張明珠

(合肥市測繪設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230001)

人類對自然生態(tài)環(huán)境進(jìn)行干涉，在改變土地利用方式的同時(shí)，不僅改變地表自然景觀，同時(shí)也促使了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化[1]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(Ecosystem Services)是生態(tài)學(xué)界為了滿足這種需求而提出的聯(lián)系生態(tài)系統(tǒng)和人類福祉的一個(gè)重要概念，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究旨在為完善對生態(tài)系統(tǒng)的管理，確保對生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)與可持續(xù)利用，進(jìn)而提高人類福祉和推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程提供科學(xué)信息，目前已成為國際上科學(xué)研究的熱點(diǎn)問題之一。

以此為契機(jī)，研究選取杭州市為研究區(qū)，以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)完整性框架、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)與需求為理論基礎(chǔ)，以LUCC土地利用與土地覆蓋為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，結(jié)合專家打分法和改進(jìn)后的全置換多邊形合成指示器(FPPSI)法，計(jì)算2000年和2010年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需預(yù)算指數(shù)，探究研究區(qū)范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡變化情況。

1 研究背景

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(Ecosystem Services，簡稱ESs)是人類直接或間接地從生態(tài)系統(tǒng)中得到的人類生存與發(fā)展所不可或缺的自然環(huán)境條件與效用[2-3]。1999年Gretchen Daily在其所撰寫的《自然服務(wù)：社會(huì)對自然生態(tài)系統(tǒng)的依賴》中首先對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概念進(jìn)行界定，進(jìn)而對自然可以提供給人類社會(huì)的各種服務(wù)以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分配所涉及的經(jīng)濟(jì)問題進(jìn)行系統(tǒng)論述。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給是指特定區(qū)域在一定時(shí)間內(nèi)提供特定的生態(tài)系統(tǒng)商品和服務(wù)的能力。

目前，在大多數(shù)研究成果中，基本從生態(tài)系統(tǒng)所提供的功能服務(wù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值角度對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量進(jìn)行測算。進(jìn)而形成三類較為統(tǒng)一的評(píng)估方法：直接市場法、替代市場法和模擬市場法[4-5]。由于受評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的片面性以及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取的困難性、指標(biāo)權(quán)重賦值的人為性等諸多因素影響，使得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估工作的可行性、有效性受到一定程度的質(zhì)疑。

不同類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求的定義也各不相同。對供應(yīng)服務(wù)的需求一般被定義為每單位空間和時(shí)間所需或所需的生態(tài)系統(tǒng)商品(如淡水、食品和生物質(zhì)能)的數(shù)量[6-7]。關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求研究大多數(shù)是采用通過諸如基于專家知識(shí)打分[8]、發(fā)放調(diào)查問卷[9]、參與利益相關(guān)者的討論[10]等方法，并利用收集到的土地利用數(shù)據(jù)、實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)對多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量進(jìn)行量化，進(jìn)而對一定區(qū)域內(nèi)需求量的時(shí)空分布特征等方面進(jìn)行分析、探究。

Paetzold等[11]注意到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性不僅受其供應(yīng)的影響，還受人類需求對該服務(wù)期望的供應(yīng)水平的影響。社會(huì)將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供應(yīng)與需求不可分割地聯(lián)系在一起[12]。

2 研究區(qū)概況

主要研究區(qū)杭州市位于中國東南沿海、浙江省北部、錢塘江下游、京杭大運(yùn)河南端，地處東經(jīng)118°20′～120°37′，北緯29°11′～30°34′。全市總面積為 16 596 km2，地形以丘陵、平原為主，全市丘陵山地占總面積的65.6%，集中分布在西部、中部和南部；平原占26.4%，主要分布在東北部；江、河、湖、水庫占8.0%。森林覆蓋率達(dá)65%，居全國省會(huì)城市第一。河網(wǎng)密集，湖泊密布，物產(chǎn)豐富，具有典型的“江南水鄉(xiāng)”特征。屬亞熱帶季風(fēng)區(qū)，雨熱充沛。

