長三角城市群生態(tài)系統(tǒng)服務權衡強度時空演變及影響因素

李 成,趙 潔,莊智程,顧思浩

1 中國礦業(yè)大學 建筑與設計學院, 徐州 221116 2 江蘇師范大學 “一帶一路”研究院, 徐州 221009 3 江蘇師范大學 地理測繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院, 徐州 221116

生態(tài)系統(tǒng)服務指通過生態(tài)系統(tǒng)的結構、過程和功能得到的各種產(chǎn)品和服務,直接影響著生態(tài)安全和人類的福祉[1—2]。2019年,政府間生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務科學政策平臺(IPBES)發(fā)布《全球生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務評估報告》指出,迄今為止全球75%的陸地環(huán)境受人類活動而發(fā)生嚴重改變,絕大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性指標迅速下降[3]。在自然資源日益緊缺的背景下,一種生態(tài)系統(tǒng)服務供給的提升往往會導致其他服務的衰減,生態(tài)系統(tǒng)服務之間形成權衡關系[4—6]。在當前人類活動強度和物質資料需求持續(xù)增長的背景下,開展生態(tài)系統(tǒng)服務權衡研究,提升生態(tài)系統(tǒng)服務總體效益對遏制區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化和提升人類福祉有重要意義[7]。近年來國內外學者基于大量的實證研究探討生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系。其研究主要是通過統(tǒng)計描述[8—9]、空間制圖[10—13]、情景分析[14—15]等方法,揭示生態(tài)系統(tǒng)服務的權衡關系。然而,目前的生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系多以定性判別為主,缺少區(qū)域內部權衡強度時空差異的空間定量表達,無法揭示其時空異質性[6,16]。另外,探究權衡關系的影響機理,揭示各個影響因素對權衡關系的重要作用,以明確權衡關系調節(jié)方法與策略,可為制定生態(tài)保護與區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的“雙贏”政策提供有力保障[17—18]。當前研究主要通過針對特定區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務變化和空間特征對比分析來揭示生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系影響機理[19—21],缺乏自然和人類活動對生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系動態(tài)變化影響的定量分析[22],與環(huán)境與社會經(jīng)濟要素的關聯(lián)性分析也有待進一步深入[23—24]。這導致對生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系及其驅動機制的認識存在一定局限性,制定出的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)管理政策措施針對性不強[25]。因此,全面探討生態(tài)系統(tǒng)服務權衡強度及其影響機理是生態(tài)系統(tǒng)服務與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展亟需解決的問題。

長三角地區(qū)是目前和未來中國經(jīng)濟發(fā)展最具活力和潛力的典型地區(qū),同時又是生態(tài)環(huán)境問題高度集中且激化的典型地區(qū)。作為快速城市化區(qū)域,長三角地區(qū)具有經(jīng)濟社會發(fā)展迅速、土地利用格局演變劇烈等特點。同時,隨著長三角城市群一體化發(fā)展戰(zhàn)略的深入推進,城鎮(zhèn)建設用地不斷侵占生態(tài)用地,生態(tài)環(huán)境的壓力逐漸加大,生態(tài)系統(tǒng)結構也發(fā)生了劇烈變化,繼而產(chǎn)生區(qū)域人地關系緊張和生態(tài)系統(tǒng)服務供給失衡等問題,如空氣污染、水源短缺、水質下降等。這些問題的出現(xiàn)是在人類活動和自然因素影響下,生態(tài)系統(tǒng)服務之間相互競爭與沖突所導致的。科學認知長三角城市群生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系演化規(guī)律與影響機理,對促進自然生態(tài)與社會經(jīng)濟協(xié)調可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和現(xiàn)實意義。鑒于此,本文以長三角城市群為研究對象,借助研究區(qū)2005年和2019年土地利用數(shù)據(jù)及社會經(jīng)濟、土壤、水文、氣象等基礎數(shù)據(jù)資料,運用InVEST模型,分析碳儲存(CS)、糧食生產(chǎn)(CP)、生境質量(HQ)、氮輸出(NE)以及產(chǎn)水量(WY)5種生態(tài)系統(tǒng)服務的時空格局特征,利用Spearman相關性分析和均方根誤差(RMSE)指數(shù)揭示生態(tài)系統(tǒng)服務之間的權衡關系,采用冗余分析方法揭示自然與社會經(jīng)濟等要素對權衡強度的影響機理。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究中的長三角城市群是指2016年5月國務院批準的《長江三角洲城市群發(fā)展規(guī)劃》中所劃定的范圍,包括上海、杭州、南京、合肥等26個城市(圖1)。該地區(qū)位于中國東南沿海地區(qū),面積約為21.17萬km2,占全國總國土面積的2.2%。2019年長三角城市群GDP總額達197350億元人民幣,GDP約占全國GDP的20%,2018—2019年GDP增速為9.88%,高于全國平均水平2.78%。社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,顯著改變了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的結構和格局,許多與水調節(jié)、空氣凈化和氣候調節(jié)有關的生態(tài)環(huán)境風險日益嚴重。同時,在人類活動的影響下生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系不斷加劇[26]。區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護之間的矛盾已成為制約長三角城市群的協(xié)調發(fā)展的主要制約因素,對人類福祉產(chǎn)生了一定的負面影響。

