基于供需關(guān)系的西南喀斯特區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間流動(dòng)研究

張欣蓉,王曉峰,程昌武,4,劉世榮,周潮偉,6

1 長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,西安 710054 2 長(zhǎng)安大學(xué)土地工程學(xué)院,西安 710054 3 陜西省土地工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710054 4 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所,楊凌 712100 5 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所,北京 100091 6 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100085

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各種產(chǎn)品與惠益[1],與人類福祉密切相關(guān),是人類生存與發(fā)展的基礎(chǔ)[2]。在全球變化背景下,隨著人類活動(dòng)的加劇導(dǎo)致全球環(huán)境破壞、生態(tài)退化、生物多樣性喪失,損害生態(tài)系統(tǒng)的健康,從而威脅人類福祉[3- 4]。聯(lián)合國(guó)千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估計(jì)劃對(duì)全球24項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行評(píng)估,發(fā)現(xiàn)約60%生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型都在退化,如淡水供應(yīng)、侵蝕控制、區(qū)域氣候調(diào)節(jié)等[5]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是連接生物過(guò)程和人類福祉的橋梁和紐帶,其研究應(yīng)包括自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)兩方面:既關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的自然供給,同時(shí)重視人類從自然中獲得惠益的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求[6]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流是實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和人類需求耦合的重要橋梁[7],對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的輸送、轉(zhuǎn)化和維持具有重要的作用[8]。從授粉[9- 10],物種遷徙[11]、水文[12]以及污染物的傳輸[13]等,與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)的各個(gè)研究領(lǐng)域都認(rèn)識(shí)到空間流動(dòng)的重要性。因此,需要對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)從產(chǎn)生、流動(dòng)到使用的全過(guò)程進(jìn)行研究,理清生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)從供給到達(dá)需求的流動(dòng)過(guò)程,才能明確生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化究竟對(duì)人類福祉產(chǎn)生了什么樣的影響[14]。

自千年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估以來(lái),全球范圍內(nèi)掀起了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的熱潮,并在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間制圖、價(jià)值評(píng)估、形成與影響機(jī)制、多種類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系等多個(gè)方面,取得了較大的研究進(jìn)展[15- 18]。隨著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的不斷深入,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究中越來(lái)越關(guān)注人類需求,離開(kāi)人類受益者,生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和過(guò)程無(wú)法形成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[19- 20]。因此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需開(kāi)展了大量基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究,如張立偉等[21]認(rèn)為供給與需求是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容；Goldenberg等[22]以瑞典西德哥爾摩地區(qū)為景觀案例,選取氣候調(diào)節(jié)和洪水調(diào)節(jié)兩個(gè)調(diào)節(jié)服務(wù),量化并繪制潛在和實(shí)際生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需；劉立程等[23]以蘭州市為例,分析研究區(qū)產(chǎn)水、食物供給、碳固定和土壤保持4項(xiàng)服務(wù)的供需匹配狀況。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流可以將具有空間異質(zhì)性的供給與需求有效連接,目前處于發(fā)展的起步階段,并向著定量化和空間化的趨勢(shì)發(fā)展[24]。如Li等[25]基于流量比對(duì)關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)碳固定服務(wù)的供需空間匹配特征進(jìn)行研究,并量化固碳服務(wù)流的大小和方向；Li等[26]利用水文模型從格網(wǎng)尺度和行政區(qū)尺度對(duì)京津冀區(qū)域水源供給服務(wù)流和水安全格局進(jìn)行研究；Xu等[27]基于修正風(fēng)蝕模型(RWEQ)和混合單粒子拉格朗日積分軌跡模型(HYSPLIT)模型了寧夏自治區(qū)鹽湖縣防風(fēng)固沙服務(wù)的時(shí)空格局和流動(dòng)軌跡。綜上所述,目前較多學(xué)者主要通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的變化描述其對(duì)人類福祉的影響[28- 30],但這些研究忽略了受益區(qū)的具體空間位置,沒(méi)有綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的空間異質(zhì)性及空間錯(cuò)位問(wèn)題[8]；其次靜態(tài)研究較多,重點(diǎn)探討供給和需求在某一時(shí)間點(diǎn)的空間和數(shù)量關(guān)系,少數(shù)涉及時(shí)間段內(nèi)兩者的時(shí)間和空間動(dòng)態(tài)[31]；現(xiàn)有的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動(dòng)的研究大多還停留在概念化和初步探索階段,明確繪制具體服務(wù)流路徑的研究相對(duì)較少[32- 33]。

