引言

黄河流域在我国经济社会发展和生态安全方面的作用举足轻重，是我国重要的生态功能区，也是党和政府关注的重点区域。2014年，习近平总书记赴黄河兰考东坝头段考察，询问黄河防汛情况，了解黄河滩区群众生产生活情况。2016年，习近平总书记在宁夏考察时强调：“沿岸各省区都要自觉承担起保护黄河的重要责任，坚决杜绝污染黄河行为，让母亲河永远健康。” 2019年，习近平总书记在内蒙古、甘肃、河南考察调研时指出：“黄河是中华民族的母亲河。保护母亲河是事关中华民族伟大复兴和永续发展的千秋大计。” 2019年9月18日的座谈会上，习近平总书记对黄河流域生态保护和高质量发展作出重要指示，10月16日《求是》杂志发表了总书记《在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上的讲话》，文章指出：黄河流域构成我国重要的生态屏障，是连接青藏高原、黄土高原、华北平原的生态廊道，拥有三江源、祁连山等多个国家公园和国家重点生态功能区。黄河流域生态保护和高质量发展的主要目标任务是要坚持绿水青山就是金山银山的理念，坚持生态优先、绿色发展。因此，要落实这一发展理念首先要对黄河流域的生态资本与服务功能展开科学核算与评估，确保黄河流域生态保护和高质量发展的各类制度体系能够落地。

目前关于黄河流域生态系统服务价值的核算研究多集中在黄河流域的局部地区或个别生态系统服务价值。如徐大伟等基于支付意愿(Willingness To Pay, WTP)方法测算了黄河流域下游地区郑州段的生态系统服务的条件价值^[1]；牛叔文等参考Costanza等^[2]提出的方法估算了黄河上游玛曲草地生态系统服务价值为96.25亿元/年^[3]；丁辉等采用Costanza等^[2]的生态系统服务价值的评估研究方法评估了黄河上游甘南段的涵养水源、净化环境、维持生物多样性等生态系统服务价值^[4]；刘玉斌等基于Costanza等^[2]提出的方法和千年生态系统评估(The Millennium Ecosystem Assessment)分类体系核算了莱州湾—黄河三角洲区域各类土地利用生态服务价值^[5]。这些研究为黄河流域生态系统服务价值核算提供了借鉴，但尚缺乏专门针对整个黄河流域省级、地市级森林、灌木、草地及水生生态等全系统服务价值核算的评估研究。

从方法学角度来说，目前核算生态资本与生态系统服务价值的方法主要包括经济学方法^{[2, 6]}、InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoff)模型方法^[7]和能值方法^{[8, 9]}。Costanza等使用经济学方法核算全球生态资本与生态系统服务价值^[2]及Daily发表《自然的服务》一书^[10]后，引起了运用经济学方法核算生态系统服务价值的热潮。经济学方法使用货币单位度量生态系统服务价值，直观易于理解。但经过20多年的研究，学者们发现了经济学方法在核算生态系统服务价值中的局限性：基于人类偏好核算生态系统服务价值具有主观性及核算出来的货币价值并不等于市场价值或者交易价值^[6]。该问题的核心原因是计算出的单位和市场或交易价值的单位是一致的，但生态系统服务的价值和市场或交易价值的发现机制其实是不一致的，这种单位的一致易造成误解，成为生态资本化机制的方法学瓶颈。而采用基于生产者视角的方法核算生态系统服务价值^[11]，能够通过“太阳能等效量”这种生态系统中的“货币”统一核算生态系统服务产生的能量成本及其伴生环境影响，已被广泛应用于生态系统服务价值核算，并形成了基于能值的生态系统服务价值核算方法体系^{[8, 12-15]}。

基于此，本研究将基于能值方法对黄河流域各省级和地市级尺度的生态系统服务功能进行核算，为黄河流域近15年绿水青山保护及高质量发展提供基础性评估。

1 黄河流域生态系统服务价值核算方法体系 1.1 黄河流域生态系统及其服务分类体系

本研究根据我国2000年、2005年、2010年及2015年100 m×100 m土地利用类型遥感数据，将有林地(郁闭度＞30%的天然林和人工林)、灌木林(郁闭度＞40%、高度在2 m以下的矮林地和灌丛林地)、草地(包括覆盖度＞50%的高覆盖度草地、20%~ 50%中覆盖度草地、5%~ 20%的低覆盖度草地)和水生生态系统(包括沼泽地、湖泊、河渠、水库/坑塘)这9种生态系统及其相对应的生态系统服务价值纳入研究范围，详见表 1。

