基于生态系统服务供需关系的安徽省空间分异研究

顾康康， 杨倩倩， 程 帆， 储金龙,2， 陈晓华,2

(1.安徽建筑大学建筑与规划学院， 安徽 合肥 230022； 2.安徽省城镇化发展研究中心， 安徽 合肥 230022)

生态系统服务是构成自然生态系统以及维持和实现人类生活的条件和过程[1]，是人类直接或间接从生态系统中获得的利益[2]。千年生态系统评估表明，生态系统的使用虽然增加了人类福祉，但这是以牺牲其他至关重要的生态系统服务为代价[3]。因此，生态系统服务状况由生态和社会间的相互作用决定[4-5]，生态系统服务研究应在分析生态系统服务供给能力的同时考虑人类对这些服务的需求[6-8]。

生态系统服务已经在生态环境管理方面得到应用，政策决策者、环境管理者等通过生态系统服务研究为其决策提供可靠地技术和理论支撑[9-10]，生态系统服务研究主要集中在生态系统服务供给和需求的量化分析以及区域生态系统服务功能与价值评估[11-12]。尽管学者认为生态系统服务供需关系对生态系统和人类社会发展的影响至关重要，但是对生态系统服务供需关系的研究较少，且大多数供需关系研究停留在理论研究阶段，缺少一定量化分析[13]。生态系统服务供需关系可以反映一个地区经济和社会发展水平，同时生态系统服务供给与需求存在的空间异质性可以造成地区发展不平衡[14-16]。因此研究生态系统服务供需关系，分析生态系统服务供给特征，评估供给潜力，明确生态系统服务需求空间特征，理清生态系统服务供需关系和空间分异特征，对实现区域生态安全与经济健康发展具有重要意义。

以安徽省区县为研究单元，基于生态系统服务价值量和夜间灯光数据分别核算生态系统服务供给量和生态系统服务需求量，在分析区域生态系统服务供需关系空间特征的基础上，划分安徽省生态管控类型，并提出差异化国土空间发展策略，为生态用地配置和区域土地资源合理规划提供科技支撑。

1 研究区概况

安徽省位于中国东南部，地理坐标为29°22′～34°40′ N、114°53′～119°30′ E，总面积为13.96万km2，大部分地区处于亚热带季风气候区。全省跨长江、淮河和钱塘江3大流域，横跨秦岭-淮河地理分界线，气候和动植物等生态要素呈明显纵横双向过渡特征，从北向南可分为皖北平原、江淮丘陵、皖西大别山区、沿江平原和皖南山区5个区域，各区域间生态本底不同。

以区县为单元将安徽省划分为105个研究单元。按照安徽省城镇体系规划，以及地形地貌、地区资源和发展路径差异，将安徽省划分为皖北、皖中、沿江、皖西和皖南5大片区(图1)。其中，沿江和皖中地区人口密度较高，是安徽省经济中心；皖南、皖西和皖北地区城镇化速度相对缓慢，特别是皖西地区，主要为山区，相较于其他区域经济发展较为落后。各片区人口密度和社会经济发展状况不同决定了其对生态需求程度不同。

图1 研究区示意Fig.1 Location of the study area

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

采用监督分类方法解译安徽省2016年7月25日Landsat 8 OLI_TIRS数字卫星遥感影像(地理空间数据云平台)，参考安徽省1∶10万土地利用数据分类标准(国家地球系统科学数据共享平台)和GB/T 21010—2017《土地利用现状分类》，提取林地、草地、耕地、水体、湿地和建设用地6种土地利用类型。采用抽样统计精度验证法，经野外验证和高分辨率遥感影像检验，数据解译整体精度达83%以上，满足精度要求。2016年安徽省夜间灯光数据来源于NOAA NGDC提供的每月NPP VIIRS DNB灯光数据产品。农业数据来源于2016年《安徽省统计年鉴》。遥感数据解译采用ENVI 5.1软件。

2.2 生态系统服务供给估算

生态系统服务供给是特定时间和区域范围内，生态系统提供特定生态系统产品和服务的能力[17]。生态系统服务供给能力存在明显的空间差异性[18]。COSTANZA等[19]估算了全球生态系统服务价值，在此基础上谢高地等[20]估算了中国生态系统服务价值。采用谢高地等[20]提出的价值当量法计算2016年安徽省各土地利用类型单位面积生态服务价值，并以谢高地等[21]提出的修正系数(1.17)修正安徽省生态系统服务价值。安徽省生态系统单位面积生态服务价值计算公式为

