彭 曼,邵一平,裴 蓓,楊夢杰,李 根,文婉若,楊 凱,3

（1.華東師范大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 上海市城市化生態(tài)過程和生態(tài)恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200241;2.上海市環(huán)境科學(xué)研究院,上海 200233;3.上海污染控制與生態(tài)安全研究院,上海 200092）

0 引 言

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需是闡明人與自然相互作用的關(guān)鍵指標(biāo),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需狀況可以直接反映區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的可持續(xù)性[1].但是,隨著城鎮(zhèn)的快速發(fā)展,人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的干擾日益劇烈[2-5],極端災(zāi)害頻發(fā),約60%的自然資源逐漸退化甚至枯竭[6],與可持續(xù)發(fā)展理念背道而馳.因此亟需對生態(tài)系統(tǒng)供需狀況作深入評估,識別供需失衡狀況,從而保障區(qū)域生態(tài)安全.

國內(nèi)外學(xué)者對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需開展了涉及研究框架、研究方法及研究尺度等多方面內(nèi)容的探究[7-8].早期研究者多關(guān)注自然資源供給,主要是對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給進(jìn)行測度分析[9-11].近年來逐漸從供給擴(kuò)展到供需耦合視角分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需空間關(guān)聯(lián)特征[12-13],且由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需可以反映區(qū)域自然稟賦與需求,其時(shí)空變化也逐漸成為政府部門生態(tài)區(qū)劃的準(zhǔn)則,劃分不同生態(tài)功能區(qū)進(jìn)行分區(qū)管控,減輕生態(tài)壓力.其中,模型模擬、生態(tài)價(jià)值當(dāng)量法、專家評估矩陣法和社會調(diào)查法是現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需量化中相對成熟的量化手段[12],評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配程度多利用供需比、供需趨勢等指標(biāo)分析法[1],生態(tài)分區(qū)多采用GeoDA 空間分析工具、K-means 聚類技術(shù)[14-15].總體而言,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需研究已取得了較為長足的發(fā)展[16],但現(xiàn)有研究多基于供需空間集聚特征劃定生態(tài)管控區(qū),較少基于供需關(guān)系制定分區(qū)政策;多關(guān)注單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需失衡情況,對綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需失衡狀況研究較少.此外,現(xiàn)有研究大多側(cè)重國家、省域、城市群尺度的評估[17-18],而對局部小行政單元生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需失衡問題關(guān)注較少,尺度效應(yīng)會嚴(yán)重影響生態(tài)管理區(qū)的劃定,精細(xì)化尺度的探索可提高政策制定的準(zhǔn)確性,故空間分異帶來的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)高度關(guān)注.

長三角生態(tài)綠色一體化示范區(qū)(示范區(qū))是實(shí)施長三角一體化發(fā)展戰(zhàn)略的樣板間,對長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展起著引領(lǐng)和示范作用[19].作為江南水鄉(xiāng)的核心區(qū)域,示范區(qū)在自然稟賦與生態(tài)服務(wù)功能方面還與“世界級濱水人居文明典范”的發(fā)展愿景存在一定差距[20].一是示范區(qū)集中建設(shè)區(qū)開發(fā)強(qiáng)度大,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和布局與整體生態(tài)功能存在一定矛盾;二是隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,生態(tài)用地比例不斷減少,耕地保護(hù)壓力變大;三是河湖空間滅失較為突出,森林覆蓋率較低,水資源保護(hù)與水土保持的難度加大.同時(shí),關(guān)于示范區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需探究較少,缺乏較為明確的時(shí)空變化特征來支撐生態(tài)服務(wù)功能的提升.鑒于此,本研究針對示范區(qū)范圍,進(jìn)行碳固持服務(wù)、水源涵養(yǎng)服務(wù)和水土保持服務(wù)供需時(shí)空特征進(jìn)行分析,探索該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配狀況的動態(tài)變化,并基于SOM+K-means 聚類技術(shù)識別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇,確定供需失衡區(qū).通過長時(shí)間跨度的供需空間關(guān)系研究,為示范區(qū)空間生態(tài)功能確定、生態(tài)保護(hù)方向和生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制的設(shè)定提供科學(xué)、準(zhǔn)確的依據(jù),還可以為長三角區(qū)域生態(tài)治理工作提供有益參考[21-22].

