密云水库2008-2019年水生态服务功能评价

齐 娜, 孙威威, 阚海明, 刘 磊, 邹俊亮, 庞 卓, 张国芳

(1.北京市密云水库管理处 林业管理所, 北京 101512; 2.北京市农林科学院 北京草业与环境研究发展中心, 北京 100097)

水生态系统服务将水体的生态过程与人类福利牢固地联系在一起[1-2]。一方面，人类活动是水陆景观转换的驱动因素，进而影响支撑水生态系统服务的各种生态、水文过程；另一方面，水生态系统服务的实际水平反过来又决定了社会经济发展的速度与潜力[3]。水生态系统服务既包括供水、水产品生产、发电、航运等直接使用价值，还包括区域气候调节、调蓄洪水、固碳释氧、休闲娱乐等间接价值[4]。目前将河流、水库、湖泊、沼泽(或湿地)等不同类型水生态系统作为整体，进行区域水生态服务综合评价的研究较为系统充分[5-10]。然而，对于水库生态系统，尤其是作为重要饮用水源地的水库生态系统服务价值研究鲜有报道，尚缺乏针对性的评价方法。

密云水库作为北京重要的地表饮用水源地、水资源战略储备基地，其水生态服务功能对首都经济社会发展具有不可替代的支撑作用。2015年，随着南水北调来水调入密云水库调蓄工程的启用，密云水库成为南水北调中线工程的间接调节库，提高了供水保证率和水资源战略储备量，保证了北京市安全供水格局的构建[11]。然而，水资源供需矛盾依然是制约北京市可持续发展的重要瓶颈，完善水生态服务功能评价是加强水源保护、提高水资源利用率的重要基础。针对密云水库的水生态服务功能评价尚未见报道。因此，本文因地制宜地运用生态服务评估方法对密云水库水生态服务功能进行评价，并分析其受南水北调工程的影响，为基于服务效能的密云水库生态保护提供科学依据。

1 研究区概况

密云水库在北京市东北部燕山群山丘陵之中，距离北京城区80 km，建于1960年，拦蓄潮河、白河上游来水而成，控制流域面积1.55×104km2，是北京主要的饮用水供应源地。密云水库总库容量为4.38×109m3，对应水面面积为188 km2，汛限库容为2.34×109m3，防洪作用明显。密云水库所处经纬度为40°20′—41°45′N和115°25′—117°30′E，属于大陆性季风气候，其广阔的水面具有显著的小气候调节作用，库区夏季平均气温比纬度相近的北京市区低3 ℃。此外，密云水库还具有提供水产品、涵养水源、净化水质、保护生物多样性、固碳释氧、休闲娱乐、科研教育等重要生态服务功能。密云水库水生态系统保护状况是为北京市提供更可靠、更优质水源供给和其他生态服务的决定因素。

2 数据来源与研究方法

密云水库饮用水供给量、水库蓄水量、全年和夏季水面蒸发量、国家级和北京市一级保护野生动物种类、水产品捕获量和投放量以及浮游植物密度从密云水库管理处获得；旅游休闲收入信息来自《北京密云年鉴》；密云水库水面面积由卫星遥感监测获取；北京市水价信息、电价信息来自北京市发展和改革委员会相关通知；水质数据来自《北京市水务统计年鉴》；水产品单价来自《北京统计年鉴》；固定CO2成交价由北京绿色交易所提供。

本文基于功能分类法对密云水库水生态服务功能进行评价。结合研究目的、水库生态系统的特点和可获取数据的情况，对供给服务中的水资源供给和提供水产品功能，调节服务中的调蓄洪水、增湿降温、净化水质和涵养水源功能，支持服务中的固定CO2，释放O2和保护生物多样性功能以及文化服务中的旅游休闲和科研教育功能，分别采用市场价值法、替代工程法、替代成本法、碳交易法、比例折算法进行价值核算，有针对性地对密云水库的水生态服务功能进行评价。具体分析方法详见表1。

表1 密云水库水生态服务功能评价方法

2.1 供给服务

(1) 水资源供给价值(Vw)：

Vw=Sw·Pw

(1)

式中：Vw为水资源供给价值(亿元);Sw为水资源供给量(108m3)；Pw饮用水水价,依据《北京市发展和改革委员会关于北京市居民用水实行阶梯水价的通知(京发改[2014]865号)》(5元/m3)。

(2) 提供水产品价值(Vf)：

(2)

