太湖流域1995—2018年生态系统服务供需关系研究

2022-09-28梁彩萍徐昔保李景宜

生态与农村环境学报 2022年9期

梁彩萍，徐昔保，李景宜

(1.宝鸡文理学院地理与环境学院，陕西宝鸡 721013;2.中国科学院南京地理与湖泊研究所/ 中国科学院流域地理学重点实验室，江苏南京 210008)

生态系统服务是人类直接或间接从生态系统中获得的与人类福祉密切相关的各种产品和惠益，是人类生存与发展的基础[1]。生态系统服务的持续供给是社会和自然可持续发展的基础。科学认识生态系统服务创造、提供和使用的整个过程，厘清区域生态系统服务的供需平衡，对实现区域可持续发展和改善人类福祉具有重要意义[2]。生态系统服务供需研究对生态安全格局构建、区域经济可持续发展起着重要支撑作用，可为确定区域平衡、生态权衡、生态管理、生态补偿、国土空间规划和生态学提供科学依据[3]。

国外对生态系统服务供需的研究主要集中在调节、供给和文化服务。其中，供给服务研究主要包括食物、能源和水的供需[4]，这在美国和欧洲比较健全，如BURKHARD等[5]在越南和菲律宾水稻种植区利用专家打分法构建生态系统服务供需矩阵表，得到了不同土地利用类型对应的生态系统供需值，并提出未来生态系统服务研究的改进建议。KROLL等[6]基于土地利用数据分析德国东部城乡地区生物能源供需，发现生态系统服务供需变化主要受到农业集约化等土地利用集约度影响。SERNA-CHAVEZ等[7]以美国东部地区16 955个森林地块为研究区，对比了气候调节服务与非生物和生物因子之间的统计关系，阐明了与气候调节服务空间格局有关的非生物和生物因素，有助于理解气候缓解潜力及其在生态系统内和整个生态系统内的变化。STÜRCK等[8]基于欧洲尺度提出一种低数据要求、适用于多尺度情景分析的水文模型STREAM，并将其用于计算研究区洪水调节服务供给能力，可以通过保护和土地利用规划确定生态系统服务防洪供应的有限投资领域。

国内生态系统服务供需研究处于起步阶段[9]，主要开展了理论探讨和和案例研究，如张立伟等[10]将供需视为生态系统服务研究的重要组成部分；刘立程等[11]以兰州市为例，分析研究区产水、粮食供应、固碳和水土保持4大服务的供需匹配情况。现有研究主要描述了生态系统服务供给对人类福祉的影响[12]，大多数研究忽略了生态系统服务需求的具体空间位置，没有综合考虑生态系统服务供需的空间不均匀性和空间转移现象[13]。此外，现有研究主要是静态研究，侧重于特定时期供需之间的空间和数量关系，较少涉及时空动态研究[14]。总的来说，现有生态系统服务供需研究大多还处于概念性和初步研究阶段，对服务流的具体路径进行清晰描述的研究相对较少[15]。

太湖流域丰富的水资源是区域社会经济发展的必要条件，随着人口增长、城市扩张和工业化进程加快，与湖泊相关的水环境问题日益严重，主要表现为水污染加剧和水质下降[16]，富营养化状况呈加重趋势，湖泊面积不断减少，如何协调太湖流域经济发展与环境保护的关系、缓解上下游利益相关者之间的矛盾已成为区域可持续发展的关键[17]。生态系统服务是衔接自然环境与人类需求的重要纽带，通过研究太湖流域生态系统服务供需关系，明确其驱动机制，有助于制定太湖流域发展与生态保护“双赢”的政策措施[18]。刘洋等[19]采用生态模型和地统计方法，探讨了太湖流域生态系统服务关系之间多维度的复杂关系及驱动机制；XU等[20]采用APSIM模型评估了1986—2015年太湖流域稻麦轮作耕地4种关键生态系统服务时空变化格局，提出基于水质改善和粮食稳产前提下优化调控路径；孙小祥等[21]分析了太湖流域1985—2010年耕地动态变化及其对供给服务和调节服务的影响。现有研究主要集中在生态系统服务评估与权衡关系上，对太湖流域生态系统服务供需研究涉及较少，未来需重点拓展生态系统服务供需机制、优化路径、影响机制及调控对策研究[22]。鉴于此，采用格网方法将太湖流域划分成1 613个基本单元，采用基于土地利用类型的生态系统服务供需评价矩阵评估 1995—2018年流域生态系统服务供需盈亏动态变化，以期为流域一体化生态保护、绿色高质量发展、国土空间规划等顶层政策设计提供科学依据。

