新安江流域生態系統服務演化過程及權衡協同關系

李冬花,張曉瑤,王 詠,*,張 瀟,李 磊,陸 林

1 安徽師范大學地理與旅游學院,蕪湖 241000 2 華東師范大學城市與區域科學學院,上海 200241 3 南京師范大學地理科學學院,南京 210023

2012年,在國家財政部、環保部以及安徽、浙江“兩部兩省”的組織與推動下,全國首例跨省流域生態補償機制試點在新安江流域正式實施[1]。新安江流域不僅是長三角地區的重要生態屏障,更是全國水源涵養的重點生態功能區[2],跨省流域生態補償對區域可持續發展具有深遠意義。生態補償作為一項重要的經濟、社會、環境政策[3],對新安江流域生態系統服務的數量、質量、形成與供給機制、權衡與協同關系具有重要影響。生態系統服務是生態系統形成的用于維持人類生存和發展的自然環境條件與效應[4],包括供給、調節、支持和文化四類生態服務[5]。生態系統各項服務之間同時存在相互作用關系,表現為此消彼長的權衡關系與相互增益的協同關系[6]。Costanza率先提出并完善生態系統服務價值(Ecosystem Services Values,ESV)分類與量化評估體系[6- 7],國內學者結合我國國情對生態系統服務價值評價展開持續的探索與改進,以融合生態學、經濟學方法的大區域生態系統服務價值評價[8],及中國生態系統單位面積服務價值當量研究最為典型[9- 11],后續學者基于此對不同尺度行政單元與地理單元的生態系統服務價值展開評價分析[12- 13]。隨著生態系統服務評價研究的深入開展,其權衡協同關系也逐漸受到關注。國外學者圍繞生態系統服務權衡協同關系的空間特征[14]、影響因素[15]、人類生態行為的權衡協同效應[16]以及權衡協同關系的多尺度轉變[17]等方面展開相關研究。國內學者針對國家公園[18]、國家屏障區[19]、水源涵養區[20]等重要生態功能區生態系統服務權衡協同關系的空間格局差異、尺度依存效應及一般作用特征進行分析與總結。上述研究對指導生態系統服務價值評估與權衡協同關系分析具有重要理論與現實意義,但已有研究尺度大多為區域或自然單元的整體尺度或格網的微觀尺度,往往造成評價尺度與治理尺度的偏離,且生態系統服務相關關系的研究整體上仍處于初步發展階段[21]。目前關于新安江流域的相關研究主要集中在流域生態補償的效益評價[22]、補償模式[23]、補償效率[24]、關鍵主體關系等方面[3],進一步針對生態補償實施的生態系統服務發展與響應的研究成果還較為少見。

生態系統服務作為具有重要價值的自然生態系統功能[8],其穩定、協調發展是維系地區可持續發展的必要自然基礎[25]。新安江流域生態補償工作的系統實施取得了積極的生態與社會效益[26],是習近平新時代生態文明思想的先導性與示范性實踐。生態補償試點工作的實施對流域生態系統服務發展及相互關系影響的正確認知,對深化生態文明體制改革及流域生態系統管理具有重要意義。基于此,本文以新安江流域為研究對象,以生態補償機制試點實施為重要背景,開展流域生態系統服務價值及權衡協同關系的綜合評估與空間定量分析,以期推動生態系統服務研究在流域生態保護管理實踐中的應用,為流域生態補償、生態文明建設、區域生態安全格局構建及綠色高質量發展提供決策參考。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況與數據來源

新安江發源于安徽省黃山市休寧縣六股尖,向東流經浙江省杭州市淳安縣、建德市,最終流入錢塘江,干流全長約359 km(圖1),流域整體介于117°38′—119°21′E,29°11′—30°20′N之間,總面積達1.1萬km2,流域全區位于長江中下游平原,地形類型以平原低地為主,屬亞熱帶季風氣候區。流域內有豐樂水庫、新安江水庫兩大蓄水工程,是長江流域下游地區的重要水源涵養地。

