全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 员期摇 摇 圆园员源年 员月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
卷首语院 复杂与永续 渊 玉 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
前沿理论与学科综述
城市复合生态及生态空间管理 王如松袁李摇 锋袁韩宝龙袁等 渊 员 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
海洋生态系统固碳能力估算方法研究进展 石洪华袁王晓丽袁郑摇 伟袁等 渊 员圆 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市生态系统灵敏度模型评述 姚摇 亮袁王如松袁尹摇 科袁等 渊 圆猿 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市生活垃圾代谢的研究进展 周传斌袁徐琬莹袁曹爱新 渊 猿猿 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
胶州湾生物鄄物理耦合模型参数灵敏度分析 石洪华袁沈程程袁李摇 芬袁等 渊 源员 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
渤海湾大型底栖动物调查及与环境因子的相关性 周摇 然袁覃雪波袁彭士涛袁等 渊 缘园 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
生物扰动对沉积物中污染物环境行为的影响研究进展 覃雪波袁孙红文袁彭士涛袁等 渊 缘怨 冤噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
密云水库上游流域生态系统服务功能空间特征及其与居民福祉的关系 王大尚袁李屹峰袁郑摇 华袁等 渊 苑园 冤噎
长岛自然保护区生态系统维护的条件价值评估 郑摇 伟袁沈程程袁乔明阳袁等 渊 愿圆 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
海岛陆地生态系统固碳估算方法 王晓丽袁王摇 嫒袁石洪华袁等 渊 愿愿 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
区域生态文明建设水平综合评估指标 刘某承袁苏摇 宁袁伦摇 飞袁等 渊 怨苑 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于生境质量和生态响应的莱州湾生态环境质量评价 杨建强袁朱永贵袁宋文鹏袁等 渊员园缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
员怨愿缘年以来黄河三角洲孤东海岸演变与生态损益分析 刘大海袁陈小英袁徐摇 伟袁等 渊员员缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
基于复合生态系统理论的海洋生态监控区区划指标框架研究 徐惠民袁丁德文袁石洪华袁等 渊员圆圆冤噎噎噎噎噎
我国环境功能评价与区划方案 王金南袁许开鹏袁迟妍妍袁等 渊员圆怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
生态产业园的复合生态效率及评价指标体系 刘晶茹袁吕摇 彬袁张摇 娜袁等 渊员猿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
我国农业生态效率的时空差异 程翠云袁任景明袁王如松 渊员源圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
内蒙古半干旱生态脆弱矿区生态修复耦合机理与产业模式 陈玉碧袁黄锦楼袁徐华清袁等 渊员源怨冤噎噎噎噎噎噎
基于物质流分析方法的生态海岛建设研究要要要以长海县为例 陈东景袁郑摇 伟袁郭惠丽袁等 渊员缘源冤噎噎噎噎噎
再生渊污冤水灌溉生态风险与可持续利用 陈卫平袁吕斯丹袁张炜铃袁等 渊员远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于流域单元的海湾农业非点源污染负荷估算要要要以莱州湾为例 麻德明袁石洪华袁丰爱平 渊员苑猿冤噎噎噎噎噎
集约用海对海洋生态环境影响的评价方法 罗先香袁朱永贵袁张龙军袁等 渊员愿圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
基于生态系统服务的城市生态基础设施院现状尧问题与展望 李摇 锋袁王如松袁赵摇 丹 渊员怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎
北京城区道路系统路网空间特征及其与 蕴杂栽和 晕阅灾陨的相关性 郭摇 振袁胡摇 聃袁李元征袁等 渊圆园员冤噎噎噎噎
基于复合生态功能的城市土地共轭生态管理 尹摇 科袁王如松袁姚摇 亮袁等 渊圆员园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
重庆市森林生态系统服务功能价值评估 肖摇 强袁肖摇 洋袁欧阳志云袁等 渊圆员远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
渤海湾港口生态风险评估 彭士涛袁覃雪波袁周摇 然袁等 渊圆圆源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
达标污水离岸排海末端处置技术研究综述 彭士涛袁王心海 渊圆猿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆猿愿鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢圆愿鄢圆园员源鄄园员
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 北京奥林匹克公园要要要在高楼林立的大城市中袁办公楼尧居民区尧学校尧路网系统尧公园以及各种水泥尧沥青硬路面和
树木尧绿草地尧土面尧水面等等组成了复杂多样的城市生态景观袁居住着密集的人口并由于人们不断的尧强烈的干预袁
使这个城市生态系统显得尤其复杂而又多变遥 因此袁系统复杂性及灵敏度是困扰城市生态系统研究和管理的重要
因素袁建立灵敏度模型是致力于解决城市规划管理中的复杂性问题的有效方法袁网状思维与生物控制论观是其核
心袁也是灵敏度模型的思想基础遥 图为北京中轴线北端被高楼簇拥着的奥林匹克公园的仰山和龙型水系遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 1 期
2014年 1月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.1
Jan.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金资助项目(41371538);城市与区域生态国家重点实验室科研专项资助项目(SKLURE2008鄄 1鄄 02); 国家基础研究重
大专项资助项目(2009CB421105)
收稿日期:2013鄄03鄄12; 摇 摇 修订日期:2013鄄08鄄20
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: zhenghua@ rcees.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201303120397
王大尚,李屹峰,郑华,欧阳志云.密云水库上游流域生态系统服务功能空间特征及其与居民福祉的关系.生态学报,2014,34(1):70鄄81.