2005年以來，杭州市委市政府先后編制實(shí)施了《杭州生態(tài)市建設(shè)規(guī)劃》《杭州市生態(tài)文明建設(shè)規(guī)劃(2010—2020)》《杭州市環(huán)境功能區(qū)劃》等系列規(guī)劃，形成了生態(tài)市—生態(tài)縣—生態(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)—生態(tài)村四級(jí)生態(tài)規(guī)劃體系。杭州作為浙江的省會(huì)城市，全省政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，通過實(shí)施以西部山區(qū)和千島湖濕地為重點(diǎn)的生態(tài)屏障保護(hù)工程，以及城區(qū)“六條生態(tài)帶”保護(hù)和修復(fù)，形成形態(tài)完備、功能完善、質(zhì)量完美的生態(tài)格局。目前杭州已擁有2個(gè)世界自然文化遺產(chǎn)(西湖和大運(yùn)河)、2個(gè)國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和9個(gè)國家森林公園。

3 數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)處理

本研究所使用的土地利用數(shù)據(jù)來源于國家地理信息中心提供的全球30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)(Global Land 30)，該數(shù)據(jù)是由測繪局、中科院、農(nóng)業(yè)部、林業(yè)局等7個(gè)部門的多家單位共同合作完成，為國家863項(xiàng)目“全球地表覆蓋遙感制圖與關(guān)鍵技術(shù)研究”的成果數(shù)據(jù)[13]。Globeland 30數(shù)據(jù)產(chǎn)品采用逐層次分類策略，經(jīng)過像元法分類、對象化過濾、人機(jī)交互檢驗(yàn)等步驟對包括美國陸地資源衛(wèi)星(Landsat)TM4-5、ETM+多光譜影像和中國環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星(HJ-1)多光譜影像等多源遙感影像進(jìn)行處理加工而得。最終將全球地表覆蓋分為耕地、森林、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、貧瘠地、冰川和永久積雪共10類。杭州市2000年、2010年土地覆蓋情況如圖1,圖2所示。

圖1 杭州市2000年土地利用Fig.1 Land use in Hangzhou in 2000

圖2 杭州市2010年土地利用Fig.2 Land use in Hangzhou in 2010

4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系探究方法

近20年來，已有大量關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的理論、概念和經(jīng)驗(yàn)方法的研究，且在世界各地的研究人員中越來越受到關(guān)注和重視。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)框架(Ecosystem Services Framework，ESF)強(qiáng)調(diào)了健康生態(tài)系統(tǒng)的長期作用，由供給、調(diào)節(jié)和文化3個(gè)類共17種主要的服務(wù)[14]組成。這里選取了碳儲(chǔ)量、水資源供給、糧食生產(chǎn)3種供給服務(wù)，區(qū)域氣候調(diào)節(jié)、空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)兩種調(diào)節(jié)服務(wù)，休閑游憩一種文化服務(wù)供給6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

4.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需指標(biāo)定義

確定適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)和數(shù)據(jù)，以量化廣泛的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)幾乎是所有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估中要解決的最主要的一個(gè)問題。這里提出的一般評(píng)估方法是基于專家打分方法得出的每種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，這些價(jià)值是將不同的土地覆蓋類型與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)能力和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求聯(lián)系起來的假設(shè)?；诓煌瑲W洲地區(qū)不同案例研究經(jīng)驗(yàn)[14]。通過將0～5值與GIS中適當(dāng)?shù)目臻g數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，可以在類似生物物理環(huán)境的空間明確單位中繪制生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)與需求的估計(jì)值(例如土地覆蓋類型與土壤類型、水文與氣候條件相結(jié)合)。在供應(yīng)矩陣中：0=無相關(guān)供應(yīng)，1=低相關(guān)供應(yīng)，2=有相關(guān)供應(yīng)，3=中度相關(guān)供應(yīng)，4=高度相關(guān)供應(yīng)，5=極高相關(guān)供應(yīng)。相應(yīng)的需求矩陣中：0=無相關(guān)需求；1=低相關(guān)需求；2=有相關(guān)需求。3=中度相關(guān)需求；4=高度相關(guān)需求；5=極高相關(guān)需求。具體的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)、需求矩陣指標(biāo)值設(shè)置如圖3,圖4所示。

圖3 基于土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)矩陣Fig.3 Supply matrix of ecosystem services based on land use types

圖4 基于土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求矩陣Fig.4 Demand matrix of ecosystem services based on land use types

4.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需分析方法

本研究中對吳瓊等[15]開發(fā)的全置換多邊形合成指示器(FPPSI)方法進(jìn)行了改進(jìn)。FPPSI法是一種多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法，該方法通過確定與決策相關(guān)的上限、下限和臨界值，無需專家進(jìn)行主觀性的指標(biāo)權(quán)系數(shù)評(píng)判，減少了主觀隨意性。改進(jìn)后的用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給需求預(yù)算指數(shù)計(jì)算的FPPSI法(圖5)主要分為4個(gè)步驟。

