中图分类号：X196 文献标识码：A 文章编号：0559-9350（2010）09-1121-07
Ecosystem service valuation and spatial characteristics of Haihe Basin
YANG Zhao-hui，WANG Hao，CHU Jun-ying，ZHOU Zu-hao
Abstract：Taking the Haihe River basin as a case study area，the ecosystem value is systematically calculated in this paper based on the current research on ecosystem service function in this area. Results show that in the natural state，the total value of ecological services is 363.845 billion RMB，which is about 31.4 percent of the GDP in year 2 000 over the basin. The proportion of ecological value of farmland is the biggest. Under the imPACt of human activities，the ecological value per uNIt area of farmland，forests，grassland increased，the total value of ecological services is 463.995 billion RMB，which is about 40 percent of the GDP of 1 160 billion RMB in 2 000 year over the basin. Among them，the value of farmland is the biggest，accounting for 55.88%. For the spatial distribution，in the natural state the ecological value is poorer in mountainous areas than in southeastern plains. Under the influence of human activities the total value of ecological is relatively high.
Key words：ecosystem system；value assessment；service function；spatial analysis；Haihe basin
1 研究背景
生态系统服务功能是指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用［1］。为保护环境，促进人与自然和谐发展，当前各国政府越来越重视生态系统服务功能的评价和管理。
1997年，Costanza等［2］综合了国际上已有的对生态系统服务价值的评估研究方法和计算结果，对全球主要类型的生态系统服务功能价值进行了评估，揭开了生态系统服务功能价值研究的序幕；此后随着研究的深入，学者们分别对农业、渔业、市区等各生态系统服务进行评估和探讨。我国对生态系统服务价值的研究也逐步兴起，比较有代表性的是1999年欧阳志云等［3］从生态系统服务价值的定义出发，对中国陆地生态系统服务的有机物质生产、维持大气CO2和O2的平衡等6个方面价值进行了估算；2001年谢高地等［4］根据中国的实际情况，参考Costanza的研究成果，以及对我国200位生态学者进行问卷调查，制定出中国陆地生态系统服务价值当量因子表；2005 年何浩等［5］利用遥感技术，计算了中国陆地生态系统2000年的生态服务价值，并给出了粗略的生态价值空间分布图；最近几年，能值理论与方法等也开始引入我国生态价值评估中，引发了运用能值理论研究生态价值的热潮。2008年谢高地等［6］再次通过对600多位中国具有生态学知识背景的专家进行5年调查，形成的一个基于生态学专家知识、比较有参考价值的生态系统服务价值评估工具。