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域概況

長三角生態(tài)綠色一體化示范區(qū)(30°54′40″ N～ 31°09′23″ N,120°39′55″ E～ 121°05′44″ E)涵蓋了上海市青浦區(qū)、江蘇省蘇州市吳江區(qū)、浙江省嘉興市嘉善縣(圖1),區(qū)域總面積約2 413 km2(含水域面積350 km2)[19].該區(qū)域是典型的平原河網(wǎng)區(qū),地屬亞熱帶季風(fēng)氣候,四季分明,雨熱同期.示范區(qū)作為跨界區(qū)域,規(guī)劃在落實(shí)一體化區(qū)域格局的基礎(chǔ)上,結(jié)合示范區(qū)生態(tài)本底條件、城鎮(zhèn)布局模式和功能布局,“三組團(tuán)”被細(xì)化為“五片區(qū)”,形成了青浦城區(qū)、吳江城區(qū)、嘉善城區(qū)、盛澤鎮(zhèn)區(qū)、先行啟動區(qū)五片城鎮(zhèn)簇群,簇群內(nèi)部城鎮(zhèn)功能互補(bǔ)、服務(wù)共享[23].

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

1.2 研究方法

《長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)國土空間規(guī)劃》明確要將示范區(qū)打造成“世界級濱水人居文明典范”,至2035 年,先行啟動區(qū)藍(lán)綠空間占比不低于75%,人均公園綠地不低于15 m2,河湖水面率達(dá)22%左右,倡導(dǎo)綠色人居、低碳生活的發(fā)展新模式.因此,碳固持服務(wù)、水源涵養(yǎng)服務(wù)和水土保持服務(wù)成為示范區(qū)探索高質(zhì)量發(fā)展模式的重要領(lǐng)域,亟需從一個(gè)較全面的角度分析各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需現(xiàn)狀,評估社會經(jīng)濟(jì)活動對環(huán)境造成的壓力,對其影響因素進(jìn)行分析,明確各地區(qū)資源供給及需求上的差異,以提出能夠優(yōu)化資源配置和加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境綜合治理的方案.

1.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需核算

(1)碳固持服務(wù)

碳固持服務(wù)(carbon fixation,cf)通過植被和土壤等固定大氣中的CO2,對因城市發(fā)展產(chǎn)生的碳排放具有緩解作用[24].本研究碳固持供給以植被凈初級生產(chǎn)力(net primary productivity,NPP,記為N)表示.NPP 的估算利用朱文泉等[25]改進(jìn)的carnegie-ames-stanford-approach(CASA)模型實(shí)現(xiàn).公式如下:

(2)水源涵養(yǎng)服務(wù)

水源涵養(yǎng)服務(wù)(water conservation,wc)可以有效減緩因降水帶來的徑流污染、城市內(nèi)澇等水文災(zāi)害[26].本研究采用水量平衡方程來表征水源涵養(yǎng)服務(wù)供給量[27].公式如下:

本文以研究區(qū)人均水資源量與人口密度的乘積作為水源涵養(yǎng)的需求量.公式如下:

(3)水土保持服務(wù)

水土保持服務(wù)(soil conservation,sc)可以反映生態(tài)系統(tǒng)防止土壤侵蝕、儲留泥沙的能力,能很好地遏制水污染改善水環(huán)境[28].本研究水土保持服務(wù)的供給量為潛在侵蝕量和實(shí)際侵蝕量之差[28],以實(shí)際的土壤侵蝕量作為土壤保持服務(wù)的需求量.公式如下:

1.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配分析

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給需求保持平衡是實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的先決條件[29].供需比可以衡量區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需相對匹配狀況[30],公式如下:

式(13)中:M是供需比;Di是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求;Si是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給.

