較集中,主要與該區(qū)域近些年實(shí)施的“三北防護(hù)林”、“退耕還林還草”以及“京津風(fēng)沙源治理工程”的林業(yè)建設(shè)成效有關(guān)。草地主要集中分布在張家口市的赤城縣、張北縣、尚義縣以及承德市的豐寧縣和圍場(chǎng)縣,農(nóng)田在張家口市域呈廣泛分布,在承德市的平泉縣、圍場(chǎng)縣、隆化縣等也有分布;濕地在張家口市的沽源縣、張北縣、懷來(lái)縣、尚義縣以及承德市的寬城縣、圍場(chǎng)縣和豐寧縣分布相對(duì)集中?？傮w來(lái)看,張承地區(qū)是由以林草為主的東、中部山地丘陵區(qū)和以農(nóng)田為主的西部農(nóng)業(yè)耕作區(qū)所組成,是維護(hù)京津冀都市圈生態(tài)安全、發(fā)揮區(qū)域生態(tài)屏障功能的重要供給區(qū)域(圖1)。

圖1 張承地區(qū)土地覆被組成Fig.1 Composition of the land cover of the Zhangjiakou-Chengde region

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)測(cè)算

基于張承地區(qū)2013年地表覆被數(shù)據(jù)與單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值參數(shù)(表2),重點(diǎn)測(cè)算分析了水源涵養(yǎng)、土壤保持、防風(fēng)固沙、空氣凈化和固碳釋氧5種生態(tài)服務(wù)價(jià)值。結(jié)果表明,2013年張承地區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)年供給生態(tài)服務(wù)總價(jià)值為1 895億元。其中,固碳釋氧服務(wù)價(jià)值最高,為760億元·a-1,其次為水源涵養(yǎng)價(jià)值,可達(dá)656億元·a-1,防風(fēng)固沙和空氣凈化服務(wù)價(jià)值分別為226億和160億元·a-1,土壤保持服務(wù)價(jià)值較小,僅為93億元·a-1。

從生態(tài)系統(tǒng)類型供給來(lái)看,森林生態(tài)系統(tǒng)提供了張承地區(qū)78%的生態(tài)服務(wù)價(jià)值,為1 483億元·a-1;其后依次為農(nóng)田和草地,分別供給199億和180億元·a-1的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù);濕地和荒地提供的生態(tài)服務(wù)價(jià)值總量較低,分別為33億和148萬(wàn)元·a-1,主要原因是該區(qū)域林草地和農(nóng)田面積遠(yuǎn)大于其他土地覆被類型所致。從單位自然生態(tài)系統(tǒng)面積的生態(tài)服務(wù)價(jià)值來(lái)看,濕地生態(tài)服務(wù)價(jià)值最高,為5.98元·m-2·a-1,其后依次為森林(3.87元·m-2·a-1)和草地(1.62元·m-2·a-1),農(nóng)田生態(tài)服務(wù)價(jià)值較低,僅為0.81元·m-2·a-1。

表2 不同土地覆被的單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值

Table 2 Per-unit-area ecosystem service value of the land cover in the Zhangjiakou-Chengde region relative to type of the land cover

元·m-2

從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給區(qū)域來(lái)看,張承地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高值區(qū)(>5.0萬(wàn)元·hm-2)分布在承德市大部分地區(qū)以及張家口市的東部和南部,面積約占該區(qū)域總面積的17.53%;生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給價(jià)值較高區(qū)域(>2.0～5.0萬(wàn)元·hm-2)集中在承德市以及張家口市的東部和南部山區(qū),面積占33.41%;以上區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)以林草植被為主,是提供京津冀都市圈生態(tài)屏障功能的主體;生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)一般水平區(qū)域(>1.0～2.0萬(wàn)元·hm-2)零散分布在張家口市大部分地區(qū)以及承德市的圍場(chǎng)縣和城鎮(zhèn)周邊,面積約占14.64%;生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較低區(qū)(>0.5～1.0萬(wàn)元·hm-2)集中分布在張家口市,在承德市呈零散分布,面積占研究區(qū)總面積的32.16%,是張承地區(qū)的重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū),以發(fā)揮農(nóng)田生產(chǎn)功能為主導(dǎo);生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)低價(jià)值區(qū)(≤0.5萬(wàn)元·hm-2)零散分布在張家口市和承德市建成區(qū)附近,面積占總面積的2.26%,以發(fā)揮人類居住、生活生產(chǎn)功能為主(圖2)?？傮w來(lái)看,張承地區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)功能相對(duì)較差,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給水平一般,高、較高價(jià)值區(qū)僅約占總面積的51%,有約49%區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給有待優(yōu)化和提升。

