生态系统服务供需是衡量区域生态环境健康程度的重要标准^[1], 生态系统服务供给指生态系统能够为人类社会提供的各项服务^[2-3], 需求是人类为了生存和发展从生态系统中获取的服务^[4]。生态系统服务供需状况能够直接影响区域生态系统的稳定性, 森林、湿地等生态涵养区域减少所导致的一系列生态问题, 其实质是生态系统服务供需空间错配所致, 深刻影响着地区生态系统的稳定性^[5]。因此, 生态系统服务供需研究是优化区域生态系统结构的重要基础, 对实现经济社会可持续发展具有重要的现实意义^[6]。

国外学者于20世纪90年代逐渐关注生态系统服务供需领域的研究。由于城镇化迅速推进, 大量生态用地被侵占, 引起全球性生态环境问题^[7]。早期生态系统服务供需研究以生态承载力为主^[8-9], 其主要思想是人们从生态系统获取的服务应当在生态系统能够提供这些服务的承受范围之内^[10]。21世纪以来, 国外学者逐渐关注于生态系统服务供需概念的界定^[11-12], 并以此为基础, 扩展到生态系统服务供需量化^[13-15]、不同时空跨度的生态系统服务供需匹配等研究^[16-17]。国内对生态系统服务供需研究尚处于起步阶段, 较早涉及生态系统服务供需的是森林资源市场化研究^[18]。2010年以后, 生态系统服务供需研究开始逐渐关注供需量化领域^[19], 之后国内学者以此为基础, 形成了省域^[20]、市域^[21]、城市群^[22]等多尺度的研究成果；在生态系统服务供给指标选取方面, 形成了粮食供给、产水量、土壤保持、固碳释氧等多种指标选取模式^[23-25]。在研究思路方面, 逐渐扩展到了权衡协同^[26]、时空分析^[27]、格局优化^[28]、土地整治空间分区等多个视角^[29-30]。在模型运用方面, 国内学者从多角度运用SPANs模型^[31]、InVEST模型^[32-33]等, 丰富了生态系统服务供需研究方法。综上所述, 以往研究多采用计算生态价值当量的方式来表征生态系统服务供需, 而利用模型定量测度生态系统服务供需的研究较少；且目前针对京津冀地区单一生态系统服务的研究较多, 涉及多项生态系统服务供需的研究较为不足。因此, 从定量角度测算多项生态系统服务的供需特征, 对丰富生态系统服务相关研究具有重要意义。

京津冀地区拥有较强的经济实力和人口吸引能力, 随着经济社会的发展, 城镇化进程逐步加快, 人地矛盾逐渐突出, 京津冀地区开始出现水资源污染、重污染天气频发等一系列生态环境问题, 究其根本原因在于生态系统服务供需状况严重失衡。本文以京津冀地区为例, 选择产水、碳固持、粮食生产三项生态系统服务, 探究生态系统服务供需状况的空间分布特征, 明晰各项生态系统服务的供需结构, 揭示生态系统服务供需类型的变化趋势。这不仅对维护京津冀地区生态系统稳定性, 促进京津冀可持续发展具有重要的现实意义, 还可以为该区域国土空间规划编制和生态建设政策制定提供支撑。

1 研究区概括及数据来源 1.1 研究区概括

京津冀地区涵盖北京市、天津市和河北省, 北部为燕山山脉, 南部为华北平原, 西部为太行山脉, 东部临渤海湾, 京津冀地区地貌类型多样, 西部和北部地区多为山地、高原、盆地, 东部和南部多为平原, 整体地形呈现西北部高, 东南部低的态势, 总面积达到218000 km², 占全国总面积的2.27%。截至2015年底, 京津冀地区常住人口超过1.1亿人；2015年GDP总量达6.9万亿元, 较2005年的2.1万亿元提高了2.3倍, 区域经济水平增长迅速；但高速的经济增长带来了环境污染、生态承载力降低等一系列生态环境问题。2015年中央审议通过了《京津冀协同发展规划纲要》, 明确了京津冀地区的发展方向, 提出京津冀应当以疏解北京非首都功能为主要任务, 调整优化京津冀地区城市布局和空间结构, 扩大环境容量。

