秦麗　程先富　方浩玲

摘要：生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡是維持社會(huì)與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。本文應(yīng)用InVEST、CASA模型及相關(guān)物理公式評(píng)估合肥市食物供應(yīng)、碳固持、土壤保持、產(chǎn)水量和游憩服務(wù)等五種關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需狀況，基于相關(guān)性分析和地理加權(quán)回歸等方法探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的時(shí)空演化，并利用自組織映射網(wǎng)絡(luò)識(shí)別城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇的空間格局。結(jié)果表明：（1） 2000—2020年合肥市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給在空間上呈“四周高，中心低”的分布特征，與需求量相反。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡總體以盈余為主，赤字區(qū)主要分布在城市中部且范圍逐步向外擴(kuò)張。（2） 時(shí)間上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比間以協(xié)同關(guān)系為主。碳固持和產(chǎn)水服務(wù)相關(guān)系數(shù)由0.91下降至0.57，但其協(xié)同效應(yīng)最高，僅食物供應(yīng)和土壤保持服務(wù)為權(quán)衡關(guān)系。（3） 空間上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比間協(xié)同關(guān)系占比大于權(quán)衡。食物供應(yīng)和碳固持服務(wù)、食物供應(yīng)和土壤保持服務(wù)、碳固持和產(chǎn)水服務(wù)、土壤保持和游憩服務(wù)權(quán)衡比重呈上升趨勢(shì)，其余呈下降趨勢(shì)。（4） 五種生態(tài)供需簇中，城鄉(xiāng)過(guò)渡簇和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)簇變化較大，分別占總變化量的51.45%和31.81%，生態(tài)赤字簇以單向轉(zhuǎn)入為主，生態(tài)盈余簇以單向轉(zhuǎn)出為主，生態(tài)涵養(yǎng)簇變化較小。

關(guān)鍵詞：生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需； 時(shí)空變化； 權(quán)衡協(xié)同； 合肥市

中圖分類(lèi)號(hào)：X171.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)： 1001-2443（2023）06-0538-12

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類(lèi)直接或間接地從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的利益［1］，分為供應(yīng)、調(diào)節(jié)、支持和文化服務(wù)［2］，由于空間分布不均衡，難以實(shí)現(xiàn)多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益的最大化，從而形成復(fù)雜的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系［3］，權(quán)衡指一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的增加以犧牲其他服務(wù)為代價(jià)，協(xié)同指增加或減少一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)其他服務(wù)也產(chǎn)生相應(yīng)變化［4］，這往往對(duì)應(yīng)著社會(huì)—生態(tài)系統(tǒng)管理目標(biāo)之間的沖突和共贏關(guān)系［5］。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需關(guān)系由自然生態(tài)系統(tǒng)的供給和人類(lèi)對(duì)其的需求來(lái)反映［6］，城市的迅速發(fā)展，生態(tài)系統(tǒng)的破壞和退化與人類(lèi)日益增長(zhǎng)的物質(zhì)和文化需求之間的矛盾正在加劇，這在很大程度上威脅著區(qū)域生態(tài)安全，引發(fā)生態(tài)環(huán)境污染和惡化［7］。可持續(xù)的生態(tài)環(huán)境供給是自然和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)［8］，因此探索生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系，能夠清晰地反映生態(tài)系統(tǒng)的承載能力以及人類(lèi)活動(dòng)對(duì)其干擾程度［9］，為生態(tài)系統(tǒng)管理和資源配置提供決策基礎(chǔ)，對(duì)平衡社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義，同時(shí)為制定合理的生態(tài)補(bǔ)償方案提供理論支持。

目前對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究大多是從供需關(guān)系的角度或從權(quán)衡的角度進(jìn)行。供需關(guān)系方面主要包括供需量化與評(píng)估［10-11］、供需匹配分析［12-13］、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流［14-15］等方面，研究方法上，基于不同生態(tài)模型如InVEST［16-17］、RUSLE［18］、CASA［14， 19］、SolVES［20］和ARIES［21］模型等對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行定量評(píng)估，其結(jié)果空間可視化程度高且適用范圍廣，現(xiàn)已成主流。劉立程等［13］應(yīng)用模型等方法評(píng)估了蘭州市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給量，通過(guò)人口密度指標(biāo)計(jì)算需求量，進(jìn)行區(qū)域供需匹配分析與評(píng)價(jià)，有助于識(shí)別供需之間的空間差異［22］。權(quán)衡分析方面多聚焦于供給側(cè)［23］，結(jié)合供需關(guān)系與權(quán)衡分析的研究較少，許多學(xué)者在國(guó)家［24］、區(qū)域以及流域［24-28］等多種尺度上采用相關(guān)性分析［29］、均方根偏差［30］和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)［31］等方法分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間復(fù)雜的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系，此外，基于空間疊置法［32］、逐像元偏相關(guān)分析［27， 33］和地理加權(quán)回歸 （Geographically Weighted Regression，GWR）［34］等方法反映權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的空間分異特征，可以為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的管理和利用提供空間導(dǎo)向作用。現(xiàn)有研究主要側(cè)重在時(shí)間尺度上對(duì)供需關(guān)系進(jìn)行權(quán)衡分析，但在空間尺度還未涉及。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇是在空間上具有相似生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)構(gòu)成的組合［5］，通過(guò)層次聚類(lèi)［35］、K-means［36］、或自組織映射網(wǎng)絡(luò) （Self-Organizing Map，SOM）［37-38］等聚類(lèi)方法，識(shí)別多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同作用，因此將供需關(guān)系應(yīng)用于服務(wù)簇層面，有助于精確評(píng)估不同服務(wù)簇內(nèi)的供需關(guān)系特征，為優(yōu)化資源配置提供指導(dǎo)。在研究區(qū)域上，現(xiàn)有研究主要涉及流域、城市群［39-40］以及生態(tài)脆弱區(qū)［41］等，針對(duì)市級(jí)小尺度研究較少；同時(shí)，已有學(xué)者對(duì)合肥市進(jìn)行了碳儲(chǔ)量的評(píng)估與預(yù)測(cè)研究［42］，但對(duì)該地區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的供需關(guān)系探究較少，深入了解生態(tài)系統(tǒng)如何為人類(lèi)福祉做出貢獻(xiàn)，有助于更好地理解生態(tài)系統(tǒng)與人類(lèi)社會(huì)之間的相互關(guān)系，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