西南喀斯特區(qū)是我國(guó)典型的生態(tài)脆弱區(qū)。近年來(lái),由于喀斯特地區(qū)自身脆弱的生態(tài)條件,加之人為干擾和資源的不合理利用,導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境退化,自然災(zāi)害頻發(fā),產(chǎn)生嚴(yán)重的水土流失和石漠化現(xiàn)象,極大破壞了生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,威脅人類的生存和發(fā)展[34]。因此,以西南喀斯特區(qū)為研究區(qū),分別運(yùn)用RUSLE、CASA、InVEST三種生態(tài)模型精準(zhǔn)核算2000—2015年土壤保持服務(wù)、固碳服務(wù)和產(chǎn)水服務(wù)的供給量,基于土地利用數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)對(duì)三種服務(wù)的需求進(jìn)行量化和空間化,揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需數(shù)量關(guān)系和空間匹配特征,最終確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給區(qū)、需求區(qū)以及服務(wù)流的傳輸路徑和流量。這不僅可以豐富生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相關(guān)研究,還可以為生態(tài)補(bǔ)償、國(guó)土空間規(guī)劃、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)付費(fèi)提供科學(xué)依據(jù)和理論支撐,對(duì)于實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展及提高人類福祉具有重要意義。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

西南喀斯特區(qū)包括:四川、重慶、湖北、湖南、云南、貴州、廣東和廣西8個(gè)省份,占地面積約193萬(wàn)km2(圖1),巖溶面積占八省總面積的26.51%。氣候類型為典型的亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫-11.12—24.56℃,年降雨量450.11—2759.88 mm。植被類型主要為亞熱帶常綠闊葉林、少部分區(qū)域分布有熱帶季雨林、雨林和青藏高原高寒植被。我國(guó)西南喀斯特區(qū)是全球喀斯特集中分布面積最大,巖溶發(fā)育最強(qiáng)烈、景觀類型復(fù)雜、生物多樣性豐富、生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱的典型地區(qū),在全球喀斯特生態(tài)系統(tǒng)中占重要地位[35]。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文所使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括以下幾類:①氣象數(shù)據(jù):包括西南喀斯特區(qū)以及周邊氣象站點(diǎn)的太陽(yáng)輻射、降水量、溫度等數(shù)據(jù),來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)站(http://data.cma.cn/)。風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)源于歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(https://www.ecmwf.int/)。②NDVI數(shù)據(jù):來(lái)源于美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的MODIS數(shù)據(jù)(https://search.earthdata.nasa.gov/search),空間分辨率為250 m。③土地利用數(shù)據(jù):2000、2005、2010和2015年,空間分辨率1km,來(lái)源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(https://www.resdc.cn/)。④土壤數(shù)據(jù):采用基于世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(HWSD)的中國(guó)土壤數(shù)據(jù)集(v1.1),來(lái)源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://westdc.westgis.ac.cn)。⑤DEM數(shù)據(jù):來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn),空間分辨率為30 m。本文基于填洼的DEM數(shù)據(jù),計(jì)算水流的方向與匯流積累量,并以100 km2作為流域最小集水面積閾值提取喀斯特區(qū)域的水系河網(wǎng),并將整個(gè)區(qū)域劃分為106個(gè)流域。⑥社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù):主要包括牲畜數(shù)量、氮肥施用數(shù)量、用電量、蒸汽和熱水的用量、城鄉(xiāng)居民人口、GDP等,主要來(lái)源于國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、各省市統(tǒng)計(jì)局、水資源公報(bào)、土壤保持公報(bào)等。將所有空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一為Albers投影,空間分辨率為1 km。

