东江湖流域生态系统服务价值评估

童 妍，李 朗，李 姣，牛 潜，汪 杰

(1.湖南师范大学商学院，湖南 长沙 410013； 2.中国矿业大学公共管理学院，江苏 徐州 221116)

生态系统服务是指通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到的生命支持产品和服务[1]，它是人类生存和持续发展过程中的物质基础和基本条件。生态系统服务价值是衡量生态安全程度的关键指标，对其进行评估是提升生态环境资源配置效率的基础，也是建立生态补偿保护机制的前提与依据[2-3]。

近年来，生态服务价值评估已经成为环境与生态经济学中最重要、发展最快的研究领域之一[4-5]。生态系统服务价值的估算已经广泛应用于全球或区域尺度内的森林[6-7]、湿地[8-9]、流域[10-12]、草地[13-14]、农田[15-16]等多种单一生态系统及由其组成的复合生态系统中。在评估方法上，可分为直接评估法和间接评估法。评估多种生态系统服务价值时，越来越多的学者尝试通过间接评估法中的模型模拟的方法，定量化、可视化、精细化地评估生态系统服务价值[17]。其中，InVEST模型对模型参数、特性数据没有太多限制，且能以专题地图的形式在空间尺度上动态量化生态系统服务价值，已成为一种优势明显、发展成熟的模型，被国内外学者广泛应用[18-20]。

东江湖流域的湿地生态系统与水生态系统提供了巨大的服务价值，作为我国重要的国家湿地公园试点区和水资源生态补偿试点区[21]，具有重大的研究意义。本研究使用InVEST模型评估东江湖流域1980—2020年的水源涵养、土壤保持和碳储存三种生态系统服务物质量，选用影子工程法、市场价格法等方法评估其价值量，并给出相关政策建议。

1 研究区概况

本文的研究对象为东江湖流域(113°13′26″—14°03′00″E，25°20′51″—26°10′30″N)，它是指流入东江湖的河流的汇水区域，位于湘粤赣三省交界处、罗霄山脉南端、八面山西坡、南岭北坡。全流域面积4851.04km2，流域界线长435.62km，涉及汝城县、桂东县、宜章县和资兴市4个县市的29个乡镇。近年来，东江湖流域生态安全问题因生活污水直排、流域水电开发密集等原因面临着严峻的挑战[22]。如何实现东江湖流域可持续发展、获得经济和生态双重效应已成为政府与公众关注的焦点。

2 数据来源与评估方法

2.1 数据来源

本研究使用的数据详细来源与说明见表1。研究中用到的空间数据统一采用Albers Conical Equal Area投影坐标系、GCS_WGS_1984地理坐标系，其基准面为D_WGS_1984。

表1 数据来源及说明Tab.1 Datasourceanddescription数据名称数据来源数据说明DEM数字高程数据地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)卫星图像的空间分辨率为30m土地利用数据湖南省自然资源局土地利用方式精确到二级分类土壤数据旱区寒区科学数据中心(http://westdc.westgis.ac.cn/)及国家地球系统科学数据平台/气象数据中国气象数据网国家气象信息(http://data.cma.cn)借助ArcGIS中的距离倒数乘方法对气象站点的数据进行空间插值

2.2 评估和计算方法

本研究使用InVEST模型中的水量提供模型、泥沙输移比模型和碳储存模型分别评估东江湖流域1980—2020年的水源涵养、土壤保持和碳储存三种生态系统服务物质量，并利用影子工程法、替代成本法和市场价值法分别将这三种生态系统服务量货币化。

2.2.1 水源涵养量计算

在布德科水热耦合平衡假设[23]的基础上，InVEST模型通过计算每个栅格单元的降水量和实际蒸散量的差值即可获得产水量，模型所得到的产水量经过修正后，即可获得流域实际的水源涵养量[24]。具体计算公式如下：

(1)

式中：Retention即修正后的水源涵养量(m3)；Velocity、TI分别为地形指数和流量系数，两者均无量纲；Ksat为土壤饱和导水率(mm·d-1)；WY为模型所得产水量(m3)。

对东江湖流域而言，水源涵养价值主要表现为生态系统蓄水价值。评估时可使用影子工程法模拟建造一水利设施，使其最大蓄水量与东江湖流域的水源涵养量保持一致，用建造该蓄水设施的总成本为依据来核算水源涵养价值。计算模型如下：

Vwr=Qwr×Cwe

(2)

式中：Vwr为生态系统水源涵养价值(元)；Qwr为水源涵养量(m3)；Cwe为水库单位库容的工程造价(元·m-3)。参照1993—1999年《中国水利年鉴》，计算得水库单位库容平均工程造价为2.17元·m-3，以此为基础根据各年份的价格指数，得到各年份的水库单位库容工程造价成本。

