疏勒河流域生态系统服务供需空间匹配特征_周凡.pdf

第46卷第3期2023年3月ARIDLANDGEOGRAPHYVol.46No.3Mar.2023doi：10.12118/j.issn.10006060.2022.337疏勒河流域生态系统服务供需空间匹配特征周凡1，周冬梅2，金银丽2，马静2，杨静2，朱小燕2，张军2,3,4（1.甘肃农业大学管理学院，甘肃 兰州730070；2.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州730070；3.甘肃省节水农业工程技术研究中心，甘肃 兰州730070；4.干旱生境作物学国家重点实验室，甘肃 兰州730070）摘要：生态系统服务与人类可持续发展紧密相连，研究区域生态系统服务供需特征，了解其空间匹配状况是实现生态资源有效配置和推动区域生态安全的重要前提。基于多源数据，在InVEST模型、ArcGIS和GeoDA软件的支撑下，分析疏勒河流域产水服务、固碳服务、食物服务供需特征和空间匹配状况。结果表明：（1）除产水服务外，疏勒河流域其他各项生态系统服务供给均大于需求，但不同区域和生态系统服务间存在差异。（2）疏勒河流域综合服务供需比为0.063，不同生态系统服务的供需比由高到低依此为：固碳服务（0.1854）、食物服务（0.0078）和产水服务（-0.0043）。（3）产水服务和固碳服务空间匹配类型都主要以低高型空间错位和高低型空间错位为主，食物服务空间匹配类型主要以低低型空间匹配为主，其中产水服务的空间匹配错位现象最严重。关 键 词：生态系统服务；供需关系；空间匹配；疏勒河流域文章编号：10006060（2023）03047110（04710480）经济过快的发展加重了生态环境的压力，土地退化、干旱、荒漠化和生物多样性丧失等问题接踵而至1，威胁到人类的生存环境，而生态系统服务功能是维系人类生存和支撑地球生命系统的物质基础，人类生存与发展所需要的资源归根结底都来源于自然生态系统。中国政府先后出台了 全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划（20212035 年）山水林田湖草生态保护修复工程指南（试行）关于深化生态保护补偿制度改革的意见等政策指引，以保障国家生态建设，以及完善生态系统功能，进而加快生态文明体制改革，建设美丽中国。因此，深入挖掘生态系统服务的供需关系，揭示其供需空间分布状态就显得尤为重要。生态系统服务的供给与需求共同构成生态系统服务从自然生态系统流向人类社会系统的动态过程2-3，近些年来关于生态系统服务供需的研究主要集中在生态系统服务供给与需求的量化、不同时空尺度下供需匹配关系和供需关系的演变过程4-6、生态系统服务流7-8等方面，且大多研究都以生态系统服务价值当量、土地利用估计、专家评估矩阵等方法为主9-13。研究尺度也主要集中在流域、市域、全球尺度等中大尺度，小尺度的相对较少。国外学者对生态系统服务供需的研究较多，如Costanza等14首次对全球生态系统服务价值进行了评估；Wolff等15以全球为研究尺度研究人类对昆虫授粉、野生药用植物和室外游玩的需求空间图；Ala-Hulkko等16量化了粮食的供给与需求，绘制了欧洲生态系统服务供需关系图；Schirpke等17对欧洲阿尔卑斯山地区多重生态系统服务供给、流与需求簇间关系进行了研究。我国对于生态系统服务供需的研究起步较晚，主要集中在对生态系统服务供需的理论研究18-20，也有部分学者对生态系统服务供需的时空变化做了研究，如刘立程等21选取多种生态系统服务指标来研究黄土丘陵区的供需匹配情况；李成等采用Burkhard收稿日期：2022-07-06；修订日期：2022-08-02基金项目：甘肃省高等学校创新基金（2021A-061）；甘肃省自然科学基金（21JR7RA811）；甘肃省林业和草原科技创新计划（LCKJCX202-205）资助作者简介：周凡（1996-），女，硕士研究生，主要从事生态系统服务方面的研究.E-mail:通讯作者：张军（1977-），男，博士，教授，主要从事农业生态学和土地资源管理等方面的研究.E-mail:46卷等22 提出的生态系统服务供需评价矩阵法分析供需格局；赵雪雁23也通过4项生态系统服务指标来反映生态系统服务供需的时空变化；胡其玉等24通过耦合生态系统服务供需和景观生态安全格局，探究城市群地区生态空间结构，从而达到优化农业-城镇-生态网络空间布局的目的。疏勒河流域是河西地区三大内陆河流域之一，其又位于“两屏三带”中的北方防沙带，是重要的生态屏障之一25，流域内降水稀少且分布极不均匀，生态环境脆弱，是甘肃省干旱程度最严重的地区之一26。这严重制约着该区生态可持续发展，而研究生态系统服务供需对实现生态安全具有重要的参考意义，且目前没有关于疏勒河流域生态系统服务供需方面的研究，因此有必要厘清该区域生态系统服务供需格局，为资源科学有效的分配提供依据。