生态系统服务被定义为人类从自然生态系统中获得的直接或间接利益，是人类生存和发展的基础^[1-2]，探索社会经济因素与生态系统之间的相互作用关系将有助于促进人类福祉^[3]。这种相互作用主要体现为生态系统服务的供给和需求^[4]，即生态系统为人类提供生态系统产品的能力和人类使用与消费生态系统服务产品之间的关系^[5]。快速城镇化过程中，人类活动对于土地利用产生了深远的影响，林地、草地面积的减少和建设用地面积的增加进一步导致了生态系统功能和服务退化^[6]，其实质是土地利用结构的改变而导致的生态系统服务供需关系空间差异变化或失衡^[7]，直接威胁到区域生态安全和社会经济可持续发展^[8-9]。而基于生态系统服务供需关系和土地利用结构的生态管理分区，是生态修复和国土空间规划的重要依据^[10-11]，有助于协调生态系统服务的供需关系和人地矛盾^[12]。因此，迫切需要分析生态系统服务供需关系，并进一步揭示其与土地利用结构的协调状态，这更能反映生态系统和人类活动的复杂关系^[13-14]，调配空间资源意义重大。

基于生态系统服务的聚类特征，生态管理分区的划分主要依据生态系统功能^[15-17]、生态系统服务价值^[18-20]和生态系统服务簇^[21-23]等。近年来，随着生态系统服务供需关系对生态系统结构影响研究的不断深入^[24]，越来越多的学者从生态系统服务供需关系的角度进行生态管理分区。空间方面包括不同的行政区划尺度^[25]、流域尺度^[26]和城市经济群尺度^[27]等，时间方面包括只考虑某时间点供需状态分区^[28]和一定历史时间范围内供需状态分区变化^[29]等。然而，这些研究大多采用生态系统供需比和耦合协调模型等方法来确定生态管理分区^[30-31]，而没有探讨生态系统服务供需与土地利用结构之间的耦合关系。

相较于仅以生态系统服务供需关系为主导的生态管理，土地利用结构和供需关系的耦合分区，更能够明晰人类土地利用活动与生态系统服务的相互作用关系，有助于实现区域的人地协调。滦河流域作为京津冀水源涵养功能的重要组成部分，是华北地区重要的生态屏障，具有重要的生态意义。因其地处我国农牧交错带^[32]，生态系统服务关系复杂。随着社会经济的发展和相关土地政策的实施，该区域土地利用结构的变化对生态系统服务供需关系产生一定影响，因此合理的生态分区至关重要。本文以滦河流域为研究区，选择固碳、土壤保持和产水3项关键生态系统服务，探究其2020年供需空间分布特征，量化生态系统服务供需关系，并模拟2030年不同情景下的土地利用结构，基于生态系统服务供需关系和土地利用程度的耦合，从人地协调的视角进行生态分区，并预测未来不同情景下的生态分区格局变化，旨在为生态管理提供新的研究思路。

1.   材料与方法

1.1   研究区概况

滦河流域位于中国华北地区的东北部(39°10′～42°40′ N，115°30′～118°45′ E) ，发源于丰宁县，于乐亭县注入渤海，全长约877 km，总面积约44 880 km²。全流域行政上涉及河北、辽宁和内蒙古三省(自治区)，地貌类型复杂多样, 上游以坝上高原与冀北山地丘陵为主，中游主要为燕山山地，下游地表平坦以河北平原为主, 地势由西北向东南倾斜，南北气候相差悬殊，气候类型由寒温带干旱和半干旱气候过渡到暖温带半湿润气候，年平均气温为1～11 ℃，年均降水量为400～800 mm。滦河流域是具备鲜明农、牧、林交错带为主要特征的京津冀水源涵养区^[33]，各生态系统服务功能之间关系复杂，土地覆盖以耕地、草地、林地为主，包括少量的建设用地和未利用地(图1)。随着社会经济的发展，生态系统服务出现了一定的退化，区域生态安全受到了损害和威胁。

图  1  2020年研究区概况和土地利用类型分布

Figure  1.  Location of the study area and land use types spatial distribution of the Luan River Basin in 2020