1.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需評(píng)估

1.3.1土壤保持服務(wù)

本研究基于修正土壤流失通用方程(RUSLE),土壤保持服務(wù)的供給量以潛在土壤侵蝕量與實(shí)際土壤侵蝕量之差作為衡量指標(biāo)。實(shí)際的土壤侵蝕是人類期望能夠被治理的和期望獲得的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)數(shù)量,因此,本研究以實(shí)際的土壤侵蝕量表征土壤保持服務(wù)的需求量。具體計(jì)算公式如下:

供給量:

Ac=Ap-Ar=R×K×LS×(1-C×P)

(1)

需求量:

Ar=R×K×LS×C×P

(2)

式中,Ac為土壤保持量,Ap為土壤潛在侵蝕量,Ar為實(shí)際土壤侵蝕量;K為土壤侵蝕因子；LS為坡度坡長(zhǎng)因子；P為水土保持因子；C為植被覆蓋因子,具體計(jì)算過(guò)程詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[36]。

土壤保持服務(wù)流是指沉積物的源、匯和使用者之間建立的空間連接,也就是從土壤侵蝕供給區(qū)到需求區(qū)的空間移動(dòng)。泥沙在到達(dá)河流前,先被地上徑流攜帶,從較高的地方移動(dòng)到較低的地方,然后匯入河流,被攜帶到中下游。因此,本研究以子流域?yàn)檫B通尺度,將土壤保持供給能滿足需求的流域視為供給區(qū),相反,將供給難以滿足需求的流域視為需求區(qū)。土壤保持服務(wù)流路徑主要依據(jù)地形和河流水文網(wǎng)確定,流量主要依據(jù)供給盈余量確定。

1.3.2產(chǎn)水服務(wù)

本研究采用InVEST模型中的產(chǎn)水模塊計(jì)算區(qū)域產(chǎn)水服務(wù)供給量[37],該模型基于水量平衡原理,利用區(qū)域水分的輸入量降水與輸出量蒸散發(fā)的差值得到區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)水量。以地區(qū)水資源的消耗量作為產(chǎn)水服務(wù)需求的保守估計(jì)根據(jù)。ARIES模型中對(duì)水資源消耗的定義與分類[38],水需求模型主要包括4大類:農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、居民生活用水(又分為農(nóng)村居民與城鎮(zhèn)居民)、牲畜用水,由于數(shù)據(jù)限制,本文沒(méi)有計(jì)算牲畜用水量。計(jì)算公式如下:

(3)

(4)

PETx=Kcx×ETox

(5)

(6)

需求量:Wtot=Wagr+Wind+Wdom=Ax×Agrx+Gx×Indx+Px×Domx

(7)

式中,WYx為柵格單元x的產(chǎn)水量,Px為年降雨量,AETx為年實(shí)際蒸散量,PETx為年潛在蒸散量,ETOx為參考植被蒸散量,KCx為作物蒸散發(fā)系數(shù),AWCx為植物可利用含水量,wx為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。Wtot為總需水量,由Wagr農(nóng)業(yè)灌溉用水量、Wind工業(yè)用水量和Wdom居民生活(城,鄉(xiāng))用水相加得到；Wagr農(nóng)業(yè)灌溉用水量由Ax耕地面積與Agrx實(shí)灌畝均用水量相乘得到；Wind工業(yè)用水量由Gx工業(yè)GDP生產(chǎn)總值與Indx每萬(wàn)元GDP所消耗的年均用水量相乘得到；Wdom居民生活(城,鄉(xiāng))用水由Px人口總數(shù)(分城、鄉(xiāng)人口)與Domx城鄉(xiāng)居民的年均生活用水量相乘得到。其中各省實(shí)灌畝均用水量、每萬(wàn)元GDP所消耗的年均用水量和城鄉(xiāng)居民生活日均用水量指標(biāo)均來(lái)自于各省的《水資源公報(bào)》。

