地质通报  2020, Vol. 39 Issue (10): 1650-1662  
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王尧, 陈睿山, 夏子龙, 郭迟辉. 黄河流域生态系统服务价值变化评估及生态地质调查建议[J]. 地质通报, 2020, 39(10): 1650-1662.
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Wang Y, Chen R S, Xia Z L, Guo C H. The evaluation of ecosystem service value and its spatial change in the Yellow River Basin and suggestions from the ecological geology perspectives[J]. Geological Bulletin of China, 2020, 39(10): 1650-1662.
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基金项目

国家自然科学基金项目《基于风险的地质环境承载力理论与评价方法研究》(批准号:41641011)、中国地质调查局项目《资源环境地质调查数据集成与综合分析》(编号:DD20190427)、《资源环境重大问题综合区划与开发保护策略研究》(编号:DD20190463)和陕西省地质调查院公益性地质调查项目《陕西省地质调查中长期发展规划战略研究》(编号:201917)

作者简介

王尧(1979-), 女, 博士, 副研究员, 从事自然地理、地质调查战略研究。E-mail:wangyaopku@pku.edu.cn

文章历史

收稿日期: 2020-07-13
修订日期: 2020-08-19
黄河流域生态系统服务价值变化评估及生态地质调查建议
王尧1, 陈睿山2, 夏子龙2, 郭迟辉3    
1. 中国地质调查局发展研究中心, 北京 100037;
2. 华东师范大学, 上海 200241;
3. 中国地质大学(北京), 北京 100083
摘要: 黄河流域是中国重要的生态屏障,生态系统服务功能十分重要。基于ArcGIS、Google Earth Engine等平台,以黄河流经市域生成流域范围,对2000—2015年间黄河流域生态系统服务价值的变化进行评估,揭示生态系统服务功能的强弱及生态系统的稳定性状况,提出生态地质调查工作建议,为黄河流域国土空间优化、生态环境保护和高质量发展提供重要依据。评估结果表明,黄河流域生态系统服务以水文调节、气候调节、土壤保持调节服务为主,空间分布上呈"南高北低、上下游低、中游高"的空间特征。15年间,黄河流域生态系统总服务价值增长了33.4%,呈现"上游玉树-阿坝一带山区明显减少、中游黄土高原区显著增加、下游轻微降低"的空间格局特点,但总体上生态环境与经济发展处于低度协调状态,下游生态系统服务供给与需求之间存在空间不匹配问题。建议动态评估流域生态系统承载能力,聚焦关键过程、关键区域、关键要素,部署生态地质调查工作,提升生态系统服务价值,优化流域国土空间结构。
关键词: 黄河流域    生态系统服务价值    国土空间    生态地质    环境经济    自然资源管理    
The evaluation of ecosystem service value and its spatial change in the Yellow River Basin and suggestions from the ecological geology perspectives
WANG Yao1, CHEN Ruishan2, XIA Zilong2, GUO Chihui3    
1. Development and Research Center of China Geological Survey, Beijing 100037, China;
2. East China Normal University, Shanghai 200241, China;
3. China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China
Abstract: Yellow River basin has significant ecological value for China, and hence the ecosystem service within the basin is very important. In this paper, the authors chose the municipalities through which the Yellow River is flowing as the study areas, assessed the value of ecosystem services in the basin, and detected the hotspot of the ecosystem services and resilience of the ecosystem. This is a fundamental issue for ecological environment protection and high-quality development of the Yellow River basin. Based on ARCGIS software and Google Earth Engine platform, the authors quantitatively evaluated the changing value of ecosystem services in Yellow river basin and its spatial dynamics, then put forward several suggestions for eco-geological arrangement. The results show that the dominant ecosystem services in the Yellow River basin are hydrological regulation, climate regulation, and soil conservation. For the whole basin, the ecosystem services value in the Yellow River basin increased 33.4% from 2000 to 2015, within which that of the upper stream areas like Yushu-Aba mountain areas decreased significantly, that of the loess plateau increased significantly, and that of the lower river basin decreased slightly. The ecological environment and economic development have low coordination state. There is a spatial mismatch between the ecosystem services supply and demand in the lower river basin. To restore and maintain the ecosystem services and function in the Yellow River basin, the authors put forward several suggestions from the ecological geology perspectives: carrying out ecological geological survey, monitoring and evaluation based on earth system science theory; creating a systematic ecological geology survey institution for the whole basin; developing a system of survey, monitoring and management to achieve the "smart river basin"; evaluating the carrying capacity of the river basin through the time; focusing on critical process, focal regions, key factors and then deploying the ecological geologic survey. The authors' aim is to improve the ecosystem services value, and optimize the land use configuration of the whole river basin.
Key words: Yellow River basin    ecosystem services    spatial structure of national land use    ecological geology    environmental economy    natural resource management    

