涑水河流域土壤保持服务供需关系量化评估

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本站小编 Free考研考试/2021-12-29

杨丽雯^,¹^,²^,³, 王大勇⁴, 王勇智³, 梁泽², 吴舒尧², 李双成^,²

1.山西能源学院资源与环境工程系,晋中 030060

2.北京大学地表过程分析与模拟教育部重点实验室,北京 100871

3.山西师范大学地理科学学院,临汾 041004

4.山西省气候中心,太原 030006

Quantitative assessment of the supply-demand relationship of soil conservation service in the Sushui River Basin

YANG Liwen^,¹^,²^,³, WANG Dayong⁴, WANG Yongzhi³, LIANG Ze², WU Shuyao², LI Shuangcheng^,²

1. Department of Resources and Environmental Engineering, Shanxi Institute of Energy, Jinzhong 030060, China

2. Laboratory for Earth Surface Processes, Ministry of Education, Peking University, Beijing 100871, China

3. School of Geographical Sciences, Shanxi Normal University, Linfen 041004, China

4. Climate Center of Shanxi Province, Taiyuan 030006, China

通讯作者: 李双成,男,河北平山人,教授,主要从事地理学综合研究和生态系统服务与人类福祉关系等研究。E-mail： scli@urban.pku.edu.cn

收稿日期:2020-04-25修回日期:2020-08-7网络出版日期:2020-12-25

Received:2020-04-25Revised:2020-08-7Online:2020-12-25
作者简介 About authors
杨丽雯,女,新疆乌鲁木齐人,副教授,主要研究方向为生态系统服务评估。E-mail： wangdayong05@lzb.ac.cn

摘要
土壤保持服务是一种重要的生态系统调节服务,其供需关系量化评估对流域环境管理具有重要意义。本文基于修正通用水土流失方程（RUSLE）计算涑水河流域土壤保持服务供给量,使用土壤侵蚀导致的单位面积土壤营养元素损失和水库库容损失价值之和计算需求,分析供需平衡状况和影响因素,并使用土壤保持服务居民满意度调查数据检验供需平衡分析结果。结果显示：①2000年和2015年土壤保持服务供给区主要分布于河流上游的中条山山区,土地利用以林地和草地为主,需求区主要分布于河流中下游的冲积平原,土地利用以旱地为主。②2000年和2015年供需平衡区分别占流域总面积的34.80%和76.27%,供需关系的改善主要受需求显著降低的影响,而需求降低主要受降雨侵蚀力减少的影响。本文揭示了涑水河流域土壤保持服务供需数量关系的时空特征和影响因素,可为流域的土地利用规划和自然资源管理等提供理论支撑。
关键词： 土壤保持服务;供需平衡;生态系统服务;量化评估;土地利用;居民满意度;涑水河流域

Abstract

Soil conservation services is an important ecosystem regulation service. Quantitative assessment of the supply-demand relationship of soil conservation service may play a critical role in the environmental management of watershed. In this study, we calculated the supply of soil conservation service in the Sushui watershed using the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE), and quantified the demand of soil conservation service using the indicators of per unit soil nutrient loss and reservoir silt cleaning cost. Then we analyzed the relationship between supply and demand, which was validated by data from a questionnaire survey. Our results show that: (1) The supply area of soil conservation service was primarily distributed in the Zhongtiao Mountainous area in the upstream of the river, where the land-use types were mainly woodland and grassland. The demand area of soil conservation service was primarily distributed on alluvial plains in the middle and lower reaches of the river, where the land-use type was non-irrigated farmland. (2) The balanced area of supply and demand in 2000 and 2015 were 34.80% and 76.27% of the Sushui watershed area, respectively. The improvement of supply-demand relationship was due to the reduction of demand, which was mainly because of the decrease of rainfall erosivity. Our study revealed the status and influencing factors of the spatial and quantitative relationship between supply and demand, which could provide a theoretical support for land-use planning and natural resources management.

