黃河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配及生態(tài)管理分區(qū)研究*

郅宏宇 張 磊

(1.河南工程學(xué)院商學(xué)院,河南 鄭州 451191;2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[1]3-15。人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各種服務(wù)提高了人類的福祉,但不合理的高強(qiáng)度開發(fā)嚴(yán)重影響了生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[2-3]。此外,隨著全球人口的增加和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對食物、水資源和能源等服務(wù)的需求將會(huì)日益劇增[4],這將進(jìn)一步影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的狀況。因此,在衡量一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)時(shí),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給和需求關(guān)系是不可分割的[5]。在此背景下,應(yīng)開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的定量評估,并有效劃分生態(tài)管理分區(qū),這對于制定完善的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理政策以實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展具有重要意義。

自1997年COSTANZA等[1]3-15對全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行價(jià)值評估以來,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值在全球范圍內(nèi)被廣泛研究。早期,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究主要集中在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的內(nèi)涵、分類、評價(jià)方法等方面。在研究內(nèi)容上,國內(nèi)外學(xué)者在研究中把人的需求納入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評估范圍,認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的狀況是由供給和需求共同決定的[6]。當(dāng)前,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系的研究主要集中在供需評價(jià)[7]9064,[8]、文化服務(wù)[9]、水體調(diào)節(jié)服務(wù)[10]、土壤保持服務(wù)供需關(guān)系[11-12]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需權(quán)衡[13]、供需的空間耦合[14]、土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的影響[15-16]等方面。如BURKHARD等[17]將土地利用、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求聯(lián)系起來,構(gòu)建了一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需矩陣,以此繪制了德國中部的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需地圖,并詳細(xì)闡述了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的定量方法和空間可視化概念;WANG等[18]通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給指數(shù)和土地開發(fā)指數(shù)等構(gòu)建了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需匹配模型,進(jìn)而揭示了我國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的空間不平衡和時(shí)空格局變化。這些研究都在支撐生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)利用方面提供了重要的科學(xué)依據(jù),但已有研究多止步于對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系的描述上,從空間角度出發(fā),基于供需匹配關(guān)系進(jìn)一步開展生態(tài)管理分區(qū)的探索還有待豐富。此外,現(xiàn)有供需關(guān)系的研究主要集中在全球、國家、省域尺度,而對流域尺度,尤其是黃河流域的研究還相對較少。

為此,本研究以黃河流域?yàn)檠芯繀^(qū),采用修正的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算方法以及地均國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)、人口密度和土地利用強(qiáng)度綜合指數(shù)分別測算黃河流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求,并結(jié)合供需的匹配關(guān)系分析提出黃河流域生態(tài)管理分區(qū)及差異化生態(tài)管理建議,以期為改善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需失衡并增進(jìn)人類福祉提供科技支撐。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

黃河流域位于我國北部,流域內(nèi)分布著許多重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)和重點(diǎn)產(chǎn)糧區(qū),是我國重要的生態(tài)屏障,在我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中也具有非常重要的作用[19]。結(jié)合李敏納等[20]提出的以黃河流域自然邊界為基礎(chǔ),考慮行政區(qū)劃單元的完整性及地區(qū)經(jīng)濟(jì)與黃河的關(guān)聯(lián)性等原則,結(jié)合數(shù)據(jù)可獲得性,最終選取60個(gè)地級市(見圖1)為本研究的黃河流域范圍。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Overview of the study area

黃河流域地勢西高東低,海拔為-30～6 253 m。土地利用類型主要以草地和耕地為主,2018年分別占土地利用總面積的44.18%和27.89%。鑒于黃河流域在我國的重要地位,分析黃河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需關(guān)系,并進(jìn)一步劃分生態(tài)管理分區(qū),對于黃河流域乃至全國生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本研究以2018年為典型年份開展數(shù)據(jù)的收集工作,包括土地利用類型、歸一化植被指數(shù)(NDVI)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)。其中,土地利用類型數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn),空間分辨率為30 m,包括耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地和未利用地六大用地類型;NDVI數(shù)據(jù)同樣來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心,空間分辨率為100 m;社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于相關(guān)省份的統(tǒng)計(jì)年鑒和《全國農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格調(diào)查年鑒》,主要包括研究區(qū)的GDP、人口和糧食生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給測算

