基于生态系统服务价值的浑河-太子河流域生态承载力分析

摘要：探究流域生态承载力变化是协调人类活动与资源压力、经济增长与生态保护、人地和谐与可持续发展的关键，可为城市群流域生态系统服务与生物资源生态承载力评估提供参考。基于遥感和统计数据，分析了辽宁中部城市群所在的浑河−太子河流域1990-2018年长时间序列的土地利用变化，并以居民消费指数（CPI）和粮食产量修正的生态系统服务价值当量为基础，以生态足迹模型为框架，研究浑太流域生态服务价值与具有生态服务功能的森林、草地、农田、水生态系统的生物资源生态承载力变化。结果显示，林地和耕地为浑河-太子河流域主要用地类型，二者主要呈东西分布，1990-2018年建设用地增加最多，面积达11.97×104 hm2，主要由耕地和林地转入。浑太流域1990年、2000年、2010年、2018年的生态系统服务价值（ESV）分别为1 117.04×108、653.35×108、1 182.83×108、1 215.34×108元，1990-2000年ESV总值下降最明显，达到了41.51%，2000-2010年涨幅最高，为81.05%，1990-2018年涨幅为8.80%，调节服务为流域主导功能。浑太流域生物资源生态承载力空间上大体呈东高西低分布，低值区域主要出现在城市群主城区；时间上总体稳定，1990年生物资源生态承载力最强，为281.20×104 ghm2，生态赤字仅出现在2000年。研究表明，浑河-太子河流域生态系统服务功能对区域生态稳定有重要作用。

关键词：生态承载力；生态足迹；生态系统服务；浑河-太子河流域

中图分类号：X826" " " " 文献标志码：A" " " " 文章编号：1674-3075（2024）05-0029-10

改革开放以来，中国城市化率由1978年的17.9%增长至2017年的58.52% （梁龙武等，2019）。辽宁中部城市群作为我国最早形成的城市群之一，为东北地区对外开放的重要门户和陆海交通走廊，为辐射带动东北地区发展的龙头（关伟和周忻桐，2014）；该城市群主要位于辽河流域的浑河-太子河流域（简称浑太流域），也是我国重要粮食产地和重工业基地，长期的工业活动、矿产开发以及快速的城市化进程对浑太流域的生态系统和自然本底产生了巨大影响，使得区域发展面临着资源消耗以及潜在的生态安全风险（杨欣雨和牛方曲，2022）。Park（1969）从种群数量角度出发，首次将“承载力”的概念引入生态学领域；生态承载力被定义为“自然资源-生态环境-社会经济”复合生态系统承载能力与承载对象压力的反映（叶菁等，2017）。生物资源生态承载力是判断社会经济活动与资源环境、生态系统协调与否的关键要素（樊杰等，2015；封志明等，2017）。科学、准确地评估区域生态承载力，可为自然环境保护以及社会可持续发展起支撑作用。

生态系统服务指人类通过生态系统的结构、过程和功能直接或者间接得到的生命支持产品与服务（李子君等，2020;Costanza et al，1997;Robert et al，1998）。生态足迹法是测度生态可持续发展的定量方法，也是度量人类活动对生态系统压力和影响的途径（郭秀锐等，2003）；自1992 年提出生态足迹 （Ecological Footprint） 概念以来，据此计算区域生态承载力的方法已经被广泛使用（刘淼等，2006）。将生态系统服务带入生态足迹模型中，可以弥补模型侧重土地供给能力而忽略生态系统调节能力、维持能力以及美学景观等其他服务功能的不足（Li et al，2021）。研究内容上，将重心逐渐从单项生态系统服务功能如供给服务中的粮食供给（陈芳淼等，2015）、水资源供给（Jenerette et al，2006）向多项生态系统服务相结合的方向扩展（刘世梁等，2019），以期更为全面地评估区域生态承载力；研究方法上，基于能值理论（刘淼等，2008）、实际土地需求（刘淼等，2007），或增加（杨一旸等，2020）与修正（郭慧等，2020）模型中的关键参数等方法对生态足迹模型进行改进，为深入探究区域发展提供了新思路。但上述研究也存在缺陷，如将重心放在对生态足迹模型改进，忽略了科学合理地修订生态系统服务价值当量因子，造成研究结果与研究区实际生态承载力之间出现较大偏差（李晓赛等，2015）；此外，多数研究主要集中于省份尺度的综合生态承载力核算，缺少流域尺度的相关研究。