2.3 區(qū)域關(guān)聯(lián)分析

2.3.1 張承地區(qū)與北京市關(guān)聯(lián)分析

根據(jù)北京市主要水源水系與張承地區(qū)的關(guān)系[23],張家口市境內(nèi)永定河和潮白河水系分別輸入水源至官?gòu)d水庫(kù)和密云水庫(kù)[24],年輸入水量約占區(qū)域地表水資源總量的60%;發(fā)源于承德市豐寧縣黃旗鎮(zhèn)的潮河出境匯入密云水庫(kù)[25],潮白河流域年均匯入密云水庫(kù)水量4.73億m3,占區(qū)域地表水資源總量的15%。為方便測(cè)算,以張承地區(qū)各縣域?yàn)樵u(píng)估單元,以西北風(fēng)向?yàn)橹饕飨?利用ArcGIS 10.0軟件通過(guò)測(cè)量各縣域中心至北京市中心點(diǎn)的直線距離來(lái)估算供給區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動(dòng)到受益區(qū)的衰減系數(shù)。

估算結(jié)果表明,張承地區(qū)輻射至北京市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值約為390億·a-1,其中,以水系為介質(zhì)輻射的水源涵養(yǎng)和土壤保持價(jià)值為255億元·a-1,以風(fēng)為介質(zhì)輻射的防風(fēng)固沙、空氣凈化和固碳釋氧價(jià)值為135億元·a-1,兩者合計(jì)約占該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值的21%,這也表明張承地區(qū)與北京市的重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)聯(lián)度為21%。其中,輻射的水源涵養(yǎng)和土壤保持價(jià)值占張承地區(qū)水源涵養(yǎng)和土壤保持總價(jià)值的34%,表明以水為介質(zhì)輻射的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)聯(lián)度為34%;輻射的防風(fēng)固沙、空氣凈化和固碳釋氧價(jià)值占該地區(qū)3項(xiàng)生態(tài)服務(wù)總價(jià)值的12%,表明以風(fēng)為介質(zhì)輻射的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)聯(lián)度為12%。可見(jiàn),張承地區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)的水文調(diào)節(jié)服務(wù)(水源涵養(yǎng)和土壤保持)與北京市關(guān)系更為密切,而大氣調(diào)節(jié)服務(wù)(包括防風(fēng)固沙、空氣凈化和固碳釋氧)可輻射到京津冀更大尺度區(qū)域內(nèi)。

圖2 張承地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布Fig.2 Spatial distribution of ecosystem services in the Zhangjiakou-Chengde region

2.3.2 張家口市與北京市關(guān)聯(lián)分析

張家口市境內(nèi)主要分布有永定河、潮白河、大清河、灤河和內(nèi)陸河5大水系。大清河水系流域面積在張家口市東南有1 218 km2,主要流入保定市境內(nèi);潮白河水系主要有白河與黑河,流域面積為5 611 km2,大部分流入北京市密云水庫(kù);永定河水系干流有洋河、桑干河,主要支流有東洋河、西洋河、南洋河、清水河、洪塘河和壺流河等,洋河、桑干河橫貫全市東西,流域面積為1.76萬(wàn) km2,并匯入官?gòu)d水庫(kù);灤河水系分布在張家口市東北,流域面積為926 km2;內(nèi)陸河水系為壩上地區(qū)季節(jié)性河流和淖泊濕地,流域面積為1.16萬(wàn) km2,主要有安固里淖、大青溝淖及察汗淖、囫圇淖等。此外,張家口市的地勢(shì)條件迫使西伯利亞氣流經(jīng)過(guò)內(nèi)蒙古高原后在過(guò)張家口壩下地區(qū)時(shí)獲得一次較大的降塵過(guò)程,使沙塵氣流在進(jìn)入北京市之前能夠得到一次自然凈化。

