【Journal of Cleaner Production】武汉都市圈生态系统服务供需的多尺度匹配与流动模拟

【Journal of Cleaner Production】

武汉都市圈生态系统服务供需的多尺度匹配与流动模拟

摘要

    都市地区面临着在日益增长的社会需求与有限的自然资源之间寻求平衡的挑战。对生态系统服务（ES）供给、需求及其流动的多尺度评估至关重要，但尚未得到充分研究。本文选取了武汉都市圈（WMA）的四类主要生态系统服务——粮食供给（FP）、碳固存（CS）、水土保持（SC）和户外娱乐（OR）——作为案例进行研究。通过InVEST模型、地理信息系统（GIS）空间分析及统计方法对生态系统服务的供需进行了评估，并使用线性规划模型揭示了生态系统服务流动的特征。结果显示：（1）研究区的总体生态系统服务供给能力能够满足需求。除了粮食供给（FP）在武汉郊区明显更高外，不同尺度下的供给模式基本一致。其余三类生态系统服务在武汉都市圈的东北部和南部，即大别山和幕阜山地区，表现出较高的供给能力。而除水土保持（SC）外，其他服务的需求均从市中心向外辐射。（2）发现了显著的尺度效应，随着研究尺度的增加，生态系统服务不匹配的区域有所减少。精细尺度上的不匹配现象明显，而在粗尺度上有所缓解。（3）粮食供给、碳固存和户外娱乐的生态系统服务流动呈现出从郊区向市中心流动的模式。相比于精细尺度的措施，整合生态流动的粗尺度管理可能更有助于维持生态系统服务的平衡。这些发现为多尺度管理策略提供了新的见解，不仅有助于本地化的生态修复，还优化了生态廊道和补偿机制的策略。

研究结果

1.1ES 供应分析

    ES 供应的空间模式存在一些显著的相似之处。WMA 的平均 FP 供应量为 595.55t/km²。在格网尺度上，WMA 的中心以及东部和南部区域表现出较低的值。在县级范围内，武汉市中心地区的 FP 供应量较低，但周边郊区县的 FP 供应量较高。这是因为中心城区主要以建设用地为主，而蔬菜种植主要发生在周边县城，与其他地区相比，蔬菜产量要高得多，导致粮食总产量最高。在城市尺度上，武汉的单位面积供应量最高，为 1059.12 t/km²，黄石最低，为 332.87 t/km²。

表1 2021 年研究区的 ES 供需和 ESDR

图1 不同尺度上 ES 供应的空间分布

    WMA 的平均 CS 供应量为 6431.44 吨/平方公里。在网格尺度上，CS 的高值区与 FP 的低值区相对应。在县级尺度上，CS 高值区分布在东北部和东南部。在城市尺度上，咸宁、黄冈和黄石的供应值较高。这些地区位于幕阜山区和大别山区，森林资源丰富，具有显著的生态优势，如气候调节、水土保持和景观美学等。相比之下，武汉、仙桃、潜江、天门和鄂州的 CS 平均供应值相对较低，且变化不大。

    武汉、仙桃、潜江、天门和鄂州的 SC 和 OR 平均供应值分别为 499.67t/hm² 和 0.29 km²/km²。它们在三个尺度上的空间分布与 CS 相似。这表明森林在提供碳固存、水土保持和户外休闲功能方面具有协同效应。

1.2.ES 需求分析

    FP 的平均需求量为 254.07 t/km² 。高需求模式呈放射状分布，高值区集中在武汉市主城区，分散在周边城市核心区，是研究区人口最密集的地区。在县级尺度上，武汉市中心的需求最高（图2）。在城市尺度上，武汉的需求最高，为 712.07 t/km²，比咸宁大六倍。    

图2 不同尺度上 ES 需求的空间分布

    CS需求的分布与FP需求相似，WMA地区的平均CS需求为1892.98吨/平方公里（图2）。高需求区域集中在经济活动繁荣和人口密集的中心城区。在县级尺度上，高需求区域集中在武汉的中心城区以及鄂州的部分县区。在市级尺度上，作为湖北省重要工业城市的鄂州，CS需求最高，达到了7798.52吨/平方公里。

    WMA地区的平均SC需求为32.91吨/公顷，其空间分布与SC供给相匹配（图2）。在市级尺度上，黄冈、黄石和咸宁的SC需求最高。SC需求与区域土壤侵蚀密切相关，且高度依赖于土壤类型、植被覆盖和地形等因素。值得注意的是，上述三个城市的SC供给值也较高，因为森林不仅提供了土壤和水源保护功能，同时由于其相对陡峭的坡度，也更易受到降雨侵蚀的影响。

    平均OR需求为0.03平方公里/平方公里。三个尺度上的空间分布与FP需求一致，因为二者均与人口密度相关（图2）。除了武汉市的需求最高，达0.1之外，在市级尺度上，需求的空间分布没有明显的区域划分。

2.不同尺度下生态系统服务（ES）供需的不匹配

2.1生态系统服务供需的定量匹配

    在WMA（武汉城市群）地区，各类服务的平均ESDR值从高到低依次为：OR（0.07） > CS（0.02） > FP（0.01） > SC（0.00）（表3）。这表明WMA地区的四类生态系统服务均可实现自给自足。具体而言，SC的供需最为平衡，而OR的供需则存在较大不平衡。在市级尺度上，几乎所有城市都处于盈余状态，能够满足内部需求或消费，但少数城市在CS和OR上存在赤字。