1.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)聚類分析

為了綜合分析碳固持服務(wù)、水源涵養(yǎng)服務(wù)和水土保持服務(wù)供需匹配情況,本文選用SOM(selforganizing map)+K-means 二階聚類法,識別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇,劃定不同供需失衡區(qū).SOM+Kmeans 正是集結(jié)了SOM 和K-means 兩種算法的優(yōu)點(diǎn)[31],先進(jìn)行SOM 算法,再執(zhí)行K-means 算法,既保證了SOM 算法的自組織性,又結(jié)合了K-means 聚類收斂速度快的特性,彌補(bǔ)了SOM 收斂時(shí)間過長及K-means 易受初始值影響的缺點(diǎn).

1.3 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)包括2000—2020 年氣象、歸一化植被指數(shù)、土地利用、土壤、數(shù)字高程、社會經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù),具體數(shù)據(jù)來源見表1.

表1 數(shù)據(jù)來源Tab.1 Data sources

(1)氣象數(shù)據(jù): 區(qū)域及周邊氣象站點(diǎn)的逐月太陽輻射、降水量、溫度、蒸散發(fā)及日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù),其中太陽輻射數(shù)據(jù)是利用日照時(shí)數(shù)計(jì)算得到.

(2)歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)數(shù)據(jù),空間分辨率1 km.

(3)2000、2010、2020 年三期土地利用數(shù)據(jù),空間分辨率1 km.

(4)沙含量、淤泥含量、粘土含量、有機(jī)碳含量等土壤屬性數(shù)據(jù).

(5)數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù),空間分辨率30 m.

(6)社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù): 人均能源總量、人均水資源總量、人口密度數(shù)據(jù).以上數(shù)據(jù)在Arcgis 中進(jìn)行投影變換、裁剪、重采樣等一系列數(shù)據(jù)預(yù)處理后,統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為1 km 分辨率.

2 結(jié)果

2.1 示范區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)時(shí)空演變

圖2 為示范區(qū)2000—2020 年碳固持服務(wù)、水源涵養(yǎng)服務(wù)和水土保持服務(wù)供給時(shí)空變化結(jié)果.碳固持能力由2000 年1 153.23 g·m—2·a—1下降到2020 年的714.62 g·m—2·a—1,降幅達(dá)38.0%.其中,2000—2010 年和2010—2020 年碳固持量降幅分別為24.8%、17.6%,下降速度放緩.各城鎮(zhèn)簇群碳固持能力有顯著差異,供給量較高的區(qū)域集中在植被茂密的盛澤鎮(zhèn)區(qū)城鎮(zhèn)簇群和嘉善城區(qū)城鎮(zhèn)簇群.此外,年平均碳固持供給最高的是盛澤鎮(zhèn),最低的是西塘鎮(zhèn).

圖2 2000—2020 年示范區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量空間格局Fig.2 Spatial pattern of ecosystem services supply in the demonstration zone from 2000 to 2020

2000—2020 年示范區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給均值詳見表2.由表2 可知,水源涵養(yǎng)供給在波動中增加,年平均供給量由2000 年179.02 mm·a—1增加到2020 年的281.51 mm·a—1,增幅達(dá)57.3%.期間水源涵養(yǎng)低值區(qū)先擴(kuò)張后收縮,嘉善城區(qū)城鎮(zhèn)簇群尤為明顯,并且水源涵養(yǎng)供給波動劇烈的惠民街道、羅星街道也屬于嘉善城區(qū)城鎮(zhèn)簇群,這可能與該區(qū)域水域及耕地系統(tǒng)受建設(shè)用地侵占有關(guān)[32].紅旗塘—大蒸港—園泄涇流經(jīng)天凝鎮(zhèn)、千窯鎮(zhèn)、練塘鎮(zhèn),使得該區(qū)域成為水源涵養(yǎng)的高值區(qū).徐涇鎮(zhèn)地處虹橋商務(wù)區(qū)的核心,開發(fā)強(qiáng)度高,水源涵養(yǎng)能力差.

表2 2000—2020 年示范區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給均值Tab.2 Average supply of ecosystem services in the demonstration zone from 2000 to 2020

水土保持服務(wù)的單位面積供給量呈顯著上升趨勢,從2000 年的10.90 t·hm—2增加到2020 年的31.03 t·hm—2,增幅184.7%,表明水環(huán)境得到了顯著改善.不同區(qū)域土壤保持增幅差異較大,姚莊鎮(zhèn)居首,香花橋街道、徐涇鎮(zhèn)次之,練塘鎮(zhèn)最低.

