黄河沿线市域生态系统服务供需与人类活动强度的时空耦合关系

黄蕊, 张连明, 罗凯

(1.中共西安市委党校,陕西 西安 710054; 2.四川大学 水电学院,四川 成都 610065;3.黄河水利委员会 上游水文水资源局,甘肃 兰州 730030)

生态系统服务是指生态系统提供给人类以支撑其生存和发展的各种产品和惠益[1],其价值量评估可作为生态保护、生态补偿和生态资源可持续利用的重要依据[2-3]。然而,在快速城市化和经济社会发展背景下,频繁的人类活动已显著影响了生态系统服务的供给能力[4-5],据“千年生态系统服务”评估结果显示:人类活动的干扰是全球60%生态系统服务呈现下降趋势的主要原因[1],这种趋势毋庸置疑会降低人类对生态系统服务需求的满足程度。因此,迫切需要分析生态系统服务供需关系,并进一步揭示其与人类活动之间的协调状态,这对于了解并付诸行动以改善当前供需的不匹配,实现生态系统服务供需与人类活动相协调具有重要的现实意义。

随着生态问题的日益突出,生态系统服务的评估得到了越来越多学者的广泛关注,研究成果丰硕,主要包括生态系统服务的概念[2-3,6]、量化方法[3,6-8]、时空动态及驱动机制[9-10]、协同与权衡关系及其相互作用机制[11]、生态系统服务流以及供需匹配状况和驱动机制[12-15]等。与此同时,随着人类活动对生态系统干扰强度的增加,如何实现人类与生态系统协调发展也开始受到了相关学者的关注,如:刘永婷等[16]采用四象限模型解析了安徽省南部地区生态系统服务与人类活动之间的关联性,并从自然-社会方面探索了导致生态系统服务空间分异的驱动机制;李理等[17]采用空间自相关模型探讨了淇河流域2000—2015年人类活动与生态系统服务的空间相互作用,认为淇河流域人类活动强度与生态系统服务之间的空间相关性正在由正相关转向负相关。总体来说,现有研究丰富了可持续发展策略制定和实施的科学依据。然而,由于众多非线性因素的影响,生态系统服务供需关系的分析仍然是生态管理领域内亟需解决的难题。而且,当前研究多集中在人类活动对生态系统服务影响方面,关于两者耦合协调关系的研究仍存有一定的不足,尤其是在黄河流域。

基于此,本研究以黄河沿线市域为研究区,根据1990—2018年的多源数据,通过修正的当量因子法,分别量化和分析近30年来黄河沿线市域生态系统服务供给、需求情况及供需关系,并结合人类活动强度的量化结果,采用耦合协调度模型分析了生态系统服务供需与人类活动强度之间的耦合协调关系,以期明确黄河沿线市域生态系统服务的供需状况,为协调生态保护和人类活动提供科学支撑。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

黄河位于我国中北部地区,流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南和山东9个省(自治区),自西向东跨越青藏高原、内蒙古高原、黄土高原、华北平原。黄河流域是我国重要的生态安全屏障,同时也是我国重要的能源煤炭基地和重工业基地[18]。黄河流域石油、天然气、煤炭和有色金属等资源丰富,长期以资源消耗型为主的发展方式对该地区的生态环境造成了巨大的压力,人类发展需求与生态保护之间的矛盾突出[19-20]。考虑到黄河流域省级数据精度低,而县级数据缺失较多,根据综合研究区的典型性和数据的可获得性因素,选取了黄河沿线市域为研究对象开展相关研究,研究范围如图1所示。黄河沿线市域地势西高东低,海拔范围在-64 m和6 819 m之间。研究区土地利用类型主要以草地和未利用土地为主。以2018年为例,耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地的面积占比分别为16.56%、8.32%、41.21%、2.60%、2.88%、28.42%,其中,研究区东部地区主要以耕地为主,中部地区以未利用地、林地和草地为主,西部地区则主要以草地为主。