本文以海河流域为例，参考2008年谢高地等［6］调查形成的生态系统服务价值单价体系，得到无灌溉、无施肥、无物种改良等情况的基准状态下海河流域生态系统服务价值参数表。考虑海河流域的实际情况，因人类为了生存发展和提升生活水平，不断进行着一系列不同规模不同类型的活动，自然生态系统被转化为人类管理和控制的生态系统，很大程度上改变了陆地生态系统的生物及物理组成和功能［6］，修正了气体调节、水源涵养、粮食生产、原材料生产等受人类活动影响较大的生态价值参数，得到修正后的生态系统服务价值参数表。并分析了基准状态和修改后流域生态价值差异，为该区土地的规划利用，水资源的合理配置提供科学依据。
2 研究区域概况
海河流域地处温带半湿润、半干旱大陆性季风气候区。该区气候宜人，是我国最适合人类居住的地方之一。新中国成立以来，流域内人口数量翻了近一番，灌溉面积增长了近6倍，加上流域内北京、天津两座超大型城市的发展需求，不可避免地打破了原有生态系统的平衡。目前海河流域是我国七大流域中水资源最紧缺的区域，人均水资源仅为293m3，不足全国的1/7，世界的1/24，以不足全国1.3%的水资源量，承担着11%的耕地面积和10%人口的用水任务，水资源供需矛盾十分突出。由于长期牺牲生态环境用水，该流域出现了有河皆干、有水皆污，耕地减少、湖泊干涸、湿地萎缩等一系列严重问题，并造成了生态环境的退化，削弱了流域生态系统服务功能，严重威胁流域国民经济的可持续发展。
3 研究方法
本文根据海河流域土地利用调查情况（2000年数据），将流域分为农田、森林、草地、水域、城乡工矿用地、以及未利用土地6种土地类型。考虑流域生态系统的气体调节，气候调节，水文调节，土壤形成与保护，废物处理，生物多样性维持，食物生产，原材料生产、休闲娱乐这9项生态服务功能［7］，将水域视为生态系统中的河流，未利用土地中的沼泽视为湿地，其他未利用土地视为荒漠。忽略城乡、工矿用地的生态系统服务价值，将其生态价值系数取0。
本文利用干物质量计算气候调节服务功能的价值，利用使用影子工程法计算水文调节服务功能的价值，利用农田等的自然产量计算食物生产、原材料生产的生态服务价值。其他参数主要参考2008年谢高地等［6］调查形成的生态系统服务价值单价体系，如表1所示。
表1 2007年中国生态系统单位面积生态服务价值［6］（单位：元/hm2）
3.1 气体调节服务价值参数
森林、草地、农田、湿地具有气体调节的作用，植物通过光合作用每生产lkg干物质，需吸收1.62kgCO2，同时释放1.2kgO2。目前吸收CO2的生态效益采用较多的造林成本（0.260 9元/kg）和碳税率法（1.245元/kg）［8］，两者差距较大，考虑碳税率的各国间标准不一，本文采用造林成本法计算吸收CO2价值参数。采用工业制氧成本（0.4元/kg）计算释放O2的价值参数。计算公式为:
V1i = (1.62 × PC +1.2 × PO ) × PASi （1）
式中：V1i为气候调节价值参数，元/hm2；PC为造林成本，元/t；PO为工业制氧价格，元/t；PASi为单位面积的干物质量，t/hm2。
基准状态下，海河流域农田干物质生产约为6.85t/hm2，折合气体调节参数为6 183.2元/hm2；人类活动影响条件下，海河流域农田的固碳能力由流域通过植物群落光合作用年内生产的有机物质确定，即由第一性生产力确定。本文采用Miami模型计算该流域的第一性生产力［9,18］。根据Liebig最小因子定律，选择由温度和降水所计算出的农作物NPP中较低者为当地的作物的NPP值。计算公式为：
NNPt =3 000/(1+e1.345-0.119t) （2）
NNPr =3 000× (1-e-0.000 664r) （3）
式中：t 为年均温，℃；r为平均降水量，mm；NNPt、NN Pr 分别为t、r求得的流域第一性生产力，g/（m2·a）。海河流域年平均气温由南往北和由平原向山地降低,年平均气温在1.5~14℃之间，本文计算气温取8℃，多年平均降水量535mm（1956—2000年）。计算得到NNPt 、NN Pr 分别为1 230.7和897g/（m2·a），取该流域每年的干物质的生产力为8.97t/hm2，折合价值参数为8 096.84元/hm2。
此外，1996 年丁建民等［10］计算得到我国1hm2 森林1 年可生产12.9t 干物质，即每年生产干物质12.9t/hm2，折合此项参数为11 644.3元/hm2。我国草地的产草量相对较低，自然亩产干草140~175kg［11］，海河流域草地大多数为自然草地，干物质按2 250kg/hm2 计算，折合此项价值参数为2 030.98元/hm2。湿地单位面积的干物质量0.57~10.0t/hm2 ［12］，海河流域的湿地单位面积的干物质取6t/hm2，折合此项价值参数为5 415.95元/hm2。
