張蓬濤,劉雙嘉,周 智,2,劉春敬,徐 磊,2,高 星

1 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)土資源學(xué)院, 保定 071001 2 河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 保定 071001 3 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 保定 071001 4 河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)公共管理學(xué)院, 石家莊 050061

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需是衡量區(qū)域生態(tài)環(huán)境健康程度的重要標(biāo)準(zhǔn)[1],生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給指生態(tài)系統(tǒng)能夠?yàn)槿祟惿鐣?huì)提供的各項(xiàng)服務(wù)[2- 3],需求是人類為了生存和發(fā)展從生態(tài)系統(tǒng)中獲取的服務(wù)[4]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需狀況能夠直接影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,森林、濕地等生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)域減少所導(dǎo)致的一系列生態(tài)問題,其實(shí)質(zhì)是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需空間錯(cuò)配所致,深刻影響著地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。因此,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需研究是優(yōu)化區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要基礎(chǔ),對(duì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[6]。

國(guó)外學(xué)者于20世紀(jì)90年代逐漸關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需領(lǐng)域的研究。由于城鎮(zhèn)化迅速推進(jìn),大量生態(tài)用地被侵占,引起全球性生態(tài)環(huán)境問題[7]。早期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需研究以生態(tài)承載力為主[8-9],其主要思想是人們從生態(tài)系統(tǒng)獲取的服務(wù)應(yīng)當(dāng)在生態(tài)系統(tǒng)能夠提供這些服務(wù)的承受范圍之內(nèi)[10]。21世紀(jì)以來,國(guó)外學(xué)者逐漸關(guān)注于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需概念的界定[11-12],并以此為基礎(chǔ),擴(kuò)展到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需量化[13-15]、不同時(shí)空跨度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配等研究[16-17]。國(guó)內(nèi)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需研究尚處于起步階段,較早涉及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的是森林資源市場(chǎng)化研究[18]。2010年以后,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需研究開始逐漸關(guān)注供需量化領(lǐng)域[19],之后國(guó)內(nèi)學(xué)者以此為基礎(chǔ),形成了省域[20]、市域[21]、城市群[22]等多尺度的研究成果；在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給指標(biāo)選取方面,形成了糧食供給、產(chǎn)水量、土壤保持、固碳釋氧等多種指標(biāo)選取模式[23-25]。在研究思路方面,逐漸擴(kuò)展到了權(quán)衡協(xié)同[26]、時(shí)空分析[27]、格局優(yōu)化[28]、土地整治空間分區(qū)等多個(gè)視角[29-30]。在模型運(yùn)用方面,國(guó)內(nèi)學(xué)者從多角度運(yùn)用SPANs模型[31]、 InVEST模型[32-33]等,豐富了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需研究方法。綜上所述,以往研究多采用計(jì)算生態(tài)價(jià)值當(dāng)量的方式來表征生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需,而利用模型定量測(cè)度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的研究較少；且目前針對(duì)京津冀地區(qū)單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究較多,涉及多項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的研究較為不足。因此,從定量角度測(cè)算多項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需特征,對(duì)豐富生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)研究具有重要意義。

京津冀地區(qū)擁有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和人口吸引能力,隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,城鎮(zhèn)化進(jìn)程逐步加快,人地矛盾逐漸突出,京津冀地區(qū)開始出現(xiàn)水資源污染、重污染天氣頻發(fā)等一系列生態(tài)環(huán)境問題,究其根本原因在于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需狀況嚴(yán)重失衡。本文以京津冀地區(qū)為例,選擇產(chǎn)水、碳固持、糧食生產(chǎn)三項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需狀況的空間分布特征,明晰各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需結(jié)構(gòu),揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需類型的變化趨勢(shì)。這不僅對(duì)維護(hù)京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性,促進(jìn)京津冀可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,還可以為該區(qū)域國(guó)土空間規(guī)劃編制和生態(tài)建設(shè)政策制定提供支撐。

