松嫩平原生态系统服务供需研究

相恒星 ，张健，王宗明 ，毛德华

1. 中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130102；2. 东京大学农学生命科学研究科，日本 东京 113-8657；3. 中国科学院大学，北京 100049；4. 国家地球系统科学数据中心，北京 100101

生态系统服务是生态系统形成并维持人类生存和发展的环境条件，其在生态和经济效益方面对人类福祉做出巨大贡献（Costanza et al.，2017）。随着全球气候变化和人口的急剧增加，以及土地利用的剧烈变化，生态系统服务的供需动态在很大程度上发生改变（García-Llorente et al.，2012)。理解生态系统服务的供需平衡是当代可持续发展的基本组成部分，也是阐明人与自然如何联系的关键（Baró et al.，2015）。

准确量化生态系统服务供需分布的空间差异已成为多学科的研究热点。当前，描述生态系统服务供需关系的方法主要有生态系统服务供需比、Getis-Ord Gi*、双变量局部Moran’s指数和生态系统服务供需指数等。Lorilla et al.（2019）基于生态系统服务供需比和Getis-Ord Gi*方法描述了爱奥尼亚群岛（希腊西岸沿海的长列岛群）生态系统服务供需关系。刘立程等（2019）以兰州市为例，基于生态系统服务供需比和双变量局部Moran’s指数定量分析了4种生态系统服务供需的空间匹配现状。Zhai et al.（2020）提出生态系统服务供需指数，并结合了双变量局部Moran’s指数对中国沿海地区10个省进行了生态系统服务供需关系探讨。徐凌星等（2020）通过生态系统服务供需指数，揭示了青藏高原生态系统服务供需关系。总体而言，当前对生态系统服务供需格局空间的简易刻画对生态系统管理具有一定意义，但通过多指标和多角度的量化评估方法仍有待于进一步优化，全面的评估区域生态系统服务供需状况对于生态资源分配更具科学指导意义。

松嫩平原是我国东北地区三大平原之一（三江平原、松嫩平原、辽河平原），是中国重要的粮食产地之一，也是沼泽湿地的重要分布区之一，对于国家及区域粮食安全和生态安全至关重要。但由于全球气候变化以及人类活动干扰，松嫩平原生态环境十分脆弱，生态系统服务供需呈现不平衡状态（罗玲等，2015）。已有研究仅对松嫩平原生态系统服务价值变化进行了分析（王宗明等，2008），但仍缺乏对该地区生态系统服务供需匹配的全面认识。综上，本文系统研究了2015年松嫩平原3种生态系统服务供需情况，首先基于InVEST模型、ArcGIS 10.6和社会经济数据等评估该区域生态系统服务供需分布及供需比，其次利用相关性分析揭示了3种生态系统服务权衡与协同关系，最后基于Geoda空间分析软件，采用K-means聚类分析方法对3种生态系统服务供需比进行分类，以支持该区域的生态系统管理策略。本研究对优化自然资源的使用和管理，实现生态系统服务的可持续发展具有重要指导意义。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

松嫩平原是松花江和嫩江冲击形成的平原，位于吉林省西部和黑龙江省西南部，与大兴安岭和小兴安岭接壤，介于 42°49′—49°13′N，121°38′—128°19′E之间，总面积为22.4万km2，该区域包括吉林省的长春市、四平市、松原市和白城市，黑龙江省的哈尔滨市、大庆市、绥化市、黑河市和齐齐哈尔市共9个市级行政区（图1A）。该区域属于温带大陆性季风气候（罗玲等，2010），年均降水量为365—807 mm，年均气温为−2—7 ℃。该区域主要生态系统类型包括森林、草地、农田和湿地，其中农田占主要组成部分，覆盖率为66.2%。（图1B）。

图1 研究区位置和土地覆被类型Fig. 1 Geographic location of the Songnen Plain and spatial pattern of land cover in 2015