圖1 新安江流域地理范圍與區位Fig.1 Geographical scope and location of Xin′an River Basin

研究數據主要包括土地利用數據、高程數據、統計數據、基礎地理信息數據等多源數據集。土地利用數據以1999—2019年研究區5期Landsat TM/ETM系列遙感影像(30 m×30 m)為基礎數據,借助ENVI 5.3和ArcGIS 10.3軟件平臺進行數據處理與影像解譯,依據研究區植被覆蓋特征和研究需要,采用支持向量機法(Support Vector Machine,SVM)將研究區用地劃分為林地、草地、耕地、裸地、水域及建設用地6大類,并進一步利用野外采樣數據、天地圖和Google Earth隨機選取驗證樣本進行混淆矩陣精度驗證,總體分類精度大于85%,符合精度所需要求[27]；高程數據來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)提供的GDEMV2 30 m分辨率數字高程；社會經濟發展統計數據來源于各省、市統計年鑒、統計公報及政府工作報告；行政邊界等基礎地理信息數據來自國家基礎地理信息中心1∶400萬數據庫(http://ngcc.sbsm.gov.cn/)。

1.2 生態系統服務價值評價

基于新安江流域土地利用實際,以謝高地等[10- 11]制定的生態系統服務價值當量表為測算基礎,通過查閱《安徽省統計年鑒》《浙江省統計年鑒》《中國農產品價格調查年鑒》等統計資料,測算研究期內流域耕地平均糧食單產與市場價格,進一步得出單位面積農田生態系統服務價值與各評價單元的生態系統服務總值[11],計算公式如下:

(1)

式中,ESV為研究區生態系統服務總值；Sij為研究區第i種土地利用類型第j項生態系統服務價值系數；Pij為評價單元內第i種土地利用類型的面積。

1.3 土地利用變化的生態貢獻度

土地利用變化的生態貢獻度能夠對土地利用類型轉變的生態效應進行有效區分[28],表示第i種土地利用類型向第j種土地利用類型轉變引起的生態系統服務價值的變化率[12]。計算公式如下:

(2)

式中,ELi-j為土地利用轉變對生態系統服務價值的貢獻度,ELi-j>0時,表明第i種土地利用類型向第j種土地利用類型的轉變改善了局部生態環境,反之,則引起局部生態環境的惡化；VSi、VSj為i、j類土地利用類型的生態系統服務價值系數；LUCi-j為第i種土地利用類型向第j種土地利用類型轉化的面積。

1.4 生態系統服務變化指數

生態系統服務變化指數(Ecological Services Change Index,ESCI)能夠對生態系統服務的減損或增益進行表征[29]。ESCI值為0時表示生態系統服務價值未發生變化,沒有增益或減損；當為正值時表示有增益；當為負值時表示有減損。計算公式如下:

(3)

式中,ESCIx為單項生態系統服務價值變化指數；ESCURx為最后狀態下的生態系統服務；ESHISx為初始狀態下的生態系統服務。

1.5 權衡與協同關系評價

相關分析法通常用于研究兩個變量之間相關關系及相關程度[30],若數值為正,則表明兩類生態系統服務之間具有協同關系,反之則為權衡關系。雙變量空間自相關分析是研究不同要素空間分布的有效方法[31],能夠實現多個變量之間空間相關性的分析與表達。計算公式如下:

(4)

式中,Rpq為相關系數；pi、qi為p、q的第i類生態系統服務價值；p、q為p、q的平均值。

(5)

(6)

(7)

分別為空間單元z、y的屬性v、w的值；Xv、Xw分別為屬性v、w的平均值；σv、σw分別為屬性v、w的方差。

2 新安江流域生態系統服務價值時空分布特征

2.1 生態系統服務的時間變化特征

根據公式(1)對新安江流域1999—2019年生態系統服務價值變化狀況進行測度(圖2)。新安江流域生態系統服務價值整體呈波動下降態勢,2014—2019年有所回升,改善趨勢漸顯。1999—2004年,流域整體生態系統服務價值有所改善,浙江段增長率達3.09%,為研究期間最大幅度增長。2004—2009年,安徽、浙江兩省生態系統服務價值均有所降低,生態系統服務總值降低6.69億元,降低率為2.12%,浙江省降低較為顯著。2014—2019年,安徽省生態系統服務價值有所回升,浙江省降低速率也有所放緩。單項生態系統服務價值上(表1),水文調節服務價值最高,并與氣候調節、維持生物多樣性、土壤保持等服務構成流域生態系統服務價值的主體部分,食物生產功能在所有服務功能中價值最低,占比最小；水文調節、水資源供給服務價值回升趨勢明顯,氣候調節、保持土壤、維持生物多樣性等單項生態系統服務價值波動下降特征較為明顯。