基于區(qū)域關(guān)聯(lián)性分析結(jié)果(圖3),張家口市可輻射到北京市的關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值占張家口市自然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值的43%,即張家口市與北京市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)聯(lián)度為43%,其中,懷來(lái)縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與北京市關(guān)聯(lián)度最高(62%),其后依次為赤城縣、涿鹿縣和宣化縣,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)聯(lián)度分別為52%、48%和48%,沽源縣、崇禮縣、蔚縣、萬(wàn)全縣、懷安縣、陽(yáng)原縣和張北縣與北京市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)聯(lián)度在35%～40%之間,尚義縣和康?？h與北京市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)聯(lián)度較低,分別為26%和22%。從以水為介質(zhì)的輻射效益來(lái)看,懷來(lái)縣93%的水源涵養(yǎng)和土壤保持服務(wù)可流動(dòng)到北京市,其后依次為赤城縣和涿鹿縣,分別有85%和81%水文調(diào)節(jié)服務(wù)輻射到北京市,崇禮縣、宣化縣和蔚縣等縣域與北京市的水文調(diào)節(jié)服務(wù)關(guān)聯(lián)度介于50%～70%之間,但康?？h和尚義縣較低,分別為30%和37%。此外,張家口市各縣域以風(fēng)為介質(zhì)輻射的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和北京市的關(guān)聯(lián)度與水文調(diào)節(jié)服務(wù)相似,最高值為懷來(lái)縣與北京市的關(guān)聯(lián)度(31%),其后依次為赤城縣(28%)、涿鹿縣(27%)、崇禮縣(23%)等,最小值為康保縣與北京市的關(guān)聯(lián)度(10%)。

2.3.3 承德市與北京市關(guān)聯(lián)分析

承德市境內(nèi)有灤河、北三河(潮白河、白河、薊運(yùn)河)、遼河和大凌河4大水系,地處灤河、潮河、遼河、大凌河之源,同時(shí),承德市位于內(nèi)蒙古科爾沁和渾善達(dá)克沙地前沿和京津上風(fēng)頭,是京津地區(qū)的生態(tài)屏障和重要水源地[26]。其中,發(fā)源于豐寧縣黃旗鎮(zhèn)的潮河,流經(jīng)灤平縣,出境匯入密云水庫(kù),干流總長(zhǎng)度為253 km,承德市境內(nèi)河長(zhǎng)為185.8 km,年均徑流量為8.96億m3,占密云水庫(kù)年徑流量的56.7%,是密云水庫(kù)的主要水源之一;供天津用水的灤河發(fā)源于承德市豐寧縣大灘鎮(zhèn)孤石村,承德市境內(nèi)河長(zhǎng)為374 km,年均向潘家口水庫(kù)供水17億m3,是天津市和唐山市等地的重要水源地[25]。

