论文快递｜孙才志等：黄河流域生态系统服务价值核算及生态管理分区

黄河流域作为连接青藏高原、黄土高原、华北平原的重要生态廊道，同时也是中国重要的生态屏障区、粮食产区与能源基地，但流域内生态环境脆弱、水资源短缺及经济社会发展相对落后等问题突出，实现黄河流域生态保护和高质量发展已成为事关中华民族伟大复兴的千秋大计。 对黄河流域开展生态系统服务价值（ESV）核算及生态管理分区研究，对于摸清流域生态家底、开展流域生态保护治理、推进流域生态文明建设及生态屏障构建具有重要意义。

目前关于黄河流域生态保护和高质量发展的研究主要集中在城市群［1－2］、产业［3－4］、资源有效利用［5－6］及区域高质量发展［7－8］等方面，并取得了丰富的研究成果。例如：徐维祥等［9］构建了包含时间变量的超越对数生产函数形式的随机前沿模型，对黄河流域57 个城市的土地集约利用效率和生态福利绩效进行了测度；刘晶晶等［10］对黄河流域县域尺度生态系统服务供给和需求进行了核算，结果表明流域生态系统服务供需时空差异明显，均衡度的时空差异受国土空间格局演变的影响；赵建吉等［11］、余洁等［12］、张胜武等［13］分别对黄河流域的生态环境、生态文明建设、生态系统服务与城镇化之间的耦合关系进行了探讨，同时对其影响因素进行了分析；刘琳轲等［14］以省域为研究单元，对黄河流域生态保护与高质量发展的耦合关系进行了分析，同时将其与长江经济带进行对比分析，结果显示研究期内黄河流域生态保护指数与高质量发展指数均呈上升趋势，但与长江经济带相比差距较大；杨屹等［15］、王晓楠等［16］都以黄河流域资源型城市为研究对象，分别探讨了研究期内资源型城市的生态效率、转型效率，并对其驱动因素进行分析，认为不同类型的资源型城市生态效率、转型效率的影响因素存在异质性；贾绍凤等［17］通过分析黄河径流量变化及上中下游产业发展需水情况，提出了高低调整情景的水资源战略配置方案；关伟等［18］对黄河流域能源利用效率及其影响因素进行了探讨。 还有相关学者从土地利用及生态系统视角探讨了黄河流域高质量发展的现状［19－20］，丰富了黄河流域生态保护和高质量发展的研究成果。 相关研究表明［21］，目前黄河流域整体处于工业化中期向后期转型阶段，流域内集聚效应远大于扩散效应，但仍存在许多限制性因素，如生态环境脆弱、各城市经济联系松散、经济发展受流域内部差异性的约束大等，这决定了黄河流域高质量发展具有复杂性、竞争性、多样性及协同性等多重特点。

综上所述，现有关于黄河流域的研究成果较为丰富，对实现流域资源－生态－经济的协调可持续发展具有重要的参考价值，但仍有以下不足：1）通过构建指标体系测度区域内的生态保护或生态文明建设程度，虽然具有较强的可操作性，但不可避免地存在一定主观因素，同时缺乏对自然生态环境本底状况的研究；2）仍以黄河流经的9 个省（区）或以现有的行政边界来确定研究区，并未考虑自然流域边界；3）缺乏对黄河流域生态管理分区的研究，难以对生态环境精细化管理以及对生态治理差异化管控。 鉴于此，本文以黄河自然流域为研究对象，把流域划分为410 个单元，基于1995—2020 年6 个典型年份的土地利用数据，运用“单位面积价值当量因子方法”对黄河流域4 类11 种生态系统服务的价值进行核算，采用Pearson 相关分析方法对各类生态系统服务之间的权衡与协同关系进行分析，并对黄河流域进行生态管理分区判定，提出相应的生态管理措施，以期为了解黄河流域生态系统服务时空变化情况、探索流域生态保护管理与区域生态治理措施提供借鉴。

