生态系统服务是生态系统对人类福祉的直接或间接贡献^[1-2], 主要包括为人类提供食物和水等物质的供给服务, 调控洪水和疾病等方面的调节服务, 提供精神、消遣和文化收益等方面的文化服务, 以及在养分循环等方面维持地球生命条件的支持服务^[3], 是人类生存至关重要的资源和环境基础。目前, 该领域国内外研究热点和难点主要集中在生态系统服务产生机理^[4]、服务量与价值量评估及时空分布^[5]、驱动与反馈机制^[6]、权衡与协同^[7]、供需平衡及空间匹配^[8]。开展生态系统服务供给、需求和消费研究, 包括数量上的供需均衡关系和空间关联格局, 可以为生态系统管理和资源合理有效配置提供决策辅助, 对人与自然和谐耦合发展具有重要意义^[9]。

生态系统服务供给在空间上直接受土地利用/土地覆被(land use/cover change, LUCC)影响, 在数量上受制于自然资本提供服务的能力; 生态系统服务需求由个人和群体的社会经济活动决定, 具有区域差异性和需求弹性差异^[9], 因此生态系统服务的供给和需求具有很强的分异特征。针对不同时空尺度下生态系统服务的潜力、需求和供给, 目前已经有很多测算模型和评估体系^[10], 但大多数方法侧重于生态系统服务供应^[11], 未充分考虑生态系统服务需求。生态系统服务供给和需求的空间化方法大致可分为土地利用估计、生态过程模拟、数据空间叠置和专家经验判别^[12]。BURKHARD等^[13-14]提出基于土地覆被的生态系统服务矩阵, 空间化评估生态系统服务供需情况, 衡量区域生态系统服务潜力、供给和需求。此方法操作简便, 数据要求低, 通过专家评分(0~5分)矩阵计算区域生态系统服务供给和需求, 便于比较区域间生态系统服务供需情况, 已经应用于德国Bornhöveder湖^[15]、泰国Phang Nga湾^[16]、芬兰Lapland地区^[17]和东南亚^[18]等地的生态系统服务研究, 并取得良好的评价效果。在国内, 白杨等^[19]和LI等^[8]应用该方法分别评估白洋淀和太湖流域生态系统服务供需格局。

京津冀区域是我国经济、科技、文化和教育最发达地区之一, 在我国经济社会发展中具有重要的战略地位。随着北京人口急剧增加, 天津和河北重工业快速发展, 京津冀区域出现太行山和燕山土壤侵蚀以及坝上高原荒漠化加剧, 平原洼淀加速萎缩甚至消失, 海岸和河口生态系统退化, 地面沉降, 海水入侵, 沙尘暴和重污染天气频发等严重生态环境问题。除生产性供给功能外, 京津冀区域生态系统服务其他服务功能均有不同程度下降或退化^[20], 生态系统服务价值均呈现小幅下降趋势^[21], 人均生态服务价值远远落后于全国平均水平^[22]。利用生态系统服务评分矩阵, 采用GIS技术分析1990—2015年京津冀区域生态系统服务供需格局演变, 整体评估京津冀区域近25 a生态系统服务变化情况, 为京津冀区域生态环境管理和政策制定提供科学依据。

1 数据与方法 1.1 研究区概况

京津冀区域(36°01′~42°37′ N, 113°04′~119°53′ E)位于环渤海心脏地带, 北靠燕山山脉, 南朝华北平原, 西倚太行山, 东临渤海湾。研究区地势由西北向东南倾斜, 地貌类型多样, 属于典型温带半湿润半干旱大陆性气候区, 降水量自东南向西北递减。研究区面积约为21.66万km², 约占全国总面积的2.26%；2016年常住人口1.12亿人, 占全国总人口的8.28%；GDP为75 624.9亿元, 占全国GDP的10.16%。其中, 河北省面积占京津冀区域面积的86.80%, 生态空间扩展潜力巨大, 生态安全保障地位突出, 是京津冀生态系统平衡的支撑主体, 综合考虑自然和社会经济条件以及主体生态功能和生态系统完整性, 河北省构建了京津保中心区生态过渡带、坝上高原生态防护区、燕山-太行山生态涵养区、低平原生态修复区和海岸海域生态防区的“一核四区”生态建设安全格局, 全力建设京津冀生态环境支撑区(图 1)。