1.2 数据来源

本研究中, 京津冀地区2005年与2015年土地利用现状数据以Land TM和Landsat-8遥感数据为主要信息源, 利用ENVI与ArcGIS软件解译所得, 并根据研究需要将土地划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地和湿地7种类型, 分辨率调整为100 m；2005年与2015年京津冀地区年平均降雨量数据来源于中国气象数据共享网；潜在蒸腾数据来源于全球干旱与潜在蒸腾量数据库(Global Aridity and PET Database), 从全球潜在蒸散分布图裁剪出京津冀地区数据, 并利用ArcGIS软件中的重采样工具将其分辨率调整为100 m；粮食生产量、人口数量来源于《北京统计年鉴》、《天津统计年鉴》、《河北经济年鉴》、《河北农村统计年鉴》；人均用水量来源于国民经济和社会发展统计公报；人均碳排放量来源于《BP世界能源统计年鉴》。

2 研究方法 2.1 产水服务

产水服务是指生态系统通过拦截降雨储存淡水资源的能力^{[24, 34]}。本文采用InVEST模型中的产水模块(Wateryield)量化京津冀地区的产水服务供给量；以研究区人均耗水量与人口密度的乘积作为产水服务的需求量。公式如下:

(1)

(2)

式中, Y_i为栅格i上的年产水量(mm)；AET_i为栅格i上的年蒸发量(mm)；P_i为栅格i上年降雨量(mm)。为了统一产水服务供给量与需求量的单位, 将栅格面积与Y_i相乘得到产水量体积, 作为京津冀地区产水服务供给量(m³)；D_wy为栅格i上产水服务需求量(m³)；D_wcpp为人均耗水量, 选用国民经济和社会发展统计公报公布的数据, 在2005年与2015年分别为426 m³/a与450 m³/a；ρ_i为人口密度(人/hm²)。

2.2 碳固持服务

生态系统的碳固持服务能够利用树木、土壤等固定大气中的二氧化碳, 有效缓解全球变暖趋势, 深刻影响着地区生态环境状况^[31]。本文利用InVEST模型中的碳固持模块(Carbon Storage)测度京津冀地区碳固持服务的供给量；以人均碳排放量和栅格人口密度的乘积作为碳固持服务的需求量。碳库参数为经验数据, 参考InVEST模型推荐取值以及李屹峰等^[35]、白杨等^[36]的研究, 确定不同地类的碳库参数。公式如下:

(3)

(4)

式中, C_tot为碳固持服务供给量(t/hm²)；C_above为地上生物量的碳密度(t/hm²)；C_below地下生物量的碳密度(t/hm²)；C_soil为土壤中的碳密度(t/hm²)；C_dead为死亡有机物中的碳密度(t/hm²)；D_cs为碳固持服务需求量(t/hm²)；D_pcce为人均碳排放量, 2005年与2015年分别为5.09 t/a和6.57 t/a；ρ_i为栅格人口密度(人/hm²)。

2.3 粮食服务

本文利用京津冀地区2005年与2015年粮食生产能力表征粮食服务供给。通过年鉴数据统计得到171个县区级行政区粮食产量, 将各个县区粮食产量与面积的比值作为粮食生产密度, 最后利用ArcGIS软件插值得到栅格格式的京津冀地区粮食服务供给量。粮食需求量则利用人均粮食需求量与人口密度的乘积得到, 其中人均粮食需求量采用唐华俊等^[37]的研究, 以基本满足中国人均粮食安全的需求量322.07 kg/a为本文的人均粮食需求量, 公式如下:

(5)

