基于生态系统服务的中国生态福祉区划时空格局与潜力分析

郑德凤,王燕燕,刘晓星,姜俊超

(辽宁师范大学地理科学学院,辽宁 大连 116029)

生态文明建设关系人民福祉,关乎民族未来。现阶段国家高度重视生态文明建设,党的十九大报告中将建设生态文明作为国家可持续发展的千年大计。生态系统作为生态文明建设的重要载体,是人类可持续发展的基础资源。生态系统服务价值是生态系统为人类生存发展提供的产品与服务[1-2],开展生态系统服务研究是生态系统恢复、生态功能区划等重大战略需求[3],并对促进生态文明建设有重要意义。由于生态系统具有复杂性、多样性、区域性特点,难以精准评价生态系统服务价值,不能将生态系统服务与人类生产生活紧密联系,而千年生态系统评估(millennium ecosystem assessment,MA)计划的提出使生态系统服务与人类福祉首次结合,系统阐明生态系统的现状、变化及与人类社会发展的关系[4]。

近年来,人类在生产生活过程中对自然资源过度索取加剧了生态系统服务与人类福祉间的矛盾[5],国外学者就此展开了一系列研究。HOLLING等[6]提出了自然资源管理的黄金法则,有助于解决资源浪费、社会经济矛盾等有关生态系统服务与人类福祉间的问题。STEFFEN[7]通过文献分析评估了生态系统服务与人类福祉关系,旨在通过提高生态系统服务促进人类福祉。生态福祉问题在国内亦引起高度重视,刘家根等[8]用生态系统服务定量评估方法计算并分析了桐庐县生态系统服务价值与人类发展指数间的相互关系。上述生态系统服务价值包括物质产品等直接利用价值和维持生态平衡等间接利用价值,其评价过程可能存在重复计算问题,并且生态系统服务与人类福祉关系的研究多为定性分析,定量研究较少。

生态区划这一方案于1976年由美国生态学家Bailey首次提出,认为生态区划是空间关系组合自然单元的过程[9]。此后有关生态区划原则、指标和方法等研究大量出现。傅伯杰等[10]认为生态区划是生态系统与自然资源管理及持续利用的基础,可以为生态环境建设等提供科学依据。刘焱序等[11]、孙然好等[12]通过文献综述分别系统梳理了全球生态区划研究进展和中国现有生态区划方案,认为开展以功能区划为主的全球生态区划研究有利于实现区域生态安全保障与人地关系协调发展,并提出了现有研究缺少面向服务供需的生态系统区划。谢高地等[13]在保证县域边界完整性的基础上提出的生态区划方案可为我国生态环境保护和建设等提供依据。人类作为生态环境的重要组成部分,人类需求和福祉在生态区划中越来越受到重视,而现有研究中很少考虑有关人类福祉的生态系统服务分区。

为更好地反映生态系统服务与人类福祉间的定量关系,根据现有研究成果,臧正等[14]基于生态系统服务理论,考虑人类福祉概念,提出了生态福祉(gross of ecological well-being,GEW)定义与内涵,为“人类从自然环境中获取或享有的、由生态系统通过初级生产和次级生产提供的、与人类福祉直接相关的产品和服务”。笔者认为现阶段生态福祉核算过程忽视了为人类生产生活提供服务过程中,生态系统由于维护自身发展需消耗的生态系统服务价值,这部分价值不能为人类提供福祉。鉴于此,笔者引入生态系统贡献率对生态福祉核算方法进行改进,提出了基于相对公平与效率视角的生态福祉分类区划模型,并对中国省际生态福祉区划的时空分布格局进行分析。将人类福祉与生态系统服务结合研究,弥补了现有生态区划研究中缺少考虑人类福祉的不足,研究结果可为中国大陆生态福祉与生态扶贫区域划分提供定量依据,为推动中国生态文明建设提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

以中国31个省(区、市)(不包括港、澳、台地区)为研究对象,对2000—2015年省际生态福祉进行核算。涉及的2000—2015年土地利用数据通过相应年份的中国统计年鉴、中国国土资源年鉴和统计公报获得,粮食平均价格、耕地平均粮食单产和国内生产总值等数据通过2001—2016年《中国统计年鉴》获得。

