基于生態系統服務的寧夏回族自治區自然-社會經濟協調性分析

胡 影,馮曉明,鞏 杰

1 蘭州大學資源環境學院, 蘭州 730000 2 中國科學院生態環境研究中心, 北京 100085 3 中國科學院大學, 北京 100085

生態系統服務(Ecosystem Services,ESs)是指生態系統所形成和維持的人類賴以生存和發展的環境條件與效用[1],為人類直接或間接從生態系統得到的所有效益[2]。以生態系統服務為主體構成的自然資本,是人類賴以生存和發展的資源與環境基礎[3],對人類社會福祉產生重要影響。20世紀以來,高強度的人類活動給生態系統帶來了巨大的沖擊和破壞,全球60%以上的生態系統服務產生明顯的退化現象,各類生態系統服務相互影響[4],表現為此消彼長的權衡關系和相互增益的協同關系[5—6],探究生態系統服務空間分布規律,揭示不同生態系統服務之間的權衡與協同關系的時空變化特征[7],對實現區域經濟社會與自然協調發展具有重要意義[8—10]。

黨的十九大提出“實施區域協調發展戰略”,處理好發展與保護的關系,是推進生態文明建設、建設美麗中國必須解決好的重大課題。國內外學者們陸續開展了社會-生態研究,通過構建不同的評價指標、使用多樣的統計分析方法[11—15],將重點放在兩者協調關系的評價、研究方法及相關衍生分析3個方面[16]。如Hanley等[17]對蘇格蘭的自然環境與社會經濟之間的關系進行了時間序列分析；岳曉燕等[18]運用信息熵法對15個副省級城市經濟、社會和環境協調系統發展進行了研究；段七零[19]、李春平等[20]運用分析法分別對江蘇省、山東省縣域社會-環境系統進行了定量評價；易平等[21]以嵩山世界地質公園為例,對地質公園的社會經濟和生態環境效益進行耦合協調度的研究,結果表明兩者耦合度越高越有利于可持續發展；關偉等[22]通過對遼寧沿海經濟帶經濟與環境耦合協調情況的時空演變分析,得到整體協調度穩步上升的結論。總的來說,全球針對干旱半干旱地區生態系統服務特點的模型開發與應用仍然匱乏[23],國內現有研究多集中在省級、地級城市或東部經濟熱點片區。我國西北干旱半干旱區生態系統服務空間異質性強,社會-生態系統匹配程度更加復雜。如何處理西北干旱半干旱區生態保護與社會經濟發展矛盾,提升系統恢復力,成為該區生態系統管理的關鍵問題[24]。

基于景觀生態學原理與生態系統服務科學理論,采用地理信息系統和數學模型等,本文運用生態系統服務功能與權衡綜合評價模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoff, InVEST)[25]和耦合協調度模型[26]等,評估寧夏自治區生態系統服務及其關系,并基于生態系統服務理念進行自然-社會經濟系統協調性分析[26],綜合考慮生態系統服務的熱點區與城市發展的耦合協調度類型,旨在提供區域尺度的可持續發展決策定量評估工具,為協調干旱半干旱區人地矛盾提供科學依據和借鑒參考。

圖1 研究區示意圖寧夏回族自治區Fig.1 Study area-Ningxia Hui Autonomous Region

1 研究區概況

寧夏自治區(104°17′—107°39′E,35°14′—39°23′N)位于中國西部的黃河上中游地區,處于黃土高原、蒙古高原和青藏高原的交匯地帶。行政區劃上共包括10個縣和12個市區(圖1)。研究區是我國生態安全戰略格局“兩屏三帶一區多點”中“黃土高原-川滇生態屏障”、“北方防沙帶”和“其它點塊狀分布重點生態區域”的重要組成部分,保障著黃河上中游及華北、西北地區的生態安全[27]。它位于“絲綢之路”上,多民族社會可持續發展和生態文明建設對西北地區乃至中國具有重要的示范意義[28—29]。

