城市化背景下重慶市水生態系統服務價值評估及其影響因子分析

鄧靈稚, 楊振華, 蘇維詞

(1.華東師范大學 生態與環境科學學院, 上海 200241;2.中山大學 地理科學與規劃學院, 廣州 510000; 3.貴州省山地資源研究所, 貴陽 550001)

水生態系統是支撐整個地球生命動態平衡的系統，也是維持人類生活和生產活動、水生生物群落結構與水生態環境服務功能的基礎資源[1-2]，其通過物質循環和能量流動，共同構成具有一定結構和功能的綜合體。然而，在城市化進程中社會經濟活動對水資源的生態占用逐漸加強，對水循環特征、水環境狀況的干預加劇，導致水生態服務功能日益減弱，水生態系統服務的健康問題(產品供給能力下降、支撐作用減弱、調節功能失效、凈化作用減弱、美學價值降低)逐漸引起國內外學者的高度關注。

20世紀80年代以來，隨著水生態系統服務概念被首次提出[3]，水生態系統服務評價的相關研究就逐漸成為了當代環境經濟學、生態經濟學以及可持續生態系統研究的前沿領域，國內外學者也對此給予了高度重視，并開展了大量的實踐工作：首先從評價對象上看，前人對不同尺度的水生態系統服務，如濕地[4]、河流[5]、流域[6]、城市[7]等進行了價值評價，揭示了不同類型的水生態系統服務的區域性差異；其次，從評價方法來看，自1997年Costanza等[8]首次提出了水生態系統服務價值的系統估算方法以后，學者們在此基礎上陸續提出了替代成本法、旅行費用法、恢復費用法、影子價格法、直接市場法、條件價值法(CVM)以及環境選擇模型(CM)等方法[9-12]，如Houtven等[13]結合環境建模、專家法和非市場估算法評估了湖泊生態服務價值量；謝高地等[14]根據我國生態環境現狀，對水資源的供給服務計算系數進行了修正，使評價結果更加契合實際。另外，以往研究也從土地利用變化、氣候變化、人類活動干預等角度解釋了水體服務價值量變化的影響因素[4,12,14]，如Terrado等[15]基于氣候、土地利用變化等數據，利用InVEST模型分析了水資源供給、水電能源開發服務功能對氣候變化的響應；Ping等[16]根據土地利用/覆被變化分析出水生態系統價值量的主要影響因素，揭示各因子對生態系統服務的影響過程；孫澤祥等[17]通過分析城市化景觀擴展過程中對地類面積的占用，得到降低土地利用變化對水生態系統服務價值的影響程度；Sample等[18]則采用高級篩選方法評估了未來氣候變化對水生態系統服務的影響，發現未來氣候變化會降低蘇格蘭地區農業灌溉用水和發電能力。裴廈[19]、李景保[20]等則認為旅游、水利工程開發是影響水體環境調節、生物多樣性維持的主要因子。

不難發現，國內外學者對水生態系統服務的價值評估及影響因子都進行了深入的研究，但仍然存在以下兩個問題：(1) 目前尚無水生態系統服務價值核算的統一標準，導致其評價結果差異明顯；(2) 對生態系統服務功能影響因素分析局限于氣候變化、土地利用變化，忽略了城市化過程中產業結構、人口活動對生態系統服務占用過程，單純的認為城市化景觀擴張是導致生態系統服務價值下降直接因素。基于此，本文在探究重慶市2001—2015年水生態系統服務價值演變特征的基礎上，分析重慶市水生態系統服務價值與潛在影響因子的回歸特征，得到重慶市水生態系統服務的主要影響因子，并進一步剖析城市化過程對水生態系統服務影響方式，從而為重慶市水生態系統管理對策的制定提供理論依據。

1 研究區概況

重慶市地處中國內陸西南部的長江上游地區，地跨105°17′—110°11′E，28°10′—32°13′N。地勢由南北向長江河谷傾斜，地貌以丘陵、山地、峽谷為主，其山地面積占全市總面積的76%，平均海拔為400 m。全市屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫在16～18℃。多年平均降雨量達1 000～1 450 mm，降水多集中在5—9月，占全年總降水量的70%左右。在地形和氣候雙重作用下，市域河流眾多，且均屬長江水系，全年平均水資源總量在5 000億m3，水能資源理論蘊藏量為1 438.28萬kw，可開發量750萬kw，屬于水生態系統服務類型豐富，且水生態系統服務功能相對顯著的省份。

2 數據與方法

2.1 數據來源

本研究社會經濟數據來源于《重慶統計年鑒》(2001—2015年)和《重慶市國民經濟和社會發展統計公報》(2001—2015年)，生態環境數據來源于《重慶環境狀況公報》(2001—2015年)，水資源數據來源于《重慶市水資源公報》(2001—2015年)，土地利用數據來源于《重慶市國土資源和房屋管理公報》(2001—2015年)以及相關資料整理。

