生态系统服务价值是指通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接提供的生命支持产品和服务, 包括人类生活所必需的生态产品和保证人类生活质量的生态功能两部分。生态系统服务价值研究是生态系统可持续性研究的热点之一^[1-3]。20世纪70年代, Westman提出了“自然的服务”概念及其价值评估的概念, 90年代, Daily及Constanza等总结了国际上已有的生态系统服务价值评估的研究成果, 将全球生物圈分为16种生态系统类型, 并将生态系统服务分为不同类型, 首次对全球生物圈生态系统服务价值进行了估算^[4]。近年来, 随着全球生态环境问题的加剧, 对生态系统服务价值的研究越来越受到关注^[5-7]。国内外众多学者分别从多种尺度对生态系统过程、服务功能的维持、服务功能对区域的影响等多个方面做了研究^[8-16]。国内外众多学者从多个方面对生态系统服务价值做了研究, 但是, 对区域生态系统服务价值结构则较少。在本研究中, 将特定区域内, 一定地域分异规律下的各种生态环境类型面积所贡献的生态系统服务价值占区域生态服务总价值的比重定义为区域生态系统服务价值结构。区域生态系统服务价值结构, 兼有价值与结构双重特征, 传统的地理分析方法多是基于地表事物或现象某一方面的特性进行分析, 对于多重特性分析存在不足。

本研究选择鄱阳湖流域为研究区, 2009年12月12日, 国务院正式批准《鄱阳湖生态经济区规划》, 鄱阳湖作为中国最大的淡水湖泊, 是目前长江中下游仅存的3个大型通江湖泊之一。季节性的洪水、周期性的湖水更换, 典型的洲滩湿地, 丰富的生物多样性, 以及悠久的人文历史, 使鄱阳湖作为一个人地交互作用显著的动态湖泊, 受到世界自然基金会 (World Wide Fund for Nature, WWF) 等国际组织的广泛关注, 对鄱阳湖及其流域水环境的监测与保护也成为国际科学界关注的焦点。

在鄱阳湖流域, 对生态系统服务价值结构变化的研究目前还较少, 仅有少数学者以鄱阳湖流域部分区域为研究区, 估算了湿地、森林、农田等土地利用类型的生态系统服务价值^[17-19]。本文将以整个鄱阳湖流域为研究区, 在空间信息技术的支持下, 获取各种土地利用类型的生态系统服务价值, 并且利用威弗组合指数计算鄱阳湖流域的生态系统服务价值结构；通过比较分析各个时期流域内各区域的生态系统服务价值以及生态系统服务价值结构的组成及差异, 评估鄱阳湖流域可持续发展状况。

1 生态系统服务价值估算 1.1 研究区确定与土地利用信息提取

鄱阳湖流域跨多个经纬度带, 流域内不同地方所处自然环境与社会经济发展状态存在较大差异, 故全流域的生态系统服务价值并不能全面的反映流域内各区域生态系统服务价值的特征, 为了更准确的反映流域内不同区域生态系统服务价值变化特征, 这里基于DEM数据, 将鄱阳湖全流域划分为45个子流域, 从全流域的角度与子流域的角度分别展开研究。

生态系统服务价值的计算, 首先需要提取各研究区的各种土地利用类型的面积。土地资源分类系统采用中国科学院资源科学数据中心的分类标准, 将土地利用分为6个一级类：农用地、林地、草地、水域、建设用地、未利用土地。各研究区土地利用类型的信息, 是利用1990年TM影像、2000年ETM+影像、2008年HJ影像3个时期的遥感数据, 通过归一化植被指数与非监督分类结合, 并借助DEM数据与其它更高分辨率的遥感数据, 边界矢量数据, 综合解译处理后获取, 提取精度1990年, 2000年为79.8%, 2008年的为82.4%^[20-21]。

1.2 生态系统服务价值估算

生态系统服务价值估算, 当前应用最广的为Costanza估算方法, 其计算公式如下：

(1)

式中，ESV为生态系统服务价值总量 (当量), S_i为研究区第i类土地利用类型面积 (hm²)；VC_i为第i类土地利用类型的单位面积生态系统服务价值 (当量/hm²)；i为土地利用类型

