占 湉,于 洋,吳秀芹,*

1 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,北京 100083 2 北京林業(yè)大學(xué)水土保持國家林業(yè)局重點(diǎn)實驗室,北京 100083

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在生態(tài)和經(jīng)濟(jì)利益方面為人類福祉做出貢獻(xiàn),并能為區(qū)域環(huán)境決策提供理論支撐[1-2]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需平衡是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展理論的重要組成部分,也是闡明人類社會與自然環(huán)境相互作用的關(guān)鍵[3]。因此,識別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求的空間格局,分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的空間關(guān)聯(lián)特征,有利于提高生態(tài)系統(tǒng)管理效率[4],為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)納入?yún)^(qū)域發(fā)展決策提供路徑[5]。

早期的研究主要從經(jīng)濟(jì)價值的角度評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[6],著重于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給上[7-8]。近年來,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究強(qiáng)調(diào)人類社會的重要地位[9],一些學(xué)者已經(jīng)意識到,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)涉及到生物物理、社會文化、經(jīng)濟(jì)等多個領(lǐng)域[10-12],需要將研究重點(diǎn)從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供應(yīng)延伸到價值釋放的過程[13],包括供應(yīng),流動,需求和消費(fèi)[14-16],生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估應(yīng)嘗試整合這些過程[12]?，F(xiàn)已有不少學(xué)者試生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供應(yīng)和社會需求納入到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估中,主要集中在供給服務(wù)[17-18]、調(diào)節(jié)服務(wù)[19-20]、文化服務(wù)[21-23]這三種服務(wù)類型,側(cè)重于定量分析生態(tài)系統(tǒng)供需的空間分異和平衡狀況,以供需匹配度為指標(biāo),基于像元揭示生態(tài)系統(tǒng)服供需在空間上的匹配性,提供詳細(xì)可視化結(jié)果，但同時也會產(chǎn)生斑點(diǎn)效應(yīng),政策制定者難以對實際環(huán)境中的特定單元進(jìn)行干預(yù)。因此,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的空間聚集進(jìn)行研究,識別較大且同質(zhì)的供需不匹配關(guān)鍵區(qū)位,對區(qū)域政策制定和生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制的研究具有重要意義[24],在進(jìn)行生態(tài)保護(hù)和補(bǔ)償時,優(yōu)先考慮流域內(nèi)供給處于盈余的區(qū)域；對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高需求地區(qū)應(yīng)因地制宜的實施生態(tài)建設(shè)與修復(fù)[25]。

湟水流經(jīng)的河湟谷地集中了青海省近60%的人口,工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占全省的一半以上。流域北依祁連山國家級自然保護(hù)區(qū),南鄰三江源生態(tài)保護(hù)區(qū),其生態(tài)環(huán)境的保護(hù)有利于維護(hù)全省經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢和社會穩(wěn)定,支撐西北生態(tài)屏障建設(shè)。因此,本文以湟水流域為例,從利益相關(guān)者的需求出發(fā),采用不同的方法和指標(biāo)定量評估四項關(guān)鍵生態(tài)服務(wù)供需狀況,利用探索性空間數(shù)據(jù)分析方法(冷熱點(diǎn)分析)揭示各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的空間聚類特征,并探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡與土地利用結(jié)構(gòu)的關(guān)系。研究結(jié)果可為流域尺度的生態(tài)系統(tǒng)管理和生態(tài)優(yōu)先保護(hù)區(qū)劃分提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況

湟水(36°02′—37°28′N,100°41′—103°04′E)是黃河上游左岸一級支流,以達(dá)坂山為分水嶺,南側(cè)為湟水干流,北側(cè)為支流大通河,流域總范圍3.29萬km2,分屬青海和甘肅省的20個縣(區(qū))。湟水干流源于青海省海晏縣大坂山南坡,至民和縣享堂村匯大通河后注入黃河,干流全長374 km,流域面積1.77 km2。大通河作為流域內(nèi)最大的支流,自天峻縣托勒南山流出,向東流經(jīng)剛察、祁連、門源等11個縣(區(qū)),其流域范圍近湟水流域總面積的一半(圖1)。流域地勢整體呈西北高東南低,海拔在1578—5188 m之間,受地質(zhì)構(gòu)造和水系發(fā)育的影響,流域內(nèi)地形復(fù)雜多樣,峽谷川地交錯分布。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the research area

