黃河流域生態系統服務供需匹配及生態管理分區研究*

郅宏宇 張 磊

(1.河南工程學院商學院,河南 鄭州 451191;2.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

生態系統服務是人類社會發展的重要物質基礎[1]3-15。人類從生態系統中獲得的各種服務提高了人類的福祉,但不合理的高強度開發嚴重影響了生態系統的可持續發展[2-3]。此外,隨著全球人口的增加和社會經濟的快速發展,對食物、水資源和能源等服務的需求將會日益劇增[4],這將進一步影響生態系統服務的狀況。因此,在衡量一個生態系統的可持續發展狀態時,生態系統服務的供給和需求關系是不可分割的[5]。在此背景下,應開展生態系統服務供需的定量評估,并有效劃分生態管理分區,這對于制定完善的生態系統服務管理政策以實現人與自然的和諧發展具有重要意義。

自1997年COSTANZA等[1]3-15對全球生態系統服務進行價值評估以來,生態系統服務的價值在全球范圍內被廣泛研究。早期,對生態系統服務的研究主要集中在生態系統服務的內涵、分類、評價方法等方面。在研究內容上,國內外學者在研究中把人的需求納入生態系統服務的評估范圍,認為生態系統服務的狀況是由供給和需求共同決定的[6]。當前,對生態系統服務供需關系的研究主要集中在供需評價[7]9064,[8]、文化服務[9]、水體調節服務[10]、土壤保持服務供需關系[11-12]、生態系統服務供需權衡[13]、供需的空間耦合[14]、土地利用變化對生態系統服務供需的影響[15-16]等方面。如BURKHARD等[17]將土地利用、生態系統服務供給和需求聯系起來,構建了一個生態系統服務供需矩陣,以此繪制了德國中部的生態系統服務供需地圖,并詳細闡述了生態系統服務供需的定量方法和空間可視化概念;WANG等[18]通過生態系統服務供給指數和土地開發指數等構建了生態系統服務的供需匹配模型,進而揭示了我國生態系統服務供需的空間不平衡和時空格局變化。這些研究都在支撐生態系統服務的可持續利用方面提供了重要的科學依據,但已有研究多止步于對生態系統服務供需關系的描述上,從空間角度出發,基于供需匹配關系進一步開展生態管理分區的探索還有待豐富。此外,現有供需關系的研究主要集中在全球、國家、省域尺度,而對流域尺度,尤其是黃河流域的研究還相對較少。

為此,本研究以黃河流域為研究區,采用修正的生態系統服務價值計算方法以及地均國內生產總值(GDP)、人口密度和土地利用強度綜合指數分別測算黃河流域的生態系統服務供給和需求,并結合供需的匹配關系分析提出黃河流域生態管理分區及差異化生態管理建議,以期為改善生態系統服務供需失衡并增進人類福祉提供科技支撐。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

黃河流域位于我國北部,流域內分布著許多重點生態功能區和重點產糧區,是我國重要的生態屏障,在我國社會經濟發展中也具有非常重要的作用[19]。結合李敏納等[20]提出的以黃河流域自然邊界為基礎,考慮行政區劃單元的完整性及地區經濟與黃河的關聯性等原則,結合數據可獲得性,最終選取60個地級市(見圖1)為本研究的黃河流域范圍。

圖1 研究區概況Fig.1 Overview of the study area

黃河流域地勢西高東低,海拔為-30～6 253 m。土地利用類型主要以草地和耕地為主,2018年分別占土地利用總面積的44.18%和27.89%。鑒于黃河流域在我國的重要地位,分析黃河流域生態系統服務的供需關系,并進一步劃分生態管理分區,對于黃河流域乃至全國生態保護和高質量發展都具有重要的現實意義。

