流域生態系統服務和水土資源匹配研究進展

孫寶娣,于德湖,崔東旭,*

1 青島理工大學,青島 266033

2 山東建筑大學,濟南 250101

流域是典型的山水林田湖草有機生命體。作為統籌城鄉發展的紐帶,流域在構建國土空間開發保護新格局、防洪安全屏障、生態景觀廊道等方面發揮重要作用。如何有效提升流域生態系統服務,精準識別流域“山水林田湖草生命共同體”內在機理和規律[1],開展系統保護與修復是當前我國流域生態保護工作中亟待解決的問題。流域生態系統服務與水土資源存在響應關系(圖1),即水資源與土地資源作為驅動因素影響生態系統服務變化,而生態系統服務的價值動態變化和趨勢預測,會促進專家學者和流域管理者對水土資源格局做出新調整。生態系統服務是指基于受益人考慮,生態系統為人類以及各種生物提供賴以生存的環境條件和自然效益,即人類本身以及產生的活動能夠從生態系統中獲得的利益[2],水資源和土地資源作為復合生態系統中自然系統的一部分,也會受到社會系統與經濟系統的影響,是流域重要的生產和生活要素,也是人類賴以生存和發展的物質基礎。水土資源合理分配及匹配是指對水資源和土地資源進行時間、空間上的安排、設計、組合和布局,以提高水土資源利用效益,實現水土資源的可持續利用[3—4]。

圖1 流域生態系統服務與水土資源的響應關系圖示Fig.1 The map of response relationship between ecosystem services and water-land resources for the River Basin

其中,流域生態系統服務精確評估,可識別流域空間生態資源分布;水土資源匹配狀態的確定對流域經濟、政治、社會及生態環境的可持續發展具有深遠影響[5],即會驅動生態系統服務變化。深入開展流域生態系統服務與水土資源的耦合協調研究,是促進流域生態環境可持續發展的重要基礎。

針對流域生態系統服務與水土資源已開展的研究,可歸納為三部分:①流域生態系統服務評估,采用生態系統服務分類體系和相應生態系統服務評估方法,如Costanza價值系數法[6]、Glass提出的Meta分析法[7—8]、小波變換模型的探索與引入[9—10],進行大尺度生態系統服務評估。②流域水資源或土地資源與生態系統服務關聯性研究[11],包括流域水資源與生態系統服務的關聯研究[12]、流域土地資源與生態系統服務的關聯研究[13]。③面向生態系統服務的水土資源匹配研究[14],包括水資源配置、土地資源配置以及水土資源配置[15],進而提升流域生態系統服務能力。

然而,仍有兩個方面研究有待進一步探討:一是流域尺度的生態系統服務評估方法選取和精確性驗證,例如,較少從適用范圍、對象屬性以及結果精確性等方面對評估方法進行比較,導致難以精準識別生態空間資源分布,進而難以診斷生態敏感脆弱區及其成因。二是流域生態系統服務與水土資源耦合協調研究的深度和廣度問題。深度即指構建科學量化的耦合協調模型,對生態系統服務與水土資源的內在關聯性和響應機理進行的深入研究,廣度即指研究的時空范圍,應將流域生態系統與水土資源匹配進行耦合協調,從而對生態系統服務水平提升、實現“生態經濟并重”目標導向的流域空間格局優化起到調控作用。

基于此,本文從流域生態系統服務評估、水土資源匹配模型算法、生態系統服務與水土資源耦合協調三個層面開展評述,著重分析了評估方法的精確性、水土資源匹配算法優化及其與生態系統服務的關聯性等,指出了基于耦合協調理論的流域生態系統服務與水土資源利用響應機理研究的必要性,以期為后續開展流域國土空間開發保護新格局研究提供理論指導及決策支持。

1 生態系統服務評估的精確性研究

流域作為區域重要生態屏障,科學評估和精確量化其生態系統服務水平,識別流域生態系統質量、確定生態修復區域、構建生態安全格局,可以為構建可持續的山水林田湖草生命共同體提供可靠的建設方案。近年來,國內外學者多采用聯合國“千年生態系統評估”的生態系統服務指標[16—17],從供給、調節、支持和文化4方面對渭河流域[18]、鄱陽湖流域[19]、洞庭湖流域[1]、閩江流域[20]、延河流域[21]、Jamuna River[22]、Gulf of Kalloni[23]、Ourika watershed[17]、Pearl River[24]等流域尺度的生態系統服務水平進行了評估。而在評估方法上引介了Costanza價值系數法、Meta分析法和小波變換模型等。

