基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需與生態(tài)恢復(fù)力的國土空間生態(tài)修復(fù)分區(qū)*
——以京津冀為例

孟凡迪,周智,2**,張貴軍,焦翠麗,闞瑤川,趙麗

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源學(xué)院 保定 071000;2.河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 保定 071000;3.中央農(nóng)業(yè)廣播學(xué)校保定分校 保定 071000)

人類對(duì)自然資源的過度消耗,帶來了不可逆轉(zhuǎn)的環(huán)境問題,制約著經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1-2]。十九屆五中全會(huì)中明確提出,堅(jiān)持和完善生態(tài)文明制度是建設(shè)新時(shí)代中國特色社會(huì)主義的重點(diǎn)任務(wù)。生態(tài)文明是社會(huì)文明發(fā)展的新形態(tài),國土空間生態(tài)修復(fù)是生態(tài)文明建設(shè)的核心任務(wù)之一[3]。

新時(shí)代國土空間生態(tài)修復(fù)在研究思路上強(qiáng)調(diào)“山水林田湖草是一個(gè)生命共同體”,生態(tài)修復(fù)的重點(diǎn)也逐漸從單一的要素修復(fù)轉(zhuǎn)向山水林田湖草等多要素協(xié)同治理[4-5]。目前對(duì)于山水林田湖草進(jìn)行生態(tài)修復(fù)分區(qū)還沒有形成比較系統(tǒng)和完善的方法,現(xiàn)有研究主要從以下4 種研究視角展開: 1)依托生態(tài)安全格局提出生態(tài)修復(fù)分區(qū)方法,此類方法已形成了一套較為成熟的研究范式,大多通過提取源地節(jié)點(diǎn)與識(shí)別修復(fù)區(qū)域路徑構(gòu)造安全格局,結(jié)合生態(tài)障礙區(qū)形成修復(fù)分區(qū)[6-8],如倪慶琳等[8]應(yīng)用生態(tài)安全格局范式將生態(tài)源地、障礙區(qū)和生態(tài)阻力面進(jìn)行空間疊加,將徐州賈汪區(qū)劃分為生態(tài)保育區(qū)、生態(tài)提升區(qū)、生態(tài)修復(fù)區(qū)、生態(tài)控制區(qū)4 個(gè)生態(tài)修復(fù)分區(qū);2)運(yùn)用綜合診斷評(píng)價(jià),將“社會(huì)系統(tǒng)-生態(tài)系統(tǒng)”存在的沖突關(guān)系應(yīng)用于國土空間分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建,以保障整體性為先,分析多個(gè)診斷因子之間的相互作用并形成最終空間分區(qū)[9-10],如范余敏等[9]構(gòu)建礦山生態(tài)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,繪制礦山生態(tài)環(huán)境承載力分區(qū)圖,提出相應(yīng)的分區(qū)保護(hù)修復(fù)建議;3)關(guān)注區(qū)域主導(dǎo)功能,在整體定位和整體功能的視角下,根據(jù)同構(gòu)理論與協(xié)同發(fā)展、區(qū)域分工的原則,利用比較優(yōu)勢的方法來探索不同空間單元在整體功能中的主導(dǎo)要素,從而耦合土地空間分異性形成多級(jí)分區(qū)[11-13],如蔡海生等[11]通過分析區(qū)域國土、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)等主導(dǎo)功能的分區(qū)定位與內(nèi)涵特征,基于“自上而下”和“自下而上”相結(jié)合,提出了基于主導(dǎo)功能型區(qū)劃的國土空間生態(tài)修復(fù)分區(qū)的思路與方法,完成一級(jí)生態(tài)功能基礎(chǔ)分區(qū)、二級(jí)生態(tài)修復(fù)格局分區(qū)和三級(jí)生態(tài)修復(fù)模式分區(qū);4)基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系進(jìn)行分區(qū),在注重人類的需求意向的同時(shí)關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)提供服務(wù)的能力[14-18],如岳文澤等[15]以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為尺度單元量化區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量和需求量,構(gòu)建供需匹配與協(xié)調(diào)關(guān)系將固原市劃分為生態(tài)重點(diǎn)修復(fù)區(qū)、生態(tài)潛在修復(fù)區(qū)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)重整改造區(qū)、特色農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū)、生態(tài)核心保護(hù)區(qū)和生態(tài)產(chǎn)業(yè)提質(zhì)建設(shè)區(qū)6 類。

