區域生態系統服務供需風險時空演變特征
——以陜西省產水服務為例

王壯壯,張立偉,*,李旭譜,李英杰,王鵬濤,延軍平

1 陜西師范大學地理科學與旅游學院, 西安 710119 2 密歇根州立大學系統綜合與可持續發展研究中心, 美國 東蘭辛 48823 3 西安外國語大學旅游學院·人文地理研究所, 西安 710128

生態系統服務是人類直接或間接從生態系統中獲得的各種惠益,包括有形的物質產品和無形的服務,主要分為供給服務、調節服務、文化服務和支持服務四種類型[1- 3]。從生態系統服務生產與使用的角度可以分為生態系統服務供給和需求兩個方面[4]。前者是指生態系統在特定時空尺度范圍內為人類提供生態系統產品和服務的能力；后者是指在特定時空尺度范圍內人類使用或消費的生態系統產品和服務的總和[4- 5]。生態系統服務與人類福祉息息相關,是人類賴以生存和發展的基礎[3]。然而,千年生態系統評估(MA,Millennium Ecosystem Assessment)綜合指出全球24項生態系統服務功能中有15項(約占總數的60%)正在退化或者正在被不可持續地利用著,嚴重影響著人類的福祉,威脅全球和區域的生態安全[3,6]。而且,隨著社會經濟快速發展和城市化的推進,一方面人們對生態系統服務的需求不斷增加[7],比如對糧食、水源和清潔空氣等的需求[8- 9]；另一方面,多種生態系統服務的可持續供給也面臨著威脅[3,10],例如,河流干涸造成的水資源短缺以及伴隨的一系列生態問題等。這些人地矛盾逐漸加劇了區域生態系統服務供需風險,即在特定時空尺度內生態系統服務供給不能滿足需求的狀況[10]。因此,對生態系統服務的供需風險進行量化評估,有效識別生態系統服務供需高風險區,有利于為生態系統服務風險管控提供決策依據,提升區域內居民生活福祉。

近年來,生態系統服務的風險評估研究已經獲得了眾多學者的廣泛關注[10- 26]。從生態系統服務供給與需求的角度看,目前的生態系統服務的風險評估研究主要包括2種方法：①基于生態系統服務供給的風險評估方法[19- 24]。該方法提出的背景是人類賴以生存的生態系統服務正在退化,供給量正在減少[3],因此往往以供給量減少的程度作為劃分風險等級的依據[21- 24]。然而,由于缺少對人類需求的考慮,使得該方法的研究成果很難在實際管理中應用。例如,Xu等[21]采用生態風險分級評估流程對太湖流域4種生態系統服務退化風險進行了評估,將風險劃分為嚴重退化(供給量減少30%或更多)、中度退化(減少15%—30%)、輕微退化(減少5%—15%)和無風險(減少小于5%或者增加)4個等級。Abson等[22]提出了基于生態系統服務供給風險與回報之間關系的啟發式概念框架。Partl等[23]基于提出的生態系統服務供給綜合風險指數,研究了捷克共和國在多種自然災害影響下的生態系統服務供給風險。Dong等[24]提出了基于生態系統服務供給的區域生態風險預警框架,將風險劃分為無風險、輕度、中度 、高度和極高風險5個等級,評估了長江上游甘孜地區土壤保持和風沙防護2種生態系統服務的供給風險,其中各風險等級的閾值參考《土壤侵蝕分類標準》等間隔劃定。②基于生態系統服務供給與需求關系的風險評估方法[4,10- 11,25- 26]。該方法提出的背景是生態系統服務研究更加強調供給與需求的耦合關系[27- 30]。該風險評估方法的優勢是綜合考慮了供給與需求兩個方面,但是由于對服務需求者識別比較困難限制了該方法的應用,而且目前大多以概念框架為主,缺乏相關的案例研究。例如,Burkhard等[4]采用專家打分法對生態系統服務供給與需求進行空間制圖,然后通過供給與需求的差值評估生態系統服務的收支狀況。Chen等[25]采用生態供需比率評估了上海市4種生態系統服務的赤字和盈余狀態。Li等[26]以產水服務供需比值構建了水資源安全指數,評估了京津冀地區產水服務供需風險狀況。Maron等[10]在參考世界自然保護聯盟(IUCN,International Union for Conservation of Nature)物種和生態系統紅色名單分類標準的基礎上,提出了生態系統服務威脅評估概念框架,考慮服務的供給、需求以及兩者預期的趨勢三個方面,以供需比和供需趨勢為指標,將生態系統服務威脅劃分為安全、存在風險、供給不足和喪失,從這4個大等級中又細化分出了7個小的等級。Mace等[11]以自然資本的狀態(數量、質量和空間結構)為橫坐標,收益價值為縱坐標建立資本-收益關系,根據政策目標設定可接受的收益臨界值,提出了自然資本風險登記方法,將風險劃分為高度、中度和低度3個等級,并依此建立了生態系統-生態系統服務二維風險矩陣。