Costanza方法中, 土地利用类型的单位面积生态系统服务价值主要反映的是欧美发达国家的经济水平, 在中国应用中存在一些缺陷, 为了能更准确的评估鄱阳湖流域各地区各土地利用类型的生态系统服务价值, 本文参考中科院地理所谢高地等有关专家, 以Costanza方法为基础, 对中国多位具有生态学背景的专业人员进行问卷调查, 得出的生态系统服务评估当量体系^[22]和修正单位面积生态系统服务价值当量表^[23], 此外，考虑到生态系统服务价值的变化具有时间和空间效应, 本文在借鉴已有研究方法的基础上, 采用研究区相应年份农田粮食单位面积产量与全国农田粮食单位面积产量的比值作为地区逐年修订系数, 同时参考江西省植被、草地和农用地NPP水平^[24-26], 将“中国生态系统单位面积生态服务价值当量表”修订为“江西省生态系统单位面积生态服务价值当量表”(表 1)。

新的生态系统服务评估单价体系包含的6种土地利用类型中, 其中5种土地利用类型与本研究分类解译的土地利用类型相一致, 存在差异的分类解译的土地利用类型包括建设用地与未利用土地, 新的生态系统服务评估单价体系中只包含有荒漠, 鉴于鄱阳湖流域的未利用地主要为裸地, 而裸地、城乡工矿居民用地的生态系统服务价值与荒漠较为相近, 故这里以新的生态系统服务评估单价体系中荒漠的生态系统服务价值当量作为未利用地与建设用地的估算标准。

以提取的研究区各土地利用类型面积, 结合新的生态系统服务评估单价体系, 求得鄱阳湖流域不同土地利用类型的生态系统服务价值, 如表 2。

基于各流域生态系统服务价值结合流域面积, 处理得到各流域单位面积生态系统服务价值, 如表 3。

以表 3中各子流域单位面积生态系统服务价值, 比较分析得到各子流域3个时期生态系统服务价值变化图 (图 1)。

2 生态系统服务价值结构估算

本文采用威弗组合指数计算鄱阳湖流域的生态系统服务价值结构, 威弗 (Weaver) 组合指数是将实际分布与相应的假设分布相比较, 以求得一个最接近的近似分布, 对解决含有几个要素的分布问题具有优势^[10-11]。

2.1 组合结构类型假设比例分布矩阵构建

生态系统服务价值组合结构类型的求取过程是按实际生态系统服务价值类型的组合比例与某种相应假设的判定比例比较后得到, 因此, 必须计算实际的6种生态系统服务价值类型的组合比例, 并对所求得的一组数值按照由大到小的顺序构成相应的指数序列。本研究以子流域为基本单元, 计算子流域内6种不同土地利用类型的生态系统服务价值占子流域总生态系统服务价值的比例T_ij, 并按从大到小顺序排列：T_i1, T_i2, …, T_i6。

建立组合结构类型假设比例分布矩阵：为确定子流域的生态系统服务价值组合结构类型的实际类型, 还需要按生态系统服务价值类型组合的假设百分比分布来构建相关矩阵, 从而对生态系统服务价值组合结构类型的求取提供参考体系。本研究中有6种生态系统服务价值类型, 故理论上最多可以建立6种组合的生态系统服务价值类型, 各假设的组合类型如表 4。同时, 由于地貌特征对生态系统服务价值的影响较大, 且鄱阳湖流域土地利用类型中林地占比例超过一半, 依据上述分析得到的生态系统服务价值类型林地的比例将会很大, 不利于对不同流域生态系统服务价值类型的分析, 故这里基于DEM数据计算鄱阳湖流域的坡度, 并将坡度按小于等于5°(Ⅰ)、5—10°(Ⅱ)、10—15°(Ⅲ)、15—20°(Ⅳ)、20—25°(Ⅴ)、大于25°(Ⅵ) 分为6个等级, 在计算各子流域内土地利用类型的生态系统服务价值结构同时, 计算各子流域内坡度类型的组合结构类型。

