城市化背景下重庆市水生态系统服务价值评估及其影响因子分析

邓灵稚, 杨振华, 苏维词

(1.华东师范大学 生态与环境科学学院, 上海 200241;2.中山大学 地理科学与规划学院, 广州 510000; 3.贵州省山地资源研究所, 贵阳 550001)

水生态系统是支撑整个地球生命动态平衡的系统，也是维持人类生活和生产活动、水生生物群落结构与水生态环境服务功能的基础资源[1-2]，其通过物质循环和能量流动，共同构成具有一定结构和功能的综合体。然而，在城市化进程中社会经济活动对水资源的生态占用逐渐加强，对水循环特征、水环境状况的干预加剧，导致水生态服务功能日益减弱，水生态系统服务的健康问题(产品供给能力下降、支撑作用减弱、调节功能失效、净化作用减弱、美学价值降低)逐渐引起国内外学者的高度关注。

20世纪80年代以来，随着水生态系统服务概念被首次提出[3]，水生态系统服务评价的相关研究就逐渐成为了当代环境经济学、生态经济学以及可持续生态系统研究的前沿领域，国内外学者也对此给予了高度重视，并开展了大量的实践工作：首先从评价对象上看，前人对不同尺度的水生态系统服务，如湿地[4]、河流[5]、流域[6]、城市[7]等进行了价值评价，揭示了不同类型的水生态系统服务的区域性差异；其次，从评价方法来看，自1997年Costanza等[8]首次提出了水生态系统服务价值的系统估算方法以后，学者们在此基础上陆续提出了替代成本法、旅行费用法、恢复费用法、影子价格法、直接市场法、条件价值法(CVM)以及环境选择模型(CM)等方法[9-12]，如Houtven等[13]结合环境建模、专家法和非市场估算法评估了湖泊生态服务价值量；谢高地等[14]根据我国生态环境现状，对水资源的供给服务计算系数进行了修正，使评价结果更加契合实际。另外，以往研究也从土地利用变化、气候变化、人类活动干预等角度解释了水体服务价值量变化的影响因素[4,12,14]，如Terrado等[15]基于气候、土地利用变化等数据，利用InVEST模型分析了水资源供给、水电能源开发服务功能对气候变化的响应；Ping等[16]根据土地利用/覆被变化分析出水生态系统价值量的主要影响因素，揭示各因子对生态系统服务的影响过程；孙泽祥等[17]通过分析城市化景观扩展过程中对地类面积的占用，得到降低土地利用变化对水生态系统服务价值的影响程度；Sample等[18]则采用高级筛选方法评估了未来气候变化对水生态系统服务的影响，发现未来气候变化会降低苏格兰地区农业灌溉用水和发电能力。裴厦[19]、李景保[20]等则认为旅游、水利工程开发是影响水体环境调节、生物多样性维持的主要因子。

不难发现，国内外学者对水生态系统服务的价值评估及影响因子都进行了深入的研究，但仍然存在以下两个问题：(1) 目前尚无水生态系统服务价值核算的统一标准，导致其评价结果差异明显；(2) 对生态系统服务功能影响因素分析局限于气候变化、土地利用变化，忽略了城市化过程中产业结构、人口活动对生态系统服务占用过程，单纯的认为城市化景观扩张是导致生态系统服务价值下降直接因素。基于此，本文在探究重庆市2001—2015年水生态系统服务价值演变特征的基础上，分析重庆市水生态系统服务价值与潜在影响因子的回归特征，得到重庆市水生态系统服务的主要影响因子，并进一步剖析城市化过程对水生态系统服务影响方式，从而为重庆市水生态系统管理对策的制定提供理论依据。

1 研究区概况

重庆市地处中国内陆西南部的长江上游地区，地跨105°17′—110°11′E，28°10′—32°13′N。地势由南北向长江河谷倾斜，地貌以丘陵、山地、峡谷为主，其山地面积占全市总面积的76%，平均海拔为400 m。全市属亚热带季风性湿润气候，年平均气温在16～18℃。多年平均降雨量达1 000～1 450 mm，降水多集中在5—9月，占全年总降水量的70%左右。在地形和气候双重作用下，市域河流众多，且均属长江水系，全年平均水资源总量在5 000亿m3，水能资源理论蕴藏量为1 438.28万kw，可开发量750万kw，属于水生态系统服务类型丰富，且水生态系统服务功能相对显著的省份。

2 数据与方法

2.1 数据来源

本研究社会经济数据来源于《重庆统计年鉴》(2001—2015年)和《重庆市国民经济和社会发展统计公报》(2001—2015年)，生态环境数据来源于《重庆环境状况公报》(2001—2015年)，水资源数据来源于《重庆市水资源公报》(2001—2015年)，土地利用数据来源于《重庆市国土资源和房屋管理公报》(2001—2015年)以及相关资料整理。

