2000—2015年三江源区生态系统服务评估

李付杰，孙倩莹，王世曦，赵洋尘，马欢，计伟*

1.国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室，中国环境科学研究院 2.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院

生态系统服务是指生态系统形成和所维持的人类赖以生存和发展的环境条件与效用[1]。自千年生态系统服务评估[2]以来，全球范围内掀起了生态系统服务研究的热潮，使其成为当前生态学研究的核心和热点问题。目前，关于生态系统服务形成机制，生态系统服务协同、权衡，及人类福祉与生态系统服务关系等方面研究取得了一定进展[3-6]。生态系统服务评估方法也在不断演进，极大增进了人们对生态系统及其功能的认识[7-10]。生态系统服务定量评估是进行生态系统管理的基础[11]，能为管理政策的制定与筛选提供参考[12]，也可应用到生态补偿等领域[13-15]，如流域上下游生态补偿、退耕还林(草)工程、生态效益林保护基金、污染者付费等实施过程中[16]。我国人口众多、人均生态资产稀缺，正在推进的自然资源资产化管理、生态补偿等生态文明建设进程迫切需要清晰认识重要生态系统的服务及其价值[17]。

三江源区地理位置特殊，是青藏高原生态屏障的重要组成部分，保障了我国长江和黄河流域地区生态环境的长期稳定和社会经济的可持续发展[18]，在我国生态文明建设中具有重要地位[19]。通过实施生态补偿及三江源区生态保护和建设一期工程，近年来三江源区生态环境恢复初见成效，生态系统服务增强[20]。已有学者对三江源区生态保护和建设一期工程实施后的生态系统服务与生态资产变化进行了评估。如刘纪远等[21]基于大量数据系统分析，梳理了三江源区生态保护和建设一期工程所取得的阶段性成效，并提出了相关建议；邵全琴等[22]针对2005—2009年三江源区水源涵养、土壤保持、生物多样性保护等主要生态服务功能变化进行了评估；蒋冲等[23]系统全面地评估了2000年以来三江源区生态系统构成、质量和服务功能变化；《三江源区生态资源资产核算与生态文明制度设计课题组》[24]对2000—2010年三江源区生态系统服务和生态产品两部分价值的变化进行了评估。为完整体现三江源区生态保护和建设一期工程实施前后三江源区生态系统服务的变化，笔者以2000—2015年为评估年，对生态系统服务实物量进行评估，并采用替代成本法、影子工程法将生态系统服务实物量转化为价值量，使不同生态系统服务可加，实现三江源区生态系统服务总量纵向可比，以期为探讨三江源区生态系统服务的变化规律提供支撑。同时有望为构建生态补偿绩效监管体系，建立政府购买生态系统服务与生态产品机制[20]，实施生态文明绩效考核和责任追究制度等相关政策、决策提供参考。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区

三江源区位于青海省南部，是我国长江、黄河、澜沧江的发源地，地处青藏高原腹地。区域以山原和峡谷地貌为主，地形复杂，海拔介于1 954～6 821 m，平均海拔约为4 000 m。多年平均径流量为425.4亿m3，占青海省总径流量的69.6%，年平均降水量为262.2～772.8 mm。区域土壤具有明显的垂直地带性分布规律，随着海拔由高到低，土壤类型依次为高山寒漠土、高山草甸土、高山草原土、山地草甸土、灰褐土、栗钙土和山地森林土。区域主要植被类型为高寒草原和高山草甸，分布有针叶林、阔叶林、针阔混交林、灌丛、沼泽及水生植被、垫状植被和稀疏植被等，此外，还分布有较大面积的高山冰缘植被。三江源区生物多样性丰富，区内有69种国家重点保护动物[18]。

三江源区总面积达39.5万km2，占青海省总面积的54.69%，包括黄南、海南、果洛、玉树藏族自治州4个州，共21个县以及海西州唐古拉山乡(图1)。截至2015年底，三江源区总人口为134.75万人。2000年，青海省批准建立三江源省级自然保护区；2003年，国务院正式批准三江源自然保护区晋升为国家级自然保护区；2005年，国务院批准《三江源自然保护区生态保护和建设总体规划》(简称三江源一期工程)，启动投资为75亿元的生态保护与建设工程。自三江源一期工程启动实施以来，三江源区特别是三江源自然保护区的生态环境发生了显著的变化。

