基于河道內流量的河流生態系統服務價值評價模型研究

張代青，沈春穎，于國榮

(昆明理工大學電力工程學院，云南 昆明 650500)

過去，人類不重視河流生態系統服務，不合理開發利用河流水資源[1-4]，導致許多河流過度開發[5]，出現缺水斷流、水質污染、河道萎縮和生物多樣性破壞等生態系統服務功能破壞現象[6-7]，嚴重影響河流淡水資源供給、物質生產、生態支持、生態調節和文化娛樂等服務功能，制約了社會經濟的發展，并危及河流自身的健康。因此，重新認識和深入探討河流生態系統服務價值評價，對正確處理河流水資源開發和保護的關系，有效維護河流生態系統健康，促進人與河流和諧發展等具有重要意義。

針對河流生態系統服務價值評價已有一些研究[8-10]，但都未考慮河道內流量變化對河流生態系統服務價值的影響，而是直接應用價值量評價法進行簡單估算，評價結果難以有效。實際上，河流生態系統是以河流為主體的流水型復合生態系統，河道內流量是形成河流的第一要素，是河流生態系統內部物質和能量輸送的主要工具，是全球水循環不可或缺的重要組成部分，具有調節、支持和改善全球生態環境，提供人類水資源，生產水產品等多種服務功能[9]，其服務功能的效用價值即為河流生態系統服務價值。河流生態系統服務價值在數值上等于各分類河流生態系統服務功能的效用價值之和，大小取決于河道內流量及其變化情勢，直接影響河流生態系統健康，因此河道內流量及其變化對河流生態系統服務價值的影響是直接的、持續的和不可忽視的，不考慮河道內流量的影響而評價河流生態系統服務價值，既不客觀，也不實際。

為此，本文從分析河道內流量的基本概念和生態系統服務效應入手，通過探討河流生態系統的主要特征、服務功能(價值)及其類型，基于河道內流量建立河流生態系統服務價值評價模型，介紹模型的價值量評價方法，以揭示河流生態系統服務價值與河道內流量的復雜函數關系，探索河流生態系統服務價值有效評價和河流水資源開發利用的新技術、新方法，為保護河流水環境、利用河流水資源和維護河流生態健康等提供決策支持和技術支撐。

1 河道內流量及其生態系統服務效應

1.1 河道內流量的生態系統服務功效

河流是地表淡水資源的重要載體，河道內流量是單位時間內通過河道過水斷面的水量，是形成河流的第一要素[11]，來源于降水、湖泊及地下水等多種水源，受氣候、下墊面及人類活動等多因素影響，年際及年內變化具有隨機性和周期性。河流在形成過程中不斷改變著與河流有關的自然環境，與形成河流本身的自然環境相互影響、密不可分。如若流域的地形、地勢、面積及河流的位置發生改變，河流流程和流向會受到影響；若河道內流量減小，會降低河流生態系統的服務功能，導致社會經濟供水缺乏，河流生態系統服務價值受損。因此，河道內流量既是形成河流的第一要素，是反映河流水文特征的重要因素，也是維持河流生態系統服務功能的主要因子，是決定河流生態系統服務價值的重要指標，具有較高的生態系統服務功效。

1.2 河道內流量的生態系統服務效應

在河流生態系統中，不同生物對河道內的水流速度、水位高低、來水時間等要求各不相同，因此河道內流量在時空上的快慢、深淺、陡緩等變化，直接影響生物是否可以生存或繼續生存在某特定河段水環境的能力，影響河流生態系統中大量物種的局部和總體分布，其長期作用將制約河流生態系統物種的分布、繁衍和數量，決定河流生態系統的構成、特征和功能，影響河流生態系統的服務功效。河道內流量的生態系統服務效應包括物質生產效應、生態支持效應、生態調節效應、社會經濟供水效應和休閑娛樂效應等5類，且對應不同河流水情，河道內流量變化產生的生態系統服務效應各不相同。

a. 在河道內流量大于適宜生態徑流的豐水期：①如果河道內流量減小，依賴于水流變動的物種將受到較大影響，進而導致水生生物多樣性減少，生態系統完整性破壞，河道內流量的生態系統服務效應降低；②如果河道內流量增加，河道-漫灘系統的水力聯系將增強，驅使水-陸生物種群間物質循環和能量交換加速，生物群落多樣性增加，河道內流量的生態系統服務效應提高；③如果河道內流量增加到汛期洪水流量，洪水脈沖反而會破壞河道-漫灘生物，降低河道內流量的生態系統服務效應。

b. 在河道內流量接近適宜生態徑流的平水期：①如果河道內流量減小，河流水文連接度將下降，多樣化的流速水域會減少，河道-漫灘間的水力聯系減弱，子生態系統間的物質和能量交換減緩，生物群落遷徙慢慢終止，導致生物多樣性減少，河道內流量的生態系統服務效應降低，河流生態系統服務價值受損；②如果河道內流量增加，水文連接度將達到豐水狀態，河道內流量的生態系統服務效應及服務價值都將增加。

