基于AnnAGNPS模型的三峡库区秭归县生态服务价值

田耀武,黄志霖,肖文发 (1.河南科技大学林学院,河南 洛阳 471003；.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,国家林业局森林生态环境重点实验室,北京 100091)

基于AnnAGNPS模型的三峡库区秭归县生态服务价值

田耀武1,2,黄志霖2*,肖文发2(1.河南科技大学林学院,河南 洛阳 471003；2.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,国家林业局森林生态环境重点实验室,北京 100091)

利用三峡库区秭归县统计和调查资料,并基于AnnAGNPS模型获取秭归县1985、1990、2000、2007年径流、土壤侵蚀和养分流失等数据,客观计量秭归县年际生态服务物质量,进而估算各年际生态服务价值量.结果表明,1985～2007年,秭归县生态服务物质量均发生了变化.2000年径流、泥沙、总氮、总磷和有机碳的年输出量最高,分别为473mm、68.6t/km2、133kg/km2、33kg/km2和684kg/km2,而2007年上述指标最低,分别为419mm、40.6t/km2、112kg/km2、20kg/km2和445 kg/km2,分别下降了12.8%、68.9%、18.7%、65.4%和53.5%;1985～2007年秭归县生态服务价值也发生了变化,2000年最低,为45.1亿元,2007年最高,为54.2亿元,增加了20.1%.利用调查统计和模型输出的方法进行生态服务价值量的计量较为客观准确,避免了一些计算上的不确定性,但该方法所需数据量庞大,可能会限定其他地区的应用.

AnnAGNPS模型；生态服务价值；秭归县

目前有关生态服务价值估算方面的研究多集中于森林生态系统[1-3]和行政区域[4-5]的大体估算,计量方法多是利用单位面积价值对总量的静态估算[6-10].这些研究对生态系统类型、质量状况的时空差异缺乏考虑,结果难以反映生态系统生态服务价值在时间和空间分布上的真实状况

[11].同时,不同学者采用不同方法得出的生态服务价值量差异较大,不确定性较高,结果难以判定.本文利用秭归县统计公报资料,并依托国家林业局三峡库区秭归县森林生态定位站对对秭归县杉木溪、兰陵溪等流域植被生产力、气候、土壤、水文的监测数据,借助AnnAGNPS模型强大的径流泥沙等模拟输出功能,较为精确地计量秭归县1985、1990、2000和2007年径流、泥沙、总氮总磷等输出量,进而客观评定秭归县22年间生态服务价值量的变化,以期为区域生态服务价值评定提供新思路.

1 材料与方法

1.1 秭归县概况

秭归县位于湖北省西部,(110°18′E～110°0′E, 30°38′N～31°11′N),总面积 2427km2,长江横贯中部,流长64km,与境内8条溪流形成“蜈蚣”状水系,境内四周高,中间低,呈东西开口的不规则盆状分布.秭归县地处中纬度,属亚热带大陆性季风区,多年平均降雨量 1439mm,年际差异大,年内降雨分布为单峰型(5～8月占全年68%).土壤类型有黄壤、黄棕壤、棕壤、石灰土、紫色土、潮土、水稻土等 7类,分别占林地和耕地的 14.34%、28.22%、0.15%、35.93%、17.91%、0.23%和3.22%.

2000年起秭归县开始推行退耕还林,2002年秭归县兰陵溪被国家林业局确定为全国退耕还林模范流域,流域＞25°农坡地开始实施退耕还林工程,2005年全县部分流域＞15°农坡地开始实施退耕,2007年农地、林果地开始实施坡改梯、免耕、缓冲带等生态防护工程.目前,全县流域水土保持效果显著,生态环境效益得到明显提高.