生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力是指在受到外部環(huán)境的影響而導(dǎo)致自身?xiàng)l件偏離平衡時(shí),生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出的自我重建、自我調(diào)節(jié)、抵御各種外部環(huán)境的壓力和擾動(dòng)的能力[19]。一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)必須維持其結(jié)構(gòu)與功能的完整,并且能夠抵御外界的擾動(dòng)與及時(shí)復(fù)原,才能持續(xù)為人類社會(huì)提供服務(wù)。生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力水平可以在一定程度上反映生態(tài)系統(tǒng)自然修復(fù)能力[20],生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需水平可以反映人類需求與自然資源利用之間的矛盾;在生態(tài)修復(fù)過程中通過人為修復(fù)手段緩解供需矛盾,減少對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響,可以達(dá)到全面增進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,維護(hù)山水林田湖草生命共同體的最終目的。

自2014 年提出京津冀協(xié)同發(fā)展以來,北京市、天津市與河北省在資源流動(dòng)、生態(tài)空間連通方面作為一個(gè)完整的開放性板塊,《北方防沙帶生態(tài)保護(hù)和修復(fù)重大工程建設(shè)規(guī)劃(2021-2035 年)》明確提出要實(shí)施京津冀協(xié)同發(fā)展生態(tài)保護(hù)和修復(fù)等重點(diǎn)工程,優(yōu)化形成京津冀生態(tài)保護(hù)修復(fù)板塊,構(gòu)建北方防沙帶空間保護(hù)格局。因此,摸清京津冀生態(tài)環(huán)境整體質(zhì)量,合理劃定國土空間生態(tài)修復(fù)分區(qū)顯得極為重要。

不同于以往單一模式下的修復(fù)分區(qū),本文將生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力水平作為評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)自然修復(fù)能力的手段,從生態(tài)與社會(huì)要素耦合角度構(gòu)建供給-需求-恢復(fù)力框架,多層次基于“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需+生態(tài)恢復(fù)力”識(shí)別國土空間生態(tài)修復(fù)分區(qū)。以期指導(dǎo)科學(xué)編制國土空間生態(tài)修復(fù)規(guī)劃,依據(jù)不同區(qū)域的生態(tài)環(huán)境問題提出不同的修復(fù)模式和手段,從而提升整個(gè)國土空間生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和健康性。

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

京津冀地區(qū)(河北省以及北京市、天津市)位于我國地勢第三階梯的華北平原北部,北靠燕山山脈,東臨渤海海域,南面是華北平原,西側(cè)是太行山脈。土地總面積約2.18×105km2。區(qū)域共計(jì)200 個(gè)縣(區(qū))級(jí)行政單位,地形種類復(fù)雜多樣,主要包括平原、山地、丘陵、高原、盆地。京津冀平均海拔高度510 m 左右,地形整體分布大致為西北高、東南低,由燕山-太行山山脈山系構(gòu)造向東南逐步過渡為平原。研究區(qū)隸屬溫帶季風(fēng)氣候,6-9 月受太平洋水汽影響,高溫多雨;11-1 月受蒙古-西伯利亞寒流的影響,寒冷干燥,年平均氣溫15～16 ℃。京津冀植物種類繁多,生態(tài)資源豐富;北部城鎮(zhèn)化水平低,但生態(tài)破壞嚴(yán)重,中部城市化水平高,大氣污染和水污染嚴(yán)重。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的土地利用數(shù)據(jù)(2020 年)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)平臺(tái)(http://www.resdc.cn/),空間分辨率為30 m,分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6 類;數(shù)字高程數(shù)據(jù)模型(Digital Elevation Model,DEM)數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.Gscloud.cn/),空間分辨率30 m;各縣(區(qū))各類農(nóng)林牧漁產(chǎn)量來自《河北農(nóng)村經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》(2020 年)、《北京統(tǒng)計(jì)年鑒》(2020 年)及《天津統(tǒng)計(jì)年鑒》(2020 年);植被歸一化指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)數(shù)據(jù)來源于MOD13Q1 數(shù)據(jù)集(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/),空間分辨率為500 m;凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Productivity,NPP)數(shù)據(jù)來源于MODIS 網(wǎng)站,空間分辨率為250 m;京津冀區(qū)域土壤數(shù)據(jù)來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫(http://westdc.Westgis.ac.cn/);年氣溫、年降水量等氣象數(shù)據(jù)來源于中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)氣象站點(diǎn),并利用ArcGIS 軟件進(jìn)行空間插值得到;各類休閑游憩興趣面(area of interest,AOI)數(shù)據(jù)由百度地圖開放平臺(tái)獲得。所有數(shù)據(jù)在ArcGIS 軟件重采樣為100 m 空間分辨率,投影為Albers 坐標(biāo)系。

