焉恒琦，毛德华，王宗明,3，欧阳玲

（1.延边大学 地理与海洋科学学院，湿地生态功能与生态安全重点实验室，吉林 延吉 133002；2.中国科学院 东北地理与农业生态研究所，湿地生态与环境重点实验室，吉林 长春 130102；3.国家地球系统科学数据中心，北京 100101；4.赤峰学院 内蒙古国土空间规划与灾害应急管理重点实验室，内蒙古 赤峰 024000）

生态系统服务指的是人类直接从生态系统获得的惠益[1]。了解生态系统服务间的关系是有效生态系统服务管控、治理以及决策的关键挑战[2]。生态系统服务供给是生态系统所能提供的可以被使用的生态系统服务数量,生态系统服务需求是指在一定时空尺度下被利用与消费的生态系统服务数量[3]。同时考虑生态系统服务的供给与需求，能够辨别生态系统服务没有满足人类需要的区域。此外，随着经济的发展，人类对自然资源的需求迅速增长，可能导致生态系统服务供应紧张、不足甚至短缺。因此，了解生态系统服务供给和需求之间的平衡可以促进可持续空间规划，提升生活品质[4]。

北方农牧交错带是我国中东部农业区的一个重要的生态屏障，其在阻止生态系统荒漠化方面具有重要的作用[5]。因气候变化与人类活动的共同影响，北方农牧交错带目前面临着诸多生态挑战，如过度放牧和旅游开发[6]。在生态资源受到破坏的情况下，生态系统服务供需关系如何呈现？赤峰市是典型北方农牧交错带，该区域生态环境脆弱，生态系统服务供需研究缺乏。通过对赤峰市进行实地考察和查阅文献[7-9]，发现土壤保持、碳固持和粮食供给三个服务与区域内人类福祉息息相关。因此，本研究以赤峰市为例，基于InVEST模型、ArcGIS 10.3和社会经济数据等评估该区域2015年生态系统服务供需分布及供需比。研究该区生态系统服务供需关系对解决农牧交错带资源环境脆弱和生态系统服务供不应求等生态问题提供相关依据，为构建区域生态安全格局提供科学的指导。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

赤峰市作为科尔沁沙地的主体部分之一，处于内蒙古自治区东南部的西辽河上游，为内蒙古高原、辽河平原和冀北丘陵的交接复合部位[10]，与辽宁省、河北省毗邻（图1）。介于41°17′N—45°24′N，116°21′E—120°58′E之间，属于温带半干旱大陆性季风气候，雨热同季，年均降水量在350~450mm左右，辖1市7旗2县，总面积约9万平方公里。因气候因素和不合理的人为活动影响，赤峰市已变为典型的农牧交错区。

图1 研究区位置和土地覆被类型

1.2 数据源

本研究所用数据年份均为2015年，包括土地覆被数据、降雨侵蚀力数据、土壤可蚀性数据、归一化植被指数数据以及社会经济统计数据如表1所示。其中土地覆被数据所用影像来源于美国地质调查局（http://glovis.usgs.gov/）的Landsat OLI影像，所用影像均为云量小于10%且处于7-9月，采用面向对象分割方法进行分类提取，详细方法参考Mao[11]等人研究，精度为94%。在计算生态系统服务供需前，运用ArcGIS 10.3软件中的空间分析工具将所需数据进行重新采样处理，使所有数据分辨率均为1km，以确保运算结果的准确性。

表1 生态系统服务评估所需数据介绍

1.3 生态系统服务供需评估

1.3.1 生态系统服务供给评估

（1）土壤保持服务供给

土壤保持与沉积是生态系统服务能力的重要方面，本研究运用InVEST模型中的SDR模块来对土壤保持供给服务进行计算，具体计算公式如下：

式中，SS为土壤保持供给量；R为降雨侵蚀力；K为土壤可蚀性；LS为坡长因子；C为植被覆盖因子；P表示土壤保持因子。其中降雨侵蚀力和土壤可蚀性均来自国家地球数据科学中心，坡长因子是基于DEM提取，植被覆盖因子和土壤保持因子均参考InVEST模型使用手册。

（2）碳固持服务供给

陆地生态系统通过将碳元素固定在土壤和植被中，以调节大气中碳含量，从而对减缓气候变化具有重要作用。本研究运用InVEST模型中的Carbon Storage模块对赤峰市的碳固持服务供给进行评估，具体公式如下。

