京津冀地區生態系統服務供需測度及時空演變

張蓬濤,劉雙嘉,周 智,2,劉春敬,徐 磊,2,高 星

1 河北農業大學國土資源學院, 保定 071001 2 河北省農田生態環境重點實驗室, 保定 071001 3 河北農業大學資源與環境科學學院, 保定 071001 4 河北經貿大學公共管理學院, 石家莊 050061

生態系統服務供需是衡量區域生態環境健康程度的重要標準[1],生態系統服務供給指生態系統能夠為人類社會提供的各項服務[2- 3],需求是人類為了生存和發展從生態系統中獲取的服務[4]。生態系統服務供需狀況能夠直接影響區域生態系統的穩定性,森林、濕地等生態涵養區域減少所導致的一系列生態問題,其實質是生態系統服務供需空間錯配所致,深刻影響著地區生態系統的穩定性[5]。因此,生態系統服務供需研究是優化區域生態系統結構的重要基礎,對實現經濟社會可持續發展具有重要的現實意義[6]。

國外學者于20世紀90年代逐漸關注生態系統服務供需領域的研究。由于城鎮化迅速推進,大量生態用地被侵占,引起全球性生態環境問題[7]。早期生態系統服務供需研究以生態承載力為主[8-9],其主要思想是人們從生態系統獲取的服務應當在生態系統能夠提供這些服務的承受范圍之內[10]。21世紀以來,國外學者逐漸關注于生態系統服務供需概念的界定[11-12],并以此為基礎,擴展到生態系統服務供需量化[13-15]、不同時空跨度的生態系統服務供需匹配等研究[16-17]。國內對生態系統服務供需研究尚處于起步階段,較早涉及生態系統服務供需的是森林資源市場化研究[18]。2010年以后,生態系統服務供需研究開始逐漸關注供需量化領域[19],之后國內學者以此為基礎,形成了省域[20]、市域[21]、城市群[22]等多尺度的研究成果；在生態系統服務供給指標選取方面,形成了糧食供給、產水量、土壤保持、固碳釋氧等多種指標選取模式[23-25]。在研究思路方面,逐漸擴展到了權衡協同[26]、時空分析[27]、格局優化[28]、土地整治空間分區等多個視角[29-30]。在模型運用方面,國內學者從多角度運用SPANs模型[31]、 InVEST模型[32-33]等,豐富了生態系統服務供需研究方法。綜上所述,以往研究多采用計算生態價值當量的方式來表征生態系統服務供需,而利用模型定量測度生態系統服務供需的研究較少；且目前針對京津冀地區單一生態系統服務的研究較多,涉及多項生態系統服務供需的研究較為不足。因此,從定量角度測算多項生態系統服務的供需特征,對豐富生態系統服務相關研究具有重要意義。

京津冀地區擁有較強的經濟實力和人口吸引能力,隨著經濟社會的發展,城鎮化進程逐步加快,人地矛盾逐漸突出,京津冀地區開始出現水資源污染、重污染天氣頻發等一系列生態環境問題,究其根本原因在于生態系統服務供需狀況嚴重失衡。本文以京津冀地區為例,選擇產水、碳固持、糧食生產三項生態系統服務,探究生態系統服務供需狀況的空間分布特征,明晰各項生態系統服務的供需結構,揭示生態系統服務供需類型的變化趨勢。這不僅對維護京津冀地區生態系統穩定性,促進京津冀可持續發展具有重要的現實意義,還可以為該區域國土空間規劃編制和生態建設政策制定提供支撐。

1 研究區概括及數據來源

1.1 研究區概括

京津冀地區涵蓋北京市、天津市和河北省,北部為燕山山脈,南部為華北平原,西部為太行山脈,東部臨渤海灣,京津冀地區地貌類型多樣,西部和北部地區多為山地、高原、盆地,東部和南部多為平原,整體地形呈現西北部高,東南部低的態勢,總面積達到218000 km2,占全國總面積的2.27%。截至2015年底,京津冀地區常住人口超過1.1億人；2015年GDP總量達6.9萬億元,較2005年的2.1萬億元提高了2.3倍,區域經濟水平增長迅速；但高速的經濟增長帶來了環境污染、生態承載力降低等一系列生態環境問題。2015年中央審議通過了《京津冀協同發展規劃綱要》,明確了京津冀地區的發展方向,提出京津冀應當以疏解北京非首都功能為主要任務,調整優化京津冀地區城市布局和空間結構,擴大環境容量。

