基于生態系統服務供求評價的空間分異特征與生態格局劃分
——以長三角城市群為例

壽飛云,李卓飛,黃 璐,3,黃紹榮,嚴力蛟,*

1 浙江大學生命科學學院生態規劃與景觀設計研究所,杭州 310058 2 浙江臻善科技股份有限公司,杭州 310058 3 浙江大學新農村發展研究院,杭州 310058 4 寧波市生態環境局余姚分局,寧波 315400

生態系統服務是指人類從生態系統中直接或間接的獲益[1- 2],包括對人類生存及生活質量有貢獻的有形和無形服務[3- 4],這一理論內涵決定了生態系統服務可以成為銜接人類福祉與生態系統的核心概念。研究表明,生態系統服務供給與需求能力存在明顯的空間分異及錯位問題[5- 8]。因此,生態系統服務的研究應在分析生態系統服務供給能力的同時,考慮當地經濟社會對于生態系統服務的需求[9- 11]。

目前,在生態系統服務供給領域已有較多研究,且形成較為成熟的計量方法[3,12-13]。近年來,學者們開始對生態系統服務供給與需求的綜合探究給予高度關注[5,8,14-15],但由于缺乏恰當的供需量化方法,現對于生態系統服務供求關系的研究缺乏,且多數停留在理論研究階段,量化分析較弱[16-17]。

生態系統服務供求關系可一定程度反映地區社會發展的可持續性[18],由于經濟發展、城市擴張帶來的生態系統服務供給下降、需求上升趨勢也將導致地區人地矛盾日益激化[19-20]。因此,本文引入梯度分析方法,該方法主要用于景觀結構[21]方面的研究,而近年來被逐漸引入生態系統服務[22-23]分析中,以期通過該分析方法探究城市帶上生態系統服務供給與需求的變化格局；除此之外,以生態系統服務供求值為立足點,進行生態格局的劃分,并提出針對性的規劃意見。基于以上方式,研究生態系統服務供求關系,評估供給潛力、需求水平,從而達到改善區域生態環境并推動社會經濟健康發展的目的[24]。

長江三角洲城市群是我國經濟最具活力、開放程度最高的區域之一,本研究以區縣為研究單元,通過采用修正的生態系統服務價值量,以及社會經濟指標分別核算生態系統服務供給量、需求量,并通過梯度分析得到城市帶生態系統供求變化趨勢,進行長三角城市群生態格局劃分,以期通過分區對長三角城市群進行差異化建設引導。

1 研究區概況

長江三角洲城市群(以下簡稱長三角城市群)地處中國東南沿海地區(116°29′E—122°45′E,27°14′N—33°41′N之間),土地面積約為207000 km2,占全國國土面積的2.2%,地貌類型以平原為主,平均海拔高度為88 m。長三角26個城市GDP為14.7萬億元,GDP增速高于全國平均水平1.7個百分點[25],在國家現代化建設大局和全方位開放格局中具有舉足輕重的戰略地位,但與此同時人地矛盾日益顯著,明確如何消減這一矛盾尤為重要[26]。

圖1 長三角城市群地理區位Fig.1 Geographic location of study area

2 數據與研究方法

2.1 數據來源

本文以長三角城市群209個區縣為研究單元,采用由中國科學院地理科學與資源研究所提供的長三角城市群2015年土地利用遙感數據為基礎數據,將地類劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地及未利用土地6大類。人口、經濟、社會等數據來自各省市統計年鑒。

2.2 評價指標體系構建

生態系統服務供給是指在目標時間段內研究區域所能提供生態系統的產品和服務的能力[9],本研究根據“千年生態系統評估”框架,同時,結合謝高地根據中國民眾和決策者對生態服務的理解狀況,提取9項生態系統服務功能[27-28]。

生態系統服務需求方面選用Schr?ter,Villamagna等[29-30]對其的理解,即綜合考慮人類生活對于生態系統服務的消耗和偏好需求,指出生態系統服務需求是指人類社會消耗或獲得的生態系統服務數量。基于此,筆者選取社會經濟指標中的土地需求、人口需求以及經濟需求[31]進行表征,如表1。