謝高地等[21-22]通過參考COSTANZA等[1]3-15的方法對我國近700名生態(tài)學(xué)家進(jìn)行問卷調(diào)查,總結(jié)出適合我國尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子。參考文獻(xiàn)[23]、[24],利用糧食生產(chǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值(E,元/km2),進(jìn)而采用式(1)計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)單位面積的價(jià)值系數(shù)。在本研究中,為保證價(jià)值系數(shù)更符合黃河流域的生態(tài)實(shí)際,借鑒文獻(xiàn)[25]對價(jià)值系數(shù)進(jìn)行修正。采用式(2)計(jì)算黃河流域各地級市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV,元)。

VCik=E×Qik×fi

(1)

(2)

式中:VCik為修正的土地利用類型k提供的第i項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的單位面積價(jià)值系數(shù),元/km2;Qik為土地利用類型k提供的第i項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的當(dāng)量因子;fi為第i項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的修正系數(shù);ESVi為第i項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值,元;Sk為土地利用類型k的面積,km2。

鑒于黃河流域各地級市行政區(qū)劃面積的差異,為橫向比較各地級市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的差異,采用地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值反映各地級市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力。

表1 2018年黃河流域各土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值Table 1 Ecosystem service value for different land use types in the Yellow River basin in 2018 億元

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求測算

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求指的是人類對生態(tài)系統(tǒng)所提供服務(wù)的偏好,往往以更廣泛的社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征來描述對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求。參考文獻(xiàn)[5]、[7],采用地均GDP(x1,億元/km2)、人口密度(x2,人/km2)和土地利用強(qiáng)度綜合指數(shù)(x3)測算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求(D),計(jì)算公式見式(3)。

D=lgx1×lgx2×lgx3

(3)

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配

采用四象限模型[7]9069對所求得的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求進(jìn)行供需匹配分析。首先,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行Z-score標(biāo)準(zhǔn)化,計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[26];然后,x軸表示標(biāo)準(zhǔn)化后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求,y軸表示標(biāo)準(zhǔn)化后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給,劃分出象限Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ,并依次代表高供給-高需求、高供給-低需求、低供給-低需求和低供給-高需求。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給空間分異分析

2018年黃河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值為13 657.86億元(見表1),從各土地利用類型來看,草地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(5 595.97億元)最高,其次為林地(3 865.84億元),其他用地類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較低,說明草地和林地所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在黃河流域生態(tài)系統(tǒng)的供給中占有最重要地位。從四大類服務(wù)的價(jià)值來看,調(diào)節(jié)服務(wù)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(7 278.44億元)最高,占生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值的53.29%;其次為支持服務(wù)(4 224.38億元),占總價(jià)值的30.93%;供給服務(wù)和文化服務(wù)的價(jià)值最低。從9個(gè)子類服務(wù)的價(jià)值來看,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)土壤保持>水文調(diào)節(jié)>維持生物多樣性>氣候調(diào)節(jié)>廢物處理>氣體調(diào)節(jié)>提供美學(xué)景觀>原材料生產(chǎn)>食物生產(chǎn)的順序,以土壤保持和水文調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值最突出。此外,黃河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值存在明顯的空間差異(見圖2),這很大程度上與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的測算方法有關(guān),行政區(qū)劃面積較小的地級市提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值往往較低,如位于黃河流域東部的河南省和山東省,兩省所轄地級市的行政區(qū)劃面積較小,每個(gè)地級市所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值均不超過191.31億元。

圖2 黃河流域各地級市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值Fig.2 Ecosystem service value of prefecture-level cities in the Yellow River basin