2.2.2 土壤保持量计算

InVEST模型中，土壤保持量包括土壤侵蚀减少量和泥沙持留量。具体计算公式如下：

SEDRET=R×K×LS×(1-C×P)+SEDR

(3)

式中：SEDRET为土壤保持量(t)；R为降雨侵蚀力因子(MJ·mm(ha·hr)-1)；K为土壤可蚀性因子(t·ha·hr(MJ·ha·mm)-1)；LS、C、P分别为坡长坡度因子、植被覆盖与作物管理因子及水土保持措施因子，三者均无量纲；SEDR为土壤对泥沙持留量(t)。

由InVEST模型土壤保持服务量的分类可知，土壤保持价值由减少面源污染价值和减少泥沙淤积价值两部分构成[25]。具体公式如下：

Vsr=Vsd+Vdpd

(4)

式中:Vsr为生态系统土壤保持价值(元)；Vsd为减少泥沙淤积价值(元)；Vdpd为减少面源污染价值(元)。

通过土壤保持功能，生态系统可以有效减少氮、磷等土壤营养物质进入下游水体，从而减少下游水体的面源污染，形成减少面源污染的价值。评估这一价值时可根据氮、磷这两类营养物质在土壤中的含量，使用替代成本法(即清除土壤污染物的总成本)核算；计算公式和相关参数如下(见表2)：

Vdpd=Qsr×(C1×P1+C2×P2)

(5)

表2 减少面源污染价值评估参数说明Tab.2 Descriptionofevaluationparametersofdiffusedpollutionreductionvalue数据需求数额单位数据来源说明土壤保持量(Qsr)/tInVEST模型计算结果土壤中氮含量(C1)1.49kg·t-1参考文献:魏军才等[26]土壤中磷含量(C2)0.60kg·t-1参考文献:魏军才等[26]氮污染物处理成本(P1)3.75元·kg-1湖南省环境保护税磷污染物处理成本(P2)12.00元·kg-1湖南省环境保护税

通过土壤保持功能，生态系统可以减少水体的泥沙淤积，带来减少泥沙淤积的价值。评估这一价值时可根据生态系统的土壤保持量和泥沙淤积量，使用替代成本法(即开展水库清淤工程的总费用)核算。计算公式及相关参数说明如下(见表3)：

Vsd=λ×(Qsr×ρ)×c

(6)

表3 减少泥沙淤积价值评估参数说明Tab.3 Descriptionofevaluationparametersofsedimentationreductionvalue数据需求数额单位数据来源说明单位水库清淤工程费用(c)0.67元·m-3参考文献:欧阳志云等[27]土壤容重(ρ)1.241g·m-3《陆地生态系统生产总值核算技术指南》[28] 泥沙淤积系数(λ)24%参考文献:欧阳志云等[27]

2.2.3 碳存储量计算

在InVEST模型的碳存储模块中，基于生态系统中各绿色碳库的碳储存量，可计算东江湖流域内的碳储存总量，具体公式如下：

C=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(7)

式中：C为陆地生态系统碳储存总量；Cabove、Cbelow、Csoil、Cdead分别为地上部分、地下部分、土壤层部分及死亡有机质的碳储量；单位均为kg·m-2。

我国碳交易市场已经初步建立，可利用碳交易价格，使用市场价值法评估碳存储这一生态系统服务的价值。计算模型如下：

Vcf=Qc×Cc

(8)

式中：Vcf为生态系统固碳价值(元)；Qc为总固碳量(t)；Cc为碳交易价格(元·t-1)。本研究确定的碳交易价格为2020年全国8个碳交易市场按市场交易量计算出来的加权平均值，为30.58元·t-1。

3 结果与分析

3.1 东江湖流域生态系统服务量评估

3.1.1 水源涵养量

为识别东江湖流域各区域的空间异质性，更有效地评估流域生态系统服务及其价值，本文借助ArcGIS水文分析工具，参考前人研究，将东江湖流域划分成24个子流域[29]，各子流域的空间分布见图1。

