玉环市生态系统服务的供需匹配时空演化特征

张克露 宋洁 汪宇祥

(太原师范学院地理科学学院，山西 晋中 030619)

生态系统服务是生态系统对人类社会提供的直接或间接效用，是人类直接或间接从生态系统功能中获取的所有产品和服务[1]。自从2000年以来，中国东部沿海地区社会经济快速发展，强大的虹吸效应，吸引了越来越多的人和资源。玉环市位于浙东南沿海黄金海岸线中段，作为浙东南重要的发展极，城镇化速度显著加快，人地矛盾日益突出，同时出现了围海造地面积大、环境污染严重、生物多样性丧失、生态系统退化等一系列生态环境问题，使区域内生态系统结构和功能发生了巨大的变化，阻碍了生态系统服务功能的提供，严重威胁区域生态安全和可持续发展[2-4]。因此，在海洋强国战略和浙江海洋强省战略的背景下，选择典型海岛型城市——玉环为例，探究生态系统服务供需匹配特征，对于进一步推进玉环市高质量发展和可持续保护具有重要意义。

生态系统服务供给是指研究区域所能提供生态系统的产品和服务的能力[5]。Burkhard等从消费角度定义，认为生态系统服务需求是特定的时间和空间范围内被消费或使用的生态系统服务[5]。在一定程度上生态系统服务的供需关系可以反映地区社会发展的可持续性。20世纪90年代，生态系统服务成为生态学研究的热点。在当前的研究中，谢高地等根据我国的实际情况将生态系统服务概括为供给服务、调节服务、支持服务和社会服务4种类型[6]，研究尺度包括县级、市级、省级和城市群[7-12]。对生态系统服务供给量估算方法大体上可分为价值量和物质量两种评估方法[13]。本文根据玉环的情况，主要计算了食物供应服务和休闲游憩服务，以往的研究中也多采用这2种评估方法[12,14-16]。INVEST模型是生态系统服务物质量评估方法中常用方法之一，计算精度较高，与空间分析相结合可以很好地分析不同区域固碳能力空间差异性，针对不同区域碳固存供需匹配类型提出不同的建议，适合碳参数比较完善、小尺度的研究区域。国内外诸多学者运用INVEST模型分析不同土地覆盖类型下的生物多样性、碳储量、水源涵养、产水量等生态系统服务功能的变化[17-19]。本文拟利用INVEST模型分析玉环市不同土地利用情况下地上生物碳、地下生物碳、土壤碳和死亡有机碳的含量进而评估玉环市总的固碳情况。

食物供应服务是人类生存的基础，在人类社会发展中具有重要作用；碳固存服务可以调节城市气体，改变区域环境质量；休闲游憩服务作为文化服务的重要组成部分,能够积极影响着人类的生活质量、获得感及幸福感[15]。21世纪以来，由于城市用地不断扩张，玉环市城市土地覆被变化加剧并出现大范围的围垦填地，主要对地区的食物供应能力、碳固存能力和休闲游憩能力产生了严重影响。因此，本文在借鉴相关研究的基础上，利用INVEST模型与空间分析方法，从食物供应、碳固存和休闲游憩服务3个方面，分析2000—2020年间玉环市生态系统服务的空间演化及匹配特征，旨在为玉环市及其他海湾型城市国土空间优化和生态保护提供理论依据和科学指导，以期实现陆海统筹的区域可持续发展模式。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区域概况

玉环市位于台州市的最南端，E121°05′38″～121°32′29″，N28°01′32″～28°19′24″，东濒东海，南连洞头洋，西嵌乐清湾，北接温岭。作为全国14个海岛县之一，玉环市境内分布着众多的岛屿，主要由玉环本岛、楚门半岛和135个岛屿组成，其中陆地面积378.5km2，海域面积1930km2，丘陵和山地面积约占陆域面积的68.23%，平原面积占陆域面积的31.77%。境内地势北高南低，丘陵平原相间，玉环市属于亚热带海洋性季风气候，常年日照充足，温暖湿润。玉环市下辖3个街道、6个镇、2个乡，见图1。据第七次人口数据普查，玉环市常住人口为64.4万人，2019年被评为年度全国综合实力百强县市。随着城市化的快速发展，城市建设用地急剧扩张、大量围垦填海工程对周围生态环境造成了负面影响。近年来，漩门湾二期、三期开展生态恢复工程的建设，对该地区的生态系统恢复和生态环境协调发展起到一定的积极影响。

