周申蓓，黄媛媛，吕玲玲

(河海大学 商学院，江苏 南京 211100）

小浪底水利枢纽工程位于黄河中游峡谷出口,控制流域面积69.4万km2,集防洪、调沙、发电和灌溉等功能于一体,是黄河综合治理的控制性工程。工程的兴建和使用,一方面极大改善了黄河下游防洪形势,另一方面显著影响了黄河下游河岸带的开发和保护状态。已有研究评估了小浪底工程运行对黄河下游河道泥沙输送、生态环境、浮游生物及鱼类、农业景观、沿线湿地和河口保护等方面的影响。有研究显示,水库运行减少了黄河下游泥沙淤积,对生态环境产生了有利影响[1］。水库运行总体对黄河下游水生生物资源的数量和种类产生了不利影响,对河流生态功能服务的正面影响体现在资源开发和水质净化等方面[2-4］。目前的研究从不同方面评估了小浪底工程及人类活动对黄河下游生态环境的影响,但评估的整体性尚有不足。为此,以黄河河岸带为研究对象,将小浪底工程影响区域划分为库区上游100 km段、库区下游焦作—菏泽段、聊城—滨州段以及入海河口段4段,探讨小浪底工程建设和运营对上下游河岸带生态系统服务价值的影响,以期为黄河流域生态系统空间格局优化及可持续管理提供参考。

1 研究区概况

1.1 研究区地理位置

研究区为小浪底工程所在位置上游100 km处至黄河河口,共包括17个市。工程上游100 km以内河岸带位于山西省运城市,河南省三门峡市和洛阳市；工程下游河岸带位于河南省济源市、焦作市、郑州市、开封市、新乡市与濮阳市,山东省聊城市、泰安市、济南市、德州市、滨州市、淄博市与菏泽市；入海口位于山东省东营市。

1.2 小浪底工程基本情况

小浪底水利枢纽工程坐落于河南省孟津县与济源市交界,位于三门峡水利枢纽下游130 km、洛阳市以北40 km的黄河干流,是黄河干流三门峡以下唯一能取得较大库容的控制性工程。小浪底工程于1991年4月开工,2001年12月主体工程完工,2002年正式投入运营。小浪底水库正常蓄水位275 m,死水位230 m,设计洪水位274 m,校核洪水位275 m,总库容126.5亿m3。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

小浪底工程建设并使用至今共30余a,本文土地利用数据取自中国科学院资源环境科学与数据中心中国陆地生态系统宏观结构数据中1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年及2020年7期分辨率为1 km的遥感监测数据。上述数据覆盖了小浪底工程建设前、建设中和建成后运营期不同阶段。根据《土地利用现状分类》(GB/T21010—2017)及小浪底工程影响区域实际情况,将土地利用类型划分为农田、林地、草地、水域、湿地和建设用地6类。研究区的社会发展、经济等数据来源于《中国统计年鉴》《中国环境年鉴》《全国农产品成本收益资料汇编》《中国环境统计年鉴》等。

2.2 研究方法

2.2.1 河岸带范围确定

河岸带包括非永久被淹没的河床与周围新生的和残余的洪泛平原,是受水陆相互作用的地区,其范围的确定受河流径流量、土壤以及其他自然环境影响。苏晨等[5］研究表明,小浪底工程运行20 a后,黄河下游影响带宽度为5～25 km,以新乡—开封一带最宽,黄河入海口处最窄,分别约25、5 km。考虑研究区空间跨度以及各省市土地利用情况等,河岸带影响区域为河流两岸向外扩展10 km,即研究区包括河流及其河岸带,总宽度接近25 km。研究时期为1990—2020年,其中1990年为工程建设前的初始状态,1995年、2000年为工程建设期,2005年、2010年为工程运营前期,2015年、2020年为工程运营后期。期间研究范围保持一致,其中工程上游研究范围按库区蓄水后的水面及其河岸带面积界定,总面积为2561 km2。

2.2.2 河岸带生态系统服务价值评估

基于研究区土地利用实际情况,将河岸带土地利用类型分为建设用地和非建设用地,其中非建设用地包括农田、林地、草地、水域、湿地。建设用地生态系统服务价值采用替代成本法和防治成本法进行评估,非建设用地生态系统服务价值采用价值当量进行评估。