图1 东江湖流域子流域编号图Fig.1 Sub-basin numbering map of the Dongjiang Lake Basin

对InVEST模型成功运行后得到的产水量进行修正，即可得到东江湖流域历年实际的水源涵养量(见表4)。空间分布上，东江湖流域内水源涵养量分布不均匀，中部水源涵养量明显较高，水源涵养量大致呈放射状向四周减少，而除了中部地区以外，东部区域的水源涵养量明显高于其他区域。这主要受到两方面影响：一方面，东部地区降水丰富且纬度较高，蒸散作用相对较弱，而南部与西部区域降水较少且蒸散作用明显强于东部；另一方面，流域内中东部区域多为林地，土地植被覆盖率较高，因此土壤水分下渗强度高，生态系统具有较强的水源涵养能力；西部和南部地区多为耕地、草地及水域，植被覆盖率较低，蒸散作用较强，因此生态系统涵养水源的能力较弱。

时间序列上，1980年、1990年、2000年、2010年、2020年东江湖流域的水源涵养量分别为140.687×106、91.417×106、138.596×106、62.889×106、86.568×106m3，整体呈现出先小幅上升后大幅下降的趋势。以子流域区分统计东江湖流域的水源涵养量，可以发现9号和15号子流域水源涵养量较高，均在10×106m3以上，其余子流域水源涵养量一般不超过10×106m3，这与区域地形、降水量、植被覆盖量和蒸散量有关。从变化量上看，9号和15号子流域水源涵养量40年来的变化量也是最大的；从变化率上看，4号、10号、12号、18号、19号、20号、21号、22号和23号子流域水源涵养量下降幅度较大，均超过40%。

3.1.2 土壤保持量

InVEST模型的土壤保持模块运行成功后即可得到东江湖各流域1980—2020年土壤保持量的变化情况(见表5)。东江湖流域各年土壤保持量的空间分布相似，流域内的土壤保持量较低的区域由东北向西南呈现线条状分布，主要由于东北向西南走向上植被覆盖率较高且多为坡度较大的山地丘陵地形，土壤相对较易被侵蚀的同时下垫面对径流和泥沙的持留作用较强，因此计算出来土壤保持量较大。另外，西北和东南区域由于区域水域面积较大，整体表现为土壤保持量较低。

时间序列上，1980年、1990年、2000年、2010年、2020年东江湖流域的土壤保持量分别为1199.387×106、881.454×106、1287.324×106、1033.172×106、1120.689×106t，呈现波动上升后逐渐平稳的趋势。以子流域区分统计东江湖流域的土壤保持量，以2020年为例，可以发现9号和15号子流域土壤保持量较高，均超过130×106t。

表4 研究区各流域1980—2020年水源涵养量变化Tab.4 Changesinwaterconservationineachwatershedinthestudyareafrom1980to2020地区编号水源涵养量/(×106m3)1980年1990年1995年2000年2005年2010年2015年2020年变化量变化率/%14.4892.8624.7414.7914.0932.2074.6322.895-1.593-35.4924.3642.9854.6873.8683.9131.9175.0442.764-1.600-36.6636.8964.4897.5816.0556.0153.1507.9844.311-2.586-37.5040.4620.3040.4820.3960.3980.1880.5230.276-0.185-40.1057.4635.0098.1966.8556.7973.5648.7014.861-2.603-34.8761.8031.3461.8421.7501.7960.6912.0481.138-0.665-36.8872.4221.6862.5262.1942.2170.9702.7651.494-0.928-38.3085.3703.1455.9365.5004.9822.5056.1993.384-1.986-36.98919.21811.78919.79219.32017.5128.69220.04911.499-7.718-40.16107.8915.5208.0807.5817.8162.6769.1454.452-3.439-43.58114.4773.0114.8144.2574.2612.0445.3042.899-1.578-35.24123.0342.0363.2042.8732.9021.1723.5951.803-1.232-40.59136.2674.2446.8736.1196.0073.1877.3054.219-2.047-32.67143.7832.4704.1023.6893.6841.5484.5522.290-1.493-39.461522.73514.52924.08121.71920.67111.01824.79114.198-8.537-37.551610.6776.62211.84910.78210.2575.30512.6626.909-3.768-35.29173.2282.0413.5983.2783.2231.5163.9372.020-1.208-37.42183.2962.1033.5453.2983.3191.2614.0061.862-1.434-43.51191.4191.0451.4431.4181.4700.5091.6270.803-0.616-43.42203.6722.6973.8594.0824.3281.3864.4182.141-1.531-41.70214.3892.7914.7374.5464.6621.5075.4322.350-2.039-46.46223.5162.3933.8383.8834.0751.3214.4812.040-1.476-41.99233.1532.0403.5143.3933.4781.3443.9761.853-1.301-41.25246.6624.2597.4386.9506.9473.2118.2064.106-2.556-38.36合计140.68791.417150.756138.596134.82362.889161.38286.568-54.118/

从变化上看，1980年以来，1号、8号、9号子流域土壤保持量有所上升，其中1号子流域变化量为12.021×106t，变化率高达17.83%；其他子流域的土壤保持量都有所下降。

