生态系统服务是指人类从生态系统中直接或间接的获益^[1-2], 包括对人类生存及生活质量有贡献的有形和无形服务^[3-4], 这一理论内涵决定了生态系统服务可以成为衔接人类福祉与生态系统的核心概念。研究表明, 生态系统服务供给与需求能力存在明显的空间分异及错位问题^[5-8]。因此, 生态系统服务的研究应在分析生态系统服务供给能力的同时, 考虑当地经济社会对于生态系统服务的需求^[9-11]。

目前, 在生态系统服务供给领域已有较多研究, 且形成较为成熟的计量方法^{[3, 12-13]}。近年来, 学者们开始对生态系统服务供给与需求的综合探究给予高度关注^{[5, 8, 14-15]}, 但由于缺乏恰当的供需量化方法, 现对于生态系统服务供求关系的研究缺乏, 且多数停留在理论研究阶段, 量化分析较弱^[16-17]。

生态系统服务供求关系可一定程度反映地区社会发展的可持续性^[18], 由于经济发展、城市扩张带来的生态系统服务供给下降、需求上升趋势也将导致地区人地矛盾日益激化^[19-20]。因此, 本文引入梯度分析方法, 该方法主要用于景观结构^[21]方面的研究, 而近年来被逐渐引入生态系统服务^[22-23]分析中, 以期通过该分析方法探究城市带上生态系统服务供给与需求的变化格局；除此之外, 以生态系统服务供求值为立足点, 进行生态格局的划分, 并提出针对性的规划意见。基于以上方式, 研究生态系统服务供求关系, 评估供给潜力、需求水平, 从而达到改善区域生态环境并推动社会经济健康发展的目的^[24]。

长江三角洲城市群是我国经济最具活力、开放程度最高的区域之一, 本研究以区县为研究单元, 通过采用修正的生态系统服务价值量, 以及社会经济指标分别核算生态系统服务供给量、需求量, 并通过梯度分析得到城市带生态系统供求变化趋势, 进行长三角城市群生态格局划分, 以期通过分区对长三角城市群进行差异化建设引导。

1 研究区概况

长江三角洲城市群(以下简称长三角城市群)地处中国东南沿海地区(116°29′E—122°45′E, 27°14′N—33°41′N之间), 土地面积约为207000 km², 占全国国土面积的2.2%, 地貌类型以平原为主, 平均海拔高度为88 m。长三角26个城市GDP为14.7万亿元, GDP增速高于全国平均水平1.7个百分点^[25], 在国家现代化建设大局和全方位开放格局中具有举足轻重的战略地位, 但与此同时人地矛盾日益显著, 明确如何消减这一矛盾尤为重要^[26]。

2 数据与研究方法 2.1 数据来源

本文以长三角城市群209个区县为研究单元, 采用由中国科学院地理科学与资源研究所提供的长三角城市群2015年土地利用遥感数据为基础数据, 将地类划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地及未利用土地6大类。人口、经济、社会等数据来自各省市统计年鉴。

2.2 评价指标体系构建

生态系统服务供给是指在目标时间段内研究区域所能提供生态系统的产品和服务的能力^[9], 本研究根据“千年生态系统评估”框架, 同时, 结合谢高地根据中国民众和决策者对生态服务的理解状况, 提取9项生态系统服务功能^[27-28]。

生态系统服务需求方面选用Schrter, Villamagna等^[29-30]对其的理解, 即综合考虑人类生活对于生态系统服务的消耗和偏好需求, 指出生态系统服务需求是指人类社会消耗或获得的生态系统服务数量。基于此, 笔者选取社会经济指标中的土地需求、人口需求以及经济需求^[31]进行表征, 如表 1。

2.3 生态系统服务供给核算

本研究采用价值当量法对生态系统服务供给进行核算, 依托长三角地区的区域特征对其当量系数进行修正^{[3, 22, 27]}, 以得到符合长三角地区实际情况的生态系统服务供给价值。其中供给服务通过研究区域单位土地的农、林、牧、渔产值进行修正；调节服务和支持服务差异源于生态本底, 故以森林覆盖率对两者的价值当量进行修正；鉴于旅游可间接反映美学价值, 故依靠旅游总收入对文化服务进行价值当量修正。具体修正公式如下：