c. 在河道內流量較小的枯水期：①如果河道內流量減小，河道內水位將持續下降，急流帶不復存在，滯水帶變為河漫灘，甚至出現斷流，河岸帶向河床延伸，水文連接度嚴重下降，物質和能量交換幾乎終止，生物多樣性嚴重降低，生態系統的完整性缺失，河道內流量的生態系統服務效應可能喪失；②如果河道內流量增加，水文連接度又將恢復到平水狀態，河道內流量的生態系統服務效應提高，河流生態系統的服務價值增加。

2 河流生態系統及其服務價值

2.1 河流生態系統及主要特征

河流生態系統是以河流為主體的水生態系統，從源頭延伸到河口，包括沿途河岸帶，河道及與之相連的水庫、湖泊及濕地，河口及相連的近海淡水區域，以及與河流系統相關的地下水環境等[9]。在河流生態系統中，河流水體與巖土發生作用，形成各種河床地貌；水流與河床構成水生生物賴以生存的空間；水流連續性為與河流相關的水庫、濕地和沼澤具有良好的生態環境提供保障，為生物生存提供基本條件。河流生態系統由不同類型的小型生態系統組成，具有縱向成帶性、生物群落與生態環境相互統一、受干擾后自我修復能力強等主要特征。河流生態系統中，河道內流量的持續性維持著河流生態系統的連通性、充足的溶解氧、較強的自凈能力和較快的恢復速度，是保證河流生態系統健康之命脈。

2.2 河流生態系統服務功能及服務價值

河流生態系統屬于水生態系統，根據水生態系統服務功能的概念[12-13]，河流生態系統服務功能定義為河流生態系統與河流生態過程所形成及所維持的人類社會賴以生存的自然環境條件與效用[9，13]，包括對人類生存和生活質量有貢獻的河流生態系統產品和河流生態系統功能[13]。前者是指提供淡水資源、水力發電、漁業水產品和其他植物類物質產品等；后者是指提供貯存水資源、吸收與循環營養、提供生態環境、維持生物多樣性、調蓄洪水、凈化水質和空氣、輸送泥沙和文化娛樂等多種服務功能，兩者可概括為淡水供給、物質生產、生態支持、生態調節和文化娛樂等5個方面。

河流生態系統服務價值就是河流生態系統服務功能的效用價值，包括對人類生存和生活質量有貢獻的河流生態系統產品的效用價值和河流生態系統各分項服務功能的效用價值，也包括淡水供給、物質生產、生態支持、生態調節和文化娛樂等5個方面。河流生態系統各分項服務價值都與其生態系統服務功能一一對應，因此河流生態系統服務價值的類型劃分與河流生態系統服務功能完全相同。為了量化分析河流生態系統服務功能(價值)，結合河流生態系統的結構組成、功能特征和生態效用[9-10，14]，將河流生態系統服務功能(價值)一級分類為5大類，二級分類為16小類，如表1所示。

表1 河流生態系統服務價值的價值量評價方法

3 河流生態系統服務價值評價

河流生態系統健康與否和河流生態系統服務價值的多少主要取決于河道內流量的大小及其閾值變化。以河道內流量為主要量化指標建立河流生態系統服務價值評價模型，可以客觀有效地評價河流生態系統服務價值。

3.1 河流生態系統服務價值評價模型

3.1.1淡水供給服務價值評價模型

河流的淡水供給服務價值為社會經濟(包括城鄉生活、農業灌溉和工業生產等)、水力發電、河道航運和生態環境等4類淡水供給服務價值之和，評價模型為

VWS=VUR+VIR+VIN+VHP+VSH+VSE

(1)

式中：VWS為淡水供給服務價值；VUR、VIR和VIN分別為河流對城鄉生活、農業灌溉和工業生產等的供水服務價值，根據城鄉生活、農業灌溉和工業生產等的河流實際供水流量與對應水價計算；VHP為水力發電供水服務價值，根據提供的河流水力發電量與對應電價計算；VSH為河道航運供水服務價值，根據提供的河道航運貨物及與旅客的周轉量相對應的航運價格計算；VSE為生態環境供水服務價值，其值為河流對物質生產、生態支持、生態調節和文化娛樂等提供的生態環境供水服務價值之和。

3.1.2物質生產服務價值評價模型

物質生產服務價值主要包括漁業水產品和其他產品(主要指植物)的經濟價值，評價模型為

(2)

