水作为一种珍贵的生态自然资源,是支撑整个地球生命系统的基础。水生态系统与生态过程中所形成的及所维持的人类生存与发展的产品供给、调节服务、支持服务和文化服务等方面的环境条件与效用称为水生态服务功能。运用经济价值指标量化水生态系统的服务价值是人类对水生态系统的认识成果作用于经济决策过程的纽带,为水资源的合理分配,实现水资源利用的生态、经济和社会效益的最优化提供理论支持^[1]。20世纪70年代美国学者Larson提出了湿地功能评价体系^[2],此后许多学者开始对不同区域的水生态系统服务功能展开了评价与分析^[3,4,5],极大地推动了该领域的研究进程,使其评价方法体系也日趋完善。国内随着赵同谦^[6]等人首次将水生态系统作为整体进行综合评价以来,水生态系统服务功能内涵的探讨及其价值量的评价已成为生态学、环境经济学的热点和前沿课题。因水动力特征、空间分布和所处生态阶段的差异,不同水生态系统类型的服务内涵、作用方式与强度都存在较大差别。目前国内已相继开展了近海^[7]、河流^[8]、水库^[9]、湖泊^[10]、城市湿地^[11,12]等不同类型水生态系统的服务功能价值研究,很好地揭示了这些类型水生态系统功能的内涵和特征。然而,目前关于广泛分布于长江中下游沿江滨湖带的圩区水生态系统服务价值的探讨鲜有涉猎,其在流域尺度内空间差异性特征的分析更是一个亟待加强研究的薄弱环节。

圩区(圩田、圩垸)是在接近河流、湖泊的低洼地区周围修筑堤防而形成的自然和人工生态系统的复合体^[13],可有效减少低洼农田遭受旱涝灾害的威胁,保证了圩内工农业生产和居民生活的有序进行。圩内的河流、坑塘、鱼塘(人工养殖水面)等水域是维持圩区整体生态系统稳定、发展的生命线,直接制约着圩区其它生态系统机能的发挥。目前,在我国人口稠密,经济发达的太湖流域共有圩区面积10 630.91 km²,占流域总面积的28.81%,成为该流域重要的地理单元。因此,圩区水生态系统服务功能的评估与分析有助于深化认识圩区水生态系统在流域生态系统体系中的地位和作用,对加强流域的水环境管理决策也具有一定的指导意义。

不同于圩外的自然流动水体,圩内水体通过人工控制与外界建立水力联系,促使其水分循环和水生态服务功能表现出自身的独特性。本研究以水生态服务功能理论为指导,构建圩区水生态服务功能评价指标体系,利用遥感解译数据、水文气象资料和实地调研数据,对太湖流域圩区水生态系统的供给、调节和维持功能及其生态经济价值进行了估算与分析,并探讨了流域内圩区水生态系统服务功能的空间分布特点,以期为流域水资源的分区管理、圩区生态系统的优化调控和土地资源的合理配置提供科学依据。

研究区位于长江中下游的太湖流域,处在长江与杭州湾之间,西依天目山、茅山,东至东海,介于119°11′—121°53′ E,30°28′—32°15′ N,跨江苏、浙江、上海、安徽等三省一市,总面积3.69×10⁴km²。地形呈西高东低,周边高中心低的碟状盆地,西部主要为丘陵山地,其余为平原部分。为更好地分析流域内部圩区服务功能的空间异质性,依据太湖流域的地势和水系河网特点,将太湖流域划分为湖西区、浙西区、武澄锡虞区、阳澄淀泖区、太湖区、杭嘉湖区、浦东区、浦西区等8个分区(图1)。其中,湖西区、浙西区和太湖区为上游区；其余为下游区。各分区土地面积、水文、地势情况详见文献^[14,15]。全流域分布有大小圩区2000多个,尤以流域东南部分布最为密集。

图 1 各分区服务功能的相关参数值 Fig.1 The parameters of aquatic ecosystem services of each subregion