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給計(jì)算

為準(zhǔn)確評(píng)估京津冀生態(tài)系統(tǒng)的供給狀態(tài),選取食物供給服務(wù)、土壤保持服務(wù)、碳固持服務(wù)、產(chǎn)水服務(wù)與休閑游憩服務(wù)5 種服務(wù)類型[21],計(jì)算方法如表1 所示。其中,食物供給服務(wù)為農(nóng)林牧漁食物對(duì)應(yīng)地類的生產(chǎn)能力[22];產(chǎn)水服務(wù)供給量借助InVEST模型產(chǎn)水模塊進(jìn)行量化;碳固持服務(wù)參考InVEST 模型推薦取值以及李瑾璞等[23]的研究,確定不同地類的碳庫參數(shù)測度;土壤保持服務(wù)參考王略等[24]選取適用于測算中國土壤侵蝕情況的中國水土流失模型(CSLE)對(duì)土壤保持服務(wù)進(jìn)行估算;基于土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)與AOI 數(shù)據(jù),創(chuàng)建1000 m×1000 m 網(wǎng)格,休閑游憩服務(wù)的供給量為該格網(wǎng)的休閑游憩用地面積[25-26]。

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給計(jì)算方法Table 1 Calculation method of ecosystem service supply

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總供給由5 種服務(wù)結(jié)果歸一化處理后等權(quán)重疊加獲得[15-17]?；诰┙蚣降貐^(qū)縣(區(qū))行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量柵格數(shù)據(jù),借助ArcGIS 軟件分區(qū)統(tǒng)計(jì)功能,統(tǒng)計(jì)各縣(區(qū))服務(wù)功能平均值。文中對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給、需求、恢復(fù)力歸一化處理公式如下:

式中:Xi為柵格i對(duì)應(yīng)的供給量、需求量、恢復(fù)力指標(biāo),Xmax為柵格數(shù)據(jù)的最大值,Xmin為柵格數(shù)據(jù)的最小值。X數(shù)值范圍為[0,1]。

1.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求計(jì)算

通過對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求的評(píng)估,可以有效地反映區(qū)域內(nèi)人類活動(dòng)對(duì)自然生態(tài)環(huán)境的影響[27]。為了與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量綱保持一致,將評(píng)估需求指標(biāo)與供給指標(biāo)相對(duì)應(yīng),基于人口數(shù)量和人均所需服務(wù)量來計(jì)算食物、產(chǎn)水、碳固持以及休閑游憩需求,土壤保持服務(wù)需求采用CSLE 模型進(jìn)行估算。各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求計(jì)算方法如表2 所示。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總需求由5 種服務(wù)需求結(jié)果歸一化處理后等權(quán)重疊加獲得,分區(qū)統(tǒng)計(jì)得到各縣(區(qū))需求平均值。

表2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求計(jì)算方法Table 2 Calculation methods of ecosystem service demand

1.3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配與協(xié)調(diào)程度

研究將方差標(biāo)準(zhǔn)化后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量與需求量結(jié)果輸入GeoDa 軟件,借助雙變量局部自相關(guān)模塊分析數(shù)量與空間上的匹配關(guān)系,得到LISA 圖并將結(jié)果用象限法表達(dá)[14]。結(jié)果分為4 類: 高供給-高需求(Ⅰ象限)、低供給-高需求(Ⅱ象限)、低供給-低需求(Ⅲ象限)、高供給-低需求(Ⅳ象限)。

引入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比(ESDR)與綜合生態(tài)供需比(CESD)兩個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需空間特征[30-31]。以供需比來衡量各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需狀態(tài),整體水平則采用綜合供需比衡量。5 類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求之間的關(guān)系可能是赤字狀態(tài)(ESDRi＜0,供小于需)或盈余狀態(tài)(ESDRi＞0,供大于需)。

式中: ESDRi為柵格i的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比;Si為柵格i的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量;Di為柵格i的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量;Smax為供給的最大值;Dmax為需求服務(wù)的最大值;CESDi為柵格i的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合供需比;β為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的類數(shù);n=1 為食物供給服務(wù),n=2 為產(chǎn)水服務(wù),n=3 為碳固持服務(wù),n=4 為土壤保持服務(wù),n=5 為休閑游憩服務(wù)。

