安庆都市圈生态系统服务权衡与协同

黄 颖 税 伟 温铁军 张林波 张永永

(1.福建农林大学 安溪茶学院，福州 350002；2.福建省农业科学院 农业经济与科技信息研究所，福州 350003；3.福州大学 环境与安全工程学院，福州 350108；4.山东大学 黄河生态产品价值实现研究中心，山东 青岛 266237)

生态系统服务是“生态系统所形成的维持人类赖以生存和发展的自然环境条件及其效用”[1]。生态系统服务主要包括支持服务、供给服务、调节服务和文化服务四大类[2-4]。自工业化以来，人类对于生态系统的干扰日益增强。人类的活动引起生态系统物质流、能量流和信息流的传递和转化，生态系统服务发生变化，最终影响生态系统内部。一般而言，生态系统的不同服务之间存在权衡和协同的关系。权衡关系是2种生态系统服务之间呈现的负相关，出现此消彼长的现象；协同关系则表示2种生态系统服务之间呈现正相关的关系，4类生态系统服务的之间同时呈现增加或降低的趋势。在不同的时空条件和不同的人类干扰情况下，生态系统服务之间的权衡或协同关系也会出现时空异质性，可以用来诊断生态系统结构是否健康，是否有利于及时调整区域发展政策。

目前，关于评估生态系统服务权衡与协同关系的方法越来越多。最为常用的方法是运用相关分析，2种生态系统服务之间正相关则为协同关系，负相关则为权衡关系；另一种方法是运用权衡协同度模型，构建协同度指数衡量2 种生态系统服务之间的关系，研究区域涵盖一路一带地区[5]、重点生态脆弱区[6]、北方农牧地区[7]、黄土高原地区[7]、河谷盆地区[9]、水源区[10-12]、河流流域[13-16]、城市群[17]。在生态建设过程中，政府采取了一定的生态保护措施，土地结构分类不同于此前，生态系统结构会出现一定的变化，不同生态系统服务之间的权衡或协同关系也会发生变化。在快速发展的地区，一系列生态保护措施取得明显成效，对于地区内的生态系统结构将产生变化，从而影响不同生态系统服务之间的权衡或协同关系。厘清不同时间段地区内不同生态系统服务的相互关系和时空演变特征，对于生态产品价值实现的政策制定具有重要指导作用，有利于促进地区内的生态安全和可持续发展。

都市圈与人类的发展更为紧密，因此都市圈的生态系统服务研究是关注热点。在城镇化增长快速的地区，例如长江经济带、成渝城市群、闽三角城市群、关中平原城市群、广州城市群等，食物供给服务与水源涵养、水土保持等调节服务之间存在权衡关系；在生态环境较好并且尚未大面积开发或者秉承生态理念进行合理开发的地区，例如粤港澳大湾区，食物供给服务与水源涵养、水土保持等调节服务之间则为协同关系[18-24]。在研究都市圈生态系统服务时，已有研究强调：1)生态系统服务与经济发展之间的权衡协同关系。在研究方法上，可以对比分析经济集聚与生态系统服务集聚的分布格局，根据结果提出管控用地或加强开发生态产品的对策建议[25]；2)土地利用碎片化对于生态系统服务的影响。都市圈因人类活动导致土地利用破碎化程度较其他生态系统更严重，都市圈的景观斑块密度指数、林地水域的破碎化影响着生态系统服务价值的上升或下降[26]，破碎化过程中废弃物处理、土壤形成、食物生产等各项价值发生了变化[27]；3)与城镇化率之间的关系[28]；4)环境负荷率和可持续发展指数[29]。长江经济带是我国重大国家战略发展区域，安庆都市圈是长江经济带中的重要一环，国家战略发展的变化对其生态系统服务的时空格局具有一定的影响。根据城镇体系规划，安庆都市圈包括安庆中心都市区、桐潜重点发展区、西南沿江发展区和西北生态发展区4个区域。安庆都市圈承接长三角产业转移，城镇用地规模不断扩大，规划新增产业发展空间和土地面积，为新产业发展创造条件。近年来，国家对长江经济带的发展日益重视，长江经济带不断扩容，上海和江苏等发达省份实行重工业转移战略。随着国家长江经济带战略的实施，安庆都市圈出台加快工业发展的政策，城镇化进程加快，承接着城镇化过程中东部产业转移的重要任务。安庆都市圈从边缘城市成为重点开发区，承担国家重任，体现国家最新战略布局。因此，为揭示安庆都市圈生态系统服务时空格局变迁的特点，本研究选取安庆都市圈作为研究对象，利用相关分析和CA-Markov模型，分析2000年以来不同生态系统服务的时空演变特征，分析不同生态系统服务之间的权衡或协同关系，并预测未来的生态系统服务，以期为安庆都市圈可持续发展决策提供参考。

