京津冀地区作为中国北方经济第1大增长极, 经济高速发展, 生态环境问题突出, 区域生态压力越来越大。京津冀地区的平原区人口密度大, 人类对环境的干扰强烈, 能源消耗量巨大, 与此同时O₂吸收量大, CO₂产生量大; 而在太行山和燕山山区由于植被良好, 能够释放氧气, 吸收二氧化碳。研究京津冀区域固碳释氧生态服务的供受关系, 对区域大气环境保护、生态建设和区域健康发展具有重要意义。

目前, 国内关于固碳释氧的研究主要集中于2个方面:一是对森林草场等自然植被的固碳释氧能力或价值量进行测算, 如周自翔等^[1]对关中-天水经济区生态系统固碳释氧价值进行评价, 刘宪锋等^[2]对青藏高原生态系统固碳释氧价值动态进行评估; 二是对区域碳氧平衡的研究, 主要关注区域总量平衡分析或空间格局分析等方面, 如马巾英等^[3]以沿海城市厦门为例对城市复合生态系统碳氧平衡进行分析, 赵荣钦等^[4]以中原经济区为例通过土地利用数据对县域碳平衡进行空间分析。上述研究为区域生态平衡和经济可持续发展等提供了良好的思路, 但在区域尺度上, 针对固碳释氧生态服务, 采用空间分析方法和供-受生态域理论的实证研究, 还鲜有报道。基于2010年京津冀植被净初级生产力(NPP)数据及京津冀碳排放和氧吸收数据, 用区域植被固碳释氧的物质量减去区域各种人类活动释放二氧化碳和消耗氧气的量, 得到像元尺度固碳释氧净生态服务能力的空间分布格局。基于固碳释氧生态服务的供-受关系, 探索区域内部生态环境良好区与经济高速发展区的生态关系, 旨在为京津冀生态保护和区域可持续发展提供依据。

1 研究区概况及数据来源 1.1 研究区概况

京津冀地区位于华北平原北部, 地处36°05′~42°37′ N, 113°27′~119°50′ E, 包括北京市、天津市和河北省。地势西北高、东南低, 地貌类型复杂多样, 西北部为坝上高原, 西部和北部为太行山、燕山山脉, 东南部为华北平原北端, 东临渤海^[5]。气候为典型的温带半湿润半干旱大陆性气候, 降水量自东南向西北递减。京津冀大部分地区植被为温带落叶阔叶林, 北部坝上地区为温带草原。该区域人类活动频繁, 自然植被受到不同程度的破坏。作为我国北方经济最发达的地区, 京津冀地区是中国经济增长的第3级。区域内城市密布, 大规模的人类活动对自然环境影响巨大。

1.2 数据来源

所用的2010年京津冀净初级生产力遥感数据来源于全国生态环境十年变化遥感调查与评估项目电子数据库, 空间分辨率为250 m, 采用CASA模型估算得到。碳氧排放吸收数据来源于《北京市区域统计年鉴(2011)》^[6]、《天津市统计年鉴(2011)》^[7]、《河北统计年鉴(2011)》^[8], 其中, 北京市数据是直接利用各县区的能源消耗总量, 天津市数据是用全市总能源消耗量按GDP模拟得到, 河北省数据是利用各市规模以上工业企业能源消耗量按GDP模拟得到。人口密度数据来源于中国公里网格人口分布数据集^[9]。在此基础上, 用ArcGIS 10.0软件对数据进行相关裁切、运算处理。

2 理论模型与研究方法 2.1 供-受生态域理论模型

供-受生态域理论由高吉喜等^[10]提出, 生态域是指不同生态功能体之间以生态介质为纽带形成的有明显供受关系, 具备相对完整生态结构、生态过程和生态功能的地域综合体。生态功能体是具有完整结构和功能的生态区域, 常见的生态功能体有固碳释氧区、水源涵养区和水土保持区等。生态域中提供生态服务的区域为生态功能供体(简称供体), 接受生态服务的生态功能体为生态功能受体(简称受体)。各类生态功能体的空间位置、分布格局、质量和数量特征及其相互之间的关系用于共同表达具有供-受关系的生态域。多个供体在空间上的集合形成供域, 多个受体在空间上的集合形成受域, 供-受生态域的划分就是建立在对供体和受体的识别基础之上的。

