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该文于2024年7月30日正式刊登于Ecosystem Services杂志。文章第一作者为团队研究生张玲，通讯作者为黄庆旭教授。论文合作者还包括佛罗里达大学仇江啸教授、康奈尔大学廖川副教授，北师大何春阳教授，北师大研究生刘紫玟、白岩松、陈沛媛、周昱辰，刘伊萌，以及迪肯大学Brett A. Bryan教授。
人类世的人类社会是全球紧密相连的，依赖于商品和服务的流动来实现其繁荣和福祉。然而，对跨多个人类-自然系统的贸易中嵌入的生态系统服务（ES）流动（在此称为ES虚拟流）的定量理解仍然有限。在这里，我们开发了一个框架，通过集成多区域投入产出模型、ES制图和全程耦合（metacoupling）框架来量化ES虚拟流，将其应用于研究水资源供应和气候调节服务，以京津冀城市群为案例开展研究。结果表明，ES的虚拟流大于水和碳资源的直接利用，证实了高度城市化地区对ES虚拟流的依赖性。更有趣的是，虚拟流主要连接到遥远的区域，而不是邻近区域，这突显了在政策制定中考虑跨尺度动态和管理长距离流的重要性。本文的框架具有广泛的应用潜力，包括探索各种类型的生态系统服务（ES）和可持续发展的相关问题。研究步骤
（1）量化生态系统服务供给。使用InVEST模型的产水量模块来估计产水服务的供给。使用植被净初级生产力(NPP)来代替气候调节服务。为了避免年际变率的影响，使用2000-2017年的长期年平均NPP来估计各区域的气候调节服务，并且排除掉了耕地的NPP，避免高估固碳服务的供给能力。![]()
（2）量化生态系统服务需求。量化了家庭消费对生态系统服务的直接和间接需求，直接需求是指在统计年鉴中记录的来自居民日常生活的直接消费，通过统计数据可以直观理解。在间接需求方面，通过构建环境扩展的多区域投入产出模型，量化了家庭消费隐含在交易商品中的虚拟水消耗和隐含碳排放，揭示交易商品沿线地区之间的自然资源流动。这种量化方法假设消费者需要分别通过提供相应的供水和气候调节服务来抵消虚拟水的使用和隐含碳排放。（3）量化生态系统服务虚拟流。通过MRIO分析跟踪货币流动来限定区域间的虚拟流动。在MRIO中使用了“以消费为基础”的核算方法，衡量最终需求导致的上游用水量/碳排放总量。追踪由家庭消费引起的资源流动(即虚拟水和隐含碳排放)。引入直接用水系数/直接碳排放强度系数表征各部门单位经济产出的用水量和碳排放量，并将经济投入产出数据转化为相应的用水量和碳排放量。（4）研究生态系统服务虚拟流的元耦合影响。基于虚拟水利用和隐含碳排放矩阵，计算出区域间虚拟水和碳排放转移体积矩阵，量化生态系统服务虚拟流。从全程耦合的角度分析虚拟流，根据地理邻域关系定义了京津冀的邻近省和遥远省。量化京津冀内部、京津冀与邻近省之间、京津冀与遥远省之间的生态系统虚拟流，探讨了虚拟流量对跨尺度社会生态系统的内耦合、邻近耦合和远程耦合影响。输入京津冀的虚拟水量为10.22 km3，而从京津冀聚集区流出的水量仅为2.67
km3。虚拟水的主要发送系统是遥远的省份，占总流量的87.3 % (8.92 km3)，而邻近省份仅占12.7 % (1.3 km3)。新疆（2.19 km3）和黑龙江（1.41 km3）等遥远省份通过提供粮食和农产品来满足特大城市集中的城市需求，从而提供了虚拟水量的前两位。虚拟水主要流入京津冀的食品相关部门，为74.53 km3，占接收总量的72.9 %。服装相关行业的虚拟水消耗为6.24
km3，占比要低得多，为6.11 %。在京津冀中，食物和衣服背后的虚拟用水量最大，主要发生在农业生产、加工和运输环节。![]()
图2 当京津冀为接收系统和发送系统时，(a) 产水服务的区域间空间虚拟流量。在中间条形图中，各省按距京津冀的距离从左到右进行排序。(b) 北京和其他省份城市之间产水服务的虚拟流量。
京津冀是一个气候调节服务的净发送系统 (即气候调节服务的流出大于流入，并不一定意味着该城市群内部的本地供给大于需求)，主要是为了遥远的省份。从邻近省和遥远省之间的气候调节服务平均流量来看，邻近省接收和发送的气候调节服务比远省多。北京的住房相关行业成为一个值得注意的净输出行业。具体来说，一半的气候调节服务（13.63 MtC或51.9%）来自住房相关部门。隐含碳排放被嵌入与住房相关的商品中，并被交易到遥远的省份。此外，住房相关部门从外部系统获得了四分之一的气候调节服务(5.44 MtC或25.2%)。而邻近省份提供了2.94 MtC (54.2%)，远郊省份提供了2.5 MtC。京津冀在连接工业生产链中起着关键作用，而京津冀周边省份(如山西、山东等)作为工业生产的上游，为京津冀的工业制造提供原材料。与此同时，遥远富裕的沿海城市也受益于北京的工业产品供应。![]()