其中,Costanza價值系數法,也稱數值直接外推法[25],來源于國外學者Costanza在1997年[6]和2008年[26]發表的關于全球尺度生態資產評估的理論體系和評估方法。由于其研究案例均來自于歐美發達國家,因此該方法的研究結論與發達國家的經濟發展水平相適宜,對于發展中國家會產生生態系統服務評估價值偏高的現象。Glass提出的Meta分析法[8,27],通過調整函數來換算單位土地面積的生態系統服務價值,具有可重復操作、有效節約成本、評估程序簡潔等優點。但該方法存在尺度轉換中忽視空間異質性和缺乏空間非線性信息分析等問題,同時,限于時間和精力,國內研究大部分以小尺度案例作為數據基礎,出現樣本數量小、解釋變量少、剔除不顯著的變量和回歸預測范圍縮小等四種傾向,研究結論具有不確定性。

小波變換模型是多分辨率分析方法,具有良好的局部檢測功能,適合表征數據變換的瞬態和奇異點特征,且保持頻率特性品質因數恒定,常用于噪聲祛除、多尺度趨勢分析等地學和生態學過程。近年來,小波變換方法在生態水文參數的影響[28]、濕地河岸線后退[23]、沿海極端氣溫變化[29]、湖泊富營養化[30]、黃河流域徑流變化與預測[31]、鄱陽湖流域氣候變化模式[32]等研究中,體現了不同時空尺度下的變化程度、變化幅度、突變點以及周期等特點。

以李小梅[33]和Sun等[9]在生態系統評估中的研究為例,小波變換的研究思路是將大尺度數據原始信號(即流域)作為整體函數,亦即原始待分析函數,在對該函數進行近似分解(劃分流域不同時空尺度的范圍)基礎上開展生態系統服務評估,進而通過疊加時空序列信號進行尺度上推和尺度重構,最終推演出流域尺度上生態系統服務的變換規律。Harr、Daubechies(DB)、Morlet、墨西哥帽等小波函數都有廣泛的運用[31,34—35],并依據研究因子的取值的尺度將小波變換劃分為離散變換和連續變換兩類,例如Sun等[9]以空間連續采樣方式對遼寧省域尺度的濱海濕地生態系統服務進行了評估,所以選取方法為連續小波變換模型。然而,我國流域干流、支流和水庫等分布較為離散,空間異質性強,小波變換模型要達到更為精準的效果尚需考慮生態資源離散分布、空間異質性強的特征,并驗證該方法可行性。

將小波變換研究思路和方法引入流域生態系統服務的量化分析和評估領域,具有較強的可行性。相比已有研究方法,小波變換模型方法的優勢在于可將研究過程分解為三個步驟:①尺度分解,將流域生態地理空間局部化分解后,進行小尺度范圍的生態系統服務評估,得出精確性的結果;②尺度擴展,將分解后的局部化生態地理空間進行尺度延伸,篩選適合小波函數識別適宜尺度的非線性空間;③尺度重構,即尺度上推,通過對“尺度分解”和“尺度擴展”的結果進行空間聚類和效果檢驗,對評價尺度進行層層上推,最終形成流域全尺度的生態系統服務核算和評估結論。小波變換分析的核心是“尺度分解-尺度擴展-尺度重構”的過程(圖2),而在流域小尺度時空范圍的研究中,科學篩選甄別小波函數權重和價值評估是構建離散型小波變換模型的重要技術環節。

圖2 小波變換模型對流域空間尺度分解擴展重構過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of expansion and reconstruction process of spatial scale decomposition by wavelet transform modelling for the River Basin

鑒于流域干流、支流、水庫等生態資源的空間特征既相互聯系又離散分布,在后續研究中應積極加強離散型小波函數對生態系統服務評估精確性,通過不同地理單元數據的空間上推和檢驗,形成生態系統服務評估全流域尺度重構研究的理論框架,為科學識別生態空間資源分布進而診斷生態敏感脆弱區和開展生態保護修復提供技術支撐。