總體來看,示范區(qū)2000—2020 年除碳固持服務(wù)外,其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給均有大幅增加,尤其是2010 年后,該區(qū)域碳固持服務(wù)下降速度大幅緩解,水源涵養(yǎng)和水土保持服務(wù)供給幾乎倍增;在空間分布上,碳固持服務(wù)、水源涵養(yǎng)服務(wù)和水土保持服務(wù)供給有明顯的空間異質(zhì)性,分別呈“東高西低”“南高北低”“四周高中間低”的空間分布格局.

2.2 示范區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求時(shí)空演變

圖3 為示范區(qū)2000—2020 年碳固持服務(wù)、水源涵養(yǎng)服務(wù)和水土保持服務(wù)需求時(shí)空變化結(jié)果.由圖3 可知,示范區(qū)的年平均碳固持需求量呈顯著上升趨勢,從2000 年的686.45 g·m—2·a—1增加到2020 年的3 800.41 g·m—2·a—1,增加了4.5 倍.其中姚莊鎮(zhèn)、重固鎮(zhèn)是碳固持需求量增幅最高的區(qū)域,增幅分別為656.0%、652.9%.此外,碳排放高值區(qū)集中在青浦城區(qū)城鎮(zhèn)簇群(8 561.66 g·m—2·a—1),高于嘉善城區(qū)城鎮(zhèn)簇群(4 450.42 g·m—2·a—1)、盛澤鎮(zhèn)區(qū)城鎮(zhèn)簇群(3 439.63 g·m—2·a—1)、吳江城區(qū)城鎮(zhèn)簇群(3 232.06 g·m—2·a—1)及先行啟動區(qū)(2 437.67 g·m—2·a—1).該城鎮(zhèn)簇群碳固持需求較高主要是因?yàn)閰^(qū)域人口密度較大,開發(fā)建設(shè)程度高.2020 年青浦城區(qū)城鎮(zhèn)簇群、嘉善城區(qū)城鎮(zhèn)簇群、盛澤鎮(zhèn)區(qū)城鎮(zhèn)簇群、吳江城區(qū)城鎮(zhèn)簇群及先行啟動區(qū)人口密度分別為3 471.34、1 848.95、1 431.88、1 348.28、1 061.18 人/km2,建設(shè)用地占比分別為51%、32%、30%、27%、15%.先行啟動區(qū)和邊界位于開發(fā)強(qiáng)度較弱的青西地區(qū),碳排放也較低.

圖3 2000—2020 年示范區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量空間格局Fig.3 Spatial pattern of ecosystem services demand in the demonstration zone from 2000 to 2020

2000、2010 與2020 年示范區(qū)的水源涵養(yǎng)需求量分別為2 116.63、2 904.37、3 173.89 mm·a—1(表3),總體呈上升趨勢.其中,盈浦街道、徐涇鎮(zhèn)是水源涵養(yǎng)需求量最高的區(qū)域,并且青浦城區(qū)城鎮(zhèn)簇群水源涵養(yǎng)需求增幅也最大,這和其地理位置有很大關(guān)系.同碳固持需求空間分布相似,水源涵養(yǎng)高需求區(qū)域也主要分布于城鎮(zhèn)擴(kuò)張速度較快、城市蔓延風(fēng)險(xiǎn)較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn).

表3 2000—2020 年示范區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求均值Tab.3 Average demand of ecosystem services in the demonstration zone from 2000 to 2020

水土保持服務(wù)需求量從2000 年的24.57 t·hm—2增加到2020 年的66.57 t·hm—2,增加了1.7 倍,其中,年平均土壤保持需求量最高的區(qū)域是華新鎮(zhèn),最低的是七都鎮(zhèn).此外2000—2010 年不同區(qū)域的水土保持需求量增幅不到4.0%,而2010—2020 年的土壤保持需求量大幅增加,高值區(qū)向東北擴(kuò)張,先行啟動區(qū)最為明顯.