1 研究區(qū)概括及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概括

京津冀地區(qū)涵蓋北京市、天津市和河北省,北部為燕山山脈,南部為華北平原,西部為太行山脈,東部臨渤海灣,京津冀地區(qū)地貌類型多樣,西部和北部地區(qū)多為山地、高原、盆地,東部和南部多為平原,整體地形呈現(xiàn)西北部高,東南部低的態(tài)勢(shì),總面積達(dá)到218000 km2,占全國(guó)總面積的2.27%。截至2015年底,京津冀地區(qū)常住人口超過1.1億人；2015年GDP總量達(dá)6.9萬億元,較2005年的2.1萬億元提高了2.3倍,區(qū)域經(jīng)濟(jì)水平增長(zhǎng)迅速；但高速的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)帶來了環(huán)境污染、生態(tài)承載力降低等一系列生態(tài)環(huán)境問題。2015年中央審議通過了《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》,明確了京津冀地區(qū)的發(fā)展方向,提出京津冀應(yīng)當(dāng)以疏解北京非首都功能為主要任務(wù),調(diào)整優(yōu)化京津冀地區(qū)城市布局和空間結(jié)構(gòu),擴(kuò)大環(huán)境容量。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究中,京津冀地區(qū)2005年與2015年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)以Land TM和Landsat- 8遙感數(shù)據(jù)為主要信息源,利用ENVI與ArcGIS軟件解譯所得,并根據(jù)研究需要將土地劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地和濕地7種類型,分辨率調(diào)整為100 m；2005年與2015年京津冀地區(qū)年平均降雨量數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)；潛在蒸騰數(shù)據(jù)來源于全球干旱與潛在蒸騰量數(shù)據(jù)庫(kù)(Global Aridity and PET Database),從全球潛在蒸散分布圖裁剪出京津冀地區(qū)數(shù)據(jù),并利用ArcGIS軟件中的重采樣工具將其分辨率調(diào)整為100 m；糧食生產(chǎn)量、人口數(shù)量來源于《北京統(tǒng)計(jì)年鑒》、《天津統(tǒng)計(jì)年鑒》、《河北經(jīng)濟(jì)年鑒》、《河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》；人均用水量來源于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)；人均碳排放量來源于《BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》。

2 研究方法

2.1 產(chǎn)水服務(wù)

產(chǎn)水服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)通過攔截降雨儲(chǔ)存淡水資源的能力[24,34]。本文采用InVEST模型中的產(chǎn)水模塊(Wateryield)量化京津冀地區(qū)的產(chǎn)水服務(wù)供給量；以研究區(qū)人均耗水量與人口密度的乘積作為產(chǎn)水服務(wù)的需求量。公式如下:

(1)

Dwy=Dwcpp×ρi

(2)

式中,Yi為柵格i上的年產(chǎn)水量(mm)；AETi為柵格i上的年蒸發(fā)量(mm)；Pi為柵格i上年降雨量(mm)。為了統(tǒng)一產(chǎn)水服務(wù)供給量與需求量的單位,將柵格面積與Yi相乘得到產(chǎn)水量體積,作為京津冀地區(qū)產(chǎn)水服務(wù)供給量(m3)；Dwy為柵格i上產(chǎn)水服務(wù)需求量(m3)；Dwcpp為人均耗水量,選用國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)公布的數(shù)據(jù),在2005年與2015年分別為426 m3/a與450 m3/a；ρi為人口密度(人/hm2)。

2.2 碳固持服務(wù)

生態(tài)系統(tǒng)的碳固持服務(wù)能夠利用樹木、土壤等固定大氣中的二氧化碳,有效緩解全球變暖趨勢(shì),深刻影響著地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況[31]。本文利用InVEST模型中的碳固持模塊(Carbon Storage)測(cè)度京津冀地區(qū)碳固持服務(wù)的供給量；以人均碳排放量和柵格人口密度的乘積作為碳固持服務(wù)的需求量。碳庫(kù)參數(shù)為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),參考InVEST模型推薦取值以及李屹峰等[35]、白楊等[36]的研究,確定不同地類的碳庫(kù)參數(shù)。公式如下:

Ctot=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(3)

Dcs=Dpcce×ρi

(4)

式中,Ctot為碳固持服務(wù)供給量(t/hm2)；Cabove為地上生物量的碳密度(t/hm2)；Cbelow地下生物量的碳密度(t/hm2)；Csoil為土壤中的碳密度(t/hm2)；Cdead為死亡有機(jī)物中的碳密度(t/hm2)；Dcs為碳固持服務(wù)需求量(t/hm2)；Dpcce為人均碳排放量,2005年與2015年分別為5.09 t/a和6.57 t/a；ρi為柵格人口密度(人/hm2)。

2.3 糧食服務(wù)

本文利用京津冀地區(qū)2005年與2015年糧食生產(chǎn)能力表征糧食服務(wù)供給。通過年鑒數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到171個(gè)縣區(qū)級(jí)行政區(qū)糧食產(chǎn)量,將各個(gè)縣區(qū)糧食產(chǎn)量與面積的比值作為糧食生產(chǎn)密度,最后利用ArcGIS軟件插值得到柵格格式的京津冀地區(qū)糧食服務(wù)供給量。糧食需求量則利用人均糧食需求量與人口密度的乘積得到,其中人均糧食需求量采用唐華俊等[37]的研究,以基本滿足中國(guó)人均糧食安全的需求量322.07 kg/a為本文的人均糧食需求量,公式如下:

Dfd=Dpcfd×ρi

(5)

式中,Dfd為糧食需求量(t/hm2)；Dpcfd為人均糧食需求量(t)；ρi為柵格人口密度(人/hm2)。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比

本文在參考相關(guān)研究的基礎(chǔ)上[4,24,26],通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比(ESDR)來刻畫京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需狀態(tài)。當(dāng)ESDRi>0時(shí),表示供給大于需求,即盈余狀態(tài),當(dāng)ESDRi=0時(shí),表示供給等于需求,即供需平衡狀態(tài),當(dāng)ESDRi<0時(shí),表示供給小于需求,即赤字狀態(tài)。

利用ArcGIS平臺(tái)逐柵格計(jì)算三項(xiàng)服務(wù)供需比的算術(shù)平均值,得到京津冀地區(qū)綜合生態(tài)供需比(CESD)。具體計(jì)算公式如下:

(6)

(7)

式中,ESDRi為柵格i上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比；Si為柵格i上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量；Di為柵格i上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量；CESDi為柵格i上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合供需比；β為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的類數(shù),n=1是為產(chǎn)水服務(wù),n=2時(shí)為碳固持服務(wù),n=3時(shí)為糧食生產(chǎn)服務(wù)。

本文參考相關(guān)文獻(xiàn)研究[22,24],將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比的值域范圍(-1,1)分為6個(gè)等級(jí),用以分級(jí)不同程度的供需水平,具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1:

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需狀況分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需特征

3.1.1產(chǎn)水服務(wù)

京津冀地區(qū)2015年的平均產(chǎn)水服務(wù)供給量相比2005年上升210.6 m3/hm2,增幅達(dá)到54.1%,主要原因?yàn)榫┙蚣街形鞑康貐^(qū)在2015年降雨更為豐沛,而2005年相比于2015年為干旱年份。此外,由于十年間經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,京津冀地區(qū)建設(shè)用地不斷擴(kuò)張,不透水地面規(guī)模的擴(kuò)大會(huì)導(dǎo)致雨水下滲的大量減少,所以容易形成以徑流形式為主的水源供給,從而2015年單位面積產(chǎn)水服務(wù)供給量相較2005年高[24,34]。從空間分布看,環(huán)渤海區(qū)域的唐山市和天津市分別為2005年與2015年產(chǎn)水服務(wù)供給量最高的地區(qū),而中西部地區(qū)的石家莊市、保定市、邢臺(tái)市等地的供給量則普遍較低。