2 流域水土資源匹配狀態研究

作為生產和生活要素,“水資源、土地資源”是人類賴以生存和發展的物質基礎[36—37],其天然價值不言而喻。流域水土資源利用變化是生態系統服務變化的重要驅動力[38],一些人類活動的結果,如水資源變化、用水結構、土地利用方式改變,都會引起生態系統服務結構和功能的變化。

水資源是指地下水、地表水和降雨等可資利用的水源,流域水資源則主要指河流的干流、支流可被利用的地表徑流量和地下水,其合理配置包括在生態、生活與經濟等方面的合理分配和使用。面對社會經濟發展帶來的用水需求增長和水資源匱乏、水生態環境下降之間的矛盾,越來越多的學者致力于研究水資源分配與生態環境的沖突與關聯程度,包括量化地表水與地下水,通過評估水文整體狀況分析水資源系統與生態環境系統的關系[39];模擬地下水實時狀態,并對水位進行控制,同時防止土地鹽堿化[40];通過響應曲面動態坐標搜索、灰色系統、不確定性分析等模型方法和虛擬水戰略,結合生態用水規模和質量,進行水資源優化配置[41—42];通過估算預留生態(含輸沙)水量、下游南水北調及海水利用可替代黃河供水量及上中游部分產業發展需水,研究向黃河上中游分配更多水量指標的水資源戰略配置方案,并提出完善水權轉讓與補償制度、探索用水指標與土地指標調控的聯動機制[43—44]。

土地資源主要通過土地利用面積變化、土地利用方式和土地利用空間格局3種方式,改變生物多樣性、生態系統過程和變生境3種途徑影響生態系統服務[45—46]。所以,土地資源的重大變化通常會導致生態系統服務供應產生重大變化,其中,森林面積和生產力增加、農業集約化和生物能源生產的“剩余土地”,對生態系統服務變化是積極的或者說能夠為生態系統服務能力提升提供機會;但若土壤肥力、水資源供應等生態系統供應減少,就會增加生態系統脆弱性,特別是在沿海和山區地帶[47]。近年來,越來越多的學者借助空間分析技術結合生態系統服務價值系數評估方法[3,9,48],分析生態系統服務價值時空變化,以約束函數和轉化規則為條件,優化土地數量結構和空間格局配置,改善和提高城鄉生態系統服務價值。

目前,單一優化(面向生態環境功能的水資源格局優化或土地資源格局優化)居多,總體優化(水土資源總體優化配置)較少。而流域水資源和土地資源相互影響和滲透、且相互制約,水資源利用合理與否,直接影響土地資源的生產效率;而土地資源的利用程度同樣也制約著水資源的利用。因此需要探索水、土資源配置同時達到優化的研究方法,以實現真正意義上的水土資源優化配置。

現有的區域水土資源匹配格局研究方法,多采用基尼系數法或農業水土資源匹配系數測算模型表征水土資源時空匹配程度,包括對中亞各國[49]、黃河三角洲[50]、撓力河流域[51]、山東省各地級市[52]、the Gharehsoo River Basin[53]、the Oder River Basin[54]的水土資源匹配狀況進行測算。上述兩種方法通過農業用水資源量和耕地面積的量比關系進行水土資源匹配系數的測算,并未納入生態水土資源匹配。而近年來引入的信息熵理論則可以同時考慮農業和生態的用水用地[55]。具體納入生態環境用水和生態用地的水土資源空間匹配格局測算示意圖見圖3。信息熵的概念最早由美國數學家Shannon[56]提出并使用,隨后在生態學[57]、景觀設計學[58]、土地資源科學[59]等多領域廣泛應用。“熵”源于熱力學概念,在信息論中主要用于度量信息的無序度并表征系統的演變特征,即衡量系統的信息量、穩定程度和不確定性。如將信息熵理論(納入生態的用水用地)結合神經網絡模型、粒子群優化算法、多目標線性規劃模型等方法(多目標優化算法),將“生態系統服務效益最大”作為結果目標函數、“土地利用經濟-生態效益最大、缺水總量最小”作為過程目標函數,通過調整耕地、生態用地、農業用水和生態環境用水的分配比例,迭代產生一組非劣解即Pareto最優解集[60—61],各解之間均不存在支配關系,相互獨立,為決策管理者對流域水土資源優化提供方法支撐。