1.4 生態(tài)恢復(fù)力水平計(jì)算

生態(tài)恢復(fù)力高的生態(tài)系統(tǒng)可以保持較強(qiáng)的自我維持與自我調(diào)節(jié)能力。構(gòu)建綜合的恢復(fù)力指標(biāo)體系是恢復(fù)力評(píng)估的前提。研究表明生態(tài)恢復(fù)力與穩(wěn)定性主要受氣候、植被、生物多樣性、營養(yǎng)因素(土壤肥力)、生境條件與人類活動(dòng)等因素影響[19]。結(jié)合區(qū)域條件與數(shù)據(jù)可獲得性,從立地條件、土壤條件、氣候要素、植被狀況、景觀多樣性、人類干擾6 個(gè)方面選取生態(tài)恢復(fù)力綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)并計(jì)算(表3)。地形是維持生態(tài)穩(wěn)定的重要因素[32],京津冀西北與東南地區(qū)地形差異顯著,選取地形起伏度、坡度、坡向3 項(xiàng)指標(biāo)反映不同地形條件下生態(tài)穩(wěn)定性;選取土壤數(shù)據(jù)庫中表層與表下層土體的pH、有機(jī)質(zhì)含量反映土壤恢復(fù)力空間差異;京津冀氣候因素年際間差異性大,選取多年平均降水量、多年平均氣溫反映氣候條件;考慮到物種與生物量數(shù)據(jù)難以獲得,景觀多樣性又可以在一定程度上反映生物多樣性,故借助景觀多樣性指數(shù)與景觀破碎度指數(shù)評(píng)價(jià)景觀多樣性[33];以植被覆蓋度、人均森林面積反映植被的生長狀況[34];考慮到人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的干擾,選取干擾強(qiáng)度、生態(tài)彈性度[35]進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用歸一化方法對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理后,利用熵權(quán)TOPSIS 法獲得各項(xiàng)因素指標(biāo)權(quán)重(表4)。依據(jù)已有研究與專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估[36-38],借助ArcGIS 軟件柵格計(jì)算器功能按照權(quán)重疊加,將結(jié)果歸一化處理后獲得生態(tài)恢復(fù)力水平結(jié)果。

表3 生態(tài)恢復(fù)力評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 3 Evaluation index system of ecological resilience

表4 生態(tài)恢復(fù)力指標(biāo)權(quán)重及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Index weight and evaluation criteria of ecological resilience

2 結(jié)果與分析

2.1 京津冀生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的空間格局

采用自然斷點(diǎn)法,將研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給狀態(tài)[15]分為低值區(qū)、中低值區(qū)、中值區(qū)、中高值區(qū)、高值區(qū)。京津冀地區(qū)不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間格局分異明顯(圖1)。

圖1 京津冀生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給空間格局Fig.1 Spatial patterns of ecosystem services supply in the Beijing-Tianjin-Hebei region

食物供給中值以上區(qū)域主要分布在華北平原,整體呈現(xiàn)東南高西北低的分布格局。碳固持高值及中高值區(qū)域分布在承德市、北京市北部與張家口東部區(qū)域,這些區(qū)域森林覆蓋率高、植被茂盛有利于生態(tài)系統(tǒng)對(duì)碳的固定;碳固持低值及中低值區(qū)域主要分布在京津冀中部與張家口西部,耕地所占比例較大、植被稀少,固碳量極少。產(chǎn)水服務(wù)高值及中高值區(qū)域主要集中在唐山市與秦皇島市;低值區(qū)域及中低值區(qū)域集中在張家口市西部,主要因其降雨量較少。土壤保持服務(wù)總體呈東高西低分布,高值及中高值區(qū)域主要分布在滄州市與秦皇島市東部,其他區(qū)域都處于均值以下。休閑游憩供給高值及中高值區(qū)域主要分布在京津冀西部與北部,區(qū)域自然條件優(yōu)越,沿著林地與草地區(qū)域廣泛分布。

綜合來看,京津冀生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總供給的中高值區(qū)及高值區(qū)主要分布在承德市北部、秦皇島市和唐山市區(qū)縣,京津冀中部縣(區(qū))有零星分布,上述區(qū)域生態(tài)基底條件較好,農(nóng)業(yè)條件優(yōu)越,生態(tài)功能相對(duì)穩(wěn)定。低值區(qū)主要位于北京市、天津市、石家莊市中心城區(qū),自然本底條件較差。

2.2 京津冀生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求的空間格局

根據(jù)自然斷點(diǎn)法將京津冀生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求狀態(tài)分為低值區(qū)、中低值區(qū)、中值區(qū)、中高值區(qū)、高值區(qū)(圖2)。食物需求、產(chǎn)水需求、休閑游憩需求與碳固持需求均由人口密度計(jì)算而來,空間分布情況與人口分布相關(guān)。上述4 種服務(wù)需求高值區(qū)及中高值區(qū)主要分布在各個(gè)城市的中心建成區(qū),并以此為中心向外擴(kuò)散,這些區(qū)域人口密集,對(duì)各項(xiàng)服務(wù)需求相對(duì)更高,以北京、天津、唐山、石家莊城市中心為典型。而土壤保持需求高值區(qū)及中高值區(qū)主要分布在京津冀西北部以及唐山市和秦皇島區(qū)縣,此區(qū)域年降水量多為639.4～786.1 mm,降水沖刷侵蝕較大,不利于土壤穩(wěn)固。

