孟慶香,張莉坤,位賀杰,*,蔡恩香,董孝斌

1 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 鄭州 450002 2 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部, 北京 100875

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指由自然生態(tài)系統(tǒng)組成的可供人類直接利用或者消費(fèi)的自然資源和商品[1—3],維持著人類生存和發(fā)展的環(huán)境條件[4—5],是人類賴以生存和發(fā)展的資源與環(huán)境基礎(chǔ)[6]。長期以來,由于人們對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要性缺乏認(rèn)識,對自然資源的過度使用造成了諸多問題,并影響了區(qū)域乃至全球的生態(tài)安全[7]。區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題主要源自城市化和土地類型及土地覆蓋的變化對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和格局的改變,人類活動直接影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化[8—9],是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的重要驅(qū)動力[10—12]。但其實(shí)質(zhì)是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系的空間差異或失衡[13—14]。因此,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系測度及供需風(fēng)險(xiǎn)的識別就尤為重要,是對自然資源有效配置和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理的一項(xiàng)重要工作,可以緩解區(qū)域生態(tài)危機(jī)、建設(shè)美麗家園、實(shí)現(xiàn)永續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的科學(xué)支撐。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)評價是將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給與需求關(guān)聯(lián)起來,將生態(tài)系統(tǒng)的變化限制在生態(tài)閾值之內(nèi),建立起的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)。其關(guān)注點(diǎn)主要是對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化、生態(tài)問題和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系,有助于設(shè)計(jì)有效的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)管理方法。生態(tài)系統(tǒng)的供需風(fēng)險(xiǎn)是自然生態(tài)系統(tǒng)與人類社會系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物。隨著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究逐漸成為熱點(diǎn),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系的制圖和量化已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展,并且一些研究嘗試在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)上對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究,基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)分析受到眾多學(xué)者的關(guān)注。Galic等[15]應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概念解決生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析,不僅描述了生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)部機(jī)制,而且還涉及諸如人類福祉之類的外部驅(qū)動因素如何影響生態(tài)系統(tǒng)。Abson等[16]提出了基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給風(fēng)險(xiǎn)和利益之間的概念框架。Maron等[17]結(jié)合了關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供求狀況和趨勢變化,提出了評估特定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)受到威脅程度的概念框架。Li等[18]等構(gòu)建了一個產(chǎn)水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流模型,利用水資源安全指數(shù)對京津冀地區(qū)產(chǎn)水服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。Dong等[19]基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的形成、變化、風(fēng)險(xiǎn)和管理,建立了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能風(fēng)險(xiǎn)評估框架,并在長江流域上游甘孜地區(qū)進(jìn)行了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能區(qū)域生態(tài)預(yù)警試驗(yàn)。但從文獻(xiàn)檢索來看,關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供求風(fēng)險(xiǎn)的理論討論很多,且研究主要以服務(wù)供給為度量指標(biāo),區(qū)域規(guī)模的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)評價研究和應(yīng)用仍有待進(jìn)一步發(fā)展。

盡管國內(nèi)外對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)做過大量的研究和工作,然而,傳統(tǒng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估主要基于生態(tài)實(shí)體的特征,如區(qū)域景觀格局的變化,卻忽略了與實(shí)體功能屬性密切相關(guān)的人類福祉因素,在區(qū)域范圍內(nèi)缺乏對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供求的風(fēng)險(xiǎn)評估的實(shí)踐和應(yīng)用,并且尚未形成統(tǒng)一的評估框架。流域是自然過程和人類活動相互作用強(qiáng)烈的地區(qū),有復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和服務(wù)類型,是研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需最佳地域單元[20—21]。筆者以伊河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域,采用矩陣法對1980年、2000年及2018年的生態(tài)系統(tǒng)服供需空間制圖,利用構(gòu)建的生態(tài)系系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)評估框架對伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行時空演變分析。研究結(jié)果可為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)研究與管理提供決策支持,為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展及土地合理利用規(guī)劃作出貢獻(xiàn)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域

