青藏高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需變化及其驅(qū)動(dòng)因素

王曉峰,堯文潔,馮曉明,賈子續(xù),張欣蓉,馬嘉豪,周繼濤,涂 又,孫澤沖

1 長(zhǎng)安大學(xué)土地工程學(xué)院, 西安 710054 2 陜西省土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710054 3 長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 西安 710054 4 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給指生態(tài)系統(tǒng)為人類生產(chǎn)產(chǎn)品與服務(wù),需求則是人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)的產(chǎn)品與服務(wù)的消費(fèi)與使用,兩者共同構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)從自然生態(tài)系統(tǒng)流向人類社會(huì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程[1—2]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的持續(xù)供給是區(qū)域可持續(xù)性的基礎(chǔ)[3],但在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里,全球三分之二的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量下降[4]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn),人類社會(huì)對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求不斷增加[5],加劇了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求的失衡,從而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的健康和人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重威脅。因此,研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給與需求,探索生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系的驅(qū)動(dòng)因素,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)管理和資源合理配置具有重要意義。

不同角度的定義、不同的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類別決定不同的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求量化指標(biāo)和計(jì)算方法[6]。Wu等采用基于土地利用/土地覆蓋(LUCC)數(shù)據(jù)集的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)矩陣模型,量化中國(guó)22種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需[7]。Palacios-Agundez等通過(guò)生態(tài)足跡方法,對(duì)2000年到2010年期間的巴斯克地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行詳細(xì)的定量評(píng)估[8]。Pena L等通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷來(lái)評(píng)估巴斯克的文化服務(wù)[9]。Schild等利用市場(chǎng)價(jià)值評(píng)估方法衡量旱地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[10]。Wang等運(yùn)用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和權(quán)衡綜合評(píng)估模型(InVEST)和卡內(nèi)基-艾姆斯-斯坦福模型(CASA)等生態(tài)模型量化了2000年和2020年浙江省糧食服務(wù)、產(chǎn)水服務(wù)、土壤保持服務(wù)、碳儲(chǔ)存和生境質(zhì)量等5種服務(wù)[11]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)矩陣法和調(diào)查問(wèn)卷都為半定量方法,主觀性強(qiáng);生態(tài)足跡的指標(biāo)相對(duì)單一、簡(jiǎn)化,而人類的福利是多面向的;市場(chǎng)價(jià)值評(píng)估法受到空間的約束。相較于前4種方法,生態(tài)模型法基于生態(tài)過(guò)程與機(jī)理,能較好地揭示服務(wù)的空間異質(zhì)性。此外,目前研究多集中在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需評(píng)估,對(duì)于供需平衡的驅(qū)動(dòng)機(jī)制探索較少。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡主要受自然因素和人類因素的影響[7]。自然因素是生態(tài)系統(tǒng)的固有屬性,決定著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的形成和空間分布。在澳大利亞?wèn)|部,海拔、降雨量、溫度和森林結(jié)構(gòu)是影響熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量的主要決定因素[12]。氣候、土壤和植被在調(diào)節(jié)美洲的氣候服務(wù)中起關(guān)鍵作用[13]。同時(shí),人口規(guī)模、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)發(fā)展等人類因素也會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布。人類需求的增加導(dǎo)致土壤保持、產(chǎn)水服務(wù)、糧食服務(wù)和生物多樣性等生態(tài)系統(tǒng)功能的變化[14—15]。人類因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響是積極的還是消極的取決于科學(xué)規(guī)劃[16]。因此,從供給、需求和供需平衡等多角度探索生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)驅(qū)動(dòng)力,對(duì)區(qū)域進(jìn)行合理規(guī)劃,能夠有效避免經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)之間的沖突[17]。