將京津冀5 種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求進(jìn)行歸一化處理后等權(quán)重疊加,發(fā)現(xiàn)受人口密度影響,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總需求高值區(qū)與中高值區(qū)集中在北京、天津、石家莊市主城區(qū),面積占比僅為2.48%;低值區(qū)主要集中在京津冀北部區(qū)域,面積占比46.63%;河北省中部多為中值及中低值區(qū)域,面積占比50.89%。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求主要聚集在人類活動(dòng)程度較高的區(qū)域。

2.3 京津冀生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配與協(xié)調(diào)程度

京津冀生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配分為4 種模式(圖3): 供需同高(Ⅰ象限,42 個(gè)區(qū)縣)、供低需高(Ⅱ象限,43 個(gè)區(qū)縣)、供需同低(Ⅲ象限,37 個(gè)區(qū)縣)、供高需低(Ⅳ象限,36 個(gè)區(qū)縣)。從空間上看,供需關(guān)系表現(xiàn)為空間負(fù)相關(guān),供需匹配呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異性。按生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系型進(jìn)行雙變量局部自相關(guān)檢驗(yàn),顯著性水平在80%以上,42 個(gè)縣(區(qū))表現(xiàn)為非顯著性。圖中括號(hào)內(nèi)為不同供需匹配模式下區(qū)縣個(gè)數(shù)。

圖3 京津冀生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需雙變量局部空間自相關(guān) [ 圖例中括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為縣(區(qū))數(shù) ]Fig.3 Bivariate local spatial autocorrelation of supply and demand of ecosystem services in the Beijing-Tianjin-Hebei region (data in the parenthesis is number of counties/districts)

對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比按縣(區(qū))情況進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì),參考張蓬濤等[31]的研究將供需情況分為6 類(圖4): 高度赤字(-1,-0.6)、中度赤字(-0.60,-0.30)、輕度赤字(-0.30,0)、輕度盈余(0,0.30)、中度盈余(0.30,0.60)、高度盈余(0.60,1.00)。

圖4 京津冀生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比水平空間分布Fig.4 Spatial distribution of supply-demand ratio of ecosystem services in the Beijing-Tianjin-Hebei region

5 項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需情況空間分布存在較大差異,食物供給服務(wù)供需赤字區(qū)域分布在各城市的中心建成區(qū),向外輻射的為中輕度赤字區(qū)域;碳固持服務(wù)、休閑游憩服務(wù)供需情況較差,高度赤字區(qū)域廣泛分布在京津冀東南及中部區(qū)域,此區(qū)域多為平原,綠地面積較小,固碳與游憩服務(wù)水平較低;產(chǎn)水服務(wù)供需赤字區(qū)域分布在北京市、天津市、石家莊市、邢臺(tái)市、邯鄲市中部區(qū)域,這些區(qū)域人口密集,需水量較高,從而需求大于供給;土壤保持服務(wù)供需高度赤字區(qū)域集中在東部沿海區(qū)域,中度赤字區(qū)域集中在張家口西南部,其他區(qū)域供需情況多處于盈余狀態(tài)。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合供需比無高度盈余區(qū)域,赤字區(qū)域占總面積的42.26%,其中高度赤字區(qū)域與中度赤字區(qū)域面積占比分別為0.75%與5.03%,輕度赤字占赤字區(qū)域的86.32%,造成赤字主要原因?yàn)槌鞘信c工業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致系統(tǒng)功能衰退,使得生態(tài)服務(wù)需求難以得到滿足。

2.4 京津冀生態(tài)恢復(fù)力水平分析

京津冀總體生態(tài)恢復(fù)力數(shù)值區(qū)間為0.44～0.75,各區(qū)縣恢復(fù)力空間分布有明顯差異,主要與地理?xiàng)l件、地形條件及土地利用分布情況相關(guān)。分區(qū)統(tǒng)計(jì)各縣區(qū)恢復(fù)力平均水平,結(jié)合自然斷點(diǎn)法將生態(tài)恢復(fù)力水平分為5 級(jí)(圖5)。恢復(fù)力高值區(qū)域主要聚集在京津冀的東北區(qū)域,雖然高程相較平原區(qū)域較高,但具有良好的降水、土壤條件,景觀多樣性指數(shù)與生態(tài)彈性度較高,生態(tài)系統(tǒng)受人類擾動(dòng)小。而張家口西北部區(qū)域水熱條件較差,生態(tài)脆弱,恢復(fù)力水平較低。由低到高5 個(gè)級(jí)別所占面積與總面積比例分別為: 5.44% (低值區(qū))、11.23% (中低值區(qū))、32.02%(中值區(qū))、17.40% (中高值區(qū))、33.90% (高值區(qū)),表明京津冀有將近半數(shù)面積的區(qū)域水土資源配置較為優(yōu)越,但整體恢復(fù)力水平還有較大提升空間。