1 研究区域概况与数据来源

1.1 研究区域概况

安庆都市圈(图1)位于安徽省西南部的长江中下游北岸平原，地势较为平坦，从西北到东南大致分为山区、丘陵区和圩畈区，其余为江湖水面。西北部绵亘大别山主峰，为中低山区；中部是丘陵地带，呈波状起伏；东南部与黄山余脉相接，长江流经市境200多km，属于江湖平原。安庆都市圈是皖江的源头，与江西九江隔江相望，安庆港是全国主要港口之一。安庆都市圈是长三角地区27个中心城市之一。

图1 安庆都市圈区位图Fig.1 Location map of Anqing metropolitan area

1.2 数据来源

数据来源主要包括：1)中国多时期土地利用/土地覆被遥感监测数据集(CNLUCC)，来源于中国科学院地理科学与资源研究所数据注册与出版系统(http:∥www.resdc.cn/DOI:10.12078/2018070201)；土地类型包括耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地六大类，空间分辨率为30 m；2)DEM数据选用ASTER GDEM数据产品，分辨率为30 m，来自地理空间数据云平台(http:∥www.gscloud.cn)；3)降水量、积温、辐射等气象指标，来源于中国气象数据网(http:∥data.cma.cn/)。气象数据采用插值软件进行样条插值，空间分辨率为500 m；4)MODIS的NDVI数据，空间分辨率为1 km，具体为MOD13A3数据(http:∥www.resdc.cn/)；5)中国科学院资源环境科学数据中心的土壤类型与质地等相关数据，空间分辨率为500 m(http:∥www.resdc.cn/)；6)社会经济统计数据，来源于《安徽统计年鉴》[30]。

1.3 研究方法

1.3.1水源涵养生态系统服务

运用综合蓄水法计算生态系统的水源涵养生态系统服务。耕地的水源涵养服务是通过计算土壤容重、厚度和土壤含水量获得；森林的水源涵养服务主要通过计算冠层、枯落物层、土壤层的蓄水量得到；草地的水源涵养服务通过计算草地降水截留量、吸水量以及土壤蓄水量得到。具体公式和取值[31]如下：

Q耕地=ρ×h×p×10 000

(1)

式中：Q耕地为耕地水源涵养量，t/hm2；ρ为土壤容重， t/m3；h为土壤厚度， m；p为土壤含水量，%。

Q林地=Q1+Q2+Q3

(2)

Q1=rain×l×10

(3)

Q2=f×q

(4)

Q3=k×h×10 000

(5)

式中：Q林地为林地的水源涵养量，t/hm2；Q1为林冠截留量，t/hm2；Q2为枯枝落叶层含水量，t/hm2；Q3为土壤储水量，t/hm2；rain为降水量，mm/hm2；l为林冠截留率，%；f为枯枝落叶层干质量， t/hm2；q为饱和吸水量，%；k为土壤非毛管孔隙度，%；h为土壤深度，m。

Q草地=10×rain×l+f×q+10 000×k×h

(6)

式中：Q草地为草地的水源涵养量，t/hm2；rain为降水量，mm/hm2；l为草地降水截留率，%；f为枯草干质量，t/hm2；q为饱和吸水量，%；k为土壤非毛管孔隙度，%；h为土壤深度，m。