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究數(shù)據(jù)分別為：土地利用數(shù)據(jù)來源于2015年歐空局全球陸地覆蓋數(shù)據(jù),空間分辨率為300 m,并參照張磊等[26]對GlobCover進(jìn)行分類系統(tǒng)轉(zhuǎn)換,將一級分類系統(tǒng)中的林地進(jìn)一步劃分為林地和灌叢,裸露地進(jìn)一步劃分為裸地、荒漠及冰川,得到本文的土地利用分類系統(tǒng)；降水等氣量觀測數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng),選取研究區(qū)域及周邊共13個氣象站點(diǎn),運(yùn)用插值生成降水、氣溫和潛在蒸發(fā)量數(shù)據(jù)；NDVI數(shù)據(jù)采用美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的MODIS13Q1產(chǎn)品,分辨率為250 m；DEM數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心；土壤類型及質(zhì)地數(shù)據(jù)來自基于世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)的中國土壤數(shù)據(jù)集,分辨率為250 m；社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于各市(州)統(tǒng)計年鑒與甘肅、青海省水資源公報；參考閆慶武等[27],基于流域內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口數(shù)和居民點(diǎn)分布,生成了人口密度分布柵格數(shù)據(jù)。為了統(tǒng)一以上多源數(shù)據(jù)的空間分辨率,統(tǒng)一重采樣為300 m分辨率。

2.2 研究方法

2.2.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給估算

針對湟水流域自然地理特征,本文評價了食物生產(chǎn)、產(chǎn)水、土壤保持、碳固定4項典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),具體估算方法如表1所示。

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量化方法Table 1 Method for evaluating ecosystem service

(1)食物供給需求

食物生產(chǎn)服務(wù)需求是以各區(qū)縣的人均食物需求量乘以人口密度的方法求得,其中人均食物需求量以2015年所在省市的主要食品人均消費(fèi)量計算(表2),計算公式如下：

表2 2015年流域內(nèi)居民家庭主要食品人均消費(fèi)量Table 2 Average annual food consumption in Huangshui River Basin in 2015

Ftot=Fpcfc×Pop

(1)

式中,Ftot是食物需求量(t/km2),Fpcfc為人均食物需求量(kg),Pop為柵格人口密度(人/km2)。

2.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求估算

(2)產(chǎn)水服務(wù)需求

本文將產(chǎn)水需求等同于人類對淡水的實際消費(fèi)量,包括農(nóng)業(yè)用水、家庭生活用水和工業(yè)用水,計算公式如下：

Wtot=Wagr+Wdom+W個=Iagr×Lagr+Idom×Pop×365/1000+I個×GDP

(2)

式中,Wtot是淡水總需求量,Wagr、Wdom和W個分別代表農(nóng)業(yè)、生活和工業(yè)對水的需求。Iagr表示每hm2灌溉年用水量(m3/hm2),Idom表示人均生活用水量(L人-1d-1),I個表示單位國內(nèi)生產(chǎn)總值用水量(m3/萬元),Lagr表示農(nóng)用地面積(hm2),Pop為柵格人口密度(人/km2),GDP為柵格國內(nèi)生產(chǎn)總值密度(萬元/km2)。

表3 流域內(nèi)行政分區(qū)用水指標(biāo)統(tǒng)計表Table 3 Average annual water demand for agricultural,domestic,and industrial use

(3)土壤保持服務(wù)需求

本文將土壤實際侵蝕量當(dāng)作土壤保持服務(wù)的需求,計算公式如下：

USLE=R×K×LS×P×C

(7)

