基于LUCC的生态系统服务供需关系研究

张明珠

(合肥市测绘设计研究院，安徽 合肥 230001)

人类对自然生态环境进行干涉，在改变土地利用方式的同时，不仅改变地表自然景观，同时也促使了生态系统服务功能变化[1]。生态系统服务(Ecosystem Services)是生态学界为了满足这种需求而提出的联系生态系统和人类福祉的一个重要概念，生态系统服务研究旨在为完善对生态系统的管理，确保对生态系统的保护与可持续利用，进而提高人类福祉和推动经济社会可持续发展进程提供科学信息，目前已成为国际上科学研究的热点问题之一。

以此为契机，研究选取杭州市为研究区，以生态系统服务完整性框架、生态系统服务供应与需求为理论基础，以LUCC土地利用与土地覆盖为数据基础，结合专家打分法和改进后的全置换多边形合成指示器(FPPSI)法，计算2000年和2010年生态系统服务供需预算指数，探究研究区范围内生态系统服务供需平衡变化情况。

1 研究背景

生态系统服务(Ecosystem Services，简称ESs)是人类直接或间接地从生态系统中得到的人类生存与发展所不可或缺的自然环境条件与效用[2-3]。1999年Gretchen Daily在其所撰写的《自然服务：社会对自然生态系统的依赖》中首先对生态系统服务的概念进行界定，进而对自然可以提供给人类社会的各种服务以及生态系统服务价值分配所涉及的经济问题进行系统论述。生态系统服务供给是指特定区域在一定时间内提供特定的生态系统商品和服务的能力。

目前，在大多数研究成果中，基本从生态系统所提供的功能服务经济价值角度对生态系统服务供给量进行测算。进而形成三类较为统一的评估方法：直接市场法、替代市场法和模拟市场法[4-5]。由于受评价标准构建的片面性以及评价标准的相关指标数据获取的困难性、指标权重赋值的人为性等诸多因素影响，使得生态系统服务评估工作的可行性、有效性受到一定程度的质疑。

不同类型的生态系统服务对生态系统服务需求的定义也各不相同。对供应服务的需求一般被定义为每单位空间和时间所需或所需的生态系统商品(如淡水、食品和生物质能)的数量[6-7]。关于生态系统服务需求研究大多数是采用通过诸如基于专家知识打分[8]、发放调查问卷[9]、参与利益相关者的讨论[10]等方法，并利用收集到的土地利用数据、实地调查数据、社会经济数据对多种生态系统服务需求量进行量化，进而对一定区域内需求量的时空分布特征等方面进行分析、探究。

Paetzold等[11]注意到生态系统服务功能重要性不仅受其供应的影响，还受人类需求对该服务期望的供应水平的影响。社会将生态系统服务的供应与需求不可分割地联系在一起[12]。

2 研究区概况

主要研究区杭州市位于中国东南沿海、浙江省北部、钱塘江下游、京杭大运河南端，地处东经118°20′～120°37′，北纬29°11′～30°34′。全市总面积为 16 596 km2，地形以丘陵、平原为主，全市丘陵山地占总面积的65.6%，集中分布在西部、中部和南部；平原占26.4%，主要分布在东北部；江、河、湖、水库占8.0%。森林覆盖率达65%，居全国省会城市第一。河网密集，湖泊密布，物产丰富，具有典型的“江南水乡”特征。属亚热带季风区，雨热充沛。

2005年以来，杭州市委市政府先后编制实施了《杭州生态市建设规划》《杭州市生态文明建设规划(2010—2020)》《杭州市环境功能区划》等系列规划，形成了生态市—生态县—生态乡镇—生态村四级生态规划体系。杭州作为浙江的省会城市，全省政治、经济、文化中心，通过实施以西部山区和千岛湖湿地为重点的生态屏障保护工程，以及城区“六条生态带”保护和修复，形成形态完备、功能完善、质量完美的生态格局。目前杭州已拥有2个世界自然文化遗产(西湖和大运河)、2个国家级自然保护区和9个国家森林公园。

3 数据来源与数据处理

本研究所使用的土地利用数据来源于国家地理信息中心提供的全球30 m地表覆盖数据(Global Land 30)，该数据是由测绘局、中科院、农业部、林业局等7个部门的多家单位共同合作完成，为国家863项目“全球地表覆盖遥感制图与关键技术研究”的成果数据[13]。Globeland 30数据产品采用逐层次分类策略，经过像元法分类、对象化过滤、人机交互检验等步骤对包括美国陆地资源卫星(Landsat)TM4-5、ETM+多光谱影像和中国环境减灾卫星(HJ-1)多光谱影像等多源遥感影像进行处理加工而得。最终将全球地表覆盖分为耕地、森林、草地、灌木地、湿地、水体、苔原、城镇建设用地、贫瘠地、冰川和永久积雪共10类。杭州市2000年、2010年土地覆盖情况如图1,图2所示。