图1 三江源区行政区划及监测站点示意Fig.1 Sketch map of administrative areas of the Three-River Headwaters Region and monitoring stations

1.2 研究方法

依托卫星遥感影像、地面生态监测、社会经济统计等数据，核算径流调节、水源供给、土壤保持、生态固碳、物种保育5类生态系统服务，分析三江源区2000年、2005年、2010年和2015年共4期生态系统服务情况。

1.2.1实物量评估方法

基于SWAT模型对三江源区月径流过程进行模拟，并结合相关站点水文数据进行模型率定及检验，确定三江源区模型参数，基于此进行年尺度径流模拟，分析三江源区不同年份的径流调节及水源供给时空演变特征。采用通用土壤流失方程计算土壤保持服务实物量，即多年平均降水侵蚀力条件下潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量的差值；利用VPM模型[25]和ReRSM模型[26]对生态系统固碳服务进行评估，用生态系统净生产力(NEP)表征生态系统碳收支状况；采用改进的区域物种保育更新服务方法评估物种保育服务[27-28]，用名录濒危值表示区域珍稀濒危物种的濒危情况[29]。生态系统服务实物量评估方法与参数如表1所示。

表1 三江源区生态系统服务实物量评估方法与参数Table 1 Evaluation methods and parameters of ecosystem services physical quantities in Three-River Headwaters Region

1.2.2价值量核算

生态系统服务价值量核算指标、单价及取值依据如表2所示。

表2 三江源区生态系统服务价值量核算标准Table 2 Accounting standard of ecosystem service value in Three-River Headwaters Region

径流调节价值利用水库成本替代法进行计算，单价为6.11元/m3。水源供给价值包括资源水价和环境水价，以西宁市公布的供水单价和污水处理费为标准，合计2.29元/m3。土壤保持价值包括土壤养分保持价值和减少泥沙淤积价值，其中肥料价格采用2000年中国肥料市场价格，氮、磷、钾、有机质单价分别为2 286、653、2 391、1 250元/t;依据《水利建筑工程预算定额》[32]确定挖取单位体积土方费用为12.6元/m3。生态固碳单价为1 200元/t。能值货币价值为1.912×1013sej/美元。

1.2.3模型校准

将土地利用数据与SWAT模型数据进行匹配，按0～10°、10～25°、>25° 3个坡度进行水文响应单元定义，同时考虑河流自然节点、水文站点位置、湖泊位置等因素，将三江源区划分为89个子流域(图2)。

注：图中数字为子流域编号。图2 三江源区子流域划分Fig.2 Subwatersheds division of Three-River Headwaters Region

选取长江流域直门达和沱沱河站，黄河流域吉迈、唐乃亥、同仁站，澜沧江流域下拉秀、香达站7个水文站点的月平均流量对模型进行参数率定和校准。直门达、唐乃亥和香达站的逐月实际流量和模拟流量过程对比如图3所示。由图3可知，3个水文站点水的流量变化过程基本一致，模型基本能够揭示流域流量的变化规律。利用SWAT-CUP软件对模型参数进行敏感性分析，进行了50次模拟计算，分析参数对模拟结果的影响，发现三江源区CN2、ESCO、GW_REVAP、SOL_AWC和GW_DELAY参数较为敏感(P<0.05)。结合SWAT-CUP工具和人工手动调节参数，确定模型最优参数组合，利用相对误差、相关系数和效率系数3项评价指标分析模型模拟的精度和效率。各水文站点的3项评价指标统计结果见表3。由表3可知，各站点水量相对误差均在20%以内，满足精度要求；各站点相关性系数均在0.70以上，除同仁站外，相关性系数均在0.80以上，满足精度要求；除同仁站以外，其他站点效率系数均在0.60以上，满足精度要求[35]。可见，该模型较好地揭示了流域的流量输出过程，无论是水量误差、趋势变化均达到了合格的标准。

