陜北黃土高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需格局及其演變

陳泓文,鞏 杰

(蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,蘭州 730000)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(Ecosystem Services，ES)是未來地球、地球觀測生物多樣性觀測網(wǎng)絡(luò)(GEO-Bon)、生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)政府間平臺(IPBES)等國際科學(xué)計(jì)劃的核心研究內(nèi)容之一[1-3]。其中，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的時(shí)空變化是ES研究的重要內(nèi)容[4-7]，而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系時(shí)空變化研究已成為新的研究熱點(diǎn)[8-11]。通過探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需格局及其演變的研究，對于有效提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給質(zhì)量、改善區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有重要意義。

目前，ES供需研究主要集中在ES供給和需求的量化、供給與需求關(guān)系等方面。定量評估ES供給和需求的方法主要有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量[12-14]和生物物理指標(biāo)法[15-17]。生物物理指標(biāo)法可反映各類ES的生態(tài)學(xué)意義，但對所有ES類型的空間整合難度較大，且模型參數(shù)確定較為繁瑣，往往采用單一時(shí)間斷面的靜態(tài)分析；而價(jià)值量法雖然模糊了各類ES，但可對所有類型服務(wù)進(jìn)行空間整合，且方法較為簡單。從供需整體的視角來分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需格局是目前的研究熱點(diǎn)。相關(guān)研究多采用兩種方式：一是采用主觀打分的方式對ES的供給與需求進(jìn)行評估[18-19]，二是采用客觀定量方法評估ES供給與需求[20-22]。主觀打分法所需數(shù)據(jù)較少，方法簡單易行，但主觀性較大，往往進(jìn)行靜態(tài)分析；客觀評估法所需數(shù)據(jù)較多，但較為客觀，可進(jìn)行ES時(shí)空變化研究。由于缺乏數(shù)據(jù)支持以及供需平衡分析的理論，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系的研究比較零散[2,23]。已有學(xué)者基于Z-score標(biāo)準(zhǔn)化方法探討供需空間分異、供需失衡等方面[7,20,24]，為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系的研究提供了有益的借鑒。陜北黃土高原是退耕還林工程的重點(diǎn)實(shí)施區(qū)域，近年來社會經(jīng)濟(jì)也發(fā)生顯著變化。目前，探討和分析黃土高原ES的研究主要集中在ES的供給等方面，雖有部分學(xué)者對該區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求進(jìn)行研究[25-26]，但對該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需格局及其變化的研究還不多見。該區(qū)社會經(jīng)濟(jì)和自然環(huán)境的變化，是否影響到該區(qū)ES的供給和需求？如果有影響，供需的格局發(fā)生了什么變化？

因此，本文擬以陜北黃土高原為例，基于價(jià)值當(dāng)量法計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給，基于構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求參數(shù)評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求；在此基礎(chǔ)上，分析該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的時(shí)空分異；利用構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需綜合參數(shù)，分析研究區(qū)ES的供需格局及其演變，并給出未來的研究方向。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

陜北黃土高原(35°02′—39°35′N，107°15′—110°15′E)，是黃土高原與內(nèi)蒙古高原的過渡區(qū)，地勢整體呈西北高、東南低，處于暖溫帶大陸性季風(fēng)半濕潤氣候向溫帶半干旱氣候過渡區(qū)，年均溫8～12℃，年平均降水量350～600 mm。按照地形地貌可將其分為北部風(fēng)沙草灘區(qū)、中部黃土丘陵溝壑區(qū)、南部梁狀低山丘陵區(qū)。該區(qū)包括榆林、延安兩個(gè)地級市的25縣(市/區(qū))。研究區(qū)現(xiàn)有612.93萬人，GDP總量為3 821.54億元，社會消費(fèi)品零售總額為637.49億元(2015年)。同時(shí)，該區(qū)也是國家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)—黃土高原丘陵溝壑水土保持生態(tài)功能區(qū)，經(jīng)過近15 a的退耕還林，該區(qū)耕地、水域和未利用土地有較大減少，林地、草地和水域面積有較大增加。其中，耕地從2000年的28 416.74 km2減少到2015年的25 404.78 km2，水域則從638.78 km2減少到615.56 km2，未利用土地從4 630.44 km2減少到4 554.45 km2；林地從2000年的10 988.69 km2增加到2015年12 167.63 km2，草地從34 691.45 km2增加到36 089.24 km2，建設(shè)用地從297.67 km2增加到1 032.32 km2(中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心)。退耕還林工程對該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境影響較大，加之該區(qū)社會經(jīng)濟(jì)變化顯著，為分析和探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需格局及其變化提供了良好的平臺。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源于中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心的陜西省2000年、2015年1∶10萬土地利用矢量數(shù)據(jù)集，精度達(dá)95%以上；參照土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)研究成果[27-28]，去掉不提供生態(tài)服務(wù)的建設(shè)用地與提供ES較少的未利用土地，僅保留耕地、林地、草地、水域4種土地利用類型。社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，如GDP總量、社會消費(fèi)品零售總額、人口總量均來自研究區(qū)對應(yīng)年份的統(tǒng)計(jì)年鑒。