(1)

式中, n为修正系数；A_i为全国均值；a_i为长江三角洲均值。

通过测算, 供给服务中耕地、林地、草地、水体的修正系数分别为3.4344、3.4145、2.7012、7.2499；调节服务与支持服务的修正系数为1.4808；文化服务的修正系数为15.2992；由于建设用地所能提供的生态系统服务量极少^{[3, 27]}, 故不予计算。

基于长三角城市群单位面积生态系统服务价值(表 2), 按以下公式对长三角城市群各区县生态系统服务供给能力进行测算赋值。

(2)

式中, ESV为评价单元生态系统系统服务价值(元hm^-2 a^-1)；n为土地利用类型数量；VC_i为第i种土地利用类型单位面积生态系统服务价值(元hm^-2 a^-1)；u_i为第i种土地利用类型面积(hm²)；u为评价单元土地总面积(hm²)。

2.4 生态系统服务需求核算

基于笔者认知, 考虑到生态系统服务需求的驱动因素以及数据可获得性, 分别以土地开发强度、人口密度、地均GDP代表土地需求、人口需求以及经济需求。由于少数极发达地区人口与经济指标波动极大造成地区需求值产生显著差异, 故对人口与经济指标进行对数处理^[31-32], 以削弱极端数据对研究区域生态系统服务需求能力的评估。测算方式如下：

(3)

式中, ESD表示生态系统服务需求；X₁表示土地开发强度；X₂表示人口密度；X₃表示地均GDP。

2.5 生态系统服务供求值梯度分析

空间梯度是指沿某一方向景观特征有规律地逐渐变化的空间特征^[33]。为了深入分析各城市内部生态系统服务供给与需求价值, 引入梯度分析, 并进行如下设置：(1)结合格网构建参考文献^[34-36]与研究区域大小考虑, 选用5 km×5 km的格网尺度单元为梯度分析单元；(2)分别以上海、杭州、南京、合肥4个城市为端点, 形成4个城市间发展梯度带(图 2), 即沪宁带、沪杭带、杭庐带以及宁庐带, 以分析4个梯度带内生态系统服务供给与需求值的分布规律。

2.6 生态系统服务供求关系构建

基于以上对于生态系统服务供给、需求的核算, 引入Z-score方法进行数据标准化, 以X、Y轴分别表征标准化后的生态系统服务供给值、需求值, 划分为4象限：象限一、二、三、四分别代表高供给-高需求、低供给-高需求、低供给-低需求以及高供给-低需求等不同类型的生态区划。

(4)

(5)

(6)

式中, x表示标准化后生态系统服务供给(需求)值；x_i表示第i个研究单元生态系统服务供给(需求)值；表示长三角城市群平均值；s表示城市群标准差；n为研究单元数。

3 结果与分析 3.1 生态系统服务供给空间特征分异

长三角地区各类型用地面积存在较大的差距, 草地69.48万hm²(3.37%)、耕地1012.23万hm²(49.13%)、林地566.22万hm²(27.48%)、水体165.37万hm²(8.03%), 导致该地区不同生态系统服务表现能力具有显著差异(图 3), 调节服务占比最高, 为36.44%；其次为文化服务(提供美学景观), 30.42%；供给服务为16.69%；最后为支持服务, 16.44%。

长三角地区土地利用类型的分布具有显著的空间异质性, 以研究范围内省级行政(直辖市)边界为限, 上海市建设用地面积占上海市行政区划面积的36.32%, 其余可为人类提供生态系统服务的四大用地类型仅占63.65%；江苏省、浙江省、安徽省建设用地比例分别为18.11%、8.35%、7.47%；相应的生态用地分别为81.63%、91.61%、92.52%。这使得长三角各地区所能提供的生态系统服务价值存在明显区域性, 如图 3所示, 上海相较于其他地区可提供生态系统服务的用地较少, 因此地均生态系统服务价值极低, 为6305.92元/hm²；江苏省区县地均生态系统服务价值较上海市良好, 但不容乐观, 基本处于整体的中下水平；而浙江省大部分地区其生态系统服务价值较高, 杭州市、台州市、金华市的地均生态系统服务价值占据前三名, 除生态用地比例较低的嘉兴市外, 其余4市均处于中上水平；安徽省中宣城市、池州市、安庆市、铜陵市地均生态系统服务价值处于前列。