1.2 数据来源

本研究所用数据年份均为2015年，包括土地覆被数据、归一化植被指数数据（NDVI）、气象数据和社会经济统计数据（表 1）。其中土地覆被数据所用影像来源于美国地质调查局（USGS）的Landsat OLI影像，所用影像均选取云量小于 10%且处于 8—10月，采用面向对象分割方法进行提取，详细方法参考Mao et al.（2019），精度为94%。在计算生态系统服务供需之前，将所有数据基于ArcGIS 10.6平台空间分析工具进行重采样，使所有数据分辨率均为1 km。

表1 生态系统服务评估所需数据介绍Table 1 Description of the data used for ESs estimation

1.3 生态系统服务供需评估

1.3.1 产水量服务供给

本文采用InVEST模型产水量模块计算松嫩平原产水量服务的供给，公式如下（王蓓等，2016）：

式中：

Yx——栅格x的产水量服务供给量（mm）；

Ex——栅格x的年潜在蒸散量（mm）；

Px——栅格x的年降水量（mm）。具体计算步骤参照Xiang et al.（2020）研究。

1.3.2 产水量服务需求

本研究将松嫩平原地区用水量分为生活用水、工业用水和农业用水，分别计算并加总得到松嫩平原产水量服务需求量，计算公式如下（刘立程，2020）：

式中：

Yd——需水量（m3）；

ppop——栅格人口密度（person·km−2）；

x——人均生活用水量（m3·person−1）；

Ggdp——栅格GDP密度数据（104yuan/km2）；

y——每万元GDP耗水量（m3/104yuan）；

Ac——耕地栅格空间分布数据，提取自土地覆被数据；

z——耕地平均灌溉用水量（m3·km−2）。其中各省的人均生活需水量、每万元 GDP耗水量和耕地平均灌溉用水量查阅自 2016年黑龙江省、吉林省统计年鉴。

1.3.3 碳固持服务供给

本文使用InVEST模型中的Carbon Storage模块评估松嫩平原地区碳固持服务供给，具体公式如下。

式中：

Cs——碳固持服务的供给量（t·hm−2）；

Cabove——地上生物碳（t·hm−2）；

Cbelow——地下生物碳（t·hm−2）；

Csoil——土壤有机碳（t·hm−2）；

Clitterlayer——死亡有机物碳（t·hm−2）；具体参数详见Xiang et al.（2020）的研究。

1.3.4 碳固持服务需求

本文以松嫩平原地区人均碳排放量作为碳固持服务的需求量。基于松嫩平原能源消耗总量，乘以碳排放系数得到松嫩平原地区碳排放总量，再除以松嫩平原地区人口总数得到人均碳排放量，最后结合栅格化的人口密度数据，得到松嫩平原地区碳固持服务的需求量，公式如下（刘立程，2019）：

式中：

Cd——碳固持服务的需求量（t·hm−2）；

ppop——栅格人口密度（person·km−2）；

Dcp——人均碳排放量（t·person−1）；松嫩平原能源消耗总量包括煤炭、石油和天然气，数据来源于 2016年吉林省和黑龙江省统计年鉴。碳排放系数参考杨迪等（2018）研究成果。

1.3.5 食物供给服务供给

本研究参考刘立程等（2019）的研究成果，采用NDVI比值计算松嫩平原地区食物供给量，具体公式如下：

式中：

Fs——各类粮食供给量（t·km−2）；

Gsum——松嫩平原地区各类粮食、水产品和畜牧产品总量（t）；

Ni——耕地、水域和草地等土地覆被类型的栅格的NDVI；

Nsum——松嫩平原NDVI值之和。各类粮食、水产品和畜牧产品总量数据来源自 2016年黑龙江省、吉林省统计年鉴。

1.3.6 食物供给服务需求

本研究采用以人定需的方法计算松嫩平原地区食物供给服务需求量，计算公式如下（刘立程等，2019）：

式中：

Fd——食物需求量（t）；

Dfp——人均食物需求量（t）；

ppop——栅格人口密度数据（person·km−2），松嫩平原地区人均食物需求量采用国务院办公厅印发的中国食物与营养发展纲要（2014—2020年）（http://www.gov.cn/zhengce/content/2014-02/10/conten t_8638.htm）。