式中：Vf为提供水产品价值(亿元);Y为水产品捕获量[17](t);Q水产品投放量[17](t);Pv为水产品产值,《北京统计年鉴2020年》(亿元);O为水产品产量,《北京统计年鉴2020年》(104t)。

2.2 调节服务

(1) 调蓄洪水价值(Vr)：

Vr=(Rt-Rs)×C

(3)

式中：Vr为调蓄洪水价值(亿元);Rt为总库容[17](4.38×109m3);Rs为水库蓄水量[17](108m3);C为蓄洪成本[12](0.67元/m3)。

(2) 增加湿度价值(Vh)：

Vh=A×Eyear×103×SPve×Pe×10-8

(4)

式中：Vh为增加湿度价值(亿元);A为水面面积[14](km2);Eyear,全年累计水面蒸发量,1960—2016年多年平均值[13],1 214.2 mm; SPve为单位体积水汽化消耗电量[15],125 kWh/m3;Pe为电价,依据依据《北京市发展和改革委员会关于北京市居民生活用电实行阶梯电价的通知(京发改[2012]831号)》〔0.48元/(kW·h)〕。

(3) 夏季降温价值(Vtm)：

(5)

式中：Vtm为夏季降温价值(亿元);Esummer为夏季累计水面蒸发量,1960—2016多年平均值[13](510.1 mm); SPvh为水在标准状况下汽化热[15](2.26×106kJ/m3); EER为空调能耗比[15](3.2)。

(4) 涵养水源价值(Vwstore)：

Vwstore=Rs·Pwstore

(6)

式中：Vwstore涵养水源价值(亿元);Rs为水库蓄水量[17](108m3);Pwstore单位贮水价值[15](6.11元/m3)。

(5) 净化水质价值(Vwp)：

Vwp=(RN×PN+RP×PP)×Rs×10-3

(7)

式中：Vwp为净化水质价值(亿元);RN，RP分别为密云水库出库水相对于进库水总氮和总磷的浓度减少量《北京市水务统计年鉴》(g/m3);RN和RP为去除总氮和总磷处理成本[22],其值分别为1.5和2.5元/kg。

2.3 支持服务

(1) 固定CO2价值(VCO2)：

VCO2=Cc×Dpp×10-3×A×

h×44/12×Pt×10-8

(8)

式中：VCO2为固定CO2价值(亿元);Cc为浮游植物单细胞生物量碳含量[16](1.71×10-4μg/个);Dpp为浮游植物密度[17](104个/L);h为有效深度(表层水取样深度0.5 m的2倍[20],1 m);Pt为CO2成交价,依据《北京碳市场年度报告》2014—2018年平均值(北京绿色交易所,https:∥www.cbeex.com.cn/article/xxfw/xz/bjtscndhq/,52.518元/t); 44/12为由C到CO2质量转换系数。

(2) 释放O2价值(VO2)：

VO2=Cc×Dpp×10-3×A×

h×32/12×PO2×10-8

(9)

式中：VO2为释放O2价值(亿元);PO2为制造O2价格[12](400元/t)； 32/12为根据植物的光合作用化学方程式确定的释放O2与固定C的质量比。

(3) 保护生物多样性价值(Vbiod)：

(10)

式中：Vbiod为保护生物多样性价值(亿元);i=1,2,3为国家一级保护物种,国家二级保护物种和北京市一级保护物种;ri为保护级别系数[15],r1=10,r2=5,r3=1;Ni为保护物种种数,根据密云水库管理处调查N1=3,N2=8,N3=8;Pi为物种保护支付意愿[18]〔元/(人·a)〕,针对野生动物P1=44.56,P2=35.23,P3=31.58;R为北京市常住人口(万人)。

2.4 文化服务

(1) 旅游休闲价值(Vtour)：

Vtour=V·N

(11)

式中：Vtour为旅游休闲价值(亿元);V为地区旅游休闲总收入(包括旅游区景点收入和民俗旅游收入两部分),来自《北京密云年鉴》2008—2019年(中国经济社会大数据研究平台,https:∥data.cnki.net/yearbook/Single/N2 020 030 054)(亿元);N为水景观在地区旅游休闲总收入中所比例例,根据问卷调查[19]结果,取值为32.7%。

(2) 科研教育价值(Vre)：

Vre=A·Pre

(12)

式中：Vre为科研教育价值(亿元);Pre为水生态系统单位面积科研教育价值(以2002年3.840 2×105元/km2为基础,取8%的社会折现率,算得2008—2019年的Pre值)[15](亿元/km2)。