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給計(jì)量方法 借鑒謝高地等[28]提出的價(jià)值當(dāng)量換算法確定研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表，采用以研究區(qū)單位面積糧食產(chǎn)量與全國單位面積糧食產(chǎn)量之比確定陜西省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量的修正系數(shù)為0.82，進(jìn)而得到陜西單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量(表1)。具體方法如下：

(1)

式中:EV為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值即生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總供給；i為用地類型；Ai為第i種用地類型的面積；UVi為第i種用地類型的單位面積價(jià)值。通過公式(1)得到陜西單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表(表1)。本文未將建設(shè)用地和未利用土地納入表1,主要是因?yàn)榻ㄔO(shè)用地幾乎不產(chǎn)生生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),而研究區(qū)未利用土地面積較小,且價(jià)值當(dāng)量低,其提供的服務(wù)價(jià)值僅為耕地的17.59%,草地的11.9%,水域的3.13%。

表1 陜北單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值 元/hm2

1.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求計(jì)量方法 借鑒彭建[20]和Gu[21]等研究，本文選取人口總量、GDP總量、居民消費(fèi)強(qiáng)度等指標(biāo)反映ES需求，其中居民消費(fèi)強(qiáng)度以居民消費(fèi)水平表征，該指標(biāo)引自統(tǒng)計(jì)年鑒。為降低某些區(qū)域部分指標(biāo)過高而對研究結(jié)果可能的影響，參考已有研究，通過取對數(shù)使計(jì)算結(jié)果更加平穩(wěn)[20-21]。方法如下：

ESd=lgDi1×lgDi2×lgDi3

(2)

式中:ESd為各評價(jià)單元的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求總量；Di1為地均GDP;Di2為人口密度；Di3為消費(fèi)強(qiáng)度。

1.3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需綜合參數(shù)(ESSDC) 借助Z-score方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除數(shù)據(jù)量級帶來的影響，確保數(shù)據(jù)間的可比性。在此基礎(chǔ)上，引入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需綜合參數(shù)，對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需類型進(jìn)行劃分，以此探討ES供需格局及其變化。ESSDC是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求之間的比值，即：

(3)

式中:EVi為區(qū)域i的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值,即生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總供給;ESdi為區(qū)域i的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的總需求。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給時(shí)空分異

2000—2015年，陜北黃土高原4類服務(wù)總量在增加，且調(diào)節(jié)服務(wù)所占比例最大。從表2中可以看出：2010年4類服務(wù)及其總量達(dá)到最大，盡管2015年有所減少，但與2000年相比，各類服務(wù)及其總量均有較大增加。同時(shí)，4類服務(wù)雖然在4個(gè)年份中所占的比例有所變化，但調(diào)節(jié)服務(wù)所占比例均超過了70%，且從大到小的順序沒有改變，即保持調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)、文化服務(wù)和供給服務(wù)的次序。

表2 研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及其占比

2000—2015年陜北黃土高原ES供給價(jià)值的整體格局大體保持不變。為便于分析，本文依照自然斷點(diǎn)法對上述年份進(jìn)行類型劃分，可將ES劃分為5種類型：低、較低、中、較高和高(圖1)。由圖1可知，2000—2015年陜北黃土高原ES供給的整體格局為：高值區(qū)主要分布在研究區(qū)北部，西部和南部有零星分布，中值區(qū)主要集中在研究區(qū)中部，較低值區(qū)主要集中在研究區(qū)的中東部，低值區(qū)則零星分布在研究區(qū)中部偏北。

圖1 研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給類型

2.2 研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求時(shí)空分異

2000—2015年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求各個(gè)參數(shù)增加明顯。由表3可以看出，除人口總量保持較低的平穩(wěn)增長外(1.17倍)，GDP總量、社會消費(fèi)品零售總額和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求均有較大變化。其中，GDP總量增幅最大，與2000年相比，2015年約為期初的20.93倍，社會消費(fèi)品零售總額約為15.91倍。受GDP總量、社會消費(fèi)品零售總額較大變化的影響，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求增長約為期初的3.4倍。