1.2 數據來源

本研究中,京津冀地區2005年與2015年土地利用現狀數據以Land TM和Landsat- 8遙感數據為主要信息源,利用ENVI與ArcGIS軟件解譯所得,并根據研究需要將土地劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地和濕地7種類型,分辨率調整為100 m；2005年與2015年京津冀地區年平均降雨量數據來源于中國氣象數據共享網；潛在蒸騰數據來源于全球干旱與潛在蒸騰量數據庫(Global Aridity and PET Database),從全球潛在蒸散分布圖裁剪出京津冀地區數據,并利用ArcGIS軟件中的重采樣工具將其分辨率調整為100 m；糧食生產量、人口數量來源于《北京統計年鑒》、《天津統計年鑒》、《河北經濟年鑒》、《河北農村統計年鑒》；人均用水量來源于國民經濟和社會發展統計公報；人均碳排放量來源于《BP世界能源統計年鑒》。

2 研究方法

2.1 產水服務

產水服務是指生態系統通過攔截降雨儲存淡水資源的能力[24,34]。本文采用InVEST模型中的產水模塊(Wateryield)量化京津冀地區的產水服務供給量；以研究區人均耗水量與人口密度的乘積作為產水服務的需求量。公式如下:

(1)

Dwy=Dwcpp×ρi

(2)

式中,Yi為柵格i上的年產水量(mm)；AETi為柵格i上的年蒸發量(mm)；Pi為柵格i上年降雨量(mm)。為了統一產水服務供給量與需求量的單位,將柵格面積與Yi相乘得到產水量體積,作為京津冀地區產水服務供給量(m3)；Dwy為柵格i上產水服務需求量(m3)；Dwcpp為人均耗水量,選用國民經濟和社會發展統計公報公布的數據,在2005年與2015年分別為426 m3/a與450 m3/a；ρi為人口密度(人/hm2)。

2.2 碳固持服務

生態系統的碳固持服務能夠利用樹木、土壤等固定大氣中的二氧化碳,有效緩解全球變暖趨勢,深刻影響著地區生態環境狀況[31]。本文利用InVEST模型中的碳固持模塊(Carbon Storage)測度京津冀地區碳固持服務的供給量；以人均碳排放量和柵格人口密度的乘積作為碳固持服務的需求量。碳庫參數為經驗數據,參考InVEST模型推薦取值以及李屹峰等[35]、白楊等[36]的研究,確定不同地類的碳庫參數。公式如下:

Ctot=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(3)

Dcs=Dpcce×ρi

(4)

式中,Ctot為碳固持服務供給量(t/hm2)；Cabove為地上生物量的碳密度(t/hm2)；Cbelow地下生物量的碳密度(t/hm2)；Csoil為土壤中的碳密度(t/hm2)；Cdead為死亡有機物中的碳密度(t/hm2)；Dcs為碳固持服務需求量(t/hm2)；Dpcce為人均碳排放量,2005年與2015年分別為5.09 t/a和6.57 t/a；ρi為柵格人口密度(人/hm2)。

2.3 糧食服務

本文利用京津冀地區2005年與2015年糧食生產能力表征糧食服務供給。通過年鑒數據統計得到171個縣區級行政區糧食產量,將各個縣區糧食產量與面積的比值作為糧食生產密度,最后利用ArcGIS軟件插值得到柵格格式的京津冀地區糧食服務供給量。糧食需求量則利用人均糧食需求量與人口密度的乘積得到,其中人均糧食需求量采用唐華俊等[37]的研究,以基本滿足中國人均糧食安全的需求量322.07 kg/a為本文的人均糧食需求量,公式如下:

Dfd=Dpcfd×ρi

(5)

式中,Dfd為糧食需求量(t/hm2)；Dpcfd為人均糧食需求量(t)；ρi為柵格人口密度(人/hm2)。

2.4 生態系統服務供需比

本文在參考相關研究的基礎上[4,24,26],通過生態系統服務供需比(ESDR)來刻畫京津冀地區生態系統服務供需狀態。當ESDRi>0時,表示供給大于需求,即盈余狀態,當ESDRi=0時,表示供給等于需求,即供需平衡狀態,當ESDRi<0時,表示供給小于需求,即赤字狀態。

