上游造林生态系统服务权衡：基于水文-经济综合评估的葡萄牙索拉亚河流域案例研究

《Frontiers in Environmental Science》：Ecosystem service trade-offs of upstream afforestation: an integrated hydrological-economic assessment in the Sorraia basin, Portugal

　　

摘要 引言： 在欧洲各地，河流流域面临着来自污染、水文改变、水资源开采和气候变化的日益增长的压力，许多流域未能实现良好的生态状态。南欧由于季节性缺水、土壤易受侵蚀和集约化土地利用而尤为脆弱。上游造林可以改善生态系统功能，尽管其结果取决于树种选择和管理方式，且由此产生的环境与经济权衡尚不明确。 方法： 本研究以葡萄牙索拉亚河（Sorraia）流域为案例，对上游造林情景进行了水文-经济评估：在当前和本世纪中叶气候条件下，分别模拟了扩大桉树（Eucalyptus globulus）种植园（EUCINT情景）与恢复本土栓皮栎（Quercus suber）森林（RESTOAK情景）两种情景，重点关注其对径流、泥沙负荷和总磷（TP）负荷的影响（采用SWAT模型进行模拟），以及相关的生态系统服务，包括农业生产、水库沉积物管理、水体净化和休闲娱乐，同时考虑了与土地利用变化直接相关的经济回报。 结果： 结果表明，与预测的气候变化影响相比，造林对径流量的影响有限（RESTOAK情景下增加+1%；EUCINT情景下减少最多达-9%），但对泥沙和养分动态有显著影响。在EUCINT情景下，进入水库的泥沙负荷增加了85%-185%，而在RESTOAK情景下则减少了36%-75%；同时，总磷（TP）负荷在两种情景下分别下降了26%-65%和36%-75%。经济结果主要由增加的沉积物管理成本、水质改善效益和土地利用回报驱动，而对灌溉农业和水上休闲的影响相对有限。与“一切照旧”（BAU）情景相比，RESTOAK情景产生了显著的净福利收益，而EUCINT情景尽管改善了水质，却导致了净福利损失。 讨论： 通过将基于过程的 hydrological 建模与经济估值相结合，本研究表明造林结果取决于当地生物物理条件、树种选择、管理实践以及被替代的土地利用系统。所展示的框架明确了流域尺度上的生态系统服务权衡，为更全面地评估上游造林提供了实用基础，并为气候变化下的流域综合管理提供信息。

上游造林对流域生态系统服务的权衡：一项整合水文与经济模型的评估

一、研究背景与科学问题

在全球范围内，河流流域正面临污染、水文改变、水资源过度开采和气候变化等多重压力。在欧洲，许多地表水未能达到良好的生态状态（GES）。南欧地区因季节性缺水、降雨变率大、土壤易蚀和土地利用集约化，尤其脆弱。欧盟通过《水框架指令》（WFD）和《自然恢复法规》等政策推动流域尺度的综合解决方案，其中基于自然的解决方案（NbS），如上游造林，被认为可以通过减少侵蚀、调节径流和增强入渗来改善生态系统功能。然而，造林的效果高度依赖于树种选择、管理方式以及景观和气候背景。

在葡萄牙，围绕造林存在两条截然不同的路径：一是纸浆和造纸业推动的蓝桉（Eucalyptus globulus）种植园扩张，二是旨在降低野火风险、提升生物多样性的本土栓皮栎（Quercus suber）森林恢复。桉树种植园虽能带来显著的经济收益，但其高耗水量、对土壤性质的影响以及对生物多样性和火灾风险的潜在威胁引发了广泛担忧。相比之下，本土森林恢复虽然生态效益显著，但其经济可行性和流域尺度的综合影响尚缺乏定量评估。现有研究多集中于利用过程模型分析土地利用变化的水文影响，而能够支撑空间显式情景分析的水文-经济模型则主要用于评估最优水资源分配，导致对上游物理干预措施（如生态系统恢复）的流域尺度经济影响和分配性权衡理解不足。