图1 研究区示意

1.2 数据来源

研究数据主要包括土地利用数据、粮食生产数据、经济社会统计数据、植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)数据等。研究区1990年、2000年、2010年和2018年的土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心网站,空间分辨率为100 m,包括耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地六大类。研究区粮食生产数据主要包括粮食产量、粮食价格和种植面积等,来源于《中国粮食和物资储备年鉴》。经济社会统计数据主要包括国内生产总值和人口等,来源于研究区相关省份的《统计年鉴》。NPP数据来源于国家地球系统科学数据中心共享服务平台,空间分辨率为500 m,用于生态系统服务价值当量因子的修正。

1.3 研究方法

1.3.1 生态系统服务供给量化

“千年生态系统服务评估”将生态系统服务划分为供给服务、调节服务、支持服务和文化服务四大类[1]。在此基础上,谢高地等[2,7]根据我国实际情况并结合200多名中国生态学专家的问卷调查,将这4个一级类型服务进一步划分为9个二级类型服务,即供给服务(食物生产、原材料生产),调节服务(气体调节、气候调节、水文调节、废物处理),支持服务(保持土壤、维持生物多样性),文化服务(提供美学景观),并获取了适合中国尺度上的生态系统服务价值当量因子,得到了国内学者的广泛认可。因此,本研究采用谢高地等[2,7]提出的方法对黄河沿线市域生态系统服务供给进行量化。计算过程如下:

1) 生态系统服务价值当量因子的经济价值。研究发现,1个生态系统服务价值当量因子的经济价值为当年全国平均粮食单产市场价值的1/7[7,10,21]。因此,根据国家公布的研究区粮食生产数据,采用式(1)计算黄河沿线市域1个生态系统服务价值当量因子的经济价值。

(1)

式中:E为1个生态系统服务价值当量因子的经济价值;tf为f类粮食作物单产;pf为f类粮食作物的平均价格;sf为f类粮食作物种植面积;f为粮食作物种类;S为粮食作物种植总面积。

2) 量化生态系统服务单位面积的价值系数。谢高地等[2,7]提供的当量因子更适合于中国尺度,因此在前人研究[2,22]的基础上,本研究采用式(2)对当量因子进行本地化修正,进而采用式(3)计算黄河沿线市域生态系统服务单位面积的价值系数。

(2)

VCik=EQikF。

(3)

式中:VCik为修正后的k类用地供给的第i项生态系统服务单位面积的价值系数;Qik为k类用地供给的第i项生态系统服务的当量因子;F为修正系数;NPPs、NPPc分别为研究区和全国的NPP。

3) 量化单项生态系统服务价值和总价值。分别采用式(4)和式(5)对各项生态系统服务价值和总价值进行量化。计算公式如下:

(4)

(5)

式中:ESVi、ESV分别为第i项生态系统服务价值和生态系统服务总价值;Rk为k类用地的面积。

4) 量化生态系统服务供给。考虑到黄河沿线市域行政区划面积大小的差异,为保证各市域生态系统服务供给结果之间具有可比性,采用各地平均生态系统服务价值反映研究区各市域生态系统服务的供给能力。公式如下:

Sj=ESVj/Aj。

(6)

式中:Sj为市域j的年均生态系统服务价值,即表示市域j的生态系统服务供给;Aj为市域j的行政区划面积。

1.3.2 生态系统服务需求量化

生态系统服务需求指的是人类对生态系统服务的消费需求和偏好。彭建等[13]提出采用人口密度、经济密度和土地利用开发程度三个指标来量化生态系统服务需求的方法,被国内学者广泛认可并应用到相关研究中[14,23]。因此,本研究采用彭建等[13]提出的方法来量化黄河沿线市域生态系统服务需求,计算公式如下:

Dj=lgxj1·lgxj2·xj3。

(7)

式中:Dj为市域j的生态系统服务需求;xj1为市域j的人口密度;xj2为市域j的经济密度;xj3为市域j的土地利用开发程度。

1.3.3 生态系统服务供需关系

在生态系统服务供给和需求量化结果的基础上,采用Z-Score方法对黄河沿线市域生态系统服务供给和需求进行标准化,进而结合四象限模型[16,24],以生态系统服务供给为横轴,生态系统服务需求为纵轴,构建出四个象限,即象限Ⅰ、象限Ⅱ、象限Ⅲ和象限Ⅳ,依次代表高供给-高需求、低供给-高需求、低供给-低需求、高供给-低需求[4]。Z-Score标准化方法公式如下:

(8)