由长三角城市群各区县生态系统服务供给价值分布(图 4)可知, 总体而言, 长三角城市群生态系统服务供给价值呈现从北到南逐渐升高趋势：其高值区主要包括研究区域浙江省南部, 安徽省西南部, 供给值基本超过22335元/hm², 其中, 淳安县生态系统服务供给值最高；低值区主要包括上海、江苏省的东部、安徽省中西部, 其中, 最低值出现于上海市的闸北区与静安区。长三角城市群生态系统服务供给能力与土地利用类型关系紧密, 淳安县79%为林地, 建设用地仅为10%；而上海市闸北、静安区几乎均为建设用地。

3.2 生态系统服务需求空间特征分异

基于自然环境以及经济社会发展选择, 长三角各地区人口分布存在明显差异(如图 5)。其中上海人口密度最高；江苏省包括无锡市在内的7个城市均处于前列；安徽省4市人口密度较低。长江三角洲城市群经济虽然总体较为发达, 但各城市间的差别仍然明显, 其中上海市地均GDP高达323万元/hm²；江苏省3市地均GDP超过100万元/hm²；而安徽省多处于下游, 多地地均GDP低于10万元/hm²。就地均GDP而言, 最高值上海市已超过最低值池州市80倍有余。在土地利用开发上, 上海市已高达36.32%, 包括静安区在内的7个县区其土地利用开发程度已接近饱和；安徽省多地土地利用开发程度低于5%, 对于土地利用开发尚显不足。

基于以上可知, 长三角城市群生态系统服务需求空间分布具有明显的区域性(图 6), 长江入海口附近形成生态系统服务需求高值区, 然后向外围递减。按照GIS中的自然间断点分级法(Jenks)将生态系统服务需求值划分为5个等级, 111个县区处于0—1等级中, 仅17个县区其生态系统服务需求处于等级11—18之间。其中上海市静安区需求值最高, 为17.70；内陆地区, 特别是山区、郊区生态系统服务需求较低, 其值普遍低于1。

3.3 生态系统服务供求梯度变化

将沪宁带、沪杭带、杭庐带以及宁庐带4条梯度带所经过格网的生态系统服务供给与需求值作为纵坐标, 以离开端点城市的距离作为横坐标, 得到4条梯度带上的生态系统服务供给与需求值(图 7)。

结果表明：(1)从4条梯度带供需状况的分布来看, 长三角各城市之间生态系统服务供需差异明显, 且城市内部供求极度不平衡, 大致呈负相关趋势；(2)沪杭带经过上海、嘉兴、杭州3个城市, 梯度带两端供给能力较低而需求却较高, 上海中部以建设用地为主, 供给能力几乎为0, 嘉兴地区以耕地为主, 生态系统服务供给能力上升, 需求下降；(3)沪宁带经过上海、苏州、无锡、常州、镇江、南京6个城市, 供给能力呈“M”型分布, 而需求呈现明显的“W”型；(3)杭庐带经过杭州、湖州、宣城、芜湖、马鞍山、合肥等6个城市, 芜湖市供给与需求空间分布较为匹配, 杭州西部、湖州、宣城东部以林地为主, 生态系统服务供给能力较高；(4)庐宁带经过南京、马鞍山、滁州、合肥4个城市, 处于梯度带中间部分的平均值明显高于两端, 而需求处于低值。

基于城市内与城市间极度不平衡现象, 在之后的空间规划中, 需采用宏观视角, 平衡各地发展。如上海中心大多为建设用地, 后可将其南侧的乡村打造为上海中心城菜篮子, 统筹城乡发展；将嘉兴定位为上海的后花园, 协调区域发展。