1.2 研究方法

1.2.1基于生态系统服务理论的生态福祉核算方法

参考谢高地等[15]提出的生态系统服务价值修正算法以及臧正等[14]提出的生态福祉评估方法,引入生态系统贡献率(即某类土地生态系统为人类提供产品和服务的效率)对区域生态福祉进行核算,计算公式为

(1)

式(1)中,WGE为现期生态福祉,万元;p为粮食平均价格,万元·t-1;g为平均粮食单产,t·hm-2;eij为第i类生态系统第j种生态系统服务的当量因子(表1);ai为第i类土地利用面积,hm2;ci为第i类生态系统服务价值贡献率,计算方法详见文献[16]。

为了使不同年份生态福祉具有可比性,借鉴经济学中可比增长率及可比价格的概念,以2000年为基期,参照国家历年通胀率将生态福祉统一为不变价格,计算过程为

WGE′=WGE/(1+En)=WGE/[1+(In-Io)/Io]。

(2)

式(2)中,WGE′为统一后的生态福祉,万元;En和In分别为第n期通货膨胀率和居民消费价格指数(CPI);I0为基期CPI值。

表1 中国陆地生态系统单位面积生态福祉当量因子

Table 1 Ecological well-being pre unit area of Chinese terrestrial ecosystem

生态福祉耕地林地草地湿地水域未利用地 食物生产与供给1.000.100.300.300.100.01 能源与原材料供应0.102.600.050.070.010 娱乐及文化服务0.011.280.045.554.340.01 生物多样性保护0.713.261.092.502.490.34 涵养水源及调洪灌溉0.603.200.8015.520.380.03 土壤水分及营养盐保持1.463.901.951.710.010.02 调节区域小气候0.892.700.9017.10.460 释氧固碳及净化空气0.503.500.801.8000 废弃物处理与吸纳1.641.311.3118.1818.180.01

1.2.2基于相对公平与效率视角的生态福祉区划模型

福利经济学一直围绕公平与效率2大主题展开讨论并不断发展,生态福祉作为与可持续发展有关的概念,基于公平与效率视角对生态福祉进行定量评价必不可少。借鉴现有生态福祉与生态-经济产出效率模型的研究成果[14],以人均生态福祉模型体现公平性原则,以生态-经济产出效率模型体现效率性原则,相应的计算公式分别为

WGE,p=WGE′/P,

(3)

CEE=PGD/WGE′。

(4)

式(3)～(4)中,WGE,p为区域人均生态福祉,万元·人-1;P为区域人口;CEE为生态-经济产出效率(简称生态-经济效率);PGD为地区国内生产总值不变价格,其计算方法与式(2)相似,万元。

人均生态福祉、生态-经济效率均是基于绝对视角(有量纲)对不同区域指标差异进行评价。为进一步明确评价结果的政策导向,借鉴经济学的区位熵理论,提出相对福祉指数(IGEW,R)和相对效率指数(IEEC,R),分别反映相对视角的公平性原则和效率原则,计算公式分别为

IGEW,R=(WGE,k′/Pk)/(WGE,c′/Pc),

(5)

IEEC,R=(PGD,k/WGE,k′)/(PGD,c/WGE,c′)。

(6)

式(5)～(6)中,IGEW,R为相对福祉指数,又称公平指数;k为区域;c为全国平均指标。IGEW,R值越大表明区域k的人均生态福祉相对于全国平均水平越高,对提高全国生态系统服务供给能力的区域贡献越大。IEEC,R为相对效率指数,简称效率指数,其值越大表明区域生态-经济效率相对于全国平均水平越高,在消耗单位生态系统服务价值的前提下对提高全国经济和社会效益的区域贡献越大。IGEW,R>1表示区域人均生态福祉超过全国平均水平,该区域为高福祉区,IGEW,R<1则为低福祉区;IEEC,R>1表示区域生态-经济效率超过全国平均水平称为高效率区,IEEC,R<1则为低效率区。

1.2.3双变量空间自相关分析

为了研究多个变量间的空间相关性,有关学者在Moran′sI指数的基础上提出了双变量空间自相关指数,与单变量空间自相关相比,可以将不同要素间的空间分布关联性进行研究[17-18],其计算公式为