本文选取浑太流域分析1990-2018年土地利用变化，并在此基础上探究其生态服务价值及生物资源生态承载力演变，对协调区域经济发展与生态安全、实现辽宁中部城市群的全面振兴具有重要意义，以期为流域可持续发展和生态环境保护提供理论依据，并且可为其他城市群流域的生态系统服务与生物资源生态承载力评估提供参考。

1" "材料与方法

1.1" "区域概况

浑太流域（121°57′～125°20′E，40°27′～42°19′N） 分布有沈阳、抚顺、本溪、辽阳、鞍山和营口共计6座城市（图1），流域面积2.73 万 km2，城镇人口1 128.1万，农业人口822.3万，城镇化率为57.84%；属温带湿润和半湿润季风气候，年均气温5.3℃，年均降雨量为700 mm，主要集中在6-9月。浑河和太子河多年平均水资源总量为69×108 m3，是辽宁中部城市群最重要的地表水资源。浑太流域濒临环渤海经济圈，第二、三产业总产值为1.13×1012 元，是东北地区经济与工业的核心区，也是人类活动最为强烈的区域；流域大体上呈东北高、西南低的走势，东北部为山地丘陵带，森林覆盖率高，植被保护较好，水量较为丰富；中西部为辽河冲击平原，河网交错，土地开发程度高，城镇化明显。

1.2" "数据来源

本次选取浑太流域1990年、2000年、2010年、2018年共4期土地利用数据，来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn/），是基于美国陆地卫星Landsat影像，通过人工目视解译生成，精度为30 m。利用ArcGIS10.5软件对土地利用数据进行重分类，根据需要划分成林地、草地、水域、耕地、建设用地和未利用地共六大类。

计算单位面积生态系统服务价值所用的CPI指数、粮食产量以及价格数据均来源于国家统计局网站（http：//www.stats.gov.cn/）和中国经济社会大数据研究平台（http： //data.cnki.net/）。

1.3" "研究方法

1.3.1" "土地利用程度变化" "土地利用程度综合指数反映人类对土地的开发利用程度，也是衡量区域土地利用深度和广度的重要指标（庄大方和刘纪远，1997），计算公式如下：

L = 100 ×[i=1n（Ai × Ci）]" " "Lϵ[100， 400] ①

R = （Lb − La）/La ②

式中：L为研究区土地利用程度综合指数，Ai为研究区第i种土地利用类型的分级指数，Ci为第i级土地利用面积百分比；R为土地利用程度的变化率，正值表征研究区域土地利用属于发展阶段，负值则表征土地利用为衰退阶段；La与Lb分别为研究区首末年份土地利用程度综合指数。

1.3.2" "土地利用变化桑基图" "桑基图（Sankey diagram）即能量分流图，也叫桑基能量平衡图，图中延伸的分支宽度对应数据流量大小，通常应用于能源、材料成分、金融等数据的可视化分析。本研究以桑基图揭示1980-2018年浑太流域土地利用转移变化。

1.3.3" "生态系统服务价值评估" "本研究采用价值当量因子法并结合以农田为基准的修订方法以及居民消费指数法（CPI）进行修正（谢高地等，2008；徐丽芬等，2012；王航等，2017），计算浑太流域生态系统服务价值。2010年浑太流域与全国单位面积的粮食产量分别为5 562.86 kg/hm2和5 005.69 kg/hm2，两者之比得出研究区当量因子农田修订系数1.11。CPI指数修订公式如下：

ai = CPI/100 ③

[a1a0×a2a1×a3a2×…×anan−1=ana0]" " " " ④

[VCk=VC'k×ana0]" " " "⑤

[VC'k] = Ei × D ⑥

式中：ai为CPI去除单位，CPI为居民消费指数，[a1a0]为第一期环比CPI，[ana0]为现期同比定基CPI，VCk为经过修正的第k类土地利用类型单位面积的生态系统服务价值系数[元/（hm2∙a）]，Ei为第i类土地利用类型经地区修订后的生态服务功能当量，D为1个标准当量因子的生态系统服务价值量 （元/hm2）。