總體來看,碳固持服務(wù)、水源涵養(yǎng)服務(wù)和水土保持服務(wù)需求均有不同程度的增加,時(shí)間上,碳固持服務(wù)需求持續(xù)上升,水源涵養(yǎng)需求增加但增幅降低,水土保持服務(wù)需求增幅明顯加大.碳固持服務(wù)和水源涵養(yǎng)需求量空間分布差異較明顯,呈現(xiàn)“東高西低”的空間分布格局,水土保持需求量低值區(qū)集中在先行啟動區(qū).

2.3 示范區(qū)供需匹配空間特征

根據(jù)以上分析可知,示范區(qū)各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需匹配空間差異明顯.為進(jìn)一步了解示范區(qū)各街道生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需失衡狀況,進(jìn)行分區(qū)管理,對碳固持服務(wù)、水源涵養(yǎng)服務(wù)和水土保持服務(wù)供需比進(jìn)行疊加分析.量化誤差(quadratuer error,QE)、拓?fù)淠Ｊ秸`差(topographical model,TE)和戴維森堡丁指數(shù)(Davies-Bouldin,DBI)值如表4 所示,示范區(qū)2000、2010、2020 年聚類數(shù)分別為6、4、4.聚類等級越高,示范區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需失衡越嚴(yán)重.

表4 SOM+K-means 聚類各指數(shù)值Tab.4 Index values of SOM+K-means

表5 是各聚類等級生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比均值,表明了各區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)供需失衡程度.供需比均值大于1 表示供給小于需求的情況,小于1 表示供給大于需求的情況.2000 年,6 個(gè)聚類等級的碳固持服務(wù)供需失衡嚴(yán)重程度具有以下大小順序: Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅴ＞Ⅵ＞Ⅰ＞Ⅱ.水源涵養(yǎng)供需失衡嚴(yán)重程度,等級為Ⅳ＞Ⅴ＞Ⅲ＞Ⅵ＞Ⅰ＞Ⅱ.水土保持服務(wù)供需失衡嚴(yán)重程度,等級為Ⅵ＞Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅴ＞Ⅰ.碳固持服務(wù)和水源涵養(yǎng)供需失衡較嚴(yán)重區(qū)域主要分布在東部青浦城區(qū)城鎮(zhèn)簇群,水土保持服務(wù)供需失衡嚴(yán)重區(qū)域分布在嘉善城區(qū)城鎮(zhèn)簇群南部的惠民街道.聚類Ⅰ至Ⅵ類綜合供需失衡程度遞增.2000 年Ⅰ類至Ⅵ類占比分別為50.1%、27.0%、6.1%、8.1%、6.0%、2.7%.聚類Ⅰ代表了供需失衡最小的狀況,占比最大,主要分布在西北部(圖4).

表5 不同聚類等級下示范區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比均值Tab.5 Mean value of supply-demand ratio of each cluster level in the demonstration zone

圖4 示范區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需失衡區(qū)分布圖Fig.4 Spatial distribution of ecosystem service supply and demand imbalance in the demonstration zone

2010 年,4 個(gè)聚類等級的碳固持服務(wù)供需失衡嚴(yán)重程度具有以下大小順序: Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ＞Ⅳ.水源涵養(yǎng)供需失衡嚴(yán)重程度,等級為Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ＞Ⅳ.水土保持服務(wù)供需失衡嚴(yán)重程度,等級為Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ.碳固持服務(wù)和水源涵養(yǎng)服務(wù)供需失衡較嚴(yán)重區(qū)域主要分布在青浦城區(qū)城鎮(zhèn)簇群,水土保持服務(wù)供需失衡嚴(yán)重區(qū)分布在嘉善城鎮(zhèn)簇群北部和盛澤鎮(zhèn)區(qū)城鎮(zhèn)簇群南部的桃源鎮(zhèn).2010 年Ⅰ類至Ⅳ類綜合供需失衡程度遞增,占比分別為32.2%、12.7%、42.8%、12.3%.聚類Ⅲ和Ⅳ主要分布在西部和南部,表示該區(qū)域綜合供需失衡較嚴(yán)重,兩類占比達(dá)55.1%.2000—2010 年,高失衡區(qū)擴(kuò)張,低失衡區(qū)收縮且向中部遷移(圖4).