圖1 研究區(qū)位置圖

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文所采用的基礎數(shù)據(jù)包括土地利用數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤屬性數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)以及社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)。其中,本研究所需的土地利用數(shù)據(jù)(2005年、2019年)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn),空間分辨率為30m。該數(shù)據(jù)以Landsat遙感影像為數(shù)據(jù)源進行目視解譯生成。該數(shù)據(jù)中主要的土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地。數(shù)據(jù)精度達到94.3%。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)所提供的逐年年平均氣溫、年降水量空間插值數(shù)據(jù)集,空間分辨率為1km。土壤屬性數(shù)據(jù)來源于聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織和國際應用系統(tǒng)分析研究所構建的世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD),該數(shù)據(jù)包括土壤深度及砂粒、粘粒、粉粒和有機質含量等,空間分辨率為1km。地形數(shù)據(jù)采用數(shù)字高程模型(DEM),來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),空間分辨率為30m。長三角城市群社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于《中國城市統(tǒng)計年鑒》《中國縣域統(tǒng)計年鑒》以及長三角城市群地區(qū)26市的統(tǒng)計年鑒。

1.3 研究方法

1.3.1生態(tài)系統(tǒng)服務評估方法

本研究借助InVEST模型和ArcGIS 10.2軟件,定量評估長三角城市群2005年和2019年碳儲存、糧食生產(chǎn)、生境質量、氮輸出量和產(chǎn)水量5種生態(tài)系統(tǒng)服務量,并揭示其時空格局。計算方法如表1所示。

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務計算方法

將2005年和2019年5種生態(tài)系統(tǒng)服務測算完成之后,基于縣域行政單元,利用ArcGIS 10.2軟件中的分區(qū)統(tǒng)計工具將上述生態(tài)系統(tǒng)服務按平均值統(tǒng)計到研究區(qū)中的各縣域,從而實現(xiàn)縣域尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務研究。

1.3.2生態(tài)系統(tǒng)服務權衡/協(xié)同分析

以縣域研究單元為基礎,利用Spearman相關性分析方法探究長三角城市群2005—2019年5種典型生態(tài)系統(tǒng)服務之間的相互關系,當某兩個生態(tài)系統(tǒng)服務之間的相關系數(shù)為正數(shù),且通過0.05水平的顯著性檢驗,則表明該對生態(tài)系統(tǒng)服務為協(xié)同關系,反之則為權衡關系。

均方根誤差(RMSE)通過測度單個生態(tài)系統(tǒng)服務標準差與平均生態(tài)系統(tǒng)服務標準差之間的差異,描述了距離平均生態(tài)系統(tǒng)服務標準差的分散度,從而能夠更加細致地刻畫生態(tài)系統(tǒng)服務之間相互影響的程度[6,30]。為進一步探究生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系的空間布局與強度,使用RMSE對生態(tài)系統(tǒng)服務之間的關系進行定量測度。RMSE值越大,表明權衡強度越強,值越小,表明權衡強度越弱,且趨向于協(xié)同,當RMSE值為0時,兩種生態(tài)系統(tǒng)服務之間呈現(xiàn)協(xié)同關系。

