生态系统服务是人类直接或间接从生态系统中获得的各种惠益, 主要分为供给服务、调节服务、文化服务和支持服务四种类型^[1—2], 从生态系统服务生产与使用的角度可以分为生态系统服务供给和需求两个方面, 正确认识生态系统服务供需关系有助于提升区域福祉^[3]。生态系统服务供需关系研究是自然资源开发和生态环境保护空间差异化管控的重要依据, 可为生态保护与管理、国土空间规划等提供科学依据, 对生态安全格局构建、区域经济可持续发展具有重要的支撑作用^[4]。

生态系统服务供需理论与案例研究源于欧美国家, 国内起步较晚, 仍处于起步阶段^[5—6]。研究前期主要侧重于生态系统服务的供给视角, 伴随着更加关注生态系统服务对人类福祉的影响, 生态系统服务供需研究成果日益增多, 已成为生态系统服务研究领域的重要方向^{[5, 7]}。当前有关生态系统服务供需关系的研究主要集中于三个方面：一是生态系统服务供需理论研究, 集聚在生态系统服务供需评估理论^{[5, 7]}、形成机制与成本效应^[8—9]、供需制图表现^[10]等方面；二是包括全球^[11]、国家^[12]、城市群^[13—15]等不同尺度的生态系统服务供需关系的时空特征研究^[16—19]；三是生态系统服务供需研究在生态管理的现实启示方面, 集中于生态修复空间分区管理^[20]、农业生态管理分区^[3]、生态补偿方法制定^[21—22]、城市绿地规划管理^[23]等方面；研究方法多元, 包括参与法^[24]、价值法^[25—26]、经验统计模型法^[27—28]和生态模型法^[29]等。总体而言, 系统研究生态系统服务供需空间关系对国土空间开发利用具有重要价值, 但已有研究多以单一年份或宏观区域作为评估对象, 较少以多时段和小尺度为基础结合省域主体功能区划特征对生态系统服务供需空间关系的时空变化进行探讨^[30]。

湖南省处于全国3条易灾带的中部地带^[31], 特殊的地理区位决定了其生态环境的敏感性与脆弱性。区域经济社会的快速发展, 土地开发利用程度加剧, 生态空间与资源环境的侵占加剧, 导致生态系统服务功能被损害和削弱的风险加大对实现可持续发展形成挑战^[32—33]。2012年《湖南省主体功能区划》以县级行政区为基本单元, 将全省122个县市区划分为重点开发区域、农产品主产区和重点生态功能区三类区域, 为推进形成人口、经济和资源环境相协调, 城市空间、农业空间和生态空间相适应的国土空间开发格局奠定了基础。鉴于此, 研究湖南省国土空间生态系统服务供需空间关系在2006—2011与2012—2017年段的时空变化及相关性特征, 对增强生态系统服务研究对现实的解释力、丰富生态系统服务相关研究, 助力国家主体功能从省域到市县降尺度传导具有重要意义。本研究以供给、调节、文化和支持四类生态系统服务供需特点为切入点, 以湖南省为研究区, 基于主体功能区框架, 构建生态系统服务供需指标, 主要运用价值评估法测算生态系统服务供需量；运用生态系统服务供需系数(ESSD)评判生态系统服务供需协调性；运用双变量空间自相关模型法分析和探讨生态系统服务供需空间相关性与集散特征, 为区域可持续发展提供决策参考。

1 研究区概况

湖南省地处中国中部, 长江中游腹地, 地势呈三面环山、朝北开口的马蹄形地貌；全省主要的自然生态系统类型为森林和湿地生态系统, 在全球范围内具有很高的典型性和代表性。现下辖13个地级市和1个自治州, 省域国土空间面积为21.18万km²。根据《湖南省统计年鉴》, 2017年末常住人口为6860.15万人, 比2006年增加了518.15万人, 城镇化率由44.34%增加到54.62%；2017年国内生产总值为82097.65亿元, 较2006年增加528.16亿元；有林地面积由2006年的1036.99万hm²萎缩至2012年的1029.58万hm², 2017年又增长至1110.85万hm²。

