汾河流域生态系统服务供需匹配特征与分区管控

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00152

摘要/Abstract

摘要：

厘清流域生态系统服务供需关系及匹配特征是实现差异化生态管控的基础。本文量化2000—2020年汾河流域6种典型生态系统服务供需格局，采用自组织映射神经网络以供需比为基础识别乡镇尺度供需簇，结合簇的空间分布和供需结构特点等提出生态分区管控策略。结果表明：（1）2000—2020年，产水、固碳、土壤保持、水质净化和生境质量的供给格局呈现东西高、中间低的特点，而粮食生产服务供给格局相反。产水、固碳、粮食生产、水质净化和生境质量的高需求区集中在太原城区及中下游人口密集的区域，而土壤保持需求格局则相反。（2）流域内供需空间错配严重，上游的管涔山、中下游的吕梁山和太行山是区内集中的供需盈余区。中下游盆地区水质净化和生境质量服务的赤字区显著增加，山区产水、固碳和粮食生产服务大量高盈余区转为低盈余区。（3）流域内有综合生态系统服务供需强错配簇（B1）、综合生态系统服务供需弱错配簇（B2）、水质净化-生境质量服务错配簇（B3）和综合生态系统服务供需匹配簇（B4）。总体而言，生态系统服务供需错配区趋于集中，且中心城区错配程度最高。簇类之间的转化主要体现在B2向B1和B3，B3向B4的转变，空间上太原主城区周边错配区扩张显著且错配强度增强。

关键词: 生态系统服务, 供需匹配, 供需簇, 汾河流域, 生态管控策略

Abstract:

To implement effective， tailored ecological management within a watershed， it is essential to first understand how the supply of ecosystem services matches the demand for those services， as well as the spatial variations and characteristics of this relationship. This article quantifies the supply and demand patterns of six typical ecosystem services in the Fenhe River Basin from 2000 to 2020. Based on the supply-demand ratio， SOM is used to identify the supply-demand bundles of ecosystem services. Combined with the spatial distribution and supply-demand structure characteristics of the bundles， ecological zoning control strategies are proposed. The results showed that：（1） From 2000 to 2020， ecosystem services for water production， carbon sequestration， soil conservation， water purification， and habitat quality were higher in the east and west regions but lower in the middle， whereas the supply of food production services showed the opposite pattern. The high-demand areas for water production， carbon sequestration， food production， water purification， and habitat quality are concentrated in the urban area of Taiyuan and the midstream and downstream areas， particularly where population density is high； in contrast， soil conservation is in greater demand in other， less densely populated areas. （2） There is a serious spatial mismatch between supply and demand in the Fenhe River Basin； upstream areas （including Guancen Mountain） often show surpluses， whereas midstream and downstream areas （including Lvliang Mountain and Taihang Mountain） face deficits. The deficit of water purification and habitat quality services has considerably increased in the midstream and downstream areas， and in mountainous ecosystems， many high-surplus areas for water production， carbon sequestration， and food production services have declined. （3） There are a strong mismatch between the supply and demand bundles of comprehensive ecosystem services （B1）， a weak mismatch between the supply and demand bundles of comprehensive ecosystem services （B2）， mismatch bundles of water purification and habitat quality services （B3）， and matching supply-demand bundles of comprehensive ecosystem services （B4） in the Fenhe River Basin. Overall， the mismatch between supply and demand of ecosystem services tends to be concentrated in central urban areas. The transformation between clusters is mainly reflected in the transition from B2 to B1 and B3， and from B3 to B4. Substantial expansion of the mismatch occurred around the main urban area of Taiyuan.

Key words: ecosystem services, supply-demand matching, supply-demand bundles, Fenhe River Basin, ecological management strategy

中图分类号:

宋洁, 张龙飞, 宋文凯, 陈培森, 何雨函, 梁雯. 汾河流域生态系统服务供需匹配特征与分区管控[J]. 中国沙漠, 2026, 46(3): 41-53.

Jie Song, Longfei Zhang, Wenkai Song, Peisen Chen, Yuhan He, Wen Liang. Supply-demand matching of ecosystem services and zoning control in the Fenhe River Basin， China[J]. Journal of Desert Research, 2026, 46(3): 41-53.

