基于生态系统服务供需平衡的奈曼旗生态管理分区

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2025.094

研究生态系统服务供需关系并开展分区管理，对协调生态与社会经济发展具有重要意义。以奈曼旗为研究区，基于InVEST模型、冷热点分析与地理探测器，探究了2000—2020年奈曼旗生态系统服务的供需变化及影响因素。结果表明：①奈曼旗生态系统服务综合供给能力增长了19.81%，需求下降了11.09%，供需比整体改善39.73%，空间上呈现“南北盈余、中部赤字”的格局；②林地占比是热点区的主要驱动因子，沙地占比是冷点区的核心驱动因子；③基于综合生态系统服务供需比、供需匹配关系及其冷热点面积占比，将奈曼旗划分为由生态保育区、生态修复区、生态提升区和生态发展区构成的6类二级生态管理分区和10类三级生态管理分区，并针对不同分区提出差异化生态管控策略，为奈曼旗的生态保护与可持续发展提供科学依据。

关键词: 生态系统服务, 供需平衡, 生态管理分区, 奈曼旗

Studying the supply-demand relationship of ecosystem services and implementing zoned management are crucial for reconciling ecological protection with socioeconomic development in ecologically fragile regions. This study takes Naiman Banner, a typical sandy land area in Northern China, as a case study. We quantified the supply of key ecosystem services (e.g., water yield, carbon sequestration, and soil conservation) from 2000 to 2020 using the InVEST model, while the demand was assessed based on socioeconomic data. Spatiotemporal patterns were analyzed using hotspot-cold spot analysis, and the driving mechanisms behind the comprehensive ecosystem service supply-demand ratio were investigated using the GeoDetector model. The results revealed three key findings. First, over the two decades, the overall supply capacity of ecosystem services in Naiman Banner increased by 19.81%, whereas the demand decreased by 11.09%. Consequently, the overall supply-demand ratio improved significantly by 39.73%, indicating a substantial enhancement in ecological sustainability. Spatially, the comprehensive supply-demand ratio exhibited a distinct pattern of ‘surplus in the north and south with a deficit in the center’, primarily shaped by the regional landscape configuration and the intensity of human activities. Second, factor detection identified that the proportion of forest land was the primary driver of hotspot areas (high supply-demand ratio), underscoring the critical role of afforestation and forest conservation. Conversely, the proportion of sandy land was identified as the core driver of cold spot areas (low supply-demand ratio), highlighting the impact of desertification. Third, based on an integrated analysis of the comprehensive supply-demand ratio, its spatial matching relationship, and the proportional areas of hotspots and cold spots, a systematic ecological management zoning scheme was developed. Naiman Banner was categorized into six secondary and ten tertiary zones, which were classified into four major types: ecological conservation, ecological restoration, ecological enhancement, and ecological development. Targeted and differentiated management strategies were proposed for each zone. This research provides a scientific basis for precise ecological protection and sustainable socio-economic development in Naiman Banner, offering a replicable framework for similar arid and semi-arid regions.

Key words: Ecosystem services, Supply-demand balance, Ecological management zoning, Naiman Banner.

中图分类号:

P901

图1 奈曼旗概况

Fig. 1 General situation of Naiman Banner

图2 奈曼旗生态管理分区研究框架

Fig. 2 Framework for ecological management zoning in Naiman Banner

表1 生态系统服务供需计算方法

Table 1 Methods for assessing ecosystem service supply and demand

生态系统服务	供需指标	计算公式	变量解释
粮食供给（Food Supply， FS）	粮食产量	$S F S = P s u m × N D V I i N D V I s u m$	$S F S$ 表示粮食供给服务（t）； $P s u m$ 为粮食总产量（t）； $N D V I i$ 为栅格i的归一化植被指数； $N D V I s u m$ 为耕地的NDVI总值^［31］
粮食供给（Food Supply， FS）	粮食需求量	$D F S = ρ P O P × D p f$	$D F S$ 表示食物需求量； $ρ P O P$ 为人口密度（人/km²）； $D p f$ 为人均食物需求量（t），源于《通辽市统计年鉴》人均粮食年消费量
固碳服务（Carbon Sequestration， CS）	固碳量	$S C S = C a + C b + C s + C d$	$S C S$ 表示固碳量（t/hm²）； $C a$ 为地上生物碳存量（t/hm²）； $C b$ 为地下生物碳存量（t/hm²）； $C s$ 为土壤碳存量（t/hm²）； $C d$ 为死亡有机物量（t/hm²）
固碳服务（Carbon Sequestration， CS）	碳排放量	$D C S = ρ P O P × D p c × 0.68$	$D C S$ 表示碳排放量（t）； $D p c$ 为人均碳排放量，由通辽市各区旗县人均GDP与通辽市人均GDP加权平均通辽市能源消费总量计算所得^［32］；0.68为能源消耗的碳排放转化率^［33］
土壤保持（Soil Retention， SR）	土壤保持量	$S S R = R × K × L S × (1 - C × P)$	$S S R$ 表示土壤保持量（t）； $R$ 为降雨侵蚀因子［MJ⋅mm/（hm²⋅h⋅a）］； $K$ 为土壤可侵蚀因子［t⋅hm²⋅h/（hm²⋅MJ⋅mm）］； $L S$ 为坡长坡度因子； $C$ 为植被覆盖因子； $P$ 为水土保持因子
土壤保持（Soil Retention， SR）	土壤侵蚀量	$D S R = R × K × L S × C × P$	$D S R$ 表示土壤侵蚀量（t）
生境质量（Habitat Quality， HQ）	生境质量供给	$S H Q = Q x j = H j 1 - D x j z D x j z + k z$	$S H Q$ 表示生境质量服务供给； $Q x j$ 为土地利用类型j中栅格x上的生境质量； $H j$ 为土地利用类型j的生境适宜度； $D x j$ 为土地利用类型j中栅格x收到的胁迫水平； $z$ 为2.5； $k$ 为半饱和系数
生境质量（Habitat Quality， HQ）	生境质量需求	$D H Q = 0, S H Q x ≥ D H Q s t D H Q s t - S H Q x, S H Q x < D H Q s t$	$D H Q$ 表示生境质量需求，以区域生境质量平均水平为需求标准，由需求标准与生境质量供给之间的差值所得^［34］； $D H Q s t$ 为区域生境质量供给的平均值； $S H Q x$ 为区域栅格x的生境质量供给水平
产水服务（Water Yield， WY）	产水量	$S W Y = 1 - A E T (x) P (x) × P (x)$	$S W Y$ 表示产水量（mm）； $A E T (x)$ 为年蒸散发量（mm）； $P (x)$ 为年降水量（mm）
产水服务（Water Yield， WY）	需水量	$D W Y = ρ P O P × D W$	$D W Y$ 表示需水量（m³）； $D W$ 为人均用水量（m³），由奈曼旗的农业、工业、居民和生态环境年用水总量除以其每年常住人口所得^［35］； $ρ P O P$ 为人口密度（人/km²）
景观游憩（Leisure and Entertainment， LE）	生态面积占比	$S L E = A R E A g r e A R E A$	$S L E$ 表示景观游憩服务供给；划分1 km×1 km的网格， $A R E A g r e$ 为网格内生态空间（林地、草地、水域）的面积（km²）^［36］； $A R E A$ 为网格的总面积，即1 km²
景观游憩（Leisure and Entertainment， LE）	公共绿地需求	$D L E = ρ P O P × D p a$	$D L E$ 表示景观游憩服务需求（m²）； $D p a$ 为人均景观游憩需求面积，即60 m^2［37］； $ρ P O P$ 为人口密度（人/km²）
防风固沙（Windbreak and Sand Fixation， WSF）	防风固沙供给	$S W S F = S L p - S L$ $S L p = 2 z S p 2 × Q p m a x × e - (z ∕ S p) 2$ $S L = 2 z S 2 × Q m a x × e - (z ∕ S) 2$	$S W S F$ 表示防风固沙服务供给（kg/m²）； $S L p$ 与 $S L$ 分别为裸土条件下潜在风蚀量与有植被覆盖情形下的实际风蚀量（kg/m²）； $z$ 为下风向最大风蚀出现距离（m）； $S p$ 与 $S$ 分别为潜在关键与关键地块长度（m）； $Q p m a x$ 与 $Q m a x$ 分别为潜在风力与风力的最大输沙能力（kg/m）
防风固沙（Windbreak and Sand Fixation， WSF）	防风固沙需求	$D W S F = S L$	$D W S F$ 表示防风固沙服务需求，由实际风蚀量所得（kg/m²）

