供需關(guān)系下保定太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空演化研究

王雪燕,趙麗,蘇孟維

(1河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 國(guó)土資源學(xué)院, 河北 保定 071000; 2環(huán)渤海土地資源利用野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 河北 滄州 061000)

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、人類生存與發(fā)展的基礎(chǔ)[1-2]。在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快的背景下,出現(xiàn)了環(huán)境污染和生態(tài)退化一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,影響著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給水平,同時(shí)隨著人們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求的日益增加,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需失衡問(wèn)題更加凸顯[3-5]。黨的二十大指出“走人與自然和諧共生的中國(guó)現(xiàn)代化道路”,強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配的重要性。因此,研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求的關(guān)系對(duì)解決區(qū)域生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,提升居民福祉,促進(jìn)區(qū)域生態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)雙系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究既要關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的自然供給,也要關(guān)注人類從自然中獲得惠益的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求[6-7]。近年來(lái)關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究熱點(diǎn)主要是供需的空間量化、機(jī)理和模式、供需平衡和空間匹配[8-14]。目前,關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的研究相對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給研究較少,還處于探索和完善階段[15]。國(guó)內(nèi)學(xué)者張平運(yùn)用格網(wǎng)和供需平衡模型對(duì)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶15年來(lái)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需進(jìn)行時(shí)空分異研究,并進(jìn)一步分析了供需平衡格局[16];岳文澤通過(guò)量化固原市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給量和需求量來(lái)構(gòu)建供需匹配與協(xié)調(diào)關(guān)系,然后以此為礎(chǔ)對(duì)生態(tài)修復(fù)進(jìn)行分區(qū)劃定[17]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求的量化方法主要有生態(tài)模型法、價(jià)值評(píng)估法和專家經(jīng)驗(yàn)判別法等[18-21]。學(xué)者管青春等利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)矩陣進(jìn)行供需分析,并對(duì)縣域的農(nóng)業(yè)生態(tài)管理區(qū)進(jìn)行劃分[22]。由于專家經(jīng)驗(yàn)判別法的主觀性太強(qiáng),容易因?yàn)閭€(gè)人因素導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確,因此應(yīng)用較少。供需平衡研究則多采用生態(tài)供需比、供需協(xié)調(diào)度等方法[23-24]。綜合看來(lái),已有的研究成果還存在以下幾點(diǎn)不足:(1)多對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需進(jìn)行靜態(tài)分析,缺乏對(duì)時(shí)空動(dòng)態(tài)特征的關(guān)注;多對(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行綜合研究,缺乏對(duì)不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)注。(2)研究尺度以大流域居多,對(duì)縣域研究較少且較少考慮當(dāng)?shù)鼐用竦男枨笈c生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的關(guān)系[25-26]。(3)目前對(duì)于太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究較為少見(jiàn)。

太行山區(qū)承擔(dān)著重要的生態(tài)服務(wù)功能,它縱跨北京、河北、山西和河南4個(gè)省份,為重要地理分界,太行山以西是黃土高原,以東為華北平原。厘清該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系不僅對(duì)促進(jìn)太行山區(qū)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要,也對(duì)促進(jìn)該區(qū)域的生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展具有重要推動(dòng)作用。鑒于此,本研究利用InVEST模型和ArcGIS 軟件,在量化保定太行山區(qū)糧食供給、產(chǎn)水、碳固定服務(wù)供需量的基礎(chǔ)上,分析各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的時(shí)空格局變化特征,揭示各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需數(shù)量及其空間分布動(dòng)態(tài)演化規(guī)律,旨在為保護(hù)和修復(fù)保定太行山區(qū)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)生態(tài)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)與舉措。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