同理,基于區(qū)域關(guān)聯(lián)性分析結(jié)果(圖3),承德市與北京市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)聯(lián)度為10%,其中,灤平縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與北京市關(guān)聯(lián)度最高(14%),其后依次為興隆縣、豐寧縣和承德縣,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)聯(lián)度分別為13%、12%和11%,寬城縣、隆化縣和平泉縣與北京市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)聯(lián)度在7%～10%之間,圍場(chǎng)縣與北京市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)聯(lián)度最低(5%)。從以水為介質(zhì)的輻射效益來(lái)看,興隆縣和灤平縣均有近20%的水源涵養(yǎng)和土壤保持服務(wù)可流動(dòng)到北京市,其次為豐寧縣和承德縣,有16%水文調(diào)節(jié)服務(wù)輻射到北京市,隆化縣、寬城縣和平泉縣與北京市的水文調(diào)節(jié)服務(wù)關(guān)聯(lián)度介于9%～13%之間,圍場(chǎng)縣最低,為7%。此外,承德市各縣域以風(fēng)為介質(zhì)輻射的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和北京市的關(guān)聯(lián)度與水文調(diào)節(jié)服務(wù)相似,興隆縣、灤平縣與北京市的關(guān)聯(lián)度最高，均為11%,其后依次為豐寧縣(9%)、承德縣(9%)、隆化縣(7%)等,最小值為圍場(chǎng)縣與北京市的關(guān)聯(lián)度(4%)。

圖3 張承地區(qū)與北京市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)聯(lián)度Fig.3 Correlativity of the Zhangjiakou-Chengde region with the ecosystem services in Beijing

3 討論與結(jié)論

生態(tài)區(qū)域是開放系統(tǒng),不同生態(tài)區(qū)域之間存在相互作用和相互影響。在區(qū)域生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中,區(qū)際生態(tài)聯(lián)系對(duì)于實(shí)現(xiàn)生態(tài)區(qū)域間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、互相促進(jìn)、共同發(fā)展至關(guān)重要[27]。區(qū)域關(guān)聯(lián)就是在生態(tài)環(huán)境問(wèn)題逐漸呈現(xiàn)出區(qū)域性特征的背景下提出來(lái)的,強(qiáng)調(diào)從區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的整體性與區(qū)域聯(lián)系的角度來(lái)解決生態(tài)環(huán)境危機(jī),提高生態(tài)修復(fù)成效,其關(guān)鍵問(wèn)題是研究揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的區(qū)域流動(dòng)規(guī)律。筆者研究表明,張承地區(qū)地表覆被以森林、草地和農(nóng)田為主,以林草為主的西北部山地丘陵區(qū)和以農(nóng)田為主的東南平原農(nóng)業(yè)耕作區(qū)組成了京津生態(tài)屏障的主體。該區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)可提供的關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為1 895億元·a-1,高值區(qū)分布在林草植被集中的承德市以及張家口市的東南部地區(qū),主要在于近些年國(guó)家重點(diǎn)在該區(qū)域?qū)嵤┑?“三北”防護(hù)林、壩上生態(tài)農(nóng)業(yè)、首都周圍綠化和太行山綠化、退耕還林等工程的生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)成效得到體現(xiàn)。此外,張承地區(qū)不同縣域與北京市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)聯(lián)度差異較大,張家口市各縣域與北京市的關(guān)聯(lián)度要高于承德市,主要是因?yàn)橄鄬?duì)于承德市,處于北京市上風(fēng)上水的張家口市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動(dòng)更為暢通,因而與北京市的區(qū)域關(guān)聯(lián)度更高?？傮w來(lái)看,赤城、宣化、涿鹿、崇禮和懷來(lái)等縣與北京市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)聯(lián)度較高,是北京市外來(lái)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的主要輸入?yún)^(qū)。由于歷史原因和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以及生態(tài)功能定位等因素,該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低,農(nóng)業(yè)人口高度集中,保護(hù)生態(tài)環(huán)境與亟需發(fā)展社會(huì)經(jīng)濟(jì)的矛盾突出。因此,建議張承地區(qū)與北京市及周邊區(qū)域盡快協(xié)調(diào)上下游關(guān)系,理順經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)的關(guān)系,積極探索首都與周邊區(qū)域生態(tài)資源合作的長(zhǎng)效機(jī)制,轉(zhuǎn)變區(qū)域發(fā)展模式,建立生態(tài)補(bǔ)償長(zhǎng)效合作機(jī)制,從源頭上扭轉(zhuǎn)生態(tài)惡化趨勢(shì)以實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估有助于直觀反映不同生態(tài)服務(wù)功能以及在不同區(qū)域之間的相對(duì)重要性。目前,生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)估方法較多,但適用于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合評(píng)估的方法相對(duì)較少。筆者采用首都生態(tài)圈單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值作為測(cè)算參數(shù),測(cè)算參數(shù)計(jì)算采用物質(zhì)量-價(jià)值量方法[18],實(shí)現(xiàn)了不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相互比較和加和處理。由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的復(fù)雜性與綜合性,采用不同土地覆被類型的生態(tài)服務(wù)價(jià)值平均值在一定研究尺度上具有合理性,但其準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步研究。

