2. 中国科学院大学, 北京 100049
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
近年来, 随着世界人口数量激增与社会经济的快速发展, 人类对自然界干扰程度日益增加, 导致全球部分地区生态系统遭受严重破坏, 其生态服务功能明显降低和退化[1]1,[2] 。生态修复是对区域受损自然生态系统过程和功能的重建[3], 从而恢复区域社会-经济-自然复合生态系统的合理结构、高效功能和协调的内部关系。当前, 国内外生态修复实践主要集中在局地生态退化的人工重建修复治理上[4-5]。但局地尺度的修复治理难以整体提升区域生态系统功能, 依赖人工重建措施的区域生态系统的自然恢复作用毕竟有限, 尤其是因经济贫困引起生态破坏与退化的地区亟需理顺经济发展与生态保护的关系, 转变区域发展模式以实现自我修复, 从源头上扭转生态恶化趋势。
生态系统服务指人类从生态系统获取的效益[1]53, 主要表现为对人类有利的生态系统产品或功能[6], 是人类社会赖以生存和发展的基础, 也是国家与区域生态安全的战略保障[7]。由于生态系统是生态系统服务形成和维持的物质基础, 区域生态系统的组成结构差异以及环境条件的多样性决定了生态系统服务类型及强度差异[8]。区域生态系统服务评估有助于衡量不同生态系统服务之间的相对重要性并揭示生态系统的整体性和关联性特征, 从而评估判断区域生态修复的方向、途径及潜力。比如, 刘旭升等[9]研究发现, 1949—2006年北京市门头沟区煤炭开采造成生态系统服务损失价值为543亿元, 且很难或需要相当长时间才能恢复。张振明等[10]测算永定河(北京段)生态服务总价值为432.82亿元·a-1, 且调节和文化功能占主导, 为该河段生态修复目标提供了科学依据。滇西北高原典型退化湿地——剑湖修复后, 每年可产生以净化功能为主的生态系统服务价值为185亿元, 水源涵养、生物多样性保育和生态旅游的生态服务价值为32.7亿元, 以及以生态农业系统为主的市场价值为270亿元[11]。刘培斌等[12]测算发现, 永定河(北京段)1978—2009年生态服务价值下降30%~39%, 如果按照2015和2030年生态修复目标, 其生态服务价值较修复前(2009年)可分别增加258%和333%。
张家口市和承德市(简称张承地区)均位于北京市北部, 担负着为北京保水源、阻沙源和改善生态环境的生态屏障重任。但是由于特殊区位特征和历史原因, 张承地区经济发展相对落后, 区域性生态贫困问题突出。近年来, 虽然在风沙治理、水土流失防治、生态环境改善、京津水源地保护以及京津绿色生态屏障建设等方面取得了一定成效, 局部治理效果明显[13-14], 但是该区域生态环境仍未发生根本性改变, 部分地区仍存在生态系统退化甚至边治理边破坏现象[15], 主要原因是区域生态保护功能定位与社会经济发展需求之间长期存在矛盾。在京津冀协同发展背景下, 亟需在更大尺度上研究京津冀区域自然生态系统的整体性以及社会经济系统的分工合作, 合理布局配置区域内生态资源[16]。因此, 研究揭示该区域生态系统服务的空间分布及其与周边区域的关系, 对于加强京津冀生态环境方面的合作以及制定生态修复与生态补偿政策具有重要意义。笔者基于张承地区2013年土地覆被状况, 测算分析了5项重要生态系统服务及其差异, 并评估分析了区域生态系统服务的空间流转及其与北京市的关联程度, 从而为京津冀协同发展和区域生态保护与合作机制的构建提供参考依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况张承地区位于河北省北部, 地理位置为北纬39°18′~42°37′, 东经113°50′~119°15′, 区域总面积为763万km2, 2013年区内总人口为845万人, 其中, 农业人口为558万人。张家口市辖13县4区、2个管理区和1个高新区, 承德市辖8县3区和1个高新区。地貌类型主要有坝上高原、冀北山地和冀西北黄土丘陵, 海拔从西北向东南阶梯递减。该区域属温带大陆性季风气候区, 坝上高原多年平均降水量为300~400 mm, 年均蒸发量为1 400~1 700 mm, 年均气温为-1~2 ℃, 年均8级以上大风日数在60 d以上, 最大风速可达30 m·s-1; 坝下山地气候受地形和纬度影响, 由北到南温度逐渐增高, 多年平均降水量为430~600 mm, 年均气温为5~9 ℃。在张家口市境内分布有海河流域的永定河、潮白河、大清河、滦河和内陆河5大水系, 承德市境内有滦河、北三河(潮白河、白河、蓟运河)、辽河和大凌河4大水系, 区内水资源总量为54.97亿m3, 其中, 地表水资源为47.92亿m3, 地下水资源为28.73亿m3, 重复计算水量为21.69亿m3。该区域处于京津城市群的上风上水方向, 是维护北京市和天津市生态安全的重要屏障区。同时, 该区域属我国生态脆弱区, 土地沙化和自然灾害多发, 研究表明1995—2011年该区土壤侵蚀面积逐年减少, 但仍是河北省土壤侵蚀最严重地区[15]。由于特殊的区位特征和历史原因, 张承地区社会经济发展水平相对落后, 区域性生态贫困问题突出[16-17]。