產(chǎn)水服務(wù)流以地勢(shì)高低造成的重力差異而引起的“水往低處流”作為水流移動(dòng)的直接動(dòng)力,以河道作為傳遞通道,從上游流動(dòng)到下游的定向服務(wù)流[38]。因此,本研究根據(jù)河流的水文連通性,以子流域?yàn)檫B通尺度,識(shí)別產(chǎn)水的供給區(qū)和需求區(qū)。以河流水系網(wǎng)絡(luò)確定產(chǎn)水服務(wù)流的路徑,以流域的水供給盈余量確定流量。

1.3.3碳固定服務(wù)

在本研究中采用植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(net primary productivity, NPP)表征碳固定服務(wù)的供給量,選用朱文泉等改進(jìn)的Carnegie-Ames-Stanford Approach (CASA)實(shí)現(xiàn)對(duì)NPP的模擬[39]。CASA模型因其計(jì)算精度較高、數(shù)據(jù)和參數(shù)容易獲取等優(yōu)勢(shì),已被廣泛應(yīng)用于不同尺度上NPP的計(jì)算。以地區(qū)碳排放量作為碳固定服務(wù)需求量的保守估計(jì)值[40- 41],結(jié)合柵格化的人口密度數(shù)據(jù)、GDP數(shù)據(jù)、NDVI以及土地利用數(shù)據(jù),得到研究區(qū)碳固持服務(wù)的需求空間分布圖。具體計(jì)算公式如下:

供給量:

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(8)

APAR(x,t)=SOL(x,t)×0.5×FPAR(x,t)

(9)

ε(x,t)=Tε(x,t)×Wε(x,t)×εmax

(10)

需求量:Ctot=Cpop+Clive+Cfert+Cheat+Celec+Clucc

(11)

Cpop=p×l×365

(12)

Clive=EF(T)×N(T)/1000

(13)

Cfert=EF(NF)×N(NF)×44/28

(14)

Cheat+Celec+Clucc=ACh×EFh+ACe×EFe+ACl×EFl

(15)

式中,NPP(x,t)為植被凈初級(jí)生產(chǎn)力,APAR(x,t)為植被吸收的光合有效輻射,由SOL(x,t)太陽(yáng)總輻射量、FPAR(x,t)植被對(duì)光合有效輻射的吸收比例估算獲得；ε(x,t)為光合有效輻射轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳的效率,由最大光能利用率(εmax)、溫度脅迫(Tε)、水分脅迫(Wε)估算獲得。Ctot為碳固定服務(wù)需求量,Cpop為居民呼吸碳排放量,由p人口數(shù)量和l每人每天呼吸CO2排放量計(jì)算得到；Clive為牲畜CH4排放量,包括驢、牛、山羊、騾子、馬、綿羊,由EF(T)牲畜的排放因子和N(T)牲畜數(shù)量計(jì)算得到；Cfert為農(nóng)業(yè)氮肥施用過(guò)程中N2O排放量,由EF(NF)氮肥施用排放因子和N(NF)氮肥施用量計(jì)算得到；Cheat為熱力碳排放量,由ACh蒸汽和熱水的供熱總量和EFh蒸汽和熱水的排放因子計(jì)算得到；Celec為電力碳排放量,由ACe使用電量和EFe電力排放因子計(jì)算得到；Clucc為土地利用變化的碳排放量,由ACl土地利用類型轉(zhuǎn)移面積和EFl土地利用轉(zhuǎn)移碳排放因子計(jì)算得到 。