Keywords：soil conservation service;supply-demand balance;ecosystem services;quantitative assessment;land use;residents' satisfaction;Sushui River Basin

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杨丽雯, 王大勇, 王勇智, 梁泽, 吴舒尧, 李双成. 涑水河流域土壤保持服务供需关系量化评估. 资源科学[J], 2020, 42(12): 2451-2462 doi:10.18402/resci.2020.12.15
YANG Liwen, WANG Dayong, WANG Yongzhi, LIANG Ze, WU Shuyao, LI Shuangcheng. Quantitative assessment of the supply-demand relationship of soil conservation service in the Sushui River Basin. RESOURCES SCIENCE[J], 2020, 42(12): 2451-2462 doi:10.18402/resci.2020.12.15

1 引言

生态系统土壤保持服务主要包括防止土壤流失的侵蚀控制能力、对泥沙的拦截能力和防止泥沙在河流、湖泊、湿地和库坝中淤积的能力^[1,2]。土壤保持服务是一项重要的生态系统调节服务。土壤侵蚀导致土壤肥力下降,威胁粮食生产安全,影响可持续发展目标的实现^[3]。相关研究表明在人类活动和气候变化的双重影响下,全球土壤侵蚀存在加剧的危险^[4],因此土壤保持服务的科学研究工作面临新的问题。以往多数研究使用模型（如RUSLE和InVEST模型）模拟土壤保持服务供给量,进行区域土地利用变化与土壤保持量、土壤保持服务价值的关联分析^[5,6],探讨土壤保持服务与其他服务的关系等^[7,8,9],忽视了土壤保持服务的需求,导致评价结果仅能为土地利用规划和自然资源配置等环境管理活动提供有限的数据支撑,引发环境公平问题。土壤保持服务供需关系的数量评估,是生态系统服务科学领域的难点和热点问题,也是区域土地资源科学利用和生态补偿等政策制定的前期基础工作,具有重要的学术和现实价值。

目前生态系统服务需求定义主要有两种：一种是指一定时期一定范围内人类实际使用和消费的生态系统产品和服务总和^[10],另一种是指个人或社会消耗（能够获得的）或期望获得的生态系统产品与服务^[11]。生态系统服务类型不同其需求定义的角度不同,导致需求量化方法和指标不同。MA^[12]将生态系统服务分为供给服务、调节服务、文化服务和支持服务。调节服务是生态系统使用自身的修复和调节机制维持适宜环境以支持人类的生存和发展的服务^[12],主要采用上述第二种定义。调节服务可通过缺少服务后遭受损失的区域来识别受益人的位置,然后以满足人类所需环境状况的调节量来确定需求总量^[13]。环境质量状况目前考虑采用环境质量标准表达,如环境舒适度指数、水功能区水质达标率、城市空气质量和建成区公共绿地面积等^[14]。

土壤保持服务的供给者为河流上游的植被,需求者为由于土壤侵蚀减少而受益的人或物,主要分布于河流中下游,包括农田、水库、饮用水供应点和航运基础设施等^[15,16,17]。实际的土壤侵蚀量是人们希望能够通过治理减缓或者消除的,因此可用来衡量土壤保持服务需求量^[18]。供需关系评价初期常采用的方法是：先分别计算供给和需求,然后将供给和需求分为高供给-高需求、高供给-低需求、低供给-高需求和低供给-低需求等4种关系进行讨论,如Nedkov等^[19]、Schulp等^[20]和顾康康等^[21]等的研究。为进一步评价供需关系,现阶段有研究者尝试使用供需关系指数如供需匹配度指数和供需协调度指数等计算供需关系,如Chen等^[22]、Peng^[23]和管青春等^[24]。土壤保持服务需求也可通过土壤保持服务的重要性计算,并依据受访者住址绘制需求图^[25,26]。整体来看,在土壤保持服务供需关系研究方面,研究者们开展了很多有益的探索,但目前的土壤保持服务需求量化和供需关系的评价方法仍较为匮乏,未达成统一认识,存在着一定的局限性。

黄土高原是世界上水土流失最严重的区域之一^[27]。20世纪50年代以来实施的各项水土流失治理工程和措施已取得显著的生态效益,但区域差异较大^[28],整体环境依然脆弱,新时代背景下黄土高原水土流失治理面临着新问题^[29,30]。涑水河流域位于黄土高原的南部,山西省运城市境内,涑水河流域工农业总产值占运城市工农业总产值的60%以上,是运城市政治、经济和文化中心^[31],也是山西省重要的果品生产基地。土壤侵蚀导致耕地资源减少,旱涝等灾害加重,水库和河流的水体质量下降,影响了区域的生态安全和经济发展。本文以土壤侵蚀导致的土壤养分流失和水库库容损失价值为基础量化需求,以黄土区允许的土壤侵蚀量^[32]为基础划分土壤保持服务供需平衡区与不平衡区并讨论影响因素,使用居民满意度数据验证土壤保持服务供需平衡分析结果,以期为流域生态补偿政策和土地利用管理等政策提供理论支持。

