1995—2015年淮河生态经济区生态系统服务评估与时空变化分析

黄 颖，李 鑫

(江苏师范大学地理测绘与城乡规划学院，江苏 徐州 221116)

国土空间格局优化是生态文明建设的首要任务，尤其是当前的国土空间规划面临的一个重要问题是如何在空间上落实生态文明战略。生态系统服务是从土地利用视角观测与调控生态系统的有效中介工具，也是生态系统评估的核心[1]。20世纪70年代，“关键环境问题研究小组(SCEP)”首次提出生态系统可为人类提供服务，此后这一术语在学术界逐渐被认可并得到广泛使用。关于生态系统服务，国内外已有大量研究。一是典型生态功能区的生态系统服务评估研究，评估方法由最初的单位当量法到目前的复合模型法；二是生态系统服务评估模型开发研究，核心是研究不同类型生态服务的形成过程与机理，如：WISCHMEIER等[2]提出了著名的经验模型USLE；美国佛蒙特大学设计了集成算法与空间数据的ARIES模型。此外，SolVES、MIMES、HSI等模型也逐步应用于森林、流域等生态系统服务价值评估[3-5]；三是生态系统服务时空演变机制与影响因素研究[6-7]；四是不同类型生态系统服务之间权衡关系的研究[8-9]，该类研究可为国土空间规划中生态文明建设提供重要借鉴，也可为确定生态保护优先区、建立生态补偿机制和核算自然资源价值等提供相关依据[10]。

相对于长三角、喀斯特地区和黄土高原等中国典型生态区的生态系统服务评估，现有文献对淮河生态经济带的生态基底状况关注不足。国务院于2018年11月发布了《淮河生态经济带发展规划》，充分强调并肯定淮河流域的优良区位与重要地位，认为加快淮河生态经济带发展，对推进生态文明建设、促进经济社会持续健康发展具有重要意义。因此在该区开发建设之前，亟需对其生态基底状况进行评估，为该地区开发、保护与管理提供参考依据。考虑到不同模型、方法与相关生态系统服务的适用性，分别采用市场价值法、水量平衡方程法、InVEST模型和生境适宜度指数(HSI)模型，对淮河生态经济带1995—2015年食物供给、水源涵养、气候调节和生境质量功能展开评价与分析，以期为该区域生态系统服务保护、调控与管理提供建议，为国土空间规划中生态保护落实提供科学依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区域

《淮河生态经济带发展规划》中淮河生态经济带指淮河干流、一级支流以及下游的沂沭泗水系流经的地区，涉及江苏、安徽、山东、河南、湖北省的29个市(县)。该经济带贯通黄淮平原，连接中东部，通江达海，与长江经济带地域相连、水系相通(图1)。淮河生态经济带国土面积为24.3万km2，2018年末常住人口为1.46亿，地区生产总值为6.75万亿元。该区域位于我国南北气候过渡带，淮河以北属暖温带季风气候区，淮河以南属亚热带季风气候区。该地区生物多样性丰富，平原面积广阔。植被以落叶阔叶林和常绿阔叶林等为主，年平均降水量为992.88 mm，年平均气温为13.7 ℃。优越的自然条件不仅可为淮河沿岸的社会经济可持续发展提供坚实的物质基础，还可提供各种重要的生态系统服务，如水源涵养、气候调节和生境质量提升等。淮河生态经济带是中国社会经济发展的腹部洼地，发展潜力巨大，虽跻身于国家战略发展重点区，但其人口密度大，生态敏感性高，土地利用类型多样，因此有必要在生态经济带全面开发建设之前对其生态服务功能水平和变化进行系统考察。

1.2 数据来源与处理

土地覆被数据下载自欧洲航天局网站，分辨率为300 m。降水数据是在全国2 400多个气象站点日观测数据基础上，通过气象插值软件ANUSPLIN插值得到。高程(DEM)数据来自中国科学院资源环境科学数据中心。植被指数(NDVI)基于连续时间序列的SPOT/VEGETATION NDVI遥感数据得到[11]。数据采用统一投影与坐标系，且统一转换为一致空间分辨率，空间数据叠加时，通过重采样设置基本空间单元大小为100 m×100 m。社会经济数据来自各地统计年鉴与国民经济和社会发展统计公报。详细数据来源见表1。

表1 该研究主要数据来源

2 研究方法

随着对生态系统服务功能研究的深入，多种评估模型相继出现，各种模型的评估过程与评估机理不同，必然对生态系统服务评估结果造成一定影响。考虑到不同生态系统服务的特殊性及对相关模型的适用性，结合淮河生态经济带的地理位置和气候温度等自然条件，分别选择市场价值法、水量平衡方程法、InVEST模型和HSI模型，对淮河生态经济带食物供给、水源涵养、气候调节和生境质量功能进行评价与分析。