1.1.1 ESV 核算模型

参考谢高地等［22］提出的“单位面积价值当量因子方法”对黄河流域的ESV 进行核算，并采用支付意愿系数对核算结果进行修正，相关计算公式如下：

式中：ESVt为t 时期第z 种土地利用类型的ESV，Dt为t时期1 个标准单位当量因子的ESV，Bij为第i 类生态系统第j 种生态系统价值基础当量，Sz为第z 种土地利用类型面积，Mkt、qkt、pkt分别为t 时期第k 类粮食作物（小麦、玉米和大豆）的播种面积、价格及产量，Rt 为t时期支付意愿系数［23］，b 为社会发展阶段系数，Ect、Pct分别为区域城镇t 时期的恩格尔系数、人口比例，Ert、Prt分别为农村t 时期的恩格尔系数、人口比例。

1.1.2 生态系统服务权衡与协同关系分析方法

采用Pearson 相关分析方法对研究区4 类11 种生态系统服务进行权衡关系与协同关系测度。 当相关系数r＞0 时，表明2 个变量具有协同关系（同增或同减）；r＜0 时，表明2 个变量具有权衡关系（此消彼长），其数值大小反映了变量之间相关性的强弱。

1.1.3 生态管理分区划定方法

空间自相关分析方法是地统计学的基本分析方法，可以探究地理要素的空间关联，通过识别相邻地理要素之间的集聚和离散特征，对地理要素空间异质性进行判别。 采用Moran's I 全局空间自相关系数对2020 年黄河流域的生态调节支持功能、生态供给服务功能的空间分布进行分析，采用Moran's I 局部空间自相关系数对该年流域的生态调节支持功能、生态供给服务功能的局部空间集聚类型进行叠加分析，并据此对研究区进行生态管理分区划定。

本文涉及的数据主要包括：1995—2020 年6 个时期（1995 年、2000 年、2005 年、2010 年、2015 年、2020 年）土地利用数据，源自中国科学院资源环境科学数据中心（www.resdc.cn），空间分辨率为1 km。各类粮食作物播种面积、出售价格及产量，源自1996—2021 年《中国农业统计年鉴》《全国农产品成本收益资料汇编》及《中国农产品价格调查年鉴》。此外，对于土地利用／覆被变化分类，根据现有研究成果［22］并结合黄河流域的实际情况，将沙地、戈壁及盐碱地归为荒漠，将滩涂、滩地及沼泽地归为湿地，将高覆盖度草地、中覆盖度草地和低覆盖度草地归为草地，将河、渠、湖泊、水库归为水域，各单位面积生态系统服务价值基础当量因子见文献［22］。

根据式（1）～式（3）计算得到1995—2020 年黄河流域各土地利用类型的ESV、各类生态系统服务（供给服务、调节服务、支持服务、文化服务）的价值，分别见图1、表1。

图１　1995—2020年黄河流域各土地利用类型的ESV

 

表１　1995—2020年黄河流域各类生态系统服务的价值             亿元

 

分析图1 可知，1995—2020 年黄河流域总ESV 从3 126.32 亿元增加至13 193.67 亿元，共增加10 067.35亿元，其中2005—2010 年增幅最大，达到75.55%，而2015—2020 年增幅最小，仅为12.20%。 从各土地利用类型的ESV 来看，农田、湿地及荒漠的ESV 虽然在研究期内呈逐年增加趋势，但其在各年总ESV 中的占比均呈波动减小趋势，农田由12.85%减小至12.22%，湿地由12.02%减小至10.88%，荒漠由2.11%减小至0.78%；而森林、草地和水域的ESV 占比均呈现增加趋势。 整体而言，研究期内，草地的ESV 最大，其多年均值占比超过30%；森林次之，其占比为27.94%；而荒漠的ESV 最小，其占比仅为1.09%；其他土地利用类型的ESV 占比则为10%～17%。

分析表1 可知，从各类生态系统服务来看，1995—2020 年调节服务的ESV 占比由63.92% 增加至66.31%，供给服务、支持服务、文化服务的ESV 占比则均呈现减小趋势。 在4 种生态系统服务类型中，调节服务、支持服务构成了黄河流域ESV 的主体。 对4 类生态系统服务分别进行了细化，其中：水文调节的ESV占比最大，超过30%；气候调节、土壤保持的ESV 占比为10%～19%；气体调节、生物多样性的ESV 占比为8%～10%；食物生产、原料生产、水资源供给、养分维持、美学景观的ESV 占比在5%以下，其中养分维持的ESV 占比最小。 整体来看，黄河流域的生态调节支持服务功能远强于生态供给服务功能。

