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Ecosystem service  and  economic valuation in the upper reaches of Xin’an River, Anhui, China for mitigating phosphorus nonpoint source pollution.

新安江上游减轻磷素面源污染生态系统服务及价值


结合不同土地覆被磷素输出系数和净化系数,构建了流域磷素净化模型,并结合流域出口断面的期望水质与净化污染物的边际成本模拟服务价值,将模型运用于安徽境内新安江上游.结果表明: 2000—2010年,屯溪区、绩溪、歙县、黟县以及休宁县城周边部分农田被建成区占用. 新安江上游磷素输出总量在10年间小幅减少,农田和建城区是新安江上游最主要的磷素污染源.输出的磷素一半以上在向流域出口运移的过程中被各类土地覆被有效净化.净化磷素量与磷素输出量的高值分布类似,均集中于北部的扬之河、丰乐河和横江等子流域. 因当前土地覆被格局不尽合理,林草净化磷素的能力未能得到有效发挥.研究区生态系统服务的总经济价值在2000和2010年分别达到380.3和331.0万元.
 

A model of phosphorus purification in a watershed was established based on the export coefficient and purification index of phosphorus in different types of land cover. The model was employed to simulate the economic value of the ecosystem service with the expected water quality standard and marginal cost of pollutant purification of the upper reaches of Xin’an River of Anhui, China. The results revealed that from 2000 to 2010, some farmland outside the Tunxi, Jixi, Shexian, Yixian and Xiuning was converted to builtup land. The total amount of phosphorus exported to the upper Xin’an River decreased a little, and the main source of phosphorus pollution was farmland and builtup land. More than half of the exported phosphorus was efficiently purified by different types of land cover via flow accumulation. The pattern of purification and export of highly concentrated phosphorus showed the same trend which occurred in the northern part of the watershed including the Yangzhi River, Fengle River and Hengjiang River. Forestland and grassland did not efficiently purify phosphorus in the watershed owing to the irrational distribution of existing land cover. The total service value was 3.80 and 3.31 million Yuan in 2000 and 2010, respectively.
 


全 文 :新安江上游减轻磷素面源污染生态系统服务及价值∗
何  方1  吴  楠2  方降龙2  高吉喜3  周晓铁2  冯朝阳4∗∗
( 1安徽农业大学资源与环境学院, 合肥 230036; 2安徽省环境科学研究院, 合肥 230071; 3环境保护部南京环境科学研究所,
南京 210042; 4中国环境科学研究院国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室, 北京 100012)
摘  要  结合不同土地覆被磷素输出系数和净化系数,构建了流域磷素净化模型,并结合流
域出口断面的期望水质与净化污染物的边际成本模拟服务价值,将模型运用于安徽境内新安
江上游.结果表明: 2000—2010年,屯溪区、绩溪、歙县、黟县以及休宁县城周边部分农田被建
成区占用. 新安江上游磷素输出总量在 10年间小幅减少,农田和建城区是新安江上游最主要
的磷素污染源.输出的磷素一半以上在向流域出口运移的过程中被各类土地覆被有效净化.净
化磷素量与磷素输出量的高值分布类似,均集中于北部的扬之河、丰乐河和横江等子流域. 因
当前土地覆被格局不尽合理,林草净化磷素的能力未能得到有效发挥.研究区生态系统服务
的总经济价值在 2000和 2010年分别达到 380.3和 331.0万元.
关键词  面源污染; 新安江上游; 土地覆被; 净化磷素量; 经济价值
文章编号  1001-9332(2015)04-1253-10  中图分类号  X524  文献标识码  A
Ecosystem service and economic valuation in the upper reaches of Xin’ an River, Anhui,
China for mitigating phosphorus nonpoint source pollution. HE Fang1, WU Nan2, FANG
Xiang⁃long2, GAO Ji⁃xi3, ZHOU Xiao⁃tie2, FENG Chao⁃yang4 ( 1Department of Resource and Envi⁃
ronment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China; 2Anhui Academy of Environmental
Science, Hefei 230071, China; 3Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environ⁃
mental Protection, Nanjing 210042, China; 4State Environmental Protection Key Laboratory of Re⁃
gional Eco⁃process and Function Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,
Beijing 100012, China) . ⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(4): 1253-1262.