1.2 数据来源

土地覆被数据来源于河北省生态本底数据库中1990和2015年京津冀区域1:10万土地利用现状遥感监测解译数据, 该解译数据以Landsat TM和Landsat 8遥感图像为主要信息源, 季相为夏季, 将京津冀区域LUCC划分为6个一级类, 22个二级类。

1.3 生态系统服务评分矩阵

生态系统服务供应与需求评估采用BURKHARD等^[14]提出的评分矩阵法, 该方法基于统计资料、模型结果、专家知识、问卷调查和监测数据等多种数据, 将生态系统服务分为调节服务、供给服务和文化服务3大类, 其中调节服务包括气候调节、空气质量调节、水量调节等8项服务, 供给服务包括农作物生产供给、能源供给、生物产品供给等8项服务, 文化服务包括休憩娱乐、景观美学享受、知识与教育等5项服务。分别对每种土地利用类型的生态系统服务价值进行评分(0~5分), 0分表示无相关供应或需求, 5分表示最大相关供应或需求。笔者结合京津冀区域实际情况, 选择夏季6月为评估时间节点, 在咨询5位熟悉该区域的土地生态学专家基础上, 对评分矩阵进行修正, 分别得到京津冀区域生态系统服务潜在供给评分矩阵(表 1)、实际供应评分矩阵(表 2)和需求评分矩阵(表 3)。

1.4 生态系统服务供给率和供需比

采用生态系统服务的供给率和供需比2个指数^[18]对比不同时期区域间生态系统服务整体特征, 供给率指生态系统提供实际生态系统服务的能力, 供需比指用来反映生态系统实际供给和人类需求之间的平衡状态。计算公式分别为

$ X/Y/\mathit{Z}{\rm{ = }}\sum\limits_{i = 1}^n {\sum\limits_{j = 1}^m {\left( {{A_i} \cdot {p_{ij}}} \right)} } 。$

(1)

式(1)中, X、Y和Z分别为生态系统服务潜在供给、实际供给和需求；A_i为第i种土地利用类型面积; p_ij为第i种土地利用类型第j种生态系统服务潜在供给、实际供给、实际需求得分值。

$ {C_1} = Y/X $

(2)

$ {C_2} = \frac{{Y-Z}}{{\left( {X + Y} \right)/2}}\left\{ \begin{array}{l} > 0, {\rm{盈余}}\\ = 0, {\rm{平衡}}\\ < 0, {\rm{赤字}} \end{array} \right\}。$

(3)

式(2)~(3)中, C₁和C₂分别生态系统服务的供给率和供需比。供给率越大, 表明生态系统服务实际供给的转化率越高。供需比越大, 说明生态系统服务的供需盈余越多。

2 结果与分析 2.1 京津冀区域土地变化情况

1990—2015年京津冀区域土地覆被以耕地为主, 约占区域总面积的50%, 其次为林地、草地和建设用地, 水域和未利用地所占比例极小, 均小于3%。如表 4所示, 1990—2015年京津冀区域土地变化趋势为建设用地面积大幅度增加, 林地面积略有增加, 耕地、草地、水域和未利用地面积减少。与1990年相比, 2015年耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地面积变化幅度分别为-8.56%、0.68%、-6.32%、-5.67%、86.95%和-39.32%。分区域看, 1990—2015年河北省土地变化趋势与京津冀区域保持一致, 林地和建设用地面积增加, 其他地类面积减少, 其中建设用地面积变化幅度最大, 为82.78%;天津市除建设用地面积增加外, 其他地类面积均减少, 其中草地和未利用地面积均呈现大幅度减少, 变化幅度分别为-59.14%和-77.76%;北京市林地、建设用地和未利用地面积增加, 其他地类面积减少, 其中建设用地变化幅度较大, 增加139.42%。