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1.2   数据来源与处理

本文采用的行政区划边界等基础矢量数据来源于国家自然资源部(https://www.mnr.gov.cn)；2010年、2020年土地利用数据，空间分辨率 30 m，源于中国科学院资源环境科学与数据中心(https://www.resdc.cn)，并根据 GB 21010－2007《土地利用现状分类标准》 及研究区自然本底现状， 将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地及未利用地 6 类；2020年人口密度栅格数据，空间分辨率1 km，来自于世界人口数据网站(www.worldpop.org)；2030年人口密度根据国家统计局(http://www.stats.gov.cn)流域各区县人口增长率和当前人口密度计算得到；DEM 数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)，分辨率为 30 m；2010年、2020年气象数据(气温、降水) 来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn)，通过 ANUSPLIN 方法插值获得；2030年气象数据源于世界气候数据网(http://www.worldclim.org)，采用联合国政府间气候变化专门委员会第五次报告公布的温室气体排放场景中，比较适合中国实际的中等温室气体排放情景RCP6.0 ^[34]；土壤栅格数据来源于寒区旱区科学数据中心(http://westdc.westgis.ac.cn)，基于世界土壤数据库(HWSD)的中国土壤数据集(v1.1)，空间分辨率1 km；2010年、2020年社会经济统计数据来自流域各区县统计年鉴，其中包括《河北省统计年鉴》(http://tjj.hebei.gov.cn)、《内蒙古自治区统计年鉴》(http://tj.nmg.gov.cn/)和《辽宁省统计年鉴》(https://tjj.ln.gov.cn)。为保证数据的统一性与精准性，所有数据在ArcGIS 10.0软件支持下，使用最邻近内插法对数据的坐标系和空间分辨率进行了统一。

1.3   研究方法

1.3.1   生态系统服务供需评估

1)固碳服务

采用InVEST模型的固碳模块对滦河流域进行固碳服务供给量评估，主要根据地表碳密度、土壤碳密度、地下碳密度和死亡碳密度进行碳密度的累积计算，模型所需碳库数据(表1)主要参考已有研究成果^[35]。固碳服务需求量通过人均碳排放量和栅格人口密度的乘积获得，人均碳排放量通过河北省、内蒙古自治区和辽宁省的年煤炭、原油、天然气的消耗总量获取^[27]。计算公式如下：

表  1  不同土地利用类型各部分的碳密度

Table  1.  Carbon densities of various parts of different land use types t·hm⁻²

碳密度 Carbon density	耕地 Croplands	林地 Woodlands	草地 Grasslands	水域 Water bodies	建设用地 Construction lands	未利用地 Unused lands
地上 Above	3.20	96.60	1.18	3.40	0.40	9.13
土壤 Soil	112.90	133.80	60.50	8.64	28.80	34.08
地下 Below	0.30	21.00	13.60	12.10	6.90	1.82
死亡 Dead	0.00	3.59	0.24	1.24	0.00	0.00

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式中：$ {C}_{\rm{t}} $为固碳总量(t·hm⁻²)；$ {C}_{\rm{a}} $为地表生物碳总量(t·hm⁻²)；$ {C}_{\rm{s}} $为土壤生物碳总量(t·hm⁻²)；$ {C}_{\rm{b}} $为土壤生物碳总量(t·hm⁻²)；$ {C}_{\rm{d}} $为死亡生物碳总量(t·hm⁻²)；$ {D}_{\rm{c}} $为固碳服务需求量(t·hm⁻²)；$ {Q}_{\rm{c}} $为人均碳排放量(t)；$ {p}_{\rm{i}} $为栅格每公顷人口数。

2)产水服务

利用 InVEST 模型的产水模块对滦河流域进行产水服务供给量评估，主要根据各栅格单元的降水量、蒸发量、土壤深度、土壤质地和植被根系深度等参数进行计算，采用滦河下游干流断面监测数据对计算结果进行验证，经过反复校验确定Zhang系数为2.7。产水服务需求量通过人均耗水量与人口密度的乘积获取。计算公式如下：

式中：$ {Y}_{x} $为栅格单元$ x $的产水量(mm)；$ {AET}_{x} $为栅格单元$ x $的年实际蒸发量(mm)；$ {P}_{x} $为栅格单元$ x $的年降水量(mm)；$ {D}_{w} $为产水服务需求量(m³)；$ {Q}_{w} $为人均耗水量(m³)。

3)土壤保持服务

基于InVEST 模型中的泥沙输送比例模块进行土壤保持量与实际侵蚀量的评估，并以土壤保持量作为土壤保持服务的供给量，评估结果与相关研究成果基本一致^[35]，而实际的土壤侵蚀量作为土壤保持服务的需求量^[36]。计算公式如下：