1.3.2土壤保持生态系统服务

土壤保持服务的计算主要有统计数据直接计算法和“3S”技术模型计算法。其中计算科学简便、被广泛使用的计算模型是通用土壤流失方程(Universal Soil-Loss Equation)[31]。计算公式[33-34]为：

A=R×K×L×S×P×(1-C)

(7)

R=3.046×rain-2.639 8

(8)

L=(λ/22.13)m

(9)

(10)

(11)

式中：A为土壤保持量(t)，R为降雨侵蚀力因子，K为土壤可蚀因子，L为坡长因子，S为坡度因子，P为水土保持措施因子，C为植被覆盖因子。rain为年降雨量，mm。SAN为砂粒含量，%；SIL为粉砂含量，%；SLA为黏粒含量，%；Carbon为有机碳含量，%，NDVI为归一化植被指数。取值范围参考相关文献[33-37]。

1.3.3净初级生产力服务

净初级生产力(Net Primary Productivity, NPP)是指绿色植物在单位时间、单位面积内所积累的有机物的数量，是由植物光合作用所产生的有机质总量中减去自养呼吸后的剩余部分[38-39]。NPP的估算模型包括光能利用率模型(Light Use Efficiency,LUE)、植被光合作用模型(Vegetation Photosynthesis Model, VPM) 等。其中VPM模型是目前结构较为简单，模拟精度较好、计算效率较高、应用范围较广的模型之一。与LUE模型相比，VPM模型在估算时区分了叶绿素吸收的光合有效辐射部分和非叶绿素吸收部分[40]。具体计算公式为：

NPP=s×GPP

(11)

GPP=εg×FPAR×PAR

(12)

εg=ε0×Tem×Water×Phe

(13)

式中：NPP为植被净初级生产力，g C/m2；GPP为植被总初级生产力，g C/m2；s为呼吸消耗与GPP的比例系数；εg为实际光能利用率，g C/MJ；FPAR为叶绿素吸收的光合有效辐射比例；PAR为光合有效辐射，MJ/m2；ε0为最大光能利用率，g C/MJ；Tem、Water、Phe分别为温度、水分、物候对于最大光能利用率的调节系数[41]。

1.3.4食物供给服务

人类从生态系统获得各类食物，维持基本生存需要。在生态系统中，提供食物供给服务的主要有耕地、林地和水域三种土地利用类型。其中耕地主要提供粮食作物，林地主要提供林木、水果等产品，水域生产淡水鱼类。以统计年鉴数据为基础，估算不同土地利用类型的食物总产值。计算公式为：

(14)

式中：V为食物总产值；yj为不同土地类型的单位产值；S为土地类型的面积。

1.3.5权衡与协同分析

分析不同生态系统服务之间的权衡与协同关系最广泛的分析方法是皮尔逊(Pearson)相关系数分析。首先，运用ArcGIS 10.0中在四种生态系统服务栅格图中每间隔1 km设置一个空间采样点，将采样点数据导出；然后运用SPSS 22.0软件对四种生态系统服务采样点的导出数据进行皮尔逊相关系数分析。

2 结果与分析

2.1 安庆都市圈生态系统服务时空演变

由表1可知，随着安庆都市圈承接长三角经济带的工业转移，城镇化进程加快，景观格局也随之发生剧烈变化，其中，变化最为明显的是耕地面积和城乡居民用地面积。自2000年以来，安庆都市圈耕地面积呈现减少趋势；建筑用地面积呈现不断增长趋势(表1)。耕地面积减少的原因在于城镇化过程中部分耕地转为建设用地以及退耕还林等生态政策影响。具体表现为安庆都市圈正处于城镇化进程中，工业总产值规模壮大，城乡、工矿、居民用地面积不断扩大，从2000年的3.76%扩大到2020年的5.48%；耕地面积不断缩小，从2000年的44.13%减少到2020年的42.71%。这一时期，安庆都市圈的工业得到发展，石化、电厂、纺织业、金属、新能源汽车等一系列工业大项目落地安庆，带动了经济的发展。在农业领域，开展农业休闲旅游项目，从第一产业向第三产业发展。土地利用结构发生巨大变化(图2)。