2.2 评价方法

2.2.1 城市化过程对水生态系统服务的影响框架 水生态系统服务是指水域(河流、湖泊、水库等)生态系统为区域社会经济及文化娱乐发展提供的自然资源及效用，换言之，代表城市化过程中区域水生态系统为人类活动(景观扩展、产业结构调整、人口增长或集聚)提供的各种基础资源与服务。故本文从城市化与水生态系统服务关联性的角度[5，7,20]，分析城市化过程对水生态系统服务的影响方式与过程(图1)。其中，城市化过程包括城市景观扩展、人口城镇集聚、产业结构演变和生活方式扩展4个方面，并通过水循环过程干预、水产品消耗、生态系统胁迫和景观开发等方式对水生态系统服务施加不同程度的影响；水生态系统服务类型则参考Costanza等[8]、Millennium Ecosystem Assessment(MA)的指标分类方法[21]，将其划分为水文调蓄、产品供应、环境净化与生态调节、生态系统维持、休闲旅游资源开发5大类、15项指标，各类指标服务价值的改变直接体现出城市化过程对生态环境的压力，共同表征城市化过程中人类活动对水生态系统服务的占用途径与关联性。共同表征城市化过程中人类活动对水生态系统服务的占用途径与关联性。

图1 城市化过程与水生态系统服务功能的影响方式框架

2.2.2 水生态系统服务评价指标 结合城市化过程中水生态系统服务的影响因素(图1)以及水生态系统服务功能的内涵、机制和效用[4-5,13,20-21]，构建出重庆市水生态系统服务类型及其评价指标体系(表1)。另外，在核算服务价值时囿于数据的可获取性、可量化性和客观性，本研究对评价指标进行了一定的取舍或替换，使评价结果更加准确、科学。

2.2.3 价值量计算 依据重庆市水生态系统不同评价指标的类型、属性，本文采用市场价值法、替代成本法、旅行收入法、因子参数法、影子价格法、机会成本法等评价方法[22]对研究区水生态系统服务价值量进行计算，具体见表2。

3 结果与分析

3.1 水生态系统服务价值变化

为便于比较历年水生态系统服务的变化特征，将各年度服务的价值当量统一化，并依据水生态系统服务各项指标价值计算公式，得出重庆市2001—2015年水生态产品供应、水生态调蓄、水生态环境净化、水生态系统维持和水生态文化景观5类服务评价指标的时序演变特征(表3)。重庆市15项水生态系统服务价值中，最大的是水资源供给(C1)，其次为COD、氨氮降解(C9)价值，两者历年平均价值量分别为227.29亿元和219.79亿元，而价值量最小的是固碳释氧(C10)，其平均价值量仅有0.04亿元，主要因为各指标价值量的计算方法不同，其中水资源供给采用市场价值法，受社会经济发展规模及其用水总量的影响显著，导致水资源利用量常年维持在60亿～80亿m3，而固碳释氧价值量则采用的替代工程法，在现有工业技术背景下，人工固碳释氧的成本较低，如工业制氧成本仅420元/t，从而导致两者价值量相差悬殊。另外，重庆市水资源供给的历年价值量从172.98亿元上升至233.78亿元，年均增长率仅2.25%，其因为水资源供给实物量主要由日益增长的水资源需求量决定，但2011年以后水资源利用量持续下降，年均下降率达2.63%，说明水资源利用与经济发展实现脱钩，水生态系统的指标价值量主要取决于该指标价值的计算方法和社会经济发展对其的占用或消耗程度。

表1 水生态系统服务价值评价指标体系

表2 水生态系统服务价值量计算公式

表3 2001-2015年重庆市水生态服务价值量变化特征 亿元

由水生态系统服务各类价值量的比重变化情况(表4)可知，全市水生态系统总价值以水生态调蓄和水生态产品供给两类为主，两者历年平均价值量为614.03亿元，价值比重为62.04%，但前者比重从2001年的12.01%逐渐上升至2015年的41.07%，而后者的价值比重却呈波动下降的趋势，15年间所占比重从42.01%下降至36.01%。其余3类水生态系统价值量均呈波动上升趋势，且增速差异大，其比重却呈明显的波动下降趋势，尤其是水生态环境净化价值，期间价值量共增加51.24亿元，比重却从44.74%下降至22.38%。另外，除水生态调蓄比重呈上升趋势，其余各类价值量比重均逐步下降，其主要原因在于水生态调蓄中的水资源蓄积、滞洪效益的价值量增长迅速，2001—2015年两者价值量由46.86亿元和18.68亿元分别上升至307.47亿元和241.92亿元，成为增长率最高的服务类型(表4)。总体而言，15年间重庆市水生态服务价值量年均值为884.87亿元，且呈逐渐上升趋势，其值从2001年的555.99亿元上升至2015年1 340.3亿元，年均增长率达7.45%，说明社会经济的发展使得水生态系统对人类生产、生活和生态环境的支撑作用不断加强，同时人为干预对水生态系统的影响力也逐渐增大，对水生态系统的占用强度和广度都不断增加。通过服务价值量计算结果可知，随着城市化进程的加快，人类活动向水循环系统索取的资源量增加，对生态系统服务占用程度也逐渐提升，如水生态产品供给、水生态文化景观开发方面，同时，生态系统自身调节能力也不断下降。这些结果共同表明了城市化过程对水生态系统服务影响的差异性。