2020 年,4 個(gè)聚類等級的碳固持服務(wù)供需失衡嚴(yán)重程度具有以下大小順序: Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅳ.水源涵養(yǎng)供需失衡嚴(yán)重程度,等級為Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅳ.水土保持服務(wù)供需失衡嚴(yán)重程度,等級為Ⅰ＞Ⅳ＞Ⅱ=Ⅲ.碳固持服務(wù)和水源涵養(yǎng)服務(wù)供需失衡嚴(yán)重區(qū)集中分布在青浦城區(qū)城鎮(zhèn)簇群,水土保持服務(wù)供需失衡嚴(yán)重區(qū)主要分布在示范區(qū)中部.2020 年供需綜合失衡Ⅰ類至Ⅳ類占比分別為38.0%、28.4%、8.7%、24.8%.如圖4 所示,青浦城區(qū)城鎮(zhèn)簇群屬于聚類Ⅲ,綜合供需失衡仍較為嚴(yán)重.生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需失衡低值區(qū)分布在西北部,東部繼續(xù)成為高失衡區(qū).

綜合三階段生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需失衡空間分布來說,區(qū)域空間異質(zhì)性強(qiáng),上游吳江地區(qū)供需失衡較輕,中游嘉善地區(qū)供需失衡逐漸加重,下游青浦區(qū)長期處于供需失衡嚴(yán)重區(qū).就生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型而言,水源涵養(yǎng)供需失衡最嚴(yán)重,成為制約該區(qū)域生態(tài)安全最關(guān)鍵的因素.其次是碳固持服務(wù),供需之間的差異愈發(fā)嚴(yán)重.水土保持服務(wù)供需差異變化較小.總體而言,該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)整體呈現(xiàn)為供不應(yīng)求的失衡狀態(tài),生態(tài)赤字缺口逐漸加大,供需赤字區(qū)范圍明顯增加,其中東部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需狀況進(jìn)一步惡化風(fēng)險(xiǎn)較大.

3 討 論

3.1 鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上長三角一體化示范區(qū)生態(tài)系統(tǒng)供需趨勢

本研究從鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度分析了示范區(qū)多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需格局,并基于供需關(guān)系劃定了供需失衡區(qū),為示范區(qū)生態(tài)管理工作提供了有力補(bǔ)充.示范區(qū)2000—2020 年水源涵養(yǎng)服務(wù)和水土保持服務(wù)供需量不斷增長,這與Yu 等[18]在長江三角洲對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需研究的結(jié)果一致.

水源涵養(yǎng)服務(wù)和水土保持服務(wù)供需量不僅受示范區(qū)氣候因素影響,還包括人類社會經(jīng)濟(jì)活動對生態(tài)系統(tǒng)的干擾.2000—2020 年示范區(qū)年平均降水量由1 039.97 mm 增加到1 550.70 mm,年平均氣溫由 16.83℃上升到17.87℃.降水是水源涵養(yǎng)服務(wù)重要的影響因子,它不僅直接表征雨量的變化,還可以通過不同土地利用方式,造成徑流量和水資源涵養(yǎng)量的變化.2010 年后,水源涵養(yǎng)服務(wù)供應(yīng)量的增加主要由于區(qū)域水生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度的加大,尤其是海綿城市的建設(shè),重視林木、濕地等生態(tài)服務(wù)空間的保護(hù)和建設(shè),導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)地表入滲條件變好,在降雨量增加的同時(shí),水源涵養(yǎng)能力增加.對于水土保持服務(wù)來說,降水則是通過影響土壤侵蝕因子進(jìn)而影響土壤保持量,2010 年后,隨著水土監(jiān)管工作及太湖水環(huán)境治理取得重大成效,改善了水環(huán)境,提升了水品質(zhì)[33-34],大幅度提升了該區(qū)域土壤保持量.與此同時(shí),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求的增加則更為迅速,近二十年,示范區(qū)人口增加了59.2%,2020 年示范區(qū)人類活動強(qiáng)度指數(shù)達(dá)77.6%,人均GDP 11.1 萬元,為全國人均GDP 的1.6 倍,區(qū)域各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量顯著上升,生態(tài)環(huán)境壓力依然較大.