式中：VMP為物質生產服務價值；NAF為漁業水產品產量，根據河道內多年漁業捕撈量與對應的河流生態徑流量計算；PAF為對應的漁業水產品價格；NOP,i為河流其他植物產品第i種產品產量，通過收割法測定；POP,i為河流其他植物產品第i種產品價格；n為其他植物產品種數(如蘆葦、蕨類等)。

3.1.3生態支持服務價值評價模型

生態支持服務價值包括貯存水資源、吸收與循環營養物質、提供生態環境和維持生物多樣性等4類服務價值。評價模型為：

(3)

式中：VSW為河流水庫貯存水資源的價值；WRi和WRe分別為研究河段河流與水庫的蓄水量，根據河道內生態徑流量及水庫蓄水容積獲得，河流水庫貯存水資源的其他如淡水供給、物質生產、生態支持、生態調節和文化娛樂等服務價值，已體現在該模型的淡水供給、物質生產、生態支持、生態調節和文化娛樂等服務價值中；PSW為河流與水庫的單位貯水價值，取水庫工程的單位庫容建設成本(單位庫容的影子價格)；VNC為河流生態系統吸收與循環營養物質的價值；NNC為河道內水生植物和河岸帶植物等生物生長量，通過收割法測定；CN、CP和CK分別為河道內水生植物和河岸帶植物等生物中氮、磷、鉀含量的平均參數；PNC為對應時期的化肥價格[15]；VEE為河流提供生態環境服務的價值；AEE為河流提供的生態環境面積；PEE為河流提供生態環境單位面積的年生態系統服務效益[16]，參考Costanza等[17]的成果取值；VMB為維持生物多樣性服務價值；VAS和VPS分別為河流生態系統棲息地自然背景的動物和植物種類經濟價值，根據河流生態系統棲息地自然背景的動、植物對應種類數量及生物多樣性自然背景總體存在價值評估結果[18]獲得；VSF為生態支持服務價值。

3.1.4生態調節服務價值評價模型

生態調節服務價值為調蓄洪水、水質凈化、空氣凈化和輸沙造陸等4類服務價值之和，評價模型為

(4)

式中：VRS為水庫調蓄洪水服務價值；SRF為河流水庫保護耕地避免受損的面積；PRF為單位平均綜合農業受災損失值[9]；VQP為水質凈化服務價值；VDP為河流水體稀釋自凈服務價值，根據入河污水量與污水處理成本計算；VSD為河流感潮河段防止鹽害服務價值，根據感潮河段咸水估算量與單位咸水量鹽度平衡治理的影子價格計算；VAP為空氣凈化服務價值；VCR為河流生態系統中各植物的固碳放氧服務價值，根據河流生態徑流量及河道內水生植物與河岸帶濕性植物等生物量的光合作用，結合造林成本，采用碳稅法計算[19]；VHG為河流水力發電減少有害氣體排放服務價值，根據水力發電用水流量以及CO2和SO2的治理成本，應用影子工程法計算；VFT為輸沙造陸服務價值；VTS為河流水體輸沙服務價值，根據河流輸沙需水流量、對應的輸沙量及單位泥沙人工清理價格，應用替代市場法計算；VCL為河流水體造陸服務價值，根據淤積在河口的陸地(泥沙量)，由土壤平均密度及土壤表土平均厚度估算所構造陸地折合的土地面積，采用機會成本法計算土地面積的年收益獲得；VRF為生態調節服務價值。

3.1.5文化娛樂服務價值評價模型

文化娛樂服務價值包括文化科研和休閑娛樂等2類功能的服務價值，評價模型為

(5)

式中：VβR為河流生態系統的文化科研價值；ARI、ALA、AWE和AOT分別為河流生態系統中河流、湖泊、濕地和其他生態系統等的面積，根據水庫調節流量或庫區河道內生態徑流的流量-水位關系與水位-面積關系獲得；PRI、PLA、PWE和POT分別為河流生態系統中河流、湖泊、濕地和其他生態系統等單位面積的平均文化科研價值，參考國內外研究成果[17，20-21]確定；VTC為河流生態系統的休閑娛樂服務價值，采用旅行費用法計算[9]；NTC為河流生態系統景觀的平均觀光人數，根據研究區域觀光人數統計資料獲得；CTC為游客人均旅行支出，為游客旅游相關景點的人均交通費、餐飲費、門票與住宿費之和，參考當前中國居民年均旅游費用資料確定；TTC為人均旅游時間價值，是一種時間機會成本，等于游客日人均收入與旅游時間天數之積；OTC為人均其他費用，主要包括游客購買宣傳資料、紀念品、攝影等費用，根據中國居民年均旅游費用統計資料確定；VCE為文化娛樂服務價值。

3.1.6河流生態系統服務價值評價模型

河流生態系統服務價值包括淡水供給服務價值、物質生產服務價值、生態支持服務價值、生態調節服務價值和文化娛樂服務價值等5類，其值等于這5類服務價值之和，評價模型為

VES=VWS+VMP+VSF+VRF+VCE

(6)