2.2 評價方法

2.2.1 城市化過程對水生態系統服務的影響框架 水生態系統服務是指水域(河流、湖泊、水庫等)生態系統為區域社會經濟及文化娛樂發展提供的自然資源及效用，換言之，代表城市化過程中區域水生態系統為人類活動(景觀擴展、產業結構調整、人口增長或集聚)提供的各種基礎資源與服務。故本文從城市化與水生態系統服務關聯性的角度[5，7,20]，分析城市化過程對水生態系統服務的影響方式與過程(圖1)。其中，城市化過程包括城市景觀擴展、人口城鎮集聚、產業結構演變和生活方式擴展4個方面，并通過水循環過程干預、水產品消耗、生態系統脅迫和景觀開發等方式對水生態系統服務施加不同程度的影響；水生態系統服務類型則參考Costanza等[8]、Millennium Ecosystem Assessment(MA)的指標分類方法[21]，將其劃分為水文調蓄、產品供應、環境凈化與生態調節、生態系統維持、休閑旅游資源開發5大類、15項指標，各類指標服務價值的改變直接體現出城市化過程對生態環境的壓力，共同表征城市化過程中人類活動對水生態系統服務的占用途徑與關聯性。共同表征城市化過程中人類活動對水生態系統服務的占用途徑與關聯性。

圖1 城市化過程與水生態系統服務功能的影響方式框架

2.2.2 水生態系統服務評價指標 結合城市化過程中水生態系統服務的影響因素(圖1)以及水生態系統服務功能的內涵、機制和效用[4-5,13,20-21]，構建出重慶市水生態系統服務類型及其評價指標體系(表1)。另外，在核算服務價值時囿于數據的可獲取性、可量化性和客觀性，本研究對評價指標進行了一定的取舍或替換，使評價結果更加準確、科學。

2.2.3 價值量計算 依據重慶市水生態系統不同評價指標的類型、屬性，本文采用市場價值法、替代成本法、旅行收入法、因子參數法、影子價格法、機會成本法等評價方法[22]對研究區水生態系統服務價值量進行計算，具體見表2。

3 結果與分析

3.1 水生態系統服務價值變化

為便于比較歷年水生態系統服務的變化特征，將各年度服務的價值當量統一化，并依據水生態系統服務各項指標價值計算公式，得出重慶市2001—2015年水生態產品供應、水生態調蓄、水生態環境凈化、水生態系統維持和水生態文化景觀5類服務評價指標的時序演變特征(表3)。重慶市15項水生態系統服務價值中，最大的是水資源供給(C1)，其次為COD、氨氮降解(C9)價值，兩者歷年平均價值量分別為227.29億元和219.79億元，而價值量最小的是固碳釋氧(C10)，其平均價值量僅有0.04億元，主要因為各指標價值量的計算方法不同，其中水資源供給采用市場價值法，受社會經濟發展規模及其用水總量的影響顯著，導致水資源利用量常年維持在60億～80億m3，而固碳釋氧價值量則采用的替代工程法，在現有工業技術背景下，人工固碳釋氧的成本較低，如工業制氧成本僅420元/t，從而導致兩者價值量相差懸殊。另外，重慶市水資源供給的歷年價值量從172.98億元上升至233.78億元，年均增長率僅2.25%，其因為水資源供給實物量主要由日益增長的水資源需求量決定，但2011年以后水資源利用量持續下降，年均下降率達2.63%，說明水資源利用與經濟發展實現脫鉤，水生態系統的指標價值量主要取決于該指標價值的計算方法和社會經濟發展對其的占用或消耗程度。

表1 水生態系統服務價值評價指標體系

表2 水生態系統服務價值量計算公式

表3 2001-2015年重慶市水生態服務價值量變化特征 億元

由水生態系統服務各類價值量的比重變化情況(表4)可知，全市水生態系統總價值以水生態調蓄和水生態產品供給兩類為主，兩者歷年平均價值量為614.03億元，價值比重為62.04%，但前者比重從2001年的12.01%逐漸上升至2015年的41.07%，而后者的價值比重卻呈波動下降的趨勢，15年間所占比重從42.01%下降至36.01%。其余3類水生態系統價值量均呈波動上升趨勢，且增速差異大，其比重卻呈明顯的波動下降趨勢，尤其是水生態環境凈化價值，期間價值量共增加51.24億元，比重卻從44.74%下降至22.38%。另外，除水生態調蓄比重呈上升趨勢，其余各類價值量比重均逐步下降，其主要原因在于水生態調蓄中的水資源蓄積、滯洪效益的價值量增長迅速，2001—2015年兩者價值量由46.86億元和18.68億元分別上升至307.47億元和241.92億元，成為增長率最高的服務類型(表4)。總體而言，15年間重慶市水生態服務價值量年均值為884.87億元，且呈逐漸上升趨勢，其值從2001年的555.99億元上升至2015年1 340.3億元，年均增長率達7.45%，說明社會經濟的發展使得水生態系統對人類生產、生活和生態環境的支撐作用不斷加強，同時人為干預對水生態系統的影響力也逐漸增大，對水生態系統的占用強度和廣度都不斷增加。通過服務價值量計算結果可知，隨著城市化進程的加快，人類活動向水循環系統索取的資源量增加，對生態系統服務占用程度也逐漸提升，如水生態產品供給、水生態文化景觀開發方面，同時，生態系統自身調節能力也不斷下降。這些結果共同表明了城市化過程對水生態系統服務影響的差異性。