水生生态系统的复杂性和交互性使得流域上中下游服务功能具有差异，可分为“源”“过程”和“汇”三大类型(图 1)，并具有不同的生态功能重点。如流域的上游为大江大河的发源地，其功能重点在于保持水质、涵养水源；中游“过程型”河段以营养物质运移为主，但水电开发和保持水土又影响物质运移功能；下游为“汇”，陆地和海洋生态系统的营养物质在此交汇，增加净初级生产力与保持生物多样性尤为重要。因此，在黄河流域治理时，应分区考虑上、中、下游不同区域的生态差异性。此外，在全流域水生生态系统的计算中，需避免因分别计算不同省份的生态系统服务可能造成的重复计算问题，例如，“源”区域水生生态系统所提供的营养物质运移服务是“过程型”河段和“汇”的输入项，如果单独考虑“汇”，增加底泥中有机质这种服务应当排除上游运移过来的营养物质的影响。

1.2 生态系统服务价值核算方法

下列计算方法中，如无特殊说明即表示该项服务属于有林地、灌木林、草地和水生生态系统中所有的生态系统。

净初级生产力(NPP)、固碳释氧、补给地下水、净化大气、净化水、净化土壤、调节温湿度和调节气候这几种服务所有的生态系统都有，具体的计算方法可参考文献[16]，根据不同生态系统类型来调整参数。物质运移服务仅针对河流生态系统，计算方法和增加净初级生产力中的河流势能一致。

林地、灌木林和草地生态系统有构建土壤的服务功能，水生生态系统则为增加底泥中有机质。

构建土壤包括构建土壤有机质和矿物质，其中有机质主要来自植物凋落，矿物质主要形成于岩石风化作用，二者具有不同来源，因此取二者之和作为构建土壤服务。

构建土壤有机质的计算公式如下：

(1)

其中，Em_OM是土壤构建有机质的能值(sej/yr)；Em_rei是第i个生态系统的可更新能值(sej/yr)，即公式(1)中的Em_NPP；k_1i是第i个生态系统植被凋落物占生物量的比例(g/g, %)；k₂被凋落物中碳含量(g/g, %)。

构建土壤矿物质计算公式为：

(2)

其中，Em_MIN是构建土壤矿物质的能值(sej/yr)；P_mij是土壤中第i种矿物质占总矿物质百分比(%)；BD_j是第j种生态系统土壤容重(g/cm³)；D_j为第j个生态系统土壤厚度(cm)；S_j为第j个生态系统面积(m²)；R为土壤矿物质占总土壤重量百分比(%)；10 000为m²到cm²的转化系数；T_i为第i种矿物质的周转时间(年)；UEV_mi是第i种矿物质的能值转化率(sej/g)。

因此，构建土壤服务可用以下公式计算：

(3)

增加底泥中有机质仅针对水生生态系统，其计算公式为：

(4)

(5)

其中，Em_sb是水生生态系统有机质沉积的能值(sej/yr)；OM_ai为第i个水生生态系统有机质年沉积量[g C/(m²/yr)]；k₁是水生植物吸收有机质百分比，取值0.78；k_2i是第i个水生生态系统中g转化为kcal的转化系数(kcal/g)；k₃是kcal到J的转化系数，取值4186J/kcal；S_wi第i个水生生态系统的面积(m²)；UEV_omi是第i个水生生态系统中沉积有机质的能值转化率(sej/J)；k₄是有机沉积物质占第i个水生生态系统NPP的比例，取值30.37%；NPP_i是第i个水生生态系统NPP量[g C/(m²/yr)]。需要说明的是，若生态系统已处于富营养化状态，此项服务不计算在内。

水电潜力(自然贡献，不包括人为投入部分)的计算可按如下方法。研究^[17]显示：大坝发电中包含的人工建设年均投入量约为自然投入的15倍，所以水电的产出是远远大于河流的自然的投入部分。从自然角度考虑可以认为水电的自然贡献来源于两方面：一是河流生态系统所在区域降水的贡献，二是造山运动的贡献。这里考虑河流系统发电的自然贡献潜力，不考虑人为投入。

(6)

(7)

(8)