Wang D S, Li Y F, Zheng H, Ouyang Z Y.Ecosystem services忆 spatial characteristics and their relationships with residents忆 well鄄being in Miyun Reservoir
watershed.Acta Ecologica Sinica,2014,34(1):70鄄81.
密云水库上游流域生态系统服务功能空间特征
及其与居民福祉的关系
王大尚,李屹峰,郑摇 华*,欧阳志云
(中国科学院生态环境研究中心 城市与区域生态国家重点实验室, 北京摇 100085)
摘要:生态系统管理的一个重要挑战是在区域尺度上管理生态系统服务并提高当地居民福祉。 以 2009年土地利用数据和社会
经济数据为基础,利用 InVEST模型和空间制图在乡镇尺度上对密云水库上游流域水资源供给服务、土壤保持服务、水质净化服
务、产品供给服务以及居民福祉进行了定量评估和空间特征刻画,并探讨了生态系统服务与居民福祉的不同关系模式。 结果表
明,流域内各乡镇土壤保持服务从上游到下游呈逐渐递增的趋势,水质净化服务从上游到下游整体上也呈逐渐递增的趋势,流
域内水质净化服务功能与水资源供给服务、粮食供给服务、蔬菜供给服务以及畜牧产品供给服务在空间上呈显著负相关;基于
生态系统服务与居民福祉在空间上的聚集特征,可将 56个乡镇划分为低服务低福祉模式、供给服务依赖模式和高服务高福祉
模式,针对这 3种关系模式特点,可分别提出改善生态系统服务功能和居民福祉的管理措施。 案例研究可为其他区域实施分区
管理、协调生态系统服务功能保护与居民福祉的关系提供借鉴。
关键词:生态系统服务; 水资源供给; 土壤保持; 水质净化; 居民福祉
Ecosystem services忆 spatial characteristics and their relationships with residents忆
well鄄being in Miyun Reservoir watershed
WANG Dashang, LI Yifeng, ZHENG Hua*, OUYANG Zhiyun
State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco鄄Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085 China
Abstract: Understanding the characteristics of spatial coupling of ecosystem services and human well鄄being is the premise to
strengthen ecological system management and then conserve ecosystem services and improve human well鄄being. The research
community, however, mainly focused on the conceptual framework and the large鄄scale description since United Nations
released Millennium Ecosystem Assessment in 2005. This study use the ecosystem services assessment model InVEST
(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs) to evaluate the special characteristics of water supply service,
soil conservation service, water purification service, and provisioning ecosystem services. Specifically, we chose Miyun
Reservoir watershed as a typical example, which is of vital importance to regulation of ecosystem services, to evaluate these
characteristics such as such as food supply, the supply of livestock products, and the supply of vegetables at township scales
in Miyun Reservoir watershed. Then we reveal the spatial characteristics of human wellbeing which utilize the per capita net
income of farmers as proxy a indicator, and investigate different patterns of relationships between ecosystem service and
human well鄄being. The results show that:
(1) Ecosystem services appear to be a significant spatial heterogeneity in space in Miyun Reservoir watershed: water
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supply service turns out to first increase and then decrease from upstream to downstream; Both soil conservation service and
water purification service show a consistent increasing tendency from upstream to downstream; and provisioning ecosystem
services are higher at Chao and Bai river watershed and lower at the intermediate region.
(2) The relationship between water purification service and water supply service, provisioning ecosystem services, and
agricultural services turns out to be a significant negative correlation (P < 0.05). Agricultural development is a important
factor to affect the ecosystem water purification services.
(3) The residents忆 well鄄being shows a significant spatial heterogeneity in space: The rural per capita net income of
farmers in Beijing is 4.46 times that in Heibei Province at province scale. And the residents忆 well鄄being doesn忆t show an
apparent agglomeration at township scale.
(4) Based on the special agglomeration characteristics of ecosystem services and residents忆 well鄄being at township
scale, the 56 towns appear to contain three spatial coupling patterns: high well鄄being with high ecosystem services, human
wellbeing depending on provisioning ecosystem services ( a dependent pattern), and low well鄄being with low ecosystem
services.
(5) In order to achieve the win鄄win objective which can bring about both protect ecosystem services and improve
residents忆 well鄄being, we propose management recommendations as follows: Emphasize to keep regulating services in high
well鄄being with high ecosystem services pattern; Emphasize to keep provisioning ecosystem services in dependent pattern;
Emphasize the implementation of ecological compensation policies in low well鄄being with low ecosystem services pattern.
This study provides an insights to relationships between the spatial pattern of ecosystem services and residents忆 well鄄
being, and reveals both the spatial coupled pattern and its characteristics. These findings provide scientific support for
district and classification management, while the research methods and train of thought can provide a reference for protecting
ecosystem services and simultaneously enhancing the well鄄being of residents for other basin management.
