面对日益严峻的环境形势, 为加强生态保护, 保障国家和区域生态安全, 2011年, 我国首次提出了“划定生态红线”的重要战略任务。这是我国生态环境保护工作的一项制度创新, 是优化国土空间开发, 构建科学合理生态安全格局的基础。划定生态红线, 体现了我国以强制性手段实施严格生态保护的政策导向, 是改革生态环境保护管理体制, 推进生态文明建设的重要举措^[1-3]。

生态红线是最为关键的生态保护区域边界, 是生态保护的最小面积和生态安全的底线^[4]。2013年, 在对生态环境现状评估、生态系统服务功能重要性评估和生态环境敏感性评估的基础上^[5], 江苏省率先在全国划定生态红线, 确保了具有重要生态功能的区域、生态脆弱区和敏感区以及关键物种得到有效保护, 对于预防和控制各种不合理的开发建设活动对生态功能的破坏, 构建生态安全格局, 促进可持续发展具有重要意义。

本文以江苏省划定的陆域生态红线区域为研究对象, 通过对全省陆地和生态红线区域的土地利用状况分析以及生态系统服务价值评价, 研究了不同生态系统类型的重要性与生态红线区域的关系, 探讨了生态系统服务价值的评价方法以及生态红线的最小保护面积和生态安全底线问题, 以期为生态红线的划定和生态系统服务价值评价研究提供参考。

1 研究方法与数据来源 1.1 生态系统服务价值评价

开展生态系统服务的价值研究, 能够识别具有重要生态功能的区域, 掌握生态系统所发挥的各种生态功能, 区分生态系统因区域差异而形成的不同生态价值体系。多年来, 人们通过探索不同的评价方法, 对自然资本和生态资产进行评估, 并取得了一些重要的研究成果^[6-13]。但人类对自然生态系统过程机理了解还不充分, 对生态系统服务与自然资本价值还缺乏足够的认识, 从而使生态系统服务价值评价引起广泛争议^[14-15]。生态系统服务价值评价被指存在诸多不足, 比如过多依赖假设, 片面以及基本停留在静态层面等^[16-18]。然而, 鉴于生态系统服务价值评价在提高人类认识生态系统、改善人类福利方面具有的重要意义, 仍然是当前研究的热点问题。

目前, 生态系统服务价值核算大致分为两类：功能价值法和当量因子法, 功能价值法即基于生态系统服务功能量的多少和功能量的单位价格得到总价值；当量因子法是在区分不同种类生态系统服务功能的基础上, 基于可量化的标准构建不同类型生态系统各种服务功能的价值当量, 然后结合生态系统的分布面积进行评估^[19]。功能价值法的优点是对生态系统的服务价值进行分类, 运用较为成熟的模型对各种价值进行计算, 兼顾了区域差异与时效性, 具有更好的参考价值。但存在的不足是涉及的模型和参数众多, 数据信息量大, 计算过程复杂, 特别是针对同一种价值计算方法多样, 采用不同的方法获得的结果可能相差较大。当量因子法的优点是借用已有的价值当量数据, 并通过一定的方法进行单位价值系数修正, 计算相对简便, 具有横向可比性。但存在的不足是单位价值系数修正能否准确反映出生态系统的区域差异, 存在较大的困难。

综合各方面因素及江苏省土地利用特点, 本文采用当量因子法对江苏省生态系统服务价值进行核算。生态系统服务价值评价公式如下：

(1)

式中, ESV为生态系统服务价值, A_i为研究区第i种土地利用类型的分布面积, VC_i为第i种土地利用类型的单位面积生态系统服务价值, i分为林地、草地、农田、湿地和水体5种类型。土地利用数据来自2010年(生长季、非生长季)的Landsat TM/ETM、HJ CCD遥感数据, 空间分辨率为30m。

1.2 价值修正

由于生态系统所处的区位不同和自身的差异, 其所产生的生态系统服务价值会有差别^[10]。为此需要分析生态系统质量状况的生态参数, 利用获得的生态参数调整单位面积价值量, 以便准确地反映出生态系统服务的价值差异情况。2003年, 谢高地在Costanza对全球生态资产评估的基础上, 制定出我国生态系统生态服务价值当量因子表^[10], 同时, 指出生态系统的生态服务功能大小与该生态系统的生物量有密切关系, 通过生物量参数进行订正以反映出生态系统服务价值的区域差异, 这一方法被广泛采纳和引用^[20-24]。