图2 2000—2030年安庆都市圈土地利用的变化趋势图Fig.2 Change trend of land use in Anqing metropolitan area during 2000-2030 year

表1 安庆都市圈不同时期土地利用类型占比Table 1 Proportion of land use types in different periods in Anqing metropolitan area %

运用CA-Markov模型进行预测，通过预测土地利用数据与已有年份的数据精度进行对比，计算模型的位置kappa系数为0.977 3，证明预测模型构建的可靠性较强，可以用于预测[42]。模型预测结果显示，2030年安庆都市圈城镇化进程加快，大量的耕地和林地面积将继续转化为城镇用地，耕地面积将大幅下降至41.40%，林地面积也将大幅减少至32.00%,预计城乡、工矿、居民用地的面积将上升至9.79%。

如图3所示，自2000年以来，安庆都市圈生态系统服务发生较大变化。运用ArcGIS 10.1软件，分析安庆都市圈2000年以来土壤保持、水源涵养、NPP服务和食物供给等4种生态系统服务，并进行空间制图表达。土壤保持、水源涵养、NPP服务和食物供给4种生态系统服务的空间分布有较强的规律性。高值区分布在西北部，低值区分布在东南部。2000年以来，安庆都市圈的食物供给服务呈现明显的增长趋势，水源涵养服务基本保持稳定，NPP服务略有增长，土壤保持服务在2000—2010年增长较快，2010年以后保持在较为稳定的状态。

图3 安庆都市圈生态系统服务时空变化Fig.3 Temporal and spatial changes of ecosystem services in Anqing metropolitan area

水源涵养服务高值区位于安庆都市圈的东南部，主要集中于望江县、宿松县的大部分地区以及安庆都市圈的主城区，低值区位于岳西县、桐城市、潜山县和太湖县等西北部山区。水源涵养服务主要受到降水量的影响，安庆都市圈的东南部降水偏多，因此东南部的水源涵养较西北部高。从时间尺度来看，水源涵养服务的波动较小。

土壤保持服务呈现明显的分界线。安庆都市圈西北部是大别山余脉，因此岳西县以及太湖县、潜山县、桐城县的西北部是土壤保持服务的高值区，东南部为土壤保持服务的低值区。土壤保持服务受到地表覆盖、水土保持、土壤可蚀性、地形和降雨侵蚀力的影响，因此，土壤保持服务与地理高程密切相关。2000—2010年土壤保持服务增长幅度较大，2010年以后保持较为稳定的状态。这是由于安庆都市圈开展小流域综合治理和坡耕地治理，对于山洪等自然灾害进行严密的防控，水土保持措施取得较好的成效，因此，土壤保持服务呈现先快速增长、后稳定发展的变化趋势。

NPP服务主要集中于安庆都市圈东南地区平原地带，同样以大别山余脉为分界线，东南部除了水域以外为NPP服务的高值区，西北部为NPP服务的低值区。NPP服务高值区主要分布在怀宁县、望江县、宿松县、枞阳县以及桐城市和潜山县的东南部。从整体来看，安庆都市圈东南平原地区的温度、日照、降雨等条件优于西北部山区，更有利于NPP服务累加。从变化趋势来看，NPP服务的波动较小。NPP服务反映土壤的现实生产能力，与温度、日照、降雨和熟制等有一定的相关性，呈现一定的时空分布规律。

食物供给服务呈现明显的逐年递增的趋势，2010年的食物供给服务是2000年食物供给服务的2.53倍，2020年食物供给服务是2000年的3.72倍。食物供给服务的增长得益于粮食面积的稳定增长以及粮食单产的不断提高。政府强调“粮食安全”政策，切实保障耕地面积的稳定，为粮食供给提供支撑保障。除此之外，畜牧产品、林产品和水产品等的产量和产值都稳步提升，食物供给服务得以有效提高。