3.1.3 碳储量

目前，东江湖流域的实测碳密度数据较为缺乏，因此,本文参照与东江湖流域地理位置相近、自然条件相似的研究，整理出东江湖流域不同地类的碳储量密度。InVEST模型中的碳储存模块成功运行后，即可得到东江湖流域碳储量变化(见表6)。空间分布上，流域内整体碳储量较高，西部碳储量相对较低，且1980年以来，西部区域整体碳储量呈现出持续下降趋势，这与流域东北部、东部和东南部的林地面积分布广泛的现状是一致的。而流域西部主要为水库和河流，水域的碳密度基本为0，因而西部的碳储量较低。

从时间序列上看，1980年、1990年、2000年、2010年、2020年东江湖流域的碳存储量呈波动减少的趋势，整体变化不大，分别为73.699×106、73.976×106、71.455×106、69.929×106、70.09×106t，共减少4.90%。以子流域区分统计东江湖流域的碳存储量，4号、7号、10号和19号子流域碳存储量减少幅度大于10%，其中7号子流域减少了28.16%，原因主要在于7号子流域位于水库北边，水库蓄水导致7号子流域水域面积增大。

3.2 东江湖流域生态系统服务价值量评估

3.2.1 水源涵养价值

根据公式(2)可得流域的水源涵养价值，由此绘制各年水源涵养价值变化图(见图2)。从整体来看，1980年、1990年、2000年、2010年、2020年水源涵养价值分别为52.758、34.281、51.974、23.583、32.463千万元。2015年东江湖流域的水源涵养价值相较于1980年增加了14.71%，2020年东江湖流域的水源涵养价值相较于1980年降低了38.47%；从1980年到2020年，东江湖流域水源涵养价值最大值为60.62千万元，最小值为23.58千万元，波动较大，整体呈现波动升降的变化特征。

图2 研究区1980—2020年水源涵养价值及变化Fig.2 Water conservation value and changes in the study area from 1980 to 2020

表6 研究区各流域1980—2020年碳储存量变化Tab.6 Changesincarbonstorageineachwatershedinthestudyareafrom1980to2020地区编号碳储存量/(×106t)1980年1990年1995年2000年2005年2010年2015年2020年变化量变化率/%14.6664.6924.2774.6874.6804.2614.2514.314-0.352-7.5521.9962.0221.9161.9181.9291.9201.9141.913-0.083-4.1433.5633.5603.5573.5543.5513.5513.5513.556-0.007-0.2040.3660.3730.3100.3100.3100.3080.3080.308-0.058-15.7552.4512.4492.4322.4302.4332.4292.4302.430-0.020-0.8362.2132.2082.1842.1842.1822.1682.1652.170-0.043-1.9372.3032.4781.6811.6691.6771.6421.6421.655-0.649-28.1682.2682.2622.2272.2602.2612.2252.2282.239-0.028-1.2597.5517.5837.0047.5837.6187.0197.0027.061-0.490-6.49105.1735.1904.3114.2924.2974.3034.2554.260-0.913-17.66111.6041.5971.5921.5551.5571.5741.5781.578-0.026-1.62121.3211.3301.2281.1911.1981.2031.2061.206-0.115-8.68132.0512.0472.0442.0412.0402.0402.0432.044-0.007-0.34141.5541.5261.4741.4571.4561.4601.4611.461-0.093-5.98157.1857.2146.9017.1847.1816.8646.9127.018-0.167-2.32163.6373.6333.6103.6203.6183.6063.6303.6420.0050.14171.7951.7951.7911.7931.7911.7881.7811.781-0.014-0.78181.7291.7321.6501.6351.6361.6211.6221.622-0.107-6.20191.2301.2251.0981.0901.0911.0871.0641.066-0.163-13.29202.4642.4642.4582.4392.4392.3962.3352.347-0.117-4.73212.9913.0042.9792.9782.9752.9422.9392.963-0.028-0.93223.9853.9873.9803.9843.9813.9773.9713.971-0.014-0.35233.1093.1103.1063.1103.1073.0843.0843.088-0.020-0.66246.4946.4946.4876.4916.4846.4606.4406.394-0.101-1.55合计73.69973.97670.29771.45571.49269.92969.81370.090-3.609/

3.2.2 土壤保持价值

由公式(4) 、(5) 和 (6) 可算出东江湖流域土壤保持价值，由此绘制各年土壤保持价值变化图(见图3)。从整体来看，1980年、1990年、2000年、2010年、2020年东江湖流域的土壤保持价值分别为1583.122、1163.469、1699.194、1363.728、1479.257千万元。其中，1990年土壤保持价值最小，为1163.469千万元；2005年土壤保持价值最大，为1928.328千万元；变化率高达67%，整体呈现出较大幅度波动升降的特征。