图3 3个水文站点月均流量对比Fig.3 Comparison of monthly average discharge of 3 hydrological stations

表3 各水文站点3项评价指标结果统计Table 3 Statistical results of 3 evaluation indexes of each hydrological station

1.3 数据及来源

气象数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/)，收集了三江源区及其周边34个气象站点(图1)逐日降水量、气温辐射等气象数据，通过反距离加权(IDW)插值得到研究区的降水量、气温辐射等分布。水文数据来自长江流域、黄河流域、澜沧江流域水文站点月径流数据及中国水利年鉴；水质数据来自中国环境监测总站的三江源区国控断面水质监测数据；土壤数据来自世界土壤数据库(harmonized world soil database，HWSD)，分辨率为1∶100万；数字高程模型(DEM)数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)，分辨率为30 m。

土地利用/覆盖数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所，包括2000年、2005年、2010年和2015年土地利用现状及植被覆盖图(分辨率为30 m)；通量观测数据来源于中国通量网(http://chinaflux.org/index.aspx)和全球通量网(https://daac.ornl.gov/cgi-bin/dataset_lister.pl?p=9)；中分辨率成像光谱仪(MODIS)遥感数据来自于NASA官网(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/)，分辨率为250 m；光合有效辐射数据来源于中国-东盟5 km分辨率光合有效辐射数据集[36]。

2 结果与分析

2.1 径流调节与水源供给

2000—2015年三江源区径流调节量分布如图4所示。由图4可知，2000—2015年三江源区径流调节量呈增加趋势，2000年、2005年、2010年和2015年平均径流调节量分别为150.30亿、143.53亿、152.42亿和166.73亿m3。各州中，玉树州径流调节量最高，占三江源区径流调节总量的64%左右；其次是果洛州，占23%左右。2015年单位面积径流调节能力依次为玉树州(6.01万m3/km2)>果洛州(5.86万m3/km2)>黄南州(4.51万m3/km2)>海南州(1.08万m3/km2)。

图4 2000—2015年三江源区径流调节量分布Fig.4 Distribution of hydrological regulation in Three-River Headwaters Region in 2000-2015

2000—2015年三江源区水源供给量分布如图5所示。由图5可知，三江源区2000年、2005年、2010年和2015年平均水源供给量分别为408.55亿、436.30亿、549.28亿和415.07亿m3。各州中，玉树州水源供给量最高，占三江源区水源供给总量的61%左右；其次是果洛州，占23%左右。2015年单位面积水源供给能力依次是果洛州(16.54万m3/km2)>玉树州(15.85万m3/km2)>黄南州(12.26万m3/km2)>海南州(5.65万m3/km2)。

图5 2000—2015年三江源区水源供给量分布Fig.5 Distribution of water supply quantity in Three-River Headwaters Region in 2000-2015

2000—2015年三江源区径流调节和水源供给价值如表4所示。由表4可知，2000—2015年三江源区径流调节价值呈升高趋势，而水源供给价值在2000—2010年呈升高趋势，2015年相较2010年则明显降低。

表4 2000—2015年三江源区径流调节价值和水源供给价值Table 4 Hydrological regulation and water supply values in the Three-River Headwaters Region in 2000-2015 亿元

2.2 土壤保持

2000—2015年三江源区土壤主要为微度和轻度侵蚀强度，侵蚀强度较高区域集中在东部各县及西南部的班玛县、玉树县、囊谦县和称多县，唐古拉山乡侵蚀强度最低。土壤保持相关数据如表5所示。

表5 2000—2015年三江源区土壤保持计算统计Table 5 Calculation statistics of soil conservation in Three-River Headwaters Region in 2000-2015

由表5可知，2000年、2005年、2010年、2015年平均土壤侵蚀强度分别为1 980、2 351、2 497和2 359 t/km2，平均土壤侵蚀量分别为7.7亿、9.1亿、9.7亿和9.2亿t。假定生态系统在极端退化条件下的土壤侵蚀为潜在土壤侵蚀，计算得到2000年、2005年、2010年、2015年三江源区的潜在土壤侵蚀模数分别为4 075、4 842、5 115和4 851 t/km2，潜在土壤侵蚀量分别为15.85亿、18.83亿、19.89亿和18.87亿t。三江源区2000年、2005年、2010年、2015年土壤保持量分别为8.14亿、9.73亿、10.19亿、9.67亿t，2015年土壤保持量比2000年有较大增长，但比2010年略有降低。