生態(tài)問(wèn)題往往在城市中更為突出，合肥市作為安徽省的省會(huì)，工業(yè)化和城鎮(zhèn)化持續(xù)快速增長(zhǎng)加劇了建設(shè)用地和生態(tài)用地之間的沖突，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)供給受到威脅，城市居民數(shù)量不斷增加，需求更加旺盛，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和碳排放脫鉤難度較大，不可避免的對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系產(chǎn)生一定的影響，這從根本上來(lái)說(shuō)是由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需不平衡造成的。鑒于此，本文以合肥市為研究對(duì)象，評(píng)估區(qū)域內(nèi)2000年、2010年和2020年食物供應(yīng)、碳固持、土壤保持、產(chǎn)水和游憩服務(wù)等五種關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需狀況與供需平衡的空間分異，基于相關(guān)性分析、地理加權(quán)回歸和SOM聚類(lèi)等方法，在時(shí)間、空間和服務(wù)簇角度進(jìn)行權(quán)衡分析，提供更全面的供需關(guān)系視角，為資源管理和城市規(guī)劃提供更明智的決策信息。

1 研究方法與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

合肥市地處安徽省中部，位于江淮之間，環(huán)抱巢湖（30°56′—32°33′N(xiāo)、116°40′—117°58′E），管轄范圍包括四區(qū) （蜀山區(qū)、廬陽(yáng)區(qū)、包河區(qū)、瑤海區(qū)） 、四縣 （肥西縣、肥東縣、長(zhǎng)豐縣、廬江縣） 和巢湖市 （圖 1），總面積11445 km?。地形以丘陵崗地為主，江淮分水嶺自西向東橫貫全境，西南部屬大別山余脈。土壤以黃棕壤、水稻土為主。屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年均氣溫15.7 °C，年均降水量約1000 mm。2000—2020年，合肥市常住人口由447萬(wàn)增長(zhǎng)至946.5萬(wàn)，城鎮(zhèn)化率由44.1%增至82.3%。經(jīng)濟(jì)發(fā)展各項(xiàng)增速均在全國(guó)省會(huì)城市屬于前列，隨著城市化和工業(yè)化的加速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境受到了一定程度的破壞，城市的交通和工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生大量的尾氣和廢氣，這些排放物對(duì)大氣環(huán)境造成污染，直接影響居民的身體健康和生活質(zhì)量。城市擴(kuò)張對(duì)糧食和水資源的需求也很大，城市的建設(shè)和工業(yè)生產(chǎn)會(huì)導(dǎo)致污水的排放和水質(zhì)的惡化，給城市和周邊生態(tài)環(huán)境帶來(lái)極大的負(fù)面影響。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

主要數(shù)據(jù)包括：①土地利用數(shù)據(jù)，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 （https：//data.casearth.cn/），依據(jù)研究需要將2000年、2010年和2020年數(shù)據(jù)合并為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6個(gè)一級(jí)地類(lèi)，分辨率為30 m。②氣象數(shù)據(jù)，由合肥市及周邊21個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)插值獲得，來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng) （http：//data.cma.cn/） 。③DEM數(shù)據(jù)，來(lái)自地理空間數(shù)據(jù)云 （http：//www.gscloud.cn/），分辨率為30 m。④土壤數(shù)據(jù)，來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院南京土壤所第二次全國(guó)土壤普查數(shù)據(jù)。⑤NDVI數(shù)據(jù)，為NASA提供的MOD13Q1產(chǎn)品 （http：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov），空間分辨率為250 m。⑥人口密度數(shù)據(jù)，來(lái)自WorldPop （https：//www.worldpop.org/），分辨率為100 m。⑦社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，源于《安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒》《合肥市統(tǒng)計(jì)年鑒》《居巢年鑒》《廬江年鑒》以及《水資源公報(bào)》等。