Key Words: ecosystem services; water supply; soil conservation; water purification; human well鄄being
摇 摇 20世纪 90年代以来,国内外生态学和经济学学
者从生态系统服务评价的理论、方法和实践应用等
方面进行了大量探索,这些工作对于正确认识生态
资产、积极实施生态保护措施起到了极大的促进作
用[1鄄4]。 实践证明,生态系统服务价值评估可以应用
到环境保护政策制定中,但是在面对生态环境问题
时,往往还面临着当地人们提高福祉的迫切需求。
自 2005年千年生态系统评估(MA) [4]创造性地提出
了生态系统服务与人类福祉各个要素之间的相互关
系以来,生态系统服务与人类福祉的关系已逐渐成
为近年来生态系统服务研究者与实践者关注的焦点
与热点[5]。 目前国内外已在生态系统服务与人类福
祉关系领域进行了一系列探索,例如 Vemuri、
Costanza和 Engelbrecht 等[6鄄7]在国家尺度上探讨了
生态系统服务与人类主观福祉的相关性,发现人均
生态系统服务与生活满意度呈显著正相关,而在时
间序列上却呈现相反的结果。 实践中,对生态系统
服务经济福祉的分析也逐渐应用到生态补偿等领
域[8鄄10]。 虽然众多学者在全球尺度和国家尺度上对
生态系统服务与人类福祉的关系进行了探讨,充分
说明了人类福祉对生态系统服务的依赖性,但这对
于区域尺度上消除贫穷、提高人类福祉以及生态系
统保育政策制定上的作用十分有限[11]。 因此,区域
尺度生态系统服务与人类福祉关系,以及如何将这
种关系应用于生态系统服务管理的研究显得尤为
迫切。
流域作为经济、资源和环境相互作用较强,整体
性相对突出的区域,在生态系统服务研究中逐渐得
到重视[12]。 密云水库是北京市城市供水的主要水
源,潮白河密云水库上游流域生态系统服务的变化
对密云水库的水量和水质具有重要影响,同样,流域
内河北地区与北京地区居民贫富差距较大,区域发
展不平衡[13鄄14]。 近年来,为提高密云水库的水量和
水质,在潮白河流域上游地区采取了一系列生态环
境保护措施,但针对流域生态系统服务功能空间特
征以及居民福祉的相关研究开展甚少,生态系统服
17摇 1期 摇 摇 摇 王大尚摇 等:密云水库上游流域生态系统服务功能空间特征及其与居民福祉的关系 摇
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务功能与区域福祉空间关系仍不明确[15]。 本文采
用 GIS技术和生态系统服务功能评估模型,在乡镇
尺度上刻画了流域水资源供给、土壤保持、水质净
化、以及产品供给服务和居民福祉空间格局,并在此
基础上初步探讨生态系统服务与居民福祉之间的空
间关系,不仅对建立长期、有效的基于居民福祉的生
态系统管理方法具有一定的理论与实践意义,同时
对该地区居民福祉的改善以及生态系统服务保育也
具有重要意义。
1摇 研究区概况
潮白河密云水库上游流域是指潮白河流域密云
水库所控制的部分,它位于北纬 40毅19忆—41毅38忆和东
经 115毅25忆—117毅35忆之间,流域面积为 15788 km2。
流域由潮、白河两大水系组成,地形西北高、东南低,
西北多以海拔 1000—2300 m 的中山为主,东南部多
低山、丘陵和少量平原河滩地。 流域属于暖温带季
风型大陆性半湿润半干旱气候,四季分明。 流域内
植被以原始次生林和人工林为主,天然次生林树种
以阔叶混交杂木林为主,人工林主要包括油松、侧
柏、刺槐和落叶松。
流域跨越北京市和河北省,其中北京市境内的
面积约为 3476.7 km2,分布在密云、怀柔和延庆 3 个
区县,占水库流域面积的 23.3%,河北省境内的面积
约为 11892 km2,分布在赤城县、丰宁满族自治县、滦
平县、兴隆县、沽源县和崇礼县等 6 个县。 处上游河
北地区的赤城、丰宁、滦平 3 县的农民人均收入分别
为 2645、2685、3258 元。 而同属于潮白河密云水库
上游的北京市怀柔区、密云县、延庆县的 2009 年农
民家庭平均每人年纯收入分别为 11012、 10682、
10470元,区域发展不均衡。
本文选取流域内 6 个主要县市共 56 个乡镇为
研究对象,其中河北省内共计 3 个县 41 个乡镇,北
京市内 3个县共 15 个乡镇,总面积 142.05伊104hm2,
占整个流域面积的 93.1%,如图 1所示。