在碳固定服務(wù)流模型中,碳釋放生態(tài)系統(tǒng)作為碳源,所有碳源通過(guò)大氣環(huán)流與碳匯和使用者聯(lián)系在一起。依據(jù)區(qū)域碳排放量計(jì)算需求量,將每個(gè)區(qū)域內(nèi)植被固定的殘余量分配到每一個(gè)使用地點(diǎn)。未被固定的碳隨大氣環(huán)流運(yùn)動(dòng)到其他區(qū)域,被其他地區(qū)的固碳服務(wù)所消耗,因此,本研究依據(jù)碳供給量和需求量的大小關(guān)系,識(shí)別碳供給區(qū)和需求區(qū)。碳固定服務(wù)流路徑主要依據(jù)年均風(fēng)流場(chǎng)確定,流量主要依據(jù)供給盈余量確定,流速主要依據(jù)年均風(fēng)速確定。

1.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比

本研究引入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需指數(shù)(Ecosystem Services supply and Demand Index, ESSDI)來(lái)衡量區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)供需狀況。ESSDI是指區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求之間的比值,實(shí)現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求耦合[42]。

(16)

式中,S為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給量,D為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求量。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量時(shí)空變化分析

2000、2005、2010、2015年的土壤保持服務(wù)供給量分別為3204.30、3754.38、3888.99、3883.82 t/hm2,說(shuō)明研究區(qū)2000—2015年土壤保持服務(wù)呈先增長(zhǎng)后減少的趨勢(shì)。2000—2015年土壤保持供給量的空間分布格局變化不大(圖2)。整體上看:土壤保持的高供給區(qū)主要分布在四川省西部和云南省西部的林地和草地覆蓋區(qū),土壤保持量普遍高于5000 t/hm2。

2000、2005、2010、2015年的水供給量分別為1.72×105、1.36×105、2.35×105、3.92×105m3/km2,說(shuō)明研究區(qū)2000—2015年水供給量大致呈先減少后增加的趨勢(shì)。2000—2015年水供給的空間分布格局變化較大(圖2),主要表現(xiàn)為2000年水供給的高值區(qū)主要分布在重慶、貴州和湖南,2010年水供給的高值區(qū)主要分布在湖北東部、廣東北部和湖南地區(qū),2015年水供給的高值區(qū)主要分布在湖北東部、廣東、廣西和湖南,水供給量普遍高于4×105m3/km2。

2000、2005、2010、2015年的碳固定服務(wù)的供給量分別為731.49、715.20、713.47、804.40 t/km2,說(shuō)明研究區(qū)2000—2015年碳固定服務(wù)供給量呈先減少后增加的趨勢(shì)。2000—2015年碳固定供給量的空間分布格局變化不大(圖2)。整體上看:碳固定的高供給區(qū)主要分布在云南省的西南部和廣東省,碳固定供給量普遍高于1100 t/km2。

圖2 2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給空間分布Fig.2 Spatial distribution of ecosystem services supply from 2000 to 2015

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量時(shí)空變化分析

2000、2005、2010、2015年的土壤保持服務(wù)需求量分別為1951.57、2172.73、2048.31、2250.17 t/hm2,說(shuō)明研究區(qū)2000—2015年土壤保持需求量大致呈波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)。2000—2015年土壤保持需求量的空間分布格局變化不大(圖3)。整體上看:土壤保持的高需求區(qū)主要分布在四川省西部和云南省,土壤保持需求量普遍高于1000 t/hm2。

圖3 2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求空間分布Fig.3 Spatial distribution of ecosystem services demand from 2000 to 2015