生态系统服务指生态系统所形成和维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用,是人类直接或间接从生态系统得到的所有收益[1]。黄河流域是中国重要的生态屏障,拥有多个国家重点生态功能区,生态系统服务功能十分重要。黄河流域在近40年的经济快速发展的同时,面临水资源短缺、环境污染、自然生态系统面积减少、生物多样性降低、生境破碎、生态灾难频发等系列资源环境问题[2]。从“十八大”报告提出的“把生态文明建设放在突出地位”,到2019年习近平总书记提出的实现黄河流域生态保护与高质量发展,都是要求在发展经济的同时加强生态保护,在发展与保护之间找到平衡点,实现“双赢”。对黄河流域生态系统服务价值变化进行评估,可为流域生态地质调查、生态环境保护、国土空间规划、环境经济核算、生态补偿等决策提供重要依据,也是实现流域高质量发展的关键。

生态系统服务评价开始于20世纪50年代。1951年,美国水资源委员会发表的《流域经济分析的实践建议》从经济学的角度对流域进行定量分析,成为生态系统服务经济价值研究的起始点[3]。之后,通过损害成本法、收益转移、条件价值法、享乐价格和交通成本法、当量因子法、能值分析法等多种方法将生态系统服务的经济价值和一部分社会文化价值币值化[4]。国外已经对密西西比河流域[5]、亚马逊流域[6-7]、湄公河流域[8]进行了生态系统服务的评估,为系统了解流域生态环境问题及产品和服务供给能力提供了基础。中国也针对黄河流域的区域生态系统服务价值估算开展了大量理论与技术方法研究,如牛叔文[9]估算了黄河上游玛曲地区的生态系统服务价值,宋伟伟等[10]计算了兰州地表水生态服务价值,张楠等[11]定量计算了陕西省安塞县1999—2010年的退耕林生态系统服务价值,丁辉等[12]估算了黄河上游甘南段生态系统服务价值,杨荣等[13]对黄河包头湿地生态系统服务价值进行了货币化估算等。但大多数研究集中于流域局部区域或个别生态系统类型中,缺乏对黄河流域整体性、包含各生态系统的生态系统服务价值及其变化的研究。

本次研究结合国内外经验,根据黄河流域实际情况,以黄河流域整体为研究对象,并考虑公众和决策者对生态服务的理解状况,将生态服务划分为供给服务:食物生产、原材料生产、水资源供给,调节服务:气体调节、气候调节、水文调节、净化环境,支持服务:土壤保持、维持养分循环、生物多样性,文化服务:美化景观,四大类11项服务,将生态系统类型划为森林、草地、农田、湿地、水体和荒漠6类。定量分析流域生态系统服务功能的空间变化和价值变化,揭示黄河流域生态系统服务功能的强弱及生态系统的稳定性状况,有助于管理者对黄河流域生态系统所提供服务的类型、大小与相对组合进行权衡管理,可以为流域国土空间结构的优化调整和自然资源综合管理提供决策依据。

1 研究区概况

黄河干流河道全长5464 km,流经9省71个市(包括州、盟),本次研究以流经市域范围作为流域范围,流域总面积198.46×104 km2。流域内土地、矿产、水资源等自然资源非常丰富,具有极大的发展潜力,在中国经济社会发展和生态环境安全方面具有十分重要的意义。从黄河流域2015年生态系统服务价值分布图(图 1)可知,黄河流域11种生态系统服务价值总量在2015年达到5.03亿元,占当年流域GDP总量的43%;流域生态系统服务以水文、气候、土壤保持调节服务为主,三者占总生态服务价值比重分别为25.7%、20.0%、18.0%;流域生态系统服务价值空间分布上呈“南高北低、上下游低、中游高”的空间特征,中游地区大于下游地区,下游地区大于上游地区。其中,生态系统总服务价值最高的区域为甘肃省南部、阿坝藏族羌族自治州和陕西省,每公顷超过3万元,部分地区大于8万元。

