梁彩萍，徐昔保，李景宜

(1.寶雞文理學(xué)院地理與環(huán)境學(xué)院，陜西 寶雞 721013;2.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所/ 中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點實驗室，江蘇 南京 210008)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的與人類福祉密切相關(guān)的各種產(chǎn)品和惠益，是人類生存與發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的持續(xù)供給是社會和自然可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)?？茖W(xué)認識生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)創(chuàng)造、提供和使用的整個過程，厘清區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需平衡，對實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和改善人類福祉具有重要意義[2]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需研究對生態(tài)安全格局構(gòu)建、區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展起著重要支撐作用，可為確定區(qū)域平衡、生態(tài)權(quán)衡、生態(tài)管理、生態(tài)補償、國土空間規(guī)劃和生態(tài)學(xué)提供科學(xué)依據(jù)[3]。

國外對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的研究主要集中在調(diào)節(jié)、供給和文化服務(wù)。其中，供給服務(wù)研究主要包括食物、能源和水的供需[4]，這在美國和歐洲比較健全，如BURKHARD等[5]在越南和菲律賓水稻種植區(qū)利用專家打分法構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需矩陣表，得到了不同土地利用類型對應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)供需值，并提出未來生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的改進建議。KROLL等[6]基于土地利用數(shù)據(jù)分析德國東部城鄉(xiāng)地區(qū)生物能源供需，發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需變化主要受到農(nóng)業(yè)集約化等土地利用集約度影響。SERNA-CHAVEZ等[7]以美國東部地區(qū)16 955個森林地塊為研究區(qū)，對比了氣候調(diào)節(jié)服務(wù)與非生物和生物因子之間的統(tǒng)計關(guān)系，闡明了與氣候調(diào)節(jié)服務(wù)空間格局有關(guān)的非生物和生物因素，有助于理解氣候緩解潛力及其在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)和整個生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的變化。STüRCK等[8]基于歐洲尺度提出一種低數(shù)據(jù)要求、適用于多尺度情景分析的水文模型STREAM，并將其用于計算研究區(qū)洪水調(diào)節(jié)服務(wù)供給能力，可以通過保護和土地利用規(guī)劃確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)防洪供應(yīng)的有限投資領(lǐng)域。

國內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需研究處于起步階段[9]，主要開展了理論探討和和案例研究，如張立偉等[10]將供需視為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的重要組成部分；劉立程等[11]以蘭州市為例，分析研究區(qū)產(chǎn)水、糧食供應(yīng)、固碳和水土保持4大服務(wù)的供需匹配情況?，F(xiàn)有研究主要描述了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給對人類福祉的影響[12]，大多數(shù)研究忽略了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求的具體空間位置，沒有綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的空間不均勻性和空間轉(zhuǎn)移現(xiàn)象[13]。此外，現(xiàn)有研究主要是靜態(tài)研究，側(cè)重于特定時期供需之間的空間和數(shù)量關(guān)系，較少涉及時空動態(tài)研究[14]。總的來說，現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需研究大多還處于概念性和初步研究階段，對服務(wù)流的具體路徑進行清晰描述的研究相對較少[15]。

太湖流域豐富的水資源是區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的必要條件，隨著人口增長、城市擴張和工業(yè)化進程加快，與湖泊相關(guān)的水環(huán)境問題日益嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為水污染加劇和水質(zhì)下降[16]，富營養(yǎng)化狀況呈加重趨勢，湖泊面積不斷減少，如何協(xié)調(diào)太湖流域經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護的關(guān)系、緩解上下游利益相關(guān)者之間的矛盾已成為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[17]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是銜接自然環(huán)境與人類需求的重要紐帶，通過研究太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系，明確其驅(qū)動機制，有助于制定太湖流域發(fā)展與生態(tài)保護“雙贏”的政策措施[18]。劉洋等[19]采用生態(tài)模型和地統(tǒng)計方法，探討了太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系之間多維度的復(fù)雜關(guān)系及驅(qū)動機制；XU等[20]采用APSIM模型評估了1986—2015年太湖流域稻麥輪作耕地4種關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空變化格局，提出基于水質(zhì)改善和糧食穩(wěn)產(chǎn)前提下優(yōu)化調(diào)控路徑；孫小祥等[21]分析了太湖流域1985—2010年耕地動態(tài)變化及其對供給服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù)的影響?，F(xiàn)有研究主要集中在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估與權(quán)衡關(guān)系上，對太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需研究涉及較少，未來需重點拓展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需機制、優(yōu)化路徑、影響機制及調(diào)控對策研究[22]。鑒于此，采用格網(wǎng)方法將太湖流域劃分成1 613個基本單元，采用基于土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需評價矩陣評估 1995—2018年流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需盈虧動態(tài)變化，以期為流域一體化生態(tài)保護、綠色高質(zhì)量發(fā)展、國土空間規(guī)劃等頂層政策設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

