松嫩平原生態系統服務供需研究

相恒星 ，張健，王宗明 ，毛德華

1. 中國科學院東北地理與農業生態研究所，吉林 長春 130102；2. 東京大學農學生命科學研究科，日本 東京 113-8657；3. 中國科學院大學，北京 100049；4. 國家地球系統科學數據中心，北京 100101

生態系統服務是生態系統形成并維持人類生存和發展的環境條件，其在生態和經濟效益方面對人類福祉做出巨大貢獻（Costanza et al.，2017）。隨著全球氣候變化和人口的急劇增加，以及土地利用的劇烈變化，生態系統服務的供需動態在很大程度上發生改變（García-Llorente et al.，2012)。理解生態系統服務的供需平衡是當代可持續發展的基本組成部分，也是闡明人與自然如何聯系的關鍵（Baró et al.，2015）。

準確量化生態系統服務供需分布的空間差異已成為多學科的研究熱點。當前，描述生態系統服務供需關系的方法主要有生態系統服務供需比、Getis-Ord Gi*、雙變量局部Moran’s指數和生態系統服務供需指數等。Lorilla et al.（2019）基于生態系統服務供需比和Getis-Ord Gi*方法描述了愛奧尼亞群島（希臘西岸沿海的長列島群）生態系統服務供需關系。劉立程等（2019）以蘭州市為例，基于生態系統服務供需比和雙變量局部Moran’s指數定量分析了4種生態系統服務供需的空間匹配現狀。Zhai et al.（2020）提出生態系統服務供需指數，并結合了雙變量局部Moran’s指數對中國沿海地區10個省進行了生態系統服務供需關系探討。徐凌星等（2020）通過生態系統服務供需指數，揭示了青藏高原生態系統服務供需關系?？傮w而言，當前對生態系統服務供需格局空間的簡易刻畫對生態系統管理具有一定意義，但通過多指標和多角度的量化評估方法仍有待于進一步優化，全面的評估區域生態系統服務供需狀況對于生態資源分配更具科學指導意義。

松嫩平原是我國東北地區三大平原之一（三江平原、松嫩平原、遼河平原），是中國重要的糧食產地之一，也是沼澤濕地的重要分布區之一，對于國家及區域糧食安全和生態安全至關重要。但由于全球氣候變化以及人類活動干擾，松嫩平原生態環境十分脆弱，生態系統服務供需呈現不平衡狀態（羅玲等，2015）。已有研究僅對松嫩平原生態系統服務價值變化進行了分析（王宗明等，2008），但仍缺乏對該地區生態系統服務供需匹配的全面認識。綜上，本文系統研究了2015年松嫩平原3種生態系統服務供需情況，首先基于InVEST模型、ArcGIS 10.6和社會經濟數據等評估該區域生態系統服務供需分布及供需比，其次利用相關性分析揭示了3種生態系統服務權衡與協同關系，最后基于Geoda空間分析軟件，采用K-means聚類分析方法對3種生態系統服務供需比進行分類，以支持該區域的生態系統管理策略。本研究對優化自然資源的使用和管理，實現生態系統服務的可持續發展具有重要指導意義。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區概況

松嫩平原是松花江和嫩江沖擊形成的平原，位于吉林省西部和黑龍江省西南部，與大興安嶺和小興安嶺接壤，介于 42°49′—49°13′N，121°38′—128°19′E之間，總面積為22.4萬km2，該區域包括吉林省的長春市、四平市、松原市和白城市，黑龍江省的哈爾濱市、大慶市、綏化市、黑河市和齊齊哈爾市共9個市級行政區（圖1A）。該區域屬于溫帶大陸性季風氣候（羅玲等，2010），年均降水量為365—807 mm，年均氣溫為?2—7 ℃。該區域主要生態系統類型包括森林、草地、農田和濕地，其中農田占主要組成部分，覆蓋率為66.2%。（圖1B）。

圖1 研究區位置和土地覆被類型Fig. 1 Geographic location of the Songnen Plain and spatial pattern of land cover in 2015