图/表 10

图1 汾河流域区位及流域划分注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号GS（2019）1822号）制作，底图边界无修改

Fig.1 Location and division of Fenhe River Basin

表1 数据来源

Table 1 Descriptions of the data

数据类型	来源	格式	空间分辨率
土地利用	资源环境科学与数据中心(http ://www.resde.en/)	栅格	30 m
NDVI	资源环境科学与数据中心(http ://www.resde.en/)	栅格	1 km
降水量	国家地球系统科学数据中(http://www.geodata.cn)	栅格	1 km
蒸散发量	国家生态系统科学数据中心(http://www.nesde.org.c)	栅格	1 km
根系深度、土壤质地和有机碳含量	《基于世界土壤数据库(HWSD)的中国土壤数据集》(V1.1)(htp://data.tpde.ac.cn/zh-hans/data)	栅格	1 km
需水量	山西省水资源公报	统计
碳排放量	中国碳核算数据库(CEADS)(http://www.ceads.net/)	统计
粮食产量	省、市统计年鉴	统计
人口密度	WorldPop(https://www.Worldpop.org/)	栅格	1 km
社会经济统计数据	省、市统计年鉴	统计
行政区划	全国地理信息资源目录(http://www.webmap.cn/)	矢量

表2 生态系统服务供需量化方法

Table 2 Quantification methods for supply and demand of ecosystem services

生态系统服务类型	公式	描述
产水服务供给	$W Y x = 1 - A E T x P x × P x$ ^[30-31]	AET_x 为栅格x实际蒸散量；p_x 为栅格x降水量
产水服务需求	WY_d_x =D_w×p_x_pop^[32]	D_w为人均用水量；p_x_pop为栅格x人口密度
固碳服务供给	C_x =C_above+C_below+C_dead+C_soil^[33]	C_above、C_below、C_dead、C_soil分别为地上生物碳储量、地下生物碳储量、死亡有机质碳储量、土壤碳储量
固碳服务需求	C_d_x =D_c×p_x_pop^[34]	D_c为人均碳排放量；p_x_pop为栅格x人口密度
粮食生产服务供给	$G P x = N D V I x N D V I s u m × G s u m$ ^[7]	NDVI_x 为栅格x的NDVI值；NDVI_sum为流域内耕地的NDVI值总和；G_sum为研究区粮食总产量
粮食生产服务需求	GP_d_x =D_f×p_x_pop^[7,35]	D_f为人均粮食消费量；p_x_pop为栅格x人口密度
土壤保持服务供给	SDR_x =RKLS_x -USLE_x^[35]	RKLS_x 为栅格x土壤潜在侵蚀量；USLE_x 为栅格x土壤实际侵蚀量
土壤保持服务需求	USLE_x =R×K×LS×C×P^[34]	R、K、LS、C、P分别为降雨侵蚀因子、土壤可蚀性因子、地形因子、植被因子、土壤保持措施因子
水质净化服务供给	WP_x =Q_Ⅲgrade×V_water^[28,32,36]	Q_Ⅲgrade表示Ⅲ类水质标准下允许排放的氮输出量；V_water表示流域的产水量
水质净化服务需求	$W P d x = N L x × N D R x$ ^[34,36]	$N L x$ 表示栅格x的氮负荷量；NDR_x 表示栅格x氮输出率
生境质量服务供给	$H Q x = H × 1 - D x z D x z + k z$ ^[37]	H为生境适宜度；D_x 为栅格x生境胁迫水平；k为半饱和常数；z为归一化常数
生境质量服务需求	$H Q d x = C + l g P x + l g E x$ ^[37]	C为土地利用强度；p_x 为人口空间分布；E_x 为地区生产总值空间分布