圖5 京津冀生態(tài)恢復(fù)力空間格局Fig.5 Spatial pattern of ecological restoration in the Beijing-Tianjin-Hebei region

2.5 京津冀生態(tài)修復(fù)分區(qū)與管控

研究初步分區(qū)采用GeoDa 軟件進(jìn)行雙變量局部自相關(guān)分析,以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求作為雙變量,明晰不同區(qū)縣供給與需求水平的空間聚集關(guān)系(圖3),進(jìn)行供需分區(qū)。再借助 ArcGIS 軟件將供需分區(qū)與生態(tài)恢復(fù)力評(píng)估結(jié)果進(jìn)行空間疊加,進(jìn)一步分區(qū)。最終根據(jù)研究區(qū)不同區(qū)域特征,劃分6 類生態(tài)修復(fù)分區(qū)(圖6)。

圖6 京津冀生態(tài)修復(fù)分區(qū)Fig.6 Ecological restoration zoning in the Beijing-Tianjin-Hebei region

1) 高供給-高需求-高恢復(fù)力區(qū)域(Ⅰ-1)面積占比13.68%,共49 個(gè)區(qū)縣,分布較為零散。此類區(qū)域多處于京津冀華北平原,呈條帶狀分布,是由多條河流橫切太行山流入華北平原形成的一片肥沃的沖積沃土,耕地面積占比高達(dá)75.08% (表5),糧食產(chǎn)量較高,以農(nóng)業(yè)種植空間為核心。在生態(tài)修復(fù)中,此類區(qū)域應(yīng)對(duì)耕地設(shè)計(jì)溝渠綠化,加強(qiáng)農(nóng)地肥力培育與修復(fù),通過綠色化、生態(tài)化的育肥和種植模式代替化肥施用,改善土壤結(jié)構(gòu),增強(qiáng)地力。此類區(qū)域碳固持與產(chǎn)水服務(wù)多處于赤字狀態(tài),應(yīng)多設(shè)置農(nóng)田水利工程、水源涵養(yǎng)林、農(nóng)田防護(hù)林,提高農(nóng)田及周邊水源涵養(yǎng)與固碳能力,防止壓力增大導(dǎo)致生態(tài)惡化。

表5 京津冀地區(qū)不同生態(tài)修復(fù)分區(qū)內(nèi)用地類型面積占比Table 5 Proportions of land types in different ecological restoration zones in the Beijing-Tianjin-Hebei region

2) 低供給-高需求-低恢復(fù)力區(qū)域(Ⅱ-1),面積占比0.51%,共13 個(gè)區(qū)縣,數(shù)量較少且具有較為明顯的聚集特征。此類區(qū)域包括北京市、天津市、石家莊市、邢臺(tái)市城區(qū)中心,建設(shè)用地面積占比55.75%,路網(wǎng)密集,人口高度集中,各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給均難以滿足需求,生態(tài)景觀被建設(shè)用地包圍,難以形成生態(tài)空間連接,解決人地矛盾刻不容緩。此類區(qū)域應(yīng)嚴(yán)格控制城鎮(zhèn)開發(fā)邊界,建設(shè)公園綠地、隔離綠化帶、河道防護(hù)欄;加強(qiáng)道路雨洪管理,凈化河流水體;通過建設(shè)“綠色廊道”與“藍(lán)色廊道”,維持城鎮(zhèn)化區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定性。

3) 低供給-高需求-高恢復(fù)力區(qū)域(Ⅱ-2),面積占比10.54%,共46 個(gè)區(qū)縣,多呈點(diǎn)簇狀分布。此區(qū)域包括北京市、天津市中心區(qū)域的周邊縣區(qū),保定、廊坊、滄州市相接的中部區(qū)域以及石家莊、衡水、邯鄲市等地級(jí)市中心區(qū)域多個(gè)縣(區(qū))。區(qū)域主要由耕地與建設(shè)用地構(gòu)成,面積比分別為62.25%與29.95%。各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中只有食物供給服務(wù)為盈余,森林資源較少,難以完全吸收碳排放。但區(qū)域河網(wǎng)水系眾多,應(yīng)以此為框架,開展生態(tài)修復(fù)工作,對(duì)河流進(jìn)行補(bǔ)水、通水、潔水工程,河道周邊建設(shè)涵養(yǎng)林,改善水土流失;周圍耕地圍繞河流相應(yīng)實(shí)施土地平整工程、灌溉排水工程,減少水資源利用壓力。