表3 研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求及參數(shù)值

2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求的空間格局大體保持不變(圖2)：研究區(qū)南部和中東部以低需求和較低需求類型為主，中西部以中需求和較高需求為主，北部以高需求為主。但從研究區(qū)整體看，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求呈現(xiàn)整體增加的趨勢，主要表現(xiàn)在低和較低需求類型的縣(市/區(qū))減少，中等和較高類型區(qū)域增加。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求類型變化在研究區(qū)中部和南部表現(xiàn)較為明顯。

圖2 研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求類型

2.3 研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需格局及其演變

為從供給與需求整體上探討研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空分異，本文首先通過Z-score方法對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到研究區(qū)2000年、2005年和2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需特征表；其次，基于公式(3)計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需綜合參數(shù)；最后，基于上述計(jì)算結(jié)果對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需類型進(jìn)行劃分，以此探討其供需格局及其變化。

表4為研究期間保持供需特征一致的縣(市/區(qū))表。陜北黃土高原共有25個(gè)縣(市/區(qū))，有20個(gè)縣(市/區(qū))的供需特征保持不變(表4)，因此，研究區(qū)整體的供需特征大體保持一致。由表4可以看出：

表4 研究區(qū)各縣(市/區(qū))ES供需類型特征

(1)類型Ⅰ和類型Ⅳ中的縣(市/區(qū))ES的供給特征一致，ES的需求特征相反。兩種類型的縣(市/區(qū))均擁有較大面積的林草地：類型Ⅰ有較大面積的草地，類型Ⅳ有較大面積的林地，使得其ES的供給大于研究區(qū)供給的平均水平；與類型Ⅳ相比，類型Ⅰ中的縣(市/區(qū))在研究期間社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，ES的需求增幅較大；

(2)類型Ⅱ和類型Ⅲ中的縣(市/區(qū))ES的供給特征一致，ES的需求特征相反。兩種類型的縣(市/區(qū))擁有的林草地面積較少，使得其ES的供給小于研究區(qū)供給的平均水平；與類型Ⅲ相比，類型Ⅱ中的縣(市/區(qū))在研究期間社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，尤其是蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，使得其ES的需求增幅較大。

為了解研究區(qū)2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需格局的演變，依據(jù)各縣(市/區(qū))在ES供給和需求方面的變化和特征，總結(jié)出該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需格局及其演變特征：

(1)2000年、2005年和2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空格局大體保持一致(圖3A)。主要是因?yàn)檠芯繀^(qū)西部和北部林草地面積大，加之該區(qū)大部分縣市持續(xù)高速增長的GDP總量和社會消費(fèi)品零售總額，形成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求均大于或等于研究區(qū)平均水平的區(qū)域；研究區(qū)的中東部屬于黃土丘陵溝壑區(qū)，生態(tài)環(huán)境較差，同時(shí)該區(qū)GDP總量和社會消費(fèi)品零售總額增長較快，由此形成需求高于平均水平，而供給小于平均水平的區(qū)域；研究區(qū)南部雖然林草地面積大生態(tài)環(huán)境良好，但該區(qū)GDP總量和社會消費(fèi)品零售總額增長較少，則形成供給大于平均水平，而需求小于研究區(qū)平均水平的區(qū)域。

(2)2000年、2005年和2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)格局演變大體有4種方式：方式a為供需均有較大增加；方式b為需求略有增加，供給有較大增加；方式c為需求有較大增加，供給略有增加；方式d為供需均略有增加。4種方式的空間分布見圖3B：方式a的各縣(市/區(qū))退耕還林較多，林草地面積有較大增加；同時(shí)，這些區(qū)域的社會經(jīng)濟(jì)有長足發(fā)展，GDP總量和社會消費(fèi)品零售總額的增幅較大；方式b的各縣(市/區(qū))與方式a較為類似，退耕還林較多，林草地面積有較大增加，ES供給有較大增加，但上述區(qū)域GDP總量、社會消費(fèi)品零售總額雖有所增加，但幅度較??；方式c的各縣(市/區(qū))林地、草地和水域面積較大，退耕還林政策影響較小，但上述區(qū)域GDP總量和社會消費(fèi)品零售總額的增長幅度較大；方式d的各縣(市/區(qū))，林草地覆蓋率較高，退耕還林政策影響較小，且GDP總量和社會消費(fèi)品零售總額的增長幅度較小。

圖3 研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需類型及其演化方式

依據(jù)研究區(qū)ES供需類型及其演化方式，對該區(qū)主要類型縣(市/區(qū))的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需提出相應(yīng)的對策和措施：