為消除多種類型生態(tài)系統(tǒng)服務不同量綱的影響,本文采用Min-Max標準化法對生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行歸一化處理,具體公式如下：

(1)

式中,ESstd是某種生態(tài)系統(tǒng)服務的標準化值；ESobs是生態(tài)系統(tǒng)服務觀測值；ESmin和ESmax分別是生態(tài)系統(tǒng)服務觀測值的最小值和最大值。在生態(tài)系統(tǒng)服務標準化基礎上,RMSE值計算公式如下：

(2)

1.3.3生態(tài)系統(tǒng)服務權衡/協(xié)同分析影響因素分析

本文采用Canoco 5.0軟件[31]分析生態(tài)系統(tǒng)服務權衡/協(xié)同關系和環(huán)境因子、社會經(jīng)濟因子之間的關系。首先對生態(tài)系統(tǒng)服務RMSE指數(shù)進行去趨勢對應分析,根據(jù)結果中的各排序軸長度篩選排序模型,如果排序軸長度大于4,則選擇典范對應分析,反之,則選擇冗余分析(RDA)。由于本研究排序軸長度均小于3,因此選擇RDA方法[32]。在RDA分析過程中,采用蒙特卡洛置換檢驗分析評價影響因子對權衡/協(xié)同關系變化影響的顯著程度。只有通過蒙特卡洛檢驗(P<0.05)的環(huán)境變量,才能保留進行進一步分析。RDA排序圖可以顯示不同指標間的相關性,環(huán)境變量與響應變量箭頭之間的角度大于90°,表明兩者呈現(xiàn)負相關性；角度小于90°為正相關；等于90°,則表明兩者不存在相關性。另外環(huán)境變量線段越長,代表環(huán)境變量對生態(tài)系統(tǒng)服務權衡強度影響程度越大。權衡關系影響因子可分為環(huán)境生態(tài)因子和社會經(jīng)濟因子,結合已有的研究成果[22,33],將坡度、降雨、氣溫、建設用地比例、農(nóng)田覆蓋率、林地覆蓋率、人口密度、GDP作為環(huán)境與社會經(jīng)濟因子,探究與權衡強度的作用關系。

2 結果與分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務時空演變

長三角城市群2005年、2019年土地利用面積如表2所示。結果表明,2005—2019年,長三角城市群建設用地和未利用地均有不同幅度的增加。其中,建設用地面積從19072.64km2增加至26832.85km2,增幅為40.69%；未利用地增幅最大,為583.40%。而耕地、林地、草地和水域的面積在縮減,耕地面積降幅最大,達到了6.5%；草地由7377.18km2下降到7291.30km2。

表2 長三角城市群不同土地利用面積

利用生態(tài)系統(tǒng)服務模型,對長三角城市群2005與2019的碳儲存、糧食生產(chǎn)、氮輸出量、生境質量和產(chǎn)水量進行測算和空間制圖。生態(tài)系統(tǒng)服務總體呈現(xiàn)出波動性變化特征(表3)。其中,碳儲存量從2005年的5.028×108t下降到2019年的4.969×108t,減少了1.17%,主要由于建設用地不斷擴張導致耕地、林地、草地等具有較高碳密度的土地利用類型面積減少。產(chǎn)水量在2005—2019年間變化較大,2005年研究區(qū)的年產(chǎn)水量為9.158×1010t,2019年比2005年大幅度增加了87.92%,主要由于地表不透水層以及降雨的變化所導致的。以氮輸出量為表征的水質凈化服務從2005年的3.794×107kg,增加到2019年的3.891×107kg,表明長三角城市群水質凈化功能的減弱。2005—2019年,長三角城市群生境質量呈現(xiàn)下降趨勢,其平均分由0.385下降到0.372,該研究區(qū)受人類活動影響較大,快速城鎮(zhèn)化導致生境斑塊破碎度與生態(tài)敏感性加大,生境質量下降。