伊河是黃河南岸支流洛河的支流之一,地理坐標(biāo)為N 33°39′—34°41′、E 111°19′—112°54′(圖1),全長264.88 km,流域面積約為6100 km2,源于熊耳山南麓的欒川縣陶灣鎮(zhèn),流經(jīng)嵩縣、伊川,蜿蜒于熊耳山南麓,伏牛山北麓,穿伊闕而入洛陽,東北至偃師注入洛河。從上游至下游構(gòu)成了獨(dú)特的“山地—丘陵—平原”景觀生態(tài)系統(tǒng),生態(tài)環(huán)境既具有復(fù)雜性,又具有脆弱性。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和河南省土地整治等工程的推進(jìn),流域內(nèi)土地利用類型也發(fā)生巨大變化,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系也發(fā)生著重大變化。從行政區(qū)劃來看,主要涉及偃師市、嵩縣、伊川縣和欒川縣,宜陽縣、汝陽縣、登封市和洛龍區(qū)部分也在研究區(qū)域內(nèi)。伊河流域在2018年總?cè)丝跀?shù)為241.4萬,國民生產(chǎn)總值1336.37億元。

圖1 研究區(qū)概況

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的數(shù)據(jù)主要包括流域的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)(行政區(qū)、水系等)、數(shù)字高程模型(DEM)、土地利用/覆被變化(LUCC)及社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。其中1980年、2000年和2018年土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心,分辨率30 m,經(jīng)野外選點(diǎn)驗(yàn)證整體精度在85%以上；DEM來源于地理空間數(shù)據(jù)云；社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)主要包含人口和經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù),通過統(tǒng)計(jì)年鑒和地方志獲取。

按照 “中國20世紀(jì)土地利用/土地覆被變化(LUCC)時空平臺”的LUCC分類系統(tǒng),土地利用類型分為6個一級類和22個二級類,比對Burkhard等使用的CORINE(歐盟環(huán)境協(xié)調(diào))土地分類法,結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)地類的歸并與調(diào)整,確定伊河流域的土地利用類型體系表(表1)。

表1 土地利用類型劃分體系[22]

1.3 研究方法

土地利用覆被/變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需制圖有著密不可分的關(guān)系,土地利用結(jié)構(gòu)的變化間接影響著人類福祉的變化。本文在借鑒生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的威脅分類框架和以往相關(guān)研究的成果基礎(chǔ)上[23—24],構(gòu)建了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)評估框架(圖2)?？蚣芤酝恋乩?覆被變化為基礎(chǔ),通過模型計(jì)算對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給與需求進(jìn)行制圖,分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的時空變化并探討土地利用結(jié)構(gòu)的變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求的影響；其次,結(jié)合供給動態(tài)趨勢、需求動態(tài)趨勢、供需比及供需趨勢比4個指標(biāo)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行分析并構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)分區(qū),進(jìn)一步提出不同風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的管理政策。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)評估框架

1.3.1基于LUCC的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)矩陣

土地利用/覆被變化被認(rèn)為是影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要因素之一[25],根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的供求關(guān)系,專家根據(jù)不同的LUCC類型將空間的生物物理景觀單位與生態(tài)完整性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供求聯(lián)系起來,揭示了不同社會生態(tài)系統(tǒng)在土地利用/覆被變化下提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的能力[26]。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)主要分為支持服務(wù)、供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)以及文化服務(wù)[27],而支持服務(wù)作為后3種服務(wù)的前提和基礎(chǔ),與人類福祉無直接聯(lián)系。為避免重復(fù)計(jì)算問題,因此本文中的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)矩陣僅考慮3種服務(wù)類型18項(xiàng)服務(wù),供給服務(wù)包括農(nóng)作物、飼料、木材等在內(nèi)的6項(xiàng)服務(wù),調(diào)節(jié)服務(wù)包括當(dāng)?shù)貧夂蛘{(diào)節(jié)、洪水防護(hù)、地下水供給等在內(nèi)的8項(xiàng)服務(wù),文化服務(wù)包括娛樂美學(xué)價值、休閑生態(tài)旅游和知識體系等在內(nèi)的4項(xiàng)服務(wù)。