青藏高原作為“亞洲水塔”,是重要的儲(chǔ)水區(qū)域,為陸地的生態(tài)系統(tǒng)提供了基本的水分資源[18]。近年來(lái),許多研究表明氣候變化對(duì)青藏高原的產(chǎn)水量產(chǎn)生一定影響[19—20],產(chǎn)水服務(wù)是青藏高原重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之一,研究其時(shí)空變化和驅(qū)動(dòng)機(jī)制對(duì)維護(hù)生態(tài)安全具有重要作用。同時(shí),青藏高原是全球生態(tài)最敏感的區(qū)域之一,其氣候與生態(tài)環(huán)境變化等直接影響生態(tài)安全屏障建設(shè)[21]。然而,近年來(lái)人類干擾的不斷加劇,青藏高原生態(tài)系統(tǒng)受到影響,過(guò)度砍伐使得森林退化,造成水土流失和自然災(zāi)害頻發(fā),尤其在青藏高原的東南部土壤侵蝕頻發(fā)[22]。為緩解生態(tài)退化,政府通過(guò)實(shí)施“退耕還草”和“退牧還草”措施來(lái)提高土壤保持能力和固碳量[23]。自工程實(shí)施以來(lái),青藏高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總體提高,但并非所有地區(qū)呈現(xiàn)積極趨勢(shì)[14]。另一方面,隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,人們對(duì)于自然的需求不斷增加,例如水、能源和原材料[7]。過(guò)度使用生態(tài)資源會(huì)導(dǎo)致人口集聚區(qū)面臨生態(tài)退化和生態(tài)災(zāi)難的風(fēng)險(xiǎn)。

鑒于此,本研究運(yùn)用修正通用土壤流失方程(RUSLE)、InVEST、CASA三種生態(tài)模型并綜合土地利用數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)量化了2000—2018年青藏高原土壤保持服務(wù)、產(chǎn)水服務(wù)、碳固定服務(wù)的供給量、需求量和供需比,識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系的時(shí)空變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的空間匹配特征,通過(guò)冗余分析方法揭示影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系的驅(qū)動(dòng)因素,為區(qū)域生態(tài)規(guī)劃和土地資源有效配置提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

青藏高原位于中國(guó)的西南部,地跨云南、青海、四川、甘肅、西藏自治區(qū)和新疆自治區(qū)6個(gè)省份,占地面積約2.53×106km2(圖1),2018年末地區(qū)人口總數(shù)約為700.38萬(wàn)人,主要分布在東南側(cè)。氣候類型主要為高原山地氣候類型,年平均氣溫在-5.6—8.6℃,年平均降水量為486mm,年均溫和年均降雨量呈現(xiàn)由東南至西北遞減的特點(diǎn)。植被類型主要為高寒草甸和高寒草地為主,分別占土地總量的25%和27.54%[25]。生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,生態(tài)恢復(fù)力低,易受氣候變化的影響[26]。同時(shí)在快速城市化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展下,人口的集中分布導(dǎo)致出現(xiàn)部分地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需失衡。因此,識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求的空間格局及驅(qū)動(dòng)機(jī)制,為推進(jìn)重點(diǎn)區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)工程具有重要意義。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源包括:①氣象數(shù)據(jù),青藏高原地區(qū)以及周邊氣象站點(diǎn)的太陽(yáng)輻射、降水、氣溫等數(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/),采用ANUSPLIN軟件插值成1km分辨率的柵格數(shù)據(jù),并根據(jù)FAO56修正的Penman-Monteith方程[27]計(jì)算得到蒸散發(fā)數(shù)據(jù)。②2000、2005、2010、2015和2018年土地利用數(shù)據(jù),來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/),空間分辨率為1km。③2000—2018年度歸一化植被指數(shù)空間分布數(shù)據(jù)集,來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/),在月數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上采用最大值合成法生成,空間分辨率為1km。④數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù),來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/),基于最新的SRTM V4.1數(shù)據(jù)經(jīng)整理拼接生成30m分辨率,用于提取坡度坡長(zhǎng)因子,之后重采樣為1km分辨率。⑤2000—2018年人口密度數(shù)據(jù),來(lái)源于世界人口統(tǒng)計(jì)官網(wǎng)(WorldPop)(https://www.worldpop.org/),空間分辨率為1km。⑥社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù),其中包括常住人口、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值和能源消耗量等,主要來(lái)源于國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、各省市統(tǒng)計(jì)局、各省市統(tǒng)計(jì)年鑒和水資源公報(bào)等。所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用阿爾伯斯(Albers)投影。

