孟慶香,張莉坤,位賀杰,*,蔡恩香,董孝斌

1 河南農業(yè)大學資源與環(huán)境學院, 鄭州 450002 2 北京師范大學地理科學學部, 北京 100875

生態(tài)系統(tǒng)服務是指由自然生態(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[6]。長期以來,由于人們對生態(tài)系統(tǒng)服務的重要性缺乏認識,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)結構和格局的改變,人類活動直接影響生態(tài)系統(tǒng)服務變化[8—9],是生態(tài)系統(tǒng)服務變化的重要驅動力[10—12]。但其實質是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務供需關系的空間差異或失衡[13—14]。因此,對生態(tài)系統(tǒng)服務供需關系測度及供需風險的識別就尤為重要,是對自然資源有效配置和生態(tài)系統(tǒng)服務管理的一項重要工作,可以緩解區(qū)域生態(tài)危機、建設美麗家園、實現永續(xù)發(fā)展提供強有力的科學支撐。

生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險評價是將生態(tài)系統(tǒng)服務的供給與需求關聯(lián)起來,將生態(tài)系統(tǒng)的變化限制在生態(tài)閾值之內,建立起的生態(tài)風險預警系統(tǒng)。其關注點主要是對生態(tài)系統(tǒng)服務變化、生態(tài)問題和生態(tài)風險之間的內在聯(lián)系,有助于設計有效的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)管理方法。生態(tài)系統(tǒng)的供需風險是自然生態(tài)系統(tǒng)與人類社會系統(tǒng)相結合的產物。隨著生態(tài)系統(tǒng)服務的研究逐漸成為熱點,生態(tài)系統(tǒng)服務供需關系的制圖和量化已經取得了很大的進展,并且一些研究嘗試在生態(tài)系統(tǒng)服務上對風險進行研究,基于生態(tài)系統(tǒng)服務的風險分析受到眾多學者的關注。Galic等[15]應用生態(tài)系統(tǒng)服務概念解決生態(tài)風險分析,不僅描述了生態(tài)系統(tǒng)的內部機制,而且還涉及諸如人類福祉之類的外部驅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)服務供給風險和利益之間的概念框架。Maron等[17]結合了關于生態(tài)系統(tǒng)服務供求狀況和趨勢變化,提出了評估特定生態(tài)系統(tǒng)服務供應受到威脅程度的概念框架。Li等[18]等構建了一個產水生態(tài)系統(tǒng)服務流模型,利用水資源安全指數對京津冀地區(qū)產水服務供需風險進行分析。Dong等[19]基于生態(tài)系統(tǒng)服務功能的形成、變化、風險和管理,建立了生態(tài)系統(tǒng)服務功能風險評估框架,并在長江流域上游甘孜地區(qū)進行了生態(tài)系統(tǒng)服務功能區(qū)域生態(tài)預警試驗。但從文獻檢索來看,關于生態(tài)系統(tǒng)服務供求風險的理論討論很多,且研究主要以服務供給為度量指標,區(qū)域規(guī)模的生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險評價研究和應用仍有待進一步發(fā)展。

盡管國內外對生態(tài)系統(tǒng)服務和生態(tài)風險做過大量的研究和工作,然而,傳統(tǒng)的生態(tài)風險評估主要基于生態(tài)實體的特征,如區(qū)域景觀格局的變化,卻忽略了與實體功能屬性密切相關的人類福祉因素,在區(qū)域范圍內缺乏對生態(tài)系統(tǒng)服務供求的風險評估的實踐和應用,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烈的地區(qū),有復雜的生態(tài)系統(tǒng)結構和服務類型,是研究生態(tài)系統(tǒng)服務供需最佳地域單元[20—21]。筆者以伊河流域為研究區(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,利用構建的生態(tài)系系統(tǒng)服務供需風險評估框架對伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務風險進行時空演變分析。研究結果可為生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險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。

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。從上游至下游構成了獨特的“山地—丘陵—平原”景觀生態(tài)系統(tǒng),生態(tài)環(huán)境既具有復雜性,又具有脆弱性。隨著經濟的發(fā)展和河南省土地整治等工程的推進,流域內土地利用類型也發(fā)生巨大變化,生態(tài)系統(tǒng)服務供需關系也發(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。伊河流域在2018年總人口數為241.4萬,國民生產總值1336.37億元。