1.2 數據來源

本研究所用數據年份均為2015年，包括土地覆被數據、歸一化植被指數數據（NDVI）、氣象數據和社會經濟統計數據（表 1）。其中土地覆被數據所用影像來源于美國地質調查局（USGS）的Landsat OLI影像，所用影像均選取云量小于 10%且處于 8—10月，采用面向對象分割方法進行提取，詳細方法參考Mao et al.（2019），精度為94%。在計算生態系統服務供需之前，將所有數據基于ArcGIS 10.6平臺空間分析工具進行重采樣，使所有數據分辨率均為1 km。

表1 生態系統服務評估所需數據介紹Table 1 Description of the data used for ESs estimation

1.3 生態系統服務供需評估

1.3.1 產水量服務供給

本文采用InVEST模型產水量模塊計算松嫩平原產水量服務的供給，公式如下（王蓓等，2016）：

式中：

Yx——柵格x的產水量服務供給量（mm）；

Ex——柵格x的年潛在蒸散量（mm）；

Px——柵格x的年降水量（mm）。具體計算步驟參照Xiang et al.（2020）研究。

1.3.2 產水量服務需求

本研究將松嫩平原地區用水量分為生活用水、工業用水和農業用水，分別計算并加總得到松嫩平原產水量服務需求量，計算公式如下（劉立程，2020）：

式中：

Yd——需水量（m3）；

ppop——柵格人口密度（person·km?2）；

x——人均生活用水量（m3·person?1）；

Ggdp——柵格GDP密度數據（104yuan/km2）；

y——每萬元GDP耗水量（m3/104yuan）；

Ac——耕地柵格空間分布數據，提取自土地覆被數據；

z——耕地平均灌溉用水量（m3·km?2）。其中各省的人均生活需水量、每萬元 GDP耗水量和耕地平均灌溉用水量查閱自 2016年黑龍江省、吉林省統計年鑒。

1.3.3 碳固持服務供給

本文使用InVEST模型中的Carbon Storage模塊評估松嫩平原地區碳固持服務供給，具體公式如下。

式中：

Cs——碳固持服務的供給量（t·hm?2）；

Cabove——地上生物碳（t·hm?2）；

Cbelow——地下生物碳（t·hm?2）；

Csoil——土壤有機碳（t·hm?2）；

Clitterlayer——死亡有機物碳（t·hm?2）；具體參數詳見Xiang et al.（2020）的研究。

1.3.4 碳固持服務需求

本文以松嫩平原地區人均碳排放量作為碳固持服務的需求量?；谒赡燮皆茉聪目偭?，乘以碳排放系數得到松嫩平原地區碳排放總量，再除以松嫩平原地區人口總數得到人均碳排放量，最后結合柵格化的人口密度數據，得到松嫩平原地區碳固持服務的需求量，公式如下（劉立程，2019）：

式中：

Cd——碳固持服務的需求量（t·hm?2）；

ppop——柵格人口密度（person·km?2）；

Dcp——人均碳排放量（t·person?1）；松嫩平原能源消耗總量包括煤炭、石油和天然氣，數據來源于 2016年吉林省和黑龍江省統計年鑒。碳排放系數參考楊迪等（2018）研究成果。

1.3.5 食物供給服務供給

本研究參考劉立程等（2019）的研究成果，采用NDVI比值計算松嫩平原地區食物供給量，具體公式如下：

式中：

Fs——各類糧食供給量（t·km?2）；

Gsum——松嫩平原地區各類糧食、水產品和畜牧產品總量（t）；

Ni——耕地、水域和草地等土地覆被類型的柵格的NDVI；

Nsum——松嫩平原NDVI值之和。各類糧食、水產品和畜牧產品總量數據來源自 2016年黑龍江省、吉林省統計年鑒。

1.3.6 食物供給服務需求

本研究采用以人定需的方法計算松嫩平原地區食物供給服務需求量，計算公式如下（劉立程等，2019）：

式中：

Fd——食物需求量（t）；

Dfp——人均食物需求量（t）；

ppop——柵格人口密度數據（person·km?2），松嫩平原地區人均食物需求量采用國務院辦公廳印發的中國食物與營養發展綱要（2014—2020年）（http://www.gov.cn/zhengce/content/2014-02/10/conten t_8638.htm）。