Abstract: A model of phosphorus purification in a watershed was established based on the export
coefficient and purification index of phosphorus in different types of land cover. The model was em⁃
ployed to simulate the economic value of the ecosystem service with the expected water quality
standard and marginal cost of pollutant purification of the upper reaches of Xin’an River of Anhui,
China. The results revealed that from 2000 to 2010, some farmland outside the Tunxi, Jixi, She⁃
xian, Yixian and Xiuning was converted to built⁃up land. The total amount of phosphorus exported
to the upper Xin’an River decreased a little, and the main source of phosphorus pollution was farm⁃
land and built⁃up land. More than half of the exported phosphorus was efficiently purified by differ⁃
ent types of land cover via flow accumulation. The pattern of purification and export of highly con⁃
centrated phosphorus showed the same trend which occurred in the northern part of the watershed
including the Yangzhi River, Fengle River and Hengjiang River. Forestland and grassland did not
efficiently purify phosphorus in the watershed owing to the irrational distribution of existing land cov⁃
er. The total service value was 3.80 and 3.31 million Yuan in 2000 and 2010, respectively.
Key words: nonpoint source pollution; upper Xin’an River; land cover; retained phosphorus;
economic value.
∗安徽省省级环保科研计划项目( 2011⁃001⁃1,2012⁃006)和“十二
五”农村领域国家科技计划项目(2012BAJ21B07⁃02)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: fengchy@ craes.org.cn
2014⁃06⁃23收稿,2015⁃01⁃09接受.
    近年来,大量研究成果和调查数据表明[1-4],农 村面源污染(畜禽养殖、农药化肥、农村生活污水、
生活垃圾等)在流域尺度的水体污染中所占的比重
和严重性已经超过工业点源污染.因其具有时空范
围大、不确定性突出以及成分和产生的过程复杂等
应 用 生 态 学 报  2015年 4月  第 26卷  第 4期                                                         
Chinese Journal of Applied Ecology, Apr. 2015, 26(4): 1253-1262
特点,使得面源污染的防治难度极大[5] .
流域陆地生态系统通过林冠层、灌草层、凋落物
层和土壤层对面源污染物进行过滤拦截、吸附,并有
效减少地表径流.河流两岸一定宽度的植被缓冲带
可以通过过滤、渗透、吸收、滞留、沉积等机械、化学
和生物功能效应,使进入水体的污染物毒性减弱、污
染程度降低[6-9],体现其净化水质的生态系统服务
功能.
目前,国内外关于流域陆地生态系统植被与其
水质关系的研究多集中在森林植被变化(组成结
构、分布面积和位置、覆盖度等)对水质(有机物质、
各种离子、N、P、固体悬浮物、水温、溶解氧 DO、细菌
等病原体等)的影响上[10-13],较少将植被净化水质
作为一项生态系统服务,从而对其服务能力进行分
布式定量评估及相关经济效益分析.一些特定区域
植被对污染物质滞留净化作用的定量结论[14-15],也
很难用于指导流域综合生态系统管理 ( integrated
ecosystem management,IEM)决策与生态补偿运作.
生态系统结构和过程是生态系统服务供给的物
质基础[16] .在闭合流域内部,生态系统分布的空间
格局是水和面源污染物共轭运移过程的载体,格局
的变化会引起该随机生态过程的改变;而运移过程
中也包含众多塑造格局的动因和驱动力,其改变也
会使格局产生一系列的响应.净化水质功能则是由
流域尺度下生态系统的分布格局及其与污染物质运
移截留过程相互作用而产生的服务,是该功能满足
人类福利的一种表现.
流域尺度上面源污染的评估模型大致分为经验
系数模型和综合机理模型 2 种.经验系数模型是基
于流域自然物理特征与污染物输出之间的经验关系
建立的,如输出系数法和源强系数法等[17] .一般情
况下经验系数模型的模拟精度较综合机理模型低,
但得益于其对资料要求低、简单以及实用的特点,经
验系数模型广泛用于环境规划和环境评价中.综合
机理模型则基于流域水文和面源污染耦合过程而建
立,如 SWAT(soil and water assessment tool) [18] .模型
运行需要大量的长期观测资料和统计数据[19-20] .
为了兼顾两者的优势,本研究所建模型在理论
上基于流域内面源污染物质运移净化过程的内在机
制,在评估应用上对模型参数做了必要的简化.以格
局⁃过程⁃服务为主线,结合流域内不同土地覆被
(land cover,LC)的污染物输出系数和拦截能力系
数,在 GIS平台上构建了汇流路径上模拟每个栅格
像元截留污染物使其不进入受纳水体的模型.价值
量模型则结合流域出口断面的期望水质标准与净化
污染物的边际成本进行计算.