(7)

1.2.4生态福祉潜力指数模型

借鉴农业碳排放潜力指数[19]定义,将相对福祉指数与相对效率指数进行标准化处理,在此基础上基于公平与效率兼顾的原则构建生态福祉潜力指数模型,计算公式为

IGEW,P=wIGEW,R+(1-w)IEEC,R。

(8)

式(8)中,IGEW,P为区域生态福祉潜力指数;w为公平指数IGEW,R的权重,取值范围为[0,1],该权重反映决策者在公平原则与效率原则之间的权衡倾向。参照文献[19]构建农业碳减排潜力指数时对公平与效率指数权重的确定方法,设置3种情景:情景1为相对福祉指数与相对效率指数权重相等,w=0.5,表示决策者认为生态福祉区域划分的公平性与效率性同等重要;情景2为公平优先原则,w>0.5,决策者认为生态福祉区域划分应更多地考虑区域公平性;情景3为效率优先原则,w<0.5,决策者更注重区域效率性。

2 实证分析

2.1 中国省际生态福祉与生态-经济效率时间演变分析

根据建立的生态福祉核算方法和生态福祉区划模型计算得到2000—2015年中国31个省(区、市)的生态福祉、人均生态福祉和生态-经济效率,选取2000、2005、2010和2015年为代表年份绘制趋势变化图(图1～2)。由于内蒙古、西藏、青海和新疆的人均生态福祉计算结果比其他省份明显偏高,北京、天津、上海、山东和江苏的生态-经济效率比其他省份明显偏高,将其与其他省份分开制图。

图1显示,在研究时段内中国省区市人均生态福祉不断提高,2015年之前多数省区市人均生态福祉小于1万元·人-1。西藏、青海、内蒙古和新疆人均生态福祉位于前列,表明这些省份生态系统服务供给能力高;而北京、天津和上海人均生态福祉居于后列,并随时间推移,变化幅度缓慢,生态系统服务供给能力较低。图2显示,中国各省区市生态-经济效率在研究期内大幅度提高,其中北京、天津和上海增长速度领先,沿海地区效率增长速度比内陆地区快,这与中国通过一系列改革开放政策不断融入世界经济,使经济快速发展有关。而内蒙古、西藏、青海和新疆生态-经济效率居于后列,生态-经济效率较低。从中国省际人均生态福祉与生态-经济效率时间演变趋势可以看出,人均生态福祉与生态-经济效率在区域分布上存在很大差异,多数地区处于相反的趋势状态。为了使生态福祉与生态-经济效率有效结合,生态系统服务在提高人类福利的同时能最大限度地保护生态环境,对生态福祉进行区域划分尤为重要。

图1 中国省际人均生态福祉时间演变趋势

图2 中国省际生态-经济效率时间变化趋势

2.2 中国省际生态福祉区划的时空分布格局分析

基于计算得到的2000—2015年中国31个省(区、市)相对福祉指数和相对效率指数的公平性与效率性差异,将中国生态福祉区域划分为高效-高福祉区、高效-低福祉区、低效-高福祉区、低效-低福祉区4类。由于研究期内中国省际生态福祉区划空间分布格局演变具有较高连续性,仅列出4个代表年度的区划结果(图3)。

审图号： GS(2020)129号

图3显示,在研究时段内高效-低福祉区与低效-高福祉区区域面积占比较大,东、西部地区分异明显。2000年东部的辽宁等11个省市,中部的山西、河南、湖北和安徽4省,以及西部的重庆属于高效-低福祉区,其人均生态福祉低于全国平均水平,而生态-经济效率达到或超过全国平均水平。这表明上述地区生态系统服务供给能力较低,但其消耗单位生态系统服务获得的经济效益较高,原因在于中、东部地区位于中国第二、三阶梯,交通通达度较好,社会经济发展较快,地均生态福祉相对于西部地区较高,资源容易获取和利用,生态系统服务的利用率高,但其生态系统服务价值比西部低,人口密集,当地生态系统为每人提供的生态福祉较少。西部的西藏、新疆、青海、内蒙古、四川和云南6省区以及中部的黑龙江、吉林和江西3省属于低效-高福祉区,其人均生态福祉高于全国平均值,生态-经济效率低于全国平均水平,主要由于这些省区拥有丰富的自然资源和良好的生态环境,人口密度较低,当地生态系统为区域人口提供的生态福祉较高。西部的宁夏、甘肃、陕西、广西和贵州5省区以及中部的湖南省属于低效-低福祉区,原因在于这些地区地理位置主要偏内陆,生态环境较脆弱,交通通达度较差,地均生态福祉与全国其他地区相比较低,能源资源不易获取和利用,生态系统服务供给能力低,而且这些地区经济发展较缓慢,以传统型产业为主,生态系统服务转化为经济效益的能力较低,生态-经济效率低。

