趙曉慧,朱明暢,歐陽天豪,蘆政軒,彭城坤,雷軍成,?

(1.贛南師范大學 地理與環(huán)境工程學院, 江西 贛州 341000;2.武漢永業(yè)賽博能規(guī)劃勘測有限公司,武漢 430062)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(Ecosystem Services, ES)是人類從生態(tài)系統(tǒng)中直接或間接獲取的各類產(chǎn)品和服務(wù)[1].Constanza等指出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類從生態(tài)系統(tǒng)功能中獲得收益[2].進入到21世紀,千年生態(tài)系統(tǒng)評估報告中補充和歸納了Constanza所提出的17種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類[3].由于近些年的社會發(fā)展使得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給與人類生產(chǎn)生活之間的矛盾問題日益凸顯.因此眾多學者也逐漸將研究方向轉(zhuǎn)移到對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的研究上[4-5].針對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的研究關(guān)注較多的是對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的結(jié)構(gòu)、功能以及供需概念上的界定,從經(jīng)濟價值的角度來評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[6],著重于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給方面的研究[7-8].生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需方面研究的難點在于供需變化的空間異質(zhì)性[9],因而在后來的研究文獻中有不少關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求量化與時空變化制圖的研究實證[10-11].其研究方法多以土地利用變化[12]、專家經(jīng)驗判別法[13-14]、InVEST模型量化法[15]、生態(tài)過程模擬[16]、ARIES模型[17]等方法作為研究支撐,研究內(nèi)容主要集中在供給服務(wù)[18]、調(diào)節(jié)服務(wù)[19]、文化服務(wù)[20].

流域作為一種特殊的生態(tài)系統(tǒng),其以水系為橋梁連接系統(tǒng)內(nèi)部的各種自然要素和人文活動,并在其內(nèi)部進行能量、物質(zhì)和信息交換[21].東江流域位于我國東南沿海地區(qū)是珠江水系的三大河流之一.流域中上游森林覆蓋度較高,強大的水源涵養(yǎng)能力和水土保持功能不僅為東江下游地區(qū)提供了良好的生態(tài)儲備,也為珠三角地區(qū)的生態(tài)質(zhì)量提供了強有力的生態(tài)保障.為大力促進東江流域水域環(huán)境治理與保護,自2016年起贛粵兩省便簽訂了《東江流域上下游橫向生態(tài)補償協(xié)議》.流域上下游生態(tài)與經(jīng)濟兩者之間的矛盾日益凸顯[22].這不僅對生態(tài)保護事業(yè)產(chǎn)生了重要影響,也阻礙了地區(qū)間的協(xié)同發(fā)展[23].因此本研究以東江流域為例,從供需角度出發(fā),選取產(chǎn)水服務(wù)、食物供給服務(wù)、土壤保持服務(wù)和碳儲存四項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行供需量化評估,厘清供需關(guān)系,明晰空間分布特征,以期為提高流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、制定可持續(xù)發(fā)展政策和構(gòu)建生態(tài)安全格局提供科學參考和理論支撐.

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

東江發(fā)源于江西省贛州市尋烏縣的椏髻缽山,地理范圍為22°.38′-25°14′ N,113°.52′-115°.52′ E.東江源區(qū)包括江西省贛州市的尋烏、安遠和定南三縣,上游稱為尋烏水,從合河壩村到博羅縣觀音閣稱為中游段,觀音閣以下則稱為下游段.東江干流由東北流向西南,河道長度為520km,至獅子洋全長為562km,其中在江西省境內(nèi)面積為127km,廣東省境內(nèi)面積為435km,流域集水總面積3.5×104km2,占珠江流域總面積的5.96%.東江流域主要涉及贛州、梅州、韶關(guān)、河源、惠州、東莞和廣州8個市級行政單元(圖1).

1.2 數(shù)據(jù)來源與預處理

數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)、土地利用/覆被數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)、人口密度數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)7類(表1).