1.2 AnnAGNPS 模型

AnnAGNPS模型是USDA-ARS与NRCS联合开发的参数分布式、基于物理过程、连续模拟、流域尺度的高级流域评价工具,最新版本为AnnAGNPS4.0(2007).AnnAGNPS模型直接替代了其前身场次模型 AGNPS,实现了与 ArcView 3.x界面的高度集成.模型主要包括水文、土壤侵蚀、化学物质输移3大模块.水文计算法则为土壤水分平衡方程与地表径流模型 (SCS-CN)[12].泥沙输出计算法则为修订的通用水土流失方程RUSLE;氮的矿化平衡计算法则为EPIC模型,逐日计算氮磷等的吸收、降解,并按可溶态和颗粒吸附态计算并输出.其详细介绍可参考有关文献

[13-14].据田耀武等[15]和黄志霖等[16-18]有关研究,AnnAGNPS模型对秭归县地理气候条件下流域尺度径流模拟的Nash-Sutcliff效率系数、百分误差、决定系数校准期为 0.87、5.0%、0.93,验证期为 0.79、5.3%、0.90;模型对泥沙模拟的Nash-Sutcliff预测效率系数、百分误差、决定系数校准期为0.77、-15.1%、0.63,验证期为0.69、-13.5%、0.66,模拟输出精度达到研究要求.

根据秭归县四周高,中间低,呈东西开口的不规则盆状地形特点,把秭归县数字高程模型DEM 首先进行行政区边界切割,使之符合AnnAGNPS模型模拟条件,然后进行秭归县域条件下的NSP输出和管理,为模型应用于行政区区域和行政区NSP管理提供新思路.

1.3 模型数据库构建

模型数据库主要包括数字高程模型(DEM)、土壤属性、土地利用和流域管理等数据.DEM采用国家测绘部门20m等高距1:50000地形图件作为基本地形信息源,按照国家地形图数字化技术规范标准矢量化等高线,利用ArcView GIS 3.2双线性内插重采样方法生成 20m[15]水平格网尺度DEM.在地形图上随机选择 50个点作为高程控制点,视其高程值作为准值,检验对应 DEM 栅格点的高程采样精度;在流域内随机布设300个点,GPS定位并量测地面实际坡度,计算DEM提取地面坡度的中误差[19].

矢量化土壤、土地利用资料数据,形成soils.shp和fields.shp 输入文件;作物参数由模型手册和现场调查确定;化肥施用量、无机有机肥比重、施肥深度等由现场调查统计来确定.以上流域管理资料由模型编辑模块InpEdit输入.

秭归县1985、1990、2000、2007年土地利用数据由中国科学院南京土壤研究所提供.基于确立的4个年份,按照上述建库方法产生4个相应的AnnAGNPS.inp模型文件.

气象文件Dayclim.inp由模型编辑模块逐日输入秭归县上述4年份最低最高气温、降雨量、风速、云量和露点温度等6类气象要素数据产生,气象数据由秭归县气象部门提供.分别加载4个年份之模型的气候文件,利用模型污染负荷模块进行流域径流、泥沙、总氮、总磷和有机碳输出.

1.4 生态服务价值量的确定

基于以上获得的数据,确定并计量秭归县固碳、释氧、固土、保肥、生产有机物、水源涵养等6项生态服务价值.

参考李长荣等[2]、张榕等[20]、何浩等[11]以及国家林业局2008年发布的行业标准《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721－2008),确定固碳、释氧和生产有机物价值量(图 1).变更1985、1995、2000、2007等4年份土地利用方式中林地、农地属性为无林地、废弃地(裸地)[21-22],使用 AnnAGNPS模型输出流域更改属性后4个年份之径流、泥沙、养分等物质量.同一年份 2次输出之差作为该年生态效益物质量

[6-10],利用图1方法确定固土、保肥、水源涵养等生态服务价值.

图1 秭归县生态服务价值估算流程Fig.1 Flow charts of ecosystem service value assessment in Zigui county

2 结果与分析

2.1 土地利用变化

秭归县的土地利用变化,包括土地利用结构变化和土地利用时空格局变化两部分.图2显示了秭归县1985、1990、2000、2007等4年土地利用类型的面积和构成比例.4年间土地利用类型均以林地和农地为主,二者合计占全县总面积的 80%以上;其次为草地,1985年草地占12.7%,1990年占11.6%,2000年占11.3%,2007年减少到9.1%;建设用地和水域面积所占比例较小,说明22年来土地利用结构变化不大.