考虑到生物量并不能完全反映生态系统的生态服务功能, 以及大尺度区域生物量数据难以精确获得等, 本文在谢高地提出的我国生态系统生态服务价值当量数据基础上, 采用潘耀忠2004年对中国陆地生态系统生态资产遥感定量测量中使用的价值系数调整方法^[20], 即采用净初级生产力和植被覆盖度两个参数对生态系统服务价值进行修正, 以便更加准确地获得生态系统服务价值评价结果。

生态系统服务价值调整系数计算公式：

(2)

式中, NPP _mean和f_mean分别为区域内该生态系统植被净初级生产力的均值和植被覆盖度的均值；NPP_j和f_j为j象元的植被净初级生产力(NPP)和植被覆盖度(f_v)。

其中, NPP的计算基于CASA光能利用率模型。其估算公式如下：

(3)

式中, APAR(x, t)表示像元x在t月吸收的光合有效辐射(g C m^-2 month^-1), ε(x, t)表示像元x在t月的实际光能利用率(g C/MJ)。APAR估算：APAR的值由植被所能吸收的太阳有效辐射和植被对入射光合有效辐射的吸收比例来确定；光能利用率ε的估算：光能利用率是在一定时期单位面积上生产的干物质中所包含的化学潜能与同一时间投射到该面积上的光合有效辐射能之比。

植被覆盖度(f_v)计算公式如下：

(4)

式中, 归一化植被指数(NDVI)数据采用美国地质勘探局(United States Geological Survey, USGS)提供的250m空间分辨率MODIS NDVI MOD13Q1数据, 其时间分辨率为16d。经过投影坐标系转换, 空间重采样等数据处理, 得到与土地利用一致的空间分辨率30m数据。

2 生态红线区域与土地利用状况分析 2.1 江苏省陆域生态红线区域概况

依据江苏省自然地理特征和生态保护需求, 按照对主导生态功能的保护, 以自然生态系统的完整性、生态系统服务功能的一致性和生态空间的连续性为基准^[5], 全省共划定15类生态红线区域, 总面积241.03万hm²。其中陆域生态红线区域面积228.39万hm², 占全省陆地国土面积的22.23%。生态红线区域按照管控级别又分为两大类：一级管控区和二级管控区。陆域生态红线区域中一级管控区面积3108.43km², 二级管控区面积19731.15km², 分别占国土面积的3.03%和19.2%。

2.2 土地利用状况分析

按照土地利用分类系统, 将江苏省土地利用类型分为林地、草地、农田、湿地、水体、人工表面和其它7种类型。在生态系统服务价值评价中, 只计算前5种类型, 不计人工表面的生态系统服务价值, 把其它用地划为草地进行计算。

根据遥感解译的2010年江苏省土地利用数据分析, 农田面积分布最大, 占全省国土面积的比例达56.18%。另外, 江苏省水系发达、河湖密布, 水体在全省面积居次, 境内主要水系为长江、淮河和沂沭泗3大水系, 分布有太湖、洪泽湖、骆马湖、高邮湖等重要湖泊, 水体面积占国土面积的15.51%。林地面积占3.55%, 湿地和草地面积占比则比较小, 分别为0.78%和0.24%。

从江苏省已划定的陆域生态红线区域看, 水体的面积最大, 共有108.6万hm², 占红线区总面积的47.57%；其次是农田, 有约66.1万hm²的农田被划入生态红线区域, 占红线区总面积的28.93%；林地面积共21万hm², 占红线区总面积的9.19%；湿地面积5.6万hm², 占红线区总面积的2.46%；草地面积1.1万hm², 占红线区总面积的0.47%；另外, 尚有26万hm²的人工表面被划入生红线区域, 占红线区总面积的11.38%。

3 生态系统服务价值评价结果分析 3.1 生态系统服务价值评价结果

(1) 江苏省陆地生态系统服务价值

根据生态系统服务价值评价结果, 江苏省陆地生态系统服务总价值为1158.71亿元/a。其中, 水体生态系统服务价值最大, 虽然面积仅占国土总面积的15.51%, 但生态系统服务价值却占到了总价值的55.65%；农田面积虽大, 但因农田的单位面积价值最小, 生态系统服务价值居于次位, 占总价值的33.69%；由于林地面积较小, 生态系统服务价值占总价值的6.73%；湿地生态系统服务单位面积的价值虽高, 但因面积很小, 生态系统服务价值占总价值的3.8%；草地面积最少, 生态系统服务价值占比仅为0.13%。