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需評(píng)估

（1） 食物供應(yīng)服務(wù)。依據(jù)耕地、草地和水域的NDVI比值，將各區(qū)縣的作物產(chǎn)量進(jìn)行空間分配；對(duì)于需求，通過(guò)人均糧食消費(fèi)量乘以人口密度的方法來(lái)估算，公式如下：

式中：Sfs（i） 為 i 柵格分配的糧食、蔬菜、肉類(lèi)、奶類(lèi)和水產(chǎn)品等產(chǎn)量 （t） ；Gsum 為合肥市食物的總產(chǎn)量 （t） ；[NDVIi]NDVIi 表示柵格單元 i 的NDVI值；[NDVIsum]NDVIsum表示合肥市耕地、草地或水域的NDVI值之和；Dfs 為食物需求量（t/hm?）；Dpcfs 為人均食物需求量 （kg） ；ρpop 為人口密度 （人/hm?） 。

（2） 碳固持服務(wù)。選用朱文泉等改進(jìn)的CASA模型實(shí)現(xiàn)對(duì)NPP的模擬，植被每累積1個(gè)單位的干物質(zhì)可以固定1.63個(gè)單位的[CO2]［43］[CO2]；對(duì)于需求，通過(guò)碳排放系數(shù)法計(jì)算區(qū)域耕地和建設(shè)用地碳排放總量，公式如下：

式中：[Scs（i）] 為每個(gè)柵格碳固持供給量 （t） ；NPP 為每個(gè)柵格的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力 （gC） ；[APAR（i， t）]APAR（i，t） 為植被吸收的光合有效輻射；[ε（i，t） ]為光合有效輻射轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳的效率；Dcs 為碳固持服務(wù)需求量 （t/hm?） ；[Dcro] 為耕地碳排放量；[Dcon] 為建設(shè)用地碳排放量；A 為耕地面積；[δcro]為地碳排放系數(shù)；E 為合肥市能源消費(fèi)總量 （萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤） ，δcon 為標(biāo)準(zhǔn)煤的碳排放系數(shù)，具體參數(shù)見(jiàn)參考文獻(xiàn)［11，44］。

（3） 土壤保持服務(wù)。采用通用土壤流失方程 （RUSLE） 對(duì)區(qū)域土壤保持量進(jìn)行估算；以實(shí)際土壤侵蝕量作為需求量，公式如下：

式中：[Ssc]為土壤保持量 （t/hm?）；R 為降雨侵蝕因子；K 為土壤可侵蝕因子；LS 為坡長(zhǎng)坡度因子；C 為植被覆蓋因子；P 為水土保持因子；[Dsc]為土壤侵蝕量，具體計(jì)算公式見(jiàn)參考文獻(xiàn)［25］。

（4） 產(chǎn)水服務(wù)。基于InVEST模型中的water yield模塊對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，主要根據(jù)熱耦合平衡假設(shè)和年平均降水量進(jìn)行計(jì)算［17］，需求量來(lái)自《水資源公報(bào)》中城鄉(xiāng)生活用水、農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水和生態(tài)用水，公式如下：

式中：[Swy（i）]為柵格i的年產(chǎn)水量 （mm） ；[AETi]為柵格i上的年蒸發(fā)量 （mm） ；[Pi]為柵格i上的年降雨量 （mm） ，為了與需求相對(duì)應(yīng)，將柵格面積與[Swy（i）] 相乘得到產(chǎn)水體積，作為產(chǎn)水服務(wù)的供給量 （m?） 。[Dwy]為用水量 （m?） ；[Dliv]為城鄉(xiāng)生活用水；[Dagr] 為農(nóng)業(yè)用水；D ind 為工業(yè)用水；Deco 為生態(tài)用水。

（5） 游憩服務(wù)。游憩服務(wù)的供給被估計(jì)為研究區(qū)內(nèi)居民可用的綠地面積，游憩需求為人均舒適綠地面積乘以人口密度，公式如下：

式中：[Sre]表示游憩服務(wù)的供給量；[Areagreen]為行政區(qū)域中綠地的實(shí)際面積；Areaunit為行政區(qū)域的總面積；Dre為游憩服務(wù)的需求量；[Areatarget] 為規(guī)劃的人均綠地面積；ρpop 為人口密度 （人/hm?）。

1.3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比

通過(guò)利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給與人類(lèi)需求聯(lián)系起來(lái)，從而衡量生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需平衡程度。公式如下：

式中：RESD表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比；S和D為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給量和需求量；[Smax]和[Dmax]為供給量和需求量的最大值。RESD > 0時(shí)，表示供過(guò)于求；RESD = 0時(shí)，表示供需平衡；RESD < 0時(shí)，表示供不應(yīng)求。

1.3.3 相關(guān)性分析

運(yùn)用R語(yǔ)言corrplot包，通過(guò)相關(guān)性分析計(jì)算合肥市五種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比之間的Pearson系數(shù)，以直觀顯示不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。若兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)系數(shù)為正，且通過(guò)95%水平的顯著性檢驗(yàn)，則表明該對(duì)服務(wù)為協(xié)同關(guān)系，反之為權(quán)衡關(guān)系。