圖3 考慮生態環境用水和生態用地的水土資源優化配置圖Fig.3 Optimal allocation of water -land resources considering ecological water-land

其中,結果目標函數中的“生態系統服務效益”是指納入流域經濟、生態和社會等要素所產生的綜合生態系統服務并進行量化表征。過程目標函數中的“土地利用的經濟-生態效益”是指以土地利用結構與生態系統服務響應機制為基礎,結合國土空間“三區三線”約束條件,表征土地利用過程中產生的經濟效益和生態效益,為土地資源空間格局優化調控提供理論支撐。土地利用的經濟效益是指目標年GDP總量來表征各項用地的單位經濟產出;土地利用的生態效益是指土地利用過程對整個區域內生態系統平衡所造成的影響,進而對人類的生活和生產環境產生的影響效應,以量化包括植被覆蓋率、土壤肥力保持等在內的生態價值來表征各項用地的單位生態效益產出。此外,土地利用的社會效益是指在人口總量的約束下,涉及的經濟發展、人民生活水平、社會文化以及社會保障等,但鑒于社會因素存在難以具體量化的客觀事實,最終以“土地利用的經濟效益最大、生態效益最大”為目標函數。

綜合生態系統服務評估和流域水土資源空間格局優化配置研究,可看出目前的研究多集中在1個子系統(生態系統或水資源系統或土地資源系統)和2個子系統之間(水資源和土地資源系統、水資源和生態系統、土地資源和生態系統),相關研究總結見表1,缺少將流域生態系統服務與水資源、土地資源3個子系統同時進行研究。

表1 流域生態系統服務與水土資源匹配研究總結Table1 Summaries of research on optimal allocation of water-land resources for ecosystem

3 流域生態系統服務與水土資源系統耦合協調研究

系統耦合協調理論,集“系統”、“耦合”與“協調”于一體。“系統”即流域整體概念,研究流域的系統、要素和環境三者相互關系及其動態規律,強調整體和局部、局部和局部、系統本身和外部環境的依存和制約的影響關系。“耦合”源于物理學概念,主要是指通過流域子系統間的良性互動,實現動態關聯。“協調”是以實現系統總體演進為目標,流域兩個或多個動態關聯的系統之間相互協作、互為促進的一種良性循環態勢及其控制過程。“系統耦合協調”研究流域內部序參量之間的協同作用,體現系統由無序向有序的變化特征。

自20世紀80年代,中國工程院院士任繼周將“系統耦合”引入到農業科學研究中[62—63],逐漸被廣泛應用于經濟社會及環境研究領域,包括“環境-經濟”二維耦合視角[64]、“環境-經濟-社會”復合系統耦合視角等[65—66]。系統耦合協調研究是區域或流域資源、經濟與生態環境協調可持續發展的熱點問題和趨勢性問題,目前在流域資源利用(包括水資源、土地資源等)與其生態環境耦合協調研究領域,如何對流域有限的水土地資源與生態系統服務進行耦合協調,探明流域生態環境與水土資源的系統耦合協調機理,進而提出以“生態系統服務效益發揮最大化、土地利用經濟-生態效益最大化和區域缺水總量最小化”多目標為導向的流域水土資源空間格局優化調控路徑是當前存在的難題,同時也可為構建流域水土資源空間開發保護新格局提供新視角。

納入生態環境用水和生態用地進行水土資源空間格局優化,可作為聯系水土資源與生態環境的橋梁,尋求“生態系統服務效益最大化、土地利用經濟效益-生態效益最大化、區域缺水總量最小化”生態經濟并重的流域水土資源空間格局最優配置方案。目前,國內外學者大多分別從水資源或土地資源與生態環境的耦合關系進行研究。如Rost等[39]、高奇等[41]、李晨洋等[42]等研究水資源與生態系統耦合關聯的關系。Schr?ter等[47]、歐陽志云等[1]、Barros等[67]、Bussi等[68]、李勝鵬等[69]等研究土地資源與生態系統的耦合關聯關系。缺少基于“系統耦合協調”理論將流域生態系統服務與水土資源空間分布格局相關聯的深入研究,造成現有流域“生態系統服務效益最大、土地利用經濟-生態效益最大、缺水總量最小”多目標優化調控效果不明顯。