1.2 研究方法 1.2.1 土地覆被类型划分选用2013年张承地区SPOT 5影像数据作为基础数据源(来源于中国科学院对地观测与数字地球科学中心), 首先对影像进行几何校正处理, 然后确定分类系统与分类方法对影像进行解译, 最后对解译结果进行验证, 具体处理方法见文献[18], 得到最终的土地覆被解译数据(表 1)。
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表 1 张承地区土地覆被类型及其组成 Table 1 Type and composition of the land cover of the Zhangjiakou-Chengde region in 2013 |
自然生态系统理论上能够提供水产品生产、水文调节、气候改善、污染控制和景观游憩等多种生态系统服务, 但是不同区域自然要素条件、生态系统类型以及生态环境需求不同, 决定了各项生态系统服务之间重要性的不同[19]。张承地区位于京津城市群的上风上水方向, 其自然生态系统所提供的水源涵养、水土保持和防风固沙等生态屏障功能极其重要, 因此, 该研究重点评估以水和风为介质传播的生态系统服务, 包括水源涵养、水土保持、固碳释氧、空气净化和防风固沙。该地区生态服务价值参照首都生态圈生态系统服务价值化方法[18], 采用目前较为成熟的物质量-价值量方法的测算结果, 计算研究区自然生态系统的5项重要生态服务价值, 计算公式如下:
| $ {S_{\rm{e}}} = \sum\limits_{i = 1, j = 1}^n {{S_{ij}} \times {A_{ij}}} 。$ | (1) |
式(1) 中, Se为研究区生态服务价值, 元·a-1; Sij和Aij分别为第i个评价斑块第j种土地覆被类型的单位面积生态服务价值(元·m-2)和面积(m2); i和j分别为土地覆被类型和评价斑块单元。
1.2.3 区域关联分析自然生态系统服务从供给区到受益区存在空间流转过程[20-23], 因此, 区域生态系统服务不仅会造福区域本身, 还具有通过某些途径向该区范围以外地区辐射的特征。区域关联指生态系统服务在一定区域内的辐射扩散关系, 采用从供给区流动至受益区的生态系统服务价值占供给区该项生态服务价值的比例来表示。根据张承地区实际情况, 以水为介质传播的水源涵养和土壤保持服务依据河流水系走向来确定流向, 以评价单元在主要水系流向上至北京市的直线长度作为距离衰减系数; 以风为介质传播的空气净化、固碳释氧和防风固沙服务主要依据主导风向(西北风)确定流向, 以评价单元在主导风向上至北京市的直线长度作为距离衰减系数。此外, 根据张家口市和承德市每年平均向北京市提供水资源量占其水资源总量比例, 以及北京市面积占防风固沙服务辐射区面积的比例计算生态服务辐射比; 进而测算生态系统服务辐射至北京市的价值量及其关联度, 计算公式如下:
| $ {t_d} = \left( {1-{d_i} + \bar d} \right)/\bar d, $ | (2) |
| $ {R_{{\rm{e, s}}}} = \sum\limits_{i = 1}^n {{t_{d, i}} \times {\alpha _i} \times {S_{\rm{e}}}}, $ | (3) |
| $ {V_{\rm{c}}} = {R_{{\rm{e, s}}}}/{S_{\rm{e}}} \times 100\% 。$ | (4) |
式(2)~(4) 中, di为第i个评估单元沿生态服务辐射方向与北京市直线距离的归一化值;