1.3.4 地理加權(quán)回歸模型

地理加權(quán)回歸模型的回歸系數(shù)在空間上具有變化性，即在不同地理位置上的自變量對(duì)因變量的影響程度不同，可以更準(zhǔn)確地反映地理空間上的空間異質(zhì)性和空間非平穩(wěn)性?？紤]到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布、空間相互作用以及不同利益相關(guān)者對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求，使用該模型來(lái)識(shí)別供需比之間的空間交互作用［34］，回歸系數(shù)為正表示空間協(xié)同，回歸系數(shù)為負(fù)表示空間權(quán)衡。本文創(chuàng)建46036個(gè)500 m × 500 m的漁網(wǎng)對(duì)研究區(qū)不同類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比進(jìn)行提取，使用R語(yǔ)言GWmodel包進(jìn)行權(quán)衡與協(xié)同分析，模型公式如下：

式中：Yi 為因變量；（ui，vi） 為第i 個(gè)樣本單元的時(shí)空坐標(biāo)，其中ui 和vi 分別是緯度和經(jīng)度；β0（ui，vi） 為回歸截距；p 為解釋變量的個(gè)數(shù)；βk（ui，vi） 為變量k 的回歸系數(shù)；xik 為自變量；εe 為模型殘差。

1.3.5 自組織映射網(wǎng)絡(luò)

自組織映射網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了主成分分析和K-means聚類(lèi)分析方法，通過(guò)迭代的方式，將輸入數(shù)據(jù)樣本逐步映射到神經(jīng)元上，并不斷調(diào)整神經(jīng)元的權(quán)值，使相鄰的神經(jīng)元權(quán)值趨于相似，達(dá)到分類(lèi)處理的目的［37］，有助于從服務(wù)簇視角下探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系［45］，基于漁網(wǎng)數(shù)據(jù)使用R語(yǔ)言fpc包中的pamk函數(shù)確定最佳聚類(lèi)數(shù)為5，最后通過(guò)kohonen包執(zhí)行SOM。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系時(shí)空演變

2000—2020年合肥市食物供應(yīng)、碳固持、土壤保持、產(chǎn)水量和游憩服務(wù)平均供給量分別為5.13 t/hm2、7.46 t/hm2、125.47 t/hm2、8994.88 m3/hm2和0.0643 hm2/hm2，表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有一定的供給水平；平均需求量分別為1.70 t/hm2、36.58 t/hm2、13.69 t/hm2、2642.00 m3/hm2和0.0057 hm2/hm2，僅碳排放量超出其平均供給量。在空間上，供給量與需求量呈現(xiàn)出供需錯(cuò)位的分布特征 （圖 2） ，其中食物供應(yīng)、碳固持和游憩服務(wù)的供給與需求具有相似的空間格局，大體上呈“四周高，中心低”的分布特征，高供給區(qū)集中在植被覆蓋度較高的低山丘陵地區(qū)，面積在不斷收縮；受人口、土地利用變化等影響，需求量呈“中心高，四周低”的分布格局，高需求區(qū)集中在城市中心地區(qū)，面積不斷向外圍擴(kuò)張。土壤保持服務(wù)的供給與需求分布較為一致且變化不大，受降水和地形等因素影響，呈“南高北低”的分布格局。產(chǎn)水量在空間上大體上呈“南高北低，中心略高”的分布格局，中心城區(qū)由于城市道路的影響，地面硬化導(dǎo)致地表徑流增大，形成產(chǎn)水量次高值區(qū)，且范圍逐步擴(kuò)大，用水量高值區(qū)同樣集中分布在中心城區(qū)且范圍逐步向外圍擴(kuò)張。

2000—2020年合肥市食物供應(yīng)、碳固持、土壤保持、產(chǎn)水量和游憩服務(wù)平均供需比分別為0.0112、?0.0817、0.0127、0.3498和0.0483，整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系相對(duì)平衡，呈高供給–低需求匹配模式，但在碳固持方面存在供需不平衡的問(wèn)題?？臻g上總體以盈余為主，除土壤保持服務(wù)外，受需求影響，城市中部為主要赤字區(qū)，土地利用以建設(shè)用地為主，盈余區(qū)位于城市周?chē)母睾椭脖桓采w度較高的林地等，形成服務(wù)流不斷向中心城區(qū)供應(yīng) （圖 3） ，其中食物供應(yīng)、碳固持和產(chǎn)水服務(wù)赤字區(qū)變化較大，由占總面積的9.96%、2.92%和3.58%擴(kuò)大至12.99%、7.44%和6.05%，供需赤字現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重；游憩服務(wù)赤字區(qū)占比波動(dòng)較小，由3.16%增加至4.71%，供需平衡及盈余區(qū)占比較大；土壤保持服務(wù)赤字區(qū)多位于植被覆蓋度較低的山地周?chē)?，受地形和坡度影響，陡峭的山坡、?qiáng)烈的雨水沖擊以及缺乏植被覆蓋等因素導(dǎo)致山地土壤容易流失，減少土壤的保持能力，呈低供給—高需求的匹配模式，赤字區(qū)由占總面積的2.90%下降至1.75%，總體分布格局變化不大。