2 研究方法

2.1 土壤保持服務(wù)

本研究基于修正通用土壤流失方程(RUSLE)估算青藏高原土壤保持量[28]。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[29],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×L×S×(1-C×P)

(1)

需求量:Ar=R×K×L×S×C×P

(2)

式中,Ac為土壤保持量(t hm-2a-1))、Ap為土壤潛在侵蝕量(t hm-2a-1))、Ar為實(shí)際土壤侵蝕量(t hm-2a-1))。R為降雨侵蝕因子(MJ mm hm-2h-1a-1));K為土壤侵蝕因子(t h MJ-1mm-1);L為坡長(zhǎng)因子;S坡度因子;C為植被覆蓋因子;C為水土保持因子[30],具體計(jì)算過(guò)程詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[31]。

2.2 產(chǎn)水服務(wù)

產(chǎn)水服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)攔截降雨儲(chǔ)存淡水資源的能力[32]。本研究采用InVEST模型中的產(chǎn)水模塊量化青藏高原的產(chǎn)水供給量[33]。以人類消耗的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)數(shù)量為產(chǎn)水服務(wù)的需求量,即耗水量[34]。計(jì)算公式如下:

(3)

(4)

PETx=Kcx×ETox

(5)

(6)

需求量:Dwp=Dpcwc×ρpop

(7)

式中,WYx為柵格單元x的產(chǎn)水量(mm),Px為年降雨量(mm),AETx為年際蒸散量(mm),PETx為年際潛在蒸散量(mm),ETox為參考植被蒸散量(mm),Kcx為作物蒸散發(fā)系數(shù),AWCx為植物可利用含水量(mm),wx為經(jīng)驗(yàn)參數(shù),Z為張系數(shù)[35—36]。Dwp為需水量(m3),Dpcwc為人均耗水量、ρpop是柵格人口密度(人/km2)。

2.3 碳固定服務(wù)

將生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力作為指標(biāo)對(duì)區(qū)域碳固定服務(wù)進(jìn)行量化,基于采用光能利用原理的CASA模型對(duì)碳固定服務(wù)量進(jìn)行估算[37]。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[38],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)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×εmax

(10)

(11)

2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配度

本研究采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比(ESDR)來(lái)衡量區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)供需狀況。其比值大于0,即盈余狀態(tài),比值等于0,即供需平衡狀態(tài),比值小于0,即赤字狀態(tài)。具體計(jì)算公式如下:

(12)

式中,S為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給量;為D生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量;Smax為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量的最大值;Dmax為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量的最大值。

2.5 空間自相關(guān)

雙變量局部空間自相關(guān)(LISA)用以識(shí)別局部空間單元的屬性值同其鄰近空間單元相同屬性值之間的相關(guān)性和聚集程度[40],用局部莫蘭指數(shù)來(lái)度量,公式如下:

(13)

式中,n為空間單元總個(gè)數(shù),yi和yj分別表示第i個(gè)空間單元和第j個(gè)空間單元的屬性值,為所有空間單元屬性值的均值,wij為空間權(quán)重矩陣。

2.6 冗余分析

冗余分析(RDA)是一種直接梯度分析方法,是多元線性回歸的擴(kuò)展,主要以統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來(lái)探究單變量或多變量與多變量之間的關(guān)系[41]。本研究在Canoco4.5軟件環(huán)境下進(jìn)行冗余分析,探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給、需求和供需比(響應(yīng)變量)與驅(qū)動(dòng)因子(解釋變量)之間的關(guān)系,分析結(jié)果以排序圖的形式顯示。解釋變量和響應(yīng)變量之間的角度表示相關(guān)性。角度越小相關(guān)性越強(qiáng);角度為90°,響應(yīng)變量和解釋變量不具有相關(guān)性;角度大于90°相關(guān)性為負(fù)。

