供需关系下保定太行山区生态系统服务时空演化研究

王雪燕,赵丽,苏孟维

(1河北农业大学 国土资源学院, 河北 保定 071000; 2环渤海土地资源利用野外科学观测研究站, 河北 沧州 061000)

生态系统服务是人类直接或间接从生态系统中获得的各种产品与惠益、人类生存与发展的基础[1-2]。在经济快速发展和城镇化进程加快的背景下,出现了环境污染和生态退化一系列的生态环境问题,影响着生态系统服务的供给水平,同时随着人们对生态系统服务需求的日益增加,生态系统服务供需失衡问题更加凸显[3-5]。党的二十大指出“走人与自然和谐共生的中国现代化道路”,强调生态系统服务供需匹配的重要性。因此,研究生态系统服务供给和需求的关系对解决区域生态环境问题,提升居民福祉,促进区域生态和社会经济双系统的可持续发展具有重要意义。

生态系统服务研究既要关注生态系统服务的自然供给,也要关注人类从自然中获得惠益的生态系统服务需求[6-7]。近年来关于生态系统服务的研究热点主要是供需的空间量化、机理和模式、供需平衡和空间匹配[8-14]。目前,关于生态系统服务需求和生态系统服务供需的研究相对于生态系统服务的供给研究较少,还处于探索和完善阶段[15]。国内学者张平运用格网和供需平衡模型对长江经济带15年来的生态系统服务供需进行时空分异研究,并进一步分析了供需平衡格局[16];岳文泽通过量化固原市生态系统服务的供给量和需求量来构建供需匹配与协调关系,然后以此为础对生态修复进行分区划定[17]。生态系统服务供给与需求的量化方法主要有生态模型法、价值评估法和专家经验判别法等[18-21]。学者管青春等利用生态系统服务矩阵进行供需分析,并对县域的农业生态管理区进行划分[22]。由于专家经验判别法的主观性太强,容易因为个人因素导致结果不准确,因此应用较少。供需平衡研究则多采用生态供需比、供需协调度等方法[23-24]。综合看来,已有的研究成果还存在以下几点不足:(1)多对生态系统服务供需进行静态分析,缺乏对时空动态特征的关注;多对生态系统进行综合研究,缺乏对不同类型生态系统服务的关注。(2)研究尺度以大流域居多,对县域研究较少且较少考虑当地居民的需求与生态系统服务供需的关系[25-26]。(3)目前对于太行山区生态系统服务的研究较为少见。

太行山区承担着重要的生态服务功能,它纵跨北京、河北、山西和河南4个省份,为重要地理分界,太行山以西是黄土高原,以东为华北平原。厘清该区生态系统服务供需关系不仅对促进太行山区的可持续发展至关重要,也对促进该区域的生态保护和高质量发展具有重要推动作用。鉴于此,本研究利用InVEST模型和ArcGIS 软件,在量化保定太行山区粮食供给、产水、碳固定服务供需量的基础上,分析各类生态系统服务供需的时空格局变化特征,揭示各生态系统服务供需数量及其空间分布动态演化规律,旨在为保护和修复保定太行山区生态环境、促进生态和经济可持续发展提供科学依据与举措。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

太行山(E 110°14′～114°33′、N 34°34′～40°43′)是中国东部重要山脉和分界线,大部分海拔在1.2 km 以上,共涉及六十多个县。研究区为太行山区河北保定段的8个县域,分别是阜平县、涞源县、曲阳县、唐县、顺平县、易县、涞水县和满城区;气候类型为暖温带大陆性季风气候,各季节鲜明,夏季整体气温较高、降雨量丰富,冬季的温度低、雨水相对较少。年平均气温为13.4 ℃,平均年降雨量为498.9 mm;研究区土壤类型丰富,主要为栗褐土、褐土和棕壤,空间异质性较高,栗褐土的面积是最大的。植被类型主要为暖温带落叶阔叶林,有明显的垂直地带分布规律;研究区境内有易水河、唐河、拒马河、通天河和界河等多条水系和西大洋、王快等多个水库,这些河流对于研究区的农业发展具有重要作用,其中位于唐县西南部的西大洋水库因总库容较大被称为河北省的四大水库之一;研究区地貌类型呈现多样化,包括平原、丘陵、山地等,整体地势由西北到东南方向逐渐降低。截止到2020年底研究区总人口为346.25万人,城镇化率达36.4%,粮食总产量共9.9×105t,生产总值达780亿元,县域农村年人均可支配收入最高为1.58万元。