2.2 径流、泥沙、总氮、总磷物质量的变化

模型模拟结果显示(表 1),退耕还林前(2000年)全县土壤侵蚀量约为68.6t/km2,至2007年已下降到40.6t/km2.在各土地利用类型中,坡耕农地是产生土壤侵蚀的重要区域,2001年玉米和花生间作观测区的土壤侵蚀模数高达 899t/km2,为相同坡度条件下有林地的198倍[15-17].

1985年全县径流、泥沙、总氮、总磷和有机碳输出量(表 1)分别为 429mm、47.7t/km2、113kg/km2、15kg/km2和453kg/km2,5年后的1990年,其径流、泥沙、总氮、总磷和有机碳输出量分别为455mm、56.8t/km2、132kg/km2、26 kg/km2和 678kg/km2,当地的毁林造田使上述指标分别增加了 6.1%、19.1%、16.8%、73.3%和 49.6%.到2000年,其径流、泥沙、总氮、总磷和有机碳输出量分别为473 mm、68.6t/km2、133kg/km2、33kg/km2和684kg/km2,与1985年相比,分别增加了10.3%、43.8%、17.6%、120%和50.9%.与2000年相比,2002年起实施的退耕还林工程(2007年数据)使径流、泥沙、总氮、总磷和有机碳输出降低了 12.8%、68.9%、18.7%、65%和 53.7%,泥沙输出量已低于1985年全县泥沙输出量.但总氮、总磷和有机碳的输出量仍较高,说明退耕还林工程对泥沙削减效果大于对氮、磷的削减,要从根本上控制氮、磷的削减,还要合理使用化肥量,提高农业管理水平.

表1 秭归县径流、泥沙、总氮、总磷、有机碳输出的变化Table 1 Changes of runoff, sediment yield, tota nitrogen, total phosphorus and total organic carbon exported from Zigui county

2.3 生态服务价值量的变化

由表2可知,从1985年到1990年,林地、草地、建设用地等生态服务价值均有所下降,下降幅度为林地＞草地＞建设用地.其中林地减少了4.28亿元,草地减少0.42亿元,建设用地减少0.38亿元.同一时期农地生态服务价值增加了2.62亿元,主要是由于农地面积的增加.从1990到2000年,各土地利用类型增加和减少的生态服务价值趋势与前一阶段相同.从 2000开始,由于林地面积的增加和林地生态防护功能的增强,林地生态服务价值持续地增加;农地面积虽然有所减少,但由于大部分流域实施的农田生态防护工程,特别是减少了农地土壤流失,所以农田生态服务价值也有所增加.2007年与2000年相比,林地和农地生态服务价值量分别增加了 8.52和 2.27亿元,增加了25%和20%.由于草地在这一阶段转化为建设用地和水域,这一阶段草地生态服务功能下降了 0.6%;建设用地的急剧扩大,使其生态服务价值下降了1.6亿元.

1985年,秭归全县生态服务价值为49.2亿元,由于不断的毁林造田使生态服务价值下降,到 1990年下降为46.8亿元,下降了4.9%.到2000年实施退耕还林前,秭归县生态服务价值下降到了45.1亿元.从 2000年实施退耕还林工程后,流域生态服务价值逐步上升,2007年秭归县生态服务价值达到了54.2亿元,比2000年增加了9.1亿元,同时也超过了1985年全县生态服务价值.

表2 秭归县退耕还林不同年份生态服务价值的变化(亿元)Table 2 Changes of ecosystem service value of different CCFP scenarios in Zigui county(×108 yuan)

