长三角一体化示范区生态系统服务供需格局演变及区域调控探讨
2023-11-29邵一平杨梦杰文婉若
彭 曼,邵一平,裴 蓓,杨梦杰,李 根,文婉若,杨 凯,3
(1.华东师范大学 生态与环境科学学院 上海市城市化生态过程和生态恢复重点实验室,上海 200241;2.上海市环境科学研究院,上海 200233;3.上海污染控制与生态安全研究院,上海 200092)
0 引 言
生态系统服务供需是阐明人与自然相互作用的关键指标,生态系统服务供需状况可以直接反映区域可持续发展的可持续性[1].但是,随着城镇的快速发展,人类活动对生态系统的干扰日益剧烈[2-5],极端灾害频发,约60%的自然资源逐渐退化甚至枯竭[6],与可持续发展理念背道而驰.因此亟需对生态系统供需状况作深入评估,识别供需失衡状况,从而保障区域生态安全.
国内外学者对生态系统服务供需开展了涉及研究框架、研究方法及研究尺度等多方面内容的探究[7-8].早期研究者多关注自然资源供给,主要是对区域生态系统服务供给进行测度分析[9-11].近年来逐渐从供给扩展到供需耦合视角分析生态系统服务供需空间关联特征[12-13],且由于生态系统服务供需可以反映区域自然禀赋与需求,其时空变化也逐渐成为政府部门生态区划的准则,划分不同生态功能区进行分区管控,减轻生态压力.其中,模型模拟、生态价值当量法、专家评估矩阵法和社会调查法是现有生态系统服务供需量化中相对成熟的量化手段[12],评估生态系统服务供需匹配程度多利用供需比、供需趋势等指标分析法[1],生态分区多采用GeoDA 空间分析工具、K-means 聚类技术[14-15].总体而言,生态系统服务供需研究已取得了较为长足的发展[16],但现有研究多基于供需空间集聚特征划定生态管控区,较少基于供需关系制定分区政策;多关注单项生态系统服务供需失衡情况,对综合生态系统服务供需失衡状况研究较少.此外,现有研究大多侧重国家、省域、城市群尺度的评估[17-18],而对局部小行政单元生态系统服务供需失衡问题关注较少,尺度效应会严重影响生态管理区的划定,精细化尺度的探索可提高政策制定的准确性,故空间分异带来的生态风险应高度关注.
长三角生态绿色一体化示范区(示范区)是实施长三角一体化发展战略的样板间,对长江经济带发展起着引领和示范作用[19].作为江南水乡的核心区域,示范区在自然禀赋与生态服务功能方面还与“世界级滨水人居文明典范”的发展愿景存在一定差距[20].一是示范区集中建设区开发强度大,产业结构和布局与整体生态功能存在一定矛盾;二是随着城镇化进程的加快,生态用地比例不断减少,耕地保护压力变大;三是河湖空间灭失较为突出,森林覆盖率较低,水资源保护与水土保持的难度加大.同时,关于示范区生态系统服务供需探究较少,缺乏较为明确的时空变化特征来支撑生态服务功能的提升.鉴于此,本研究针对示范区范围,进行碳固持服务、水源涵养服务和水土保持服务供需时空特征进行分析,探索该地区生态系统服务供需匹配状况的动态变化,并基于SOM+K-means 聚类技术识别生态系统服务簇,确定供需失衡区.通过长时间跨度的供需空间关系研究,为示范区空间生态功能确定、生态保护方向和生态补偿机制的设定提供科学、准确的依据,还可以为长三角区域生态治理工作提供有益参考[21-22].
1 研究区域与方法
1.1 研究区域概况
长三角生态绿色一体化示范区(30°54′40″ N~ 31°09′23″ N,120°39′55″ E~ 121°05′44″ E)涵盖了上海市青浦区、江苏省苏州市吴江区、浙江省嘉兴市嘉善县(图1),区域总面积约2 413 km2(含水域面积350 km2)[19].该区域是典型的平原河网区,地属亚热带季风气候,四季分明,雨热同期.示范区作为跨界区域,规划在落实一体化区域格局的基础上,结合示范区生态本底条件、城镇布局模式和功能布局,“三组团”被细化为“五片区”,形成了青浦城区、吴江城区、嘉善城区、盛泽镇区、先行启动区五片城镇簇群,簇群内部城镇功能互补、服务共享[23].