利用ArcGIS平臺逐柵格計算三項服務供需比的算術平均值,得到京津冀地區綜合生態供需比(CESD)。具體計算公式如下:

(6)

(7)

式中,ESDRi為柵格i上的生態系統服務供需比；Si為柵格i上的生態系統服務供給量；Di為柵格i上的生態系統服務需求量；CESDi為柵格i上的生態系統服務綜合供需比；β為生態系統服務的類數,n=1是為產水服務,n=2時為碳固持服務,n=3時為糧食生產服務。

本文參考相關文獻研究[22,24],將生態系統服務供需比的值域范圍(-1,1)分為6個等級,用以分級不同程度的供需水平,具體分級標準見表1:

表1 生態系統服務供需狀況分級標準

3 結果分析

3.1 生態系統服務供需特征

3.1.1產水服務

京津冀地區2015年的平均產水服務供給量相比2005年上升210.6 m3/hm2,增幅達到54.1%,主要原因為京津冀中西部地區在2015年降雨更為豐沛,而2005年相比于2015年為干旱年份。此外,由于十年間經濟社會發展,京津冀地區建設用地不斷擴張,不透水地面規模的擴大會導致雨水下滲的大量減少,所以容易形成以徑流形式為主的水源供給,從而2015年單位面積產水服務供給量相較2005年高[24,34]。從空間分布看,環渤海區域的唐山市和天津市分別為2005年與2015年產水服務供給量最高的地區,而中西部地區的石家莊市、保定市、邢臺市等地的供給量則普遍較低。

在需求方面,2005年與2015年京津冀地區單位產水服務需求量分別為1826.83 m3/hm2與2343.12 m3/hm2,總體處于上升態勢。其中,北京市和天津市兩大核心城市擁有最高的單位需求量,且在2015年這兩個地區平均產水服務需求量相比2005年分別增加1959.99 m3/hm2和2518.57 m3/hm2,增幅達49.0%和74.4%。主要原因在于京津二市在此期間是經濟社會發展的高速階段,人口的吸引效應不斷加強,其中北京市2015年的人口數量達到2170萬,相比于2005年增加41.1%；而天津市在此期間的人口數量增幅達到65.1%,其中天津市重點發展的濱海新區2015年的人口數量是2005年的1.91倍。如此較大幅度的人口增長直接導致了北京市和天津市平均產水服務需求量大幅度上升。而河北省地區的張家口市和承德市平均產水服務需求量在此期間雖有小幅上升,但總體保持較為平穩的狀態,且均處于較低水平。

從產水服務供需比變化情況能夠看出,京津冀地區產水服務赤字缺口較為嚴重,大部分區域以“低供給-高需求”的匹配模式為主,在2005年供需比為-0.65,2015年為-0.59。其中,2005年供需赤字區域占總面積的91.3%,2015年為88.9%,說明京津冀大部分地區的產水服務均處于供不應求的狀態,到2015年供需赤字情況略有好轉,但仍是供需赤字占主導地位。而產水服務供需盈余區域主要集中于張家口、承德、秦皇島、唐山等河北省北部地區,但范圍極為有限。這說明京津冀地區利用降雨補充淡水資源的能力較弱,所以需要全面推行節水措施,開發和推廣雨水高效利用模式來解決當地產水服務的赤字問題。各地區產水服務供需狀況及空間分布情況如表2,圖1所示。

表2 2005年和2015年京津冀各地區平均產水服務供需特征

圖1 2005年和2015年京津冀地區產水服務供需特征Fig.1 Characteristics of water yield supply and demand of Beijing-Tianjin-Hebei Region in 2005 and 2015

3.1.2碳固持服務

北京市和承德市是平均碳固持供給值最高的兩個地區,這兩個地區在2005年與2015年的平均碳固持供給均在60 t/hm2以上,明顯高于京津冀地區其他城市,說明北京市和承德市擁有較高的碳固持供給能力,主要原因在于這兩個地區依托燕山與太行山山脈,擁有大范圍的生態涵養區,能夠為這兩個地區提供較強的碳固持供給服務,而生態涵養區較少的天津市和滄州市,其碳固持服務供給量則較低。從時空分布上看,京津冀地區碳固持供給水平在2005年與2015年間變化不大,高值區域主要分布于北京西北部、承德市地區和秦皇島市東北部地區,而華北平原地區則為普遍的較低值區。