在供-受生态域内, 联系不同生态功能体或不同生态单元的生态要素就是生态介质。供域、受域及两者之间的生态介质共同组成一个完整的供-受生态域。比如, 按照固碳释氧生态服务的供受关系划分, 植被状况良好的陆地生态系统是固碳释氧服务的供体, 人类活动密集区域是接受固碳释氧服务的受体, 联系这两者之间的氧气和二氧化碳是生态介质^[10]。

2.2 研究方法 2.2.1 自然植被固碳释氧模型

NPP模型将环境变量和遥感数据、植被生理参量联系起来且主要由植被所吸收的光合有效辐射和光利用率2个变量决定^[11-14]。计算方法及具体参数值选取详见文献[13-19]。根据植被光合作用和呼吸作用的方程式可推算:每形成1 g干物质, 可固定1.62 g CO₂, 并释放1.2 g O₂^[20]。

2.2.2 人类活动密集区域耗氧排碳模型

碳排放计算主要是根据能源消耗总量和标准煤与碳之间的比例系数确定:

$ {D_i} = \frac{{{M_i} \times k}}{{{C_i}}}。$

(1)

式(1) 中, D为某区域单位面积CO₂排放量, g·m^-2·a^-1; i为某县(市、区); M为某区域能源消耗总量(以标准煤计), g; k为CO₂和标准煤之间的质量比, 此处为2.54 t·t^-1[21]; C为某县(市、区)面积, m²。

除《北京市区域统计年鉴(2011)》提供各县(市、区)能源消耗总量外, 河北省无各县(市、区)能源消耗量数据, 仅提供地级市规模以上工业企业能源消耗总量, 天津提供全市能源消耗总量。因此, 采用GDP比例模拟方法得到:

$ {M_i} = \frac{{{I_{{\text{GDP}}, i}}}}{{{I_{{\text{GDP}}, j}}}} \times {M_j}。$

(2)

式(2) 中, I_GDP为国内生产总值；i为某县(市、区); j为该县(市、区)所在地级市。

人呼吸产生的CO₂计算公式为

$ {D_{\text{h}}} = \frac{P}{{{{10}^6}}} \times l \times 365。$

(3)

式(3) 中, D_h为单位面积内人呼吸排放CO₂量, g·m^-2·a^-1; P为人口密度值, 人·km^-2; l为每人每天呼吸排放CO₂量, 数值为0.75 kg^[22]。

$ D = {Q_{{\text{NPP}}}} - {D_i} - {D_{\text{h}}}。$

(4)

式(4) 中, D为碳净服务像元值, g·m^-2·a^-1; Q_NPP为单位面积固碳量, g·m^-2·a^-1。

由化学反应方程式(C+O₂=CO₂)和分子量可知, 每产生44 g CO₂需要消耗36 g O₂, 因此, 可根据CO₂排放量计算O₂消耗量。氧的净服务值与碳的计算方法相类似, 这里不再赘述, 其中, 每人每天吸入的O₂质量为0.9 kg^[22]。

2.2.3 固碳释氧净生态服务价值化方法

固碳释氧净生态服务价值量是由NPP推算出的固碳释氧量减去经济活动和人生理呼吸作用的耗氧排碳量所得的净价值量再乘以相关系数得到。

采用碳税值法计算得到CO₂中C的价格是690元·t^-1(1990年不变价格), 释氧价格按造林成本法计算得到的结果为353元·t^-1(1990年不变价格)。

$ {V_1} = D \times {S_{\text{碳}}} \times {R_{\text{碳}}}, $

(5)

$ {V_2} = O \times {S_{\text{氧}}}。$

(6)

式(5)~(6) 中, V₁和V₂分别为固碳、释氧的价值, 元·m^-2·a^-1; D和O分别为碳、氧净服务像元值, g·m^-2·a^-1; S_碳为固碳价格, 元·g^-1; R_碳为CO₂中C含量, %; S_氧为O₂价格, 元·g^-1。

2.2.4 供-受域划分模型

进一步计算得到固碳释氧净生态服务价值量(V，元·m^-2·a^-1):