圖1 研究區(qū)概況

1.2 數據來源

本研究使用的數據主要包括流域的基礎地理數據(行政區(qū)、水系等)、數字高程模型(DEM)、土地利用/覆被變化(LUCC)及社會經濟統(tǒng)計數據等。其中1980年、2000年和2018年土地利用數據來源于中國科學院資源環(huán)境數據中心,分辨率30 m,經野外選點驗證整體精度在85%以上；DEM來源于地理空間數據云；社會經濟數據主要包含人口和經濟數據,通過統(tǒng)計年鑒和地方志獲取。

按照 “中國20世紀土地利用/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)土地分類法,結合區(qū)域特點進行相應地類的歸并與調整,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)服務供需制圖有著密不可分的關系,土地利用結構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)服務的威脅分類框架和以往相關研究的成果基礎上[23—24],構建了生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險評估框架(圖2)?？蚣芤酝恋乩?覆被變化為基礎,通過模型計算對生態(tài)系統(tǒng)服務的供給與需求進行制圖,分析生態(tài)系統(tǒng)服務供需的時空變化并探討土地利用結構的變化對生態(tài)系統(tǒng)服務供給與需求的影響；其次,結合供給動態(tài)趨勢、需求動態(tài)趨勢、供需比及供需趨勢比4個指標對生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險程度進行分析并構建風險分區(qū),進一步提出不同風險區(qū)的管理政策。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險評估框架

1.3.1基于LUCC的生態(tài)系統(tǒng)服務矩陣

土地利用/覆被變化被認為是影響生態(tài)系統(tǒng)服務的重要因素之一[25],根據生態(tài)系統(tǒng)的供求關系,專家根據不同的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)服務的能力[26]。

生態(tài)系統(tǒng)服務主要分為支持服務、供給服務、調節(jié)服務以及文化服務[27],而支持服務作為后3種服務的前提和基礎,與人類福祉無直接聯(lián)系。為避免重復計算問題,因此本文中的生態(tài)系統(tǒng)服務矩陣僅考慮3種服務類型18項服務,供給服務包括農作物、飼料、木材等在內的6項服務,調節(jié)服務包括當地氣候調節(jié)、洪水防護、地下水供給等在內的8項服務,文化服務包括娛樂美學價值、休閑生態(tài)旅游和知識體系等在內的4項服務。

隨后,根據研究區(qū)域LUCC特點,構建研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務供給矩陣及生態(tài)系統(tǒng)服務需求矩陣。參考Burkhard等[28—29]研究成果,矩陣得分為0—5分,相應的土地利用類型分表示為:0=無相關生態(tài)系統(tǒng)服務供給/需求,1=低水平的生態(tài)系統(tǒng)服務供給/需求,2=一般水平的生態(tài)系統(tǒng)服務供給/需求,3=中等水平的生態(tài)系統(tǒng)服務供給/需求,4=高水平的生態(tài)系統(tǒng)服務供給/需求,5=極高水平的生態(tài)系統(tǒng)服務供給/需求。為獲取伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務供需數據,團隊于2019年12月邀請生態(tài)學領域的相關專家對伊河流域各土地利用類型的供需進行打分,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,河南省國土資源調查規(guī)劃院從事土地整理評估工作的專家1名,河南大學區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務評價的專家2名,河南農業(yè)大學生態(tài)學專家1名、北京師范大學從事生態(tài)經濟與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究的專家1名。

(2)生態(tài)系統(tǒng)服務供需得分值獲取。為避免理解誤差,對7位專家分別進行面對面訪談,提前告知訪談目的、生態(tài)系統(tǒng)服務供給和需求的定義、每種土地利用類型相關生態(tài)系統(tǒng)服務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向專家提供伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務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)服務供需能力單獨評分。③將首輪打分結果進行算術平均和四舍五入算總整數處理,反饋給專家組進行修正,經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)服務供給和需求能力值,獲得伊河流域的生態(tài)系統(tǒng)服務供給矩陣(表2)和生態(tài)系統(tǒng)服務需求矩陣(表3)。

表2 伊河流域的生態(tài)系統(tǒng)服務供給矩陣

表3 伊河流域的生態(tài)系統(tǒng)服務需求矩陣

1.3.2生態(tài)系統(tǒng)服務供給與需求趨勢

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

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)服務供給量,Dm和Dn分別為m年和n年生態(tài)系統(tǒng)服務需求量。