生态系统服务价值（Liu et al，2020）估算公式如下：

ESV = [k=1n（Ak×VCk）]" "⑦

式中：ESV为生态系统服务价值（元），Ak为第k种土地利用类型面积（hm2），VCk为经过修正的第k类土地利用类型单位面积的生态系统服务价值系数[元/（hm2∙a）]。

1.3.4" "生态承载力评估" "（1）生态承载力是衡量自然提供生态资本的能力（刘倩等，2019）；生态足迹是从消费角度核算人类消费行为的生态资本需求（郭慧等，2000）。计算公式如下：

ECC = N × ec = N" × [j=1n（aj × rj × yj）" ]" ⑧

EF = N × ef = N" × [j=1n（aj × rj）]" " "⑨

式中：ECC为区域总人口的生态承载力（ghm2），EF为区域总人口的生态足迹（ghm2），N为研究区域总人口，ec为人均生态承载力（hm2/人），ef为人均生态足迹（hm2/人），yj为产量因子，aj为人均生物生产面积，rj为均衡因子。

（2）生态系统服务价值的均衡因子及产量因子。基于生态系统服务价值构建的均衡因子（郭慧等，2020）计算公式如下：

[rj=PjPNP=Dt×Fj0nDt×Fj×Sj/0nSj]" " " ⑩

式中：rj为均衡因子，Pj为j种生态系统类型单位面积的生态系统服务价值（元），[PNP]为所有用地类型的单位面积平均生态系统服务价值（元），Dt为t年度研究区内1个标准当量因子的生态系统服务价值量（元/hm2），Fj为研究区内第j类生态系统的生态系统服务价值当量因子之和，n为研究区内所有的提供生态系统服务的生态系统种类，Sj为第j类生态系统的面积（hm2）。

基于生态系统服务价值构建的产量因子（郭慧等，2020）计算公式如下：

[yj=PjEj=Dt×FjDqt×Fqj]" " " " ⑪

式中：yj为产量因子，[Ej]为对应j类土地利用类型的全国平均单位面积生态系统服务价值，Dqt为 t年度全国 1 个标准当量因子的生态系统服务价值量（元/hm2），Fqj为全国第j类生态系统的生态系统服务价值当量因子之和。

本文主要研究对象为区域内具有生态系统服务价值的森林、农田、草原与水生态，四者生态承载力之和为区域生物资源生态承载力。

（3）生态赤字（盈余）。生态赤字（盈余）表征人地系统之间服务的供需情况和可持续发展程度（张杰等，2021），计算公式如下：

EDy = ECCy − EFy" " " " " " " " " " " " " " " " " " "⑫

式中：EDy为生态赤字（盈余） （ghm2），y为研究年份，ECCy为第 y年的研究区生物承载力，EFy 为第 y 年研究区的生态足迹；EFy≥0代表研究区处于生态赤字；反之，则为生态盈余。

2" "结果与分析

2.1" "浑太流域土地利用变化

浑太流域1990-2018年土地利用分布见图2。可见林地主要集中分布在东部，在研究区各类用地类型中占比最高；耕地主要分布在研究区西部，其面积占比仅次于林地，建设用地主要集中分布于水系两侧。1990-2018年，建设用地占地面积扩张11.97×104 hm2，涨幅在各类用地类型中最高，为50.61%，其中增长最快时期为2000-2010年，为25.94%；草地和耕地占地面积呈下降趋势，1990-2018年分别减少1.14×104 hm2和22.81×104 hm2，其中草地降幅最大，为44.5%；林地面积先减少后增加，1990-2010年林地面积减少2.89×104 hm2，2010-2018年林地面积增加12.91×104 hm2，总体呈增长趋势，增长面积为10.03×104 hm2，对比1990年的涨幅为7.39%（图3）。

建筑用地面积的大幅度增加主要是由耕地和林地转入，其中以耕地为主，转入面积为13.52×104 hm2；大量流失的草地主要转化成耕地和林地；大面积减少的耕地主要转化为建设用地和林地，其中转化为林地18.41×104 hm2，为林地面积增加的最大用地类型（图4）。