在需求方面,北京市和天津市是平均碳固持需求量最高的兩個地區,北京市在2005年和2015年的需求量分別為47.72 t/hm2和86.93 t/hm2,天津市分別為40.44 t/hm2和86.19 t/hm2,遠高于其他城市。此外北京市和天津市的增加幅度也最大,其中北京市的增幅達到82.1%,而天津市2015年的平均需求量超過2005年的一倍,由此能夠看出北京市和天津市是京津冀地區主要的碳固持高需求量地區。而碳固持需求較低的地區為承德市與張家口市,這兩個地區生態涵養區面積較大,人口較為稀疏,屬于“高供給-低需求”的典型區域。從時空變化來看,各地區碳固持需求量均有不同程度的增加,主要原因在于經濟社會快速發展,石油、天然氣等燃料的使用量逐年增加,且人口數量較大幅度提高,導致碳固持服務需求量急劇上升。

在碳固持供需比方面,北部地區多為“高供給-低需求”的匹配模式,南部大部分地區多為“低供給-高需求”的匹配模式,所以碳固持服務盈余地區多集中于北部,而赤字區域多集中于北京及以南地區。京津冀地區2005年供需赤字區域占總面積的18.4%,到2015年擴大為55.0%,赤字區域明顯增加,說明碳固持服務供不應求的現象正在加劇。從時空變化來看, 在2015年各地區碳固持供需比均存在降低的情況,其中降低程度最明顯的是天津市,在此期間降低0.34,赤字進一步加深。此外北京市及河北省的石家莊、唐山、邢臺、滄州和衡水共6個地區,在2005年的平均碳固持供需比為正值,但在2015年均轉變為負值,說明經濟社會發展和人口數量激增導致這6個地區碳固持服務由盈余狀態轉變為赤字狀態。各地區碳固持服務供需狀況及空間分布情況如表3,圖2所示。

3.1.3糧食服務

在2005年和2015年,河北的衡水、邯鄲、石家莊和邢臺四市均為糧食服務高供給區域,主要原因在于這四個地區擁有廣大的平原區域,自然條件較好,農業基礎較為完備,從而擁有較強的糧食生產能力。而耕地資源較少的北京市、張家口和承德市的糧食服務供給能力較弱。而從時空變化上看,北京市和天津市的平均糧食服務供給水平均處于降低的態勢,降低幅度分別為34%和6%,而增加幅度最大兩個地區為河北省的張家口市和邯鄲市,增幅分別達到51.5%和29.2%。

在糧食服務需求方面,北京市和天津市的糧食服務平均需求量最大,京津兩市為京津冀地區的核心城市,擁有最高的人口密度,進而糧食需求量最高；其次為石家莊市和邯鄲市,這兩個地區是河北省人口密度最高的地區,進而對糧食服務的需求量較高。在2005年和2015年,除承德市糧食服務需求量持平外,其余城市均有不同程度的提高,其中北京市和天津市的增加程度較為明顯,這是由于十年間經濟發展迅速,城市擴張明顯,地區人口激增,進而使兩市糧食服務需求量較大幅度增長。

糧食服務供需比方面,京津冀地區2005年赤字區域占總面積的51.9%,但在2015年赤字區域占總面積的45.4%,糧食服務的赤字范圍有所收斂。從時空跨度上看,北京市和天津市在2005—2015年間赤字加深程度最高,北京市由-0.68下降到-0.84,天津市由-0.22下降到-0.47。而以石家莊市、保定市和邢臺市為主的華北平原,在2005年與2015年間總體均為盈余狀態,且保定市和滄州市等平原地區還有小幅度上升。各地區糧食服務供需狀況及空間分布情況如表4,圖3所示。

表4 2005年和2015年京津冀各地區平均糧食服務供需特征

圖3 2005年和2015年京津冀地區糧食服務供需特征Fig.3 Characteristics of food service supply and demand of Beijing-Tianjin-Hebei Region in 2005 and 2015