(1)

Erj=erj×E。

(2)

式(1)～(2)中，E为农田生态系统单位面积提供食物生产服务功能的经济价值，元·hm-2；i为作物种类；mi为第i种粮食作物面积，hm2；pi为作物价格，元·kg-1；qi为第i种粮食作物单产，kg·hm-2；M为粮食作物总面积，hm2；1/7为在没有人力投入的情况下1个生态服务价值当量经济价值量等于当年安徽省平均粮食单产市场价值的比例；Erj为第j种生态系统第r种生态服务功能的单价,元·hm-2；erj为第j种生态系统第r种生态服务功能相对于农田生态系统提供生态服务单价的当量因子。

根据安徽省生态系统单位面积生态服务价值(表1)计算安徽省区县生态系统服务价值总量，其计算公式为

(3)

式(3)中，VES为评价单元生态系统服务总价值，元·hm-2·a-1；Vci为第i种土地利用类型的单位面积生态系统服务价值，元·hm-2·a-1；n为土地利用类型数量；Ai为第i种土地利用类型面积，hm2；A为评价单元土地总面积，hm2。

表1安徽省生态系统单位面积生态服务价值

Table 1 Ecological service value per unit area of ecosystems in Anhui Province元·hm-2·a-1

2.3 生态系统服务需求估算

目前学者对生态系统服务需求的理解主要有2种[6,17，22]：一是认为生态系统服务需求为“在特定时间和地区内消耗或使用的生态系统服务数量”[6]；二是将生态系统服务需求定义为“人类社会消耗或期望获得的生态系统服务数量”[8，23]。笔者采用第2种观点。

夜间灯光数据不仅能综合体现区域社会经济发展和城市化水平等经济要素的空间差异，还能体现能源消耗和资源环境等环境要素的空间差异，因此能较好反映人类对生态系统服务需求程度；夜间灯光指数越高，表示区域人类活动越剧烈，人类对生态系统服务的需求越高[24]。利用2016年安徽省夜间灯光数据得到安徽省年平均夜间灯光指数后，计算各区域年平均夜间灯光指数。以各区域年平均灯光强度指数表示其生态系统服务需求，并采用自然断裂法将生态系统服务需求分为1～5级。

2.4 生态系统服务供需关系分析

对生态系统服务供给和需求采用Z-score方法[25]进行标准化处理并作图，x轴表示标准化后生态系统服务供给量，y轴表示标准化后生态系统服务需求量，划分出4个象限：第1象限(高生态供给和高生态需求)、第2象限(低生态供给和高生态需求)、第3象限(低生态供给和低生态需求)和第4象限(高生态供给和低生态需求)。

3 结果与分析

3.1 生态系统服务供给空间特征分析

由图2可知，安徽省生态系统服务类型以调节服务和支持服务为主，其中调节服务价值量占比最多，为61.89%；其次为支持服务，为25.91%。供给服务和文化服务价值量占比分别为7.73%和4.47%。调节服务中废物处理占比最大，为22.81%；其次为水源涵养服务，为19.96%。

安徽省生态系统服务价值存在明显空间差异(图2)，生态系统服务价值呈从南向北逐渐降低的趋势，这是由于安徽省各区域土地利用类型存在明显差异。皖南、沿江和皖西区域各区县生态系统服务价值明显高于皖中和皖北区域区县，其中沿江和皖西区域部分区县生态系统服务价值较高，超过21 103元·m-2；而皖中和皖北区域部分区县生态系统服务价值低于15 088元·m-2；合肥市瑶海区和蜀山区生态系统服务价值最低，不足11 159元·m-2。

图2 安徽省不同类型生态系统服务价值量百分比和各区县生态系统服务供给Fig.2 The percentage of different types of ecosystem services in Anhui Province and ecosystem services supply in all districts and counties in Anhui Province

3.2 生态系统服务需求空间特征分析

由于各区县经济发展状况和用地类型等不同，安徽省夜间灯光空间分布存在明显差异(图3)。各区县城镇中心地区灯光指数较高，灯光指数均高于100，部分集中成片区县夜间灯光指数超过200。沿江、淮蚌和皖中区域是安徽省经济发展中心，城镇建设水平、经济发展水平、人口密度和人类活跃程度较高，夜间灯光指数也较高；而皖南和皖西区域土地利用类型以山地和林地为主，城镇建设水平和人类活跃程度较低，夜间灯光指数低于10。