(9)

(10)

1.3.4 人类活动强度量化

参考徐勇等[25]提出的建设用地当量模型和土地利用类型的建设用地当量折算系数,采用式(11)计算黄河沿线市域人类活动强度。

(11)

式中:HAIj为市域j的人类活动强度,HAIj越大,表示人类活动对生态系统的作用程度越大,反之则越小;Rk为k类用地的面积;CIk为k类用地的建设用地当量折算系数,耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地的建设用地当量折算系数分别为0.200、0.000、0.067、0.600、1.000和0.000[25-26];Aj为市域j的行政区划面积。

1.3.5 耦合协调关系量化

本研究引入耦合协调度模型来分析黄河沿线市域生态系统服务供给或生态系统服务需求与人类活动强度之间的协调程度。模型式如下[27]:

(12)

(13)

Tj=αSjorDj+βHAIj。

(14)

式中:CCDj为市域j的生态系统服务供给或需求与人类活动强度之间的耦合协调度,值为[0,1],CCDj越大表明两者的协调发展水平越高,反之则越低;Cj为市域j的生态系统服务供给或需求与人类活动强度之间的耦合度;SjorDj、HAIj分别为标准化后的生态系统服务供给或需求与人类活动强度,采用Min-Max标准化方法对数据进行标准化[15,28];Tj为生态系服务供给或需求与人类活动在市域j的综合评价指数;α、β分别表示生态系统服务供给或需求与人类活动强度对系统的整体贡献水平,取α=β=0.5[29]。结合前人研究[15,29],采用等间距分隔法将耦合协调度计算结果划分为表1所示的5种类型。

表1 耦合协调度类型和阶段划分

2 结果与分析

2.1 生态系统服务供需的时空特征

2.1.1 生态系统服务供给

表2显示了1990—2018年黄河沿线市域生态系统服务价值及其变化的计算结果,可以看出,研究区生态系统服务总价值在1990—2018年呈现先减少后增加的变化特征。首先,由1990年的13 421.11亿元减少至2000年的13 354.73亿元,减少了66.38亿元;随后呈现持续增加的趋势,至2018年达到13 505.41亿元,增加了150.68亿元。整体上,1990—2018年研究区生态系统服务总价值增加了84.30亿元。从9个二级类型服务的价值计算结果来看,大多数服务的价值变化特征与总价值的变化特征一致,即在2000年之前呈现减少趋势,而在2000年之后出现逆转,呈现出增加趋势。从4个一级类型服务的价值计算结果来看,所有的4类服务均呈现先减少后增加的变化趋势。其中,调节服务在总价值中的占比最大,研究期内占比均在53%以上;其次,是支持服务,历年的价值占比在31%左右;文化服务的价值占比最小,在7%左右。以上说明调节服务在黄河沿线市域生态系统稳定性的维持过程中具有举足轻重的地位。1990—2018年黄河沿线市域生态系统服务总价值及供给的空间格局如图2所示。

表2 1990—2018年黄河沿线市域生态系统服务价值及变化量 ×108元

图2 1990—2018年黄河沿线市域生态系统服务价值及供给的空间格局

由图2可知,生态系统服务总价值及生态系统服务供给在空间分布上均存在着明显的空间异质性。从生态系统服务总价值的空间格局上来看,1990—2018年黄河沿线市域生态系统服务总价值的空间变化特征类似,低值区主要集中在研究区东部的山东省和河南省,在研究区中部一些面积较小的市域也有分布,而高值区则主要位于研究区的西部和北部。这种空间分布格局与生态系统服务总价值的量化方法有关。生态系统服务价值是在各种土地利用类型面积的基础上进行计算的,面积大的市域往往会拥有较大的生态系统服务总价值。这种空间格局还与研究区各市域的社会经济发展程度有关,如河南省和山东省的经济社会发展水平相对较高。城市化快速推进过程中,建设用地大规模扩张而挤压具有较高生态系统服务价值的生态用地,导致这些地区的生态系统服务总价值相对较低。从生态系统服务供给来看,其空间分布特征与生态系统服务总价值相比发生了显著的变化,这与市域内土地利用类型的结构有关,生态用地占比较高的市域往往拥有较高的生态系统服务供给,如延安市;相反,在生态用地占比较低的市域,生态系统服务供给较少,如未利用土地广泛分布的阿拉善盟。