式中, D_fd为粮食需求量(t/hm²)；D_pcfd为人均粮食需求量(t)；ρ_i为栅格人口密度(人/hm²)。

2.4 生态系统服务供需比

本文在参考相关研究的基础上^{[4, 24, 26]}, 通过生态系统服务供需比(ESDR)来刻画京津冀地区生态系统服务供需状态。当ESDR_i＞0时, 表示供给大于需求, 即盈余状态, 当ESDR_i=0时, 表示供给等于需求, 即供需平衡状态, 当ESDR_i＜0时, 表示供给小于需求, 即赤字状态。

利用ArcGIS平台逐栅格计算三项服务供需比的算术平均值, 得到京津冀地区综合生态供需比(CESD)。具体计算公式如下:

(6)

(7)

式中, ESDR_i为栅格i上的生态系统服务供需比；S_i为栅格i上的生态系统服务供给量；D_i为栅格i上的生态系统服务需求量；CESD_i为栅格i上的生态系统服务综合供需比；β为生态系统服务的类数, n=1是为产水服务, n=2时为碳固持服务, n=3时为粮食生产服务。

本文参考相关文献研究^{[22, 24]}, 将生态系统服务供需比的值域范围(-1, 1)分为6个等级, 用以分级不同程度的供需水平, 具体分级标准见表 1:

3 结果分析 3.1 生态系统服务供需特征 3.1.1 产水服务

京津冀地区2015年的平均产水服务供给量相比2005年上升210.6 m³/hm², 增幅达到54.1%, 主要原因为京津冀中西部地区在2015年降雨更为丰沛, 而2005年相比于2015年为干旱年份。此外, 由于十年间经济社会发展, 京津冀地区建设用地不断扩张, 不透水地面规模的扩大会导致雨水下渗的大量减少, 所以容易形成以径流形式为主的水源供给, 从而2015年单位面积产水服务供给量相较2005年高^{[24, 34]}。从空间分布看, 环渤海区域的唐山市和天津市分别为2005年与2015年产水服务供给量最高的地区, 而中西部地区的石家庄市、保定市、邢台市等地的供给量则普遍较低。

在需求方面, 2005年与2015年京津冀地区单位产水服务需求量分别为1826.83 m³/hm²与2343.12 m³/hm², 总体处于上升态势。其中, 北京市和天津市两大核心城市拥有最高的单位需求量, 且在2015年这两个地区平均产水服务需求量相比2005年分别增加1959.99 m³/hm²和2518.57 m³/hm², 增幅达49.0%和74.4%。主要原因在于京津二市在此期间是经济社会发展的高速阶段, 人口的吸引效应不断加强, 其中北京市2015年的人口数量达到2170万, 相比于2005年增加41.1%；而天津市在此期间的人口数量增幅达到65.1%, 其中天津市重点发展的滨海新区2015年的人口数量是2005年的1.91倍。如此较大幅度的人口增长直接导致了北京市和天津市平均产水服务需求量大幅度上升。而河北省地区的张家口市和承德市平均产水服务需求量在此期间虽有小幅上升, 但总体保持较为平稳的状态, 且均处于较低水平。

从产水服务供需比变化情况能够看出, 京津冀地区产水服务赤字缺口较为严重, 大部分区域以“低供给-高需求”的匹配模式为主, 在2005年供需比为-0.65, 2015年为-0.59。其中, 2005年供需赤字区域占总面积的91.3%, 2015年为88.9%, 说明京津冀大部分地区的产水服务均处于供不应求的状态, 到2015年供需赤字情况略有好转, 但仍是供需赤字占主导地位。而产水服务供需盈余区域主要集中于张家口、承德、秦皇岛、唐山等河北省北部地区, 但范围极为有限。这说明京津冀地区利用降雨补充淡水资源的能力较弱, 所以需要全面推行节水措施, 开发和推广雨水高效利用模式来解决当地产水服务的赤字问题。各地区产水服务供需状况及空间分布情况如表 2, 图 1所示。