由圖3可知,地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值自東南向西北總體呈現(xiàn)先減少、再增加、最后減少的空間變化特征。高值區(qū)分布較分散,在黃河流域的東、中、西部地區(qū)均有零星分布,其地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值都超過了160.06萬元/km2;低值主要出現(xiàn)在河南鄭州市至山東德州市一線,不足91.39萬元/km2。黃河流域地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的高低分布與各地級市土地利用類型的構(gòu)成密切相關(guān),最高值在青海海北藏族自治州,達(dá)到188.49萬元/km2,該市有一半的土地被具有較高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的草地所覆蓋,生態(tài)供給能力強(qiáng);最低值出現(xiàn)在山東聊城市,僅為67.71萬元/km2,該市的林草地面積比例不足0.15%。

圖3 黃河流域各地級市地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值Fig.3 Ecosystem service value per unit area of prefecture-level cities in the Yellow River basin

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求空間分異分析

由于流域內(nèi)自然地理環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的差異,黃河流域地均GDP、人口密度、土地利用強(qiáng)度綜合指數(shù)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求均存在顯著的空間異質(zhì)性,但四者的空間格局較類似,整體呈現(xiàn)出自東向西遞減的空間變化特征(見圖4)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求的高值區(qū)主要集中在黃河流域東部的河南省和山東省,這里社會(huì)經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá),人口集聚,土地利用開發(fā)強(qiáng)度高,進(jìn)而對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求較高;在黃河流域西部的青海省則對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求較低,如青海果洛藏族自治州則是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求最低的地級市,這里經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出低、人煙稀少,地均GDP不足6億元/km2,人口密度不足3人/km2,土地利用類型主要以草地為主,面積占比高達(dá)82.47%,人類活躍程度較低,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求僅為0.8。

圖4 黃河流域各地級市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求Fig.4 Ecosystem service demand of prefecture-level cities in the Yellow River basin

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配關(guān)系及生態(tài)管理分區(qū)

2018年黃河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求匹配的象限分布如圖5所示。黃河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配關(guān)系具有明顯的區(qū)域差異。經(jīng)統(tǒng)計(jì),高供給-高需求和低供給-低需求的地級市數(shù)量相對較少,分別占研究區(qū)地級市總數(shù)量的16.67%和20.00%,大部分地級市都落在了象限Ⅱ、Ⅳ內(nèi),屬于低供給-高需求和高供給-低需求,占地級市總數(shù)量的63.33%。而且,從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求的空間相關(guān)性上看,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求之間整體呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(R=-0.400,P<0.01),這反映了黃河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求之間的不匹配現(xiàn)象較突出。

圖5 黃河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求分區(qū)Fig.5 Zoning of supply and demand for ecosystem services in the Yellow River basin

綜上可知,黃河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需狀況的空間差異明顯,為促進(jìn)黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展,基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求匹配關(guān)系的4個(gè)象限分布結(jié)果,將黃河流域60個(gè)地級市分為4種生態(tài)管理類型(Ⅰ生態(tài)協(xié)調(diào)型、Ⅱ生態(tài)保育型、Ⅲ生態(tài)重構(gòu)型和Ⅳ生態(tài)修復(fù)型),具體見圖6。

圖6 黃河流域各地級市生態(tài)管理分區(qū)Fig.6 Ecological management zoning of prefecture-level cities in the Yellow River basin

Ⅰ生態(tài)協(xié)調(diào)型(高供給-高需求)包括10個(gè)地級市,主要分布在山西省和河南省的交匯處,也包括山東東營市、陜西西安市和青海西寧市。這些地區(qū)具有一定的林草地等生態(tài)用地覆蓋,生態(tài)本底相對較好,且社會(huì)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)也較好,基本能滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的生態(tài)需求。如山東東營市,濕地資源豐富,擁有野生鳥類、新生濕地、河海交匯三大世界級自然資源,生態(tài)本底好,但由于城鎮(zhèn)化和工業(yè)化推進(jìn),對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求也較高。因此,對這類地區(qū)應(yīng)注重協(xié)調(diào)生態(tài)保護(hù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾,借助良好的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和技術(shù)手段,鼓勵(lì)生態(tài)友好型的土地利用類型(如林草地、人工綠地),限制高污染的土地利用類型(如工礦用地),提高土地利用效率。