太湖流域地處中國東部長三角區(qū)域(30°28′～32°15′ N、119°11′～121°51′ E)，是中國經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)之一。太湖流域面積為3.69萬km2，行政區(qū)劃包括江蘇省南部、浙江省嘉興市和湖州市、杭州市部分地區(qū)以及上海市大部分地區(qū)，其中，江蘇省面積占53%，浙江省面積占33.4%，上海市面積占13.5%，安徽省面積占0.1%[23]。太湖流域平均高程為34.4 m，高程范圍為-4～1 574 m，地勢呈西高東低。太湖流域以平原為主，平原面積占4/6，水面面積占1/6，丘陵和山地面積占1/6。流域地處中緯度地區(qū)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為15.6 ℃，自南向北遞減，年降水量為1 010～1 400 mm，60%的降水集中在5—9月。

2 材料與方法

2.1 研究方法

2.1.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需評價矩陣

BURKHARD等[24]提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需評價矩陣，是將土地利用變化(LUCC)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給、需求聯(lián)系的示范性矩陣。該方法解決了由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供求數(shù)據(jù)的復(fù)雜性和不可訪問性而難以標(biāo)準(zhǔn)化尺寸的問題，并在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與人類需求之間架起了“橋梁”，已被廣泛用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系研究。參考生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需評價矩陣[25]，結(jié)合太湖流域生態(tài)本底特征及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需狀況，從供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和文化服務(wù)3個方面遴選了23類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，將13種土地覆蓋類型與23種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型相聯(lián)系，構(gòu)建太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給、需求評價矩陣。矩陣中每個條目的得分為特定土地利用類型對應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求數(shù)值。將不同土地利用類型矩陣分值設(shè)定為0～5分，用來表征生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求的相關(guān)能力[26]：0表示無相關(guān)能力,1表示低相關(guān)能力,2表示一般相關(guān)能力,3表示中等相關(guān)能力,4表示高相關(guān)能力,5表示非常高相關(guān)。得分根據(jù)以下3個步驟的評估程序確定：(1)應(yīng)用原始矩陣為每個條目分配1個分值；(2)邀請熟悉研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的專家，根據(jù)專家意見調(diào)整每個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的原始評分；(3)經(jīng)過3輪專家小組討論得到最終得分矩陣(表1)。

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需評價矩陣

2.1.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需計算

參考兀偉等[27]基于地理格網(wǎng)的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的研究，綜合考慮不同比例尺的地理格網(wǎng)效應(yīng)、研究區(qū)范圍和數(shù)據(jù)特征等因素，采用5 km×5 km格網(wǎng)為基本評價單元，對太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系進行估算分析。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供涉及供給和需求2個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其計算公式分別為

(1)

ESD=ES-ED。

(2)

式(1)～(2)中，ES和ED分別為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求；Ek為k土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力或需求強度值；Mk為網(wǎng)格中k土地利用類型面積，km2；l為網(wǎng)格中土地利用類型數(shù)量，個；Mi為網(wǎng)格面積，km2；ESD為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配值。

采用ArcGIS 10.4軟件對每個格網(wǎng)建立各自ID值，采用Intersect工具處理土地利用其他柵格數(shù)據(jù)，為每個格網(wǎng)分配對應(yīng)的土地利用類型，再計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需值。將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配結(jié)果采用等間距法分為高度失配、輕度失配、一般匹配、良好匹配和優(yōu)質(zhì)匹配等級區(qū)5類。

2.1.3局部空間自相關(guān)分析

局部空間自相關(guān)表示一個空間單元與其領(lǐng)域之間的相似程度，可以用來說明各局部單元服從全局總體趨勢(包括方向和量級)和空間異質(zhì)性的擬合程度。采用局部Moran′sI空間自相關(guān)分析太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需集聚特征、供需平衡與空間匹配關(guān)系。采用ArcGIS 10.4軟件聚類和異常值計算太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配值(ESD)，得到其空間關(guān)聯(lián)模式。匹配類型分為以下3類：(1)高高關(guān)聯(lián)表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需盈余區(qū)(屬性值高于平均值的空間單元被屬性值高于平均值的區(qū)域包圍)，屬于正的空間關(guān)聯(lián)；(2)低低關(guān)聯(lián)表示供需赤字區(qū)，屬于正的空間關(guān)聯(lián)；(3)高低關(guān)聯(lián)和低高關(guān)聯(lián)表示供需不顯著區(qū)，屬于負的空間關(guān)聯(lián)。