合肥市各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位面積供給、需求和供需比變化也存在差異。由圖 4可以看出，食物供應(yīng)服務(wù)在2000—2010年單位面積供應(yīng)量呈上升趨勢(shì)，而需求量下降，因此單位面積供需比表現(xiàn)為正且有所增長(zhǎng)，2010—2020年則相反，2000—2020年總體保持上升狀態(tài)；碳固持和游憩服務(wù)在2000—2020年單位面積供應(yīng)量變化較小，甚至出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，而需求量大且增長(zhǎng)迅速，單位面積供需比均表現(xiàn)為負(fù)增長(zhǎng)，其中碳固持服務(wù)長(zhǎng)期處于供不應(yīng)求狀態(tài)；土壤保持和產(chǎn)水服務(wù)在2000—2020年單位面積供給量遠(yuǎn)大于其需求量，單位面積供需比為正并呈逐步上升趨勢(shì)。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系權(quán)衡與協(xié)同分析

2.2.1 權(quán)衡與協(xié)同時(shí)間變化分析

2000—2020年合肥市5種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比之間共形成30組相關(guān)關(guān)系（圖 5），均具有顯著性，其中有27組表現(xiàn)為正相關(guān)，整體以協(xié)同關(guān)系為主，僅食物供應(yīng)和土壤保持服務(wù)之間為權(quán)衡關(guān)系。各年份供需比間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系較為穩(wěn)定，碳固持和產(chǎn)水服務(wù)之間協(xié)同效應(yīng)最高。具體來(lái)看，2000—2020年食物供應(yīng)和碳固持、產(chǎn)水服務(wù)供需比之間表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系，相關(guān)系數(shù)呈先升后降趨勢(shì)，2010年處于最高值，為0.40和0.39，而食物供應(yīng)與土壤保持服務(wù)供需比之間相關(guān)系數(shù)為負(fù)，呈先降后升趨勢(shì)，但整體相關(guān)性較弱，2010年權(quán)衡效應(yīng)最高；土壤保持與碳固持、產(chǎn)水服務(wù)供需比之間相關(guān)系數(shù)呈上升趨勢(shì)，分別由0.02和0.08增長(zhǎng)至0.04和0.16，協(xié)同效應(yīng)逐漸增強(qiáng)；相反，碳固持與產(chǎn)水服務(wù)供需比之間協(xié)同關(guān)系逐步轉(zhuǎn)弱，2000年供需比之間相關(guān)系數(shù)為0.91，表明二者之間存在強(qiáng)烈的正相關(guān)關(guān)系，意味著碳固持服務(wù)供需比的變化與產(chǎn)水服務(wù)供需比的變化呈現(xiàn)高度一致性，2010年和2020年相關(guān)系數(shù)分別下降至0.82和0.57，表明其一致性逐漸減弱，但仍然存在較強(qiáng)的協(xié)同關(guān)系；與游憩服務(wù)相關(guān)的4對(duì)供需比之間相關(guān)系數(shù)均大于0.1，呈穩(wěn)步上升趨勢(shì)，表明其協(xié)同關(guān)系有所加強(qiáng)。

2.2.2 權(quán)衡與協(xié)同空間尺度分析

由圖 6可以看出，基于地理加權(quán)回歸模型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性，總體來(lái)看協(xié)同關(guān)系比重較大，不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間存在差異。2000—2020年合肥市食物供應(yīng)和碳固持服務(wù)協(xié)同關(guān)系比重由86.19%下降至78.27%，在水域上呈強(qiáng)協(xié)同關(guān)系，林地上由于食物供應(yīng)赤字而碳固持盈余呈權(quán)衡關(guān)系；土壤保持和食物供應(yīng)、碳固持服務(wù)間大體上以權(quán)衡關(guān)系為主，受土地利用類(lèi)型影響，城市中心食物供應(yīng)和碳固持均為赤字而土壤保持盈余因此呈強(qiáng)權(quán)衡關(guān)系；食物供應(yīng)和產(chǎn)水、游憩服務(wù)間協(xié)同關(guān)系比重分別大于89%和68%且呈上升趨勢(shì)，中心地區(qū)表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系，林地上表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系；碳固持和產(chǎn)水服務(wù)間供需盈余與赤字分布變化較小，協(xié)同關(guān)系比重在90%以上；土壤保持與產(chǎn)水服務(wù)協(xié)同關(guān)系比重由74.27%上升至88.52%，在林地上表現(xiàn)為強(qiáng)協(xié)同關(guān)系，城市中心表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系；碳固持和游憩服務(wù)權(quán)衡關(guān)系比重由23.61%下降至11.48%，在中心地區(qū)表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系，部分耕地上表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系；土壤保持和游憩服務(wù)2000年和2020年權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系比重相當(dāng)，2010年以協(xié)同關(guān)系為主，權(quán)衡關(guān)系主要分布在中心地區(qū)以及水域；產(chǎn)水服務(wù)和游憩服務(wù)權(quán)衡關(guān)系比重由42.51%下降至31.23%，主要分布在耕地及水域且較為破碎。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需簇