2000—2015年单位面积土壤保持价值如图6所示。由图6可知，2000年、2005年、2010年、2015年单位面积土壤保持价值分别为12.73万、15.01万、15.76万和14.82万元/km2，土壤保持总价值分别为494.91亿、583.83亿、613.07亿和576.26亿元。2015年土壤保持价值与2005年基本持平，低于2010年，但高于2000年。从空间分布上看，土壤保持价值由西向东递增，其中高值区集中在南部的囊谦县、玉树县和称多县，东部的贵德县、尖扎县、同仁县、同德县、玛沁县、久治县和班玛县。

图6 2000—2015年三江源区单位面积土壤保持价值分布 Fig.6 Distribution of soil conservation value per unit area in Three-River Headwaters Region in 2000-2015

2.3 生态固碳

2000—2015年三江源区生态固碳量如表6所示。由表6可知，2015年三江源区生态系统NEP为0.43亿t，单位面积NEP为110.81 t/(km2·a)(以碳量计，全文同)。与2000年相比，2015年三江源区生态系统NEP略有增加(0.02亿t)，单位面积NEP增加了5.91 t/(km2·a)。其中，年GPP增加了0.06亿t，单位面积GPP增加了14.6 t/(km2·a)；年Re增加了0.04亿t，单位面积Re增加了8.69 t/(km2·a)，总初级生产力的增加幅度大于生态系统呼吸。

表6 2000—2015年三江源区生态固碳量Table 6 Ecological carbon sequestration parameters in Three-River Headwaters Region in 2000-2015

三江源区单位面积NEP空间分布如图7所示。由图7可知，单位面积NEP空间分布格局总体上呈现从西向东逐渐增高的趋势，高值主要位于东部及中部偏南区域，低值主要位于西北区域。三江源区大部分区域为碳汇区，生态固碳量主要集中在0～300 t/(km2·a)；与2000年相比，2015年生态系统碳源区及固碳量介于100～200 t/(km2·a)的区域有所减少，大于300 t/(km2·a)的区域有所增多。

图7 2000—2015年三江源区单位面积生态固碳量空间分布Fig.7 Spatial distribution of carbon sequestration per unit area in Three-River Headwaters Region in 2000-2015

2000年、2005年、2010年、2015年，三江源区生态固碳服务价值分别为488.68亿、499.08亿、639.10亿和516.15亿元，生态固碳服务价值总体呈升高趋势。与2010年相比，2015年生态固碳服务价值有较大幅度的降低，但仍高于2000年和2005年。

2.4 物种保育

三江源区动物物种不同等级数据汇总如表7所示。由表7可知，三江源地区有世界自然保护联盟(IUCN)目录中极危等级11个，濒危等级23个，易危等级31个，近危等级28个。

表7 三江源区动物物种不同等级数据汇总Table 7 Summary of animal species of different grades in Three-River Headwaters Region

通过赋予不同保护级别物种相应的等级指数对不同物种的能值进行计算，进而体现不同物种的保护价值，计算得到三江源区2010年的物种保育价值为2 400亿元；以评估年生境质量作为调整系数，计算得到2000年、2005年、2015年三江源区物种保育价值分别为2 201亿、2 142亿和2 593亿元(表8)。

表8 2000—2015年三江源区物种保育价值Table 8 Values of species conservation in Three-River Headwaters Region in 2000-2015

2.5 生态系统服务价值时空动态变化

随着三江源自然保护区的建立以及三江源一期工程〔包括退牧还草、退耕还林(草)、封山育林、沙漠化土地防治、湿地生态系统保护、黑土滩综合治理、森林草原防火、鼠害防治、水土保持、保护区管理设施、野生动物保护、湖泊湿地禁渔等12项生态保护与建设类工程〕的实施，2000—2015年三江源区生态系统服务价值从4 805.58亿元增至5 379.79亿元，增加了约600亿元(表9)；而2015年黄南、海南、果洛、玉树4个州国内生产总值(GDP)合计为309亿元，可见，三江源区生态系统服务价值远远超过三江源区的GDP。