類型I中的(市/區(qū))，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)格局演化大多采用方式b、方式c和方式d，建議在保持ES供給適度增長的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升其ES需求的增長幅度。這主要是因?yàn)樵擃惪h市生態(tài)環(huán)境已有較大改善，加之資源較為豐富，可保持ES需求較大增長。

類型Ⅱ僅有洛川縣，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)格局演化采用方式d，建議在保持ES供給適度增長的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升和完善其蘋果產(chǎn)業(yè)，提升ES的需求增長幅度。這主要是因?yàn)樵摽h生態(tài)環(huán)境已有較大改善，加之蘋果產(chǎn)業(yè)還有較大提升空間，可保持ES需求較大增長；

類型Ⅲ中的縣(市/區(qū))，其ES格局演化大多采用方式a和方式b，建議在保持ES供給適度增長的基礎(chǔ)上，適當(dāng)放緩ES需求的增長幅度。主要是因?yàn)樵擃悈^(qū)域大規(guī)模退耕還林工作基本停止，ES供給大幅度提升狀況也趨于停止。保持適度ES需求的增長，有利于該類縣(市/區(qū))的可持續(xù)發(fā)展。

類型Ⅳ中的縣(市/區(qū))，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)格局演化大多采用方式a和方式c，建議在保持現(xiàn)有ES供給的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升其ES需求的增長幅度。主要是因?yàn)樵擃惪h(市/區(qū))生態(tài)環(huán)境較好，ES需求提升的空間較大。

3 討 論

目前，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量法[28-29]多用于區(qū)域及全球尺度ES價(jià)值的評估，本文依據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況修正了參數(shù)，結(jié)果表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量法也適用于中小尺度生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值的評估。同時(shí)，本文從研究區(qū)ES供給、需求及供需整體視角，基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需綜合參數(shù)，探討和分析該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需格局及其演變。研究發(fā)現(xiàn)：該區(qū)社會經(jīng)濟(jì)和自然環(huán)境的變化，雖然影響到該區(qū)ES的供給和需求的數(shù)量，但對ES供需格局的影響較小。其中，ES供給的數(shù)量和格局的變化主要受土地利用數(shù)量和格局的變化。研究期間，研究區(qū)林草地面積的數(shù)量有較大變化，但林草地總體格局大體保持一致。這與研究區(qū)各個(gè)縣(市/區(qū))坡耕地?cái)?shù)量和退耕還林規(guī)模有較大聯(lián)系；ES需求的數(shù)量和格局與需求所選指標(biāo)和不同縣(市/區(qū))資源稟賦、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r相關(guān)。類型I所包含的8個(gè)縣(市/區(qū))均資源稟賦較好，有較為優(yōu)越的煤炭、石油和天然氣資源；類型Ⅱ中的洛川縣，其蘋果產(chǎn)業(yè)得到較大發(fā)展。但由于本研究供需單位不一致，還不能直接研究該區(qū)的供需匹配程度及其格局變化。因此，未來的研究主要集中在兩個(gè)方面：一是進(jìn)一步完善ES的需求指標(biāo)，增強(qiáng)對研究區(qū)內(nèi)部需求差異性的表達(dá)；二是借鑒其他學(xué)者的研究[19-20]，通過單位一致的ES供需的計(jì)量，分析研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配程度，及其可能的時(shí)空分異規(guī)律。

4 結(jié) 論

(1)研究區(qū)各類供給服務(wù)數(shù)量均有所增加，但整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給格局大體保持不變。研究期間，供給服務(wù)由大到小的順序?yàn)檎{(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)、文化服務(wù)和供給服務(wù)，增幅最大的是供給服務(wù)(22.05%)，增幅最小的為調(diào)節(jié)服務(wù)(2.41%)；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給格局大體表現(xiàn)為北部高值、中部中值、中東部較低值和中部偏北低值。

(2)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求逐年增加，但整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求格局大體保持不變。增幅最大的因素是GDP總量(20.93倍)，最小的是人口總量(1.17倍)；研究期間，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求大體保持南部和中東部以低需求和較低需求類型為主、中西部以中需求和較高需求為主，北部以高需求為主的格局。

(3)綜合研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需整體狀況，形成4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需類型和4種演變方式；前者包括供需均大于平均水平、供需均小于平均水平、僅供給大于平均水平、僅需求大于平均水平4種類型；后者包括供需均有較大增加、供需均略有增加，僅供給有較大增加和僅需求有較大增加4種方式。