顧及空間產水特征的城市濕地生態系統服務價值估算

伍 麗 君,胡 最,2*

(1.衡陽師范學院地理與旅游學院,湖南 衡陽 421002;2.傳統村鎮文化數字化保護與創意利用技術國家地方聯合工程實驗室,湖南 衡陽 421002)

0 引言

城市濕地具有保護生物多樣性、調節徑流、凈化水質、改善氣候等功能[1,2],亦可促進旅游觀光、科研和教育等社會經濟發展[3,4],然而,在城市擴張過程中對濕地缺乏保護或者不合理的開發利用容易導致濕地生態功能退化[5]等問題,進而影響城市可持續發展[6-9]。科學評估城市濕地生態系統服務價值(Wetland Ecosystem Service Value,WESV)有助于提升人類對城市問題的認識,從而提出濕地保護與區域規劃的有效措施[10-12]。

目前,常用的生態系統服務價值估算方法主要分為功能價值法和當量因子法。為避免重復計算,崔麗娟等將濕地生態系統服務分為最終服務和中間服務,結合多種生態經濟學方法評估濕地生態系統服務價值[13];也有學者通過構建WESV影響因素的結構方程模型定量分析城市WESV[14],通過構建系統動力學(SD)模型模擬濕地生態系統服務變化過程及未來情景[15]。綜上,現有WESV研究主要關注城市[16-18]或城市群[19-21]的總體生態系統服務,忽略了城市內部的發展差異[22],如城市建成區與非建成區[23-25]的生態系統服務功能差異。城市非建成區受人類活動干擾較少,對濕地水循環影響較小,而城市建成區不透水面影響城市地表徑流和地下徑流等水循環,對城市濕地生態系統服務功能產生重要影響[26,27],因此,在評價城市WESV時應考慮城市不透水面的影響。

修正價值當量因子是生態系統服務價值估算的基礎,學者們使用植被凈初級生產力(Net Primary Productivity,NPP)、降水、土壤保持時空動態調節因子對不同生態系統服務功能進行修正[28],在此基礎上引入社會支付意愿系數[29]、土地類型及面積[30]等優化價值評估結果。然而,城市WESV估算還涉及土地利用類型、土壤類型、蒸散發、流域范圍、降水量等因素,且直接使用降水量因子會因年降水偶然極值使WESV的最終估算結果偏離實際,因此,現有方法尚不適用于WESV估算。

產水量與降水、蒸發、土壤、土地利用類型、植物可利用含水量密切相關[31-33],產水量相比降水量考慮了更多環境因素,是修正城市WESV的重要參數。因此,本文以衡陽市中心城區建成區為例,基于高分辨率遙感影像提取城市建成區濕地,借鑒降水量時空調節因子修正模型[28],結合城市濕地的影響因子,使用產水量時空調節因子對城市濕地生態系統服務價值估算方法進行修正,并結合估算結果分析城市發展過程中濕地及其生態價值的變化趨勢,以期為城市濕地保護與管理提供科學依據。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區概況與數據來源

湖南省衡陽市地處湘江中游,地勢南高北低,屬亞熱帶季風氣候,年均氣溫18 ℃,年降水量1 500 mm,蒸水和耒水與湘江在城區交匯,形成典型的“三道水口鎖大江”格局,濕地資源豐富。由于南岳區距離衡陽市主城區較遠(約50 km),因此本文研究范圍為衡陽市中心城區的珠暉區、雁峰區、蒸湘區和石鼓區,面積合計為51 830.58 hm2,占衡陽市土地總面積的3.39%(圖1)。截至2021年底,衡陽市中心城區GDP總值達1 051.9億元,常住人口為135.21萬人,糧食播種面積為4 540.43 hm2,糧食產量總值為8 649.6萬元[34]。

圖1 研究區Fig.1 The study area

本文基于Planet衛星和Google Earth平臺獲取2017年、2019年和2021年衡陽市中心城區分辨率為5 m的遙感影像,并進行大氣校正、空間校正、鑲嵌、裁剪等預處理工作。參考《土地利用現狀分類》(GB/T 21010—2017),利用AI Earth 地球科學云平臺(https://account.aliyun.com/)將土地利用類型劃分為林地、草地、耕地、濕地(自然濕地和人工濕地)、建設用地、交通用地和未利用地。由于傳統方法提取的建成區邊界破碎化嚴重,因此本研究根據遙感影像的建設用地和交通用地分布劃定建成區邊界(圖1)。當濕地面積達到1 hm2以上時,能維持爬行和兩棲動物多樣性[35],據此將衡陽城區濕地的最小面積確定為1 hm2。降水量、潛在蒸散發、土壤屬性等數據來源及用途詳見表1。