图 1摇 密云水库流域水系与行政区划
Fig.1摇 Drainage basins and the administrative divisions of Miyun reservoir watershed
2摇 研究方法
2.1摇 数据来源及 InVEST模型简介
2.1.1摇 数据来源
本研究采用分辨率为 30 m的 2009年 Landsat TM
遥感影像,解译出了潮白河流域各种生态类型面积及
其空间分布,并利用野外采集的样点对解译的结果进
行了精度检验,分类精度达到 75%,可运用解译结果
进一步研究分析.径流和泥沙以及水环境数据来自北
京市水利科学研究所以及河北省水利科学研究院。
本研究中用到的其他基础数据来自各地县市的
统计资料。
2.1.2摇 InVEST模型简介
InVEST模型是在自然资本项目支持下,由美国
斯坦福大学、WWF 和 TNC 联合开发的生态系统服
务定量评估模型,该模型基于 GIS,能够在不同地理
27 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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尺度和社会经济尺度上展示生态系统服务功能的空
间变化以及生态系统服务权衡。 根据流域的实际情
况及研究目的,本研究选取了“产水量冶、“土壤保
持冶、“水质净化冶一共 3个子模块。
2.2摇 评价方法
2.2.1摇 水资源供给服务
摇 摇 在本研究中,水资源供给服务指一定区域内的
地表产水量,地表产水量的计算基于一个简化的水
文循环模型,忽略地下水的影响,由降雨量、蒸散量、
土壤深度、植物可利用水等众多参数综合决定,水量
越多,水资源供给服务就越好。 水资源供给服务通
过 InVEST模型的“产水量冶模块进行评估,土壤深度
在标准土壤图中获取,植物可利用水含量根据流域
土壤类型以及蔡燕等人[16]的研究结果得出。
Yij = (1 -
AETxj
Pxj
)·Pxj (1)
式中,Yxj为第 j土地利用类型栅格 x 的产水量;AETxj
为第 j土地利用类型栅格 x的年实际水分蒸散量;Pxj
为第 j类土地利用类型栅格 x的年降雨量。
通过 InVEST模型计算每个像元内的水资源供
给服务,然后在各乡镇范围内对各个像元水资源供
给量 Yij 求和,再除以乡镇面积即可得到各乡镇单位
面积水资源供给服务。 模型校验及运行结果参考李
屹峰的研究结果[17]。
2.2.2摇 土壤保持服务
土壤侵蚀定量估算过程中,利用遥感数据,获取
植被和土地利用信息,提取模型所需的植被和人为
措施因子,收集降雨资料和土壤数据,计算降雨侵蚀
力和土壤可蚀性因子,在通用土壤流失方程的框架
基础上建立区域土壤侵蚀模型,经过诸因子算式及
监测模型运算,逐个计算出各 30m伊30m像元的土壤
侵蚀模数,最终估算出整个区域以及各个乡镇的年
土壤侵蚀量以及土壤保持量. 模型所需参数有流域、
子流域、DEM、降雨侵蚀力、土壤可蚀力、生态系统类
型图、植被覆盖因子指数 C、管理因子指数 P,泥沙去
除效率 sedret_eff、流量累积阈值、坡度阈值。 降雨侵
蚀力根据公式(4)结合降雨量计算得出,土壤可蚀力
则采用周为峰和吴柄芳的研究结果[18]。 C 因子和 P
因子结合于兴修和于洋等人研究成果[19鄄20] 及
InVEST帮助文档汇总得出。 土壤保持系数表征地
表植被截留从上游迁移来的泥沙,结合流域的实际
情况,参考水文学者的意见,得出不同地类的土壤保
持系数大致范围,并根据模型调试的结果进行微调,
最终确定可行的土壤保持系数。 流量累积阈值默认
采取 1000,坡度阈值取 45。 模型校验及运行结果参
考李屹峰的研究结果[17]。
首先,采用通用水土流失方程进行评价:
USLEx = Rx·Kx·LSx·Cx·Px (2)
式中,USLEx表示像元 x 年土壤侵蚀量;Rx为降雨侵
蚀因子; Kx 为土壤可蚀性因子;LSx为坡长坡度因
子; Cx为植被覆盖因子;Px为管理因子.
单个像元潜在土壤保持量可以通过下述公式
估计:
Tx =Rx·Kx·LSx·(1-Cx·Px) (3)
然后对各乡镇范围内各个像元土壤保持量 Tx求
和,再除以乡镇面积即可得到各乡镇单位面积土壤
保持量:
Si =
移 nx = 1Tx
Ai
(4)
式中, Si表示乡镇 i的单位面积年土壤保持量, Ai表
示乡镇 i的总面积.
