包 蕊,劉 峰,*,張建平,段穎琳,趙 帥,嚴曉亞,劉 英

1 西南大學資源環(huán)境學院,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)濟與人口的快速發(fā)展及其對生態(tài)系統(tǒng)服務的過度需求,全球生態(tài)系統(tǒng)有60%的功能項正在退化[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)系的復雜性,過于強調(diào)某項生態(tài)系統(tǒng)服務時,可能導致其他服務的降低[3- 4]。因此,權(quán)衡和協(xié)調(diào)各生態(tài)系統(tǒng)服務,減輕人類對自然環(huán)境的干擾,促進生態(tài)系統(tǒng)功能恢復,是提高生態(tài)系統(tǒng)服務管理水平的有效手段之一[5- 7]。在生態(tài)系統(tǒng)服務權(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)濟資本的過程較為片面靜態(tài)；極值分析法假設兩個或多個存在沖突的對象存在線性關(guān)系,通過設置不同系數(shù)值使之求和最大化,但目前考慮因素有限,主要應用于水資源管理[10]；InVEST模型分析法可預測不同情況下各生態(tài)系統(tǒng)服務的潛在變化,以減少其與生物多樣性之間的沖突[11],適用于大尺度研究；多目標分析法[12]可將復雜的沖突簡化,從而達到經(jīng)濟、生態(tài)、環(huán)境及社會多方平衡的目標,適用于復雜的系統(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)濟與自然相互作用強烈的區(qū)域,水土流失、生態(tài)系統(tǒng)退化等問題突出[15]。實現(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，從而達到社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的目的是流域生態(tài)系統(tǒng)管理的目標[16]。我國小流域水土流失綜合治理模式主要以治理試驗觀測為主,隨著實地治理經(jīng)驗的積累[17- 19],形成了一系列試驗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)衡并預測小流域未來狀態(tài),計算各類治理措施下的經(jīng)濟、生態(tài)與社會效益[23-24],能快速經(jīng)濟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)服務的角度優(yōu)化小流域治理方案已成為當前的研究熱點[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)服務的影響,權(quán)衡生態(tài)與經(jīng)濟的關(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,水土流失嚴峻[30],嚴重制約著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)服務供給。同時,土地資源長期不合理利用進一步導致水土流失日漸嚴重及土地生產(chǎn)力的下降[31]。甲積峪小流域于1998—2004年實施了黃土高原水土保持世行二期貸款項目,2007—2011年又實施了英國贈款小流域治理管理項目[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)服務的權(quán)衡問題逐步突顯。據(jù)此,本文以甲積峪小流域為研究對象,采用多目標線性規(guī)劃方法,在生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估的基礎(chǔ)上,設置供給服務、水土保持服務和其他服務3個目標,根據(jù)小流域土地利用優(yōu)化方向和現(xiàn)有治理措施設計規(guī)劃變量并建立約束方程,通過規(guī)劃求解實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務的權(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與國際標準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)服務價值評估方法

小流域生態(tài)系統(tǒng)服務可分為供給服務(產(chǎn)品供給)、調(diào)節(jié)服務(固碳釋氧、涵養(yǎng)水源、凈化環(huán)境)、支持服務(保持土壤、維持營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán))和文化服務(休閑旅游和科研教育)[1]。如表1所示,供給服務價值采用市場價值法評估,調(diào)節(jié)服務和支持服務采用影子價格法、影子工程法、替代成本法和機會成本法評估。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)實際情況,采用謝高地當量表[33]對其生態(tài)系統(tǒng)服務進行評估。研究區(qū)域無旅游景區(qū),且文化服務價值缺少可靠的計算數(shù)據(jù),本文未對其進行評估。

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務類型及其價值評價指標與方法

2.2.1 產(chǎn)品供給

產(chǎn)品供給服務價值采用市場價值法評估,市場價格采用2012年當?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?shù)鼐用袷秤?秸稈與人工草用來飼養(yǎng)當?shù)嘏Ｑ颉＾r(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進行保守估算,各措施保水率取當?shù)亟?jīng)驗值。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)濟產(chǎn)量、經(jīng)濟系數(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行計算。

2.3 多目標線性規(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、建設用地和經(jīng)濟林為主,>25°面積占下游總面積的4.17%,以經(jīng)濟林和人工草為主,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)耐恋乩妙愋兔娣e,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)服務優(yōu)化目標,將研究區(qū)土地利用類型分為耕地、草地、果園、林地、水域、建設用地和未利用地七大類,耕地細分為坡耕地與梯田,草地細分為荒草地與人工草地,林地細分為喬木林、經(jīng)濟林與封山育林。建設用地相關(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