本文采用 2000 和 2010 年的相关数据,以我国
首个跨省流域生态补偿建设试点———新安江上游
(安徽境内)为例,以磷素作为指示污染物进行模型
的运用.评估结果将为水环境补偿试点工程规划及
区际公平的生态补偿标准核定提供参考.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  研究区概况
安徽省内新安江流域(新安江上游)地跨黄山、
宣城 2市,东南以天目山、白际山脉为界与浙江省毗
邻,西南部与江西省鄱阳湖水系接壤,北以长江、新
安江分水岭为界(图 1).新安江上游属副热带季风
湿润气候,四季分明,雨量充沛,湿润温暖,日照较
少,小气候特征显著.上游河道全长 242.3 km,流域
面积 5877 km2 .境内地形复杂,是一个“八山一水半
分田,半分道路和庄园”的中低山丘陵区.植被以次
生马尾松(Pinus massoniana)林为主,森林覆盖率为
77.4%,呈东疏西密的特点.原生自然植被已大部分
为次生和人工植被所代替,仅在南部的陡悬式中山
区还存留一些原始阔叶林或高山草甸.新安江水系
发达、支流众多,塘坝水库星罗棋布.主源率水在屯
溪与支流横江汇合后至歙县浦口汇练江经街口入浙
江省境内.下游是浙江重要的饮用水源地,也是我国
长三角的战略备用水源———千岛湖.由于千岛湖入
湖水量中有 60.0%以上来自安徽,上游来水水量和
水质对千岛湖水环境安全起决定性的作用.
图 1  新安江上游位置
Fig.1  Location of the upper Xin’an River.
4521 应  用  生  态  学  报                                      26卷
    由于上游山区农民居住分散,农业生产的化肥
施用强度较大(约 301 kg·hm-2[21],高于国际通行
225 kg·hm-2的安全上限[22] ),且存在畜禽养殖污
水无序排放现象.充沛的径流汇集过程携带流失的
氮素和磷素等进入水体,导致下游的千岛湖富营养
化进程明显.近期对上游地区的现场调研发现,在一
系列环保资金重点支持的点源污染控制工程有效实
施的背景下,农业和农村面源污染已经成为新安江
干流水质退化的重要原因.
1􀆰 2  物质量评估模型
根据“源⁃汇”理论,在面源污染形成过程中,流
域中一些景观类型起到了“源”的作用,一些起到
“汇”的作用,同时一些景观起到传输的作用.如果流
域中“源”、“汇”景观在空间分布上达到平衡状态,
形成合理的空间分布格局,流域将会产生相对较少
的面源污染物.基于此,构建污染物质负荷和截留过
程的评估模型必须根据不同 LC 对污染物输出与截
留的特征,按照其分布格局,对面源污染物质的产
生、汇流、截留、汇入等生态过程进行定量定位模拟.
首先基于干流出省断面点和流向数据,创建流
域,明确工作范围为新安江上游.再根据水文敏感系
数(hydrological sensitive coefficient, HSC),结合各种
LC总磷(TP)的输出系数计算关键污染源区( criti⁃
cal source areas, CSA)指数;最后沿汇流路径,结合
每个栅格像元上不同 LC 对径流中 TP 截留过滤能
力系数,按照汇流、截留的生态过程,分别得到向下
游水环境输出和被植被移除的 TP 物质量.采用栅格
数据(分辨率 100 m×100 m)形式,将此模型与 Arc⁃
GIS结合以便于大量空间数据的处理和模型结果的
直观显示.技术框架参见图 2.
1􀆰 2􀆰 1关键污染源区(CSA)指数  少数景观单元输
出的污染物往往占了整个流域污染负荷的大部
分[23],对受纳水体水质有着决定性的影响,因而成
为面源污染物的关键源区.而大部分景观单元则只
图 2  污染物评估技术框架
Fig.2  Flow chart of pollution assessment.
DEM: 数字高程模型 Digital elevation model; HSC: 水文敏感系数 Hydrological sensitive coefficient; HSA: 水文敏感区指数 Hydrological sensitive
area index; CSA: 关键污染源区指数 Critical source area index.
55214期                        何  方等: 新安江上游减轻磷素面源污染生态系统服务及价值         
输出少量污染物,有些甚至可能成为污染物的汇.相
关研究表明,某些特定条件下,流域内面源污染物质
流失量的 90.0%来源于 10.0%的区域,且主要分布
在靠近河道的区域[23-26] .
水环境面源污染关键源区的形成受到多种因素
的影响,且不同污染物由于理化性质和流失过程的
差异,其影响因子也有所不同.但可以将其分为源因
子和迁移扩散因子 2 类[27] .源因子主要反映各 LC
类型下土壤中养分含量、肥料输入及土壤对养分的
持留能力等,表明是否具有较高的养分输出潜
力[23];迁移扩散因子包括直接和间接影响养分迁移
的因子,决定了那些潜力能否转化为实际的流失.