4) 低供給-低需求-低恢復(fù)力區(qū)域(Ⅲ-1),面積占比12.07%,共13 個(gè)區(qū)縣,集中在張家口市西北部區(qū)域,供需狀況處于中高度盈余情況。該區(qū)域人口壓力相對(duì)較小,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)多處于盈余狀態(tài);但降水稀少、海拔較高,有大片林地與草地,農(nóng)牧交錯(cuò)分布,食物供給、產(chǎn)水與碳固持服務(wù)供給量總體偏低;其依托自然環(huán)境雖然可以自給自足但為北京等周邊城市提供各類支持難免疲軟,受地形氣候影響其生態(tài)恢復(fù)力較低。此區(qū)域開展生態(tài)修復(fù)應(yīng)調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu),發(fā)展糧草兼作的生產(chǎn)模式;發(fā)展淺井汲水灌溉和攔蓄集水,并配套節(jié)水設(shè)施,減少農(nóng)牧用水壓力;適當(dāng)退耕、休牧,保護(hù)現(xiàn)有林草,遏制土地沙化減少水土流失。

5) 低供給-低需求-高恢復(fù)力區(qū)域(Ⅲ-2),面積占比20.22%,共32 個(gè)區(qū)縣,主要沿太行山走向呈帶狀分布。此區(qū)域受人類擾動(dòng)較小,恢復(fù)能力較強(qiáng)。位于山地丘陵部分的區(qū)縣為中度盈余,與平原接壤部分及平原部分多為輕度盈余,此分區(qū)內(nèi)林地面積占比為27.43%,草地面積占比為26.21%,林草地面積占比超過半數(shù),生態(tài)本底較為良好。開展生態(tài)修復(fù)應(yīng)以減少人為干擾為核心,減輕負(fù)荷壓力,重視對(duì)區(qū)域的大力保護(hù),促進(jìn)林地草地自然更新。對(duì)人類探索較少的遠(yuǎn)山區(qū)域,開展封育;對(duì)淺山區(qū)域?qū)嵤┝植菅a(bǔ)播;大于25°坡地適當(dāng)退耕還林還草。

6) 高供給-低需求-高恢復(fù)力區(qū)域(Ⅳ-1),面積占比42.98%,共47 個(gè)區(qū)縣,多位于京津冀東北部,滄州市與衡水市東部也有分布,生態(tài)資源豐富,各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量較高。此類區(qū)域林地與耕地面積占比較高,分別為33.01%與35.85%。開展生態(tài)修復(fù)應(yīng)調(diào)整糧食種植結(jié)構(gòu),增加糧食產(chǎn)量從而提高土地利用率;加強(qiáng)生態(tài)林與人工林的培育,從而涵養(yǎng)水源、增加碳匯;承德市應(yīng)聯(lián)合北京市建立林業(yè)撫育工程,秦皇島市依托燕山渤海,配合生態(tài)環(huán)境優(yōu)勢,建立城市水庫及水源林提高濱海區(qū)域生態(tài)功能。

3 討論

本研究遵循人地和諧理念,從區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給需求關(guān)系以及區(qū)域生態(tài)恢復(fù)力著手對(duì)京津冀國土空間生態(tài)修復(fù)分區(qū)展開討論,兼顧了人類社會(huì)需求與自然資源空間上的交互關(guān)系,進(jìn)而提出針對(duì)性、可行性更強(qiáng)的京津冀三地國土空間生態(tài)聯(lián)合修復(fù)措施。與以往基于供需關(guān)系進(jìn)行修復(fù)分區(qū)的研究相比,前人在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)選擇上更多關(guān)注食物供給、碳固持、產(chǎn)水、土壤保持服務(wù)[15]?？紤]到人民生活水平不斷提高,對(duì)文化娛樂、休閑游憩的需求也隨之提高,京津冀各類公園、綠地廣泛分布,因此在計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需水平時(shí),加入休閑游憩服務(wù)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),京津冀供需空間分布存在較大差異,整體空間分布格局與前人對(duì)該區(qū)域的研究結(jié)果相似[28,31]。而生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力在空間分布上呈現(xiàn)明顯的區(qū)域特征,從地形上來看,生態(tài)恢復(fù)力高值區(qū)主要集中在京津冀的東北部山地丘陵區(qū),同時(shí)在東部沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)零星分布。這與前人研究結(jié)果不盡相同,如張藝嚴(yán)等[38]從社會(huì)經(jīng)濟(jì)與自然生態(tài)兩個(gè)角度選取恢復(fù)力指標(biāo),形成綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,劃分社會(huì)-生態(tài)恢復(fù)力的等級(jí),結(jié)果表明京津冀中西部地區(qū)恢復(fù)力水平較強(qiáng)。而本研究則更注重于探究生態(tài)系統(tǒng)自組織自恢復(fù)能力的自然生態(tài)恢復(fù)力水平,故而存在一定差異。本研究在借鑒現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上,結(jié)合各縣(區(qū))生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給、需求和生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力特點(diǎn),進(jìn)行生態(tài)修復(fù)分區(qū)和優(yōu)化,結(jié)合供需比模型用以清晰表述各區(qū)域5 類服務(wù)赤字盈余情況,可以更好地體現(xiàn)各區(qū)縣具體某項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系,便于結(jié)果分析與提出相應(yīng)優(yōu)化措施。