由于過度強化某類生態(tài)系統(tǒng)服務可能導致同一區(qū)域其他服務衰減,在生態(tài)系統(tǒng)服務優(yōu)化時需要對不同生態(tài)系統(tǒng)服務進行權(quán)衡,如供給服務與其他服務的權(quán)衡[55]。本文結(jié)合研究區(qū)水土流失突出的特點,將生態(tài)系統(tǒng)供給服務價值、水土保持服務價值和其他服務價值分別設為目標函數(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價值(元/hm2)；V3i為第i類土地利用類型的單位面積其他服務價值(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),設置17個約束方程(表4)。

表4 約束方程設置

2.4 敏感性分析

為驗證生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)的準確性,將各土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(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)服務價值對各生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(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,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)濟效益評價

經(jīng)濟效益為坡改梯、種植經(jīng)濟林和果園等土地利用調(diào)整措施產(chǎn)生的經(jīng)濟收益(元/hm2)。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，糧食、秸稈、經(jīng)濟林果實和果園果實價格分別按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)服務價值評估

如表5所示,2012年果園的單位面積供給服務價值最高,為26325.74元/hm2,經(jīng)濟林次之；喬木林的單位面積水土保持服務價值最高,為16425.62元/hm2,封山育林次之；水域的單位面積其他服務價值最高,為13660.04元/hm2。單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值排序為果園>經(jīng)濟林>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,不對其進行調(diào)整。

表5所示坡耕地單位面積保持土壤服務價值略高于果園,這是由于當前果園均位于小流域下游區(qū)域,LS因子低所致。進一步結(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)濟林與果園時,供給服務、水土保持服務和其他服務價值均明顯提高；改為喬木林或采取封山育林措施時,除供給服務價值略有下降外,水土保持服務和其他服務價值也明顯提高。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、水土保持服務和其他服務價值。

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價值(表6),帶入目標函數(shù)(式7)進行規(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

運用Excel規(guī)劃求解功能,分別設定對應目標單元和約束單元,求得目標方程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)濟林>封山育林>果園,增幅為經(jīng)濟林>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價值和其他服務價值(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價值與其他服務價值最大,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)濟林、喬木林和封山育林的面積比例大致相當,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價值和其他服務價值的喬木林。對于荒草地,上游全部實行封山育林,中游主要調(diào)整為喬木林和經(jīng)濟林(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)服務權(quán)衡優(yōu)化效果

3.3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務價值量變化

小流域生態(tài)系統(tǒng)服務優(yōu)化后,供給服務價值、水土保持服務價值和其他服務價值分別增加了6.24%、9.81%和17.35%,生態(tài)系統(tǒng)服務總價值增加了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和其他服務價值相對較高,但供給價值均低于坡耕地,使得供給服務價值的增幅相對較小。坡耕地和荒草地的其他服務價值均遠低于人工草地、果園、經(jīng)濟林、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價值,使其他服務價值增長率高于供給服務和水土保持服務價值。從生態(tài)系統(tǒng)服務結(jié)構(gòu)來看,調(diào)整后供給服務價值占比有所下降,同時其他服務價值的比例增幅明顯,優(yōu)化了小流域生態(tài)系統(tǒng)服務結(jié)構(gòu)。

表9 規(guī)劃前后甲積峪各生態(tài)服務價值對比

3.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間變化

空間分析表明(圖4),規(guī)劃目標年上、中、下游供給服務價值變化差異明顯,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和其他服務價值高的喬木林和封山育林,因而其供給服務價值下降。中下游適合發(fā)展農(nóng)業(yè)與生態(tài)經(jīng)濟,調(diào)整后的土地利用類型中,經(jīng)濟林和梯田所占比例較大,因而其供給服務價值明顯增加。

優(yōu)化后上、中、下游水土保持服務價值分別增加8.02%、11.03%和6.83%,其變化量分別占水土保持服務價值總變化量的20.96%、71.21%和7.82%。中游調(diào)整后的經(jīng)濟林、喬木林和梯田的水土保持服務價值均較高,使其水土保持服務增加量最大。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價值相對較低,因而上、下游水土保持服務價值增加量較小。

優(yōu)化后上、中、下游其他服務價值分別增加23.86%、14.25%和14.76%,其變化量分別占其他服務價值總變化量的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,兩者其他服務價值均高于其他土地利用類型,因而其他服務價值明顯增高。下游可優(yōu)化面積較小,且有21.62%的面積優(yōu)化為其他服務價值較低的果園,因而其他服務價值增加量最小。

優(yōu)化后上、中、下游生態(tài)系統(tǒng)服務價值分別增加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價值較高,但供給服務價值低,使其總服務價值相對較低。下游盡管有部分土地優(yōu)化為總服務價值最高的果園,但優(yōu)化面積僅有11.73hm2,使其總服務價值增加量所占比例較小。中游有較大面積土地優(yōu)化為總服務價值僅次于果園的經(jīng)濟林,使其總服務價值增加量最大。

各權(quán)衡目標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)濟林,三者都具有較高水土保持服務價值或供給服務價值。