根据已获取的流域各时期ESV，采用ArcGIS10.2软件绘制各时期黄河流域410 个研究单元单位面积ESV 空间分布图、空间变化趋势图，分别见图2、图3（图3 中红色点表示黄河流域各个研究单元单位面积ESV 值；绿色点表示黄河流域各个研究单元单位面积ESV 在东西方向的投影，绿线为投影点的变化趋势；蓝色点表示黄河流域各个研究单元单位面积ESV 在南北方向的投影，蓝线为投影点的变化趋势）。

图２　1995—2020年黄河流域单位面积ESV空间分布

 

图３　1995—2020年黄河流域单位面积ESV空间变化趋势

 

分析图2 可知，1995 年，黄河流域单位面积ESV 小于2 500 元／hm2 的研究单元数量为59 个，占区域总数的14.39%，主要分布在陕西省西安市、渭南市、榆林市、延安市，甘肃省庆阳市、临夏回族自治州等；单位面积ESV 为2 500 ～5 000 元／hm2、5 000 ～7 500 元／hm2、7 500 元／hm2以上的研究单元数量分别为247 个、71个、33 个，分别占区域总数的60.24%、17.32%、8.05%，其中河南省洛阳市、青海省刚察县、四川省若尔盖县及山东省大部分地区的单位面积ESV 超过10 000 元／hm2。该时期流域整体单位面积ESV 为3 943.24 元／hm2。

2000 年，单位面积ESV 为2 500 元／hm2 以下的研究单元数量减少为27 个；单位面积ESV 为5 000 ～7 500 元／hm2 的研究单元数量为108 个，占比为26.34%；单位面积ESV 为7 500 元／hm2 以上的研究单元数量增加至53 个，较1995 年增加60.61%；仍有超过54.15%的研究单元单位面积ESV 为2 500～5 000 元／hm2，而流域整体单位面积ESV 为4 738.58 元／hm2，较1995 年增加20.17%。

相较于2000 年，2005 年流域单位面积ESV 明显增加，2 500 元／hm2 以下的研究单元数量减少至8 个，主要分布在陕西省西安市与渭南市；单位面积ESV 为2 500～5 000元／hm2 的研究单元数量下降至182 个；单位面积ESV 为7 500 元／hm2 以上的研究单元数量达到87 个（其中10 000 元／hm2 以上的研究单元数量为36 个），增幅为64.15%。 单位面积ESV 高值区主要分布在黄河流域上游青海省、四川省和下游河南省、山东省境内，而黄河与渭河的边界地区、汾河谷地则为单位面积ESV 低值区。 流域整体单位面积ESV 为5 871.15 元／hm2，较2000 年增幅为23.90%。

相比2005 年，2010 年流域单位面积ESV 显著增加，整体单位面积ESV 由2005 年的5 871.15 元／hm2增加至10 306.36 元／hm2，增幅为75.54%。 单位面积ESV 为2 500～5 000元／hm2 的研究单元数量为18 个；单位面积ESV 为7 500 元／hm2 以上的研究单元数量为302 个，占总数的73.66%。

2015 年，流域整体单位面积ESV 进一步增加，7 500元／hm2 以下的研究单元数量仅为18 个，占比为4.39%；而单位面积ESV 为10 000 元／hm2 以上的研究单元数量达到326 个，占比为79.51%。 流域整体单位面积ESV 为14 829.18 元／hm2，相比2010 年增加43.88%。

2020 年，流域单位面积ESV 为7 500 元／hm2 以下的研究单元数量为11 个；而单位面积ESV 为10 000元／hm2 以上的研究单元个数增加至351 个，占总数的85.61%。 流域整体单位面积ESV 为16 632.49 元／hm2，相比2015 年增加12.16%，而单位面积ESV 低值区和高值区的空间分布未发生显著改变。

