2000～2015年渭河流域生態資產時空變化分析

尹聰嫻,張艷芳

(陜西師范大學 地理科學與旅游學院,陜西 西安 710119)

生態資產是一種國家資產,它提供了人類生產生活的物質基礎,創造并維護了生命支持系統。黨的十九大報告明確提出要設立國有自然資源資產管理和自然生態監管機構,完善生態環境管理制度。

在20世紀70年代,國外學者Holder和Westaman等最早提出了生態資產評估這一概念[1-2],隨后眾多科研工作人員如Constanza[3]、Daily[4],科研機構如聯合國環境規劃署[5]針對全球尺度的生態服務功能開展了一系列研究,由此引發了對生態資產評估的大討論。國內陳仲新、潘耀忠、劉紀遠、高吉喜、謝高地等進一步完善了生態資產評估的理論基礎與研究方法[6-10]。生態資產價值與經濟發展的關系及生態赤字是近期生態資產研究的重點[11-12]。在20世紀80年代，環境資源價值評估開始興起,經歷了模型與參數的不斷研究與修正[13-16]。最新研究轉為生態資產資本化[17-18]和自然資源資產負債表[19]。

李真等利用遙感技術對甘肅省生態資產價值進行了定量測度,并在柵格尺度上進行了生態-經濟系統協調研究[20];徐昔保等認為土地利用變化引起了長江三角洲生態資產減少和空間變化差異[21];馬立新等發現資源利用方式隨經濟發展水平變化,兩者間的協調程度決定了生態資產提高與否[22];曹詩頌等基于自然、社會以及經濟三方面構建了指標體系并分析了秦巴特困連片區生態資產與經濟貧困的耦合關系[23];張超等以寧夏鹽池縣為例進行研究,發現對生態資產價值貢獻率最大的因素是水土保持[24];王紅巖等在小尺度上進行了縣級生態資產價值評估的研究[25]。

渭河流域地處中國西北地區濕潤和干旱區過渡地帶,經濟較為發達,也是生態較為脆弱的地區,在國家生態建設中占有重要地位。以往有關生態資產價值的研究多以行政區為邊界進行分析,以流域為單元的研究較為少見,因此對渭河流域生態資產價值的動態變化進行研究可為其他流域生態文明建設提供參考和借鑒。本研究對2000～2015年間4個年份渭河流域的生態資產進行了估算,并分析了16年間該流域生態資產的時空變化及其驅動力,旨在為促進流域可持續發展提供科學依據。

1 研究區域

渭河,別稱渭水,發源于甘肅省渭源縣鳥鼠山,是黃河最大的支流,流經甘肅省中部、寧夏區東南部和陜西省中部,河流面積為134766 km2(圖1)。渭河流域橫跨東經104°00′～110°20′,位于北緯33°50′～37°18′之間,可將其分為西黃土丘陵溝壑區和東關中平原區。渭河流域年平均氣溫為7.8～13.5 ℃,夏季雨熱同期,有伏旱,冬季寒冷少雨,為大陸性季風氣候。年降水量在500～800 mm,降雨空間分布由東南向西北遞減，且主要集中在6～10月,該期間降水量約占年降水量的65%。該流域蒸發較為強烈；耕地、林地和草地為該區主要土地利用類型。

圖1 渭河流域的地理位置

2 研究方法

2.1 生態資產估算

生態資產總量在一定區域內隨著時間呈動態變化,區域內包括的生態系統類型、質量、面積的改變都會對其造成影響。一定區域內生態資產總量即全部生態系統類型的全部服務功能與其所提供的自然資源價值的和,可表示為[7]:

(1)

式(1)中:V表示研究區域內生態資產價值總量;c=1,2,…,n,表示該區域內的生態系統類型;Vc表示該區域內第c類生態系統的生態資產,可根據如下公式[7]計算:

(2)

式(2)中:i表示第c類生態系統的第i種生態服務功能;Vci表示第c類生態系統的第i種生態服務功能類型的單位面積價值;j=1,2,…,m,表示一定區域內第c類生態系統在空間上分布的像元數;Sij表示各個像元的面積;Rij表示每個像元的調整系數,它是由生態系統的質量狀況決定的,本文選用植被覆蓋度以及植被凈第一生產力NPP來表征Rij,其計算公式如下:

Rij=(NPPj/NPPmean+fj/fmean)/2

(3)