式中,USLE為土壤侵蝕量(t/hm2)；R為降雨侵蝕因子；K為土壤可侵蝕因子；LS為地形因子；P為水土保持因子；C為植被覆蓋因子。

(4)碳固定服務(wù)需求

根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(IPCC)提出的 Kaya碳排放恒等式：

(8)

式中,E代表能源消費(fèi),GDP表示國內(nèi)生產(chǎn)總值,POP表示人口數(shù)量。CO2排放可以拆分為四個因素：碳排放強(qiáng)度(CO2/E)、能源消費(fèi)強(qiáng)度(E/GDP)、人均GDP(GDP/POP)和人口規(guī)模(POP)。當(dāng)碳排放強(qiáng)度和能源消費(fèi)強(qiáng)度恒定時CO2與GDP呈正相關(guān)。因此,在市級能源消耗總量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,以區(qū)縣的GDP占比作為權(quán)重,計算各區(qū)縣2015年的排放量。

2.2.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配度

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的實際供給與人類需求的關(guān)系可能為赤字或盈余,根據(jù)等式計算的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比(ESDR),可用于反映區(qū)域間的供需特征[25]。

(9)

式中,S、D指生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的實際供給量與需求量；Smax是指流域內(nèi)服務(wù)供應(yīng)的最大值；Dmax是指流域內(nèi)服務(wù)需求的最大值。ESDR>0表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)充足,ESDR=0表示供需達(dá)到平衡,ESDR<0表示服務(wù)需求未得到滿足。

表4 2015年流域內(nèi)行政分區(qū)能源消費(fèi)統(tǒng)計表Table 4 Energy consumption in Huangshui River Basin in 2015

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合供需比率(CESDR)用于反映流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配的總體情況：

(10)

式中,n表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型總數(shù)；ESDRi是特定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需比。

2.2.4生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需熱點(diǎn)與冷點(diǎn)時空格局

本文使用ArcGIS平臺中的熱點(diǎn)分析工具(hotspot analysis),利用Getis-OrdGi*統(tǒng)計指數(shù)識別出高值和低值要素在空間上發(fā)生局部聚類的位置,其Z值越高則表示空間聚集越明顯[35]。將冷熱點(diǎn)分析運(yùn)用到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中,其輸出結(jié)果可以呈現(xiàn)更好的連續(xù)性表面,便于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)管理[36]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需熱點(diǎn)表明生態(tài)供應(yīng)遠(yuǎn)高于需求的地區(qū),冷點(diǎn)表明需求遠(yuǎn)高于供應(yīng)的地區(qū),其計算公式如下：

(11)

(12)

(13)

3 結(jié)果與分析

3.1 湟水流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需分布格局

湟水流域2015年食物生產(chǎn)服務(wù)、產(chǎn)水服務(wù)、土壤保持服務(wù)、碳固定服務(wù)的總供給量分別6.75×106t,10.89×108m3,70.30×106t,185.41×106t,需求量分別為1.27×106t,16.37×108m3,22.53×106t,18.66×106t,總體來看,除產(chǎn)水服務(wù)外，其他三項服務(wù)的總需求量均小于總供給量(圖2、表5)。食物生產(chǎn)服務(wù)、產(chǎn)水服務(wù)、碳固定服務(wù)的高需求區(qū)域主要分布于湟水流域中、下游段河谷地帶,特別是西寧至蘭州沿線的區(qū)縣,這些地區(qū)河谷階地臺面相對平坦,水熱條件良好,適宜居住和工農(nóng)業(yè)的開展,人口密度高,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量大。平均土壤保持需求最高的是民和回族土族自治縣,為1705.26 t/km2,其次為城中區(qū)、樂都區(qū)和互助土族自治縣等淺山區(qū),淺山區(qū)坡陡溝深,土壤貧瘠,是流域水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)。

表5 湟水流域各區(qū)縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)平均供需量Table 5 Supply and demand of ecosystem services in Huangshui River Basin

圖2 湟水流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需分布圖Fig.2 Spatial distribution of supply and demand of ecosystem services in Huangshui River Basin