綜合來看,生態系統服務的風險評估研究主要以服務供給量作為衡量指標,目前還缺少一種將服務的供需匹配特征、供需動態變化趨勢以及服務之間的權衡協同關系綜合考慮的風險評價框架,并且相關的案例研究還比較少見。因此,本文通過系統地梳理基于生態系統服務供給與需求的風險評估研究發展脈絡,提出了區域尺度的生態系統服務供需風險研究框架。并以陜西省產水服務為例,首先采用水量平衡法和用水定額方法對陜西省2000、2005、2010年產水服務供給與需求進行空間制圖,其次利用構建的生態系統服務供需風險評估指標體系,分析了陜西省產水服務供需風險時空演變特征。最后討論了生態系統服務供需風險評估的影響因素、研究意義和未來研究方向。研究結果以期為生態系統服務風險評估相關研究與管理應用提供理論支撐。

1 研究框架、數據與方法

1.1 研究框架

通過以上分析,在參考Maron等[10]提出的生態系統服務威脅概念框架和Chen等[25]、Li等[26]、Boithias等[29]相關研究成果的基礎上,定量化表達相關概念指標,并加入生態系統服務間權衡協同關系指標,以及供需風險未來情景模擬的相關內容,提出了區域尺度的生態系統服務供需風險評估框架(圖1)。在此框架中,生態系統服務供需比值作為其中一個指標,以0和1作為臨界值,表示服務的供需空間匹配狀況[10,25-26,29- 30]。由于生態系統服務供給與需求都隨時間動態變化,因此將供需比趨勢作為劃分風險的指標,以0作為臨界值,用來表達生態系統服務供需雙方隨時間的相對變化趨勢[9]。以供給和需求各自變化趨勢為指標,0作為臨界值,用來表達生態系統服務供給和需求隨時間的絕對變化趨勢。考慮到多種生態系統服務之間可能存在權衡協同關系[31- 33],會對生態系統服務供需風險產生影響,因此將多種服務之間的權衡協同關系作為劃分服務供需風險的指標。

對以上四項指標取交集后可以將生態系統服務供需風險劃分為7個等級(圖1)。各風險等級名稱參考Maron等[10]提出的生態系統服務威脅概念框架。其中,如果供需比為0,則說明此時生態系統不再提供相應的服務,根據該種服務是否可恢復,將風險類型劃分為消失(不可恢復)或者休眠(可恢復)[9]。極度瀕危是指生態系統服務供給不能滿足需求,供需比值和供給均在下降,而需求沒有下降,且存在其他生態系統服務與該服務是權衡關系。瀕危是指生態系統服務供給不能滿足需求,供需比在下降,而供給和需求呈現相同的上升或下降趨勢,且該種服務與其他服務之間存在協同關系或無關系。危險是指生態系統服務供給不能滿足需求,供需比沒有下降,供給和需求呈現相同的上升或下降趨勢,且存在其他生態系統服務與該種服務是協同關系或無關系。供給不足是指生態系統服務供給不能滿足需求,供需比和供給均沒有下降,而需求呈下降趨勢,且該種服務與其他服務之間存在協同關系。脆弱是指生態系統服務供給能夠滿足需求,但供需比呈下降趨勢,且該種服務與其他服務之間存在權衡關系。安全是指供給能夠滿足需求,供需比沒有下降,且該種服務與其他服務之間存在協同關系或者無關系。