2.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要包括1995、2005、2015和2018年土地利用數(shù)據(jù)(http:∥maps.elie.ucl.ac.be/CCI/viewer/)，將土地利用類型細分為旱地、水澆地、耕地、草地、園地、內(nèi)陸灘涂、灌木林地、疏林地、有林地、其他林地、水域、城鎮(zhèn)用地和裸巖地。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需數(shù)據(jù)采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)矩陣法[25]獲取。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配變化

太湖流域生態(tài)系統(tǒng)匹配值由1995年的4.76減少到2018年的-8.77，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈現(xiàn)供不應(yīng)求的趨勢。如表2所示，對比1995和2018年各匹配等級面積發(fā)現(xiàn)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)匹配等級不變區(qū)域面積占比為56.1%，下降1級的區(qū)域面積占比為38.3%，下降2級的區(qū)域面積占比為5.4%，下降3級的區(qū)域面積占比為0.2%，沒有等級上升區(qū)域。20 a來太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)一般匹配等級區(qū)占主導(dǎo)地位，即使其在2018年占比有所下降，但其面積占比也達到44.2%。1995—2005年，一般匹配等級區(qū)面積增加1.9個百分點，至2018年降低29.3個百分點，2005—2018年一般匹配等級區(qū)面積減少是受耕地等農(nóng)用地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地所致。20 a來供需高度失配等級區(qū)和輕度失配等級區(qū)面積占比均呈增長趨勢，其中，高度失配等級區(qū)面積占比由1.9%增長到9.7%；輕度失配等級區(qū)面積占比由3.2%增長到29.5%，增幅近9倍。

如圖1所示，從時空變化格局看，20 a間太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需高度失配等級區(qū)主要集中分布于上海、無錫、常州和杭州等大城市城區(qū)，并呈現(xiàn)以大城市為中心、向四周擴散趨勢。

表2 太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配等級面積比例

圖1 1995—2018年太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配等級

輕度失配等級區(qū)集中分布于高度失配等級區(qū)和中小城市建設(shè)區(qū)周圍。優(yōu)質(zhì)匹配和良好匹配等級區(qū)面積總體上均呈小幅下降趨勢，良好匹配等級區(qū)面積變化甚微，優(yōu)質(zhì)匹配等級區(qū)面積減少2.9個百分比。優(yōu)質(zhì)匹配和良好匹配等級區(qū)在空間上集中在對維持生態(tài)平衡和持續(xù)發(fā)展有重大意義的林地、草地和水域等非建設(shè)用地，是太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的核心區(qū)域，也是太湖流域生態(tài)保護重點區(qū)域。

如表3所示，1995—2005和2005—2018年太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配等級以不變?yōu)橹鳌?995—2005年優(yōu)質(zhì)匹配等級穩(wěn)定概率最低；2005—2018年輕度失配等級穩(wěn)定概率最低，為20.0%，空間上主要分布在太湖流域發(fā)達城市和中小城市四周，表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡的最大影響驅(qū)動因素是城市化快速發(fā)展。1995—2005年匹配等級下降面積是上升面積的21.1倍，2005—2018年匹配等級下降面積是上升面積的23.9倍，2個不同時段均呈現(xiàn)匹配等級下降面積遠大于上升面積的趨勢，表明1995—2018年太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需不匹配程度呈加劇趨勢。

表3 太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配等級轉(zhuǎn)移矩陣

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需集聚變化

如圖2～3所示，各年份局部自相關(guān)指數(shù)均為正值，表明太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需空間存在顯著聚集性現(xiàn)象。1995、2005、2015和2018年太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需盈余區(qū)面積占流域總面積比例分別為15.6%、14.0%、14.7%和14.9%，下降幅度很??；4個時段赤字區(qū)面積占比分別為3.8%、4.8%、10.8%和12.0%，20 a間增長2.15倍。