2018年林地、草地、水域、未利用地以及建筑用地土地利用综合指数均比1990年有所提高，其中建筑用地土地利用综合指数增幅较大；土地利用程度综合变化率R=0.11%gt;0，表明流域内土地利用总体处于发展期（表1）。

2.2" "浑太流域生态系统变化

2.2.1" "服务总价值" "浑太流域1990年、2000年、2010年、2018年的ESV总值分别为1 117.04×108、653.35×108、1 182.83×108、1 215.34×108元，1990年至2018年涨幅为8.80%；1990-2000年ESV总值下降最明显，达到了41.51%；2000-2010年涨幅最高，为81.05%。研究期内各种土地利用类型对ESV的贡献度从高到低进行排序依次为：林地gt;水域gt;耕地gt;草地gt;未利用地。2018年林地所提供的ESV最高，为812.87×108元，占当年ESV总值的66.88%；2000年未利用地提供的ESV最低，为0.04×108元（图5-a）。1990-2000年浑太流域各类型土地ESV均呈下降趋势，2000-2010年各类型土地ESV均呈上升趋势，水域ESV提升速率最高，为113.03%，1990-2018年林地、未利用地和水域ESV变化率为正值，草地，耕地ESV变化率为负值（图5-b）。

2.2.2" "服务功能" "将4项一级生态系统服务价值的4个研究阶段均值进行排名，顺序为：调节服务gt;支持服务gt;供给服务gt;文化服务，分别为725.50×108、200.94×108、76.04×108、39.65×108元；其中，调节服务占生态系统服务价值总值的69.62%。11项二级生态系统服务价值中，水文调节、气候调节、土壤维持占比较高， 2018年3项服务价值之和为780.73×108元，占全年生态系统服务总价值的64.24%；1990-2000年，各项生态系统服务均呈下降趋势，在40.91%～41.93%；2000-2010年，各项生态系统服务均呈现出明显上升趋势，其中水资源供给服务、水文调节服务、净化环境服务上升程度较高，分别为142.88%、96.54%和77.82%；2010-2018年，除食物生产服务、维持养分循环与水文调节服务外，其余8项生态系统服务价值均有提高，其中水资源供给和气候调节服务提高16.88%和7.38%且较为明显（图6）。

2.3" "生物资源生态承载力与生态足迹变化

2.3.1" "生态承载力" "1990-2018年，浑太流域均衡因子最大，均值为6.67，其中耕地最小，均值为0.21；4类产量因子差别较小，且变化趋势相同，耕地产量因子最大，均值为1.39（表2）。 1990-2018年区域生物资源生态承载力呈先下降、后上升的趋势。最高在1990年，生物资源生态承载力为281.20×104 ghm2；最低在2000年，为218.66×104 ghm2；林地提供的生态承载力最强，均值为151.17×104 ghm2；草地最低，均值为0.67×104 ghm2（表3）。

2.3.2" "生态足迹" "研究期内区域生态足迹变化较为平缓，呈逐年下降趋势，为-0.39%～-2.22%；最高出现在1990年，为259.63×104 ghm2；最低出现在2018年，生态足迹为248.49×104 ghm2。4种用地类型中，林地的生态足迹最高，草地最低，生态赤字出现在2000年，为39.96×104 ghm2，其余年份均为生态盈余，最高值在2018年，为26.26×104 ghm2；除2000年外，水域的生态盈余均较高，1990年、2010年和2018年的水域生态盈余均值为18.88 万ghm2，占区域生态盈余的85.62%；林地则一直处于生态赤字，总体呈现出减小趋势（表3）。

2.3.3" "时空变化" "将流域生物资源生态承载力分为低（0～68 ghm2）、较低（68～273 ghm2）、中等（273～846 ghm2）、较高（846～1821 ghm2）和高（1821～3 244 ghm2）共5级（图7）。从空间上看，总体分布呈现西低东高，高值区域主要在浑河、太子河水系附近聚集分布，低值区域则主要集中在城市主城区附近，如沈阳市的于洪区和铁西区、鞍山市的立山区与营口市的西市区，较低值区域主要分布在西部耕地集中连片区，中等值区域占研究区面积的大部分，主要分布在东部抚顺、本溪市内林区；从时间上看，1990-2000年研究区内各项分级区域有微小变化，低值区域在研究区西部增加14.58×104 hm2；2010-2018年中等值区域分布面积增加9.58×104 hm2，且有向西扩张趋势，低值区域面积增加为2.92×104" hm2，较低值区域面积较少，仅11.79×104 hm2（表4）。

