玉環市生態系統服務的供需匹配時空演化特征

張克露 宋潔 汪宇祥

(太原師范學院地理科學學院，山西 晉中 030619)

生態系統服務是生態系統對人類社會提供的直接或間接效用，是人類直接或間接從生態系統功能中獲取的所有產品和服務[1]。自從2000年以來，中國東部沿海地區社會經濟快速發展，強大的虹吸效應，吸引了越來越多的人和資源。玉環市位于浙東南沿海黃金海岸線中段，作為浙東南重要的發展極，城鎮化速度顯著加快，人地矛盾日益突出，同時出現了圍海造地面積大、環境污染嚴重、生物多樣性喪失、生態系統退化等一系列生態環境問題，使區域內生態系統結構和功能發生了巨大的變化，阻礙了生態系統服務功能的提供，嚴重威脅區域生態安全和可持續發展[2-4]。因此，在海洋強國戰略和浙江海洋強省戰略的背景下，選擇典型海島型城市——玉環為例，探究生態系統服務供需匹配特征，對于進一步推進玉環市高質量發展和可持續保護具有重要意義。

生態系統服務供給是指研究區域所能提供生態系統的產品和服務的能力[5]。Burkhard等從消費角度定義，認為生態系統服務需求是特定的時間和空間范圍內被消費或使用的生態系統服務[5]。在一定程度上生態系統服務的供需關系可以反映地區社會發展的可持續性。20世紀90年代，生態系統服務成為生態學研究的熱點。在當前的研究中，謝高地等根據我國的實際情況將生態系統服務概括為供給服務、調節服務、支持服務和社會服務4種類型[6]，研究尺度包括縣級、市級、省級和城市群[7-12]。對生態系統服務供給量估算方法大體上可分為價值量和物質量兩種評估方法[13]。本文根據玉環的情況，主要計算了食物供應服務和休閑游憩服務，以往的研究中也多采用這2種評估方法[12,14-16]。INVEST模型是生態系統服務物質量評估方法中常用方法之一，計算精度較高，與空間分析相結合可以很好地分析不同區域固碳能力空間差異性，針對不同區域碳固存供需匹配類型提出不同的建議，適合碳參數比較完善、小尺度的研究區域。國內外諸多學者運用INVEST模型分析不同土地覆蓋類型下的生物多樣性、碳儲量、水源涵養、產水量等生態系統服務功能的變化[17-19]。本文擬利用INVEST模型分析玉環市不同土地利用情況下地上生物碳、地下生物碳、土壤碳和死亡有機碳的含量進而評估玉環市總的固碳情況。

食物供應服務是人類生存的基礎，在人類社會發展中具有重要作用；碳固存服務可以調節城市氣體，改變區域環境質量；休閑游憩服務作為文化服務的重要組成部分,能夠積極影響著人類的生活質量、獲得感及幸福感[15]。21世紀以來，由于城市用地不斷擴張，玉環市城市土地覆被變化加劇并出現大范圍的圍墾填地，主要對地區的食物供應能力、碳固存能力和休閑游憩能力產生了嚴重影響。因此，本文在借鑒相關研究的基礎上，利用INVEST模型與空間分析方法，從食物供應、碳固存和休閑游憩服務3個方面，分析2000—2020年間玉環市生態系統服務的空間演化及匹配特征，旨在為玉環市及其他海灣型城市國土空間優化和生態保護提供理論依據和科學指導，以期實現陸海統籌的區域可持續發展模式。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區域概況