根據(jù)自組織映射網(wǎng)絡(luò)方法識(shí)別出合肥市5種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需簇，根據(jù)每個(gè)供需簇中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比特征，分別命名為生態(tài)赤字簇 （B1） 、生態(tài)盈余簇 （B2） 、生態(tài)涵養(yǎng)簇 （B3） 、城鄉(xiāng)過(guò)渡簇 （B4） 和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)簇 （B5） 。如圖 7所示，B1主要分布在城市中心地區(qū)，土地利用類(lèi)型以建設(shè)用地為主，人類(lèi)活動(dòng)是導(dǎo)致生態(tài)赤字簇出現(xiàn)和持續(xù)存在的主要原因，城市地表硬化減少了水土流失，因此土壤保持服務(wù)為盈余，但其余生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均為赤字狀態(tài)；B2集中在南部和東部的山地以及低山丘陵地區(qū)，土地利用類(lèi)型以林地為主，海拔相對(duì)較高，受人為干擾較少且植被覆蓋度較高，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均為盈余狀態(tài)；B3主要分布在區(qū)域內(nèi)的湖泊和濕地，食物供應(yīng)和碳固持服務(wù)占比較大且為盈余狀態(tài)；B4主要分布在B1的外圍，土地利用類(lèi)型以草地、耕地為主，食物供應(yīng)和碳固持服務(wù)為赤字，產(chǎn)水服務(wù)表現(xiàn)為盈余狀態(tài)，伴隨著城市化擴(kuò)張，這部分區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)赤字簇；B5分布空間最為廣泛，涵蓋了大部分研究區(qū)，土地利用類(lèi)型以耕地、林地為主，食物供應(yīng)、碳固持和產(chǎn)水服務(wù)以盈余為主導(dǎo)，大體上保持供需平衡狀態(tài)。

2000—2020年合肥市不同類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需簇間動(dòng)態(tài)變化如表1所示。2000—2010年中B5面積變化最大，占總體變化量的45.96%，主要是由B2和B3轉(zhuǎn)移而來(lái)；2010—2020年中B4面積變化最大，占總體變化量的60.47%，主要是由B3和B5轉(zhuǎn)移而來(lái)；總體來(lái)看，2000—2020年受城市化、工業(yè)化以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型等影響，B4和B5面積變化較大；B1以單向轉(zhuǎn)入為主，這部分區(qū)域吸引了大量人口和資源，以滿(mǎn)足其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需要；B2以單向轉(zhuǎn)出為主，隨著周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)、人口等因素的變化，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求也發(fā)生變化；B3變化相對(duì)較小，濕地、水域等區(qū)域受自然條件和地形地貌的影響較大，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)其影響程度較低，同時(shí)還具備一定的緩沖能力，即使受到一定程度的干擾，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給也不會(huì)立即受到影響。

3 討論

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系分析

自然生態(tài)系統(tǒng)由于人類(lèi)活動(dòng)的影響受到巨大干擾，與社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)融合形成了人地耦合的社會(huì)—生態(tài)系統(tǒng)［39］，供給與需求便是一對(duì)主要矛盾，伴隨著城市化的快速發(fā)展，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需關(guān)系變得越來(lái)越緊張，市級(jí)研究可以更準(zhǔn)確捕捉到局部的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需特征和變化。基于不同生態(tài)模型和物理公式計(jì)算出2000年、2010年和2020年合肥市五種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給與需求量，發(fā)現(xiàn)供需間呈現(xiàn)出相反的分布格局，高需求區(qū)往往對(duì)應(yīng)著低供給區(qū)，具有明顯的空間異質(zhì)性，同時(shí)受土地利用和人口密度變化影響較為明顯，合肥市耕地面積由9251.04 km2逐步下降至8450.78 km2，而建設(shè)用地面積由329.55 km2逐步擴(kuò)張至846.08 km2，尤其限制了食物供應(yīng)服務(wù)的供給能力。單位面積供需變化差異明顯，伴隨城市化和工業(yè)化發(fā)展，能源消耗和工業(yè)活動(dòng)的增加，碳排放量持續(xù)增長(zhǎng)且增速最快。

通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比識(shí)別區(qū)域內(nèi)的供需 （盈余、平衡和赤字） 狀況，發(fā)現(xiàn)赤字區(qū)通常是人口密集的城市中心和人口聚集區(qū)，而盈余區(qū)是農(nóng)業(yè)用地和自然生態(tài)系統(tǒng)較為集中的林地和草地部分，伴隨著土地利用變化，建設(shè)用地逐步向周?chē)?、林地?cái)U(kuò)張，供需赤字區(qū)域面積在逐漸增大，相對(duì)于需求增長(zhǎng)速度，自然界供給能力的變化速度相對(duì)較慢，無(wú)法及時(shí)滿(mǎn)足這種快速增長(zhǎng)的需求，導(dǎo)致了供需赤字問(wèn)題日益嚴(yán)重。研究中土壤保持服務(wù)變化較小，可能是受林地的約束作用，合肥市總體地勢(shì)相對(duì)平坦，土壤質(zhì)量較好，有利于農(nóng)作物的種植和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，具備了較強(qiáng)的土壤保持能力，相對(duì)較少出現(xiàn)土壤侵蝕和水土流失等問(wèn)題。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同分析