图 1 2015年黄河流经市域生态系统服务价值分布图 Fig.1 Distribution of ecosystem service value of the city through which the Yellow River was flowing in 2015
2 数据来源与方法

研究数据来自中国科学院资源环境科学数据中心提供的2000年、2005年、2010年、2015年4期中国陆地生态系统服务价值空间分布数据集、基于DEM提取的中国流域、河网数据集等[14-15]。其中,陆地生态系统服务价值空间分布数据是以中国陆地生态系统类型遥感分类结果为基础,根据谢高地等[16-17]的生态服务价值当量因子法,借助全国净初级生产力、土壤保持空间分布数据、降水量,分别对生态系统内各服务价值当量因子价值进行一定的调整,计算得到全国范围内食物生产、水资源供给、水文调节等11种生态服务价值,单种生态服务价值求和得到总服务价值。研究还使用了北京大学城市与环境学院地理数据共享服务平台(http://geodata.pku.edu.cn)提供的2015年中国地市行政边界数据。

借助ArcGIS空间分析功能,按黄河流经地市边界范围重新提取生成黄河流域边界数据,从4期中国陆地生态系统服务价值数据中提取生成黄河流域生态系统服务价值数据。运用Google Earth Engine平台提供的统计分析函数工具,采用线性回归[18-19]、滑动平均[20-21]和Sen’s斜率估计[22]等趋势分析方法,评估黄河流域四大类共11种生态系统服务价值的变化速率,最终得到1 km×1 km分辨率流域每公顷十一种生态服务价值,以及总生态服务价值年变化速率的空间分布图。

3 单项服务价值变化评估 (1) 食物生产和原材料生产价值变化

2000—2015年,流域食物生产价值和原料生产价值均呈递增趋势(图 2),玉树—阿坝一带山区和下游引黄灌区减少明显。其中,食物生产价值由1027亿元上涨到1727亿元,上涨了68%;原料生产价值由990亿元上涨到1554亿元,上涨了57%。

图 2 2000—2015年原料和食物生产价值变化 Fig.2 Changes in the value of raw materials and food production during 2000—2015

宁夏河套平原、黄河三角洲地区农田面积呈增加趋势,且宁蒙河套平原、汾渭盆地农田生产潜力增长趋势较大,食物生产价值增加。下游引黄灌区的河南和山东两省,农田总面积显著下降,食物生产价值呈减少趋势。其余地区变化速率较低。

(2) 气体和气候调节价值变化

黄河流域的不同生态系统通过其系统内部水分的蒸发、蒸腾、光合作用等一定的调温和减弱温室效应功能,其中森林和湿地是气体和气候调节功能的主要承担者。2000—2015年,黄河流域气体调节价值总体上呈递增的趋势(图 3),由2974亿元上涨到4690亿元,增长幅度为58%,其中在2005—2010年间增速放缓。2000年黄河流域气候调节价值为7223亿元,到2015年为止为10889亿元,增长近51%。气候调节价值变化和气体调节变化趋势大致相同,增长速率高的地区主要为黄土丘陵沟壑区、榆林地区、陇中黄土高原区、汾河盆地等地区,主要是由于该地区植被(森林和草地)逐渐恢复。

图 3 2000—2015年气体和气候调节价值变化 Fig.3 Change in the value of gas and climate regulation during 2000—2015

上游西部玉树地区作为全球气候变化的敏感区,受温室气体排放加剧影响比流域其他地区更显著,增温幅度最大,调节价值变小。上游非保护区域过度放牧、中游地区工农业用水激增,导致河流下泄量日趋减少,使下游河床、湖泊干涸,地下水位下降,湿地、草地生态系统退化明显,导致气体和气候价值减少。