表4 2001-2015年重庆市各类水生态服务功能价值量及其比重变化

3.2 影响因素分析

水生态系统服务价值量主要受指标的实物量和价格系数影响。为分析影响水生态系统服务价值量的自然气候与社会经济因素，探究2001—2015年重庆市水生态服务的影响因子，结合服务价值与因子之间Person相关性研究结果发现(表5)，除水生态环境净化价值与降水量(X1)、地表径流量(X3)在0.01水平上显著相关外，其他服务类型均与常住人口数(X4)、城市化水平(X5)、生态需水量(X6)、污水排放量(X7)、植被覆盖率(X9)、人均GDP(X10)存在同水平的显著正相关，相关系数均值达0.87，其显著性系数均小于0.01，而年均温(X2)、水质达标率(X8)对全市水生态系统服务的影响较小，两者相关系数分别为0.1和-0.11。因此，本研究选取常住人口数(X4)、城市化水平(X5)、生态需水量(X6)、污水排放量(X7)、植被覆盖率(X9)、人均GDP(X10)为6个主要的影响因子对重庆市2001—2015年水生态服务价值进行线性回归分析，得到两者的线性拟合特征。

表5 水生态系统服务价值与影响因子的Pearson相关性

注：**表示在0.01水平(双侧)上显著相关，*表示在0.05水平(双侧)上显著相关。

在自然—社会二元结构的影响下，城市化过程中水生态系统服务的影响因子较多，影响因素相对复杂，分析其影响因素对揭示水生态系统服务的演变过程具有重要意义。总体来看，重庆市水生态系统服务功能持续增强的同时，其社会经济因子的影响力也逐渐增大，而气候变化等自然因子的影响力则下降明显。在快速城市化背景下，各因子对水生态系统服务价值的影响特征如图2—4所示。

(1) 人口因子。在城市化过程中，人口激增、非农人口增加必然带来社会经济系统对水资源利用量、水产品需求量、生活污水排放量增加，导致了水生态系统服务的实物利用程度总体提升，从而影响水生态产品供应和水生态系统维持服务价值。从线性回归分析的模型(图2)上看，2001—2015年常住人口数从2 829.21万人增加至3 016.55万人，同时城市化水平也以年均3.55%的速率增长，促使水生态产品供应、水生态调蓄、水生态系统维持、水生态文化景观的价值量分别增加249.13亿元、483.01亿元、0.91亿元和0.05亿元，且服务类型的线性回归R2均值为0.77，尤其是与水生态产品供应、水生态调蓄的R2系数为0.91，0.82，表明人口的集聚和增长均对水生态产品供应、水生态调蓄具有显著的相关性，而城市化水平与水生态系统维持的相关性显著，其因为城市化进程直接导致城乡建筑面积(不透水面积)扩展，改变了地表—地下水资源的交换关系，地表水直接汇入河网的速率和数量都得到了较大的提升，同时三峡工程的建设也使得水域面积和水生物数量的增加，最终导致水生态系统维持价值的提升。

(2) 经济与环境因子。GDP增长是城市化水平提升的核心指标，也是产业集聚—扩展关键驱动因素。产业发展不仅伴随着对生物、景观资源开发程度(工业原材料、产业用水量、旅游开发)的提升，也导致产业排污量、排废量的激增，尤其是废水排放量。表面上促使水体环境对污染物的净化量增加，实则导致水体自净能力下降和生态失衡。也就是说，原始水体积纳的污染物越多，水体消纳污染物的能力就越有限。另外，三峡水利工程的建设虽然降低了市域径流的整体流速，但水量的蓄积也使得重庆市水体对污染物的消纳量增加，人均GDP、污水排放量与各项水生态系统价值的线性回归系数就是重要证明(图3)，如重庆市人均GDP从5 664元上升至52 330元的过程中，水生态产品供应价值也从233.55亿元增加至482.65亿元，R2系数达0.926。同时，人均GDP与水生态调蓄、水生态文化景观价值也呈显著线性关系，其R2系数均达0.8以上，且与水生态产品供应、水生态调蓄的正相关性更强；污水排放量则与水生态文化景观、水生态产品供应价值的线性拟合效果较好，表明污水排放量的增加直接原因在于用水量的增长，而排放的污水经治理后又成为景观水体的重要来源。