表1 數據來源Table 1 Data source

1.2 研究方法

本研究主要內容為對比未修正的WESV和基于降水量調節因子、產水量調節因子修正的WESV結果,采用更精細的數據和參數分析地表特征、植被覆蓋和土壤類型等因素對濕地的影響,以提高WESV估算的準確性。具體方法流程如圖2所示。

圖2 技術流程Fig.2 Workflow of the proposed method

1.2.1 產水量估算 降水量和蒸散量是衡量產水量空間異質性特征的主要指標[36],二者的差值即為產水量。本研究根據InVEST模型水熱耦合平衡原理,通過考慮氣候、土壤、地形、流域等多項指標計算區域年產水量[37],產水量參數根據文獻[38] 確定。計算公式為:

Y(x)=(1-A(x)/P(x))·P(x)

(1)

(2)

ω(x)=Z·W(x)/P(x)+1.25

(3)

W(x)=Min(d(x),r(x))×C(x)

(4)

(5)

式中:Y(x)、A(x)、P(x)分別為柵格單元x的年產水量、年實際蒸散量和年降水量,土地利用/覆被類型的植物蒸散發A(x)/P(x)采用Budyko水熱耦合平衡假設方法[39]確定,E(x)為潛在蒸散量,ω(x)為自然氣候—土壤性質的非物理經驗參數[40],Z(Zhang系數的簡寫)為季節常數,Z取值15時模型評估結果最優[41],W(x)為土壤有效含水量(mm),d(x)為土壤最大深度,r(x)為根系深度,C(x)為植物可利用水分含量(即田間持水量和萎蔫點之間的差值),主要用于評估土壤為植物所存儲和釋放的總水量(評估方法見文獻[42]),Isand為沙粒含量(%),Isilt為粉粒含量(%),Iclay為粘粒含量(%),IOM為土壤有機質含量(%)。

1.2.2 WESV估算 生態系統服務價值當量因子定義為1 hm2全國平均產量的農田年均經濟產值[43],即將單位面積農田糧食生產凈利潤作為1個標準當量因子的ESV。參照全國生態系統服務標準價值當量因子表,1個當量因子的經濟價值量為區域主要糧食作物平均單產市場價值的1/7[44]。本文通過式(6)計算衡陽市年均單位面積稻谷的市場價值作為1個標準當量因子的經濟價值量。生態系統服務功能及其價值量因時空差異引起的內部結構與外部形態變化而不斷變化,謝高地等[28]采用降水量時空調節因子Rij(式(7))修正生態系統服務價值。為有效抑制區域降水量年際變化大對生態系統服務價值計算結果產生較大影響,本文參照降水量調節因子,提出產水量調節因子(Tij,式(8)),并依據文獻[28]的生態系統服務價值估算方法構建城市濕地生態系統服務價值評估公式(式(9)),最后,結合濕地面積計算研究區域的總WESV(式(10))。

(6)

式中:Qa為濕地生態系統服務價值當量因子的經濟價值量(元/hm2),Qw為濕地生態系統的經濟產值(元),Sw為濕地生態系統的面積(hm2)。

(7)

式中:Pij為第i年j地區生態系統的平均單位面積降水量(mm/hm2),P為研究區年均單位面積降雨量(mm/hm2),Fij為第i年j地區濕地生態系統服務的價值當量因子,Ft為水資源供給或者水文調節生態服務功能未修正的價值當量因子。

(8)

Qb=Fij×Qa

(9)

V=Qb×Sw

(10)

式中:Qb為濕地生態服務功能的單位面積價值量(元/hm2),V為區域濕地生態系統服務總價值(元)。

2 結果分析

2.1 衡陽市濕地變化特征

基于AI Earth平臺提取衡陽市中心城區建成區濕地(圖3),統計得到濕地面積分別為2017年3 246.08 hm2、2019年3 221.62 hm2、2021年2 973.42 hm2,5年濕地面積減少了272.66 hm2,而且2021年濕地分布更破碎。

圖3 衡陽市中心城區建成區濕地分布Fig.3 Distribution of wetland in the built-up area of central city in Hengyang

2.2 WESV估算結果

為方便觀察和比較修正前后對WESV估算結果的影響,本研究分別計算未修正的WESV以及基于降水量因子和基于產水量因子修正的WESV,以提高濕地生態系統服務價值估算精度。