Ⅱ生態(tài)保育型(高供給-低需求)包含18個(gè)地級市,主要位于黃河流域西部的青海省和甘肅省,中部的陜西省和山西省,以及內(nèi)蒙古呼和浩特市。這些地區(qū)地勢相對較高,生態(tài)用地占比較大,生態(tài)資源相對富足,但社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展滯后于生態(tài)建設(shè),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求程度較低。如青海果洛藏族自治州大部分地區(qū)被草地覆蓋,生態(tài)環(huán)境好,但社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平明顯滯后,人與自然矛盾不突出。因此,本區(qū)應(yīng)以生態(tài)保護(hù)為主,要注意保護(hù)原始生態(tài)狀態(tài)和生態(tài)系統(tǒng)的完整性,在保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的前提下提高土地利用效益,強(qiáng)化生態(tài)資源推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能力。

Ⅲ生態(tài)重構(gòu)型(低供給-低需求)包括12個(gè)地級市,主要在黃河流域西北部的陜甘寧蒙4省區(qū)毗鄰地級市,呈集中連片分布。該區(qū)域由于開發(fā)強(qiáng)度不高,生態(tài)需求較低,但因未利用地比例高于黃河流域平均水平,生態(tài)供給有限。如內(nèi)蒙古巴彥淖爾市未利用地占比高達(dá)34.95%,自然資源的供給能力有限,經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對落后。因此,在這類區(qū)域可考慮更多的生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目(如植樹造林和土地整治等),在改善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力的同時(shí),也可考慮以綠色經(jīng)濟(jì)為導(dǎo)向,優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生態(tài)空間結(jié)構(gòu),協(xié)同促進(jìn)生態(tài)改善和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

Ⅳ生態(tài)修復(fù)型(低供給-高需求)包括20個(gè)地級市,主要集中在黃河流域東部的山東省和河南省,也包括陜西咸陽市和渭南市、內(nèi)蒙古烏海市、寧夏銀川市和甘肅蘭州市。該區(qū)域地勢平坦,建設(shè)用地、耕地等生產(chǎn)用地比例較大,在有限的生態(tài)供給下聚集了大量人口,人與自然矛盾突出。如河南鄭州市耕地和建設(shè)用地的面積比例分別為56.97%和26.81%,嚴(yán)重?cái)D壓了林草地等生態(tài)空間,生態(tài)本底較差,而其作為省會(huì)城市,城市人口的集聚和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展增加了對生態(tài)用地的需求,人地矛盾突出。因此,這類區(qū)域應(yīng)注意緩解人口壓力,城市建設(shè)應(yīng)以集約利用現(xiàn)有建設(shè)用地為主,而不是占用林草地或自然生態(tài)系統(tǒng)。與此同時(shí),應(yīng)加快生態(tài)修復(fù)進(jìn)程,完善城市綠地、公園等綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),以豐富景觀格局,提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力。

4 結(jié) 論

(1) 2018年黃河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值為13 657.86億元,以調(diào)節(jié)服務(wù)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(7 278.44億元)對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的維持最重要;黃河流域地均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值自東南向西北總體呈現(xiàn)先減少、再增加、最后減少的空間變化特征,最高值在青海海北藏族自治州(188.49萬元/km2),最低值為山東聊城市(67.71萬元/km2)。

(2) 黃河流域地均GDP、人口密度、土地利用強(qiáng)度綜合指數(shù)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求整體均呈現(xiàn)出自東向西遞減的空間變化特征,需求的高值區(qū)主要集中在黃河流域東部的河南省和山東省,而西部的青海省則對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求較低。

(3) 基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配的象限分布,將黃河流域劃分為四大類型區(qū):①Ⅰ生態(tài)協(xié)調(diào)型,注重生態(tài)保護(hù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展間的協(xié)調(diào);②Ⅱ生態(tài)保育型,強(qiáng)化生態(tài)資源推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能力;③Ⅲ生態(tài)重構(gòu)型,推動(dòng)綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展;④Ⅳ生態(tài)修復(fù)型,完善城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。