分析图3 可知，研究期内，黄河流域单位面积ESV呈现逐年增加的趋势，但在东西走向上呈现“凹”形，中部地区的单位面积ESV 低于东部、西部地区；南北走向上则呈现“凸”形。 黄河流域单位面积ESV 低值区主要集中在中部地区，该区地势较为平坦，土地利用类型以草地、耕地、荒漠、裸地为主，其中有库布齐沙漠、毛乌素沙地、关中平原、汾河谷地等；而青海省、四川省、汾河东部地区、河南省洛阳市及河口三角洲地区土地利用类型以水域、湿地、森林、草地为主，单位面积ESV 较高。

1995—2020 年黄河流域4 类11 种生态系统服务之间的相关系数见表2、表3。

表２　1995—2020年黄河流域11种生态系统服务之间的相关系数

 

表３　1995—2020年黄河流域４ 类生态系统服务之间的相关系数

 

由表2、表3 可知，研究期内黄河流域各类生态系统服务之间显著正相关，表明协同关系是生态系统服务间的主导关系。 就相关关系强弱程度来看，在11 种生态系统服务的55 组协同关系中，有26 组表现为强协同关系（相关系数r＞0.800，且通过了1%显著性水平检验），占比为47.27%。 水资源供给与水文调节，气体调节与气候调节、净化环境、土壤保持、养分维持、生物多样性，气候调节与净化环境、土壤保持、养分维持、生物多样性，净化环境与土壤保持、养分维持、生物多样性、美学景观，土壤保持与养分维持、生物多样性，生物多样性与美学景观之间的相关系数均在0.900 以上，其中生物多样性与美学景观以及气体调节与土壤保持之间的相关关系最强，相关系数均达到0.995。 4类生态系统服务之间的相关系数均在0.800 以上，其中供给服务与调节服务、支持服务与文化服务之间的相关系数均超过0.900。

将11 种生态系统服务分为经济功能（食物生产、原料生产、水资源供给及美学景观）和生态功能（气体调节、气候调节、净化环境、水文调节、土壤保持、养分维持、生物多样性）两类，并对黄河流域生态管理分区进行划定。

根据已获取的相关数据，计算得到2020 年黄河流域经济功能、生态功能全局Moran's I 值分别为0.430、0.434，z 分数分别为13.487、13.566，并且均通过了1%显著性水平检验，表明经济功能与生态功能具有显著的正相关性，即在空间分布上呈显著的聚集特征，同时表明可以开展基于经济功能与生态功能的局部空间自相关关系研究，也证明了采用空间自相关分析进行生态管理分区的可行性。

2020 年黄河流域生态系统服务经济功能与生态功能局部空间自相关分析结果见表4、图4。

表4　2020年黄河流域生态系统服务经济功能与生态功能局部空间自相关类型统计

 

图４　2020年黄河流域生态系统服务经济功能和生态功能局部空间自相关类型分布

 

结合表4、图4 可知，研究期内黄河流域2 种功能均呈现5 种集聚状态。 经济功能HH 集聚区、LL 集聚区面积分别为464 601.50、30 475.65 km2，分别占流域总面积的58.43%、3.83%；HL 集聚区和LH 集聚区面积较小，2 种类型总面积为28 791.41 km2，占比为3.62%；NN 的研究单元数量最多，达到228 个，占总面积的34.12%。 空间分布上，经济功能的HH 集聚区以“团簇”状为主，主要分布在青海省西宁市，甘肃省庆阳市、白银市，陕西省延安市、榆林市，内蒙古自治区巴彦淖尔市、鄂尔多斯市，河南省洛阳市等；HL 集聚区数量仅为8 个，主要分布在西安市、晋中市、泰安市、洛阳市等；LH 集聚区主要分布在甘南藏族自治州、包头市、呼和浩特市、阿坝藏族羌族自治州等；LL 集聚区主要分布在陕西省西安市、咸阳市，山西省太原市、晋中市，山东省济南市、滨州市，宁夏回族自治区银川市，河南省郑州市、洛阳市等人口相对密集的地区。