3.1.2 碳固持服务

北京市和承德市是平均碳固持供给值最高的两个地区, 这两个地区在2005年与2015年的平均碳固持供给均在60 t/hm²以上, 明显高于京津冀地区其他城市, 说明北京市和承德市拥有较高的碳固持供给能力, 主要原因在于这两个地区依托燕山与太行山山脉, 拥有大范围的生态涵养区, 能够为这两个地区提供较强的碳固持供给服务, 而生态涵养区较少的天津市和沧州市, 其碳固持服务供给量则较低。从时空分布上看, 京津冀地区碳固持供给水平在2005年与2015年间变化不大, 高值区域主要分布于北京西北部、承德市地区和秦皇岛市东北部地区, 而华北平原地区则为普遍的较低值区。

在需求方面, 北京市和天津市是平均碳固持需求量最高的两个地区, 北京市在2005年和2015年的需求量分别为47.72 t/hm²和86.93 t/hm², 天津市分别为40.44 t/hm²和86.19 t/hm², 远高于其他城市。此外北京市和天津市的增加幅度也最大, 其中北京市的增幅达到82.1%, 而天津市2015年的平均需求量超过2005年的一倍, 由此能够看出北京市和天津市是京津冀地区主要的碳固持高需求量地区。而碳固持需求较低的地区为承德市与张家口市, 这两个地区生态涵养区面积较大, 人口较为稀疏, 属于“高供给-低需求”的典型区域。从时空变化来看, 各地区碳固持需求量均有不同程度的增加, 主要原因在于经济社会快速发展, 石油、天然气等燃料的使用量逐年增加, 且人口数量较大幅度提高, 导致碳固持服务需求量急剧上升。

在碳固持供需比方面, 北部地区多为“高供给-低需求”的匹配模式, 南部大部分地区多为“低供给-高需求”的匹配模式, 所以碳固持服务盈余地区多集中于北部, 而赤字区域多集中于北京及以南地区。京津冀地区2005年供需赤字区域占总面积的18.4%, 到2015年扩大为55.0%, 赤字区域明显增加, 说明碳固持服务供不应求的现象正在加剧。从时空变化来看, 在2015年各地区碳固持供需比均存在降低的情况, 其中降低程度最明显的是天津市, 在此期间降低0.34, 赤字进一步加深。此外北京市及河北省的石家庄、唐山、邢台、沧州和衡水共6个地区, 在2005年的平均碳固持供需比为正值, 但在2015年均转变为负值, 说明经济社会发展和人口数量激增导致这6个地区碳固持服务由盈余状态转变为赤字状态。各地区碳固持服务供需状况及空间分布情况如表 3, 图 2所示。

3.1.3 粮食服务

在2005年和2015年, 河北的衡水、邯郸、石家庄和邢台四市均为粮食服务高供给区域, 主要原因在于这四个地区拥有广大的平原区域, 自然条件较好, 农业基础较为完备, 从而拥有较强的粮食生产能力。而耕地资源较少的北京市、张家口和承德市的粮食服务供给能力较弱。而从时空变化上看, 北京市和天津市的平均粮食服务供给水平均处于降低的态势, 降低幅度分别为34%和6%, 而增加幅度最大两个地区为河北省的张家口市和邯郸市, 增幅分别达到51.5%和29.2%。

在粮食服务需求方面, 北京市和天津市的粮食服务平均需求量最大, 京津两市为京津冀地区的核心城市, 拥有最高的人口密度, 进而粮食需求量最高；其次为石家庄市和邯郸市, 这两个地区是河北省人口密度最高的地区, 进而对粮食服务的需求量较高。在2005年和2015年, 除承德市粮食服务需求量持平外, 其余城市均有不同程度的提高, 其中北京市和天津市的增加程度较为明显, 这是由于十年间经济发展迅速, 城市扩张明显, 地区人口激增, 进而使两市粮食服务需求量较大幅度增长。

粮食服务供需比方面, 京津冀地区2005年赤字区域占总面积的51.9%, 但在2015年赤字区域占总面积的45.4%, 粮食服务的赤字范围有所收敛。从时空跨度上看, 北京市和天津市在2005—2015年间赤字加深程度最高, 北京市由-0.68下降到-0.84, 天津市由-0.22下降到-0.47。而以石家庄市、保定市和邢台市为主的华北平原, 在2005年与2015年间总体均为盈余状态, 且保定市和沧州市等平原地区还有小幅度上升。各地区粮食服务供需状况及空间分布情况如表 4, 图 3所示。