图1 研究区位置Fig.1 Location of the study area
1.2 研究方法
《长三角生态绿色一体化发展示范区国土空间规划》明确要将示范区打造成“世界级滨水人居文明典范”,至2035 年,先行启动区蓝绿空间占比不低于75%,人均公园绿地不低于15 m2,河湖水面率达22%左右,倡导绿色人居、低碳生活的发展新模式.因此,碳固持服务、水源涵养服务和水土保持服务成为示范区探索高质量发展模式的重要领域,亟需从一个较全面的角度分析各项生态系统服务供需现状,评估社会经济活动对环境造成的压力,对其影响因素进行分析,明确各地区资源供给及需求上的差异,以提出能够优化资源配置和加强生态环境综合治理的方案.
1.2.1 生态系统服务供需核算
(1)碳固持服务
碳固持服务(carbon fixation,cf)通过植被和土壤等固定大气中的CO2,对因城市发展产生的碳排放具有缓解作用[24].本研究碳固持供给以植被净初级生产力(net primary productivity,NPP,记为N)表示.NPP 的估算利用朱文泉等[25]改进的carnegie-ames-stanford-approach(CASA)模型实现.公式如下:
(2)水源涵养服务
水源涵养服务(water conservation,wc)可以有效减缓因降水带来的径流污染、城市内涝等水文灾害[26].本研究采用水量平衡方程来表征水源涵养服务供给量[27].公式如下:
本文以研究区人均水资源量与人口密度的乘积作为水源涵养的需求量.公式如下:
(3)水土保持服务
水土保持服务(soil conservation,sc)可以反映生态系统防止土壤侵蚀、储留泥沙的能力,能很好地遏制水污染改善水环境[28].本研究水土保持服务的供给量为潜在侵蚀量和实际侵蚀量之差[28],以实际的土壤侵蚀量作为土壤保持服务的需求量.公式如下:
1.2.2 生态系统服务供需匹配分析
生态系统服务供给需求保持平衡是实现区域可持续发展的先决条件[29].供需比可以衡量区域生态系统服务供需相对匹配状况[30],公式如下:
式(13)中:M是供需比;Di是生态系统服务需求;Si是生态系统服务供给.
1.2.3 生态系统服务聚类分析
为了综合分析碳固持服务、水源涵养服务和水土保持服务供需匹配情况,本文选用SOM(selforganizing map)+K-means 二阶聚类法,识别生态系统服务簇,划定不同供需失衡区.SOM+Kmeans 正是集结了SOM 和K-means 两种算法的优点[31],先进行SOM 算法,再执行K-means 算法,既保证了SOM 算法的自组织性,又结合了K-means 聚类收敛速度快的特性,弥补了SOM 收敛时间过长及K-means 易受初始值影响的缺点.
1.3 数据来源
研究数据包括2000—2020 年气象、归一化植被指数、土地利用、土壤、数字高程、社会经济等数据,具体数据来源见表1.
表1 数据来源Tab.1 Data sources
(1)气象数据: 区域及周边气象站点的逐月太阳辐射、降水量、温度、蒸散发及日照时数数据,其中太阳辐射数据是利用日照时数计算得到.
(2)归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)数据,空间分辨率1 km.
(3)2000、2010、2020 年三期土地利用数据,空间分辨率1 km.
(4)沙含量、淤泥含量、粘土含量、有机碳含量等土壤属性数据.
(5)数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据,空间分辨率30 m.
(6)社会经济数据: 人均能源总量、人均水资源总量、人口密度数据.以上数据在Arcgis 中进行投影变换、裁剪、重采样等一系列数据预处理后,统一转化为1 km 分辨率.
2 结果
2.1 示范区生态系统服务供应时空演变
图2 为示范区2000—2020 年碳固持服务、水源涵养服务和水土保持服务供给时空变化结果.碳固持能力由2000 年1 153.23 g·m—2·a—1下降到2020 年的714.62 g·m—2·a—1,降幅达38.0%.其中,2000—2010 年和2010—2020 年碳固持量降幅分别为24.8%、17.6%,下降速度放缓.各城镇簇群碳固持能力有显著差异,供给量较高的区域集中在植被茂密的盛泽镇区城镇簇群和嘉善城区城镇簇群.此外,年平均碳固持供给最高的是盛泽镇,最低的是西塘镇.