2000、2005、2010、2015年的水需求量分別為0.92×105、0.93×105、0.98×105、0.96×105m3/km2,說(shuō)明研究區(qū)2000—2015年水需求量大致呈先增加后減少的趨勢(shì)。2000—2015年水需求量的空間分布格局變化不大(圖3)。水需求的高值區(qū)主要分布在廣東省東南部、湖北省東部、湖南東部,水需求量普遍高于2.5×105m3/km2。從圖4可以看出各省份不同年份的水資源用途分類變化:除重慶外,其余所有省份農(nóng)業(yè)灌溉用水最多。在2005和2010年重慶工業(yè)用水高于農(nóng)業(yè)灌溉用水,而在2000和2015年工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水相對(duì)持平。工業(yè)用水量中屬?gòu)V東省最高,高于1.0×1010m3,其次為湖北和湖南。

圖4 2000—2015年不同省份水資源用途分類柱狀圖Fig.4 The structure of water consumption from 2000 to 2015

2000、2005、2010、2015年的碳固定服務(wù)的需求量分別為225.47、312.36、369.31、393.83 t/km2,說(shuō)明研究區(qū)2000—2015年碳固定服務(wù)需求量呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。2000—2015年碳固定服務(wù)需求量的空間分布格局變化較大(圖3),2000年碳固定服務(wù)高需求區(qū)分布在四川東部、重慶西部和廣東東部,而在2015年四川東部、廣東、湖南、湖北、重慶大部分區(qū)域均已成為高需求區(qū),碳固定服務(wù)的需求量普遍高于500.00 t/km2。從表1中可以看出各省份不同年份碳需求結(jié)構(gòu)變化:各省份不同類型碳排放中,電力碳排放占主導(dǎo)位置,其次為人口呼吸和土地利用轉(zhuǎn)變。電力碳排放屬?gòu)V東最高,其次為四川和湖北。土地利用轉(zhuǎn)變碳排放屬云南最高,其次為四川和廣西。居民呼吸碳排放屬?gòu)V東和四川最高。農(nóng)業(yè)化肥碳排放屬湖北最高,其次為四川。牲畜碳排放中屬四川最高,其次為云南。除四川和湖北省以外,其余省份均不存在熱力碳排放。

表1 研究區(qū)各類碳固定需求量變化表

A代表居民呼吸碳排放量,B代表農(nóng)業(yè)碳排放量,C代表牲畜碳排放量,D代表土地利用變化產(chǎn)生的碳排放量,E代表熱力碳排放量,F代表電力碳排放量

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡分析

2000、2005、2010、2015年的土壤保持服務(wù)的供需比分別為336.74%、172.80%、189.86%、172.60%,說(shuō)明研究區(qū)的整體土壤保持服務(wù)供給能滿足需求,但供需比呈波動(dòng)減少趨勢(shì)。空間分布上(圖5),四川西部、重慶東部和云南的土壤保持供不應(yīng)求。從表2中可以看出:四川和云南的土壤保持供給量最高,對(duì)應(yīng)的需求量也最高。除2000年廣東省和2015年云南省供需比小于100%,其余省份土壤保持供給都能滿足需求。廣西省的供需比最高,可達(dá)到300%以上。

圖5 2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡變化Fig.5 Balance between supply and demand of ecosystem services from 2000 to 2015

2000、2005、2010、2015年的產(chǎn)水服務(wù)的供需比分別為186.96%、146.24%、239.80%、408.33%,說(shuō)明研究區(qū)的整體產(chǎn)水服務(wù)供給能滿足需求,但供需比呈先減少后增加的趨勢(shì)?？臻g分布上(圖5),2000年在廣東西南部、廣西南部、云南東部,2010年在云南省,2015年在四川東部水供給難以滿足需求,供需比普遍低于35%。從表2中可以看出:云南省在2005年和2010年、廣西省在2000年和2005年水供給均為負(fù)值,遠(yuǎn)不能滿足需求。廣東省在2000年和2005年供需比小于100%,分別為13.42%和77.91%,說(shuō)明水供給服務(wù)供不應(yīng)求。貴州、重慶、四川和湖北供需比均大于200%,說(shuō)明水供給服務(wù)供大于求。

