黄河流域生态系统服务供需匹配及生态管理分区研究*

郅宏宇 张 磊

(1.河南工程学院商学院,河南 郑州 451191;2.河海大学水利水电学院,江苏 南京 210098)

生态系统服务是人类社会发展的重要物质基础[1]3-15。人类从生态系统中获得的各种服务提高了人类的福祉,但不合理的高强度开发严重影响了生态系统的可持续发展[2-3]。此外,随着全球人口的增加和社会经济的快速发展,对食物、水资源和能源等服务的需求将会日益剧增[4],这将进一步影响生态系统服务的状况。因此,在衡量一个生态系统的可持续发展状态时,生态系统服务的供给和需求关系是不可分割的[5]。在此背景下,应开展生态系统服务供需的定量评估,并有效划分生态管理分区,这对于制定完善的生态系统服务管理政策以实现人与自然的和谐发展具有重要意义。

自1997年COSTANZA等[1]3-15对全球生态系统服务进行价值评估以来,生态系统服务的价值在全球范围内被广泛研究。早期,对生态系统服务的研究主要集中在生态系统服务的内涵、分类、评价方法等方面。在研究内容上,国内外学者在研究中把人的需求纳入生态系统服务的评估范围,认为生态系统服务的状况是由供给和需求共同决定的[6]。当前,对生态系统服务供需关系的研究主要集中在供需评价[7]9064,[8]、文化服务[9]、水体调节服务[10]、土壤保持服务供需关系[11-12]、生态系统服务供需权衡[13]、供需的空间耦合[14]、土地利用变化对生态系统服务供需的影响[15-16]等方面。如BURKHARD等[17]将土地利用、生态系统服务供给和需求联系起来,构建了一个生态系统服务供需矩阵,以此绘制了德国中部的生态系统服务供需地图,并详细阐述了生态系统服务供需的定量方法和空间可视化概念;WANG等[18]通过生态系统服务供给指数和土地开发指数等构建了生态系统服务的供需匹配模型,进而揭示了我国生态系统服务供需的空间不平衡和时空格局变化。这些研究都在支撑生态系统服务的可持续利用方面提供了重要的科学依据,但已有研究多止步于对生态系统服务供需关系的描述上,从空间角度出发,基于供需匹配关系进一步开展生态管理分区的探索还有待丰富。此外,现有供需关系的研究主要集中在全球、国家、省域尺度,而对流域尺度,尤其是黄河流域的研究还相对较少。

为此,本研究以黄河流域为研究区,采用修正的生态系统服务价值计算方法以及地均国内生产总值(GDP)、人口密度和土地利用强度综合指数分别测算黄河流域的生态系统服务供给和需求,并结合供需的匹配关系分析提出黄河流域生态管理分区及差异化生态管理建议,以期为改善生态系统服务供需失衡并增进人类福祉提供科技支撑。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

黄河流域位于我国北部,流域内分布着许多重点生态功能区和重点产粮区,是我国重要的生态屏障,在我国社会经济发展中也具有非常重要的作用[19]。结合李敏纳等[20]提出的以黄河流域自然边界为基础,考虑行政区划单元的完整性及地区经济与黄河的关联性等原则,结合数据可获得性,最终选取60个地级市(见图1)为本研究的黄河流域范围。

图1 研究区概况Fig.1 Overview of the study area

黄河流域地势西高东低,海拔为-30～6 253 m。土地利用类型主要以草地和耕地为主,2018年分别占土地利用总面积的44.18%和27.89%。鉴于黄河流域在我国的重要地位,分析黄河流域生态系统服务的供需关系,并进一步划分生态管理分区,对于黄河流域乃至全国生态保护和高质量发展都具有重要的现实意义。

1.2 基础数据

本研究以2018年为典型年份开展数据的收集工作,包括土地利用类型、归一化植被指数(NDVI)和社会经济等数据。其中,土地利用类型数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn),空间分辨率为30 m,包括耕地、林地、草地、水体、建设用地和未利用地六大用地类型;NDVI数据同样来源于中国科学院资源环境科学数据中心,空间分辨率为100 m;社会经济数据来源于相关省份的统计年鉴和《全国农产品价格调查年鉴》,主要包括研究区的GDP、人口和粮食生产数据。

2 研究方法

2.1 生态系统服务供给测算

谢高地等[21-22]通过参考COSTANZA等[1]3-15的方法对我国近700名生态学家进行问卷调查,总结出适合我国尺度的生态系统服务价值当量因子。参考文献[23]、[24],利用粮食生产数据计算一个生态系统服务价值当量因子的经济价值(E,元/km2),进而采用式(1)计算生态系统单位面积的价值系数。在本研究中,为保证价值系数更符合黄河流域的生态实际,借鉴文献[25]对价值系数进行修正。采用式(2)计算黄河流域各地级市生态系统服务价值(ESV,元)。

VCik=E×Qik×fi

(1)

(2)

式中:VCik为修正的土地利用类型k提供的第i项生态系统服务的单位面积价值系数,元/km2;Qik为土地利用类型k提供的第i项生态系统服务的当量因子;fi为第i项生态系统服务的修正系数;ESVi为第i项生态系统服务的价值,元;Sk为土地利用类型k的面积,km2。