圖2 1999—2019年新安江流域各類土地生態系統服務價值變化/億元Fig.2 Changes in the value of different types of land ecosystem services in the Xin′an River Basin from 1999 to 2019/100 million yuan

表1 1999—2019年新安江流域單項生態系統服務價值變化/億元

從新安江流域各類用地提供的生態系統服務價值來看(圖2),林地所提供的生態系統服務價值占比最高(71.08%),其次為水域(26.25%)和草地(1.63%)。研究期內,草地、耕地、裸地3類用地提供的生態服務價值占比呈波動上升態勢,林地、水域2類用地的生態系統服務價值占比呈波動下降特征,其中草地、林地的生態服務占比波動幅度較大,其他3類用地波動變化則較為平穩。土地利用變化作為人類最基本的實踐活動以及人類活動與自然環境最直接的作用表現形式[32-33],能夠直接驅動生態系統的質量、過程、結構及功能發生變化,而生態系統服務價值則是對這種變化過程與作用結果的客觀表征[34],兩者之間存在著高度關聯性[35]。為進一步揭示新安江流域土地利用變化的生態效應,根據公式(2)對研究期間流域內土地利用類型轉變的生態系統服務價值貢獻率進行測度(表2)。

從新安江流域土地利用類型轉化的生態效應上看,1999—2014年間新安江流域生態系統服務的改善主要依托“耕地-林地”以及“林地-水域”兩種形式的轉化,兩種轉化形式的生態貢獻度累計均超過60%,并呈遞增趨勢發展；2014—2019年新安江流域生態系統服務的改善轉變為以“耕地-林地”以及“耕地-水域”兩種轉化形式為依托,耕地向水域轉化的生態貢獻有所強化,說明生態補償試點工作實施以來,河流、湖泊等土地利用類型在流域生態保護中的生態效應與生態地位不斷提升。同時,退耕還林、長江中下游防護林等重大生態工程的實施對流域生態系統服務改善也產生了持續性重大影響,林地的轉入與轉出是關系到流域生態系統服務改善與惡化的關鍵一環。研究期間,林地向耕地的轉化是流域生態系統服務惡化的主要原因,1999—2004、2009—2019年間,“林地-耕地”轉化的惡化貢獻率占比最大,介于34%—44%之間,并有增強趨勢；河流湖泊向林地的轉化是研究期內流域生態系統服務惡化的又一重要原因,在2004—2009年間表現最為明顯,但伴隨水域生態保護力度的加強,此類型轉化的惡化貢獻度逐漸降低。

表2 1999—2019年新安江流域土地利用轉變對生態系統服務價值的貢獻度

2.2 生態系統服務的空間集聚特征

基于生態系統服務價值對土地利用變化的尺度響應特征[36-37],結合研究區實際及決策發展需要,選取鄉鎮尺度作為基本評價單元,探索新安江流域生態系統服務價值及生態系統服務變化指數在空間上的局部表現。流域地均生態系統服務價值整體空間分布狀況較為穩定(圖3),但存在明顯的高值集聚與低值集聚區,空間異質性較強。高值區集中分布在下游浙江省淳安縣境內,其余高值區呈現出沿流域境內六股尖山脈、天目—白際山脈、黃山山脈為主線的分布與擴散特征。海拔高值區,人類活動強度與干擾程度相對較弱,土地利用結構及植被結構趨于穩定,得以持續保有高生態價值及強生態功能。低值區隨時間演化的空間分布變化較大,沿谷地、盆地等低地分布的特征明顯,主要在安徽省徽州區、休寧縣、歙縣等區縣城區呈片狀分布。海拔低值區相對密集的城鎮結構及道路結構也加劇了人類活動對生態系統的干擾,生態系統服務恢復反復性的空間特征也較為明顯。生態系統服務變化指數結果顯示(圖3),市、縣級行政中心駐地、經濟開發區及工業園區的生態系統服務價值減損較大,以黃山市屯溪區、歙縣經濟技術開發區、績溪縣生態工業園等地較具代表性。生態系統服務價值增益較為明顯的地區主要有安徽省境內休寧縣渭橋鄉、萬安鎮、歙縣許村鎮、績溪縣瀛洲鎮、黟縣宏村鎮等鄉鎮單元。