为保证数据的一致性, 主体功能区划分类采用2012年11月颁布的《湖南省主体功能区划》, 区县范围采用2017年湖南省行政区划。其中重点生态功能区44个区县, 面积约10万km², 主要分布在湘西及湘南地区；重点开发区包含43个区县, 面积约4.02万km², 主要分布在环长株潭城市群地区；农产品主产区包含35个区县, 面积约7.14万km², 主要分布在长株潭外围地区、环洞庭湖地区、湘中南丘岗地区。

2 研究方法与数据来源 2.1 研究方法 2.1.1 生态系统服务供需量测算

以千年生态系统评估(MA)提出供应服务、监管服务、文化服务和支持服务^[2]为框架构建测算指标体系。结合相关研究^[35]与湖南省实际情况, 兼顾数据可获取性, 选取食物供需量、固碳吸收与碳排放、公园绿地供需量、生物多样性与生境质量四组八类指标开展指标计算(如表 1)。

借助统计学中的自然对数法综合表征区域生态系统服务的总供给与总需求, 公式如下：

式中X表示研究区域生态系统服务总供给(需求)；X1、X2、X3、X4依次代表生态系统服务供给服务、调节服务、文化服务、支持服务的供给量(需求量)。

2.1.2 生态系统服务供需系数

参照钟晓青^[19]、王金南^[37]学者的绿色负担与贡献系数的构建方法, 构建生态系统服务供需系数ESSD, 以分析研究单元生态系统服务供需状态, 公式如下：

式中：ESSD_ij表示区域i第j种生态系统服务的供需系数；ES_Sij与ES_dij分别为区域i第j种生态系统服务的供给量与需求量；∑ES_Sj与∑ES_dj分别表示全省第j中生态系统服务的供给量与需求量。若ESSD_ij=1, 则表明生态系统服务供需关系相对均衡；若ESSD_ij＜1或ESSD_ij>1, 则表明生态系统服务的供给比率小于或大于需求比率, 大于1表现为供过于求, 小于1表现为供不应求, ESSD_ij愈远离1, 不均衡愈加严重。参考吴健生^[38]等学者的研究成果及研究区实际情况, 将供需系数分为供给稀缺(＜0.5)、供给不足(0.5—0.75)、供需均衡(0.75—1.25)、供给盈余(1.25—3.0)、供给富足(＞3.0)。

2.1.3 双变量空间自相关模型法

利用双变量局部空间自相关模型(LISA)来分析湖南省生态系统服务供需空间聚类与空间离散。双变量Moran′s I方法, 包括全局的双变量Moran′s I和局部的双变量Moran′s I。全局双变量Moran′s I用于检验生态系统服务供需之间是否存在空间相关性, 以及存在的相关程度, 而局部双变量Moran′s I用于检验各县(市、区)之间是否存在空间相关性。公式如下：

式中：I_eu与I'_eu分别表示生态系统服务供给量与需求量的全局双变量和局部双变量, N为研究变量个数, W_ij为空间权重矩阵, z_i^e是第i个县(市、区)的生态系统服务供给量, z_j^u是第j个县(市、区)的生态系统服务需求量。

2.2 数据来源

湖南省土地利用数据来源于国土资源部土地利用变更数据(2009—2017年), 对缺失的2006、2007、2008年土地利用数据采用Land TM和Landsat-8遥感影像(空间分辨率为100m), 经辐射校正、几何校正、图像配准和人工解译等处理后得到各县区的土地利用类型面积, 考虑到湖南省土地利用特点及研究需要, 将土地利用类型分为林地、耕地、草地、水域、建设用地、湿地、未利用土地七种类型。生态系统服务供给与需求量测算所需的能源消费量、粮食产量、人口数量、GDP、人均公园绿地面积等社会经济数据来源于研究年《中国能源统计年鉴》、《湖南省统计年鉴》及各市(县、区)统计年鉴、统计公报(2007-2018年)及政务网站。

