东江流域生态系统服务供需关系及驱动力研究*

赵晓慧,朱明畅,欧阳天豪,芦政轩,彭城坤,雷军成,†

(1.赣南师范大学 地理与环境工程学院, 江西 赣州 341000;2.武汉永业赛博能规划勘测有限公司,武汉 430062)

生态系统服务(Ecosystem Services, ES)是人类从生态系统中直接或间接获取的各类产品和服务[1].Constanza等指出生态系统服务是指人类从生态系统功能中获得收益[2].进入到21世纪,千年生态系统评估报告中补充和归纳了Constanza所提出的17种生态系统服务分类[3].由于近些年的社会发展使得生态系统服务的供给与人类生产生活之间的矛盾问题日益凸显.因此众多学者也逐渐将研究方向转移到对生态系统服务供需的研究上[4-5].针对生态系统服务供需的研究关注较多的是对生态系统服务的结构、功能以及供需概念上的界定,从经济价值的角度来评估生态系统服务[6],着重于生态系统服务供给方面的研究[7-8].生态系统服务供需方面研究的难点在于供需变化的空间异质性[9],因而在后来的研究文献中有不少关于生态系统服务供给和需求量化与时空变化制图的研究实证[10-11].其研究方法多以土地利用变化[12]、专家经验判别法[13-14]、InVEST模型量化法[15]、生态过程模拟[16]、ARIES模型[17]等方法作为研究支撑,研究内容主要集中在供给服务[18]、调节服务[19]、文化服务[20].

流域作为一种特殊的生态系统,其以水系为桥梁连接系统内部的各种自然要素和人文活动,并在其内部进行能量、物质和信息交换[21].东江流域位于我国东南沿海地区是珠江水系的三大河流之一.流域中上游森林覆盖度较高,强大的水源涵养能力和水土保持功能不仅为东江下游地区提供了良好的生态储备,也为珠三角地区的生态质量提供了强有力的生态保障.为大力促进东江流域水域环境治理与保护,自2016年起赣粤两省便签订了《东江流域上下游横向生态补偿协议》.流域上下游生态与经济两者之间的矛盾日益凸显[22].这不仅对生态保护事业产生了重要影响,也阻碍了地区间的协同发展[23].因此本研究以东江流域为例,从供需角度出发,选取产水服务、食物供给服务、土壤保持服务和碳储存四项生态系统服务进行供需量化评估,厘清供需关系,明晰空间分布特征,以期为提高流域生态环境质量、制定可持续发展政策和构建生态安全格局提供科学参考和理论支撑.

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

东江发源于江西省赣州市寻乌县的桠髻钵山,地理范围为22°.38′-25°14′ N,113°.52′-115°.52′ E.东江源区包括江西省赣州市的寻乌、安远和定南三县,上游称为寻乌水,从合河坝村到博罗县观音阁称为中游段,观音阁以下则称为下游段.东江干流由东北流向西南,河道长度为520km,至狮子洋全长为562km,其中在江西省境内面积为127km,广东省境内面积为435km,流域集水总面积3.5×104km2,占珠江流域总面积的5.96%.东江流域主要涉及赣州、梅州、韶关、河源、惠州、东莞和广州8个市级行政单元(图1).

1.2 数据来源与预处理

数据包括数字高程模型(DEM)数据、土地利用/覆被数据、土壤数据、气象数据、归一化植被指数(NDVI)数据、人口密度数据和社会经济统计数据7类(表1).

表1 数据来源与处理方法

土地利用/覆被数据,通过ENVI软件进行预处理,以辐射定标、大气校正、融合、裁剪、镶嵌等处理方法,采用监督分类分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地和其他七大类,并结合同年Google Earth和实地考察进行精度检验,数据总体检验精度为86.8%,分类精度能够满足后续的研究需要;气象数据的时间范围为1990-2021年;植被覆盖数据基于250m分辨率的MOD13Q1产品,利用MRT工具对影像进行批量拼接、投影以及转换格式后,运用最大值合成法获得月值数据;社会经济数据包括地区国内生产总值、用水量、能源消耗量、农林牧渔业产值等.所有数据时间节点均为2020年,文章中所有数据的空间栅格数据地理坐标系均设置为WGS_1984_Albers.

1.3 研究方法

针对东江流域生态系统服务供需现状,结合东江流域实际以及数据的可获取性,本文对东江流域产水服务、食物供给服务、土壤保持服务和碳储存服务四项生态系统服务供需现状进行评估.