3" "讨论

3.1" "水文调节对区域生态系统服务功能的影响

使用价值当量法进行生态系统服务价值核算时，由于局限性与地域性影响，需要修正价值当量系数。目前，主要采用社会发展修正系数、植被净初级生产力系数等对研究区当量因子进行修正（刘海等，2018；刘倩等，2019），但这些修正方法忽视了计算ESV的历年价格基础不同，导致直接弱化了ESV在土地管理实践中的应用（张舟等，2013;Yao et al，2012）。本文采用粮食产量与居民消费指数（CPI）相结合的方法，消除了区域差异与时间序列内物价变动，使计算得到的结果更接近实际的ESV，提高了各个时期生态系统服务价值的可比性与准确性，符合本区域的实际情况。

1990-2010年浑太流域ESV呈明显下降趋势，除去开荒拓田和城市扩张造成林地及草地面积减少而影响ESV变化外，最主要原因是2000年浑太流域遭受了严重旱灾（赵先丽等，2009），对区域生态系统造成了剧烈影响。在浑太流域生态系统服务价值结构方面，4类一级生态系统服务中，调节服务占比最高，表征了浑太流域生态系统主要起到保障其系统稳定性和消解人类生活污染的作用，与杨强强等（2021）青弋江流域的生态系统服务价值评估结果一致，说明流域因为其特有的地理环境而起到突出的调节功能；在浑太流域11项二级服务中，水文调节为生态系统服务主导类型，流域内高植被覆盖率与浑河、太子河两水系的自我调节与消化能力为水文调节服务提供了有力支撑。

3.2" "浑太流域生态承载力时空格局的差异性

浑太流域基于生态系统服务价值的水域均衡因子远大于其他生态系统用地类型的均衡因子，充分验证了水域提供生态系统服务的能力，说明水资源是社会经济发展的生命线。林地作为生态系统重要的保护屏障与支柱，其均衡因子比草地和耕地高；浑太流域基于生态系统服务价值的产量因子均值按大小依次排序为：耕地gt;草地gt;水域gt;林地，且耕地、草地与林地的均值均大于1。郭慧等（2020）研究发现，北京门头沟地区的林地、耕地和水域生态系统土地的产量因子均小于1。造成此种差别的主要原因可能是与北京地区相比，浑太流域自然资源底蕴深厚，农作物单产高于全国平均水平，从而产量因子相对高于其他地区。

在本次生物资源生态承载力研究中，仅在2000年出现生态赤字，说明浑太流域生物资源生态承载力总体维持良好，可以满足当地居民日常生产生活需求，但在遭受如旱灾等不可抗力的大型自然灾害时仍然会受到严重影响。林地为生物资源生态承载力的主导用地类型，其对应产生的生态足迹也最多，为研究区内唯一出现赤字的生态系统用地类型，表明林地承担着区域内居民生产生活主要的生物资源消耗；随着浑太流域资源利用方式的转变，森林生态系统所面临的压力有所缓解，1990-2018年，生态赤字由8.69×104 ghm2 降低到4.99×104 ghm2。在区域分布方面，生物资源生态承载力东高西低的分布格局与各生态系统对应的土地利用结构状况紧密相关；西部多草地与建设用地，而能提供更高承载力的林地则主要分布在东部，林地面积的增加以及相应环境保护政策的出台，对浑太流域生物资源生态承载力的提高具有积极作用，从而呈现较低值区域减少、中等值区域有向西扩张的趋势；结合土地利用分布图可以看出，生物资源生态承载力高值区域主要分布在水域两侧，低值区则集中分布在建设用地附近，且有扩张趋势。造成这种结果的主要原因是空间、经济和社会城镇化促使用地变化，给生态环境带来了很大压力，影响了生态系统的各种功能（张骞等，2017）。刘志涛等（2021）研究发现，生态系统功能下降区域主要为城市快速扩张区，且在城乡交界处变化更为剧烈；杨欣雨和牛方曲（2022）研究认为，1996-2017年随着辽宁城市化水平与质量的不断提高，资源环境压力仍然存在且呈现下降趋势，与本文的研究结果一致。