本模型进行的磷污染关键源区指数计算,涉及
到的源因子空间分布特征基于 LC 分布格局及每种
LC类型的磷素输出系数.新安江上游 2000 和 2010
年 LC数据利用遥感影像目视解译提取.参考刘纪
远[28]提出的分类体系,将其类型划分为农田、林地、
草地、水体、建城区和未利用地 6 类,比例尺为
1 ∶ 10万,数据格式为 COVERAGE.农田和建城区磷
输出系数基于流域总磷的排放统计数据来估算,林
地、草地和未利用地的输出系数则参考国内外文献
资料[29-31]确定,并假定 10年间保持不变(表 1).
2010年,流域总磷排放量为 629.9 t,其中来自
农业面源污染的占 76􀆰 5%,其余则主要来自生活源.
假设新安江上游的农业面源污染全部发源于农田,
则流域内全部农田承载的总磷输出量为 629.9 t ×
76􀆰 5% = 481.9 t,再按流域内 2010 年农田的分布面
积(944.86 km2)进行均分,则农田的总磷输出系数
为 510.0 kg·km-2·a-1;假设新安江上游的生活源
污染全部源于建设用地,则流域内全部建设用地承
载的总磷输出量为 629.9 t×(1-76.5%)= 148.0 t,再
按流域内 2010年建设用地的分布面积(66.97 km2)
进行均分,则建设用地的总磷输出系数为 2209􀆰 9
kg·km-2·a-1 .2000年,流域总磷排放量为 690.0 t,
农业面源占 79.7%,同理设定农田和建城区的输磷
系数(表 1).
    迁移扩散因子的空间分布特征基于水文敏感系
数(HSC)来计算.水文敏感系数参考 Beven 和 Kirk⁃
by[32]于 1979 年开发的 TOPMODEL 中分布式地形
指数[topographic index,ln(α / tanβ)]的物理意义和
计算方法,表示生态系统中的土壤渗透饱和性和随
后产生的汇流潜力,由汇流量数据、土壤参数和坡度
数据确定[33] .水文敏感系数栅格图层中分值高的像
元,意味着更具有“亲水性”,土壤容易达到饱和而
表 1  新安江上游不同覆被类型总磷输出及过滤移除系数
Table 1  Total export phosphorus and its removing coeffi⁃
cient of different types of land cover in the upper Xin’ an
River
土地覆被类型
Type of land cover
年输出总磷
Total export P
(kg·km-2·a-1)
2000 2010
磷移除净化
能力系数
P removing
coefficient
农田 Farmland 558.4 510.0 0.1
林地 Forestland 15.0 15.0 0.75
草地 Grassland 20.0 20.0 0.4
建城区 Built⁃up 5305.7 2209.9 0
未利用地 Unused land 51.0 51.0 0
产流,与河流连接性好.采用如下公式计算:
HSC i = lg
flow_acci
Ksati×soil_depthi×slopei
æ
è
ç
ö
ø
÷ (1)
式中:HSC i表示栅格 i 标准化前的水文敏感系数;
flow_acci和 slopei分别是栅格 i 上由数值高程模型
(DEM)数据派生出的汇流量与坡度(°);Ksati是栅
格 i的土壤渗透性(cm·d-1);soil_depthi是栅格 i的
土壤深度(mm).其中,DEM 来源于美国国家航空航
天局陆面过程分布式数据存档中心(Land Processes
Distributed Active Archive Center,LPDAAC)搭载于
Terra卫星(地球观测系统 EOS 星座的第一颗卫星)
的 ASTER传感器所获得的全球 30 m 分辨率数据.
土壤数据来源于中国科学院南京土壤研究所的中国
1 ∶ 100万土壤数据库.
对计算得到的水文敏感系数栅格图层在数值上
进行 0~1的标准化处理,得到表征流域磷素迁移扩
散能力的系数图层,即水文敏感区指数(HSA).
基于 LC 格局及每种 LC 类型上磷素输出系数
得到的磷素输出潜力图层与水文敏感区指数图层,
在 ArcGIS 9.2中进行栅格相乘,得到流域内磷污染
关键源区指数的空间变异特征.
CSAi =LoadsiHSAi (2)
式中: CSAi 为 栅 格 i 的 关 键 污 染 源 区 指 数
(kg·km-2·a-1);Loadsi为栅格 i上评估污染物在评估
时间段内的输出系数,即污染负荷(kg·km-2·a-1);
HSAi为栅格 i的水文敏感区指数(无量纲).