表2 生态系统服务供需量化方法

Table 2 Quantification methods for supply and demand of ecosystem services

生态系统服务类型	公式	描述
产水服务供给	$W Y x = 1 - A E T x P x × P x$ ^[30-31]	AET_x 为栅格x实际蒸散量；p_x 为栅格x降水量
产水服务需求	WY_d_x =D_w×p_x_pop^[32]	D_w为人均用水量；p_x_pop为栅格x人口密度
固碳服务供给	C_x =C_above+C_below+C_dead+C_soil^[33]	C_above、C_below、C_dead、C_soil分别为地上生物碳储量、地下生物碳储量、死亡有机质碳储量、土壤碳储量
固碳服务需求	C_d_x =D_c×p_x_pop^[34]	D_c为人均碳排放量；p_x_pop为栅格x人口密度
粮食生产服务供给	$G P x = N D V I x N D V I s u m × G s u m$ ^[7]	NDVI_x 为栅格x的NDVI值；NDVI_sum为流域内耕地的NDVI值总和；G_sum为研究区粮食总产量
粮食生产服务需求	GP_d_x =D_f×p_x_pop^[7,35]	D_f为人均粮食消费量；p_x_pop为栅格x人口密度
土壤保持服务供给	SDR_x =RKLS_x -USLE_x^[35]	RKLS_x 为栅格x土壤潜在侵蚀量；USLE_x 为栅格x土壤实际侵蚀量
土壤保持服务需求	USLE_x =R×K×LS×C×P^[34]	R、K、LS、C、P分别为降雨侵蚀因子、土壤可蚀性因子、地形因子、植被因子、土壤保持措施因子
水质净化服务供给	WP_x =Q_Ⅲgrade×V_water^[28,32,36]	Q_Ⅲgrade表示Ⅲ类水质标准下允许排放的氮输出量；V_water表示流域的产水量
水质净化服务需求	$W P d x = N L x × N D R x$ ^[34,36]	$N L x$ 表示栅格x的氮负荷量；NDR_x 表示栅格x氮输出率
生境质量服务供给	$H Q x = H × 1 - D x z D x z + k z$ ^[37]	H为生境适宜度；D_x 为栅格x生境胁迫水平；k为半饱和常数；z为归一化常数
生境质量服务需求	$H Q d x = C + l g P x + l g E x$ ^[37]	C为土地利用强度；p_x 为人口空间分布；E_x 为地区生产总值空间分布

图2 最佳聚类数

Fig.2 The optimal clustering number

图3 2000—2020年生态系统服务供给时空分布注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号GS（2019）1822号）制作，底图边界无修改

Fig.3 Spatial and temporal distribution of ecosystem services supply from 2000 to 2020

图4 2000—2020年生态系统服务需求时空分布注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号GS（2019）1822号）制作，底图边界无修改

Fig.4 Spatial and temporal distribution of ecosystem services demand from 2000 to 2020

表3 生态系统服务平均供需比

Table 3 The average value of ecosystem services supply-demand ratio

生态系统服务平均供需比	2000年	2010年	2020年
产水服务	-0.0009	-0.0018	0.0062
固碳服务	0.0816	0.0111	0.0018
粮食生产服务	0.0035	0.0153	0.0081
土壤保持服务	0.0150	0.0160	0.0172
水质净化服务	-0.0200	-0.0147	0.0012
生境质量服务	0.1870	0.1877	0.2376

图5 上、中、下游供需比变化趋势

Fig.5 Change trend of ecosystem services supply-demand ratio in upstream， midstream， and downstream

图6 2000—2020年生态系统服务供需比时空分布注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号GS（2019）1822号）制作，底图边界无修改

Fig.6 Spatial and temporal distribution of ecosystem services supply-demand ratio from 2000 to 2020

图7 生态系统服务供需簇时空演变格局（A）、特征值（B）、组成（C）和数量转变（D）注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号GS（2019）1822号）制作，底图边界无修改

Fig.7 Spatial patten （A）， relative magnitude （B）， composition （C） and transformation （D） of ecosystem services supply-demand bundles from 2000 to 2020