表3 長三角城市群各項生態(tài)系統(tǒng)服務總量統(tǒng)計表

2005—2019年,長三角城市群生態(tài)系統(tǒng)服務的空間格局基本穩(wěn)定,但空間變化呈現(xiàn)出差異性特征(圖2)。碳儲量在空間分布上表現(xiàn)為南高北低的特征,碳儲存的高值區(qū)集中在長三角城市群的南部,其主要原因該地區(qū)的氣候濕潤,土地利用類型基本為林地,植被覆蓋率高、土壤有機質含量高,因而,南部山區(qū)碳儲量呈現(xiàn)高值分布,2005年和2019年平均碳儲量最高值位于浙江省臨安縣(平均值335.154t/hm2)。研究區(qū)北部植被覆蓋率較低,人類活動頻繁,土地利用中建設用地比例較高,碳儲存量相對較低,2005年和2019年的最低均位于上海市區(qū)(平均值144.720t/hm2)。

圖2 2005年、2019年長三角城市群生態(tài)系統(tǒng)服務空間分布

糧食生產(chǎn)在空間上呈現(xiàn)“北高南低”的分布格局,高值區(qū)主要分布在長三角北部平原地區(qū),普遍高于2t/hm2,低值區(qū)主要集中在南部山地丘陵地區(qū),普遍低于2t/hm2。這主要由于北部平原地區(qū)地勢平坦,農(nóng)田面積大,是長三角城市群糧食主產(chǎn)區(qū),而在南部山區(qū),地形起伏較大,林地覆蓋率高,農(nóng)田面積較小。

生境質量與碳儲存分布較為一致,在空間上表現(xiàn)為“北低南高”的梯度特征,生境質量較高的區(qū)域分布于中部的新吳區(qū)、吳中區(qū)和南部的淳安縣和宿松縣(平均值達0.50以上),主要由于該區(qū)域內植被覆蓋率高,且受到人類活動擾動較小。生境質量最低區(qū)域主要集中在上海市和常州市,該區(qū)域近年來社會經(jīng)濟快速發(fā)展,建設用地擴張速度快,且農(nóng)田比例較高。

氮輸出量高值區(qū)主要集中在研究區(qū)的北部平原地區(qū)(氮輸出量平均值>2.0kg/hm2),這些區(qū)域往往有著較低的植被覆蓋度,對污染物的截留效用較弱；同時這些區(qū)域的人類活動強度較高導致污染物排放的增加。而南部山區(qū)的氮輸出量較小,主要分布在無錫新吳區(qū)、淳安縣、蘇州吳中區(qū)、臨安市、建德市等地區(qū)。這些區(qū)域的植被覆蓋度普遍較高,對污染物起到了很好的凈化作用。

在2005年和2019年,產(chǎn)水量空間差異較為明顯,但均呈現(xiàn)出“南高北低”的特征。與2005年相比較,2019年長三角各個縣域產(chǎn)水量均有所增長,高值區(qū)明顯增多。產(chǎn)水量變化其主要原因受到土地利用、降水以及地形的影響[34]。由于城鎮(zhèn)化的快速推進,建設用地不斷增加,從而導致不透水層面積的擴張,促進了產(chǎn)水量的提升。林地、草地等植被覆蓋率高的地區(qū)起到了涵養(yǎng)水源、水土保持的功能,因此在一定程度上抑制了該地區(qū)的產(chǎn)水。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系時空演變特征

為探究不同時間段內生態(tài)系統(tǒng)服務之間相互作用關系,基于縣域單元,本文利用Spearman相關性分析對研究區(qū)2005年和2019年碳儲存、糧食生產(chǎn)、生境質量、氮輸出、和產(chǎn)水量兩兩服務之間的相關系數(shù)進行測算,從而定性描述權衡/協(xié)同關系(表4)。相關性系數(shù)表明,2005年和2019年,碳儲存和糧食生產(chǎn)、碳儲存與氮輸出表現(xiàn)為顯著負相關,即兩者呈現(xiàn)較強權衡關系。而碳儲存和生境質量之間為顯著正相關(相關系數(shù)分別為0.507和0.607),即兩者呈現(xiàn)較強的協(xié)同關系。2005年碳儲存與產(chǎn)水量為正向顯著相關,而在2019年表現(xiàn)為不顯著相關。2005年和2019年,糧食生產(chǎn)與生境質量和產(chǎn)水量均為權衡關系,與氮輸出為顯著協(xié)同關系,且相關系數(shù)保持穩(wěn)定(分別為0.709和0.703)。生境質量與氮輸出是顯著負相關(權衡關系),與產(chǎn)水量關系不顯著。氮輸出與產(chǎn)水量之間關系不顯著。