圖1 區域生態系統服務供需風險評估框架Fig.1 A regional-scale framework for supply-demand risk assessment of ecosystem servicesES1：第1種生態系統服務,1st Ecosystem Service(ES1與ES2命名規則一致)；S：供給量,Supply；D：需求量, Demand；R：供給量與需求量的比值, Ratio； m與n：時間；Rtr：供需比之間的差值；Str：供給量之間的差值； Dtr：需求量之間的差值

1.2 研究區概況

圖2 研究區概況與氣象站點分布 Fig.2 The profile of the study area and the distribution of meteorological stations

在全球變化背景下,可利用的水資源是滿足人類未來糧食和能源需求的一個主要限制性因素[8]。產水服務直接關系到水資源供給量,是關鍵的生態系統服務之一[9]。陜西省地跨黃河和長江兩大流域,包括陜北、關中、陜南3大區域,轄10個地級市(圖2)。陜西省從南到北跨越亞熱帶、暖溫帶和中溫帶季風氣候區,年降水量的60%—70%集中在7—10月份[34],而且呈現從南到北遞減的趨勢。全省水資源總量的71.1%集中在陜南地區,關中地區占19.4%,陜北僅占9.5%[35]。然而,陜西省人口和產業60%以上分布在關中平原地區。特殊的地理位置和氣候條件,使得水資源分布極不均衡。因此,陜西省水資源供給不足和供需時空不匹配問題成為眾多學者關注的焦點。大多數研究選取與水資源密切相關的多種指標,采用統計分析方法,建立水資源評價指數[34-36]。綜合來看,陜西省水資源研究還存在空間可視化表達不足,供需耦合研究較少的問題,從生態系統服務供需角度對產水服務進行供需風險評價的研究還比較少見。

1.3 數據來源

本文數據在屬性上主要包括社會經濟數據和自然背景數據,在用途上主要包括兩個部分：第一部分用于產水服務供給制圖,具體包括：氣象觀測數據、DEM高程數據、土地利用數據、NDVI數據和土壤類型數據；第二部分用于產水服務需求制圖,具體包括：人口空間化數據、GDP空間化數據、土地利用數據、單位用水數據(表1)。氣象降水采用Auspline工具插值成250 m分辨率的降水柵格數據。利用ArcGIS 10.2工具箱中的重采樣(resample)工具,采用最鄰近法(NEAREST)將所有柵格數據重采樣為1 km分辨率。

1.4 研究方法1.4.1 產水服務供給制圖

采用區域水量平衡法對產水服務(Water Yield,簡稱WY)進行空間制圖,即通過區域水分的輸入量降水和輸出量蒸散量的差值計算得到[33,37- 38]。計算公式如下[33,37]：

WY=P-ET

(1)

(2)

式中,WY為產水量(mm)；P為年降水量(mm)；PET為年潛在蒸散量(mm),可采用Hamon公式求得[39]；ET為年實際蒸散量(mm),其中植被蒸散量由公式(2)求得[40],水體蒸散量由降水與潛在蒸散量的最小值求得[41]。ω為植被可利用水系數,代表植被在蒸騰過程中利用土壤水分的能力,將覆蓋率大于30%的林地設定為2.0,覆蓋率小于30%的林地設為1.0,草地和耕地設為0.5,人工表面和裸地設為0.1[33,37,40- 41]。