鉴于黄河流域各地级市行政区划面积的差异,为横向比较各地级市生态系统服务供给的差异,采用地均生态系统服务价值反映各地级市生态系统服务供给能力。

表1 2018年黄河流域各土地利用类型生态系统服务价值Table 1 Ecosystem service value for different land use types in the Yellow River basin in 2018 亿元

2.2 生态系统服务需求测算

生态系统服务需求指的是人类对生态系统所提供服务的偏好,往往以更广泛的社会经济特征来描述对生态系统服务的需求。参考文献[5]、[7],采用地均GDP(x1,亿元/km2)、人口密度(x2,人/km2)和土地利用强度综合指数(x3)测算生态系统服务需求(D),计算公式见式(3)。

D=lgx1×lgx2×lgx3

(3)

2.3 生态系统服务供需匹配

采用四象限模型[7]9069对所求得的生态系统服务供给和需求进行供需匹配分析。首先,对生态系统服务供给和需求的计算结果进行Z-score标准化,计算公式参考文献[26];然后,x轴表示标准化后的生态系统服务需求,y轴表示标准化后的生态系统服务供给,划分出象限Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ,并依次代表高供给-高需求、高供给-低需求、低供给-低需求和低供给-高需求。

3 结果与分析

3.1 生态系统服务供给空间分异分析

2018年黄河流域生态系统服务总价值为13 657.86亿元(见表1),从各土地利用类型来看,草地的生态系统服务价值(5 595.97亿元)最高,其次为林地(3 865.84亿元),其他用地类型的生态系统服务价值较低,说明草地和林地所提供的生态系统服务在黄河流域生态系统的供给中占有最重要地位。从四大类服务的价值来看,调节服务的生态系统服务价值(7 278.44亿元)最高,占生态系统服务总价值的53.29%;其次为支持服务(4 224.38亿元),占总价值的30.93%;供给服务和文化服务的价值最低。从9个子类服务的价值来看,生态系统服务价值呈现土壤保持>水文调节>维持生物多样性>气候调节>废物处理>气体调节>提供美学景观>原材料生产>食物生产的顺序,以土壤保持和水文调节服务价值最突出。此外,黄河流域生态系统服务价值存在明显的空间差异(见图2),这很大程度上与生态系统服务价值的测算方法有关,行政区划面积较小的地级市提供的生态系统服务价值往往较低,如位于黄河流域东部的河南省和山东省,两省所辖地级市的行政区划面积较小,每个地级市所提供的生态系统服务价值均不超过191.31亿元。

图2 黄河流域各地级市生态系统服务价值Fig.2 Ecosystem service value of prefecture-level cities in the Yellow River basin

由图3可知,地均生态系统服务价值自东南向西北总体呈现先减少、再增加、最后减少的空间变化特征。高值区分布较分散,在黄河流域的东、中、西部地区均有零星分布,其地均生态系统服务价值都超过了160.06万元/km2;低值主要出现在河南郑州市至山东德州市一线,不足91.39万元/km2。黄河流域地均生态系统服务价值的高低分布与各地级市土地利用类型的构成密切相关,最高值在青海海北藏族自治州,达到188.49万元/km2,该市有一半的土地被具有较高生态系统服务价值的草地所覆盖,生态供给能力强;最低值出现在山东聊城市,仅为67.71万元/km2,该市的林草地面积比例不足0.15%。

图3 黄河流域各地级市地均生态系统服务价值Fig.3 Ecosystem service value per unit area of prefecture-level cities in the Yellow River basin

3.2 生态系统服务需求空间分异分析

由于流域内自然地理环境和社会经济发展的差异,黄河流域地均GDP、人口密度、土地利用强度综合指数和生态系统服务需求均存在显著的空间异质性,但四者的空间格局较类似,整体呈现出自东向西递减的空间变化特征(见图4)。生态系统服务需求的高值区主要集中在黄河流域东部的河南省和山东省,这里社会经济相对发达,人口集聚,土地利用开发强度高,进而对生态系统服务的需求较高;在黄河流域西部的青海省则对生态系统服务的需求较低,如青海果洛藏族自治州则是生态系统服务需求最低的地级市,这里经济产出低、人烟稀少,地均GDP不足6亿元/km2,人口密度不足3人/km2,土地利用类型主要以草地为主,面积占比高达82.47%,人类活跃程度较低,生态系统服务需求仅为0.8。

图4 黄河流域各地级市生态系统服务需求Fig.4 Ecosystem service demand of prefecture-level cities in the Yellow River basin

3.3 生态系统服务供需匹配关系及生态管理分区

2018年黄河流域生态系统服务供给与需求匹配的象限分布如图5所示。黄河流域生态系统服务供需匹配关系具有明显的区域差异。经统计,高供给-高需求和低供给-低需求的地级市数量相对较少,分别占研究区地级市总数量的16.67%和20.00%,大部分地级市都落在了象限Ⅱ、Ⅳ内,属于低供给-高需求和高供给-低需求,占地级市总数量的63.33%。而且,从生态系统服务供给与需求的空间相关性上看,生态系统服务供给与需求之间整体呈现显著负相关(R=-0.400,P<0.01),这反映了黄河流域生态系统服务供给与需求之间的不匹配现象较突出。