2.1 市场价值法

考虑到淮河生态经济带涉及5个省份，农、林、牧、渔等代表性作物较多，产量没有确切统计，不同农作物的单位产量无法比较，因此以研究区各市(县)农林牧渔总产值来衡量其食物供给功能。由于各地区发展水平、物价指数不同，故以人均GDP和物价指数对不同地区农林牧渔总产值进行修正，以期在同一水平线上对各地食物供给服务进行评估与比较。

2.2 水量平衡方程

采用水量平衡方程(the water balance equation)计算水源涵养量。水源涵养能力主要受降雨量、地表径流量、土地利用类型和蒸散量等因素影响。

Qt,i=Pi-Ri-Te,i。

(1)

式(1)中，Qt,i为第i个栅格水源涵养能力，mm；Pi为第i个栅格降雨水平，mm；Ri为第i个栅格地表径流水平，mm；Te,i为第i个栅格蒸散水平，mm。其中，地表径流量是降雨量和地表径流系数的乘积，地表径流系数与土地覆被类型相关。基于龚诗涵等[12]的全国尺度土地利用类型的平均地表径流系数，结合淮河生态经济带中二级土地利用类型面积占比，参照相关文献资料[13-15]对其进行修正，得到淮河生态经济带不同用地类型的径流系数。

2.3 InVEST模型

InVEST模型碳储量模块所需的必要数据相对易于收集，且该模型能够对生态系统进行定量评估，并以可视化方式显示结果[16]，因此选用该模型对气候调节服务功能进行评估,计算公式为

C=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead。

(2)

式(2)中，C为碳总量，kg；Cabove为地上部分碳储量，kg；Cbelow为地下部分碳储量，kg；Csoil为土壤部分碳储量，kg；Cdead为死亡有机质碳储量，kg。参考相关资料[17-18]，依据降水量与生物量碳密度、土壤碳密度的相关性，得出淮河生态经济带的碳密度修正系数，并对全国碳密度参数表进行修正，得出淮河生态经济带不同用地类型碳密度。

2.4 HSI模型

生境适宜度指数(HSI，Ih,s)模型因适合于表达主要环境因素对物种分布与丰富度的影响，故得到广泛运用，计算公式为

(3)

式(3)中，wj为第j个评价指标权重；fj为第j个评价指标得分；n为评价因子个数。评价因子对生境质量的价值评估至关重要。结合研究区实际情况，选取水源状况、人为干扰、遮蔽物和食物来源这4个对生境质量有直接影响的控制因子作为评价指标。其中，水源状况以距水域距离进行评估，人为干扰情况以距建设用地距离进行评估，遮蔽物包含土地利用类型和坡度2种影响因素，食物来源状况基于NDVI值进行评估。为避免人为主观因子的干扰，采用熵值法和层次分析法[19-20]确定每个因子权重(表2)。距水域距离、距建设用地距离、土地利用类型、坡度和NDVI这5个影响因子的权重分别为0.25、0.15、0.112 5、0.037 5和0.45。根据表2中不同因子分级标准建立其与分值之间的线性关系，从而计算每项因子对应的生境质量得分，并在ArcGIS中用自然断点法将生境质量得分结果划分为差、一般、较好和最好4个等级。

3 研究结果

3.1 食物供给功能空间分布与变化

由图2可知，2015年淮河生态经济带食物供给服务功能呈“西北高东南低”格局。食物供给服务功能较高地区主要分布在研究区西部和西南部，主要包括河南省周口、驻马店和信阳市及安徽省阜阳市。这是因为这些地区地势平坦，耕地面积占比高，是黄淮海平原的典型农业产区，因此食物供给服务功能较高。而研究区中东部尤其是江苏省境内地区的食物供给服务功能不高，这主要是因为这些地区耕地等农用地面积占比相对较小，从全国看也并非主要农产区。

1995—2015年，淮河生态经济带食物供给服务较好地区由西北向西南偏移，尤其是河南省驻马店、信阳和周口市及安徽省阜阳市食物供给功能改善明显，这主要是因为这些地区以农业为生，城镇化对农业生产挤压效应较小，人口持续输出使人地关系得到优化，同时农业生产条件与技术水平使食物供给效率提升。而1995—2015年淮河生态经济带东南部——主要是江苏境内地区食物供给功能在相对下降，究其原因主要是这些地区靠近经济发达地区，土地非农化加剧，国土空间的食物供给功能重要性下降。此外，山东省南部包括菏泽、临沂和济宁市等，食物供给功能一直处在中等及以上水平，1995—2015年相对变化不大。