式中：$ S EDRE{T}_{x} $为栅格单元$ x $的土壤保持量[t·(hm²∙a)⁻¹]；$ RKL{S}_{x} $表示栅格单元$ x $的潜在土壤侵蚀量[t·(hm²∙a)⁻¹]；$ USL{E}_{x} $为栅格单元$ x $的土壤实际侵蚀量[t·(hm²∙a)⁻¹]；$ {R}_{x} $为栅格x降水侵蚀因子[MJ∙mm∙(hm²∙h∙a)⁻¹]；$ {K}_{x} $为栅格x的土壤可蚀性因子[t∙hm²·h∙(hm²·MJ∙mm)⁻¹]；$ L{S}_{x} $为栅格x坡长坡度因子； $ {C}_{x} $为植被覆盖因子；$ {P}_{{x}} $为水土保持因子。

1.3.2   生态系统服务供需分析

1)生态系统服务供需平衡方程

利用生态系统服务供需比，将生态系统服务的供给量与需求量联系起来，用来反映生态系统服务供需数量关系。计算公式如下：

式中：$ {ES DR}_{i} $为栅格i上的生态系统服务供需比；$ {S}_{i} $和$ {D}_{i} $分别表示栅格i上的生态系统服务供给量与需求量；$ CES {D}_{i} $为栅格i上的综合生态系统服务供需比；n为生态系统服务类型总数，n=3。本文中 $ CES {D}_{i} $等于固碳、产水和土壤保持服务供需比的均值。$ {ES DR}_{i} $与$ CES {D}_{i} $大于0时供过于求，$ {ES DR}_{i} $与$ CES {D}_{i} $等于0时供需平衡，$ {ES DR}_{i} $与$ CES {D}_{i} $小于0 时供不应求。

2)双变量局部空间自相关

利用 GeoDa 软件对生态系统服务供给量、需求量进行局部空间匹配分析，在Z检验(P < 0.05)基础上，可以表征出区域与其他相邻区域单元的关联程度，绘制LISA图，主要分为高供高需、低供低需、低供高需、高供低需4种聚集类型^[37]。

1.3.3   土地利用程度

本文利用土地利用程度综合指数来评价滦河流域不同时期和情景下的土地利用程度。土地利用程度综合指数是人类对土地实际利用状态的反映^[38]，该值越高表明区域土地利用程度较强，人类活动强度较大，值越低则表明区域土地利用程度较弱，人类活动强度较小。计算公式如下：

式中：$ La $为土地利用程度综合指数，$ La\in $[100, 400]；$ {A}_{i} $为第i级土地利用程度分级指数，土地利用程度分级赋值参照庄大方和刘纪远^[38]研究成果；$ {C}_{i} $为第i级土地利用面积百分比。

1.3.4   基于PLUS模型的未来土地利用模拟

采用 PLUS模型的CARS模块，根据滦河流域2010年与2020年两期土地利用数据，在气候环境影响因子(DEM、坡度、年均降水量、年均温度、土壤类型和水系距离)和社会经济影响因子(人口密度、GDP、主路距离、高速公路距离和行政中心距离)驱动下，计算出各地类的适宜性概率，以此作为2030年滦河流域土地利用转移概率矩阵的基础。结合不同发展需求，通过改变转移矩阵设置，预测该地区2030年自然变化情景、生态保护情景和经济发展情景下的土地利用分布类型(表2)。本研究计算模拟的2020年土地利用结果与真实的2020年土地利用数据的Kappa系数为0.79 ^[39]，表明模拟结果可靠性较高，可以用于2030年土地利用变化模拟。

