張先起, 聶永博

(1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院,河南 鄭州 450046; 2.黃河流域水資源高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 鄭州 450046)

生態(tài)系統(tǒng)是聯(lián)合國(guó)千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估(millennium ecosystem assessment,MA)[1]的核心,為人類的生活和發(fā)展提供了不可或缺的物質(zhì)生存條件與各類生態(tài)服務(wù)功能,評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ecosystem service value,ESV)以達(dá)成生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展以及提供生態(tài)補(bǔ)償?shù)闹卮笠罁?jù)[2],其變化表明了生態(tài)系統(tǒng)各功能之間的轉(zhuǎn)化及變化趨勢(shì),同時(shí)也反映了生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)演變的驅(qū)動(dòng)特性。目前以COSTANZA R等[3],DALIY G C[4]和歐陽(yáng)志云等[5]對(duì)ESV評(píng)估方法的應(yīng)用居多。在國(guó)外,TEREFE T等[6]對(duì)埃薩俄比亞中部高原的生態(tài)價(jià)值量變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究。LAURA O等[7]對(duì)馬達(dá)加斯加ESV的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了探討。MENGISTIE K等[8]研究了穆尼薩·沙謝梅內(nèi)1973—2012年ESV變化對(duì)土地利用/覆被動(dòng)態(tài)的響應(yīng)。在國(guó)內(nèi),王文川等[9]通過(guò)利用隨機(jī)森林算法,建立了河流流域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)法,并應(yīng)用到清水河流域當(dāng)中。唐見(jiàn)等[10]評(píng)估了陜、鄂、豫3省40個(gè)縣的ESV。朱九龍等[11]基于某研究區(qū)的ESV,探討了生態(tài)補(bǔ)償資金分配問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外對(duì)于南水北調(diào)中線水源地區(qū)ESV的研究較缺乏,多是對(duì)某一年整個(gè)區(qū)域或典型流域ESV的評(píng)估,缺少演變特性方面的探討,特別是近年的研究更有所不足。南水北調(diào)工程中線水源地區(qū)對(duì)于保障生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、供水安全具有十分深遠(yuǎn)的意義,對(duì)其ESV的評(píng)估可為中線水源地生態(tài)環(huán)境保護(hù)、中線工程供水安全等提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。本文以ESV當(dāng)量法[12]為主要方法,利用ArcGIS軟件和ENVI軟件進(jìn)行土地利用類型劃分,并結(jié)合南水北調(diào)中線工程水源地實(shí)際制定出城鎮(zhèn)和非城鎮(zhèn)ESV當(dāng)量表,分析1989—2019年南水北調(diào)中線水源區(qū)ESV及其演變特征。

1 研究方法

1.1 圖像解譯

研究中采用美國(guó)的Landsat系列衛(wèi)星影像資料。由于衛(wèi)星遙感圖像會(huì)因日光、大氣等因素導(dǎo)致圖像出現(xiàn)變形,使得獲取的遙感數(shù)據(jù)灰度值失真,所以需要使用ENVI軟件進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正等方式來(lái)糾偏,從而獲得較為真實(shí)的圖像。最后再對(duì)其進(jìn)行分析解譯,由此得到水源區(qū)的土地利用數(shù)據(jù)。不同土地利用類型及含義，詳見(jiàn)表1。

表1 土地利用類型及含義

1.2 非城鎮(zhèn)ESV當(dāng)量因子估算

參考ESV當(dāng)量法[12]和MA理論,組建一級(jí)指標(biāo):供給服務(wù)(S)、調(diào)節(jié)服務(wù)(R)、支持服務(wù)(U)和文化服務(wù)(C);在這4個(gè)一級(jí)指標(biāo)下,選取食物生產(chǎn)(S1)、原料生產(chǎn)(S2)、水資源供給(S3)、氣體調(diào)節(jié)(R1)、氣候調(diào)節(jié)(R2)、凈化環(huán)境(R3)、水文調(diào)節(jié)(R4)、土壤保持(U1)、維持養(yǎng)分循環(huán)(U2)、生物多樣性(U3)、美學(xué)景觀(C1)共計(jì)11個(gè)二級(jí)指標(biāo)組成指標(biāo)體系。