1.3.3生態(tài)系統(tǒng)服務供需比與供需比趨勢

生態(tài)系統(tǒng)服務供給與需求的比值(即供需比)可以表達一定時空內供需的空間匹配[30—31],而供需比的變化可以反映出一定時空內的生態(tài)系統(tǒng)服務的相對變化。若供需比大于等于1,則生態(tài)系統(tǒng)服務供給能滿足需求；若供需比在0到1之間,則意味著生態(tài)系統(tǒng)服務供應不能滿足需求；若比值小于0,則說明該區(qū)域不提供服務。生態(tài)系統(tǒng)服務供需比趨勢是根據兩個不同年份的生態(tài)系統(tǒng)服務供需比的差值來計算,如果供需比趨勢大于0,則說明生態(tài)系統(tǒng)服務供需比在該時間段內呈上升趨勢；如果供需比趨勢等于0,則說明生態(tài)系統(tǒng)服務供需比在該時間段內保持不變；如果供需比趨勢小于0,則說明生態(tài)系統(tǒng)服務供需比在該時間段內呈下降趨勢。

(3)

Rt=Rm-Rn

(4)

式中,R為生態(tài)系統(tǒng)服務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)服務的供需比。

1.3.4生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險等級劃分

根據生態(tài)系統(tǒng)服務供給動態(tài)趨勢、需求動態(tài)趨勢、供需比及供需比趨勢4個指標構建生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險指標體系并劃分生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險等級。借鑒Maron等[17,24,32]分類標準,為空間制圖需要,將生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險劃分7個等級(表4)。高風險等級代碼為Ⅰ-Ⅴ,低風險等級代碼為Ⅵ、Ⅶ。

表4 生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險等級

2 結果與分析

2.1 伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務供需時空演變特征

2.1.1生態(tài)系統(tǒng)服務供給時空演變特征

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

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)服務供給差異十分顯著,1980—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務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)服務供給水平呈下降趨勢,中游生態(tài)系統(tǒng)服務供給在2018年有所增加,出現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)供給服務的供給水平為東北高西南低,供給服務總量最高的地區(qū)為上游,下游單位面積供給服務水平最高,供給服務潛力較大。1980—2018年的調節(jié)服務供給水平空間格局整體為西南高東北低的狀態(tài),調節(jié)服務供給水平為上游>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)服務需求時空演變特征

1980—2018年伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務供給的空間格局基本穩(wěn)定,生態(tài)系統(tǒng)服務需求服務高的空間分布較散且分布在下游地區(qū)居多,需求服務較低的集中在上游地區(qū)(圖4)?？傮w來看,伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務需求呈上升趨勢,2018年伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務需求總量較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)服務需求水平空間分布

伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務需求的空間差異也較為明顯,1980—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務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年的供給服務需求量分布為東北高于西南地區(qū),下游對供給服務需求量最大,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)對供給服務需求量增長了18.81%。1980—2018年的調節(jié)服務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年間調節(jié)服務的需求為上升趨勢,且上中下游地區(qū)對調節(jié)服務需求量分別增長了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)服務文化服務需求量均為下游>中游>上游,其中,下游對文化服務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)文化服務需求量在研究期內有所增加。

2.2 伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務供需匹配分析

從伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務供需比來看(圖5),2018年伊河流域的生態(tài)系統(tǒng)服務供給不足的區(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,供給遠大于需求,中游大部分地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務供給基本能夠滿足需求。1980—2018年供給服務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年調節(jié)服務的供需比高值區(qū)集中在上游地區(qū),但是上游的供給不足區(qū)域近20年有所擴大,下游供給不足集中區(qū)有所轉移,2018年調節(jié)服務供給不足的區(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年文化服務的供需比空間分布整體較為均衡,下游供給不足區(qū)域擴大明顯,2018年文化服務供給不足的區(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)服務供需比空間分布

從伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務供需比變化趨勢來看(圖6),1980—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務供需比減小的區(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)服務供需比減小的區(qū)域上升1.59%,達到3.27%?？傮w來說,研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務供需比趨勢有所改善,1980—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務供需比差值穩(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年供給服務供需比差值減小的區(qū)域上升1.16%達到2.80%,總體來說,全域供給服務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年調節(jié)服務供需比減少的區(qū)域占全流域總面積的比重為4.72%,2000—2018年調節(jié)服務供需比減小的區(qū)域相較于1980—2000年的1.68%增加了1.59%,1980—2000年調節(jié)服務供需比減少的區(qū)域多集中在中游地區(qū)而2000—2018年調節(jié)服務供需比減少的區(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)服務供需比趨勢空間分布

2.3 伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險分析

1980—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險等級主要以Ⅰ、Ⅵ和Ⅶ級為主(圖7),高風險(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。低風險等級(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)域內供給水平大于需求水平,流域內大部分地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務供給都能滿足人類需求。分時段來看,高風險等級由1980—2000年的3.57%增加到2000—2018年的4.10%,高風險等級面積在時間段內出現增加的趨勢,伊河流域近20年面臨的生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險相比以往有所升高。

