北方農牧交錯帶生態系統服務供需匹配研究
——以赤峰市為例

焉恒琦，毛德華，王宗明,3，歐陽玲

（1.延邊大學 地理與海洋科學學院，濕地生態功能與生態安全重點實驗室，吉林 延吉 133002；2.中國科學院 東北地理與農業生態研究所，濕地生態與環境重點實驗室，吉林 長春 130102；3.國家地球系統科學數據中心，北京 100101；4.赤峰學院 內蒙古國土空間規劃與災害應急管理重點實驗室，內蒙古 赤峰 024000）

生態系統服務指的是人類直接從生態系統獲得的惠益[1]。了解生態系統服務間的關系是有效生態系統服務管控、治理以及決策的關鍵挑戰[2]。生態系統服務供給是生態系統所能提供的可以被使用的生態系統服務數量,生態系統服務需求是指在一定時空尺度下被利用與消費的生態系統服務數量[3]。同時考慮生態系統服務的供給與需求，能夠辨別生態系統服務沒有滿足人類需要的區域。此外，隨著經濟的發展，人類對自然資源的需求迅速增長，可能導致生態系統服務供應緊張、不足甚至短缺。因此，了解生態系統服務供給和需求之間的平衡可以促進可持續空間規劃，提升生活品質[4]。

北方農牧交錯帶是我國中東部農業區的一個重要的生態屏障，其在阻止生態系統荒漠化方面具有重要的作用[5]。因氣候變化與人類活動的共同影響，北方農牧交錯帶目前面臨著諸多生態挑戰，如過度放牧和旅游開發[6]。在生態資源受到破壞的情況下，生態系統服務供需關系如何呈現？赤峰市是典型北方農牧交錯帶，該區域生態環境脆弱，生態系統服務供需研究缺乏。通過對赤峰市進行實地考察和查閱文獻[7-9]，發現土壤保持、碳固持和糧食供給三個服務與區域內人類福祉息息相關。因此，本研究以赤峰市為例，基于InVEST模型、ArcGIS 10.3和社會經濟數據等評估該區域2015年生態系統服務供需分布及供需比。研究該區生態系統服務供需關系對解決農牧交錯帶資源環境脆弱和生態系統服務供不應求等生態問題提供相關依據，為構建區域生態安全格局提供科學的指導。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區概況

赤峰市作為科爾沁沙地的主體部分之一，處于內蒙古自治區東南部的西遼河上游，為內蒙古高原、遼河平原和冀北丘陵的交接復合部位[10]，與遼寧省、河北省毗鄰（圖1）。介于41°17′N—45°24′N，116°21′E—120°58′E之間，屬于溫帶半干旱大陸性季風氣候，雨熱同季，年均降水量在350~450mm左右，轄1市7旗2縣，總面積約9萬平方公里。因氣候因素和不合理的人為活動影響，赤峰市已變為典型的農牧交錯區。

圖1 研究區位置和土地覆被類型

1.2 數據源

本研究所用數據年份均為2015年，包括土地覆被數據、降雨侵蝕力數據、土壤可蝕性數據、歸一化植被指數數據以及社會經濟統計數據如表1所示。其中土地覆被數據所用影像來源于美國地質調查局（http://glovis.usgs.gov/）的Landsat OLI影像，所用影像均為云量小于10%且處于7-9月，采用面向對象分割方法進行分類提取，詳細方法參考Mao[11]等人研究，精度為94%。在計算生態系統服務供需前，運用ArcGIS 10.3軟件中的空間分析工具將所需數據進行重新采樣處理，使所有數據分辨率均為1km，以確保運算結果的準確性。

表1 生態系統服務評估所需數據介紹

1.3 生態系統服務供需評估

1.3.1 生態系統服務供給評估

（1）土壤保持服務供給

土壤保持與沉積是生態系統服務能力的重要方面，本研究運用InVEST模型中的SDR模塊來對土壤保持供給服務進行計算，具體計算公式如下：

式中，SS為土壤保持供給量；R為降雨侵蝕力；K為土壤可蝕性；LS為坡長因子；C為植被覆蓋因子；P表示土壤保持因子。其中降雨侵蝕力和土壤可蝕性均來自國家地球數據科學中心，坡長因子是基于DEM提取，植被覆蓋因子和土壤保持因子均參考InVEST模型使用手冊。

（2）碳固持服務供給

陸地生態系統通過將碳元素固定在土壤和植被中，以調節大氣中碳含量，從而對減緩氣候變化具有重要作用。本研究運用InVEST模型中的Carbon Storage模塊對赤峰市的碳固持服務供給進行評估，具體公式如下。