3.3" "基于生态服务功能的流域可持续发展建议

为提升浑太流域生态系统服务功能，首先，应依托辽宁省正大力开展的《辽河流域（浑太水系）山水林田湖草沙一体化保护和修复工程》，加强对大辽河、浑河、太子河及东部林区的生态修复力度，持续推进造林护林工作，提升区域森林生态系统服务功能的持续稳定性；其次，严防区域工业与生活废水的无处理排放，加强水质监测，控制水体污染，为区域水文调节生态服务提供保障；最后，应在国土空间规划和国土空间生态修复规划指导下，对于生物资源生态承载力薄弱的于洪区、铁西区、立山区及西市区等城市核心集中区域，进一步完善区域生态环境空间管控体系，增加城市绿地面积，优化建设用地空间格局，提升区域生态承载潜力。

4" "结论

（1）1990-2018年浑太流域土地利用类型变化明显，其中建设用地增幅明显，耕地和草地面积下降，林地面积先下降、后增加，综合土地利用开发程度为发展阶段。

（2）1990-2018年浑太流域生态系统服务价值呈现先下降、后升高的趋势，受旱灾影响，2000年生态系统服务价值下降最明显，水文调节服务为为浑太流域主导生态系统服务类型。

（3）浑太流域生物资源生态承载力空间上总体呈西低东高分布格局，1990-2018年生物资源生态承载力呈增长趋势，生态足迹变化平缓，呈逐年下降趋势。

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（责任编辑" "万月华）

Evolution of Ecological Carrying Capacity in the Hunhe-Taizi River Basin Based

on the Value of Ecosystem Services

YAO Ning1， ZHANG Dan‐hua1， LIU Miao2， WANG Yang1， WANG Sai2

（1. School of Transportation and Surveying Engineering， Shenyang Jianzhu University，

Shenyang" "110117， P. R. China;

2. Institute of Applied Ecology， Chinese Academy of Sciences， Shenyang" "110016， P. R. China）

Abstract：Rapid urban agglomeration has greatly increased ecological pressure on watersheds. To coordinate human activities and resource pressure， economic growth and ecological protection， and to realize human-land harmony and sustainable development， it is crucial to clarify the change in ecological carrying capacity of watersheds during urban agglomeration. In this investigation， urban agglomeration in the Hunhe-Taizi River basin of central Liaoning Province was selected for a case study， and we analyzed land use change from 1990 to 2018 based on remote sensing data and statistical data for the years 1990， 2000， 2010 and 2018. Furthermore， using the Consumer Price Index （CPI） and grain production-adjusted ecosystem service value equivalents as foundations， we explored the variations in ecological service values and the ecological carrying capacity of biological resources within the forest， grassland， farmland， and aquatic ecosystems that provide ecological services using the ecological footprint model. There were large changes in land use in the basin during the study period， with an evident increase in construction land， a decrease in cultivated land and grass land， and an initial decrease and then an increase in woodland. The woodland and cultivated land were the primary land use types， distributed in an east-west pattern in the basin. The significant increase of construction land area was mainly transferred from cultivated land and woodland， with an increase of 11.97×104 hm2" from 1990 to 2018. The value of ecosystem services in Hunhe-Taizi River basin in 1990， 2000， 2010， and 2018 were respectively， 1 117.04×108， 653.35×108， 1 182.83×108， and 1 215.34×108 Yuan. The value of ecosystem services in the Hunhe-Taizi River basin decreased by 41.51% from 1990 to 2000 and increased by 81.05% from 2000 to 2010， with an overall increase of 8.80% from1990 to 2018. Regulation service was the primary ecological service provided by the river basin. The spatial distribution of ecological carrying capacity of biological resources in Hunhe-Taizi River basin was high in the east and low in the west， with the low value area mainly in the urban area of the urban agglomeration. The ecological carrying capacity of biological resources was the strongest in 1990， with a value of 281.20×104 ghm2， but an ecological deficit appeared in 2000. The above results indicate that the ecosystem service functions in Hunhe-Taizi River basin play an important role in ensuring regional ecosystem stability.

Key words：ecological carrying capacity; ecological footprint; ecosystem services; Hunhe-Taizi River basin