表2 研究区生境质量各评价因子权重及分级标准

3.2 水源涵养功能空间分布与变化

由图3可知，2015年淮河生态经济带水源涵养功能呈明显“南高北低”空间格局，且空间差异较大，淮河对水源涵养的地理空间分割效应明显，尤其是大别山地区的六安市，南部滁州、扬州和泰州市等水源涵养功能较为突出，其中单位栅格面积水源涵养量最大为1 439.15 mm。而西北部的菏泽、周口、商丘和平顶山市等水源涵养功能较小，其中最小空间单元水源涵养量仅为-407.65 mm，在研究区北部——主要包括山东临沂市与江苏省连云港、徐州市等，其水源涵养功能处于中等水平。这种空间差异格局形成原因有多方面：在南部植被覆盖较好，降水量较大，水系众多，导致蒸散量变小，因此水源涵养功能突出，而淮河生态经济带西北部水源涵养功能弱的主要原因是降水量较小，植被覆盖率较低，导致蒸散量加剧。实际上降水对水源涵养功能影响不仅直接表现在水量变化上，而且通过间接影响土地利用变化而导致下垫面变化，可见降水是主导性因素。

1995年，水源涵养量较高的地区主要集中在河南省和安徽省南部，即六安、信阳市等地，这是由于该区域降水量丰富，植被构成以落叶阔叶林和常绿阔叶林为主。2000年，河南和江苏省水源涵养状况较好，单位栅格水源涵养量最高达990.47 mm，而在这一时期，山东省水源涵养功能较弱。2005—2010年，河南和安徽省西南部水源涵养功能最好，为1995—2015年期间的最大值。2015年，安徽省南部和江苏省东南部成为水源涵养功能最好的地区，而山东省菏泽市水源涵养量最小，呈明显的南高北低效应。1995、2000、2005、2010和2015年淮河生态经济带单位栅格平均水源涵养量分别为183.74、454.64、483.13、274.98和289.99 mm，在这一期间，单位栅格平均水源涵养量先大幅增长，后轻微下降，但水源涵养能力没有能够完全恢复到2005年之前的水平。

3.3 气候调节功能空间分布与变化

输入1995—2015年土地利用数据和碳密度参数表，运行InVEST模型，并将运行结果加载到ArcMap中，得到淮河生态经济带碳储量空间分布(图4)。由图4可知，淮河生态经济带碳储量呈“西南高东北低”的空间格局，不同时期碳储量空间分布变化较小。单位土地面积碳储量高值区出现在河南及安徽省南部，这是由于该区域土地利用类型以林地和耕地为主，且植被碳密度和土壤碳密度高。单位土地面积碳储量低值区主要集中在研究区山东省东北部与江苏省东南部。1995—2015年，单位土地面积碳储量最高达14 160 t·km-2，最低仅为3 990 t·km-2，固碳能力差异主要受土地覆被类型的影响。

1995、2000、2005、2010和2015年研究区总碳储量分别为2 445.9×1012、2 838.5×1012、3 028.3×1012、2 922.2×1012和2 649.6×1012g。1995—2000年，淮河生态经济带累计固碳量为392.6 Tg，表明这期间固碳能力不断上升；2000—2005年固碳量增加189.8 Tg，与前一时段相比，淮河生态经济带固碳量虽然呈上升态势，但其固碳速率下降，这主要是因为研究区城镇用地扩张速度加快，占用大量耕地，同时又由于缺乏统一的规划和管理不严等原因，导致农村用地扩张和耕地减少。2005—2010年固碳量减少106.1 Tg，2010—2015年固碳量减少272.6 Tg，表明2005—2015年淮河生态经济带固碳量呈剧烈衰减态势，这主要是因为该时期淮河生态经济带城镇化发展速度逐渐加快，尤其是房地产热使建设用地面积剧增，植被覆盖率锐减。1995—2015年淮河生态经济带多年平均单位面积碳储量为1 090 t·km-2，总固碳量净增长203.7 Tg，固碳速率增长缓慢，随后持续下降，表明固碳能力在减弱。

3.4 生境质量功能空间分布与变化

淮河生态经济带生境质量评价结果见图5。1995—2015年间，淮河生态经济带生境质量功能呈明显“马鞍型”格局，即中部低，其他地区则较高。这主要是因为西部地区城镇化等人类活动扰动小，建设用地面积占比低，而东部地区降水等气候条件好，尤其是江苏境内，坑塘遍地，水资源丰富，物种生存环境较好；同样，南部地区既靠近大别山区，又靠近长江流域，可为野生动植物提供良好的水源等条件；只有中部的淮北、商丘和宿州等地区生境质量相对较差。1995、2000、2005、2010和2015年研究区生境质量状况较好和最好地区面积分别占研究区总面积的33.1%、32.8%、36.9%、36.1%和35.7%以及41.6%、42.1%、38.4%、40.2%和39.5%。可见，近年来生境质量状况逐渐变差，这主要是因为城镇等建设用地大幅扩张，耕地、林地等面积锐减。生境质量一般与差的区域基本为建设用地和未利用地，受到严重的人类干扰，无法为野生动植物提供较为良好的生存环境。