1.4.2產水服務需求制圖

采用用水定額方法對產水服務需求量進行空間制圖,將陜西省用水需求分為居民生活用水、經濟發展用水和農田灌溉用水3個部分。其中,人均生活用水量、萬元GDP用水量和畝均灌溉用水量通過查閱陜西省2000、2005和2010年水資源公報獲取[42]。陜西省人口和GDP空間分布數據采用中國科學院資源環境科學數據中心的中國人口和GDP空間分布公里網格數據集[43- 44],該數據集綜合考慮了土地利用類型、夜間燈光度、居民點密度等多因素,利用多因子權重分配法將以行政區為基本統計單元的人口和GDP數據展布到空間格網上[43- 44]。為了降低誤差,將該數據集歸一化,并分別乘以陜西省統計年鑒上各地級市對應年份的實際人口數和GDP,公式(3)和(4)。根據陜西省土地利用數據集,利用ArcGIS中的屬性提取工具(Extract by attributes),提取陜西省2000、2005和2010年農田空間分布數據。最后,將居民生活用水、經濟發展用水和農田灌溉用水加和,可以得到陜西省用水需求數據,公式(5)。計算公式如下：

表1 數據源匯總

DEM：數字高程模型, Digital Elevation Model；LULC：土地利用和土地覆蓋,Land Use and Land Cover；NDVI：歸一化植被指數, Normalized Difference Vegetation Index；GDP：國內生產總值,Gross Domestic Product

(3)

(4)

WD(i,j)=pop(i,j)×li+gdp(i,j)×mi+agr(i,j)×ni

(5)

式中,pop(i,j)為按照統計年鑒數據糾正后的i地級市j柵格人口數,p(i,j)為原始的i地級市j柵格人口數,PSi為統計年鑒數據的i地級市人口總量。gdp(i,j)為按照統計年鑒數據糾正后的i地級市j柵格GDP,g(i,j)為原始的i地級市j柵格GDP,GSi為統計年鑒數據的i地級市GDP量。agr(i,j)為i地級市j農田柵格單元。li為i地級市人均生活用水量,mi為i地級市萬元GDP用水量,ni為i地級市畝均農田灌溉用水量。

1.4.3產水服務供需比與供需比趨勢

生態系統服務供給與需求的比值可以表達某一時空范圍內供給與需求的空間匹配狀況[25- 26,29- 30],而供需比趨勢可以表達在某一時空范圍內供給與需求的相對變化情況。在本文中，產水服務供需比通過同一柵格單元上產水服務供給量與需求量的比值計算得到,公式(6)。計算結果主要有2個關鍵閾值0和1。如果供需比為0,說明該地區不再提供產水服務；如果供需比處于0到1之間,說明產水服務供給無法滿足需求；如果供需比大于等于1,說明產水服務供給能夠滿足需求。產水服務供需比趨勢通過兩個年份的供需比值相減計算得到,公式(7)。計算結果主要有1個關鍵閾值0。如果供需比差值小于0,說明供需比呈下降趨勢；如果供需比差值大于等于0,說明供需比不變或呈上升趨勢。計算公式如下：

R(j,k)=WY(j,k)/WD(j,k)

(6)

Rtr=Rm-Rn

(7)

式中,R(j,k)指j行k列產水服務需求量與供給量的比值,WY(j,k)指j行k列產水服務供給量,WD(j,k)指j行k列產水服務需求量。Rtr指供需比差值,Rm和Rn分別指m年和n年產水服務供需比值。

1.4.4產水服務供給與需求趨勢

生態系統服務供給與需求趨勢可以表達供給與需求的絕對變化情況,可以作為供需比趨勢的輔助判斷指標。在本文中,產水服務供給趨勢通過兩個年份的產水服務供給量相減計算得到,公式(8)；產水服務需求趨勢通過兩個年份的產水服務需求量相減計算得到,公式(9)。計算結果主要有1個關鍵閾值0。如果差值小于0,說明產水服務供給或需求呈下降趨勢；如果差值大于或等于0,則說明產水服務供給或需求呈上升趨勢或不變。計算公式如下：

Str=WYm-WYn

(8)

Dtr=WDm-WDn

(9)

式中,Str和Dtr分別指產水服務供給量差值和需求量差值,WYm和WYn分別指m年和n年產水服務供給量,WDm和WDn分別指m年和n年產水服務需求量。

1.4.5產水服務供需風險指標體系

本文選擇陜西省產水服務作為生態系統服務供需風險研究的案例,把前文研究框架中的生態系統服務供需風險等級稍作簡化,不再考慮生態系統服務間的權衡協同關系。結合生態系統服務供需比和供需比趨勢以及供給與需求趨勢3項指標,把生態系統服務供需風險劃分為7個等級。為了空間制圖的方便,將7種風險等級采用大寫羅馬數字Ⅰ到Ⅷ來表示(表2)。

