长株潭城市群生态系统服务供需时空分异分析

吴秋彤,齐增湘,2,3*,李 涛,3,王 宽,巩雅博

(1.南华大学 松霖建筑与设计艺术学院，湖南 衡阳 421001;2.湖南省健康城市营造工程技术研究中心，湖南 衡阳 421001;3.生态型区域-城市规划与管理衡阳市重点实验室，湖南 衡阳 421001)

0 引 言

生态系统服务是指人类直接或间接从生态系统的结构、过程和功能中获得的生命支持产品和服务[1]。也是联系自然系统与社会经济系统之间的桥梁，通过供给与需求可反映出生态环境与人类社会的复杂关联性[2]。城镇化与城市群一体化的加速推进，加速了原有生态用地面积的缩减和破碎，生态系统遭受巨大压力，生态系统功能日益衰退，影响着人类社会的可持续发展。因此，开展城市群生态系统服务供需时空分异与平衡关系的研究对于推进生态文明建设、实现绿色发展具有重大意义。

国内外围绕生态系统服务供给与需求的量化方法[3]、供需匹配[4-5]、服务流[6]、生态系统服务风险[7]和生态安全格局[8]等方面展开了大量的研究。其中，关于如何确定供需关系及如何运用供需关系指导生态建设的研究日益成为探讨的热点。一方面，学者提出了多种量化供需的方法，如供需矩阵法[9]、生态模型法[10-13]、综合指数法[14-15]、生态足迹法[16]。Q.X.Meng等利用供需矩阵法对伊河流域生态系统服务的供给与需求进行量化制图，并分析了生态系统服务供需的时空变化[17]；张恒玮借助InVEST模型估算了石羊河流域生境质量、碳储量、土壤保持与产水量四项服务的供给量[18]；V.A.Parsa等运用I-Tree生态模型对伊朗Tabriz城市森林的调节服务供需匹配进行分析，结果表明研究区调节服务需求和供应之间存在严重的不匹配[19];A.González-García等评估了1990—2012年马德里地区产水、气候调节和户外娱乐三项服务的供需匹配[20]。另一方面，学者针对供需关系如何指导生态安全格局构建与生态管理进行了深入探究[21-22]。谢余初等在定量分析广西县域生态系统服务供需匹配关系、空间分异性基础上，探讨出生态修复的空间分区与管控措施[23]；管青青等基于河北曲周县村级农业生态系统服务供需评估，划分出四类农业生态管理分区[24]；寿云飞等基于长三角城市群生态系统服务供求分析，提出长三角城市群生态格局分区方案[25]。综上来看，研究内容上，侧重于供需量化及供需匹配状况，而缺乏对供需失衡、不匹配的调控研究；研究方法上，关于供需的量化方法尚未形成一致，以功能当量法、社会经济指标法、供需矩阵法估算居多，导致量化精确性不高，主观性较强；研究尺度上，更多地集中在省域、市域、县域和流域，而对于当前及未来发展的重点区域—城市群尺度的研究相对较少，且主要集中在热量调节、调节洪涝、休闲娱乐、空气净化等方面[26]。由此，本文拟从供需关系视角，以长株潭城市群为研究区，基于2000—2018年的土地利用数据，综合运用InVEST模型、社会经济指标和空间自相关方法对城市群尺度的生态系统服务供需时空分异进行探究，以更好的指导城市群生态环境建设。

随着湖南省“三高四新”、“长株潭一体化”战略的深入实施，长株潭城市群在湖南省高质量发展乃至中部崛起中发挥着更加突出的作用，加强对县域尺度上城市群生态系统服务供需的时空演变及供需关系进行量化分析，以揭示长株潭城市群生态系统服务供需的时空异质性，为推进生态文明建设提供一定指导。

1 研究区概况

长株潭城市群位于湖南省中东部，是长江中游城市群的核心部分，承担着中部崛起的主力军作用，是湖南创新型省份建设的核心增长极。全境地跨111°58′～114°15′E、27°51′～28°01′07″N(如图1)，幅员面积28 081.31 km2，下辖长沙、株洲、湘潭3个地级市，13个市辖区，6个县级市，4个县，2018年末常住总人口1 504.03万人，地区生产总值15 796.31亿元。属于亚热带季风湿润气候，无霜期长，年降水量约1 200～1 500 mm，年均气温16～18 ℃。以丘陵和盆地为主，南高北低，地势起伏大。水资源及矿产资源丰富，土壤类型以水稻土、红壤为主。