3 結(jié)果

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的時(shí)空特征

3.1.1土壤保持服務(wù)

單位面積土壤保持服務(wù)供給量呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì),由2000年193.64t/hm2上升到2018年224.21t/hm2,單位面積土壤保持服務(wù)供給量增長(zhǎng)了15.78%。其中,2000—2009年單位面積土壤保持服務(wù)供給量呈下降趨勢(shì),下降23.86%。2009—2018年單位面積土壤保持服務(wù)供給量呈波動(dòng)上升趨勢(shì),從147.43t/hm2升至224.21t/hm2,增長(zhǎng)52.08%(圖2)。2000—2018年土壤保持服務(wù)供給量呈“東南高,西北低”的分布格局。2010—2018年土壤保持服務(wù)供給量高值區(qū)擴(kuò)張,高值區(qū)向青藏高原的東部和西南部擴(kuò)張,低值區(qū)向西北方向收縮(圖3)。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需變化趨勢(shì)Fig.2 Temporal trends in ecosystem service supply and demand

圖3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量空間格局Fig.3 Spatial pattern of ecosystem service supply

單位面積土壤保持服務(wù)需求量呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì),由2000年139.31t/hm2下降到2018年122.92t/hm2,單位面積土壤保持服務(wù)需求量下降了11.76%(圖2)。2000—2018年土壤保持服務(wù)需求量呈“西南高,東北低”的分布格局。低值區(qū)呈點(diǎn)狀向西北方向擴(kuò)張,主要分布在昆侖山以南、可可西里山以西和巴顏喀拉山以東的地區(qū)(圖4)。

圖4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量空間格局Fig.4 Spatial pattern of ecosystem service demand

3.1.2產(chǎn)水服務(wù)

單位面積產(chǎn)水供給量呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì),由2000年432.54×104m3/km2上升到2018年496.15×104m3/km2,單位面積產(chǎn)水供給量增長(zhǎng)了14.7%(圖2)。2000—2018年青藏高原水供給量呈現(xiàn)“東南高,西北低”的分布格局。其高值區(qū)向青藏高原的東南部收縮,低值區(qū)范圍縮小(圖3)。

單位面積水需求量總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì),由2000年2046.05m3/km2上升到2018年2199.47m3/km2,單位面積水需求量增長(zhǎng)了7.49%。其中,2000—2010年青藏高原單位面積水需求量呈上升趨勢(shì),從2046.05m3/km2上升到2482.03m3/km2,增長(zhǎng)21.3%,2010—2018年青藏高原單位面積水需求量呈下降趨勢(shì),下降11.38%(圖2)。2000—2018年青藏高原水需求量呈“東南高,西北低”分布格局,2000—2010年青藏高原的西北部水需求量減少,東南部水需求量上升,這主要與人口和城市化有關(guān)。2010—2018年水需求量高值區(qū)趨于收縮,低值區(qū)向南部逐漸擴(kuò)張(圖4)。

3.1.3碳固定服務(wù)

單位面積碳固定服務(wù)供給量呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì),由2000年278.31t/hm2上升到2018年312.12t/hm2,單位面積碳固定服務(wù)供給量增長(zhǎng)12.15%(圖2)。2000—2018年青藏高原碳固定服務(wù)供給量呈“東南高,西北低”的分布格局,高值區(qū)向西北方向逐漸擴(kuò)張,主要分布在雅魯藏布江、怒江和瀾滄江等河網(wǎng)密布,植被覆蓋度高的地區(qū)(圖3)。