3.4 生态系统服务供求关系空间特征分析

通过Z-score标准化将各市的生态系统服务供给值与需求值进行关联, 得到象限图。由图 8可知, 处于高供给-高需求区的区县极少, 仅有4个, 绝大多数城市处于高供给-低需求区以及低供给-低需求区, 分别为83个与71个, 几乎占研究总数的3/4；剩下的51个研究单元处于低供给-高需求区。

以研究范围内省级行政(直辖市)边界为限：上海市作为全国的经济贸易中心, 经济发展迅猛, 土地利用开发超前, 因此各区县均处于低供给区域；江苏省各区县中, 以处于低供给-低需求区的研究单元为最, 供需能力相对匹配, 次多出现于低供给-高需求区, 处于高供给区域的研究单元较少；浙江省的经济发展在长三角城市群中较为领先, 但其较好地利用了现有的生态资源, 在不破坏生态本底的情况下发展生态产业, 因此仍然有较多的区县出现于高供给区, 其中高供给-低需求区主要出现在主城市的周边区县, 如杭州市的淳安县、富阳县、建德市、临安市、桐庐县等；还包括自然地理条件优越, 生态本底良好尚未开发地区也可提供较高的生态系统服务, 如金华的磐安县、台州的仙居县以及舟山的嵊泗县等；安徽省经济较其他三个省市滞后, 因此其处于生态系统服务需求低值区的区县为多, 以处于高供给-低需求区的区县为最。

3.5 基于生态系统服务供需关系的生态格局划分

基于生态系统服务供需值的象限划分, 将长三角城市群209个区县规划至4大生态片区(如图 9、表 3)：生态保育区(高供给-高需求)、生态修复区(低供给-高需求)、生态重塑区(低供给-低需求)、生态开发区(高供给-低需求)。

生态保育区：包含4个区县, 呈点状分散于长三角城市群中部与东部沿海地区。这些区县生态本底条件较为优越, 经济发展水平较好, 人类对该地区的开发与保护适当。从生态系统服务供求关系而言, 达到较高水准的平衡, 适宜人类生活。

因此, 在之后的长三角城市群发展规划中, 这些区县可沿现有发展道路继续探索, 并可凭借优渥的生态资源开展生态旅游业；在优化绿色生态空间的基础上适度扩大产业和城镇空间, 利用现有的经济基础与技术手段, 不断优化土地利用结构, 在保护基础上谋求新发展；同时, 可以将这几个区县作为节点, 发挥其社会-生态效益, 辐射带动周边地区生态-经济协调发展。

生态修复区：包含51个区县, 主要位于东部沿海经济高度发达地区、大城市的主城区以及高新开发区。该片区在社会经济指标上表现抢眼, 人类活动频繁, 但在追求经济社会发展之时, 过度依赖于土地开发, 资源承载能力已达到阶段性饱和。从生态系统服务供求关系而言, 需求>供给, 若仍按照原本的方式继续发展, 宜居程度下降, 甚至对生态本底造成不可逆的伤害。

因此, 该片区要率先转变空间开发方式, 严格控制新增建设用地规模以及开发强度；依托现有的高新技术与人才优势, 推动地区产业转型升级与周边地区的发展, 以缓解自身的人地矛盾；加强生态修复与建设, 维护生态系统结构和功能稳定, 改善当前生态本底不佳的现状；统筹城乡发展, 适度扩大生态用地, 使经济发展与生态供给趋向平衡。

生态重塑区：包含71个区县, 集中分布于长三角城市群北部。这些区县地势平坦, 生态条件一般且经济发展水平滞后。从生态系统服务供求关系而言, 两者达到低程度平衡, 该片区尚未探索到可推动经济上涨并在生态承受范围内的发展模式。

因此, 在之后的发展规划中, 应重视对于该片区的土地整理, 改善土地利用模式, 同时提高该片区的生态系统服务供给与需求能力；加强与周边地区的交流与合作, 加大技术与人才流动, 依靠周边城市进行有效发展；统筹城乡发展, 促进地区产业的优化升级, 增强单位土地的利用效率；有效利用当地特色资源, 如江苏等地的水体, 发展生态经济；优化空间布局, 推动地区经济可持续发展。