玉環市位于臺州市的最南端，E121°05′38″～121°32′29″，N28°01′32″～28°19′24″，東瀕東海，南連洞頭洋，西嵌樂清灣，北接溫嶺。作為全國14個海島縣之一，玉環市境內分布著眾多的島嶼，主要由玉環本島、楚門半島和135個島嶼組成，其中陸地面積378.5km2，海域面積1930km2，丘陵和山地面積約占陸域面積的68.23%，平原面積占陸域面積的31.77%。境內地勢北高南低，丘陵平原相間，玉環市屬于亞熱帶海洋性季風氣候，常年日照充足，溫暖濕潤。玉環市下轄3個街道、6個鎮、2個鄉，見圖1。據第七次人口數據普查，玉環市常住人口為64.4萬人，2019年被評為年度全國綜合實力百強縣市。隨著城市化的快速發展，城市建設用地急劇擴張、大量圍墾填海工程對周圍生態環境造成了負面影響。近年來，漩門灣二期、三期開展生態恢復工程的建設，對該地區的生態系統恢復和生態環境協調發展起到一定的積極影響。

1.2 數據來源

研究中采用的數據主要包括土地利用數據、歸一化植被指數(NDVI)、人口密度柵格數據、糧食產量、人均糧食消費量、人均生態用地數據、人均碳排放量數據。土地利用數據(LUCC)來源于中國土地利用現狀遙感監測數據庫(http://www.resdc.cn/Login.aspx)，以2000年、2010年和2020年玉環市Landsat TM/ETM、Landsat OLI遙感影像為數據源。本研究將玉環市遙感影像目視解譯為耕地、林地、人工表面、水體、海洋和未利用地6種類型。歸一化植被指數(NDVI)源自中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn)；人口密度柵格數據源于Worldpop(https://www.worldpop.org)。糧食產量和人均糧食產量來自相應年份各級統計年鑒；人均生態用地數據源自玉環市“十五”至“十三五”規劃綱要；人均碳排放量數據源于政府公報中的能源統計數據。

圖1 玉環市研究區域概況圖

1.3 研究方法

1.3.1 食物供應服務

作為生態系統服務中最基礎的供給服務之一，在人類生存和發展過程中食物供應服務是不可或缺的存在。己有研究表明，農作物產量與NDVI之間具有顯著的線性關系[20]。基于玉環市土地利用類型，將糧食、油料、水果和蔬菜的總產量按照柵格NDVI值與耕地總NDVI值比值來分配，進而表征各柵格的食物供給能力[11]，糧食需求量采用人均糧食需求量和柵格化后的人口密度乘積的方法估算，計算公式：

(1)

Dx=Dpercrop×ρxpop

(2)

式中，Gx為柵格x的食物供給量；Gsum為玉環市糧食、油料、水果和蔬菜總產量;NDVIx為柵格x的歸一化植被指數；NDVIsum為玉環市耕地的NDVI之和；Dx為柵格x的食物需求量；Dpercrop為人均糧食消費量；ρxpop為柵格x的人口密度。

1.3.2 碳固存服務

碳固存服務作為生態系統服務中的一個重要指標，對于城市氣體調節具有重要作用。本文通過INVEST模型Carbon模塊方法計算玉環市碳固存服務的供給量，碳密度參考相似的研究區域[21]。碳固存服務的需求量則采用玉環市人均碳排放量與柵格化的人口密度來計算碳固存服務的需求量，計算公式：

Sx=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(3)

Dx=Dpercarbon×ρxpop

(4)

式中,Sx為柵格x的總碳固存量；Cabove、Cbelow、Csoil、Cdead分別為柵格x的地上生物碳、地下生物碳、土壤有機碳、死亡有機物；Dx為柵格x的碳固存服務需求量；Dpercarbon為人均碳排放量；ρxpop為柵格x的人口密度。

1.3.3 休閑游憩服務

以往的休閑游憩服務研究中,主要以城市綠地、森林等作為研究對象,估算其休閑游憩服務價值[15],本研究中將林地、水體、海洋(包括近海海域灘涂、濕地等)定義為玉環市的生態用地，計算生態用地所提供的休閑游憩價值。玉環市休閑游憩的供給量通過區域的生態用地面積除以相應分區的面積計算得出。該服務的需求量則通過人均生態用地標準與柵格化后的人口密度來計算休閑游憩服務的需求量，計算公式：

Rx=Ax/Asum

(5)

Dperecologyland=Dsum/Psum

(6)

Dx=Dperecologyland×ρxpop

(7)