基于2013年土地覆被遥感影像数据, 张承地区自然生态系统面积为76 300.01 km2, 其中, 森林面积最大, 占区域总面积的50.21%, 类型组成以阔叶林和灌木林为主, 针叶林和经济林面积较小; 其次为农田, 面积为24 587.59 km2, 占32.22%, 包括24 530.35 km2旱地和57.24 km2水田; 该区域分布有草地11 120.94 km2, 占研究区面积的14.58%, 主要由11 114.96 km2天然草地和5.98 km2人工草地组成; 湿地和荒地面积相对较小, 分别占张承地区的0.72%和0.47%, 可见, 张承地区土地覆被以林草地和农田为主。此外, 还分布有1 369.47 km2城镇生态系统, 约占研究区面积的1.80%(表 1)。
从张承地区自然生态系统的空间分布来看, 森林在承德市大部分地区以及张家口市的崇礼县、赤城县、涿鹿县和蔚县的南部比较集中, 主要与该区域近些年实施的“三北防护林”、“退耕还林还草”以及“京津风沙源治理工程”的林业建设成效有关。草地主要集中分布在张家口市的赤城县、张北县、尚义县以及承德市的丰宁县和围场县, 农田在张家口市域呈广泛分布, 在承德市的平泉县、围场县、隆化县等也有分布; 湿地在张家口市的沽源县、张北县、怀来县、尚义县以及承德市的宽城县、围场县和丰宁县分布相对集中。总体来看, 张承地区是由以林草为主的东、中部山地丘陵区和以农田为主的西部农业耕作区所组成, 是维护京津冀都市圈生态安全、发挥区域生态屏障功能的重要供给区域(图 1)。
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图 1 张承地区土地覆被组成 Figure 1 Composition of the land cover of the Zhangjiakou-Chengde region |
基于张承地区2013年地表覆被数据与单位面积生态服务价值参数(表 2), 重点测算分析了水源涵养、土壤保持、防风固沙、空气净化和固碳释氧5种生态服务价值。结果表明, 2013年张承地区自然生态系统年供给生态服务总价值为1 895亿元。其中, 固碳释氧服务价值最高, 为760亿元·a-1, 其次为水源涵养价值, 可达656亿元·a-1, 防风固沙和空气净化服务价值分别为226亿和160亿元·a-1, 土壤保持服务价值较小, 仅为93亿元·a-1。
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表 2 不同土地覆被的单位面积生态服务价值 Table 2 Per-unit-area ecosystem service value of the land cover in the Zhangjiakou-Chengde region relative to type of the land cover |
从生态系统类型供给来看, 森林生态系统提供了张承地区78%的生态服务价值, 为1 483亿元·a-1; 其后依次为农田和草地, 分别供给199亿和180亿元·a-1的生态系统服务; 湿地和荒地提供的生态服务价值总量较低, 分别为33亿和148万元·a-1, 主要原因是该区域林草地和农田面积远大于其他土地覆被类型所致。从单位自然生态系统面积的生态服务价值来看, 湿地生态服务价值最高, 为5.98元·m-2·a-1, 其后依次为森林(3.87元·m-2·a-1)和草地(1.62元·m-2·a-1), 农田生态服务价值较低, 仅为0.81元·m-2·a-1。
从生态系统服务的供给区域来看, 张承地区生态系统服务高值区(>5.0万元·hm-2)分布在承德市大部分地区以及张家口市的东部和南部, 面积约占该区域总面积的17.53%;生态系统服务供给价值较高区域(>2.0~5.0万元·hm-2)集中在承德市以及张家口市的东部和南部山区, 面积占33.41%;以上区域生态系统以林草植被为主, 是提供京津冀都市圈生态屏障功能的主体; 生态系统服务一般水平区域(>1.0~2.0万元·hm-2)零散分布在张家口市大部分地区以及承德市的围场县和城镇周边, 面积约占14.64%;生态系统服务价值较低区(>0.5~1.0万元·hm-2)集中分布在张家口市, 在承德市呈零散分布, 面积占研究区总面积的32.16%, 是张承地区的重要农业生产区, 以发挥农田生产功能为主导; 生态系统服务低价值区(≤0.5万元·hm-2)零散分布在张家口市和承德市建成区附近, 面积占总面积的2.26%, 以发挥人类居住、生活生产功能为主(图 2)。总体来看, 张承地区自然生态系统功能相对较差, 生态系统服务供给水平一般, 高、较高价值区仅约占总面积的51%, 有约49%区域生态系统服务供给有待优化和提升。