單位面積碳固定服務(wù)需求量呈現(xiàn)上升趨勢(shì),從由2000年的1.42t/km2上升到2018年的6.51t/km2,單位面積碳固定服務(wù)需求量增幅358.45%(圖2)。2000—2018年青藏高原碳固定服務(wù)需求量呈“東部高,西部低”的分布格局,高值區(qū)呈點(diǎn)狀向西南方向逐漸擴(kuò)張,主要分布在祁連山以南和巴顏喀拉山脈以東的部分地區(qū)(圖4)。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需數(shù)量匹配特征

2000—2018年土壤保持服務(wù)供需比波動(dòng)變化,總體呈上升趨勢(shì),局部呈下降趨勢(shì),供需比從0.0025到0.0067,增長(zhǎng)了166%(圖5)。其中,2000—2018年土壤保持服務(wù)供需比呈“東南高,西北低”的分布格局。期間,青藏高原土壤保持服務(wù)供大于求的區(qū)域范圍向東南方向擴(kuò)展,呈條帶狀分布于橫斷山脈(圖6)。

圖5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比變化趨勢(shì)Fig.5 Temporal trends in ecological supply-demand ratio

圖6 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比空間格局Fig.6 The spatial patterns of ecological supply-demand ratio

2000—2018年產(chǎn)水服務(wù)供需比呈上升趨勢(shì),供需比從0.0525升至0.1156,增長(zhǎng)了119.9%,總體處于供大于求(圖5)。2000—2018年產(chǎn)水服務(wù)供需比呈“南北高,中部低”的分布格局。青藏高原的西北部供給量增加,同時(shí),供大于求區(qū)向東南部擴(kuò)張,東南部地區(qū)河網(wǎng)密布,有怒江、瀾滄江和獨(dú)龍江等河流,是主要的水源涵養(yǎng)區(qū)域(圖6)。

2000—2018年碳固定服務(wù)供需比呈下降趨勢(shì),供需比從0.014降到0.0046,下降了66.41%。其中,2001年碳固定服務(wù)供需比達(dá)到最高(圖5)。2000—2018年碳固定服務(wù)供需比呈“東南高,西北低”的分布格局,高值區(qū)呈向東南收縮趨勢(shì)(圖6)。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的空間匹配特征

通過(guò)對(duì)青藏高原土壤保持服務(wù)、產(chǎn)水服務(wù)和碳固定服務(wù)的供給量和需求量進(jìn)行雙變量局部空間自相關(guān)分析,識(shí)別出青藏高原三種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)“高高型空間匹配”(高供給-高需求)、“低低型空間匹配”(低供給-低需求)、“低高型空間錯(cuò)位”(低供給-高需求)和“高低型空間錯(cuò)位”(高供給-低需求)四種空間匹配類型(圖7)。青藏高原的土壤保持服務(wù)供需關(guān)系以低低型空間匹配為主,其次是高高型空間匹配(圖8)。低低型空間匹配主要分布在昆侖山以北和巴顏喀拉山以東的地區(qū),面積占比由15%降至14%;高高型空間匹配主要分布在唐古拉山以南和喜馬拉雅山以北的地區(qū),面積占比由6%降至5%;低高型空間錯(cuò)位和高低型空間錯(cuò)位均呈點(diǎn)狀零散分布在青藏高原南部地區(qū)和東部地區(qū),面積占比均較低(圖7)。

圖7 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系類型Fig.7 Spatial matching diagram of ESs supply and demand

圖8 空間匹配型面積比雷達(dá)圖Fig.8 Radar chart of space matching type area ratio

青藏高原的產(chǎn)水服務(wù)供需關(guān)系以低低型空間匹配為主,其次是高低型空間錯(cuò)位(圖8)。低低型空間匹配主要分布在青藏高原的西北部地區(qū),面積占比由26%降至24%;高低型空間錯(cuò)位主要分布在昆侖山以北,面積占比由8%升至11%;高高型空間匹配和低高型空間錯(cuò)位集中分布在青藏高原的西南部地區(qū),面積占比均較低(圖7)。