式(3)中:NPPmean和fmean分別表示區域內第c類生態系統的NPP和植被覆蓋度的均值;NPPj和fj分別表示像元j的NPP和植被覆蓋度。

對NPP和植被覆蓋度的估算分別采用改進的光能利用率CASA模型[13]和像元二分模型[7]:

NPP=FPAR×SOL×Tε1×Tε2×Wε×ε*×0.5

(4)

(5)

上式中:FPAR為植被層對入射光合有效輻射的吸收比例;SOL為太陽總輻射量(MJ/m2);Tε1和Tε2分別表示低溫和高溫對光能利用率的脅迫作用;Wε為水分脅迫系數；ε*為理想條件下的最大光能利用率(gC/MJ)；常數0.5表示植被所能利用的太陽有效輻射(波長為0.4～0.7 μm)占太陽總輻射的比例;NDVI為像元的歸一化植被指數,NDVImin和NDVImax分別表示不同生態系統的NDVI最小值和最大值。

2.2 數據來源與處理

USGS共享提供由16 d合成的250 m MODIS-NDVI數據(2000、2005、2010、2015年),經過拼接、重投影、裁剪等過程后,利用最大值合成法(MVC)生成NDVI年值數據。土地利用數據采用覆蓋研究區的Landsat-5的TM數據,空間分辨率為30 m。利用ENVI對遙感影像數據進行輻射定標、輻射校正、大氣校正和幾何校正，然后采用人機交互、目視解譯和監督分類的方法,結合研究區生態系統的特點,把土地利用類型歸并為林地、草地、耕地、水域、建設用地和未利用地六大類。氣象數據包括氣溫、降水、地表輻射等數據,來自中國氣象科學數據共享服務平臺,在ARCGIS中進行插值得到。其他數據有:渭河流域1∶4000000矢量圖；不同生態系統的單位面積生態資產價值初始值采用謝高地等優化建立的體系標準[10]，即林地為193.340萬元/km2,草地64.065萬元/km2,耕地61.143萬元/km2,水域244.764萬元/km2,未利用地3.714萬元/km2，建設用地0元/km2。

3 結果與分析

3.1 渭河流域生態資產總量的變化

從表1可以看出：在2000～2005年期間，渭河流域的生態資產總量從1092.75億元降低到1076.43億元；2005～2010年的生態資產總量保持穩定并略有減少,減少了2.62億元；從2010年到2015年，生態資產總量有所回升且在2015年達到1109.11億元；2000～2015年的生態資產總量共增加了16.36億元，占2000年生態資產總量的1.50%,增加幅度較小；16年間渭河流域的生態資產總量總體上呈先減少并保持穩定然后持續增長的態勢。

在2000～2015年期間，渭河流域總生態資產的構成均以林地、耕地和草地為主,在2015年分別占38.93%、30.82%和27.98%。林地生態資產16年間減少了10.97億元(減幅為-2.48%)。2000～2015年耕地和草地生態資產有一定增長,分別增加了11.23億元(3.40%)和9.78億元(3.25%)。水域和未利用地生態資產分別由2000年的18.71億元、0.07億元增長至2015年的24.86億元、0.24億元。各土地利用類型的生態資產變化幅度除未利用地和水域外均在5%以內,表明林地、耕地和草地的生態資產總量相對穩定。

表1 2000～2015年渭河流域生態資產總量的變化 億元

3.2 渭河流域生態資產的空間分布

由圖2可以看出：渭河流域北部、西部及東南部生態資產較低,主要位于黃土高原丘陵溝壑區的榆林市南部、西峰市北部、定西縣中部以及關中平原或渭河平原的西安市北部、咸陽市南部、渭南市西部部分地區；生態資產較高的地區主要是林地廣泛分布的南部秦嶺北坡林區及六盤山,北部黃龍山、子午嶺林區和其他低山丘陵地區。

圖2 渭河流域生態資產的空間變化

3.3 渭河流域各土地利用類型生態資產的變化

在2000～2015年期間,渭河流域土地利用類型的變化較大(表2)。其中未利用地變化率為33.73%,變化最大；其次是建設用地,變化率為29.63%；水域的變化率為13.36%；林地和草地的變化率分別為3.15%和0.26%；僅耕地面積有所下降,從2000年的59188 km2降至2015年的57159 km2,減少了2029 km2,變化率為-3.43%；在減少的耕地面積中有51.21%轉化為建設用地,33.81%轉化為林地,其余耕地分別轉化為草地、水域。