2 研究方法及數據來源

2.1 生態系統服務計算

本文通過InVEST模型中的泥沙輸移比例模型(SDR)、水質凈化模塊(NDR)、水量提供模塊(Water Yield)、碳儲存和固持模塊(Carbon Model)等分別開展土壤保持、水質凈化、水資源供給和固碳服務評估和制圖。

2.1.1土壤保持服務

InVEST模型中SDR模塊基于修正通用土壤流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation,RUSLE)對不同土地利用類型的柵格單元進行統計。計算如下：

USLEi=Ri×Ki×LSi×Ci×Pi

(1)

式中,Ri為降水侵蝕性因子[30](MJ mm hm-2h-1)；Ki為土壤可侵蝕性因(t hm2h MJ-1hm-2mm-1),LSi為坡度坡長因子,Ci為植被覆蓋和作物管理因子,USLEi為土壤侵蝕量。

2.1.2水質凈化服務

水質凈化養分持留模型(Nutrient Delivery Ratio Model,NDR)計算每一個像素的養分元素的量,并總結每一個流域的養分輸出和持留。主要算法為：

ALVx=HSSx×polx

(2)

(3)

2.1.3水資源供給服務

產水量模型計算是根據水循環的原理,通過降水、植物蒸騰、地表蒸散發、根系深度、土壤深度(土層厚度)和植被可利用水等參數經過模型計算獲得流域產水量。Water Yield模塊運行的基本計算公式如下：

(4)

式中,研究區每個柵格單元x的年產水量為Y(x),P(x)是柵格單元x的年降水量。AET(x)表示柵格單元x的年實際蒸散量。

2.1.4碳儲存服務

碳儲量模塊(Carbon Model)利用四個碳庫的碳儲量,估算當前景觀下的碳儲量,或者是一個時間段的碳固持。計算公式為：

Ctot=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(5)

式中,Ctot為區域總碳儲量(t),Cabove為地上部分碳儲量(t),Cbelow為地下部分碳儲量(t),Csoil為土壤碳儲量(t),Cdead為死亡有機碳儲量(t)。

2.2 生態系統服務熱點分析

(6)

(7)

(8)

本文利用 ArcGIS 10.6 軟件中的“采樣-創建漁網”工具創建寬度、高度均為 3km的格網,將研究區分為24125個規則格網；然后利用“分區統計”計算各項生態系統服務在各格網內的平均值；最后利用熱點分析判斷各項服務的熱點區和冷點區。

2.3 生態系統服務空間權衡關系分析-相關性分析

Z-score中心標準化后數據的Kolmogorov-Smirnov檢測結果表示,變量呈現非正態分布,因此使用R語言軟件選用Spearman相關系數定量化分析不同生態系統服務間的相關關系[33]。

2.4 耦合協調度模型

定義環境與經濟協調發展的定量評判指標如下：

(9)

T=αf(x)+βg(y)

(10)

(11)

式中,C為耦合度,表征系統間相互影響的強弱程度；T為環境與經濟效益(或發展水平)的綜合評價指標,它反映環境與經濟的整體效益或水平,K為耦合協調度,是耦合度與綜合得分的幾何平均數,綜合評估耦合度的強弱大小和協調水平的健康程度,可更好地表征生態系統服務與居民收入相互作用、良性耦合的程度[26,34]。其中,f(x)和g(y)分別是環境效益函數和經濟效益函數。α、β為待定系數,表示生態與經濟系統在評價指標中的權重。本文認為社會經濟發展與保護生態環境一樣重要[26],所以α、β均取值為0.5。k為調節系數,k≥2,結合寧夏地區實際情況及經濟指標特征,經過計算驗證,保證T∈(0,1),本文k=4。共選取寧夏地區22個縣區的16個居民福祉評價指標,具體見表1。