1􀆰 2􀆰 2被植被移除的磷素空间变异  流域内被植被
移除的磷素即是生态系统对于减轻流域出口受纳水
体非点源污染服务的物质量.由上述得到的关键污
染源区指数和各种 LC 类型对磷素的过滤移除能力
系数得到.其中,各 LC 类型对磷素的过滤移除能力
系数(取值范围 0~1,越接近 1 能力越强)影响因素
极其复杂,取决于污染源特性、土壤类型、植被组成
6521 应  用  生  态  学  报                                      26卷
表 2  汇流路径上每个 LC栅格净化磷素物质量计算模型
Table 2  Calculation model of phosphorus quantity removed by LC in each cell followed the flow path
像元编号
Cell ID
磷素移除净化
能力系数
P removing
coefficient
关键污染源
区指数
CSA
(kg·km-2·a-1)
被 LC移除净化的磷素物质量
Quantity of P removed
by LC
(kg·km-2·a-1)
未被 LC移除净化而汇入下
一栅格的磷素物质量
Quantity of P passed to next cell
(kg·km-2·a-1)
1 R1 CSA1 0 CSA1
2 R2 CSA2 CSA1×R2 CSA1×(1-R2)+CSA2
3 R3 CSA3 [CSA1×(1-R2)+CSA2]×R3 [CSA1×(1-R2)+CSA2]×(1-R3)+CSA3
4 R4 CSA4 {[CSA1×(1-R2) +CSA2] ×(1-R3) +
CSA3}×R4
{[CSA1×(1-R2)+CSA2] ×(1-R3) +CSA3}
×(1-R4)+CSA4
假设第一个栅格像元不对自身的污染负荷进行净化 Assumed that first cell did not remove the pollution loads generated by itself.
及生长状态、沿程植被带宽度与坡度、季节以及水文
条件等[34] .地表径流中的磷(主要为颗粒态磷)主要
通过物理过程的沉积和渗滤实现截留;渗透到土壤
中的磷(主要为可溶性磷)则通过植物吸收、土壤吸
附及微生物吸收等实现截留转化.由于本流域基础
小区试验数据匮乏,因此仅参照国内外已累积的关
于河湖滨岸缓冲带净化面源污染物的研究成
果[34-38],按照 100 m植被带宽度量化农、林、草 3 种
LC的系数(表 1).
对于栅格化的流域表面,每个像元都有从汇水
盆地顶端延伸到注入点的汇流路径.首先根据 DEM
派生出的汇流量数据,结合研究流域的实际河道分
布,指定汇流量大于 1000个像元这一阈值的栅格为
河流,并将其流向值赋为 0.对流域内每个栅格像元
按照其流向数据搜寻汇入相邻的下一个像元,直至
汇入河流,每个栅格 i 向水环境输出和净化的磷素
量(kg·km-2·a-1)按照表 2 所列的前 4 个像元计
算并以此类推进行模拟,进而得到总磷负荷和净化
磷素量的空间分布.
1􀆰 3  价值量评估模型
将流域出口断面期望的年输出磷素标准按照流
域总栅格数进行均分,与对应栅格的年净化磷素量
相减,得出每个栅格修正的服务物质量.流域内每个
栅格减轻出口受纳水体磷素面源污染服务价值量的
评估模型采用下式计算:
ValueFilter_loadsi =MCmax(0,Filter_loadsi-
EWQ
CN

(3)
式中:ValueFilter_loadsi为流域内栅格 i 该项生态系统服
务的价值(元);MC 为清除单位质量磷素的费用
(元·kg-1),按照国家发展计划委员会、财政部、国
家环境保护总局、国家经济贸易委员会的第 31号令
(自 2003 年 7 月 1 日起施行)提出的《排污费征收
标准及计算方法》 [39],取 14 元·kg-1;max(x,y)函
数取 x 与 y 中的较大值,在此将可能出现的负值调
整为 0;Filter_ loadsi为栅格 i 年过滤移除的磷素量
(kg·km-2·a-1);EWQ 为流域出口断面的期望输
出水质标准,按照安徽省执行的国家《地表水环境
质量标准》 (GB 3838⁃2002) [40]中河流三类水总磷
(以磷素计)含量不得超过 0.2 mg·L-1的标准,结合
《安徽省水资源公报 2010》 [41]中新安江流域(安徽
境内)地表水资源量 89.4×108 m3,取期望出口断面
年输出 17􀆰 88×105 kg 的磷素;CN 为流域总栅格数.