生态功能局部空间自相关分析结果显示，HH 集聚、LL 集聚的研究单元数量分别为98 个、63 个，面积分别为462 519.27、36 222.10 km2，分别占流域总面积的58.16%、4.56%；HL 集聚区、LH 集聚区分别占流域总面积的0.90%、1.82%；NN 的研究单元数量为231个，占流域总面积的34.56%。 空间分布上，生态功能的局部自相关类型空间分布情况与经济功能的较为一致。

在黄河流域410 个研究单元生态系统服务经济功能与生态功能局部空间自相关分析结果的基础上，将HH 集聚及LL 集聚划分为正相关型，表明空间聚合程度高；将HL 集聚和LH 集聚划分为负相关型，表明空间离散程度高；将NN 划分为不显著相关型，即无明显的集聚和离散特征。 在此基础上，参考文献［24］中生态管理单元划分方法，将2 种功能局部自相关分析结果进行叠加，得到13 种组合类型，据此确定黄河流域生态管理分区见表5、图5。

表５　黄河流域生态管理分区

F

 

图５　黄河流域生态系统管理分区空间分布

 

分析表5、图5 可知，生态保育区以HH 集聚区为主。区内土地利用类型以森林、草地、水域为主，生态本底较好，能提供较多的经济、生态价值，是经济功能与生态功能的高值区。 根据组合类型和生态管理内容的差异，将生态保育区分为核心保育区、重点保育区及一般保育区，共有119 个研究单元，面积达到512 374.66 km2，占流域面积的64.43%，主要分布在青海省，内蒙古自治区巴彦淖尔市、鄂尔多斯市，陕西省北部及河南省洛阳市等ESV 高值区。

生态培育区以HL 集聚区为主，分为优先培育区、重点培育区及一般培育区，其中优先培育区有16 个研究单元，面积为11 263.33 km2，占流域面积的1.41%，主要分布在济南市、晋中市、洛阳市、泰安市、西安市等；重点培育区面积为4 362.97 km2，占比为0.55%，主要分布在介休市、平遥县、长治市沁源县；一般培育区面积占流域面积的0.20%，分布在眉县、太白县、义马市、杨凌区。

生态改良区以LH 集聚区为主，分为优先改良区、重点改良区和一般改良区，其中：优先改良区分布在四川省阿坝藏族羌族自治州、内蒙古自治区呼和浩特市、山东省东营市等，总面积为16 605.76 km2，占流域面积的2.09%；重点改良区有14 个研究单元，总面积为17 028.83 km2，占比为2.14%，分布在内蒙古自治区包头市，甘肃省定西市、兰州市、临夏回族自治州，宁夏回族自治区石嘴山市、吴忠市等；一般改良区面积仅为6 486.31 km2，占比为0.82%，仅包含阿拉善左旗及湟中区。

生态重构区以LL 集聚区和NN 区为主，区内生态本底相对较差，生态系统提供的经济价值和生态价值较低。 根据组合类型和管理内容的差异，将生态重构区分为优先重构区、重点重构区、一般重构区和综合重构区，共有237 个研究单元，总面积为225 501.15 km2，占比为28.36%。 其中：优先重构区主要分布在山东省滨州市、菏泽市、济南市，河南省焦作市、洛阳市，山西省太原市，陕西省西安市、咸阳市等，面积占比为5.74%；重点重构区分布在甘肃省西固区、永靖县，宁夏回族自治区贺兰县、金凤区、西夏区、永宁县，面积占比仅为0.69%；一般重构区主要分布在宝鸡市、临汾市、平凉市、渭南市等，面积占比为3.29%；综合重构区主要分布在陕西、陕西、山东等省份，共119 个研究单元，面积占比为18.64%。