圖5 改進(jìn)后的計(jì)算單個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需預(yù)算指數(shù)的FPPSI法概念Fig.5 Improved FPPSI method for calculating single ecosystem service supply and demand budget index

首先，計(jì)算供給矩陣和需求矩陣之間的差異，得到供給—需求預(yù)算矩陣，得分在-5～5范圍。將原始分?jǐn)?shù)除以5，將分?jǐn)?shù)重新調(diào)整到-1～1的范圍。其次，用n個(gè)指標(biāo)(本研究中的7種LUCC類型)形成規(guī)則的n邊多邊形，其中n個(gè)頂點(diǎn)表示閾值0，中心點(diǎn)表示下限值-1，每個(gè)角表示相應(yīng)的土地覆蓋類別的面積與該區(qū)域的面積之比。還可以創(chuàng)建不規(guī)則的n邊多邊形，其中從每個(gè)頂點(diǎn)到多邊形中心點(diǎn)的半徑大小由n種土地覆蓋類別中的每一個(gè)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需之間的差異(范圍：-1～1)定義。通過改變n種LUCC類別的順序，生成(n-1)!/2個(gè)n邊多邊形。單個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需預(yù)算指數(shù)定義為任何不規(guī)則的n邊多邊形區(qū)域與每個(gè)土地覆蓋類別使用閾值0定義的正多邊形區(qū)域的比率的平均值(公式(1))。該指數(shù)用不規(guī)則的n邊多邊形的平均面積來衡量該地區(qū)的實(shí)際供需預(yù)算，并將其與正多邊形的面積進(jìn)行比較，這表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需之間的平衡。

(1)

式中:R為每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需預(yù)算指數(shù)。該指數(shù)范圍為0～4，其中R>1表示供應(yīng)充足(即供應(yīng)超過需求)，R<1表示供應(yīng)不足(即需求超過供應(yīng))，R=1表示供需平衡。

有關(guān)該計(jì)算公式中的參數(shù)解釋、ωi的進(jìn)一步處理方法、供需預(yù)算指數(shù)最后的歸一化等詳細(xì)步驟可查閱文后參考文獻(xiàn)[16]。

5 結(jié)果與分析

由于杭州市以丘陵山地為主，平原僅占26.4%，主要分布在東部、北部，城市、郊區(qū)是人口密度較高區(qū)域，對多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求更集中、強(qiáng)烈，也是人類活動(dòng)最為頻繁，對自然地表改造最大的區(qū)域。因此，選取杭州市區(qū)進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡分析。得到杭州市區(qū)范圍2000年、2010年6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)量和需求量(圖6～圖9)。

圖6 杭州市區(qū)2000年各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)量Fig.6 Supply of ecosystem services in Hangzhou in 2000

圖7 杭州市區(qū)2010年各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)量Fig.7 Supply of ecosystem services in Hangzhou in 2010

圖8 杭州市區(qū)2000年各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量Fig.8 Demand of ecosystem services in Hangzhou in 2000

圖9 杭州市區(qū)2010年各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量Fig.9 Demand of ecosystem services in Hangzhou in 2010

基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)矩陣、需求矩陣計(jì)算得到該區(qū)域2000年、2010年兩年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)>需求、供應(yīng)=需求和供應(yīng)<需求3種供需關(guān)系的面積占比，如表1，表2所示。計(jì)算得到區(qū)域氣候調(diào)節(jié)、糧食生產(chǎn)和休閑游憩服務(wù)供應(yīng)大于需求的面積超過一半，全區(qū)大部分面積內(nèi)滿足需求。碳儲(chǔ)量供應(yīng)大于需求的面積雖然僅占1/3，但供應(yīng)滿足需求的占大部分，主要是由于耕地面積較大。而水資源供給供需關(guān)系較緊張，供不應(yīng)求的面積占2/3，且這種情況并未獲得緩解反而加重，主要是由于作為水資源主要供應(yīng)土地利用類型面積減少的同時(shí)對其極為需求的城鎮(zhèn)建設(shè)用地不斷擴(kuò)展。總體來看，碳儲(chǔ)量、水資源供給、區(qū)域氣候調(diào)節(jié)、空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)、糧食生產(chǎn)、休閑游憩這6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在2000—2010年10年間的供應(yīng)滿足需求面積均不同程度減少。

