徐州市生态系统服务供需匹配研究

李传昌，胡嫚莉，雍新琴

(江苏师范大学 地理测绘与城乡规划学院，江苏 徐州 221116)

生态系统服务是区域可持续性的基本方面之一，维持和改善生态系统服务是实现区域可持续发展的基本条件[1]。提升生态系统服务，提高区域自然社会生态系统的弹性，也是落实生态文明战略、增强人类福祉的有效途径[2]。

生态系统服务是指由生态系统所形成及维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用，为人类直接或间接从生态系统中所获得的各种惠益[3]，联合国千年生态系统评估项目将其生态系统服务功能划分为供给服务、调节服务、支持服务和文化服务四种类型。各国学者分别从生态系统服务形成与驱动机制[4]、物质量与价值量评估[5]、供需关系与空间流动[6]、权衡与协同[7]等方面开展了相应的研究。其中，生态系统服务的供给与需求反映了生态系统服务从自然生态系统向人类社会系统流动的动态过程，对实现生态安全和社会经济可持续发展具有重要推动作用[8]。生态系统服务供给和需求的研究区域主要有省域[9]、城市群[10]、经济带[11]、流域[12]、平原区[13]、高原区[14]等，较少关注资源枯竭型城市，该区域处于绿色转型期，亟需考察生态系统供需格局，且现有研究大多将研究区作为一个整体考虑，相对忽略了城乡的差异性对生态系统服务供需的影响。生态系统服务供给和需求研究内容主要集中在生态系统服务供需内涵[15]、供需关系研究框架[16]、供需价值评估[17]、供需时空特征[18]、基于供需的空间流动[6]、供需匹配[19]和供需权衡与协同[20]等理论和实践方面，对生态系统服务供需关系仍以一些半定量半定性的研究为主，缺少从生态系统服务物质量角度出发的研究[21]。生态系统服务供给和需求的研究方法主要包括土地利用估计法、数据空间叠置法、生态模型法和公众参与法等方法，随着GIS空间分析功能的不断成熟，给生态系统服务供需的空间可视化提供了更加重要的技术支持。

徐州市作为资源枯竭型的老工业基地，面临着严峻的发展转型压力，当前亟需以绿色发展作为转型路径，提升区域绿色环境竞争力，而生态系统服务是生态本底条件的重要表现，摸清生态系统服务的供需现状对徐州市绿色转型具有重要意义。本文以徐州市为研究区，从食物供给、气候调节、水土保持、空气净化和文化娱乐服务五个方面对徐州市2019年的生态系统服务供需进行评价，并在量化生态系统需求时，分开考量城镇和农村居民的需求，用单位建设用地面积上人口数量表征人口密度，在评估的基础上阐明其时空格局，分析空间匹配状况，以期为生态系统服务优化提升路径的探索提供依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

徐州市地处华北平原东南部、江苏省西北部，位于33°43′—34°58′N，116°22′—118°40′E之间。土地总面积11 258 km2，大部分为平原，属温带季风气候，无酷暑严寒，境内河流纵横交错，古黄河、京杭大运河穿境而过。2019年末，全市常住人口882.56万人，地区生产总值达7 151.35亿元。2019年徐州市土地利用现状如图1所示。

1.2 数据来源与处理

土地利用数据来源于徐州市第三次国土调查成果，并参照《国土空间调查、规划、用途管制用地用海分类指南》进行分类；土壤类型、有机质含量、土壤pH等数据来自中国土壤科学数据库；DEM数据来自中国科学院资源环境科学数据中心；降雨等气象数据来自中国气象数据网；社会经济数据来源于各级统计年鉴与国民经济和社会发展统计公报。为统一数据空间分辨率，重采样为100 m分辨率。

图1 徐州市土地利用现状Figure 1 Current situation of land use in Xuzhou

2 研究方法

2.1 生态系统服务供需评估

本文针对徐州市生态修复需求及社会经济发展特征，从食物供给、气候调节、水土保持、空气净化以及文化娱乐五个方面对2019年全市各乡镇(街道)的生态系统服务的供需情况进行评估，具体估算方法如表1所示。

2.1.1 食物供给服务

食物供给是生态系统最基础的供给服务之一，对人类的生存与发展必不可少，本文中食物供给能力为粮食、蔬菜和蛋禽产量三类主要食物的总产量表征；城乡饮食结构和消费能力存在差异，故食物供给服务需求区分城镇和农村，以人均食物需求量乘以人口密度的方法求得，各类食物人均需求量参考《江苏统计年鉴》得到(表2)，人类的饮食活动主要集中发生于建设用地，故用单位建设用地面积上人口数量表征人口密度。