圖3 1999—2019年新安江流域生態系統服務價值及生態系統服務變化指數空間分布Fig.3 The spatial distribution of ecosystem service value and Ecological Services Change Index (ESCI) in the Xin′an River Basin from 1999 to 2019

從生態系統服務價值的空間相關關系來看(表3),新安江流域生態系統服務總值及各項生態服務子系統的全局Moran′sI值均大于0,P值均小于0.001,表明其空間分布均具有較強的正向相關性,且生態系統服務總值及供給、調節服務的Moran′sI值均呈波動上升態勢,支持、文化服務的Moran′sI值持續增長,空間自相關性均逐漸增強。基于研究期間流域地均生態系統服務價值空間分布較為穩定的研究實際,選取2019年鎮域地均生態系統服務價值作為分析變量,進一步展開流域生態系統服務的局部自相關分析(圖4)。局部自相關Moran′sI指數將要素單元的空間分布劃分為H-H(高高集聚)、L-L(低低集聚)、H-L(高低集聚)、L-H(低高集聚)四種集聚類型,新安江流域生態系統服務價值局部空間自相關的顯著區域包括H-H、L-L、H-L三種類型。H-H型集聚在空間中表現為正向輻射效應,表示相鄰地理單元生態系統服務價值高值空間關聯性較強,水域對生態系統服務價值的高貢獻率使新安江流域形成以千島湖為核心并向外輻射的片狀高值集聚區,包括千島湖鎮、石林鎮等鄉鎮單元；L-L型集聚在空間關聯中表現為負向輻射效應,表示相鄰地理單元生態系統服務價值低值空間關聯性較強,在黃山市、休寧縣、績溪縣等市、縣城區形成明顯集聚,密集的人類活動對自然資源的依賴驅使林地、草地等覆被向耕地及建設用地大面積轉化,且城鎮中心地區生態問題復雜,生態系統恢復面臨著長期性和復雜性,低值區在這些地區形成明顯集聚。H-L型集聚在空間上表現為極化效應,表示生態系統服務價值高值與低值空間關聯性較大的區域,流域內此類集聚單元較少,以點狀鄰近分布在黃山市屯溪區L-L集聚類型單元周圍。

表3 新安江流域生態系統服務Moran′s I估計值

圖4 新安江流域地均生態系統服務價值局部自相關分析 Fig.4 Local autocorrelation analysis of the value of ecosystem services in the Xin′an River Basin

總的來說,新安江沿江兩側、千島湖及環湖區域既是新安江流域生態系統服務的重點恢復區域,也是流域生態系統服務的重點保護區域。除水域外,新安江流域生態系統服務價值及其變化指數的空間分布與境內海拔高程之間存在較強關聯,空間異質性較強；高值集聚與低值集聚區明顯,空間相關性較強。高值區隨時間變化有所減少,中值區逐漸擴展,低值區先增后減。

3 新安江流域生態系統服務的權衡協同關系

3.1 生態系統服務的相關關系

生態系統服務關系的正確認知是區域生態系統服務可持續發展的決策基礎[38]。以鄉鎮為基本評價單元,基于SPSS軟件進行雙變量相關性分析,得到新安江流域各項生態系統服務之間的相關性(表4)。相關性結果為正值,表明兩種生態系統服務具有協同關系,反之則為權衡關系[39]。結果顯示,新安江流域10種生態系統服務形成的100組相關關系中,負相關關系為20組,正相關關系為80組,其中有64組在0.01水平上呈顯著正相關。因此,協同關系是研究期間新安江流域生態系統服務相關關系的主體。協同關系主要存在于調節、支持、文化服務子系統之間,其中,支持服務、文化服務與其他類型服務之間的相關關系均為正相關,調節服務子系統中的水文調節服務與原材料生產、氣體調節之間存在負相關關系,其余均為正相關關系。新安江流域存在的權衡關系中,80%與供給服務有關,供給服務提供的有形商品與人類福祉之間的高關聯度加劇了供給服務與其他類型服務之間的矛盾。調節服務中,氣體調節、氣候調節與凈化環境之間均為協同關系,其中,氣候調節與氣體調節之間的正相關關系較強,氣體調節與水文調節之間存在較弱的權衡關系。支持服務與文化服務子系統中的保持土壤、維持生物多樣性、提供美學景觀之間均存在較高程度的協同關系。