2.2 京津冀区域生态系统服务供需格局

如表 5所示, 京津冀区域整体1990和2015年生态系统服务供给率均为0.78, 1990年河北省、北京市和天津市生态系统服务供给率均在0.76以上, 2015年除天津市略有降低外, 河北省和北京市没有变化, 说明1990—2015年河北省、北京市和天津市生态系统服务均处于高位供应状态, 生态系统服务可供挖掘潜力较小, 生态系统服务供应压力未能得到有效缓解。京津冀区域1990和2015年生态系统服务供需比分别为0.33和0.18, 说明1990和2015年京津冀区域生态系统服务供需都处于盈余状态, 但供需状况趋于恶化。其中1990和2015年北京市生态系统服务供需比均为负值, 河北省和天津市均为正值, 说明1990—2015年北京市生态系统服务供需处于赤字状态, 河北省和天津市生态系统服务供需处于盈余状态, 但河北省、北京市和天津市生态系统服务供需比均呈下降趋势, 京津冀区域生态系统服务供需都趋于恶化, 河北省和天津市生态盈余在减少, 北京市生态赤字在增大, 其中天津市生态系统服务供需比急剧下降, 说明天津市生态系统服务供需状况恶化更严重。

如图 2所示, 1990—2015年京津冀区域整体生态系统服务供需格局为西北部呈盈余状态, 东南部呈接近平衡状态, 其中北京、天津和石家庄市等呈赤字状态。与1990年相比, 2015年京津冀区域西北部生态系统服务供需变化很小, 东南部则随北京、天津、石家庄市等城市边界急剧扩张, 生态系统服务供需赤字范围急剧增大。

如表 6所示, 与1990年相比, 2015年河北省5个生态分区供给率变化都很小, 且2个时期供给率均在0.75以上, 说明1990—2015年各生态分区生态系统服务供应处于高压状态。1990和2015年河北省5个生态分区供需比分异显著, 坝上高原生态防护区和燕山-太行山生态涵养区供需比为正值, 其他3个分区为负值, 说明1990—2015年期间坝上高原生态防护区和燕山-太行山生态涵养区生态系统服务供需处于盈余状态, 低平原生态修复区、近海岸海域生态防护区和京津保中心区生态过渡带处于赤字状态。

与1990年相比, 2015年坝上高原生态防护区生态系统服务供需比保持不变, 其他4个生态分区均在下降, 其中低平原生态修复区、近海岸海域生态防护区和京津保中心区生态过渡带下降十分明显, 说明与1990年相比, 2015年坝上高原生态防护区生态系统供需没有变化, 燕山-太行山生态涵养区生态系统供需盈余状态略有下降, 低平原生态修复区、近海岸海域生态防护区和京津保中心区生态过渡带生态系统服务供需赤字则不断扩大。

3 讨论

基于土地利用/土地覆被对生态系统服务的供需进行空间化评估, 该方法操作简便, 但存在主观性太强的缺点, 评估结果的质量很大程度上依赖专家经验和知识深度。从各地类生态系统服务得分来看, 调节服务得分明显高于供给服务和文化服务得分, 生态用地(林地、草地、湿地)生态服务潜在供给和实际供给得分远高于建设用地和耕地, 同时, 建设用地生态服务实际需求得分远高于其他地类得分, 说明生态系统服务需求主要来自人类居住区域, 其他地类对生态系统服务需求很小。将生态系统实际供给评分矩阵与实际需求评分矩阵相减, 可发现生态系统服务空间失衡明显, 尤其表现在城镇用地、农村居民点和其他建设用地, 分值为负值且绝对值远高于其他地类。由于不同类别生态系统服务在不同时间呈明显差异, 尤其在季节波动明显的区域, 如耕地的供给服务动能等, 所以区域生态系统服务评分时应统一时间节点。