1.2 数据来源

(1)土地利用数据(分辨率为30 m):京津冀土地利用数据(2005、2010、2015、2020年),来源于资源环境数据云平台(https://www.resdc.cn/)。

(2)社会经济数据:河北农村统计年鉴、中国县域统计年鉴、保定市统计年鉴、保定市经济统计年鉴、河北省水资源公报、中国农产品汇编(2005、2010、2015、2020年)。

(3)太阳辐射数据、人口密度数据、温度数据、降雨量数据和NDVI数据:中国气象科学数据网站(http://data.cma.cn)和中国科学院资源环境科学数据中心(https://www.resdc.cn/)。

(4)DEM数据(分辨率为90 m):来源于地理空间数据云(https://www.gscloud.cn)。

2 研究方法

2.1 粮食供给服务

参考前人的研究结果,针对每个栅格的粮食供给能力通过计算粮食的总产量NDVI 值和耕地 NDVI 值的关系来确定,以此来对整个研究区的粮食供给能力进行计算[27];粮食需求量包括食用粮、饲用粮、种子粮、工用粮、损耗等消费量。计算公式如下:

Gi=(NDVIi/NDVIt)×Gt

(1)

Dpt=Dpp×pi

(2)

式中:Gi为栅格i的粮食供给量;Gt为粮食总产量;NDVli为栅格i的NDVI值;NDVIt为研究区耕地的NDVI值之和;Dpt为栅格i的粮食需求量;Dpp为人均粮食需求量(参考保定市人均粮食需求);pi为栅格i的人口密度。

2.2 产水服务

利用InVEST模型计算水源涵养服务的产水量,水资源需求量用人均用水量与人口密度相乘得到,计算公式如下:

Di=Dp×pi

(3)

式中:Di为栅格i的水需求量;Dp为人均水需求量,水需求是指对农业、工业、生活和生态方面的用水需求。

2.3 碳固定服务

采用InVEST模型中Carbon Storage and Sequestration模块计算碳固定服务的供给量,InVEST模型的优势在于可以精确得到不同土地利用情况下得地上、地下生物炭以及土壤碳和死亡有机碳的含量,并且数据和参数容易获取,因此在不同尺度上计算碳储量方面应用较多。本研究以保定市碳排放量作为碳固定服务需求量的基本依据,再结合人口密度栅格数据得到研究区碳固定服务的需求空间分布。具体需求量计算公式如下:

Ci=Cp×pi

(4)

Cp=Ct/p

(5)

式中:Ci为栅格i的碳固定服务需求量;Cp为人均碳排放量;Ct为保定市碳排放总量;p为保定市常住人口数。

2.4 生态系统服务供需比

用供需比(R)来分析各个服务的供需情况,相较于RESD的优点是可以量化研究区生态系统服务供给和需求的盈余或赤字程度[23]。当 R<100% 时,表示生态系统服务供不应求;当 R>100% 时,表示生态系统服务供给大于需求。

R=S/D×100%

(6)

3 研究结果与分析

3.1 保定太行山区生态系统服务供需的时空变化特征

3.1.1 粮食供给服务的供需时空变化特征 随着经济不断发展,建设用地规模不断扩大,2005-2020年研究区耕地面积逐年减少,从3.4×105hm2降至3.2×105hm2,研究区粮食供给量呈波动上升趋势,单位面积粮食供给量从311.78 t/hm2升至387.05 t/hm2,增幅高达24.14%,不同区域单位面积粮食供给量增幅呈阜平县>涞源县>涞水县>易县>满城区>唐县>顺平县>曲阳县的趋势。随着人口的增长,2005-2020年研究区粮食需求量呈持续上升趋势,由2005年的1.31×106t增加到2020年的1.49×106t,单位面积粮食需求量从0.29 t/hm2升至0.32 t/hm2,增幅为10.34%。2005-2020年不同区域单位面积粮食需求量增幅呈满城区>曲阳县>唐县>涞水县>顺平县>易县>涞源县>阜平县的趋势。关于研究区粮食供给量和需求量的空间分布规律见图1和图2。