综上所述，本文以疏勒河流域为研究区，选择产水、固碳、食物3项生态系统服务，分析各项生态系统服务供需的空间供需特征和匹配状况，为疏勒河流域生态系统优化提供理论支持。1研究区概况疏 勒 河 流 域（93 22 98 59E，38 10 4247N）位于甘肃省河西走廊西端，面积约 1.12105km2 27，地势北低南高，海拔8025504 m（图1）。流域内降水量少，蒸发量大，是以高山冰雪融水和山区降水为补给的内陆河流，流域上游山区山高坡陡，水流急促，具有典型的大陆性永久性冰川，同时也发育大面积多年冻土，是整个流域的产流区和水源涵养区。中、下游地势平坦，绿洲与荒漠并存，自然环境十分脆弱。疏勒河流域范围包括肃北蒙古族自治县、瓜州县、玉门市、敦煌市部分区域和阿克塞哈萨克族自治县（简称阿克塞县）部分区域。其中，肃北蒙古族自治县包括肃北蒙古族自治县北部简称肃北县（北）、肃北蒙古族自治县南部 简称肃北县（南）两部分。2数据与方法2.1 数据来源研究数据来源为：（1）2020年土地利用数据来源于Globeland30全球地理信息公共产品；（2）2020年归一化植被指数（NDVI）数据来源于国家青藏高原科学数据中心（http:/ 11、12月和 1月，求其余 9个月份 NDVI的均值；（3）2020年研究区各县区人口数据、食物产量数据、能源消耗数据和水资源消耗数据来源于甘肃省和研究区各县区统计年鉴；（4）2020年人口栅格数据来 源 于 WorldPop（https:/www.worldpop.org）；（5）2020年栅格国内生产总值（GDP）密度数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（https:/）；（6）人均用水量来源于2021年酒泉市国民经济和社会发展统计公报；（7）每万元GDP耗水量和耕地平均灌溉用水量来源于2020年甘肃省水资源公报。2.2 研究方法2.2.1产水服务产水服务是生态系统拦截滞蓄降水、储存淡水的一项重要服务，可以有效保持土壤水分，调节河流流量28。本文采用InVEST模型中的产水模块（Water yield）计算疏勒河流域产水服务供给量；结合研究区人口栅格密度、人均用水量、栅格 GDP 密度等数据计算产水服务的需求量，计算公式29-31如下：供给：Swp=()1-AET(x)P(x)P(x)(1)注：肃北县表示肃北蒙古族自治县；阿克塞县表示阿克塞哈萨克族自治县。下同。图1 研究区示意图Fig.1 Schematic diagram of the study area4723期周凡等：疏勒河流域生态系统服务供需空间匹配特征AET()xP()x=1+PET()xP()x-1+()PET()xP()xw1/w(2)PET()x=KC()xETO()x(3)W()x=AWC()xZP()x+1.25(4)需求：Dwp=Ppopx+Ggdpy+AcY(5)式中：Swp为2020年产水服务供给量（mm）；AET()x为栅格单元的年实际蒸散量（mm）；P()x为栅格单元的年降水量（mm）；PET()x为栅格单元x的潜在蒸散量（mm）；KC()x为作物蒸散发系数；ETO()x为参考（作物）蒸散量（mm）；AWC()x为植物可利用含水量（mm）；W()x为经验参数；Z 为 Zhang 系数28；Dwp为需水量（m3）；Ppop为栅格人口密度（人 km-2）；x为人均用水量（m3），包括生活用水、农业用水、工业用水和生态用水；Ggdp为栅格GDP密度数据（104元 km-2）；y为每万元GDP耗水量（m3）；Ac为耕地栅格空间分布数据，提取自土地覆被数据；Y为耕地平均灌溉用水量（m3km-2）2.2.2食物服务食物服务是农业生态系统中一项重要的服务功能，而农作物与归一化植被指数（NDVI）之间具有显著的线性关系32，因此参考刘立程等21的研究，计算公式如下：供给：Gi=GsumNDVIiNDVIsum(6)需求：Dfp=Dpcfcpop(7)式中：Gi为 i 栅格分配的粮食、肉类、奶类的产量（tkm-2）；Gsum为研究区粮食总产量、肉类、奶类总产量（t）；NDVIi为i栅格的归一化植被指数；NDVIsum为耕地或草地的NDVI值之和；Dfp为食物需求量（t）；Dpcfc为人均食物需求量（t）；pop为栅格人口密度（人km-2）。2.2.3固碳服务固碳服务能够捕获并固定大气中的CO2，有效调节气候33-34，是生态系统中一项重要的调节服务。本文参考刘立程等21的研究，用 InVEST模型中的Carbon Storage模块评估疏勒河流域固碳服务供给量，以研究区人均碳排放量与人口密度的乘积作为固碳服务的需求量。计算公式21,23如下：供给：Ctot=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead(8)需求：Dcp=Dpcccpop(9)式中：Ctot为总碳储量（thm-2）；Cabove为地上生物碳（thm-2）；Cbelow为地下生物碳（thm-2）；Csoil为土壤有机碳（thm-2）；Cdead为死亡有机物（thm-2）；Dcp为固碳需求量（t）；Dpccc为人均碳排放量（t）；pop为栅格人口密度（人 km-2）。