2 研究区与研究方法

2.1 研究区概况

涑水河为黄河一级支流,发源于绛县陈村峪,全长196.6 km。涑水河流域位于山西省运城市境内,总面积5553.87 km^2[33],地理位置位于东经110o17′—111o43′和北纬34o44′—35o32′之间。地形从东北向西南倾斜,东部和南部环绕着中条山,冲积平原主要分布于中部和西南部（图1）。涑水河流域包括闻喜县、夏县、盐湖区、临猗县、永济市的绝大部分和绛县、万荣县的部分地区^[34]。研究区为暖温带半干旱大陆性季风气候,多年平均降水量为547.6 mm,降水的年际变化和年内变化较大,旱涝灾害较频繁^[33,34,35]。涑水河为典型的季节性河流,径流主要集中于6—9月,目前涑水河闻喜段以下基本已无天然径流,形成700 km²的闭流区^[31,34]。

图1

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图1涑水河流域河流水文网和高程

Figure 1Hydrological network and digital elevation model of the Sushui River Basin

2.2 河流水文网和子流域的提取

基于2000年和2015年的DEM数据,利用ArcGIS水文分析工具提取涑水河流域河流水文网和子流域,并依据《山西省第一次全国水利普查成果报告》^[36]对提取的河流水文网以及子流域边界进行修正。

2.3 供给量化

土壤保持服务的供给量使用潜在土壤侵蚀量（裸地的土壤侵蚀量）与实际土壤侵蚀量的差值表示,通过修正通用水土流失方程（The Revised Universal Soil Loss Equation,RUSLE）模拟得到。

（1）

RKL S_{x} = R_{x} \times K_{x} \times L S_{x}

式中：

RKL S_{x}

表示基于地貌和气候条件的栅格x的潜在土壤侵蚀量;

R_{x}

表示降雨侵蚀力因子;

K_{x}

表示土壤可侵蚀性因子;

L S_{x}

表示坡长坡度因子。

（2）

RUSL E_{x} = R_{x} \times K_{x} \times L S_{x} \times C_{x} \times P_{x}

式中：

RUSL E_{x}

表示存在植被覆盖和水土保持措施条件下栅格x的实际土壤侵蚀量;

C_{x}

表示植被覆盖因子;

P_{x}

表示水土保持措施因子。

从以上2个公式,可以得到栅格x的土壤保持服务供给量SC_x,计算方法如下：

（3）

\begin{array}{l} S C_{x} = RKL S_{x} - RUSL E_{x} = R_{x} \times K_{x} \times L S_{x} - \\ R_{x} \times K_{x} \times L S_{x} \times C_{x} \times P_{x} \end{array}

基于ArcGIS使用Kriging内插方法进行空间插值,输出降雨侵蚀力空间分布图。数据来源和计算方法列于表1中。

Table 1
表1
表1数据来源与计算方法
Table 1Data sources and calculation methods

数据名称	数据来源	计算方法
逐月降雨量数据	山西省气象信息中心	依据Wischmeier等^[37]方法计算并使用ArcGIS生成R因子图层
1：100万中国土壤类型图	寒区旱区科学数据中心（中国土壤特征数据集）^[38]	采用诺谟图^[37]模型计算土壤可蚀性因子K
1 km DEM	中国科学院资源环境科学数据中心^[39]	坡长L因子采用Wischmeier等^[40]的方法计算,坡度S因子采用McCool等^[41]和刘宝元等^[42]的方法计算
1 km植被覆盖图	寒区旱区科学数据中心（中国1：400万植被图数据集）^[43]	依据蔡崇法等^[44]提出的方法计算C因子值
1 km土地利用类型图	中国科学院资源环境科学数据中心^[39]	参照文献[45]确定研究区各种土地利用类型的P值