$ V = {V_1} + {V_2}。$

(7)

对固碳释氧净生态服务价值量进行分类, 以像元值 > 1元·m^-2·a^-1地区为主要供域, > 0.25~1元·m^-2·a^-1地区为次要供域, > -0.25~0.25元·m^-2·a^-1地区为平衡域, > -1~-0.25元·m^-2·a^-1地区为次要受域, ≤-1元·m^-2·a^-1地区为主要受域。

固碳释氧供-受体县域划分系数计算公式:

$ W = \frac{{{Q_{{\text{max}}}}}}{{{Q_{{\text{sum}}}}}} \times 100\% 。$

(8)

式(8) 中, W为固碳释氧供-受体县域划分系数, %; Q_max为某县(市、区)分布面积最大的生态域的像元数; Q_sum为某县(市、区)像元总数, 根据表 1供-受县域划分原则进行划分。

3 结果与分析 3.1 固碳释氧净生态服务平衡分析

将各类数据进行汇总, 通过查阅统计年鉴得到京津冀GDP数据, 通过裁切得到京津冀1 km人口空间分布数据; 进一步利用ArcGIS栅格计算器进行相关运算分别得到固碳、释氧净生态服务能力空间格局(图 1)。

京津冀GDP高值集中在研究区东南部平原地区〔图 1(a)〕。区域内GDP空间分布不均衡, 呈现团聚式分布。从北向南, 第1个高值区域是京津唐3城市区, 呈现三角形团聚形式, 3地GDP合计占研究区GDP总量的63.27%, 平均单位面积GDP为6 864万元·km^-2, 是研究区经济总量最大的区域; 中部和南部有石家庄和邯郸2个经济中心, 经济总量也相对较高。

京津冀地区人口空间分布格局表现为东多西少、南多北少〔图 1(b)〕。燕山、太行山地区人口稀少, 大部分地区人口密度在5人·km^-2以下, 在山间沟谷等相对平坦的地区人口略有集中。华北平原人口密度大, 大部分地区人口密度在120人·km^-2以上。在渤海湾沿岸区, 人口密度也较小。

根据固碳释氧关系式, 采用ArcMap软件对自然植被中固碳量和释氧量与人类活动的CO₂释放量和耗氧量进行栅格计算, 分别得出研究区碳、氧平衡图〔图 1(c)~(d)〕。

京津冀碳净生态服务整体呈现西北高东南低的趋势〔图 1(c)〕。固碳量盈余地区面积占全区面积的64.03%, 主要位于境内的燕山、太行山区, 冀西北草原区, 及境内华北平原中东部区域。固碳量盈余>2 000 g·m^-2·a^-1地区面积占全区面积的18.32%，主要分布在承德大部、张家口东部、北京西北部、秦皇岛北部和保定西北部地区。固碳量亏损地区面积占全区面积的35.97%, 主要位于华北平原的北部及南部, 呈团聚式分布, 形成3个中心:一是以京津唐3市为核心城市, 基本覆盖3市下辖县区; 二是以石家庄市为核心城市, 覆盖石家庄市大部地区; 三是以邯郸市为中心, 基本覆盖邯郸市全境。亏损量最大的地区, 即≤-16 000 g·m^-2·a^-1地区占研究区面积的5.78%, 主要分布于研究区大部分地级市及其以上行政区的经济发展核心区和人口聚集区。氧净服务分布格局与碳净服务基本相似, 呈西北高、东南低〔图 1(d)〕。释氧盈余量 > 1 800 g·m^-2·a^-1地区面积占全区面积的7.18%, 主要位于燕山、太行山区。释氧盈余地区面积占全区面积的64.05%, 仍然大于亏损地区。氧亏损量最大的地区, 即≤-12 000 g·m^-2·a^-1地区面积占研究区面积的5.66%, 主要位于研究区经济发达、人口集聚的中心城市区。

3.2 固碳释氧净生态服务价值量分析

为了将固碳释氧的物质量统一量纲, 通过碳税值法和造林成本法, 将固碳释氧量和释碳耗氧平衡后的量转化为净价值量进行叠加, 得出京津冀固碳释氧净价值量分布(图 2)。