2005年东部的海南省从高效-低福祉区退出,此后的研究时段内一直处于低效-低福祉区。西部的甘肃、宁夏进入低效-高福祉区,这2个省份的生态系统服务供给能力在不断提高,间接表明这2个省份的生态保护成效较好。陕西省进入高效-低福祉区,其消耗单位生态系统服务价值取得的经济效益在不断提高,但生态系统的供给能力与2000年相比降低,间接说明该省在发展经济的同时以消耗生态环境为代价。由图3可知,西部的四川一直处于不稳定状态,在低效-高福祉区和低效-低福祉区之间来回波动。

2010年中部的江西从低效-高福祉区退出,降到低效-低福祉区;2015年西部的贵州进入高效-低福祉区,其消耗单位生态系统服务获得的经济效益在不断提高,中部的湖南也进入高效-高福祉区,这是首个进入高效-高福祉区的省份,说明湖南省近几年经济活力增强,结构调整积极进展,环境治理取得成效,人民生活在不断改善。

由图3可知,在研究时段内低效-低福祉区由2000年的6个省区减少到2015年的4个省区,这与现阶段中国提倡的生态文明建设,加大自然生态系统和环境保护力度以及经济发展较好相符合。由图1～3可知,现阶段,中国各省份很难使生态-经济效率与人均生态福祉同时达到较高水平,即高生态系统服务与高效率很难同时兼得。生态福祉的这种区划情况与近年来中国大陆地区产业转移和人口流动以及自然资源分布有关,东部沿海省份经济发展水平相比其他省份较高,产业结构不断完善,中、西部人口不断向东部流动,由于不断引进人才,科技水平处于较高状态。东部自然生态系统面积较小,地均生态福祉较高,能源资源容易获取和利用,人均生态福祉较低,当地生态系统为每人提供的生态福祉较低,高的生态系统服务利用率以及低的生态系统服务供给,导致该区域生态服务稀缺性加重。虽然生态系统容易控制,但不容易长期规划,易被经济发展蚕食弱化,长此以往容易造成难以弥补的损失。

随着时代发展，西部省份大量接收东部转移的高能耗产业来带动区域内经济发展,使其生态-经济效率有了明显提升。由于西部人口不断向外流动,使这些能源消耗大、污染性高产业在一定程度上破坏了生态环境,相比东部而言,其工业总量较小，发展水平低,工业化进程推进缓慢,对人均生态福祉的影响较小。但由于西部多数省份处于第一阶梯,海拔较高,交通通达度较差,地均生态福祉小于其他省份,即生态福祉获取利用较困难。虽然当地生态系统为每人提供的生态福祉较高,但该区域经济落后,能源资源利用率低,长此以往不利于生态系统的可持续利用。中国东、西部自然资源分布较分散,利用困难,应增强东、西部之间的交流合作,提高资源、能源利用率,实现生态可持续发展及其生态文明建设。

2.3 相对福祉与相对效率全局与局部空间自相关分析

为进一步分析相对福祉与相对效率的空间关系,运用Geoda空间分析工具建立空间权重矩阵,计算得到两者的全局空间自相关指数Moran′sI均小于0,且P值小于0.01,通过显著性检验,说明相对福祉与相对效率存在显著空间负相关关系,相对福祉高的区域相对效率低,这与前文研究结果一致。

为更清楚地了解各省份间相对福祉与相对效率空间相关性及其分布情况,将两者进行局部空间自相关分析,选取2000、2005、2010、2015年4个代表年份用Geoda软件绘制双变量局部空间自相关的LISA聚集图(图4)。