研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系，目的是深入理解各個(gè)服務(wù)之間的相互作用和相互依賴(lài)性，評(píng)估供需關(guān)系變化對(duì)其他服務(wù)的影響，在資源有限的情況下，通過(guò)合理的資源分配和管理來(lái)實(shí)現(xiàn)供需關(guān)系的平衡，有助于制定科學(xué)的生態(tài)系統(tǒng)管理策略，以實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和提升人類(lèi)社會(huì)福祉。分析不同供需比之間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系發(fā)現(xiàn)，2000—2020年合肥市食物供應(yīng)與碳固持、食物供應(yīng)與產(chǎn)水量、碳固持與產(chǎn)水量3組服務(wù)供需比之間的協(xié)同程度較高，表現(xiàn)為一榮俱榮、一損俱損的狀態(tài)，這與劉立程等［13］在黃土丘陵地區(qū)的研究結(jié)論一致；而食物供應(yīng)與土壤保持服務(wù)供需比之間表現(xiàn)為較弱的權(quán)衡關(guān)系，這與Wu等［46］基于小流域尺度在贛江流域的研究結(jié)論不一致，不同尺度的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系具有一定差異性?；诘乩砑訖?quán)回歸模型直觀體現(xiàn)出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系間權(quán)衡與協(xié)同作用的空間分布特征，食物供應(yīng)與土壤保持服務(wù)供需比之間以權(quán)衡關(guān)系占比為主，并且與時(shí)間尺度表現(xiàn)一致；其余生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系在時(shí)間尺度上均表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系，但在空間上仍存在一定的權(quán)衡關(guān)系占比。此外，權(quán)衡關(guān)系會(huì)影響供求平衡，如果決策者選擇增加碳固持或游憩服務(wù)的供應(yīng)量，可能需要將一部分土地從其他用途轉(zhuǎn)為林地或草地，從而降低了食物供應(yīng)的供給能力；而供求的變化也會(huì)引發(fā)權(quán)衡關(guān)系的出現(xiàn)，如果人口密度增加導(dǎo)致對(duì)食物供應(yīng)的需求增加，可能會(huì)引發(fā)決策者增加耕地面積，但這可能會(huì)對(duì)其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù) （如土壤保持、碳固持等） 造成影響，從而產(chǎn)生權(quán)衡關(guān)系。這種相互作用有助于我們更好地理解生態(tài)系統(tǒng)管理和資源分配中的復(fù)雜性，以及如何在保障生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的基礎(chǔ)上滿(mǎn)足人類(lèi)需求。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間具有相互依賴(lài)性，在考慮了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)一對(duì)一之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系外，基于自組織映射網(wǎng)絡(luò)識(shí)別了五種生態(tài)供需簇的空間分布和內(nèi)在組成差異，發(fā)現(xiàn)這五種供需簇與土地利用類(lèi)型關(guān)聯(lián)度較高，伴隨城市發(fā)展，建設(shè)用地不斷向外擴(kuò)張，城市邊緣區(qū)供需簇類(lèi)型不斷發(fā)生變化，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量也在不斷下降，這與閆曉露等［37］、馮兆等［38］的研究結(jié)果較為一致。針對(duì)不同供需簇的特征，提出以下生態(tài)調(diào)控建議，以規(guī)范和優(yōu)化生產(chǎn)、生活、生態(tài)的空間格局：①生態(tài)赤字簇：調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局和結(jié)構(gòu)，推進(jìn)清潔生產(chǎn)，建立生態(tài)服務(wù)收費(fèi)項(xiàng)目，劃定城市發(fā)展邊界；②生態(tài)盈余簇：建設(shè)生態(tài)公益林，劃定生態(tài)紅線(xiàn)，發(fā)展生態(tài)旅游；③生態(tài)涵養(yǎng)簇：休漁養(yǎng)湖，加強(qiáng)巢湖生物多樣性保護(hù)，加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)；④城鄉(xiāng)過(guò)渡簇：退耕還林還草，建設(shè)城市—鄉(xiāng)村生態(tài)廊道，發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)；⑤農(nóng)業(yè)生產(chǎn)簇：保護(hù)基本農(nóng)田，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，改善土壤肥力和土壤健康。

3.3 局限性及未來(lái)研究方向

本研究評(píng)估了合肥市食物供應(yīng)、碳固持、土壤保持、產(chǎn)水量和游憩服務(wù)等五種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給和需求，包含了供應(yīng)、調(diào)節(jié)和文化服務(wù)，但缺少對(duì)支持服務(wù)的量化與評(píng)估，可能導(dǎo)致對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的綜合理解還不夠全面。由于不同區(qū)域內(nèi)部自然和人為因素存在差異，下一步更應(yīng)關(guān)注在縣級(jí)、流域等小尺度上的尺度效應(yīng)。本文僅探討了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需簇的時(shí)空分布與數(shù)量轉(zhuǎn)移，未考察供需簇中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)空演化軌跡及其規(guī)模效應(yīng)，今后研究中還應(yīng)充分考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求在不同時(shí)空尺度上的動(dòng)態(tài)變化及其影響因素，結(jié)合供需驅(qū)動(dòng)機(jī)制深入探究權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系演化的滯后效應(yīng)和閾值效應(yīng)，推動(dòng)生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的良性互動(dòng)。