图2 2000—2020 年示范区生态系统服务供给量空间格局Fig.2 Spatial pattern of ecosystem services supply in the demonstration zone from 2000 to 2020
2000—2020 年示范区各生态系统服务供给均值详见表2.由表2 可知,水源涵养供给在波动中增加,年平均供给量由2000 年179.02 mm·a—1增加到2020 年的281.51 mm·a—1,增幅达57.3%.期间水源涵养低值区先扩张后收缩,嘉善城区城镇簇群尤为明显,并且水源涵养供给波动剧烈的惠民街道、罗星街道也属于嘉善城区城镇簇群,这可能与该区域水域及耕地系统受建设用地侵占有关[32].红旗塘—大蒸港—园泄泾流经天凝镇、千窑镇、练塘镇,使得该区域成为水源涵养的高值区.徐泾镇地处虹桥商务区的核心,开发强度高,水源涵养能力差.
表2 2000—2020 年示范区各生态系统服务供给均值Tab.2 Average supply of ecosystem services in the demonstration zone from 2000 to 2020
水土保持服务的单位面积供给量呈显著上升趋势,从2000 年的10.90 t·hm—2增加到2020 年的31.03 t·hm—2,增幅184.7%,表明水环境得到了显著改善.不同区域土壤保持增幅差异较大,姚庄镇居首,香花桥街道、徐泾镇次之,练塘镇最低.
总体来看,示范区2000—2020 年除碳固持服务外,其他生态系统服务供给均有大幅增加,尤其是2010 年后,该区域碳固持服务下降速度大幅缓解,水源涵养和水土保持服务供给几乎倍增;在空间分布上,碳固持服务、水源涵养服务和水土保持服务供给有明显的空间异质性,分别呈“东高西低”“南高北低”“四周高中间低”的空间分布格局.
2.2 示范区生态系统服务需求时空演变
图3 为示范区2000—2020 年碳固持服务、水源涵养服务和水土保持服务需求时空变化结果.由图3 可知,示范区的年平均碳固持需求量呈显著上升趋势,从2000 年的686.45 g·m—2·a—1增加到2020 年的3 800.41 g·m—2·a—1,增加了4.5 倍.其中姚庄镇、重固镇是碳固持需求量增幅最高的区域,增幅分别为656.0%、652.9%.此外,碳排放高值区集中在青浦城区城镇簇群(8 561.66 g·m—2·a—1),高于嘉善城区城镇簇群(4 450.42 g·m—2·a—1)、盛泽镇区城镇簇群(3 439.63 g·m—2·a—1)、吴江城区城镇簇群(3 232.06 g·m—2·a—1)及先行启动区(2 437.67 g·m—2·a—1).该城镇簇群碳固持需求较高主要是因为区域人口密度较大,开发建设程度高.2020 年青浦城区城镇簇群、嘉善城区城镇簇群、盛泽镇区城镇簇群、吴江城区城镇簇群及先行启动区人口密度分别为3 471.34、1 848.95、1 431.88、1 348.28、1 061.18 人/km2,建设用地占比分别为51%、32%、30%、27%、15%.先行启动区和边界位于开发强度较弱的青西地区,碳排放也较低.
图3 2000—2020 年示范区生态系统服务需求量空间格局Fig.3 Spatial pattern of ecosystem services demand in the demonstration zone from 2000 to 2020
2000、2010 与2020 年示范区的水源涵养需求量分别为2 116.63、2 904.37、3 173.89 mm·a—1(表3),总体呈上升趋势.其中,盈浦街道、徐泾镇是水源涵养需求量最高的区域,并且青浦城区城镇簇群水源涵养需求增幅也最大,这和其地理位置有很大关系.同碳固持需求空间分布相似,水源涵养高需求区域也主要分布于城镇扩张速度较快、城市蔓延风险较高的乡镇.