2.2 威弗组合指数计算

计算子流域各组合结构分类下的威弗组合指数, 这里采用最小距离法计算实际结构类型与假设结构类型的差异。最小距离越小, 反映实际结构类型与假设结构类型越相近。

(2)

式中，N_i为子流域内第i类组合结构类型的威弗组合指数, T_ij、T_ij^′为分别为子流域内第i类组合结构类型各类别的实际比例与假设比例。

2.3 组合结构类型求取

分别比较子流域内生态系统服务价值与坡度的6类结构类型的威弗组合指数, 找出最小值。威弗组合指数最小的即为最合理的结构类型。依此求得鄱阳湖流域的生态系统服务价值结构分类结果与坡度类型结构分类结果。表 5—表 7即为鄱阳湖流域各子流域1990年、2000年与2008年的生态系统服务价值结构系统与坡度结构系统。

在GIS技术的支持下, 依据鄱阳湖流域生态系统服务价值结构类型结果, 得到鄱阳湖生态系统服务价值图谱结构分布图 (图 2—图 4)。

2.4 生态系统服务价值结构变化模式构建

对3个时期的鄱阳湖流域生态系统服务价值结构图谱进行地图代数叠加运算, 得到1990年—2000年—2008年生态系统服务价值结构变化模式。鄱阳湖流域生态系统服务价值结构变化模式可以概括为3种模式：不变型模式：两个时期内生态系统服务价值结构均未发生变化；反复变化型：生态系统服务价值结构在1990—2000年发生转变后, 在2000—2008年又变回1990年时的类型；持续变化型：生态系统服务价值结构在1990—2008年两个时期内持续发生变化 (表 8)。

依据鄱阳湖流域生态系统服务价值结构变化模式结果, 得到鄱阳湖生态系统服务价值图谱结构变化模式分布图 (图 5)。

3 分析与评价 3.1 生态系统服务价值分析

由表 3与图 1可以分析出, 在全流域尺度上, 2000年和2008年的单位面积生态系统服务价值都较前一个时期有提高, 2000年比1990年上升了166元/hm², 提高了1.9%, 2008年比2000年上升了1587元/hm², 提高了18.2%。单位面积生态系统服务价值空间分布方面, 鄱阳湖流域中部以及赣江中游部分地区, 单位面积生态系统服务价值相对较低, 鄱阳湖流域的北部与南部则相对较高。

在子流域尺度上, 对1990年到2000年这段时期, 单位面积生态系统服务价值提升的子流域有33个, 占73.33%, 下降的子流域有12个, 占比26.67%；单位面积生态系统服务价值提升超过1000元/hm²的子流域有5个, 分别是赣江丰城段、赣江吉安段、赣江下游区、潦河流域和遂川江流域, 提升不超过1万元/hm²的子流域有28个, 占提升总流域数的84.8%；在12个单位面积生态系统服务价值下降的子流域中, 赣江万安段减少最多, 为1084元/hm²。

对2000年到2008年这段时期, 单位面积生态系统服务价值提升的子流域有43个, 占95.6%, 其中, 有6个子流域提升超过2000元/hm², 占提升总流域数的13.3%。下降的子流域只有2个, 占比4.4%, 减少均不超过1600元/hm²。

对1990年到2008年整个时期分析, 所有子流域的单位面积生态系统服务价值都有所提升, 提高最多的是遂川江流域, 提升了3089元/hm², 提升超过1500元/hm²的子流域有16个, 占比35.6%。

3.2 生态系统服务价值组合类型分析

由表 5—表 7与图 2—图 4可以分析出, 鄱阳湖流域的生态系统服务价值组合结构以林地为主, 农用地、水体为辅, 其它类型除草地在个别流域有分布, 其它则没有。坡度组合结构以小于等于5°(Ⅰ) 为主, 5—10°(Ⅱ)、10—15°(Ⅲ) 为辅, 其它坡度类型则较少。

林地为主的生态系统服务价值结构类型在3个时期占鄱阳湖流域面积与流域个数均超过90%, 其中, 有80%的流域是单一的林地类型的生态系统服务价值结构。林地为主, 其它为辅的生态系统服务价值结构类型, 为辅的类型主要为农用地与水体, 占鄱阳湖流域面积与流域个数在10%左右。流域坡度结构方面, 林地为的生态系统服务价值结构类型主要以小于等于5°(Ⅰ) 为主, 其它坡度类型为辅, 在3个时期以小于等于5°(Ⅰ) 为首要坡度类型的林地为的生态系统服务价值结构类型占鄱阳湖流域面积与流域个数在85%左右。