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根据太湖流域圩区的实际土地利用特点和遥感影像解译土地类型的可识别性,将太湖流域圩区划分为水生态系统和陆地生态系统,其中水生态系统细划分为河流、坑塘、鱼塘(人工养殖水面)等3个生态子系统。各生态系统类型分布范围和面积的具体确定方法是首先依据水利部门的普查数据确定圩区分布范围,并将界线标注在1∶ 50000的地形图上,进行矢量化得到研究区内2534个圩区的分布信息。然后采用2009 年全色波段分辨率为2.5m的ALOS遥感影像,经过辐射校正、几何精纠正、图像增强等预处理过程,得到研究区RGB假彩色图像。在已有各圩区分布范围、界线的基础上,结合野外调查的GPS点地表特征情况,建立图像解译标志,采用监督分类方法确定每个圩区内的具体土地利用类型,并利用复查的地面验证点进行验证,精度达到78%。最后将获得的各土地斑块信息在Arc Gis 10.0平台下进行面积统计分析。

此外,于2009年4月20日—5月10日,7月5日—7月25日对太湖流域水生态状况分别进行了平水期和丰水期的两次实地调查,调查点位共计78个,基本覆盖圩区的主要分布范围。此次调查包括水生物状况、水位、水体叶绿素浓度、土壤理化性质等项目。其中,水生物状况调查涉及浮游动物、浮游植物、水生维管束植物、底栖动物、鱼类等五大类水生生物。

根据生态服务功能价值理论^[16]和太湖流域圩区水生态系统的实际特点^[15],建立包含水源供给、产品供给、水量调节、水源储存、水质净化、气温调节、固碳释氧、滞涝能力、文化科研、生物多样性维持等指标的太湖流域圩区水生态服务功能价值评价体系。其中,水源供给、产品供给可在市场上直接交易,称为直接使用价值,其余功能无法在常规市场上交易,称为间接使用价值。

圩区水域的供水功能主要取决于水体正常蓄水量与最小生态环境需水量之差。不考虑水质因素,计算圩区理论供水能力的公式如下：

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太湖流域水产养殖业发达,水产品丰富多样,考虑到数据的可获取性,仅对淡水养殖业的水产品产量进行估算。选取各分区内的圩区率最高的县市淡水养殖水产品产量与人工养殖面积数据计算出单位养殖面积的淡水产品产量,将此作为各分区圩内的养殖水产品单产量(表1),然后根据圩内人工养殖水面面积求出各分区的淡水养殖水产品总产量。按流域内水产品种类分布和市场价格确定淡水产品均价为7000 元/t,使水产品总量折算为货币价值形式。

圩内河流、坑塘等水生态系统通过水源涵养功能,可分洪削峰,补充地下水,实现流域水量在空间和时间上的再分配。计算圩区水生态系统的水量调节功能公式为：

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圩区水生态系统通过对径流中含氮、磷污染物质的稀散、吸附、氧化还原等物理、化学反应,降低水体中的氮磷含量,实现净化水环境的功能。其计算公式如下：

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图 2 各行政区单位面积污水氮、磷排放量 Fig.2 The emissions of sewage nitrogen and phosphorus per unit area of each administrative district

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水面较陆地具有较大的比热容量,蒸发强度一般大于陆面20%左右^[18],因此夏季圩区水体可通过蒸发耗热来降低气温,增加湿度,调节局部地区的气候。利用水面蒸发相对陆面蒸发多消耗的热量能够使地面以上100 m大气增温多少来计算水面对气温的降温作用。具体而言,在不考虑圩区与圩外大气热量交换的情况下,对一个水面率为α的区域,圩区水体的存在相比陆面对夏季圩区日气温的降低值ΔT(℃)计算如下：

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圩区水生态系统中的浮游植物通过光合作用不断吸收大气中的CO₂,产生O₂,将生成的有机物质积累到自身体内,从而调节大气成分。因数据和研究条件的限制,本文不考虑水生生物对浮游植物的消费量,采用调查的叶绿素现存量估计浮游植物初级生产力：

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圩区水网密布,交错纵横,河道、坑塘等水域的正常水位与允许的最高水位之间的差距为滞留洪水给予了一定的空间。参考文献^[13,18],圩区水域的滞涝作用可以减少单位面积上的排涝装机容量M计算公式为：