图2 2005-2020年研究区粮食需求空间格局

由图1可知,从空间分布来看,2005-2015年研究区粮食供给呈现出高值区由边缘向内部蔓延的分布规律,2010年和2015年大于360 t/hm2的高供给区主要分布在阜平县、涞源县和易县,所占面积比分别为17.66%和38.00%;2015-2020年粮食供给空间变化尤为显著,大于340 t/hm2的供给区面积高达65.64%,西北地区粮食供给能力大于东南地区。因为西北地区的土地利用类型多为林地和草地,东南地区则多为居民点的耕地,就单位栅格的NDVI值来说,西北地区大于西南地区,再加上每个年份中研究区总的耕地NDVI值和粮食总产量是固定值,西北地区粮食供给能力就会大于东南地区。由图2可知,2005-2020年,研究区粮食需求量呈“东南高,西北低”的分布格局,大于0.6 t/hm2的高值区呈点状和带状分布于远离太行山脉的人口密集地区,所占面积随居民点的扩张而增加,面积比例增幅为50.69%;小于0.6 t/hm2的低值区靠近太行山呈面状分布,研究区各个县均有大面积涉及,由于研究区地貌类型以山地为主,各县居民点面积远小于各县总面积,人口密度较小导致粮食需求量较小的区域所占面积比例较高。2005、2010、2015和2020年所占面积比例分别为89.07%、86.68%、85.33%和83.53%。

3.1.2 产水服务的供需时空变化特征 2005-2020年研究区产水服务的供给量总体呈逐步上升的趋势,2010-2020年变化较为明显,单位面积水源供给量从338.06 m3/hm2升至428.55 m3/hm2,增幅为26.77%,到2020年水源供给量超过4 000 m3/hm2的面积达到76.52%。2005-2020年研究区单位面积水源需求量总体呈逐步上升趋势,从36.86 m3/hm2升至70.71 m3/hm2,增幅为91.83%,水源需求量大于120 m3/hm2的区域占比增加了10.23%。关于研究区水源供给量和需求量的空间分布规律见图3和图4。

图3 2005-2020年研究区产水服务供给空间格局

图4 2005-2020年研究区产水服务需求空间格局

由图3可知,从空间分布上来看,除2015年外研究区水源供给量总体均呈“西北高东南低”的分布格局。2010-2015年唐县和顺平县的水源供给量明显增加,增幅为23%和36%,2015年这2个县的年降雨量较高,分别达到了524.9 mm和552.8 mm。涞源县供给量稍有下降;2015-2020年水资源供给空间变化明显,大于4 000 m3/hm2的高值区占比增加了52.84%,主要分布在易县、阜平县和涞源县,这些地区海拔较高,降雨量多且蒸发量少,2020年在整个研究区中年降雨量排名前三,年降雨量分别为681.1、642.0、620.4 mm。由图4可知,2005-2020年研究区水源需求量总体呈"东南高西北低"的分布格局,大于90 m3/hm2的高值区呈带状和点状围绕居民点分布,2005-2015年60～90 m3/hm2的中值区呈带状增加0.03%,大于90 m3/hm2的高值区从6.20%增长到13.77%,主要分布在研究区的东南地区,这些地区平原面积较大,适宜发展农业,且人口密集,相比研究区其他地区工业稍多,因此水源的需求量较高。2015-2020年水资源需求量一直处于缓慢增加状态,空间分布变化不明显。

3.1.3 碳固定服务的供需时空变化特征 2005-2020年研究区单位面积碳供给量呈先下降后上升的趋势,从2005年的170.99 t/hm2下降到2015年的168.87 t/hm2又上升到2020年的168.98 t/hm2,总体降幅为1.18%。期间,2005-2015年碳供给量高值区下降0.48%,各县域间差异不大,2015-2020年各地区碳供给量缓慢增加,空间变化不明显。2005-2020年研究区单位面积碳需求量呈上升趋势,从10.99 t/hm2升至21.23 t/hm2,增幅93.18%。期间,曲阳县和唐县的增幅尤为明显,这2个地区的人口增幅分别为21.57%和10.40%,且单位面积碳需求量最高,变化不明显的是阜平县和涞源县。关于研究区碳供给量和需求量的空间分布规律见图5和图6。