表1 數(shù)據(jù)來源與處理方法

土地利用/覆被數(shù)據(jù),通過ENVI軟件進行預處理,以輻射定標、大氣校正、融合、裁剪、鑲嵌等處理方法,采用監(jiān)督分類分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地和其他七大類,并結(jié)合同年Google Earth和實地考察進行精度檢驗,數(shù)據(jù)總體檢驗精度為86.8%,分類精度能夠滿足后續(xù)的研究需要;氣象數(shù)據(jù)的時間范圍為1990-2021年;植被覆蓋數(shù)據(jù)基于250m分辨率的MOD13Q1產(chǎn)品,利用MRT工具對影像進行批量拼接、投影以及轉(zhuǎn)換格式后,運用最大值合成法獲得月值數(shù)據(jù);社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)包括地區(qū)國內(nèi)生產(chǎn)總值、用水量、能源消耗量、農(nóng)林牧漁業(yè)產(chǎn)值等.所有數(shù)據(jù)時間節(jié)點均為2020年,文章中所有數(shù)據(jù)的空間柵格數(shù)據(jù)地理坐標系均設(shè)置為WGS_1984_Albers.

1.3 研究方法

針對東江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需現(xiàn)狀,結(jié)合東江流域?qū)嶋H以及數(shù)據(jù)的可獲取性,本文對東江流域產(chǎn)水服務(wù)、食物供給服務(wù)、土壤保持服務(wù)和碳儲存服務(wù)四項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需現(xiàn)狀進行評估.

1.3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需量化

(1)

(2)

PET(x)=KC(x)×ETO(x)

(3)

(4)

需求:WD=Dx×Ppop+Dy×GDP+Dz×Areac

(5)

式中:WY(x)為2020年產(chǎn)水量,單位為mm;AET(x)為年實際蒸散量;P(x)為年降水量;PET(x)為潛在蒸散量;Kc(x)為作物蒸散發(fā)系數(shù);ETo(x)為作物參考蒸散量;AWC(x)為植物可利用含水量;W(x)為季節(jié)經(jīng)驗參數(shù);WD為流域需水量,單位為m3;Ppop為流域內(nèi)人口密度柵格數(shù)據(jù);GDP為地區(qū)國內(nèi)生產(chǎn)總值密度數(shù)據(jù);Areac為流域內(nèi)耕地柵格數(shù)據(jù);具體計算步驟詳見劉立程等研究[25].

(6)

需求:FD=Dpcfr×Ppop

(7)

式中:FSx表示柵格x上的食物供給量,單位為t/km2;Ssumj代表j地類對應的農(nóng)林牧漁產(chǎn)品的總產(chǎn)量,單位為t;NDVIxj為柵格x上所對應的j類土地利用類型(耕地、草地和水域)的歸一化植被指數(shù);NDVIsumj代表j地類內(nèi)的歸一化植被指數(shù)的總和;FD為流域食物需求量,單位為t;Dpcfr為人均食物需求量,單位為kg.

USLEx=Rx×Kx×Lx×Sx×Cx×Px

(8)

(9)

供給:SEDRETx=RKLSx-USLEx+SDERx

(10)

需求:RKLSx=Rx×Kx×Lx×Sx

(11)

式中:RKLSx為柵格x潛在土壤侵蝕量;USLEx為柵格x實際土壤侵蝕量;Rx為降水侵蝕性因子;Kx為土壤可蝕性因子;Lx為坡長因子;Sx為坡度因子,無量綱;Cx為植被覆蓋因子,無量綱;Px為土壤保持措施因子,無量綱;SEDRETx為土壤保持量;SDERx為土壤持留量;SEx為泥沙持留率;USLEy為上坡柵格y所產(chǎn)生的泥沙量;SEy為上坡柵格泥沙持留量;本研究以潛在土壤侵蝕量作為土壤保持服務(wù)的需求量.

供給:Ctot=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(12)

需求:Cd=Dcp×Ppop

(13)

式中:Ctot表示總碳儲量,單位為t;Cabove表示地上生物碳儲量;Cbelow表示地下生物碳儲量;Csoil表示土壤有機碳儲量;Cdead表示死亡有機體碳儲量;Cd為碳儲存需求量,單位為t;Dcp為人均碳排量;Ppop為流域柵格人口密度,單位為人/hm2.

1.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需數(shù)量關(guān)系

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)實際供給與需求間關(guān)系可能會呈盈余或者赤字.為衡量生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求兩者之間關(guān)系,本文選用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比方程來表征東江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求匹配狀況.具體計算公式如下:

(14)

式中:ESDR為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比;ES為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)實際供給量;ED為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)實際需求量;ESmax為研究區(qū)某項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量的最高值,即供給的最大值;EDmax為研究區(qū)某項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量的最高值,即需求的最大值.其中ESDR為正值時,則表示該生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供大于需;為0值時,則表示供需達到平衡狀態(tài);為負值時,則表示供小于需.

