产水服务作为生态系统服务的一项重要分支，对维持生态系统的稳定与和谐，促进区域经济的可持续发展具有极其重要的作用^[1]。近年来随着全球生态环境的变化与人类活动的加剧，产水服务供需矛盾日益凸显。IPBES发布的《全球生物多样性和生态系统服务评估报告》指出，包括产水服务在内的绝大多数生态系统服务功能迅速下降^[2]。在此背景下，研究区域生态系统产水服务供需状况、识别产水服务供需风险区并制定合理的风险防范措施对促进区域可持续发展显得尤为重要。

目前国内外学者大多采用模型模拟法研究区域产水量，评估产水服务供需风险。模型模拟法包括ARIES模型和InVEST模型等，其中InVEST模型操作简便在国内外应用广泛。包玉斌等^[3]以黄土高原为研究区，采用InVEST模型定量评估水源涵养功能，开展水源涵养的空间分区研究。吕乐婷等^[4]利用InVEST模型的产水量模块对大连市产水量的时空分布特征及其成因进行研究。Mansoor D.K.Leh等^[5]利用InVEST模型对西非加纳和科特迪瓦河流域产水量进行评估，取得良好效果。产水量评估方法的不断发展为产水服务生态风险的评估奠定了良好的基础^[6]。现阶段众多学者对产水服务生态风险评估的研究更多考虑到了供给与需求间的耦合关系^[7-8]。Baro F等^[9]，Boithias L等^[10]以欧洲的5个城市、西班牙Ebro盆地为研究区，将流域产水服务供需结合共同评估在空间上的匹配度来确定区域产水服务生态风险。王壮壮等^[11]，Li Delong等^[12]分别对陕西省、京津冀地区产水服务进行研究，揭示产水服务供需风险时空变化格局、量化淡水生态系统服务流量对下游地区的影响。

2013年5月，中国国家领导人访问巴基斯坦时提出中巴经济走廊远景规划，得到国际社会的广泛关注^[13]。由于中巴经济走廊地缘价值的重要性，该走廊也成为“一带一路”倡议的样板工程和旗舰项目^[14]。然而一系列的生态环境问题制约着中巴经济走廊项目的发展，而且项目的建设也会对巴基斯坦脆弱的生态环境产生一定的负面影响^[15]。Aziz等^[16]研究发现巴基斯坦产水服务价值由于开放水域的减少等原因在2015年和未来土地使用方案中急剧下降。为秉持“绿色发展”理念，在建设中巴经济走廊过程中就需充分考虑生态风险的问题。鉴于此，本研究选取2000，2005，2010，2015，2020年5个时间节点，采用InVEST模型和以人定需法研究巴基斯坦产水服务供需状况，识别产水服务供需风险区并提出风险防范措施为优化区域生态系统管理提供科学依据。

1 研究区概况

中巴经济走廊覆盖中国新疆维吾尔自治区和巴基斯坦全境，北至新疆的喀什，南至巴基斯坦的西南港口城市瓜达尔港^[17]。结合中巴经济走廊项目的实际分布以及已有研究，选取巴基斯坦全境(包括巴控自由克什米尔地区)作为研究区(图 1)。

巴基斯坦地处南亚次大陆西北部(23°—37°N，60°—80°E)，总面积约8.80×10⁵ km²。巴基斯坦位于亚热带，气候干旱、降水少，植被稀疏，森林面积仅占巴基斯坦总面积的4.80%。巴基斯坦设旁遮普省、开伯尔—普什图省(简称开普省)、俾路支省、信德省、伊斯兰堡首都特区和联邦直辖部落区等6个省级行政区，此外还包括吉尔吉特—巴尔蒂斯坦、自由克什米尔地区，各省区的自然环境和社会经济发展具有较大的差异。缺水、土壤侵蚀、森林的过度砍伐等是巴基斯坦目前面临的主要生态问题。

2 数据来源与方法 2.1 数据来源及预处理

本研究所需数据来源如表 1所示。

2.2 研究方法 2.2.1 产水服务供给量化方法

InVEST模型产水模块以水量平衡原理为基础，产水量为降水量减去蒸散发量^[18]，公式如下：

$ Y(x)=〔1-\frac{\operatorname{AET}(x)}{P(x)}〕 \cdot P(x) $

(1)

$ \frac{\operatorname{AET}(x)}{P(x)}=1+\frac{\operatorname{PET}(x)}{P(x)}-\left\{1+〔\frac{\operatorname{PET}(x)}{P(x)}〕^\omega\right\}^{\frac{1}{\omega}} $