1.2 数据来源

研究中采用的数据主要包括土地利用数据、归一化植被指数(NDVI)、人口密度栅格数据、粮食产量、人均粮食消费量、人均生态用地数据、人均碳排放量数据。土地利用数据(LUCC)来源于中国土地利用现状遥感监测数据库(http://www.resdc.cn/Login.aspx)，以2000年、2010年和2020年玉环市Landsat TM/ETM、Landsat OLI遥感影像为数据源。本研究将玉环市遥感影像目视解译为耕地、林地、人工表面、水体、海洋和未利用地6种类型。归一化植被指数(NDVI)源自中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)；人口密度栅格数据源于Worldpop(https://www.worldpop.org)。粮食产量和人均粮食产量来自相应年份各级统计年鉴；人均生态用地数据源自玉环市“十五”至“十三五”规划纲要；人均碳排放量数据源于政府公报中的能源统计数据。

图1 玉环市研究区域概况图

1.3 研究方法

1.3.1 食物供应服务

作为生态系统服务中最基础的供给服务之一，在人类生存和发展过程中食物供应服务是不可或缺的存在。己有研究表明，农作物产量与NDVI之间具有显著的线性关系[20]。基于玉环市土地利用类型，将粮食、油料、水果和蔬菜的总产量按照栅格NDVI值与耕地总NDVI值比值来分配，进而表征各栅格的食物供给能力[11]，粮食需求量采用人均粮食需求量和栅格化后的人口密度乘积的方法估算，计算公式：

(1)

Dx=Dpercrop×ρxpop

(2)

式中，Gx为栅格x的食物供给量；Gsum为玉环市粮食、油料、水果和蔬菜总产量;NDVIx为栅格x的归一化植被指数；NDVIsum为玉环市耕地的NDVI之和；Dx为栅格x的食物需求量；Dpercrop为人均粮食消费量；ρxpop为栅格x的人口密度。

1.3.2 碳固存服务

碳固存服务作为生态系统服务中的一个重要指标，对于城市气体调节具有重要作用。本文通过INVEST模型Carbon模块方法计算玉环市碳固存服务的供给量，碳密度参考相似的研究区域[21]。碳固存服务的需求量则采用玉环市人均碳排放量与栅格化的人口密度来计算碳固存服务的需求量，计算公式：

Sx=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(3)

Dx=Dpercarbon×ρxpop

(4)

式中,Sx为栅格x的总碳固存量；Cabove、Cbelow、Csoil、Cdead分别为栅格x的地上生物碳、地下生物碳、土壤有机碳、死亡有机物；Dx为栅格x的碳固存服务需求量；Dpercarbon为人均碳排放量；ρxpop为栅格x的人口密度。

1.3.3 休闲游憩服务

以往的休闲游憩服务研究中,主要以城市绿地、森林等作为研究对象,估算其休闲游憩服务价值[15],本研究中将林地、水体、海洋(包括近海海域滩涂、湿地等)定义为玉环市的生态用地，计算生态用地所提供的休闲游憩价值。玉环市休闲游憩的供给量通过区域的生态用地面积除以相应分区的面积计算得出。该服务的需求量则通过人均生态用地标准与栅格化后的人口密度来计算休闲游憩服务的需求量，计算公式：

Rx=Ax/Asum

(5)

Dperecologyland=Dsum/Psum

(6)

Dx=Dperecologyland×ρxpop

(7)

式中,Rx是每个像元x的休闲游憩服务的供给量;Ax表示玉环市每个像元x的生态用地面积；Asum代表玉环市每个像元x的土地总面积；ρxpop为每个像元x的人口密度；Dsum为玉环市生态用地标准，Psum为玉环市总人口；Dx每个像元x的休闲游憩服务的需求量；Dperecologyland为人均生态用地标准。