(3) 水资源供给价值变化

提供淡水是流域生态系统的服务功能之一。流域资源型缺水禀赋条件长期存在,不考虑冰川融水的生态系统服务流的变化,受整体气候暖干化影响,流域水资源供给价值整体减少(图 4)。在2000—2005的5年间由818亿元上升22.9%,达到1005亿元,但是在2005年后持续下降,下降20.6%,降至798亿元。

图 4 2000—2015年水资源供给和水文调节价值变化 Fig.4 Change of water resources supply and hydrological regulation value from 2000 to 2015

黄河上游青铜峡以上流域受气候暖干化影响,径流量和水资源供给价值呈减少趋势,主要是汛期降水减少,非汛期降水增加,非汛期产流系数低于汛期;大范围长历时有利于产流的降水过程减少,降水日数减少;降水强度有所增加,局地暴雨增多,以及增温影响。局部海西地区因为气候暖湿化影响,降水量增多,径流量增加。中部宁夏平原、河套平原、黄土高原区、泾河流域、渭河流域,以及下游黄河三角洲等地,由于植被恢复,水土流失得到有效控制,降雨量增加,径流量呈增加趋势,水资源供给价值呈增加趋势。

(4) 水文调节价值变化

生态水文调节可以理解为生态系统通过水库、湖泊、沼泽等对降水截留、过滤、吸收作用等改变降雨径流的时空分配,在一定程度上起到削峰补枯、缓和地表径流、增加地下径流等的作用。黄河流域水文调节价值在2000—2015年间呈先增后减的趋势(图 4),2005年为转折点。其中,在2000—2005年间,黄河流域水文调节价值由1.07万亿增长到1.29万亿元,增长了20%。但是2005年后,水文调节价值不断降低,降到1.06万亿元,下滑18%。

黄河流域水少沙多,水沙关系不协调。除中游鄂尔多斯高原、汾渭盆地,上游海西、海北及阿拉善盟西部暖湿化地区,下游黄河三角洲地区增加外,大部分地区减少。流域水文调节价值的减少除与大尺度的气候变暖有关外,区域尺度的植被覆盖变化和人类用水量(如农业灌溉)的增加也是不可忽视的原因。在黄河上游,气候变化的影响占主导地位;在中下游,人类活动的影响甚至与气候变化作用旗鼓相当。

(5) 生物多样性调节价值变化

生物多样性对于保持水土、调节气候、维持生态平衡、稳定环境具有关键性作用。黄河流域生物多样性调节价值在2000—2015年呈递增趋势(图 5),由2000年的3012亿元上涨到4775亿元,增幅59%,其中在2005—2010年间变化较平缓。

图 5 2000—2015年生物多样性调节和净化环境价值变化 Fig.5 Changes in the environmental value of biodiversity regulation and purification from 2000 to 2015

宁蒙河套平原、黄土高原、西北暖湿化地区等大部分地区生物多样性价值呈增长趋势。而上游生态环境脆弱区、下游城市化扩张严重地区,存在河流空间过度管控、生态空间被挤占、水资源过度开发等问题,导致一些重要生态空间与干支流重要廊道的生态功能遭到破坏。

(6) 净化环境价值变化

净化服务是生态系统重要的生态服务之一,通过生态系统的生态过程,在一系列物理、化学和生物作用下,将废弃物降解和净化。2000—2015年黄河流域的净化环境价值呈递增趋势(图 5),由2396亿元增加到4099亿元,增加了1703亿元,占2000年价值总量的71%。

山区生态脆弱区、关中-天水经济区、下游中段等地区存在农业面源污染、河流底泥污染问题,部分河段纳污超载问题严重,净化环境价值呈减少态势。流域大部分地区净化环境价值呈增加趋势,流域内生态环境正在得到积极有效的恢复。