食物生產(chǎn)總量較高的區(qū)域主要集中在海晏盆地、湟源盆地等耕地資源較為集中的區(qū)域和天祝藏族自治縣、大通回族土族自治縣等畜牧業(yè)發(fā)達(dá)的縣域；海拔越高的地區(qū)降水量越大且蒸散量小,因此產(chǎn)水服務(wù)受海拔影響,供給量總體呈現(xiàn)由西北向東南降低的變化趨勢,剛察縣單位面積產(chǎn)水最高(352.28 m3/hm2),最低的為永靖區(qū)(289.11m3/hm2)；海晏縣、大通回族土族自治縣、天祝藏族自治縣等植被覆蓋度較高的地區(qū)碳固存服務(wù)和土壤保持服務(wù)總供給量較高。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需數(shù)量匹配評價

湟水流域食物生產(chǎn)、產(chǎn)水、土壤保持、碳固定服務(wù)和綜合服務(wù)供需比分別為0.114,-0.021,0.026,0.188,0.077,整體而言,湟水流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給較為充分,除產(chǎn)水服務(wù)外生態(tài)系統(tǒng)提供的其他三種服務(wù)能基本滿足內(nèi)部對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求或消耗,但分配不均衡。城北區(qū)、城東區(qū)、城中區(qū)、城西區(qū)4項服務(wù)以及綜合服務(wù)供需比均小于0,是流域供需矛盾最嚴(yán)重的區(qū)域；天?？h生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需狀況最好,綜合服務(wù)供需比高達(dá)0.130,其次分別為海晏縣、祁連縣、門源回族自治縣等縣。綜合來看,湟水一級支流大通河流經(jīng)區(qū)縣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比高于湟水干流區(qū)域。

就各項服務(wù)而言,食物生產(chǎn)服務(wù)供需比較高的地區(qū)分布在海晏縣、天祝藏族自治縣、祁連縣等農(nóng)牧區(qū)；產(chǎn)水服務(wù)供需比高的地區(qū)為天峻縣、剛察縣、祁連縣,這些地區(qū)是支流大通河的上游源頭區(qū),海拔在3000 m以上,降水豐沛且蒸散量少；土壤保持服務(wù)供需比較高的地區(qū)和碳固定服務(wù)類似,集中在祁連縣仙米國家森林公園、大通縣北部察汗河森林公園、海晏縣東部水源涵養(yǎng)地等植被覆蓋較好的區(qū)域。

圖3 湟水流域各區(qū)縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比Fig.3 ESDR in each district and county of Huangshui River Basin

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需空間匹配評價

3.3.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的熱點(diǎn)與冷點(diǎn)格局特征分析

本文將研究區(qū)劃分成較小的地塊單元,便于流域生態(tài)系統(tǒng)的管理。綜合考慮不同地塊尺寸熱點(diǎn)分析效果,將研究區(qū)劃分成單位面積為1000 hm2的正六邊形地塊共420個,然后對研究單元供需匹配度ESDR的平均值進(jìn)行冷熱點(diǎn)分析,冷點(diǎn)表示生態(tài)系統(tǒng)需求高于供應(yīng)的集聚地區(qū)(低供給-高需求區(qū)),而熱點(diǎn)表示供應(yīng)高于需求的集聚地區(qū)(高供給-低需求區(qū)),其中置信水平高于95%(z>+1.96或z<-1.96)的熱點(diǎn)和冷點(diǎn)被認(rèn)為是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需不匹配的關(guān)鍵區(qū)域。因此,根據(jù)z值將流域劃為“低于-1.96”(區(qū)域1),“從-1.96至-1.65”(區(qū)域2),“從-1.65至+1.65”(區(qū)域3),“從+1.65至+1.96”(區(qū)域4)和“大于+1.96”(區(qū)域5)共五類區(qū)域,表示湟水流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可持續(xù)管理的不同需求(圖4)。