太行山(E 110°14′～114°33′、N 34°34′～40°43′)是中國(guó)東部重要山脈和分界線,大部分海拔在1.2 km 以上,共涉及六十多個(gè)縣。研究區(qū)為太行山區(qū)河北保定段的8個(gè)縣域,分別是阜平縣、淶源縣、曲陽(yáng)縣、唐縣、順平縣、易縣、淶水縣和滿城區(qū);氣候類型為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,各季節(jié)鮮明,夏季整體氣溫較高、降雨量豐富,冬季的溫度低、雨水相對(duì)較少。年平均氣溫為13.4 ℃,平均年降雨量為498.9 mm;研究區(qū)土壤類型豐富,主要為栗褐土、褐土和棕壤,空間異質(zhì)性較高,栗褐土的面積是最大的。植被類型主要為暖溫帶落葉闊葉林,有明顯的垂直地帶分布規(guī)律;研究區(qū)境內(nèi)有易水河、唐河、拒馬河、通天河和界河等多條水系和西大洋、王快等多個(gè)水庫(kù),這些河流對(duì)于研究區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要作用,其中位于唐縣西南部的西大洋水庫(kù)因總庫(kù)容較大被稱為河北省的四大水庫(kù)之一;研究區(qū)地貌類型呈現(xiàn)多樣化,包括平原、丘陵、山地等,整體地勢(shì)由西北到東南方向逐漸降低。截止到2020年底研究區(qū)總?cè)丝跒?46.25萬(wàn)人,城鎮(zhèn)化率達(dá)36.4%,糧食總產(chǎn)量共9.9×105t,生產(chǎn)總值達(dá)780億元,縣域農(nóng)村年人均可支配收入最高為1.58萬(wàn)元。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

(1)土地利用數(shù)據(jù)(分辨率為30 m):京津冀土地利用數(shù)據(jù)(2005、2010、2015、2020年),來(lái)源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(https://www.resdc.cn/)。

(2)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù):河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒、中國(guó)縣域統(tǒng)計(jì)年鑒、保定市統(tǒng)計(jì)年鑒、保定市經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒、河北省水資源公報(bào)、中國(guó)農(nóng)產(chǎn)品匯編(2005、2010、2015、2020年)。

(3)太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)、人口密度數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、降雨量數(shù)據(jù)和NDVI數(shù)據(jù):中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)站(http://data.cma.cn)和中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/)。

(4)DEM數(shù)據(jù)(分辨率為90 m):來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(https://www.gscloud.cn)。

2 研究方法

2.1 糧食供給服務(wù)

參考前人的研究結(jié)果,針對(duì)每個(gè)柵格的糧食供給能力通過(guò)計(jì)算糧食的總產(chǎn)量NDVI 值和耕地 NDVI 值的關(guān)系來(lái)確定,以此來(lái)對(duì)整個(gè)研究區(qū)的糧食供給能力進(jìn)行計(jì)算[27];糧食需求量包括食用糧、飼用糧、種子糧、工用糧、損耗等消費(fèi)量。計(jì)算公式如下:

Gi=(NDVIi/NDVIt)×Gt

(1)

Dpt=Dpp×pi

(2)

式中:Gi為柵格i的糧食供給量;Gt為糧食總產(chǎn)量;NDVli為柵格i的NDVI值;NDVIt為研究區(qū)耕地的NDVI值之和;Dpt為柵格i的糧食需求量;Dpp為人均糧食需求量(參考保定市人均糧食需求);pi為柵格i的人口密度。

2.2 產(chǎn)水服務(wù)

利用InVEST模型計(jì)算水源涵養(yǎng)服務(wù)的產(chǎn)水量,水資源需求量用人均用水量與人口密度相乘得到,計(jì)算公式如下:

Di=Dp×pi

(3)

式中:Di為柵格i的水需求量;Dp為人均水需求量,水需求是指對(duì)農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)方面的用水需求。

2.3 碳固定服務(wù)

采用InVEST模型中Carbon Storage and Sequestration模塊計(jì)算碳固定服務(wù)的供給量,InVEST模型的優(yōu)勢(shì)在于可以精確得到不同土地利用情況下得地上、地下生物炭以及土壤碳和死亡有機(jī)碳的含量,并且數(shù)據(jù)和參數(shù)容易獲取,因此在不同尺度上計(jì)算碳儲(chǔ)量方面應(yīng)用較多。本研究以保定市碳排放量作為碳固定服務(wù)需求量的基本依據(jù),再結(jié)合人口密度柵格數(shù)據(jù)得到研究區(qū)碳固定服務(wù)的需求空間分布。具體需求量計(jì)算公式如下:

Ci=Cp×pi

(4)

Cp=Ct/p

(5)

式中:Ci為柵格i的碳固定服務(wù)需求量;Cp為人均碳排放量;Ct為保定市碳排放總量;p為保定市常住人口數(shù)。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比

用供需比(R)來(lái)分析各個(gè)服務(wù)的供需情況,相較于RESD的優(yōu)點(diǎn)是可以量化研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求的盈余或赤字程度[23]。當(dāng) R<100% 時(shí),表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供不應(yīng)求;當(dāng) R>100% 時(shí),表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給大于需求。

R=S/D×100%

(6)

3 研究結(jié)果與分析

3.1 保定太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的時(shí)空變化特征

3.1.1 糧食供給服務(wù)的供需時(shí)空變化特征 隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,建設(shè)用地規(guī)模不斷擴(kuò)大,2005-2020年研究區(qū)耕地面積逐年減少,從3.4×105hm2降至3.2×105hm2,研究區(qū)糧食供給量呈波動(dòng)上升趨勢(shì),單位面積糧食供給量從311.78 t/hm2升至387.05 t/hm2,增幅高達(dá)24.14%,不同區(qū)域單位面積糧食供給量增幅呈阜平縣>淶源縣>淶水縣>易縣>滿城區(qū)>唐縣>順平縣>曲陽(yáng)縣的趨勢(shì)。隨著人口的增長(zhǎng),2005-2020年研究區(qū)糧食需求量呈持續(xù)上升趨勢(shì),由2005年的1.31×106t增加到2020年的1.49×106t,單位面積糧食需求量從0.29 t/hm2升至0.32 t/hm2,增幅為10.34%。2005-2020年不同區(qū)域單位面積糧食需求量增幅呈滿城區(qū)>曲陽(yáng)縣>唐縣>淶水縣>順平縣>易縣>淶源縣>阜平縣的趨勢(shì)。關(guān)于研究區(qū)糧食供給量和需求量的空間分布規(guī)律見(jiàn)圖1和圖2。

圖2 2005-2020年研究區(qū)糧食需求空間格局

由圖1可知,從空間分布來(lái)看,2005-2015年研究區(qū)糧食供給呈現(xiàn)出高值區(qū)由邊緣向內(nèi)部蔓延的分布規(guī)律,2010年和2015年大于360 t/hm2的高供給區(qū)主要分布在阜平縣、淶源縣和易縣,所占面積比分別為17.66%和38.00%;2015-2020年糧食供給空間變化尤為顯著,大于340 t/hm2的供給區(qū)面積高達(dá)65.64%,西北地區(qū)糧食供給能力大于東南地區(qū)。因?yàn)槲鞅钡貐^(qū)的土地利用類型多為林地和草地,東南地區(qū)則多為居民點(diǎn)的耕地,就單位柵格的NDVI值來(lái)說(shuō),西北地區(qū)大于西南地區(qū),再加上每個(gè)年份中研究區(qū)總的耕地NDVI值和糧食總產(chǎn)量是固定值,西北地區(qū)糧食供給能力就會(huì)大于東南地區(qū)。由圖2可知,2005-2020年,研究區(qū)糧食需求量呈“東南高,西北低”的分布格局,大于0.6 t/hm2的高值區(qū)呈點(diǎn)狀和帶狀分布于遠(yuǎn)離太行山脈的人口密集地區(qū),所占面積隨居民點(diǎn)的擴(kuò)張而增加,面積比例增幅為50.69%;小于0.6 t/hm2的低值區(qū)靠近太行山呈面狀分布,研究區(qū)各個(gè)縣均有大面積涉及,由于研究區(qū)地貌類型以山地為主,各縣居民點(diǎn)面積遠(yuǎn)小于各縣總面積,人口密度較小導(dǎo)致糧食需求量較小的區(qū)域所占面積比例較高。2005、2010、2015和2020年所占面積比例分別為89.07%、86.68%、85.33%和83.53%。