表2 生態系統服務供需風險等級

2 結果分析

2.1 產水服務供給與需求時空演變特征

2.1.1產水服務供給時空演變特征

2000—2010年陜西省產水服務供給的空間格局基本穩定,總體呈現從南到北降低的變化趨勢,陜南地區產水服務供給能力較強(圖3)。總體來看,陜西省產水供給總量呈上升趨勢,2010年相對于2000年產水總量增加77.65×108m3；產水服務供給能力總體有所提升,產水量最小值由2000年的0.03×104m3/km2增長為2010年的0.11×104m3/km2。分區域來看,2000—2010年陜西省產水服務供給的區域差異十分明顯。在3大區域中,產水供給總量從大到小依次是陜南、關中和陜北。其中,關中和陜北地區的產水總量在研究時段內均有不同程度的增加,陜南地區產水供給量在2005年有所增長,而在2010年有所下降(圖4)。各區域的產水量占全省產水總量的比重有所變化,陜南地區由2000年的65.5%下降為2010年的59.0%；關中地區由2000年的20.3%上升為2010年的25.3%；陜北地區產水量占全省的比重在2000年為14.2%,2005年下降為11.9%,而2010年上升為15.7%。在10個地級市中,雖然在不同年份產水量有所波動,但整體上看2010年相對于2000年產水量均有不同程度的增加。

圖3 2000—2010年陜西省產水服務供給與需求空間分布Fig.3 Spatial distribution of water yield supply and demand in Shaanxi province from 2000 to 2010

2.1.2產水服務需求時空演變特征

2000—2010年陜西省產水服務需求的空間格局基本穩定,關中平原和漢中盆地是主要的產水服務需求區(圖3)。總體來看,陜西省產水服務需求總量呈上升趨勢,由2000年的76.74×108m3上升到2010年的85.13×108m3。陜西省產水服務需求的空間差異也十分明顯。在3大區域中,產水服務需求量從大到小依次是關中、陜南和陜北,并且2010年產水服務需求量相對于2000年均有所增加(圖4)。但不同區域的產水量在全省的比重有所變化。其中,關中地區產水服務需求量占全省總量的比重由2000年的62.53%下降為2010年的59.1%；而陜北地區由2000年的16.6%上升為2010年的17.9%；陜南地區由2000年的20.9%上升為2010年的23%。在10個地級市中,產水服務需求量較高的地級市主要為西安、咸陽、渭南和漢中。其中,西安、咸陽和渭南3個地級市的產水服務需求量超過全省總量的50%。除了西安和寶雞2010年的產水服務需求量相對于2000年有所下降外,其余地級市的產水服務需求量在研究期內均有不同程度的增加。

圖4 2000—2010年陜西省不同區域單位面積產水服務供給量與需求量Fig.4 Water yield supply and demand per unit area in different regions of Shaanxi province from 2000 to 2010

2.2 產水服務供需風險分析

2.2.1產水服務供需匹配分析

從產水服務供需比來看,2000—2010年陜西省產水服務供給與需求的空間匹配狀況整體有所改善(圖5)。2010年陜西省產水服務供給不足的區域面積占全省總面積的比值相對于2000年減少3.93%。分區域來看,產水服務供給不足的區域主要位于關中地區的西安、咸陽、渭南、寶雞以及陜北地區的榆林,2000年產水供給不足的區域在這些地級市中的面積占比分別為45.82%、52.58%、51.42%和38.3%,但是該占比在2005年和2010年均有所下降。漢中、安康、商洛、銅川和延安的大部分地區產水服務供給基本能夠滿足需求。