由图4可知,在研究时段内呈现高-低相关的省份为新疆、西藏和青海,这3个省份相对福祉较高，但其相对效率较低,与前文所述这3个省份为低效-高福祉区的结论一致。该区域自然环境良好,拥有中国大部分的草原,青海是长江、黄河和澜沧江的发源地,水资源丰富,同时区域内人口稀疏,能为人们提供较高的生态福祉。但这3个省份位于西北内陆,交通条件较差,社会经济资源获取较困难,产业结构不合理,以劳动密集型等传统资源型产业为主,而且教育资源较落后,素质效益较低,虽然矿产资源丰富,但技术水平较落后,资源利用率较低,从而导致这些地区生态-经济效率较低。

呈现低-高相关的省份为北京、天津和河北,江苏在2000和2015年呈现低-高相关,与前文所述这些地区处于高效-低福祉区的结论一致。北京和天津土地面积小于全国其他省份,土地利用类型以耕地生态系统为主,生态福祉较低;河北和江苏土地利用类型以耕地、湿地和水域为主,生态福祉适中,但由于该区域经济较发达,中、西部人口向东部迁移,使得区域人口不断增加,人均生态福祉较低。该区域经济发展水平较高、产业结构完整,拥有先进的技术水平,外资投入力度较高,教育资源丰富,人口素质普遍较高,能源资源利用率高,使得该区域生态-经济效率高。

呈现低-低相关的省份为甘肃,四川在2000、2005和2010年呈现低-低相关,云南在2000和2015年呈现低-低相关。这些省份位于中部,其中甘肃和四川土地利用类型以耕地与草地为主,生态环境较脆弱,云南土地利用类型以耕地和林地为主,该区域生态福祉相对较低,同时由于甘肃、四川和云南地处内陆,经济社会条件较差,生产方式以粗放型为主,资源利用率较低,生态-经济效率低。

2.4 中国省际生态福祉潜力分析

根据生态福祉潜力指数模型计算得到中国各省区市年平均生态福祉潜力指数(图5)。在情景1公平与效率同等原则下,省际生态福祉潜力指数排名前5位的分别为北京(0.455)、西藏(0.454)、天津(0.281)、上海(0.278)和江苏(0.101);在情景2公平优先原则下排名前4位的分别为西藏(0.606)、北京(0.303)、天津(0.188)和上海(0.186);在情景3效率优先原则下排名前4位的分别为北京(0.606)、天津(0.374)、上海(0.370)和西藏(0.303)。比较生态福祉潜力指数排名靠前的北京、西藏、天津和上海4个市、区发现,西藏生态福祉潜力指数在公平优先原则下排名第1,在效率优先原则下排名最后,而北京、天津和上海与之相反。由图1可知,西藏人均生态福祉位居全国首位,属于低效-高福祉区,而北京、天津和上海生态-经济效率位居全国前3位,属于高效-低福祉区。

审图号： GS(2020)129号

图5 中国省际生态福祉潜力指数

由图5可知,北京、天津和上海生态福祉潜力指数在情景3效率优先原则下领先,这是因为这3个直辖市经济发展速度快,科技文化水平高,产业结构完善,能源资源环境效率水平高,虽然土地面积较小,生态福祉较低,但先进的科学技术以及高效的资源利用,使得有限资源被高效利用,在以最少的资源消耗获得最大的经济效益方面有很大潜力,生态系统服务转化为经济效益的能力较高。西藏生态福祉潜力指数在情景2公平优先原则下领先,这是因为西藏土地面积位于全国前列,土地利用类型以草地为主,生态福祉相比全国其他省份高,但地处内陆,交通通达度较差,经济增长方式以粗放式经营为主,生态系统服务供给能力水平高,但生态系统服务转化为经济效益的能力相对较低。将北京等地区的生态系统服务高转化能力引用到西部地区,同时加强东、西部生态福祉间的合作交流,能有效提高生态系统服务价值对人类生存发展的贡献能力。