式中，CS为碳固持服务供给量，Cabpve为地上生物碳，Cbelow地下生物碳，Csoil为土壤有机碳，Cdead为死亡有机物；具体参数详见Xiang[12]等人的研究。

（3）食物供给服务供给

食物供给不仅是粮食安全与社会稳定的关键保障，更是影响人民福祉的重要因素。食物供给服务是指赤峰市陆地生态系统和水生生态系统产生的物质或产品。参考刘立程[13]等人的研究成果，本研究采用NDVI比值来计算赤峰市食物供给量，具体公式如下：

式中，FS为各类粮食供给量，Gsum为赤峰市各类粮食、水产品和畜牧产品总量，NDVIi为耕地、水域和草地等土地覆被类型的栅格的NDVI，NDVIsum为赤峰市NDVI值之和。各类粮食、水产品和畜牧产品总量数据来源自2016年内蒙古统计年鉴。

1.3.2 生态系统服务需求评估

（1）土壤保持服务需求

确定实际土壤侵蚀量为土壤保持服务的需求量的前提是将人类希望获取生态系统服务数量即生态服务需求量，实际土壤侵蚀量是人类希望能被治理的，因此以实际的土壤侵蚀量作为土壤保持服务的需求量。运用InVEST模型中的SDR模块来对土壤保持服务需求进行计算[13]，计算公式如下：

式中，SD为土壤保持服务需求量，其余各因子计算方法与土壤保持供给量相同。

（2）碳固持服务需求

以赤峰市人均碳排放量作为碳固持服务需求量。基于赤峰市能源消耗总量与碳排放系数得到其碳排放总量，再根据赤峰市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，得到赤峰市碳固持服务需求量。赤峰市能源消耗总量包括煤炭、石油和天然气，数据来源于2016年内蒙古自治区统计年鉴，碳排放系数参考杨迪[14]等人研究成果，并参考已有研究成果[13]得到如下计算公式：

式中，CD为碳储存服务需求量，ppop为栅格人口密度，Dcp为人均碳排放量。

（3）食物供给服务需求

采用以“以人定需”的方法计算赤峰市食物供给服务的需求量，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/content_8638.htm）。并参考已有研究成果[13]得到如下计算公式：

式中，FD为食物需求量，Dfp为人均食物需求量，ppop为栅格人口密度数据。

1.4 生态系统服务供需比

生态系统服务的实际供给与人类需求的关系可以用生态系统服务供需比（Ecological supply-demand ratio，ESDR）表示，用以反映地区间的供需特征[15]。ESDR正值代表该生态系统服务供大于求，ESDR等于0表示供需平衡，ESDR负值表示供不应求。并参考已有研究成果[16]得到如下计算公式：

式中，ESDR为生态系统服务供需比，S为各项生态系统服务供给量，Smax表示各项生态系统服务在研究区供给量最大值；D为各项生态系统服务需求量，Dmax表示各项生态系统服务在研究区需求量的最大值。

2 结果与分析

2.1 生态系统服务供需分析

总体来看，赤峰市生态系统服务的供给量均大于需求量，但是每个生态系统服务的供需又存在一定的空间异质性，如表2与图2所示。赤峰市整体土壤保持服务供给均值为5108.23t/km2，从各县（旗）分布情况可以看出，喀喇沁旗和宁城县的土壤保持服务供给量分列前两位，而翁牛特旗为最低，导致这种空间分布的主要原因是降水与生态系统类型的差异。土壤保持服务供给高值区分布在阿鲁科尔沁旗西北部、巴林左旗、巴林右旗大部分、林西县、克什克腾旗东部、翁牛特旗西部、敖汉旗南部、赤峰市区大部分、喀喇沁旗大部分与宁城县西部。赤峰市整体土壤保持服务需求均值为936.18t/km2，从各县（旗）分布情况可以看出，巴林右旗和林西县的土壤保持服务需求分列前两位，巴林左旗、克什克腾旗及赤峰市区次之，而敖汉旗的最低。土壤保持服务需求高值区分布与土壤保持服务供给高值区大致相同。没有土壤保持服务低供给高需求的城区，可能因为以实际侵蚀量表征土壤保持需求量，没有考虑人口和经济要素。