隨后,根據(jù)研究區(qū)域LUCC特點(diǎn),構(gòu)建研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給矩陣及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求矩陣。參考Burkhard等[28—29]研究成果,矩陣得分為0—5分,相應(yīng)的土地利用類型分表示為:0=無相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給/需求,1=低水平的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給/需求,2=一般水平的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給/需求,3=中等水平的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給/需求,4=高水平的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給/需求,5=極高水平的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給/需求。為獲取伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需數(shù)據(jù),團(tuán)隊(duì)于2019年12月邀請生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)專家對伊河流域各土地利用類型的供需進(jìn)行打分,具體步驟如下:

(1)邀請受訪專家。專家組成員7名,包括洛陽市土地儲備整理中心管理干部2名,河南省國土資源調(diào)查規(guī)劃院從事土地整理評估工作的專家1名,河南大學(xué)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價的專家2名,河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)學(xué)專家1名、北京師范大學(xué)從事生態(tài)經(jīng)濟(jì)與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究的專家1名。

(2)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需得分值獲取。為避免理解誤差,對7位專家分別進(jìn)行面對面訪談,提前告知訪談目的、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求的定義、每種土地利用類型相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求能力的分值區(qū)間以及各分值所代表的含義。②向?qū)＜姨峁┮梁恿饔蛏鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求矩陣評分表,受訪專家對每種土地利用類型的不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需能力單獨(dú)評分。③將首輪打分結(jié)果進(jìn)行算術(shù)平均和四舍五入算總整數(shù)處理,反饋給專家組進(jìn)行修正,經(jīng)過專家組的討論取得一致意見,最終確定了伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求能力值,獲得伊河流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給矩陣(表2)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求矩陣(表3)。

表2 伊河流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給矩陣

表3 伊河流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求矩陣

1.3.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求趨勢

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求趨勢是通過不同年份的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量或需求量的差值計(jì)算的。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給/需求趨勢可以表達(dá)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給/需求的絕對變化,如果差值大于0,則表明該時期內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給/需求關(guān)系呈上升趨勢；如果差值為0,則意味著在此期間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給/需求保持不變；如果差值小于0,則表明該時期內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給/需求呈下降趨勢。計(jì)算公式如下:

St=Sm-Sn

(1)

Dt=Dm-Dn

(2)

式中,St和Dt分別為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需不同年份間的供給量差值和需求量差值,Sm和Sn分別為m年和n年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量,Dm和Dn分別為m年和n年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量。

1.3.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比與供需比趨勢

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求的比值(即供需比)可以表達(dá)一定時空內(nèi)供需的空間匹配[30—31],而供需比的變化可以反映出一定時空內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相對變化。若供需比大于等于1,則生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能滿足需求；若供需比在0到1之間,則意味著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)不能滿足需求；若比值小于0,則說明該區(qū)域不提供服務(wù)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比趨勢是根據(jù)兩個不同年份的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比的差值來計(jì)算,如果供需比趨勢大于0,則說明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比在該時間段內(nèi)呈上升趨勢；如果供需比趨勢等于0,則說明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比在該時間段內(nèi)保持不變；如果供需比趨勢小于0,則說明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比在該時間段內(nèi)呈下降趨勢。

(3)

Rt=Rm-Rn

(4)

式中,R為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量與需求量的比值,Rt供需比的差值,Rm和Rn分別為第m年和第n年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需比。

1.3.4生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)等級劃分

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給動態(tài)趨勢、需求動態(tài)趨勢、供需比及供需比趨勢4個指標(biāo)構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系并劃分生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)等級。借鑒Maron等[17,24,32]分類標(biāo)準(zhǔn),為空間制圖需要,將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)劃分7個等級(表4)。高風(fēng)險(xiǎn)等級代碼為Ⅰ-Ⅴ,低風(fēng)險(xiǎn)等級代碼為Ⅵ、Ⅶ。

表4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)等級

2 結(jié)果與分析

2.1 伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需時空演變特征

2.1.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給時空演變特征

1980—2018年伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的空間格局基本穩(wěn)定,區(qū)域總體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給呈現(xiàn)出西南高東北低的狀態(tài),上游的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給水平較高(圖3)?？傮w來看,伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給呈下降趨勢,2018年相較于1980年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給水平降低了0.87%,其中2000年相較于1980年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給水平降低了0.29%,2018年相較于2000年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給水平降低了0.58%,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給水平緩慢下降。

