顾及空间产水特征的城市湿地生态系统服务价值估算

伍 丽 君,胡 最,2*

(1.衡阳师范学院地理与旅游学院,湖南 衡阳 421002;2.传统村镇文化数字化保护与创意利用技术国家地方联合工程实验室,湖南 衡阳 421002)

0 引言

城市湿地具有保护生物多样性、调节径流、净化水质、改善气候等功能[1,2],亦可促进旅游观光、科研和教育等社会经济发展[3,4],然而,在城市扩张过程中对湿地缺乏保护或者不合理的开发利用容易导致湿地生态功能退化[5]等问题,进而影响城市可持续发展[6-9]。科学评估城市湿地生态系统服务价值(Wetland Ecosystem Service Value,WESV)有助于提升人类对城市问题的认识,从而提出湿地保护与区域规划的有效措施[10-12]。

目前,常用的生态系统服务价值估算方法主要分为功能价值法和当量因子法。为避免重复计算,崔丽娟等将湿地生态系统服务分为最终服务和中间服务,结合多种生态经济学方法评估湿地生态系统服务价值[13];也有学者通过构建WESV影响因素的结构方程模型定量分析城市WESV[14],通过构建系统动力学(SD)模型模拟湿地生态系统服务变化过程及未来情景[15]。综上,现有WESV研究主要关注城市[16-18]或城市群[19-21]的总体生态系统服务,忽略了城市内部的发展差异[22],如城市建成区与非建成区[23-25]的生态系统服务功能差异。城市非建成区受人类活动干扰较少,对湿地水循环影响较小,而城市建成区不透水面影响城市地表径流和地下径流等水循环,对城市湿地生态系统服务功能产生重要影响[26,27],因此,在评价城市WESV时应考虑城市不透水面的影响。

修正价值当量因子是生态系统服务价值估算的基础,学者们使用植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)、降水、土壤保持时空动态调节因子对不同生态系统服务功能进行修正[28],在此基础上引入社会支付意愿系数[29]、土地类型及面积[30]等优化价值评估结果。然而,城市WESV估算还涉及土地利用类型、土壤类型、蒸散发、流域范围、降水量等因素,且直接使用降水量因子会因年降水偶然极值使WESV的最终估算结果偏离实际,因此,现有方法尚不适用于WESV估算。

产水量与降水、蒸发、土壤、土地利用类型、植物可利用含水量密切相关[31-33],产水量相比降水量考虑了更多环境因素,是修正城市WESV的重要参数。因此,本文以衡阳市中心城区建成区为例,基于高分辨率遥感影像提取城市建成区湿地,借鉴降水量时空调节因子修正模型[28],结合城市湿地的影响因子,使用产水量时空调节因子对城市湿地生态系统服务价值估算方法进行修正,并结合估算结果分析城市发展过程中湿地及其生态价值的变化趋势,以期为城市湿地保护与管理提供科学依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况与数据来源

湖南省衡阳市地处湘江中游,地势南高北低,属亚热带季风气候,年均气温18 ℃,年降水量1 500 mm,蒸水和耒水与湘江在城区交汇,形成典型的“三道水口锁大江”格局,湿地资源丰富。由于南岳区距离衡阳市主城区较远(约50 km),因此本文研究范围为衡阳市中心城区的珠晖区、雁峰区、蒸湘区和石鼓区,面积合计为51 830.58 hm2,占衡阳市土地总面积的3.39%(图1)。截至2021年底,衡阳市中心城区GDP总值达1 051.9亿元,常住人口为135.21万人,粮食播种面积为4 540.43 hm2,粮食产量总值为8 649.6万元[34]。

图1 研究区Fig.1 The study area

本文基于Planet卫星和Google Earth平台获取2017年、2019年和2021年衡阳市中心城区分辨率为5 m的遥感影像,并进行大气校正、空间校正、镶嵌、裁剪等预处理工作。参考《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2017),利用AI Earth 地球科学云平台(https://account.aliyun.com/)将土地利用类型划分为林地、草地、耕地、湿地(自然湿地和人工湿地)、建设用地、交通用地和未利用地。由于传统方法提取的建成区边界破碎化严重,因此本研究根据遥感影像的建设用地和交通用地分布划定建成区边界(图1)。当湿地面积达到1 hm2以上时,能维持爬行和两栖动物多样性[35],据此将衡阳城区湿地的最小面积确定为1 hm2。降水量、潜在蒸散发、土壤属性等数据来源及用途详见表1。