圖7 1980—2018年伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險等級空間分布

對伊河流域不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務供需的風險等級進行劃分,1980—2018年供給、調節(jié)和文化服務的高風險等級占比分別為3.99%、5.18%和3.57%。2000—2018年的供給、調節(jié)和文化服務高風險地區(qū)占比均高于1980—2000年,其中下游北部地區(qū)高風險地區(qū)變化較為明顯。低風險等級中,3種服務類型的Ⅶ等級占比最大,雖1980—2000年和1980—2018年內低風險等級占比大致接近,但低風險等級中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%；調節(jié)服務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%。低風險中各項服務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)服務具有流動性,為了更加清晰地表達出伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險狀況,本研究以子流域為單元,分析各個子流域內高風險等級面積占比情況,來分析各個子流域的空間風險狀況(圖8)。1980—2000年供給服務子流域供需高風險占比達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號子流域的風險程度上升也高于10%,此外,5、9、13、15及24號子流域供需高風險占比較上一階段進一步的擴大。1980—2000年調節(jié)服務子流域高風險等級占比高于10%也為7號和26號,同時26號子流域的調節(jié)服務供需高風險占比高達33.77%,是全流域中調節(jié)服務供需最不匹配地區(qū)；2000—2018年調節(jié)服務子流域高風險等級占比高于10%為3、4、7及26號,9、13及15號子流域供需高風險占比較上一時段有所擴大。1980—2000年文化服務子流域供需高風險占比高于10%為7和26號,2000—2018年3、4、9、13、15及24號子流域供需高風險占比較上一時段有所擴大。1980—2018年間7號及26號子流域各類服務的風險等級相對本流域而言處于較高的風險程度,近20年伊河各個子流域面臨的生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險相比以往有所升高且集中在下游。高風險地區(qū)有著明顯特征,供給量不足,需求量又較大,供需比較小導致子流域地區(qū)風險程度偏高。

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

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)服務的供求關系的結果,它已成功應用于許多國家和地區(qū)的研究。它可以快速獲取各種數據,且適用性強,可適用于不同尺度、數據貧乏和復雜性強的區(qū)域[33],應用中可以根據研究區(qū)域情況調整生態(tài)系統(tǒng)服務供需得分。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)服務供需情況,選取的評價指標多其結果也更準確。矩陣法是一種無量綱的評價,可以避免數據單位的整合問題,較為方便的在空間上評估伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務供需狀況,并對時間維度的動態(tài)變化趨勢進行研究[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,會導致其結果不夠精確的表達。由于生態(tài)系統(tǒng)服務矩陣受受訪專家的經驗,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果的準確性。在本研究中,選擇了具有不同專業(yè)背景的專家并進行面對面受訪,避免了個人的主觀性評價,降低了生態(tài)系統(tǒng)服務評價矩陣的偏好不確定性。為了提高準確性,剔除異常值,多次迭代取得統(tǒng)一意見,降低誤差使評價結果更為科學性。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)內的變化能夠更準確的反映出來。矩陣法雖不能將生態(tài)系統(tǒng)服務供需狀況完整的表達,但能將生態(tài)系統(tǒng)服務供需關系的變化趨勢完全的展現出來,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依據。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險影響因素

流域生態(tài)系統(tǒng)服務作為陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)之間相對較特殊的經濟區(qū)域系統(tǒng),使流域成為具有強大完整性和高度空間異質性的生態(tài)單元,它也已成為不可替代的區(qū)域和國家社會經濟發(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)服務供需風險研究并分析供需風險影響因素對生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)管理、對黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展實現有著重大意義。影響伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險因素主要有包含自然和社會經濟因素兩個方面,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性,不同時間與地理區(qū)位間的提供的服務種類和服務總量差異導致流域面臨的供需風險具有顯著時間與空間效應。上游本底生態(tài)資源良好,在氣候調節(jié)、水質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、調節(jié)、文化等多重服務的需求程度高。此外,流域水資源主導性較強,水資源是伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務的流動和傳輸的載體,不同空間區(qū)域的流動動態(tài)地耦合了生態(tài)系統(tǒng)服務供需,并將自然生態(tài)系統(tǒng)與人類社會經濟系統(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的不均衡導致生態(tài)系統(tǒng)服務供需不匹配,加劇了生態(tài)系統(tǒng)服務的供需風險狀況。不同時間節(jié)點生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險的差異主要受人類對資源的利用強度和利用方式的影響,包括制度和政策等經濟活動。土地利用變化是影響生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險短期變化的主要驅動因素之一,土地利用的改變直接對生態(tài)系統(tǒng)服務的供給水平有著直接的影響,此外,城市化進程加快、人口逐漸增加和人類需求觀念的轉變又影響土地利用的變化從而間接對生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險產生不可忽視的影響。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險評估的重要性和政策建議