图3 安徽省夜间灯光指数分布和各区县生态系统服务需求Fig.3 Anhui Province night light index distribution and ecosystem services demand in all districts and counties

由图3可知，沿江、皖中和皖北区域生态系统服务需求较高，其中皖中包河区、蜀山区和瑶海区以及皖北蚌山区生态系统服务需求最高，均高于10；沿江花山区、雨山区和镜湖区，皖中庐阳区和谢家集区，皖北相山区、颍州区和淮上区等区县生态系统服务需求较高，在5～10之间。而其他大部分区县生态系统服务需求低，小于1。

3.3 生态系统服务供需关系空间特征分析

如图4可知，安徽省生态系统服务供需关系区域性差异明显，皖北区域各区县主要位于第2和3象限，除五河县外生态系统服务供给均较低。五河县位于淮河中下游，水和动植物资源较丰富，使得该县生态系统服务供给比皖北其他区县高。皖中区域各区县由于经济发展水平和生态本底差异明显，在4个象限中都有分布，但只有包河区位于第1象限，呈高生态供给和高生态需求，生态系统服务供给为0.04，生态系统服务需求为3.30，供给和需求明显不匹配。

图4 安徽省各区县生态系统服务供给和生态系统服务需求分区Fig.4 Ecosystem services supply and demand zones in all districts and counties in Anhui Province

皖西区域5县(金寨县、霍山县、岳西县、潜山县和太湖县)均位于第4象限，该区域位于大别山区，以山地和林地为主，城镇建设水平和经济发展水平较落后，人口密度较低，生态系统服务供给较高，生态系统服务需求较低。沿江区域位于长江中下游，生态用地较多，所以大部分区县生态系统服务供给较高。但由于城镇建设和经济发展水平不同，生态系统服务需求不同，如博望区(1.27、

-0.43)位于第4象限，而三山区(1.31、0.08)位于第1象限。皖南区域各区县位于第2和4象限，其中屯溪区位于第2象限，屯溪区属于黄山市市辖区之一，经济发展和城镇建设水平比皖南区域其他区县高，所以生态系统服务需求较高。

3.4 各区县生态管控类型划分

基于生态系统服务供需关系的4个象限对安徽省105个区县的生态管控类型进行划分，分为生态协调型、生态控制型、生态重建型和生态保育型(图5、表2)。

图5 安徽省各区县生态管控类型Fig.5 Ecological control type in all districts and counties in Anhui Province

表2安徽省各区县生态系统服务供需关系分类

Table2ClassificationofecosystemservicessupplyanddemandinalldistrictsandcountiesinAnhuiProvince

类型生态系统服务供需关系区县数区域区县生态协调型高生态供给和高生态需求4沿江皖中三山区、大观区、迎江区包河区生态控制型低生态供给和19皖南屯溪区高生态需求沿江花山区、雨山区、镜湖区、鸠江区、弋江区、铜陵市郊区、铜官区、琅琊区皖中庐阳区、蜀山区、瑶海区、田家庵区皖北蚌山区、淮上区、龙子湖区、禹会区、颍州区、相山区生态重建型低生态供给和33沿江来安县、凤阳县、望江县低生态需求皖中长丰县、八公山区、大通区、凤台县、潘集区、金安区、舒城县、叶集区、裕安区皖北固镇县、怀远县、利辛县、蒙城县、谯城区、涡阳县、阜南县、界首市、临泉县、太和县、颍东区、颍泉区、颍上县、杜集区、烈山区、濉溪县、砀山县、灵璧县、泗县、萧县、埇桥区生态保育型高生态供给和49皖西金寨县、霍山县、岳西县、潜山县、太湖县低生态需求皖南旌德县、绩溪县、石台县、青阳县、黄山区、徽州区、祁门县、歙县、休宁县、黟县沿江博望区、当涂县、含山县、和县、繁昌县、南陵县、无为县、芜湖县、义安区、广德县、泾县、郎溪县、宁国市、宣州区、定远县、天长市、全椒县、南谯区、明光市、东至县、石台县、枞阳县、怀宁县、宿松县、宜秀区、巢湖市、庐江县皖中肥东县、肥西县、谢家集区、霍邱县、寿县、桐城市皖北五河县