由于食物供给服务呈现明显的增长趋势，因此选择霍尔特指数平滑法对2030年的食物单位产值进行预测，结合CA-Markov的土地利用类型的预测结果，估算2030年的食物供给服务。根据预测结果，2030年食物供给服务与2020年相比增长了25%左右。水源涵养服务基本与往年持平。2030年的土壤保持服务是2000年的1.36倍，2030年的NPP服务是2000年的1.13倍。

2.2 生态系统服务之间的权衡协同关系

如表2所示，2000年来，安庆都市圈的生态系统服务之间的关系较为稳定，不同生态系统服务之间呈现不同的权衡/协同关系，呈现的规律如下：

表2 生态系统服务权衡与协同关系Table 2 Trade-off and synergy of ecosystem services

1)水源涵养服务与NPP服务之间的协同关系最强，可充分发挥两者之间的协同作用促进生态系统服务的供给。水源涵养服务较强的土地利用类型一般为森林。森林能够充分利用根系防止水土流失，能够很好地养护水资源，林木冠层和枯枝落叶层能够发挥水分截留的功能。因此植被覆盖率较高的地区，不仅仅水源涵养服务强，而且植被净初级生产力也很强。提高植被覆盖程度，能够迅速提高水源涵养和NPP服务这2 项重要的生态系统服务，同时通过这2项服务之间的协同作用，增强生态系统服务总供给水平。

2)水源涵养、土壤保持这2项生态系统服务功能之间呈现协同关系。以林地和草地为例，这2种土地利用类型的水源涵养服务和土壤保持服务都很强，同时具有较高的植被净初级生产力，是典型的生态系统服务的重要供给来源。

3)食物供给服务与土壤保持服务之间呈现权衡关系。例如，以耕地为代表的土地利用类型，能够提供较强的食物供给服务，但是相对而言，因为人类的开垦种植，耕地的固土服务效果不及森林，土壤的养分随着作物的种植从土壤转移至作物，因此食物供给服务与土壤保持服务之间一般呈现权衡关系。从安庆都市圈食物供给服务和土壤保持服务之间的皮尔逊相关系数可以得到验证。

4)食物供给服务与NPP服务之间一般呈现协同关系，这是因为植被净初级生产力较强，意味着能够更好地发挥固碳释氧等功能。以林地这一土地利用类型为例，林地的NPP服务较强，也能产生一定的食物供给服务，例如森林采集的野菜、菌类，林下种植的铁皮石斛、金线莲、黄精等，林下养殖等。

分区域来看，第一，水源涵养服务与其他三种生态系统服务之间的协同关系在东南平原地区比西北山区表现得更为明显。由此可见，在安庆都市圈，由于东南平原沿着长江流域，降雨较为集中，并且该区域内的水源涵养服务更优于西北地区，表现出的协同关系也更明显。在西北山区，降雨量明显少于东南平原地区，虽然拥有一定林地资源，但水源涵养服务功能不及东南平原，相应地，与其他生态系统服务协同关系也相对较弱。

第二，土壤保持服务与食物供给之间呈现权衡关系，这种权衡关系在东南平原地区表现更为显著。一方面，东南平原地区城镇化程度相对较高，对于食物供给的需求更高，平原地区也有更广阔的耕地面积，因此在土地利用的时候偏向于土地用于食物供给，土壤保持服务则相对弱化。

第三，近年来，西北山区的NPP服务和食物供给服务之间从原来的协同关系转向为权衡关系，意味着森林资源丰富的西北山区随着城镇化开发进程的加快，已经出现占用林地资源用于食物供给的趋势，生态资源和生态环境受到了不良影响。