1 研究区概况

太湖流域地处中国东部长三角区域(30°28′～32°15′ N、119°11′～121°51′ E)，是中国经济最发达的地区之一。太湖流域面积为3.69万km2，行政区划包括江苏省南部、浙江省嘉兴市和湖州市、杭州市部分地区以及上海市大部分地区，其中，江苏省面积占53%，浙江省面积占33.4%，上海市面积占13.5%，安徽省面积占0.1%[23]。太湖流域平均高程为34.4 m，高程范围为-4～1 574 m，地势呈西高东低。太湖流域以平原为主，平原面积占4/6，水面面积占1/6，丘陵和山地面积占1/6。流域地处中纬度地区，属于亚热带季风气候区，年平均气温为15.6 ℃，自南向北递减，年降水量为1 010～1 400 mm，60%的降水集中在5—9月。

2 材料与方法

2.1 研究方法

2.1.1生态系统服务供需评价矩阵

BURKHARD等[24]提出的生态系统服务供需评价矩阵，是将土地利用变化(LUCC)与生态系统服务供给、需求联系的示范性矩阵。该方法解决了由于生态系统服务供求数据的复杂性和不可访问性而难以标准化尺寸的问题，并在生态系统服务供给与人类需求之间架起了“桥梁”，已被广泛用于生态系统服务供需关系研究。参考生态系统服务供需评价矩阵[25]，结合太湖流域生态本底特征及生态系统服务供需状况，从供给服务、调节服务和文化服务3个方面遴选了23类生态系统服务，将13种土地覆盖类型与23种生态系统服务类型相联系，构建太湖流域生态系统服务供给、需求评价矩阵。矩阵中每个条目的得分为特定土地利用类型对应的生态系统服务供给和需求数值。将不同土地利用类型矩阵分值设定为0～5分，用来表征生态系统服务供给和需求的相关能力[26]：0表示无相关能力,1表示低相关能力,2表示一般相关能力,3表示中等相关能力,4表示高相关能力,5表示非常高相关。得分根据以下3个步骤的评估程序确定：(1)应用原始矩阵为每个条目分配1个分值；(2)邀请熟悉研究区生态环境的专家，根据专家意见调整每个生态系统服务的原始评分；(3)经过3轮专家小组讨论得到最终得分矩阵(表1)。

表1 生态系统服务供需评价矩阵

2.1.2生态系统服务供需计算

参考兀伟等[27]基于地理格网的空间数据转换的研究，综合考虑不同比例尺的地理格网效应、研究区范围和数据特征等因素，采用5 km×5 km格网为基本评价单元，对太湖流域生态系统服务供需关系进行估算分析。生态系统服务提供涉及供给和需求2个关键环节，其计算公式分别为

(1)

ESD=ES-ED。

(2)

式(1)～(2)中，ES和ED分别为生态系统服务供给和需求；Ek为k土地利用类型的生态系统服务供给能力或需求强度值；Mk为网格中k土地利用类型面积，km2；l为网格中土地利用类型数量，个；Mi为网格面积，km2；ESD为生态系统服务供需匹配值。