生態(tài)系統(tǒng)服務不變區(qū)域為未規(guī)劃區(qū)域,包括水域、建設用地和未利用地,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)濟林和封山育林)。

圖4 優(yōu)化前后甲積峪生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化空間分布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)服務價值的敏感度均小于1。2012年敏感度排序為梯田>封山育林>喬木林>人工草地>經(jīng)濟林>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),即當梯田生態(tài)價值系數(shù)增加1%時,生態(tài)系統(tǒng)服務總價值增加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)濟林>人工草地>果園>水域>未利用地,以經(jīng)濟林和喬木林的敏感度增加較大,這與經(jīng)濟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)田機械化耕作提供便利條件。表明,生態(tài)系統(tǒng)服務和經(jīng)濟、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)服務價值評估的基礎(chǔ)上,采用多目標線性規(guī)劃方法,通過設置供給服務價值、水土保持服務價值和其他服務價值3個決策目標,探討了甲積峪小流域的生態(tài)系統(tǒng)服務權(quán)衡優(yōu)化。

坡耕地和荒草地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值較低且面積比例較大,是研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值偏低的主要原因。通過生態(tài)系統(tǒng)服務權(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個目標函數(shù)值均明顯增加。其中,其他服務價值增長率最高,其次為水土保持服務價值,供給服務價值增長率相對較低。空間分析表明,其他服務價值在上游的增長率最高,供給服務和總服務價值在下游的增長率最高,水土保持服務價值在中游的增長率最高。僅有上游部分區(qū)域供給服務價值和總服務價值略有下降。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)供給服務中,糧食生產(chǎn)是當?shù)鼐用駷樯姹仨殢氖碌幕顒?經(jīng)濟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峻,生態(tài)系統(tǒng)脆弱性也隨之增加。各生態(tài)系統(tǒng)服務之間存在著復雜的相互作用,盡可能通過權(quán)衡以減少其中的沖突并實現(xiàn)協(xié)作,才能實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務的優(yōu)化。本文將供給服務價值、水土保持服務價值與其他服務價值設置為權(quán)衡優(yōu)化的子目標函數(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個決策目標的權(quán)重系數(shù)均設定為1/3,即將供給服務、水土保持服務與其他服務視為同等重要。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價值3個子目標構(gòu)建目標函數(shù)與僅以單個子目標或總服務價值作為目標函數(shù)的優(yōu)化結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),3個子目標的結(jié)果和僅其他服務價值為目標的結(jié)果極為相似,即供給服務價值和總服務價值較低,水土保持服務和其他服務價值較高,同時林地面積最高,兩種方案都具有明顯的優(yōu)勢,但后者的供給服務價值和總服務價值低于前者。若僅以供給服務或總服務價值為目標,優(yōu)化后的供給服務和總服務價值均最高,但調(diào)整為林地(尤其是喬木林)的面積明顯減少,使得水土保持服務和其他服務價值均最低。而僅以水土保持服務價值為目標,則水土保持服務價值最高但優(yōu)勢不明顯,供給服務和總服務價值中等,其他服務價值低；供給服務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個子目標的結(jié)果能在滿足產(chǎn)品供給服務價值的條件下,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和其他服務價值,與預期效果一致,更符合甲積峪的實際情況。此外,由于本文從長遠效益考慮,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,其他服務價值遠低于產(chǎn)品供給和水土保持服務價值,在一定程度上避免了其他服務價值虛高對生態(tài)系統(tǒng)服務權(quán)衡的影響。

土地利用不合理是導致該地區(qū)水土保持服務退化的主要原因之一,與其他學者的研究結(jié)果一致[20,65-66]。我國在1998—2008年間對土地利用進行了一系列復雜的調(diào)整,使得我國生態(tài)系統(tǒng)服務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重的土地利用類型[68],研究區(qū)位于溫帶季風氣候區(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和難點[20]。本文從生態(tài)系統(tǒng)服務權(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、陡坡和水土流失嚴重地段等地塊,對其進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、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)服務權(quán)衡進行多方面綜合研究是未來的重要方向[71]。其中溝頭防護措施主要從防治溝頭延伸、溝底下切和溝岸擴張三方面遏制水土流失的加劇。當?shù)鼐用瘛皝y砍濫挖”的情況比較嚴重,為防止過度索取導致生態(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)布封禁通告實行管護措施,以此加強村民的自我約束和管理。加強道路建設,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,使水土保持防治機制不斷完善,依法監(jiān)督和保護是必不可少的,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》、《水土保持補償費征收使用管理辦法》、《水利工程建設監(jiān)理規(guī)定》等一系列促進水土保持工作法制化、規(guī)范化和科學化建設的法律法規(guī)和管理辦法。當前甲積峪在綜合以上監(jiān)督、防預和治理的基礎(chǔ)上,進行了農(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)域水土保持服務價值和其他服務價值的前提下,實現(xiàn)供給服務價值最大化。

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