3.1.2 產(chǎn)水服務(wù)的供需時(shí)空變化特征 2005-2020年研究區(qū)產(chǎn)水服務(wù)的供給量總體呈逐步上升的趨勢(shì),2010-2020年變化較為明顯,單位面積水源供給量從338.06 m3/hm2升至428.55 m3/hm2,增幅為26.77%,到2020年水源供給量超過(guò)4 000 m3/hm2的面積達(dá)到76.52%。2005-2020年研究區(qū)單位面積水源需求量總體呈逐步上升趨勢(shì),從36.86 m3/hm2升至70.71 m3/hm2,增幅為91.83%,水源需求量大于120 m3/hm2的區(qū)域占比增加了10.23%。關(guān)于研究區(qū)水源供給量和需求量的空間分布規(guī)律見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 2005-2020年研究區(qū)產(chǎn)水服務(wù)供給空間格局

圖4 2005-2020年研究區(qū)產(chǎn)水服務(wù)需求空間格局

由圖3可知,從空間分布上來(lái)看,除2015年外研究區(qū)水源供給量總體均呈“西北高東南低”的分布格局。2010-2015年唐縣和順平縣的水源供給量明顯增加,增幅為23%和36%,2015年這2個(gè)縣的年降雨量較高,分別達(dá)到了524.9 mm和552.8 mm。淶源縣供給量稍有下降;2015-2020年水資源供給空間變化明顯,大于4 000 m3/hm2的高值區(qū)占比增加了52.84%,主要分布在易縣、阜平縣和淶源縣,這些地區(qū)海拔較高,降雨量多且蒸發(fā)量少,2020年在整個(gè)研究區(qū)中年降雨量排名前三,年降雨量分別為681.1、642.0、620.4 mm。由圖4可知,2005-2020年研究區(qū)水源需求量總體呈"東南高西北低"的分布格局,大于90 m3/hm2的高值區(qū)呈帶狀和點(diǎn)狀圍繞居民點(diǎn)分布,2005-2015年60～90 m3/hm2的中值區(qū)呈帶狀增加0.03%,大于90 m3/hm2的高值區(qū)從6.20%增長(zhǎng)到13.77%,主要分布在研究區(qū)的東南地區(qū),這些地區(qū)平原面積較大,適宜發(fā)展農(nóng)業(yè),且人口密集,相比研究區(qū)其他地區(qū)工業(yè)稍多,因此水源的需求量較高。2015-2020年水資源需求量一直處于緩慢增加狀態(tài),空間分布變化不明顯。

3.1.3 碳固定服務(wù)的供需時(shí)空變化特征 2005-2020年研究區(qū)單位面積碳供給量呈先下降后上升的趨勢(shì),從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,總體降幅為1.18%。期間,2005-2015年碳供給量高值區(qū)下降0.48%,各縣域間差異不大,2015-2020年各地區(qū)碳供給量緩慢增加,空間變化不明顯。2005-2020年研究區(qū)單位面積碳需求量呈上升趨勢(shì),從10.99 t/hm2升至21.23 t/hm2,增幅93.18%。期間,曲陽(yáng)縣和唐縣的增幅尤為明顯,這2個(gè)地區(qū)的人口增幅分別為21.57%和10.40%,且單位面積碳需求量最高,變化不明顯的是阜平縣和淶源縣。關(guān)于研究區(qū)碳供給量和需求量的空間分布規(guī)律見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 2005-2020年研究區(qū)碳供給空間格局