圖3 1980—2018年伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給水平空間分布

分區(qū)域來看,上中下游的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給差異十分顯著,1980—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給水平依次為上游>中游>下游,上游與下游的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給水平呈下降趨勢,中游生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給在2018年有所增加,出現(xiàn)先下降后上升的變化,但減少量大于增加量,整體依舊處于下降趨勢。1980—2018年的生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)的供給水平為東北高西南低,供給服務(wù)總量最高的地區(qū)為上游,下游單位面積供給服務(wù)水平最高,供給服務(wù)潛力較大。1980—2018年的調(diào)節(jié)服務(wù)供給水平空間格局整體為西南高東北低的狀態(tài),調(diào)節(jié)服務(wù)供給水平為上游>中游>下游。伊河流域生態(tài)系統(tǒng)文化服務(wù)供給水平整體空間分布較為均衡,1980—2018年間,中下游的變化較上游略微明顯,上游的文化服務(wù)供給水平在2000年有所增加,但1980—2018年上中下游整體均為下降趨勢。

2.1.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求時空演變特征

1980—2018年伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的空間格局基本穩(wěn)定,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求服務(wù)高的空間分布較散且分布在下游地區(qū)居多,需求服務(wù)較低的集中在上游地區(qū)(圖4)。總體來看,伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求呈上升趨勢,2018年伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求總量較1980年增長了6.83%,較2000年增長了4.55%。

圖4 1980—2018年伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求水平空間分布

伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求的空間差異也較為明顯,1980—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量從大到小依次為下、中、上游。上游的南部區(qū)域、中游的中部區(qū)域和下游的北部區(qū)域在空間上有明顯的增加趨勢。1980—2018年的供給服務(wù)需求量分布為東北高于西南地區(qū),下游對供給服務(wù)需求量最大,其次是中游地區(qū),上游地區(qū)最小但是上游的變化量最大,1980—2018年上游地區(qū)對供給服務(wù)需求量增長了18.81%。1980—2018年的調(diào)節(jié)服務(wù)需求量低值主要集中在上游地區(qū),高值區(qū)零散分布且上游分布較多,1980—2018年間調(diào)節(jié)服務(wù)的需求為上升趨勢,且上中下游地區(qū)對調(diào)節(jié)服務(wù)需求量分別增長了8.03%、3.00%和1.80%。1980—2018年的生態(tài)系統(tǒng)文化服務(wù)需求量以低值為主,低值廣泛分布,高值集中在下游地區(qū)。1980—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)文化服務(wù)需求量均為下游>中游>上游,其中,下游對文化服務(wù)需求量在不同年份的占比分別為58.76%、58.66%和58.14%,下游的文化服務(wù)需求量在不同年份的占比有下降趨勢,也反映了上中游地區(qū)文化服務(wù)需求量在研究期內(nèi)有所增加。

2.2 伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配分析

從伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比來看(圖5),2018年伊河流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給不足的區(qū)域占全流域總面積的比值相較于1980年增加了2.04%,較2000年增加了1.51%。整體來看,供需比變化較為穩(wěn)定,從西南向東北方向供需比逐漸降低。分區(qū)域來看,供給不足的區(qū)域多在下游地區(qū)分布,上游地區(qū)一直保持較高的供需比,供給遠(yuǎn)大于需求,中游大部分地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給基本能夠滿足需求。1980—2018年供給服務(wù)的供需比整體來看上游地區(qū)高于中下游地區(qū),供給不足的區(qū)域主要集中在下游地區(qū)。上中下游供給服務(wù)供給不足區(qū)域逐漸增加,2018年供給不足的區(qū)域占全流域總面積的比值相較于1980年增加了2.13%,較2000年增加了1.59%。1980—2018年調(diào)節(jié)服務(wù)的供需比高值區(qū)集中在上游地區(qū),但是上游的供給不足區(qū)域近20年有所擴(kuò)大,下游供給不足集中區(qū)有所轉(zhuǎn)移,2018年調(diào)節(jié)服務(wù)供給不足的區(qū)域占全流域總面積的比值相較于1980年增加了0.45%,較2000年增加了0.19%。1980—2018年文化服務(wù)的供需比空間分布整體較為均衡,下游供給不足區(qū)域擴(kuò)大明顯,2018年文化服務(wù)供給不足的區(qū)域占全流域總面積的比值相較于1980年增加了2.04%,較2000年增加了1.51%。