表3 2000—2020 年示范区各生态系统服务需求均值Tab.3 Average demand of ecosystem services in the demonstration zone from 2000 to 2020
水土保持服务需求量从2000 年的24.57 t·hm—2增加到2020 年的66.57 t·hm—2,增加了1.7 倍,其中,年平均土壤保持需求量最高的区域是华新镇,最低的是七都镇.此外2000—2010 年不同区域的水土保持需求量增幅不到4.0%,而2010—2020 年的土壤保持需求量大幅增加,高值区向东北扩张,先行启动区最为明显.
总体来看,碳固持服务、水源涵养服务和水土保持服务需求均有不同程度的增加,时间上,碳固持服务需求持续上升,水源涵养需求增加但增幅降低,水土保持服务需求增幅明显加大.碳固持服务和水源涵养需求量空间分布差异较明显,呈现“东高西低”的空间分布格局,水土保持需求量低值区集中在先行启动区.
2.3 示范区供需匹配空间特征
根据以上分析可知,示范区各项生态系统服务供需匹配空间差异明显.为进一步了解示范区各街道生态系统服务供需失衡状况,进行分区管理,对碳固持服务、水源涵养服务和水土保持服务供需比进行叠加分析.量化误差(quadratuer error,QE)、拓扑模式误差(topographical model,TE)和戴维森堡丁指数(Davies-Bouldin,DBI)值如表4 所示,示范区2000、2010、2020 年聚类数分别为6、4、4.聚类等级越高,示范区生态系统服务供需失衡越严重.
表4 SOM+K-means 聚类各指数值Tab.4 Index values of SOM+K-means
表5 是各聚类等级生态系统服务供需比均值,表明了各区域生态系统供需失衡程度.供需比均值大于1 表示供给小于需求的情况,小于1 表示供给大于需求的情况.2000 年,6 个聚类等级的碳固持服务供需失衡严重程度具有以下大小顺序: Ⅳ>Ⅲ>Ⅴ>Ⅵ>Ⅰ>Ⅱ.水源涵养供需失衡严重程度,等级为Ⅳ>Ⅴ>Ⅲ>Ⅵ>Ⅰ>Ⅱ.水土保持服务供需失衡严重程度,等级为Ⅵ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅴ>Ⅰ.碳固持服务和水源涵养供需失衡较严重区域主要分布在东部青浦城区城镇簇群,水土保持服务供需失衡严重区域分布在嘉善城区城镇簇群南部的惠民街道.聚类Ⅰ至Ⅵ类综合供需失衡程度递增.2000 年Ⅰ类至Ⅵ类占比分别为50.1%、27.0%、6.1%、8.1%、6.0%、2.7%.聚类Ⅰ代表了供需失衡最小的状况,占比最大,主要分布在西北部(图4).
表5 不同聚类等级下示范区各生态系统服务供需比均值Tab.5 Mean value of supply-demand ratio of each cluster level in the demonstration zone
图4 示范区生态系统服务供需失衡区分布图Fig.4 Spatial distribution of ecosystem service supply and demand imbalance in the demonstration zone
2010 年,4 个聚类等级的碳固持服务供需失衡严重程度具有以下大小顺序: Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅳ.水源涵养供需失衡严重程度,等级为Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅳ.水土保持服务供需失衡严重程度,等级为Ⅳ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ.碳固持服务和水源涵养服务供需失衡较严重区域主要分布在青浦城区城镇簇群,水土保持服务供需失衡严重区分布在嘉善城镇簇群北部和盛泽镇区城镇簇群南部的桃源镇.2010 年Ⅰ类至Ⅳ类综合供需失衡程度递增,占比分别为32.2%、12.7%、42.8%、12.3%.聚类Ⅲ和Ⅳ主要分布在西部和南部,表示该区域综合供需失衡较严重,两类占比达55.1%.2000—2010 年,高失衡区扩张,低失衡区收缩且向中部迁移(图4).
2020 年,4 个聚类等级的碳固持服务供需失衡严重程度具有以下大小顺序: Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅳ.水源涵养供需失衡严重程度,等级为Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅳ.水土保持服务供需失衡严重程度,等级为Ⅰ>Ⅳ>Ⅱ=Ⅲ.碳固持服务和水源涵养服务供需失衡严重区集中分布在青浦城区城镇簇群,水土保持服务供需失衡严重区主要分布在示范区中部.2020 年供需综合失衡Ⅰ类至Ⅳ类占比分别为38.0%、28.4%、8.7%、24.8%.如图4 所示,青浦城区城镇簇群属于聚类Ⅲ,综合供需失衡仍较为严重.生态系统服务供需失衡低值区分布在西北部,东部继续成为高失衡区.