从空间上看, 京津冀固碳释氧净价值量正值区面积占研究区面积的64.32%, 负值区面积占35.68%。京津冀固碳释氧净价值量≤-1元·m^-2·a^-1的区域面积占研究区面积的21.42%, > -1~1元·m^-2·a^-1的区域面积占研究区面积的66.61%, > 1元·m^-2·a^-1的区域面积占11.97%。价值最高的地区, 即 > 1.25元·m^-2·a^-1区域主要位于研究区西北部, 呈条带状分布, 其面积占研究区面积的1.52%。价值量最低的地区即≤-6元·m^-2·a^-1区域主要集中在华北平原区的城市中心区和经济发达区, 其面积占研究区面积的6.18%。

为了分析各区域固碳释氧净价值量情况, 列出区域平均净生态服务价值表(表 2)。从单位面积固碳释氧净服务价值来看, 京津冀正值区面积虽大, 但供应能力差。从各地级市来看, 整体属于盈余区的有承德市、保定市、张家口市和衡水市。区域平均净生态服务价值最大的地级市是承德, 其平均供给能力却仅为0.85元·m^-2·a^-1。固碳释氧净生态服务价值量较低的3市是天津、唐山和北京。这3市面积所占比例虽然不大, 但单位面积需求量很大, 如天津市, 需要6.81元·m^-2·a^-1才能维持碳氧平衡。因此, 从全区来看, 整体为固碳释氧生态服务亏损区, 区域平均平衡价值量为-0.93元·m^-2·a^-1。

3.3 固碳释氧净生态服务供受关系分析

基于固碳释氧净生态服务价值量和供-受域划分模型计算得到京津冀固碳释氧供-受生态域分布(图 3)。京津冀地区供域面积最大, 受域次之, 平衡域最小〔图 3(a)〕。京津冀主要供域面积占研究区面积的11.97%, 次要供域面积占42.74%, 平衡县域面积占14.99%, 次要受域面积占8.88%, 主要受域面积占21.42%。可以看出, 虽然供域面积最大, 但是由于主要供域面积仅占供域面积的21.88%, 面积为10.22万km², 而受域中70.69%都是主要受域, 面积为18.29万km²。主要供、受域面积相差较大, 也导致京津冀各区域固碳释氧和释碳耗氧之间的不平衡。

县级行政区是我国的基本行政单元, 根据生态域理论可以将县域划分为供体或受体, 在空间上集合的生态功能体可以组成生态域。在县域尺度上分析京津冀固碳释氧供-受生态域, 对于生态补偿政策的制定具有现实意义。京津冀地区179个县(市、区)中共有64个供体县域、33个平衡县域和82个受体县域〔图 4(b)〕。平均净价值量最高的县域是承德市丰宁满族自治县, 其价值量为1.01元·m^-2·a^-1, 价值量最低的是天津市和平区, 其价值量为-339.46元·m^-2·a^-1。供体县域面积占全市面积60%以上的地区有承德市、张家口市、保定市和衡水市。邢台市平衡县域面积占61.25%, 是研究区平衡县域面积最大的地区。境内各县全部为受域的城市有天津市、唐山市和邯郸市; 境内40%以上(不含100%)面积为受域的城市有北京市、石家庄市和廊坊市。京津冀主要供体、平衡和主要受体县域见表 3。

表 3显示，京津冀地区共有16个主要供体县域、48个次要供体县域、33个平衡县域、21个次要受体县域和61个主要受体县域。从空间分布来看, 供域主要分布在研究区北部和中西部, 主要集中在2个条带区:一是承德北部-张家口东部供域带, 二是张家口南部-保定西北部供域带。次要供域位于北部地区和华北平原中部地区。受域呈团聚状集中分布, 位于京津唐区域、石家庄市、邯郸市3个地区。除这些区域外, 各级行政中心如市区、县区、镇中心也是受域分布区。平衡区的分布相对分散。

生态系统服务在区域内的流动是一个极其复杂的动态过程, 其辐射方向、范围和程度与生态介质有关^[23]。固碳释氧这一服务主要以CO₂和O₂作为生态介质, 结合京津冀地形图、风向图可以得出:承德市主要生态服务区为唐山、天津西北部、北京西部; 张家口主要生态服务区为北京; 保定主要生态服务区为北京东南部、廊坊和石家庄北部。