研究期間碳固持服務(wù)供給量呈持續(xù)下降趨勢,供需缺口趨于嚴(yán)重,尤以青浦城區(qū)城鎮(zhèn)簇群供需失衡最為明顯,這一結(jié)果與Qiao 等[35]關(guān)于太湖流域碳固持服務(wù)的發(fā)現(xiàn)一致.青浦城區(qū)城鎮(zhèn)簇群碳固持供需失衡程度的增加,一方面是由于示范區(qū)植被覆蓋率下降[36],固碳能力下降;另一方面是因?yàn)榍鄸|地區(qū)作為虹橋國際樞紐的重要組成部分,土地利用方式及人口密度發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變.青浦城區(qū)城鎮(zhèn)簇群2020 年較2000 年耕地減少了32.3%,建設(shè)用地增加了31.6%,人口密度增加了88.7%,且其多發(fā)展商務(wù)貿(mào)易、旅游休閑等服務(wù)業(yè),受人類社會經(jīng)濟(jì)活動的影響較大.這一結(jié)果也間接表明了建設(shè)用地、人口是城市碳排放的重要驅(qū)動力,因此,未來要把土地利用結(jié)構(gòu)納入城市低碳減排策略中,提高林地比率,增加生態(tài)系統(tǒng)的碳匯服務(wù).

研究期間雖碳固持服務(wù)、水源涵養(yǎng)服務(wù)和水土保持服務(wù)供需不均衡,但2010—2020 年供需比增加速度遠(yuǎn)低于2000—2010 年的供需比速度,說明供需狀況在不斷改善.示范區(qū)在生態(tài)保護(hù)方面投入力度較大,但目前規(guī)模還較小,此研究結(jié)果也從側(cè)面反映了我國從快速城鎮(zhèn)化到新型城鎮(zhèn)化發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變.

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需視角下長三角一體化示范區(qū)建設(shè)探討

長三角一體化示范區(qū)生態(tài)綠色高質(zhì)量發(fā)展需要打破行政壁壘,實(shí)現(xiàn)跨界區(qū)域環(huán)境共治,而目前示范區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需間仍不匹配,面臨較高的生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn),導(dǎo)致利益相關(guān)方之間存在矛盾與沖突.《長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)總體方案》強(qiáng)調(diào),示范區(qū)內(nèi)實(shí)行統(tǒng)一的生態(tài)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境監(jiān)測體系及環(huán)境監(jiān)管執(zhí)法,而如何協(xié)調(diào)跨界生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡成為示范區(qū)建設(shè)中亟需解決的問題.

本文研究結(jié)果顯示,各服務(wù)簇中水源涵養(yǎng)服務(wù)是供需失衡最嚴(yán)重的服務(wù)類型,該項(xiàng)服務(wù)對整個(gè)示范區(qū)生態(tài)安全產(chǎn)生影響,故將水源涵養(yǎng)服務(wù)作為該區(qū)域優(yōu)先修復(fù)及保護(hù)類型.水源涵養(yǎng)功能也是長三角一體化示范區(qū)重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,太浦河作為示范區(qū)內(nèi)重要的骨干河道,承擔(dān)了示范區(qū)內(nèi)泄洪、排澇和供水等水資源配置的功能.