图1 杭州市2000年土地利用Fig.1 Land use in Hangzhou in 2000

图2 杭州市2010年土地利用Fig.2 Land use in Hangzhou in 2010

4 生态系统服务供需关系探究方法

近20年来，已有大量关于生态系统服务的理论、概念和经验方法的研究，且在世界各地的研究人员中越来越受到关注和重视。生态系统服务框架(Ecosystem Services Framework，ESF)强调了健康生态系统的长期作用，由供给、调节和文化3个类共17种主要的服务[14]组成。这里选取了碳储量、水资源供给、粮食生产3种供给服务，区域气候调节、空气质量调节两种调节服务，休闲游憩一种文化服务供给6种生态系统服务。

4.1 生态系统服务供需指标定义

确定适当的指标和数据，以量化广泛的生态系统服务几乎是所有生态系统服务评估中要解决的最主要的一个问题。这里提出的一般评估方法是基于专家打分方法得出的每种生态系统服务价值，这些价值是将不同的土地覆盖类型与生态系统服务供应能力和生态系统服务需求联系起来的假设。基于不同欧洲地区不同案例研究经验[14]。通过将0～5值与GIS中适当的空间数据联系起来，可以在类似生物物理环境的空间明确单位中绘制生态系统服务供应与需求的估计值(例如土地覆盖类型与土壤类型、水文与气候条件相结合)。在供应矩阵中：0=无相关供应，1=低相关供应，2=有相关供应，3=中度相关供应，4=高度相关供应，5=极高相关供应。相应的需求矩阵中：0=无相关需求；1=低相关需求；2=有相关需求。3=中度相关需求；4=高度相关需求；5=极高相关需求。具体的生态系统服务供应、需求矩阵指标值设置如图3,图4所示。

图3 基于土地利用类型的生态系统服务供应矩阵Fig.3 Supply matrix of ecosystem services based on land use types

图4 基于土地利用类型的生态系统服务需求矩阵Fig.4 Demand matrix of ecosystem services based on land use types

4.2 生态系统服务供需分析方法

本研究中对吴琼等[15]开发的全置换多边形合成指示器(FPPSI)方法进行了改进。FPPSI法是一种多指标综合评价方法，该方法通过确定与决策相关的上限、下限和临界值，无需专家进行主观性的指标权系数评判，减少了主观随意性。改进后的用于生态系统服务供给需求预算指数计算的FPPSI法(图5)主要分为4个步骤。

图5 改进后的计算单个生态系统服务供需预算指数的FPPSI法概念Fig.5 Improved FPPSI method for calculating single ecosystem service supply and demand budget index

首先，计算供给矩阵和需求矩阵之间的差异，得到供给—需求预算矩阵，得分在-5～5范围。将原始分数除以5，将分数重新调整到-1～1的范围。其次，用n个指标(本研究中的7种LUCC类型)形成规则的n边多边形，其中n个顶点表示阈值0，中心点表示下限值-1，每个角表示相应的土地覆盖类别的面积与该区域的面积之比。还可以创建不规则的n边多边形，其中从每个顶点到多边形中心点的半径大小由n种土地覆盖类别中的每一个的生态系统服务供需之间的差异(范围：-1～1)定义。通过改变n种LUCC类别的顺序，生成(n-1)!/2个n边多边形。单个生态系统服务的供需预算指数定义为任何不规则的n边多边形区域与每个土地覆盖类别使用阈值0定义的正多边形区域的比率的平均值(公式(1))。该指数用不规则的n边多边形的平均面积来衡量该地区的实际供需预算，并将其与正多边形的面积进行比较，这表明生态系统服务供需之间的平衡。

(1)

式中:R为每个生态系统服务的供需预算指数。该指数范围为0～4，其中R>1表示供应充足(即供应超过需求)，R<1表示供应不足(即需求超过供应)，R=1表示供需平衡。

有关该计算公式中的参数解释、ωi的进一步处理方法、供需预算指数最后的归一化等详细步骤可查阅文后参考文献[16]。

5 结果与分析

由于杭州市以丘陵山地为主，平原仅占26.4%，主要分布在东部、北部，城市、郊区是人口密度较高区域，对多种生态系统服务的需求更集中、强烈，也是人类活动最为频繁，对自然地表改造最大的区域。因此，选取杭州市区进行生态系统服务供需平衡分析。得到杭州市区范围2000年、2010年6种生态系统服务供应量和需求量(图6～图9)。