從圖4可以看出,各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中區(qū)域3(非顯著區(qū))的面積最大,其次為區(qū)域1(赤字嚴(yán)重區(qū))和區(qū)域5(盈余充足區(qū)),少量的六邊形構(gòu)成區(qū)域2(赤字一般區(qū))和4(盈余一般區(qū))。湟水流域人口稠密,工業(yè)較發(fā)達(dá),且多為冶金、煤炭、化工、毛紡等高耗水行業(yè),用水量很大而產(chǎn)水量不足,故無產(chǎn)水服務(wù)熱點(diǎn),特別是民和縣、永登縣等干旱山區(qū)和西寧城區(qū),需求明顯得不到滿足。土壤保持服務(wù)和碳固存服務(wù)供應(yīng)過剩的地區(qū)分布在西北部自然度較高的地區(qū),森林資源豐富,有仙米、北山等多個國家級森林公園,是湟水流域的水源涵養(yǎng)區(qū)。流域東南部的西寧主城區(qū)和蘭州市區(qū)食物生產(chǎn)和碳固存的需求沒有得到滿足,這些地區(qū)耕地和林地面積少,同時人口聚集,建設(shè)用地分布密集且規(guī)模較大,食物和碳固存需求高而供給低?；ブh、樂都縣和民和縣等流域中下游地區(qū),植被覆蓋度不高,地力瘠薄,地貌多為黃土低山丘陵溝壑地,溝底與山梁頂部高差可達(dá)600 m,因此水土流失嚴(yán)重,土壤保持服務(wù)供給不足。

圖4 湟水流域各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點(diǎn)空間分布Fig.4 The hotspots and coldspots of four ecosystem services in Huangshui River Basin

3.3.2不同土地利用方式與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)冷熱點(diǎn)關(guān)系特征

本文以箱線圖表示五類區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)和需求的平均水平,并計算了不同區(qū)域的土地利用結(jié)構(gòu),以分析土地利用類型對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的影響。

由圖5可知,每項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域間的土地利用結(jié)構(gòu)差距較大,食物生產(chǎn)服務(wù)區(qū)域1(赤字嚴(yán)重區(qū))的特點(diǎn)是耕地和城市用地比例相對較高,分別為37%和8%,而區(qū)域5(盈余充足區(qū))土地利用類型基本為草地和林地,面積占比分別為94%和2%,且水體與濕地的比例相對較高,面積占比為3%,是區(qū)域1的3倍。除區(qū)域5林地的比例高達(dá)41%,碳固存服務(wù)區(qū)域間的土地利用結(jié)構(gòu)與食物生產(chǎn)基本一致。土壤保持服務(wù)供應(yīng)過剩地區(qū)的土地利用類型主要為草地和林地,而需求過剩區(qū)耕地的比例高達(dá)30%。與土壤保持服務(wù)類似,產(chǎn)水服務(wù)低供給區(qū)的特點(diǎn)是耕地比例高,區(qū)域1和2的耕地面積均大于27%,遠(yuǎn)高于區(qū)域3。綜合來看,4項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需在區(qū)域3(非顯著區(qū))表現(xiàn)出相對平衡狀態(tài),并且土地利用結(jié)構(gòu)類似,草地的占比最高為75%,耕地、林地、城市用地、水體與濕地的比例分別13%、9%、2%、2%左右,隨著林地和草地面積占比的增大,流域4項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給水平會顯著增高,這說明林草地占比是平衡流域生態(tài)關(guān)系的關(guān)鍵。

圖5 湟水流域四種生態(tài)服務(wù)供需冷熱點(diǎn)下的土地利用結(jié)構(gòu)Fig.5 different land use types under the hotspot and coldspot of the four ecosystem service supply-demands in Huangshui River Basin

4 討論

4.1 生態(tài)保護(hù)區(qū)及優(yōu)先級的確定

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系對于環(huán)境決策至關(guān)重要,其分析結(jié)果可用于劃定優(yōu)先保護(hù)區(qū)域或識別管理干預(yù)措施應(yīng)集中的區(qū)域。已有研究表明青藏高原存在較大的保護(hù)缺口,保護(hù)區(qū)的擴(kuò)大應(yīng)優(yōu)先考慮對生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均有價值的地區(qū)[37]。考慮到空間鄰近效應(yīng),如果不加強(qiáng)鄰近區(qū)域的生態(tài)保護(hù),保護(hù)區(qū)可能會損失相當(dāng)一部分生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值[38-39]。本文使用基于Getis-OrdGi*的冷熱點(diǎn)分析將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求結(jié)合起來,在研究區(qū)內(nèi)生成大的空間集聚區(qū),有利于提高生態(tài)管理成效。