此外,現有的耦合關系研究僅是一種簡單相關性研究,如Rost等[39]通過量化地表水與地下水,評估水資源對農業以及非農業陸地生態系統的影響;Polasky等[70]研究水體質量下降對生態系統服務價值的影響;王潔等[71]通過模擬重要生態廊道的結構,研究廊道土地利用格局與生態系統服務價值的耦合關系。喬斌等[72]基于3km×3km網格單元,對青海瑪多縣土地利用與生態系統服務價值進行空間自相關分析;李勝鵬等[69]基于土地利用情景,對福建省2000—2026年的生態經濟系統協調度進行時空演變模擬。仍缺乏運用精確量化表達的系統耦合協調度模型對流域生態系統服務與水土資源進行研究。今后研究可通過格蘭杰因果檢驗法[73—75]、灰色系統原理[76—77]和目標函數[78—79]等方法和原理,對生態系統服務與水土資源的關聯性和響應機理進行研究。具體研究步驟示意圖見圖4。

圖4 流域“生態系統服務-水資源-土地資源”多系統耦合協調及優化調控示意圖Fig.4 Schematic diagram of multi-system coupling coordination and optimization regulation of "ecosystem services,water resources,land resources" in the River Basin

4 結論與展望

4.1 結論

精確診斷生態空間資源分布進而識別生態敏感脆弱問題的成因,優化調控流域“生態系統服務、水資源、土地資源”多目標耦合效果,對開展流域系統保護修復和有效提升流域生態系統服務具有深遠意義。本文系統梳理了流域生態系統服務評估及水土資源匹配研究,主要結論如下:

(1)構建精準復雜的離散型尺度轉換模型,是目前科學識別診斷流域尺度生態敏感脆弱區的技術瓶頸。需探索基于“尺度分解—尺度擴展—尺度重構”研究思路,加強離散型小波變換模型對生態系統服務精確性評估和可行性驗證。

(2)流域水土資源時空格局配置優化研究,需納入生態環境用水和生態用地,并采用信息熵理論結合神經網絡和多目標函數等方法進行。

(3)需基于系統耦合協調理論,開展流域“生態系統服務-水資源-土地資源”多系統耦合協調及優化調控研究,實現“生態經濟并重”的流域空間格局構建。

4.2 展望

基于現有研究和亟待解決的問題,流域生態系統服務與水土資源匹配研究可從以下3方面進一步發展:

(1)“尺度分解—尺度擴展—尺度重構”是流域生態系統服務量化核算和評估的基礎,其中“尺度分解”是重點。如何進行尺度分解應充分考慮自然要素、功能要素、社會要素在空間上的反映,也應加強全流域視角下水土資源利用的生態效應研究,針對不同效應將流域上中下游分散研究[80],通過綜合集成和系統化識別流域生態保護戰略點(夾點和障礙點),提高流域水土資源利用變化整體生態效應的集成研究水平。

(2)服務流域高質量發展,突出提升生態系統服務質量和水土資源優化配置的同時,加強與社會、經濟、文化等外部要素的協調共生[81],進而探索和揭示流域生態保護與高質量發展耦合協調的客觀規律、驅動因素、發展效應和機制設計。今后研究以“生態系統服務效益最大”作為結果目標導向、“土地利用經濟-生態效益最大、缺水總量最小”作為過程目標導向,統籌優化流域生產生活生態的用水用地結構。堅持以水定城、以水定地、以水定人、以水定產,合理規劃人口、城市和產業發展,加強流域水土資源、生態環境與經濟發展的協同共享,實現流域生態環境保護與高質量發展的耦合協調。

(3)體現“以人民為中心”的發展新理念,服務構建流域生態空間新格局。基于“地理識別-社會認同-治理可行”三個層次[82],探索“地理-社會-治理”多層一體的流域空間治理路徑:推進流域生態空間重組,即充分認識流域生態空間一體化保護和環境協同化治理的作用,優化生態空間布局進而對流域生態空間重構和生態資源重組。

此外,本論文以流域生態系統服務與水土資源(自然資源的重要組成部分:水是生命之源,土是生存之本)匹配研究,今后研究可進一步圍繞生態系統多功能中的主導功能表征—生態系統服務簇[83],研究其空間和功能變化及其更多的影響因素,并統籌流域水土資源多功能性,以期最終能實現理論和技術的差異化復制推廣,為整體提升區域或流域生態系統服務提供參考。