(7) 土壤保持价值变化

2000—2015年呈现“增-减-增”的变化趋势(图 6),2000年初总价值为6810亿元,到2005年为止增加到8916亿元;之后到2010年减少到8088亿元。2010年后,土壤保持价值缓慢上升到8498亿元,整体上呈增加的趋势,增长了19%。土壤保持价值减少地区主要位于晋陕峡谷段和汾河地堑地区。黄河晋陕峡谷段黄土侵蚀严重,是主要的产沙段,尤其是西部黄土高原,黄土高原沟谷发育与黄河阶地相对应[23],下游阶地级数多,黄土侵蚀破碎严重,沟谷长[24];上游阶地级数少,黄土较为完整,沟谷较短。汾河地堑地区第四纪早中期发育的河流也对盆地边缘的黄土造成强烈侵蚀,黄土多支离破碎,很少残留塬面,沟谷多为老年U型沟谷[25-28]。流域整体上土壤保持价值呈增加趋势,和流域内荒漠的减少、植被覆盖的增加有密不可分的关系[27]。从2000年开始流域荒漠化扩展得到遏制,流域中游黄土高原蓄水保土能力显著增强,实现了“人进沙退”的治沙奇迹[28]

图 6 2000—2015年土壤保持和维持养分价值变化 Fig.6 Changes in the value of soil conservation and maintenance nutrients from 2000 to 2015
(8) 维持养分循环价值变化

养分元素的循环利用是黄河流域内生态系统主要的功能之一。2000—2015年,流域内维持养分循环价值呈递增趋势(图 6),2000年价值总量为324亿元,15年内上涨了57%,达到509亿元。下游沿黄农业生产基地、关中—天水经济区、玉树—果洛—阿坝一带山区等地维持养分循环价值呈减少趋势。宁夏平原、内蒙河套平原、汾渭盆地、甘肃南部,以及延安黄土丘陵沟壑区等地区维持养分循环价值显著增加[29]

(9) 景观美学价值变化

景观美学是景观服务的重要组成部分。2000—2015年,黄河流域景观美学价值总体上呈递增趋势(图 7),由1353亿元跃为2206亿元,增长幅度达63%。中上游和西北部地区随着植被恢复、荒漠化遏制、水多沙少等情况的改善,景观美学价值不断增加。但玉树—阿坝—商洛一带林木分布转向由单一树种或生态特性相似的树种组成的单纯林为主趋势,景观美学价值降低。近30年流域内湖泊湿地、沼泽湿地、河口滩涂湿地等重要自然湿地分别减少25%、21%和40%,而景观单一的人工湿地面积增加60%以上。黄河下游滩区居住有190万居民,开发建设活动密集,存在三角洲侵蚀衰退、河流廊道破碎化严重现象[30-32]

图 7 2000—2015年美学景观价值变化 Fig.7 The change of aesthetic landscape value from 2000 to 2015
4 总服务价值变化评估

(1) 总生态系统服务价值除水文调节和水资源供给服务呈下降趋势外,总体呈上升趋势。流域总服务价值呈上升趋势。除水文调节和水资源供给服务先增后减,呈下降趋势外,其他9项服务均呈增加趋势。通过对流域食物生产、原材料生产、水资源供给等11项生态服务价值进行求和,得到流域总生态服务价值。2000年流域总生态服务价值为3.77万亿元,2005年上涨22%,为4.59万亿元,2010年下降到4.48万亿元,到2015年又上涨至5.03亿元,相比2000年增长了33.4%。

(2) 总生态系统服务价值呈现上游南部山区明显减少、中游黄土高原区显著增加、下游轻微降低的空间格局特点(图 8)。

图 8 2000—2015年总生态服务价值变化速率空间分布 Fig.8 Spatial distribution of the change rate of total ecological service value from 2000 to 2015

① 上游属于青藏高原和西北部干旱风沙区,物质变化和能量转换缓慢,抗干扰水平和自我平衡水平较差,一旦遭到破坏将很难逆转,生态环境脆弱性高,受全球气候变化影响,玉树—果洛—阿坝一带山区以及青海湖服务价值呈明显下降趋势;②中游黄土高原区生态服务价值增加尤为明显,增幅达48%,其南部改善面积较大而北部地区改善速度缓慢,价值增加主要是因为近年生态保护与修复取得积极有效的成果,森林植被覆盖率大幅度提高,荒漠化趋势得到遏制,生物多样性逐步提高,以国家公园为主题的自然保护地体系逐步完善;③中游太行山区和下游引黄灌区地区等城镇化率高的地区资源开发、工程建设等人类活动易于破坏原有的自然环境,导致其生态功能受损,服务价值降低。