图3 研究区1980—2020年土壤保持价值及变化Fig.3 Soil conservation value and changes in the study area from 1980 to 2020

3.2.3 碳储存价值

由公式(8)可算出东江湖流域的碳储存价值，由此绘制各年碳储存价值变化图(见图4)。从整体来看，1980年、1990年、2000年、2010年、2020年碳存储价值分别为：225.372、226.219、218.509、213.843、214.335千万元，流域内各年碳储量价值变化不大。

3.2.4 价值汇总

将东江湖流域的碳存储、水源涵养、土壤保持价值均值相加，得出生态服务总价值(见表7)，1980—2020年东江湖流域的生态系统服务价值呈现先小幅下降后回归波动前的价值的特征，整体下降7.20%。从历年价值构成上来看，东江湖流域的三类生态系统服务中，土壤保持价值最大，水源涵养价值最小。

图4 研究区1980—2020年碳储存价值及变化Fig.4 Carbon storage value and changes in the study area from 1980 to 2020

表7 1980—2020年东江湖流域总价值及构成Tab.7ThetotalvalueandcompositionoftheDongjiangLakeBasinfrom1980to2020千万元年份水源涵养价值土壤保持价值碳储存价值合计198052.7581583.122225.3721861.251199034.2811163.469226.2191423.969200051.9741699.194218.5091969.677201023.5831363.728213.8431601.154202032.4631479.257214.3351726.055

4 结论与讨论

4.1 结论

本研究综合利用相关数据，以ArcGIS软件和InVEST模型为工具，评估了东江湖流域1980年、1990年、1995年、2000年、2005 年、2010 年、2015 年和2020年的水源涵养、土壤保持和碳储存三种主要生态系统服务的价值。得出的主要结论如下：

(1)在空间分布上，东江湖流域内水源涵养量分布不均匀，中部水源涵养量明显较高，水源涵养量大致呈放射状向四周减少的状态；在时间序列上，1980年、1990年、2000年、2010年、2020年东江湖流域的水源涵养价值的均值分别为52.758、34.281、51.974、23.583、32.463千万元，呈现波动下降的趋势。

(2)在空间分布上，东江湖流域各年土壤保持量的空间分布相似，流域内的土壤保持量较低区域由东北向西南呈现线条状分布；在时间序列上，1980年、1990年、2000年、2010年、2020年东江湖流域的土壤保持价值分别为1583.122、1163.469、1699.194、1363.728、1479.257千万元，呈现波动升降的特征，整体略微下降。

(3)在空间分布上，东江湖流域内整体碳储量较高，西部碳储量较低；在时间序列上，1980年、1990年、2000年、2010年、2020年东江湖流域的碳储存价值分别为225.372、226.219、218.509、213.843、214.335千万元，呈现减少的趋势，整体变化不大。

(4)1980年、1990年、2000年、2010年、2020年东江湖流域的生态系统服务价值分别为1861.251、1423.969、1969.677、1601.154、1726.055千万元，呈现波动升降趋势。

4.2 讨论

(1)因数据限制，本研究仅使用 InVEST 模型对东江湖流域三项最重要的生态系统服务的物质量进行模拟，并选定价格计算相应的价值量。但生态系统服务包含其他多种不同类型[30]，故本研究价值量计算结果远远小于整个流域实际的生态系统服务价值。

(2) 生态系统服务价值评估相当复杂，基于不同评估原理选取的不同评估方法，评估出的生态系统服务价值包含内容不同，差异也会较大[31]。目前，发表的文献中对于东江湖流域生态系统服务价值进行研究的文章很少，且大都存在研究时间跨度小的不足[32-33]。本文的研究不仅揭示出东江湖流域生态系统服务蕴含巨大价值，还可为未来更深入的研究提供基础，以实现东江湖流域的生态经济协调发展。

(3)在严格的生态环境保护前提下，为实现东江湖流域生态系统服务价值，本文提出以下政策建议：首先，应推进东江湖流域自然资源确权登记，构建东江湖流域生态产品权益交易机制；其次，应健全东江湖流域生态资源产品经营开发机制，拓宽生态价值实现模式，实现东江湖流域生态资源的有效供给；最后，应加快完善纵向生态保护补偿制度，同时着手构建以水资源为重点的横向生态保护补偿机制，把建立生态补偿机制与扶持国家重要生态功能区及经济欠发达地区的发展紧密结合起来。