图5 2005-2020年研究区碳供给空间格局

图6 2005-2020年研究区碳需求空间格局

由图5可知,从空间分布上来看,2005-2020年研究区碳供给量呈“西北高、东南低”的分布格局,大于16 t/hm2的高值区呈面状所占比例都在29%左右,主要分布于阜平县的西部、涞源县的周边、涞水县的东北部和易县的西部,原因在于这些地方建设用地占比低,植被覆盖率较高,另外也得益于国家一系列环境保护政策和退耕还林还草工程。涞源县中部和研究区东南部城镇化进程加快,因此碳固定服务的供给量较低。由图6可知,2005-2020年研究区碳需求量呈“东南高、西北低”的分布格局,大于30 t/hm2的高值区呈面状和点状分布,所占面积增幅为12.1%,曲阳县、唐县、顺平县、满城区、易县和涞水县6个县的西南部为碳需求量高值区,因为这些地区人口密度大,碳需求量高值区呈面状分布,其余高值区呈点状分布在阜平县中部和涞源县中部。此外高值区的点面之间逐渐有带状的10～20 t/hm2的低值区增加,增幅为10.22%,表明人类活动在加剧。

3.2 保定太行山区生态系统服务的供需平衡分析

关于2005-2020年研究区粮食供给服务、产水服务和碳固定服务的供需比研究结果如图7、图8和图9所示。

图7 2005-2020年研究区粮食供给服务的供需比

图8 2005-2020年研究区产水服务供需比

图9 2005-2020年研究区碳固定服务供需比

2005-2020年研究区粮食供给服务的供需比呈现持续增加的趋势,分别为4.9×105%、7.9×105%、9.5×105%和1.1×106%,且不存在小于100%的情况,表明研究区内粮食供给服务一直处于供给远大于需求的状态。一方面是因为研究区内粮食总产量逐步上升,研究区内耕地面积减少,耕地的NDVI值降低;另一方面是因为人均粮食需求的数量级与粮食产量的数量级相差较大。由图7可知,研究区内各区县的供需比存在差异,涞源县最高,其次是阜平县,最低是曲阳县。供需比高值区呈面状主要分布在靠近太行山脉的阜平县、涞源县、易县西北部和涞水县西北部,因为这些地区多为林地和草地,且植被覆盖率高,单位栅格的NDVI值较高。供需比低值区呈点状主要分布在曲阳县、唐县、顺平县、满城区这4个县的东南部。

2005-2020年研究区产水服务的供需比呈先上升后下降的趋势,分别为4 771% 、5 141% 、4 165%和4 149%,表明研究区的整体产水服务供给大于需求。由图8可知,在空间分布上各县区之间的供需关系差异较大,供需比高值区主要分布在研究区的西部和北部,呈面状分布,多为林地和草地,大沙河、易水河、唐河等众多河流贯穿其中,属于高供给低需求地区。供需比低值区主要分布在曲阳县、唐县、顺平县、满城区、易县和涞水县这5个县的东南部,供需比均小于100%,表明水供给均难以满足需求,但所占比例不大,分别为0.67%、1.73%、1.91%和2.46%,原因在于这些地方河流缺乏且人口较多,属于低供给高需求地区。

2005-2020年研究区碳固定服务的供需比呈先上升后下降的趋势,分别为911% 、969% 、822% 和648%,说明研究区的整体碳固定服务供给能满足需求。由图9可知,在空间分布上,西北部林地草地覆盖率较高的地区碳固定服务供给一直处于大于需求状态,东南部人口密集区出现供给小于需求的情况,但总体来说供给大于需求。各县区之间的供需关系差异较大,阜平县和涞源县碳固定服务供给基本大于需求,供需比最高可达200%以上。除阜平县和涞源县外的6个县供需比小于100%的面积较大,表明这些地区碳固定服务供需矛盾较为突出,存在供不应求的局面。其中曲阳县碳固定供需赤字最大,高达47.31%,其次是唐县,最小的是涞水县,因为这些地区人口最为密集,对碳的需求量最大。

3.3 保定太行山区粮食供给-产水-碳固定服务供需空间分布特征

本研究将粮食供应、产水、碳固定3种服务定义为粮食供给-产水-碳固定服务,以上文中各项生态系统服务的供需空间格局为基础,运用ArcGIS10.6空间分析的方法,提取4年间各项服务供给均大于需求的斑块作为粮食供给-产水-碳固定服务的供给大于需求区,提取粮食供给-产水-碳固定服务4年间各项服务供给均小于需求的斑块作为粮食供给-产水-碳固定服务的供给小于需求区,结合研究区自然和社会情况,探索研究区粮食供给-产水-碳固定服务供需的空间分布特征,进而分析研究区生态系统服务的供需状况,研究结果如图10所示。