表  2  不同情景下滦河流域土地利用变化

Table  2.  Land use changes in the Luan River Basin under different scenario

情景类型 Scenario type	变化规则设定 Rules setting
自然发展情景 Natural development scenario	基于2010年和2020年土地利用转移概率，允许各不同地类之间的相互转化 Based on the land use transition probabilities for 2010 and 2020, mutual conversion between different land use types is allowed
经济发展情景 Economic development scenario	基于《河北省土地利用总体规划(2006－2020年)》，根据经济发展需求，耕地与建设用地的面积需要扩张，因此增加将林地、草地、水域和未利用地向耕地与建设用地转移的概率，同时减少林地、草地和水域的同地类转移概率 Based on the “Hebei Province Land Use Master Plan (2006－2020)” to meet economic development needs, the expansion of cultivated and construction land is required. Thus, the probability of converting forest land, grassland, water areas, and unused land to these uses should be increased, while the probability of transitions within forest land, grassland, and water areas should be reduced
生态保护情景 Ecological protection scenario	基于《河北省国土空间规划方案(2021－2035年) 》，根据生态保护需求，增强对林地、草地的保护，因此设定林地和草地不能转换为其他地类，并增加其他地类向林地和草地的概率，同时减少耕地转换为建设用地和同地类的概率 Based on the “Hebei Province Territorial Spatial Planning Scheme (2021－2035)” to protect the environment, forest land and grassland cannot be converted to other uses. The probability of converting other land types to forest or grassland is increased, while the probability of converting cultivated land to construction or remaining unchanged is reduced

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1.3.5   基于生态系统服务供需关系与土地利用程度生态分区识别

为获取生态系统服务供需与土地利用程度耦合的生态分区，以土地利用程度综合指数和生态系统服务综合供需比为指标，将两者进行Z-score标准化后，分别作为x变量和y变量，通过象限法将流域划分成生态发展协调区、生态发展潜力区、生态供需风险区和城镇发展控制区4个生态分区(表3)。

表  3  滦河流域生态分区识别

Table  3.  Identification of ecological zoning in the Luan River Basin

分区名称 Zone name	象限 Quadrant	Z得分 Z-score		土地利用程度 Degree of land use	供需关系 Supply-demand relationship
		土地利用程度综合指数 Composite land-use index	综合供需比 Comprehensive ecosystem services demand-supply ratio
生态发展协调区 Ecological Development Coordination zone	Ⅰ	≥ 0	≥ 0	高 High	供大于求 Supply exceeds demand
生态发展潜力区 Ecological development potential zone	Ⅱ	< 0	≥ 0	低 Low	供大于求 Supply exceeds demand
生态供需风险区 Ecological supply and demand risk zone	Ⅲ	< 0	< 0	低 Low	求大于供 Demand exceeds supply
城镇发展控制区 Urban development control zone	Ⅳ	≥ 0	< 0	高 High	求大于供 Demand exceeds supply

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生态发展协调区，位于第Ⅰ象限，土地利用程度高并具备一定的供需盈余，表明社会经济发展与生态系统服务质量较为协调；生态发展潜力区，位于第Ⅱ象限，供需盈余较高且人类活动强度较小，土地利用程度较低，具备一定的社会经济发展潜力；生态供需风险区，位于第Ⅲ象限，供需亏损，土地利用程度较低，表明自然本底较差，需提升该区域生态系统服务质量以满足社会经济的发展；城镇发展控制区，位于第Ⅳ象限，土地利用程度较高，供需严重失调，需控制城镇化进程速度，协调社会经济发展与生态系统服务质量之间的关系。

2.   结果

2.1   生态系统服务供需格局

2020年滦河流域固碳、土壤保持和产水服务的供给总量分别为5.91 × 10⁷、5.25 × 10⁸和1.59 × 10⁹ t，需求总量分别为2.21 × 10⁶、7.41 × 10⁷和8.31 × 10⁷ t。生态系统服务供需的空间分布如图2所示。供给量方面，固碳和土壤保持服务均呈现“南北低，中间高”的分布规律，这是由于中游森林分布广泛，植被覆盖度较高，北部为坝上高原地区，主要土地覆被类型为耕地和草地，南部为平原区，主要为耕地和建设用地，人类活动强度相对较大。产水服务供给呈现“南高北低”的空间分布特征，这是由于南部降水较为充足，且建设用地面积占较高，出现降水入渗率下降及洪峰流量增大等因素，导致产水量较大^[40]。需求量方面，固碳和产水服务需求高值区主要集中于流域南部，该区域人口密度较大的，生活生产用水量需求较高，土壤保持服务需求高值区主要集中于坡度较大的中游区域。

图  2  2020年滦河流域生态系统供需分布

Figure  2.  Distribution of supply and demand of ecosystem services in the Luan River Basin in 2020