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计算栅格x的土壤保持服务供给量,并使用最小-最大值标准化方法处理,使其值变动于0~1之间,分为5个等级：(0.0, 0.2]为低供给,(0.2, 0.4]为较低供给,(0.4, 0.6]为中等供给,(0.6, 0.8]为较高供给,(0.8, 1.0]为高供给。

2.4 需求量化

土壤保持服务需求使用土壤侵蚀导致的单位面积土壤营养元素流失和水库库容损失价值之和表示（式（4））,水库库容损失价值用清淤成本表示。

2.4.1 栅格x土壤营养元素流失价值

（4）

U_{x} = RUSL E_{x} \times {(\frac{N_{x} \times C_{1}}{T_{1}} + \frac{P_{x} \times C_{1}}{T_{2}} + \frac{K_{x} \times C_{2}}{T_{3}})}^{[46,47]}

式中：

U_{x}

表示子栅格x土壤营养元素流失价值;

N_{x}

、

P_{x}

和

K_{x}

分别表示栅格x土壤中元素N、P和K的平均含量（%）;

T_{1}

和

T_{2}

分别表示磷酸二铵中N和P的含量（%）,

T_{3}

表示氯化钾中K含量（%）;

C_{1}

和

C_{2}

分别表示磷酸二铵和氯化钾的市场平均价格（元/t）^[46,47]。依据研究区土壤类型图确定栅格x的土壤类型,依据《山西土壤》^[48]确定

N_{x}

、

P_{x}

和

K_{x}

,依据文献[49,50,51]确定

T_{1}

、

T_{2}

、

T_{3}

、

C_{1}

和

C_{2}

的值分别为14%、15.01%、50%、3300元/t和2800元/t。

2.4.2 水库库容损失价值

（5）

H_{x} = 24 % \times RUSL E_{x} \times {\frac{F}{10000 ρ_{x}}}^{}

^[52]

式中：

H_{x}

为栅格x土壤侵蚀导致的水库库容损失价值;

F

代表单位水库库容造价,根据文献

F

取值为8.44元/t^[49,50,51];

ρ_{x}

表示栅格x的土壤密度^[52],

ρ_{x}

的取值根据《山西土壤》^[48]确定。

使用ArcGIS软件统计栅格x单位面积土壤保持服务需求量,使用最小-最大值标准化方法处理,使其值变动于0~1之间,划分为5个等级：(0.0, 0.2]为低需求,(0.2, 0.4]为较低需求,(0.4, 0.6]为中等需求,(0.6, 0.8]为较高需求,(0.8, 1.0]为高需求。

2.5 供需平衡

2.5.1 供需平衡值

黄土区维持一定的生产力允许的土壤侵蚀量或者保证农作物产量能够达到经济生产所规定的水平而允许的最大土壤侵蚀量应不高于427 t/(km²·a)^[32],使用公式（6）计算栅格x的供需平衡值：

（6）

Q_{x} = 427 - RUSL E_{x}

式中：

Q_{x}

为栅格x土壤保持服务供需平衡值;

Q_{x}

≥0表示栅格x的土壤保持服务供给能够满足需求,供需平衡;

Q_{x}

<0表示栅格x的土壤保持服务供给不能满足需求,供需不平衡。

以

Q_{x}

为基础,计算研究区各子流域土壤保持服务供需平衡值,使用ArcGIS软件输出涑水河流域土壤保持服务供需平衡图。

2.5.2 供需平衡分析结果验证

（1）问卷调查

2019年1月采用入户调查的方式,请居民填写《涑水河流域土壤保持服务需求满意度调查》问卷,共回收问卷218份,有效问卷203份,有效问卷占问卷总数的93.12%。调查地点选择土壤侵蚀较严重的乡镇,主要分布于地形起伏较大的中山、丘陵和台塬地区,平原地区土壤侵蚀相对较轻,因此调查点较少。有效调查问卷分布情况为：临猗县28份,永济市35份,盐湖区31份,夏县31份,绛县29份,闻喜县21份,万荣县28份。

调查问卷设置了问题：“您认为本地森林和草地提供的土壤保持服务能否满足生产和生活需求?假设4分表示完全能满足需求,0分表示完全不能满足,请您选择相应的分数来表示满足程度。A. 4分 B. 3分 C. 2分 D. 1分 E. 0分”。4分、3分、2分、1分和0分分别对应着非常满意、满意、基本满意、不满意和非常不满意。