式中，CS為碳固持服務供給量，Cabpve為地上生物碳，Cbelow地下生物碳，Csoil為土壤有機碳，Cdead為死亡有機物；具體參數詳見Xiang[12]等人的研究。

（3）食物供給服務供給

食物供給不僅是糧食安全與社會穩定的關鍵保障，更是影響人民福祉的重要因素。食物供給服務是指赤峰市陸地生態系統和水生生態系統產生的物質或產品。參考劉立程[13]等人的研究成果，本研究采用NDVI比值來計算赤峰市食物供給量，具體公式如下：

式中，FS為各類糧食供給量，Gsum為赤峰市各類糧食、水產品和畜牧產品總量，NDVIi為耕地、水域和草地等土地覆被類型的柵格的NDVI，NDVIsum為赤峰市NDVI值之和。各類糧食、水產品和畜牧產品總量數據來源自2016年內蒙古統計年鑒。

1.3.2 生態系統服務需求評估

（1）土壤保持服務需求

確定實際土壤侵蝕量為土壤保持服務的需求量的前提是將人類希望獲取生態系統服務數量即生態服務需求量，實際土壤侵蝕量是人類希望能被治理的，因此以實際的土壤侵蝕量作為土壤保持服務的需求量。運用InVEST模型中的SDR模塊來對土壤保持服務需求進行計算[13]，計算公式如下：

式中，SD為土壤保持服務需求量，其余各因子計算方法與土壤保持供給量相同。

（2）碳固持服務需求

以赤峰市人均碳排放量作為碳固持服務需求量。基于赤峰市能源消耗總量與碳排放系數得到其碳排放總量，再根據赤峰市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，得到赤峰市碳固持服務需求量。赤峰市能源消耗總量包括煤炭、石油和天然氣，數據來源于2016年內蒙古自治區統計年鑒，碳排放系數參考楊迪[14]等人研究成果，并參考已有研究成果[13]得到如下計算公式：

式中，CD為碳儲存服務需求量，ppop為柵格人口密度，Dcp為人均碳排放量。

（3）食物供給服務需求

采用以“以人定需”的方法計算赤峰市食物供給服務的需求量，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/content_8638.htm）。并參考已有研究成果[13]得到如下計算公式：

式中，FD為食物需求量，Dfp為人均食物需求量，ppop為柵格人口密度數據。

1.4 生態系統服務供需比

生態系統服務的實際供給與人類需求的關系可以用生態系統服務供需比（Ecological supply-demand ratio，ESDR）表示，用以反映地區間的供需特征[15]。ESDR正值代表該生態系統服務供大于求，ESDR等于0表示供需平衡，ESDR負值表示供不應求。并參考已有研究成果[16]得到如下計算公式：

式中，ESDR為生態系統服務供需比，S為各項生態系統服務供給量，Smax表示各項生態系統服務在研究區供給量最大值；D為各項生態系統服務需求量，Dmax表示各項生態系統服務在研究區需求量的最大值。

2 結果與分析

2.1 生態系統服務供需分析

總體來看，赤峰市生態系統服務的供給量均大于需求量，但是每個生態系統服務的供需又存在一定的空間異質性，如表2與圖2所示。赤峰市整體土壤保持服務供給均值為5108.23t/km2，從各縣（旗）分布情況可以看出，喀喇沁旗和寧城縣的土壤保持服務供給量分列前兩位，而翁牛特旗為最低，導致這種空間分布的主要原因是降水與生態系統類型的差異。土壤保持服務供給高值區分布在阿魯科爾沁旗西北部、巴林左旗、巴林右旗大部分、林西縣、克什克騰旗東部、翁牛特旗西部、敖漢旗南部、赤峰市區大部分、喀喇沁旗大部分與寧城縣西部。赤峰市整體土壤保持服務需求均值為936.18t/km2，從各縣（旗）分布情況可以看出，巴林右旗和林西縣的土壤保持服務需求分列前兩位，巴林左旗、克什克騰旗及赤峰市區次之，而敖漢旗的最低。土壤保持服務需求高值區分布與土壤保持服務供給高值區大致相同。沒有土壤保持服務低供給高需求的城區，可能因為以實際侵蝕量表征土壤保持需求量，沒有考慮人口和經濟要素。