圖6 2005-2020年研究區(qū)碳需求空間格局

由圖5可知,從空間分布上來(lái)看,2005-2020年研究區(qū)碳供給量呈“西北高、東南低”的分布格局,大于16 t/hm2的高值區(qū)呈面狀所占比例都在29%左右,主要分布于阜平縣的西部、淶源縣的周邊、淶水縣的東北部和易縣的西部,原因在于這些地方建設(shè)用地占比低,植被覆蓋率較高,另外也得益于國(guó)家一系列環(huán)境保護(hù)政策和退耕還林還草工程。淶源縣中部和研究區(qū)東南部城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快,因此碳固定服務(wù)的供給量較低。由圖6可知,2005-2020年研究區(qū)碳需求量呈“東南高、西北低”的分布格局,大于30 t/hm2的高值區(qū)呈面狀和點(diǎn)狀分布,所占面積增幅為12.1%,曲陽(yáng)縣、唐縣、順平縣、滿城區(qū)、易縣和淶水縣6個(gè)縣的西南部為碳需求量高值區(qū),因?yàn)檫@些地區(qū)人口密度大,碳需求量高值區(qū)呈面狀分布,其余高值區(qū)呈點(diǎn)狀分布在阜平縣中部和淶源縣中部。此外高值區(qū)的點(diǎn)面之間逐漸有帶狀的10～20 t/hm2的低值區(qū)增加,增幅為10.22%,表明人類活動(dòng)在加劇。

3.2 保定太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需平衡分析

關(guān)于2005-2020年研究區(qū)糧食供給服務(wù)、產(chǎn)水服務(wù)和碳固定服務(wù)的供需比研究結(jié)果如圖7、圖8和圖9所示。

圖7 2005-2020年研究區(qū)糧食供給服務(wù)的供需比

圖8 2005-2020年研究區(qū)產(chǎn)水服務(wù)供需比

圖9 2005-2020年研究區(qū)碳固定服務(wù)供需比

2005-2020年研究區(qū)糧食供給服務(wù)的供需比呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢(shì),分別為4.9×105%、7.9×105%、9.5×105%和1.1×106%,且不存在小于100%的情況,表明研究區(qū)內(nèi)糧食供給服務(wù)一直處于供給遠(yuǎn)大于需求的狀態(tài)。一方面是因?yàn)檠芯繀^(qū)內(nèi)糧食總產(chǎn)量逐步上升,研究區(qū)內(nèi)耕地面積減少,耕地的NDVI值降低;另一方面是因?yàn)槿司Z食需求的數(shù)量級(jí)與糧食產(chǎn)量的數(shù)量級(jí)相差較大。由圖7可知,研究區(qū)內(nèi)各區(qū)縣的供需比存在差異,淶源縣最高,其次是阜平縣,最低是曲陽(yáng)縣。供需比高值區(qū)呈面狀主要分布在靠近太行山脈的阜平縣、淶源縣、易縣西北部和淶水縣西北部,因?yàn)檫@些地區(qū)多為林地和草地,且植被覆蓋率高,單位柵格的NDVI值較高。供需比低值區(qū)呈點(diǎn)狀主要分布在曲陽(yáng)縣、唐縣、順平縣、滿城區(qū)這4個(gè)縣的東南部。

2005-2020年研究區(qū)產(chǎn)水服務(wù)的供需比呈先上升后下降的趨勢(shì),分別為4 771% 、5 141% 、4 165%和4 149%,表明研究區(qū)的整體產(chǎn)水服務(wù)供給大于需求。由圖8可知,在空間分布上各縣區(qū)之間的供需關(guān)系差異較大,供需比高值區(qū)主要分布在研究區(qū)的西部和北部,呈面狀分布,多為林地和草地,大沙河、易水河、唐河等眾多河流貫穿其中,屬于高供給低需求地區(qū)。供需比低值區(qū)主要分布在曲陽(yáng)縣、唐縣、順平縣、滿城區(qū)、易縣和淶水縣這5個(gè)縣的東南部,供需比均小于100%,表明水供給均難以滿足需求,但所占比例不大,分別為0.67%、1.73%、1.91%和2.46%,原因在于這些地方河流缺乏且人口較多,屬于低供給高需求地區(qū)。