表4 長三角城市群生態(tài)系統(tǒng)服務相關性

為進一步探究不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務之間相互作用程度和方向,基于相關性分析得到具有權衡關系的生態(tài)系統(tǒng)服務,利用RMSE指數(shù)對權衡強度進行測度和值域統(tǒng)計(表5)以及空間制圖(圖3)。從生態(tài)系統(tǒng)服務權衡強度的空間分布來看,權衡關系空間異質性顯著。2005年和2019年糧食生產(chǎn)與碳儲存之間權衡強度空間分布大體一致,具體為高強度權衡區(qū)域(RMSE>0.5)分布面積較大,主要位于長三角城市群南部的安徽省、浙江省的山區(qū),包括臨安、磐安、寧國、建德、仙居等地,以及北部的鹽城、泰州所下轄的建湖、興化等地。如表5所示,權衡強度的值域統(tǒng)計反映2019年權衡強度的最小值、最大值以及平均值都在2005年的基礎上有所增加,表明整體的權衡強度有所上升。

表5 長三角城市群生態(tài)系統(tǒng)服務權衡強度值域統(tǒng)計

2005年和2019年的糧食生產(chǎn)與生境質量權衡強度空間分布格局相近,高強度權衡區(qū)域主要位于北部建湖、阜寧、興化等地,以及長三角中部的無錫新吳區(qū)和蘇州吳中區(qū)等。由表5發(fā)現(xiàn),糧食生產(chǎn)與生境質量的權衡強度在增加。

2005年,糧食生產(chǎn)與產(chǎn)水量的權衡強度分布格局顯示高強度權衡區(qū)域主要集中在北部的鹽城和泰州以及南部的臺州。與2005年相比,在2019年兩者權衡關系分布格局變化較為顯著,長三角東南部的高權衡區(qū)域向西南方向轉移并擴大。由表5發(fā)現(xiàn),2019年糧食生產(chǎn)與產(chǎn)水量的權衡強度最小值、最大值比2005年所有下降,但平均權衡強度從2005年的0.234增加至2019年的0.319。

在2005年,共有4個縣區(qū)的氮輸出與生境質量呈現(xiàn)較高的權衡強度,在2019年,高權衡強度范圍進一步縮小,僅有2個縣區(qū)呈現(xiàn)高強度權衡關系,而大部分地區(qū)表現(xiàn)出低強度權衡關系(RMSE<0.2)。由表5發(fā)現(xiàn),2019年平均權衡強度比2005年略有上升。

2005年氮輸出與碳儲存服務兩者的權衡高值區(qū)多集中于長三角南部地區(qū),包括新吳區(qū)、吳中區(qū)、臨安市、淳安市磐安縣、績溪縣等13個縣區(qū)。與2005年相比較,部分位于長三角東部地區(qū)的低權衡強度(RMSE<0.3)區(qū)域在2019年轉變?yōu)橹械葟姸?RMSE: 0.3—0.4),2019年中等權衡強度區(qū)域大幅擴張,高強度區(qū)域保持穩(wěn)定。權衡強度的值域統(tǒng)計顯示2019年權衡強度最小值有所增加,而最大值有所減小,平均權衡強度由2005年的0.314增加至2019年的0.326。

2005年,碳儲存與產(chǎn)水量的高強度權衡區(qū)主要集中在南部地區(qū),包括玉環(huán)縣、臨海市、溫嶺市、黃巖區(qū)、仙居縣等10個縣區(qū),其他地區(qū)主要表現(xiàn)為低權衡強度。2019年,長三角東南部的權衡強度降低,而在北部地區(qū),碳儲存與產(chǎn)水量權衡強度略有上升,高強度縣區(qū)呈現(xiàn)零星分布,共有18個縣區(qū)表現(xiàn)出高強度的權衡關系。由表5發(fā)現(xiàn),雖然碳儲存與產(chǎn)水量的權衡強度最小值和最大值較2005年有所下降,但2019年的平均權衡強度從0.274上升至0.324。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務權衡強度影響因素分析