(2) 生态红线区域的生态系统服务价值

全省已划定陆域生态红线区域的生态系统服务价值为564.15亿元/a。其中水体的价值远远超出其它类型, 根据对陆域生态红线区域的土地利用分析, 水体面积占生态红线区域总面积的比例达47.57%, 其生态系统服务价值占总价值的比例更是高达78.34%；其次是林地的价值, 林地面积占生态红线区域总面积的9.19%, 生态系统服务价值占总价值的8.36%；由于划入生态红线区域的农田面积较大, 占生态红线区域总面积的28.93%, 其生态系统服务价值占总价值的比例为7.67%, 居第三位；湿地面积占生态红线区域总面积的2.46%, 生态系统服务价值占总价值的5.53%；草地的面积很小, 占生态红线区域总面积的0.47%, 其生态系统服务价值仅占总价值的0.11%。

从上述结果来看, 无论是在全省范围内还是在生态红线区域内, 水体的生态系统服务价值占比都是最大的, 而在生态红线区域内, 水体的面积占比更大, 价值占比也更高。由于农田是被动划入生态红线区域中的, 在生态红线区域中的价值占比低于林地。相反, 林地的生态系统服务功能更加重要, 在生态红线区域中的价值占比有所上升。湿地的生态系统服务价值占比有所提升, 而草地变化不明显。

3.2 结果分析

从总价值来看, 全省陆地生态系统服务总价值1158.71亿元/a, 其中生态红线区域的生态系统服务价值为564.15亿元/a, 占全省陆地总价值的48.69%。而在江苏省1022.03万hm²土地总面积中, 划入生态红线区域的面积为228.39万hm², 仅占国土面积的22.23%。即在占国土面积不足1/4的土地上, 创造了全省陆地近一半的生态系统服务价值, 充分说明了生态红线区域生态功能的重要性。

从单位面积价值来看, 全省土地平均生态系统服务单位面积价值为1.13万元/ hm², 而划入生态红线区域的土地平均生态系统服务单位面积价值为2.47万元/ hm², 是全省土地平均的2.18倍。因无法避免, 有相当一部分农田和人工表面被划入生态红线区域。如果不考虑这些被动划入的农田和人工表面, 仅计算林地、草地、湿地和水体, 划入生态红线区域的上述生态系统面积为136.3万hm², 占全省国土面积的13.34%, 但其生态系统服务价值达到了520.88亿元/a, 占到全省生态系统服务总价值的44.95%, 单位面积价值为3.82万元/ hm², 是全省土地平均的3.37倍。而这其中, 湿地和水体的生态系统服务单位面积价值更高, 分别达5.55万元/ hm²和4.07万元/ hm², 是全省土地平均的4.89和3.59倍, 林地的生态系统服务单位面积价值为2.25万元/ hm², 是全省平均的1.98倍。

由此可以看出, 在江苏省各类生态系统中, 湿地的总面积虽小, 但其单位面积生态系统服务价值最高, 生态系统的功能十分重要, 因而对湿地的保护特别重视, 全省70.81%的湿地被划入生态红线区域, 在所有类型中, 比例也是最高的。

其次是水体, 江苏省境内众多的湖泊、河流承担着重要的生物多样性保护、水文调蓄、环境净化等功能, 依托其较高的单位面积生态系统服务价值和较大面积, 水体总的生态系统服务价值远超其它类型, 是江苏省最重要的生态系统类型, 对水体的保护显得尤为重要, 全省68.53%的水体都受到了保护。

再次是林地, 江苏省的林地面积较低, 且分布不均, 主要分布在苏北和西南丘陵山地, 主要生态功能有水源涵养、水土保持、气候调节、环境净化等, 全省57.92%的林地划入生态红线区域, 也是比较重要的类型。

草地的单位面积生态系统服务价值较低, 而且由于江苏的草地面积极少, 分布零散, 总的生态系统服务价值很低, 全省约有43.05%的草地划入生态红线区域。

按照生态红线的保护理念, 农田和人工表面并不在生态红线划定范围, 但为保障生态系统完整性和连通性, 同时, 考虑区域行政边界和管理需要等诸多因素, 一些生态系统服务价值不高的区域, 也不可避免被划入生态红线范围。全省共有11.51%的农田和10.71%的人工表面划入生态红线区域。

根据已划定的生态红线区域面积统计, 若不计农田和人工表面, 各类生态系统占全省相应土地类型的面积比例排序为：湿地＞水体＞林地＞草地, 这与其单位面积价值的排序是完全一致的。这表明, 在江苏省生态红线区域划分中, 生态系统类型的单位面积价值越大, 受到保护的程度就越高。