表1 数据来源Table 1 Data source

1.2 研究方法

本研究主要内容为对比未修正的WESV和基于降水量调节因子、产水量调节因子修正的WESV结果,采用更精细的数据和参数分析地表特征、植被覆盖和土壤类型等因素对湿地的影响,以提高WESV估算的准确性。具体方法流程如图2所示。

图2 技术流程Fig.2 Workflow of the proposed method

1.2.1 产水量估算 降水量和蒸散量是衡量产水量空间异质性特征的主要指标[36],二者的差值即为产水量。本研究根据InVEST模型水热耦合平衡原理,通过考虑气候、土壤、地形、流域等多项指标计算区域年产水量[37],产水量参数根据文献[38] 确定。计算公式为:

Y(x)=(1-A(x)/P(x))·P(x)

(1)

(2)

ω(x)=Z·W(x)/P(x)+1.25

(3)

W(x)=Min(d(x),r(x))×C(x)

(4)

(5)

式中:Y(x)、A(x)、P(x)分别为栅格单元x的年产水量、年实际蒸散量和年降水量,土地利用/覆被类型的植物蒸散发A(x)/P(x)采用Budyko水热耦合平衡假设方法[39]确定,E(x)为潜在蒸散量,ω(x)为自然气候—土壤性质的非物理经验参数[40],Z(Zhang系数的简写)为季节常数,Z取值15时模型评估结果最优[41],W(x)为土壤有效含水量(mm),d(x)为土壤最大深度,r(x)为根系深度,C(x)为植物可利用水分含量(即田间持水量和萎蔫点之间的差值),主要用于评估土壤为植物所存储和释放的总水量(评估方法见文献[42]),Isand为沙粒含量(%),Isilt为粉粒含量(%),Iclay为粘粒含量(%),IOM为土壤有机质含量(%)。

1.2.2 WESV估算 生态系统服务价值当量因子定义为1 hm2全国平均产量的农田年均经济产值[43],即将单位面积农田粮食生产净利润作为1个标准当量因子的ESV。参照全国生态系统服务标准价值当量因子表,1个当量因子的经济价值量为区域主要粮食作物平均单产市场价值的1/7[44]。本文通过式(6)计算衡阳市年均单位面积稻谷的市场价值作为1个标准当量因子的经济价值量。生态系统服务功能及其价值量因时空差异引起的内部结构与外部形态变化而不断变化,谢高地等[28]采用降水量时空调节因子Rij(式(7))修正生态系统服务价值。为有效抑制区域降水量年际变化大对生态系统服务价值计算结果产生较大影响,本文参照降水量调节因子,提出产水量调节因子(Tij,式(8)),并依据文献[28]的生态系统服务价值估算方法构建城市湿地生态系统服务价值评估公式(式(9)),最后,结合湿地面积计算研究区域的总WESV(式(10))。

(6)

式中:Qa为湿地生态系统服务价值当量因子的经济价值量(元/hm2),Qw为湿地生态系统的经济产值(元),Sw为湿地生态系统的面积(hm2)。

(7)

式中:Pij为第i年j地区生态系统的平均单位面积降水量(mm/hm2),P为研究区年均单位面积降雨量(mm/hm2),Fij为第i年j地区湿地生态系统服务的价值当量因子,Ft为水资源供给或者水文调节生态服务功能未修正的价值当量因子。

(8)

Qb=Fij×Qa

(9)

V=Qb×Sw

(10)

式中:Qb为湿地生态服务功能的单位面积价值量(元/hm2),V为区域湿地生态系统服务总价值(元)。

2 结果分析

2.1 衡阳市湿地变化特征

基于AI Earth平台提取衡阳市中心城区建成区湿地(图3),统计得到湿地面积分别为2017年3 246.08 hm2、2019年3 221.62 hm2、2021年2 973.42 hm2,5年湿地面积减少了272.66 hm2,而且2021年湿地分布更破碎。

图3 衡阳市中心城区建成区湿地分布Fig.3 Distribution of wetland in the built-up area of central city in Hengyang

2.2 WESV估算结果

为方便观察和比较修正前后对WESV估算结果的影响,本研究分别计算未修正的WESV以及基于降水量因子和基于产水量因子修正的WESV,以提高湿地生态系统服务价值估算精度。