2.2.3摇 水质净化服务功能
本文所指的水质净化服务功能主要考虑各乡镇
植被对径流中氮元素的净化能力,由于各乡镇实际
净化污染物的数量受到该地区本身的污染排放量以
及上游径流的影响,本文采用乡镇内各像元平均 N
素输出负荷来评价各乡镇水质净化服务功能,像元
平均 N输出量越高,表明该乡镇的水质净化服务功
能越差。
首先计算每一个像元的养分持留量,再计算每
个像元的污染输出负荷,然后在乡镇的尺度上计算
所有像元的平均 N 输出负荷,再对该值取倒数以表
征该乡镇水质净化服务功能的高低.模型所需的参
数有:数字高程模型(DEM)、根系长度、植物蒸散系
数、产水量、土地利用图、氮输出负荷系数、植物滤除
效率、流量累积阈值。 根系长度参考 Canadell[21]、刘
钰等人[22]的研究结果及 InVEST 模型帮助手册汇总
整理得出;植物蒸散系数 ETK 参考吴元芝、张东
等[23鄄24]研究者的数据得出不同土地利用类型大致的
蒸散系数。 评估方法如下:
37摇 1期 摇 摇 摇 王大尚摇 等:密云水库上游流域生态系统服务功能空间特征及其与居民福祉的关系 摇
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WP x = 1 / ALVx
ALVx = HSSx·polx
HSSx =
姿x
姿W
姿x = log 移
U
Y( )
ì
î
í
ï
ï
ïï
ï
ï
ïï u
(5)
式中,WP x 是指栅格 x的水质净化服务功能,ALVx是
栅格 x 的污染负荷值, polx 是栅格 x 的输出系数,
HSSx 是水文敏感分值, 姿x 是栅格 x的径流系数, 姿W
是研究流域内的平均径流系数, 移
U
Yu 是栅格 x 及
最后汇入该栅格的所有上游栅格的总产水量。 模型
校验及运行结果参考李屹峰的研究结果[17]。
2.2.4摇 产品供给服务
由于资料所限及流域内实际产业情形,本研究
产品供给服务主要分为粮食产品供给服务、蔬菜产
品供给服务以及畜牧产品供给服务,并采用粮食作
物种植面积比例、单位面积蔬菜产量以及单位面积
肉蛋奶总价值分别表征流域内各乡镇的粮食产品供
给服务、蔬菜产品供给服务和畜牧产品供给服务,进
而对这几种供给服务的空间特征进行刻画。 其中肉
蛋奶价值采用 2009年当地各种肉类价值进行计算,
肉类主要计算猪肉、羊肉、牛肉和鸡肉,鸡蛋价格采
用 2009 年河北地区鸡蛋价格, 牛奶价格则采用
2009年河北省牛奶价格。
2.2.5摇 居民福祉指标
人类福祉是指个人在他们生活的文化氛围和拥
有的价值观范畴内对目前生活状态的多维评价,这
里将福祉与快乐、幸福、生活质量视为同义词[25鄄28] .
在生态学上,人类福祉包括过上良好生活所必须的
最低物质标准、自由和选择、健康和身体安康、良好
的社会关系、安全、心情舒畅以及精神体验等[4]。
国内外研究结果表明,国家或地区的富裕程度
与人们的幸福感水平之间存在着较强的正相关关系
“伊斯特林悖论冶也指出,在约 1.5 万美元的临界点
下方,人均收入的增加会明显提升人类福祉,而高于
这一临界点,幸福的提升则很有限,追求经济增长会
带来消极影响,如碳排放、环境恶化,会使人们不
幸福[29]。
研究区域大部分属于贫困地区或者低收入水平
地区,经济收入对他们的影响非常大,因此在本文
中,将以农民人均年纯收入这一指标评价区域居民
福祉。
3摇 结果与分析
3.1摇 生态系统服务与居民福祉空间特征
3.1.1摇 水资源供给服务
各乡镇的水资源供给服务的空间格局(图 2),
各乡镇单位面积水资源供给范围在 145.29—613郾 30
m3 / hm2,在整个流域范围内,水资源供给服务最好的
区域位于上游流域的赤城县和丰宁县。
3.1.2摇 土壤保持服务
各乡镇年土壤保持量的范围在 103—1073 kg /
hm2。 整个流域整体上的土壤保持服务功能从上游
到下游呈逐渐递增的趋势,上游地区以赤城和丰宁
二县的土壤保持功能较好,下游地区以密云县和怀
柔县的土壤保持服务功能较差。 流域内北京地区土
壤保持服务功能要好于河北地区土壤保持服务功能
(图 2)。
3.1.3摇 水质净化服务
本研究采用乡镇内各像元(30 m伊30 m)平均 N
素输出负荷来评价各乡镇水质净化服务功能,像元
平均 N输出量越高,表明该乡镇的水质净化服务功
能越差。 如图 2 所示,整个流域水质净化功能最好
的区域位于潮河流域和白河流域上游以及滦平县与
密云县交界处,这些区域植被覆盖度较好,水质净化
服务功能较强。 水质净化功能总体上在流域内呈现
逐渐递减的趋势。 水质污染主要来源于上游地区生
活生产产生的 N污染,并且由于上游地区人类活动,
改变了当地的植被覆盖,降低了地表覆盖物的水质
净化服务功能,因此水质净化功能与产品提供功能
具有密切的关系,如表 1所示,水质净化服务功能与
粮食作物面积、蔬菜产量以及肉蛋奶产量呈显著负
相关关系。
3.1.4摇 产品供给服务
粮食作物面积比例范围在 0.6%—23.1%之间,
蔬菜单位面积产量在 0—2715 kg / hm2,肉蛋奶按
2009 年价值进行核算,各乡镇肉蛋奶产值范围在
26—8523元 / hm2之间。 这 3种供给服务在流域内整
体格局大致相同,赤城县西部与丰宁县西部的产量
较高,而位于两县交界区域乡镇的产量较低,密云县
和滦平县西部产量较高而东部以及怀柔大部分地区
的产量较低(图 2)。 供给服务功能的空间格局也与
47 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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自然条件密切相关,潮河流域地势相对平坦,适于耕