為進一步探索生態補償對生態系統服務相關關系的影響,基于對研究期時間尺度內生態響應的時間滯后性考慮,以新安江流域第一輪生態補償試點工作結束時間為間隔點,對流域1999—2014年、2014—2019年兩個時間段生態系統服務相關關系進行測算(圖5、6)。結果顯示,生態補償實施后流域部分生態系統服務間相關關系發生明顯轉化。首先,水文調節服務與其他類型服務之間的權衡關系有所增強,協同關系弱化。水文調節服務功能主要受水域影響[40]。1999—2014年新安江流域水文調節服務變化值為-2.84億元,2014—2019年水文調節服務價值恢復明顯,變化值為0.82億元。生態補償試點工作實施后,流域內以水文調節為代表的調節服務價值增速明顯高于其他生態服務類型,水文調節服務發展方向的轉變使其與其他類型服務之間的相關關系發生變化。其次,供給服務內部以及供給服務與其他服務類型之間的權衡作用有所強化。生態系統服務的權衡產生于人類對特定生態系統服務的消費極大化[38],社會經濟與人類福祉的持續發展依賴于供給服務的不斷開發,致使流域內供給服務與其他類型服務之間權衡關系逐漸強化。整體而言,生態補償試點工作實施以來水環境保護、水污染治理及流域綜合治理等工作的開展,使水域這一土地利用類型在新安江流域生態系統功能改善中發揮越來越重要的作用,但其他類型生態服務功能有待跟進,流域生態系統服務間的協同關系有待進一步發展強化。

表4 1999—2019年新安江流域生態系統服務相關關系

圖5 1999—2014年新安江流域生態系統服務相關關系Fig.5 The relationship between ecosystem services in the Xin′an River Basin from 1999 to 2014

圖6 2014—2019年新安江流域生態系統服務相關關系Fig.6 The relationship between ecosystem services in the Xin′an River Basin from2014 to 2019

3.2 權衡協同關系的空間表達

圖7 新安江流域四類生態系統服務子系統間局部自相關分布圖Fig.7 The local indicators of spatial association cluster map of ecosystem service subsystems in the Xin′an River Basin

為進一步探索鎮域尺度上生態服務權衡協同關系的空間分布,將新安江流域2019年生態系統服務價值導入鄉鎮行政單元矢量圖層中,利用Geoda工具對新安江流域生態系統服務進行雙變量局部空間自相關分析(圖7)。雙變量空間自相關分析中,高高集聚、低低集聚表示協同關系,高低集聚、低高集聚表示權衡關系[13]。結果顯示,協同關系的空間分布存在較高一致性,高高集聚區大部分分布在流域下游浙江省淳安縣境內,低低集聚區圍繞流域地均生態系統服務價值低值中心區分布,主要在黃山市屯溪區、徽州區、歙縣及休寧縣城區分布；權衡關系以高低權衡關系為主,主要在休寧縣海陽鎮、商山鎮以及歙縣溪頭鎮、桂林鎮等鄉鎮單元分布,沿低低集聚區外圍分布的特征明顯。從不同生態系統服務間的作用關系來看,供給服務—調節服務低低集聚協同關系較為顯著,以生態系統服務價值低值集聚區為中心向南北兩端擴散的空間特征明顯；供給服務—支持服務、供給服務—文化服務權衡協同關系的空間分布較為一致。調節服務—支持服務、調節服務—文化服務間協同關系的空間分布較為一致,權衡關系存在差別,在低低集聚區北部歙縣桂林鎮形成調節服務—文化服務的高低集聚權衡關系。文化服務—支持服務的高低集聚權衡關系空間單元數量最多,沿低低集聚區外圍緊密圍繞分布。