3 结果与分析

3.1 密云水库供给服务价值

由图1可以看出，2008—2019年密云水库供给服务中的水资源供给价值和提供水产品价值都呈现不规则、大幅度波动的变化趋势。水资源供给价值平均为13.835 5±7.569 9亿元，最低值出现在2016年；最高值出现在2014年。提供水产品价值平均为0.250 6±0.046 8亿元，最低值出现在2016年；最高值出现在2017年。南水北调工程启用后，水资源供给价值降低，提供水产品价值提高，但是两者的变化均不显著。密云水库是北京重要的地表饮用水源地，因此，水资源供给服务是密云水库水生态服务的核心内容。水资源供给服务价值由淡水供应能力和饮用水需求量共同决定，供需平衡、储量有可靠保障是水库生态系统水资源供给服务所要实现的最终目标[21]。南水北调中线工程启用之前，密云水库是除地下水外北京市唯一的饮用水供给来源，水资源供给服务价值随着饮用水需求量的增加而增大，到2014年达到峰值。南水北调中线工程2015年开始向北京市供给饮用水后，密云水库的水资源供给压力得到缓解，水资源供给服务价值也大幅减少。2016年南水北调中线工程开始向密云水库补充水，密云水库成为南水北调中线工程的间接调节库，淡水供应能力显著增强，其水资源供给服务价值也随着需求量的增加而恢复逐年上升的趋势。南水北调中线工程实现供水后，密云水库的水资源供给服务价值总体上有所降低(图1)，但是密云水库的供水来源更加多样化，其淡水供应能力对局地气候因素的依赖性明显下降，从而提升了北京市饮用水供应的稳定性与可靠性，更有利于实现水资源供需平衡。密云水库提供的水产品主要是滤食性鱼类。通过定期投放和捕捞，这类鱼可以滤食浮游植物、移除水体中富营养化物质，达到改善水环境、促进水库生态系统平衡的效果[17]。密云水库的提供水产品价值在南水北调工程启用后有所提升，在补水初期的2016和2017年分别出现了最低值和最高值(图1)，这可能与供水来源多样化以后，密云水库蓄水量和水质的变化有关，需要通过加强监测指导更科学合理的滤食性鱼类投放和捕获方案[17]。

注：柱状图中,相同小写字母表示差异不显著(p>0.05)；不同小写字母表示差异极显著(p<0.01)。下同。

3.2 密云水库调节服务价值

由图2可知，2008—2019年密云水库调节服务中的调蓄洪水价值呈现先小幅波动，后逐渐减小的变化趋势；增加湿度价值、夏季降温价值和涵养水源价值则都呈现先小幅波动，后逐渐增大的变化趋势；净化水质价值先小幅波动，再增大而后又降低。调蓄洪水价值平均为20.301 6±3.768 2亿元，最低值出现在2019年；最高值出现在2015年。增加湿度价值、夏季降温价值和涵养水源价值平均分别为60.519 0±18.099 9亿元、39.902 7±11.934 1亿元和82.173 8±34.363 8亿元，最低值都出现在2015年；最高值都出现在2019年。净化水质价值平均为0.028 7±0.015 7亿元，最低值出现在2009年；最高值出现在2016年。南水北调工程启用后，密云水库调蓄洪水价值极显著降低(p<0.01)，增加湿度价值、夏季降温价值涵养水源价值和净化水质价值则都极显著升高(p<0.01)。

图2 密云水库2008-2019年调节服务价值变化

水库调蓄洪水价值与蓄水量呈负相关〔式(3)〕，增加湿度价值和夏季降温价值都与水面面积呈正相关〔公式(4)—(5)〕，涵养水源价值与蓄水量呈正相关〔公式(6)〕，而对于特定的水库，水面面积随蓄水量的增加而增大，因此，调蓄洪水价值与增加湿度价值、夏季降温价值、涵养水源价值呈负相关。南水北调中线工程的启用对密云水库各项调节服务价值都有极显著的影响。南水北调工程开始补水后，密云水库的供水压力减轻，同时密云水库自身的来水量增加，因此，水库蓄水量和水面面积逐年增大，导致调蓄洪水价值极显著降低，增加湿度价值、夏季降温价值和涵养水源价值却极显著提高。密云水库是重要饮用水源地，入库河流、引水渠受到严格保护，污染物浓度低，水库生态系统水质净化功能发挥空间有限，因此，水质净化价值较低。然而，南水北调工程开始补水后，初期由于机械混合作用导致氮、磷元素浓度上升，水质净化功能发挥作用，使得水质净化价值在2016和2017年升高，后期随着水库水位逐渐稳定，机械混合作用影响减弱，氮、磷浓度下降，水质净化价值也随之下降，与吴晓辉等[11]预测分析的水质变化趋势相吻合。