1.3.1 生态系统服务供需量化

(1)

(2)

PET(x)=KC(x)×ETO(x)

(3)

(4)

需求:WD=Dx×Ppop+Dy×GDP+Dz×Areac

(5)

式中:WY(x)为2020年产水量,单位为mm;AET(x)为年实际蒸散量;P(x)为年降水量;PET(x)为潜在蒸散量;Kc(x)为作物蒸散发系数;ETo(x)为作物参考蒸散量;AWC(x)为植物可利用含水量;W(x)为季节经验参数;WD为流域需水量,单位为m3;Ppop为流域内人口密度栅格数据;GDP为地区国内生产总值密度数据;Areac为流域内耕地栅格数据;具体计算步骤详见刘立程等研究[25].

(6)

需求:FD=Dpcfr×Ppop

(7)

式中:FSx表示栅格x上的食物供给量,单位为t/km2;Ssumj代表j地类对应的农林牧渔产品的总产量,单位为t;NDVIxj为栅格x上所对应的j类土地利用类型(耕地、草地和水域)的归一化植被指数;NDVIsumj代表j地类内的归一化植被指数的总和;FD为流域食物需求量,单位为t;Dpcfr为人均食物需求量,单位为kg.

USLEx=Rx×Kx×Lx×Sx×Cx×Px

(8)

(9)

供给:SEDRETx=RKLSx-USLEx+SDERx

(10)

需求:RKLSx=Rx×Kx×Lx×Sx

(11)

式中:RKLSx为栅格x潜在土壤侵蚀量;USLEx为栅格x实际土壤侵蚀量;Rx为降水侵蚀性因子;Kx为土壤可蚀性因子;Lx为坡长因子;Sx为坡度因子,无量纲;Cx为植被覆盖因子,无量纲;Px为土壤保持措施因子,无量纲;SEDRETx为土壤保持量;SDERx为土壤持留量;SEx为泥沙持留率;USLEy为上坡栅格y所产生的泥沙量;SEy为上坡栅格泥沙持留量;本研究以潜在土壤侵蚀量作为土壤保持服务的需求量.

供给:Ctot=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(12)

需求:Cd=Dcp×Ppop

(13)

式中:Ctot表示总碳储量,单位为t;Cabove表示地上生物碳储量;Cbelow表示地下生物碳储量;Csoil表示土壤有机碳储量;Cdead表示死亡有机体碳储量;Cd为碳储存需求量,单位为t;Dcp为人均碳排量;Ppop为流域栅格人口密度,单位为人/hm2.

1.3.2 生态系统服务供需数量关系

生态系统服务实际供给与需求间关系可能会呈盈余或者赤字.为衡量生态系统服务供给与需求两者之间关系,本文选用生态系统服务供需比方程来表征东江流域生态系统服务供给与需求匹配状况.具体计算公式如下:

(14)

式中:ESDR为生态系统服务供需比;ES为生态系统服务实际供给量;ED为生态系统服务实际需求量;ESmax为研究区某项生态系统服务供给量的最高值,即供给的最大值;EDmax为研究区某项生态系统服务需求量的最高值,即需求的最大值.其中ESDR为正值时,则表示该生态系统服务供大于需;为0值时,则表示供需达到平衡状态;为负值时,则表示供小于需.

1.3.3 生态系统服务空间匹配关系

双变量局部空间自相关(LISA)指用于表征某一空间单元上各项属性值及其相邻空间单元上的属性值之间的空间集聚程度和相关程度[27].利用GeoDA软件对标准化后的东江流域各项生态系统服务供需数据进行空间匹配.具体计算公式如下:

(15)

1.3.4 排序分析

冗余分析(RDA)是一种结合主成分分析和回归分析的排序方法,是多元回归的拓展.其原本是运用排序的方法阐述群落生态环境或某一生态因子随样地生境而产生的变化[28].将标准化后的各项数据导入CANOCO 5.0软件中进行去趋势分析,梯度长度均小于3选择RDA模型.在RDA坐标图中,各项生态系统系统服务供需和各驱动因子均使用带有箭头的线段表示.其中蓝色箭头代表东江流域各项生态系统服务的供需值,红色箭头代表各驱动因子.箭头与原点的连线长度代表某一解释变量与响应变量相关程度的大小,连线越长相关性越大,反之相关性越小.箭头连线与排序轴的夹角代表某一解释变量与排序轴(RDA1和RDA2)的相关性大小,夹角越小相关性越大.本文选取了自然、人口、社会经济和农业作为驱动因子.选取的驱动因子应满足以下原则:选取的指标可以被量化的,各指标间应该要相互独立;每一个指标均能够反映自然、人口、社会经济和农业的一个重要方面;指标数据应该是可获得的.据此本文选取了九个驱动因子,分别为年平均降水量(X1)、年平均气温(X2)、年末总人口数(X3)、人口密度(X4)、城镇化率(X5)、地区国内生产总值(X6)、社会消费品总额(X7)、农林牧渔业产值(X8)和粮食产量(X9).