(1)非建设用地生态系统服务价值评估。参照谢高地等[6-8］修订的基准年2010年全国单位面积生态系统服务价值当量因子表,根据河岸带生态系统特征及当地经济社会系统实际情况,考虑产量和经济因素,对非建设用地生态系统服务价值当量进行修正。

产量因素修正系数:

式中:α为农田生态系统服务当量因子修正系数；σt为t时期研究区单位面积粮食产量；σ为t时期全国单位面积粮食产量。

根据支付意愿,结合不同时期研究区城镇化水平构建社会发展因子调整模型进行经济因素修正。

式中:lt为研究区社会发展系数；l为全国社会发展系数；l0为极富社会发展阶段的支付意愿,取值为1；h为t时期研究区城镇化水平；H为t时期全国城镇化水平；β为t时期研究区支付意愿系数；En为t时期研究区恩格尔系数。

考虑价格变动因素,以2010年为基准年,采用可比价格计算农田生态系统单位面积食物生产服务价值,具体计算公式:

式中:Di为第i年研究区1个标准当量因子的生态系统服务价值,元/hm2；Sri、Swi、Sci、Sbi分别为第i年研究区稻谷、小麦、玉米和大豆的播种面积占4种作物播种总面积的百分比,%；Fi为第i年研究区粮食的单位面积可比现金纯收益,可分为Fri、Fwi、Fci和Fbi,分别为第i年研究区稻谷、小麦、玉米和大豆的单位面积可比现金纯收益,元/hm2；Pi为第i年研究区稻谷、小麦、玉米和大豆的当年现金纯收益,元/kg；APIi为第i年稻谷、小麦、玉米和大豆的生产价格指数；r为某类农产品可比价格指数；i10为2010年。

采用修正后的各省(区)当年单位面积生态系统服务价值当量因子表,计算非建设用地生态系统服务价值。

式中:ESVki为i时期k类生态系统服务价值；ESVie为i时期研究区非建设用地生态系统服务价值；rki为i时期修正后的研究区k类生态系统服务标准当量因子；A为k类生态系统土地利用面积。

(2)建设用地生态系统服务价值评估。河岸带建设用地指因人类活动而实际被占用的土地,其内的少量水域或绿地因没有形成完整的生态功能而忽略不计。建设用地生活或生产活动废弃物及有害物质的排放往往对生态系统服务价值产生较强的负面影响,影响主要体现在气体调节、水文调节和土壤保持三方面。水文调节价值采用替代成本法评估,气体调节和土壤保持价值采用防治成本法评估,计算公式为

式中:Pg为建设用地气体调节的单位面积生态系统服务价值；Qg为废气排放量；Cg为废气排污费单价；Sc为建设用地总面积；Pw为建设用地水文调节的单位面积生态系统服务价值；Qw为废水排放量；Cw为废水排污费单价；Pl为建设用地土壤保持的单位面积生态系统服务价值；Ql为固体废弃物的排放量；Cl为固体废弃物的排污费单价；ESVif为i时期建设用地生态系统服务价值。

研究区生态系统服务总价值即非建设用地生态系统服务价值和建设用地生态系统服务价值之和。

3 结果分析

3.1 研究区土地利用面积变化

典型河岸带土地利用变化情况见图1。在小浪底工程建设期及运营期,各类土地利用面积稍有变化。

图1 典型河岸带土地利用类型

(1)工程建设期农田、草地面积增大,但工程建设期及运营期总体呈下降趋势。农田面积下降反映了研究区工业化及城镇化发展与农田生态系统之间的土地流转关系。河口段农田面积显著减小,可能是小浪底工程建设导致水沙条件变化所致[9-10］。草地面积总体减小,2010年以后随着环保意识的提高及土地管控政策趋严,草地面积变化不大[11-12］。

(2)水域面积变化符合大型水利工程建设规律[13-14］。工程建设期水域面积呈减小趋势,其中1990—1995年减小速度最快；工程竣工后水域面积呈增大趋势,2000年以后水域面积变化不大。