式中：VES為河流生態系統服務價值。

從式(1)～(5)可知，式(6)等號右側5大類服務價值大小都取決于對應服務功能的河道內流量。其中，淡水供給服務價值取決于城鄉生活、農業灌溉和工業生產，以及水力發電、河道航運和生態需水等的河流供水流量；物質生產、生態支持、生態調節和文化娛樂等服務價值取決于河流生態環境供水流量。這些供水流量不管是用于社會經濟發展還是用于生態系統保護，都是河流正常工作狀態下河道內流量的組成部分。①豐水期，河道內流量較大，河流及與之相連的水庫、湖泊、濕地等水位較高，河流生態系統水域面積較大，涵養水源較多，生態環境供水富余，提供給生態支持、生態調節、物質生產和文化娛樂等功能的流量較大，對應的各項服務價值也較大，且有富余的淡水供給為社會經濟服務，即豐水期淡水供給服務價值較大。②枯水期，河道內流量較小，河流及與之相連的水庫、湖泊、濕地等水位較低，河流生態系統水域面積較小，涵養水源較少，生態環境供水不足，提供給生態支持、生態調節、物質生產和文化娛樂等功能的流量較小，對應的各項服務價值也較小，此時淡水供給流量較小甚至缺乏，即枯水期淡水供給服務價值較小。③平水期呈現的各種狀態介于豐水期和枯水期之間。因此，該河流生態系統服務價值評價模型客觀反映了河流的生態系統服務價值與其各項服務功能供水流量(共同合成河道內流量)的復雜函數關系，揭示了河流生態系統服務價值的大小主要取決于河道內流量及變化程度的結論。

3.2 河流生態系統服務價值評價方法

客觀有效評價河流生態系統服務價值的關鍵是尋找適合的評價方法。生態系統服務價值評價方法主要有能值分析法、物質量評價法和價值量評價法等。①能值分析法是采用生態系統為人類提供的服務或產品在形成過程中直接或間接消耗的太陽能值(焦耳總量)計量生態系統服務價值[22]；②物質量評價法是從物質量角度定量評價生態系統提供的產品和服務[23]；③價值量評價法是從貨幣價值量角度定量評價生態系統提供的產品和服務，包括直接市場法、替代市場法和模擬市場法等[23-24]。它們都可用于河流生態系統服務價值評價，但價值量評價法直接以貨幣形式表示生態系統服務價值，與三大產業的經濟效益比較更方便，且對數據資料要求不嚴格，計算簡單，結果實用，因此在河流生態系統服務價值評價中得到廣泛應用[9-10，12]。

價值量評價方法評價河流生態系統服務價值，需要基于評價模型，選用直接市場法或替代市場法或模擬市場法等分別計算評價模型的經濟價值，再求其和即得河流生態系統服務價值。根據河流生態系統服務價值的類型劃分，河流生態系統服務價值的價值量評價方法如表1所示。

4 結 語

為了有效解決河流水環境污染問題，維護河流生態系統永續健康，基于河道內流量生態系統服務效應及河流生態系統服務功能，以河道內流量為主要指標，探討了河流生態系統服務價值評價模型的建立及價值量評價方法，取得主要研究成果如下。

a. 河流生態系統服務價值與河流生態系統的類型劃分、結構組成、特征功能、河道內流量和健康程度等密切相關，但主要取決于河道內流量。因此，基于河道內流量建立的各類河流生態系統服務價值評價模型是正確的、可行的、合理的。

b. 河流生態系統服務價值與河道內流量間的模型函數關系表明：河道內流量對維持河流永續健康非常重要，人類開發利用河流水資源要注意正確處理保護和開發的關系，既不能誤認為淡水供給是主要服務功能而忽視生態支持和生態調節功能，也不能破壞河流適宜的生態徑流，弱化河流生態系統服務功能，降低河流生態系統服務價值。

c. 通過比較能值分析法、物質量評價法和價值量評價法可知，價值量評價法要求資料較少且計算簡單，在缺乏詳細生物學數據資料的前提下，應用價值量評價法評價河流生態系統服務價值值得推崇應用；以服務效用價值評價方式揭示的河流生態系統服務價值與河道內流量大小間的復雜函數關系，可為河流管理部門合理開發利用和科學規劃管理水資源提供新思路。

關于河流生態系統服務價值評價，國內外已有一些研究成果，但都忽視了河道內流量的生態系統服務效應。本文基于河道內流量建立河流生態系統服務價值評價模型，采用價值量評價方法評價河流生態系統服務價值，既突出了河道內流量的生態系統服務地位，又揭示了河流生態系統服務功能的巨大效益，以提醒人類社會足夠重視和積極保護河流生態系統。