其中，Em_h是河流生态系统所能产生水电的潜力中自然部分的能值(sej/yr)；Em_r是河流生态系统中降水对水电的贡献(sej/yr)；Em_mb是河流生态系统中造山运动对水电的贡献(sej/yr)；S_dci是河流生态系统第i个大坝的集水面积(m²)；R_di是河流生态系统中第i个大坝所在区的降水量(m/yr)；ρ为水的密度(kg/m³)；UEV_r雨水水的能值转化率(sej/g)；r_di为第i个大坝所在区的年均侵蚀率(m/yr)；(1E+6)为m³转化为cm³的转化系数，即1m³= 1×10⁶ cm³；ρ_soil为山体的密度(g/cm³)；UEV_m是山的能值转化率(sej/g)。

2 案例区研究 2.1 研究区概况

黄河发源于青藏高原，流程达5464 km，流域面积达752 442 km²，流经9省(自治区)：青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南、山东，最后于山东省东营市注入渤海。流域内气候差异显著，东南部、中部及西北部分别属于半湿润气候、半干旱气候及干旱气候^[8]。黄河流域地势西高东低，区域地貌差异悬殊^[19]。流域内生态系统类型多样，森林、灌木、草地、农作物的植被数量占整个流域的98%，苔原、草本沼泽等植被类型约占2%^[20]。黄河流域植被受水平地带性及季风影响，从东到西依次是农作物、阔叶林、针叶林、草原和稀疏灌木草原。主要土地利用类型为耕地、林地、草地^[18]。

2.2 数据来源

本研究使用的基础数据主要包括四类：① 2000年、2005年、2010年、2015年黄河流域土地利用类型数据，主要来源于遥感数据；②各核算方法中的实物量数据、相关系数主要来源于黄河流域9个省份统计资料及相关文献；③能值转化率数据，主要来源于相关文献。具体数据来源详见表 2。

2.3 结果与分析 2.3.1 黄河流域省级生态系统服务价值及其变化特征

黄河流域9省份2015年生态系统服务价值大小顺序依次为：四川(1.69×10²³ sej/yr) >青海(4.93×10²² sej/yr) >内蒙古(4.70×10²² sej/yr) >甘肃(4.47×10²² sej/yr) >河南(2.33×10²² sej/yr) >山西(1.89×10²² sej/yr) >陕西(1.59×10²² sej/yr) >宁夏(4.82×10²¹ sej/yr) >山东(2.10×10²¹ sej/yr)，整体上呈现出黄河上游生态系统系统服务价值大于中游大于下游的空间分布特征。图 2表明，除河南和山东外，黄河流域其余7省份2000—2015年生态系统服务价值均呈现不同幅度的增加趋势，其中甘肃增幅最大，为27%，其次为陕西(+21%)、山西(+18%)、宁夏(+13%)、青海(+11%)、内蒙古(+10%)和四川(+7%)。河南近15年生态系统服务价值下降幅度较大，为-22%，山东为-6%。可见，生态系统服务价值增幅高值区主要集中在上、中游，尤其是上游地区。上、中游省份为我国生态较为脆弱的省份，但增幅明显，反映了近15年这些省份的生态治理成效。在2000年与2015年，山东和河南的GDP分别排黄河流域第1名和第2名，但其生态系统服务价值为黄河流域降幅最为明显的，表明在黄河流域经济较发达省份生态系统服务价值相对下降。

2.3.2 黄河流域地市级生态系统服务价值及其变化特征

从空间分布来看，地市级生态系统服务价值高值区主要集中在地级市(地区、自治州、盟)面积较大的西南、西北(黄河流域上游)和内蒙古地区。黄河流域生态系统服务价值排名前20的地级市(地区、自治州、盟)中，有12个属于四川省，甘肃省和青海省各占3个，另外2个属于内蒙古(图 3)。地级市(地区、自治州、盟)中生态系统服务价值最大的为四川省甘孜藏族自治州，价值2.70×10²² sej/yr，其次为四川省阿坝藏族羌族自治州，价值2.56×10²² sej/yr，两者约占整个四川省生态系统服务价值31%。