本研究首先對各縣域的生態(tài)系統(tǒng)服務權衡強度指標進行DCA分析,結果顯示排序軸中的最大梯度值為1.21(小于3),因此采用RDA方法。以生態(tài)系統(tǒng)服務權衡強度為響應變量,坡度、高程、降雨、氣溫、建設用地比例、植被覆蓋率、人口、GDP等環(huán)境與社會經(jīng)濟因子為自變量,對2005年和2019年分別進行冗余分析。結果顯示,2005年,RDA解釋度為61.4%(pseudo-F=17.0,P=0.002),2019年,RDA解釋度為65.7%(pseudo-F=27.5,P=0.002)。所有因子均與權衡強度呈顯著相關性(P<0.05)。RDA排序結果如圖4所示,從排序圖中可以看出,在2005年和2019年,坡度、林地覆蓋率和降雨等因子與NE-HQ之間的權衡強度呈負相關關系,與其他類型的生態(tài)系統(tǒng)服務權衡強度表現(xiàn)出正相關性。而建設用地比例、氣溫、農(nóng)田比例等因子與除NE-HQ以外的五對生態(tài)系統(tǒng)服務權衡強度均呈負相關關系。在2005和2019年,人口密度與NE-HQ權衡強度均表現(xiàn)出強正相關。坡度和林地覆蓋率與CP-CS和CS-WY表現(xiàn)為較強正相關關系,而與NE-HQ權衡強度呈現(xiàn)較強負相關。建設用地與CP-CS的權衡強度表現(xiàn)為強負相關關系。在2005年的排序圖中,可以看出CS-WY的箭頭較長,表明所選的環(huán)境與社會經(jīng)濟因子對CS-WY權衡強度的影響程度較大,而在2019年的排序圖中,發(fā)現(xiàn)CP-CS的箭頭最長,表明驅動因子對CP-CS的影響程度最大。

圖4 2005年和2019年影響因子與生態(tài)系統(tǒng)服務權衡的RDA排序

環(huán)境與社會經(jīng)濟因子對權衡強度的解釋量如表6所示。分析結果顯示,在2005年和2019年對權衡強度影響最大的因子均是坡度(解釋度為29.9%和25.9%),其次為林地覆蓋率(解釋度為24.2%與20.9%)。除此以外,在2005年,降雨、農(nóng)田覆蓋率和建設用地比例對權衡強度的影響較大,解釋度分別為18.3%、15%和14.3%。而在2019年,對權衡強度影響較大的因子分別為農(nóng)田覆蓋率(16.2%)、氣溫(15.5%)和降雨(11.2%)。人口密度與GDP對權衡強度的解釋度較小。

表6 影響因子對生態(tài)系統(tǒng)服務權衡強度的解釋量

3 討論

3.1 長三角城市群權衡強度時空異質性

本文基于縣域尺度,采用RMSE指數(shù)測度權衡強度,探究了生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系及其強度的時空異質性。研究發(fā)現(xiàn),長三角城市群5種生態(tài)系統(tǒng)服務呈現(xiàn)不同的時空特征,分布特征與變化趨勢與Cai等[35]和Qiao等[36]的研究結果一致。生態(tài)系統(tǒng)服務之間權衡強度在空間分布上差異較為明顯。復雜的局地氣候、土地利用、地貌、社會經(jīng)濟發(fā)展水平等差異,會對生態(tài)系統(tǒng)服務關系產(chǎn)生影響,從而造成長三角城市群生態(tài)系統(tǒng)服務權衡強度的空間差異性分布。長三角城市群南部區(qū)域以山地丘陵為主,植被覆蓋率高,植物的生長會增加固碳量,同時植物物種豐富,景觀連通性較好,生境質量較高。但耕地較少,糧食生產(chǎn)量較低。植被覆蓋度較高的地區(qū)由于植物蒸散量較大,產(chǎn)水量較低。較高的植被覆蓋度,對污染物的截留效用較強,氮輸出值較低。因此,碳儲存與產(chǎn)水量、碳儲存與氮輸出之間呈現(xiàn)較高強度的權衡關系。北部區(qū)域以平原為主,為長三角城市群的糧食主產(chǎn)區(qū),農(nóng)田為主要土地利用類型,糧食產(chǎn)量高,但植被覆蓋度較低,并且由于快速城鎮(zhèn)化影響,碳儲存量較小。相關的研究也表明,生態(tài)用地的減少對固碳量減少的貢獻最大[37—38]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與城市發(fā)展造成的景觀高度破碎化,從而導致生境質量較差。因此,該區(qū)域的糧食生產(chǎn)與生境質量、糧食生產(chǎn)與產(chǎn)水量之間呈現(xiàn)較高強度權衡關系。在時間上,隨著長三角城市群社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,大量的生態(tài)用地轉換為建設用地,一方面造成植被覆蓋度的降低,減弱了碳儲存和生境質量；另一方面降低地表蒸散作用和污染物截留作用,導致產(chǎn)水量以及氮輸出的增加,從而促使一部分地區(qū)和上述生態(tài)系統(tǒng)服務呈現(xiàn)更為強烈的權衡關系,這些結果和已有研究成果研究結果相似[39—40]。