输出像元统一设为 100 m×100 m,共 586541 个栅格
像元,EWQ / CN单位为 kg·hm-2·a-1 .
2  结果与分析
2􀆰 1  土地覆被(LC)格局
表 3展示了 2000和 2010年 2个时期新安江上
游 LC面积及其增减变化.林地和农田为流域最为主
要的 2种 LC类型,面积占据了流域总面积的 97.3%
(2010年).2000—2010 年,建城区面积大幅增加的
同时,农田面积大幅缩减,其余 LC变化均不明显.通
过构建 2000—2010年流域 LC类型面积转移概率矩
阵,可以发现,6 种覆被类型在 10 年内均有 94.0%
以上的面积被保留.变化最主要趋势是农田向建城
区的转化,达到 40. 2 km2(占 2000 年农田面积的
4􀆰 1%),体现了较为显著的城镇化过程.还有农田与
水体的相互转化,反映了小沟塘湿地与农田增减的
博弈.此外,农田与森林也发生了一定面积的相互转
化,可能在流域水源涵养造林工程和退耕还林政策
实施的同时,部分山区由于人地矛盾的突出和监管
力度不够引发了一些毁林开荒和退耕土地反弹
现象.
    从 LC的空间格局变化来看,最为显著的是农
田向建成区的转化,集中发生在屯溪区、绩溪、歙县、
黟县以及休宁县城周边.农田转化为林地则主要集
中于歙县城北的练江子流域.其余的转化类型相对
分布离散(图 3).
75214期                        何  方等: 新安江上游减轻磷素面源污染生态系统服务及价值         
表 3  2000—2010年流域 LC面积变化
Table 3  LC area changes of the watershed from 2000 to
2010
LC类型
Type of LC
面积 Area(km2)
2000 2010
变化 Change
(km2)
农田 Farmland 984.9 944.9 -40.0
林地 Forestland 4759.0 4759.4 0.4
草地 Grassland 39.6 39.6 0
水体 Water body 54.7 53.7 -1.0
建城区 Built⁃up area 26.4 67.0 40.6
未利用地 Unused land 0.9 0.9 0
合 计 Total 5865.4 5865.4 0
图 3  新安江上游 2000—2010年 LC变化
Fig.3   LC change in the upper Xin’ an River from 2000 to
2010.
2􀆰 2  植被净化磷素过程
运用式(1)计算新安江上游 2000 及 2010 年 5
种 LC类型的水文敏感系数,再进行标准化(表 4).
结果表明,流域内平均 HSA 在各类 LC 及不同年份
间差异均不大,变化范围为 0.404 ~ 0.478(水体不
计).由于农田和建成区距离河道较近,且多为缓坡
区 ,平均HSA相对较高 .且10年间新增的建成区更
多为择水、择平而居,使其平均 HSA增加幅度最大.
按照表 2提出的汇流路径上每个栅格像元植被
输出和净化磷素的计算模型,2000 和 2010 年全流
域磷素输出总量变化不大,分别达到 363. 13 和
345􀆰 47 t·a-1 .各类 LC平均单位面积总磷输出量在
10年间变化也不大.由于建成区的总磷输出系数和
HSA均为最大,且位于汇流路径的底端,在其上输
出的大量磷素未能在较长的汇流运移路径上被其他
LC类型有效净化,使其平均单位面积总磷输出量在
2个评估年份均为最大.因 10 年间扩张的建成区多
位于横江、丰乐河和扬之河等子流域的缓坡亲水区,
使其平均输磷量有所增加,绝对量分别达到 4206.4
和 1835.6 kg·km-2·a-1 .这使得仅占流域总面积
0􀆰 5% ~ 1. 2%的建成区磷素输出总量 ( 111. 0 和
122􀆰 93 t·a-1)仅次于农田,分别占流域总输磷量的
30.6%和 35.6%.农田的总面积虽然有所减少,但其
绝对占比仍然较大,加之输出系数高,使得农田对于
全流域输磷的贡献量最高,分别达到 67. 9%和
62􀆰 8%.可见农田和建城区是新安江上游最为主要
的磷素污染源,如果对河谷滩地上的农田和扩城开
发强度不加以限制,相关环境问题将进一步加剧.
由图 4 可见,新安江上游北部的多个小流域是
磷素输出贡献的高值分布区,也是对于下游受纳水
体水质危害最大的地区,应作为治理面源污染的优
先控制区,加强养分管理和控制规划.在丰乐河子流
域,由于 10年间新增了大量的建成区,导致其输磷
量较 2000年有大幅增加.