3 讨论

相对于常见的生态系统生态服务价值评估方法,本文提出了一种新的计量方法和评估模式:首先通过采用模拟精度比较高的AnnAGNPS[15-17]模型,建立GIS数据库,较为客观和准确地计量了三峡库区秭归县 1985、1990、2000、2007年径流、泥沙、总氮、总磷等物质输出量,进而估算出了全县生态服务价值量,减少了生态服务价值评估中的不确定性;二是实现了全县生态服务价值的科学评定.如对 2000年到2007年间农田生态服务价值评估上,按照静态估计方法进行单位面积价值对总量的静态估算时,从水土保持方面上看,生态服务价值肯定会减小,但实际上由于农地采取了坡改梯、免耕作等一系列水土保持措施,水土保持功能发生了变化,径流、泥沙、总氮、总磷等输出物质量得到了控制,生态服务价值随之增加,这也说明目前生态服务价值静态评定的局限性.三是为我国退耕还林工程下一步的实施方向提供了理论基础.实施退耕还林工程后,泥沙、总氮、总磷的输出明显减少,但输出量还相对较大.对于一个区域而言,农地不可能全部实施退耕还林,所以还要推广免耕、坡改梯等生态防护工程,进行合理的科学施肥等流域管理措施,才能更好地发挥退耕还林流域生态效益,减少泥沙和养分的输出.

本文提出的实地监测和AnnAGNPS模型输出的方法也具有一定的不足,如模型自身的一些不确定性因素[15-17]使模型输出上还存在有一定的误差;由于林木生长周期的长期性,农地在实施退耕还林后,生态服务价值并不能立刻显示出来,但模型在对林地参数率定时,要输入成熟林分的一些属性,这将对生态服务物质量的输出产生误差.特别是实地监测周期长,模型所需数据量庞大,过程繁杂,某些模型参数较难获取,在生态服务价值评定中该方法受到一定的限制.

4 结语

从1985到2007年,三峡库区秭归县生态环境效应产生了明显的变化.退耕还林起始阶段的2000年,生态系统受损程度最高,径流、泥沙、总氮、总磷和有机碳的输出量最大,分别为473mm、68.6t/km2、133kg/km2、33kg/km2和 684kg/km2. 2002年实施退耕还林和生态防护工程后,生态功能得到恢复,上述指标2007年变化为419mm、40.6t/km2、112kg/km2、20kg/km2和 445kg/km2. 1985到2007年秭归县生态服务价值也发生了变化,生态服务价值量最低的 2000为 45.1亿元,2007年上升为54.2亿元,增加了20.1%.

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Ecosystem service value changes of Zigui county in Three Gorges Reservoir area based on AnnAGNPS model.

TIAN Yao-wu1,2, HUANG Zhi-lin2*, XIAO Wen-fa2(1.Forestry College, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003,China；2.Key Laboratory of Forest Ecology and Environment, State Forestry Administration China, Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, Chinese Academy Forestry, Beijing 100091, China). China Environmental Science, 2011,31(12)：2071～2075

The changes in value of ecosystem services of 1985, 1990, 2000, 2007 in Zigui county in Three Gorges Reservoir area was studied using statistical and observed data, and annual runoff, sediment yield, nitrogen and organic carbon exported from Zigui based on AnnAGNPS (Annualized AGricultural Non-Point Source) model. Runoff, sediment yield, total nitrogen, total phosphorus and total organic carbon of 2000 exported from Zigui county were the highest, which were 473mm, 68.6t/km2, 133kg/km2, 33kg/km2and 684 kg/km2, respectively. All the above quantities of 2007 were the lowest, which were 419mm, 40.6t/km2, 112kg/km2, 20kg/km2and 445kg/km2, and which reduced by 12.8%, 68.9%, 18.7%, 65.4% and 53.5%, respectively. The value of ecosystem services in Zigui county were also changed in different years. The values of ecosystem services were 45.1×108Yuan (2000) and 54.2×108Yuan (2007) respectively, which increased 20.1%. The method using observed data and AnnAGNPS model was objectively which can reduce the uncertainty of the quantity of ecosystem services. This method not only needed a large amount of data, but also had a very complicated process, and which might be influenced by multiple factors above. This might limited the scale and depth in assessing the values of ecosystem services in some other places.

AnnAGNPS model；ecosystem service value；Zigui county

X321

A

1000-6923(2011)12-2071-05

2011-03-09

中国林科院森林生态环境与保护研究所中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(CAFRIFEEP200902)

* 责任作者, 研究员, hzlin66@163.com

田耀武(1975-),男,河南省许昌市人,副教授,博士,主要从事林业遥感与污染生态学研究.发表论文10余篇.