(2)

$ \omega(x)=Z \frac{\operatorname{AWC}(x)}{P(x)}+1.25 $

(3)

$ \operatorname{PET}(x)=k c(l x) \cdot \mathrm{ET}_0(x) $

(4)

式中：AET(x)为栅格的年度实际蒸散发量; P(x)为栅格的年降水量; PET(x)为潜在蒸散发量; ω(x)是表征自然气候土壤特性的非物理参数。AWC(x)为植物可用水分的体积(毫米)。ET₀(x)为该位置生长的参考植被(例如草或苜蓿)的蒸散量。kc(lx)取决于该像素栅格上的土地覆被营养特征。Z是一个经验常数, 与N(每年降水事件的数量)呈正相关。

2.2.2 产水服务需求量化方法

每个像元的需水量是由人口密度与人均水需求量的乘积求得，人均水需求量包括工业用水量、农业用水量和生活用水量。人均水需求量一般由人均用水量表示，但由于2000年后巴基斯坦面临着非常严重的缺水问题，人均用水量不可替代为人均需水量，因此，本研究将2005，2010，2015，2020年人均需水量统一为2000年的人均需水量(1 223.10 m³/人)。

$ \mathrm{ES}_{\text {demand }, i}=\rho_i \times D_i $

(5)

式中：ES_{demand, i}为像元栅格上的水资源需求量; ρ_i为像元栅格的人口密度(人/km²); D_i为人均水资源需求量。

2.2.3 产水服务供需指数及趋势

本研究采用供需指数supply-demand index(SDI)^[19-20]来刻画生态系统服务供给与需求在空间上的矛盾和差异。SDI的取值范围为-1至1，当SDI＞0时，供给量大于需求量，处于盈余状态；当SDI=0时，供给量等于需求量，处于供需平衡状态；当SDI＜0时，供给量小于需求量，处于赤字状态，且其数值越小，供需矛盾越突出。SDI的计算公式如下：

$ \mathrm{SDI}_i=\frac{\mathrm{ES}_{\text {supply}, i}-\mathrm{ES}_{\text {demand}, i}}{\mathrm{ES}_{\text {supply}, i}+\mathrm{ES}_{\text {demand}, i}} $

(6)

式中：SDI_i为第i个像元上的产水服务供需指数; ES_{supply, i}为第i个像元上的产水服务供给量; ES_{demand, i}为第i个像元上的产水服务需求量。

根据相关文献^[21-23]，将供需指数的值域分为6个等级，不同等级的供需指数代表不同的供需状况，具体分级标准如表 2所示。

供需指数在时间上有不同的变化趋势，采用最小二乘法拟合供需指数的变化趋势表示，斜率k表示空间上不同区域的供需指数变化趋势。当k＞0，供需指数呈上升趋势，供需矛盾缓解；当k＜0，供需指数呈下降趋势，供需矛盾加剧。显著性检验置信度为95%。

2.2.4 产水服务供需风险

结合巴基斯坦2020年产水服务供需状况及供需指数趋势这2项指标，将产水服务供需风险划分为7个等级^[11](表 3)。

2.2.5 产水服务供需匹配

本研究在评估产水服务供需的基础上，采用Z-score方法将供给量和需求量标准化，坐标系中X轴表示供给，Y轴表示需求^[24]，第一象限表示高供给高需求，第二象限表示低供给高需求，第三象限表示低供给低需求，第四象限表示高供给低需求，计算公式如下：

$ x=\frac{x_i-\bar{x}}{s} $

(7)

$ \bar{x}=\frac{1}{n} \sum\limits_{i=1}^n x_i $

(8)

$ s=\sqrt{\frac{1}{n} \sum\limits_{i=1}^n\left(x_i-\bar{x}\right)} $

(9)

式中：x为标准化后的供给值、需求值; x_i为第i个单元的供给值、需求值; x为平均值; s为标准差; n为评价单元的总数。

3 结果与分析 3.1 产水服务时空演变特征 3.1.1 产水服务供给时空分析

为定量分析巴基斯坦2000—2020年产水服务供给量和需求量，本研究将2000—2020年巴基斯坦平均产水深度、平均降水量、平均实际蒸发量进行了统计和计算(表 4)，由人均需水量与人口密度的乘积得出产水需求量，并将产水服务供给与需求相结合计算出产水服务供需指数(表 5)。从时间变化上看，2000—2020年巴基斯坦产水供给量的变化较为明显，呈现先增后减的趋势。产水服务供给量明显增大的两个时间段为2000—2005年和2005—2010年，增幅分别为34.50%和31.82%。从2010年产水量达到峰值后开始下降，2010—2015年有轻微下降的趋势，降幅为1.90%；2015—2020年，产水供给量明显减少，降幅为19.61%，在这期间降水量的减少以及蒸散发量的增加导致产水量的降低。