3.3 密云水库支持服务价值

由图3可知，2008—2019年密云水库支持服务中的固定CO2价值和释放O2价值呈现相似的小幅度稳态波动变化趋势，保护生物多样性价值则呈缓慢上升的变化趋势。固定CO2价值和释放O2价值平均分别为0.000 18±0.000 03亿元和0.001 01±0.000 18亿元，最低值都出现在2013年；最高值都出现在2018年；保护生物多样性价值平均为618.991 8±40.561 1亿元，最低值出现在2008年，最高值出现在2019年。南水北调工程启用后，密云水库固定CO2价值、释放O2价值和保护生物多样性价值都有不显著的升高，同时固定CO2价值和释放O2价值波动幅度增大，保护生物多样性价值波动幅度变小。

图3 密云水库2008—2019年支持服务价值变化

水库生态系统固定CO2功能和释放O2功能主要通过浮游植物的光合作用实现，其价值的大小都由浮游植物的生物量决定[16]。浮游植物的生物量一方面取决于支撑浮游植物生长和繁殖的水体中营养元素的含量，另一方面受制于摄取浮游植物的滤食性鱼类的数量[17]。由于密云水库水质长期稳定在地表水Ⅱ类水平，而且管理处定期向水库中投放和捕获滤食性鱼类，因此，浮游植物的生物量总体保持稳定，导致密云水库固定CO2价值和释放O2价值相应地呈现稳定波动的变化趋势。南水北调工程使密云水库的来水更加多元化，对水质和水生生物均造成一定的冲击，使浮游植物生物量、固定CO2价值和释放O2价值波动增强，具体影响过程与机制还需要更长时间的监测。

本文采用碳交易法而非碳税法进行水库生态系统固定CO2功能的价值评价，碳交易价格远低于碳税价格，导致估算的固定CO2价值偏低[12,15]，但是基于碳交易法获得的固定CO2价值市场认可度更高，更具有实操性。

密云水库已被列入国家重点湿地名录，由于来水的多元化，水库水位趋于稳定，水库周边的湿地也将形成稳定的生境，有利于生物多样性的保护。密云水库涉及的国家一级、二级和北京市一级保护生物全部为鸟类，其中国家一级保护野生动物有3种：大鸨(Otistarda)、黑鹳(Ciconianigra)、东方白鹳(Ciconiaboyciana)，国家二级保护野生动物有8种：毛脚鵟(Buteolagopus)、大鵟((Buteohemilasius)、白尾鹞(Circuscyaneus)、红隼(Falcotinnunculus)、猎隼(Falcocherrug)、红脚隼(Falcoamurensis)、大天鹅(Cygnuscygnus)、灰鹤(Grusgrus)，北京市一级保护野生动物有8种：灰喜鹊(Cyanopicacyana)、红嘴蓝鹊(Urocissaerythrorhyncha)、黑卷尾(Dicrurusmacrocercus)、星头啄木鸟(Dendrocoposcanicapillus)、鸿雁(Ansercygnoides)、大白鹭(Egrettaalba)、中白鹭(Egrettaintermedia)、凤头(Podicepscristatus)。随着密云水库周边生态环境的进一步改善和人们对生物多样性保护重要性认识的深入，密云水库的生物多样性保护价值将维持稳步上升的趋势。

3.4 密云水库文化服务价值

由图4可以看出，2008—2019年密云水库文化服务中的旅游休闲价值呈现先快速上升后逐渐趋稳的变化趋势，科研教育价值则呈现先小幅波动，后快速上升的趋势。旅游休闲价值平均为3.525 2±1.885 4亿元，最低值出现在2008年；最高值出现在2017年；科研教育价值平均为0.850 6±0.499 2亿元，最低值出现在2008年；最高值出现在2019年。南水北调工程前后，密云水库旅游休闲价值和科研教育价值都极显著提高(p<0.01)。