2005-2020年研究區(qū)碳固定服務(wù)的供需比呈先上升后下降的趨勢(shì),分別為911% 、969% 、822% 和648%,說(shuō)明研究區(qū)的整體碳固定服務(wù)供給能滿足需求。由圖9可知,在空間分布上,西北部林地草地覆蓋率較高的地區(qū)碳固定服務(wù)供給一直處于大于需求狀態(tài),東南部人口密集區(qū)出現(xiàn)供給小于需求的情況,但總體來(lái)說(shuō)供給大于需求。各縣區(qū)之間的供需關(guān)系差異較大,阜平縣和淶源縣碳固定服務(wù)供給基本大于需求,供需比最高可達(dá)200%以上。除阜平縣和淶源縣外的6個(gè)縣供需比小于100%的面積較大,表明這些地區(qū)碳固定服務(wù)供需矛盾較為突出,存在供不應(yīng)求的局面。其中曲陽(yáng)縣碳固定供需赤字最大,高達(dá)47.31%,其次是唐縣,最小的是淶水縣,因?yàn)檫@些地區(qū)人口最為密集,對(duì)碳的需求量最大。

3.3 保定太行山區(qū)糧食供給-產(chǎn)水-碳固定服務(wù)供需空間分布特征

本研究將糧食供應(yīng)、產(chǎn)水、碳固定3種服務(wù)定義為糧食供給-產(chǎn)水-碳固定服務(wù),以上文中各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需空間格局為基礎(chǔ),運(yùn)用ArcGIS10.6空間分析的方法,提取4年間各項(xiàng)服務(wù)供給均大于需求的斑塊作為糧食供給-產(chǎn)水-碳固定服務(wù)的供給大于需求區(qū),提取糧食供給-產(chǎn)水-碳固定服務(wù)4年間各項(xiàng)服務(wù)供給均小于需求的斑塊作為糧食供給-產(chǎn)水-碳固定服務(wù)的供給小于需求區(qū),結(jié)合研究區(qū)自然和社會(huì)情況,探索研究區(qū)糧食供給-產(chǎn)水-碳固定服務(wù)供需的空間分布特征,進(jìn)而分析研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需狀況,研究結(jié)果如圖10所示。

圖10 2005-2020年研究區(qū)糧食供給-產(chǎn)水-碳固定服務(wù)供需空間分布特征

由圖10可知,紫色區(qū)域代表2005-2020年間糧食供給-產(chǎn)水-碳固定服務(wù)的供給均大于需求,紅色區(qū)域代表2005-2020年間糧食供給-產(chǎn)水-碳固定服務(wù)的需求均大于供給。整體來(lái)說(shuō),糧食供給-產(chǎn)水-碳固定服務(wù)供給大于需求的區(qū)域主要呈面狀分布在海拔高、植被覆蓋率高的西部和西北部,所占面積高達(dá)72.3%;需求大于供給的區(qū)域主要呈點(diǎn)狀分布在人口密集的居民點(diǎn),所占面積較少,只占6.7%。圖中白色區(qū)域有3種情況:一是供需平衡;二是之前供給大于需求,后來(lái)隨著人口的增長(zhǎng)和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,供給又小于需求了;三是之前供給小于需求,由于人為增加供給條件,供給又大于需求了。白色區(qū)域?qū)τ谏鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)的管理和提升也是重點(diǎn),只有厘清白色區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需水平,才能進(jìn)一步優(yōu)化供需的空間格局,促進(jìn)人與自然的和諧共生。研究區(qū)中大部分地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)都能供大于求,并且在保障自身需求的情況下有可能還為相鄰地區(qū)提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),為未來(lái)進(jìn)一步生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間流轉(zhuǎn)以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與居民福祉的關(guān)系研究奠定了基礎(chǔ)。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

(1)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求的量化。人類需求是生態(tài)系統(tǒng)形成服務(wù)的唯一條件,也導(dǎo)致了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)輸送和被消費(fèi)。目前關(guān)于人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求內(nèi)涵沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),量化研究也處于探索階段,因此不同研究的需求結(jié)果可能會(huì)存在較大差異。本研究從人口密度、人均資源需求量以及人均碳排放量角度分析人類對(duì)各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求,未來(lái)人類需求研究應(yīng)注重建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)以及統(tǒng)一的量化方法,以便不同區(qū)域和不同尺度之間研究的對(duì)比和驗(yàn)證。