3 讨 论

在生态文明建设的指导方针下，人们对生态环境日益重视，逐渐改变了以牺牲环境为代价的经济发展模式，探索生态与经济协调发展的可持续道路。分析生态系统服务与社会经济发展之间的空间权衡与协调性，是优化区域布局，降低空间差异性，提升区域公平可持续发展的基础。近年来，作为承接长江经济带产业转移的安庆都市圈的城镇化速度不断加快，耕地、林地、草地的面积在不断缩小，建设用地不断扩大，生态系统服务的结构和功能发生巨大变化，成为考量生态系统服务与社会经济发展如何协同发展的独特窗口。本研究选取了4种类型的生态系统服务，为更精细尺度的空间布局优化方案提供战略性参考意见。

结果表明，安庆都市圈生态系统服务呈现不平衡现象，其原因是安庆都市圈内靠近山区林地以及靠近河流流域的生态资源具有较高的生态价值，但是经济开发程度不足。城镇化较高的发展地区，受人类活动和土地开发利用的影响，部分类型的生态系统服务有所下降。在安庆都市圈承接长三角工业发展的背景下，生态系统服务不协调发展的区域面积将进一步加大。在人类土地利用不断变化的背景下，研究区生态系统服务受到城镇化进程的影响。

基于以上结果，本研究对不同生态系统服务的优化发展提供相应的对策建议：一是在都市圈土地利用管理过程中，应当高度重视人类开发和利用不同土地类型对于生态系统带来的影响，尤其注意对土壤保持服务和水源涵养服务产生的影响；二是应当提高土地的利用效率，强化集约化经营，严格控制城镇区域对于生态区域的侵占，减少因建设用地的低效、无序的扩张引起的生态系统服务的下降；三是建立合理的流域生态补偿机制，针对林地、草地等生态区域出台相关有针对性的政策，完善区域的生态修复，加强生态用地的生态修复工作，进一步加强生态保护区域的识别，对重点生态功能要素进行重点保护。四是坚持“山水林田湖草”全域开发，以整全的生态视角对生态要素进行开发和利用，减少破碎化、分割式的开发方式。

对于都市圈的城镇化区域而言，应当充分借鉴生态-经济耦合发展的区域模式，分阶段划定城镇发展核心区和副中心区，对都市圈不同区域之间进行联动协同发展，达到区域优势互补，最大程度激发不同区域之间的发展潜力，凸显区域发展特色，使得都市圈实现高质量发展。除此之外，应当积极探索生态化的城镇发展示范片，在生态文明背景下坚持绿色发展和现代化发展模式，努力发挥出生态环境质量优势，为经济发展增加动能。最后，都市圈的产业需要实现绿色转型和全面升级，从多维度考核社会经济发展，实现都市圈在城镇化过程中实现生态和经济的协同发展。

本研究的不足之处在于，对于未来生态系统服务的变化缺乏实际政策和具体举措的模拟。在不同开发或者保护情景下，生态系统会因为人类采取的不同政策而发生重大改变。因此，在接下来的研究中，应当继续补充地方政府的政策因素，探究人类社会文化和制度变迁对于生态系统服务的影响。此外，本研究只选取了重要的几项生态系统服务，今后应当增加文化服务和支持服务的研究。

4 结 论

本研究以安庆都市圈为研究区域，利用相关模型测算土壤保持、水源涵养、NPP服务和食物供给等四种生态系统服务价值，并使用相关分析法探究其时空演变特征，以及不同生态系统服务之间的权衡与协同关系，得到以下主要结论：

1)从时间尺度上看，2000年以来，安庆都市圈的食物供给服务呈现明显的增长趋势，水源涵养服务基本保持稳定，NPP服务略有增长，土壤保持服务在2000—2010年增长较快，2010年以后较为保持在较为稳定的状态。

2)从权/衡协同关系来看，水源涵养服务与NPP服务之间的协同关系最强，土壤保持服务与食物供给服务之间呈现权衡关系。

3)从未来预测来看，2030年的生态系统服务之间的权衡关系在减弱，协同关系在增强。安庆都市圈在未来城市建设和发展过程中，应当考虑在生态文明建设背景下，在保障食物供给的过程中充分保障其他生态系统服务功能的发挥，推动区域的可持续发展。