2000、2005、2010、2015年的碳固定服務(wù)的供需指數(shù)分別為324.43%、228.97%、193.19%、204.25%,說(shuō)明研究區(qū)的整體碳固定服務(wù)供給能滿足需求,但供需比呈波動(dòng)減少趨勢(shì)?？臻g分布上(圖5),各省份之間供需關(guān)系差異大,在四川東部、廣東省珠江三角洲、湖北省東部碳固定供給小于需求,供需指數(shù)普遍小于100%。從表2中可以看出:廣東省在2005、2010、2015年供需指數(shù)小于100%,分別為84.17%、74.06%、77.53%,呈現(xiàn)碳固定供需赤字。云南省供需指數(shù)最高,可達(dá)到500%以上,供給遠(yuǎn)大于需求。其次為四川和廣西省,供需指數(shù)可達(dá)到200%以上。

表2 2000—2015年各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡表

2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流

土壤保持需求區(qū)(圖6)主要分布在云南西北部的金沙江流域,以及廣東部分沿海流域,2000年和2010年需求區(qū)較2015年增加了云南省的元江流域。云南省的元江流域和廣東部分沿海流域由于靠近研究區(qū)邊界,未被本地土壤保持的那部分土壤流失量隨著河流水文網(wǎng)流動(dòng)研究區(qū)外。從土壤保持服務(wù)流的流量等級(jí)來(lái)看,高服務(wù)流主要分布在云南的黑水河流域、四川的雅礱江流域、廣東的北江和東江流域,2000年和2010年四川省的岷江和大渡河流域?yàn)楦叻?wù)流而到2015年轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高服務(wù)流。湖南省的湘江流域從2000年的較低服務(wù)流到2010年和2015年轉(zhuǎn)變?yōu)橹械确?wù)流。

2000—2015年產(chǎn)水需求區(qū)面積逐年縮減(圖6),云南的元江、普渡河、牛欄江流域在2000年、2010年和2015年均為產(chǎn)水需求區(qū),除此之外,2000年的需求區(qū)還分布在云南的南盤江流域,廣西的紅水河流域以及廣東的東江和北江流域,2010年需求區(qū)還分布在云南的瀾滄江和南盤江流域,2015年需求區(qū)還分布在四川省培江和渠江流域。云南省的需求區(qū)主要由金沙江和雅礱江供給,廣西和廣東的需求區(qū)主要由紅水河供給。廣西的紅水河流域在2000年為需求區(qū),而到2010年變?yōu)檩^低服務(wù)流,最后在2015年轉(zhuǎn)變?yōu)楦叻?wù)流。

2000—2015年碳固定需求區(qū)(圖6)主要分布在廣東沿岸、湖北東部、重慶西部和四川東部區(qū)域。其中湖北東部碳需求區(qū)中未被本地植被固定的碳,隨著風(fēng)被傳遞到湖北西部和湖南區(qū)域從而被固定；重慶西部和四川東部的碳固定需求區(qū)主要由四川中部和北部區(qū)域植被固定；廣東沿岸的碳固定需求區(qū)主要由廣西植被固定。碳高服務(wù)流主要分布在云南的西南部,方向由西南至東北。碳較高服務(wù)流主要分布在四川西部區(qū)域,較低服務(wù)流主要分布在湖南省。