3 结果分析 3.1 生态系统服务供需关系时序变化特征

采用自然对数法和均值法计算出湖南省及各类主体功能区生态系统服务供需系数综合值, 以分析生态系统服务总供给、总需求及供需关系的时序变化特征(表 3、图 2)。

总体而言, 湖南省及其各类主体功能区在2012年之后, 生态系统服务供给量均呈增加的趋势、需求增加量减少, 供需系数仍保持稳定或增长的趋势, 表明主体功能区政策对生态系统保护产生了积极的导向作用, 有效地稳定了生态系统服务供需关系。

3.2 生态系统服务供需关系格局变化特征

从总体空间分布来看, 两个时间段的生态系统服务供需系数的空间分布格局基本稳定, 整体呈现西高东低的特点(图 3)。从各类生态系统服务供需关系的角度看, 供给稀缺类区县在两个时间段的数量保持21不变, 均分布在重点开发区；供给不足类区县在两个时间段数量保持13不变, 大多分布在重点开发区；供需均衡类在两个时间段数量由42降到41个, 大多分布在农产品主产区；供给盈余类区县在两个时间段数量由37降到35个, 大多分布在重点生态功能区；供给富足类区县在两个时间段数量由9增加到12个, 均分布在重点生态功能区。总体而言, 湖南省生态系统服务整体的供需关系较协调, 重点生态功能区的生态系统保护与修复具有显著成效。

从各类生态系统服务来看, 在两个时间段内, 供应服务的供需系数空间分布格局呈现东高西低的特点, 文化服务的供需在空间分布上高度均衡, 调节与支持服务的供需系数在空间上呈现西高东低的特点(图 4、表 2)。从各类主体功能区来看, 在两个时间段, 基于人口与GDP对照, 各类功能区的生态系统服务供需关系存在较大差异(图 5)。重点开发区的人口占比由32.76%增长到35.02%, 经济占比由58.14%增长到61.07%, 其供给稀缺与不足(＜0.75)的县区数量由30增加到32个, 表明该区域人口密度与经济密度增大, 区域面临着生态系统服务供给不足的威胁；农产品主产区的人口占比由39.19%下降到38.64%, 经济占比26.16%下降到24.38%, 供需均衡(0.75-1.25)状态的区县数量最多, 并由25增加到26个, 整体上是供需均衡发展的状态, 但经济发展效率较低；重点生态功能区的人口占比由27.33%下降到26.34%, 经济占比由15.71%下降到14.55%, 供给盈余与富足(＞1.25)类型的县区总数量最多, 并从37个增加到39个, 整体上是供过于求的状态, 该区域生态环境优越、生态功能完善, 人口密度低, 受自然环境影响限制区域经济发展。

3.3 生态系统服务供需空间相关性特征

基于全局双变量空间自相关分析, 两个时间段湖南省的生态系统服务供需关系存在显著的空间负相关特征(如图 6)。Moran′s I由-0.051降低到-0.099, 空间负相关性增强, 表明湖南省在2012年之后生态系统服务供需空间的平衡性差异加剧。

基于局部双变量空间自相关分析, 生态系统服务供需空间相关性可分为四种类型, 两个时段的空间分布明显相似。高高集聚区集聚在湘中与东北方向的县(市、区), 分布面积最大, 区县数量保持在16个不变, 大多为农产品主产区, 该地区经济发展良好, 人口较集中, 生态系统服务需求量大, 同时生态保护成效显著, 保障了生态系统服务供需平衡；高低集聚区集中分布在湘西地区, 数量由3个增长到5个, 均是重点生态功能区, 该类区域森林资源丰富, 生态系统服务供给量大, 但人口密度小, 经济发展落后, 生态系统服务需求量小；低高聚集区主要分布在长沙市区及周边区县, 数量由10增加到12个, 大多属于重点开发区, 该类区域GDP密度与人口密度均较大, 生态用地被侵蚀与破坏现象严重, 导致生态系统服务供给量小于需求量；低低聚集区均分布在湘西首府吉首市, 是重点生态功能区, 城镇化发展侵占生态用地, 且经济相对落后、人口相对较少, 导致生态系统服务的供需量均较低。