农用地为主的生态系统服务价值类型与水体为主的生态系统服务价值类型在组合结构类型与分布区域两方面均较为相近, 主要以农用地、水体、林地组合结构类型为主, 主要分布在鄱阳湖流域中部, 农用地为主的生态系统服务价值类型分布在赣江丰城段, 水体为主的生态系统服务价值类型分布在鄱阳湖环湖区周边的赣江、信江、抚河的下流区域, 两者在1990年和2008年占鄱阳湖流域面积与流域个数8%左右, 在2000年占4%；坡度组合结构方面以小于等于5°(Ⅰ) 为主, 以5—10°(Ⅱ) 为辅。

3.3 生态系统服务价值结构类型分析

鄱阳湖流域生态系统服务价值结构类型主要有4种类型, 其中, 单一结构类型所占比例最大, 三重结构类型与双重结构类型次之, 四重结构类型则只在个别流域有分布；单一结构类型主要以林地为主, 三重结构类型主要以林地、水体、农用地为主, 双重结构类型主要以林地、水体, 或林地、农用地为主。在空间分布方面, 单一结构类型在鄱阳湖流域大部分区域均有分布, 而三重结构类型与双重结构类型主要分布在鄱阳湖环湖区及周边区域。坡度结构类型则6种结构类型均有, 除三重结构类型在3个时期分布均较少外, 其它5种结构类型分布均较多。其中, 单一结构类型以小于等于5°(Ⅰ) 为主, 双重结构类型以小于等于5°(Ⅰ)、5—10°(Ⅱ) 组合为主, 四重结构类型以小于等于5°(Ⅰ)、5—10°(Ⅱ)、10—15°(Ⅲ)、15—20°(Ⅳ) 组合为主, 五重结构类型以小于等于5°(Ⅰ)、5—10°(Ⅱ)、10—15°(Ⅲ)、15—20°(Ⅳ)、20—25°(Ⅴ) 为主。

3.4 生态系统服务价值组合结构变化分析

鄱阳湖流域生态系统服务价值组合结构变化的3种模式中, 以不变型为主, 占鄱阳湖全流域面积的90%；反复变化型主要分布在鄱阳湖流域中南部的赣江中下游, 信江下游与抚河中游, 占鄱阳湖全流域面积的7%, 生态系统服务价值组合结构主要由农用地、水体、林地3种类型构成的三重结构类型与双重结构类型为主。持续变化型占全流域面积的比例较低, 主要分布在赣江中游与修水下游, 生态系统服务价值组合结构也主要由农用地、水体、林地3种类型构成的三重结构类型与双重结构类型为主。

3.5 促进流域可持续发展建议

从全流域的角度分析, 鄱阳湖流域3个时期可持续发展水平是逐步提高的, 原因在于全流域林地、水域、建设用地生态系统服务价值在逐年增加, 这说明鄱阳湖流域在退耕还林, 退耕还湖等生态保护工作执行较好, 可持续发展总体水平较好, 但是也存在一些问题, 如农用地、未利用地生态系统服务价值降低, 建设用地生态系统服务价值增加, 这说明鄱阳湖流域的社会经济的发展, 建设用地的扩张占用了大量的农用地与未利用地, 不太利于生态环境的保护。故对于全流域, 促进可持续发生水平向更高水平发展要注重两个方面：一方面继续执行退耕还林, 退耕还湖工程, 是鄱阳湖流域更多的山林、湖区恢复原貌；另一方面, 提高建设用地集约利用水平, 严格控制建设用地的增加, 尤其是对农用地等的占用。