(3)库区下游段建设用地面积逐渐增大,小浪底工程建设推动了下游沿岸行政区的社会发展。小浪底工程建设后,洪涝风险进一步降低,城镇居民点及工矿用地、交通运输用地及水利设施用地面积增大,研究区建设用地面积呈稳步增大趋势,2000年至2020年建设用地面积总体增加了857 km2,面积占比增加了4.14%。

(4)林地面积保持稳定。黄河流域下游林地面积占比较小,1990—2020年共增加了12 km2,处于较稳定状态,说明林地保护效果较好。

(5)湿地面积呈下降趋势。河口区人类活动强度不断增大,使得天然湿地面积减小,湿地系统结构失调[15］。

3.2 研究区单位面积生态系统服务价值

在工程运营前期,研究区单位面积生态系统服务价值呈增大趋势,其中水域生态系统单位面积生态系统服务价值增幅最明显。工程运营后期,研究区单位面积生态系统服务价值减小,原因主要是非建设用地生态系统产生的正向影响增幅不大,建设用地面积增加对生态系统产生的负面影响陡增。典型年研究区单位面积生态系统服务价值见表1。

3.3 各河段生态系统服务总价值

库区上游河岸带建设期生态系统服务总价值呈上升趋势,运营前期生态系统服务价值增长幅度较大,见表2。相对于2000年,2010年上游河岸带生态系统服务价值增长率为303%。运营后期库区河岸带生态系统服务总价值下降,主要是小浪底工程上游土地开发强度增大。

表1 典型年研究区单位面积生态系统服务价值 千元/hm2

表2 库区上游河岸带生态系统服务价值 百万元

焦作—菏泽段河岸带生态系统服务价值增长幅度与河岸带距离小浪底工程所在位置正相关。不同于一般工程影响区域主要在工程紧邻下游范围,小浪底调水调沙将黄河下游主河槽过流能力提高到4000 m3/s,对黄河下游生态系统服务价值提升具有显著促进作用,见表3、表4。这种促进作用在工程运营前期表现尤为突出,与2000年相比,2010年库区下游焦作—菏泽段河岸带生态系统服务总价值增长率为208%,库区下游聊城—滨州段增长率为350%。

表3 库区下游（焦作—菏泽段）生态系统服务价值 百万元

表4 库区下游（聊城—滨州段）生态系统服务价值 百万元

小浪底工程运营对河口段河岸带产生了显著影响,见表5。2000—2010年河口段生态系统服务价值快速增大,与2000年相比,2005年河口段生态系统服务价值增长率为138%；2015年河口段生态系统服务价值下降,小浪底工程后续调水调沙动力不足[16-17］导致此时期草地、水域等面积下降。

表5 河口段生态系统服务价值 百万元

研究区生态系统服务总价值30余a呈波浪变化趋势,共增加了64199万元,见表6。小浪底工程运营前期研究区生态系统服务价值增大,运营后期小浪底工程调水调沙动力下降和人类活动导致研究区生态系统服务价值下降,说明小浪底工程运营前期,工程建设对研究区生态系统服务价值产生了较大正向影响,工程运营后期沿岸土地开发强度增大导致工程产生的正向影响被削弱。

表6 研究区生态系统服务总价值 百万元

4 结论

采用当量因子法利用遥感监测数据对黄河小浪底工程建设前后30余a库区及黄河下游两岸各10 km岸线的生态系统服务价值进行了核算,得出以下结论。

(1)小浪底工程建设期河岸带农田和草地面积减小,但总体呈下降趋势,研究区生态系统服务总价值呈增大趋势,说明工程建设对河岸带生态系统产生的负面影响不大。

(2)工程运营前期,小浪底工程对生态系统产生了较大的正向影响,研究区生态系统服务价值增大。其中,小浪底工程对库区上游河岸带生态系统服务价值产生的正向影响最大,对下游的影响程度与河岸带和小浪底工程的距离正相关,主要原因是调水调沙提高了黄河下游主河漕过流能力,对下游生态系统恢复具有正向影响。

(3)工程运营后期,研究区两岸人类活动的负面影响削弱了小浪底工程对生态系统服务价值的正向影响。小浪底工程建设保障了下游防洪安全,也刺激了研究区开发,进而使得黄河生态压力增大。聊城—滨州段、河口段人类活动对生态系统服务价值的负面影响尤为显著。