图1 研究区示意图Fig.1 Schematic map of the study area

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

研究数据主要包括基础地理数据和社会经济数据。其中，土地利用类型、数字高程模型(digital elevation model，DEM)等基础地理数据主要来自于中国资源环境数据云平台(http://www.resdc.cn/)，空间分辨率为1 km×1 km，并统一采用WGS_1984_UTM_Zone_49N投影坐标系。

粮食产量、林产品、水产品等社会经济数据主要来自于2001—2019年湖南省统计年鉴及中国县域统计年鉴。各地类的生境适宜性、胁迫因子权重以及最大胁迫距离、生境类型对胁迫因子的敏感性等相关参数设置来自相关文献[28]。参考高艳丽、张优等[29-30]研究结果，取平均值后得出长株潭城市群不同土地利用类型下的碳密度。

2.2 研究方法

2.2.1 生态系统服务供给计算

参考相关学者的研究[12,18,27]，确定本研究中以生境质量、食物供给、碳储量来表征生态系统服务供给。为消除不同服务供给量在单位方面的差异，因此本文采用极差法对三项服务供给进行无量纲化处理，然后加和得出城市群生态系统服务总供给量。

1)生境质量模型

生境质量是生物对生态系统为其生存和发展提供栖息环境的适宜程度[27]。运用InVEST的Habitat Quality模块结合土地覆被数据以及生物多样性威胁因素进行测算而成的栅格数据[28]。并利用土地利用/覆被和干扰源等数据评价其生境质量，不同生境类型对胁迫因子的响应都有所差异，计算公式如下：

(1)

式中：Qxj为生境类型j中栅格x的生境质量；Dxj为生境类型j中栅格x所受到的干扰程度；k为半饱和常数，通常取Qxj试运行一次后得到的最大值的一半，Hj为生境类型j的生境适宜性。

2)食物供给

食物供给是生态系统特别是农业生态系统的供给服务评估中的一项重要指标，对人类的生存与发展起着重要作用。不同土地利用类型产生的食物不同，本文以不同类型用地单位面积上的食物总产值来表征食物供给能力[26,29]，计算公式如下：

(2)

式中：i表示不同行政区;j表示不同土地利用类型;G表示不同行政区中不同土地利用类型单位面积上的食物总产值;L表示不同行政区中不同土地利用类型上的食物总产值;S表示不同行政区中不同土地利用类型的面积。其中，农业总产值对应耕地面积，林业总产值对应林地面积，牧业总产值对应草地面积，渔业总产值对应水域面积。

3)碳储量

碳储量服务是生态系统服务中一项重要的调节服务，对维持陆地生态系统地上碳平衡有重要影响。使用InVEST模型中的Carbon Storage模块评估长株潭城市群碳储量服务的供给量[12]。根据土地利用/覆被的分类情况，计算平均碳密度并求和，得出研究区的总碳储量[31]。其计算公式如下：

Ctot=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(3)

式中：Ctot为城市群总碳储量，t/hm2；Cabove为地上部分生物碳，t/hm2；Cbelow地下部分生物碳，t/hm2；Csoil为土壤有机碳储量，t/hm2；Cdead为死亡有机碳储量，t/hm2。

2.2.2 生态系统服务需求计算

参考彭建等[32]的研究成果，以建设用地比例、人口密度和经济密度来表示人类社会对生态系统服务的需求，公式如下：

D=Ci×lgPi×lgEi

(4)

式中：D表示生态系统服务需求指数；Ci表示建设用地比例，%；Pi表示人口密度，人/km2；Ei表示经济密度，万元/km2。

2.2.3 生态系统服务供需比

本文运用生态系统服务供需比来刻画城市群的生态系统服务供需关系，以揭示研究区2000—2018年间生态系统服务的盈余或赤字情况。参考刘立程等研究[2,33]，计算公式如下：

(5)