从时间尺度来看，2000—2015年，黄河流域的117个地级市(地区、自治州、盟)中有77个地级市(地区、自治州、盟)(约占68%)生态系统服务价值呈现不同幅度的增加。增幅主要集中在黄河流域的中上游地级市(地区、自治州、盟)，如四川省北部、甘肃省西北部、陕西省北部等。增幅最大的集中在河南省西南部，依次为平顶山市、南阳市和洛阳市，分别增加210%、149%和78%。而河南省降幅最大的有商丘市(-72%)、漯河市(-69%)、鹤壁市(-65%)、周口市(-55%)、郑州市(-51%)、开封市(-51%)、濮阳市(-50%)、焦作市(-50%)，其中中东部地区降幅最为明显。这与这些地区生态用地面积下降有关，如郑州市和漯河市2000—2015年生态用地面积分别下降了21%和16%。增幅较大的地级市(地区、自治州、盟)并无明显的省(区)域集中特征，而是分散在黄河流域的不同省份，如四川省阿坝藏族羌族自治州(+75%)、山西省朔州市(+61%)、甘肃省的酒泉市(+57%)和平凉市(+53%)、宁夏的固原市(+50%)，都有高于50%的增幅。山东省的地级市(地区)为低增幅集中区，增幅为1%~ 30%。生态系统服务价值下降区域主要集中在河南省(-72%~-25%)、四川省(-23%~ -11%)和山东省(-53%~ -7%)。下降的40个地级市(地区、自治州、盟)中三者分别占了14个、14个和9个。同时，黄河上游内蒙古的阿拉善盟和巴彦淖尔市也有分别28%和5%的降幅。就土地利用类型而言，2005年和2010年两个节点，有林地在陕西有小幅下降后反弹，灌木林在四川盆地、内蒙古高原有所下降。2005—2010年，高覆盖度草地生态系统服务变化较2000—2005年发生较大的空间转移，主要表现在：在2000—2005年增长的两个高值区——青海和内蒙古在2005—2010年转化为生态系统服务下降的高值区，即青海(-12.33%)、内蒙古(-9.51%)；在2000—2005年减少的东部及南部省份在2005—2010年变为生态系统服务增加的地区，另外山东2005— 2010年延续了前五年的下降趋势，下降了5.97%。沼泽系统在2000—2005年下降的省份中有多个省份在2005—2010年转化为上升的省份，且主要集中在西部和北部省份，分别为青海(12.02%)、内蒙古(7.26%)、甘肃(5.82%)、四川(3.70%)、山西(3.59%)。

可见，黄河流域大部分地区生态系统状况在过去的十五年里有所改善，且改善幅度整体上大于恶化幅度，这在一定程度上反映了黄河治理的成效。这也与总书记《在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上的讲话》中提到的“黄河流域生态环境持续明显向好但流域生态环境脆弱如上游局部地区生态系统退化”的结论相一致。但黄河流域仍存在生态系统保护与恢复的压力，尤其是生态系统服务价值下降的地区。

2.3.3 黄河流域不同生态系统服务价值及其重要性

本研究使用单项生态系统服务价值在总服务价值中的占比来识别黄河流域各省份的生态系统服务功能保护重点及差异性(表 3)。由表 3可知，上游的青海省、四川省作为黄河的“源”，净初级生产力服务相比其他省份具有更明显的重要性，水电潜力与减少水土流失也是其重要功能。水电潜力(自然贡献)在6个省份中都占主导地位，即河南、甘肃、宁夏、四川、山西和青海。而这些省份也已布局小浪底水电站、三门峡水电站、刘家峡水电站、青铜峡水电站、二滩水电站、西龙池抽水蓄能电站、李家峡水电站等，说明已充分利用了其水电潜力。“过程型”区域的陕西、内蒙古及山东则以减少水土流失服务占比最大。下游的山东除保持水土外，调节局地小气候也占有重要比例。

2.3.4 黄河流域不同生态系统服务价值变化影响因素分析

为进一步明确各省份生态治理的重点生态系统对象，本研究计算了近15年黄河流域9省份不同生态系统服务价值变化率(表 4)。可以看出，生态系统服务下降主要集中在中、下游省份，即黄河中下游生态系统保护压力相对大于上游省份，这也与上、下游生态系统之间的相互影响息息相关。具体而言，山西省生态系统服务价值下降主要集中在水生生态系统的沼泽和湖泊。河南省也需将沼泽和湖泊生态系统作为重点保护对象，因为二者在过去15年里分别下降了97%和52%。上游四川、甘肃、青海、宁夏湖泊(或水库坑塘)面积都有所增加，下游的陕西、山西、河南、内蒙古却相反，可能是上游省份大量密集修筑水库形成大规模拦蓄水导致下游河湖湿地生态系统萎缩所致。此外，河南和山东还需关注中低覆盖度草地生态系统的保护与修复，其草地生态系统服务价值下降比例明显大于湖泊生态系统。内蒙古高、低覆盖度草地和湖泊生态系统服务价值下降比例相近。中游的陕西省湖泊生态系统服务价值下降了59%。上游省份除青海省在沼泽地生态系统服务价值略有下降(-3%)外，其余省份的生态系统服务价值在近十五年都有不同幅度的增加。整体而言，黄河流域生态系统服务价值下降主要集中在草地和水生生态系统，应作为重点保护与修复的对象。而有林地和灌木生态系统服务价值则呈现不同增幅，反映了实行退耕还林、天然林保护计划、三北防护林计划等生态修复政策的效果。