水域的單位面積生態服務價值在所有土地利用類型中最高,由于其在渭河流域中所占面積有限,故所貢獻的生態資產遠少于林地、耕地和草地。林地對渭河流域生態資產的貢獻最大,原因如下:(1)林地的單位面積生態服務價值很高,為193.34萬元/km2,僅次于水域；(2)渭河流域的林地面積較大,排在第3位,2015年渭河流域林地面積為22477 km2。在單位面積生態服務價值差別不大的情況下,耕地與草地對渭河流域生態資產的貢獻率相差較小,耕地稍高于草地,主要原因是耕地面積大于草地面積。2015年未利用地的生態資產為2000年的3.43倍,這與16年間未利用地面積的增加有關。

3.4 渭河流域各子流域生態資產的分布

如圖3和表3所示,3個子流域的生態資產分布不均勻,除了子流域面積外,生態資產分布不均的原因根本還在于其自身的生態環境。渭河干流的生態資產最高,在2000、2005、2010及2015年的生態資產總值分別為542.10億、518.44億、505.79億、537.74億元,主要原因在于渭河干流面積較大以及其南部秦嶺山地和西部六盤山具有較高的林地覆蓋度。從2000年至2005年,渭河干流的生態資產減少了23.66億元;從2005年至2010年,渭河干流的生態資產繼續減少,但減少幅度有所放緩;在2010～2015年期間, 渭河干流的生態資產增加了31.95億元,增幅明顯,達6.32%。總體來講,渭河干流的生態資產在16年間減少了4.36億元,減幅為-0.80%。涇河流域的面積(44738 km2)是北洛河流域面積(29770 km2)的1.50倍,2000年北洛河流域的生態資產高出涇河流域15.49億元；到2005年北洛河流域的生態資產仍高出涇河流域1.43億元；直到2010年,涇河流域的生態資產(287.61億元)才明顯高于北洛河流域(279.62億元)；截止2015年,涇河流域的生態資產高出北洛河流域24.95億元。北洛河流域雖然面積不及涇河流域,但其生態資產在2000年比涇河流域高的原因是北洛河流域的子午嶺、黃龍山地區有較多的林地。

表2 2000～2015年渭河流域土地利用類型的變化 km2

表3 2000～2015年渭河流域及其子流域的生態資產變化統計

圖3 渭河流域及其子流域的生態資產分布

2000～2010年渭河干流生態資產減少主要是由于耕地面積的減少,由28249.04 km2減少至27667.62 km2,以及建設用地的增加,由2333.10 km2增至2545.32 km2；2010～2015年渭河干流水域面積增加明顯,由601.04 km2增加到641.88 km2,增幅達6.79%,成為其生態資產增加的主要原因。2000～2005年,涇河流域的生態資產與北洛河流域差距縮小,主要在于涇河流域較大幅度的林地增長,由4140.49 km2增加到4579.11 km2,增長了9.94%,而北洛河流域林地由7102.99 km2增至7304.52 km2,增幅僅為2.84%;2005～2010年,涇河流域的生態資產平穩增長,并開始超過北洛河流域;2010～2015年涇河流域的生態資產保持增勢,而北洛河流域繼續下降。在16年間，涇河流域的生態資產由267.48億元增至297.53億元,增加了30.05億元,而北洛河流域的生態資產由282.97億元減為272.58億元,減少了10.39億元,涇河流域較大的草地和耕地面積使其生態資產保持增加的優勢成為可能。相比較來說,北洛河流域的生態環境質量整體較好,但隨著城市擴張、耕地面積的減少以及建設用地的增加,其生態環境質量有所下降。

渭河干流年均生態資產從上游到下游先升高后降低,后再次升高(圖4和圖5)。渭河干流中游為林區覆蓋地，年均生態資產較高,約為200萬元,使得渭河干流中游呈現“山峰”形態;渭河干流上游為黃土丘陵溝壑區，草地分布面積廣，而下游為黃土階地與沖積平原灌溉農業區,耕地較多,年均生態資產約為65萬元。涇河流域年均生態資產自上游至下游不斷升高,下游一處突降點為城市建設用地。北洛河流域年均生態資產自上游至下游先升高后降低,中游年均生態資產上升明顯,主要原因是子午嶺鄰近區域多分布林地、草地。