式中：P和C分别指生态系统服务的实际供给与需求；Pmax表示在评价区域内的生态系统服务供给最高值；Cmax表示在评价区域内的生态系统服务需求最大值。Espcr>0，表示生态服务供过于求，Espcr=0，表示供需平衡，Espcr<0，表示供不应求。

生态系统服务综合供需比率(Iespcr)用于确定整体水平的生态系统服务供需的状态，计算为Espcr的算术平均值：

(6)

式中：n是评估的生态系统服务的数量，n=3；Espcri是各项生态系统类型的供需比，其中i=1指的是生境质量服务，i=2指的是食物供给服务，i=3指的是碳储量服务。

参考有关研究成果[34]，将综合供需比阈值为(-2,2)分为7个等级(见表1)，以量化城市群生态系统服务供需盈赤状况。

表1 生态系统服务供需状况分级标准Table 1 Classification criteria for ecosystem services supply and demand status

2.2.4 空间自相关分析

空间自相关是指同一个变量在不同空间位置上的相关性。一般采用全局Moran’s I指数来反映整个研究区域某一变量空间关联或差异程度，可以有效揭示出该变量在研究区域内的时空演变规律，而非无序随机分布[33]。计算公式如下[36]：

(7)

式中：n为研究区域县域数量，Xi和Xj分别为区域单元i和区域单元j的生态系统服务供需比，Wij为空间权重矩阵要素，Moran’s I指数变化范围为(-1，1)，GM>0时，表示空间集聚；若GM<0，则表示空间分散；GM=0，则说明随机分布，无空间相关性。

3 结果与分析

3.1 生态系统服务供给时空特征

由表2可知，2000—2018年长株潭城市群生态系统服务供给量整体下降3.6%，各个地区的变化差异较大。其中12个县市区的供给呈现小幅增长，11个县市区供给出现减少，但各地区呈现不同的变化模式。长沙市内五区、石峰区、雨湖区和岳塘区的供给持续递减，而望城区、长沙县、宁乡县、株洲县、攸县、炎陵县、醴陵市、湘潭县、湘乡市和韶山市具有持续递增的特点，荷塘区、天元区经历了“先减少-后增加-再减少”的过程，浏阳市具有“先增后减”的特点，芦淞区呈现出“先减后增”趋势，而茶陵县经历了“先增加-后减少-再增加”的变化。2000—2010年望城区的生态系统服务供给值最大，依次为2.140、2.152、2.163；但2010—2018年最大供给值在湘潭县，为2.169，研究期间芙蓉区的供给始终最低。2000—2018年，以芙蓉区、天心区、开福区等为代表的市区供给减少幅度较大，分别为42.7%、24.4%、15.2%，但与此同时，以株洲县、湘乡市和湘潭县等为代表的周边县市供给增长较明显，依次是3.7%、3.5%、3.0%。

表2 2000—2018年长株潭城市群生态系统服务供给变化Table 2 Changes of ecosystem service supply in CZT Urban Agglomeration from 2000 to 2018

利用ArcGIS中的自然断点法将城市群生态系统服务供给按照低到高的顺序分为5个等级(如图2)。研究期间城市群供给空间分布呈现“中间低、四周高”的特点，低供给区、较低供给区分布在芙蓉区、开福区、天心区、雨花区、岳塘区，较高供给与高供给在空间上的变化较大。2000—2005年，高供给区面积明显增大，表现为宁乡县、湘潭县、韶山市的生态系统服务供给增加；同时，较高供给区面积大幅增大，表现为湘乡市、浏阳市、芦淞区、株洲县、醴陵市、攸县、茶陵县的生态系统服务供给小幅增长。2005—2010年，生态系统服务供给的空间变化不大，仅雨湖区由高供给转为较高供给，石峰区由较低供给转为一般供给。2010—2018年，湘乡市的生态系统服务供给小幅增长，由较高供给转为高供给，说明当地生态环境趋于优化；芦淞区由一般供给转为较高供给，其生态系统也得到一定保护与修复。

图2 2000—2018年生态系统服务供给空间分布Fig.2 Spatial distribution of ecosystem services supply from 2000 to 2018