研究區(qū)林地生態(tài)系統(tǒng)中不同植被面積占比:針葉林10%、針闊混交4%、闊葉林85%、灌木林1%[13];草地生態(tài)系統(tǒng)不同類型面積占比:灌草叢65%,草甸35%;水域則主要為水系;耕地生態(tài)系統(tǒng)主要包含水田和旱地,二者面積比為1.15∶5.10[14];其他生態(tài)系統(tǒng)不同類型面積占比分別為:濕地80%、裸地15%、荒漠5%。結(jié)合上述資料,構(gòu)建南水北調(diào)中線水源區(qū)非城鎮(zhèn)ESV當(dāng)量因子,詳見(jiàn)表2。

表2 南水北調(diào)中線水源區(qū)非城鎮(zhèn)ESV當(dāng)量因子

1.3 城鎮(zhèn)ESV系數(shù)估算

隨著城市化的進(jìn)行,城鎮(zhèn)的規(guī)模逐漸擴(kuò)大,其規(guī)模面積已經(jīng)不可忽視。近年來(lái),城鎮(zhèn)已成為評(píng)估區(qū)域ESV不可忽視的一個(gè)模塊。將城鎮(zhèn)用地包含進(jìn)ESV評(píng)估體系中,結(jié)合林地、草地等基礎(chǔ)系統(tǒng)體系,可多維分析地類體系更替同生態(tài)系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)[15]。城鎮(zhèn)指標(biāo)體系主要包括氣體調(diào)節(jié)(R1)、凈化環(huán)境(R2)、水文調(diào)節(jié)(R3)、美學(xué)景觀(C1)。運(yùn)用市場(chǎng)價(jià)值法、工程替代法等方法[16],對(duì)南水北調(diào)中線水源區(qū)城鎮(zhèn)ESV系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,詳見(jiàn)表3。

表3 南水北調(diào)中線水源區(qū)城鎮(zhèn)ESV系數(shù)評(píng)價(jià)方法

由于研究區(qū)包含淅川縣和丹江口市兩地，故需要對(duì)南水北調(diào)中線水源區(qū)城鎮(zhèn)ESV系數(shù)進(jìn)行修正。參考胡登奎[18]的研究成果修正城鎮(zhèn)ESV系數(shù),計(jì)算公式如下:

(1)

表4 南水北調(diào)中線水源區(qū)城鎮(zhèn)ESV系數(shù) 元/hm2

1.4 研究區(qū)ESV評(píng)估模型

根據(jù)謝高地等[12]的研究,單位當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值量約等于當(dāng)年全國(guó)平均糧食單產(chǎn)市場(chǎng)價(jià)值的1/7,但考慮到全國(guó)各地天氣、土壤等多種因素的差異性,需要基于研究區(qū)情況進(jìn)行修正。選擇淅川縣、丹江口市兩地的單位面積耕地作物經(jīng)濟(jì)均價(jià),以此來(lái)修正單位當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值量[19],計(jì)算公式為:

(2)

(3)

參考兩地年鑒和《中國(guó)農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格調(diào)查年鑒》,分析得出淅川縣的單位當(dāng)量因子經(jīng)濟(jì)價(jià)值為2 078.67元/hm2,丹江口市的為1 664.17元/hm2。通過(guò)遙感影像得出淅川縣和丹江口市1989、1999、2009、2019年的耕地面積的平均值分別為115 380、55 964 hm2,結(jié)合公式(3),得出研究區(qū)單位當(dāng)量因子經(jīng)濟(jì)價(jià)值為1 943元/hm2。

研究區(qū)ESV的計(jì)算公式為:

Kr=XrNa,

(4)

(5)

式中:Kr為第r種生態(tài)指標(biāo)的ESV系數(shù),元/hm2;Xr為第r種生態(tài)指標(biāo);Esl為研究區(qū)ESV,元;Aj為第j種土地利用類型的面積,hm2。

1.5 ESV影響演變因素分析

ESV變差貢獻(xiàn)率指在一段時(shí)間內(nèi)某單一生態(tài)系統(tǒng)變化量占所有地類ESV變化量的比重[20],反映個(gè)體變化對(duì)整體的影響程度。其計(jì)算公式為:

(6)