1.2 基礎數據

本研究以2018年為典型年份開展數據的收集工作,包括土地利用類型、歸一化植被指數(NDVI)和社會經濟等數據。其中,土地利用類型數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn),空間分辨率為30 m,包括耕地、林地、草地、水體、建設用地和未利用地六大用地類型;NDVI數據同樣來源于中國科學院資源環境科學數據中心,空間分辨率為100 m;社會經濟數據來源于相關省份的統計年鑒和《全國農產品價格調查年鑒》,主要包括研究區的GDP、人口和糧食生產數據。

2 研究方法

2.1 生態系統服務供給測算

謝高地等[21-22]通過參考COSTANZA等[1]3-15的方法對我國近700名生態學家進行問卷調查,總結出適合我國尺度的生態系統服務價值當量因子。參考文獻[23]、[24],利用糧食生產數據計算一個生態系統服務價值當量因子的經濟價值(E,元/km2),進而采用式(1)計算生態系統單位面積的價值系數。在本研究中,為保證價值系數更符合黃河流域的生態實際,借鑒文獻[25]對價值系數進行修正。采用式(2)計算黃河流域各地級市生態系統服務價值(ESV,元)。

VCik=E×Qik×fi

(1)

(2)

式中:VCik為修正的土地利用類型k提供的第i項生態系統服務的單位面積價值系數,元/km2;Qik為土地利用類型k提供的第i項生態系統服務的當量因子;fi為第i項生態系統服務的修正系數;ESVi為第i項生態系統服務的價值,元;Sk為土地利用類型k的面積,km2。

鑒于黃河流域各地級市行政區劃面積的差異,為橫向比較各地級市生態系統服務供給的差異,采用地均生態系統服務價值反映各地級市生態系統服務供給能力。

表1 2018年黃河流域各土地利用類型生態系統服務價值Table 1 Ecosystem service value for different land use types in the Yellow River basin in 2018 億元

2.2 生態系統服務需求測算

生態系統服務需求指的是人類對生態系統所提供服務的偏好,往往以更廣泛的社會經濟特征來描述對生態系統服務的需求。參考文獻[5]、[7],采用地均GDP(x1,億元/km2)、人口密度(x2,人/km2)和土地利用強度綜合指數(x3)測算生態系統服務需求(D),計算公式見式(3)。

D=lgx1×lgx2×lgx3

(3)

2.3 生態系統服務供需匹配

采用四象限模型[7]9069對所求得的生態系統服務供給和需求進行供需匹配分析。首先,對生態系統服務供給和需求的計算結果進行Z-score標準化,計算公式參考文獻[26];然后,x軸表示標準化后的生態系統服務需求,y軸表示標準化后的生態系統服務供給,劃分出象限Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ,并依次代表高供給-高需求、高供給-低需求、低供給-低需求和低供給-高需求。

3 結果與分析

3.1 生態系統服務供給空間分異分析

2018年黃河流域生態系統服務總價值為13 657.86億元(見表1),從各土地利用類型來看,草地的生態系統服務價值(5 595.97億元)最高,其次為林地(3 865.84億元),其他用地類型的生態系統服務價值較低,說明草地和林地所提供的生態系統服務在黃河流域生態系統的供給中占有最重要地位。從四大類服務的價值來看,調節服務的生態系統服務價值(7 278.44億元)最高,占生態系統服務總價值的53.29%;其次為支持服務(4 224.38億元),占總價值的30.93%;供給服務和文化服務的價值最低。從9個子類服務的價值來看,生態系統服務價值呈現土壤保持>水文調節>維持生物多樣性>氣候調節>廢物處理>氣體調節>提供美學景觀>原材料生產>食物生產的順序,以土壤保持和水文調節服務價值最突出。此外,黃河流域生態系統服務價值存在明顯的空間差異(見圖2),這很大程度上與生態系統服務價值的測算方法有關,行政區劃面積較小的地級市提供的生態系統服務價值往往較低,如位于黃河流域東部的河南省和山東省,兩省所轄地級市的行政區劃面積較小,每個地級市所提供的生態系統服務價值均不超過191.31億元。