表1 評價指標體系

2.3 生態系統服務供給核算

本研究采用價值當量法對生態系統服務供給進行核算,依托長三角地區的區域特征對其當量系數進行修正[3,22,27],以得到符合長三角地區實際情況的生態系統服務供給價值。其中供給服務通過研究區域單位土地的農、林、牧、漁產值進行修正；調節服務和支持服務差異源于生態本底,故以森林覆蓋率對兩者的價值當量進行修正；鑒于旅游可間接反映美學價值,故依靠旅游總收入對文化服務進行價值當量修正。具體修正公式如下：

(1)

式中,n為修正系數；Ai為全國均值；ai為長江三角洲均值。

通過測算,供給服務中耕地、林地、草地、水體的修正系數分別為3.4344、3.4145、2.7012、7.2499；調節服務與支持服務的修正系數為1.4808；文化服務的修正系數為15.2992；由于建設用地所能提供的生態系統服務量極少[3,27],故不予計算。

基于長三角城市群單位面積生態系統服務價值(表2),按以下公式對長三角城市群各區縣生態系統服務供給能力進行測算賦值。

(2)

式中, ESV為評價單元生態系統系統服務價值(元 hm-2a-1)；n為土地利用類型數量；VCi為第i種土地利用類型單位面積生態系統服務價值(元 hm-2a-1)；ui為第i種土地利用類型面積(hm2)；u為評價單元土地總面積(hm2)。

表2 長三角城市群單位面積生態系統服務價值/(元 hm-2 a-1)

2.4 生態系統服務需求核算

基于筆者認知,考慮到生態系統服務需求的驅動因素以及數據可獲得性,分別以土地開發強度、人口密度、地均GDP代表土地需求、人口需求以及經濟需求。由于少數極發達地區人口與經濟指標波動極大造成地區需求值產生顯著差異,故對人口與經濟指標進行對數處理[31-32],以削弱極端數據對研究區域生態系統服務需求能力的評估。測算方式如下：

ESD=X1×log10X2×log10X3

(3)

式中,ESD表示生態系統服務需求；X1表示土地開發強度；X2表示人口密度；X3表示地均GDP。

2.5 生態系統服務供求值梯度分析

空間梯度是指沿某一方向景觀特征有規律地逐漸變化的空間特征[33]。為了深入分析各城市內部生態系統服務供給與需求價值,引入梯度分析,并進行如下設置：(1)結合格網構建參考文獻[34- 36]與研究區域大小考慮,選用5 km×5 km的格網尺度單元為梯度分析單元；(2)分別以上海、杭州、南京、合肥4個城市為端點,形成4個城市間發展梯度帶(圖2),即滬寧帶、滬杭帶、杭廬帶以及寧廬帶,以分析4個梯度帶內生態系統服務供給與需求值的分布規律。

圖2 滬寧廬杭梯度帶示意圖 Fig.2 Gradient transects across Shanghai-Nanjing-Hefei-Hangzhou

2.6 生態系統服務供求關系構建

基于以上對于生態系統服務供給、需求的核算,引入Z-score方法進行數據標準化,以X、Y軸分別表征標準化后的生態系統服務供給值、需求值,劃分為4象限：象限一、二、三、四分別代表高供給-高需求、低供給-高需求、低供給-低需求以及高供給-低需求等不同類型的生態區劃。

(4)

(5)

(6)

3 結果與分析

3.1 生態系統服務供給空間特征分異

長三角地區各類型用地面積存在較大的差距,草地69.48萬hm2(3.37%)、耕地1012.23萬hm2(49.13%)、林地566.22萬hm2(27.48%)、水體165.37萬hm2(8.03%),導致該地區不同生態系統服務表現能力具有顯著差異(圖3),調節服務占比最高,為36.44%；其次為文化服務(提供美學景觀),30.42%；供給服務為16.69%；最后為支持服務,16.44%。

長三角地區土地利用類型的分布具有顯著的空間異質性,以研究范圍內省級行政(直轄市)邊界為限,上海市建設用地面積占上海市行政區劃面積的36.32%,其余可為人類提供生態系統服務的四大用地類型僅占63.65%；江蘇省、浙江省、安徽省建設用地比例分別為18.11%、8.35%、7.47%；相應的生態用地分別為81.63%、91.61%、92.52%。這使得長三角各地區所能提供的生態系統服務價值存在明顯區域性,如圖3所示,上海相較于其他地區可提供生態系統服務的用地較少,因此地均生態系統服務價值極低,為6305.92元/hm2；江蘇省區縣地均生態系統服務價值較上海市良好,但不容樂觀,基本處于整體的中下水平；而浙江省大部分地區其生態系統服務價值較高,杭州市、臺州市、金華市的地均生態系統服務價值占據前三名,除生態用地比例較低的嘉興市外,其余4市均處于中上水平；安徽省中宣城市、池州市、安慶市、銅陵市地均生態系統服務價值處于前列。