青藏高原的碳固定服務(wù)供需關(guān)系以低低型空間匹配為主,其次是高高型空間匹配(圖8)。低低型空間匹配集中分布在青藏高原的西北部地區(qū),范圍向西北部收縮,面積占比由37%降至31%;高高型空間匹配呈塊狀分布在青藏高原的東北部,面積占比由6%降至5%;低高型空間錯(cuò)位和高低型空間錯(cuò)位呈零散分布,面積占比均較低(圖7)。

3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給、需求與供需比的影響因素

3.4.1驅(qū)動(dòng)因子選擇

氣候、地形、土地利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素是最常見(jiàn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)驅(qū)動(dòng)因素[42—44]。考慮到量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)驅(qū)動(dòng)因素、數(shù)據(jù)的可獲得性和相關(guān)文獻(xiàn)中驅(qū)動(dòng)因素的選擇,最終選擇13個(gè)自然和人類方面的驅(qū)動(dòng)因素[45—46]。以降水、氣溫、蒸散發(fā)和太陽(yáng)輻射作為氣候因子;以高程和坡度作為地形因子;以林地面積占比、草地面積占比、未利用地面積占比和香濃多樣性指數(shù)作為土地利用和土地覆蓋因子;人口密度和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子;歸一化植被指數(shù)作為生態(tài)因子。

3.4.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需影響因素分析

本研究首先對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量、需求量和供需比進(jìn)行應(yīng)用除趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析法(DCA),結(jié)果顯示排序軸中的最大梯度值均小于3,因此采用RDA方法。以2000—2018年青藏高原的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量、需求量和供需比為響應(yīng)變量,坡度、高程、降水、氣溫、太陽(yáng)輻射、蒸散發(fā)、林地面積占比、草地面積占比、未利用地面積占比、香濃多樣性指數(shù)、歸一化植被指數(shù)、人口密度和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值等自然與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子為解釋變量,分別進(jìn)行冗余分析。結(jié)果顯示,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量、需求量和供需比解釋度分別為81.8%、93.6%和26.3%。RDA排序結(jié)果如圖9所示,從排序結(jié)果可以看出,在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量中,高程、太陽(yáng)輻射和草地面積占比與三種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,其他因子與三種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量呈正相關(guān)關(guān)系。坡度、氣溫和降水與土壤保持服務(wù)和產(chǎn)水服務(wù)的供給量呈較強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系。歸一化植被指數(shù)和蒸散發(fā)與碳固定服務(wù)供給量呈強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系。在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量中,坡度、人口密度和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值分別與土壤保持服務(wù)、產(chǎn)水服務(wù)和碳固定服務(wù)的需求量表現(xiàn)出強(qiáng)正相關(guān)。在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比中,人口密度和草地面積占比與三種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)。

圖9 冗余分析雙圖和影響因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給、需求和供需比的貢獻(xiàn)率Fig.9 Redundancy analysis biplots and contribution rate of influencing factors of ESs supply, demand and esdrsupply:供應(yīng);demand:需求;esdr:供需比Ecological supply-demand ratio ;SC:土壤保持服務(wù)Soil conservation;WY:產(chǎn)水服務(wù)Water yield ;NPP:碳固定服務(wù)Net primary production ;pre:降水量Precipitation ;tem:氣溫Temperature ;aet:蒸散發(fā)Actual evapotranspiration;rs:太陽(yáng)輻射Solar radiation ;dem:高程Digital elevation model ;slope:坡度;forest land:林地面積占比;grassland:草地面積占比;unutilized land:未利用地面積占比;SHDI:Shannon-Wiener多樣性指數(shù)Shannon-Wiener diversity index ;pop:人口密度Population ;gdp:國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值Gross domestic product;ndvi:歸一化植被指數(shù)Normalized difference vegetation index

自然因素與社會(huì)因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量、需求量和供需比的解釋量如圖9所示。結(jié)果表明,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量影響最大的是降水和坡度,解釋度分別為53%和52%。人口密度(92%)和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(45%)是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量的主要影響因素。而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)供需比影響較大的因素是降水和氣溫,解釋度均為21%。