圖5 1980—2018年伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比空間分布

從伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比變化趨勢來看(圖6),1980—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比減小的區(qū)域占全流域總面積的比重為4.71%。與1980—2000年相比,2000—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比減小的區(qū)域上升1.59%,達(dá)到3.27%。總體來說,研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比趨勢有所改善,1980—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比差值穩(wěn)定或增加的區(qū)域占全流域總面積的比值95%以上,供需比差值減少的區(qū)域占比較少且主要分布在下游。1980—2018年供給服務(wù)供需比差值減少的區(qū)域占全流域總面積的比重為4.20%,與1980—2000年相比,2000—2018年供給服務(wù)供需比差值減小的區(qū)域上升1.16%達(dá)到2.80%,總體來說,全域供給服務(wù)供需比不同時間段幾乎處于較高水平且供需比高值區(qū)域也在增加。1980—2018年調(diào)節(jié)服務(wù)供需比減少的區(qū)域占全流域總面積的比重為4.72%,2000—2018年調(diào)節(jié)服務(wù)供需比減小的區(qū)域相較于1980—2000年的1.68%增加了1.59%,1980—2000年調(diào)節(jié)服務(wù)供需比減少的區(qū)域多集中在中游地區(qū)而2000—2018年調(diào)節(jié)服務(wù)供需比減少的區(qū)域在主要分布在上游和下游地區(qū)。1980—2018年文化服務(wù)供需比減少的區(qū)域占全流域總面積的比重為4.05%,2000—2018年文化服務(wù)供需比減小的區(qū)域相較于1980—2000年的1.48%增加了1.32%,從空間分布來看,1980—2000年文化服務(wù)供需比減少區(qū)域在中游地區(qū)較為集中,2000—2018年文化服務(wù)供需比減少區(qū)域在上游和下游地區(qū)較為顯著。

圖6 1980—2018年伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比趨勢空間分布

2.3 伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)分析

1980—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)等級主要以Ⅰ、Ⅵ和Ⅶ級為主(圖7),高風(fēng)險(xiǎn)(Ⅰ—Ⅴ)區(qū)域占全域總面積的比例較低,為3.57%,集中在下游和中游,主要是供給不足所致,分布較散。低風(fēng)險(xiǎn)等級(Ⅵ和Ⅶ)的區(qū)域占全域總面積的96.43%,分布廣泛,此等級區(qū)域內(nèi)供給水平大于需求水平,流域內(nèi)大部分地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給都能滿足人類需求。分時段來看,高風(fēng)險(xiǎn)等級由1980—2000年的3.57%增加到2000—2018年的4.10%,高風(fēng)險(xiǎn)等級面積在時間段內(nèi)出現(xiàn)增加的趨勢,伊河流域近20年面臨的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)相比以往有所升高。

圖7 1980—2018年伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)等級空間分布

對伊河流域不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的風(fēng)險(xiǎn)等級進(jìn)行劃分,1980—2018年供給、調(diào)節(jié)和文化服務(wù)的高風(fēng)險(xiǎn)等級占比分別為3.99%、5.18%和3.57%。2000—2018年的供給、調(diào)節(jié)和文化服務(wù)高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)占比均高于1980—2000年,其中下游北部地區(qū)高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)變化較為明顯。低風(fēng)險(xiǎn)等級中,3種服務(wù)類型的Ⅶ等級占比最大,雖1980—2000年和1980—2018年內(nèi)低風(fēng)險(xiǎn)等級占比大致接近,但低風(fēng)險(xiǎn)等級中Ⅵ和Ⅶ級差別較為明顯。1980—2000年、2000—2018年和1980—2018年3個時間段,供給服務(wù)Ⅶ級占比分別為94.36%、92.67%和91.82%,Ⅵ級分別為5.64%、7.33%和8.18%；調(diào)節(jié)服務(wù)Ⅶ級占比分別為93.18%、91.50%和90.39%,Ⅵ級分別6.82%、8.50%和9.61%；文化服務(wù)Ⅶ級占比分別為94.95%、93.11%和92.37%,Ⅵ級分別為5.05%、6.89%和7.63%。低風(fēng)險(xiǎn)中各項(xiàng)服務(wù)Ⅶ級占比緩慢減少,Ⅵ級逐漸增加,即脆弱區(qū)不斷增加,安全區(qū)不斷減少。