圖3 長三角城市群不同類型生態系統服務價值量百分比及各地級市地均生態系統服務價值量Fig.3 Value ratio of different types of ecosystem service and ecosystem services supply in different cities in study area

由長三角城市群各區縣生態系統服務供給價值分布(圖4)可知,總體而言,長三角城市群生態系統服務供給價值呈現從北到南逐漸升高趨勢：其高值區主要包括研究區域浙江省南部,安徽省西南部,供給值基本超過22335元/hm2,其中,淳安縣生態系統服務供給值最高；低值區主要包括上海、江蘇省的東部、安徽省中西部,其中,最低值出現于上海市的閘北區與靜安區。長三角城市群生態系統服務供給能力與土地利用類型關系緊密,淳安縣79%為林地,建設用地僅為10%；而上海市閘北、靜安區幾乎均為建設用地。

圖4 長三角城市群各區縣生態系統服務供給能力 Fig.4 Supply capacity of ecosystem services in all districts and counties of study area

3.2 生態系統服務需求空間特征分異

基于自然環境以及經濟社會發展選擇,長三角各地區人口分布存在明顯差異(如圖5)。其中上海人口密度最高；江蘇省包括無錫市在內的7個城市均處于前列；安徽省4市人口密度較低。長江三角洲城市群經濟雖然總體較為發達,但各城市間的差別仍然明顯,其中上海市地均GDP高達323萬元/hm2；江蘇省3市地均GDP超過100萬元/hm2；而安徽省多處于下游,多地地均GDP低于10萬元/hm2。就地均GDP而言,最高值上海市已超過最低值池州市80倍有余。在土地利用開發上,上海市已高達36.32%,包括靜安區在內的7個縣區其土地利用開發程度已接近飽和；安徽省多地土地利用開發程度低于5%,對于土地利用開發尚顯不足。

圖5 長三角城市群各地級市人口密度、地均GDP、土地開發強度Fig.5 Population density, GDP per area, and land development intensity of various cities in research area

基于以上可知,長三角城市群生態系統服務需求空間分布具有明顯的區域性(圖6),長江入海口附近形成生態系統服務需求高值區,然后向外圍遞減。按照GIS中的自然間斷點分級法(Jenks)將生態系統服務需求值劃分為5個等級,111個縣區處于0—1等級中,僅17個縣區其生態系統服務需求處于等級11—18之間。其中上海市靜安區需求值最高,為17.70；內陸地區,特別是山區、郊區生態系統服務需求較低,其值普遍低于1。

圖6 長三角城市群各區縣生態系統服務需求能力 Fig.6 Demand capacity of ecosystem services in all districts and counties of study area

3.3 生態系統服務供求梯度變化

將滬寧帶、滬杭帶、杭廬帶以及寧廬帶4條梯度帶所經過格網的生態系統服務供給與需求值作為縱坐標,以離開端點城市的距離作為橫坐標,得到4條梯度帶上的生態系統服務供給與需求值(圖7)。

結果表明：(1)從4條梯度帶供需狀況的分布來看,長三角各城市之間生態系統服務供需差異明顯,且城市內部供求極度不平衡,大致呈負相關趨勢；(2)滬杭帶經過上海、嘉興、杭州3個城市,梯度帶兩端供給能力較低而需求卻較高,上海中部以建設用地為主,供給能力幾乎為0,嘉興地區以耕地為主,生態系統服務供給能力上升,需求下降；(3)滬寧帶經過上海、蘇州、無錫、常州、鎮江、南京6個城市,供給能力呈“M”型分布,而需求呈現明顯的“W”型；(3)杭廬帶經過杭州、湖州、宣城、蕪湖、馬鞍山、合肥等6個城市,蕪湖市供給與需求空間分布較為匹配,杭州西部、湖州、宣城東部以林地為主,生態系統服務供給能力較高；(4)廬寧帶經過南京、馬鞍山、滁州、合肥4個城市,處于梯度帶中間部分的平均值明顯高于兩端,而需求處于低值。

基于城市內與城市間極度不平衡現象,在之后的空間規劃中,需采用宏觀視角,平衡各地發展。如上海中心大多為建設用地,后可將其南側的鄉村打造為上海中心城菜籃子,統籌城鄉發展；將嘉興定位為上海的后花園,協調區域發展。