2.3 生态系统服务供需比生态系统服务供需比（ESDR）可以用来反映生态系统服务供需情况，计算公式35如下：ESDR=S-D()Smax+Dmax2(10)式中：ESDR为生态系统服务供需比；S为生态系统服务的供给量；D为生态系统服务的需求量；Smax为供给量的最大值；Dmax为需求量的最大值。ESDR0表示生态系统服务供大于求；ESDR0，表示空间单元的服务平衡度是高-高值或低-低值的空间聚集；LISA食物服务产水服务，但不同生态系统服务在不同区域存在差异。（3）疏勒河流域生态系统服务供需匹配存在4种类型：高高型空间匹配、低低型空间匹配、低高型空间错位和高低型空间错位。其中，产水服务以低高型空间错位为主；固碳以低高型空间错位和高低型空间错位为主；食物服务主要以低低型空间匹配为主。（4）产水服务供给盈余区主要集中于海拔较高的肃北县（南），供给赤字区主要集中于人口密度大、农业较为发达的流域中、下游；固碳服务供给盈余区主要零散分布于肃北县（北）和肃北县（南），供给赤字区主要集中于人口密度较大的主城区；食物服务供给盈余区主要集中于流域中、下游耕地多的地方，供给赤字区分布较少。参考文献（References）1巩杰,柳冬青,高秉丽,等.西部山区流域生态系统服务权衡与协同关系以甘肃白龙江流域为例J.应用生态学报,2020,31(4):1278-1288.Gong Jie,Liu Dongqing,Gao Bingli,et al.Tradeoffs and synergies of ecosystem services in western mountainousChina:A case study of the Bailongjiang watershed in Gansu,ChinaJ.Chinese Journal of Applied Ecology,2020,31(4):1278-1288.2赵晓冏,苏军德,王建,等.甘肃省生态服务供需关系及影响因子研究J.中国环境科学,2021,41(10):4926-4941.Zhao Xiaojiong,Su Junde,Wang Jian,et al.A study on the relationship between supply-demand relationship of ecosystem services and 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River BasinZHOU Fan1,ZHOU Dongmei2,JIN Yinli2,MA Jing2,YANG Jing2,ZHU Xiaoyan2,ZHANG Jun2,3,4(1.College of Management,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,Gansu,China;2.College of Resources and Environment,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,Gansu,China;3.Research Center for Water-Saving Agriculture in GansuProvince,Lanzhou 730070,Gansu,China;4.State Key Laboratory of AridlandCrop Science,Lanzhou 730070,Gansu,China)Abstract:Ecosystem services are closely linked to sustainable human development.Studying the supply and demand characteristics of regional ecosystem services and comprehending their spatial matching status are essentialprerequisites for achieving the efficient allocation of ecological resources and promoting regional ecological security.The water production,carbon sequestration,and food services of the Shule River Basin in the Gansu Province of China were all examined on the basis of multisource data a