1.4 生態系統服務供需比

本研究使用生態系統服務供需比指標來量化生態系統服務的供需情況，具體公式如下（Lorilla et al.，2019）：

式中：

IESCD——生態系統服務供需比；

S和D——各項生態系統服務供給量、需求量；

Smax和Dmax——各項生態系統服務在研究區供給量最大值、需求量的最大值。若 IESCD正值代表該生態系統服務供大于求，IESCD等于0表示供需平衡，IESCD負值表示供不應求。

1.5 生態系統服務權衡與協同分析

本文基于SPSS軟件對松嫩平原各生態系統服務進行Person相關分析，在研究區內構建1848個漁網（10 km×10 km）提取各網格的點值，用來分析3種生態系統服務彼此的權衡與協同關系。如果兩種生態系統服務之間的相關性r為正（P<0.05），則表示兩種生態系統服務為協同關系。如果兩種生態系統服務之間的相關性r為負（P<0.05），則表示兩種生態系統服務為權衡關系（Cui et al.，2019）。否則，種生態系統服務之間的關系不顯著。r的絕對值可以判斷兩種生態系統服務之間的相關強度，可分為高度相關（|r|≥0.6）、中度相關（0.3≤|r|<0.6）和微弱相關（0<|r|<0.3）。

1.6 生態系統服務聚類分析

本文基于Geoda空間分析軟件中K-means聚類方法對松嫩平原地區生態系統服務供需進行聚類分析。聚類分析的原理是通過衡量不同生態系統服務之間的相似性和相異性劃分為不同類別的生態系統服務簇（祁寧等，2020）。即本研究是把具有相似生態系統服務的網格劃分到同一種生態系統服務簇，便于松嫩平原整體生態系統管理政策的制定。本文經過測試，聚類數目為4時，聚類結果穩定，效果最佳。

2 結果與分析

2.1 生態系統服務供需分析

總體來看，松嫩平原地區生態系統服務的平均供給量均大于平均需求量，但各生態系統服務供需存在空間異質性（表2和圖2）。松嫩平原整體單位面積產水量服務供給均值為 221.792×103t·km?2，長春市和四平市相對最高，最低的市為黑河市，其空間分布主要受降雨分布和生態系統類型的影響，高值區位于研究區東南部，低值區位于東北部。松嫩平原整體單位面積產水量服務需求量均值為148.849×103t·km?2，長春市、齊齊哈爾市和哈爾濱市產水量需求較高，白城市和黑河市相對較小，其需水多的地區主要集中于人口密集和經濟發達地區。松嫩平原整體產水量服務的供需比均值為0.027，其范圍介于?0.72—0.24之間，四平市的產水量服務供需比最大為0.04，齊齊哈爾市最小為0.016。

表2 松嫩平原各市生態系統服務供需Table 2 Summary of ESs supply and demand in the Songnen Plain

圖2 松嫩平原生態系統服務供需空間分布Fig. 2 Spatial patterns of ecosystem service supply, demand and supply-demand ratio (ESDR) in the Songnen Plain

松嫩平原整體單位面積碳固持服務供給均值為8907.067 t·km?2，最高的市為黑河市，最低的市為四平市，其高值主要分布在林區和濕地區。松嫩平原整體單位面積碳固持服務需求均值為 345.748 t·km?2，長春市和哈爾濱市相對較高，最低的市為黑河市，其高值主要分布在人口聚集和商業發達地區，其低值區人口密度相對稀疏。松嫩平原地區碳固持服務供需比均值為0.197，其范圍介于?0.58—0.95之間。碳固持服務供需比低值區位于城鎮聚集區，高值區多位于森林等生態環境較好地區。從不同市級行政區對比來看，黑河市最大為 0.348，四平市和長春市最小為0.139。