    2000 和 2010 年 5 种 LC 类型净化磷素使其不
进入下游的量,即流域减轻磷素面源污染服务的物
质量,分别达到 467.81和 421.47 t·a-1,分别占全流
域磷素总负荷的 56.3%和 55.0%,可见一半以上流
失的磷素在向流域出口运移的过程中被各类 LC 有
效移除、净化.林草净化磷素的能力最强,但其主要
表 4  2000和 2010年流域不同 LC水文敏感区指数(HSA)、总磷输出量和移除量
Table 4  Hydrological sensitive area index (HSA), phosphorus exported to outlet and phosphorus retained in different types
of LC in the watershed in 2000 and 2010
LC类型
Type of LC
面积比例
Area percentage
2000 2010
水文敏感区指数
HSA
2000 2010
磷输出量
P exported
(kg·km-2·a-1)
2000 2010
磷移除量
P retained
(kg·km-2·a-1)
2000 2010
农田 Farmland 16.9 16.3 0.455 0.454 250.6 229.9 269.6 241.6
林地 Forestland 81.9 81.9 0.405 0.405 1.1 1.1 42.6 40.6
草地 Grassland 0.7 0.7 0.404 0.404 0.2 0.3 12.1 12.1
建城区 Built⁃up 0.5 1.2 0.473 0.478 4206.4 1835.6 0 0
未利用地 Unused land 0 0 0.441 0.441 26.5 26.9 0 0
8521 应  用  生  态  学  报                                      26卷
图 4  流域向出口输出和净化总磷量空间分布
Fig.4  Spatial distribution of the total phosphorus exported to outlet and phosphorus retained in watershed.
a) 流域水文敏感区指数 Hydrological sensitive area index; d) 流域水系 Drainage of watershed; b, e) 2000和 2010年小流域输出磷素量 Phosphor⁃
us exported in subwatershed in 2000 and 2010, respectively; c, f) 2000和 2010年小流域净化磷素量 Phosphorus retained in subwatershed in 2000
and 2010, respectively. 1) 主流域 Main watershed; 2) 率水子流域 Shuaishui subwatershed; 3) 横江子流域 Hengjiang subwatershed; 4)丰乐河子流
域Fenglehe subwatershed; 5)练江子流域 Lianjiang subwatershed; 6) 大洲源子流域 Dazhouyuan subwatershed; 7) 昌溪子流域 Changxi subwater⁃
shed; 8) 棉溪河子流域 Mianxihe subwatershed; 9) 扬之河子流域 Yangzhihe subwatershed; 10) 街源河子流域 Jieyuanhe subwatershed.
分布在环流域周边山高坡陡区,距离河道较远,因而
其生态系统服务能力未能得到充分发挥,平均移除
净化磷素量在 2010 年有所下降,为 40. 6 和 12􀆰 1
kg·km-2·a-1,且此绝对值也较低.建议在流域内河
湖、溪流和沟谷沿岸以及在田边坡脚径流交汇地带
栽种各类林带,在缓坡耕地附近合理设置条带状草
地,作为保护缓冲带,充分发挥林草植被移除净化面
源污染物质的功能.尽管农田净化污染能力不强,但
因其多分布于关键污染源区,承载了大量磷素负荷,
使其平均单位面积服务物质量最高,达到 241􀆰 6
kg·km-2·a-1(2010年).建成区和未利用地基本不
具备移除净化磷素污染的能力,因此生态系统服务
值为 0.
流域内植被移除进入下游水环境磷素量(服务
物质量)的空间分布(图 4c、f)的总体趋势与磷素输
出量(图 4b、e)类似,均是北高南低.
2􀆰 3  生态系统服务价值
由表 5可以看出,在 2个评估年份,流域各生态
系统减轻磷素面源污染服务总价值占优势的均是农
田和林地生态系统.由于草地面积占比小且平均单
位面积服务价值低,农林 2 类生态系统几乎完全构
成了流域的总服务价值.从单位面积服务价值来看,
农田和林地较高.流域对于减轻下游水环境磷素面
源污染的总经济价值在2000和2010年分别达到
表 5  2000和 2010年不同 LC类型减轻磷素面源污染服务价值
Table 5  Economic value of preventing phosphorus nonpoint source pollution of different types of land cover in 2000 and
2010
LC类 型
Type of LC
面积比例
Area percentage
2000 2010
平均单位面积价值
Average value per unit area
(yuan·km-2·a-1)
2000 2010
总价值
Total value
(×104 yuan·a-1)
2000 2010
农田 Farmland 16.9 16.3 2337.6 2035.6 230.1 192.2
林地 Forestland 81.9 81.9 316.6 292.3 150.2 138.7
草地 Grassland 0.7 0.7 11.8 13.0 0.0 0.1
合计 Total 99.5 98.9 - - 380.3 331.0
95214期                        何  方等: 新安江上游减轻磷素面源污染生态系统服务及价值         
380.3和 331.0万元.