從產水服務供需比趨勢來看,2000—2010年陜西省產水服務供需比減小的區域占全省總面積的比重為48.87%。與2000—2005年相比,2005—2010年陜西省產水服務供需比減小的區域降低7.6%,達到44.25%,因此陜西省產水服務供需狀況整體有所好轉。2000—2010年陜西省產水服務供需比減小的地區主要位于陜南地區的安康和商洛以及陜北地區的延安,面積占各市的比重分別為92.83%、78.06%和78.28%,說明這三個地級市的產水供需狀況有所惡化。產水服務供需比增大的地區主要位于關中地區以及榆林和漢中的部分地區,說明該地區的供需狀況有所好轉(圖5)。分時段來看,與2000—2005年相比,西安、安康和商洛在2005—2010年產水服務供需比減小的區域有所增加,供需狀況有所惡化；而其余地市的供需比增大的區域有所增加,供需狀況好轉。

綜合來看,2000—2010年陜西省產水服務供給不足的區域總體有所減少,供需狀況有所改善。其中,關中地區和榆林產水服務供給不足的區域面積有所減少,供需狀況好轉。而延安和安康等產水服務供給滿足需求的區域,供需比下降嚴重,供需狀況有所惡化。

圖5 2000—2010年陜西省產水服務供需比與供需比趨勢Fig.5 The supply-demand ratio and the trend of the supply-demand ratio of water yield in Shaanxi province from 2000 to 2010

2.2.2產水服務供需風險時空演變特征

結合供需比、供需比趨勢和供需趨勢3項指標,分2000—2005、2005—2010和2000—2010三個時間段,對陜西省產水服務供需風險區進行劃分。通過分析發現,2000—2010年陜西省產水服務供需高風險等級(Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ)區域面積占全省總面積的13.37%,主要集中在關中地區和榆林市(圖6),該地區存在的主要問題是產水服務供給無法滿足需求。低風險等級(Ⅵ和Ⅶ)區域面積占全省總面積的86.63%(圖6),主要集中在陜南地區、寶雞市和延安市,這些地區的產水服務供給基本能夠滿足需求。在高風險等級中,Ⅱ級和Ⅲ級所占比例較低,約占全省的1.18%,并且主要集中在西安市的小部分區域,因此陜西省產水供給不足且供需狀況惡化的區域在全省的比重較小；Ⅳ級所占比例最高,約占全省的10.56%,主要分布在咸陽市、渭南市和榆林市,因此這3個地級市雖然產水服務供給無法滿足需求,但是供需比增大,供需狀況有所好轉；Ⅴ級約占全省的1.63%,主要集中在西安市東北部地區,該地區不但供需狀況有所好轉,而且產水供給量有所增加,需求量有所減少。在低風險等級中,Ⅵ級約占全省的47.69%,主要分布在延安市、銅川市、安康市、商洛市和漢中市的部分地區,這些地區雖然產水服務供給能夠滿足需求,但是供需比減小,供需狀況有所惡化,產水服務存在供給不足的風險；Ⅶ級約占全省的38.94%,主要分布在寶雞市、漢中市大部分地區,以及渭南東南部、西安西南部、延安和榆林的北部的小部分區域,這些區域不但產水服務供給能夠滿足需求,而且供需比增大,產水服務供需較為安全。

分時段來看,高風險等級由2000—2005年的17.3%減少為2005—2010年的15.67%。在高風險等級中,Ⅱ級的區域面積明顯減少,其面積占全省的比重由2000—2005年的3.77%減少為2005—2010年的0.05%；Ⅲ和Ⅳ級的面積比重變化不大；而Ⅴ級的面積比重由2000—2005年的4.73%增長為2005—2010年的6.75%。因此,與2000—2005年相比,2005—2010年陜西省產水服務供需風險水平明顯降低。在低風險等級中,Ⅵ級所占面積減少3.77%,而Ⅶ級所占面積增加5.4%,說明與2000—2005年相比,2005—2010年陜西省產水服務供給滿足需求的區域供需狀況也得到明顯改善。

圖6 2000—2010年陜西省產水服務供需風險及各風險等級占比Fig.6 The supply-demand risk of water yield and the proportion of each risk grade in Shaanxi province from 2000 to 2010