4 討論與結論

4.1 討論

目前關于實施重大生態實踐區域的生態系統服務價值評估及相互關系量化的已有研究較為少見。因此,本文以新安江跨省流域生態補償機制試點這一重大改革為研究背景,以第一輪生態補償試點工作實施結束為關鍵時間節點,基于土地利用變化生態貢獻度、生態系統服務變化指數、雙變量空間自相關等方法模型,直觀定量地對新安江流域生態系統服務演化過程及權衡協同關系進行系統分析。伴隨生態補償機制試點的實施,水域這一土地利用類型在新安江流域生態系統服務發展中的貢獻效應有所增強,主要是得益于流域產業結構調整、流域綜合治理、水環境保護和水污染治理等系列工作的開展[24],河流、湖泊的保護力度日益強化,水域覆被轉出面積逐漸縮減,趨于穩定。同時,生態系統服務變化指數結果顯示生態系統服務價值增益明顯的區域多集中在流域上游安徽省境內,流域上游以水生態環境保護為著力點的生態保護工作在空間上也得到了積極響應[41]。水生態環境的改善進一步推動流域內水文調節服務的正向演進,生態系統服務價值快速上升,致使生態補償試點工作實施后水文調節服務與其他生態系統服務之間的相關關系發生明顯轉化。

本文的研究結果表明,新安江流域生態系統服務價值整體仍有較大回升空間,安徽、浙江兩省應繼續貫徹對水域、林地等關鍵土地利用類型的保護工作。雖然生態補償機制試點工作取得了階段性成效[42],但流域這一大范圍自然地理單元的生態保護工作仍然面臨著長期性和復雜性[43],政府及相關機構應合力健全流域自然資產產權制度、生態補償標準體系,強化基礎制度體系建設。空間分析結果上,生態系統服務價值的低值集聚區與減損顯著區在安徽省徽州區、休寧縣、歙縣等區縣城區重合分布明顯,地方亟需綜合城市建設、水土保持、糧食安全、經濟發展等多目標優化與土地利用之間的關系,科學劃定經濟產業布局的生態紅線區與可開發利用區,從區域經濟生態化水平、能源資源綜合利用效率、農業科技投入與機械化水平等方面出發探索流域綜合治理開發新模式。權衡協同關系上,流域食物生產用地、水環境保護用地與其他用地之間的競爭關系明顯,糧食生產與生態保護之間的矛盾突出。同時,生態補償試點工作的實施推動了水文調節服務的快速發展,但應進一步以水生態環境的改善為抓手,通過科學合理的生態規劃,劃定“耕地紅線”及“生態紅線”,促進流域生態系統服務的全面發展,減少生態系統服務間的權衡。新安江沿江兩側、上游安徽省境內流域邊界海拔高值區、下游浙江省千島湖及周邊等生態系統服務的重點保護及恢復區域,應是新安江流域生態紅線邊界劃定重點考慮的主體。在流域生態系統負荷較高,尤其是人類活動較為密集的城鎮地區,應嚴控禁止建設區邊界及耕地紅線,在牢固建立糧食安全系統的基礎上推動流域綠色、智慧、高質量發展。

4.2 結論

(1)從演化過程來看,新安江流域生態系統服務價值整體呈波動下降特征,生態補償實施后有所回升；以河流、湖泊為代表的土地覆被類型在流域生態系統保護和恢復中的生態效應得到明顯強化；水文調節服務功能價值最高,林地是新安江流域生態系統服務發展中的關鍵土地利用類型。

(2)從分布特征來看,新安江流域生態系統服務價值空間差異較大,異質性較強,且存在明顯的高值集聚與低值集聚區,相關性較強；生態系統服務高值區集中分布在浙江省千島湖及周圍區域,低值區在黃山市屯溪區、徽州區、歙縣等市、縣城區形成明顯集聚；生態補償試點工作實施后,流域上游安徽段生態系統服務價值增益較為明顯。

(3)從權衡協同關系來看,協同關系是新安江流域生態系統服務間相關關系的主體,主要存在于調節、支持、文化服務子系統之間；生態補償試點工作實施后,水文調節服務與其他類型生態服務之間的作用關系發生明顯轉化；鎮域尺度上,不同生態系統服務間的協同關系分布較為一致,權衡關系以高低集聚為主,在文化服務—支持服務之間表現最為明顯。