3.2 生态系统服务供需综合分析

在2005年和2015年, 京津冀地区生态系统服务平均综合供需比分别为-0.09和-0.16, 说明京津冀地区生态系统服务总体处于供不应求的状态, 存在生态赤字缺口加深的趋势(表 5, 图 4)；在2005年和2015年, 北京市和天津市为综合供需比降低程度最高的两个地区, 主要原因在于北京市和天津市是全国重要的政治中心和经济中心, 经济发展与生态环境保护之间的矛盾较为突出, 而且北京市和天津市人口较为稠密, 进而对生态系统提供的产品和服务的需求量极高, 所以生态系统服务供需赤字较大。而在这段时期平均供需比最高的地区为承德市和张家口市, 这两个地区基本属于供需平衡的状态, 主要原因在于这两个地区拥有较好的生态环境, 且人口相对稀疏, 生态系统提供的服务与产品能够基本满足这两个地区的需求。

3.3 生态系统服务类型区演变特征

根据生态系统服务供需状况分级标准, 将京津冀地区综合生态系统服务供需水平分为六个等级(表 6), 并利用对应的综合供需等级命名生态系统服务供需类型区。其中, 京津冀地区在2005年与2015年均无综合供需高度盈余的县区, 所以仅命名其余五种供需类型的县区。将中度盈余县区归类为生态涵养区, 将轻度盈余县区归类为生态保育区, 将轻度赤字县区归类为生态改良区, 将中度赤字县区归类为生态恢复区, 将严重赤字县区归类为生态控制区^[38-40](图 5, 图 6)。

生态涵养区生态环境水平较高, 森林资源丰富, 城镇化水平较低。在2015年该区域产水、碳固持以及粮食生产三项生态系统服务均处于盈余状态, 是保护首都生态安全的核心区域。在2015年承德市的围场县以及张家口市的康保县与沽源县为生态涵养区, 占京津冀总面积的7.39%。但该区域经济发展水平较低, 需要探索绿色发展道路, 在保护生态环境的基础上提高土地利用效益, 促进产业转型升级, 推动该区域经济社会快速发展。

生态保育区的供需状况处于轻度盈余级别, 在2005年与2015年主要集中于张家口市和承德市等北部地区。该区域拥有较强的生态系统服务供给能力, 但人口压力相比于生态涵养区较大, 所以需要实行最严格的生态保护措施, 维护该地区生态系统服务供给能力, 还需进一步协调人地矛盾、经济发展与生态保护之间的矛盾, 确保生态质量不降低。

生态改良区为生态系统服务供需状况轻度赤字的县区。该区域广泛分布于河北省, 2005年与2015年面积占比分别为70.32%和45.54%, 在2015年范围明显缩小。该区域的主要特征为森林资源有限, 碳固持服务供给能力较弱, 难以支撑由于经济社会发展造成的高碳排放量；而且该区域水资源较为匮乏, 缺少有效的雨水收集措施, 缺水问题难以得到有效解决, 生态环境面临的压力较大。该类型区应全面抑制赤字加深的趋势, 开展生态保护措施, 提高森林覆盖率, 控制建设用地扩张速率。该区域应当着重发展生态经济, 控制污染型产业的发展, 推广节水农业, 促进经济社会健康发展。

生态恢复区在2005年主要集中于北京市、天津市以及河北省西南部, 但在2015年该区域开始以石家庄市、唐山市、保定市等多个河北省地级市城区为中心, 向其周边县区扩展。2015年生态恢复区的县区数量达到69个, 面积占比为26.12%, 且新增的55个县区中有54个由2005年生态改良区转化而来。该区域各项生态系统服务供给难以满足人口压力带来的生态系统服务需求, 多属于“低供给-高需求”的匹配模式。因此, 应当着重缓解人地矛盾, 调整和优化土地利用结构, 提高土地资源和水资源利用效率, 增加城市生态用地。