3.2 生态系统服务需求时空特征

由表3可知，2000—2018年长株潭城市群生态系统服务整体需求增长201.2%，总体呈现增长态势；其中宁乡县、浏阳市和炎陵县的需求具有“先减小后增长”的特点。其中，2000—2005年，天元区、岳麓区、望城区的需求增长幅度最大，分别为100.5%、77.1%、70.7%；但炎陵县、浏阳市和宁乡县的需求却小幅下降。这是因为前三者位于城市群核心区附近，建设用地开发和人口汇聚较快，生态系统服务需求迅速增长。2005—2010年，炎陵县、宁乡县、浏阳市的需求增长幅度最大，为200.0%、132.9%、106.7%。2010—2018年，天元区、望城区、韶山市、炎陵县和雨湖区的需求急剧增长，达到303.0%、236.3%、232.2%、213.3%和213.4%。2000—2018年，天元区的需求增幅最大，望城区与岳麓区次之，这给城市群生态系统带来了较大的压力。

表3 2000—2018年长株潭城市群生态系统服务需求变化Table 3 Changes of ecosystem service demand in CZT Urban Agglomeration from 2000 to 2018

同样运用自然断点法将城市群生态系统服务需求按照低到高的顺序分为5个等级(如图3)。2000—2018年城市群生态系统服务需求在空间上具有明显的空间差异，表现为三市市区的需求较为集中，而外围县市区的生态系统服务需求较小。其中，2000—2005年，望城区、长沙县、天元区由较低需求转为底需求，而雨花区由较高需求转为一般需求，荷塘区与芦淞区由一般需求转为较低需求，反映该时期人类活动强度有所降低。2005—2010年，荷塘区由较低需求转为一般需求，天元区也由低需求增长为较低需求， 2010—2018年，望城区、长沙县由低需求转为较低需求，而雨花区由一般需求转为较高需求，天元区则由较低需求转为一般需求，在工业化与城镇化的驱动下，人口与经济活动加快向市区集中，由此推动土地利用方式急剧转变，导致城市生态系统服务的供给减少，出现供不应求。

图3 2000—2018年生态系统服务需求空间分布Fig.3 Spatial distribution of ecosystem service demand from 2000 to 2018

3.3 生态系统服务供需平衡特征分析

在ArcGIS中以自然断点方法，将生态系统服务供需比按照供需由赤字到盈余的程度分为高赤字、较高赤字、一般赤字、供需平衡、一般盈余、较高盈余和高盈余7个等级(如图4)。2000—2018年城市群大多数县市区生态系统服务供需关系趋向恶化，尤其是高盈余的县区数量明显减少。具体看，2000年，高盈余区有宁乡县、韶山市、湘潭县和炎陵县，到2018年，只有炎陵县是高盈余状态。而望城区、长沙县也由较高盈余转变为供需平衡，开福区、雨花区和岳塘区由一般赤字进一步恶化为较高赤字，岳麓区和雨湖区由供需平衡转变为一般赤字，天元区由一般盈余转为一般赤字。多数县市区供需矛盾有所加剧，但石峰区、株洲县、攸县的供需关系出现小幅缓和，这得益于产业结构的调整、经济活动的规范以及生态环境的保护。2000—2018年，研究区生态系统服务供需比整体呈减少特点，芙蓉区、开福区、雨花区、天心区、岳麓区和天元区供需比减少最多，而望城区、长沙县、雨湖区和岳塘区供需比减少次之，其余县市区也出现小幅减少。

图4 2000—2018年生态系统服务供需比的空间分布Fig.4 Spatial distribution of supply demand ratio of ecosystem services from 2000 to 2018

利用Geoda与ArcGIS对城市群供需关系的空间依赖特征进行统计与分析，得到研究区2000—2018年四期莫兰指数分别为0.203、0.268、0.317和0.371，均通过了显著性水平为0.05的统计检验，说明研究区生态系统服务供需比存在显著的空间集聚性。如图5所示，2000—2018年城市群都存在高高集聚、低低集聚和低高集聚3种集聚形式，高高集聚主要分布在宁乡县、湘乡市、湘潭县、韶山市和株洲县等地，而低低集聚主要分布在长沙市的芙蓉区、雨花区，2000—2005年，开福区与天心区转变为低低集聚区，此类集聚区的面积增大。2005—2010年，攸县与茶陵县转变成高高集聚区，该集聚区面积增大。2010—2018年，醴陵市转变成高高集聚区，而湘潭县由高高集聚转为不显著区。