图2 赤峰市生态系统服务供需空间分布

表2 赤峰市各县生态系统服务供需（t/km2）

赤峰市整体单位面积碳固持服务供给均值为8891.14t/km2，从各县（旗）分布情况可以看出，喀喇沁旗碳固持服务供给均值最高，宁城县、赤峰市区和巴林左旗次之，翁牛特旗的均值最低。碳固持服务供给高值区分布在阿鲁科尔沁旗西北部、巴林左旗北部、巴林右旗北部小部分、林西县北部、克什克腾旗东部、敖汉旗南部、赤峰市区西部与东南部、喀喇沁旗大部分与宁城县西南部，其高值主要分布于林区和湿地集中区。赤峰市整体单位面积碳固持服务需求均值为258.91t/km2，从各县（旗）分布情况可以看出，赤峰市区碳固持服务需求最高，克什克腾旗最低。碳固持服务需求高值区分布在赤峰市区红山区与元宝山区，宁城县与喀喇沁旗碳固持服务需求均值在500t/km2以上，其他地区较少。这可能与人口聚集和商业发达程度有关。

赤峰市整体单位面积食物供给服务供给均值为184.95t/km2，从各县（旗）分布情况可以看出，宁城县的食物供给服务供给均值最高，林西县、敖汉旗与赤峰市区次之，而巴林右旗的最低，形成这种空间分布的主要原因可能是与耕地分布情况有关，即受生态系统类型的影响。食物供给服务供给高值区分布在阿鲁科尔沁旗南部、巴林左旗大部分、林西县、克什克腾旗西北部、翁牛特旗西部和东北、敖汉旗北部、赤峰市区大部分、喀喇沁旗小部分与宁城县东部。赤峰市整体单位面积食物供给服务需求均值为22.74t/km2，从各县（旗）分布情况可以看出，赤峰市区食物供给服务需求位列首位，克什克腾旗的最低。食物供给服务需求高值区分布在赤峰市区红山区与元宝山区，宁城县、喀喇沁旗与敖汉旗的食物供给服务需求均值在30t/km2以上，其他地区较少。食物需求较高的地区为人口密集且人口密度大、经济发达地区。

2.2 生态系统服务供需比分析

赤峰市土壤保持、碳固持和食物供给的ESDR均值分别为0.23、0.20和0.22，如表3所示。这也可以说明研究区内各项生态系统服务的供给量大于需求量，即为盈余。从数量匹配这方面来说，赤峰市各项生态系统服务供给充分。对各县（旗）不同ESDR分析发现，赤峰市内部生态系统服务供需关系均为盈余，但分配有所差异。喀喇沁旗土壤保持和碳固持ESDR为赤峰市各县（旗）中最大，林西县食物ESDR为赤峰市各县（旗）中最大；翁牛特旗土壤保持和碳固持的ESDR均为最小，喀喇沁旗食物供给的ESDR最小。土壤保持、碳固持和食物供给的ESDR均表现出显著的城乡差异，在赤峰市区以及各县（旗）的中心城区的ESDR总是较高的，呈现出明显的供过于求的情况；而在乡镇地区虽然也是供过于求，但ESDR的值相对较小。

表3 赤峰市各县生态系统服务供需比

土壤保持ESDR最高的是喀喇沁旗（0.61），宁城县（0.47）次之，巴林右旗（0.17）、阿鲁科尔沁旗（0.14）与翁牛特旗（0.11）较少，其中翁牛特旗的最少。虽然ESDR均大于0，但ESDR值较小的三个地区需重视起来。从ESDR的空间分布（图2）可以看出，ESDR较低的区域主要分布在赤峰市的中东部与西部地区，即阿鲁科尔沁旗南部、巴林左旗南部、巴林右旗南部和西部、林西县中部、克什克腾旗西部、翁牛特旗大部分区域、敖汉旗北部、赤峰市区东部小部分区域、喀喇沁旗东部以及宁城县东部。这些区域由于植被覆盖度低、水土防护措施差，是水土流失的易发区。ESDR较高的区域植被覆盖较好。

碳固持ESDR均在0.40以下，最低的是翁牛特旗（0.13），巴林右旗（0.16）次之；碳固持ESDR最高值为喀喇沁旗的0.36，宁城县的0.28次之。从ESDR的空间分布（图2）可以看出，ESDR较低的区域主要分布在赤峰市的中部以及东部，即阿鲁科尔沁旗南部、巴林左旗南部、巴林右旗大部分地区、林西县南部、克什克腾旗西部、翁牛特旗大部分区域、敖汉旗北部、赤峰市区东部大部分区域、喀喇沁旗东部小部分区域以及宁城县东部。这些地区多为城区，碳固持需求较高而碳固持供给较弱。ESDR较高区域的人口与工业较少，森林覆盖率比较高，碳固持能力强。