从子区域的角度分析, 大部分区域可持续发展水平较高, 且呈现上升趋势, 但还存在部分区域, 可持续发展水平较低, 且可持续发展水平呈下降趋势, 这些区域主要位于鄱阳湖流域的中部。分析原因在于这些区域地势平坦, 社会经济活动活跃, 在生态系统服务价值组成方面, 农用地、建设用地所占比例要较其它区域高, 而林地、草地所占比例较其它区域低, 且农用地、建设用地所在比例在持续增高, 林地、草地所占比例在持续降低。然而林地与草地单位面积生态系统服务价值要高于农用地与建设用地, 故这些区域生态系统服务价值偏低, 可持续发展水平较差, 且在3个时期内, 农用地与建设用地生态系统服务价值量的增加, 低于林地、草地生态系统服务价值量的降低, 因此, 对于这些区域, 促进可持续发生水平朝向有利的方向发展应该控制建设用地、农用地对林地、草地的占用, 严格执行退耕还林、还草工程, 保护生态环境。

依据生态系统服务价值结构, 鄱阳湖流域可以分为两大区域：环鄱阳湖平原区以及环湖区以外的山地丘陵区。山地丘陵区主要以林地主的生态服务结构类型, 坡度主要以小于15°的坡度组合类型为主, 此区域森林覆盖率高, 是环鄱阳湖生态环境维护较好的地区, 对于这些区域, 应加大生态环境的维护, 进行天然林资源保护, 对于经济的发展, 要发展林业经济, 此外, 还可以引进一些对环境质量要求较高的企业, 促进当地经济的发展。

环鄱阳湖平原区是鄱阳湖流域生态系统服务价值结构最多样化的地区, 主要以林地、水体、农用地组合的生态服务类型为主, 也是鄱阳湖流域社会经济活动最为活跃, 对于这些区域, 发展生态经济是实现绿色崛起的必由之路。一方面需要淘汰高污染、高消耗的项目, 推进资源消耗少, 污染排放小, 科技含量高的项目。另一方面, 通过调整土地利用类型调整区域生态价值服务结构类型, 使之朝有利于资源可持续利用的方向转变。对于以农业地为主的生态系统服务价值类型区, 应减少化肥农药的使用, 要以生态农业为主；对于以水体为主的生态系统服务价值结构类型, 要保护水质, 防治水污染与富营养化, 保护水域生态平衡, 使湖区经济社会发展与生态环境保护共同发展。

4 小结

基于生态系统服务价值分析方法, 以鄱阳湖全流域为研究区, 从全流域整体与子区域两个角度, 计算了1990年、2000年、2008年3个时期的流域生态系统服务价值量。基于韦弗组合指数, 求出了鄱阳湖流域1990年、2000年、2008年3个时期的生态系统服务价值结构类型。

从全流域的角度, 鄱阳湖流域3个时期生态系统服务价值总量是逐年增加的, 全流域可持续发展水平逐步增加。从子区域的角度, 大部分区域生态系统服务价值较高, 可持续发生水平较好, 且呈现良性发展趋势, 但鄱阳湖流域的中部地区生态系统服务价值较低, 可持续发展水平较差, 且呈现不良发展趋势。从生态系统服务价值组合角度, 鄱阳湖流域的生态系统服务价值组合类型以林地、农用地、水体三类为主, 坡度类型以小于15°的3种坡度类型为主。结构类型方面, 鄱阳湖流域的生态系统服务价值结构类型以单重结构类型为主, 以双重结构类型与三重结构类型为辅, 坡度结构类型方面, 除三重结构类型较少外, 其它五种类型均较多。

为促进流域可持续发展向更高水平发展, 从全流域角度, 应该继续执行退耕还林、还湖工程, 严格控制建设用地的增加, 尤其是对耕地等的占用。从子区域的角度, 对鄱阳湖流域的中部地区应该控制建设用地与农用地对林地、草地的占用, 严格执行退耕还林、还草工程, 保护生态环境。从生态系统服务价值结构角度, 对于山地丘陵区, 应该加大对生态环境的维护, 进行天然林资源的保护, 并且合理的发展林业经济以促进经济发展；对于环鄱阳湖平原区, 应该推进资源消耗少, 污染排放小, 高科技产业, 并且对以建设用地、农业地、水体为主的生态价值服务类型地区, 要分别采取相应的措施, 促进湖区生态环境保护与经济社会的共同发展。