1.4 生态系统服务供需比

本研究使用生态系统服务供需比指标来量化生态系统服务的供需情况，具体公式如下（Lorilla et al.，2019）：

式中：

IESCD——生态系统服务供需比；

S和D——各项生态系统服务供给量、需求量；

Smax和Dmax——各项生态系统服务在研究区供给量最大值、需求量的最大值。若 IESCD正值代表该生态系统服务供大于求，IESCD等于0表示供需平衡，IESCD负值表示供不应求。

1.5 生态系统服务权衡与协同分析

本文基于SPSS软件对松嫩平原各生态系统服务进行Person相关分析，在研究区内构建1848个渔网（10 km×10 km）提取各网格的点值，用来分析3种生态系统服务彼此的权衡与协同关系。如果两种生态系统服务之间的相关性r为正（P<0.05），则表示两种生态系统服务为协同关系。如果两种生态系统服务之间的相关性r为负（P<0.05），则表示两种生态系统服务为权衡关系（Cui et al.，2019）。否则，种生态系统服务之间的关系不显著。r的绝对值可以判断两种生态系统服务之间的相关强度，可分为高度相关（|r|≥0.6）、中度相关（0.3≤|r|<0.6）和微弱相关（0<|r|<0.3）。

1.6 生态系统服务聚类分析

本文基于Geoda空间分析软件中K-means聚类方法对松嫩平原地区生态系统服务供需进行聚类分析。聚类分析的原理是通过衡量不同生态系统服务之间的相似性和相异性划分为不同类别的生态系统服务簇（祁宁等，2020）。即本研究是把具有相似生态系统服务的网格划分到同一种生态系统服务簇，便于松嫩平原整体生态系统管理政策的制定。本文经过测试，聚类数目为4时，聚类结果稳定，效果最佳。

2 结果与分析

2.1 生态系统服务供需分析

总体来看，松嫩平原地区生态系统服务的平均供给量均大于平均需求量，但各生态系统服务供需存在空间异质性（表2和图2）。松嫩平原整体单位面积产水量服务供给均值为 221.792×103t·km−2，长春市和四平市相对最高，最低的市为黑河市，其空间分布主要受降雨分布和生态系统类型的影响，高值区位于研究区东南部，低值区位于东北部。松嫩平原整体单位面积产水量服务需求量均值为148.849×103t·km−2，长春市、齐齐哈尔市和哈尔滨市产水量需求较高，白城市和黑河市相对较小，其需水多的地区主要集中于人口密集和经济发达地区。松嫩平原整体产水量服务的供需比均值为0.027，其范围介于−0.72—0.24之间，四平市的产水量服务供需比最大为0.04，齐齐哈尔市最小为0.016。

表2 松嫩平原各市生态系统服务供需Table 2 Summary of ESs supply and demand in the Songnen Plain

图2 松嫩平原生态系统服务供需空间分布Fig. 2 Spatial patterns of ecosystem service supply, demand and supply-demand ratio (ESDR) in the Songnen Plain

松嫩平原整体单位面积碳固持服务供给均值为8907.067 t·km−2，最高的市为黑河市，最低的市为四平市，其高值主要分布在林区和湿地区。松嫩平原整体单位面积碳固持服务需求均值为 345.748 t·km−2，长春市和哈尔滨市相对较高，最低的市为黑河市，其高值主要分布在人口聚集和商业发达地区，其低值区人口密度相对稀疏。松嫩平原地区碳固持服务供需比均值为0.197，其范围介于−0.58—0.95之间。碳固持服务供需比低值区位于城镇聚集区，高值区多位于森林等生态环境较好地区。从不同市级行政区对比来看，黑河市最大为 0.348，四平市和长春市最小为0.139。