圖4 渭河流域各子流域多年生態資產平均值的空間分布

圖5 渭河流域年均生態資產剖面線

4 生態資產變化的驅動力分析

4.1 氣候因素

溫度、降水等氣候因素極易對環境敏感性較強的生態系統造成影響,從而改變區域生態環境的質量。其他影響力較大的因子有光照、水分。對于渭河干流關中平原地區的大片耕地來說,溫度上升可能使得其種植結構發生變化與調整。此外,由溫度上升引起的土壤含水量減少會在一定程度上影響農作物的產量。林地2015年的降水量為526.06 mm,較2000年的降水量(540.24 mm)有所減少,由此可見降水量對林地2000～2015年生態資產的下降產生了一定的影響。由洪澇災害和極端天氣引起的農作物減產，以及耕地面積減少也會導致生態資產減少。對于其他生態系統而言,各氣候因子的作用也會使土地利用類型發生變化，從而引起生態資產的增減。

4.2 土地利用變化

2000～2015年間渭河流域人口與經濟快速增長。以西安市為例,總人口和GDP分別從2000年的688.01萬人和646.13億元增長到2015年的870.56萬人和5801.20億元[26],流域土地利用從而發生劇烈變化,表現為建設用地明顯增加,城市化進程加快。

水域生態資產整體保持增長態勢,面積不斷擴大。2008年編制的渭河流域水土保持綜合治理工程《渭河流域水土保持規劃》(2008～2012),促進了渭河流域生態文明建設[27]。2000～2010年林地面積呈現增長趨勢,生態資產減少;2010～2015年林地面積減少,生態資產反而有了一定增長,究其原因，一方面近年來渭河流域城市發展迅速,吸引了大批農業人口進城務工,農業活動對林地的干擾程度減小，林地生態環境得到了較好的修復,單位面積林地生態資產不斷增加;另一方面，各級政府加大了對林地資源的保護力度,實施了水土保持、荒山生態恢復、封山育林等政策。

2014年渭河干流完成了6.56 km2的造林綠化綜合整治項目。整體來講16年間渭河流域生態環境質量有所提升。2000～2015年北洛河流域和渭河干流的生態資產變化率分別為-3.53%和5.84%,基本保持穩定,而人口數量增長較快,因此人均生態資產下降速度快,主要在于城市建設以及生態環境遭到人為劇烈干擾。

4.3 其他因素

生態資產退化是生態惡化的結果,表現為高脆弱性和敏感性,緩沖能力弱,抗干擾能力較低等,是生態系統的逆向演替過程。北洛河流域生態資產出現小幅度退化,主要由于耕地的減少,歸結于城市化進程加快,使得城市周邊耕地轉為建設用地,從而降低了生態資產。北洛河流域資源稟賦較高,應采取有效舉措遏制生態資產退化現象。另外,資源開發利用和產業結構升級等因素也對渭河流域生態資產變化產生了一定影響。

5 討論

生態資產價值評估自2004年以來已有大批國內外學者對其進行研究,此類研究的關鍵和難點在于對生態系統參數進行選擇及獲取的精度。現有研究采用的生態調整參數僅有NPP與植被覆蓋度,有待進一步擴展評價因子,如增加土壤侵蝕、植被生物量等。NPP和植被覆蓋度的反演精度受到一些因素的影響,主要在于缺乏NPP實測數據, MODIS NDVI的分辨率有限，以及研究區氣象站點數量有限。

生態系統的詳細劃分有成百上千類,本文僅將其分為六大類。對于同一種生態系統類型,其生態服務功能的差別有時也很巨大。同一樹種形成的森林群落,即使有著基本相似的參差結構,由于立地環境差異,其生態功能尤其在水土保持、調節氣候方面的差別也很大。城市系統中的部分公園綠地會產生一定的生態服務價值,只是目前還未能對其進行定量核算；本文按0元/km2計算單位面積建設用地的生態服務價值,這就導致計算得到的城市建設用地生態資產價值比真實值小。

相比于Constanza[3]的價值標準體系,謝高地等建立了更適用于國內的價值標準體系。然而其仍有著很大的不確定性,原因有二:一是對生態系統基礎性服務功能的研究有待深入;二是問卷受訪者的自身主觀認識存在差異。如以農田單位面積生態資產價值來看,李文華[28]于上海五四農場的野外試驗觀測預估值遠高于謝高地等的估算值。此外,本研究僅對渭河流域2000～2015年間4個年份的生態資產進行了估算,忽視了能夠影響生態資產動態變化的生態系統不確定性變化趨勢這一因素。