3 討論

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需雙方是服務(wù)形成、輸送和最終被消費(fèi)的主體,沒(méi)有人類需求,生態(tài)系統(tǒng)功能和過(guò)程無(wú)法形成服務(wù)。目前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的定量研究方法相對(duì)比較成熟,尤其是物質(zhì)量、價(jià)值量以及評(píng)價(jià)模型等方面,然而,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求的量化仍處于不斷探索和發(fā)展中[43]。由于人們對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求概念內(nèi)涵缺乏統(tǒng)一的理解,對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量化的方法和標(biāo)準(zhǔn)也并不一致[44],可能導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果存在很大的差異,所以亟需建立普適性的定量化和空間化準(zhǔn)則和框架,以利于多種方法在不同地區(qū)的應(yīng)用,從而通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證增強(qiáng)結(jié)果可靠性,進(jìn)一步應(yīng)用到生態(tài)系統(tǒng)管理和規(guī)劃等領(lǐng)域。本文雖然從數(shù)量和空間上對(duì)各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需狀況進(jìn)行研究,但仍無(wú)法充分反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡內(nèi)部機(jī)理與驅(qū)動(dòng)機(jī)制。此外,本文僅對(duì)供給和調(diào)節(jié)這兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行分析,并對(duì)未對(duì)西南喀斯特區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡進(jìn)行全面評(píng)估。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給和消費(fèi)是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間流動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn),通過(guò)復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)途徑,從供給方出發(fā)最終到達(dá)受益方[45]。目前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的研究主要關(guān)注其概念與理論內(nèi)涵,以及研究框架,缺乏具體案例研究。本文基于大氣環(huán)流和水流量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流路徑,很大程度上是一種嘗試與探索。其次,本研究服務(wù)流繪制過(guò)程中僅考慮了自然因素,而忽略了人類活動(dòng)對(duì)于服務(wù)流的影響,也沒(méi)有綜合考慮服務(wù)流在傳輸路徑上的衰減或累積效應(yīng)。因此,未來(lái)應(yīng)該從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給、流量、流向、流速、耗散和消費(fèi)變化以及不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的作用方向與供給范圍等方面出發(fā),分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在傳遞過(guò)程中對(duì)其所涉及的區(qū)域產(chǎn)生的影響,揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在傳遞過(guò)程中的損耗與衰減規(guī)律,實(shí)現(xiàn)對(duì)跨尺度、跨區(qū)域、跨邊界的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間轉(zhuǎn)移規(guī)律的探索。

西南喀斯特區(qū)碳固定服務(wù)供不應(yīng)求區(qū)主要分布在人口分布較為集中、工業(yè)化程度較高,且大型生態(tài)源地缺失的區(qū)域。警戒我們?cè)谧非蠼?jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí),還應(yīng)該考慮植被固碳對(duì)于維持區(qū)域碳平衡的重要性。產(chǎn)水供需平衡空間分布格局變化較大,主要受水供給的動(dòng)態(tài)影響較大,要實(shí)現(xiàn)區(qū)域產(chǎn)水服務(wù)的供需穩(wěn)定平衡,不僅依靠自然的降雨供給,還應(yīng)該依靠水庫(kù)蓄水和跨區(qū)域調(diào)水。因此,對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡分析有利于對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需狀況有一個(gè)整體的把握,從而重點(diǎn)關(guān)注并將有限的人力和物質(zhì)資料投入供給緊張區(qū),實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。

4 結(jié)論

(1)2000、2005、2010、2015年的土壤保持服務(wù)供給量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),需求量呈現(xiàn)波動(dòng)增長(zhǎng)的趨勢(shì),供需比呈現(xiàn)波動(dòng)減少趨勢(shì)。土壤保持高服務(wù)流主要分布在云南的黑水河流域、四川的雅礱江流域、廣東的北江和東江流域

(2)2000、2005、2010、2015年的水供給量呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì),水需求量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),供需比呈先減少后增加的趨勢(shì)。2000—2015年產(chǎn)水需求區(qū)面積逐年縮減,廣西的紅水河流域在2000年為需求區(qū),而到2010年變?yōu)檩^低服務(wù)流,最后在2015年轉(zhuǎn)變?yōu)楦叻?wù)流。

(3)2000、2005、2010、2015年的碳固定供給量呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì),碳固定需求量呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì),供需比呈波動(dòng)減少趨勢(shì)。碳固定需求區(qū)主要分布在廣東沿岸、湖北東部、重慶西部和四川東部區(qū)域。碳高服務(wù)流主要分布在云南的西南部,方向由西南至東北。