3.2 生態系統服務供需綜合分析

在2005年和2015年,京津冀地區生態系統服務平均綜合供需比分別為-0.09和-0.16,說明京津冀地區生態系統服務總體處于供不應求的狀態,存在生態赤字缺口加深的趨勢(表5,圖4)；在2005年和2015年,北京市和天津市為綜合供需比降低程度最高的兩個地區,主要原因在于北京市和天津市是全國重要的政治中心和經濟中心,經濟發展與生態環境保護之間的矛盾較為突出,而且北京市和天津市人口較為稠密,進而對生態系統提供的產品和服務的需求量極高,所以生態系統服務供需赤字較大。而在這段時期平均供需比最高的地區為承德市和張家口市,這兩個地區基本屬于供需平衡的狀態,主要原因在于這兩個地區擁有較好的生態環境,且人口相對稀疏,生態系統提供的服務與產品能夠基本滿足這兩個地區的需求。

表5 2005年和2015年京津冀各地區平均綜合供需比

圖4 2005年和2015年京津冀地區生態系統服務綜合供需比Fig.4 The comprehensive supply-demand ratio of ecosystem services of Beijing-Tianjin-Hebei Region in 2005 and 2015

3.3 生態系統服務類型區演變特征

根據生態系統服務供需狀況分級標準,將京津冀地區綜合生態系統服務供需水平分為六個等級(表6),并利用對應的綜合供需等級命名生態系統服務供需類型區。其中,京津冀地區在2005年與2015年均無綜合供需高度盈余的縣區,所以僅命名其余五種供需類型的縣區。將中度盈余縣區歸類為生態涵養區,將輕度盈余縣區歸類為生態保育區,將輕度赤字縣區歸類為生態改良區,將中度赤字縣區歸類為生態恢復區,將嚴重赤字縣區歸類為生態控制區[38-40](圖5,圖6)。

圖6 2005年與2015年京津冀生態系統服務類型區Fig.6 Beijing-Tianjin-Hebei ecosystem service type area in 2005 and 2015

表6 京津冀地區生態系統服務供需類型縣區個數

圖5 2005年與2015年京津冀生態類型區面積占比Fig.5 The proportion of Beijing-Tianjin-Hebei ecological typological area in 2005 and 2015

生態涵養區生態環境水平較高,森林資源豐富,城鎮化水平較低。在2015年該區域產水、碳固持以及糧食生產三項生態系統服務均處于盈余狀態,是保護首都生態安全的核心區域。在2015年承德市的圍場縣以及張家口市的康保縣與沽源縣為生態涵養區,占京津冀總面積的7.39%。但該區域經濟發展水平較低,需要探索綠色發展道路,在保護生態環境的基礎上提高土地利用效益,促進產業轉型升級,推動該區域經濟社會快速發展。

生態保育區的供需狀況處于輕度盈余級別,在2005年與2015年主要集中于張家口市和承德市等北部地區。該區域擁有較強的生態系統服務供給能力,但人口壓力相比于生態涵養區較大,所以需要實行最嚴格的生態保護措施,維護該地區生態系統服務供給能力,還需進一步協調人地矛盾、經濟發展與生態保護之間的矛盾,確保生態質量不降低。

生態改良區為生態系統服務供需狀況輕度赤字的縣區。該區域廣泛分布于河北省,2005年與2015年面積占比分別為70.32%和45.54%,在2015年范圍明顯縮小。該區域的主要特征為森林資源有限,碳固持服務供給能力較弱,難以支撐由于經濟社會發展造成的高碳排放量；而且該區域水資源較為匱乏,缺少有效的雨水收集措施,缺水問題難以得到有效解決,生態環境面臨的壓力較大。該類型區應全面抑制赤字加深的趨勢,開展生態保護措施,提高森林覆蓋率,控制建設用地擴張速率。該區域應當著重發展生態經濟,控制污染型產業的發展,推廣節水農業,促進經濟社會健康發展。