表1 2000年杭州市區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系面積占比

表2 2010年杭州市區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系面積占比

計(jì)算得到2000年和2010年各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需預(yù)算指數(shù)及歸一化后指數(shù)如表3所示。

從表3可以看出，區(qū)域氣候調(diào)節(jié)、糧食生產(chǎn)、休閑游憩服務(wù)的供需預(yù)算指數(shù)均大于1，說明杭州市區(qū)范圍內(nèi)這3種服務(wù)的供應(yīng)能夠滿足需求，但3項(xiàng)的指數(shù)均為2010年較2000年變??；相反，碳儲(chǔ)量、水資源供給和空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)服務(wù)的供需指數(shù)均小于1，即這3種服務(wù)供不應(yīng)求，且2010年的值較2000年更小。

表3 杭州市區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需預(yù)算指數(shù)計(jì)算

如圖10所示，淺色的正六邊形是供需預(yù)算指數(shù)的閾值(等于1)，在該正六邊形內(nèi)表示該生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供不應(yīng)求，在其上表示供需平衡，在其外面表示供大于求。可以看出，與2010年相比，碳儲(chǔ)量、水資源供給的值變化較小，其他4種服務(wù)的供需預(yù)算指數(shù)均明顯變小，其中糧食生產(chǎn)的值減少最多。

圖10 各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需預(yù)算指數(shù)Fig.10 Supply and demand budget index of ecosystem services

將碳儲(chǔ)量、水資源供給、區(qū)域氣候調(diào)節(jié)、空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)、糧食生產(chǎn)、休閑游憩6種生態(tài)系統(tǒng)按前文的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)框架概念歸納為調(diào)節(jié)服務(wù)、供給服務(wù)、文化服務(wù)與這6種服務(wù)組成的綜合服務(wù)，并結(jié)合表3中各單一服務(wù)的歸一化指數(shù)值，計(jì)算得到圖11。

圖11 調(diào)節(jié)、供應(yīng)、文化、綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需預(yù)算指數(shù)Fig.11 Supply and demand budget index of regulation,supply,culture and integrated ecosystem services

從圖11中可以發(fā)現(xiàn)，在過去的10年中，供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)不足，文化服務(wù)供應(yīng)能夠滿足需求。主要是由于城市擴(kuò)張導(dǎo)致的城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積的快速增加和農(nóng)業(yè)用地的顯著減少。

6 結(jié)論與討論

通過建立一種基于土地覆蓋類型的供、需矩陣，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)和需求進(jìn)行量化，其值域均為[0,1,2,3,4,5]，分別表示不同土地利用類型對不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供應(yīng)能力和需求強(qiáng)烈程度。以人口密度較高、人類活動(dòng)最為頻繁、對自然地表改造最大、對多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求更集中、強(qiáng)烈的杭州市區(qū)為研究區(qū)，運(yùn)用改進(jìn)的吳瓊?cè)脫Q多邊形合成指示器(FPPSI)方法分別計(jì)算2000年和2010年各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需預(yù)算指數(shù)，探究杭州市區(qū)2000—2010年10年間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系變化。結(jié)果表明，碳儲(chǔ)量、水資源供給、區(qū)域氣候調(diào)節(jié)、空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)、糧食生產(chǎn)和休閑游憩這6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在過去10年中供給滿足需求的面積均變小，由于城市擴(kuò)張導(dǎo)致的城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積的快速增加和農(nóng)業(yè)用地的顯著減少，供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)不足，文化服務(wù)供應(yīng)能夠滿足需求。為生態(tài)文明建設(shè)、區(qū)域土地利用規(guī)劃，政府決策提供理論支持。

由于當(dāng)前對于碳儲(chǔ)量、水資源供給、區(qū)域氣候調(diào)節(jié)等多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的估算模型、方法對數(shù)據(jù)要求較高，有的數(shù)據(jù)暫時(shí)很難準(zhǔn)確獲得，特別是對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量的估算更難，關(guān)于供應(yīng)量與需求量如何統(tǒng)一到同一度量體系中的方法研究也比較少。因此，采用基于專家評(píng)分的方法劃分供需矩陣進(jìn)行度量，專家評(píng)估值可以連續(xù)地被來自遙感，土地調(diào)查，模擬模型和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)的建模等具體方法所取代。