考慮到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有流動性,為了更加清晰地表達(dá)出伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)狀況,本研究以子流域?yàn)閱卧?分析各個子流域內(nèi)高風(fēng)險(xiǎn)等級面積占比情況,來分析各個子流域的空間風(fēng)險(xiǎn)狀況(圖8)。1980—2000年供給服務(wù)子流域供需高風(fēng)險(xiǎn)占比達(dá)10%以上有7號及26號子流域,2000—2018年,除了7號和26號子流域,3號和4號子流域的風(fēng)險(xiǎn)程度上升也高于10%,此外,5、9、13、15及24號子流域供需高風(fēng)險(xiǎn)占比較上一階段進(jìn)一步的擴(kuò)大。1980—2000年調(diào)節(jié)服務(wù)子流域高風(fēng)險(xiǎn)等級占比高于10%也為7號和26號,同時26號子流域的調(diào)節(jié)服務(wù)供需高風(fēng)險(xiǎn)占比高達(dá)33.77%,是全流域中調(diào)節(jié)服務(wù)供需最不匹配地區(qū)；2000—2018年調(diào)節(jié)服務(wù)子流域高風(fēng)險(xiǎn)等級占比高于10%為3、4、7及26號,9、13及15號子流域供需高風(fēng)險(xiǎn)占比較上一時段有所擴(kuò)大。1980—2000年文化服務(wù)子流域供需高風(fēng)險(xiǎn)占比高于10%為7和26號,2000—2018年3、4、9、13、15及24號子流域供需高風(fēng)險(xiǎn)占比較上一時段有所擴(kuò)大。1980—2018年間7號及26號子流域各類服務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)等級相對本流域而言處于較高的風(fēng)險(xiǎn)程度,近20年伊河各個子流域面臨的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)相比以往有所升高且集中在下游。高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)有著明顯特征,供給量不足,需求量又較大,供需比較小導(dǎo)致子流域地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)程度偏高。

圖8 1980—2018年伊河流域子流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需高風(fēng)險(xiǎn)占比情況空間分布

3 討論

3.1 研究方法的優(yōu)勢與局限性

基于LUCC矩陣法是利用專家知識來表征各種土地利用類型中生態(tài)服務(wù)的供求關(guān)系的結(jié)果,它已成功應(yīng)用于許多國家和地區(qū)的研究。它可以快速獲取各種數(shù)據(jù),且適用性強(qiáng),可適用于不同尺度、數(shù)據(jù)貧乏和復(fù)雜性強(qiáng)的區(qū)域[33],應(yīng)用中可以根據(jù)研究區(qū)域情況調(diào)整生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需得分。矩陣法雖是一種半定量的方法,但與其他方法相比可以更全面的評價生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需情況,選取的評價指標(biāo)多其結(jié)果也更準(zhǔn)確。矩陣法是一種無量綱的評價,可以避免數(shù)據(jù)單位的整合問題,較為方便的在空間上評估伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需狀況,并對時間維度的動態(tài)變化趨勢進(jìn)行研究[34—36]。