圖2 黃河流域各地級市生態系統服務價值Fig.2 Ecosystem service value of prefecture-level cities in the Yellow River basin

由圖3可知,地均生態系統服務價值自東南向西北總體呈現先減少、再增加、最后減少的空間變化特征。高值區分布較分散,在黃河流域的東、中、西部地區均有零星分布,其地均生態系統服務價值都超過了160.06萬元/km2;低值主要出現在河南鄭州市至山東德州市一線,不足91.39萬元/km2。黃河流域地均生態系統服務價值的高低分布與各地級市土地利用類型的構成密切相關,最高值在青海海北藏族自治州,達到188.49萬元/km2,該市有一半的土地被具有較高生態系統服務價值的草地所覆蓋,生態供給能力強;最低值出現在山東聊城市,僅為67.71萬元/km2,該市的林草地面積比例不足0.15%。

圖3 黃河流域各地級市地均生態系統服務價值Fig.3 Ecosystem service value per unit area of prefecture-level cities in the Yellow River basin

3.2 生態系統服務需求空間分異分析

由于流域內自然地理環境和社會經濟發展的差異,黃河流域地均GDP、人口密度、土地利用強度綜合指數和生態系統服務需求均存在顯著的空間異質性,但四者的空間格局較類似,整體呈現出自東向西遞減的空間變化特征(見圖4)。生態系統服務需求的高值區主要集中在黃河流域東部的河南省和山東省,這里社會經濟相對發達,人口集聚,土地利用開發強度高,進而對生態系統服務的需求較高;在黃河流域西部的青海省則對生態系統服務的需求較低,如青海果洛藏族自治州則是生態系統服務需求最低的地級市,這里經濟產出低、人煙稀少,地均GDP不足6億元/km2,人口密度不足3人/km2,土地利用類型主要以草地為主,面積占比高達82.47%,人類活躍程度較低,生態系統服務需求僅為0.8。

圖4 黃河流域各地級市生態系統服務需求Fig.4 Ecosystem service demand of prefecture-level cities in the Yellow River basin

3.3 生態系統服務供需匹配關系及生態管理分區

2018年黃河流域生態系統服務供給與需求匹配的象限分布如圖5所示。黃河流域生態系統服務供需匹配關系具有明顯的區域差異。經統計,高供給-高需求和低供給-低需求的地級市數量相對較少,分別占研究區地級市總數量的16.67%和20.00%,大部分地級市都落在了象限Ⅱ、Ⅳ內,屬于低供給-高需求和高供給-低需求,占地級市總數量的63.33%。而且,從生態系統服務供給與需求的空間相關性上看,生態系統服務供給與需求之間整體呈現顯著負相關(R=-0.400,P<0.01),這反映了黃河流域生態系統服務供給與需求之間的不匹配現象較突出。

圖5 黃河流域生態系統服務供給與需求分區Fig.5 Zoning of supply and demand for ecosystem services in the Yellow River basin

綜上可知,黃河流域生態系統服務供需狀況的空間差異明顯,為促進黃河流域生態保護與高質量發展,基于生態系統服務供給與需求匹配關系的4個象限分布結果,將黃河流域60個地級市分為4種生態管理類型(Ⅰ生態協調型、Ⅱ生態保育型、Ⅲ生態重構型和Ⅳ生態修復型),具體見圖6。

圖6 黃河流域各地級市生態管理分區Fig.6 Ecological management zoning of prefecture-level cities in the Yellow River basin