2 南水北調(diào)中線水源區(qū)ESV估算

2.1 研究區(qū)概況

淅川縣和丹江口市位于豫、鄂、陜?nèi)∠噜徧?東鄰鄧州市,南接房縣,西鄰十堰城區(qū),北靠西峽縣,位于東經(jīng)111°34′～111°58′與北緯32°13′～33°23′。丹江口市總面積3 129.168 km2,淅川縣總面積2 820.68 km2。淅川縣和丹江口市地理位置如圖1所示。

圖1 淅川縣和丹江口市地理位置

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

選取1989、1999、2009、2019年作為典型年,土地利用類型來(lái)源于各時(shí)期的Landsat5 TM和Landsat8 OLI-TIRS影像。其余數(shù)據(jù)參考《南陽(yáng)市統(tǒng)計(jì)年鑒》《丹江口市統(tǒng)計(jì)年鑒》《丹江口市水資源公報(bào)》《淅川縣統(tǒng)計(jì)年鑒》等,主要包含糧食產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等其他統(tǒng)計(jì)資料。

2.3 土地利用面積及覆被變化分析

ENVI為一款發(fā)展成熟的現(xiàn)代遙感地圖解析分析軟件。從地理空間數(shù)據(jù)云獲取淅川縣、丹江口市的遙感圖像,并利用ENVI調(diào)取工具箱來(lái)進(jìn)行輻射校正和大氣校正，從而完成預(yù)處理。然后,利用ArcGIS配準(zhǔn),采用人機(jī)交互方式解譯得到淅川縣、丹江口市1989、1999、2009、2019年4個(gè)典型年的土地利用情況。對(duì)結(jié)果進(jìn)行檢測(cè),得Kappa系數(shù)>0.7,故影像數(shù)據(jù)的精度滿足最低判別度。研究區(qū)4個(gè)典型年的土地利用情況如圖2所示。南水北調(diào)中線水源區(qū)土地利用變化如圖3所示。

圖2 研究區(qū)土地利用

圖3 南水北調(diào)中線水源區(qū)土地利用類型面積

結(jié)合圖2、圖3可以看出,1989—1999年南水北調(diào)中線水源區(qū)的地物代表主要為林地、草地和耕地3種,占據(jù)了水源區(qū)面積的80%;隨著時(shí)間演變,森林的面積保持著不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì),且漲勢(shì)迅速,其主要原因是開(kāi)展退耕還林等計(jì)劃以及出臺(tái)和實(shí)施一些相關(guān)的政策,深化了人們的環(huán)境保護(hù)意識(shí);而耕地、草地的面積持續(xù)縮小,主要是因?yàn)樵谄渖显苑N樹(shù)木以及部分新水域的形成,使得部分草地和耕地轉(zhuǎn)化為了林地和水域;水域面積也呈擴(kuò)大趨勢(shì),主要是因?yàn)榈そ谑兴畮?kù)大壩加高使得水位抬升,導(dǎo)致部分草地、耕地形成新水域;而城鎮(zhèn)面積由于土地城市化原因擴(kuò)展也極其迅速,但總體面積占比較小;其他地物類型面積變化趨勢(shì)較小且比重不大。

2.4 南水北調(diào)中線水源區(qū)ESV分析

根據(jù)表2、表3及公式(4),可得南水北調(diào)中線水源區(qū)ESV當(dāng)量因子及其系數(shù),分別見(jiàn)表5和表6。

表5 南水北調(diào)中線水源區(qū)ESV當(dāng)量因子

表6 南水北調(diào)中線水源區(qū)ESV系數(shù) 元/hm2

根據(jù)表5、表6和公式(5),可得南水北調(diào)中線水源區(qū)1989、1999、2009、2019年4個(gè)典型年的ESV,如圖4所示。

圖4 南水北調(diào)中線水源區(qū)ESV

由圖4可知,南水北調(diào)中線水源區(qū)林地、水域的ESV隨時(shí)間推進(jìn)在不斷提高,而其余地物ESV則不斷減少,說(shuō)明林地、水域地物為水源地重要生態(tài)體系且面積占比較大。這一演變趨勢(shì)表明:隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,相關(guān)保護(hù)環(huán)境政策的推出和人民環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),使得水源區(qū)環(huán)境質(zhì)量得到了極大的提高。