图5 黄河流域生态系统服务供给与需求分区Fig.5 Zoning of supply and demand for ecosystem services in the Yellow River basin

综上可知,黄河流域生态系统服务供需状况的空间差异明显,为促进黄河流域生态保护与高质量发展,基于生态系统服务供给与需求匹配关系的4个象限分布结果,将黄河流域60个地级市分为4种生态管理类型(Ⅰ生态协调型、Ⅱ生态保育型、Ⅲ生态重构型和Ⅳ生态修复型),具体见图6。

图6 黄河流域各地级市生态管理分区Fig.6 Ecological management zoning of prefecture-level cities in the Yellow River basin

Ⅰ生态协调型(高供给-高需求)包括10个地级市,主要分布在山西省和河南省的交汇处,也包括山东东营市、陕西西安市和青海西宁市。这些地区具有一定的林草地等生态用地覆盖,生态本底相对较好,且社会经济基础也较好,基本能满足社会经济发展的生态需求。如山东东营市,湿地资源丰富,拥有野生鸟类、新生湿地、河海交汇三大世界级自然资源,生态本底好,但由于城镇化和工业化推进,对生态系统服务的需求也较高。因此,对这类地区应注重协调生态保护与社会经济发展之间的矛盾,借助良好的经济基础和技术手段,鼓励生态友好型的土地利用类型(如林草地、人工绿地),限制高污染的土地利用类型(如工矿用地),提高土地利用效率。

Ⅱ生态保育型(高供给-低需求)包含18个地级市,主要位于黄河流域西部的青海省和甘肃省,中部的陕西省和山西省,以及内蒙古呼和浩特市。这些地区地势相对较高,生态用地占比较大,生态资源相对富足,但社会经济发展滞后于生态建设,生态系统服务需求程度较低。如青海果洛藏族自治州大部分地区被草地覆盖,生态环境好,但社会经济发展水平明显滞后,人与自然矛盾不突出。因此,本区应以生态保护为主,要注意保护原始生态状态和生态系统的完整性,在保护生态系统的前提下提高土地利用效益,强化生态资源推动经济发展的能力。

Ⅲ生态重构型(低供给-低需求)包括12个地级市,主要在黄河流域西北部的陕甘宁蒙4省区毗邻地级市,呈集中连片分布。该区域由于开发强度不高,生态需求较低,但因未利用地比例高于黄河流域平均水平,生态供给有限。如内蒙古巴彦淖尔市未利用地占比高达34.95%,自然资源的供给能力有限,经济发展相对落后。因此,在这类区域可考虑更多的生态修复项目(如植树造林和土地整治等),在改善生态系统服务供给能力的同时,也可考虑以绿色经济为导向,优化产业结构和生态空间结构,协同促进生态改善和社会经济发展。

Ⅳ生态修复型(低供给-高需求)包括20个地级市,主要集中在黄河流域东部的山东省和河南省,也包括陕西咸阳市和渭南市、内蒙古乌海市、宁夏银川市和甘肃兰州市。该区域地势平坦,建设用地、耕地等生产用地比例较大,在有限的生态供给下聚集了大量人口,人与自然矛盾突出。如河南郑州市耕地和建设用地的面积比例分别为56.97%和26.81%,严重挤压了林草地等生态空间,生态本底较差,而其作为省会城市,城市人口的集聚和社会经济的快速发展增加了对生态用地的需求,人地矛盾突出。因此,这类区域应注意缓解人口压力,城市建设应以集约利用现有建设用地为主,而不是占用林草地或自然生态系统。与此同时,应加快生态修复进程,完善城市绿地、公园等绿色基础设施建设,以丰富景观格局,提高生态系统服务供给能力。

4 结 论

(1) 2018年黄河流域生态系统服务总价值为13 657.86亿元,以调节服务的生态系统服务价值(7 278.44亿元)对研究区生态系统稳定性的维持最重要;黄河流域地均生态系统服务价值自东南向西北总体呈现先减少、再增加、最后减少的空间变化特征,最高值在青海海北藏族自治州(188.49万元/km2),最低值为山东聊城市(67.71万元/km2)。

(2) 黄河流域地均GDP、人口密度、土地利用强度综合指数和生态系统服务需求整体均呈现出自东向西递减的空间变化特征,需求的高值区主要集中在黄河流域东部的河南省和山东省,而西部的青海省则对生态系统服务的需求较低。

(3) 基于生态系统服务供需匹配的象限分布,将黄河流域划分为四大类型区:①Ⅰ生态协调型,注重生态保护与社会经济发展间的协调;②Ⅱ生态保育型,强化生态资源推动经济发展的能力;③Ⅲ生态重构型,推动绿色经济发展;④Ⅳ生态修复型,完善城市绿色基础设施建设。