其次,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)是一個(gè)極其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程,其輻射方向、范圍和程度依賴與傳播介質(zhì)有關(guān),因此筆者研究中以水和風(fēng)為介質(zhì)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)輻射的區(qū)域以及距離衰減系數(shù)需要更多的驗(yàn)證和數(shù)據(jù)支持。此外,張承地區(qū)為京津都市圈提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)不僅包含水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙等調(diào)節(jié)服務(wù),而且還提供初級(jí)產(chǎn)品生產(chǎn)和景觀游憩等文化支持服務(wù),筆者并未測(cè)算這部分生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的輻射影響及其與北京市的關(guān)聯(lián)程度,因此張承地區(qū)與北京市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)聯(lián)度必定大于21%,特別是2022年冬奧會(huì)在張家口市的舉辦將進(jìn)一步增加張家口市與北京市的關(guān)聯(lián)程度。綜上所述,采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)方法來(lái)研究區(qū)域關(guān)聯(lián)并將其應(yīng)用于生態(tài)補(bǔ)償與生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域僅是一個(gè)新的嘗試,未來(lái)還有許多難點(diǎn)和困境需要克服。

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(責(zé)任編輯： 李祥敏)

Key Ecosystem Services and Their Regional Flow in Zhangjiakou-Chengde Region.

LI Qing-xu1,2, ZHANG Biao1, SHI Yun-ting1,2, ZHENG Hao1

(1.Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The study to evaluate regional ecosystem services and their radiation effects may help exposit the features of integrity and correlativity of the ecological-economical-societal complex system of the studied region. Based on the 2013 land-sate remote-sensing images of the Zhangjiakou-Chengde Region and the eco-service valuation method, the composition of the surface land cover and key ecosystem services of the region and their radiation effects on Beijing have been analyzed and evaluated. Results show that about 97% of the land in this region is covered with forests, grasslands and farmlands, which are the mainstay of the ecological protective screen for the Beijing-Tianjin-Hebei Metropolitan Region. The natural ecosystem of the region may provide key ecosystem services, such as water conservation, wind and sand control, carbon sequestration and oxygen release, valuated as high as 189.5 billion yuan RMB in 2013. The high-valued eco-zones are distributed mainly in Chengde, of which the land is mostly covered with forests and grasslands and the southeastern part of Zhangjiakou. Every year, nearly 21% of the key ecosystem services of the Zhangjiakou-Chengde region may render are radiated into Beijing, via water and wind. Within the region, Huailai, Chicheng, Xuanhua, Zhuolu, Chongli and Guyuan counties are more closely related to the ecosystem services of Beijing as major contributors. All the findings of the study may serve as certain valuable reference for future efforts to exposit ecosystem integrity of the Beijing-Tianjin-Hebei Metropolitan Region and to explore scientific mechanisms for eco-remediation and cooperation of the Region.

ecosystem service; regional correlation; land cover; Zhangjiakou-Chengde region

2016-09-26

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0503403);中國(guó)科學(xué)院特色研究所培育建設(shè)服務(wù)項(xiàng)目(TSYJS05)

X826

A

1673-4831(2017)01-0038-09

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.01.006

李慶旭(1981—),男，甘肅武威人,博士生,主要從事生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與區(qū)域關(guān)聯(lián)方面的研究。E-mail: qingxulee@163.com

① 通信作者E-mail: zhangbiao@igsnrr.ac.cn