4 討論

4.1 影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比的因素

本研究發(fā)現(xiàn),青藏高原東南部供需比較高,向西北方向逐漸降低。這種變化主要受氣候和地形因素影響。然而,針對(duì)不同的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),其供需比的空間特征及其主導(dǎo)因素略有差異。青藏高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比與氣候高度相關(guān),并且氣溫的升高和降水的增加會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力提升,這與已有的研究一致[47—48]。Ma等通過(guò)三次多項(xiàng)式來(lái)識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總量與氣候的關(guān)系,表明降水與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)響應(yīng)強(qiáng)烈[49]。Guo等基于Mantel實(shí)驗(yàn)分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量與溫度存在顯著相關(guān)性[50]。發(fā)現(xiàn)氣候?qū)Σ煌鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需比的響應(yīng)存在差異。例如,從排序圖中,可以發(fā)現(xiàn)土壤保持服務(wù)和產(chǎn)水服務(wù)的供需比與氣溫和降水相關(guān)性較強(qiáng),且為正相關(guān)。進(jìn)一步對(duì)氣候響應(yīng)強(qiáng)烈的土壤保持服務(wù)和產(chǎn)水服務(wù)的供需比進(jìn)行分析。降水豐富,植被生長(zhǎng)茂盛,雨水對(duì)土壤的侵蝕力減弱,土壤保持能力提升。同時(shí)降水量的增加也會(huì)影響產(chǎn)水量。此外,溫度會(huì)影響植被分布,進(jìn)一步影響土壤保持能力。青藏高原生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)服務(wù)供需比與地形高度敏感,坡度的大小會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量和需求量。Sun等通過(guò)冗余分析也發(fā)現(xiàn)地形對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)存在相關(guān)性[51]。發(fā)現(xiàn)不同的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比對(duì)地形的響應(yīng)不同。例如,在排序圖中,產(chǎn)水服務(wù)供需比與坡度呈正相關(guān)。這是坡度會(huì)影響降水和氣溫從而導(dǎo)致產(chǎn)水量發(fā)生變化。同時(shí)坡度過(guò)大的地方,居民不易生存和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,人類聚集地少,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求少。

另一方面,氣溫的升高可能會(huì)導(dǎo)致水分虧欠和生理干旱的增加,從而導(dǎo)致固碳量下降和生物多樣性的喪失,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需失衡[52—54]。在生態(tài)脆弱的青藏高原地區(qū),氣候變化的影響下,人類活動(dòng)的加強(qiáng)會(huì)使得生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾更加尖銳。Wang等研究表明氣候變暖會(huì)導(dǎo)致青藏高原徑流的增加,但人口增長(zhǎng)所帶來(lái)的水需求增加會(huì)超過(guò)氣候變暖,印度河和雅魯藏布江流域到本世紀(jì)末都將處于缺水水平,很多人將經(jīng)歷嚴(yán)重的水壓力[55]。因此,應(yīng)當(dāng)積極尋求措施,從而確保生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力,控制人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的需求,保障區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)安全。