综合三阶段生态系统服务供需失衡空间分布来说,区域空间异质性强,上游吴江地区供需失衡较轻,中游嘉善地区供需失衡逐渐加重,下游青浦区长期处于供需失衡严重区.就生态系统服务类型而言,水源涵养供需失衡最严重,成为制约该区域生态安全最关键的因素.其次是碳固持服务,供需之间的差异愈发严重.水土保持服务供需差异变化较小.总体而言,该区域生态系统服务整体呈现为供不应求的失衡状态,生态赤字缺口逐渐加大,供需赤字区范围明显增加,其中东部地区生态系统服务供需状况进一步恶化风险较大.
3 讨 论
3.1 乡镇尺度上长三角一体化示范区生态系统供需趋势
本研究从乡镇尺度分析了示范区多种生态系统服务供需格局,并基于供需关系划定了供需失衡区,为示范区生态管理工作提供了有力补充.示范区2000—2020 年水源涵养服务和水土保持服务供需量不断增长,这与Yu 等[18]在长江三角洲对生态系统服务供需研究的结果一致.
水源涵养服务和水土保持服务供需量不仅受示范区气候因素影响,还包括人类社会经济活动对生态系统的干扰.2000—2020 年示范区年平均降水量由1 039.97 mm 增加到1 550.70 mm,年平均气温由 16.83℃上升到17.87℃.降水是水源涵养服务重要的影响因子,它不仅直接表征雨量的变化,还可以通过不同土地利用方式,造成径流量和水资源涵养量的变化.2010 年后,水源涵养服务供应量的增加主要由于区域水生态环境保护力度的加大,尤其是海绵城市的建设,重视林木、湿地等生态服务空间的保护和建设,导致区域内地表入渗条件变好,在降雨量增加的同时,水源涵养能力增加.对于水土保持服务来说,降水则是通过影响土壤侵蚀因子进而影响土壤保持量,2010 年后,随着水土监管工作及太湖水环境治理取得重大成效,改善了水环境,提升了水品质[33-34],大幅度提升了该区域土壤保持量.与此同时,生态系统服务需求的增加则更为迅速,近二十年,示范区人口增加了59.2%,2020 年示范区人类活动强度指数达77.6%,人均GDP 11.1 万元,为全国人均GDP 的1.6 倍,区域各生态系统服务需求量显著上升,生态环境压力依然较大.
研究期间碳固持服务供给量呈持续下降趋势,供需缺口趋于严重,尤以青浦城区城镇簇群供需失衡最为明显,这一结果与Qiao 等[35]关于太湖流域碳固持服务的发现一致.青浦城区城镇簇群碳固持供需失衡程度的增加,一方面是由于示范区植被覆盖率下降[36],固碳能力下降;另一方面是因为青东地区作为虹桥国际枢纽的重要组成部分,土地利用方式及人口密度发生了重大转变.青浦城区城镇簇群2020 年较2000 年耕地减少了32.3%,建设用地增加了31.6%,人口密度增加了88.7%,且其多发展商务贸易、旅游休闲等服务业,受人类社会经济活动的影响较大.这一结果也间接表明了建设用地、人口是城市碳排放的重要驱动力,因此,未来要把土地利用结构纳入城市低碳减排策略中,提高林地比率,增加生态系统的碳汇服务.
研究期间虽碳固持服务、水源涵养服务和水土保持服务供需不均衡,但2010—2020 年供需比增加速度远低于2000—2010 年的供需比速度,说明供需状况在不断改善.示范区在生态保护方面投入力度较大,但目前规模还较小,此研究结果也从侧面反映了我国从快速城镇化到新型城镇化发展模式的转变.