2.2.1 未修正的WESV 由2017年、2019年和2021年衡阳市人民政府统计公报获取地方粮食播种面积、粮食产量和粮食收购价等数据,计算得到衡阳中心城区主要粮食作物平均单产价值量分别为2017年11 548.96元/hm2、2019年13 968.42元/hm2和2021年14 733.74元/hm2。根据式(6)、式(9)和式(10)计算2017年、2019年和2021年衡阳市中心城区建成区未修正的湿地生态系统服务总价值(表2),可知衡阳市中心城区建成区的WESV总体呈下降趋势,从60.08亿元降至43.13亿元。湿地生态系统服务价值主要来源于水文调节和水资源供给两种服务功能,分别约占总WESV的81.39%和6.6%,表明湿地在水文调节服务功能上发挥着巨大作用。

表2 未修正的湿地生态系统服务总价值Table 2 Uncorrected total value of wetland ecosystem services 单位:亿元

2.2.2 基于降水量因子修正的WESV 为反映城市湿地生态系统服务功能的时空动态变化,根据谢高地等[28]提出的时空动态因子,使用降水量调节因子修正标准当量并估算WESV。结合生态系统服务价值基础当量表,构建基于降水量因子修正的城市湿地生态系统服务动态价值当量表,根据式(7)得到降水量时空调节因子(表3)。由表3可知,2017—2021年衡阳市降水量明显增大,2021年降水量是2017年的近两倍,可见衡阳市气候变化明显,会对WESV估算结果产生较大影响;2017年和2019年降水量时空调节因子差距不明显(均小于1),而2021年降水量时空调节因子(高达1.53)与2017年、2019年存在显著差异,极大影响WESV估算结果。基于表3的降水量时空调节因子计算得到衡阳市中心城区建成区经降水量因子修正后的总WESV(表4),可知2017—2021年水文调节、水资源供给功能均不断增加,其他生态系统服务功能均减少,水文调节功能是影响城市湿地生态系统最显著的因子,约占总价值的82.04%,其次是水资源供给和净化环境功能,约占6.65%和4.16%。2017—2021年研究区总WESV增速加快,5年增加了10.79亿元。

表3 2017—2021年衡阳市降水量及修正因子Table 3 Rainfall and its correction factor of Hengyang from 2017 to 2021

表4 基于降水量因子修正的湿地生态系统服务总价值Table 4 Total value of wetland ecosystem services based on rainfall correction 单位:亿元

2.2.3 基于产水量因子修正的WESV

1)产水量及修正因子分析。为提高WESV估算的准确性,本文使用产水量时空调节因子代替降水量因子,通过InVEST模型中的产水量模块,结合降水、土壤深度、土地利用、潜在蒸散发和植被可利用含水量等参数(图4)计算2017年、2019年和2021年衡阳市中心城区建成区产水量(图5)。研究区建设用地集中分布于耒水南至湘江之间(图4a—图4c),林地、草地、耕地围绕建设用地分布,降水较多区域主要集中在中部(图4d—图4f),植物可利用含水量沿湘江流域较高,其余区域较低(图4h),年均潜在蒸散发量呈周围高、中间低的碗状分布(图4i),但极差(37 mm)较小。由图5可知,虽然不同年份的产水量差异明显,但高值与低值非常接近,2017年、2021年极差为345.7 mm,2019年为344.89 mm。从空间分布看,产水量高值区与建设用地分布区域重叠,究其原因,城市不透水面覆盖率高,极大地影响甚至阻断雨水的自然渗透过程,降水产生的地表径流汇入地下管道、坑塘水库等城市水系统,影响了城市地区的自然蒸散过程。由于2021年降水量较大,因此2021年产水量较2019年整体提高(表5);2017年和2019年产水量时空调节因子均小于1,2021年是2017年的近两倍。

表5 2017—2021年衡阳市产水量及修正因子Table 5 Water yield and its correction factor of Hengyang from 2017 to 2021

图4 产水量模型因子Fig.4 Factors of water yield model

注:河流无土壤深度数据,故产水量为空值。图5 2017年、2019年和2021年衡阳市中心城区建成区产水量Fig.5 Annual water yield in the built-up area of central city of Hengyang in 2017,2019 and 2021