2.2.1 未修正的WESV 由2017年、2019年和2021年衡陽市人民政府統計公報獲取地方糧食播種面積、糧食產量和糧食收購價等數據,計算得到衡陽中心城區主要糧食作物平均單產價值量分別為2017年11 548.96元/hm2、2019年13 968.42元/hm2和2021年14 733.74元/hm2。根據式(6)、式(9)和式(10)計算2017年、2019年和2021年衡陽市中心城區建成區未修正的濕地生態系統服務總價值(表2),可知衡陽市中心城區建成區的WESV總體呈下降趨勢,從60.08億元降至43.13億元。濕地生態系統服務價值主要來源于水文調節和水資源供給兩種服務功能,分別約占總WESV的81.39%和6.6%,表明濕地在水文調節服務功能上發揮著巨大作用。

表2 未修正的濕地生態系統服務總價值Table 2 Uncorrected total value of wetland ecosystem services 單位:億元

2.2.2 基于降水量因子修正的WESV 為反映城市濕地生態系統服務功能的時空動態變化,根據謝高地等[28]提出的時空動態因子,使用降水量調節因子修正標準當量并估算WESV。結合生態系統服務價值基礎當量表,構建基于降水量因子修正的城市濕地生態系統服務動態價值當量表,根據式(7)得到降水量時空調節因子(表3)。由表3可知,2017—2021年衡陽市降水量明顯增大,2021年降水量是2017年的近兩倍,可見衡陽市氣候變化明顯,會對WESV估算結果產生較大影響;2017年和2019年降水量時空調節因子差距不明顯(均小于1),而2021年降水量時空調節因子(高達1.53)與2017年、2019年存在顯著差異,極大影響WESV估算結果。基于表3的降水量時空調節因子計算得到衡陽市中心城區建成區經降水量因子修正后的總WESV(表4),可知2017—2021年水文調節、水資源供給功能均不斷增加,其他生態系統服務功能均減少,水文調節功能是影響城市濕地生態系統最顯著的因子,約占總價值的82.04%,其次是水資源供給和凈化環境功能,約占6.65%和4.16%。2017—2021年研究區總WESV增速加快,5年增加了10.79億元。

表3 2017—2021年衡陽市降水量及修正因子Table 3 Rainfall and its correction factor of Hengyang from 2017 to 2021

表4 基于降水量因子修正的濕地生態系統服務總價值Table 4 Total value of wetland ecosystem services based on rainfall correction 單位:億元

2.2.3 基于產水量因子修正的WESV

1)產水量及修正因子分析。為提高WESV估算的準確性,本文使用產水量時空調節因子代替降水量因子,通過InVEST模型中的產水量模塊,結合降水、土壤深度、土地利用、潛在蒸散發和植被可利用含水量等參數(圖4)計算2017年、2019年和2021年衡陽市中心城區建成區產水量(圖5)。研究區建設用地集中分布于耒水南至湘江之間(圖4a—圖4c),林地、草地、耕地圍繞建設用地分布,降水較多區域主要集中在中部(圖4d—圖4f),植物可利用含水量沿湘江流域較高,其余區域較低(圖4h),年均潛在蒸散發量呈周圍高、中間低的碗狀分布(圖4i),但極差(37 mm)較小。由圖5可知,雖然不同年份的產水量差異明顯,但高值與低值非常接近,2017年、2021年極差為345.7 mm,2019年為344.89 mm。從空間分布看,產水量高值區與建設用地分布區域重疊,究其原因,城市不透水面覆蓋率高,極大地影響甚至阻斷雨水的自然滲透過程,降水產生的地表徑流匯入地下管道、坑塘水庫等城市水系統,影響了城市地區的自然蒸散過程。由于2021年降水量較大,因此2021年產水量較2019年整體提高(表5);2017年和2019年產水量時空調節因子均小于1,2021年是2017年的近兩倍。

表5 2017—2021年衡陽市產水量及修正因子Table 5 Water yield and its correction factor of Hengyang from 2017 to 2021

圖4 產水量模型因子Fig.4 Factors of water yield model

注:河流無土壤深度數據,故產水量為空值。圖5 2017年、2019年和2021年衡陽市中心城區建成區產水量Fig.5 Annual water yield in the built-up area of central city of Hengyang in 2017,2019 and 2021

