生态系统服务流对水资源水平生态补偿标准的影响 -以东江湖流域为例外文翻译资料

 2022-02-28 22:55:35

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生态系统服务流对水资源水平生态补偿标准的影响

-以东江湖流域为例

徐杰1，2，肖宇1，2，谢高第1，2，江远3

(请参见中国科学院地理科学与自然资源研究所，北京100101；中国科学院资源环境学院，北京100049；北京师范大学地理科学学院，北京100875）

摘要：供水服务(WSS)对于区域水平衡和水循环至关重要，但相关研究尚未确定WSS与人类福祉之间的关系。这项研究从生态系统服务流的角度确定了受益于WSS的领域的范围。此外，还对WSS的流量路径和流量进行了模拟，为生态系统服务管理和生态补偿提供了科学的理论依据。东江湖流域是我国的国家重点流域，水资源生态补偿试点项目是该流域的重中之重。东江流域总供水量先增加后减少，1995、2000、2005和2010年平均净供水量为1096-1500毫米。服务受益地区的用水量每年都在增加，从387毫米到580毫米不等。总体上，东江湖流域满足了下游实际SBAs的净需水量，但供需缺口逐渐显现。该研究为研究水资源的供给、需求和流动机制提供了理论依据，也为生态系统服务管理和生态补偿提供了科学的理论依据。

关键词：生态系统服务流；供水服务；东江流域；时空格局；水平生态补偿

引文：许杰，肖宇，谢高笛，江源，2019年。生态系统服务流对水资源水平生态补偿标准的影响-以东江湖流域为例“中国地理科学”，29(2)：214-230。https://doi.org/10.1007/s11769-019-1025-3

1 引言

生态系统服务功能(Ess)作为生态学研究的热点之一，与人类福祉有着重要的关系。ESS的空间流可以用来对ESS进行定量和时空分析，并通过模拟供给和消费之间的路径来定义ESS与人类福利之间的空间、定量关系。这些方法可以改进ESS的权重和管理(Turner等人，2007年；Bagstad等人，2013年a；2013年b；Serna-Chavez等人，2014年)

然而，ESS流可能会导致供需之间的时空不匹配。也就是说，并非所有ESS都可以就地使用。时空错配在以下情况下可能发生：1)非近端服务，如气候调节；2)定向服务，如供水；3)全方位服务，如授粉；4)与用户移动有关的服务，如审美服务(Costanza，2008年；Fisher等人，2009年)。这些ESS是在服务以各种形式从供应领域流向需求区域以满足人类需求后创建的。供需领域之间的联系对于确定ESS具有重要意义(Syrbe和Walz，2012年)。因此，对ESS流程的研究应从以下几个方面进行：1) ESS的供给，2) ESS的消费，3) ESS的供给与消费之间的关系。

对无害环境服务供应的研究涉及各种类型的服务，包括粮食生产(Bryan等人，2011年)、供水(CSIRO，2008年)、洪水调节(Schulp等人，2012年)、水文调节(LaTerra等人，2012年)和防止侵蚀(Gascoigne等人，2011年)。然而，大多数研究侧重于ESS供应的空间布局，只有少数研究侧重于社会和经济分析，因此往往忽略了政策目标(Schauml;gner等人，2013年)。ESS消费是在特定时期和特定地区消费的生态系统产品和服务的组合(Burkhard等人，2012年)。最近，更多的研究侧重于空间数据的联系，特别是基于空间可视化方法的空间数据的供需平衡以及相关的时空变化(Schrouml;ter等人，2012年；Palomo等人，2013年；Schrouml;ter等人，2014年；Palacios-Agundez等人，2015年；Baroacute;等人，2016年)。然而，这些研究没有对ESS流的时空路径进行动态描述或跟踪，也没有在ESS的供给、需求和连接之间建立起很好的反馈关系。特纳,等人(2007)通过测量全球ESS价值，建立了人类获取利益流的空间模型。这项研究是空间流动模拟研究的重要进展。此外，无害环境服务流动的概念已变得越来越流行，其重点是无害环境服务流动与人类福祉之间的关系(Villamagna等人，2013年；Felipe-Lucia等人，2015年)。对ESS流模拟模型的改进，极大地拓展了ESS流的研究。佛蒙特大学的生态系统服务人工智能(ARIES)研究确定和量化生态系统服务的来源(供给)和汇(需求)。此外，确定了服务流的具体路径及其生物物理特征(Bagstad等人，2014年；Zank等人，2016年)，以填补ESS流研究系统方法的空白。然而，ARIES使用的是概率模型，而不是确定性模型。