在需求方面,2005年與2015年京津冀地區(qū)單位產(chǎn)水服務(wù)需求量分別為1826.83 m3/hm2與2343.12 m3/hm2,總體處于上升態(tài)勢(shì)。其中,北京市和天津市兩大核心城市擁有最高的單位需求量,且在2015年這兩個(gè)地區(qū)平均產(chǎn)水服務(wù)需求量相比2005年分別增加1959.99 m3/hm2和2518.57 m3/hm2,增幅達(dá)49.0%和74.4%。主要原因在于京津二市在此期間是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的高速階段,人口的吸引效應(yīng)不斷加強(qiáng),其中北京市2015年的人口數(shù)量達(dá)到2170萬,相比于2005年增加41.1%；而天津市在此期間的人口數(shù)量增幅達(dá)到65.1%,其中天津市重點(diǎn)發(fā)展的濱海新區(qū)2015年的人口數(shù)量是2005年的1.91倍。如此較大幅度的人口增長(zhǎng)直接導(dǎo)致了北京市和天津市平均產(chǎn)水服務(wù)需求量大幅度上升。而河北省地區(qū)的張家口市和承德市平均產(chǎn)水服務(wù)需求量在此期間雖有小幅上升,但總體保持較為平穩(wěn)的狀態(tài),且均處于較低水平。

從產(chǎn)水服務(wù)供需比變化情況能夠看出,京津冀地區(qū)產(chǎn)水服務(wù)赤字缺口較為嚴(yán)重,大部分區(qū)域以“低供給-高需求”的匹配模式為主,在2005年供需比為-0.65,2015年為-0.59。其中,2005年供需赤字區(qū)域占總面積的91.3%,2015年為88.9%,說明京津冀大部分地區(qū)的產(chǎn)水服務(wù)均處于供不應(yīng)求的狀態(tài),到2015年供需赤字情況略有好轉(zhuǎn),但仍是供需赤字占主導(dǎo)地位。而產(chǎn)水服務(wù)供需盈余區(qū)域主要集中于張家口、承德、秦皇島、唐山等河北省北部地區(qū),但范圍極為有限。這說明京津冀地區(qū)利用降雨補(bǔ)充淡水資源的能力較弱,所以需要全面推行節(jié)水措施,開發(fā)和推廣雨水高效利用模式來解決當(dāng)?shù)禺a(chǎn)水服務(wù)的赤字問題。各地區(qū)產(chǎn)水服務(wù)供需狀況及空間分布情況如表2,圖1所示。

表2 2005年和2015年京津冀各地區(qū)平均產(chǎn)水服務(wù)供需特征

圖1 2005年和2015年京津冀地區(qū)產(chǎn)水服務(wù)供需特征Fig.1 Characteristics of water yield supply and demand of Beijing-Tianjin-Hebei Region in 2005 and 2015

3.1.2碳固持服務(wù)

北京市和承德市是平均碳固持供給值最高的兩個(gè)地區(qū),這兩個(gè)地區(qū)在2005年與2015年的平均碳固持供給均在60 t/hm2以上,明顯高于京津冀地區(qū)其他城市,說明北京市和承德市擁有較高的碳固持供給能力,主要原因在于這兩個(gè)地區(qū)依托燕山與太行山山脈,擁有大范圍的生態(tài)涵養(yǎng)區(qū),能夠?yàn)檫@兩個(gè)地區(qū)提供較強(qiáng)的碳固持供給服務(wù),而生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)較少的天津市和滄州市,其碳固持服務(wù)供給量則較低。從時(shí)空分布上看,京津冀地區(qū)碳固持供給水平在2005年與2015年間變化不大,高值區(qū)域主要分布于北京西北部、承德市地區(qū)和秦皇島市東北部地區(qū),而華北平原地區(qū)則為普遍的較低值區(qū)。