生态协调型(高生态供给和高生态需求)包括4个市辖区，分别为沿江芜湖市三山区、安庆市大观区和迎江区以及皖中合肥市包河区。这些地区绿地覆盖率较好，且经济基础较好，人类活动剧烈，人地矛盾较突出。如三山区为芜湖市市辖区，自然资源较丰富，但由于经济和城镇建设高度发展，造成生态需求也较高。

生态控制型(低生态供给和高生态需求)包括19个区县，主要位于皖北、皖中和沿江区域，均为市辖区。该区域土地利用类型以建设用地为主，自然资源条件有限且人类活动对生态系统干扰较严重，生态环境问题突出。如合肥市庐阳区、蜀山区和瑶海区作为省会城市市辖区以及人才、技术和资金高度集中区，经济发展和城镇建设水平均为安徽省最高，但生态环境问题和人地矛盾突出。

生态重建型(低生态供给和低生态需求)包括33个区县，主要位于皖中和皖北区域。该区域自然资源条件有限且生态环境受到轻微干扰和破坏，但由于开发强度不高，所以人地矛盾和环境问题并不突出。如位于皖北平原的临泉县和太和县，土地利用类型以耕地为主，自然资源条件有限，产业结构层次偏低，城镇建设水平不高，经济发展较落后。

生态保育型(高生态供给和低生态需求)包括49个区县，主要位于皖南、皖西和沿江区域。该区域内生态环境水平较高，但经济发展滞后，城镇建设水平较低。如位于大别山区的金寨县和霍山县，森林和水资源富集，生态环境良好，但受地理条件影响，仍以第一产业为主，经济社会发展和城镇化水平都落后于安徽省平均水平，人地矛盾也不突出。

3.5 差异化国土空间发展策略

随着安徽省城镇化水平不断提高，土地利用面临向集约节约利用和潜力资源挖掘的转变。针对各生态管控类型，提出适合其自身发展的国土开发策略。

生态协调型地区应以协调发展为主，主要协调地区经济发展和生态环境保护间日益激化的矛盾，缓解人类活动对生态系统的压力。该地区具有良好的经济发展基础与技术手段，未来应充分利用先进的技术手段，调整土地利用结构，提高土地利用效率，以保护和增加生态用地为主，缓解日益突出的人地矛盾。

生态控制型地区的城镇化建设会进一步加大生态系统压力，经济发展和生态环境矛盾更加严重。因此，生态控制型地区应以生态修复为手段，减轻人类活动对生态系统的干扰，大力治理环境污染，完善城市绿色基础设施建设，增加城市绿地覆盖率，恢复生态系统服务功能，提高生态系统服务供给能力。同时应严格控制各区县建设用地的扩张并实现减量化发展，推动土地集约节约利用，提高土地利用效率。

生态重建型地区应重视土地整治，在增加生态用地面积、提高生态系统服务供给能力的同时，统筹城乡发展，促进地区产业结构优化和升级，使地区朝着绿色经济方向发展，并通过优化空间结构，建设资源节约型和环境友好型社会，缓解人地矛盾；推动经济发展的同时，应加快基础设施建设，挖掘开发潜力，推动地区可持续发展。

生态保育型地区发展应以生态保护为主要目的，加强动植物保护，实施退耕还林和封山育林等生态保护工程，提高森林覆盖率，全面恢复和提高生态系统服务能力。该地区经济发展应充分发挥资源优势，在保护生态系统基础上提高土地利用效益，实现产业结构转型，推动经济快速发展。

4 结论

笔者在核算安徽省生态系统服务供给和需求的基础上，开展生态系统服务供需关系空间分异研究，将安徽省105个区县划分为生态协调型(高生态供给和高生态需求)、生态控制型(低生态供给和高生态需求)、生态重建型(低生态供给和低生态需求)和生态保育型(高生态供给和低生态需求)4类生态管控类型，并分别提出国土空间发展策略。

通过定量分析生态系统服务供给和需求，并基于象限划分生态系统服务供需关系，研究两者之间差异。通过生态系统服务价值表示生态系统服务供给，主要是依据土地利用和植被覆盖类型计算静态的生态系统服务价值，但生态系统服务是流动的过程，无法通过静态的计算方法来反映，因此仍需进一步探讨生态系统服务供给精确度量方法；未来可使用土地利用规划数据分析生态系统服务供需关系，实现规划和现状对比，从而更加科学地进行管制分区。