2.1.2 生态系统服务需求

根据式(7)得到了1990—2018年黄河沿线市域生态系统服务需求的空间格局,如图3所示。

图3 1990—2018年黄河沿线市域生态系统服务需求的空间格局

由图3可以发现,研究区生态系统服务需求分布的空间分异性特征明显,在研究期内生态系统服务需求大致呈现出东高西低的空间分布特征。生态系统服务需求的高值区主要位于研究区东部的山东省和河南省,而生态系统服务需求的低值区分布较为广泛,在研究区的中西部地区成大面积连片分布。从黄河沿线市域生态系统服务需求的时间变化上来看,通过对比4个年份的生态系统服务需求可以发现,研究区生态系统服务需求呈现增加趋势。具体来说,在早期,即1990—2000年,黄河沿线市域生态系统服务需求的变化不明显。而在2000年之后,研究区东部山东省和河南省的生态系统服务需求增加明显,这可能与研究区东部地区新世纪以来快速的经济社会发展速度有关,2000年以后东部地区人口的显著增加和经济快速发展,导致这些地区生态系统服务需求显著增加。

2.1.3 供需关系

结合1.3.3节提供的方法对1990—2018年黄河沿线市域生态系统服务供给与需求进行象限划分,结果如图4所示,历年生态系统服务供需关系的空间格局比较类似。整体来说,研究区属于高供给-高需求,即分布在象限I的市域数量非常少,绝大多数市域都分布在象限Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ中,即属于低供给-高需求、低供给-低需求、高供给-低需求。具体来说,低供给-高需求的市域主要位于研究区的东部地区,这些地区的经济社会发展速度快,建设用地大规模扩张严重挤压生态空间,进而导致了较高的生态系统服务需求和较低的生态系统服务供给。低供给-低需求的市域主要分布在研究区的中部地区,主要包括陕甘宁蒙交界处的市域,这些地区生态资源贫乏,生态系统服务供给能力较差,再加上人口密度和经济发展水平较低,对生态系统服务的需求也较低。高供给-低需求的市域主要分布在属于低供给-低需求市域的两侧,这些地区生态资源相对丰富,生态系统服务供给能力相对较高,但经济社会发展水平仍有较大提升空间,生态需求相对较低。

图4 1990—2018年黄河沿线市域生态系统服务供需关系的空间格局

2.2 人类活动强度的时空特征

表3统计了1990—2018年黄河沿线市域人类活动强度和土地利用面积占比情况。

由表3可知,研究区人类活动强度在1990—2018年呈现增加趋势,由1990年的9.33%持续增加至2018年的10.52%,其中在2000年之后人类活动强度的增加幅度最大,尤其是在2000—2010年,增加了0.65%。究其原因可能与这一时期建设用地的大幅增加有关(面积占比由2000年的1.87%显著增加至2010年的2.52%),此外水域的建设用地当量折算系数也较大,为0.6,其面积的增加也对这一时期人类活动强度的变化具有重要贡献。

基于ArcGIS软件制作的1990—2018年黄河沿线市域人类活动强度的空间格局如图5所示。

图5 1990—2018年黄河沿线市域人类活动强度的空间格局

各市域的人类活动强度在整个研究区内差异显著,东部地区的人类活动强度明显高于其他地区,这与东部地区建设用地占比明显高于其他地区密切相关。从人类活动强度空间分布的变化来看,随着时间的推移,人类活动强度的显著增加主要位于研究区的东部地区,且同样在2000—2010年增加最为显著,说明这一时期东部地区建设用地等当量折算系数较大的用地类型显著增加。相反,研究区其他地区市域的人类活动强度随时间并没有表现出可观察到的变化,这与这些地区拥有较大建设用地当量折算系数的用地类型(如建设用地、水体等)的变化速度较慢有关。