3.2 基于權衡關系的生態(tài)系統(tǒng)管理建議

盡管地形和氣候對長三角城市群生態(tài)系統(tǒng)服務權衡強度有較大影響,但社會經(jīng)濟發(fā)展導致的權衡/協(xié)同關系演變是主要原因之一。城市化進程的加快,人口和GDP的增長對生態(tài)系統(tǒng)服務都產(chǎn)生了顯著的影響。基于生態(tài)系統(tǒng)服務權衡分析,可有效平衡區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護。結果表明農(nóng)田與生態(tài)用地(林地、草地)所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務功能存在一定的沖突關系,同時也反映出糧食生產(chǎn)與生態(tài)保護之間的競爭關系是客觀存在的[24,29]。一些生態(tài)環(huán)境保護策略和行動,會快速提升空氣凈化、固碳釋氧、水土保持等生態(tài)系統(tǒng)服務調節(jié)功能,但可能會降低糧食產(chǎn)量。長三角北部的平原地區(qū)是該地區(qū)的糧食主產(chǎn)區(qū)。因此,從糧食安全角度,在提升生態(tài)環(huán)境質量的同時需注重糧食生產(chǎn)與其他生態(tài)系統(tǒng)服務的權衡關系。針對這一地區(qū),在未來的規(guī)劃中應合理配置農(nóng)用地與生態(tài)用地,在國土空間規(guī)劃中科學合理劃定“生態(tài)保護紅線”、“永久基本農(nóng)田”和“城鎮(zhèn)開發(fā)邊界”三條控制線,從而實現(xiàn)糧食生產(chǎn)、生態(tài)保護與社會經(jīng)濟發(fā)展的多贏局面。一方面,通過改造中低產(chǎn)田,運用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術,改進農(nóng)業(yè)設施等方式提高糧食產(chǎn)量,保障糧食供給。另一方面,在北部地區(qū)合理推進退耕還林,提升區(qū)域內的生態(tài)環(huán)境質量,強化調節(jié)服務功能。隨著我國碳達峰和碳中和目標的提出,為了平衡碳的儲存和排放,不僅要控制建設用地的擴張,保持一定比例的生態(tài)用地,還要發(fā)展低碳工業(yè)方法,如利用可再生能源,提高能源效率,降低碳排放強度[41]。水質凈化方面,氮輸出量與生境質量和碳儲存具有顯著的權衡關系,且在生態(tài)用地覆蓋率低以及社會經(jīng)濟發(fā)展較快地區(qū)較強的權衡關系。為降低該地區(qū)的氮輸出量并提升生境質量和碳儲存量,在該地區(qū)城市內部應繼續(xù)實施生態(tài)廊道建設工程,在河岸帶和公路帶發(fā)展綠道。此外,發(fā)展低污染、低消耗的綠色產(chǎn)業(yè),采用新的水污染緩解技術[42],以及使用產(chǎn)生較少污染的殺蟲劑,都是減少水污染的有效策略。生境質量可以通過豐富植物物種、減少景觀破碎化和增強生態(tài)廊道的連通性來改善。南部山區(qū)植被覆蓋率高,但農(nóng)田較少,建設用地占比較小,在長三角城市群中發(fā)揮著重要的生態(tài)服務功能。因此,在南部山區(qū)應注重保護該地區(qū)良好的生態(tài)環(huán)境。同時,防止建設用地無序擴張,長三角城市群已經(jīng)步入城鎮(zhèn)化較快發(fā)展的中后期,城市發(fā)展應由大規(guī)模增量建設轉為存量提質改造和增量結構調整并重,以減少對農(nóng)田和生態(tài)用地的進一步侵蝕。