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图 2 张承地区生态系统服务的空间分布 Figure 2 Spatial distribution of ecosystem services in the Zhangjiakou-Chengde region |
根据北京市主要水源水系与张承地区的关系[23], 张家口市境内永定河和潮白河水系分别输入水源至官厅水库和密云水库[24], 年输入水量约占区域地表水资源总量的60%;发源于承德市丰宁县黄旗镇的潮河出境汇入密云水库[25], 潮白河流域年均汇入密云水库水量4.73亿m3, 占区域地表水资源总量的15%。为方便测算, 以张承地区各县域为评估单元, 以西北风向为主要流向, 利用ArcGIS 10.0软件通过测量各县域中心至北京市中心点的直线距离来估算供给区生态系统服务流动到受益区的衰减系数。
估算结果表明, 张承地区辐射至北京市的生态系统服务价值约为390亿·a-1, 其中, 以水系为介质辐射的水源涵养和土壤保持价值为255亿元·a-1, 以风为介质辐射的防风固沙、空气净化和固碳释氧价值为135亿元·a-1, 两者合计约占该区域生态系统服务总价值的21%, 这也表明张承地区与北京市的重要生态系统服务关联度为21%。其中, 辐射的水源涵养和土壤保持价值占张承地区水源涵养和土壤保持总价值的34%, 表明以水为介质辐射的生态系统服务关联度为34%;辐射的防风固沙、空气净化和固碳释氧价值占该地区3项生态服务总价值的12%, 表明以风为介质辐射的生态系统服务关联度为12%。可见, 张承地区自然生态系统的水文调节服务(水源涵养和土壤保持)与北京市关系更为密切, 而大气调节服务(包括防风固沙、空气净化和固碳释氧)可辐射到京津冀更大尺度区域内。
2.3.2 张家口市与北京市关联分析张家口市境内主要分布有永定河、潮白河、大清河、滦河和内陆河5大水系。大清河水系流域面积在张家口市东南有1 218 km2, 主要流入保定市境内; 潮白河水系主要有白河与黑河, 流域面积为5 611 km2, 大部分流入北京市密云水库; 永定河水系干流有洋河、桑干河, 主要支流有东洋河、西洋河、南洋河、清水河、洪塘河和壶流河等, 洋河、桑干河横贯全市东西, 流域面积为1.76万km2, 并汇入官厅水库; 滦河水系分布在张家口市东北, 流域面积为926 km2; 内陆河水系为坝上地区季节性河流和淖泊湿地, 流域面积为1.16万km2, 主要有安固里淖、大青沟淖及察汗淖、囫囵淖等。此外, 张家口市的地势条件迫使西伯利亚气流经过内蒙古高原后在过张家口坝下地区时获得一次较大的降尘过程, 使沙尘气流在进入北京市之前能够得到一次自然净化。
基于区域关联性分析结果(图 3), 张家口市可辐射到北京市的关键生态系统服务价值占张家口市自然生态系统服务总价值的43%, 即张家口市与北京市生态系统服务关联度为43%, 其中, 怀来县生态系统服务与北京市关联度最高(62%), 其后依次为赤城县、涿鹿县和宣化县, 生态系统服务关联度分别为52%、48%和48%, 沽源县、崇礼县、蔚县、万全县、怀安县、阳原县和张北县与北京市生态系统服务关联度在35%~40%之间, 尚义县和康保县与北京市生态系统服务关联度较低, 分别为26%和22%。从以水为介质的辐射效益来看, 怀来县93%的水源涵养和土壤保持服务可流动到北京市, 其后依次为赤城县和涿鹿县, 分别有85%和81%水文调节服务辐射到北京市, 崇礼县、宣化县和蔚县等县域与北京市的水文调节服务关联度介于50%~70%之间, 但康保县和尚义县较低, 分别为30%和37%。此外, 张家口市各县域以风为介质辐射的生态系统服务和北京市的关联度与水文调节服务相似, 最高值为怀来县与北京市的关联度(31%), 其后依次为赤城县(28%)、涿鹿县(27%)、崇礼县(23%)等, 最小值为康保县与北京市的关联度(10%)。
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图 3 张承地区与北京市生态系统服务的关联度 Figure 3 Correlativity of the Zhangjiakou-Chengde region with the ecosystem services in Beijing |
承德市境内有滦河、北三河(潮白河、白河、蓟运河)、辽河和大凌河4大水系, 地处滦河、潮河、辽河、大凌河之源, 同时, 承德市位于内蒙古科尔沁和浑善达克沙地前沿和京津上风头, 是京津地区的生态屏障和重要水源地[26]。其中, 发源于丰宁县黄旗镇的潮河, 流经滦平县, 出境汇入密云水库, 干流总长度为253 km, 承德市境内河长为185.8 km, 年均径流量为8.96亿m3, 占密云水库年径流量的56.7%, 是密云水库的主要水源之一; 供天津用水的滦河发源于承德市丰宁县大滩镇孤石村, 承德市境内河长为374 km, 年均向潘家口水库供水17亿m3, 是天津市和唐山市等地的重要水源地[25]。