3 討論3.1 生態系統服務供需風險評估的影響因素分析

陜西省是中國缺水最嚴重的省份之一[34- 36]。本文利用構建的生態系統服務供需風險指標體系,評估了陜西省產水服務供需風險。對生態系統服務供給與需求合理量化制圖是生態系統服務供需風險評估的關鍵。本文在產水服務需求制圖中,綜合考慮了陜西省的居民生活用水、經濟發展用水和農田灌溉用水,并且根據統計年鑒的實際人口和GDP數量對原始數據進行糾正,提高了數據的精度。通過ArcGIS工具中的區域統計工具,按照地級市對產水服務需求進行空間統計,統計結果與陜西省水資源公報中的各地級市用水總量基本一致。此外,通過查閱相關文獻[26,29,44- 45],發現空間尺度的差別和生態系統服務流動可能會對評估結果產生影響,進而產生一定程度的不確定性。

首先,選擇較大的空間尺度進行生態系統服務供需制圖可能會弱化生態系統服務供需風險的嚴重性。生態系統服務供需比是生態系統服務供需風險評估的核心指標。Boithias等[29]分析了地中海盆地不同空間尺度的產水服務供需比,研究發現從整個區域水資源供需比來看,所有的用水需求都得到了滿足,但是局部來看,區域內一些子流域卻水資源供給嚴重不足,因此選擇較大的空間尺度進行評估可能會弱化水資源缺乏的嚴重性。本文選取1 km空間分辨率評估陜西省產水服務供需風險,空間尺度較大,可能會造成產水服務供給不足的區域面積縮小。特別是陜北等人口密度較小的地區,也許會遺漏某些產水服務供需高風險區。如何根據評估目的和決策需求選擇恰當的空間尺度,是未來研究需要強化的地方。

生態系統服務具有空間流動的特性,在自然和人為作用的驅動下,從供給區到使用區發生時空轉移,形成生態系統服務流[45]。由于生態系統服務流動,生態系統服務供給區與受益區可能會發生空間錯位,從而影響供需風險評估結果[28- 30]。例如,Li等[26]分析了京津冀地區產水服務的空間流動,結果顯示京津冀北部、西部和西南部的山區和植被覆蓋率較高的地區從上游水供給服務中獲益較大,并有盈余的水資源流向下游,而在北京、天津、石家莊和保定等大城市的中心地帶,水供給服務不能滿足需求,沒有多余的水源流向下游。而且,為了緩解關中地區的水資源缺乏狀況,陜西省啟動了南水北調工程,主要包括引漢濟渭工程、引乾濟石工程和引紅濟石工程三條線路[46]。這些水利工程的建設可能會緩解關中地區水資源的緊缺狀況,降低供需風險,但也可能會使得陜南地區的水資源供需狀況有所惡化。本文在評估陜西省產水服務供需風險時沒有衡量產水服務的自然流動特性和調水工程措施對產水服務供需風險的影響,可能會對評估結果產生一定程度的影響。