生態(tài)保護(hù)區(qū)具有游憩、美學(xué)等功能,具有很高的文化服務(wù)價值,本文僅從供給服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù)對生態(tài)保護(hù)優(yōu)先區(qū)進(jìn)行劃定,文化服務(wù)以及多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系將是下一階段的重點(diǎn)研究內(nèi)容,并基于上述研究結(jié)果,考慮保護(hù)成本和風(fēng)險等因素,建立完善的生態(tài)保護(hù)優(yōu)先區(qū)劃定理論框架。

4.2 湟水流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需特征

為了更好地突出該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)稀缺性和必要性,本文針對湟水流域的區(qū)域特性,選擇能夠顯著改善人類生活質(zhì)量并對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重要影響的核心功能,分別為食物供給、產(chǎn)水、土壤侵蝕以及碳固存服務(wù)。采取生態(tài)過程模型(RUSLE)計算實際侵蝕來量化需求,而產(chǎn)水、食物供給、碳固定需求都屬于商品消費(fèi)類型,則采取社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來量化需求。以消費(fèi)量作為需求的直接指標(biāo)不包括未滿足需求,加之研究區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)只能細(xì)化到市級或省級,評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量較為粗糙。

從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配度的角度來看,產(chǎn)水服務(wù)的供需矛盾最大,與趙翠平等[40]評價湟水流域生態(tài)環(huán)境狀況的結(jié)果相似,也符合水資源是限制區(qū)域發(fā)展關(guān)鍵因素的學(xué)界認(rèn)識[41-42]。水資源不足與研究區(qū)所處區(qū)位相關(guān),湟水位于青藏高原與黃土高原的交匯地帶,屬于半干旱的高原大陸性氣候,自然資本提供的產(chǎn)水服務(wù)相對較弱。再加上在西部大開發(fā)政策的影響下,流域內(nèi)城鎮(zhèn)化進(jìn)程迅速發(fā)展[43],人類活動強(qiáng)度顯著增大,已有研究表明湟水流域人類活動對徑流減少的影響超過了50%,人類活動主要是通過人工造林、水利工程等方式改變水循環(huán)過程,導(dǎo)致徑流量的減少[44]。近年來,湟水流域?qū)嵤┐笠?guī)模的林業(yè)生態(tài)工程,人工林會加大蒸散量從而加劇產(chǎn)水服務(wù)供需脫節(jié)[41]。

從空間分布來看,湟水流域生態(tài)系統(tǒng)供需具有顯著空間異質(zhì)性,造成了上下游間生態(tài)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展失衡。上游屬于高寒山區(qū),以原始森林和高山草地等原生態(tài)自然景觀為主,自然基底好,生態(tài)資源豐富,且人口稀少,是青海省相對貧困的區(qū)域,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給充沛。在過去的幾十年,城市化和工業(yè)化進(jìn)程加快導(dǎo)致了中下游的城鎮(zhèn)迅速擴(kuò)張,大量生態(tài)用地被人類開發(fā)建設(shè),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給水平下降,人口聚集帶來的高需求得不到滿足。已有研究指出湟水谷地2008—2014年經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)性不斷提高,但其矛盾仍然是制約整體協(xié)調(diào)發(fā)展水平的重要原因[45],本文印證了以上結(jié)論。未來應(yīng)建立完善的流域生態(tài)服務(wù)市場和補(bǔ)償機(jī)制,實現(xiàn)湟水流域的綠色發(fā)展[46]。