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各土地利用类型生态系统服务供需量差异明显(表4)，供给方面，单位面积林地固碳和土壤保持服务供给量最高，建设用地的产水量服务供给量最高；未利用地的固碳和土壤保持服务供给量最低，水域的产水服务供给量最低。需求方面，固碳和产水服务单位面积需求量最高的为建设用地，最低的为未利用地，土壤保持服务需求量最高的为耕地，最低的为建设用地。

表  4  2020年滦河流域各土地利用类型生态系统服务单位面积供需量

Table  4.  Supply and demand of ecosystem services per unit area for various land use types in the Luan River Basin in 2020

土地利用类型 Land use type	固碳服务 Carbon sink/(t·hm−2)			土壤保持服务 Soil conservation/(t·hm−2)			产水服务 Water yield/(m3·h−2)
	供给量 Supply	需求量 Demand		供给量 Supply	需求量 Demand		供给量 Supply	需求量 Demand
耕地 Croplands	5.43	2.64		40.38	100.26		892.14	1 141.88
林地 Woodlands	22.44	2.23		197.08	20.51		663.89	407.77
草地 Grasslands	9.46	1.88		89.30	41.33		576.22	228.41
水域 Water bodies	2.91	1.73		32.63	16.67		534.97	477.73
建设用地 Construction lands	2.88	5.68		12.51	6.09		1 964.99	4 358.41
未利用地 Unused lands	1.41	0.22		10.11	17.35		1 699.65	141.17

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2.2   生态系统服务供需匹配分析

2020年滦河流域生态系统供需象限分布表明(图3a、b、c)，固碳服务以低供给－低需求(Ⅲ象限，84个乡镇)和高供给－低需求(Ⅳ象限，96个乡镇)为主要匹配类型，土壤保持服务以高供给－高需求(Ⅰ象限，100个乡镇)和低供给－低需求(Ⅲ象限，81个乡镇)为主要匹配类型，产水服务的主要匹配类型为高供给－低需求(Ⅳ象限，121个乡镇)。双变量局部空间自相关表明(图3d、e、f)，供需匹配呈现出明显的区域差异性。流域北部的坝上高原地区是3项服务的低供低需聚集主要分布区，包括多伦县、沽源县、正蓝旗和丰宁县等，该区域人口密度和生态服务需求量较小，同时生态系统供给量较低。固碳和产水服务的高供低需聚集区主要分布于隆化县北部地区和围场县南部地区。土壤保持服务的高供高需聚集区主要分布于流域中游的滦平县、兴隆县和承德县。流域南部的平原地区是固碳和产水服务的低供高需聚集主要分布区，主要包括迁西县、宽城县和滦县等，该区域人口密集，社会经济发展程度较高，生态系统服务需求较高，但林、草地面积占比较低导致生态系统服务供给量较低。

图  3  2020年滦河流域生态系统供需象限分布与双变量局部空间自相关性

Figure  3.  Spatial distribution of ecological system supply and demand quadrants and bivariate local spatial autocorrelation in the Luan River Basin in 2020

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各土地利用类型中，林地固碳和土壤保持服务供需比最大，未利用地产水服务供需比最大，表明该地类的生态系统服务供需盈余较高；林地固碳和土壤保持服务的标准差最小，草地产水服务标准差较小，则表明供需关系空间分布较为均匀，空间分异较小。建设用地的固碳和产水服务供需比均为最小，耕地的土壤保持服务供需比最小，表明该地类的生态系统服务供需亏损；建设用地固碳、土壤保持服务和未利用地产水服务的标准差最大，表明供需关系空间分布差异较大(表5)。

表  5  2020年滦河流域各土地利用类型的供需比均值及标准差

Table  5.  Average and standard deviation of ecosystem services demand-supply ratio of each land use type in the Luan River Basin in 2020

土地利用类型 Land use type	固碳服务供需比 Demand-supply ratio of carbon sink			土壤保持供需比 Demand-supply ratio of soil conservation			产水服务供需比 Demand-supply ratio of water yield
	均值 Average value	标准差 Standard deviation		均值 Average value	标准差 Standard deviation		均值 Average value	标准差 Standard deviation
耕地 Croplands	0.35	0.49		−0.43	0.32		−0.12	0.43
林地 Woodlands	0.82	0.18		0.81	0.21		0.24	0.25
草地 Grasslands	0.67	0.35		0.37	0.29		0.43	0.33
水域 Water bodies	0.25	0.31		0.32	0.29		0.06	0.27
建设用地 Construction lands	−0.33	0.51		0.35	0.52		−0.38	0.44
未利用地 Unused lands	0.73	0.28		−0.26	0.22		0.85	0.52