参考文献 49

[1]	赵雪雁，丁静，马平易.人类活动对黄土高原生态系统服务权衡/协同关系影响的多尺度研究［J］.地理学报，2025，80（7）：1920-1936.
[2]	Gao Y L， Fu D L， Huang H，et al.Spatio-temporal evolution and scenario-based optimization of urban ecosystem services supply and demand：a block-scale study in Xiamen，China［J］.Ecological Indicators，2025，172：113289.
[3]	Yang Y， Yuan X， An J，et al.Drivers of ecosystem services and their trade-offs and synergies in different land use policy zones of Shaanxi Province，China［J］.Journal of Cleaner Production，2024，452：142077.
[4]	刘海龙，王改艳，张鹏航，等.汾河流域新型城镇化与生态韧性耦合协调时空演变及协调影响力研究［J］.自然资源学报，2024，39（3）：640-667.
[5]	杜可心，张福平，冯起，等.黑河流域生态系统服务的地形梯度效应及生态分区［J］.中国沙漠，2023，43（2）：139-149.
[6]	刘雨婷，覃盟琳，欧阳慧婷，等.基于生态系统服务供需平衡的国土空间资源配置优化［J］.自然资源学报，2024，39（6）：1358-1383.
[7]	赵雪雁，马平易，李文青，等.黄土高原生态系统服务供需关系的时空变化［J］.地理学报，2021，76（11）：2780-2796.
[8]	Zhang J W， Wang M， Liu K，et al.Social-ecological system sustainability in China from the perspective of supply-demand balance for ecosystem services［J］.Journal of Cleaner Production，2025，497：145039.
[9]	He G Y， Zhang L， Wei X J，et al.Scale effects on the supply-demand mismatches of ecosystem services in Hubei Province，China［J］.Ecological Indicators，2023，153：110461.
[10]	Xu M， Feng Q， Zhang S，et al.Ecosystem services supply-demand matching and its driving factors：a case study of the Shanxi section of the Yellow River Basin，China［J］.Sustainability，2023，15（14）：11016.
[11]	Yue L， Zhang M， Gan MY，et al.Fine identification of the supply-demand mismatches and matches of urban green space ecosystem services with a spatial filtering tool［J］.Journal of Cleaner Production，2022，336：130404.
[12]	张中浩，张永瑶，胡熠娜，等.基于“水-能源-粮食”纽带的生态系统服务供需关系时空分布研究：以长三角生态绿色一体化发展示范区为例［J］.生态学报，2023，43（22）：9430-9445.
[13]	李潇飞，龚健，叶菁，等.生态系统服务权衡协同下的甘肃省生态功能分区优化［J］.干旱区地理，2025，48（3）：467-479.
[14]	Yang L P， Liu Y S， Liu Y Q，et al.Spatial-temporal dynamics and drivers of ecosystem service interactions along the Yellow River area in Shaanxi Province［J］.Journal of Cleaner Production，2025，496：145095.
[15]	Shen J S， Li S C， Wang H，et al.Understanding the spatial relationships and drivers of ecosystem service supply-demand mismatches towards spatially-targeted management of social-ecological system［J］.Journal of Cleaner Production，2023，406：136882.
[16]	Raudsepp-Hearne C， Peterson G D， Bennett E M.Ecosystem service bundles for analyzing tradeoffs in diverse landscapes［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2010，107：5242-5247.
[17]	Zhang X， Han R， Yang S，et al.Identification of bundles and driving factors of ecosystem services at multiple scales in the eastern China region［J］.Ecological Indicators，2024，158：111378.
[18]	闫晓露，李欣媛，刘澄浩，等.生态系统服务簇空间演变轨迹及其社会-生态驱动的地理探测：以大连市为例［J］.生态学报，2022，42（14）：5734-5747.
[19]	Shen J， Li S， Liang Z，et al.Exploring the heterogeneity and nonlinearity of trade-offs and synergies among ecosystem services bundles in the Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration［J］.Ecosystem services，2020，43：101103.