表1 寧夏區經濟系統評價指標

2.5 數據來源

本文涉及數據包括：(1)土地利用類型數據：從GlobeLand 30數據集獲取30m全球地表覆蓋數據；(2)DEM數據：從地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)對30m分辨率的GDTM數據進行DEM高程數據切割、融合拼接；(3)氣象數據：從中國氣象數據網(http://data.cma.cn/site/index.html)下載寧夏10個站臺自1990—2019年的逐月降水量數據、1990—2010年每月的平均降水量、輻射日溫數據和總輻射年總量數據；(4)全國1∶400萬土壤類型數據(中國土壤系統分類系統)(2000)；(5)社會經濟數據：來自《寧夏統計年鑒—2018》等。

3 結果與分析

3.1 生態系統服務的空間分布格局

寧夏自治區土壤保持表現為“南-中-北”逐漸遞減的三級梯度特征(圖2),土壤保持能力最高的區域位于南部,南部山區相較于北部川區植被覆蓋度更高,因而土壤保持量南北部差距較大。氮輸出量從南到北、從西到東呈現遞減的空間分布規律,這與當地人類活動密切相關。在景觀分析法中,農田、城鎮用地等具有較高的非點源污染風險,而林地、草地等景觀則可以對非點源污染物起到一定的截留作用[35]。這可能由寧夏地勢、農田擴張、城鎮化等導致,河流中匯入的營養物質增多,造成水環境污染[35]。產水量的空間分布格局表現為由南向北,由東向西逐漸遞減的趨勢,這與寧夏的降雨空間分布基本一致,南部山區降雨量全區最大,而蒸發量又相對較小,因而產水量最高；北部中溫帶荒漠地帶氣候干燥,降水量小,蒸發量大,因而產水量最低。碳儲量的空間分布主要表現為由東向西逐漸遞減的三級梯度特征,東南部山地、平原地區相對來說更靠近東部海域,植被覆蓋度較高,灌溉條件較好,土壤有機質含量高,所以碳儲量較高。

圖2 寧夏生態系統服務空間格局Fig.2 Spatial patterns of ecosystem services in Ningxia

3.2 生態系統服務熱點分析

圖3 寧夏生態系統服務熱點分布區Fig.3 Hotspot distribution of ecosystem services in Ningxia

表2 生態系統服務熱點統計

土壤保持的冷、熱點區集中分布在寧夏北、南部的狹長區域。冷點及次冷點區分布在“青銅峽市-利通區-靈武市”界限以北(置信度均在90%),熱點及次熱點共有2546個,主要在“西吉縣-原州區”以南(圖3、表2)。水質凈化的冷點區顯著性部分達到95%—99%,熱點及次熱點的分界線在“海原縣-原州區”的交界處。水資源供給的熱點和次熱點分布與土壤保持的分布情況基本一致,主要分布在南部山丘,包括涇源縣和彭陽縣等,這些區域降雨量大而蒸發量相對較小；冷點區位于永寧縣以北地區,該區發育風蝕地貌,植被類型是荒漠草原,氣候干燥(圖3、表2)。碳儲量冷熱點空間分布表現為明顯的東西分異,東部鹽池縣是主要的次熱點集中區(顯著性達到95%)；而相對地勢高差較大的西部由于植被覆蓋度低,土壤有機質含量低,成為碳儲量較低的冷點區(圖3、表2)。

綜合來看,四項生態系統服務的空間分布冷熱點區主要在寧夏的南北狹長區域,而中部,包括中寧縣、同心縣和紅寺堡等地區大面積不顯著,這可能與復雜多樣的地貌地形有關,其間有廣泛分布丘陵、山地、臺地和沙丘等[38]。