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圩区水生态系统既是太湖流域重要的湿地系统,又是圩田农业生产的关键组成部分。其独特的水分、营养物质循环与生态结构,使其成为天然的农学、生态学、水文水利学等学科的天然实验室,具有重要的文化科研价值。取中国单位面积湿地的平均文化科研价值382元/ hm^2[23]和全球湿地生态系统科研文化功能价值881美元/ hm^2[24]的平均值3199.62元/ hm²作为流域圩区水生态系统的科研价值参数,据此可计算出各分区的文化科研价值量。

水生物种的丰富度、密度、结构组成对于环境状况及变化一般具有较强的敏感性和指示性,能够较好地反映区域性生境质量的优劣,因此选择水生生物的多样性指数作为评价水生态系统对维持生物多样性能力大小的指标。水生生物的多样性指数SHDI (Shannon′s Diversity Index)计算方法如下：

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遥感影像的解译结果表明：太湖流域的圩区水生态系统面积1434.21 km²,占圩区总面积的13.49%。其中,人工养殖水面所占比例达到9%,河流和坑塘则分别仅占到3%、2%(图3)。在8个分区中,阳澄淀泖区的圩区水面积最大(429.24 km²),占流域圩区水域总面积的29.93%；最小的为浦东区(8.66 km²),仅占0.60%(图4)。各分区的圩区水生态系统均以人工养殖水面占主导地位,平均占到水域面积的66.03%。浦东区圩区的水域面积虽最小,但人工养殖水面比例却占到97.19%,这是由于该区作为上海市的主要农副产品供应基地,充分利用圩区内有限的水面资源,围绕上海中心城区大力发展商品淡水养殖业,使养殖水面占圩区总水面比例达到最大。圩内河流受人工控制,流量和和河床宽度较小,多为小型河流,所以各分区河流面积所占比例大多在15%—30%之间。坑塘面积比例最小,流域平均比例为13.30%。

图 3 太湖流域圩区生态系统类型构成 Fig.3 The proportions of ecosystem types of polder

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图 4 太湖流域不同分区的圩区水生态系统构成 Fig.4 The aquatic ecosystem types area of polder of each subregion

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太湖流域整体圩区的水生态系统年可为周围居民生产生活供给水量8.61×10⁸ m³/a,水产品58.74×10⁴ t/a,调节水量7.17×10⁸ m³/a,贮存水量27.12×10⁸ m³/a,净化总氮3.62×10⁴ t/a、总磷1.10×10⁴ t/a,滞纳洪水4.30×10⁸ m³/a,固碳129.08×10⁴ t/a,释放氧气153.60×10⁴ t/a,生物多样性功能指数1.34,夏季可降低圩区气温2.27 ℃(表2)。水量供给、水产品产量、水量调节、水源储存、净化水质、生物多样性维持等方面功能均以杭嘉湖区最大,滞涝功能、固碳释氧量以阳澄淀泖区最强,气温调节则以太湖区最大。但总体来看,在各项生态服务功能中,杭嘉湖区、阳澄淀泖区、湖西区位居前列。杭嘉湖区地处杭嘉湖平原,水网密集,水位较深,圩区农业、淡水养殖经济发达,水质相比流域西北部较好,水生生物种类繁多,促使整体的生态服务功能较强。阳澄淀泖区分布有太湖、阳澄湖和淀山湖等大型湖泊的水系,致使圩区水面率达到22.36%,且圩内的水域面积在各分区中最大,使得该区的水生态功能量较大。湖西区位于河流上游,水质优良,且滆湖、长荡湖水系密布,圩内水域分布广泛,其生态服务功能量可观。

太湖流域圩区水生态系统服务功能总价值325.93×10⁸元/a,各项服务功能价值量排序为水源储存>水量调节>水产品供给>滞涝功能>固碳>释氧>科研文化>水源供给>生物多样性维持>净化总氮>净化总磷>气温调节。其中,最大的水源储存功能(185.84×10⁸元/a)价值占总价值的57.02%,表明圩区作为淡水资源的天然储存地,在维持生态系统结构、促进其功能发挥上作用显著；其次为水量调节占总价值的15.07%,说明圩区水域分洪削峰,有效调节地表径流和地下水量,对减少该区旱涝灾害的频率和强度具有重要的意义。净化总磷和气温调节功能相对较小,均仅占0.08%左右。因各分区的圩区水生态系统面积大小不同(图4),太湖流域圩区水生态服务功能价值总量呈现出杭嘉湖区>阳澄淀泖区>湖西区>浙西区>武澄锡虞区>浦西区>太湖区>浦东区的特点。其中,阳澄淀泖区水生态系统面积虽比杭嘉湖区多52.02 km²,但由于其水位低于后者46.38%,造成水源储存价值量远小于后者,从而形成阳澄淀泖区总价值量低于杭嘉湖区10.20%的特征。