4 讨论

(1) 生态系统服务价值评价及价值修正

因具有良好的横向对比结果和可操作性, 当量因子法是目前比较常用的生态系统服务价值评价方法。这一方法最重要的是对生态系统类型的分类及其单位面积价值当量的选取, 特别适宜对大尺度区域的生态系统服务价值评价^[19]。由于同一种生态系统类型在不同区域存在结构和质量状况的差异, 其生态系统服务价值存在明显差别, 为此, 不少文献在生态系统服务价值评价时都考虑了这一差异, 且大多通过生态系统的生物量作为调整系数对生态系统服务价值进行修正^[21-24]。事实上, 生态系统服务价值与生态系统的组成、结构、质量等密切相关, 与所处的区位也有很大关系。本文考虑了净初级生产力和植被覆盖度两个因素, 对江苏全省及生态红线区域的生态系统服务价值进行了修正, 价值系数调整对于林地、草地和农田具有良好效果, 但这仍难以精确反映出生态系统服务价值的区域差异。另外, 无论是通过生物量、还是净初级生产力和植被覆盖度对生态系统的价值进行修正, 这些参数对湿地和水体都不适用, 这有待于进一步研究。本文所采用的研究方法虽有上述不足, 但并没有影响研究的结论。

(2) 生态保护的最小面积与生态安全底线

根据评价结果, 江苏省生态红线区域占国土面积的比例为22.23%, 创造了48.69%的生态系统服务价值, 重要性不言而喻。但这一面积比例是否确保江苏省生态安全的最小面积比例？而确保了48.69%的生态系统服务价值是否就确保了江苏省生态安全的底线？又如何确定这一底线？生态红线区域是生态保护的最小面积, 是生态安全的底线, 这应从两个层面进行理解, 一是生态红线的面积占比, 这一比例就是区域生态安全处于临界点时的比例, 即生态安全阈值, 这是由区域的自然环境特征所决定的, 因受各种生态因子相互作用而极其复杂^[25-27]。二是生态红线范围的限定性, 生态红线区域内的生态系统拥有重要且独特的生态功能和价值, 具有不可复制性和不可替代性, 一旦破坏, 其它任何生态系统都无法弥补, 这就决定了生态红线区域的范围是限定的, 不可替代。鉴于生态安全底线的复杂性, 本文仅从生态系统服务价值的角度, 尚不能做出判定, 今后需要进一步的研究, 探讨生态保护的最小面积和生态安全的底线及其决定因素。

另外, 从生态保护的角度, 受保护土地面积越大, 生态系统越能得到更好地保护, 生态环境可能受到的威胁越小, 生态安全能够得到更好地保障。但是, 把所有的湿地、林地、水体、草地等全部划为生态红线是不现实的, 这与生态红线的严格标准和生态安全的底线理念不相符。而根据生态红线划定技术要求, 仅把极重要区或极敏感区简单勾绘出来, 也是不科学的, 因为这些区域可能是不连续的、零散分布的, 但却可能属于同一生态系统或存在于同一景观格局。根据狭义的生态安全概念, 生态安全是指生态系统完整性和健康的整体水平反映^[28], 这充分表明, 生态系统完整性对于生态安全的重要性。因此, 一些次重要区或不敏感区生态系统服务价值虽然不高, 但却维护了生态系统的完整性, 同样是生态安全底线的重要组成部分。

5 结论

(1) 江苏省陆域生态红线区域的生态系统服务价值为564.15亿元/a, 占全省陆地生态系统服务总价值的48.69%。其中水体的价值远超其它类型, 占红线区域生态系统服务价值的比例达78.34%；其次是林地、农田、湿地和草地, 占比分别为8.36%、7.67%、5.53%和0.11%。

(2) 生态红线区域平均生态系统服务单位面积价值为2.47万元/ hm², 是全省土地平均单位面积价值的2.18倍。其中湿地最高, 生态系统服务单位面积价值达5.55万元/ hm², 是全省平均的4.89倍。在已划定的生态红线区域中, 各类生态系统占全省相应土地类型的面积比例排序与生态系统的单位面积价值排序完全一致, 显示出生态系统类型的单位面积价值越大, 受保护的程度越高。

(3) 生态红线区域内的生态系统拥有重要且独特的生态功能和价值, 其范围是限定的, 而生态安全阈值因受各种生态因子的相互作用, 使得生态安全底线的确定十分复杂。生态系统完整性对于生态安全十分重要, 在生态红线区域划分中, 保持生态系统的完整性是首要考虑因素。