    在不同尺度上，FP、CS和OR盈余的区域分布广泛，而赤字区域仅集中在人口密集地区，特别是城市中心（图3）。随着尺度从网格到县、市逐渐增大，在精细尺度上存在赤字的区域在较粗尺度上可能出现盈余，尤其是在研究区的西部。此外，赤字区域往往集中在主要城市区域。FP、CS和OR的赤字区域主要位于武汉、鄂州和黄石的市中心核心区。SC的ESDR空间分布没有明显的区域划分。

图3 不同 ES 的 ESDR 空间分布

2.2ES 供需空间匹配

    根据z检验（p = 0.01），得出了双变量局部莫兰指数（图4）。所有生态系统服务的供需之间的局部自相关结果通过了假设检验，表明结果具有显著性。对于FP，低-高（L-H）模式分布在武汉市中心，周边郊区则呈现高-高（H-H）模式；低-低（L-L）模式分布在咸宁的一些县区。对于CS，L-H模式出现在武汉、鄂州和黄冈的一些县区，黄冈的三个县出现了高-低（H-L）模式，H-H集群则分布在武汉、黄石和黄冈。对于SC，L-L模式占主导，主要分布在WMA中部和西部的县区，H-H集群出现在黄冈和黄石的一些县区，只有黄冈的浠水县呈现L-H模式。OR的空间模式与FP相似，但FP的H-H区域在OR中表现为L-H区域，而FP的L-L区域在OR中表现为H-L区域。

图4 县级 ES 供需之间的 LISA 集群图

3.生态系统服务（ES）流动的模拟与量化

    基于生态系统服务供需的空间匹配以及线性规划方法，对县级尺度的生态系统服务流动方向和规模进行了量化。由于SC能够在区域内实现自给自足（图3），本研究仅可视化了其余三类服务的流动。结果如下：FP、CS和OR的流动次数分别为12次、35次和24次（图5）。FP的流动值最高，其次是CS，OR的流动值最低。生态系统服务流动不仅发生在城市内部，也跨越城市边界，从外围的生态区域流向城市中心。不同生态系统服务的流动方向和规模各不相同。FP主要从武汉的外围郊区流向市中心；鄂州的鄂城区作为供给区，向黄石的四个粮食不足县提供支持。CS的流动方向更为复杂，武汉中心区域的碳缺口主要由郊区供给，少部分来自孝感、咸宁、黄石、鄂州和黄冈。OR流动则以跨城市为主，这主要是由于中心城区和内郊区的大量居民对生态服务的强烈需求所致。尽管一些郊区县存在生态盈余，但仍无法完全解决大多数赤字区域的生态服务匹配矛盾。

图5 各类生态系统服务（ES）在县级尺度上的流动方向和规模

    图6展示了WMA地区各类生态系统服务流动的箱线图：（1）每个箱线图的箱体形状规则，分布偏右；（2）FP、CS和OR的中位数流动值分别为153,205.85吨、1,827.49吨和21.99平方公里；（3）大多数数据位于上下四分位线内，表明生态系统服务流动较为集中；（4）仅CS出现了异常值，我们推测这些异常值的出现是由于人口密度、社会活动强度与有限生态资源之间的极端不平衡所致。

图6 县尺度上各种 ES 流的箱线图分布

研究结论

    尺度在理解生态系统服务（ES）的供给、需求及其不匹配中起着至关重要的作用。我们在武汉城市群（WMA）内对四类生态系统服务（FP、CS、SC、OR）进行了三个空间尺度的分析，旨在为区域生态系统管理提供见解。除SC外，我们发现所有类型的生态系统服务在供需之间存在显著的不匹配。通常，城市中心由于高需求表现出生态系统服务的赤字，而周边区域，尤其是森林资源丰富的区域，则表现为生态系统服务的盈余。此外，我们观察到，随着尺度的增大，生态系统服务供需比率的空间异质性逐渐减小。多尺度评估为生态管理提供了更精确的支持。我们还分析了FP、CS和OR在县级尺度上的流动方向和规模，强调仅靠城市内部盈余无法解决赤字问题，跨城市的生态流动至关重要。

    正是由于生态系统服务不匹配的尺度效应，环境政策和管理策略应反映不同空间尺度上供需关系的复杂性和特殊性。在细网格水平上，可以根据自然条件确定实施局部生态修复项目的地点。在城市化密集的核心区域，由于传统公园的空间有限，必须加强街道绿化、屋顶绿化、袖珍公园和立体绿化。虽然研究区的水土流失并不严重，但沿长江修建排水沟渠仍然是必要的。在WMA东部，降雨充沛且坡度陡峭，促进高坡度森林保护对于水土保持至关重要。为确保粮食安全，必须严格划定耕地和生态保护的红线，并通过土地整治、战略性耕作、品种选择和精准施肥提高单位面积的生产力。为应对碳排放问题，需推广低碳生产和生活方式，减少碳排放，推动绿色可持续发展。

    然而，仅依靠调节本地生态系统服务的供需是不够的；在县市尺度上，整合的生态系统服务流动更为有效。在WMA内，大规模的生态系统服务共享可以弥合区域供需差距。为了促进生态系统服务流动，建立远距离“供给-流动-需求”生态廊道至关重要，同时实施生态补偿机制，促进区域一体化与发展。尤其要加强跨区域的生态系统服务供给与共享能力，特别是对CS的需求。我们的研究为可持续的生态系统服务管理和区域环境整合提供了支持。

论文信息

标题：Multi-scale matching and simulating flows of ecosystem service supply and demand in the Wuhan metropolitan area, China

作者：Ying Chen, Yina Lu, Ruolin Meng, Suran Li, Linzi Zheng, Min Song

时间：27 September 2024

DOI:https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.143648

本文只是笔者对论文的浅薄理解，不代表原论文观点。如果您感兴趣，请点击文末【阅读原文】阅读文献