松嫩平原整體單位面積食物供給服務供給均值為383.6 t·km?2，最高的市為齊齊哈爾市，最低的市為黑河市，其供給量主要受生態系統類型的影響，農田分布集中區食物供給服務供給較高。松嫩平原整體單位面積食物供給服務需求均值為70.405 t·km?2，最高的市為長春市，最低的市為黑河市，食物需求較高的地區為人口密度大、工業發達地區。松嫩平原食物供給服務的供需比為0.43，其范圍介于?1.17—0.8之間，食物供給服務供需比低值區位于城區、經濟發達地區，高值區處在耕地較多、人口密度相對較小地區。從不同市對比來看，齊齊哈爾市最大為0.549，大慶市最小為0.337。

2.2 生態系統服務權衡與協同分析

生態系統服務供給、需求和供需比中各服務相關性和強度差異明顯（圖3）。生態系統服務供給側，3對生態系統服務相關性顯著（P<0.01），其中碳固持和產水量、食物供給均呈高度負相關，相關系數分別為?0.687和?0.809，表示為權衡關系。產水量和食物供給呈中度正相關，相關系數為 0.471，表示為協同關系；生態系統服務需求側，3對生態系統服務相關性顯著（P<0.01），3對生態系統系統服務之間均呈高度正相關，彼此之間為協同關系；供需比這側，3對生態系統系統服務相關性顯著（P<0.01），產水量與碳固持呈微弱正相關，相關系數為 0.207，表示為協同關系。食物供給與產水量呈微弱負相關，食物供給與碳固持呈中度負相關，兩者之間均為權衡關系。

圖3 生態系統服務供需相關系數圖Fig. 3 Correlation coefficients between ES pairs in 2015 in the Songnen Plain

2.3 生態系統服務聚類分析

生態系統服務供需比是反映供需關系的直接指標，生態系統服務聚類分析為管理策略的發展提供了關于多個生態系統服務之間關系的有價值的信息。本研究將松嫩平原進行K-means聚類分析，并最終確定出4類生態系統服務簇（圖4）。同一類生態系統服務簇呈現空間聚集趨勢，不同生態系統服務簇有顯著的空間差異。4類生態系統服務簇分別為：生態系統服務簇1廣泛集中在研究區域的中部，主要被農田覆蓋，分布面積占整個研究區域的58.4%；在該生態系統服務集群中，食物供給服務的供需比處于最高水平，產水量和碳固持服務需要改善。生態系統服務簇2分布在西部和南部地區，主要是濕地和草地覆蓋，占整個研究區域的30.1%；在該生態系統服務集群中，產水量服務供需比最大，碳固持和食物供給服務也相對較好。生態系統服務簇3廣泛集中在研究區域的東部，主要被林地覆蓋，分布面積占整個研究區域的10.6%；在該生態系統服務集群中，碳固持服務的供需比處于最高水平，盡管該服務簇具有較高的碳固持服務供給，但該生態系統服務集群中產水量服務和食物供給服務還需要改善。生態系統服務簇4零散分布在研究區域內，主要為城鎮或裸地，分布面積占整個研究區域的0.9%；在該生態系統服務集群中，產水量、碳固持和食物供給服務供需比均為負值，說明該區域供不應求，應重點改善其生態系統服務狀況。

圖4 生態系統服務簇和各生態系統服務簇中生態系統服務供需比值Fig. 4 Spatial distributions (A) and supply-demand ratio (ESDR) values (B) of various ESs bundles