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2.3   流域生态分区识别

2020年滦河流域土地利用综合指数和生态系统服务综合供需比空间分布表明(图4)，土地利用程度高值区主要集中于流域北部的沽源县和多伦县，以及南部的迁安市、卢龙县和滦州市，该区域人口密度较大，工业、农业经济发展迅速；生态系统服务综合供需比高值区主要集中于流域中上游的围场县和丰宁县，该区域林地、草地面积占比较高，具有较好的生态本底，生态系统服务供需呈现较高的盈余特征。

图  4  2020年滦河流域土地利用综合指数和生态系统服务综合供需比空间分布

Figure  4.  Spatial distribution of composite land-use index and comprehensive ecosystem services demand-supply ratio of ecosystem services in the Luan River Basin in 2020

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根据滦河流域土地利用程度综合指数和生态系统服务综合供需比Z-score标准化后的象限分布，将流域划分为4个生态分区(图5)。

图  5  2020年滦河流域生态分区和象限分布

Figure  5.  Ecological zoning and quadrant distribution in the Luan River Basin in 2020

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1)生态发展协调区，综合生态系统服务供需主要表现为盈余特征，且伴随着较为强烈的人类活动，占流域面积7.16%。该区域虽然人口密度较大，但其林、草地覆盖度较高，自然生态系统和生物多样性的保护措施较为完善，因此在一定程度上实现了生态与经济的协调发展(表6)。

表  6  2020年滦河流域生态分区特征

Table  6.  Characteristics of ecological zoning in the Luan River Basin in 2020

分区名称 Zone name	面积占比 Area proportion/%	乡镇数量 Number of towns	平均综合供需比 Average comprehensive ecosystem services demand-supply ratio	平均土地利用程度 综合指数 Average composite land-use index	自然和社会特征 Natural and social characteristics
生态发展协调区 Ecological development coordination zone	7.16	15	0.33	278.31	生态用地面积占比较高，人口密度较大，自然生态系统的保护措施较为完善 The proportion of ecological land is relatively high, population density is greater, and protective measures for natural ecosystems are more comprehensive
生态发展潜力区 Ecological development potential zone	62.95	129	0.59	217.09	主要为林、草地景观，人类活动少，水土壤保持和碳汇为主导的生态功能区 The area is primarily composed of forest and grassland landscapes, with minimal human activity, functioning mainly as an ecological zone dominated by soil and water conservation and carbon sequestration
生态供需风险区 Ecological supply and demand risk zone	11.18	41	−0.14	226.49	未利用地、残林和退化草地占比较高，生态本底较差，人口密度较小 Unused land, degraded forests, and grasslands make up a significant proportion, the ecological baseline is poor, and the population density is low
城镇发展控制区 Urban development control zone	18.71	60	−0.37	318.37	城镇化进程较快， 建设用地占比高，人口密度大 Urbanization is advancing rapidly, with a high proportion of construction land and a dense population

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2)生态发展潜力区，综合生态系统服务供需主要表现为高度的盈余特征，人类活动强度较弱，占流域面积62.95%。该区域主要位于流域北部的高原地区和中游的山地地区，生态资源丰富，植被资源、水资源、生物多样性等禀赋优良，具有高质量的固碳和土壤保持生态系统服务功能，且土地利用程度较低，土地利用类型以林地、草地和水域为主，对区域生态环境的稳固起到了关键作用(表6)。

3)生态供需风险区，综合生态系统服务供需主要表现为亏损特征，人类活动强度较弱，占流域面积11.18%。该区域主要位于流域的中下游地区，虽然土地利用程度较低，人为干扰较小，但其土地利用结构中，未利用地、残林和退化草地占比较高，致使自然本地较差，生态系统服务质量总体较低，导致该区域的生态系统服务供需失衡(表6)。

4)城镇发展控制区，生态系统服务供需主要表现为高度的亏损特征，人类活动强度较大，占流域面积18.71%。该区域主要位于流域的南部平原地区，耕地和建设用地面积占比较高，人为干扰剧烈，社会经济和城镇化的迅速发展，限制了该区域生态与经济的协调发展(表6)。