综合来看，生态保育区为经济价值和生态价值高值区，面积占比超过60%，加强该区域综合治理对于实现黄河流域生态保护和高质量发展具有重要意义，因此未来该区域应实施严格保护措施，禁止大规模土地开发利用，严格控制城市建设用地扩张，优化区域现有土地利用结构，加强对现有农用地的基础设施建设，统筹山水林田湖草沙系统治理，提高农业生态系统服务水平，保护和维持区域内现有的生态环境，提升生态系统的稳定性和可持续性。 生态培育区的综合保护应以提升产出效益为目的，未来应着重保护ESV 较高的地类，加强对ESV 较低地类的集中保护，同时应注重区域农业产业结构的调整以提升生态系统的经济价值和生态价值，此外要充分利用单位面积ESV 较低的土地，提升其综合生态效益。 生态改良区均质性较差且呈现空间负相关集聚，因此不适合集中连片开发，其综合治理应以促进生态环境转好为目的，丰富区域内的景观类型、适当增大自然或半自然的生态环境占比，对现有的农用地实施有效的生态治理措施，进而提高区域生态系统的完整性，改善ESV 较低的地类，提升生态效益。 生态重构区需要进行整体性的生态环境治理和针对性的生态系统重构，该区域主要分布在城镇化率较高的地区，区域内人口较多，植被类型及土地利用类型较为单一、生物量较为贫乏，因此未来该区域应适当调整城市景观格局，构建“景观斑块－绿色廊道－生态基质”镶嵌的生态系统［24－25］，修复现有的景观斑块，建立绿色廊道以增强景观斑块之间的连通性，进而提升斑块的稳定性，加强“三生空间”的优化布局，注重现有绿地保护，促进生态经济发展。 对于综合重构区的生态管理而言，要以保持水土、涵养水源和提升植被覆盖率为目标，实施退耕还林还草等生态措施，对区域内受污染、废弃土地进行综合整治，严禁区域内破坏现有生态景观、植被及地形地貌的行为，提高区域内生物栖息环境质量，促进生态系统良性循环。

由于当前ESV 核算方法多样，致使研究结果之间的可比性较差，与实际价值之间存在一定差距，因此未来应基于土地变更调查数据及更加翔实的高分辨率数据对上述结果进行进一步完善，以提高评价结果的准确性。 与文献［26－28］所得到的供给服务与调节服务、供给服务与支持服务、支持服务与调节服务、文化服务与调节服务之间的相关系数相比，本文所得结果偏大，但均认为生态系统服务协同关系占主导地位。对生态系统服务之间的权衡与协同关系进行研究的目的在于探讨不同层次的生态系统服务可持续供给水平，并在充分认识各项生态系统服务之间的相关关系的基础上，寻求经济发展与生态环境效应之间的平衡点，实现经济效应与生态效应的双赢。 但各项生态系统服务之间的权衡与协同关系存在尺度效应、空间异质性和时间动态性，致使相同生态系统服务在不同区域、不同研究尺度的权衡与协同关系也存在较大差异，未来应开展对黄河流域不同空间尺度的各项生态系统服务之间的权衡与协同关系研究，从而提高评价结果的可靠性。 此外，本文以黄河流域县域尺度为研究对象进行生态管理分区划定，并提出相应的管理措施，虽有一定的指导意义，但作为生态学核心问题之一，即多尺度问题仍未得到有效解决，因此如何实现多尺度的生态管理分区及管理措施在不同空间尺度的适用将是未来研究重点。

1）研究期内，黄河流域的ESV 呈增加趋势。 农田、湿地及荒漠的ESV 占比均呈波动减小趋势，而森林、草地和水域的ESV 占比变化趋势与之相反。 供给服务、支持服务和文化服务的ESV 占比均呈减小趋势，而调节服务、支持服务构成了区域ESV 的主体。空间上，单位面积ESV 在东西走向上呈现“凹”形，在南北走向上呈现“凸”形。

2）黄河流域各类生态系统服务之间显著正相关，说明协同关系是生态系统服务之间的主导关系，研究期内各类生态系统服务之间的强协同关系占比为47.27%。

3）生态保育区应严格实施保护措施，禁止大规模的土地开发利用；生态培育区应以提升产出效益为目的，着重保护ESV 较高的地类；生态改良区以促进生态环境转好为目的，丰富区域内的景观类型；生态重构区应适当调整城市景观格局，构建“景观斑块－绿色廊道－生态基质”镶嵌的生态系统，促进生态系统良性循环。