流域内的圩区单位面积水生态功能价值平均为22.73元 m^-2 a^-1,其中水源储存、水量调节、水产品供给和滞涝功能的单位价值量较大,共占到总价值的90.28%。而其余功能项均小于1元 m^-2 a^-1,仅占总价值的10%左右。太湖区的水产品供应和固碳释氧,湖西区的水源储存,浦东区、浦西区的净化总氮、总磷,浦西区的生物多样性维持功能单位面积价值量最大。

太湖流域单位面积水生态服务价值存在较大的空间异质性,单位面积价值最大的浙西区(31.72元 m^-2 a^-1)比最小的阳澄淀泖区(19.31元 m^-2 a^-1)高64.27%(表4)。从整体来看,流域的北部地区(湖西区、武澄锡虞区、阳澄淀泖区、浦东区)水生态系统单位面积价值均低于流域平均水平,而南部地区(浙西区、杭嘉湖区)高于平均水平,同时表现出流域西高东低的特点。流域北部、东部沿海的沪苏锡常产业带经济发达,城市化、工业化等人类活动对圩区水生态系统干扰性强,水位下降严重,景观破碎化程度高,水环境质量恶化,水生生物多样性减小,造成水生态系统服务价值效益的下降。流域南部、西部地区尤其浙西区地势较高,人口密度低,其圩区水生态系统受外界干扰少,水质良好,水位高,景观完整度高,水生物种丰富,使其成为流域水生态服务价值的高值区。

1)太湖流域圩区水生态系统服务功能价值为325.93×10⁸元/a,其中供给功能(水源供给、水产品供应)价值占13.93%,调节功能(水量调节、水源储存、净化水质、调蓄洪水、气温调节、固碳释氧)占83.92%,文化功能占1.41%,支持功能(生物多样性维持)占0.74%。流域内圩区水生态系统单位面积服务价值平均为22.73元 m^-2 a^-1,且存在较大的空间异质性：整体呈现出南高北低,西高东低的分布特点。

2)太湖流域圩区水生态系统服务功能的直接价值为45.42×10⁸元/a,而间接价值却高达280.52×10⁸元/a。因为一方面水生态系统支持着整个自然生态系统结构、过程与区域生态环境功能的发挥,其生态调节、维持功能内涵丰富,价值量巨大；另一方面圩区水生态系统受人工闸门控制,无法与圩外水体进行自然交换,水流缓慢,河窄水浅,相对于其它地表水体缺少航运、水力发电、休闲娱乐等直接价值功能,使其直接价值所占比例远低于全国平均水平的67.94%^[6]。人们在圩区水资源利用上往往只注重水生态系统的直接功能,而忽视了水对生态系统的调节、支持和文化功能,结果造成过度开发利用水资源的短期经济行为使生态环境遭到严重破坏,导致生态系统服务功能价值的重大损失。因此,相关部门应均衡考虑各项水生态系统的服务功能,在水环境承载力范围内对圩区水生态系统进行合理规划开发,达到经济、社会与环境的协调可持续发展。

3)本文首次对太湖流域的圩区水生态系统服务价值进行了评估,并分区探讨了其空间差异性特点,有利于直观地定量表述圩区水生态系统在流域地表物质循环和能量交换中的价值以及在促进经济社会发展过程中所发挥的重要作用。同时,也为在进行流域水生态系统健康管理规划和生态修复时,根据各分区的实际情况进行差别化管理,抓住各区存在的主要水环境问题提供科学指导。本文只对圩区水生态的服务价值做了静态评估,然而伴随流域土地利用类型性质的时间变化,水生态系统服务价值在人类经济活动等外在压力下具有鲜明的动态变化特点。所以,基于多期遥感影像和长时间序列的气象水文观测数据研究太湖流域圩区水生态系统服务功能的时空演变特征与趋势,将是下一步研究的方向。