在示范區(qū)建設(shè)過程中,需要從流域生態(tài)系統(tǒng)管理的角度考慮,基于供需失衡等級優(yōu)化資源配置,通過構(gòu)建上下游多利益相關(guān)方之間的生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制,實(shí)現(xiàn)示范區(qū)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)利益的再分配.針對2020 年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需聚類區(qū)域進(jìn)行對策建議分析如圖5 所示.①類別Ⅰ和Ⅳ,碳固持服務(wù)、水源涵養(yǎng)服務(wù)和水土保持服務(wù)供需差異相對較低,集中分布在先行啟動區(qū),此類供需差異主要是由于低供給和低需求.該區(qū)域開發(fā)強(qiáng)度和密度都較低,受到資源、環(huán)境等多方面制約,但該區(qū)域位于江浙滬三地交界處,交通便利,具備區(qū)域輻射潛力,水系資源豐富具備綠色生態(tài)和高質(zhì)量發(fā)展的空間優(yōu)勢[23],未來規(guī)劃可充分利用區(qū)域水生態(tài)空間,形成環(huán)淀山湖生態(tài)帶,從生態(tài)旅游業(yè)著手,發(fā)展具有江南特色的文旅文創(chuàng)產(chǎn)業(yè),提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,落實(shí)生態(tài)綠色理念,強(qiáng)化先行啟動區(qū)的示范效益.② 類別Ⅱ,水源涵養(yǎng)服務(wù)供需赤字較大,分布在吳江城區(qū)城鎮(zhèn)簇群、盛澤鎮(zhèn)區(qū)城鎮(zhèn)簇群.該區(qū)域開發(fā)強(qiáng)度大,其中吳江區(qū)土地開發(fā)強(qiáng)度已達(dá)28%,逼近江蘇省30%的控制紅線[37],工業(yè)發(fā)展水平高,環(huán)境治理水平較弱,未來建議通過生態(tài)補(bǔ)償、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移及示范區(qū)工業(yè)園區(qū)共建等促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向綠色、智能、高端轉(zhuǎn)型.同時(shí)要嚴(yán)守生態(tài)紅線、耕地紅線和城鎮(zhèn)開發(fā)邊界,既守住河湖水域限制發(fā)展的生態(tài)紅線,又尋求區(qū)域的高質(zhì)量發(fā)展.③類別Ⅲ,碳固持服務(wù)和水源涵養(yǎng)服務(wù)供需差異都較大,分布在青浦城區(qū)城鎮(zhèn)簇群,生態(tài)供給遠(yuǎn)低于人類需求.該區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,能源消耗大幅度增加,未來建議結(jié)合示范區(qū)生態(tài)體系構(gòu)建以淀山湖、元蕩為主體的世界湖區(qū)和水源涵養(yǎng)區(qū),并完善郊野公園、城市公園、地區(qū)公園、社區(qū)公園、口袋公園五位一體城鄉(xiāng)公園體系,提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能.

圖5 示范區(qū)生態(tài)系統(tǒng)管控策略Fig.5 Management strategies for ecosystem services in the demonstration zone

3.3 局限性與不足

本研究雖為示范區(qū)生態(tài)工作提供了有益參考,但仍存在一定的局限性,受模型和數(shù)據(jù)限制,供需測算均參考已發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn),實(shí)測數(shù)據(jù)不多,結(jié)果可能與實(shí)際情況有一定偏差,但總體可以反映區(qū)域城市特征.未來研究應(yīng)考慮更多生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型,結(jié)合多種需求影響因素,將研究結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行驗(yàn)證分析,開展不同功能區(qū)劃、不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需平衡研究,從而為生態(tài)管理和資源配置提供切實(shí)可行的依據(jù).

4 結(jié) 論

本研究基于多源數(shù)據(jù),分析了2000—2020 年長三角一體化示范區(qū)碳固持服務(wù)、水源涵養(yǎng)服務(wù)和水土保持服務(wù)供給、需求及其關(guān)系的時(shí)空變化趨勢,識別了示范區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇綜合供需失衡,主要結(jié)論如下:

(1)碳固持服務(wù)供給持續(xù)降低,需求不斷上升,供需差距較大;水源涵養(yǎng)服務(wù)供給量均遠(yuǎn)小于需求量,但供需差距已經(jīng)開始減小;水土保持服務(wù)供給量大于需求量并呈上升趨勢.總體上示范區(qū)范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡關(guān)系正在改善,碳固持服務(wù)和水源涵養(yǎng)服務(wù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需比均呈“東部高值區(qū)聚集”的空間分布形態(tài),水土保持服務(wù)供需比高值區(qū)聚集在示范區(qū)中部.

(2)基于SOM+K-means 二階聚類技術(shù)將示范區(qū)劃分為多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇,不同簇群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需失衡等級不同,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需失衡特征與類型不同.供需高度不平衡區(qū)占比增加,水源涵養(yǎng)服務(wù)是供需失衡最嚴(yán)重的服務(wù)類型.