食物供给ESDR最高的地区是林西县的0.27，敖汉旗的0.26次之；食物供给ESDR最低的地区为0.17的喀喇沁旗。从ESDR的空间分布（图2）可以看出，ESDR较低的区域主要集中在翁牛特旗东部、敖汉旗南部、赤峰市区西部、喀喇沁旗大部分地区、宁城县西部、克什克腾旗西部、林西县北部小部分地区、巴林右旗北部、巴林左旗北部小部分区域以及阿鲁科尔沁旗北部。因为这些地区耕地面积少，食物供给较低。ESDR较高的地区为主要粮食产区并人口密度低，可为赤峰市提供大部分的食物消费。

3 讨论与结论

3.1 讨论

基于InVEST模型同时结合多数据源的方法对生态系统服务的供需关系进行分析，已成功应用于许多国家和地区的研究[17-19]。生态系统服务供需情况分别取决于当地自然环境状况与人口、社会经济发展。碳固持和土壤保持供给高的地区均为森林和湿地态系统分布较多地区，但森林和湿地态系统无法产生较高的食物供给。人口集中且密集地区各生态系统服务需求都处于高水平，反之处于低水平。人口集中且密集所需食物就会增加，促使该区域人类活动和农业活动频繁，导致林地、草地、湿地等生态系统被侵占与破坏，进而影响土壤保持和碳固持服务。为应对以上种种情况，应坚决执行国家相关政策，如退耕还湿、退耕还草、退耕还林等政策，植树种草，适当减少建成区与耕地的面积，对该地区的生态恢复具有重要作用。本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。

生态系统服务供需关系对环境决策方面有重要作用，其结果可对优先保护区域的划定或集中区域管理干预等有借鉴意义。应对生物多样性丰富与生态系统服务价值较高的地区进行优先保护[20]。同时也要加强邻近区域的生态保护，作为优先保护区域的缓冲区[21,22]。从赤峰西北、克什克腾旗东部、赤峰市区西部、喀喇沁旗大部、宁城西部到敖汉旗南部为林区，这些地区是高供给、低需求的生态保育区，应继续实施退耕还林、封山育林等政策。可以降低人类活动干扰，缓解林区生态压力，从而提高森林覆盖率，为恢复和提升生态系统功能创造条件。敖汉旗北部、赤峰市区东部、喀喇沁旗东部以及宁城东部为农业集中区，这些地区是低供给、高需求的生态调控区，以提高生态系统服务供给能力为主，进而提升其生态系统服务质量。另一方面，适度疏散密集的人口，降低人口密度。

本研究所得到的结果虽然为生态系统管理提供了一些线索，但也存在一定的局限性。对于方法来说，InVEST模型评估土壤保持和碳固持所用到的参数均参考已经发表的研究和模型使用手册，缺少实地验证。食物供给中，没有考虑森林生态系统能够提供食物，后续研究可进一步补充。本文只考虑了2015年生态系统服务情况，并未对长时间变化趋势进行分析，同时也没有进一步分析供需匹配关系，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[15]。赤峰市作为内蒙古自治区的粮食主产区，同时也是农牧交错的生态脆弱区，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。

3.2 结论

本文以北方农牧交错带—赤峰市为例，基于ArcGIS 10.3和InVEST模型，采用多源数据，对赤峰市土壤保持、碳固持以及食物供给这三种生态系统服务的供需特征、数量以及空间分布进行分析，得到了生态系统服务供给、需求及供需比的空间分布情况，主要结论如下：（1）赤峰市各县（旗）单位面积土壤保持、碳供给和食物供给均值均大于单位面积土壤保持、碳供给和食物需求均值，有明显的空间差异；（2）喀喇沁旗的土壤供给与碳供给为最高，宁城县的食物供给为最高，巴林右旗的土壤需求最高，赤峰市区的碳需求与食物需求最高，翁牛特旗的土壤与碳供给最低，克什克腾旗的碳与食物需求最低，巴林右旗的食物供给最低，敖汉旗的土壤需求最低；（3）喀喇沁旗的土壤和碳ESDR最高，林西县食物ESDR最高，翁牛特旗的土壤和碳ESDR最低，喀喇沁旗的食物ESDR最低。评价不同生态系统服务的空间分布与供需关系，对资源的可持续利用和生态系统的保护具有重要意义。