图10 2005-2020年研究区粮食供给-产水-碳固定服务供需空间分布特征

由图10可知,紫色区域代表2005-2020年间粮食供给-产水-碳固定服务的供给均大于需求,红色区域代表2005-2020年间粮食供给-产水-碳固定服务的需求均大于供给。整体来说,粮食供给-产水-碳固定服务供给大于需求的区域主要呈面状分布在海拔高、植被覆盖率高的西部和西北部,所占面积高达72.3%;需求大于供给的区域主要呈点状分布在人口密集的居民点,所占面积较少,只占6.7%。图中白色区域有3种情况:一是供需平衡;二是之前供给大于需求,后来随着人口的增长和城镇化进程的加快,供给又小于需求了;三是之前供给小于需求,由于人为增加供给条件,供给又大于需求了。白色区域对于生态系统服务的管理和提升也是重点,只有厘清白色区域生态系统服务的供需水平,才能进一步优化供需的空间格局,促进人与自然的和谐共生。研究区中大部分地区生态系统服务都能供大于求,并且在保障自身需求的情况下有可能还为相邻地区提供生态系统服务,为未来进一步生态系统服务的空间流转以及生态系统服务与居民福祉的关系研究奠定了基础。

4 讨论与结论

4.1 讨论

(1)生态系统服务需求的量化。人类需求是生态系统形成服务的唯一条件,也导致了生态系统服务输送和被消费。目前关于人类对生态系统服务的需求内涵没有统一的标准,量化研究也处于探索阶段,因此不同研究的需求结果可能会存在较大差异。本研究从人口密度、人均资源需求量以及人均碳排放量角度分析人类对各个生态系统服务的需求,未来人类需求研究应注重建立统一的标准以及统一的量化方法,以便不同区域和不同尺度之间研究的对比和验证。

(2)生态系统服务评估及流转。本研究只对保定太行山区的粮食供给、产水、碳固定和粮食供给-产水-碳固定服务这4种生态系统服务进行了供需情况研究,未对太行山区整体生态系统服务做出评估。由粮食供给-产水-碳固定服务供需引发了对于生态系统服务空间流转的思考,一方面可以从整体的生态系统服务角度入手,考虑人类的活动情况,计算生态系统服务的供需,进而量化生态系统服务的流转。另一方面,需要进一步确定各个生态系统服务的价值以及流转量,此方法比较复杂且难以实现。明确生态系统服务的供给单元、需求单元以及它们之间生态系统服务流动情况,对合理配置土地资源以及提升居民福祉具有重大意义,因此基于供需的生态系统服务流动及量化是未来研究的重要方向。

(3)保定太行山区生态系统管理的建议。保定太行山区的生态系统服务在研究基期内整体上来说是供给大于需求的,但仍存在供需赤字的情况。针对产水服务,研究区西南部存在供需比小于100%的地区,可以通过发展生态光伏农业来达到较少地表水蒸发的目的,也可以借助水库和河流,完善水资源异地供给渠道;针对碳固定服务,研究区西北部的低山丘陵区可以实施宜林荒山造林、退耕还林还草政策,同时通过优化土地利用空间布局,提升利用效率或者建立生态廊道来增加碳固定服务的供给量;针对粮食供给服务,研究区一方面要与周围地区建立好粮食输送通道,提升粮食供给服务的流转能力,另一方面也要保护优质耕地,建设高标准农田,进一步提升粮食供给能力。

4.2 结论

本研究在对保定太行山区现状进行分析的基础上,选取2005、2010、2015和2020年的粮食产量、NDVI值、降水、人口密度和碳密度等数据分别从粮食供给、产水和碳固定3个方面来评估保定太行山区生态系统服务,并分析其时空演化特征,得到的主要结论如下:

(1)2005-2020年保定太行山区的粮食供给服务供给量呈现波动上升的趋势,需求量和供需比均呈现持续上升的趋势;产水服务供给量和需求量都呈现逐步上升的趋势,而供需比呈先上升后下降的趋势;碳固定服务供给量呈现先下降后上升的趋势,需求量呈现持续增长的趋势,供需比呈先上升后下降的趋势。

(2)2005-2020年保定太行山区的粮食供给-产水-碳固定服务和3种生态系统服务的供需比均呈现“西北高,东南低”的分布特征,3种服务整体上均能供给大于需求。产水服务和碳固定服务在城镇化发展较快的人口聚集区供不应求,粮食供给服务的供给均大于需求,西部和北部的高植被覆盖率地区是供需比的高值区。

(3)2005-2020年保定太行山区的3种生态系统服务均以高供给低需求的供需特征为主,粮食供给-产水-碳固定服务的供需以供给大于需求为主。