3  讨    论
以所谓发展作为导向的区域土地利用 /覆被变
化( land use / cover change,LUCC)往往追求其既定
领域产出和短期经济利益的最大化,常造成对生物
多样性和其他相关生态系统服务不可逆转的破坏.
作为全国水源涵养重要生态功能区的新安江上游,
在我国首例跨省流域生态补偿项目试点背景下,它
所面临的“保护”与“发展”的矛盾日益尖锐.分析该
区近 10年由 LC 变化带来的磷素水质污染以及服
务价值响应,便于决策者识别面源污染关键源区,加
强对局部地区的养分管理和控制规划,也可为当前
仅以两省交界断面水质作为唯一指标的补偿运作方
式提供更多的辅助参考.
我国面源污染由最初的概算式、黑箱式研究正
逐渐向针对“源⁃汇”过程深入研究转变,LC 格局与
面源污染物质的运移、净化、汇集之间的关联性和复
杂关系已成为未来该领域研究的重点课题之一.本
研究试图用尽量少的参数和系数,在较为明晰的生
态学原理下,构建了基于 LC 格局和净化磷素过程
的服务物质量及价值量评估模型,并以 LC 格局⁃生
物 /物理过程⁃生态系统服务为主线,进行了应用研
究,为弄清此项生态系统服务与生态系统结构之间
的关联关系,分析生态过程与服务表现的动态变化
与相互作用提供了参考.今后的研究可结合流域的
土地利用规划方案,按照经济优先、效率优先和生态
优先等地方愿景,进行未来 LC 格局情景的预设.通
过模型模拟,从中优选兼顾地方经济发展和提升减
轻下游磷素污染服务能力的情景,对协调新安江上
游“发展”和“保护”的博弈提供借鉴.
本模型和应用案例存在以下局限,需在今后研
究中逐步完善:
1)本案例研究仅选择了磷素作为典型指示污
染物,只可以大体反映新安江上游不同 LC 格局对
于下游受纳水体当前水质污染状况的贡献.
2)流域 LC 类型仅分为 6 类,其磷输出系数以
及移除净化系数的设定带有一定主观性.根据黄山
市环境监测站“街口断面” (位于新安江干流,接近
于皖浙边界) 2010 年总磷监测结果(年均浓度为
0􀆰 03 mg·L-1),结合流域地表水资源量 89.4×108
m3进行估算,在假定径流中本底总磷浓度为 0 的前
提下,新安江上游实际总输出磷素量约为 268.20 t,
与模拟结果(345.47 t)相比有一定误差.今后应结合
植被覆盖、利用方式等进行 LC 类型的进一步细分,
对典型坡面小区进行机理性的观测和研究,进而调
整系数,获得更加准确的模拟结果.
3)模型没有考虑在面源污染物质从输入到随
水汇流到流域受纳水体的过程中,与水体发生的生
化交互作用.实际上,随着时间的推移和传输距离的
增加,污染物质会发生一定程度的降解.
4)进行该项生态系统服务经济价值的测算时,
无法精确估计单位污染物质移除的边际成本,因为
水质净化过程的影响因素太多.边际成本不是固定
值,当污染物输入未到阈值时,更多的污染物输入使
得水质净化的边际成本降低;反之当污染物质输入
量到达阈值时,更多的污染物输入将使水质净化的
成本增加.另外,当水质净化的技术改进或相关的水
质标准调整后,都会对水质净化成本造成影响.因
此,本模型按照我国最新颁布的《排污费征收标准
及计算方法》 [39],用应收取的排污费来代替相应水
质净化成本.
4  结    论
研究期间,黄山市区和主要县城周边的部分农
田被建设用地占用. 流域向下游输出磷素总量小幅
下降.农田和建城区是新安江上游主要的磷素污染
源.北部的扬之河、丰乐河和横江等小流域是对下游
水质劣变贡献较大的地区.一半以上的磷素负荷在
向流域出口运移的过程中被各类 LC有效净化.但在
当前的 LC格局下,林草净化磷素的能力未能得到
有效发挥.10年间,总服务价值略有下降.
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作者简介  何  方,男,1959 年生,副教授.主要从事资源环
境信息化和土地资源利用研究,发表论文 10 余篇. E⁃mail:
thhf@ ahau.edu.cn
责任编辑  肖  红
2621 应  用  生  态  学  报                                      26卷