4.3 生態(tài)保護(hù)區(qū)及優(yōu)先級的確定

根據(jù)研究區(qū)供需冷熱點(diǎn)的劃分和土地利用對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的影響,可通過土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來改善流域的生態(tài)環(huán)境,平衡流域尺度的供求關(guān)系。湟水流域供需冷熱點(diǎn)間的土地利用結(jié)構(gòu)迥異,赤字嚴(yán)重區(qū)的耕地和城市用地占比相對較高,盈余充足區(qū)的林草地占比達(dá)90%上。有學(xué)者在湖北省[47]和上海市[48]的研究也發(fā)現(xiàn),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需達(dá)到平衡需要更高的綠地比和更低的建設(shè)用地比。值得注意的是,在黃土高原的多項研究中發(fā)現(xiàn)[49-51],由于林地的各項服務(wù)間權(quán)衡沖突相對明顯,草地更適合干旱半干旱地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)。因此,湟水流域在實施生態(tài)工程時要控制草地與林地間的比例,以支持更高水平的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需協(xié)同作用,人工林構(gòu)建要重視林分類型和齡組的選擇[52],保障流域森林生態(tài)系統(tǒng)的碳水平衡。

湟水河源頭地區(qū)以及大通河的上游地區(qū),是流域生態(tài)保護(hù)的重點(diǎn)區(qū),既要加強(qiáng)保障生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)供應(yīng),同時也要積極發(fā)展生態(tài)旅游等產(chǎn)業(yè),拉動投資,吸納社會勞動力,把生態(tài)效益更好的轉(zhuǎn)換為經(jīng)濟(jì)效益。中下游以西寧、蘭州為代表的赤字嚴(yán)重區(qū),是湟水流域的生態(tài)修復(fù)區(qū),這些地區(qū)不僅缺乏生態(tài)資源,而且生態(tài)空間分散,可通過增加小型公園數(shù)量,控制建設(shè)用地過快擴(kuò)張,實施生態(tài)修復(fù)工程等舉措來調(diào)節(jié)供需矛盾。對于流域內(nèi)供需較為平衡的區(qū)域,可通過構(gòu)建生態(tài)廊道并提高生態(tài)廊道的連通性,促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)從供給高水平區(qū)向低水平區(qū)的流動。

5 結(jié)論

以湟水流域為例,從利益相關(guān)者的角度評估了四項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給與需求,識別出每種服務(wù)供需空間錯配的關(guān)鍵區(qū)域,說明了各項服務(wù)供需平衡與土地利用方式的關(guān)系,得到以下結(jié)論：

(1)湟水流域各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給與需求分布呈現(xiàn)不同的特點(diǎn),食物生產(chǎn)、產(chǎn)水和碳固定服務(wù)供給總體呈現(xiàn)由西北向東南遞減的趨勢,這3項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的高需求區(qū)也類似,由河流谷地等人口聚居區(qū)向四周輻射分布,土壤保持服務(wù)供給核心區(qū)位于流域北部,即支流大通河上中游和干流上游河源一帶,土壤保持服務(wù)需求高的區(qū)域為湟水河中下游的低山丘陵區(qū)。

(2)湟水流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需數(shù)量匹配較好,三類服務(wù)整體上供給量大于需求量,其中碳固定服務(wù)供需比最高為0.188,食物生產(chǎn)和土壤保持服務(wù)次之,產(chǎn)水服務(wù)不能滿足流域內(nèi)部的需求,供需比為-0.021。

(3)流域供需格局空間失衡現(xiàn)象較為明顯,除產(chǎn)水服務(wù)無供需熱點(diǎn)外,各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)都有供需冷熱點(diǎn),熱點(diǎn)即“供給多-需求少”的地區(qū)主要分布在湟水河上游生態(tài)基底條件好的區(qū)域,冷點(diǎn)即“供給少-需求多”的地區(qū)集中在湟水流域中下游經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高的河湟谷地,流域上下游生態(tài)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡。

(4)土地利用類型對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡影響較大,林地和草地面積占比的增高能顯著提高流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)水平,這說明優(yōu)化流域自身土地利用格局,可以減少生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)赤字和空間錯配,實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的“扭虧為盈”。