采用ArcGIS 10.4软件对每个格网建立各自ID值，采用Intersect工具处理土地利用其他栅格数据，为每个格网分配对应的土地利用类型，再计算生态系统服务供需值。将生态系统服务供需匹配结果采用等间距法分为高度失配、轻度失配、一般匹配、良好匹配和优质匹配等级区5类。

2.1.3局部空间自相关分析

局部空间自相关表示一个空间单元与其领域之间的相似程度，可以用来说明各局部单元服从全局总体趋势(包括方向和量级)和空间异质性的拟合程度。采用局部Moran′sI空间自相关分析太湖流域生态系统服务供需集聚特征、供需平衡与空间匹配关系。采用ArcGIS 10.4软件聚类和异常值计算太湖流域生态系统服务供需匹配值(ESD)，得到其空间关联模式。匹配类型分为以下3类：(1)高高关联表示生态系统服务供需盈余区(属性值高于平均值的空间单元被属性值高于平均值的区域包围)，属于正的空间关联；(2)低低关联表示供需赤字区，属于正的空间关联；(3)高低关联和低高关联表示供需不显著区，属于负的空间关联。

2.2 数据来源

研究数据主要包括1995、2005、2015和2018年土地利用数据(http:∥maps.elie.ucl.ac.be/CCI/viewer/)，将土地利用类型细分为旱地、水浇地、耕地、草地、园地、内陆滩涂、灌木林地、疏林地、有林地、其他林地、水域、城镇用地和裸岩地。生态系统服务供需数据采用生态系统服务矩阵法[25]获取。

3 结果与分析

3.1 生态系统服务供需匹配变化

太湖流域生态系统匹配值由1995年的4.76减少到2018年的-8.77，生态系统服务呈现供不应求的趋势。如表2所示，对比1995和2018年各匹配等级面积发现，生态系统服务匹配等级不变区域面积占比为56.1%，下降1级的区域面积占比为38.3%，下降2级的区域面积占比为5.4%，下降3级的区域面积占比为0.2%，没有等级上升区域。20 a来太湖流域生态系统服务一般匹配等级区占主导地位，即使其在2018年占比有所下降，但其面积占比也达到44.2%。1995—2005年，一般匹配等级区面积增加1.9个百分点，至2018年降低29.3个百分点，2005—2018年一般匹配等级区面积减少是受耕地等农用地转为建设用地所致。20 a来供需高度失配等级区和轻度失配等级区面积占比均呈增长趋势，其中，高度失配等级区面积占比由1.9%增长到9.7%；轻度失配等级区面积占比由3.2%增长到29.5%，增幅近9倍。

如图1所示，从时空变化格局看，20 a间太湖流域生态系统服务供需高度失配等级区主要集中分布于上海、无锡、常州和杭州等大城市城区，并呈现以大城市为中心、向四周扩散趋势。

表2 太湖流域生态系统服务供需匹配等级面积比例

图1 1995—2018年太湖流域生态系统服务供需匹配等级

轻度失配等级区集中分布于高度失配等级区和中小城市建设区周围。优质匹配和良好匹配等级区面积总体上均呈小幅下降趋势，良好匹配等级区面积变化甚微，优质匹配等级区面积减少2.9个百分比。优质匹配和良好匹配等级区在空间上集中在对维持生态平衡和持续发展有重大意义的林地、草地和水域等非建设用地，是太湖流域生态系统服务供给的核心区域，也是太湖流域生态保护重点区域。

如表3所示，1995—2005和2005—2018年太湖流域生态系统服务供需匹配等级以不变为主。1995—2005年优质匹配等级稳定概率最低；2005—2018年轻度失配等级稳定概率最低，为20.0%，空间上主要分布在太湖流域发达城市和中小城市四周，表明生态系统服务供需平衡的最大影响驱动因素是城市化快速发展。1995—2005年匹配等级下降面积是上升面积的21.1倍，2005—2018年匹配等级下降面积是上升面积的23.9倍，2个不同时段均呈现匹配等级下降面积远大于上升面积的趋势，表明1995—2018年太湖流域生态系统服务供需不匹配程度呈加剧趋势。