水的供给是一种典型的生态系统服务，存在着空间上的供需错位。大多数水资源问题都与供需不平衡有关，即供水服务的空间流动缓慢或不合理。目前，水的供需评估模型和工具涵盖了不同的时空尺度。这些工具包括水文(Duku等人，2015年；Schmalz等人，2016年；Francesconi等人，2016年)、水足迹理论(Hoekstra等人，2009年；Gao等人(2014年)和ESS模型(Jordan-Capdevila等人，2016年)强调了WSSs流与其受益者之间的空间关系(Schirpke等人，2014年；Vrebos等人，2015年；Karablut等人，2016年)。许多模型是以水资源在不同部门间的利用和分配为基础的，大多数模型是基于行政尺度，而不是流域尺度上的产水量物理过程。事实上，水的供应依赖于流域尺度上的功能连接。在生态系统服务功能综合评价与权衡(INVEST)模型的产水量模块中，根据水量平衡的概念确定流域内各网格的径流量。许多研究为制定管理政策提供了参考，方法是评估不同气候和土地利用情景下的WSS和分析空间格局(Marqueegrave;s等人，2013年；Bangash等人，2013年)。为实现区域水资源的可持续利用，必须建立合理、科学的水资源生态补偿标准。然而，将生态系统的流量与生态补偿联系起来，更合理地将生态系统与人类福利联系起来的研究还很少。

东江流域是湖南省重要的饮用水源，是湘江不可缺少的生态水源。该湖是国家禁止开发的区域，被列为国家重点流域和生态系统。该湖是国家禁止开发的地区，被列入国家优先河流流域和有关水资源的生态补偿试点方案。作为衡阳和长株潭城市群的第二水源，也是湖南罕见的大型优质水源，来自五市(长沙、株洲、湘潭、衡阳和郴州)及其13个县的1.3times;107人受益于这一系统。东江流域的径流对湘江流域的用水保障和整个流域的生态安全具有重要意义。目前湖南省已在湘江流域实施了临时生态措施(用水奖惩)，但补偿效果不明显，补偿资金使用标准不合理。为此，我们利用水土评价工具(SWAT)和地理信息系统(GIS)投资模型，对东江湖流域水资源的流动进行了分析。本研究的目的是：(1)建立水资源供需时空路径；(2)分析水资源供需时空格局；(3)探讨水资源空间流动结果在东江湖流域生态补偿机制中的应用。

2材料和方法

2.1研究区域

2.1.1服务提供区(SPA)-东江湖流域

东江湖流域(113°11lsquo;54“E-114°3rsquo;25”E，25°22lsquo;33“N-26°9rsquo;50”N)位于湖南省资兴市南部。盆地由东部高于西部的中低山组成。此外，盆地面积为4648.53平方公里，包括24个子盆地(图1)。海拔在海拔180.0-1691.0米之间。该地区受典型的中亚热带季风湿润气候影响，年平均降水量为1645毫米。年平均实际蒸发量为15 15 mm，温度范围为13 7℃~18 7℃。该地区大部分为林地，主要是常绿阔叶林。流域水资源发源于雷水河，流向湘江。从那里，水流经洞庭湖流入长江。

2.1.2下游的服务受益区

从水资源系统中受益的区域的划分应考虑水资源管理的自然汇流和行政划分。东江流域是湘江水系的一部分，全年水质均达到饮用水标准，即国家地表水一级标准。东江水库是湘江流域蓄水量最大的水库，占湘江总库容的27.4%。近年来，受全球变暖、降雨量低和上游地区耗水量大的影响，湘江在旱季干涸，现在长沙、株洲和湘潭出现缺水现象已司空见惯(姚，2010)。为了解决供水问题，自2000年以来，几乎每年都从东江水库向湘江供水。根据资兴市环保局提供的“东江湖保护白皮书”，2003、2008、2009年的补水量分别为2.25times;109、0.85times;109和0.90times;109m3。最重要的是，只有当湘江流域缺水时，才考虑从东江流域到湘江下游的补水。根据WSS的上下游关系和可达性，确定了SBA的子流域为东江湖流域WSS最有利的区域(图1B)。根据流域的发展规划，与行政边界有关的南部非洲联盟的边界包括5个地级市和13个县(图1A)。对于其他五个地级城市，如果城市区域位于受益子流域内，则该城市被视为受益区域。对于13个州，受惠子流域边界被视为SBAS。最后，对SBAS的空间范围进行了识别。这一范围覆盖面积为11 904.8平方公里，并根据次级流域和南部非洲自治州行政区划的交集划分为34个单元(图1C)。