4 結(jié)論

通過(guò)定量評(píng)估2000年、2010年和2020年合肥市食物供應(yīng)、碳固持、土壤保持、產(chǎn)水量和游憩服務(wù)等五種關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需狀況，在時(shí)間、空間和服務(wù)簇等多尺度探究供需平衡間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的時(shí)空演化特征，得出以下結(jié)論：

（1） 碳固持服務(wù)供需比為?0.0817，供需赤字問(wèn)題突出，食物供應(yīng)、土壤保持、產(chǎn)水量和游憩服務(wù)供需比分別為0.0112、0.0127、0.3498和0.0483，供需關(guān)系表現(xiàn)為盈余狀態(tài)，但空間上存在赤字區(qū)域，城市中心地區(qū)赤字現(xiàn)象最為嚴(yán)重，食物供應(yīng)服務(wù)在各時(shí)期空間赤字占比均為最高。

（2） 時(shí)間上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比之間以協(xié)同關(guān)系為主，碳固持和產(chǎn)水服務(wù)間協(xié)同效應(yīng)最高，僅食物供應(yīng)和土壤保持服務(wù)間表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系，同時(shí)，與食物供應(yīng)和碳固持、產(chǎn)水服務(wù)間的相關(guān)系數(shù)均呈下降趨勢(shì)。

（3） 不同時(shí)期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比間的空間權(quán)衡與協(xié)同模式較為穩(wěn)定，城市中心地區(qū)多表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系，總體協(xié)同占比大于權(quán)衡。僅食物供應(yīng)和碳固持服務(wù)、食物供應(yīng)和土壤保持服務(wù)、碳固持和產(chǎn)水服務(wù)、土壤保持和游憩服務(wù)權(quán)衡比重呈上升趨勢(shì)，其余呈下降趨勢(shì)。

（4） 合肥市共劃分為五種生態(tài)供需簇，其空間分布與功能結(jié)構(gòu)差異明顯。2000—2020年城鄉(xiāng)過(guò)渡簇和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)簇變化較大，生態(tài)赤字簇以單向轉(zhuǎn)入為主，生態(tài)盈余簇以單向轉(zhuǎn)出為主，生態(tài)涵養(yǎng)簇變化較小。

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Spatio-Temporal Variation of Supply and Demand of Ecosystem Services and Its Trade-Off and Synergistic Relationship in Hefei City

QIN Li， CHENG Xian-fu， FANG Hao-ling

（School of Geography and Tourism， Anhui Normal University， Wuhu 241002， China）

Abstract： The balance between supply and demand of ecosystem services is the key to maintain the sustainable development of society and ecological environment. In this paper， the InVEST， CASA model and related physical formulas are used to evaluate the supply and demand of five key ecosystem services in Hefei， including food supply， carbon sequestration， soil conservation， water production and recreational services. Based on correlation analysis and geographically weighted regression methods， the spatio-temporal evolution of the trade-off and synergistic relationship between the supply and demand of ecosystem services was explored， and the spatial pattern of urban ecosystem service clusters was identified using self-organizing mapping networks. The results show that： （1） The supply of ecosystem services in Hefei City from 2000 to 2020 has a spatial distribution characteristic of "high around and low in the center"， which is opposite to the demand. The balance between supply and demand of ecosystem services is generally dominated by surplus， and the deficit area is mainly distributed in the middle of the city and gradually expands outward. （2） In terms of time， the supply-demand ratio of ecosystem services is dominated by synergistic relationships. The correlation coefficient between carbon sequestration and water production service decreased from 0.91 to 0.57， but its synergistic effect was the highest， and only food supply and soil conservation service were trade-offs. （3） In space， the synergistic relationship between the supply and demand ratio of ecosystem services accounts for more than the trade-off. The trade-off proportions of food supply and carbon sequestration services， food supply and soil conservation services， carbon sequestration and water production services， soil conservation and recreational services showed an upward trend， while the rest showed a downward trend. （4） Among the five ecological supply and demand bundles， the urban-rural transition bundle and the agricultural production bundle change greatly， accounting for 51.5% and 31.8% of the total variation， respectively. The ecological deficit bundle is dominated by transfer-in. The ecological surplus bundle is mainly transferred out. The ecological conservation bundle changes little.

Key words： supply and demand of ecosystem services； temporal and spatial changes； trade-offs and synergies； Hefei City

（責(zé)任編輯：王海燕）

收稿日期：2023-06-30

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41271516）.

作者簡(jiǎn)介：秦麗（1999—），女，安徽合肥市人，碩士研究生，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需評(píng)估；通訊作者：程先富（1967—），男，安徽合肥市人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閰^(qū)域環(huán)境與自然災(zāi)害.

引用格式：秦麗，程先富，方浩玲.合肥市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需時(shí)空變化及其權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系［J］.安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，46（6）：538-549.