式中,Rx是每個像元x的休閑游憩服務的供給量;Ax表示玉環市每個像元x的生態用地面積；Asum代表玉環市每個像元x的土地總面積；ρxpop為每個像元x的人口密度；Dsum為玉環市生態用地標準，Psum為玉環市總人口；Dx每個像元x的休閑游憩服務的需求量；Dperecologyland為人均生態用地標準。

1.3.4 生態系統服務供需匹配

基于玉環市生態系統服務供給和需求計算尺度不同，本文對2000年、2010年和2020年玉環市所有生態系統服務的供給和需求結果進行標準化處理。在ArcGIS中使用創建漁網工具(CreateFishnet)以1km的格網，利用分區統計工具將2000年、2010年和2020年玉環市所有生態系統服務的供給量和需求量統計到格網，然后基于格網對各類生態系統服務的供需匹配度進行分析。格網的生態系統服務供需匹配度，用于表征玉環市生態系統服務供需盈余和不足狀態。計算公式:

(8)

式中，ER為玉環市生態系統服務供需比指數，若ER大于0，則表明生態系統服務處于盈余狀態，若ER等于0，表明生態系統服務處于供需相當的狀態，若ER小于0，則表明生態系統服務處于赤字狀態；S為生態系統服務的供給量；D為生態系統服務的需求量；Smax和Dmax分別表示生態系統服務供給和需求的最大值。

2 結果分析

2.1 食物供應服務供需的時空分布特征

從時間上看，2000—2020年玉環市食物供給量總體呈增長趨勢，增幅為90.78%。同期，玉環市食物總需求量呈下降趨勢，降幅為4.98%。這是由于2007年開始，玉環市政府推進農業結構調整，大力推進現代化農業，使玉環市食物供給量大幅增加，而隨著人民生活質量的提高，食物種類日益豐富，導致以糧食、蔬菜為主要食物來源的食物需求量呈下降趨勢。

從空間分布上來看，玉環市食物供給情況總體上呈南北高，東西低的空間分布格局，見圖2。主要由于玉環市的北部和南部的清港、楚門、蘆浦、玉城和大麥嶼城鎮地勢平坦、土壤耕性好，水肥充足是玉環市基本農田重點保護區域。因此，北部和南部內陸地區單位面積食物供給量明顯高于東部和西部灘涂濕地區域。2010年以后，大麥嶼港口的規劃建設，導致在大麥嶼的西南部食物供給能力明顯降低。食物需求區呈“高集聚，低分散”的空間格局，食物需求與人口密度分布相吻合，食物高需求范圍區主要集中分布在老城區和新城區。

玉環市食物供應服務供需比由2000年的0.31增長到2020年的0.44，整體呈現增長的趨勢。從空間分布來看，玉環市食物供應服務供需匹配類型以盈余型為主，食物供應服務盈余區區域分布在內陸城鎮地勢平坦、水肥充足的近郊區。赤字區以低供給高需求人口密集區以及低供給低需求的沿海灘涂濕地為主。2008年后，西南部大麥嶼港口和東南部國家級坎門中心漁港的開發建設，使得南部沿海地區食物供給服務赤字區范圍向西南和東南方向進一步擴張。總體而言，清港、楚門、蘆浦、玉城和大麥嶼城鎮食物供給能力較高，未來玉環市政府應在該區域劃足劃實永久基本農田，切實加強清港、楚門等城鎮耕地保護紅線，切實遏制耕地非農化、防止非糧化，保證玉環市持續充足的食物供應能力和糧食安全。

2.2 碳固存服務供需的時空分布特征

從年際變化上來看，2010—2020年玉環市碳固存供給水平較2000—2010年間有顯著提高，說明這期間沿海灘涂圍墾復耕為耕地的政策對增加區域碳固存量起到了重要的作用。碳需求量由2000年的0.33億t增長到2020年的1.63億t，增幅顯著。