此外，黄河流域生态系统服务价值变化也与其上、下游省份生态系统服务功能定位有较大关系。例如，河南、山东等黄河下游省份生态系统服务价值下降的主要原因在于这些省份地形平坦灌溉条件便利适合农耕，多定位为产量大省，因此将很多沼泽、湖泊、草地转变为农田，而农田生态系统由于其存在生态系统服务和负服务抵消的问题^[12]，并未纳入生态系统服务的计算。而宁夏、四川、甘肃等黄河上游省份地势高、坡度大，以水土保持等生态服务保障功能为主，近15年退耕还林还草，草地、林地面积均大幅度增加，其服务价值提升明显。因此，在黄河流域治理时，应充分考虑上中下游不同区域的生态差异性和功能差异性。

3 结论与讨论

本研究构建了基于能值的生态系统服务价值核算方法体系，评估了2000—2015年黄河流域9个省(自治区)和117个地级市(地区、自治州、盟)的生态系统服务价值及其变化特征。研究结果表明，整体上，黄河流域生态状况在近15年有明显改善，但局部地区生态系统退化。具体来说，绝对值上，2015年生态系统服务价值最大的省份和地级市(地区、自治州、盟)分别为四川省及其甘孜藏族自治州；变化幅度上，黄河流域9个省份中，除河南和山东外，其余省份近15年生态系统服务价值都有不同幅度增长，增幅最大的为甘肃省，增长了27%；117个地级市(地区、自治州、盟)中77个地级市(地区、自治州、盟)有不同程度的增幅(0.46%~ 210%)，增幅最大的为河南省平顶山市。局部地区生态系统服务功能下降，尤其集中在上游内蒙古的阿拉善盟和巴彦淖尔市和下游河南的中东部地级市(地区)及山东北部和南部的地级市(地区)，这与生态用地面积下降有关，如阿拉善盟生态用地面积下降了31%，主要集中在低覆盖度草地(-44%)、沼泽地(-64%)和湖泊(-53%)生态系统。研究结果证明了黄河流域实施分区分类的生态保护修复制度的重要性，要根据其所提供生态服务的能力及改善情况动态制定分区分类保护策略。对于“源”区域，应深入实施山水林田湖草综合治理修复，加强退化草原(低覆盖度)保护修复，提升草地生态系统质量；“过程型”区域应重点开展水土流失预防保护。另外，黄河流域中、下游省份生态系统保护压力相对大于上游省份，这也跟上、中、下游不同的区域功能定位相关。其中，河南和内蒙古应重点保护草地和水生生态系统；山西应集中保护沼泽和湖泊生态系统；陕西应集中保护湖泊生态系统；上游省份青海的沼泽地生态系统保护责任也不容忽视。山东近15年形成了沼泽、湖泊、草地与农田的置换，将生态功能转为农产品的提供，所以应该大力发展现代生态节水农业，优化农用地规模和布局。近15年的林地面积增加和所提供的服务功能效果明显，湿地(湖泊、沼泽地)的减少变成黄河流域上、中、下游省份服务下降的最大驱动因素，应着重开展黄河源、甘南湿地、若尔盖湿地生态保护修复以及推进黄河滩区治理和湿地恢复。

本研究系统地评估了2000—2015年黄河流域省级、地市级生态系统服务价值及其变化特征和不同生态系统服务价值的重要性，弥补了现有研究中缺乏综合定量评估整个黄河流域生态系统服务等生态现状的不足，可用于科学分析黄河流域生态系统服务价值的时空变化及其原因，有效识别黄河流域现有生态治理中的薄弱环节及存在的问题，为黄河流域制定绿色发展规划提供科学依据。该研究的评估结果还可以与近15年黄河流域各省(区)的山、水、林、草、湖生态保护与修复工程项目相结合，用来评估项目实施效果，并进一步深挖生态潜力，打通“绿水青山”向“金山银山”转化通道，促进流域内的区域协调发展。