表3 太湖流域生态系统服务供需匹配等级转移矩阵

3.2 生态系统服务供需集聚变化

如图2～3所示，各年份局部自相关指数均为正值，表明太湖流域生态系统服务供需空间存在显著聚集性现象。1995、2005、2015和2018年太湖流域生态系统服务供需盈余区面积占流域总面积比例分别为15.6%、14.0%、14.7%和14.9%，下降幅度很小；4个时段赤字区面积占比分别为3.8%、4.8%、10.8%和12.0%，20 a间增长2.15倍。

空间上赤字区主要集中在太湖流域东北部地区和城市周围，总体上呈从城市中心向四周扩散趋势，这主要是受研究区城市化进程加速以及社会经济和人口发展对建设用地需求增加的影响，实质上是生态系统服务需求逐渐增加，而供给能力不断减弱；盈余区整体变化趋势不明显，主要分布在太湖流域南部林地、太湖湖体及其周围地域，该区域是太湖流域生态保护核心区，对流域生态系统稳定性、完整性及可持续发展具有十分重要作用。

4 讨论

从时空角度对太湖流域各项生态系统服务供需状况进行分析，1995—2015年太湖流域生态系统服务处于供不应求的状态，这与欧维新等[25]基于土地利用类型对长三角生态系统服务供需的研究结果一致。该研究结果表明，城市化对研究区多种生态系统服务供给和需求均产生显著影响。生态系统服务供需矩阵方法可简便、有效表征由土地利用变化驱动的快速城市化地区多种生态系统服务供给和需求的动态变化，研究结果表明太湖流域生态系统服务供需匹配随着城市化进程呈下降趋势，这与基于InVEST模型评估的生态系统服务供需研究结果[28]相一致。针对生态系统服务需求评价矩阵评分的可变性(即不同专家给出的分数的差异)、矩阵中经济规模和人口规模的影响、土地利用与生态系统服务的稀缺性及其影响机制需在未来研究中进一步修正和拓展。

刘春芳等[29]对古浪县生态系统服务供需匹配进行研究，发现其分布特征具有南、中、北空间差异性，且呈现集中连片态势，说明供需值受城市化发展和人口密度分布的影响。仇宽彪等[30]研究揭示人口规模增长、城市建设用地扩张等社会经济因素是影响太湖流域土地利用变化的主要原因。采用SPSS 22.0软件对太湖流域各年GDP、人口规模、土地利用规模(建设用地面积占比)和生态系统服务供需值等数据进行相关性分析，表明GDP和人口规模与土地利用规模均呈显著正相关，相关系数分别为0.762和0.640；人口规模、GDP和土地利用规模与生态系统服务供需值均呈显著负相关，相关系数分别为0.745、0.709和0.682。土地利用矩阵模型在一定程度上揭示了太湖流域生态系统供需格局变化趋势，未来研究中需要综合人口、经济规模等数据以准确反映生态系统服务供需变化。

图2 1995—2018年太湖流域生态系统服务供需集聚分布

图3 太湖流域生态系统服务供需各类集聚区占比

针对格网大小的选择，不同研究往往会综合权衡研究区位、数据精度、比例尺要求和实验精度等因素，因地制宜选择不同大小的格网。如薛亮等[31]采用1 km格网分析关中地区生态系统安全状况，兀伟等[27]基于位置服务的地理格网探讨地理信息数据格网化转换，相关研究也表明格网大小存在较明显的空间尺度效应。因此，未来研究需进一步在长时间尺度上综合考虑经济、人口规模等指标，加强对生态系统服务供需矩阵的区域化修正，以便高精度模拟与评估生态系统服务供需的时空演化特征，为区域国土空间规划与生态保护提供科学依据。