3.4 生態系統服務供求關系空間特征分析

通過Z-score標準化將各市的生態系統服務供給值與需求值進行關聯,得到象限圖。由圖8可知,處于高供給-高需求區的區縣極少,僅有4個,絕大多數城市處于高供給-低需求區以及低供給-低需求區,分別為83個與71個,幾乎占研究總數的3/4；剩下的51個研究單元處于低供給-高需求區。

以研究范圍內省級行政(直轄市)邊界為限：上海市作為全國的經濟貿易中心,經濟發展迅猛,土地利用開發超前,因此各區縣均處于低供給區域；江蘇省各區縣中,以處于低供給-低需求區的研究單元為最,供需能力相對匹配,次多出現于低供給-高需求區,處于高供給區域的研究單元較少；浙江省的經濟發展在長三角城市群中較為領先,但其較好地利用了現有的生態資源,在不破壞生態本底的情況下發展生態產業,因此仍然有較多的區縣出現于高供給區,其中高供給-低需求區主要出現在主城市的周邊區縣,如杭州市的淳安縣、富陽縣、建德市、臨安市、桐廬縣等；還包括自然地理條件優越,生態本底良好尚未開發地區也可提供較高的生態系統服務,如金華的磐安縣、臺州的仙居縣以及舟山的嵊泗縣等；安徽省經濟較其他三個省市滯后,因此其處于生態系統服務需求低值區的區縣為多,以處于高供給-低需求區的區縣為最。

3.5 基于生態系統服務供需關系的生態格局劃分

基于生態系統服務供需值的象限劃分,將長三角城市群209個區縣規劃至4大生態片區(如圖9、表3)：生態保育區(高供給-高需求)、生態修復區(低供給-高需求)、生態重塑區(低供給-低需求)、生態開發區(高供給-低需求)。

生態保育區：包含4個區縣,呈點狀分散于長三角城市群中部與東部沿海地區。這些區縣生態本底條件較為優越,經濟發展水平較好,人類對該地區的開發與保護適當。從生態系統服務供求關系而言,達到較高水準的平衡,適宜人類生活。

因此,在之后的長三角城市群發展規劃中,這些區縣可沿現有發展道路繼續探索,并可憑借優渥的生態資源開展生態旅游業；在優化綠色生態空間的基礎上適度擴大產業和城鎮空間,利用現有的經濟基礎與技術手段,不斷優化土地利用結構,在保護基礎上謀求新發展；同時,可以將這幾個區縣作為節點,發揮其社會-生態效益,輻射帶動周邊地區生態-經濟協調發展。

生態修復區：包含51個區縣,主要位于東部沿海經濟高度發達地區、大城市的主城區以及高新開發區。該片區在社會經濟指標上表現搶眼,人類活動頻繁,但在追求經濟社會發展之時,過度依賴于土地開發,資源承載能力已達到階段性飽和。從生態系統服務供求關系而言,需求>供給,若仍按照原本的方式繼續發展,宜居程度下降,甚至對生態本底造成不可逆的傷害。

因此,該片區要率先轉變空間開發方式,嚴格控制新增建設用地規模以及開發強度；依托現有的高新技術與人才優勢,推動地區產業轉型升級與周邊地區的發展,以緩解自身的人地矛盾；加強生態修復與建設,維護生態系統結構和功能穩定,改善當前生態本底不佳的現狀；統籌城鄉發展,適度擴大生態用地,使經濟發展與生態供給趨向平衡。

生態重塑區：包含71個區縣,集中分布于長三角城市群北部。這些區縣地勢平坦,生態條件一般且經濟發展水平滯后。從生態系統服務供求關系而言,兩者達到低程度平衡,該片區尚未探索到可推動經濟上漲并在生態承受范圍內的發展模式。

因此,在之后的發展規劃中,應重視對于該片區的土地整理,改善土地利用模式,同時提高該片區的生態系統服務供給與需求能力；加強與周邊地區的交流與合作,加大技術與人才流動,依靠周邊城市進行有效發展；統籌城鄉發展,促進地區產業的優化升級,增強單位土地的利用效率；有效利用當地特色資源,如江蘇等地的水體,發展生態經濟；優化空間布局,推動地區經濟可持續發展。