2 结果与分析

2.1 生态系统服务供给与需求空间特征

东江流域2020年产水服务总供给量为27.77×109m3,总需求量为10.75×109m3.食物供给服务总供给量为2.02×108t,总需求量为7.07×108t.土壤保持服务总供给量为1.01×109t,总需求量为1.32×108t.碳储存服务总供给量为3.40×108t,总需求量为4.43×107t(图2).从生态系统服务的供给来看,除产水服务以外,其他生态系统服务供给量都较低.从生态系统服务的需求来看,东江流域生态系统服务需求间同样也存在着明显的空间差异.从流域整体来看,生态系统服务需求遵循着人口密集区与工农业集中布局对生态系统服务需求更高,而人口稀疏区与产业分散区的需求低的规律.

图2 东江流域生态系统服务供需空间分布

东江流域单位面积产水量为8.09×103m3/hm2.高值区多集中在流域西南部,低值区多集中在流域北部及边缘地区.其中坪山区、龙岗区和惠阳区的单位面积产水量供给较大,分别为1.06×104m3/hm2、1×104m3/hm2和9.58×103m3/hm2.这些地区自然地理条件较为优越,受季风和台风的影响,年降水量十分充沛.同时上述区域境内的坪山河、坑梓河、龙岗河、观澜河、深圳河、西枝江、淡水河等大小河流广泛发育,产水服务供给能力较强.

东江流域单位面积食物供给量为58.28t/km2.食物供给服务供给能力的高值区分布在博罗县、龙门县,单位面积食物供给均在100t/km2.本研究将NDVI和粮食进行匹配,进一步得到该地区的食物供给服务分布情况.

东江流域单位面积土壤保持量为296.93t/hm2,呈现出东西高,南部低的分布格局.土壤保持服务供给高值区位于连平县、新丰县等,单位面积土壤保持服务供给量分别为582t/hm2、557t/hm2.这些地区受高程因素的影响,随着高程上升这些地区的潜在土壤的侵蚀力量变高.同时从土地覆被类型的角度来看,这些区域林地覆盖程度高,茂密的林木对降水有较强的截留作用,这种截留不仅可以减少雨水对地表的冲刷和对土壤的侵蚀,而且林木本身也具有很发达的植物根系,在抵挡水土流失的侵蚀方面能力较强.

东江流域单位面积碳储存供给量大于流域单位面积供给量.碳储存服务供给高值区位于紫金县、定南县、新丰县等,从土地覆被类型来看,该地区林地、草地比较集中.

2.2 供需数量关系与空间匹配关系

基于生态系统服务供需比方程得到的东江流域四项生态系统服务供需比结果.东江流域2020年产水服务、食物供给服务、土壤保持服务、碳储存服务供需比分别为0.64、-0.04、0.12、0.01.其中产水服务、土壤保持服务、碳储存服务的供需比均为正值,供需关系为盈余;食物供给服务供需比为负值,供需关系为赤字.从整个流域来看,产水服务供需比均为负值的区域多集中在东江流域的中下游地区.

各个区县食物供给服务供需比均为负值.这是因为东江流域的地形主要以山地丘陵为主,地块破碎不适宜大面积耕种.流域土质以红壤土、砖红壤土为主,土壤酸性强,有机质少,土壤肥力低.同时该地区人口又较为密集,对食物的需求较大,由此整个东江流域的食物供给小于食物需求.

各个区县土壤保持服务供需比均为正值,供给大于需求.近些年随着生态环境工程的实施,流域内无论是上游地区、中游地区还是下游地区都大力种树育林.这在一定程度上减少了降水对土地表面的冲刷,减少地面径流对土壤的侵蚀,减少了水土流失,因此土壤保持服务供需状况较好.

东江流域是我国人口聚集区与工业集中分布的密集区之一,人口密度大的同时碳排放量也大.其中东莞市、龙华区、龙岗区等供需比均为负值,这些区域人口密度大、工业产业布局集聚等影响,其碳储存供给量小于需求量.而碳储存供需比为正值的有东源县、紫金县、惠东县等.这些地区受人口分布和工业产业布局分布的影响,碳储存的供给量大于其需求量,因而这些地区碳储存供需状况较好.