图2 水生态系统服务价值与人口因子的拟合度

图3 水生态系统服务价值与经济、环境因子的拟合度

(3) 植被覆盖因子。城镇化景观扩展直接导致建设用地面积对耕地、林地面积的占用，而大面积的退耕还林和撂荒地的出现，却使得植被覆盖率“不降反升”，生态需水量逐年增加(重庆市15年间植被覆盖率从27%增长至45%，生态需水量也从0.32亿m3提升至0.97亿m3)。而植被覆盖率的增加又会直接增加生物的栖息空间，区域植被固碳释氧、生物多样性维持能力增加，且生态景观也促进旅游景观资源的开发和利用。另外，由于重庆市发生干旱的概率较低，故将生态用水量代替实际生态需水量。由生态需水量、植被覆盖率与水生态系统价值的回归系数(图4)可知，生态需水量与水生态产品供应、水生态调蓄的回归系数R2达0.9以上，即生态需水量从0.26亿m3上升至0.96亿m3时，水生态产品供应、水生态调蓄的价值分别增长了249.1亿元、483.01亿元，但植被覆盖率与各项水生态系统服务价值的相关性较小，回归系数R2均小于0.7。表明植被覆盖对水生态系统服务的影响率较低，关联性不强。

图4 水生态系统服务价值与植被覆盖因子的拟合度

4 结论与讨论

近15年来，重庆市水生态系统服务价值呈波动性增长趋势，其总服务价值由2001年的555.99亿元提升到2015年的1 340.3亿元，是2001年的2.41倍，年均增长率7.09%。其中，水生态调蓄价值增长率最为明显，价值量同期增长483.01亿元，比重增加至41.06%，成为水生态系统中价值量最大的服务类型；水生态文化景观价值变化幅度最小，且2/3年份价值量呈下降趋势，年均增长率仅有2.36%。整体而言，水生态系统总价值主要由水生态产品供给、水资源蓄积、COD、氨氮降解3项服务构成，虽然3项价值总量的比重不断下降，但其年均比重依然达到66.44%。

水生态系统价值量的影响因子相关性与线性回归分析结果可知，常住人口数(X4)、城市化水平(X5)、生态需水量(X6)、污水排放量(X7)、植被覆盖率(X9)、人均GDP(X10)为水生态系统各项服务价值的主要影响因子，其回归模型代表城市化水生态系统价值的影响因素与过程。其中，人口因子、经济与环境因子、植被覆盖因子与水生态产品供给、水生态调蓄价值存在显著正相关，其回归模型的系数R2整体水平达0.71，但与水生态系统维持、水生态文化景观价值呈微弱的正相关，表明水生态系统的社会经济服务逐渐成为主导型服务，其价值比重也不断增加。

本文根据水生态系统价值量计算的常规方法，参考Costanza、谢高地等国内外学者的价值计算系数，得到重庆市15项水生态系统服务价值的时序变化特征，并基于主要影响因子的线性回归模拟结果，分析出城市化对水生态系统服务价值的占用过程与影响因素，其评价研究能够对当地政府制定水资源的利用、管理措施提供参考依据。然而，对于水生态系统服务的分析仍存在以下几点思考：

(1) 水生态系统价值计算以水生态系统服务的理论价值量还是以社会经济活动的实际价值量为依据，仍然存在一定的争议。如水资源供给量的理论价值为区域水资源总量的价值，其实际价值为人们用水量的市场价值，相比而言，水资源总量价值受气候变化影响明显，而用水量的实际价值则由社会经济发展需水量决定。为揭示城市化过程对水生态系统服务的利用水平及其影响，本文采用市场价值法、替代工程法等方法计算对其服务的实际占用量价值，其价值量变化过程表明城市化的人类活动已成为水生态系统服务价值的主要影响因素。

(2) 水生态系统服务价值计算是以其为社会经济发展提供的资源量为依据，其主要影响因素包括气候变化、城市化和大型工程活动等。本文在影响因素的相关性分析和回归分析的基础上筛选出主要影响因子与影响程度，分析结果与重庆市社会经济状况基本吻合。但影响因子与服务价值的具体影响机制和过程还需要进一步细化研究，从而区分出不同影响因子对不同水生态系统服务种类的影响，为水生态系统服务的有效管控提供更加科学的理论依据。