生態恢復區在2005年主要集中于北京市、天津市以及河北省西南部,但在2015年該區域開始以石家莊市、唐山市、保定市等多個河北省地級市城區為中心,向其周邊縣區擴展。2015年生態恢復區的縣區數量達到69個,面積占比為26.12%,且新增的55個縣區中有54個由2005年生態改良區轉化而來。該區域各項生態系統服務供給難以滿足人口壓力帶來的生態系統服務需求,多屬于“低供給-高需求”的匹配模式。因此,應當著重緩解人地矛盾,調整和優化土地利用結構,提高土地資源和水資源利用效率,增加城市生態用地。

生態控制區在2015年集中于北京市和天津市的核心城區,縣區數量達到14個,且均由2005年生態恢復區轉化而來。該區域擁有極高的人口密度,土地利用類型主要為建設用地。為緩解生態系統服務供需矛盾,該區域應當全面創新京津冀協同發展模式,從人地關系調節入手,疏解城市功能,緩解人口壓力,并在此基礎上完善城市綠色基礎設施建設,增加城市綠地覆蓋率；河北省應當建立完善的水源、糧食供應鏈,彌補京津地區水、糧供給不足的缺陷,扭轉整個區域生態系統服務供需錯位的現象。

4 結論與討論

4.1 結論

(1)京津冀地區各項生態系統服務供給與需求空間異質性明顯。在2005年和2015年,產水服務供給高值區集中于東北部沿海地區,碳固持服務供給高值區集中于北部高原山地區,糧食服務供給高值區集中于冀中平原地區。而京津冀地區產水服務、碳固持服務和糧食服務的需求高值區主要集中于人口密度較大的北京市、天津市、石家莊市與邯鄲市,且分別以這四個地區為中心呈環狀分布。總體來看,京津冀地區生態系統服務供給與需求空間錯配明顯,多為“高供給-低需求”和“低供給-高需求”匹配模式。

(2)京津冀地區各項生態系統服務的供需特征差異明顯。在2005年和2015年,三項服務的供需比關系均為碳固持服務>糧食服務>產水服務,其中碳固持服務和糧食服務處于供需盈余狀態,產水服務處于供需赤字狀態,且在此期間三項生態系統服務供需比均為降低態勢,生態質量進一步降低的風險較大。此外,各項生態系統服務供需狀況呈現不同的空間分布特點,京津地區與河北省地區供需狀況差異較大,河北省北部與南部的差異較大。

(3)2005年與2015年京津冀地區生態系統服務綜合供需狀況呈赤字狀態。2005年與2015年綜合供需比分別為-0.09與-0.16,整體處于供不應求的狀態,2015年較2005年,赤字增加明顯。未來京津冀地區赤字范圍應將主要集中于京津地區,盈余范圍集中于張承地區,張承地區應當長期作為京津冀地區核心的水源,碳固持供給區域,而南部冀中平原地區則應主要發揮糧食生產優勢。

(4)京津冀地區生態系統服務供需類型區范圍變化明顯。生態改良區擁有明顯的主導地位,在2015年生態改良區范圍明顯減少。京津冀地區生態系統服務供需狀況兩極化趨勢較為明顯,其中靠近城市中心城區的縣區生態系統服務供需狀況進一步惡化的風險較大。

4.2 討論

京津冀地區地形條件復雜,內部各地區自然環境稟賦差異較大,因此生態系統服務供需空間異質性明顯。本文測算的三項生態系統服務中,產水服務供需赤字最為嚴重,將是影響京津冀地區生態系統穩定性的重要因素。除張承地區外,京津冀大部分地區產水服務處于較為嚴重的供不應求狀態。隨著京津冀地區經濟社會發展和人口進一步增長,短時間內該區域缺水態勢將難以得到有效扭轉,因此全面推動節水措施,實現雨水高效利用對促進京津冀地區可持續發展具有重要作用。京津冀地區碳固持服務雖然在2005年與2015年總體處于供需盈余狀態,但空間分配不均現象較為嚴重,主要盈余區域集中于張承地區以及西部太行山地區,而東南部廣大平原地區則由2005年的盈余狀態轉變為2015年的赤字狀態，因此應當著重加強冀中平原地區生態環境建設,提高土地利用效率,保護生態用地。

此外,生態系統服務綜合供需水平受到多種因素的影響,本文僅選用產水、碳固持和糧食生產三種生態系統服務,勢必會對研究結果的全面性產生一定影響；從生境質量、土壤保持等多角度量化生態系統服務供給與需求,是今后重要的研究方向。