表4 2001-2015年重慶市各類水生態服務功能價值量及其比重變化

3.2 影響因素分析

水生態系統服務價值量主要受指標的實物量和價格系數影響。為分析影響水生態系統服務價值量的自然氣候與社會經濟因素，探究2001—2015年重慶市水生態服務的影響因子，結合服務價值與因子之間Person相關性研究結果發現(表5)，除水生態環境凈化價值與降水量(X1)、地表徑流量(X3)在0.01水平上顯著相關外，其他服務類型均與常住人口數(X4)、城市化水平(X5)、生態需水量(X6)、污水排放量(X7)、植被覆蓋率(X9)、人均GDP(X10)存在同水平的顯著正相關，相關系數均值達0.87，其顯著性系數均小于0.01，而年均溫(X2)、水質達標率(X8)對全市水生態系統服務的影響較小，兩者相關系數分別為0.1和-0.11。因此，本研究選取常住人口數(X4)、城市化水平(X5)、生態需水量(X6)、污水排放量(X7)、植被覆蓋率(X9)、人均GDP(X10)為6個主要的影響因子對重慶市2001—2015年水生態服務價值進行線性回歸分析，得到兩者的線性擬合特征。

表5 水生態系統服務價值與影響因子的Pearson相關性

注：**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關，*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關。

在自然—社會二元結構的影響下，城市化過程中水生態系統服務的影響因子較多，影響因素相對復雜，分析其影響因素對揭示水生態系統服務的演變過程具有重要意義。總體來看，重慶市水生態系統服務功能持續增強的同時，其社會經濟因子的影響力也逐漸增大，而氣候變化等自然因子的影響力則下降明顯。在快速城市化背景下，各因子對水生態系統服務價值的影響特征如圖2—4所示。

(1) 人口因子。在城市化過程中，人口激增、非農人口增加必然帶來社會經濟系統對水資源利用量、水產品需求量、生活污水排放量增加，導致了水生態系統服務的實物利用程度總體提升，從而影響水生態產品供應和水生態系統維持服務價值。從線性回歸分析的模型(圖2)上看，2001—2015年常住人口數從2 829.21萬人增加至3 016.55萬人，同時城市化水平也以年均3.55%的速率增長，促使水生態產品供應、水生態調蓄、水生態系統維持、水生態文化景觀的價值量分別增加249.13億元、483.01億元、0.91億元和0.05億元，且服務類型的線性回歸R2均值為0.77，尤其是與水生態產品供應、水生態調蓄的R2系數為0.91，0.82，表明人口的集聚和增長均對水生態產品供應、水生態調蓄具有顯著的相關性，而城市化水平與水生態系統維持的相關性顯著，其因為城市化進程直接導致城鄉建筑面積(不透水面積)擴展，改變了地表—地下水資源的交換關系，地表水直接匯入河網的速率和數量都得到了較大的提升，同時三峽工程的建設也使得水域面積和水生物數量的增加，最終導致水生態系統維持價值的提升。

(2) 經濟與環境因子。GDP增長是城市化水平提升的核心指標，也是產業集聚—擴展關鍵驅動因素。產業發展不僅伴隨著對生物、景觀資源開發程度(工業原材料、產業用水量、旅游開發)的提升，也導致產業排污量、排廢量的激增，尤其是廢水排放量。表面上促使水體環境對污染物的凈化量增加，實則導致水體自凈能力下降和生態失衡。也就是說，原始水體積納的污染物越多，水體消納污染物的能力就越有限。另外，三峽水利工程的建設雖然降低了市域徑流的整體流速，但水量的蓄積也使得重慶市水體對污染物的消納量增加，人均GDP、污水排放量與各項水生態系統價值的線性回歸系數就是重要證明(圖3)，如重慶市人均GDP從5 664元上升至52 330元的過程中，水生態產品供應價值也從233.55億元增加至482.65億元，R2系數達0.926。同時，人均GDP與水生態調蓄、水生態文化景觀價值也呈顯著線性關系，其R2系數均達0.8以上，且與水生態產品供應、水生態調蓄的正相關性更強；污水排放量則與水生態文化景觀、水生態產品供應價值的線性擬合效果較好，表明污水排放量的增加直接原因在于用水量的增長，而排放的污水經治理后又成為景觀水體的重要來源。