图6 杭州市区2000年各生态系统服务供应量Fig.6 Supply of ecosystem services in Hangzhou in 2000

图7 杭州市区2010年各生态系统服务供应量Fig.7 Supply of ecosystem services in Hangzhou in 2010

图8 杭州市区2000年各生态系统服务需求量Fig.8 Demand of ecosystem services in Hangzhou in 2000

图9 杭州市区2010年各生态系统服务需求量Fig.9 Demand of ecosystem services in Hangzhou in 2010

基于生态系统服务供应矩阵、需求矩阵计算得到该区域2000年、2010年两年生态系统服务供应>需求、供应=需求和供应<需求3种供需关系的面积占比，如表1，表2所示。计算得到区域气候调节、粮食生产和休闲游憩服务供应大于需求的面积超过一半，全区大部分面积内满足需求。碳储量供应大于需求的面积虽然仅占1/3，但供应满足需求的占大部分，主要是由于耕地面积较大。而水资源供给供需关系较紧张，供不应求的面积占2/3，且这种情况并未获得缓解反而加重，主要是由于作为水资源主要供应土地利用类型面积减少的同时对其极为需求的城镇建设用地不断扩展。总体来看，碳储量、水资源供给、区域气候调节、空气质量调节、粮食生产、休闲游憩这6种生态系统服务在2000—2010年10年间的供应满足需求面积均不同程度减少。

表1 2000年杭州市区各生态系统服务供需关系面积占比

表2 2010年杭州市区各生态系统服务供需关系面积占比

计算得到2000年和2010年各生态系统服务的供需预算指数及归一化后指数如表3所示。

从表3可以看出，区域气候调节、粮食生产、休闲游憩服务的供需预算指数均大于1，说明杭州市区范围内这3种服务的供应能够满足需求，但3项的指数均为2010年较2000年变小；相反，碳储量、水资源供给和空气质量调节服务的供需指数均小于1，即这3种服务供不应求，且2010年的值较2000年更小。

表3 杭州市区各生态系统服务供需预算指数计算

如图10所示，浅色的正六边形是供需预算指数的阈值(等于1)，在该正六边形内表示该生态系统服务供不应求，在其上表示供需平衡，在其外面表示供大于求。可以看出，与2010年相比，碳储量、水资源供给的值变化较小，其他4种服务的供需预算指数均明显变小，其中粮食生产的值减少最多。

图10 各生态系统服务供需预算指数Fig.10 Supply and demand budget index of ecosystem services

将碳储量、水资源供给、区域气候调节、空气质量调节、粮食生产、休闲游憩6种生态系统按前文的生态系统服务框架概念归纳为调节服务、供给服务、文化服务与这6种服务组成的综合服务，并结合表3中各单一服务的归一化指数值，计算得到图11。

图11 调节、供应、文化、综合生态系统服务供需预算指数Fig.11 Supply and demand budget index of regulation,supply,culture and integrated ecosystem services

从图11中可以发现，在过去的10年中，供给服务、调节服务、综合生态系统服务不足，文化服务供应能够满足需求。主要是由于城市扩张导致的城镇建设用地面积的快速增加和农业用地的显著减少。

6 结论与讨论

通过建立一种基于土地覆盖类型的供、需矩阵，对生态系统服务供应和需求进行量化，其值域均为[0,1,2,3,4,5]，分别表示不同土地利用类型对不同生态系统服务的供应能力和需求强烈程度。以人口密度较高、人类活动最为频繁、对自然地表改造最大、对多种生态系统服务的需求更集中、强烈的杭州市区为研究区，运用改进的吴琼全置换多边形合成指示器(FPPSI)方法分别计算2000年和2010年各生态系统服务的供需预算指数，探究杭州市区2000—2010年10年间生态系统服务供需关系变化。结果表明，碳储量、水资源供给、区域气候调节、空气质量调节、粮食生产和休闲游憩这6种生态系统服务在过去10年中供给满足需求的面积均变小，由于城市扩张导致的城镇建设用地面积的快速增加和农业用地的显著减少，供给服务、调节服务、综合生态系统服务不足，文化服务供应能够满足需求。为生态文明建设、区域土地利用规划，政府决策提供理论支持。

由于当前对于碳储量、水资源供给、区域气候调节等多种生态系统服务的估算模型、方法对数据要求较高，有的数据暂时很难准确获得，特别是对生态系统服务需求量的估算更难，关于供应量与需求量如何统一到同一度量体系中的方法研究也比较少。因此，采用基于专家评分的方法划分供需矩阵进行度量，专家评估值可以连续地被来自遥感，土地调查，模拟模型和统计数据并综合运用计算机的建模等具体方法所取代。