4 讨论

前人对于区域碳氧平衡的研究较为深入, 但大部分研究局限于某个城市或某个区域的碳、氧收支平衡状态, 通过大量表格进行描述, 没有落实到具体区域上^[24-25]。对于京津冀生态系统固碳释氧服务研究较少, 并且对固碳释氧的研究集中在不同树种、用地类型以及NPP等方面的服务能力研究^[26-27]。作为生态系统服务的一种, 固碳释氧服务不仅仅有服务的供给区, 还有服务的受益区, 研究者应将这2个方面同时纳入考虑范围。笔者将原有固碳释氧和碳氧平衡研究方法进行融合, 充分考虑经济发展水平和人口密度与区域内固碳释氧服务的生态关系, 计算出固碳释氧净生态服务物质量和价值量, 研究其空间分布格局, 将研究区通过供-受生态域理论连接成一个整体系统, 分析区域内部地理空间上的供-受关系。此外, 笔者将研究结果落实在县域行政界线, 主要是为了服务于行政管理, 为将来区域生态发展方向的确定和生态补偿政策的落实提供科学依据。

笔者仅仅根据生态域理论对京津冀固碳释氧服务的供-受关系进行分析, 今后还应针对这一空间关系进行更深入的研究。例如:分析固碳释氧服务供体的服务距离与服务范围, 确定受体的需求量, 根据风向进一步确定固碳释氧服务流转路径, 将供体、受体之间的生态关系进一步细化。笔者的研究还存在一些局限性, 例如, 县域能源消耗数据的缺失; 京津冀3个地区的统计口径不同, 导致笔者研究结果存在一定误差。由于数据收集工作难度较大, 仅利用2010年1 a的数据进行分析, 没有体现出固碳释氧服务的时间变化。

5 结论

基于ArcGIS平台以及供-受生态域理论与方法, 研究像元尺度固碳释氧净生态服务能力和价值, 并分析研究区内供-受关系, 得出以下结论:

(1) 京津冀GDP高值集中在研究区东南部平原地区, 京津唐3个城市区平均单位面积GDP为6 864万元·km^-2, 中部和南部的石家庄和邯郸经济总量也相对较高。京津冀地区人口空间分布格局为东多西少、南多北少, 燕山、太行山地区大部分区域人口密度在5人·km^-2以下, 华北平原人口密度大, 大部分地区人口密度在120人·km^-2以上。在渤海湾沿岸区, 人口密度也较小。

(2) 京津冀固碳释氧净生态服务能力呈现西北高东南低的趋势。净生态服务能力最强的区域主要分布在燕山-太行山区, 位于承德、张家口东部、北京西北部、秦皇岛北部和保定西北部地区。净生态服务能力负值区主要分布于华北平原区, 为研究区大部分地级市及其以上行政区的经济发展核心区和人口聚集区。

(3) 按固碳释氧服务价值量来衡量, 研究区净生态服务正值区面积占全区面积的64.32%, 负值区面积占35.68%。但正值区单位面积供给能力差, 负值区单位面积需求量大。承德市是单位面积固碳释氧价值量最高的地区, 也仅为0.85元·m^-2·a^-1, 而天津市最低, 其固碳释氧价值量为-6.81元·m^-2·a^-1。研究区整体上固碳释氧生态服务不能满足自身需求, 京津冀单位面积固碳释氧净生态服务价值量为-0.93元·m^-2·a^-1。

(4) 研究区共有64个生态供体县域、33个平衡县域和82个受体县域。主要供域面积占研究区面积的11.97%, 次要供域面积占42.74%, 平衡域面积占14.99%，次要受域面积占8.88%, 主要受域面积占21.42%。

笔者分析了京津冀固碳释氧服务的供-受生态关系空间格局, 为京津冀生态补偿政策的落实以及区域生态建设方向提供了科学依据, 未来希望通过进一步的研究, 探索京津冀生态域内固碳释氧生态服务的流转方法和具体供受过程, 为区域生态保护和区域健康持续发展服务。