2.1.2 气候调节服务

碳固持功能生态系统气候调节功能的重要组成部分，故气候调节服务以碳固持量进行评估，其中供给量以InVEST模型中的碳固持模块评估，需求量以人均碳排放量和人口密度进行评估，其中人均碳排放量根据徐州市2019年标准煤消费量、碳排放系数相乘再除以总人口计算得到1.55 t。

2.1.3 水土保持服务

水土保持功能指在水土保持过程中所采用的各项措施对保护和改良人类及人类社会赖以生存的自然环境条件的综合效用[22]，本文通过修正通用水土流失模型(RUSLE)进行评价，以水土保持量作为水土保持服务的供给量，以实际土壤侵蚀量作为需求量，这也是人类所期望或是减少的部分。

2.1.4 空气净化服务

参考李冰[23]提出的华北地区林地的二氧化硫、氟化物、氮化物与阻滞降尘的生态服务价值当量，并根据不同覆盖物NDVI差异和徐州排污治理成本确定每吨二氧化硫、氟化物、氮化物与阻滞降尘治理成本分为600、160、1 340与560元，各地类具体空气净化功能当量如表3所示。通过各地类的空气污染物净化价值及其面积对空气净化服务的供给进行评估，空气净化服务需求则基于污染物浓度、污染物处理标准和人口密度等计算得到。

2.1.5 文化娱乐服务

文化娱乐服务的供给采用当量因子法进行评估，参考谢高地等[24]确立的不同生态系统下该类生态系统服务的价值当量，并结合徐州市实际情况进行修正；以不同地类的文化娱乐价值、各县区人口密度及面积等数据为依据，计算对文化娱乐服务的需求。

表1 生态系统服务供需评估方法Table 1 Assessment method of supply and demand of ecosystem services

表2 徐州市人均食物需求量Table 2 Per capita food demand in Xuzhou

2.2 生态系统服务供需匹配

2.2.1 供需服务比

生态系统服务供给与需求的比值(即供需比)可以表达一定时空内供需的空间匹配[28]，其数值大小可反映出供需盈余或赤字。计算公式如下：

其中，S、D指每个栅格上生态系统服务的供给量与需求量；ESDR>0表示生态系统服务供应充足，ESDR=0表示供需达到平衡，ESDR<0表示服务需求未得到满足。

表3 徐州市空气净化和文化娱乐功能评估当量表Table 3 Xuzhou air purification and cultural and entertainment function evaluation equivalent table

2.2.2 空间相关性分析

空间自相关分析作为地统计学基本分析方法，是探索地理要素空间关联的重要手段[29]，本文通过局部空间自相关分析生态系统服务供需比的局部空间集聚特征，并以莫兰指数进行衡量，其表达式为：

以自相关指数标准化的Zi值进行显著性检验，Zi的表达式是：

式中n表示徐州市乡镇行政单元，xi和xj表示第i和j个单元的耕地指数或耕地变化指数，wij表示第i个和第j个评价单元的空间链接矩阵，表征空间单元潜在相互作用力量，E(Ii)表示期望值，Var(Ii)表示标准差。

3 结果与分析

3.1 供需评价结果

经计算分析，食物供给、气候调节、水土保持、空气净化和文化娱乐服务供给量分别为5.47×106t、1.11×108t、4.77×106t、4.21×104万元和1.21×105万元，需求量分别为2.93×106t、1.53×107t、5.51×106t、1.91×104万元和1.21×105万元。生态系统服务供给空间分布如图2所示，生态系统服务需求空间分布如图3所示。

徐州市食物供给能力总体较强，其中粮食产量最高的为睢宁，蔬菜产量最高的为沛县，肉类及蛋禽产量最高的则为为邳州。就单位食物供给能力而言，五段镇最大，为1 334.48 t/km2，而城区则缺乏食物供给能力，单位食物供给为0。人口是影响食物供给服务需求的重要因素，运河街道和睢城街道人口最多，食物需求量相应最大，工业园区管委会和潘安湖街道人口较少，食物需求总量最小。市区各街道人口虽少，但人口密度大，因而其单位面积食物需求量处于较高水平。

气候调节服务供给低值区主要位于市区和各县区的城镇区域，其中彭城街道和金山桥街道的固碳量最少，分别为13 105.53和19 986.02 t，丰财街道和湖滨街道单位面积固碳量最少，分别为3.75和3.92 t/km2。从土地利用类型来看，耕地和陆地水域的固碳量最高，分别占固碳总量的66.49%和10.93%，单位土地面积碳储量最高的用地类型为林地，达14 160 t/km2，气候调节服务的供给能力主要受土地覆被类型的影响。碳固持需求较高的区域主要分布在市区和各县的城镇地区，这些区域是徐州市主要人口集聚区与第二产业分布区，大型工业企业较多，碳排放量高，其他地区由于人口较为分散且以第一产业为主，因此碳固持需求量较低。乡镇街道中，运河街道的碳固持需求量最大，达到了447 535 t，翠屏山街道的碳固持需求量最低，为18 721 t，环城街道单位面积碳固持需求量最大，为39.38 kg/m2，双塘镇单位面积碳固持需求量最小，为0.6 kg/m2。