表1 生态系统服务供需计算方法

Table 1 Methods for assessing ecosystem service supply and demand

生态系统服务	供需指标	计算公式	变量解释
粮食供给（Food Supply， FS）	粮食产量	$S F S = P s u m × N D V I i N D V I s u m$	$S F S$ 表示粮食供给服务（t）； $P s u m$ 为粮食总产量（t）； $N D V I i$ 为栅格i的归一化植被指数； $N D V I s u m$ 为耕地的NDVI总值^［31］
粮食供给（Food Supply， FS）	粮食需求量	$D F S = ρ P O P × D p f$	$D F S$ 表示食物需求量； $ρ P O P$ 为人口密度（人/km²）； $D p f$ 为人均食物需求量（t），源于《通辽市统计年鉴》人均粮食年消费量
固碳服务（Carbon Sequestration， CS）	固碳量	$S C S = C a + C b + C s + C d$	$S C S$ 表示固碳量（t/hm²）； $C a$ 为地上生物碳存量（t/hm²）； $C b$ 为地下生物碳存量（t/hm²）； $C s$ 为土壤碳存量（t/hm²）； $C d$ 为死亡有机物量（t/hm²）
固碳服务（Carbon Sequestration， CS）	碳排放量	$D C S = ρ P O P × D p c × 0.68$	$D C S$ 表示碳排放量（t）； $D p c$ 为人均碳排放量，由通辽市各区旗县人均GDP与通辽市人均GDP加权平均通辽市能源消费总量计算所得^［32］；0.68为能源消耗的碳排放转化率^［33］
土壤保持（Soil Retention， SR）	土壤保持量	$S S R = R × K × L S × (1 - C × P)$	$S S R$ 表示土壤保持量（t）； $R$ 为降雨侵蚀因子［MJ⋅mm/（hm²⋅h⋅a）］； $K$ 为土壤可侵蚀因子［t⋅hm²⋅h/（hm²⋅MJ⋅mm）］； $L S$ 为坡长坡度因子； $C$ 为植被覆盖因子； $P$ 为水土保持因子
土壤保持（Soil Retention， SR）	土壤侵蚀量	$D S R = R × K × L S × C × P$	$D S R$ 表示土壤侵蚀量（t）
生境质量（Habitat Quality， HQ）	生境质量供给	$S H Q = Q x j = H j 1 - D x j z D x j z + k z$	$S H Q$ 表示生境质量服务供给； $Q x j$ 为土地利用类型j中栅格x上的生境质量； $H j$ 为土地利用类型j的生境适宜度； $D x j$ 为土地利用类型j中栅格x收到的胁迫水平； $z$ 为2.5； $k$ 为半饱和系数
生境质量（Habitat Quality， HQ）	生境质量需求	$D H Q = 0, S H Q x ≥ D H Q s t D H Q s t - S H Q x, S H Q x < D H Q s t$	$D H Q$ 表示生境质量需求，以区域生境质量平均水平为需求标准，由需求标准与生境质量供给之间的差值所得^［34］； $D H Q s t$ 为区域生境质量供给的平均值； $S H Q x$ 为区域栅格x的生境质量供给水平
产水服务（Water Yield， WY）	产水量	$S W Y = 1 - A E T (x) P (x) × P (x)$	$S W Y$ 表示产水量（mm）； $A E T (x)$ 为年蒸散发量（mm）； $P (x)$ 为年降水量（mm）
产水服务（Water Yield， WY）	需水量	$D W Y = ρ P O P × D W$	$D W Y$ 表示需水量（m³）； $D W$ 为人均用水量（m³），由奈曼旗的农业、工业、居民和生态环境年用水总量除以其每年常住人口所得^［35］； $ρ P O P$ 为人口密度（人/km²）
景观游憩（Leisure and Entertainment， LE）	生态面积占比	$S L E = A R E A g r e A R E A$	$S L E$ 表示景观游憩服务供给；划分1 km×1 km的网格， $A R E A g r e$ 为网格内生态空间（林地、草地、水域）的面积（km²）^［36］； $A R E A$ 为网格的总面积，即1 km²
景观游憩（Leisure and Entertainment， LE）	公共绿地需求	$D L E = ρ P O P × D p a$	$D L E$ 表示景观游憩服务需求（m²）； $D p a$ 为人均景观游憩需求面积，即60 m^2［37］； $ρ P O P$ 为人口密度（人/km²）
防风固沙（Windbreak and Sand Fixation， WSF）	防风固沙供给	$S W S F = S L p - S L$ $S L p = 2 z S p 2 × Q p m a x × e - (z ∕ S p) 2$ $S L = 2 z S 2 × Q m a x × e - (z ∕ S) 2$	$S W S F$ 表示防风固沙服务供给（kg/m²）； $S L p$ 与 $S L$ 分别为裸土条件下潜在风蚀量与有植被覆盖情形下的实际风蚀量（kg/m²）； $z$ 为下风向最大风蚀出现距离（m）； $S p$ 与 $S$ 分别为潜在关键与关键地块长度（m）； $Q p m a x$ 与 $Q m a x$ 分别为潜在风力与风力的最大输沙能力（kg/m）
防风固沙（Windbreak and Sand Fixation， WSF）	防风固沙需求	$D W S F = S L$	$D W S F$ 表示防风固沙服务需求，由实际风蚀量所得（kg/m²）