松嫩平原整体单位面积食物供给服务供给均值为383.6 t·km−2，最高的市为齐齐哈尔市，最低的市为黑河市，其供给量主要受生态系统类型的影响，农田分布集中区食物供给服务供给较高。松嫩平原整体单位面积食物供给服务需求均值为70.405 t·km−2，最高的市为长春市，最低的市为黑河市，食物需求较高的地区为人口密度大、工业发达地区。松嫩平原食物供给服务的供需比为0.43，其范围介于−1.17—0.8之间，食物供给服务供需比低值区位于城区、经济发达地区，高值区处在耕地较多、人口密度相对较小地区。从不同市对比来看，齐齐哈尔市最大为0.549，大庆市最小为0.337。

2.2 生态系统服务权衡与协同分析

生态系统服务供给、需求和供需比中各服务相关性和强度差异明显（图3）。生态系统服务供给侧，3对生态系统服务相关性显著（P<0.01），其中碳固持和产水量、食物供给均呈高度负相关，相关系数分别为−0.687和−0.809，表示为权衡关系。产水量和食物供给呈中度正相关，相关系数为 0.471，表示为协同关系；生态系统服务需求侧，3对生态系统服务相关性显著（P<0.01），3对生态系统系统服务之间均呈高度正相关，彼此之间为协同关系；供需比这侧，3对生态系统系统服务相关性显著（P<0.01），产水量与碳固持呈微弱正相关，相关系数为 0.207，表示为协同关系。食物供给与产水量呈微弱负相关，食物供给与碳固持呈中度负相关，两者之间均为权衡关系。

图3 生态系统服务供需相关系数图Fig. 3 Correlation coefficients between ES pairs in 2015 in the Songnen Plain

2.3 生态系统服务聚类分析

生态系统服务供需比是反映供需关系的直接指标，生态系统服务聚类分析为管理策略的发展提供了关于多个生态系统服务之间关系的有价值的信息。本研究将松嫩平原进行K-means聚类分析，并最终确定出4类生态系统服务簇（图4）。同一类生态系统服务簇呈现空间聚集趋势，不同生态系统服务簇有显著的空间差异。4类生态系统服务簇分别为：生态系统服务簇1广泛集中在研究区域的中部，主要被农田覆盖，分布面积占整个研究区域的58.4%；在该生态系统服务集群中，食物供给服务的供需比处于最高水平，产水量和碳固持服务需要改善。生态系统服务簇2分布在西部和南部地区，主要是湿地和草地覆盖，占整个研究区域的30.1%；在该生态系统服务集群中，产水量服务供需比最大，碳固持和食物供给服务也相对较好。生态系统服务簇3广泛集中在研究区域的东部，主要被林地覆盖，分布面积占整个研究区域的10.6%；在该生态系统服务集群中，碳固持服务的供需比处于最高水平，尽管该服务簇具有较高的碳固持服务供给，但该生态系统服务集群中产水量服务和食物供给服务还需要改善。生态系统服务簇4零散分布在研究区域内，主要为城镇或裸地，分布面积占整个研究区域的0.9%；在该生态系统服务集群中，产水量、碳固持和食物供给服务供需比均为负值，说明该区域供不应求，应重点改善其生态系统服务状况。

图4 生态系统服务簇和各生态系统服务簇中生态系统服务供需比值Fig. 4 Spatial distributions (A) and supply-demand ratio (ESDR) values (B) of various ESs bundles