图4 密云水库2008-2019年文化服务价值变化

密云水库是密云区旅游休闲的一张名片，独特的山—水—林—库风光对游客有很强的吸引力。交通便捷程度对旅游潜力的释放具有决定性作用，2009年北京至承德高速公路全线开通后，密云区旅游进入飞速发展阶段，密云水库旅游休闲价值也大幅增加；2015年以后高速公路的旅游带动作用趋于饱和，旅游休闲价值进入稳定平衡期。为了加强水源地保护工作，密云水库宜适当限制与保护水源无关的旅游开发活动。密云水库是山水林田湖草系统治理的典范，也是密云水库精神的重要载体，对于践行习近平生态文明思想、引导全社会爱水护水有重要推动作用，因此，密云水库的科研教育价值尚有很大的上升空间。

3.5 密云水库水生态服务总价值和不同水生态服务价值所比例例

由图5可知，2008—2019年密云水库水生态服务总价值呈现先小幅波动，后逐渐增大的变化趋势。水生态服务总价值平均为840.380 8±86.427 4亿元，最低值出现在2008年；最高值出现在2019年。南水北调工程启用后，密云水库水生态服务总价值极显著提高(p<0.01)，并且波动幅度也增大。

图5 密云水库2008-2019年水生态服务总价值变化

密云水库各项水生态服务功能按照价值由大到小依次为：保护生物多样性>涵养水源>增加湿度>夏季降温>调蓄洪水>水资源供给>旅游休闲>科研教育>提供水产品>水质净化>释放O2>固定CO2(图1—4)。密云水库水生态服务功能价值由支持服务功能中的保护生物多样性价值所主导，其所比例例合计达64%～80%，呈现先扩大后缩小趋势，最大比例出现在2015年；调节服务功能中的涵养水源价值、增加湿度价值、夏季降温价值和调蓄洪水价值处于次要地位，其所比例例合计为18%～33%，呈现逐年增大的趋势；供给服务功能和文化服务功能价值比例合计不足5%，分别呈现不规则波动和逐年增大的变化趋势(图6)。

图6 密云水库2008-2019年不同水生态服务价值所比例例变化趋势

水生态服务价值因为研究对象、选取的生态服务功能和价值计算方法的不同而存在差异。例如：位于珠江流域下游的广东省广州市2005—2010年水生态服务价值在699.62～879.07亿元之间、深圳市2013年水生态服务价值为864.51亿元[7,8]，位于长江流域上游的重庆市2001—2015年水生态服务价值在555.99～1 340.30亿元之间[10]，位于长江下游的太湖流域2008年水生态服务价值为910亿元[6]，而处于永定河流域上游的河北省张家口市2017年水生态服务价值仅为55.14亿元[12]。密云水库2008—2019年水生态服务价值为709.96～1 003.60亿元，与珠江流域和长江流域的区域水生态服务价值相当，同时显著高于永定河上游的区域水生态服务价值。这可能是由于密云水库的蓄水量又大于永定河上游的水资源供给量和水库蓄水量。

4 结 论

(1) 本研究运用替代成本法、替代工程法、市场价值法、碳交易法、支付意愿法、比例折算法和成果参照法评估密云水库水生态服务价值的变化情况。在研究时段内，密云水库的水资源供给价值、提供水产品价值和水质净化价值呈现大幅度、不规则波动的变化趋势，调蓄洪水价值先小幅波动后逐年下降，增加湿度价值、夏季降温价值、涵养水源价值和科研教育价值则都先小幅波动后逐年上升，固定CO2价值和释放O2价值均在平均值附近小幅波动，保护生物多样性价值逐年平稳上升，旅游休闲价值先快速上升后稳定于高位，水生态服务总价值的变化趋势与增加湿度价值、夏季降温价值、涵养水源价值和科研教育价值相似。

(2) 南水北调工程对密云水库各项水生态服务功能有不同的影响：南水北调工程启用后，水资源供给价值、提供水产品价值、固定CO2价值、释放O2价值和保护生物多样性价值与启用前相比，变化不显著；调蓄洪水价值极显著减小；增加湿度价值、夏季降温价值、涵养水源价值、水质净化价值、旅游休闲价值和科研教育价值都极显著增大。水生态服务总价值也极显著增大，从792.995 8±47.626 1亿元增加至935.150 7±64.293 5亿元。

(3) 密云水库水生态服务价值达709.96～1 003.60亿元，其中保护生物多样性价值、涵养水源价值、增加湿度价值、夏季降温价值和调蓄洪水价值居于支配地位。为保障饮用水储量和水质安全可靠、维护水库生态系统持久稳定，建议密切监测南水北调对水库水量水质的长期影响，并据此调整滤食性鱼类的投放量和捕获量，同时加强密云水库文化、生态价值的挖掘和宣传力度，提升科研教育价值，促进区域社会经济的可持续发展。