种,因而潮河流域区域供给服务较好,且粮食作物、
蔬菜产量以及畜牧业产量呈现相同的空间格局,潮
河流域>白河流域>潮白河流域中间区域,即丰宁、滦
平以及密云县较好,赤城县次之,而怀柔县与延庆县
服务供给服务较差。
图 2摇 生态系统服务空间分布图
Fig.2摇 spatial distribution of ecosystem services
57摇 1期 摇 摇 摇 王大尚摇 等:密云水库上游流域生态系统服务功能空间特征及其与居民福祉的关系 摇
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3.1.5摇 居民福祉
流域内居民福祉的空间分布呈明显的区域特
征。 流域内北京区域各乡镇农民人均年纯收入范围
为 6408—10808 元,河北区域各乡镇农民人均年纯
收入范围为 667—3050 元,其中县居民福祉水平最
低,大部分乡镇人均纯收入低于 2009 年贫困县标准
1196元,而怀柔县大部分乡镇的农民福祉水平最高,
人均年纯收入达到 1万元左右(图 3)。
图 3摇 乡镇尺度居民福祉空间分布图
Fig.3摇 Spatial distribution of human wellbeing at township scale
3.2摇 生态系统服务相互空间关系
采用皮尔逊相关系数法对以上 6 种生态系统服
务进行相关性分析,结果表明:流域内水资源供给服
务与水质净化服务和土壤保持服务呈显著负相关,
又与粮食供给、蔬菜供给呈现极显著负相关关系,而
土壤保持功能则与以上 3种产品提供功能无显著相
关关系(表 1)。
3.3摇 生态系统服务与居民福祉关系模式
由于产品供给服务对居民福祉具有直接影响,
因此,本文将粮食产品供给服务、蔬菜产品供给服务
和畜牧产品供给服务划分为供给服务,将水质净化
服务和土壤保持服务则划分为调节服务,而水资源
供给服务与调节服务呈显著负相关(P<0.01)。 现将
供给服务和调节服务两类共 5 种生态系统服务变量
进行主成分分析,结果显示第一个主成分可以解释
43.7% 的变异,第二主成分可以解释 22.1%的变异,
其他的出成分解释的变异都小于 10%。 其中:
y1 = -0.751伊水质净化服务-0.390伊土壤保持服务+
0郾 721伊粮食产品供给服务 + 0.734伊蔬菜产量供
给服务 + 0.640伊肉类产量
y2 = 0.383伊水质净化服务+0.835伊土壤保持服务+
0郾 247伊粮食产品供给服务+0.347伊蔬菜产品供给
服务+0.282伊畜牧产品供给服务
如主成分分析所示,可以用这两个主成分来分
别表征产品供给服务和调节服务,以该 2 种主成分
以及居民福祉共 3 个变量进行聚类分析,以探讨居
民福祉和生态系统服务功能之间的关系。 聚类结果
如图 4。
如图 5所示,根据 56个乡镇在空间上的聚集状
态,将其划分为 3种聚集模式,并采用皮尔逊相关系
数法分别分析这 3种模式下生态系统服务与居民福
祉的相关关系(表 2)。 根据其特点命名为贫困区域
模式、供给服务依赖模式和北京区域模式。
(1)低服务低福祉模式
主要分布于流域上游,位于赤城县和丰宁县北
部以及滦平县东部乡镇,共 25 个乡镇。 这些区域供
给服务一般(接近平均值),水质净化服务服务很好
(远高于平均值)(图 5)。 水质净化服务与土壤保持
表 1摇 密云水库上游流域生态系统服务之间的相关系数
Table 1摇 Correlations between pairs of ecosystem services at watershed
生态系统服务
Ecosystem services
水资源
供给服务
Water
resources
水质净化
服务
Water
purification
土壤保持
服务
Soil
conservation
粮食生产
供给服务
Grain supply
畜牧产品
供给服务
Livestock
products
蔬菜产品供
给服务
Vegetable
products
水资源供给服务 Water resources 1
水质净化服务 Water purification -0.389** 1
土壤保持服务 Soil conservation -0.571** 0.004 1
粮食生产供给服务 Grain supply 0.242 -0.444** -0.157 1
畜牧产品供给 Livestock products -0.022 -0.258 0.027 0.583 1
蔬菜产品供给 Vegetable products 0.116 -0.366** -0.233 0.259 0.417** 1
摇 摇 ** 在 0.01水平(双侧)上显著相关; * 在 0.05水平(双侧)上显著相关
67 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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图 4摇 生态系统服务与居民福祉空间聚集
Fig. 4 摇 Spatial clustering of ecosystem services and
residents忆 well鄄being
服务正相关,与粮食产品供给服务负相关;福祉水平
很差,农民人均年纯收入范围为 574—1994 元,与蔬
菜产品供给服务呈显著正相关关系 ( P < 0. 05)
(表 2)。
(2)供给服务依赖模式
分布于滦平大部分乡镇、赤城东部和丰宁西部,
共 16个乡镇(图 5)。 这些乡镇产品供给服务较好