本文计算的气体调节价值参数远远大于谢高地等调查形成的生态系统服务价值单价，但是与国内对农田、森林、湿地等气体调节生态价值参数研究的结果接近，如肖玉等［8］2002年在上海五四农场稻田生态系统田间实验为基础，计算稻田气体调节功能的综合价值变化范围为（5.47~12.84）×103元/hm2。
3.2 水文调节服务价值参数
水文调节是生态系统的一个重要功能，使用影子工程法，评估其间接经济价值。在我国增容1m3水库库容的工程费用为0.67元（1991年不变价）［13］，水文调节服务价值参数计算公式为：
V2i = λ×&UPSilon;i （4）
式中：V2i 为水源涵养价值参数，元/hm2；λ为常数，0.67元/m3；υi 为单元面积的涵养水量，m3/hm2。
草地每年可涵养水资源量为年平均降水量与径流系数的乘积，参照对内蒙古草地水土流失的研究结果［14］，草地的径流系数为8.38%~19.75%，海河流域径流系数取其14.0%，年降水量以535mm计算，则海河流域草地涵养水源量为749m3／ hm2，两种情况下折合该项参数均为501.8元/hm2。河流的贮水水量为多年平均河流年径流的70%，海河流域多年平均年径流量220亿m3（1956—1998年），折合该参数为13 618.89元/hm2。森林据测算666.7hm2的面积涵养水源量相当于100×104m3容量的水库［10］，折合该项参数为1 004.95元/hm2。海河流域主要湿地的蓄水量约为1.0亿m3，折合该参数为6 354.7元/hm2。将水农田中稻田的水文调节价值视为等同于湿地，旱地水文调节价值参数等同于荒漠，折算该参数为277.6元/hm2。
3.3 食物生产价值参数
食物生产服务是生态系统最重要的功能。人类通过灌溉、施肥、人工培育等方式，在土地生产力中增加了人类活动因素的贡献度。粮食生产价值参数的计算公式为：
V3i = γi·τi （5）
式中：V3i 为食物生产服务价值参数，元/hm2；γi 为i种粮食价格，元/t；τi 为i种粮食平均产量，t/hm2。
假定基准状态下，海河流域的自然粮食产量［15］（无灌溉和施肥条件下）为750kg/hm2；2000年海河流域的粮食总产量4 956万t，平均粮食产量为3.1t/hm2。平均粮食价格为1 223元/t，折合农田食物生产服务价值参数分别为基准状态下为917.3元/hm2和修正后3 791.3元/hm2。此外，根据丁建民等［10］研究成果森林食物生产的平均收益282.17元/hm2。
3.4 原材料生产价值参数
木材、干草、麦秆等是自然界提供的原材料，是人类生产生活中不可缺少的一部分。原材料生产价值参数的计算公式为：
V4i = ρi · θi （6）
式中： V4i为原材料生产服务价值参数，元/hm2；ρi 为i 种原材料价格，元/t；θi 为i 种原材料产量，t/hm2。
我国草地的产草量一般不高，自然亩产干草140~175kg［11］，人工草地亩产产量达1 500~1 900kg，海河流域草地绝大部分为自然草地，取产量为2 250kg/hm2，干草的市场参考价格约为400~600元/t，本文取500元/t，折合为该项价值参数为1 125元/hm2。天然状态下海河流域麦秆和稻草产量与自然草地接近，取为2 625kg/hm2，而实际在人类劳动参与下约为6.1t/hm2，农田麦秆稻草等的市场价格在300~400元/t，本文取300元/t，折合该项参数分别为787.5和1 830元/hm2。木材的原材料生产相当于整个系统初级生产力的20%［16］，折合该项参数为天然状态下1 338.32元/hm2，人类活动影响下，为2 384.9元/hm2。
3.5 其他参数
其他参数可以参照其他相关研究或调研的经验值确定［5-6，17］。
4 计算与分析
由上述方法计算得到基准状态生态系统服务价值参数表，如表2所示。结合海河流域实际情况进行修正，得到修正后的海河流域的生态服务参数表，如表3所示。
表2 海河流域天然状态下的生态价值参数表（单位：元/hm2）
表3 海河流域人类劳动参与下的生态价值参数表（单位：元/hm2）
分别计算基准状态下和修正后的海河流域生态服务总价值，如表4、表5所示，计算公式为:
式中：P是研究区生态系统服务总价值，亿元；Vi 为单位面积上土地利用类型i 的生态系统服务功能总价值，元/hm2；Ai为研究区内土地利用类型i 的分布面积，hm2。
表4 天然状态下海河流域生态系统服务价值表
表5 人类活动影响下海河流域生态系统服务价值表
从不同生态系统类型的生态服务价值分布来看，在基准状态下该流域农田对生态服务价值的贡献率最大，农田的生态服务价值占了总生态服务价值的45.69%；其次为森林（35.69%），两类共占生态系统服务总价值的81.38%。进行修正后，该流域农田的生态服务价值占总生态服务价值的55.44%；其次为森林（29.82%），这两种类型占85.26%。从单位面积价值来看，基准状态下和修正后，海河流域的平均单位面积价值最高都是29 249.63元/hm2（如图1、图2）。
图1 生态服务价值参数对比
图2 生态服务价值总量对比
海河流域各类林地面积占总面积的18.99%，农田面积占总面积的50.17%。在海河流域这两种状态下土地的生态价值参数大小为：湿地>水域>森林>农田>草地>荒漠，生态价值总量大小为农田>森林>草地>水域>湿地>荒漠。由于海河流域农业发达，流域农田生态价值总量最大，修正后农田的生态服务价值参数比基准状态下将高出5 830.15元/hm2。
将生态价值参数划分为4个区间：低于5 000元/hm2，5 000~10 000元/hm2，10 000~15 000元/hm2，高于15 000元/hm2。基准状态下该流域绝大多数区域生态价值都低于10 000元/hm2，部分区域甚至平均生态价值低于5 000元/hm2，生态服务价值总体偏低，流域西北部山区平均生态价值量大于东南部平原，海拔低于200m的平原生态价值偏低，除河口部分区域，总体生态环境状态较差，海拔在200m以上的丘陵和山地地带，生态价值较高，对应的生态环境相对较好（如图3）。考虑食物和原材料生产等状况与基准状态下有所不同，农田、森林、草地的单位面积生态价值都有所增加，除了渤海湾周边区域及内陆部分地区，修正后流域总体生态价值较高（如图4）。
图3 基准状态下海河流域生态价值
图4 修正后海河流域生态价值
5 结论
由计算分析可得：海河流域经济发达，有北京、天津等几个特大型城市，2000年GDP总量高达全国总量的13%，该流域生态脆弱，生态环境的退化严重，但是生态系统仍有着巨大的生态服务价值。在基准状态下的生态服务总价值为3 638.45 亿元，相当于该流域2000 年社会经济系统创造GDP1.16万亿元的31.4%，修正后的生态服务总价值达到4 639.95亿元，相对于该流域2000年社会经济系统创造GDP1.16万亿元的40.0%。
由于我国人口众多，为确保粮食安全，农业开发将进一步加大，海河流域食物生产功能也将继续提高，农田生态服务价值总量比基准状态下增加的价值量高达930.19亿元。然而，本文没有考虑因稻田生态系统中还原性厌氧环境的存在，在水稻生育期会向大气环境排放温室气体（如CO2、CH4、N2O等）［18］，会降低其气体调节的生态服务价值，因此农田的生态价值参数还得进一步研究，并用恰当的经济和数学方法将其量化。由于资料不足，本文忽略了城乡和工矿用地的生态服务价值，没有考虑空间和时间的异质性，仅对人类活动影响较大的气体调节、水文调节、食物生产和原材料生产价值参数进行了修正，其他参数都是参照其他相关研究或调研的经验值确定，海河流域实际的生态价值进一步深入研究。
生态系统不仅为人类生产生活提供必需的食物和原材料,也为生命系统提供必需的自然条件和生态效用（如释放O2，吸收CO2）。各种土地利用类型中，湿地生态价值参数最大，土壤、水、植物和动物的相互作用下，能够发挥很多极其重要的功能，例如蓄水、调节洪涝、控制侵蚀、调节地下水、滞留营养物和污染物而净化水质以及稳定气候区域气候等。但近几年海河流域的湿地面积大幅下降，从20世纪50年代的9 000km2，缩减到2000年的1 054.33km2，仅为流域总面积的0.331 5%，故在该流域湿地的生态价值总量偏低。在不影响经济发展和粮食需求的前提下，保护并高效利用现有农田，并逐步将生态价值参数低的土地利用类型（如草地，荒漠）向生态价值参数高的土地利用类型（如森林，湿地）转变，减少对生态系统的破坏，可以实现经济发展与生态环境建设的协调发展。
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作者简介：杨朝晖（1982-），女，湖南人，博士生，主要从事水文水资源研究。