圖2 赤峰市生態系統服務供需空間分布

表2 赤峰市各縣生態系統服務供需（t/km2）

赤峰市整體單位面積碳固持服務供給均值為8891.14t/km2，從各縣（旗）分布情況可以看出，喀喇沁旗碳固持服務供給均值最高，寧城縣、赤峰市區和巴林左旗次之，翁牛特旗的均值最低。碳固持服務供給高值區分布在阿魯科爾沁旗西北部、巴林左旗北部、巴林右旗北部小部分、林西縣北部、克什克騰旗東部、敖漢旗南部、赤峰市區西部與東南部、喀喇沁旗大部分與寧城縣西南部，其高值主要分布于林區和濕地集中區。赤峰市整體單位面積碳固持服務需求均值為258.91t/km2，從各縣（旗）分布情況可以看出，赤峰市區碳固持服務需求最高，克什克騰旗最低。碳固持服務需求高值區分布在赤峰市區紅山區與元寶山區，寧城縣與喀喇沁旗碳固持服務需求均值在500t/km2以上，其他地區較少。這可能與人口聚集和商業發達程度有關。

赤峰市整體單位面積食物供給服務供給均值為184.95t/km2，從各縣（旗）分布情況可以看出，寧城縣的食物供給服務供給均值最高，林西縣、敖漢旗與赤峰市區次之，而巴林右旗的最低，形成這種空間分布的主要原因可能是與耕地分布情況有關，即受生態系統類型的影響。食物供給服務供給高值區分布在阿魯科爾沁旗南部、巴林左旗大部分、林西縣、克什克騰旗西北部、翁牛特旗西部和東北、敖漢旗北部、赤峰市區大部分、喀喇沁旗小部分與寧城縣東部。赤峰市整體單位面積食物供給服務需求均值為22.74t/km2，從各縣（旗）分布情況可以看出，赤峰市區食物供給服務需求位列首位，克什克騰旗的最低。食物供給服務需求高值區分布在赤峰市區紅山區與元寶山區，寧城縣、喀喇沁旗與敖漢旗的食物供給服務需求均值在30t/km2以上，其他地區較少。食物需求較高的地區為人口密集且人口密度大、經濟發達地區。

2.2 生態系統服務供需比分析

赤峰市土壤保持、碳固持和食物供給的ESDR均值分別為0.23、0.20和0.22，如表3所示。這也可以說明研究區內各項生態系統服務的供給量大于需求量，即為盈余。從數量匹配這方面來說，赤峰市各項生態系統服務供給充分。對各縣（旗）不同ESDR分析發現，赤峰市內部生態系統服務供需關系均為盈余，但分配有所差異。喀喇沁旗土壤保持和碳固持ESDR為赤峰市各縣（旗）中最大，林西縣食物ESDR為赤峰市各縣（旗）中最大；翁牛特旗土壤保持和碳固持的ESDR均為最小，喀喇沁旗食物供給的ESDR最小。土壤保持、碳固持和食物供給的ESDR均表現出顯著的城鄉差異，在赤峰市區以及各縣（旗）的中心城區的ESDR總是較高的，呈現出明顯的供過于求的情況；而在鄉鎮地區雖然也是供過于求，但ESDR的值相對較小。

表3 赤峰市各縣生態系統服務供需比

土壤保持ESDR最高的是喀喇沁旗（0.61），寧城縣（0.47）次之，巴林右旗（0.17）、阿魯科爾沁旗（0.14）與翁牛特旗（0.11）較少，其中翁牛特旗的最少。雖然ESDR均大于0，但ESDR值較小的三個地區需重視起來。從ESDR的空間分布（圖2）可以看出，ESDR較低的區域主要分布在赤峰市的中東部與西部地區，即阿魯科爾沁旗南部、巴林左旗南部、巴林右旗南部和西部、林西縣中部、克什克騰旗西部、翁牛特旗大部分區域、敖漢旗北部、赤峰市區東部小部分區域、喀喇沁旗東部以及寧城縣東部。這些區域由于植被覆蓋度低、水土防護措施差，是水土流失的易發區。ESDR較高的區域植被覆蓋較好。

碳固持ESDR均在0.40以下，最低的是翁牛特旗（0.13），巴林右旗（0.16）次之；碳固持ESDR最高值為喀喇沁旗的0.36，寧城縣的0.28次之。從ESDR的空間分布（圖2）可以看出，ESDR較低的區域主要分布在赤峰市的中部以及東部，即阿魯科爾沁旗南部、巴林左旗南部、巴林右旗大部分地區、林西縣南部、克什克騰旗西部、翁牛特旗大部分區域、敖漢旗北部、赤峰市區東部大部分區域、喀喇沁旗東部小部分區域以及寧城縣東部。這些地區多為城區，碳固持需求較高而碳固持供給較弱。ESDR較高區域的人口與工業較少，森林覆蓋率比較高，碳固持能力強。