图3 当京津冀为接收系统和发送系统时，(a) 产水服务的区域间空间虚拟流量。在中间条形图中，各省按距京津冀的距离从左到右进行排序。(b) 北京和其他省份城市之间产水服务的虚拟流量。在产水服务供需对比中，京津冀集聚区产水服务总需求(20.29 km3)与当地供水量(24.45 km3)基本持平。人口稠密的城市区域严重依赖当地和外部系统提供可持续发展的环境能源和自然资源。通过虚拟流实现的产水服务的间接需求超过了直接需求。家庭产水总需求为20.29 km3，其中间接需求15.42 km3 (76.0%)，直接需求4.86 km3 (24.0%)。京津冀从外部系统中提取了大约一半的需求(50.4%，10.22 km3)，以满足当地家庭需求。产水服务的虚拟流在支持生态系统需求和缓解生态系统集聚区水资源短缺方面发挥着不可或缺的作用。京津冀集聚区气候调节服务总需求(88.20 MtC)超过了当地供给(62.86 MtC)。气候调节服务的间接需求也大于直接需求。京津冀的家庭消费对气候调节服务的总需求为88.20 MtC，其中33.25 MtC (37.7%)为直接需求，54.95 MtC (62.3%)为间接需求。在这种间接需求中，60.70% (33.36
MtC)由本地系统提供，39.30% (21.58 MtC)的间接需求由外部系统提供，包括来自邻近系统的9.59 MtC和来自远距离系统的12.00 MtC。在所有13个城市中，北京占外部流入总量的一半以上(51.2%，11.04 MtC)，这表明特大城市通过将气候调节服务的间接需求转移到邻近和遥远的系统，对外部系统施加了巨大的压力。
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图4 京津冀城市群与其他省份城市间产水服务需求(a)、供给(b)和虚拟流(c)。
图5 京津冀城市群城市间气候调节服务的需求(a)、供给(b)和虚拟流(c)。
摘要
Human society in the Anthropocene is globally
connected and relies on flows of goods and services for its prosperity and
wellbeing. However, quantitative understanding of the flows of ecosystem
services (ES) embedded in trade (virtual ES flow) across multiple human-natural
systems remains limited. Here, we develop a framework to quantify virtual ES
flows by integrating multi-region input–output
modeling and ES mapping, and apply it to examine water provisioning and climate
regulation services, using China and its major urban agglomeration as a case
study. Our results showed that virtual flows of ES were substantially greater
than the direct utilization of water and carbon resources, confirming the
dependency on virtual flows of ES in highly urbanized regions. Interestingly,
the virtual flows were mainly connected to distant rather than adjacent
regions, highlighting the importance of considering cross-scale dynamics and
managing long-distance flows in policy-making. Our framework holds the
potential for broader applications, including the exploration of various types
of ES and sustainability-related issues.
文章引用：Zhang L, Huang Q, Qiu J, et al. Measuring virtual
flows of ecosystem services embedded in traded goods across an urban
agglomeration in China. Ecosystem Services, 2024, 69: 101651.