因此，本研究旨在填补这一空白，通过将经济估值与基于过程的分布式水文模型（SWAT）相链接，评估上游造林情景对整个流域的经济影响。研究选取了葡萄牙索拉亚河（Sorraia）流域作为案例，该流域拥有两个大型上游水库和下游集约化的灌溉农业区，上游则以广泛的森林和农牧用地为主，代表了南欧及类似地区的典型特征。

二、研究方法概述

研究人员采用了一套整合性的研究方法。首先，基于地理信息系统（ArcGIS Pro）设计了两种土地覆盖变化情景：EUCINT（桉树种植园强化）和RESTOAK（本土栓皮栎森林恢复）。其次，利用校准后的SWAT2012模型，在当下和未来（2041–2070年，RCP 4.5排放路径）气候条件下，模拟了不同情景对水库入库流量、泥沙动态和总磷（TP）负荷的影响。最后，将模型输出的生物物理指标（如径流量、泥沙负荷、TP浓度）与经济估值方法相结合，量化了五种关键的经济效应：土地利用的直接净回报、灌溉用水可用性、水库沉积物管理费用、水上休闲价值和水体净化价值。经济分析采用了社会折现率（3%）和2025–2070年的评估期，并对关键假设进行了敏感性分析。

三、研究结果

3.1 气候变化与造林效应的对比及空间异质性

与气候变化相比，土地利用变化对径流量的影响较为温和。在“一切照旧”（BAU）情景下，未来气候预计将使水库年均入库流量减少约29%。EUCINT情景使蒙塔吉尔（Montargil）水库年均入库流量在当前和未来气候下分别减少9%和7%，但对马拉尼昂（Maranh?o）水库影响不显著，这归因于两水库上游流域土壤特性、土地利用变化幅度的差异。RESTOAK情景对两个水库的年均入库流量影响甚微，仅增加约1%。

3.2 EUCINT与RESTOAK对泥沙负荷的相反影响

土地利用变化对泥沙负荷的影响远大于气候变化。EUCINT情景显著增加了进入两个水库的泥沙负荷，尤其在蒙塔吉尔水库增幅高达85%-185%（当前气候）和85%（未来气候），即使是在径流减少的情况下，表明桉树扩张带来的侵蚀加剧效应超过了径流减少的效应。相反，RESTOAK情景则减少了两个水库的泥沙负荷（-11%至-47%），这主要得益于放牧压力的降低和森林覆盖率的提高。

3.3 造林降低了磷负荷与浓度

两种造林情景均显著降低了进入水库的总磷（TP）负荷和浓度。EUCINT情景下，TP负荷减少26%-69%；RESTOAK情景下减少33%-75%。TP浓度的下降使得部分水库（如马拉尼昂）在当下气候条件下可达到良好生态状态（GES）阈值（0.13 mg/L），而BAU情景下则持续超标。

四、社会经济影响与讨论

经济评估结果显示，两种造林情景的社会经济影响截然不同。EUCINT情景带来了显著的经济净损失（现值约为-63.6亿欧元），主要源于土地利用转变导致的净价值下降（从高价值的蒙塔多系统和森林转为低单位面积产出的桉树），尽管其在水质改善方面产生了正面效益（约2.75亿欧元），但不足以弥补土地价值损失。相比之下，RESTOAK情景产生了巨大的净福利收益（现值约为242.1亿欧元），主要驱动力来自于土地利用本身的价值提升（从桉树或低产蒙塔多转为高价值的栓皮栎林），加上水质改善和沉积物管理成本节约等协同效益。在所有水相关生态系统服务中，水体净化和水库沉积物管理的经济影响最为显著，而对灌溉农业和水上休闲的影响相对有限。

研究结论强调，上游造林的成功与否并非单一维度，其效果高度依赖于当地生物物理条件、树种选择、管理实践以及被替代的土地利用系统。本研究所建立的框架成功地将基于过程的水文模型与经济估值相结合，使流域尺度上不同生态系统服务之间的权衡关系变得清晰可见，为制定更加全面和科学的流域综合管理策略，特别是在气候变化背景下评估基于自然的解决方案的投资合理性，提供了有力的决策支持工具。