2.4   不同土地利用情景下的生态管理分区预测

与2020年相比，2030年自然发展情景下各地类面积变化较小；经济发展情景下，耕地、建设用地面积显著增加，林地面积减少；生态保护情景下，林地、草地面积显著增加，耕地面积减少，建设用地面积变化不显著。土地利用程度高值区主要集中在迁西县、宽城县和滦县等流域南部平原区，以及流域北部的沽源县、多伦县和丰宁县交界处，城镇发展情景下，流域中游隆化县、滦平县和承德县的土地利用程度显著增加(图6a、b、c)。综合供需比的高值区主要集中在流域北部的围场县、丰宁县与隆化县的交界处，生态保护情景下，流域南部隆化县、宽城县和凌源市的综合供需比显著增加(图6d、e、f)。

图  6  2030年滦河流域不同情景下土地利用综合指数和生态系统服务综合供需比分布

Figure  6.  Distribution of composite land-use index and comprehensive ecosystem services demand-supply ratio of ecosystem services in the Luan River Basin under different scenarios in 2030

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根据2030年不同情景下，滦河流域土地利用程度综合指数和生态系统服务综合供需比Z-score标准化后的象限分布，对生态分区空间分布进行预测(图7)。结果表明，相对于2020年，2030年土地利用综合指数与供需比之间的散点关系依然以第Ⅱ和第Ⅳ象限为主，但存在一定差异。其中自然发展情景下第Ⅳ象限散点数量呈现一定的增加；经济发展情景下散点由第Ⅱ象限向第Ⅳ象限呈现明显的转移趋势，同时第Ⅰ象限散点数量有所增加；生态保护情景下散点由第Ⅳ象限向第Ⅱ象限转移的趋势增加，同时第Ⅲ象限散点数量有所增加。空间分布方面，自然发展情景下各分区范围总体变化较小，主要体现在流域南部的生态供需风险区向城镇发展控制区的转化；经济发展情景下，生态发展协调区在流域北部和中游地区显著扩张，这是由于该区域生态本底较好，生态系统服务供需的较高盈余可以支撑城镇化发展，促进了该区域生态经济的协调发展；流域南部地区耕地和建设用地的面积占比增加，林、草地面积占比减少，使部分乡镇的土地利用程度增强并伴随着生态系统服务质量下降，这进一步加剧了土地利用结构和生态系统服务供需的失衡，导致城镇发展控制区在下游的扩张；生态保护情景下，部分乡镇的耕地和未利用地向林地、草地转化，流域北部和中游地区的生态系统服务质量得到提升，生态系统供需盈余的增加和土地利用结构的改善，使生态发展潜力区范围显著增加；流域南部地区，人类活动受到限制，土地利用程度有所下降，但该区域生态本底较差，生态系统服务供需呈现亏损特征，导致城镇发展控制区向生态供需风险区转化。

图  7  2030年滦河流域不同土地利用情景下滦河流域生态分区象限和空间分布

Figure  7.  Ecological zoning distribution under different land use scenarios in the Luan River Basin