研究在一定程度上豐富了國土空間修復(fù)分區(qū)方法,但同時(shí)還存在一些局限。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在空間上存在流動(dòng)效應(yīng)[39],本文選取的食物供給、碳固持、產(chǎn)水服務(wù)均具有空間流動(dòng)性,如食物供給可以通過區(qū)域運(yùn)輸流動(dòng),產(chǎn)水服務(wù)的流動(dòng)則分為在自然界的徑流過程與人類需求對(duì)水源的二次分配[40],碳固持服務(wù)可以通過大氣環(huán)流與生物圈各組分碳轉(zhuǎn)化進(jìn)行流動(dòng)[41]。本研究在對(duì)各類服務(wù)進(jìn)行測算時(shí),未考慮供需之間空間流動(dòng),可能對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給水平評(píng)估具有一定影響。在未來研究中,可以通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需水平進(jìn)行修正,獲得更加準(zhǔn)確的區(qū)域供需關(guān)系,使國土空間生態(tài)修復(fù)分區(qū)劃定更為精細(xì)。

4 結(jié)論

本研究以京津冀為研究區(qū),綜合土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等,運(yùn)用多種模型評(píng)估區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量、需求量及其供需關(guān)系,同時(shí)結(jié)合區(qū)域生態(tài)恢復(fù)力結(jié)果,劃定生態(tài)修復(fù)分區(qū),并提出相應(yīng)優(yōu)化策略,得到如下結(jié)論:

1)京津冀食物供給量較高的區(qū)域主要位于華北平原,固碳、產(chǎn)水、休閑游憩服務(wù)高值區(qū)主要分布在燕山太行山山脈一帶,土壤保持服務(wù)供給較高的區(qū)域主要位于低山丘陵與濱海區(qū)域。京津冀地區(qū)地形條件復(fù)雜,內(nèi)部各地區(qū)自然環(huán)境稟賦差異較大,因此生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需空間異質(zhì)性明顯。

2)京津冀生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配關(guān)系分為供需同高、供低需高、供需同低、供高需低4 種類型,呈現(xiàn)出明顯的空間錯(cuò)配。京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合供需無高度盈余區(qū)域,赤字區(qū)域占總面積的42.26%,輕度赤字占赤字區(qū)域面積的85%以上,總體赤字程度較輕,且無高度盈余區(qū)域,表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需情況還有較大提升空間。

3)耦合供需關(guān)系與自然恢復(fù)力,將京津冀劃分為6 類生態(tài)修復(fù)分區(qū),并提出相應(yīng)的修復(fù)策略。高供給-高需求-高恢復(fù)力區(qū)域應(yīng)多開展農(nóng)田水利工程,增強(qiáng)地力,改善土壤,增加育林,防止生態(tài)惡化。低供給-高需求-低恢復(fù)力區(qū)域應(yīng)控制城鎮(zhèn)開發(fā)邊界,建設(shè)“綠色廊道”與“藍(lán)色廊道”,減少城市生態(tài)壓力。低供給-高需求-高恢復(fù)力區(qū)域應(yīng)依托現(xiàn)有河網(wǎng)水系為框架,開展生態(tài)修復(fù)工作。低供給-低需求-低恢復(fù)力區(qū)域應(yīng)調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu),保護(hù)現(xiàn)有林草,遏制土地沙化,減少水土流失。低供給-低需求-高恢復(fù)力區(qū)域應(yīng)以減少人為干擾為核心,重視對(duì)區(qū)域的保護(hù),全面提升太行山區(qū)各類生態(tài)容量。高供給-低需求-高恢復(fù)力區(qū)域配合生態(tài)環(huán)境基底的優(yōu)勢,以綠色發(fā)展為導(dǎo)向開展生產(chǎn)活動(dòng)。