(高于平均值),水质净化服务较差,远低于流域整体
平均值,土壤保持服务一般,接近流域整体平均值
(图 5)。 福祉水平一般,农民人均年纯收入范围为
2200—3050元,福祉与畜牧产品供给服务以及蔬菜
产品供给服务呈显著正相关(P<0.05),与水质净化
服务呈显著负相关(P<0郾 01))(表 2)。
图 5摇 生态系统服务与福祉关系不同模式示意图及其空间位置
Fig.5摇 relationships between ecosystem services and human well鄄being in different patterns and its locations
77摇 1期 摇 摇 摇 王大尚摇 等:密云水库上游流域生态系统服务功能空间特征及其与居民福祉的关系 摇
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摇 摇 (3)高服务高福祉模式
分布于流域北京市境内,共 15 个乡镇,这些区
域土壤保持功能较好,远好于流域整体土壤保持服
务,水质净化功能与流域整体平均水平较接近,而供
给服务较差,远低于流域平均水平(图 5),水质净化
服务与产品供给服务呈显著负相关关系(P<0.01)
(表 2);福祉水平较好,农民年人均纯收入范围为
7250—10808元,与各种服务相关性不显著。
表 2摇 不同区域模式生态系统服务与居民福祉之间相关系数
Table 2摇 Correlations between pairs of ecosystem services in different regional patterns
生态系统服务与居民福祉关系模式
Relationship models between ecosystem
services and residents忆 well鄄being
生态系统服务与居民福祉
Ecosystem services and residents忆
well鄄being
粮食生产
供给服务
Water
purification
畜牧产品
供给服务
Soil
conservation
蔬菜产品
供给服务
Vegetable
products
居民福祉
Residents忆
well鄄being
低服务低福祉模式 水质净化服务 -0.515** 0.010 -0.307 0.062
Low well鄄being with low 土壤保持服务 0.205 0.282 0.124 0.058
ecosystem services 居民福祉 -0.124 0.241 0.396* 1
福祉依赖服务模式 水质净化服务 -0.446 -0.338 -0.413 -0.713**
A dependent pattern 土壤保持服务 -0.637* 0.325 -0.452 -0.204
居民福祉 0.147 0.549* 0.592* 1
高服务高福祉 水质净化服务 -0.473 -0.403 -0.540* -0.338
High well鄄being with high 土壤保持服务 -0.189 -0.302 -0.321 0.227
ecosystem services 居民福祉 -0.317 -0.359 -0.147 1
摇 摇 ** 在 0.01水平(双侧)上显著相关; * 在 0.05水平(双侧)上显著相关
3.4摇 生态系统服务与居民福祉关系模式管理建议
针对生态系统服务与居民福祉的 3 种关系模式
的特点,以及不同模式的分布区域自然地理条件,应
采用不同的管理措施,如表 3所示。
表 3摇 不同生态系统服务与福祉关系模式下管理措施
Table 3摇 Management measures under different ecosystem services and well鄄being relation patterns
生态系统服务与居民福祉关系模式
Relationship models between ecosystem
services and residents忆 well鄄being
主要分布区域
Main
distribution area
特点
Feature
建议管理措施
The recommendations of the
management measures
低服务低福祉
Low well鄄being with
low ecosystem
services
流域上游赤城,
丰宁东部,滦平
东部
1 福祉水平较差(574—1994元)
2 供给服务较差(低于平均值),土壤保
持服务较差(低于平均值),水质净化
服务与粮食供给服务显著负相关
3 生态环境脆弱:土壤沙化、水土流失、
干旱雨少等;实施了京津风沙源治理
工程
1 应考虑以生态补偿等措施提高该地区福
祉,同时保持良好调节服务,防止土壤沙
化、环境退化
2 依托位于北京市周边的地理优势、上风上
水的生态条件,发展观光旅游业
供给服务依赖模式
A dependent pattern
滦平大部分,赤
城东 部, 丰 宁
西部
1 福祉一般(2200—3050元),福祉与供
给服务显著正相关(P<0.01)
2 供给服务较好(高于平均值),水质净
化服务很差(低于平均值),土壤保持
服务一般(接近平均值)
3 生态环境脆弱,种植业产量波动大
实施生态保育措施过程中注重保持供给功
能的提供
1 逐步由粗放型经营方式向集约型生产方式
转变
2 坚持“两减两增冶工程
3 扩大饲草种植面积,走种草养畜的道路
4 农业增加植被覆盖率,主要包括造林、种草
和封山育林、育草
高服务高福祉
High well鄄being with high
ecosystem services
怀 柔, 密 云,
延庆