1990—2015年京津冀区域生态系统服务供应处于高位供应状态, 且供应压力未能得到有效缓解; 京津冀区域生态系统服务供需处于盈余状态, 但供需情况趋于恶化, 这主要是由于生态系统服务需求最大的建设用地面积急剧增加, 同时可提供重要生态系统供给服务的耕地面积及可提供重要调节服务的草地和水域面积迅速减少。研究区内坝上高原生态防护区和燕山-太行山生态涵养区生态系统服务供需处于盈余状态, 且变化幅度很小, 说明在研究期间实行的坝上京津风沙源治理、三北防护林工程、燕山山区小流域治理、太行山绿化、退耕还林还草等一系列生态工程建设取得一定成效, 一定程度上保留和恢复了当地生态用地数量和质量, 维持和改善了区域生态系统服务功能。而低平原生态修复区、近海岸海域生态防护区和京津保中心区生态过渡带生态系统服务供需处于赤字状态, 且赤字不断增大, 主要是由于城市用地急剧扩张、农村居民点面积增加挤占了耕地和林地空间, 导致生态系统服务需求急剧增加。

建议京津冀区域严格控制人口数量、城市用地规模, 划定耕地数量底线, 河北省充分发挥京津冀生态环境支撑区作用, 坝上高原生态防护区主体生态任务是防风固沙和涵养水源, 构建结构合理的绿色生态屏障, 恢复和建设疏林灌草景观。在燕山-太行山生态涵养区加快推进京津风沙源治理、太行山绿化、退耕还林、水土保持等生态工程建设, 在河流上游、矿山、水库、沙源、风口、风道周边及宜林荒山荒地, 大力营造水源涵养林和水土保持林。在低平原生态修复区全面实施地下水超采综合治理, 恢复地下水战略储备与生态功能, 调整农业种植结构, 发展节水型农林业, 加强湿地和农田保护。在海岸海域生态防护区系统规划和推进生态修复工程, 恢复和扩建滨海湿地, 整治和改善河口生态环境, 构建海岸生态防御体系, 减轻海洋灾害。在京津保中心区生态过渡带合理调减耕地规模, 增加生态用地数量, 重点建设成片森林和恢复连片湿地, 扩大生态空间, 为京津城市发展提供生态空间保障。

4 结论

笔者基于京津冀区域1990和2015年2期土地覆被数据, 采用生态系统服务评分矩阵方法, 利用GIS空间分析工具, 对京津冀区域生态系统服务供需格局时空演变进行分析, 研究发现1990—2015年期间京津冀区域生态系统服务供应处于高位供应状态, 且供应压力未能得到有效缓解, 京津冀区域生态系统服务供需处于盈余状态, 但供需情况趋于恶化。其中，北京市生态系统服务供需处于赤字状态, 河北省和天津市处于盈余状态, 与1990年相比, 2015年京津冀区域生态系统服务供需情况均趋于恶化。从空间上看, 京津冀区域西北部生态系统服务供需呈盈余状态, 东南部除北京、天津和石家庄市等大城市及周边呈赤字状态外, 其余呈平衡状态。与1990年相比, 2015年京津冀区域西北部生态系统服务供需状况变化幅度很小, 东南部随着北京、天津、石家庄等城市边界的急剧扩张, 生态系统服务供需赤字范围在急剧增大。研究期间坝上高原生态防护区和燕山-太行山生态涵养区生态系统服务供需处于盈余状态, 低平原生态修复区、近海岸海域生态防护区和京津保中心区生态过渡带处于赤字状态。与1990年相比, 2015年坝上高原生态防护区生态系统供需没有变化, 其他4个生态分区则均呈恶化趋势, 燕山-太行山生态涵养区生态系统供需盈余状态略有下降, 低平原生态修复区、近海岸海域生态防护区和京津保中心区生态过渡带生态系统服务供需赤字不断扩大。