2.3 生态系统服务供需与人类活动强度

为了探究黄河沿线市域生态系统服务供给、需求与人类活动强度的耦合协调状态,计算了生态系统服务供需与人类活动强度的耦合协调度以进行系统分析,如图6所示。

图6 1990—2018年黄河沿线市域生态系统服务供需与人类活动强度的耦合协调度

从图6可知,研究区1990—2018年生态系统服务供给与人类活动强度之间以及生态系统服务需求与人类活动强度之间的耦合协调度均呈现出先减小后增大的变化趋势,在2000—2010年处于急剧下降阶段,随后显著上升。其中生态系统服务供给与人类活动强度之间的耦合协调度在研究期末与研究期初基本持平,而生态系统服务需求与人类活动强度之间的耦合协调度在整个研究期内有所降低。整体来说,历年生态系统服务供给与人类活动强度之间的耦合协调度明显高于生态系统服务需求与人类活动强度之间的耦合协调度,说明生态系统服务供给与人类活动强度之间的协调发展水平要显著好于生态系统服务需求。

图7显示了1990—2018年研究区各市域生态系统服务供给、需求与人类活动强度的耦合协调度类型的空间格局。

从图7可以看出,生态系统服务供给与人类活动强度之间的耦合协调度类型的空间异质性要明显小于生态系统服务需求与人类活动强度之间的耦合协调度类型。具体来说,生态系统服务供给与人类活动强度之间的耦合协调度类型主要有3种,即勉强协调、基本协调和高度协调,且大部分市域处于勉强协调阶段和基本协调阶段。而生态系统服务需求与人类活动强度之间的耦合协调度涵盖了全部的5个类型,大致呈现出自东向西耦合协调类型依次降低的空间变化特征,其中处于高度协调阶段的市域主要位于山东省和河南省,处于基本协调阶段的市域较少。

3 结论

1)1990—2018年,研究区生态系统服务总价值呈现先减少后增加的变化特征,总体增加了84.30亿元,其中以调节服务对总价值的贡献最大;由于研究区各市域土地利用类型结构的差异,生态系统服务供给在分布上存在着明显的空间异质性。1990—2018年,研究区生态系统服务需求呈现增加趋势,2000年之后,研究区东部山东省和河南省的生态系统服务需求增加明显。

2)研究区绝大多数市域都属于低供给-高需求、低供给-低需求和高供给-低需求类型,其中低供给-高需求的市域主要位于研究区的东部地区,低供给-低需求的市域主要分布在研究区的中部地区,而高供给-低需求的市域分布在属于低供给-低需求市域的两侧。

3)1990—2018年,研究区人类活动强度呈现增加趋势,由1990年的9.33%持续增加至2018年的10.52%,其中在2000—2010年增加幅度最大,且在空间上以研究区东部地区市域的人类活动强度增加最为显著。

4)1990—2018年,研究区生态系统服务供给、需求与人类活动强度之间的耦合协调度均呈现出先减小后增大的变化趋势,历年以生态系统服务供给与人类活动强度之间的耦合协调度最高;从空间分布上来看,生态系统服务供给与人类活动强度之间的耦合协调度类型只有勉强协调、基本协调和高度协调3种,而生态系统服务需求与人类活动强度之间的耦合协调度空间异质性更加显著,涵盖了全部的5个阶段,呈现出由东向西依次降低的空间变化特征。

尽管本研究分析了1990—2018年黄河沿线市域生态系统服务供给、需求及人类活动强度的时空变化特征,并进一步揭示了生态系统服务的供需关系及其与人类活动强度之间的耦合协调关系,但仍存在以下不足,需要在今后的研究中加以改进:

1)在方法上,本研究在采用既有方法量化生态系统服务价值时,与其他研究类似,仍将建设用地的价值当量赋值为0,这一点可能与实际不符,需要在今后的研究中进一步探讨建设用地的价值当量值。

2)本研究对生态系统服务供给与需求的关系匹配时,是基于一种半定量的手段进行的,得到的供需关系结果也是一个相对值。而每种服务的实际供给量和需求量还是未知的,实际的生态系统服务盈余量或亏缺量也不得而知,引入生物物理模型去进一步量化生态系统服务的供需实际情况需要在未来的研究中给予重视。

3)在研究内容上,本研究仅揭示了生态系统服务供需关系及其与人类活动强度之间的时空耦合协调关系,而影响这些关系的驱动机制需要在今后进一步探索,这对于决策者采取行动以解决当前的供需矛盾、实现生态系统服务与人类活动协调发展来说可能更有吸引力。