2)生態系統服務價值分析。根據計算得到的產水量時空調節因子,結合式(9)計算研究區城市濕地單位面積WESV(表6),可見衡陽市中心城區建成區單位面積WESV穩定增長,2017—2019年提高約10萬元/hm2,而2019—2021年提高約46萬元/hm2。 進一步結合式(10)計算衡陽市中心城區建成區的總WESV(表6),可見2017—2019年基于產水量因子修正的WESV增加了2億元,2019—2021年增加了10億元,濕地生態系統服務價值變化劇烈。研究區城市濕地除水文調節和水資源供給功能外,其余生態系統服務功能均不斷減少,而經產水量因子修正后的生態系統服務功能價值不斷增長。由此可知,城市濕地在水文調節、水資源供給、凈化環境、氣候調節和生物多樣性等功能上發揮著積極作用。

表6 基于產水量修正的濕地單位面積生態系統服務價值和濕地生態系統服務總價值Table 6 Ecosystem service value per unit area of wetland and total value of wetland ecosystem services based on water yield correction

2.3 WESV估算結果對比

將未修正的WESV估算結果與基于降水量和產水量時空調節因子修正的WESV結果進行對比(圖6),可知未修正的WESV逐年遞減,而基于降水量和產水量修正的WESV逐年遞增。由此可見,當量因子修正對WESV估算結果產生重要影響。其次,產水量修正的各年總WESV均比降水量修正的總WESV低,緣于產水量時空調節因子綜合考慮了降水量、土壤類型、土層特征、植被覆蓋等因素,以及下墊面和城市設施對水分蒸散發的影響,有助于減少氣候極端變化及不透水面等不確定因素對WESV估算的誤差,更能準確反映濕地環境特征。綜上所述,產水量時空調節因子能結合與城市濕地相關的多種影響因素,在一定程度上減小降水量修正的誤差,可較準確地估算城市WESV。

圖6 不同年份WESV估算對比Fig.6 Comparison of estimated WESVs in different years

2.4 濕地變化影響因素分析

本文采用2001—2017年衡陽市主城區城市擴張數據集[45]展示近年來衡陽市中心城區的城市化擴張進程(圖7),可以看出,衡陽市中心城區主要以城市為中心沿道路、河流兩側軸向擴張[46],濕地成為城市擴張的重要區域。

注:城市用地擴張數據來源于文獻[45]。圖7 2001—2017 年衡陽市中心城區建成區空間擴張過程Fig.7 Expansion process of the built-up area in central city of Hengyang from 2001 to 2017

此外,濕地的自然景觀和文化資源吸引眾多居民和游客觀光游覽,近年來,衡陽市已建成并開放了數十家主題公園(如瑪雅海灘濕地公園),而城市濕地旅游業的蓬勃發展不可避免地帶來了生活垃圾、建筑廢料、土壤侵蝕等問題。以衡陽市區最大的南湖濕地公園為例,水域面積約為33.33 hm2,每年可吸引游客約1 500萬人次,為當地政府帶來巨大的經濟效益,但游客產生的大量垃圾影響濕地生態系統的穩定性和生態功能。另外,隨著社會經濟發展,許多城市濕地面積縮小甚至消失,市民對城市濕地保護的意愿也是城市濕地得以良好保護的主要原因之一,市民的保護與支持對維持城市濕地生態系統健康發展具有積極作用。最后,城市的國土空間規劃和發展規劃對區域城市濕地產生重要影響,如根據衡陽市“十四五”規劃,珠暉區于2021年啟動建設酃湖水上樂園。

3 結論與討論

本文考慮到城市不透水面對濕地水循環的影響,探索更符合城市實際的生態系統服務價值評估方法,提出產水量時空調節因子修正方法,并以衡陽市中心城區為研究區進行驗證,研究結論如下:衡陽市中心城區建成區未修正的WESV由2017年的60.08億元減至2021年的43.13億元,而基于降水量修正的WESV從2017年的52.28億元增至2021年的63.07億元,產水量修正的WESV從2017年的46億元增至2021年的58.77億元,其中,產水量能較全面地反映降水量、植被覆蓋和土層類型等自然特征,有效降低自然氣候對生態系統服務價值估算的不利影響,使估算結果更符合城市實際情況,并提高WESV估算的準確性。基于產水量修正的WESV結果中,水文調節和水資源供給功能占比居前兩位,由此可知,城市濕地在城市生態系統服務中主要發揮了水文調節和水資源供給服務。

本文使用產水量調節因子對城市濕地生態系統服務價值進行修正,能得到更精確的估算結果,更好地反映濕地時空變化的實際情況,對于保護和促進城市濕地可持續發展具有重要意義。然而,本研究在選取其他合適的生態系統服務修正指標上仍有待商榷,還需尋找更合適的修正模型提高城市WESV估算的精度,為今后城市生態規劃與保護提供科學參考。