(2)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估及流轉(zhuǎn)。本研究只對(duì)保定太行山區(qū)的糧食供給、產(chǎn)水、碳固定和糧食供給-產(chǎn)水-碳固定服務(wù)這4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行了供需情況研究,未對(duì)太行山區(qū)整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)做出評(píng)估。由糧食供給-產(chǎn)水-碳固定服務(wù)供需引發(fā)了對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間流轉(zhuǎn)的思考,一方面可以從整體的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)角度入手,考慮人類的活動(dòng)情況,計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需,進(jìn)而量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的流轉(zhuǎn)。另一方面,需要進(jìn)一步確定各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值以及流轉(zhuǎn)量,此方法比較復(fù)雜且難以實(shí)現(xiàn)。明確生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給單元、需求單元以及它們之間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動(dòng)情況,對(duì)合理配置土地資源以及提升居民福祉具有重大意義,因此基于供需的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動(dòng)及量化是未來(lái)研究的重要方向。

(3)保定太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)管理的建議。保定太行山區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在研究基期內(nèi)整體上來(lái)說(shuō)是供給大于需求的,但仍存在供需赤字的情況。針對(duì)產(chǎn)水服務(wù),研究區(qū)西南部存在供需比小于100%的地區(qū),可以通過(guò)發(fā)展生態(tài)光伏農(nóng)業(yè)來(lái)達(dá)到較少地表水蒸發(fā)的目的,也可以借助水庫(kù)和河流,完善水資源異地供給渠道;針對(duì)碳固定服務(wù),研究區(qū)西北部的低山丘陵區(qū)可以實(shí)施宜林荒山造林、退耕還林還草政策,同時(shí)通過(guò)優(yōu)化土地利用空間布局,提升利用效率或者建立生態(tài)廊道來(lái)增加碳固定服務(wù)的供給量;針對(duì)糧食供給服務(wù),研究區(qū)一方面要與周?chē)貐^(qū)建立好糧食輸送通道,提升糧食供給服務(wù)的流轉(zhuǎn)能力,另一方面也要保護(hù)優(yōu)質(zhì)耕地,建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田,進(jìn)一步提升糧食供給能力。

4.2 結(jié)論

本研究在對(duì)保定太行山區(qū)現(xiàn)狀進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,選取2005、2010、2015和2020年的糧食產(chǎn)量、NDVI值、降水、人口密度和碳密度等數(shù)據(jù)分別從糧食供給、產(chǎn)水和碳固定3個(gè)方面來(lái)評(píng)估保定太行山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),并分析其時(shí)空演化特征,得到的主要結(jié)論如下:

(1)2005-2020年保定太行山區(qū)的糧食供給服務(wù)供給量呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì),需求量和供需比均呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì);產(chǎn)水服務(wù)供給量和需求量都呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì),而供需比呈先上升后下降的趨勢(shì);碳固定服務(wù)供給量呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì),需求量呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì),供需比呈先上升后下降的趨勢(shì)。

(2)2005-2020年保定太行山區(qū)的糧食供給-產(chǎn)水-碳固定服務(wù)和3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需比均呈現(xiàn)“西北高,東南低”的分布特征,3種服務(wù)整體上均能供給大于需求。產(chǎn)水服務(wù)和碳固定服務(wù)在城鎮(zhèn)化發(fā)展較快的人口聚集區(qū)供不應(yīng)求,糧食供給服務(wù)的供給均大于需求,西部和北部的高植被覆蓋率地區(qū)是供需比的高值區(qū)。

(3)2005-2020年保定太行山區(qū)的3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均以高供給低需求的供需特征為主,糧食供給-產(chǎn)水-碳固定服務(wù)的供需以供給大于需求為主。