在需求方面,北京市和天津市是平均碳固持需求量最高的兩個(gè)地區(qū),北京市在2005年和2015年的需求量分別為47.72 t/hm2和86.93 t/hm2,天津市分別為40.44 t/hm2和86.19 t/hm2,遠(yuǎn)高于其他城市。此外北京市和天津市的增加幅度也最大,其中北京市的增幅達(dá)到82.1%,而天津市2015年的平均需求量超過2005年的一倍,由此能夠看出北京市和天津市是京津冀地區(qū)主要的碳固持高需求量地區(qū)。而碳固持需求較低的地區(qū)為承德市與張家口市,這兩個(gè)地區(qū)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)面積較大,人口較為稀疏,屬于“高供給-低需求”的典型區(qū)域。從時(shí)空變化來看,各地區(qū)碳固持需求量均有不同程度的增加,主要原因在于經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展,石油、天然氣等燃料的使用量逐年增加,且人口數(shù)量較大幅度提高,導(dǎo)致碳固持服務(wù)需求量急劇上升。

在碳固持供需比方面,北部地區(qū)多為“高供給-低需求”的匹配模式,南部大部分地區(qū)多為“低供給-高需求”的匹配模式,所以碳固持服務(wù)盈余地區(qū)多集中于北部,而赤字區(qū)域多集中于北京及以南地區(qū)。京津冀地區(qū)2005年供需赤字區(qū)域占總面積的18.4%,到2015年擴(kuò)大為55.0%,赤字區(qū)域明顯增加,說明碳固持服務(wù)供不應(yīng)求的現(xiàn)象正在加劇。從時(shí)空變化來看, 在2015年各地區(qū)碳固持供需比均存在降低的情況,其中降低程度最明顯的是天津市,在此期間降低0.34,赤字進(jìn)一步加深。此外北京市及河北省的石家莊、唐山、邢臺(tái)、滄州和衡水共6個(gè)地區(qū),在2005年的平均碳固持供需比為正值,但在2015年均轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值,說明經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人口數(shù)量激增導(dǎo)致這6個(gè)地區(qū)碳固持服務(wù)由盈余狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌嘧譅顟B(tài)。各地區(qū)碳固持服務(wù)供需狀況及空間分布情況如表3,圖2所示。

3.1.3糧食服務(wù)

在2005年和2015年,河北的衡水、邯鄲、石家莊和邢臺(tái)四市均為糧食服務(wù)高供給區(qū)域,主要原因在于這四個(gè)地區(qū)擁有廣大的平原區(qū)域,自然條件較好,農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)較為完備,從而擁有較強(qiáng)的糧食生產(chǎn)能力。而耕地資源較少的北京市、張家口和承德市的糧食服務(wù)供給能力較弱。而從時(shí)空變化上看,北京市和天津市的平均糧食服務(wù)供給水平均處于降低的態(tài)勢(shì),降低幅度分別為34%和6%,而增加幅度最大兩個(gè)地區(qū)為河北省的張家口市和邯鄲市,增幅分別達(dá)到51.5%和29.2%。

在糧食服務(wù)需求方面,北京市和天津市的糧食服務(wù)平均需求量最大,京津兩市為京津冀地區(qū)的核心城市,擁有最高的人口密度,進(jìn)而糧食需求量最高；其次為石家莊市和邯鄲市,這兩個(gè)地區(qū)是河北省人口密度最高的地區(qū),進(jìn)而對(duì)糧食服務(wù)的需求量較高。在2005年和2015年,除承德市糧食服務(wù)需求量持平外,其余城市均有不同程度的提高,其中北京市和天津市的增加程度較為明顯,這是由于十年間經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,城市擴(kuò)張明顯,地區(qū)人口激增,進(jìn)而使兩市糧食服務(wù)需求量較大幅度增長(zhǎng)。