3 討論

理解生態系統的權衡和協同可以對生態系統和景觀管理進行科學決策，以確保區域的可持續發展。松嫩平原碳固持供給與食物供給呈權衡關系，這與王川等（2019）在黃土丘陵區的研究結果一致，影響碳固持供給高的生態系統類型包括森林和濕地，但森林和濕地并沒有較高的食物供給能力。產水量供給與食物供給為協同關系，因為產水量充足有利于農作物生長，提高作物產量；在松嫩平原地區，人口密集地區的各生態系統服務需求都處于高水平，而低人口密度地區生態系統服務需求處于低水平，因此生態系統服務需求之間存在著共同的協同關系；松嫩平原產水量服務與碳固持服務的供需比之間呈協同關系，這與劉立程等（2019）研究結果相似。食物供給與產水量服務、碳固持服務的供需比之間呈權衡關系，這些研究結果與Peng et al.（2019）、Peng et al.（2020）、Xiang et al.（2020）研究結果相似。食物產量的增加會加強該區域人類活動和農業活動，致使該區域的生態系統遭到破壞，進而影響碳固持和產水量等服務。評估生態系統服務之間的權衡與協同能夠有效指導生態系統管理，制定合理政策。

生態系統服務簇分析可以將生態系統服務供需相似的區域聚類，對生態系統服務管理具有重要意義。在松嫩平原地區，可以通過城市間空間流動來緩解生態系統服務的供需不匹配。同時應該推行國家政策，例如退耕還濕還草、退耕還林等政策，因為生態系統服務供給高的自然生態系統（如林地、草地、濕地等）被占用和破壞，會減少生態系統服務供給能力。針對本文的研究結果，生態系統服務簇1有較高的食物供給能力，為協調生態系統關系，應加強退耕還濕、還草、還林，提高該區域固碳能力。而適度協調的生態系統服務簇2和生態系統服務簇3，生態系統服務供給總體處于高水平，生態系統服務需求處于低水平，因此生態系統服務供給充足。應持續保護該區域森林、草地和濕地，建設綠色經濟區有利于生態效益的發揮（劉華妍等，2020）。高度不平衡的生態系統服務簇 4分布在經濟較發達的城區，城市發展的區域格局趨于緊湊，人口的聚集和人工表面的增加導致了生態系統服務的供給較低，生態系統服務的需求較高，這是需要政府重點關注的領域之一，幾乎所有生態系統服務都供不應求。因此，植樹種草，減少建成區和耕地面積，對該區的生態恢復具有重要作用。在將環境評估轉化為土地使用或管理決定時，確定環境評估供求之間的空間格局是至關重要的。確定生態系統服務供應、社會需求和人類福祉之間的聯系不僅對科學研究很重要，而且對政策和實踐也很重要（Alkemade et al.，2014）。我們的研究結果可以提供有價值的信息，以協助政策制定者維持特定的生態系統服務或改善人類福祉。

本研究為生態系統管理提供了一些線索，但也存在一定的局限性。針對方法而言，InVEST模型評估產水量和碳固持所需參數均參考已發表文獻和模型使用手冊，缺少實際驗證。產水量需求中，沒有考慮生態需水，后續研究仍需要完善。并且本研究只考慮了 2015年一期現狀的生態系統服務情況，在未來的研究中，我們會完善多期多種生態系統服務的供需研究。松嫩平原作為東北地區的糧食主產區也是生態脆弱區，未來如何進一步監測及協調該區域的發展將是我們的研究重點。

4 結論

本研究基于ArcGIS 10.6軟件、InVEST模型、Geoda空間分析軟件對松嫩平原3種生態系統服務（產水量、碳固持和食物供給服務）進行供需分析，繪制了生態系統服務供給、需求和供需比的空間分布圖，求取不同市級行政區單位面積供需值和供需比，分析了生態系統服務權衡與協同的關系，并探討了4種生態系統服務簇特征。結果得出，松嫩平原不同市級行政區單位面積水供給、碳供給以及食物供給均值均大于單位面積水需求、碳需求和食物需求量均值。不同生態系統服務供需空間差異明顯，但總體供需比均值均大于 0，體現供給大于需求。不同生態系統服務簇特征明顯，應對生態系統服務簇1加強退耕還濕、還林力度，繼續保護生態系統服務簇2和3的區域協調性，同時提高生態系統服務簇4的供給能力。評價不同生態系統服務的空間分布和供需關系，對資源的可持續利用和生態系統的保護具有重要意義。