1.3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間匹配關(guān)系

雙變量局部空間自相關(guān)(LISA)指用于表征某一空間單元上各項屬性值及其相鄰空間單元上的屬性值之間的空間集聚程度和相關(guān)程度[27].利用GeoDA軟件對標準化后的東江流域各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需數(shù)據(jù)進行空間匹配.具體計算公式如下:

(15)

1.3.4 排序分析

冗余分析(RDA)是一種結(jié)合主成分分析和回歸分析的排序方法,是多元回歸的拓展.其原本是運用排序的方法闡述群落生態(tài)環(huán)境或某一生態(tài)因子隨樣地生境而產(chǎn)生的變化[28].將標準化后的各項數(shù)據(jù)導入CANOCO 5.0軟件中進行去趨勢分析,梯度長度均小于3選擇RDA模型.在RDA坐標圖中,各項生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)服務(wù)供需和各驅(qū)動因子均使用帶有箭頭的線段表示.其中藍色箭頭代表東江流域各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需值,紅色箭頭代表各驅(qū)動因子.箭頭與原點的連線長度代表某一解釋變量與響應變量相關(guān)程度的大小,連線越長相關(guān)性越大,反之相關(guān)性越小.箭頭連線與排序軸的夾角代表某一解釋變量與排序軸(RDA1和RDA2)的相關(guān)性大小,夾角越小相關(guān)性越大.本文選取了自然、人口、社會經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)作為驅(qū)動因子.選取的驅(qū)動因子應滿足以下原則:選取的指標可以被量化的,各指標間應該要相互獨立;每一個指標均能夠反映自然、人口、社會經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)的一個重要方面;指標數(shù)據(jù)應該是可獲得的.據(jù)此本文選取了九個驅(qū)動因子,分別為年平均降水量(X1)、年平均氣溫(X2)、年末總?cè)丝跀?shù)(X3)、人口密度(X4)、城鎮(zhèn)化率(X5)、地區(qū)國內(nèi)生產(chǎn)總值(X6)、社會消費品總額(X7)、農(nóng)林牧漁業(yè)產(chǎn)值(X8)和糧食產(chǎn)量(X9).

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求空間特征

東江流域2020年產(chǎn)水服務(wù)總供給量為27.77×109m3,總需求量為10.75×109m3.食物供給服務(wù)總供給量為2.02×108t,總需求量為7.07×108t.土壤保持服務(wù)總供給量為1.01×109t,總需求量為1.32×108t.碳儲存服務(wù)總供給量為3.40×108t,總需求量為4.43×107t(圖2).從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給來看,除產(chǎn)水服務(wù)以外,其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量都較低.從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求來看,東江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求間同樣也存在著明顯的空間差異.從流域整體來看,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求遵循著人口密集區(qū)與工農(nóng)業(yè)集中布局對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求更高,而人口稀疏區(qū)與產(chǎn)業(yè)分散區(qū)的需求低的規(guī)律.

圖2 東江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需空間分布

東江流域單位面積產(chǎn)水量為8.09×103m3/hm2.高值區(qū)多集中在流域西南部,低值區(qū)多集中在流域北部及邊緣地區(qū).其中坪山區(qū)、龍崗區(qū)和惠陽區(qū)的單位面積產(chǎn)水量供給較大,分別為1.06×104m3/hm2、1×104m3/hm2和9.58×103m3/hm2.這些地區(qū)自然地理條件較為優(yōu)越,受季風和臺風的影響,年降水量十分充沛.同時上述區(qū)域境內(nèi)的坪山河、坑梓河、龍崗河、觀瀾河、深圳河、西枝江、淡水河等大小河流廣泛發(fā)育,產(chǎn)水服務(wù)供給能力較強.

東江流域單位面積食物供給量為58.28t/km2.食物供給服務(wù)供給能力的高值區(qū)分布在博羅縣、龍門縣,單位面積食物供給均在100t/km2.本研究將NDVI和糧食進行匹配,進一步得到該地區(qū)的食物供給服務(wù)分布情況.