（2）子流域满意度量化

以居民满意度的平均值代表子流域土壤保持服务满意度,将居民满意度数值和居民住址结合起来,使用ArcGIS软件绘制土壤保持服务居民满意度图。

（3）供需平衡分析结果验证

如果居民对当地森林和草地提供的土壤保持服务表示非常满意、满意和基本满意,则土壤保持服务供给至少基本能够满足需求,供需平衡;如果居民对当地森林和草地提供的土壤保持服务表示不满意和非常不满意,则表示土壤保持服务供给不能满足需求,供需不平衡。

检查居民满意度图中的非常满意、满意和基本满意区域的地理位置和范围是否与供需平衡图中供需平衡区一致,不满意和非常不满意区域地理位置和范围是否与供需不平衡区一致。

3 结果与分析

3.1 土壤保持服务供给

2000年和2015年土壤保持服务高供给区、较高供给区和中等供给区主要分布于流域东部和南部的中条山山区,包括绛县、盐湖区和永济市境内的中山和丘陵地区,土地利用类型以灌木林、有林地、疏林地和高覆盖度草地为主（图2）。较低供给和低供给区主要分布于闻喜县和夏县,在临猗县、万荣县、盐湖区和永济市分布面积较小,土地利用以中覆盖度草地和低覆盖度草地为主（图2）。

图2

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图22000年和2015年涑水河流域土壤保持服务供给等级图

Figure 2Supply rank of soil conservation service in the Sushui River Basin, 2000 and 2015

2000年和2015年土壤保持服务以低供给和较低供给为主,二者分别占供给区总面积的56.00%和64.75%。相较2000年而言,2015年低供给区和较低供给区面积增加,中等供给区、较高供给区和高供给区面积减少。研究区2015年的土地利用与2000年的土地利用没有显著差异,供给区总面积略有增加。2015年单位面积土壤保持服务供给量下降,导致供给等级有降低趋势,主要源于降雨量减少引起的降雨侵蚀力减小（表2）。

Table 2
表2
表22000年和2015年涑水河流域土壤保持服务供给区面积和供给量变化
Table 2Supply area and supply amount of soil conservation service and change in the Sushui River Basin, 2000 and 2015

类型	2000年		2015年		2015年与2000年的差值
类型	供给区面积/km²	单位面积供给量/ （t/(km²·a)）	供给区面积/km²	单位面积供给量/（t/(km²·a)）	供给区面积变化量/km²	供给区面积变化率/%	单位面积供给量变化量/（t/(km²·a)）	单位面积供给量变化率/%
低供给区	338	46745.56	347	44668.59	9	2.66	-2076.97	-4.44
较低供给区	203	89162.56	283	73498.23	80	39.41	-15664.33	-17.57
中等供给区	147	89115.65	134	82089.55	-13	-0.09	-7026.09	-7.88
较高供给区	134	105223.88	131	96946.56	-3	-2.24	-8277.32	-7.87
高供给区	144	125694.44	78	121794.87	-66	-48.83	-3899.57	-3.10
合计	966	81987.58	973	71428.57	7	0.72	-10559.01	-12.88

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3.2 土壤保持服务需求

涑水河流域土壤保持服务需求由东北向西南逐渐降低,具有显著的空间差异性。2000年低需求区占需求区总面积的69.30%,主要分布于研究区的中部和西南部。较低需求区占需求区总面积的26.47%,主要分布于研究区的东北部。中等需求面积较小,占需求区总面积的1.99%,分布于绛县、闻喜县和盐湖区的部分地区。较高需求和高需求区共占需求区总面积的2.24%,仅分布于闻喜县北部地区,该地区地貌以黄土台塬为主,沟壑众多,土地利用以旱地（占74.15%）为主,植被稀少（平均植被覆盖度12.80%）,以草地为主,土壤保持能力弱,土壤侵蚀严重,因此土壤保持服务需求较高（图3）。

图3

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图32000年和2015年涑水河流域土壤保持服务需求等级图

Figure 3Demand rank of soil conservation service in the Sushui River Basin, 2000 and 2015