從空間分布特征來看，玉環市碳固存服務供給情況總體上呈南北高，東西低的空間分布格局，見圖3，不同區域間存在明顯的空間異質性，碳固存服務高供給區域主要分布在北部和南部耕地、林地較為集中的區域。2010—2020年，漩門灣二期和三期進行灘涂圍墾復耕工程，使得碳固存供給能力明顯上升。與此同時，隨著城市綠地的不斷增加，玉環市東北部和西南部的龍溪、沙門、玉城等城鎮碳固存服務高值區普遍增加。玉環市碳需求量高值主要集中分布于玉城、坎門和楚門這些經濟發達，人類活動干擾較大的城區。20a間玉環市碳需求量穩步上升，由玉城、坎門和楚門向東部沿海城鎮擴散。

圖2 2000—2020年玉環市食物供應服務的供需情況

玉環市2000年、2010年和2020年碳固存服務供需比呈現先減小后增加的趨勢，由2000年的-0.73下降到2010年的-0.77，后又增加到2020年的-0.75。2000年后，玉環市工業化快速發展，城市建設用地不斷擴張，侵占了大量的耕地和林地，使2000—2010年間碳固存服務供給能力降低。而隨著2010年以后，玉環市大力恢復生態，在綠水青山就是金山銀山思想的指導下，恢復了大量植被，因此碳固存盈余區增多，平衡區和赤字區減少。2010年后在老城區赤字區范圍呈現擴張的趨勢，且集中連片程度較高，赤字區逐漸由以玉城坎門為主的老城區和楚門鎮向東北部龍溪、干江、沙門等城鎮擴散。

2.3 休閑游憩服務供需的時空分布特征

從時間上來看，20a來玉環市休閑游憩服務供給量呈下降的趨勢，由2000年的12.56萬km2，減少到2020年的8.35萬km2，降幅為50.48%。2000年、2010年和2020年玉環市休閑游憩需求量分別為0.02萬km2、0.17萬km2和0.29萬km2，呈顯著上升趨勢。

從空間分布來看，玉環市休閑游憩服務供給水平呈現出東西高、南北低的分布特征，見圖4，休閑游憩服務供給能力高的區域分布于東部和西部沿海地區。這些區域大多為灘涂濕地，生態服務價值較高。由于圍墾填地，2010年后在蘆浦鎮西北部的漩門灣二期和玉城、坎門相近的漩門灣三期及海山鄉北部區域休閑游憩供給水平明顯降低。玉環市休閑游憩服務需求高值集中分布在老城區和楚門鎮的中心城區。2010年后，玉環市休閑游憩服務高需求范圍由城鎮中心城區逐漸向東部沿海地區擴散。

玉環市休閑游憩服務供需比呈逐年遞減的趨勢，由2000年的1下降為2020年的0.71。由于圍墾填地和建設用地的擴張，使得休閑游憩服務供給量降低，但隨著社會經濟的發展，休閑游憩服務需求量逐年增加，因此休閑游憩服務供需比呈減少的趨勢。從空間上來看，玉環市休閑游憩服務的供需匹配類型變化趨勢為盈余區減少，平衡區和赤字區逐漸增多。2008年以來，西南部大麥嶼港口工業帶的建設和東南部老城新城一體發展，因此大麥嶼港口和老城區赤字區范圍明顯增大，赤字區范圍由西南部和東南部沿海地區逐漸向內陸地區擴散。人口密集的城鎮中心區是玉環市休閑游憩服務供需不匹配的主要區域，未來政府應重點關注這些區域居民休閑游憩需求，可以在城鎮中心區多規劃一些步行10min可達半徑的口袋公園，使居民獲得心理上和身體上的滿足感，提升居民生活質量。