雖然通過矩陣法分析了區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需時空的變化特征,但仍有著一定的局限性和不確定性。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需矩陣是基于研究區(qū)域的特征和土地利用狀況確定的,但其得到的分值不可避免的受限于專家的主觀能動性[37—38]。此外,需求矩陣中相同土地利用類型的分值相同,但人口密度不均衡,會導(dǎo)致其結(jié)果不夠精確的表達(dá)。由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)矩陣受受訪專家的經(jīng)驗(yàn),知識和態(tài)度的影響,因此評估的過程中通過迭代來提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。在本研究中,選擇了具有不同專業(yè)背景的專家并進(jìn)行面對面受訪,避免了個人的主觀性評價,降低了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價矩陣的偏好不確定性。為了提高準(zhǔn)確性,剔除異常值,多次迭代取得統(tǒng)一意見,降低誤差使評價結(jié)果更為科學(xué)性。在研究尺度上,對流域尺度本文使用30 m分辨率的柵格,使研究區(qū)內(nèi)的變化能夠更準(zhǔn)確的反映出來。矩陣法雖不能將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需狀況完整的表達(dá),但能將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系的變化趨勢完全的展現(xiàn)出來,為緩解伊河流域的生態(tài)系統(tǒng)供需矛盾提供一定的科學(xué)依據(jù)。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)影響因素

流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)之間相對較特殊的經(jīng)濟(jì)區(qū)域系統(tǒng),使流域成為具有強(qiáng)大完整性和高度空間異質(zhì)性的生態(tài)單元,它也已成為不可替代的區(qū)域和國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局。伊河流域作為黃河流域的支流,對流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)研究并分析供需風(fēng)險(xiǎn)影響因素對生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)管理、對黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展實(shí)現(xiàn)有著重大意義。影響伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)因素主要有包含自然和社會經(jīng)濟(jì)因素兩個方面,自然因素影響是流域本身特性,流域的供給和需求具有明顯的時空異質(zhì)性,不同時間與地理區(qū)位間的提供的服務(wù)種類和服務(wù)總量差異導(dǎo)致流域面臨的供需風(fēng)險(xiǎn)具有顯著時間與空間效應(yīng)。上游本底生態(tài)資源良好,在氣候調(diào)節(jié)、水質(zhì)凈化與水土保持等方面發(fā)揮著重要作用,供給水平高。下游地勢較為平坦,人口密度大,對供給、調(diào)節(jié)、文化等多重服務(wù)的需求程度高。此外,流域水資源主導(dǎo)性較強(qiáng),水資源是伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的流動和傳輸?shù)妮d體,不同空間區(qū)域的流動動態(tài)地耦合了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需,并將自然生態(tài)系統(tǒng)與人類社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)聯(lián)系起來,在資源差異條件下,受人類需求意愿的影響等消費(fèi)的不均衡導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需不匹配,加劇了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需風(fēng)險(xiǎn)狀況。不同時間節(jié)點(diǎn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)的差異主要受人類對資源的利用強(qiáng)度和利用方式的影響,包括制度和政策等經(jīng)濟(jì)活動。土地利用變化是影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)短期變化的主要驅(qū)動因素之一,土地利用的改變直接對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給水平有著直接的影響,此外,城市化進(jìn)程加快、人口逐漸增加和人類需求觀念的轉(zhuǎn)變又影響土地利用的變化從而間接對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生不可忽視的影響。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)評估的重要性和政策建議

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ),然而如何確定人類是否面臨生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)以及風(fēng)險(xiǎn)程度如何并存在怎樣的趨勢？對這些問題的回答可以對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)風(fēng)險(xiǎn)管理和相關(guān)政策制定提供有力的依據(jù)。一些概念模型被創(chuàng)建視圖集成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給方和需求方,例如生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的 EPPS(ecosystem properties, potentials, services and benefits)框架[39]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)傳遞鏈[40]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需綜合評估框架[41],這些概念模型的提出為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)研究提供了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)的評估,是將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系與供需風(fēng)險(xiǎn)聯(lián)系起來,從風(fēng)險(xiǎn)的角度劃分生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)面臨的風(fēng)險(xiǎn)程度,為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的管理提供一個新的視角。近年來對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)風(fēng)險(xiǎn)的研究也獲得廣泛關(guān)注,一種是基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的風(fēng)險(xiǎn)評估,以供給量的減少程度作為風(fēng)險(xiǎn)劃分的依據(jù)。另一種是基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求關(guān)系的評估,強(qiáng)調(diào)供給與需求的匹配關(guān)系。前者過于簡單化,缺少對人類需求的思考,使得研究成果難以在實(shí)際管理中得到運(yùn)用,后者又由于需求的識別困難,缺乏實(shí)際的案例研究[23]。本文基于LUCC矩陣法,分析供給動態(tài)趨勢、需求動態(tài)趨勢、供需比及供需比趨勢4個指標(biāo),有利于分析時間序列變化狀況和區(qū)域?qū)ψ匀毁Y源的消耗情況并分析研究區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)時空演變特征。對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)的識別有利于對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需狀況有一個整體把握,將有限的資源合理投入到不同風(fēng)險(xiǎn)區(qū)等級區(qū)域中,促進(jìn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