2015年低需求区占需求区总面积87.10%,主要分布于研究区的中部、西南部和东北部,其中东北部低需求区主要由闻喜县境内较低需求区转化形成。较低需求区占需求区总面积10.67%,主要分布于闻喜县的西部、夏县南部和绛县大部分地区。中等需求区仅分布于闻喜县的北部地区,由2000年的较高和高需求区转化形成。2015年低需求区和较低需求区共占需求区总面积的97.76%,较2000年提高1.99%,没有出现较高和高需求区,此外,单位面积需求量显著下降,因此2015年土壤保持服务需求较2000年有显著降低趋势（表3）。

Table 3
表3
表32000年和2015年涑水河流域土壤保持服务需求区面积和需求量变化
Table 3Demand area and demand amount of soil conservation service and change in the Sushui River Basin, 2000 and 2015

分区	2000年		2015年		2015年与2000年的差值
分区	需求区面积/km²	单位面积需求量 /（万元/km²）	需求区面积/km²	单位面积需求量 /（万元/km²）	需求区面积变化量/km²	需求区面积变化率/%	单位面积需求量变化量/（万元/km²）	单位面积需求量变化率/%
低需求区	3097	5.54	3895	2.60	798	25.77	-2.94	-53.02
较低需求区	1183	14.10	477	6.77	-706	-59.68	-7.32	-51.94
中等需求区	89	25.80	100	9.08	11	12.36	-16.72	-64.81
较高需求区	25	31.61	0	—	-25	-100.00	-31.61	—
高需求区	75	47.49	0	—	-75	-100.00	-47.49	—
总需求区	4469	9.02	4472	3.17	3	0.07	-5.85	-64.85

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闻喜县2015年降雨侵蚀力较2000年降低47.79%,植被覆盖率提高16.81%,有利于降低土壤侵蚀,改善需求状况（表4）。2000年以来,闻喜县积极开展封山育林和城乡种草工作,以及小流域治理工程,森林覆盖率逐步提高^[53]。绛县东南部中等需求区转变为较低需求区,较低需求区转化为低需求区,发生转化的子流域面积分别占绛县面积的19.62%和8.91%,源于绛县2000—2015年植被覆盖度保持稳定,降雨侵蚀力减少21.15%,土壤侵蚀状况改善,土壤保持服务需求降低。

Table 4
表4
表42000年和2015年涑水河流域土壤侵蚀量、降雨侵蚀力和植被覆盖度变化
Table 4Actual soil erosion, rainfall erosivity, and vegetation coverage and change in the Sushui River Basin, 2000 and 2015

县域名称	实际土壤侵蚀量/（t/(km²·a)）			降雨侵蚀力/（MJ·mm/(hm²·h·a)）			植被覆盖度/%
县域名称	2000年	2015年	变化比例/%	2000年	2015年	变化比例/%	2000年	2015年	变化比例/%
绛县	1402.98	341.62	-75.65	83.11	65.53	-21.15	40.56	40.80	0.59
闻喜县	1497.86	503.91	-66.36	70.26	36.68	-47.79	14.81	17.30	16.81
夏县	720.45	381.17	-47.09	57.87	60.79	5.05	20.92	20.52	-1.91
万荣县	579.79	128.15	-77.90	172.65	42.52	-75.37	8.14	8.14	0.00
临猗县	504.42	135.50	-73.14	67.11	41.66	-37.92	2.95	2.84	-3.72
盐湖区	978.22	456.05	-53.38	94.00	42.41	-54.88	15.28	15.37	0.59
永济市	213.57	245.47	14.94	51.06	61.73	20.90	22.80	22.80	0.00

注：降雨侵蚀力和植被覆盖度依据降雨数据和遥感数据计算。

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土壤保持服务需求与土壤侵蚀量相关,而土壤侵蚀量与土壤性质、地形、降雨侵蚀力和植被覆盖度相关。由于土壤性质与地形相对稳定,所以土壤侵蚀量变化主要受降雨侵蚀力与植被覆盖度影响^[54]。降雨侵蚀力反映了由降雨导致的土壤侵蚀的潜在能力,是降雨引起的土壤分离和搬运动力的评价指标^[55]。研究区降雨侵蚀力除夏县和永济市外,其余县市下降（表4）。KEO等^[54]研究表明黄土高原年降雨侵蚀力呈现下降趋势,运城地区降雨侵蚀力减弱显著,本文的研究结果与之基本符合。黄土高原土壤侵蚀环境的改善,主要表现为气候要素和下垫面状况改变,主要由气候变化和人类活动共同作用引起^[56]。