图3 东江流域生态系统服务供需空间匹配

图4 生态系统服务供给、需求与驱动因子的RDA排序图

利用GeoDA软件对东江流域各项生态系统服务供需进行双变量局部空间自相关分析可知,东江流域共有四种生态系统服务供需空间匹配类型(图3).分别为高高型(高供给-高需求空间匹配)、低低型(低供给-低需求空间匹配)、低高型(低供给-高需求空间错位)和高低型(高供给-低需求空间错位).其中产水服务、土壤保持服务和碳储存服务中,人口密度较高的地区往往以低供给-高需求空间错位为主,人口密度较小的地区则主要以低供给-低需求空间匹配为主.

2.3 生态系统服务供需驱动力分析

将东江流域四项生态系统服务的供给量进行标准化后导入CANOCO软件,结果显示(图4),RDA供给排序图前两轴共解释了72.35%的变量.其中,冗余分析第一排序轴解释了56.77%的变量,冗余分析第二排序轴解释了15.58%的变量.从RDA供给排序图的贡献率来看,X2贡献率为8.5%,X3贡献率为20.9%,X5贡献率为60.5%.根据箭头长短和贡献率结果可知,影响东江流域生态系统服务供给的驱动因子有年平均气温、城镇化率和年末总人口.城镇化率对食物供给有着很大的影响,城镇化率增加,人们需要更多的建设用地用于生产生活,耕地面积就会相应的减少,从而导致食物供给的能力减弱.年平均气温和年末总人口数对产水供给服务、土壤保持服务供给和碳储存服务供给均有非常重要的影响.

根据RDA需求排序图可知(图4),RDA需求排序图前两轴共解释了83.46%的变量.其中,冗余分析第一排序轴解释了65.64%的变量,冗余分析第二排序轴解释了17.82%.从RDA需求排序图的贡献率来看,X3贡献率为70%,X5贡献率为18.6%,X6的贡献率为4.3%.根据箭头长短和贡献率可知,影响东江流域生态系统服务需求的驱动因子有年末总人口(X3)、城镇化率(X5)和地区国内生产总值(X6).综上,根据箭头长短和贡献率可知,影响东江流域生态系统服务需求的驱动因子有年末总人口数、城镇化率和地区国内生产总值.其中年末总人口数对产水服务需求量、食物供给服务需求量和碳储存服务需求量有非常重要的影响.人口数量越多,对水和食物的需求量就越大,碳排放量就越多,是一种同增同减的相关关系.城镇化率对土壤保持需求有重要的影响,建设用地面积增加,对土壤保持的能力就会减弱.地区国内生产总值对产水服务需求、食物供给服务需求、土壤保持服务需求和碳储存服务需求均有十分重要的影响.

3 讨论

流域生态系统服务具有跨省市和跨区县的流动性,因而往往伴随着复杂多变的空间分布问题.当前在研究对象的选择上多数学者选择了单一的行政单元[29],而以经济差距较大的流域作为研究区的文章不多.因此本文在研究区的选择了具有典型性和特殊性较为明显的东江流域.与此同时,本文所采用的“以人定需”量化方法[30],所选取的人口密度、人均需求量的研究结果与前人研究结果基本相吻合,均呈现出人口聚集区和工农业聚集区对生态系统服务需求较大的显著特点.

本文在研究方法及具体的计算过程中存有一定的局限性.在模型运算时的部分参数修正与调整,如季节常数、东江流域碳库表、植物管理因子等主要是参考和借鉴了相近研究区的结果而获得,存有一定的偏差.未来应提高模型的适配度及数据的完整性,优化评估方式,提高评估准确性.在后续的研究中更加注重人类福祉与生态系统服务之间的关系,以更加全面的角度对供需空间异质性展开探讨,以期为流域上下游经济协调发展贡献力量.

根据目前研究所掌握的东江流域生态系统服务供需现状,为提高生态风险保护意识,需提高各项生态系统服务的供给量以满足区域需求.为此本文提出以下几点建议,仅供参考:着力保护生态源地,积极实施生态修复.要继续加大生态保护力度,重点保护东江源区(寻乌、安远、定南)的生态环境,重点建设高质量水源林、储备林等生态修复工程;加快上游城市建设,促进流域协调发展.东江源区有着得天独厚的自然条件,应加快建设现代化农业产业,进而促进区域经济发展.同时也可将东江流域下游部分劳动密集型产业往上游回迁,缓解下游因人口过度集中而导致生态系统服务供不应求的压力;提高风险监测水平,提升防灾减灾响应速度.东江流域位于我国季风气候区和台风频发区,降水量丰富的同时容易形成洪涝灾害.因而要加强流域内遥感检测工作的力度和效率.

4 结论