生态开发区：包含83个区县, 主要分布于长三角城市群南部。这些区县地势较高, 林地资源丰富, 生态状况良好, 具有较大资源承载潜力；但现阶段对土地开发程度不高, 人口压力较小。从生态系统服务供求关系而言, 供给>需求, 生态资源丰厚, 尚存较大发展空间等待挖掘。

在此后的规划中, 应充分利用该地区林地、农业等生态资源, 开展生态旅游, 抓住休闲农业、观光林业等经济新增长点, 赋予绿色农业、农旅观光等建设方针, 促进一二三产业融合发展, 以生态保护为前提, 全面提高生态系统服务供给能力, 将生态系统服务供给能力的提升转化为经济效益, 推动产业转型升级, 增强单位土地的利用效率与经济效益；加大政府间生态补偿机制的实行和额度分配, 吸纳更多优质劳动力和优势资源进行城市需求端的建设, 拉动区域生态系统服务需求端的净提升, 实现地区经济的绿色发展。

4 结论与讨论

本研究针对有限的国土资源与人类日益增长的物质文化需求以及各区县巨大差异与长三角城市群协调发展之间的矛盾, 以生态系统服务为视角, 分析了长三角城市群生态系统服务供给与需求的空间分布特征, 得到以下结论：(1)长三角城市群生态系统服务供给能力与土地利用类型密切相关, 呈现从北到南逐渐升高趋势；(2)长三角城市群生态系统服务需求能力与社会经济发展联系紧密, 在长江入海口附近形成生态系统服务需求高值区, 然后向外围递减；(3)通过空间梯度分析, 各发展带上城市生态系统服务供需大致呈负相关趋势, 且由于其发展模式不尽相同, 生态系统服务供需分布特征也呈现一定的差异, 但是总体来说, 省会(直辖市)生态系统服务供给能力较弱, 需求较高, 而发展带中部城市供给能力增强, 需求减弱；(4)基于生态系统服务供需关系构建, 得到长三角城市群生态格局四大分区：生态保育区(高供给-高需求)、生态修复区(低供给-高需求)、生态重塑区(低供给-低需求)、生态开发区(高供给-低需求), 并对各区块提出了差异化规划管理建议, 有利于推动长三角城市群缩小地区差异, 走向整体化发展新阶段。

2018年欧维新等^[23]采用Burkhard等^{[9, 37]}提出的基于专家知识的生态系统服务供需量化矩阵方法, 对长三角地区包含上海市、江苏省和浙江省3省16个城市进行生态系统服务供需研究, 得到浙江省湖州、绍兴、台州、宁波等地达到供需均衡甚至盈余(供给>需求)状态, 而上海及其周边苏州、无锡等地出现供需赤字(供给 < 需求)的结果, 本文基于生态系统服务供需值的生态格局划分中展示结果与此大致契合。本文生态系统服务供给值核算采用谢高地等人^[27]的价值当量法, 该方法已在国内各地区、多尺度层面的研究中进行应用；生态系统服务需求值核算方法基于彭建^[32]、顾康康^[38]、黄志洵^[31]等人的研究, 其中彭建等人的研究对象为广东省21个地级市, 顾康康等人的为安徽省17个地级市, 黄志洵等人的则为闽三角城市群, 研究尺度均为县级区县, 与本文研究对象与尺度基本一致, 因此, 笔者认为该供给与需求核算方法可应用于长三角地区且其结果具有一定的科学价值。

在目前的研究中, 对生态系统服务价值、生态系统服务与人类福祉的研究已取得了较多的进展, 但关于生态系统服务需求值、供给与需求关系的研究相对较少, 本文对两者做了有益的探索。但是, 由于目前尚未引入比较成熟的空间量化模型, 仍然难以将供给值与需求值化规至统一计量单位进行空间量化；且本文仅以2015年一期数据为论证基础, 在逻辑完整性上仍有所欠缺；此外, 生态系统服务是流动的过程^[38], 由于本文注重探讨生态系统服务供求的空间格局特征, 对生态系统服务供需值的估计尚不够准确, 在后续的研究中应采用多期数据对比并结合生态系统服务流理论进一步完善研究体系。