根據(jù)公式(6),得出水源區(qū)ESV變差貢獻(xiàn)率,詳見(jiàn)表7。

表7 南水北調(diào)中線水源區(qū)ESV變差貢獻(xiàn)率 %

由表7可知，土地利用類型在各個(gè)時(shí)期內(nèi)對(duì)水源區(qū)的ESV所產(chǎn)生的影響是不一樣的。林草水域地物系統(tǒng)的演變將引起其相關(guān)ESV產(chǎn)生較大影響,而其余3種地物系統(tǒng)的演變則基本不會(huì)引起其相關(guān)ESV產(chǎn)生較大波動(dòng)。由表7還可以看出,在1989—2019年的30年期間,林地地物系統(tǒng)面積不斷擴(kuò)大,且其貢獻(xiàn)率始終為正,其變化對(duì)區(qū)域ESV的增加影響是正向的;草地、耕地、城鎮(zhèn)地物系統(tǒng)貢獻(xiàn)率均小于0,主要由于退耕還林等政策的實(shí)施,草地、耕地上不斷植樹(shù)造林,逐漸轉(zhuǎn)化為森林,但林地的單位面積ESV卻高于前兩者,這使得草地、耕地地物系統(tǒng)的演變同南水北調(diào)中線水源區(qū)總ESV的變化趨勢(shì)相反。水域生態(tài)系統(tǒng)對(duì)南水北調(diào)中線水源區(qū)總ESV的貢獻(xiàn)率較大,但呈現(xiàn)波動(dòng)變化的趨勢(shì),1989—1999年與2009—2019年水域生態(tài)系統(tǒng)貢獻(xiàn)率均在50%以上,主要由于丹江口水庫(kù)多年平均面積占研究區(qū)總面積的10.5%;而1999—2009年的貢獻(xiàn)率則低于0,其波動(dòng)原因是因?yàn)榈そ谒畮?kù)的庫(kù)容降低,使得總區(qū)域的水域地物系統(tǒng)的面積不斷縮減,導(dǎo)致該段時(shí)間之中,水域地物面積的演變同區(qū)域ESV的變化截然相反;其他生態(tài)系統(tǒng)則主要包含裸土地、鹽堿地等,在研究區(qū)的總面積中該類地物占地面積甚小,同時(shí),它們的單位面積ESV較低,造成歷年來(lái)其他地物ESV長(zhǎng)期保持較低且相對(duì)穩(wěn)定的低貢獻(xiàn)率。

3 結(jié)論

1)針對(duì)研究區(qū)的自然、地理、環(huán)境等實(shí)際狀況,將其劃分為林地、草地、耕地、城鎮(zhèn)、水域和其他共6類生態(tài)系統(tǒng),基于MA理論構(gòu)建了包含供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)、文化服務(wù)4個(gè)一級(jí)指標(biāo)11個(gè)二級(jí)指標(biāo)的南水北調(diào)中線水源區(qū)ESV評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2)利用ArcGIS和ENVI軟件對(duì)1989、1999、2009、2019年4個(gè)典型年的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯,分析了不同典型年研究區(qū)土地利用的時(shí)空演變特征;通過(guò)建立城鎮(zhèn)與非城鎮(zhèn)區(qū)域ESV指標(biāo)體系,評(píng)估了不同典型年研究區(qū)ESV。得出結(jié)論:1989—2019年,研究區(qū)ESV增加了102.63億元,其中林地、水域分別增加了54.88億元、77.90億元;草地、耕地、城鎮(zhèn)、其他分別減少了23.61億元、3.77億元、0.29億元、2.48億元。

3)通過(guò)利用變差貢獻(xiàn)率分析法對(duì)研究區(qū)ESV的時(shí)空變化進(jìn)行分析,6類土地利用類型在不同時(shí)段內(nèi)對(duì)ESV的貢獻(xiàn)率存在著差異,其中水域、林地、草地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)研究區(qū)ESV的影響最大,城鎮(zhèn)、耕地、其他生態(tài)系統(tǒng)對(duì)其ESV的影響則較小。

4)由于主觀因素等原因,在制作分類樣本時(shí)會(huì)造成樣本精度偏差,使得解譯出的土地利用類型圖存在一定的偏差。另外,由于研究尺度的限制,設(shè)定的城鎮(zhèn)ESV系數(shù)較少,ESV局部異常信息較難體現(xiàn),這些問(wèn)題有待進(jìn)一步深入研究解決。