[20]	Lyu F， Tang J， Olhnuud A，et al.The impact of large-scale ecological restoration projects on trade-offs/synergies and clusters of ecosystem services［J］.Journal of Environmental Management，2024，365：121591.
[21]	张春悦，白永平，杨雪荻，等.多情景模拟下宁夏平原生态系统服务簇识别研究［J］.地理研究，2022，41（12）：3364-3382.
[22]	Dou H， Li X， Li S，et al.Mapping ecosystem services bundles for analyzing spatial trade-offs in Inner Mongolia，China［J］.Journal of Cleaner Production，2020，256：120444.
[23]	余昊轩，汤江龙，陈荣清.湖北省生态系统服务供需时空演变特征及其多尺度的空间平衡与匹配分析［J］.环境科学，2024，45（11）：6477-6488.
[24]	张艺玟，张淑怡，朱泓恺，等.基于多尺度生态系统服务供需的大都市区生态安全格局构建与优化［J］.生态学报，2024，44（21）：9596-9609.
[25]	Wang S， Zhang R， Wang J，et al.Identification and optimization of ecological corridors in the middle reaches of the Yellow River Basin［J］.Journal of Cleaner Production，2025，512：145676-145676.
[26]	解智涵，宋洁，张慧，等.汾河流域文化景观旅游开发潜力综合评价［J］.中国沙漠，2024，44（4）：184-192.
[27]	冯强，赵文武，段宝玲.生态系统服务权衡强度与供需匹配度的关联性分析：以山西省为例［J］.干旱区研究，2022，39（4）：1222-1233.
[28]	史利江，刘敏，李艳萍，等.汾河流域县域经济差异的时空格局演变及驱动因素［J］.地理研究，2020，39（10）：2361-2378.
[29]	李振涵，李静文，于洪伟，等.汾河流域水生态环境保护与可持续发展策略研究［J］.环境科学学报，2024，4（8）：1-11.
[30]	Zhang X， Zhang G S， Long X，et al.Identifying the drivers of water yield ecosystem service：a case study in the Yangtze River Basin，China［J］.Ecological Indicators，2021，132：108304.
[31]	杨洁，谢保鹏，张德罡.基于InVEST模型的黄河流域产水量时空变化及其对降水和土地利用变化的响应［J］.应用生态学报，2020，31（8）：2731-2739.
[32]	李兆碧，陶宇，欧维新，等.基于水量与水质的太湖流域水生态服务供需关系及多情景评估［J］.生态学报，2023，43（5）：2088-2100.
[33]	安志英，孙才志，郝帅.东北生态系统服务的供需匹配关系：基于水-能源-粮食纽带视角［J］.生态学报，2024，44（10）：1-17.
[34]	何国钰，张蕾，雷锡琼，等.基于生态系统服务供需簇的武汉都市圈生态风险评估及影响因素［J］.应用生态学报，2024，35（5）：1347-1358.
[35]	王婧煜，赵媛媛，耿君，等.京津风沙源治理工程区生态系统服务供需匹配关系［J］.农业工程学报，2025，41（4）：279-287.
[36]	韩宇，刘焱序，王晨旭.基于水生态系统服务的黄河流域生态修复投资优先区识别［J］.生态学报，2024，44（18）：8126-8137.
[37]	许宝荣，刘一川，董莹，等.基于InVEST模型的兰州地区生境质量评价［J］.中国沙漠，2021，41（5）：120-129.
[38]	Yang M H， Zhao X N， Wu P T，et al.Quantification and spatially explicit driving forces of the incoordination between ecosystem service supply and social demand at a regional scale［J］.Ecological Indicators，2022，137：108764.
[39]	孟欣宇，吴远翔.城市生态系统服务供需簇与生态功能管控：以齐齐哈尔市中心城区为例［J］.应用生态学报，2023，34（12）：3393-3403.
[40]	冯强，赵文武，王晶，等.类型识别视角下汾河流域生态系统服务权衡时空分异及非线性驱动特征［J］.生态学报，2025，45（16）：7921-7937.
[41]	盖莹莹，赵衡，王富强.黄河流域生态系统服务供需变化及其驱动因素分析［J］.环境科学，2025，46（6）：3672-3680.
[42]	王奕淇，孙学莹.黄河流域生态系统服务权衡协同关系及其时空异质性［J］.环境科学，2025，46（2）：972-989.
[43]	朱春霞，钟绍卓，龙宇，等.黄河流域生态系统服务的时空演变及其驱动力［J］.生态学杂志，2023，42（10）：2502-2513.
[44]	陈小平，李萱，徐若凡，等.多尺度生态系统服务及其驱动机制：以山西省为例［J］.生态学杂志，2025，44（9）：3106-3115.
[45]	郅宏宇，张磊.黄河流域生态系统服务供需匹配及生态管理分区研究［J］.环境污染与防治，2023，45（5）：730-735.
[46]	李大强，张飞云，周红涛，等.基于生态系统服务供需的新疆天山北坡城市群生态安全格局构建［J］.中国环境科学，2025，45（8）：4706-4714.
[47]	李智，苏洋，舒芹.基于生态系统服务供需匹配的西北地区生态管理分区［J］.干旱区地理，2025，48（6）：1115-1126.
[48]	侯晋星，潘换换，杜自强，等.山西黄河流域水生态系统服务时空分析［J］.干旱区地理，2024，47（6）：1047-1060.
[49]	孟令琦，汤佳，胡希军，等.生态系统服务供需风险簇时空演变特征及影响因素：以信江流域为例［J/OL］.生态学杂志，1-17［2025-08-11］..