1 福祉水平较高
2 土壤保持服务、水质净化服务较好,
供给服务一般
3 山多地少,耕地不足,农业生产条件
先天不足
保持该区域的调节服务的同时增加居民福
祉:着重发展第三产业,努力发展以生态涵
养为依托的旅游产业
4摇 讨论
目前,国内学者对生态系统服务的研究主要集
中于特定区域或特定生态系统类型总的价值评价,
或者在全国尺度上对总的生态系统服务价值进行研
究[30鄄32]。 例如,方瑜等人对海河流域草原生态系统
87 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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服务的总价值进行了评估[30],陈龙等人则对澜沧江
流域的土壤保持服务进行了评估[31],石垚等人则对
全国范围内生态系统服务价值进行了核算,并在省
级尺度上分析了生态系统服务的空间格局[32]。 这
些研究对于生态系统服务价值的认识起到了重要作
用,充分说明了生态系统服务保育的重要意义,对我
国生态系统服务管理具有重大的推动作用。 但这些
研究对区域尺度上对多种生态系统服务空间格局的
研究较少,还难以满足区域尺度上生态系统管理的
需求。 本研究利用 InVEST模型,在乡镇尺度上定量
评价了密云水库上游流域土壤保持服务、水质净化
服务和水资源供给服务,并直观展现了 6 种生态系
统服务不同的空间特征,土壤保持服务从上游到下
游呈逐渐递增趋势,水质净化功能总体上在流域内
呈现逐渐递减的趋势,与粮食产品供给服务、蔬菜产
品供给服务以及畜牧产品供给服务的空间分布呈相
反的趋势(图 2),其中与粮食供给服务成显著负相
关关系(表 1)。 生态系统服务的空间特征分布及其
相互关系的研究有助于深入了解生态系统服务相互
作用机理,便于流域生态系统服务管理。
人类福祉与生态系统状态有着密不可分的关
系。 2005年千年生态系统评估明确了生态系统的状
况和变化与人类福祉之间的密切联系,提出评估生
态系统与人类福祉之间相互关系的框架,为多尺度
综合评估生态系统服务与人类福祉之间各组分的关
系提供了一系列方法,后续又启动了一项将知识转
化为行动的全球战略计划,提出了阻止和扭转生态
系统服务的下降趋势来改善人类福祉的愿景[4鄄5,33]。
目前国外研究者对于生态系统服务和人类福祉关系
研究主要集中在全球尺度和国家尺度上,提出了一
系列理念和方法[6鄄7,25]。 在国内,杨莉等[34]人探讨
了黄土高原生态系统服务变化对人类福祉的影响,
代光烁等人[35]则探讨了内蒙古草原生态系统服务
与人类福祉关系,潘影等人[36]则分析了宁夏固原市
生态保育对当地农民福祉的影响,这些研究充分说
明了当地生态系统服务对居民福祉的影响和以及居
民福祉对供给服务的依赖,但对于具体行政区域在
空间格局上提供的管理依据依然有限[37]。 本研究
则在乡镇尺度上探讨了 6种生态系统服务与人类福
祉的相互关系,虽然在流域整体范围内,生态系统服
务与居民福祉无显著相关性,根据生态系统服务和
居民福祉将区域划分了 3 种不同的模式:贫困区域
模式、供给服务依赖模式和北京区域模式。 其中供
给服务依赖模式中,供给服务水平最高,居民福祉与
供给服务的提供具有明显的相关性,说明了该模式
下居民福祉对供给服务的依赖性。 北京区域模式的
特点则表现为福祉高,调节服务好,而供给服务较差
的特点;贫困区域模式则表现为福祉差,供给服务
差,而水质净化服务较好的特点。 本文在分析了这 3
种生态系统服务与居民福祉的不同耦合模式,并探
讨了这种关系产生的地理和社会经济原因,这有助
于在乡镇行政管理尺度上制定针对性的生态管理
政策。
人类福祉是一个与人的生活状态、感知、情感等
联系紧密的一个复杂的多维度概念[26]。 鉴于人类
福祉的复杂性,Smith 等人[37]将人类福祉指标划分
为经济福祉、环境福祉和社会福祉;程国栋等人[27]
则将人类福祉指标采用经济、人文、资源和环境等方
面; Easterlin的研究表明,年人均纯收入低于 1.5 万
美元时,人类主观福祉与人均纯收入显著正相
关[29]。 由于数据的有限性和研究区域的社会经济
情况,与代光烁和潘影等人[35鄄36]相同,本研究采用经
济指标即农民人居纯收入作为居民福祉的代理指
标。 但是,人类福祉的多维性特征也要求我们在评
价居民福祉过程中,需要从多个角度考虑居民福祉,
避免过重强调经济福祉,而忽略健康和社会以及主
观福祉等方面的内容,使福祉评价内容和评价方法
更加科学,这还有待于在更多的案例中进一步研究。
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18摇 1期 摇 摇 摇 王大尚摇 等:密云水库上游流域生态系统服务功能空间特征及其与居民福祉的关系 摇
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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通讯地址院 员园园园愿缘 北京海淀区双清路 员愿号摇 电摇 摇 话院 渊园员园冤远圆怨源员园怨怨曰 远圆愿源猿猿远圆
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第 猿源卷摇 第 员期摇 渊圆园员源年 员月冤
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编摇 摇 辑摇 叶生态学报曳编辑部
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