3.3 供需关系

3.3.1 空间和数量关系

土壤保持服务供给区主要分布于河流的上游,多为中山或丘陵地区,土地利用以林地和草地为主;而需求区主要分布于河流中、下游,人为活动强烈,土地利用包括旱地、农村居民点、城镇用地和其他建筑用地,以旱地为主（图4）。2000年和2015年旱地分别占研究区总面积的62.82%和62.84%,需求区面积分别是供给区面积的4.63倍和4.60倍。

图4

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图42000年和2015年涑水河流域土地利用图

Figure 4Land-use map of the Sushui River Basin, 2000 and 2015

2000年,供需平衡区占流域总面积的34.80%,主要分布于流域西南部,包括永济市和临猗县的大部分地区;供需不平衡区占流域总面积的65.20%,主要分布于流域中部和东北部地区（图5）。2015年,供需平衡区占流域总面积的76.27%,主要分布于流域西南部和中部地区;供需不平衡区域占23.73%,主要分布于流域东北部地区。2015年2241 km²土壤保持服务供需平衡区由2000年的不平衡区转化形成,转化区域占流域总面积41.47%,其中盐湖区、临猗县、万荣县、夏县和闻喜县转化较为显著。

图5

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图52000年和2015年涑水河流域土壤保持服务供需平衡图

Figure 5Supply-demand balance of soil conservation service in the Sushui River Basin, 2000 and 2015

从表2-4数据看,流域植被覆盖度变化不显著,土壤保持服务供给变化相对缓和,而土壤保持服务需求降低明显,因此供需关系的改善主要受需求显著降低的影响。

3.3.2 供需平衡分析结果验证

土壤保持服务居民满意度由西南向东北逐渐降低（图6）。基本满意、满意和非常满意主要分布于流域中部和西南部,包括永济市、盐湖区、临猗县、万荣县、夏县的大部分地区和闻喜县的东部地区;不满意和非常不满意主要分布于流域东北部,包括绛县和闻喜县西部和北部地区。对比土壤保持服务供需平衡图（图5）和居民满意度图（图6）,发现土壤保持服务供需平衡分析结果与居民满意度较为一致,说明土壤保持服务供需平衡分析结果基本符合研究区的实际情况。

图6

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图6涑水河流域土壤保持服务居民满意度

Figure 6Residents’ satisfaction of soil conservation service in the Sushui River Basin

4 讨论与结论

4.1 讨论

目前生态系统服务需求评价处于探索阶段,研究方法没有达成共识。不同研究者定义需求的角度不同,导致计算评价方法和指标不同,因此,如何从某一角度出发选择合适的参数予以度量,是生态系统服务需求评价首先要考虑的问题^[57]。

生态系统调节服务常常从社会或个体期望或偏好角度定义^[11],因此调节服务需求量受到人们期望水平、服务重要性和服务可替代性等主观偏好参数^[58]以及人口密度和经济社会发展水平等客观因素的影响^[59]。人们期望的最终水平或条件在不同的群体中存在变化,因此调节服务与文化服务类似,使用相关环境质量标准和建议作为人们期望和需要的最终水平时,可能存在不能全面反映需求变化和需求总量低于人们实际期望水平等风险^[60]。此外,由于大部分调节服务不具备实体交易市场,导致需求的定量评估工作难以开展。鉴于以上原因,目前调节服务需求量化评估研究多数没有将需求分为实际需求和潜在需求,如土壤保持服务^[61]和固碳服务^[62,63]。

土壤保持服务是一项重要的生态系统调节服务,大部分研究者以满足人类所需环境状况的调节量来确定需求总量。此外,有研究者将人口和社会经济发展水平的影响纳入需求量化过程。谢高地等^[64]认为某种服务的人均生态系统服务价值越低,需求程度越高。张豆等^[65]认为土壤保持服务需求计量应考虑土壤保持服务供给的稀缺程度、土壤保持服务供给与年度经济发展之间的协调关系。