徐州市水土保持量低值区主要分布在徐州市的中部及东北部，主要为城镇区域和坡度较大区域，彭城街道和牌楼街道的水土保持量最低，分别为1 044.80和1 442.73 t。从土地利用类型来看，水土保持量最高的为林地和耕地，而建设用地水土保持量较少，水土保持量差异与覆被类型密切相关。水土保持需求量较高的区域在徐州市东部和西部，这些区域耕地和林地较多，而中部区域的水土保持需求量较少，该区域主要是徐州市市区，建筑密度较大，路面硬化较多，实际土壤侵蚀量较少。从单位面积水土保持需求量的大小来看，单位面积需求量最大的邵店镇达1 738.24 t/km2，而最小的棋盘镇仅为87.51 t/km2，区域差异显著。

图2 徐州市生态系统服务供给空间分布Figure 2 Spatial distribution of ecosystem service supply in Xuzhou

图3 徐州市生态系统服务需求空间分布Figure 3 Spatial distribution of ecosystem service demand in Xuzhou

空气净化功能较差的区域多分布在市中心区域，多以商业服务业用地为主，所以空气净化服务价值低，环城街道和彭城街道最低，分别为12.23和28.39万元。不同土地利用类型中，湿地的空气净化功能最好，其次是林地、草地。徐州市空气净化服务需求较高的地区集中分布于徐州市中心地带，其中永安街道和东环街道单位面积需求分别达13.90和9.28万元/公顷，这些区域商业、服务业发展水平高于其他区域，因此该区域人流量、车流量大，汽车尾气排放量高于其他地区，导致地区污染物浓度显著高于其他区域，所以空气净化需求相对较高。同时，由于邳州、睢宁等地人口数量相对较多，所以其下辖乡镇对空气净化服务的需求也相对较大。

文化娱乐功能高值区主要集中在市中心区域，这主要是因为该区域内有云龙湖、九龙湖、云龙山、九里山等自然风光以及汉画像石馆、汉墓、徐州博物馆等历史文化场所，使得该区域文化娱乐功能较强。其他区域虽然存在一些文化娱乐功能区，如丰县河滨公园，但辐射范围有限，开发程度不高，内部基础设施和娱乐设施不够完善，导致此类地区文化娱乐总体功能相对较低。各县区的文化娱乐需求价值总体上高于市区，旅游景点、遗址建筑等文化娱乐场所多集中在市中心附近，而睢宁、丰县、沛县等农村地区文化娱乐服务设施相对匮乏，与市中心距离较远，且人口数量又相对较多，导致文化娱乐服务需求较大，运河街道和睢城街道的需求量分别达8 465.85和6 520.32万元。

3.2 供需匹配结果

生态系统服务供需比的空间分布如图4所示，供需比的局部空间自相关分布如图5所示。食物供给、气候调节、水土保持、空气净化和文化娱乐服务供需比的Moran’sI值分别为0.73、0.31、0.66、0.45和0.67，Z值分别为13.99、12.57、6.24、7.93和13.77，具有较强的空间集聚特征。

图4 徐州市生态系统服务供需比空间分布Figure 4 Spatial distribution of supply-demand ratio of ecosystem services in Xuzhou

图5 生态系统服务供需比局部空间自相关分布Figure 5 Local spatial autocorrelation distribution of supply-demand ratio of ecosystem services

徐州市食物供给服务总需求为总供给的26.25%，供需比为1.17，呈现“中间低、四周高”的格局，食物总体上供应充足。在全市所有乡镇街道中，供需比最大的为时集镇，为1.68，市区的大部分街道的食物供给服务供需比为最小值-2，市区缺乏食物供给能力，其食物供给量基本为零所致。食物供给服务供需空间集聚区主要集中在徐州东部、中部等区域，其中双沟镇、伊庄镇、单集镇等22个乡镇为高-高型，该类乡镇人口密度、人均耕地面积、粮食产量等指标都相对较高；九里街道、大庙街道等27个乡镇为低-低型，该类乡镇位于中心城区附近，建设用地较多，耕地、园地等农用地数量少。

气候调节服务总需求为总供给的13.82%，供需比为1.51，气候调节功能较强。气候调节服务供需比最大的为邵店镇，为1.87，市区的大部分街道的气候调节服务供需比均小于1，彭城街道的供需比最小，仅为-1.59。供需空间集聚区主要集中在徐州东部、中部和西北部，魏集镇、古培镇、姚集镇等19个乡镇为高-高型，该类乡镇耕地和水域面积较大，碳储量高，人均碳排放量相对较低；大龙湖街道、翟山街道等20个乡镇为低-低型，这些街道位于市区，植被覆盖度较低而碳排放量相对较高；不存在高-低型和低-高型。