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3.   讨论

生态系统服务供需关系是生态系统服务质量的有效度量，土地利用程度反映了人口聚集和人类土地利用活动强度^[5]，两者之间相互作用。在生态系统服务供需研究方面，本研究结果与孟凡迪等^[25]的京津冀地区的滦河流域部分生态系统服务供需的时空格局基本吻合，也符合谢高地等^[41]的中国生态系统服务空间分布，一定程度上说明本研究供需模拟结果的合理性。在生态管理分区方面，相较于仅以生态系统服务供需关系为主导的生态管理分区^[42]，本研究从人地协调的视角，将生态系统服务供需与土地利用程度进行耦合分区，有利于调节和改善生态系统服务权衡和供需匹配关系，缓解人地矛盾^[43]。结合滦河流域社会生态系统实际情况，根据2030年不同土地利用情景下生态分区空间变化，提出管理对策建议：1)生态发展协调区，应继续巩固生态－社会－经济的协调发展，针对人口密度较大的特点，实施高效节水灌溉工程、河道治理工程，提高区域水生态、水环境质量，从而提升产水服务，缓解用水压力，同时，经济发展情景模拟表明，在流域生态本底较好的北部和中游地区进行合理的土地规划，将有助于该生态分区范围的增加。2)生态发展潜力区，具备较高的生态系统服务质量，对流域生态环境的稳固起到了关键作用，但其部分地区山高坡陡，地貌复杂，存在水土流失的风险，尤其针对流域北部坝上高原地区，应避免低效耕地和过度放牧对土壤环境的影响，持续推动防风固沙营林工作，加强区内水土保持监管，提升土壤保持服务供需比，并基于该分区“低发展－高盈余”的生态优势，可适当发展旅游型生态经济，以促进生态与经济的同步发展。3)生态供需风险区，应高度重视区域土地利用结构对生态系统服务质量的影响，未利用地、残林和退化草地占比较高，导致区域生态本底较差，进而影响社会经济发展，因此，需要采取自然恢复和人工抚育更新等措施促进生态恢复，加强坡耕地、荒山、退化的林地和草地的管理，对人口稀少的山区以封育措施为主，提升区域固碳和土壤保持服务供需比，经济发展情景模拟表明，盲目扩张耕地和建设用地将导致该分区向城镇发展控制区的转化，进一步加剧供需矛盾，因此生态系统服务质量的提升是该分区社会经济发展的前提。4)城镇发展控制区，作为流域的人口聚集和城镇化发展的重点地区，要统筹生态服务资源，警惕生态安全隐患，对各类污染问题进行整治。针对农业经济发展迅速南部平原地区，应减少不合理的耕作方式，保护耕地红线的同时，严格实施退耕还林还草政策，注重水土保持的维护，并推动节水灌溉和水源工程建设，提升产水服务，生态保护情景模拟表明，土地利用结构的改善，有利于该分区向生态发展协调区和生态发展潜力区的转化，这将有效缓解该分区人地矛盾和供需亏损。

研究为生态管理提供新的研究思路，但同时还存在一定的局限。在生态系统服务供需评估方面，选取了滦河流域3种关键服务，但并不能全面地表征研究区整体的生态系统服务功能。在计算精度方面，模拟过程中存在模型参数设置的误差，尤其对于未来不同土地利用情景下的供需计算所需参数，如未来人口密度的空间分布、气候因子等均存在一定的偏差。在评估尺度方面，选取乡镇尺度进行生态分区，这在一定程度上导致了自然地理基底的空间连续性和生态系统服务流动的割裂^[44]。因此，在后续的工作中，考虑加入更多的生态系统服务类型，结合最新统计数据提高模型精度，并从多尺度环境下展开生态系统服务供需评估，进一步优化分区和管理策略。

4.   结论

1)滦河流域固碳和土壤保持服务的供给量呈现“中间高，南北低”的空间分布特征，产水服务供给量呈现“南高北低”的空间分布特征，固碳和产水服务的需求量高值区主要集中于流域南部的平原地区，土壤保持服务需求高值区主要集中于流域中游的山地地区。

2)滦河流域生态系统服务供需关系总体呈现供大于求，各土地利用类型的供需关系中，林地和草地总体表现为高供低需，耕地和建设用地表现为低供高需，未利用地则表现为低供低需。

3)滦河流域在乡镇尺度被划分为4类生态分区。生态发展协调区，供需存在一定盈余，并伴随着较为强烈的人类活动，在一定程度上实现了生态与经济的协调发展；生态发展潜力区，供需高度盈余，人类活动强度较弱，具备一定生态经济发展潜力；生态供需风险区，供需存在一定亏损，人类活动强度较弱，生态本底较差，导致区域的生态系统服务供需失衡；城镇发展控制区，供需高度亏损，人类活动强度较大，迅速的城镇化进程影响了区域生态与经济的协调发展。

4) 2030年，自然发展情景下，由于城镇化进程的发展，滦河流域南部的生态供需风险区向城镇发展控制区的转化。经济发展情景下，由于城镇化进程的加剧，城镇发展控制区在流域北部和南部地区显著扩张，进一步加剧区域的供需矛盾。生态保护情景下，生态系统供需盈余的增加和土地利用结构的改善，使生态发展潜力区范围显著增加。

不同分区应采取差异化措施进行针对性的生态管理，生态发展协调区应继续巩固生态－社会－经济的协调发展；生态发展潜力区基于“低发展－高盈余”的生态优势，适当发展旅游型生态经济以促进生态与经济的同步发展；生态供需风险区应采取自然恢复和人工抚育更新等措施提升生态本底，满足社会经济发展的生态需求；城镇发展控制区需要改善土地利用结构，提升生态系统服务质量，缓解人地矛盾和供需亏损。

参考文献