从空间分布上看，2000—2020年产水量空间分布格局相似(图 2)，主要表现为中部高南北低。以2020年为例，产水量高值区主要集中在开普省的东部、旁遮普省的北部以及自由克什米尔地区，产水量低值区主要集中在俾路支省西部和信德省大部分地区，产水量中值区则开普省南部和旁遮普省中部地区。这种空间分布格局与研究区植被分布状况和土地利用类型有关系，例如高值区地形以丘陵和山地为主，地类以林地为主，低值区植被稀疏，荒漠化严重。从空间变化上看，2000—2005年产水量空间格局变化不大，2005—2010年巴基斯坦东南部产水量显著增加，2010—2020年空间变化不明显。

3.1.2 产水服务需求时空分析

从时间变化上看，2000—2020年水需求总量呈上升趋势(表 5)，由2000年的1.76×10¹¹ m³上升到2020年的2.78×10¹¹ m³，水需求总量增加了58.44%。产水服务需求量的变化与人口密度高度相关。2000年巴基斯坦人口数量为1.42×10⁸，至2020年人口达2.21×10⁸；2000年巴基斯坦GDP为8.20×10¹⁰美元，至2020年GDP达2.63×10¹¹美元。鉴于此，经济和人口的增长致使水需求量不断增加。

从空间变化上看，2000—2020年水需求量空间分布格局基本稳定(图 3)，以2020年为例，水需求量高值区域集中分布于伊斯兰堡首都区、开普省中部、旁遮普省和信德省中部，水需求量低值区域集中分布于俾路支省、吉尔吉特—巴尔蒂斯坦以及开普省的东南部和信德省的东北部。这种空间分布格局与巴基斯坦人口密度、土地利用类型、经济发展状况等有关，即水需求量高值区主要为城市建成区和耕地区，人口密度大，工业发达，需水量大，而水需求量低值区多为自然环境恶劣的荒漠地区，人口稀少，经济欠发达，需水量小。

3.1.3 产水服务供需指数时空分析

将供需指数值域按照表 2标准进行分级得到2000—2020年产水服务供需指数分级(图 4)，由图可知，严重赤字区集中分布于整个印度河平原和俾路支省的西部，高度盈余区集中分布在吉尔吉特—巴尔蒂斯坦和俾路支省东部，中度盈余区广泛分布于巴基斯坦的中部，这种空间分布状况与土地覆被类型、植被分布状况、人口密度等有较大的关联。从时间变化上看(图 5)，2000—2020年巴基斯坦产水服务的供需空间匹配状况先有所好转继而变差。与2000年相比，2010年严重赤字区面积减少了23.54%，高度盈余区增加了16.98%；而与2010年相比，2020年严重赤字区面积增加了10.19%，高度盈余区减少了10.83%。这说明2010年供需状况良好，巴基斯坦70.12%的地区处于产水盈余状态，但2000年与2020年的供需状况较差，全国近一半地区缺水，产水供需矛盾突出。2000—2010年，严重赤字区在俾路支省西部和下印度河平原地区大面积收缩；俾路支省东南部、信德省东部和旁遮普省东南部高度盈余区域扩张。2010—2020年，俾路支省西部和下印度河平原的严重赤字区扩张，高度盈余区域的面积变化不大。

根据栅格单元的变化趋势及显著性水平，将产水服务供需指数趋势划分为4类：显著上升区(k＞0，p＜0.05)、不显著上升区(k＞0，p＞0.05)、不显著下降区(k＜0，p＞0.05)、显著下降区(k＜0，p＜0.05)。拟合五期供需指数得出巴基斯坦产水服务供需指数趋势(图 6)，结果表明巴基斯坦产水服务供需指数变化趋势以不显著上升和下降为主(94.30%)，显著上升区占2.26%，显著下降区占3.44%。显著上升区集中分布于吉尔吉特—巴尔蒂斯坦和俾路支省北部。显著下降区集中分布于开普省、旁遮普省北部。不显著上升区广泛分布于俾路支省、旁遮普省、信德省等地。不显著下降区集中于巴基斯坦北部和西部，其他区域较分散。总体来看，巴基斯坦大部分地区变化趋势较弱，产水服务相对稳定。