食物供給ESDR最高的地區是林西縣的0.27，敖漢旗的0.26次之；食物供給ESDR最低的地區為0.17的喀喇沁旗。從ESDR的空間分布（圖2）可以看出，ESDR較低的區域主要集中在翁牛特旗東部、敖漢旗南部、赤峰市區西部、喀喇沁旗大部分地區、寧城縣西部、克什克騰旗西部、林西縣北部小部分地區、巴林右旗北部、巴林左旗北部小部分區域以及阿魯科爾沁旗北部。因為這些地區耕地面積少，食物供給較低。ESDR較高的地區為主要糧食產區并人口密度低，可為赤峰市提供大部分的食物消費。

3 討論與結論

3.1 討論

基于InVEST模型同時結合多數據源的方法對生態系統服務的供需關系進行分析，已成功應用于許多國家和地區的研究[17-19]。生態系統服務供需情況分別取決于當地自然環境狀況與人口、社會經濟發展。碳固持和土壤保持供給高的地區均為森林和濕地態系統分布較多地區，但森林和濕地態系統無法產生較高的食物供給。人口集中且密集地區各生態系統服務需求都處于高水平，反之處于低水平。人口集中且密集所需食物就會增加，促使該區域人類活動和農業活動頻繁，導致林地、草地、濕地等生態系統被侵占與破壞，進而影響土壤保持和碳固持服務。為應對以上種種情況，應堅決執行國家相關政策，如退耕還濕、退耕還草、退耕還林等政策，植樹種草，適當減少建成區與耕地的面積，對該地區的生態恢復具有重要作用。本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。

生態系統服務供需關系對環境決策方面有重要作用，其結果可對優先保護區域的劃定或集中區域管理干預等有借鑒意義。應對生物多樣性豐富與生態系統服務價值較高的地區進行優先保護[20]。同時也要加強鄰近區域的生態保護，作為優先保護區域的緩沖區[21,22]。從赤峰西北、克什克騰旗東部、赤峰市區西部、喀喇沁旗大部、寧城西部到敖漢旗南部為林區，這些地區是高供給、低需求的生態保育區，應繼續實施退耕還林、封山育林等政策。可以降低人類活動干擾，緩解林區生態壓力，從而提高森林覆蓋率，為恢復和提升生態系統功能創造條件。敖漢旗北部、赤峰市區東部、喀喇沁旗東部以及寧城東部為農業集中區，這些地區是低供給、高需求的生態調控區，以提高生態系統服務供給能力為主，進而提升其生態系統服務質量。另一方面，適度疏散密集的人口，降低人口密度。

本研究所得到的結果雖然為生態系統管理提供了一些線索，但也存在一定的局限性。對于方法來說，InVEST模型評估土壤保持和碳固持所用到的參數均參考已經發表的研究和模型使用手冊，缺少實地驗證。食物供給中，沒有考慮森林生態系統能夠提供食物，后續研究可進一步補充。本文只考慮了2015年生態系統服務情況，并未對長時間變化趨勢進行分析，同時也沒有進一步分析供需匹配關系，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[15]。赤峰市作為內蒙古自治區的糧食主產區，同時也是農牧交錯的生態脆弱區，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。

3.2 結論

本文以北方農牧交錯帶—赤峰市為例，基于ArcGIS 10.3和InVEST模型，采用多源數據，對赤峰市土壤保持、碳固持以及食物供給這三種生態系統服務的供需特征、數量以及空間分布進行分析，得到了生態系統服務供給、需求及供需比的空間分布情況，主要結論如下：（1）赤峰市各縣（旗）單位面積土壤保持、碳供給和食物供給均值均大于單位面積土壤保持、碳供給和食物需求均值，有明顯的空間差異；（2）喀喇沁旗的土壤供給與碳供給為最高，寧城縣的食物供給為最高，巴林右旗的土壤需求最高，赤峰市區的碳需求與食物需求最高，翁牛特旗的土壤與碳供給最低，克什克騰旗的碳與食物需求最低，巴林右旗的食物供給最低，敖漢旗的土壤需求最低；（3）喀喇沁旗的土壤和碳ESDR最高，林西縣食物ESDR最高，翁牛特旗的土壤和碳ESDR最低，喀喇沁旗的食物ESDR最低。評價不同生態系統服務的空間分布與供需關系，對資源的可持續利用和生態系統的保護具有重要意義。