糧食服務(wù)供需比方面,京津冀地區(qū)2005年赤字區(qū)域占總面積的51.9%,但在2015年赤字區(qū)域占總面積的45.4%,糧食服務(wù)的赤字范圍有所收斂。從時(shí)空跨度上看,北京市和天津市在2005—2015年間赤字加深程度最高,北京市由-0.68下降到-0.84,天津市由-0.22下降到-0.47。而以石家莊市、保定市和邢臺(tái)市為主的華北平原,在2005年與2015年間總體均為盈余狀態(tài),且保定市和滄州市等平原地區(qū)還有小幅度上升。各地區(qū)糧食服務(wù)供需狀況及空間分布情況如表4,圖3所示。

表4 2005年和2015年京津冀各地區(qū)平均糧食服務(wù)供需特征

圖3 2005年和2015年京津冀地區(qū)糧食服務(wù)供需特征Fig.3 Characteristics of food service supply and demand of Beijing-Tianjin-Hebei Region in 2005 and 2015

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需綜合分析

在2005年和2015年,京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)平均綜合供需比分別為-0.09和-0.16,說明京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總體處于供不應(yīng)求的狀態(tài),存在生態(tài)赤字缺口加深的趨勢(shì)(表5,圖4)；在2005年和2015年,北京市和天津市為綜合供需比降低程度最高的兩個(gè)地區(qū),主要原因在于北京市和天津市是全國(guó)重要的政治中心和經(jīng)濟(jì)中心,經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾較為突出,而且北京市和天津市人口較為稠密,進(jìn)而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)提供的產(chǎn)品和服務(wù)的需求量極高,所以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需赤字較大。而在這段時(shí)期平均供需比最高的地區(qū)為承德市和張家口市,這兩個(gè)地區(qū)基本屬于供需平衡的狀態(tài),主要原因在于這兩個(gè)地區(qū)擁有較好的生態(tài)環(huán)境,且人口相對(duì)稀疏,生態(tài)系統(tǒng)提供的服務(wù)與產(chǎn)品能夠基本滿足這兩個(gè)地區(qū)的需求。

表5 2005年和2015年京津冀各地區(qū)平均綜合供需比

圖4 2005年和2015年京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合供需比Fig.4 The comprehensive supply-demand ratio of ecosystem services of Beijing-Tianjin-Hebei Region in 2005 and 2015

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型區(qū)演變特征

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需狀況分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),將京津冀地區(qū)綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需水平分為六個(gè)等級(jí)(表6),并利用對(duì)應(yīng)的綜合供需等級(jí)命名生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需類型區(qū)。其中,京津冀地區(qū)在2005年與2015年均無綜合供需高度盈余的縣區(qū),所以僅命名其余五種供需類型的縣區(qū)。將中度盈余縣區(qū)歸類為生態(tài)涵養(yǎng)區(qū),將輕度盈余縣區(qū)歸類為生態(tài)保育區(qū),將輕度赤字縣區(qū)歸類為生態(tài)改良區(qū),將中度赤字縣區(qū)歸類為生態(tài)恢復(fù)區(qū),將嚴(yán)重赤字縣區(qū)歸類為生態(tài)控制區(qū)[38-40](圖5,圖6)。

圖6 2005年與2015年京津冀生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型區(qū)Fig.6 Beijing-Tianjin-Hebei ecosystem service type area in 2005 and 2015

表6 京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需類型縣區(qū)個(gè)數(shù)

圖5 2005年與2015年京津冀生態(tài)類型區(qū)面積占比Fig.5 The proportion of Beijing-Tianjin-Hebei ecological typological area in 2005 and 2015

生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)生態(tài)環(huán)境水平較高,森林資源豐富,城鎮(zhèn)化水平較低。在2015年該區(qū)域產(chǎn)水、碳固持以及糧食生產(chǎn)三項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均處于盈余狀態(tài),是保護(hù)首都生態(tài)安全的核心區(qū)域。在2015年承德市的圍場(chǎng)縣以及張家口市的康?？h與沽源縣為生態(tài)涵養(yǎng)區(qū),占京津冀總面積的7.39%。但該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低,需要探索綠色發(fā)展道路,在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上提高土地利用效益,促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí),推動(dòng)該區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展。