3.3 不足之處

生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系存在著空間尺度的分異[5,22],本研究缺乏不同尺度上自然和人類活動對生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系動態(tài)變化的影響分析,以及區(qū)域內部的空間差異表達。因此,開展多空間尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務權衡關系及其驅動機制研究將有助于制定科學高效的管理方案。此外,本文利用InVEST模型,在計算2005和2019年碳儲量時采用統(tǒng)一的碳庫參數(shù),未考慮由植物生長所引發(fā)的碳庫參數(shù)在時間上的變化。因此,碳儲量計算結果以及與之相關的權衡關系存在一定誤差。未來應充分考慮碳庫參數(shù)的動態(tài)性,以提升研究結果的準確性。

4 結論

本文分析了長三角城市群碳儲存、糧食生產(chǎn)、生境質量、氮輸出和產(chǎn)水量5種生態(tài)系統(tǒng)服務的時空變化特征,同時利用相關性分析和RMSE指數(shù)對生態(tài)系統(tǒng)服務之間的權衡關系進行判別以及定量測度,采用冗余分析方法辨識了權衡強度分異的主要影響因子,探析了生態(tài)系統(tǒng)服務權衡強度的影響機理,主要得到以下結論：

(1)2005—2019年,長三角城市群碳儲存總量減小了1.17%,糧食生產(chǎn)總量增加了30.18%,產(chǎn)水量增加了87.92%,氮輸出量增加了2.56%,生境質量下降了3.38%。空間分布方面,碳儲存、產(chǎn)水量和生境質量高值區(qū)主要集中在南部山區(qū),而北部地區(qū)的糧食生產(chǎn)和氮輸出量的總量較高。

(2)研究期間,長三角城市群糧食生產(chǎn)分別與碳儲存、生境質量和產(chǎn)水量之間,以及氮輸出與生境質量和碳儲存之間,碳儲存與產(chǎn)水量之間呈現(xiàn)出顯著的此消彼長的權衡關系；糧食生產(chǎn)和氮輸出之間存在相互增益的協(xié)同關系。權衡強度空間異質性顯著,長三角城市群北部糧食主產(chǎn)區(qū)以及南部山區(qū)的糧食生產(chǎn)與碳儲存,糧食生產(chǎn)與產(chǎn)水量的權衡強度要高于其他地區(qū)。氮輸出與碳儲存、碳儲存與產(chǎn)水量之間的高強度權衡關系主要位于南部地區(qū)。糧食生產(chǎn)與生境質量以及氮輸出與生境質量的高強度權衡區(qū)域呈零星分布,且多集中在社會經(jīng)濟快速發(fā)展地區(qū)。權衡強度的值域統(tǒng)計表明2005年—2019年間,總體權衡強度均有所上升。

(3)長三角城市群生態(tài)系統(tǒng)服務權衡強度受多個因素共同作用,其主要影響因素包括坡度、林地覆蓋率、農(nóng)田覆蓋率、降雨、氣溫、建設用地等。坡度、林地覆蓋率和降雨等因子與NE-HQ之間的權衡強度呈負相關關系,與其他類型的生態(tài)系統(tǒng)服務權衡強度表現(xiàn)出正相關性。而建設用地比例、氣溫、農(nóng)田比例等因子與除NE-HQ以外的五對生態(tài)系統(tǒng)服務權衡強度均呈負相關關系。坡度和林地覆蓋率與CP-CS和CS-WY表現(xiàn)為較強正相關關系,而與NE-HQ權衡強度呈現(xiàn)較強負相關。建設用地與CP-CS的權衡強度表現(xiàn)為強負相關關系。