1.3.4 生态系统服务供需匹配

基于玉环市生态系统服务供给和需求计算尺度不同，本文对2000年、2010年和2020年玉环市所有生态系统服务的供给和需求结果进行标准化处理。在ArcGIS中使用创建渔网工具(CreateFishnet)以1km的格网，利用分区统计工具将2000年、2010年和2020年玉环市所有生态系统服务的供给量和需求量统计到格网，然后基于格网对各类生态系统服务的供需匹配度进行分析。格网的生态系统服务供需匹配度，用于表征玉环市生态系统服务供需盈余和不足状态。计算公式:

(8)

式中，ER为玉环市生态系统服务供需比指数，若ER大于0，则表明生态系统服务处于盈余状态，若ER等于0，表明生态系统服务处于供需相当的状态，若ER小于0，则表明生态系统服务处于赤字状态；S为生态系统服务的供给量；D为生态系统服务的需求量；Smax和Dmax分别表示生态系统服务供给和需求的最大值。

2 结果分析

2.1 食物供应服务供需的时空分布特征

从时间上看，2000—2020年玉环市食物供给量总体呈增长趋势，增幅为90.78%。同期，玉环市食物总需求量呈下降趋势，降幅为4.98%。这是由于2007年开始，玉环市政府推进农业结构调整，大力推进现代化农业，使玉环市食物供给量大幅增加，而随着人民生活质量的提高，食物种类日益丰富，导致以粮食、蔬菜为主要食物来源的食物需求量呈下降趋势。

从空间分布上来看，玉环市食物供给情况总体上呈南北高，东西低的空间分布格局，见图2。主要由于玉环市的北部和南部的清港、楚门、芦浦、玉城和大麦屿城镇地势平坦、土壤耕性好，水肥充足是玉环市基本农田重点保护区域。因此，北部和南部内陆地区单位面积食物供给量明显高于东部和西部滩涂湿地区域。2010年以后，大麦屿港口的规划建设，导致在大麦屿的西南部食物供给能力明显降低。食物需求区呈“高集聚，低分散”的空间格局，食物需求与人口密度分布相吻合，食物高需求范围区主要集中分布在老城区和新城区。

玉环市食物供应服务供需比由2000年的0.31增长到2020年的0.44，整体呈现增长的趋势。从空间分布来看，玉环市食物供应服务供需匹配类型以盈余型为主，食物供应服务盈余区区域分布在内陆城镇地势平坦、水肥充足的近郊区。赤字区以低供给高需求人口密集区以及低供给低需求的沿海滩涂湿地为主。2008年后，西南部大麦屿港口和东南部国家级坎门中心渔港的开发建设，使得南部沿海地区食物供给服务赤字区范围向西南和东南方向进一步扩张。总体而言，清港、楚门、芦浦、玉城和大麦屿城镇食物供给能力较高，未来玉环市政府应在该区域划足划实永久基本农田，切实加强清港、楚门等城镇耕地保护红线，切实遏制耕地非农化、防止非粮化，保证玉环市持续充足的食物供应能力和粮食安全。

2.2 碳固存服务供需的时空分布特征

从年际变化上来看，2010—2020年玉环市碳固存供给水平较2000—2010年间有显著提高，说明这期间沿海滩涂围垦复耕为耕地的政策对增加区域碳固存量起到了重要的作用。碳需求量由2000年的0.33亿t增长到2020年的1.63亿t，增幅显著。

从空间分布特征来看，玉环市碳固存服务供给情况总体上呈南北高，东西低的空间分布格局，见图3，不同区域间存在明显的空间异质性，碳固存服务高供给区域主要分布在北部和南部耕地、林地较为集中的区域。2010—2020年，漩门湾二期和三期进行滩涂围垦复耕工程，使得碳固存供给能力明显上升。与此同时，随着城市绿地的不断增加，玉环市东北部和西南部的龙溪、沙门、玉城等城镇碳固存服务高值区普遍增加。玉环市碳需求量高值主要集中分布于玉城、坎门和楚门这些经济发达，人类活动干扰较大的城区。20a间玉环市碳需求量稳步上升，由玉城、坎门和楚门向东部沿海城镇扩散。