Ⅰ生態協調型(高供給-高需求)包括10個地級市,主要分布在山西省和河南省的交匯處,也包括山東東營市、陜西西安市和青海西寧市。這些地區具有一定的林草地等生態用地覆蓋,生態本底相對較好,且社會經濟基礎也較好,基本能滿足社會經濟發展的生態需求。如山東東營市,濕地資源豐富,擁有野生鳥類、新生濕地、河海交匯三大世界級自然資源,生態本底好,但由于城鎮化和工業化推進,對生態系統服務的需求也較高。因此,對這類地區應注重協調生態保護與社會經濟發展之間的矛盾,借助良好的經濟基礎和技術手段,鼓勵生態友好型的土地利用類型(如林草地、人工綠地),限制高污染的土地利用類型(如工礦用地),提高土地利用效率。

Ⅱ生態保育型(高供給-低需求)包含18個地級市,主要位于黃河流域西部的青海省和甘肅省,中部的陜西省和山西省,以及內蒙古呼和浩特市。這些地區地勢相對較高,生態用地占比較大,生態資源相對富足,但社會經濟發展滯后于生態建設,生態系統服務需求程度較低。如青海果洛藏族自治州大部分地區被草地覆蓋,生態環境好,但社會經濟發展水平明顯滯后,人與自然矛盾不突出。因此,本區應以生態保護為主,要注意保護原始生態狀態和生態系統的完整性,在保護生態系統的前提下提高土地利用效益,強化生態資源推動經濟發展的能力。

Ⅲ生態重構型(低供給-低需求)包括12個地級市,主要在黃河流域西北部的陜甘寧蒙4省區毗鄰地級市,呈集中連片分布。該區域由于開發強度不高,生態需求較低,但因未利用地比例高于黃河流域平均水平,生態供給有限。如內蒙古巴彥淖爾市未利用地占比高達34.95%,自然資源的供給能力有限,經濟發展相對落后。因此,在這類區域可考慮更多的生態修復項目(如植樹造林和土地整治等),在改善生態系統服務供給能力的同時,也可考慮以綠色經濟為導向,優化產業結構和生態空間結構,協同促進生態改善和社會經濟發展。

Ⅳ生態修復型(低供給-高需求)包括20個地級市,主要集中在黃河流域東部的山東省和河南省,也包括陜西咸陽市和渭南市、內蒙古烏海市、寧夏銀川市和甘肅蘭州市。該區域地勢平坦,建設用地、耕地等生產用地比例較大,在有限的生態供給下聚集了大量人口,人與自然矛盾突出。如河南鄭州市耕地和建設用地的面積比例分別為56.97%和26.81%,嚴重擠壓了林草地等生態空間,生態本底較差,而其作為省會城市,城市人口的集聚和社會經濟的快速發展增加了對生態用地的需求,人地矛盾突出。因此,這類區域應注意緩解人口壓力,城市建設應以集約利用現有建設用地為主,而不是占用林草地或自然生態系統。與此同時,應加快生態修復進程,完善城市綠地、公園等綠色基礎設施建設,以豐富景觀格局,提高生態系統服務供給能力。

4 結 論

(1) 2018年黃河流域生態系統服務總價值為13 657.86億元,以調節服務的生態系統服務價值(7 278.44億元)對研究區生態系統穩定性的維持最重要;黃河流域地均生態系統服務價值自東南向西北總體呈現先減少、再增加、最后減少的空間變化特征,最高值在青海海北藏族自治州(188.49萬元/km2),最低值為山東聊城市(67.71萬元/km2)。

(2) 黃河流域地均GDP、人口密度、土地利用強度綜合指數和生態系統服務需求整體均呈現出自東向西遞減的空間變化特征,需求的高值區主要集中在黃河流域東部的河南省和山東省,而西部的青海省則對生態系統服務的需求較低。

(3) 基于生態系統服務供需匹配的象限分布,將黃河流域劃分為四大類型區:①Ⅰ生態協調型,注重生態保護與社會經濟發展間的協調;②Ⅱ生態保育型,強化生態資源推動經濟發展的能力;③Ⅲ生態重構型,推動綠色經濟發展;④Ⅳ生態修復型,完善城市綠色基礎設施建設。