图5 2000—2018年生态系统服务供需比的局部空间聚类分布Fig.5 Local spatial clustering distribution of supply demand ratio of ecosystem services from 2000 to 2018

生态系统服务供给与需求的量化成为当前研究的热点，本文运用InVEST模型及社会经济数据来量化长株潭城市群生态系统的生境质量、食物供给、碳储量三项服务的供给量。以往的功能当量是基于专家学者的知识与经验，具有较强的主观性，相较而言，本文采用的过程模型结合社会经济数据则能更加客观地反映城市群这三种服务的供给大小。同时，本文从建设用地比例、人口密度和经济密度三个方面刻画生态系统服务需求，通过构建生态系统服务需求指数来综合表征人类社会的需求大小，对比已有研究中运用的需求矩阵法[16]、社会经济指标法[18]、生态足迹法[22]、承灾性风险法[37]等量化方法，本文的方法更能准确说明需求大小。人类对生态系统服务的需求大小主要与人口规模、人口密度、经济活动强度等有关，其中，人口密度越大，单位面积上人类的需求量就越大；经济密度越大，单位面积上消耗的资源与能源越多，生态系统服务的需求量也随之增大；建设用地面积比例大，带来的生态用地减少和生态系统服务供给下降，也间接反映社会需求量的增大。此外，在供需关系的量化方面，常用的是构建供需矩阵、生态足迹和过程模型，本文参照刘立程[2]、杨冕[34]等研究，通过构建生态系统服务供需比和综合供需比等方法来量化，并分析其在空间上的平衡状况与分异规律。

本研究中虽对城市群生态系统服务综合供需比的时空变化进行了量化分析，但对于其背后的作用机制与影响因素的研究尚未加以探究。同时，由于需求估算方法和数据的限制，仍未能对各项服务供给与需求的时空关系进行量化讨论。今后，将探索运用新的方法来实现各项服务与对应需求的量化，从而实现各项服务供需关系的测度与分析；并且在供需平衡关系研究基础上，运用多元数据来探究供需关系背后的机制机理，以更好地指导城市群的生态环境管理与建设工作。

4 结 论

以长株潭城市群为研究区，基于2000—2018年的土地利用数据，选取生境质量、食物供给、碳储量三项生态系统服务，综合运用InVEST模型、供需比和空间自相关方法对县域尺度上城市群生态系统服务供需的时空演变及供需关系进行量化分析，主要结论如下：

1)2000—2018年长株潭城市群生态系统服务供给量整体下降3.6%，变化差异较大，12个县市区的供给呈现小幅增长，11个县市区供给出现减少，各县市区的变化呈现不同模式。2000—2010年望城区的生态系统服务供给值最大，依次为2.140、2.152、2.163；但2000—2018年最大供给值在湘潭县，为2.169；研究期间芙蓉区的供给始终最低。研究期间城市群供给的空间分布呈现“中间低、四周高”的特点，低供给区、较低供给区分布在芙蓉区、开福区、天心区、雨花区、岳塘区，较高供给与高供给区在空间上的变化较大。

2)2000—2018年长株潭城市群生态系统服务整体需求增长201.2%，总体呈现增长态势，其中宁乡县、浏阳市和炎陵县的需求具有“先减小后增长”的特点。在空间上具有明显的空间差异，表现为三市市区的需求较为集中。而外围县市区的生态系统服务需求较小。

3)2000—2018年城市群大多数县市区生态系统服务供需关系趋向恶化，尤其是高盈余的县区数量明显减少。具体看，2000年，高盈余有宁乡县、韶山市、湘潭县和炎陵县，到2018年，仅炎陵县保持高盈余状态。而望城区、长沙县也由较高盈余转变为供需平衡，开福区、雨花区和岳塘区由一般赤字进一步恶化为较高赤字，岳麓区和雨湖区由供需平衡转变为一般赤字，天元区由一般盈余转为一般赤字。