圖3 2000—2020年玉環市碳固存服務的供需情況

圖4 2000—2020年玉環市休閑游憩服務的供需情況

3 結論與討論

3.1 結論

本文利用INVEST模型和空間分析方法，分析2000—2020年玉環市食物供應、碳固存和休閑游憩3種生態系統服務供需的空間格局及匹配關系演化特征，得到以下結論。

在食物供應服務方面，2000—2020年玉環市食物供給量整體呈增長態勢。其中，南部和北部內陸地區單位面積食物供給量明顯高于東部和西部沿海地區。由于城市建設用地擴張，2010年后在大麥嶼港口地區食物供給能力明顯降低；而隨著食物種類日益豐富，玉環市食物需求量呈下降趨勢；食物供應服務供需比總體上呈增長的趨勢，供需類型以盈余型為主，但南部沿海地區赤字區范圍進一步擴張。

在碳固存服務方面，20a間玉環市碳固存供給水平總體呈上升趨勢，碳固存服務供給量空間分布規律呈南北高東西低的格局，由于圍墾復耕政策的影響，2010年后在漩門灣二期和漩門灣三期等地區陸地固碳能力明顯上升；碳需求量呈增長趨勢；2000—2020年玉環市碳固存供需情況由原來的供不應求逐漸轉化為供大于求。玉環市碳固存服務的供需匹配總體變化趨勢為盈余區逐漸增多，平衡區和赤字區減少，赤字區逐漸由以玉城坎門為主的老城區和楚門鎮向東北部龍溪、干江、沙門等城鎮擴散。

在休閑游憩服務方面，20a間由于林地不斷減少，玉環市休閑游憩服務供給量呈降低的趨勢。休閑游憩服務供給水平表現為東西高、南北低；隨著居民可支配收入的提高，休閑游憩服務需求量增幅為92.51%；玉環市休閑游憩服務供需比總體上呈下降趨勢，休閑游憩服務逐漸呈現供需失衡狀態。玉環市休閑游憩服務的供需匹配類型變化趨勢為盈余區減少，平衡區和赤字區逐漸增多，南部沿海地區赤字區范圍逐漸擴大，且由西南部和東南部沿海地區逐漸向內陸地區擴散。

從空間上來看，玉環市3種生態系統服務具有顯著的空間差異性。圍墾區碳固存服務和休閑游憩服務變化較為劇烈，碳固存服務供給水平上升，而休閑游憩服務供給水平下降。中部城鎮中心城區和東北部的工業園區是生態系統服務高需求區，北部的山區耕地林地資源豐富，食物供應和碳固存服務占據主導地位，而沿海及海島地區由于生態環境較好，休閑游憩服務為該地區主要的生態系統服務類型。

3.2 討論

玉環市各生態系統服務供需在空間上呈現一定供需匹配不平衡的問題，尤其在人口密度大的區域，生態系統服務供需匹配類型多為赤字型。因此，對玉環市未來的發展提出以下幾點建議。

楚門鎮作為玉環市食物供應服務高供給區，承擔著玉環市大部分的食物需求。在工業化和城鎮化進程加快的過程中，政府合理安排該區域的土地利用規劃，在大力發展玉環文旦休閑農業的同時，未來應重點保護該區域內耕地用地基本紅線，以鞏固和維持其的食物高供給能力。

未來玉環市政府在調整碳固存服務供需平衡時，可以從提升生態系統固碳能力和減少碳排放量2方面進行考慮，通過增加城市綠地覆蓋率、恢復保護沿海灘涂濕地，提高生態系統服務固碳能力；在人口密集碳排放量較高的城鎮中心區，對于短距離出行應積極鼓勵倡導居民選擇公共交通及綠色低碳的交通方式，工業排放是碳排主要來源，工業應盡可能使用清潔能源，從而降低碳排放量。

隨著城市土地開發程度的不斷加大和人們生活水平的提高，人口越密集的區域往往人們可支配收入越高，對休閑游憩服務的需求也就越大。由于不同區域所提供的休閑游憩服務不同，未來玉環市政府在調整休閑游憩服務供需平衡時應根據差異化采取不同措施，在城鎮中心城區打造口袋公園、微綠空間，提高綠化覆蓋率，在沿海灘涂濕地區域應重點加強地區生態環境保護，在海島休閑游憩服務水平較高的地區應合理規劃路網，改善地區交通情況，提高與內陸地區交通的可達性。