3 讨论

理解生态系统的权衡和协同可以对生态系统和景观管理进行科学决策，以确保区域的可持续发展。松嫩平原碳固持供给与食物供给呈权衡关系，这与王川等（2019）在黄土丘陵区的研究结果一致，影响碳固持供给高的生态系统类型包括森林和湿地，但森林和湿地并没有较高的食物供给能力。产水量供给与食物供给为协同关系，因为产水量充足有利于农作物生长，提高作物产量；在松嫩平原地区，人口密集地区的各生态系统服务需求都处于高水平，而低人口密度地区生态系统服务需求处于低水平，因此生态系统服务需求之间存在着共同的协同关系；松嫩平原产水量服务与碳固持服务的供需比之间呈协同关系，这与刘立程等（2019）研究结果相似。食物供给与产水量服务、碳固持服务的供需比之间呈权衡关系，这些研究结果与Peng et al.（2019）、Peng et al.（2020）、Xiang et al.（2020）研究结果相似。食物产量的增加会加强该区域人类活动和农业活动，致使该区域的生态系统遭到破坏，进而影响碳固持和产水量等服务。评估生态系统服务之间的权衡与协同能够有效指导生态系统管理，制定合理政策。

生态系统服务簇分析可以将生态系统服务供需相似的区域聚类，对生态系统服务管理具有重要意义。在松嫩平原地区，可以通过城市间空间流动来缓解生态系统服务的供需不匹配。同时应该推行国家政策，例如退耕还湿还草、退耕还林等政策，因为生态系统服务供给高的自然生态系统（如林地、草地、湿地等）被占用和破坏，会减少生态系统服务供给能力。针对本文的研究结果，生态系统服务簇1有较高的食物供给能力，为协调生态系统关系，应加强退耕还湿、还草、还林，提高该区域固碳能力。而适度协调的生态系统服务簇2和生态系统服务簇3，生态系统服务供给总体处于高水平，生态系统服务需求处于低水平，因此生态系统服务供给充足。应持续保护该区域森林、草地和湿地，建设绿色经济区有利于生态效益的发挥（刘华妍等，2020）。高度不平衡的生态系统服务簇 4分布在经济较发达的城区，城市发展的区域格局趋于紧凑，人口的聚集和人工表面的增加导致了生态系统服务的供给较低，生态系统服务的需求较高，这是需要政府重点关注的领域之一，几乎所有生态系统服务都供不应求。因此，植树种草，减少建成区和耕地面积，对该区的生态恢复具有重要作用。在将环境评估转化为土地使用或管理决定时，确定环境评估供求之间的空间格局是至关重要的。确定生态系统服务供应、社会需求和人类福祉之间的联系不仅对科学研究很重要，而且对政策和实践也很重要（Alkemade et al.，2014）。我们的研究结果可以提供有价值的信息，以协助政策制定者维持特定的生态系统服务或改善人类福祉。

本研究为生态系统管理提供了一些线索，但也存在一定的局限性。针对方法而言，InVEST模型评估产水量和碳固持所需参数均参考已发表文献和模型使用手册，缺少实际验证。产水量需求中，没有考虑生态需水，后续研究仍需要完善。并且本研究只考虑了 2015年一期现状的生态系统服务情况，在未来的研究中，我们会完善多期多种生态系统服务的供需研究。松嫩平原作为东北地区的粮食主产区也是生态脆弱区，未来如何进一步监测及协调该区域的发展将是我们的研究重点。

4 结论

本研究基于ArcGIS 10.6软件、InVEST模型、Geoda空间分析软件对松嫩平原3种生态系统服务（产水量、碳固持和食物供给服务）进行供需分析，绘制了生态系统服务供给、需求和供需比的空间分布图，求取不同市级行政区单位面积供需值和供需比，分析了生态系统服务权衡与协同的关系，并探讨了4种生态系统服务簇特征。结果得出，松嫩平原不同市级行政区单位面积水供给、碳供给以及食物供给均值均大于单位面积水需求、碳需求和食物需求量均值。不同生态系统服务供需空间差异明显，但总体供需比均值均大于 0，体现供给大于需求。不同生态系统服务簇特征明显，应对生态系统服务簇1加强退耕还湿、还林力度，继续保护生态系统服务簇2和3的区域协调性，同时提高生态系统服务簇4的供给能力。评价不同生态系统服务的空间分布和供需关系，对资源的可持续利用和生态系统的保护具有重要意义。