3.3 生態系統服務空間權衡與協同關系

圖4 寧夏生態系統服務散點圖矩陣Fig.4 Scatter plot matrix of ecosystem services in Ningxia ***表示在0.01水平(雙側)上顯著相關；主對角線以上部分圖中是各類服務間的相關系數；主對角線以下部分是標準化后的各類服務；軸值是標準化處理后的各類服務數值；各類服務單位：水質凈化(kg/hm2)、碳儲存(g/m2)、土壤保持(t/hm2)、水資源供給(mm)

在R中經分析得到寧夏地區生態系統服務散點圖矩陣(圖4),其中主對角線上是4種服務的直方圖及核密度曲線,核密度曲線反映橫軸數據分布集中程度；主對角線以上部分是各類服務間的相關系數；主對角線以下部分是各類服務間的散點圖及平滑擬合曲線[39—40]。在分布特征上,碳儲存的數據點分布較為集中,而水質凈化、土壤保持和水資源供給的分布則較為分散；從相關性來看,在縣級尺度上,各項生態系統服務之間顯著正相關(協同關系),其中水質凈化與水資源供給的相關性最高(相關系數是0.73),其次是碳儲量和水資源供給(相關系數是0.60)；而土壤保持與水質凈化、水資源供給的相關性較低(相關系數均在0.50以下)(圖4)。

從生態系統服務類型來看,調節服務(土壤保持、碳儲存、水質凈化)之間表現為協同關系,供給服務與調節服務為明顯的協同關系。

3.4 自然-社會經濟系統耦合協調性分析

根據耦合協調度模型,可計算得到研究區22個縣(市、區)的協調度、環境與經濟效益的綜合評價指數和耦合協調度(圖5)。

圖5 寧夏各縣區耦合協調度Fig.5 Coupling Coordination Degree of Counties and Districts in Ningxia K：耦合協調度(系數)；C：耦合度(或耦合系數)；T：環境與經濟效益的綜合評價指標,即綜合得分； g(y)：經濟效益函數得分；f(x)：環境效益函數得分

參考廖重斌[41]、曹詩頌等[42]的研究成果及寧夏自治區實際情況,將耦合協調度分為4類,即衰退失調類、瀕臨衰退失調類、勉強協調發展類和協調發展類[26],相應的分類區間分別是[0,0.4]、(0.4,0.5]、(0.5,0.6]、(0.6,1.0],具體劃分如表3。利用ArcGIS 10.6軟件繪制寧夏自治區各縣(區)耦合協調度的空間分布圖,并對不同協調度等級的縣(區)數量進行統計(圖6)。

從不同協調度等級縣(區)數量統計情況來看(圖6),寧夏自治區環境經濟協調度處于瀕臨衰退失調狀態的縣(區)有2個,均為環境滯后型；處于勉強協調發展狀態的縣(區)有11個,其中73%的縣區更注重經濟發展,生態系統服務與居民收入還不能做到較好的良性循環；處于協調發展狀態的縣(區)有9個,其中2/3的縣區環境保護相對超前；全區沒有處于衰退失調發展狀態的縣(區)。

從空間分布上看(圖7),除金鳳區和沙坡頭區屬于瀕臨衰退失調外,寧夏自治區內大部分縣(區)耦合協調度呈現勉強協調發展狀態。具體來看,處于勉強協調發展的縣(區)主要分布在寧夏自治區中部,這些縣(區)面積共3.64×106hm2(面積占比為59.98%)；處于協調發展的縣(區)主要分布在寧南、寧北的西吉縣、原州區、彭陽縣和惠農區、平羅縣、賀蘭縣、西夏區、興慶區、永寧縣,縣(區)面積共1.78×106hm2(面積占比為29.31%)；而西部和北部的沙坡頭區和金鳳區是2個瀕臨衰退失調類的縣(區),縣(區)面積共0.65×106hm2,(面積占比為10.70%),表明寧夏自治區中部的耦合協調度好于寧南、寧北,寧南、寧北地區好于西部地區。