随着研究的推进,供需关系评价已经逐步由定性分析过渡到定量分析。近期有研究者开始尝试细分供给类型然后构造供需关系指数,如供需匹配度指数^[24]来测量供需关系。不同方法计算的供需关系指数可能对同一研究对象的评估存在较大差异,因此需要注意公式的适用性。下一步的研究需考虑细分需求类型,将需求分为实际需求和潜在需求,然后构造相关指数,反映供需关系。

4.2 结论

本文量化评估了涑水河流域土壤保持服务的供需关系,并分析其影响因素,使用居民满意度检验供需关系的评价结果,得出以下结论：

（1）2000年和2015年土壤保持服务高供给区、较高供给区和中等供给区主要分布于涑水河流域的东部和南部中条山山区,土地利用类型以灌木林、有林地、疏林地和高覆盖度草地为主,土壤保持服务供给能力较高;较低供给区和低供给区主要分布于涑水河流域东北部的闻喜县和夏县,土地利用类型以中覆盖度草地和低覆盖度草地为主,土壤保持服务供给能力较低。

（2）涑水河流域土壤保持服务需求由东北向西南逐渐降低。2000年和2015年需求区土地利用类型均以旱地为主,2015年土壤保持服务需求比2000年有显著降低的趋势,主要受降雨侵蚀力减少的影响。

（3）土壤保持服务供需关系存在空间和数量的不匹配。土壤保持服务供给区主要分布于河流上游的中山丘陵地区,而需求区主要分布于河流中、下游的冲积平原地区。2000年和2015年供需平衡区分别占流域总面积的34.80%和76.27%,土壤保持服务供需关系改善,主要受需求显著降低的影响。

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生态系统服务流可建立生态系统服务供需间的时空连接,因此明确生态系统服务流的传输路径和流量有利于提高生态系统服务价值评估的准确度。引黄入晋工程南干线是解决太原市供水的重要工程,工程的可持续发展必须有良好的生态环境作保障,而固碳服务供需平衡和服务流的量化研究可作为科学依据。SPANS模型旨在模拟生态系统服务从供给区到需求区的流动过程并制图,具有广阔的应用前景。为更好地评估引黄入晋工程南干线的固碳服务,本文基于SPANs模型,量化供需平衡关系,以研究区主风向路径为基础,绘制了服务流传输路径图并量化服务流。结果表明：2000—2015年,引黄进晋南干线固碳服务供给量基本保持稳定,而需求量逐年增加,导致供需盈余逐年减少,供需平衡关系呈现减弱趋势。研究区土地利用变化速率较小是固碳服务供给总量变化较小的主要原因,火力发电厂碳排放量持续稳定增加是影响固碳服务需求总量和供需差的主要因素。本文揭示了固碳服务供需盈余关系变化规律和影响因素,以期为当地的生态环境管理决策提供数据支撑,同时为使用SPANs模型分析生态系统固碳服务流提供借鉴。

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生态系统服务有着极高甚至无法计量的价值，与人类福祉关系及其密切。充分评价生态系统服务价值现已成为生态系统资产化管理、生态补偿、生态服务有偿使用等政策执行的迫切需求。本文基于扩展的劳动价值论原理，主要采用单位面积生态系统价值当量因子的方法，对中国生态系统提供的11种生态服务类型价值进行核算，研究表明：①中国各种生态系统年提供总服务价值量为38.10万亿元。就生态系统而言，森林提供的总服务价值最高，占总价值的46.00%;其次是水域和草地，分别占总价值的21.16%和19.68%;②就生态系统服务类别而言，调节功能服务价值最高，占71.31%，支持服务占19.01%，供给服务占5.87%;文化服务占3.81%;③生态系统服务价值在年内随生长季节变化，中国生态系统在5-9月期间提供的生态服务价值较高，而在11-2月期间提供的生态服务价值较低;④生态系统服务单位面积价值最高的地区主要分布在南方和东北地区，在总体趋势上从东南向西北逐渐降低;⑤对中国不同地区人均生态服务价值和人均GDP进行对比发现，2010年中国人均生态价值量为2.84万元，人均GDP为2.99万元，总体而言中国人均GDP和人均生态服务价值接近1∶1，这表明中国生态系统服务价值相对社会经济价值的高度稀缺性，尤其在经济和人口密集的区域，这种相对稀缺性更为突出。

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