4.2 可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)管理

識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)供需不平衡區(qū)域和影響供需關(guān)系的驅(qū)動(dòng)力,這些對(duì)于可持續(xù)管理非常重要[56]。供需失衡在本研究中得到了證實(shí),建議加強(qiáng)內(nèi)部協(xié)調(diào),調(diào)整供需的空間分布。研究結(jié)果顯示2001年以后,碳固定服務(wù)供需比持續(xù)下降,下降了66.41%。面對(duì)需求量的不斷上升,應(yīng)當(dāng)采取一定的措施來(lái)增加供應(yīng),減少需求,從而緩解環(huán)境壓力。在青藏高原的牧區(qū),當(dāng)?shù)貞?yīng)當(dāng)遵循草畜平衡原則,實(shí)施劃區(qū)輪牧或季節(jié)休牧,發(fā)揮農(nóng)牧結(jié)合優(yōu)勢(shì)種植牧草,保持和改善草地健康程度,提高草地植被生產(chǎn)力。在青藏高原的農(nóng)業(yè)區(qū),應(yīng)當(dāng)大力推廣清潔能源,轉(zhuǎn)變當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)和消費(fèi)習(xí)慣。有研究表明,電力是碳排放和能值輸入的主要來(lái)源[57]。開(kāi)發(fā)適合灌溉的電能系統(tǒng),不僅能調(diào)節(jié)碳固定服務(wù),還能夠緩解水資源與水需求之間的矛盾[58]。在水資源短缺的地區(qū),改善灌溉技術(shù)和發(fā)電從而提高生產(chǎn)效率,實(shí)施可持續(xù)、綠色的生產(chǎn)模式是十分有必要的。

此外,從研究結(jié)果來(lái)看,在經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高的地區(qū),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量高,供需比低,如西寧和拉薩等城市。推進(jìn)綠色城鎮(zhèn)化,調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)是城市發(fā)展的必然趨勢(shì)。必須堅(jiān)持走集約、智慧、綠色和低碳的新型城鎮(zhèn)化道路,加快構(gòu)建以省會(huì)城市為中心的文化旅游特色城鎮(zhèn)網(wǎng)絡(luò)的城市體系[59]。在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的同時(shí)獲取經(jīng)濟(jì)利益,提升附近居民的生活質(zhì)量。

4.3 不足

雖然本研究為更好地協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與社會(huì)需求提供一些重要的線索和建議,但是本研究也存在局限性,需要在未來(lái)的研究中進(jìn)一步改進(jìn)。本研究識(shí)別出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需失衡區(qū)域,能夠?yàn)閰^(qū)域生態(tài)系統(tǒng)管理提供方向。然而,土壤保持服務(wù)、產(chǎn)水服務(wù)和碳固定服務(wù)不能完全刻畫(huà)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需狀態(tài)。未來(lái)可以考慮加入更多的服務(wù),例如食物供給、牲畜供應(yīng)和生境質(zhì)量等,以實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)地評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需狀況。同時(shí),在計(jì)算產(chǎn)水服務(wù)中沒(méi)有考慮冰川凍土因素,導(dǎo)致產(chǎn)水量存在一定的誤差,未來(lái)可以進(jìn)一步深化。此外,本研究需求量?jī)H從單一的角度出發(fā),沒(méi)有考慮到能力、性別、財(cái)富和居住地對(duì)需求的影響[60]。未來(lái)的研究可以采用更加詳細(xì)的方法來(lái)精準(zhǔn)量化社會(huì)需求量。在因子選擇方面,本研究選取的因子不夠全面,例如在氣候因子的選擇上僅選取了降水、氣溫、太陽(yáng)輻射和蒸散發(fā),未來(lái)可以增加更多的因子。在數(shù)據(jù)尺度方面,本研究使用的數(shù)據(jù)分辨率為1km,這會(huì)一定程度上掩蓋土地利用在空間上的微小差異,從而導(dǎo)致研究結(jié)果可能存在一定的不確定性。

5 結(jié)論

(1)2000—2018年,青藏高原除土壤保持服務(wù)需求量外,各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量和需求量均呈上升趨勢(shì)。

(2)青藏高原各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配狀況不同,碳固定服務(wù)供需比呈下降趨勢(shì),產(chǎn)水服務(wù)供需比呈上升趨勢(shì),土壤保持服務(wù)供需比波動(dòng)變化,總體呈上升趨勢(shì),局部呈下降趨勢(shì)。

(3)青藏高原各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系均以低低型空間匹配為主,均呈縮小趨勢(shì),主要分布在青藏高原的西部地區(qū)。

(4)降水和坡度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給影響顯著,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求主要受人類活動(dòng)的影響,與人口密度和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值存在顯著的相關(guān)性,降水和氣溫是影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比的關(guān)鍵因素。