(3) 价值总量增长了33.4%,但增速低于GDP增速,生态环境与经济发展处于低度协调状态。流域生态系统服务价值增速低于经济发展增速。2000年、2005年、2010年、2015年GDP分别为14555亿元、52249亿元、66089亿元、116236亿元,生态服务价值占GDP比例由315%、85%、76%,下降至43%,生态系统服务价值和GDP变化率比值为0.048,生态环境与经济发展处于低度协调状态。

(4) 服务供给与下游人口聚居的服务需求之间存在空间不匹配问题。服务供给与需求之间存在空间不匹配问题。如黄河流域生态系统服务分布呈南高北低、上下游低、中游高的空间特征,而上下游由于生态退化其生态系统服务价值在持续下降。下游河南、山东人口密度高、数量大,生态系统服务供给与人口聚居的服务需求之间存在空间不匹配(图 8)。

5 基于生态系统服务价值评估的生态地质调查工作建议

为恢复、维持进而提高黄河流域生态系统服务功能,针对黄河流域生态系统服务价值变化,从生态地质工作角度出发,提出如下建议。

(1) 动态评估流域生态系统承载力。根据生态系统服务价值变化格局,动态评估黄河流域生态系统承载力,分析生态系统服务在区域之间的流动,积极调整和改善国土空间利用类型结构、地质调查工作部署,实施生态恢复措施,为保护生态系统服务和增强流域可持续性提供有用的信息。

(2) 聚焦关键过程、关键区域、关键要素,开展生态地质调查工作,提升生态系统服务价值,优化流域国土空间结构。其中,在食物生产和原材料生产价值减少明显区,开展土地资源及其利用问题调查研究,开展清洁能源和关键矿产绿色勘查开发;在水资源供给价值减少区,开展“气候-水-人类活动”相互作用机理研究,开展水资源系统行星边界研究,优化配置流域水资源;在气体和气候调节价值下降区,开展气候变化应对研究,分区实施植被恢复措施;在水文调节价值下降区,开展气候变化对水源涵养功能退化影响机制研究,开展重大水利工程环境效应调查研究;在生物多样性调节价值减少明显区,在典型地区建立生态修复示范,开展湿地生态系统修复;在净化环境价值呈减少态势区,开展水体富营养化、土壤污染问题和矿山地质环境问题调查研究;在土壤保持价值明显减少区,开展黄土斜坡水文-应力响应机制研究,查明淤地坝溃决风险;在维持养分循环价值减少区,开展流域生态系统承载力研究;在景观美学价值下降明显区,开展生态林业建设,开展地质遗迹调查、旅游廊道和国家公园建设。

6 结论

(1) 黄河流域生态系统服务价值以水文调节、气候调节、土壤保持调节服务为主,空间分布上呈“南高北低、上下游低、中游高”的空间特征。

(2) 2000—2015年黄河流域生态系统11种类型服务中,水文调节和水资源供给服务以2005年为转折点,呈先增后减整体小幅下降的趋势,分别减少1%、2.3%;其他9项服务呈波动或递增上升趋势,除土壤保持价值小幅增长19%外,其他均大幅上涨50%以上,净化环境价值涨幅高达71%。

(3) 相比2000年,2015年黄河流域生态系统总服务价值增长了33.4%,呈现“上游玉树—阿坝一带山区明显减少、中游黄土高原区显著增加、下游轻微降低”的空间格局特点;服务价值增速远低于GDP增速,生态环境与经济发展处于低度协调状态;下游生态系统服务与需求之间存在空间不匹配问题。

(4) 从生态地质调查工作角度出发,建议动态评估黄河流域生态系统承载能力,聚焦关键过程、关键区域、关键要素,开展黄河流域生态地质调查工作,提升生态系统服务价值,优化国土空间结构。

致谢: 审稿专家对本文提出了许多建设性的修改意见,使文章得到了极大的提升;发展中心战略与情报研究室的全体同事对该工作的开展给予了大力支持,在此一并感谢。

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