由图5可知,多数省份在3种情景下生态福祉潜力指数排名差异较大,按情景2,西藏、青海、内蒙古、福建、黑龙江、江西和甘肃生态福祉潜力指数排名比情景1靠前,名次分别从2、6、13、17、23、28和31上升到1、5、7、16、19、27和29,意味着决策者侧重公平时,这些省份生态系统服务供给潜力较大,同时也表明这些省份应提高生态效率。按情景3,除北京、上海、江苏、广东、浙江和辽宁外的东部地区,除吉林、黑龙江和江西外的中部地区以及西部地区的陕西、宁夏、贵州和广西的生态福祉潜力指数排名比情景1靠前,意味着决策者侧重效率时,消耗单位生态系统服务价值对人类福祉的贡献较大,与此同时要加强这些省份的生态保护力度。

3 讨论

基于生态系统服务理论核算中国31个省区市生态福祉,尽管与谢高地等[20]应用改进方法得出的同期(2010年)中国大陆人均生态系统服务价值存在差异,但两者在整体趋势上具有较高一致性,表明笔者构建的生态福祉核算方法具有一定可靠性,并且生态福祉的表征方法与谢高地等[20]确定的生态系统服务价值方法相比更有实用性。基于相对公平与效率视角的生态福祉区划模型,将中国31个省区市生态福祉划分为高效-高福祉区、高效-低福祉区、低效-高福祉区、低效-低福祉区4类,与前人生态区划研究相比,考虑了人类福祉因素,加强了面向人类福祉的生态系统服务分区,体现了人类福祉在生态区划中的作用。

对生态福祉核算时所用数据来源于各统计年鉴、统计公报等,数据精度较低,计算结果存在一定误差,加之中国各省份间土地资源分布不均,土地利用类型存在较大差异,西部大部分地区土地利用类型面积比东部沿海省份大,这在一定程度上导致西部生态福祉比东部较大。为此在未来研究中应选用分辨率高的Landsat TM/ETM遥感影像数据,提高数据精度。此外,笔者仅对生态福祉总量进行分析,并未对各项生态系统服务的生态福祉进行核算分析,因此,在未来研究中仍需进一步分析各项生态系统服务的生态福祉。

4 结论与建议

(1)在研究时段内,中国31个省区市人均生态福祉与生态-经济效率在地域分布上存在很大差异,多数省份人均生态福祉高,生态-经济效率低,反之亦然。其中，西藏、青海和新疆人均生态福祉在全国排名靠前,生态-经济效率排名靠后。而北京、天津和上海人均生态福祉在全国排名靠后,生态-经济效率排名位居全国前3名。

(2)截至2015年,中国高效-低福祉区从2000年的16个省份增加至17个,低效-低福祉区从2000年的6个省份减少至4个,湖南是唯一进入高效-高福祉区的省份。2005年甘肃和宁夏进入低效-高福祉区,陕西进入高效-低福祉区,在研究时段内四川在低效-高福祉区与低效-低福祉区之间波动,稳定性较差。

(3)通过双变量空间相关分析得出,相对福祉与相对效率存在空间负相关关系,在双变量LISA图中高-低聚集区多分布在西部内陆地区,低-高聚集区多分布在经济发达的东部沿海地区。

(4)情景分析表明北京、天津和上海将单位生态系统服务价值转化为经济效益的潜力比其他省份高;西藏生态系统服务供给潜力相比其他省份高。

在研究时段内中国31个省区市以高效-低福祉区和低效-高福祉区为主,高效和高福祉两者很难兼得。在高效-低福祉区,应在政府政策指引下,充分发挥经济技术优势,与其他发展较缓慢地区开展有效合作,构建这些地区生态文明所需要的经济技术体系;在低效-高福祉区,应加大政府援助扶持,深入挖掘生态环境管理方面潜力,抓住西部大开发的机遇,加大政府支持力度,努力以最少的资源消耗和最小的环境损害来实现生态-经济效率提高。东部地区与西部地区生态福祉差异较大,应加大东、西部生态系统服务价值间的合作,实现东、西部生态福祉共同提高,通过促进西部地区生态-经济效率与东部地区人均生态福祉共同提高,从而实现中国各省份生态文明建设。在未来研究中,应增加自然、社会和科技文化等方面影响因素分析,使生态系统更公平高效地为人类生产生活服务。