伊河流域位于黃河流域中游南部,處于我國第二梯度向第三梯度的過渡帶,上游為山地森林資源豐富、中游黃土丘陵區(qū)資源種類較為豐富、下游為平原地區(qū)是糧食主產(chǎn)區(qū),研究區(qū)的空間異質(zhì)性強(qiáng),所以對伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)管控上需要根據(jù)不同區(qū)域采取不同措施。上游屬于核心重點(diǎn)保護(hù)區(qū),不需要太多的控制措施,但上游是流域重要的生態(tài)功能區(qū),要更加注重水資源與森林資源的保護(hù),上游的生境狀況對中下游的風(fēng)險(xiǎn)程度有著直接影響,中下游地區(qū)要注重在城市化進(jìn)程中,掌握供需動態(tài)變化趨勢,嚴(yán)格防止其退化。下游地區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度較其他地區(qū)較高,人口密度大,對水資源等需求程度高,因此,需要形成健全的節(jié)水政策法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系,提高全民節(jié)水意識,適時、適度地調(diào)整水價,提高水資源的重復(fù)率及生態(tài)效益率等。伊河流域面臨生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)風(fēng)險(xiǎn)等級較低時可采取自留風(fēng)險(xiǎn)的措施,并加強(qiáng)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)等級高的地區(qū)的關(guān)注,對資源的優(yōu)化配置有一定的效果。此外,建立多層次的流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)上下游補(bǔ)償機(jī)制,由政府主導(dǎo),鼓勵市場和公眾參與,以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為監(jiān)督主體,對造成外部經(jīng)濟(jì)影響的上游地區(qū)進(jìn)行合理補(bǔ)償,明確權(quán)利和責(zé)任均等的原則,使生態(tài)補(bǔ)償體系切實(shí)有效。在管理決策和政策設(shè)計(jì)中,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供求關(guān)系研究需更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),則需加強(qiáng)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供求關(guān)系的長期研究和觀察。

4 結(jié)論

研究根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需矩陣評估服務(wù)供需水平,分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的時空格局變化；選取供給動態(tài)趨勢、需求動態(tài)趨勢、供需比及供需比趨勢4個指標(biāo)構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)體系對1980—2018年伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估。結(jié)合專家知識的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需評價矩陣可以快速的評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)狀況,為流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理提供科學(xué)支撐。研究結(jié)果表明:

(1)從空間上看,生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)供給水平較高的區(qū)域集中在流域上游,供給服務(wù)供給水平較高的區(qū)域集中在中下游,流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中下游的需求量遠(yuǎn)大于上游地區(qū)的需求量；從時間上看,1980—2018年伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求水平持續(xù)增加,供給水平持續(xù)降低。

(2)1980—2018年流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占比為96.43%,高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占比為3.57%,高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中在下游和中游；分時段來看,高風(fēng)險(xiǎn)等級由1980—2000年的3.57%增加到2000—2018年的4.10%,而低風(fēng)險(xiǎn)等級面積比重減少了0.52%,伊河流域近20年面臨的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)相比以往有所升高。

(3)對1980—2018年伊河流域26個子流域中的風(fēng)險(xiǎn)程度分析發(fā)現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)等級面積占該子流域面積的10%以上的流域有2個,7號及26號子流域風(fēng)險(xiǎn)等級相對本流域而言處于較高的風(fēng)險(xiǎn)程度,占比在5%—10%之間有7個,2000—2018年相較于上一時段高風(fēng)險(xiǎn)面積占比10%以上子流域增加2個,總體上看,近20年伊河各個子流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需風(fēng)險(xiǎn)程度也有所上升。