表9 2000—2015年三江源区生态系统服务价值汇总Table 9 Summary of ecosystem services in Three-River Headwaters Region in 2000-2015 亿元

将5类生态系统服务图层进行叠加，得到三江源区2000—2015年生态系统服务价值分布，结果如图8所示。由图8可知，2000年、2005年、2010年、2015年三江源区单位面积生态系统服务价值分别为121.66、123.43、141.49和136.20万元/km2，生态系统服务高值区主要分布在中南部和东部地区。

图8 2000—2015年三江源区单位面积生态系统服务价值分布Fig.8 Distribution of ecosystem services per unit area in Three-River Headwaters Region in 2000-2015

将2015年和2000年单位面积生态系统服务价值图层相减，得到单位面积生态系统服务价值空间变化，结果如图9所示。单位面积生态系统服务价值变化率在±5%之间，可认为基本无变化；大于5%为明显变好；小于-5%为明显变差。由图9可知，与2000年相比，2015年有55.5%的区域单位面积生态系统服务价值有所增加，主要分布在海南州黄南州、曲麻莱县北部和西部、玛多县等地；42.4%的区域生态系统服务价值变化不明显；仅有2.1%的区域生态系统服务价值明显降低，主要分布在曲麻莱县东北部、治多县中南部、玉树州东南部等区域。

3 讨论

三江源区降水量增加和气温升高引起的冰川和积雪融水量增加，导致区域径流量增加，从而使降水侵蚀力增强，加速了土壤侵蚀过程，因此，土壤保持功能基本上没有提高，这与蒋冲等[37]的研究结果基本一致。刘璐璐等[38]研究表明，三江源区清洁水源供给能力显著增强，这与本研究结论基本一致。除因降水量增加外，还有因气温上升导致该区域冰川、永久积雪和冻土加速融化造成的径流量增加，这部分增加的生态系统服务价值，从生态系统整体来讲是不可持续的。

利用多年平均气象条件进行不同年份的生态系统服务评估会削弱气象因素对评估结果的影响，但仍不能完全消除。气温和降水通过影响植物生长而影响植被覆盖度和生态固碳，进而对水源涵养、水土保持功能造成影响。对于西北干旱地区，上一年的降水仍对评估当年的植被生长有较大影响。张雅娴等[39]研究提出上一年秋季的降水量对整个三江源区当年产草量有着至关重要的影响，该结论与李辉霞等[40]基于归一化差分植被指数(NDVI)与降水量关系的研究结果一致，段晓凤等[41]也认为上一年秋季以来降水偏少将推迟草地植被返青。因此，在生态系统服务评估中，应尽量消除气象因素的影响，或者区分出气象因素和生态环境保护造成的生态系统服务价值的增量。

对于生态系统服务的价值化，目前国际上还没有公认的标准方法，不管采用哪种方法，都会反映出被忽视掉的或者没有被计量的一些生态系统服务的价值[14]。因此，仍应对生态系统服务的产生机制开展深入研究，分析多种生态系统服务之间的权衡与协同关系，有效避免生态系统服务评估的重复或遗漏，使生态系统服务评估结果可信、可重复、可尺度扩展。

4 结论

(1)2000—2015年三江源区5种生态系统服务价值变化规律不完全一致，径流调节和物种保育价值在2015年最高，水源供给、土壤保持和生态固碳服务价值在2010年最高。

(2)2000—2015年三江源区的生态系统服务价值总体呈增加趋势，2015年较2000年增加了约600亿元，生态系统服务高值区主要分布在中南部和东部地区。

(3)与2000年相比，2015年三江源区的生态系统服务价值增加的区域主要分布在海南州、黄南州、曲麻莱县北部和西部、玛多县等地，曲麻莱县东北部、治多县中南部、玉树州东南部等区域出现降低，其余大部分地区基本不变。