生態開發區：包含83個區縣,主要分布于長三角城市群南部。這些區縣地勢較高,林地資源豐富,生態狀況良好,具有較大資源承載潛力；但現階段對土地開發程度不高,人口壓力較小。從生態系統服務供求關系而言,供給>需求,生態資源豐厚,尚存較大發展空間等待挖掘。

在此后的規劃中,應充分利用該地區林地、農業等生態資源,開展生態旅游,抓住休閑農業、觀光林業等經濟新增長點,賦予綠色農業、農旅觀光等建設方針,促進一二三產業融合發展,以生態保護為前提,全面提高生態系統服務供給能力,將生態系統服務供給能力的提升轉化為經濟效益,推動產業轉型升級,增強單位土地的利用效率與經濟效益；加大政府間生態補償機制的實行和額度分配,吸納更多優質勞動力和優勢資源進行城市需求端的建設,拉動區域生態系統服務需求端的凈提升,實現地區經濟的綠色發展。

4 結論與討論

本研究針對有限的國土資源與人類日益增長的物質文化需求以及各區縣巨大差異與長三角城市群協調發展之間的矛盾,以生態系統服務為視角,分析了長三角城市群生態系統服務供給與需求的空間分布特征,得到以下結論：(1)長三角城市群生態系統服務供給能力與土地利用類型密切相關,呈現從北到南逐漸升高趨勢；(2)長三角城市群生態系統服務需求能力與社會經濟發展聯系緊密,在長江入海口附近形成生態系統服務需求高值區,然后向外圍遞減；(3)通過空間梯度分析,各發展帶上城市生態系統服務供需大致呈負相關趨勢,且由于其發展模式不盡相同,生態系統服務供需分布特征也呈現一定的差異,但是總體來說,省會(直轄市)生態系統服務供給能力較弱,需求較高,而發展帶中部城市供給能力增強,需求減弱；(4)基于生態系統服務供需關系構建,得到長三角城市群生態格局四大分區：生態保育區(高供給-高需求)、生態修復區(低供給-高需求)、生態重塑區(低供給-低需求)、生態開發區(高供給-低需求),并對各區塊提出了差異化規劃管理建議,有利于推動長三角城市群縮小地區差異,走向整體化發展新階段。

圖7 長三角生態系統服務供求值梯度分析Fig.7 Urban-rural gradient analysis of ecosystem supply-demand in study area

圖8 長三角城市群各區縣生態系統服務供給與生態系統服務需求分區Fig.8 Ecosystem service supply and ecosystem service demand division in all districts and counties of study area

表3 長三角城市群生態格局劃分

圖9 長三角城市群生態格局分區圖Fig.9 Zoning map of ecological pattern of study area

2018年歐維新等[23]采用Burkhard等[9,37]提出的基于專家知識的生態系統服務供需量化矩陣方法,對長三角地區包含上海市、江蘇省和浙江省3省16個城市進行生態系統服務供需研究,得到浙江省湖州、紹興、臺州、寧波等地達到供需均衡甚至盈余(供給>需求)狀態,而上海及其周邊蘇州、無錫等地出現供需赤字(供給<需求)的結果,本文基于生態系統服務供需值的生態格局劃分中展示結果與此大致契合。本文生態系統服務供給值核算采用謝高地等人[27]的價值當量法,該方法已在國內各地區、多尺度層面的研究中進行應用；生態系統服務需求值核算方法基于彭建[32]、顧康康[38]、黃志洵[31]等人的研究,其中彭建等人的研究對象為廣東省21個地級市,顧康康等人的為安徽省17個地級市,黃志洵等人的則為閩三角城市群,研究尺度均為縣級區縣,與本文研究對象與尺度基本一致,因此,筆者認為該供給與需求核算方法可應用于長三角地區且其結果具有一定的科學價值。

在目前的研究中,對生態系統服務價值、生態系統服務與人類福祉的研究已取得了較多的進展,但關于生態系統服務需求值、供給與需求關系的研究相對較少,本文對兩者做了有益的探索。但是,由于目前尚未引入比較成熟的空間量化模型,仍然難以將供給值與需求值化規至統一計量單位進行空間量化；且本文僅以2015年一期數據為論證基礎,在邏輯完整性上仍有所欠缺；此外,生態系統服務是流動的過程[38],由于本文注重探討生態系統服務供求的空間格局特征,對生態系統服務供需值的估計尚不夠準確,在后續的研究中應采用多期數據對比并結合生態系統服務流理論進一步完善研究體系。