水土保持服务需求量是水土保持服务供给量1.16倍，供需比为-0.15，水土保持服务需求缺口较大。在全市所有乡镇街道中，水土保持服务供需比最大的为汉王镇，为0.036，水土保持服务供需比最小的为段庄街道，为-0.61。供需空间集聚区主要集中在徐州西北部、中部和东南部，魏集镇、古培镇、姚集镇等19个乡镇为高-高型，该类乡镇林、草覆盖率高，生态环境良好、水土资源较其他区域较为丰富；茅村镇、琵琶街道等12个乡镇为低-低区，存在水土流失风险。

空气净化服务需求总量是供给总量的45.24%，供需比为0.75，空气净化服务在总体上能够满足需求。空气净化服务供需比最大的为潘安湖街道，为1.50，空气净化服务供需比最小的为彭城街道，为-1.46。供需空间集聚区主要集中在徐州北部、西部和东部，时集镇、港头镇、马陵山镇等21个乡镇为高-高型，这几个乡镇植被覆盖率高，对空气污染物吸收能力强；泰山街道、奎山街道和七里沟街道等14个乡镇为低-低型，该类乡镇位于市中心及其周围，经济发展程度较高，建设用地面积大，植被覆盖率低，空气质量较其他地区差。

文化娱乐服务需求总量是供给总量的1.88倍，供需比为-0.61，文化娱乐服务存在欠缺。文化娱乐服务供需比最大的为大郭庄街道，为1.84，文化娱乐服务供需比最小的为燕子埠镇，为-1.99。供需空间集聚区主要集中在徐州中部、西北部，翟山街道、金龙湖街道、泰山街道等19个乡镇为高-高型，这些街道风景旅游、历史文化资源丰富；沙城镇、邱集镇和关山镇等43个乡镇为低-低区，这些区域人口总量大而休闲娱乐场地少。

4 讨论与结论

4.1 讨论

生态系统服务与人类福祉密切相关，其供给和需求影响着区域社会经济的可持续发展。生态系统服务的供给的研究已较为成熟，可通过单位面积价值当量因子法等计算，而生态系统服务的需求量化仍是当前研究的难点，尚处于探索发展中[30]。本文以徐州市为研究对象，并结合各乡镇生态系统服务供需现状，围绕其生态系统服务供需特征和匹配关系展开探讨，在一定程度上丰富了乡镇尺度生态系统服务供需关系研究。与以往研究不同的是，本文在量化生态系统服务需求量时，采用人均某项服务实际消耗值或期望值进行计算，并注意到上述物质量在城乡之间的差异，故分别计算城镇和农村的需求量，而人类对本文所研究的生态系统服务的需求主要集中发生在建设用地，因此用单位建设用地面积上人口数量表征人口密度。这不仅使得生态系统服务供需间的可比性更强，城乡之间的差异更加凸显，同时为后续的供需匹配、供需流动等研究提供了研究基础。从生态系统服务供需匹配的角度来看，水土保持服务和文化娱乐服务供需矛盾最大，潘安湖湿地等曾经的采矿塌陷区生态系统服务总体上呈现供大于求的状态，与已有的研究结果相似[31]，未来应着力开展生态修复，建立完善的生态服务补偿机制，实现区域的绿色发展。本文仅对徐州市2019年的生态系统服务供需进行了评估，没有反映出徐州市生态系统服务的动态变化以及采矿塌陷区的修复对这一变化的动态影响。同时，虽厘清了多种生态系统服务的供需关系，但并未识别每种生态系统服务的供给区和需求区并进一步量化二者之间的流量，生态系统服务由供给区到需求区的空间传递过程将是后续研究须关注的重点问题之一。

4.2 结论

(1)生态系统服务供给量和需求量存在较大差异。在供给方面，农村地区食物供给、气候调节、水土保持、空气净化服务供给量多，文化娱乐服务供给量少；在需求方面，城镇地区食物供给、气候调节、水土保持、空气净化服务需求量多，文化娱乐服务需求量少。

(2)生态系统服务供需匹配情况存在明显空间差异。食物供给、气候调节和空气净化服务供需匹配情况较好，城镇区域的水土保持服务和农村地区的文化娱乐服务供需匹配情况较差，气候调节、食物供给、空气净化、水土保持和文化娱乐服务供需匹配情况依次变差。

(3)生态系统服务供需比存在聚集效应，食物供给、气候调节、水土保持和空气净化服务主导空间匹配类型为高-高型，文化娱乐服务主导空间匹配类型为低-低型。