生態(tài)保育區(qū)的供需狀況處于輕度盈余級(jí)別,在2005年與2015年主要集中于張家口市和承德市等北部地區(qū)。該區(qū)域擁有較強(qiáng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力,但人口壓力相比于生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)較大,所以需要實(shí)行最嚴(yán)格的生態(tài)保護(hù)措施,維護(hù)該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力,還需進(jìn)一步協(xié)調(diào)人地矛盾、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)之間的矛盾,確保生態(tài)質(zhì)量不降低。

生態(tài)改良區(qū)為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需狀況輕度赤字的縣區(qū)。該區(qū)域廣泛分布于河北省,2005年與2015年面積占比分別為70.32%和45.54%,在2015年范圍明顯縮小。該區(qū)域的主要特征為森林資源有限,碳固持服務(wù)供給能力較弱,難以支撐由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展造成的高碳排放量；而且該區(qū)域水資源較為匱乏,缺少有效的雨水收集措施,缺水問題難以得到有效解決,生態(tài)環(huán)境面臨的壓力較大。該類型區(qū)應(yīng)全面抑制赤字加深的趨勢(shì),開展生態(tài)保護(hù)措施,提高森林覆蓋率,控制建設(shè)用地?cái)U(kuò)張速率。該區(qū)域應(yīng)當(dāng)著重發(fā)展生態(tài)經(jīng)濟(jì),控制污染型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,推廣節(jié)水農(nóng)業(yè),促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康發(fā)展。

生態(tài)恢復(fù)區(qū)在2005年主要集中于北京市、天津市以及河北省西南部,但在2015年該區(qū)域開始以石家莊市、唐山市、保定市等多個(gè)河北省地級(jí)市城區(qū)為中心,向其周邊縣區(qū)擴(kuò)展。2015年生態(tài)恢復(fù)區(qū)的縣區(qū)數(shù)量達(dá)到69個(gè),面積占比為26.12%,且新增的55個(gè)縣區(qū)中有54個(gè)由2005年生態(tài)改良區(qū)轉(zhuǎn)化而來。該區(qū)域各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給難以滿足人口壓力帶來的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求,多屬于“低供給-高需求”的匹配模式。因此,應(yīng)當(dāng)著重緩解人地矛盾,調(diào)整和優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu),提高土地資源和水資源利用效率,增加城市生態(tài)用地。

生態(tài)控制區(qū)在2015年集中于北京市和天津市的核心城區(qū),縣區(qū)數(shù)量達(dá)到14個(gè),且均由2005年生態(tài)恢復(fù)區(qū)轉(zhuǎn)化而來。該區(qū)域擁有極高的人口密度,土地利用類型主要為建設(shè)用地。為緩解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需矛盾,該區(qū)域應(yīng)當(dāng)全面創(chuàng)新京津冀協(xié)同發(fā)展模式,從人地關(guān)系調(diào)節(jié)入手,疏解城市功能,緩解人口壓力,并在此基礎(chǔ)上完善城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),增加城市綠地覆蓋率；河北省應(yīng)當(dāng)建立完善的水源、糧食供應(yīng)鏈,彌補(bǔ)京津地區(qū)水、糧供給不足的缺陷,扭轉(zhuǎn)整個(gè)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需錯(cuò)位的現(xiàn)象。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