空間上赤字區(qū)主要集中在太湖流域東北部地區(qū)和城市周圍，總體上呈從城市中心向四周擴散趨勢，這主要是受研究區(qū)城市化進程加速以及社會經(jīng)濟和人口發(fā)展對建設(shè)用地需求增加的影響，實質(zhì)上是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求逐漸增加，而供給能力不斷減弱；盈余區(qū)整體變化趨勢不明顯，主要分布在太湖流域南部林地、太湖湖體及其周圍地域，該區(qū)域是太湖流域生態(tài)保護核心區(qū)，對流域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、完整性及可持續(xù)發(fā)展具有十分重要作用。

4 討論

從時空角度對太湖流域各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需狀況進行分析，1995—2015年太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，這與歐維新等[25]基于土地利用類型對長三角生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的研究結(jié)果一致。該研究結(jié)果表明，城市化對研究區(qū)多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求均產(chǎn)生顯著影響。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需矩陣方法可簡便、有效表征由土地利用變化驅(qū)動的快速城市化地區(qū)多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求的動態(tài)變化，研究結(jié)果表明太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配隨著城市化進程呈下降趨勢，這與基于InVEST模型評估的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需研究結(jié)果[28]相一致。針對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求評價矩陣評分的可變性(即不同專家給出的分數(shù)的差異)、矩陣中經(jīng)濟規(guī)模和人口規(guī)模的影響、土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的稀缺性及其影響機制需在未來研究中進一步修正和拓展。

劉春芳等[29]對古浪縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配進行研究，發(fā)現(xiàn)其分布特征具有南、中、北空間差異性，且呈現(xiàn)集中連片態(tài)勢，說明供需值受城市化發(fā)展和人口密度分布的影響。仇寬彪等[30]研究揭示人口規(guī)模增長、城市建設(shè)用地擴張等社會經(jīng)濟因素是影響太湖流域土地利用變化的主要原因。采用SPSS 22.0軟件對太湖流域各年GDP、人口規(guī)模、土地利用規(guī)模(建設(shè)用地面積占比)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需值等數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，表明GDP和人口規(guī)模與土地利用規(guī)模均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.762和0.640；人口規(guī)模、GDP和土地利用規(guī)模與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需值均呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.745、0.709和0.682。土地利用矩陣模型在一定程度上揭示了太湖流域生態(tài)系統(tǒng)供需格局變化趨勢，未來研究中需要綜合人口、經(jīng)濟規(guī)模等數(shù)據(jù)以準(zhǔn)確反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需變化。

圖2 1995—2018年太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需集聚分布

圖3 太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需各類集聚區(qū)占比

針對格網(wǎng)大小的選擇，不同研究往往會綜合權(quán)衡研究區(qū)位、數(shù)據(jù)精度、比例尺要求和實驗精度等因素，因地制宜選擇不同大小的格網(wǎng)。如薛亮等[31]采用1 km格網(wǎng)分析關(guān)中地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)安全狀況，兀偉等[27]基于位置服務(wù)的地理格網(wǎng)探討地理信息數(shù)據(jù)格網(wǎng)化轉(zhuǎn)換，相關(guān)研究也表明格網(wǎng)大小存在較明顯的空間尺度效應(yīng)。因此，未來研究需進一步在長時間尺度上綜合考慮經(jīng)濟、人口規(guī)模等指標(biāo)，加強對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需矩陣的區(qū)域化修正，以便高精度模擬與評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的時空演化特征，為區(qū)域國土空間規(guī)劃與生態(tài)保護提供科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié)論

采用基于土地利用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需評價矩陣分析太湖流域近20 a生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡狀態(tài)，揭示流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需盈余區(qū)時空變化格局與規(guī)律，形成以下主要結(jié)論：

(1)1995—2018年太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈現(xiàn)供不應(yīng)求趨勢。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需輕度失配等級區(qū)面積占比由1995年的3.2%增加到2018年的29.5%，一般匹配等級區(qū)面積占比由1995年的73.5%減少到2018年的44.2%，優(yōu)質(zhì)匹配和良好匹配等級區(qū)面積總體呈減少趨勢，但減少幅度不大。

(2)太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配等級整體從供需盈余向供需失配轉(zhuǎn)變。1995—2005年匹配等級下降面積占比是上升面積占比的21.1倍，2005—2018年匹配等級下降面積占比是上升面積占比的23.9倍。

(3)太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配存在較顯著空間集聚性?？臻g分布上，太湖流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需盈余區(qū)變化幅度不大，主要集中在流域南部林地和中部水域地區(qū)；而供需赤字區(qū)變化比較明顯，20 a來赤字區(qū)面積增加2倍，主要分布于流域東北部地區(qū)，且集中分布在城市周邊。