3.2 产水服务供需风险分区

结合产水服务供需指数和趋势划分出产水服务供需风险(图 7)。由表 6可知，2020年巴基斯坦产水服务高风险区面积比例为22.69%，主要分布于俾路支省西部、开普省中部、吉尔吉特—巴尔蒂斯坦西部、东部省区的印度河平原地区。低风险区面积占比为36.13%，集中分布于各省份的中部和边界地区。无风险区面积占比为41.19%，分布于吉尔吉特—巴尔蒂斯坦大部分地区、联邦直辖部落区南部、俾路支省东部、旁遮普省东南部和信德省东部。高风险区土地利用类型主要为农耕区、城市建成区、荒漠区等，农耕区和城市建成区需大量水源，产水服务供不应求，风险等级高。荒漠区降水稀少，产水服务供需矛盾突出。

将高风险区基于Z-score标准化后得出2020年产水服务高风险区供需匹配空间类型(图 8)与分布(表 7)。

2020年巴基斯坦产水服务高风险区供需匹配类型以低供给低需求为主，其比例为47.56%，主要分布于俾路支省西部和吉尔吉特—巴尔蒂斯坦，这些地区虽人口密度小，需求量也低，但产水供给满足不了需求导致供需矛盾恶化。高供给高需求区(占25.19%)分布于开普省南部和旁遮普省北部，这些地区产水供给虽高，但人口密集，水需求量远远超过供给量。低供给高需求区(占26.74%)集中于印度河中下游平原，这些地区降水稀少且人口密度大，水需求量大，供需矛盾严重。

4 讨论

产水服务作为生态系统服务的一项重要分支，对维持生态系统的稳定与和谐、促进区域经济的可持续发展具有极其重要的作用。产水量的变化受降水量、植被分布状况和土地利用/覆被等因素的影响。近年来多位学者对降水量、土地利用/覆被与区域生态系统产水量之间的关系进行了大量研究。杨洁等^[25]在对黄河流域产水量的时空格局研究中发现降水对产水量的影响比较显著。李怡颖等^[26]通过研究发现影响张家口市产水量的主要因素是降水，其次为土地利用方式。谢余初等^[27]在白龙江流域的研究也得到相似结论。由于不同土地利用类型的土壤含水量、蒸散发能力、凋落物持水能力及冠层截留量均存在差异，因此不同土地利用类型产水能力不同^[25]。本研究的5个时间节点中2010年降水量最大，产水量也最高；同时本研究区内产水量较高的地区地类以耕地、林地为主，植被覆盖率高。另外产水服务需求量的变化与人口密度高度相关，随着人口的增长，水需求量也逐年增加；在空间格局上，研究区内水需求量高值区通常为人口密集区。

本研究结合供需指数与最小二乘法拟合的供需指数趋势动态评估了巴基斯坦产水服务供需风险，高风险区生态脆弱、生态敏感性高，在未来发展中要密切关注风险区内项目的开发建设，监测产水服务动态变化，防止其进一步退化；加强水源地生物多样性保护，依托水土保持等工程措施进行生态保护；推行节水农业，采取跨流域调水等方式弥补用水需求；借鉴中国的生态补偿机制，结合供给与需求确定补偿主体、补偿受体、补偿金额，使产水服务供需相对平衡。

由于数据的可获得性以及研究水平的限制等原因，本研究还存在一些局限和不足。例如未考虑未来土地利用、气候变化以及区域间产水服务流动等，因此在未来研究中可从这些方面进行完善，将多情景模拟纳入产水服务供需风险研究，考虑生态系统服务的流动性，将其量化以便动态识别产水服务在空间上的供需匹配。

5 结论

(1) 在产水服务供需时空变化方面，2000—2020年总产水量呈先增后减的趋势，产水服务供给能力中部高南北低；20 a来水需求量增幅高达58.44%，水需求量高值区集中分布于人口密集的城市建成区和耕地区。

(2) 在产水服务供需指数方面，供需指数趋势以不显著上升和下降为主(94.30%)，总体来看巴基斯坦大部分地区变化趋势较弱，产水服务相对稳定；严重赤字区主要分布于印度河平原与俾路支省西部，高度盈余区集中分布于吉尔吉特—巴尔蒂斯坦与俾路支省东部。

(3) 在产水服务供需风险方面，2020年产水服务供需高风险区面积比例为22.69%，低风险区面积比例为36.13%，无风险区面积比例为41.19%，其中高风险区供需匹配类型以低供给低需求为主(47.56%)，其次为低供给高需求(26.74%)、高供给高需求(25.19%)，高供给低需求(0.50%)。