表2 两因子的交互作用类型

Table 2 Interaction classification of two factors

判断依据	交互类型
$q X 1 ⋂ X 2 < M i n [q (X 1), q (X 2)]$	非线性减弱
$M i n [q X 1, q (X 2)] < q X 1 ⋂ X 2 < M a x [q X 1, q (X 2)]$	单因子非线性减弱
$q X 1 ⋂ X 2 = q X 1 + q (X 2)$	相互独立
$M a x [q X 1, q (X 2)] < q X 1 ⋂ X 2 < q X 1 + q (X 2)$	双因子增强
$q X 1 ⋂ X 2 > q X 1 + q (X 2)$	非线性增强

表2 两因子的交互作用类型

Table 2 Interaction classification of two factors

判断依据	交互类型
$q X 1 ⋂ X 2 < M i n [q (X 1), q (X 2)]$	非线性减弱
$M i n [q X 1, q (X 2)] < q X 1 ⋂ X 2 < M a x [q X 1, q (X 2)]$	单因子非线性减弱
$q X 1 ⋂ X 2 = q X 1 + q (X 2)$	相互独立
$M a x [q X 1, q (X 2)] < q X 1 ⋂ X 2 < q X 1 + q (X 2)$	双因子增强
$q X 1 ⋂ X 2 > q X 1 + q (X 2)$	非线性增强

图3 2000—2020年奈曼旗生态系统服务供给时空演变格局

Fig. 3 Spatiotemporal evolution patterns of ecosystem services supply in Naiman Banner from 2000 to 2020

图4 2000—2020年奈曼旗生态系统服务需求时空演变格局

Fig. 4 Spatiotemporal evolution patterns of ecosystem services demand in Naiman Banner from 2000 to 2020

图5 2000—2020年奈曼旗生态系统服务供需比时空演变格局

Fig. 5 Spatiotemporal evolution patterns of the ecosystem services supply-demand ratio in Naiman Banner from 2000 to 2020

图6 2000—2020年奈曼旗综合生态系统服务供需比冷热点空间分布

Fig. 6 Spatial distribution of hotspots and coldspots analysis of the comprehensive ecosystem services supply-demand ratio in Naiman Banner from 2000 to 2020

图7 2000—2020年奈曼旗综合生态系统服务供需比的因子探测结果
（a） 2000—2020年综合生态系统服务供需比热点区各因子解释强度变化结果；（b） 2000—2020年综合生态系统服务供需比冷点区各因子解释强度变化结果。

Fig. 7 Factor detection results of comprehensive ecosystem services supply-demand ratio in Naiman Banner from 2000 to 2020
（a） Changes in the explanatory power of each factor for the hot spot areas of the comprehensive ecosystem services supply-demand ratio from 2000 to 2020；（b） Changes in the explanatory power of each factor for the cold spot areas of the comprehensive ecosystem services supply-demand ratio from 2000 to 2020.

表3 奈曼旗生态管理分区

Table 3 Ecological management zoning in Naiman Banner

二级分区	三级分区	乡镇名称
关键生态修复区（4个）	I级关键生态修复区（1个）	苇莲苏乡
关键生态修复区（4个）	II级关键生态修复区（3个）	白音他拉苏木乡、大沁他拉镇和固日班花苏木乡
重点生态修复区（1个）	III级重点生态修复区（1个）	八仙筒镇
重点生态提升区（2个）	III级重点生态提升区（2个）	黄花塔拉苏木乡和治安镇
重点生态保育区（1个）	II级重点生态保育区（1个）	东明镇
重点生态发展区（2个）	II级重点生态发展区（1个）	新镇
重点生态发展区（2个）	III级重点生态发展区（1个）	明仁苏木乡
一般生态发展区（5个）	I级一般生态发展区（1个）	青龙山镇
	II级一般生态发展区（3个）	国有六号农场、沙日浩来镇和土城子乡
	III级一般生态发展区（1个）	义隆永镇

表3 奈曼旗生态管理分区

Table 3 Ecological management zoning in Naiman Banner

二级分区	三级分区	乡镇名称
关键生态修复区（4个）	I级关键生态修复区（1个）	苇莲苏乡
关键生态修复区（4个）	II级关键生态修复区（3个）	白音他拉苏木乡、大沁他拉镇和固日班花苏木乡
重点生态修复区（1个）	III级重点生态修复区（1个）	八仙筒镇
重点生态提升区（2个）	III级重点生态提升区（2个）	黄花塔拉苏木乡和治安镇
重点生态保育区（1个）	II级重点生态保育区（1个）	东明镇
重点生态发展区（2个）	II级重点生态发展区（1个）	新镇
重点生态发展区（2个）	III级重点生态发展区（1个）	明仁苏木乡
一般生态发展区（5个）	I级一般生态发展区（1个）	青龙山镇
	II级一般生态发展区（3个）	国有六号农场、沙日浩来镇和土城子乡
	III级一般生态发展区（1个）	义隆永镇

图8 奈曼旗生态管理分区

Fig. 8 Ecological management zoning in Naiman Banner

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