淮河生态经济带不同级别生境质量区域面积占比见表3。1995—2015年该区域不同等级生境质量区域面积占研究区总面积比例变化波动较小。其中，生境质量一般区域面积占比先持续减少，至2015年又轻微增加；而生境质量差的区域面积占比前期保持不变，至2010年轻微减少，到2015年又增长至2.0%，为1995—2015年期间最高值。1995—2015年生境质量得分最低为13.43，最高为95.82，多年平均分为62.84，在空间上生境质量得分差异较明显。1995—2000年生境质量总体呈下降态势，平均分减小；至2010年，生境质量有所好转，得分达到1995—2015年期间峰值；而2010年后生境质量状况逐渐变差，得分不及多年平均值。

表3 1995—2015年不同级别生境质量区域面积占比及生境质量得分

4 结论与政策建议

4.1 结论

淮河生态经济带是中国腹地生态系统较为稳定且未进行大规模开发的南北过渡带地区，现被规划为中国绿色发展的重要实践探索区。然而，当前对淮河生态经济带生态服务的研究尚鲜见，对其生态基底状态与时空变化也缺乏关注。笔者分别选取市场价值法、水量平衡方程法、InVEST模型和HSI模型，对淮河生态经济带1995—2015年食物供给、水源涵养、气候调节和生境质量功能展开评价和分析。主要研究结论有：(1)1995—2015年淮河生态经济带各生态服务功能保持一定稳定性，未出现剧烈变化，这与淮河生态经济带处于低开发程度有关；(2)食物供给功能呈“西北高东南低”的空间格局，且整体水平有一定提升；(3)水源涵养功能在空间上因淮河的分割效应呈“南高北低”格局，虽然近年来其产水量有轻微上升趋势，但并未恢复到2005年之前的水平；(4)淮河生态经济带气候调节功能呈“西南高东北低”的空间格局，且表现为碳汇区，固碳速率呈现先快后慢的增长态势，固碳能力还较薄弱；(5)淮河生态经济带生境质量功能呈明显“马鞍型”格局，2005—2010年生境质量达最佳，但近年来又呈下降趋势。

4.2 政策建议

根据研究结果，提出淮河生态经济带开发的相关政策启示。首先，淮河生态经济带开发在空间上要与生态服务功能的空间分布相互权衡，实现生态保护与开发建设在空间上的协调统一。实际上，研究发现1995—2015年淮河生态经济带生态服务功能尚处于稳定状态，未出现剧烈变动，而未来的经济带建设也不宜再搞大规模开发。在空间上应选择生态服务功能较低地区进行开发，减轻对生态系统的扰动，可以安徽省蚌埠、淮南市等为中心进行建设，发挥辐射带动作用，促进新型城镇化发展，从而避开生态服务功能较丰富地区。其次，以流域理念构建经济带的生态网络体系，维护生物多样性。研究发现大别山与淮河对研究区主要生态服务功能呈明显空间集聚与切割效应，因此要加强跨区域协作，在国土空间规划、环境治理和节能减排等方面进行统筹安排，如设立流域管理机构，统一负责流域生态规划。再次，对淮河生态经济带进行功能分区，明确食物供给功能区、水源涵养功能区、气候调节功能区和生境质量功能区，将功能分区内容嵌入到可实施的国土空间规划中。

4.3 不足与展望

该文旨在引起相关学者与人员重视淮河生态经济带研究，为淮河生态经济带开发提供科学借鉴，但由于当前淮河生态经济带的研究相对较少，因此可供借鉴的数据和参数等有限，故后续研究有大量需要改进与完善之处。比如该文采用McCloud温度法公式计算蒸散发水平，未考虑该公式在淮河生态经济带的适用程度。后续研究应收集更完整的土壤、植被碳密度数据，从而验证碳密度参数表对该地区的适用性，进一步提高碳储量估算的准确性。另外，由于数据有限，该研究使用1998年NDVI数据对1995年淮河生态经济带生境质量功能进行评估，未来应收集更精确的植被覆盖度数据，提高生境质量评估的准确性。此外，还应进一步研究不同类型生态服务功能变化的协同与权衡关系，且采用空间回归法研究不同类型生态服务功能变化的影响因素，考察人类活动影响生态系统服务功能变化的过程机制。还应从理论上研究土地利用变化与各类生态系统服务功能变化间的关系，以通过土地利用布局优化引导生态服务功能优化，为生态规划编制提供科学依据。