生態(tài)系統(tǒng)服務是人類生存和發(fā)展的基礎,然而如何確定人類是否面臨生態(tài)系統(tǒng)服務的風險以及風險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)服務風險管理和相關政策制定提供有力的依據。一些概念模型被創(chuàng)建視圖集成生態(tài)系統(tǒng)服務的供給方和需求方,例如生態(tài)系統(tǒng)服務的 EPPS(ecosystem properties, potentials, services and benefits)框架[39]、生態(tài)系統(tǒng)服務傳遞鏈[40]、生態(tài)系統(tǒng)服務供需綜合評估框架[41],這些概念模型的提出為生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險研究提供了理論和實踐基礎。對生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險的評估,是將生態(tài)系統(tǒng)服務關系與供需風險聯(lián)系起來,從風險的角度劃分生態(tài)系統(tǒng)服務面臨的風險程度,為生態(tài)系統(tǒng)服務的管理提供一個新的視角。近年來對生態(tài)系統(tǒng)服務風險的研究也獲得廣泛關注,一種是基于生態(tài)系統(tǒng)服務供給的風險評估,以供給量的減少程度作為風險劃分的依據。另一種是基于生態(tài)系統(tǒng)服務供給與需求關系的評估,強調供給與需求的匹配關系。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際管理中得到運用,后者又由于需求的識別困難,缺乏實際的案例研究[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,有利于分析時間序列變化狀況和區(qū)域對自然資源的消耗情況并分析研究區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險時空演變特征。對生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險的識別有利于對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務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險區(qū)等級區(qū)域中,促進區(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)是糧食主產區(qū),研究區(qū)的空間異質性強,所以對伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險管控上需要根據不同區(qū)域采取不同措施。上游屬于核心重點保護區(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,上游的生境狀況對中下游的風險程度有著直接影響,中下游地區(qū)要注重在城市化進程中,掌握供需動態(tài)變化趨勢,嚴格防止其退化。下游地區(qū)的風險強度較其他地區(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)和標準體系,提高全民節(jié)水意識,適時、適度地調整水價,提高水資源的重復率及生態(tài)效益率等。伊河流域面臨生態(tài)系統(tǒng)服務風險等級較低時可采取自留風險的措施,并加強對生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險等級高的地區(qū)的關注,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)服務上下游補償機制,由政府主導,鼓勵市場和公眾參與,以生態(tài)系統(tǒng)服務為監(jiān)督主體,對造成外部經濟影響的上游地區(qū)進行合理補償,明確權利和責任均等的原則,使生態(tài)補償體系切實有效。在管理決策和政策設計中,對生態(tài)系統(tǒng)服務供求關系研究需更準確的數據,則需加強對生態(tài)系統(tǒng)服務供求關系的長期研究和觀察。

4 結論

研究根據生態(tài)系統(tǒng)服務供需矩陣評估服務供需水平,分析生態(tài)系統(tǒng)服務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個指標構建生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險體系對1980—2018年伊河流域生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險進行評估。結合專家知識的生態(tài)系統(tǒng)服務供需評價矩陣可以快速的評估生態(tài)系統(tǒng)服務供需風險狀況,為流域生態(tài)系統(tǒng)服務管理提供科學支撐。研究結果表明:

(1)從空間上看,生態(tài)系統(tǒng)調節(jié)服務供給水平較高的區(qū)域集中在流域上游,供給服務供給水平較高的區(qū)域集中在中下游,流域生態(tài)系統(tǒng)服務中下游的需求量遠大于上游地區(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)服務供需低風險區(qū)占比為96.43%,高風險區(qū)占比為3.57%,高風險區(qū)主要集中在下游和中游；分時段來看,高風險等級由1980—2000年的3.57%增加到2000—2018年的4.10%,而低風險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)服務供需風險相比以往有所升高。

(3)對1980—2018年伊河流域26個子流域中的風險程度分析發(fā)現高風險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號子流域風險等級相對本流域而言處于較高的風險程度,占比在5%—10%之間有7個,2000—2018年相較于上一時段高風險面積占比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)服務供需風險程度也有所上升。