基于生态补偿的自然和人文过程耦合研究

基于生态补偿的自然和人文过程耦合研究

自然过程和人文过程的耦合研究是地理学研究的热点和难点问题,两者的耦合研究也是生态经济学的重点研究内容。长期以来自然科学和社会科学的研究一直是分离的,自然科学通常关注社会现象发生的地理位置,而社会科学更多关注社会现象发生的原因。自然过程中的自然因素主要依据分析对象的时空尺度定义,通过自然单元获取,如流域、土地利用单元、景观等。人文过程中的人文因素一般依据分析对象的分析尺度(如功能属性)定义,基于行政单元,如省、市、县、乡镇等主机获取而来。两者在研究方式、数据获取等上的不一致导致了耦合研究的困难。当前社会面临着一系列的环境问题,如全球气候变化、森林采伐、水污染、农业的不可持续性、全球生物多样性及其它生态系统服务的损失等等。这些环境问题不仅具有跨学科和多尺度的特征,还呈现出复杂性格局,通常还有不可预见和无法预料的后果。靠单一学科的知识已经无法解决这些环境问题。自然——人文耦合系统研究的必要性和紧迫性日益凸显出来。国际上相继开展的许多研究计划已经体现出自然——人文耦合研究的特性,包括国际地圈生物圈计划(IGBP)、全球环境变化中的人文因素计划(IHDP)、全球土地计划(GLP)、集成人在地球上的现在和将来(IHOPE)等。 生态经济学是一门从最广泛的角度来研究生态系统与经济系统之间的相互关系的新兴学科,为自然和人文过程的耦合研究提供了很好的平台。当增长从空的世界走到满的世界中时,经济服务产生的福利在增加,而生态服务产生的福利却在减少。减少就意味着资源的稀缺,稀缺使资源更具价值。生态系统服务是指人类从自然界获取的所有惠益。千年生态系统评估(MA)认为全球60%左右的生态系统服务已经退化。生态补偿是生态经济学研究的新兴领域,世界上许多国家和地区已经开展了生态补偿相关的理论和实践方面的研究探索。生态补偿是一种将生态系统服务非市场的、外部的价值转化为激励人们主动提供生态系统服务的机制。生态补偿的理念既涉及了生态系统服务,又包括人们的人文决策机制,为自然和人文过程的耦合提供了契机。生态系统服务的重要性已经不言而喻,为何它的供给没有达到社会期望的水平?生态系统服务的生产或退化需要通过自然过程和个体决策者的行动之间的互动来实现。有必要去了解生态系统服务产生的自然过程和个体决策者的人文过程。 黑河流域是典型的内陆河流域,水资源问题一直是社会经济发展的制约因素。气候的持续干旱、人口的不断增长、草地的超载放牧导致流域上游的草地资源不断退化,致使草地的水源涵养等生态系统功能下降,生态环境趋于恶化。如何在提高水资源服务的同时保障上游地区的利益是迫切需要解决的现实问题。生态补偿的研究可以解决水资源服务供给的激励机制问题,能够有效促进上游地区生态环境的改善,提供水资源服务的供给。因此,论文以黑河流域上游为研究区,基于SWAT模型模拟草地水源涵养服务产生的自然过程,通过对牧民禁牧机会成本的调查,获取不同补偿价格对土地利用决策的影响以刻画人文决策过程,在概率统计模型的支持下,分析了补偿价格对禁牧比例及提供的水源涵养服务的影响,实现水源涵养服务供给的自然过程和牧民人文决策过程的耦合。 在收集SWAT模型运行所需的各种空间数据和气象、水文等数据的基础上,模拟黑河流域上游水源涵养服务产生的自然过程,设计不同的禁牧情景,分析不同情景对水源涵养服务产出率的贡献。基于遥感获取的实际蒸散发验证SWAT模型的精度,计算不同情景下的水源涵养服务产出率。整理分析入户调查获取的牧民禁牧机会成本数据,分析机会成本的空间分布和土地利用方式的空间变化。基于概率统计模型模拟水源涵养服务的供给曲线,实现水源涵养服务和牧民人文决策过程的耦合研究。对概率模型的参数进行了敏感性分析。并提出了今后研究的方向。本文得出的主要结论和建议如下： (1)基于SWAT模型分析模拟了水源涵养服务产生的自然过程,SWAT定量分析了不同子流域内水源涵养服务产生的空间差异,为流域上游生态补偿针对具体的生态系统服务付费提供了思路。禁牧后水源涵养服务的平均产出率e为25.27m3/hm2。对SWAT模型进行了参数率定和模型精度验证,结果表明模型在该地区具有很好的适用性,模型校准期和验证期的年平均径流量的相对误差分别为16.3%和15.8%,月平均径流量的Ens分别达到0.81和0.88,R2分别为0.95和0.93,符合模型评价规定的标准。 (2)通过牧民禁牧机会成本的调查,获取不同补偿价格下牧民禁牧土地的选择机制,以此刻画了牧民土地利用决策的人文过程。受草场质量、到草场的距离等因素影响,不同子流域内禁牧的机会成本是空间异质的。平均禁牧成本为289.99元/hm2,最低的为子流域1内的130.50元/hm2,最高的是子流域9内的580.80元/hm2。此外,调查发现大部分牧民不愿意禁牧,认为国家目前实施的“退牧还草”的补助较低,而且他们以放牧为生,禁牧后其生计难以维持。 (3)最小数据法通过牧民禁牧机会成本的空间分布可推导出水源涵养服务的供给曲线,实现了牧民禁牧的人文过程和水源涵养服务产生的自然过程的耦合。不同的补偿价格下,禁牧比例及水源涵养服务的供给量不同。同一个子流域内,不同的补偿价格会产生不同的禁牧土地单元和水源涵养服务量。由于禁牧机会成本和水源涵养服务产出率e不同,不同的子流域在相同的补偿价格下禁牧比例和水源涵养服务供给量也不同。如在子流域1内,当补偿价格为8.26元/m3时,草地禁牧比例为49.15%,此时1年内新增草地提供的水源涵养服务的供给总量为8.6×104m3。当补偿价格为20元/m3时,子流域1内的低质量草地几乎全部禁牧,禁牧比例达到99.12%,可提供新增的水源涵养服务供给量为1.72x106m3。同时,分析了生态补偿对区域总收入变化的影响。随着补偿价格的提高,子流域1内的总收入也在增加。如在子流域1内,当补偿价格为8.26元/m3时,区域获得的总收入为6.96×105m3。当补偿价格提高到20元/m3时,子流域1内的总收入达到最大值为3.41×106m3。 (4)对最小数据法进行了参数敏感性分析,生态系统服务产出率e的增加或减少对禁牧土地单元和水源涵养服务供给量有正面影响,且影响较大。e的增加引起禁牧比例成倍的上升和其提供的水源涵养服务供给量显著的增加。e的减少可导致禁牧比例成倍的降低和其提供的水源涵养服务供给量显著的下降。如在子流域1内,当e不变时,在补偿价格为8.26元/m3时,新增禁牧的草地比例为49.63%。当e增加30%时,有76.08%的草地将转变为禁牧草地。而当e减少30%时,只有23.20%的草地发生禁牧的转变。同样在子流域1内,当e不变时,在补偿价格为8.26元/m3时,新增草地提供的水源涵养服务的供给量为8.6x104m3。当e增加30%时,在同样的补偿价格下,新增水源涵养服务的供给量增加到1.71×105m3,水源涵养服务增加了8.5×104m3,增加幅度将近1：倍。而当e减少30%时,同样的补偿价格下,新增水源涵养服务的供给量仅为2.85×104m3。