4 讨论

生态系统用服务供需关系研究可为国土空间规划体系重构背景下区域空间管控决策提供参考。本研究基于主体功能区规划战略提出省域国土空间生态系统服务供需关系的研究框架, 综合考虑了不同主体功能区内各区县生态系统服务价值与社会经济发展状况, 拓宽了生态系统服务供需关系的研究范围, 提供了一种新的研究思路。

主体功能区政策对区域生态环境保护具有积极的导向作用。主体功能区政策对重点生态功能区内县域生态环境质量改善与提升产生积极促进作用, 这一观点在海南省^[39]、陕西省^[40]、福建省^[41]等省域区域的国家重点功能区相关研究中亦有论证。本研究进一步表明在主体功能区政策的导向下, 重点生态功能区作为限制开发区, 在区域经济发展上极大程度受到限制, 生态保护与经济发展矛盾依然尖锐^[42]；重点开发区在持续追求发展经济的同时, 对区域生态环境的破环现象依然存在^[43]。

由于不同功能区具有其特殊的自然与社会环境, 致使不同功能区的生态资源存在较大的差异, 在主体功能区的政策导向下会导致不同功能区之间的生态系统服务供需差异加大。未来重点开发区加强生态空间的修复与重构, 严控增量、优化存量, 完善绿色基础设施建设, 实现经济发展与生态保护的“双赢”；农产品主产区要坚持以保育为主、培育为辅, 重视农业的生态功能和经济效益, 保护耕地资源与生态资源, 提高农业综合生产效率, 延长农业发展产业链, 提升经济效益；重点生态功能区要以综合保护为主, 推进退耕还林、封山育林等生态保护工程, 在经济发展方面, 要在国家生态转移支付政策的基础上不断完善有效且多元的生态补偿机制, 令生态产品价格能够反映其包含的生态价值, 不断激发内生发展动力, 调整产业结构, 推进经济快速发展。

本研究存在一定局限性, 联合国千年评估计划将生态系统服务分为供给服务、调节服务、文化服务、支持服务四大类及若干小类^[2], 但本研究结合区域实际情况仅涉及到四类服务, 不能够完全代表研究区生态系统的全部服务。采用静态的计算方法不足以反映生态系统服务的外溢性特征, 仍需进一步研究生态系统服务供需关系精确度量的方法。在未来的研究中, 精确量化生态系统服务供需关系的影响因素并考虑不同服务之间的权衡与协同关系, 并通过模拟优化技术开展主体功能区优化相关研究, 对生态系统可持续管理具有重要意义。

5 结论

基于主体功能区视角, 运用生态系统服务供需系数与双变量空间自相关等方法对湖南省在2006—2011年、2012—2017年两个阶段的生态系统服务供需关系的时空变化与空间相关性特征进行分析, 主要结论如下：

(1) 2012年之后各主体功能区的生态系统服务供给量均增加, 需求增长量减少, 供需系数保持稳定增长, 表明在主体功能区政策的导向下破坏生态系统服务的人类行为得到有效遏制, 有效稳定了生态系统服务供需关系, 生态系统保护工作取得显著成效。

(2) 湖南省在两个时间段内生态系统服务供需系数始终存在显著的空间异质性, 总体呈现西高东低的特征。关于供需系数的空间分布, 供应服务呈现东高西低, 文化服务呈现高度均衡, 调节与支持服务呈现西高东低的特点。

(3) 根据人口、GDP变化与生态系统服务供需关系对比, 重点生态功能区由于主体功能区划的实施及先天禀赋的分工模式将其发展路径“锁定”为发挥生态效应, 但外溢的生态效应很难转化为经济收益, 从而限制了其经济与人口增长；农产品主产区的发展路径是提供农业产品, 保障粮食安全, 区域发展受到制约, 从而导致这两类功能区与重点开发区的经济与人口发展的差距不断拉大。

(4) 湖南省生态系统服务供给与需求空间负相关性增强, 生态系统服务供需空间平衡性差异加剧。在两个时间段，高高集聚区中大多数区县是农产品主产区；高低集聚区数量增多, 且均是重点生态功能区；低高聚集区绝大多数是重点开发区；低低聚集区始终在以湘西吉首市为代表的重点生态功能区。