3.2 生态系统服务供需视角下长三角一体化示范区建设探讨
长三角一体化示范区生态绿色高质量发展需要打破行政壁垒,实现跨界区域环境共治,而目前示范区内生态系统服务供需间仍不匹配,面临较高的生态安全风险,导致利益相关方之间存在矛盾与冲突.《长三角生态绿色一体化发展示范区总体方案》强调,示范区内实行统一的生态环境标准、环境监测体系及环境监管执法,而如何协调跨界生态系统服务供需平衡成为示范区建设中亟需解决的问题.
本文研究结果显示,各服务簇中水源涵养服务是供需失衡最严重的服务类型,该项服务对整个示范区生态安全产生影响,故将水源涵养服务作为该区域优先修复及保护类型.水源涵养功能也是长三角一体化示范区重要的生态系统服务功能,太浦河作为示范区内重要的骨干河道,承担了示范区内泄洪、排涝和供水等水资源配置的功能.
在示范区建设过程中,需要从流域生态系统管理的角度考虑,基于供需失衡等级优化资源配置,通过构建上下游多利益相关方之间的生态补偿机制,实现示范区生态、经济利益的再分配.针对2020 年生态系统服务供需聚类区域进行对策建议分析如图5 所示.①类别Ⅰ和Ⅳ,碳固持服务、水源涵养服务和水土保持服务供需差异相对较低,集中分布在先行启动区,此类供需差异主要是由于低供给和低需求.该区域开发强度和密度都较低,受到资源、环境等多方面制约,但该区域位于江浙沪三地交界处,交通便利,具备区域辐射潜力,水系资源丰富具备绿色生态和高质量发展的空间优势[23],未来规划可充分利用区域水生态空间,形成环淀山湖生态带,从生态旅游业着手,发展具有江南特色的文旅文创产业,提升生态系统服务价值,落实生态绿色理念,强化先行启动区的示范效益.② 类别Ⅱ,水源涵养服务供需赤字较大,分布在吴江城区城镇簇群、盛泽镇区城镇簇群.该区域开发强度大,其中吴江区土地开发强度已达28%,逼近江苏省30%的控制红线[37],工业发展水平高,环境治理水平较弱,未来建议通过生态补偿、产业转移及示范区工业园区共建等促进传统产业向绿色、智能、高端转型.同时要严守生态红线、耕地红线和城镇开发边界,既守住河湖水域限制发展的生态红线,又寻求区域的高质量发展.③类别Ⅲ,碳固持服务和水源涵养服务供需差异都较大,分布在青浦城区城镇簇群,生态供给远低于人类需求.该区域经济快速发展,能源消耗大幅度增加,未来建议结合示范区生态体系构建以淀山湖、元荡为主体的世界湖区和水源涵养区,并完善郊野公园、城市公园、地区公园、社区公园、口袋公园五位一体城乡公园体系,提升生态系统服务功能.
图5 示范区生态系统管控策略Fig.5 Management strategies for ecosystem services in the demonstration zone
3.3 局限性与不足
本研究虽为示范区生态工作提供了有益参考,但仍存在一定的局限性,受模型和数据限制,供需测算均参考已发表的相关文献,实测数据不多,结果可能与实际情况有一定偏差,但总体可以反映区域城市特征.未来研究应考虑更多生态系统服务类型,结合多种需求影响因素,将研究结果与实际情况进行验证分析,开展不同功能区划、不同生态系统服务的供需平衡研究,从而为生态管理和资源配置提供切实可行的依据.
4 结 论
本研究基于多源数据,分析了2000—2020 年长三角一体化示范区碳固持服务、水源涵养服务和水土保持服务供给、需求及其关系的时空变化趋势,识别了示范区生态系统服务簇综合供需失衡,主要结论如下:
(1)碳固持服务供给持续降低,需求不断上升,供需差距较大;水源涵养服务供给量均远小于需求量,但供需差距已经开始减小;水土保持服务供给量大于需求量并呈上升趋势.总体上示范区范围内生态系统服务供需平衡关系正在改善,碳固持服务和水源涵养服务生态系统服务供需比均呈“东部高值区聚集”的空间分布形态,水土保持服务供需比高值区聚集在示范区中部.
(2)基于SOM+K-means 二阶聚类技术将示范区划分为多个生态系统服务簇,不同簇群生态系统服务供需失衡等级不同,生态系统服务供需失衡特征与类型不同.供需高度不平衡区占比增加,水源涵养服务是供需失衡最严重的服务类型.