表3 環境與經濟協調發展的分類體系及其判別標準

圖6 耦合協調度類型頻數Fig.6 Frequency of coordinated types

圖7 耦合協調度空間分布Fig.7 Spatial distribution of coordinated types

結合寧夏社會發展情況,通過相關性分析得到,地區耦合協調度與城鎮人口比重、城鎮常住居民人均可支配收入負相關,與農村常住居民人均可支配收入正相關。寧夏山區自然增長率較高,生態移民、勞務移民人數逐漸減少,但是農業轉移人口市民化步伐加快,進城落戶人口增加；由“鄉”到“城”的轉變雖然促進社會經濟發展,但對環境效益綜合得分有消極影響,體現在青銅峽、靈武和紅寺堡區等為勉強協調發展類。

區域產業分配模式明顯影響著耦合協調度。近年來寧夏大力實施創新驅動戰略,改善科研基礎條件,促進科技成果轉化,全區研發經費支出增速位居全國第9位,銀川市和石嘴山市對經濟高質量發展的支撐作用更加有力,同時對惠農區、平羅縣、賀蘭縣、西夏區、興慶區、永寧縣等區的協調發展起到重要作用。新中國成立初期,農業生產結構基本上停留在“農業以種植業為主,種植業以糧食為主”的單一結構階段,近幾十年來,該區產業結構不斷趨向優化合理,農業、工業和服務業的內部結構也由單一向多元化發展,對南部的西吉縣、原州區和彭陽縣的耦合協調發展具有積極影響。

瀕臨衰退失調類的區域,如沙坡頭區,應重點發展特色農業產業,如硒砂瓜、設施蔬菜等,但這些作物連年種植,加上近年環境愈加干旱,土壤肥力下降明顯,農村經濟基礎較差,財政用于農業的投入較少,不能滿足現代化農業建設的需求。

4 討論與結論

以“綠洲-山地-荒漠”并存的寧夏自治區為研究對象,基于InVEST模型和相關數據資料等,從空間和數量上定量分析了典型生態系統服務(土壤保持、水質凈化、水資源供給和碳儲存)的時空變化及其權衡關系,構建了耦合協調度模型,探討了典型生態系統服務與自然-社會經濟要素的協調性,取得以下主要認知。

(1)寧夏自治區生態系統服務空間分異明顯：土壤保持、水質凈化、水資源供給和碳儲存均呈現南高北低特征。

(2)生態系統服務類型上,調節服務(土壤保持、碳儲存和水質凈化)之間表現為協同關系,供給服務與調節服務為明顯的協同關系；縣域尺度上各項生態系統服務之間呈現為協同關系。

(3)地區耦合協調度與城鎮人口比重、城鎮居民人均可支配收入負相關,與農村常住居民人均可支配收入正相關。產業分配模式與耦合協調度有顯著相關關系。

(4)寧夏自治區各縣區的協調發展度總體較好,耦合協調度存在空間分異。數量上,50%的縣區屬于勉強協調發展類,約41.00%的縣區屬于協調發展類,金鳳區和沙坡頭區則為瀕臨衰退失調類的縣(區)(9.00%)；空間上,寧夏自治區形成了中部地區具有顯著發展優勢的空間格局。

本研究對于寧夏區生態系統服務變化及其與社會經濟協調發展認知具有重要作用,可為實現兼顧經濟發展和生態保護建設提供決策依據[43],但由于受基礎數據的限制,對生態系統服務空間分異的形成機理分析不夠深入。后期應在考慮生態過程與機理的基礎上進一步評估生態系統服務,以便更科學地認知生態系統服務間權衡/協同關系及其空間異質性。此外,由于生態系統結構和格局在不斷發生變化,單一時期生態系統服務與社會經濟要素耦合分析結果雖可揭示自然-社會經濟的協調關系,但必然會存在一定的誤差和偏差。未來應開展多時段、多時空尺度生態系統服務與社會經濟要素耦合關系研究,進一步提升研究發現的科學性和應用性。