图1东江湖流域位置及东江湖流域供水服务提供区域和服务受惠区划分：(a)东江湖流域供水服务受益地区的行政边界和单位;(b)受惠区的子流域与受惠区的行政单位之间的空间关系；(c)东江湖流域供水服务受益单位的划分，这是通过(b)中“红色大纲”中的受益地区行政单位与(b)中“蓝色大纲”中受益地区的子流域的交点得出的；(d)东江湖流域的子流域划分。①望城区；②长沙市；③长沙县；④湘潭市；⑤湘潭县；⑥株洲市；⑦株洲县；⑧衡山县；⑨南越区；⑩衡东县；11衡阳市；12衡南县；13溧阳市；14永兴县；15郴州市；16资兴市；17桂东县；18汝城县。黑色和红色的阿拉伯数字分别表示图1c中的SBA码和图1d中的SPA码。

2.2供水服务空间流动的分析框架

在这项研究中，我们调查了从东江湖流域的温泉到下游的SBAS的WSSs的流动情况。除了实际的蒸散量和当地居民的消耗量外，温泉中的水沿着河流汇入东江湖。只有供水量大于耗水量的地区才被视为实际温泉(图2A)。东江水库位于东江湖流域的末端，控制着沿雷水河向下游SBAs的流出(图2B)。只有那些供水量低于耗水量的地区才被视为实际的SBAS(图2C)。

图2 东江水库位于东江湖流域的末端，控制着沿雷水河向下游SBAs的流出(图2B)。图2供水服务(WSS)流量分析框架：(A)WSS的供水侧；(B)东江湖水库；(C)WSS的水需求侧。蓝色椭圆形中的数字代表温泉的上游和下游关系，上游的数字较小。橙色椭圆形中的数字代表上下游关系或其中心与SBA主流之间的距离，较小的中心对WSS具有更高的访问优先级。包括所有箭头在内的流动路径的厚度表示水量。

2.2.1确定实际提供服务的地区和供水量

根据各子流域的净供水量，确定了东江湖流域生态系统的实际供水量。东江湖流域净供水可视为东江湖流域最大的外部供水潜力。下游实际供水量由东江水库根据下游需水量确定。每个像素上的净供水(NSPI)定义如下：

其中Ypi是水疗中心像素I的年平均产水量，CPI是水疗中心像素i的年平均用水量。我们在INVEST中使用水产量模块(Budyko，1974)，根据方程(2)-(6)计算供水：其中，Yji是土地覆被类型j的像素i上的平均年供水量；Pi是年平均降水量。Wi是表征i象素上自然气候-土壤性质的无量纲非物理参数，Rji是i象素上的布迪科干旱指数，j上是i上的布迪科干旱指数，j上是i上的年平均实际蒸散量，Rji是i上表征自然气候-土壤性质的无量纲非物理参数，K(或ETK)是根据作物不同发育阶段的蒸散量ET0与参考蒸散量ET0之比确定的作物因子，可从联合国粮食及农业组织(FAO)获得；Z是张系数(季节因子)，它反映了当地的降水模式和附加的水文地质特征(Zhang等人，2001年)，应根据模拟的产水量和模型验证中的年径流观测值加以调整；AWCi是通过计算土壤-植物-空气-水(Spaw)模型中两个土层的加权平均值得到的像素I上的植物有效含水量(Mm)；

首先，确定多年平均降水量和参考蒸散量。然后，我们使用ANUSPLIN4.4进行空间插值，生成四个时段的空间网格降水和ET0数据(Marqueı́nez等人，2003；Huntchinson等人，2013年)。其次，基于Spaw模型对AWC进行了计算。生物物理参数可用于确定土地覆被类型的特性，包括土地覆被代码、最大根系深度（Canadell等人，1996年）和蒸散系数。

我们根据每种土地利用类型的人口和消费用途估算了对水的需求(Gao等人，2014年)。消费类型包括农业、动物、工业和住宅用水：

其中AGJI、ANJI、IJI和HJI分别是与农业灌溉、畜牧、工业和居民消费相关的水量，分别位于j型土地覆被的像素i上。Nmji表示土地覆被类型j的像素i上的作物类型m的面积。WNmji使用粮农组织的作物水分模型(http/www.fao.org/land-water/databasesand-Software/cropwat/en/)在土地覆被类型j(表1)的像素i上表示同一作物类型m的单位面积灌溉量(见表1)，计算时使用的是粮农组织的作物水分模型(http/www.fao.org/la

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