(1)京津冀地區(qū)各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求空間異質(zhì)性明顯。在2005年和2015年,產(chǎn)水服務(wù)供給高值區(qū)集中于東北部沿海地區(qū),碳固持服務(wù)供給高值區(qū)集中于北部高原山地區(qū),糧食服務(wù)供給高值區(qū)集中于冀中平原地區(qū)。而京津冀地區(qū)產(chǎn)水服務(wù)、碳固持服務(wù)和糧食服務(wù)的需求高值區(qū)主要集中于人口密度較大的北京市、天津市、石家莊市與邯鄲市,且分別以這四個(gè)地區(qū)為中心呈環(huán)狀分布?？傮w來看,京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求空間錯(cuò)配明顯,多為“高供給-低需求”和“低供給-高需求”匹配模式。

(2)京津冀地區(qū)各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需特征差異明顯。在2005年和2015年,三項(xiàng)服務(wù)的供需比關(guān)系均為碳固持服務(wù)>糧食服務(wù)>產(chǎn)水服務(wù),其中碳固持服務(wù)和糧食服務(wù)處于供需盈余狀態(tài),產(chǎn)水服務(wù)處于供需赤字狀態(tài),且在此期間三項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比均為降低態(tài)勢(shì),生態(tài)質(zhì)量進(jìn)一步降低的風(fēng)險(xiǎn)較大。此外,各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需狀況呈現(xiàn)不同的空間分布特點(diǎn),京津地區(qū)與河北省地區(qū)供需狀況差異較大,河北省北部與南部的差異較大。

(3)2005年與2015年京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合供需狀況呈赤字狀態(tài)。2005年與2015年綜合供需比分別為-0.09與-0.16,整體處于供不應(yīng)求的狀態(tài),2015年較2005年,赤字增加明顯。未來京津冀地區(qū)赤字范圍應(yīng)將主要集中于京津地區(qū),盈余范圍集中于張承地區(qū),張承地區(qū)應(yīng)當(dāng)長(zhǎng)期作為京津冀地區(qū)核心的水源,碳固持供給區(qū)域,而南部冀中平原地區(qū)則應(yīng)主要發(fā)揮糧食生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。

(4)京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需類型區(qū)范圍變化明顯。生態(tài)改良區(qū)擁有明顯的主導(dǎo)地位,在2015年生態(tài)改良區(qū)范圍明顯減少。京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需狀況兩極化趨勢(shì)較為明顯,其中靠近城市中心城區(qū)的縣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需狀況進(jìn)一步惡化的風(fēng)險(xiǎn)較大。

4.2 討論

京津冀地區(qū)地形條件復(fù)雜,內(nèi)部各地區(qū)自然環(huán)境稟賦差異較大,因此生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需空間異質(zhì)性明顯。本文測(cè)算的三項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中,產(chǎn)水服務(wù)供需赤字最為嚴(yán)重,將是影響京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素。除張承地區(qū)外,京津冀大部分地區(qū)產(chǎn)水服務(wù)處于較為嚴(yán)重的供不應(yīng)求狀態(tài)。隨著京津冀地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人口進(jìn)一步增長(zhǎng),短時(shí)間內(nèi)該區(qū)域缺水態(tài)勢(shì)將難以得到有效扭轉(zhuǎn),因此全面推動(dòng)節(jié)水措施,實(shí)現(xiàn)雨水高效利用對(duì)促進(jìn)京津冀地區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。京津冀地區(qū)碳固持服務(wù)雖然在2005年與2015年總體處于供需盈余狀態(tài),但空間分配不均現(xiàn)象較為嚴(yán)重,主要盈余區(qū)域集中于張承地區(qū)以及西部太行山地區(qū),而東南部廣大平原地區(qū)則由2005年的盈余狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?015年的赤字狀態(tài)，因此應(yīng)當(dāng)著重加強(qiáng)冀中平原地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè),提高土地利用效率,保護(hù)生態(tài)用地。

此外,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合供需水平受到多種因素的影響,本文僅選用產(chǎn)水、碳固持和糧食生產(chǎn)三種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),勢(shì)必會(huì)對(duì)研究結(jié)果的全面性產(chǎn)生一定影響；從生境質(zhì)量、土壤保持等多角度量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求,是今后重要的研究方向。