東江流域單位面積土壤保持量為296.93t/hm2,呈現(xiàn)出東西高,南部低的分布格局.土壤保持服務(wù)供給高值區(qū)位于連平縣、新豐縣等,單位面積土壤保持服務(wù)供給量分別為582t/hm2、557t/hm2.這些地區(qū)受高程因素的影響,隨著高程上升這些地區(qū)的潛在土壤的侵蝕力量變高.同時從土地覆被類型的角度來看,這些區(qū)域林地覆蓋程度高,茂密的林木對降水有較強的截留作用,這種截留不僅可以減少雨水對地表的沖刷和對土壤的侵蝕,而且林木本身也具有很發(fā)達的植物根系,在抵擋水土流失的侵蝕方面能力較強.

東江流域單位面積碳儲存供給量大于流域單位面積供給量.碳儲存服務(wù)供給高值區(qū)位于紫金縣、定南縣、新豐縣等,從土地覆被類型來看,該地區(qū)林地、草地比較集中.

2.2 供需數(shù)量關(guān)系與空間匹配關(guān)系

基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比方程得到的東江流域四項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比結(jié)果.東江流域2020年產(chǎn)水服務(wù)、食物供給服務(wù)、土壤保持服務(wù)、碳儲存服務(wù)供需比分別為0.64、-0.04、0.12、0.01.其中產(chǎn)水服務(wù)、土壤保持服務(wù)、碳儲存服務(wù)的供需比均為正值,供需關(guān)系為盈余;食物供給服務(wù)供需比為負值,供需關(guān)系為赤字.從整個流域來看,產(chǎn)水服務(wù)供需比均為負值的區(qū)域多集中在東江流域的中下游地區(qū).

各個區(qū)縣食物供給服務(wù)供需比均為負值.這是因為東江流域的地形主要以山地丘陵為主,地塊破碎不適宜大面積耕種.流域土質(zhì)以紅壤土、磚紅壤土為主,土壤酸性強,有機質(zhì)少,土壤肥力低.同時該地區(qū)人口又較為密集,對食物的需求較大,由此整個東江流域的食物供給小于食物需求.

各個區(qū)縣土壤保持服務(wù)供需比均為正值,供給大于需求.近些年隨著生態(tài)環(huán)境工程的實施,流域內(nèi)無論是上游地區(qū)、中游地區(qū)還是下游地區(qū)都大力種樹育林.這在一定程度上減少了降水對土地表面的沖刷,減少地面徑流對土壤的侵蝕,減少了水土流失,因此土壤保持服務(wù)供需狀況較好.

東江流域是我國人口聚集區(qū)與工業(yè)集中分布的密集區(qū)之一,人口密度大的同時碳排放量也大.其中東莞市、龍華區(qū)、龍崗區(qū)等供需比均為負值,這些區(qū)域人口密度大、工業(yè)產(chǎn)業(yè)布局集聚等影響,其碳儲存供給量小于需求量.而碳儲存供需比為正值的有東源縣、紫金縣、惠東縣等.這些地區(qū)受人口分布和工業(yè)產(chǎn)業(yè)布局分布的影響,碳儲存的供給量大于其需求量,因而這些地區(qū)碳儲存供需狀況較好.

圖3 東江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需空間匹配

圖4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給、需求與驅(qū)動因子的RDA排序圖

利用GeoDA軟件對東江流域各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需進行雙變量局部空間自相關(guān)分析可知,東江流域共有四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需空間匹配類型(圖3).分別為高高型(高供給-高需求空間匹配)、低低型(低供給-低需求空間匹配)、低高型(低供給-高需求空間錯位)和高低型(高供給-低需求空間錯位).其中產(chǎn)水服務(wù)、土壤保持服務(wù)和碳儲存服務(wù)中,人口密度較高的地區(qū)往往以低供給-高需求空間錯位為主,人口密度較小的地區(qū)則主要以低供給-低需求空間匹配為主.

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需驅(qū)動力分析

將東江流域四項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給量進行標準化后導入CANOCO軟件,結(jié)果顯示(圖4),RDA供給排序圖前兩軸共解釋了72.35%的變量.其中,冗余分析第一排序軸解釋了56.77%的變量,冗余分析第二排序軸解釋了15.58%的變量.從RDA供給排序圖的貢獻率來看,X2貢獻率為8.5%,X3貢獻率為20.9%,X5貢獻率為60.5%.根據(jù)箭頭長短和貢獻率結(jié)果可知,影響東江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的驅(qū)動因子有年平均氣溫、城鎮(zhèn)化率和年末總?cè)丝?城鎮(zhèn)化率對食物供給有著很大的影響,城鎮(zhèn)化率增加,人們需要更多的建設(shè)用地用于生產(chǎn)生活,耕地面積就會相應的減少,從而導致食物供給的能力減弱.年平均氣溫和年末總?cè)丝跀?shù)對產(chǎn)水供給服務(wù)、土壤保持服務(wù)供給和碳儲存服務(wù)供給均有非常重要的影響.