圖2 水生態系統服務價值與人口因子的擬合度

圖3 水生態系統服務價值與經濟、環境因子的擬合度

(3) 植被覆蓋因子。城鎮化景觀擴展直接導致建設用地面積對耕地、林地面積的占用，而大面積的退耕還林和撂荒地的出現，卻使得植被覆蓋率“不降反升”，生態需水量逐年增加(重慶市15年間植被覆蓋率從27%增長至45%，生態需水量也從0.32億m3提升至0.97億m3)。而植被覆蓋率的增加又會直接增加生物的棲息空間，區域植被固碳釋氧、生物多樣性維持能力增加，且生態景觀也促進旅游景觀資源的開發和利用。另外，由于重慶市發生干旱的概率較低，故將生態用水量代替實際生態需水量。由生態需水量、植被覆蓋率與水生態系統價值的回歸系數(圖4)可知，生態需水量與水生態產品供應、水生態調蓄的回歸系數R2達0.9以上，即生態需水量從0.26億m3上升至0.96億m3時，水生態產品供應、水生態調蓄的價值分別增長了249.1億元、483.01億元，但植被覆蓋率與各項水生態系統服務價值的相關性較小，回歸系數R2均小于0.7。表明植被覆蓋對水生態系統服務的影響率較低，關聯性不強。

圖4 水生態系統服務價值與植被覆蓋因子的擬合度

4 結論與討論

近15年來，重慶市水生態系統服務價值呈波動性增長趨勢，其總服務價值由2001年的555.99億元提升到2015年的1 340.3億元，是2001年的2.41倍，年均增長率7.09%。其中，水生態調蓄價值增長率最為明顯，價值量同期增長483.01億元，比重增加至41.06%，成為水生態系統中價值量最大的服務類型；水生態文化景觀價值變化幅度最小，且2/3年份價值量呈下降趨勢，年均增長率僅有2.36%。整體而言，水生態系統總價值主要由水生態產品供給、水資源蓄積、COD、氨氮降解3項服務構成，雖然3項價值總量的比重不斷下降，但其年均比重依然達到66.44%。

水生態系統價值量的影響因子相關性與線性回歸分析結果可知，常住人口數(X4)、城市化水平(X5)、生態需水量(X6)、污水排放量(X7)、植被覆蓋率(X9)、人均GDP(X10)為水生態系統各項服務價值的主要影響因子，其回歸模型代表城市化水生態系統價值的影響因素與過程。其中，人口因子、經濟與環境因子、植被覆蓋因子與水生態產品供給、水生態調蓄價值存在顯著正相關，其回歸模型的系數R2整體水平達0.71，但與水生態系統維持、水生態文化景觀價值呈微弱的正相關，表明水生態系統的社會經濟服務逐漸成為主導型服務，其價值比重也不斷增加。

本文根據水生態系統價值量計算的常規方法，參考Costanza、謝高地等國內外學者的價值計算系數，得到重慶市15項水生態系統服務價值的時序變化特征，并基于主要影響因子的線性回歸模擬結果，分析出城市化對水生態系統服務價值的占用過程與影響因素，其評價研究能夠對當地政府制定水資源的利用、管理措施提供參考依據。然而，對于水生態系統服務的分析仍存在以下幾點思考：

(1) 水生態系統價值計算以水生態系統服務的理論價值量還是以社會經濟活動的實際價值量為依據，仍然存在一定的爭議。如水資源供給量的理論價值為區域水資源總量的價值，其實際價值為人們用水量的市場價值，相比而言，水資源總量價值受氣候變化影響明顯，而用水量的實際價值則由社會經濟發展需水量決定。為揭示城市化過程對水生態系統服務的利用水平及其影響，本文采用市場價值法、替代工程法等方法計算對其服務的實際占用量價值，其價值量變化過程表明城市化的人類活動已成為水生態系統服務價值的主要影響因素。

(2) 水生態系統服務價值計算是以其為社會經濟發展提供的資源量為依據，其主要影響因素包括氣候變化、城市化和大型工程活動等。本文在影響因素的相關性分析和回歸分析的基礎上篩選出主要影響因子與影響程度，分析結果與重慶市社會經濟狀況基本吻合。但影響因子與服務價值的具體影響機制和過程還需要進一步細化研究，從而區分出不同影響因子對不同水生態系統服務種類的影響，為水生態系統服務的有效管控提供更加科學的理論依據。