同理, 基于区域关联性分析结果(图 3), 承德市与北京市生态系统服务关联度为10%, 其中, 滦平县生态系统服务与北京市关联度最高(14%), 其后依次为兴隆县、丰宁县和承德县, 生态系统服务关联度分别为13%、12%和11%, 宽城县、隆化县和平泉县与北京市的生态系统服务关联度在7%~10%之间, 围场县与北京市生态系统服务的关联度最低(5%)。从以水为介质的辐射效益来看, 兴隆县和滦平县均有近20%的水源涵养和土壤保持服务可流动到北京市, 其次为丰宁县和承德县, 有16%水文调节服务辐射到北京市, 隆化县、宽城县和平泉县与北京市的水文调节服务关联度介于9%~13%之间, 围场县最低, 为7%。此外, 承德市各县域以风为介质辐射的生态系统服务和北京市的关联度与水文调节服务相似, 兴隆县、滦平县与北京市的关联度最高，均为11%, 其后依次为丰宁县(9%)、承德县(9%)、隆化县(7%)等, 最小值为围场县与北京市的关联度(4%)。
3 讨论与结论生态区域是开放系统, 不同生态区域之间存在相互作用和相互影响。在区域生态保护和经济发展过程中, 区际生态联系对于实现生态区域间优势互补、互相促进、共同发展至关重要[27]。区域关联就是在生态环境问题逐渐呈现出区域性特征的背景下提出来的, 强调从区域生态系统的整体性与区域联系的角度来解决生态环境危机, 提高生态修复成效, 其关键问题是研究揭示生态系统服务的区域流动规律。笔者研究表明, 张承地区地表覆被以森林、草地和农田为主, 以林草为主的西北部山地丘陵区和以农田为主的东南平原农业耕作区组成了京津生态屏障的主体。该区域自然生态系统可提供的关键生态系统服务价值为1 895亿元·a-1, 高值区分布在林草植被集中的承德市以及张家口市的东南部地区, 主要在于近些年国家重点在该区域实施的“三北”防护林、坝上生态农业、首都周围绿化和太行山绿化、退耕还林等工程的生态建设和环境保护成效得到体现。此外, 张承地区不同县域与北京市的生态系统服务关联度差异较大, 张家口市各县域与北京市的关联度要高于承德市, 主要是因为相对于承德市, 处于北京市上风上水的张家口市生态系统服务流动更为畅通, 因而与北京市的区域关联度更高。总体来看, 赤城、宣化、涿鹿、崇礼和怀来等县与北京市的生态系统服务关联度较高, 是北京市外来生态系统服务的主要输入区。由于历史原因和产业结构以及生态功能定位等因素, 该地区社会经济发展水平较低, 农业人口高度集中, 保护生态环境与亟需发展社会经济的矛盾突出。因此, 建议张承地区与北京市及周边区域尽快协调上下游关系, 理顺经济发展与生态保护的关系, 积极探索首都与周边区域生态资源合作的长效机制, 转变区域发展模式, 建立生态补偿长效合作机制, 从源头上扭转生态恶化趋势以实现区域生态系统的自我修复。
生态系统服务评估有助于直观反映不同生态服务功能以及在不同区域之间的相对重要性。目前, 生态服务价值评估方法较多, 但适用于区域生态系统服务综合评估的方法相对较少。笔者采用首都生态圈单位面积生态系统服务价值作为测算参数, 测算参数计算采用物质量-价值量方法[18], 实现了不同生态系统服务之间的相互比较和加和处理。由于生态系统服务功能的复杂性与综合性, 采用不同土地覆被类型的生态服务价值平均值在一定研究尺度上具有合理性, 但其准确性有待进一步研究。
其次, 生态系统服务在区域内的流动是一个极其复杂的动态过程, 其辐射方向、范围和程度依赖与传播介质有关, 因此笔者研究中以水和风为介质的生态系统服务辐射的区域以及距离衰减系数需要更多的验证和数据支持。此外, 张承地区为京津都市圈提供的生态系统服务不仅包含水源涵养、防风固沙等调节服务, 而且还提供初级产品生产和景观游憩等文化支持服务, 笔者并未测算这部分生态系统服务的辐射影响及其与北京市的关联程度, 因此张承地区与北京市的生态系统服务关联度必定大于21%, 特别是2022年冬奥会在张家口市的举办将进一步增加张家口市与北京市的关联程度。综上所述, 采用生态系统服务方法来研究区域关联并将其应用于生态补偿与生态修复领域仅是一个新的尝试, 未来还有许多难点和困境需要克服。
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