根據(jù)RDA需求排序圖可知(圖4),RDA需求排序圖前兩軸共解釋了83.46%的變量.其中,冗余分析第一排序軸解釋了65.64%的變量,冗余分析第二排序軸解釋了17.82%.從RDA需求排序圖的貢獻率來看,X3貢獻率為70%,X5貢獻率為18.6%,X6的貢獻率為4.3%.根據(jù)箭頭長短和貢獻率可知,影響東江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求的驅(qū)動因子有年末總?cè)丝?X3)、城鎮(zhèn)化率(X5)和地區(qū)國內(nèi)生產(chǎn)總值(X6).綜上,根據(jù)箭頭長短和貢獻率可知,影響東江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求的驅(qū)動因子有年末總?cè)丝跀?shù)、城鎮(zhèn)化率和地區(qū)國內(nèi)生產(chǎn)總值.其中年末總?cè)丝跀?shù)對產(chǎn)水服務(wù)需求量、食物供給服務(wù)需求量和碳儲存服務(wù)需求量有非常重要的影響.人口數(shù)量越多,對水和食物的需求量就越大,碳排放量就越多,是一種同增同減的相關(guān)關(guān)系.城鎮(zhèn)化率對土壤保持需求有重要的影響,建設(shè)用地面積增加,對土壤保持的能力就會減弱.地區(qū)國內(nèi)生產(chǎn)總值對產(chǎn)水服務(wù)需求、食物供給服務(wù)需求、土壤保持服務(wù)需求和碳儲存服務(wù)需求均有十分重要的影響.

3 討論

流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有跨省市和跨區(qū)縣的流動性,因而往往伴隨著復雜多變的空間分布問題.當前在研究對象的選擇上多數(shù)學者選擇了單一的行政單元[29],而以經(jīng)濟差距較大的流域作為研究區(qū)的文章不多.因此本文在研究區(qū)的選擇了具有典型性和特殊性較為明顯的東江流域.與此同時,本文所采用的“以人定需”量化方法[30],所選取的人口密度、人均需求量的研究結(jié)果與前人研究結(jié)果基本相吻合,均呈現(xiàn)出人口聚集區(qū)和工農(nóng)業(yè)聚集區(qū)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求較大的顯著特點.

本文在研究方法及具體的計算過程中存有一定的局限性.在模型運算時的部分參數(shù)修正與調(diào)整,如季節(jié)常數(shù)、東江流域碳庫表、植物管理因子等主要是參考和借鑒了相近研究區(qū)的結(jié)果而獲得,存有一定的偏差.未來應提高模型的適配度及數(shù)據(jù)的完整性,優(yōu)化評估方式,提高評估準確性.在后續(xù)的研究中更加注重人類福祉與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系,以更加全面的角度對供需空間異質(zhì)性展開探討,以期為流域上下游經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展貢獻力量.

根據(jù)目前研究所掌握的東江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需現(xiàn)狀,為提高生態(tài)風險保護意識,需提高各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給量以滿足區(qū)域需求.為此本文提出以下幾點建議,僅供參考:著力保護生態(tài)源地,積極實施生態(tài)修復.要繼續(xù)加大生態(tài)保護力度,重點保護東江源區(qū)(尋烏、安遠、定南)的生態(tài)環(huán)境,重點建設(shè)高質(zhì)量水源林、儲備林等生態(tài)修復工程;加快上游城市建設(shè),促進流域協(xié)調(diào)發(fā)展.東江源區(qū)有著得天獨厚的自然條件,應加快建設(shè)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè),進而促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展.同時也可將東江流域下游部分勞動密集型產(chǎn)業(yè)往上游回遷,緩解下游因人口過度集中而導致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供不應求的壓力;提高風險監(jiān)測水平,提升防災減災響應速度.東江流域位于我國季風氣候區(qū)和臺風頻發(fā)區(qū),降水量豐富的同時容易形成洪澇災害.因而要加強流域內(nèi)遙感檢測工作的力度和效率.

4 結(jié)論