2)生态系统服务价值分析。根据计算得到的产水量时空调节因子,结合式(9)计算研究区城市湿地单位面积WESV(表6),可见衡阳市中心城区建成区单位面积WESV稳定增长,2017—2019年提高约10万元/hm2,而2019—2021年提高约46万元/hm2。 进一步结合式(10)计算衡阳市中心城区建成区的总WESV(表6),可见2017—2019年基于产水量因子修正的WESV增加了2亿元,2019—2021年增加了10亿元,湿地生态系统服务价值变化剧烈。研究区城市湿地除水文调节和水资源供给功能外,其余生态系统服务功能均不断减少,而经产水量因子修正后的生态系统服务功能价值不断增长。由此可知,城市湿地在水文调节、水资源供给、净化环境、气候调节和生物多样性等功能上发挥着积极作用。

表6 基于产水量修正的湿地单位面积生态系统服务价值和湿地生态系统服务总价值Table 6 Ecosystem service value per unit area of wetland and total value of wetland ecosystem services based on water yield correction

2.3 WESV估算结果对比

将未修正的WESV估算结果与基于降水量和产水量时空调节因子修正的WESV结果进行对比(图6),可知未修正的WESV逐年递减,而基于降水量和产水量修正的WESV逐年递增。由此可见,当量因子修正对WESV估算结果产生重要影响。其次,产水量修正的各年总WESV均比降水量修正的总WESV低,缘于产水量时空调节因子综合考虑了降水量、土壤类型、土层特征、植被覆盖等因素,以及下垫面和城市设施对水分蒸散发的影响,有助于减少气候极端变化及不透水面等不确定因素对WESV估算的误差,更能准确反映湿地环境特征。综上所述,产水量时空调节因子能结合与城市湿地相关的多种影响因素,在一定程度上减小降水量修正的误差,可较准确地估算城市WESV。

图6 不同年份WESV估算对比Fig.6 Comparison of estimated WESVs in different years

2.4 湿地变化影响因素分析

本文采用2001—2017年衡阳市主城区城市扩张数据集[45]展示近年来衡阳市中心城区的城市化扩张进程(图7),可以看出,衡阳市中心城区主要以城市为中心沿道路、河流两侧轴向扩张[46],湿地成为城市扩张的重要区域。

注:城市用地扩张数据来源于文献[45]。图7 2001—2017 年衡阳市中心城区建成区空间扩张过程Fig.7 Expansion process of the built-up area in central city of Hengyang from 2001 to 2017

此外,湿地的自然景观和文化资源吸引众多居民和游客观光游览,近年来,衡阳市已建成并开放了数十家主题公园(如玛雅海滩湿地公园),而城市湿地旅游业的蓬勃发展不可避免地带来了生活垃圾、建筑废料、土壤侵蚀等问题。以衡阳市区最大的南湖湿地公园为例,水域面积约为33.33 hm2,每年可吸引游客约1 500万人次,为当地政府带来巨大的经济效益,但游客产生的大量垃圾影响湿地生态系统的稳定性和生态功能。另外,随着社会经济发展,许多城市湿地面积缩小甚至消失,市民对城市湿地保护的意愿也是城市湿地得以良好保护的主要原因之一,市民的保护与支持对维持城市湿地生态系统健康发展具有积极作用。最后,城市的国土空间规划和发展规划对区域城市湿地产生重要影响,如根据衡阳市“十四五”规划,珠晖区于2021年启动建设酃湖水上乐园。

3 结论与讨论

本文考虑到城市不透水面对湿地水循环的影响,探索更符合城市实际的生态系统服务价值评估方法,提出产水量时空调节因子修正方法,并以衡阳市中心城区为研究区进行验证,研究结论如下:衡阳市中心城区建成区未修正的WESV由2017年的60.08亿元减至2021年的43.13亿元,而基于降水量修正的WESV从2017年的52.28亿元增至2021年的63.07亿元,产水量修正的WESV从2017年的46亿元增至2021年的58.77亿元,其中,产水量能较全面地反映降水量、植被覆盖和土层类型等自然特征,有效降低自然气候对生态系统服务价值估算的不利影响,使估算结果更符合城市实际情况,并提高WESV估算的准确性。基于产水量修正的WESV结果中,水文调节和水资源供给功能占比居前两位,由此可知,城市湿地在城市生态系统服务中主要发挥了水文调节和水资源供给服务。

本文使用产水量调节因子对城市湿地生态系统服务价值进行修正,能得到更精确的估算结果,更好地反映湿地时空变化的实际情况,对于保护和促进城市湿地可持续发展具有重要意义。然而,本研究在选取其他合适的生态系统服务修正指标上仍有待商榷,还需寻找更合适的修正模型提高城市WESV估算的精度,为今后城市生态规划与保护提供科学参考。