生态控制区在2015年集中于北京市和天津市的核心城区, 县区数量达到14个, 且均由2005年生态恢复区转化而来。该区域拥有极高的人口密度, 土地利用类型主要为建设用地。为缓解生态系统服务供需矛盾, 该区域应当全面创新京津冀协同发展模式, 从人地关系调节入手, 疏解城市功能, 缓解人口压力, 并在此基础上完善城市绿色基础设施建设, 增加城市绿地覆盖率；河北省应当建立完善的水源、粮食供应链, 弥补京津地区水、粮供给不足的缺陷, 扭转整个区域生态系统服务供需错位的现象。

4 结论与讨论 4.1 结论

(1) 京津冀地区各项生态系统服务供给与需求空间异质性明显。在2005年和2015年, 产水服务供给高值区集中于东北部沿海地区, 碳固持服务供给高值区集中于北部高原山地区, 粮食服务供给高值区集中于冀中平原地区。而京津冀地区产水服务、碳固持服务和粮食服务的需求高值区主要集中于人口密度较大的北京市、天津市、石家庄市与邯郸市, 且分别以这四个地区为中心呈环状分布。总体来看, 京津冀地区生态系统服务供给与需求空间错配明显, 多为“高供给-低需求”和“低供给-高需求”匹配模式。

(2) 京津冀地区各项生态系统服务的供需特征差异明显。在2005年和2015年, 三项服务的供需比关系均为碳固持服务＞粮食服务＞产水服务, 其中碳固持服务和粮食服务处于供需盈余状态, 产水服务处于供需赤字状态, 且在此期间三项生态系统服务供需比均为降低态势, 生态质量进一步降低的风险较大。此外, 各项生态系统服务供需状况呈现不同的空间分布特点, 京津地区与河北省地区供需状况差异较大, 河北省北部与南部的差异较大。

(3) 2005年与2015年京津冀地区生态系统服务综合供需状况呈赤字状态。2005年与2015年综合供需比分别为-0.09与-0.16, 整体处于供不应求的状态, 2015年较2005年, 赤字增加明显。未来京津冀地区赤字范围应将主要集中于京津地区, 盈余范围集中于张承地区, 张承地区应当长期作为京津冀地区核心的水源, 碳固持供给区域, 而南部冀中平原地区则应主要发挥粮食生产优势。

(4) 京津冀地区生态系统服务供需类型区范围变化明显。生态改良区拥有明显的主导地位, 在2015年生态改良区范围明显减少。京津冀地区生态系统服务供需状况两极化趋势较为明显, 其中靠近城市中心城区的县区生态系统服务供需状况进一步恶化的风险较大。

4.2 讨论

京津冀地区地形条件复杂, 内部各地区自然环境禀赋差异较大, 因此生态系统服务供需空间异质性明显。本文测算的三项生态系统服务中, 产水服务供需赤字最为严重, 将是影响京津冀地区生态系统稳定性的重要因素。除张承地区外, 京津冀大部分地区产水服务处于较为严重的供不应求状态。随着京津冀地区经济社会发展和人口进一步增长, 短时间内该区域缺水态势将难以得到有效扭转, 因此全面推动节水措施, 实现雨水高效利用对促进京津冀地区可持续发展具有重要作用。京津冀地区碳固持服务虽然在2005年与2015年总体处于供需盈余状态, 但空间分配不均现象较为严重, 主要盈余区域集中于张承地区以及西部太行山地区, 而东南部广大平原地区则由2005年的盈余状态转变为2015年的赤字状态，因此应当着重加强冀中平原地区生态环境建设, 提高土地利用效率, 保护生态用地。

此外, 生态系统服务综合供需水平受到多种因素的影响, 本文仅选用产水、碳固持和粮食生产三种生态系统服务, 势必会对研究结果的全面性产生一定影响；从生境质量、土壤保持等多角度量化生态系统服务供给与需求, 是今后重要的研究方向。