3.2 生態系統服務供需風險評估的意義

生態系統服務是人類社會生存和發展的基礎[3]。怎樣確定人們是否面臨生態系統服務供給不足的風險？這種風險的程度如何？又存在怎樣的演變趨勢？回答這些問題有利于為生態系統服務風險管理和相關政策制定提供依據[13- 14,17]。生態系統服務供需風險評估耦合了供給與需求兩個方面,從風險的角度對生態系統服務進行供需風險等級劃分,為生態系統服務管理提供了一個新的視角[10]。生態系統服務供需風險的識別有利于對區域生態系統服務的供需狀況有一個整體的把握,重點關注并將有限的人力和物質資源投入到風險等級高的地區,有利于資源的優化配置[10- 11]。與國內外相關研究相比,本文提出的區域生態系統服務供需風險評估框架的優點主要體現在以下3個方面：①在風險評估中,耦合了生態系統服務供給與需求。基于生態系統服務供給的風險評估方法僅僅考慮了服務的退化風險[21- 24]。生態系統服務是自然界為人類提供的各種惠益[1- 3],人類作為服務的受眾應當作為一個重要的參考因素。單純考慮生態系統服務的退化風險,將會使得風險評估的目標不明確,政策指導性較差[10]。例如,雖然某一地區的生態系統服務在退化(供給減少),但是如果供給能夠滿足需求(供需比大于或等于1),那么仍然可以認為該種生態系統服務的供需風險較小[9]。②在考慮生態系統服務供給與需求的空間匹配性(供需比)的基礎上,融合了生態系統服務供需雙方的相對變化趨勢(供需比趨勢)和絕對變化趨勢(供給與需求趨勢)。近期,一些學者已經開始利用生態系統服務供給與需求比值進行風險評估研究[25- 26,28- 30]。例如,Li等[26]采用調整后的淡水服務供給與需求比值定義了淡水安全指數,并對京津冀地區的淡水安全進行了定量分析。然而,生態系統服務供需雙方都隨時間在動態變化,這種變化趨勢將會影響生態系統服務的供需風險水平。比如,某種服務的供給無法滿足需求(供需比小于1),如果供需比呈下降趨勢,而且這種下降是由于生態系統服務退化(供給減少)和服務需求量增加引起的,這時應該將這種生態系統服務供需風險賦予較高水平；而如果供需比呈上升趨勢,而且這種上升是由于服務供給量的增加和需求量的減少引起的,那么應該將這種生態系統服務供需風險賦予相對低的水平[10]。③將生態系統服務間的權衡協同關系融合到生態系統服務供需風險評估中。生態系統服務間存在此消彼長的權衡關系和相互增益的協同關系[31- 33]。顯然,如果某種生態系統服務與其他服務之間存在權衡或協同關系,可能會影響該種服務的供給水平,進而提高或降低該種服務的供需風險水平。

3.3 未來研究展望

本文通過綜述前人研究成果構建了區域生態系統服務供需風險研究框架,并結合案例分析對區域尺度的生態系統服務供需風險研究進行了有益的探索。針對本文案例分析來說,案例中由于受到數據獲得性的限制,僅對陜西省2000、2005、2010年3個年份的產水服務供給與需求進行空間制圖。空間尺度的選擇和生態系統服務流動可能會對服務的供需風險評估結果產生一定程度的不確定性影響。此外,在案例分析中沒有考慮生態系統服務間的權衡協同關系。因此,以后的研究工作應聚焦在以下幾個方面：①在生態系統服務供給與需求制圖中綜合考慮生態系統服務流動特性和尺度效應,并在案例分析中納入多種生態系統服務類型間的權衡與協同關系指標,對生態系統服務的供需風險進行判斷。②通過分析生態系統服務供需變化的主要影響因素,探索生態系統服務供需風險格局演變的驅動機制。③綜合集成多種自然和人文驅動情景,對未來生態系統服務供需風險趨勢進行預測模擬,進而探討環境變化與管理決策對生態系統服務供需風險的影響。④在生態系統服務供需風險分析的基礎上,探索區域生態系統服務供需風險的應對與適應策略。

4 結論

本文通過系統梳理基于生態系統服務供給與需求的風險評估研究,提出了區域尺度的生態系統服務供需風險評估框架。依據此框架,以陜西省產水服務為例,進行了案例分析。結果顯示：

(1)在產水服務供需時空格局方面,2000—2010年陜西省產水服務供給與需求總量均有所增加。產水服務供給能力總體呈現從南到北降低的趨勢,陜南地區是主要的產水服務供給區。產水服務需求量較大的地區主要分布在關中地區和漢中盆地。

(2)在產水服務供需匹配方面,2010年陜西省產水服務供給不能滿足需求的區域相對于2000年減少3.93%,產水服務供給與需求的空間匹配狀況整體有所改善。其中,產水服務供給不足的區域主要分布在關中地區和榆林市,但是供需匹配狀況有所好轉；而延安市、安康市和商洛市的供需匹配狀況有所惡化。

(3)在產水服務供需風險方面,2000—2010年陜西省產水服務供需高風險區域占全省的13.37%,主要分布在關中地區和榆林市；低風險區域占全省的86.63%,主要分布在陜南地區以及延安市和寶雞市。與2000—2005年相比,2005—2010年陜西省產水服務供需風險水平明顯降低,高風險等級的區域面積占全省的比重減少1.63%。