图2 2000—2020年玉环市食物供应服务的供需情况

玉环市2000年、2010年和2020年碳固存服务供需比呈现先减小后增加的趋势，由2000年的-0.73下降到2010年的-0.77，后又增加到2020年的-0.75。2000年后，玉环市工业化快速发展，城市建设用地不断扩张，侵占了大量的耕地和林地，使2000—2010年间碳固存服务供给能力降低。而随着2010年以后，玉环市大力恢复生态，在绿水青山就是金山银山思想的指导下，恢复了大量植被，因此碳固存盈余区增多，平衡区和赤字区减少。2010年后在老城区赤字区范围呈现扩张的趋势，且集中连片程度较高，赤字区逐渐由以玉城坎门为主的老城区和楚门镇向东北部龙溪、干江、沙门等城镇扩散。

2.3 休闲游憩服务供需的时空分布特征

从时间上来看，20a来玉环市休闲游憩服务供给量呈下降的趋势，由2000年的12.56万km2，减少到2020年的8.35万km2，降幅为50.48%。2000年、2010年和2020年玉环市休闲游憩需求量分别为0.02万km2、0.17万km2和0.29万km2，呈显著上升趋势。

从空间分布来看，玉环市休闲游憩服务供给水平呈现出东西高、南北低的分布特征，见图4，休闲游憩服务供给能力高的区域分布于东部和西部沿海地区。这些区域大多为滩涂湿地，生态服务价值较高。由于围垦填地，2010年后在芦浦镇西北部的漩门湾二期和玉城、坎门相近的漩门湾三期及海山乡北部区域休闲游憩供给水平明显降低。玉环市休闲游憩服务需求高值集中分布在老城区和楚门镇的中心城区。2010年后，玉环市休闲游憩服务高需求范围由城镇中心城区逐渐向东部沿海地区扩散。

玉环市休闲游憩服务供需比呈逐年递减的趋势，由2000年的1下降为2020年的0.71。由于围垦填地和建设用地的扩张，使得休闲游憩服务供给量降低，但随着社会经济的发展，休闲游憩服务需求量逐年增加，因此休闲游憩服务供需比呈减少的趋势。从空间上来看，玉环市休闲游憩服务的供需匹配类型变化趋势为盈余区减少，平衡区和赤字区逐渐增多。2008年以来，西南部大麦屿港口工业带的建设和东南部老城新城一体发展，因此大麦屿港口和老城区赤字区范围明显增大，赤字区范围由西南部和东南部沿海地区逐渐向内陆地区扩散。人口密集的城镇中心区是玉环市休闲游憩服务供需不匹配的主要区域，未来政府应重点关注这些区域居民休闲游憩需求，可以在城镇中心区多规划一些步行10min可达半径的口袋公园，使居民获得心理上和身体上的满足感，提升居民生活质量。

图3 2000—2020年玉环市碳固存服务的供需情况

图4 2000—2020年玉环市休闲游憩服务的供需情况

3 结论与讨论

3.1 结论

本文利用INVEST模型和空间分析方法，分析2000—2020年玉环市食物供应、碳固存和休闲游憩3种生态系统服务供需的空间格局及匹配关系演化特征，得到以下结论。

在食物供应服务方面，2000—2020年玉环市食物供给量整体呈增长态势。其中，南部和北部内陆地区单位面积食物供给量明显高于东部和西部沿海地区。由于城市建设用地扩张，2010年后在大麦屿港口地区食物供给能力明显降低；而随着食物种类日益丰富，玉环市食物需求量呈下降趋势；食物供应服务供需比总体上呈增长的趋势，供需类型以盈余型为主，但南部沿海地区赤字区范围进一步扩张。

在碳固存服务方面，20a间玉环市碳固存供给水平总体呈上升趋势，碳固存服务供给量空间分布规律呈南北高东西低的格局，由于围垦复耕政策的影响，2010年后在漩门湾二期和漩门湾三期等地区陆地固碳能力明显上升；碳需求量呈增长趋势；2000—2020年玉环市碳固存供需情况由原来的供不应求逐渐转化为供大于求。玉环市碳固存服务的供需匹配总体变化趋势为盈余区逐渐增多，平衡区和赤字区减少，赤字区逐渐由以玉城坎门为主的老城区和楚门镇向东北部龙溪、干江、沙门等城镇扩散。

在休闲游憩服务方面，20a间由于林地不断减少，玉环市休闲游憩服务供给量呈降低的趋势。休闲游憩服务供给水平表现为东西高、南北低；随着居民可支配收入的提高，休闲游憩服务需求量增幅为92.51%；玉环市休闲游憩服务供需比总体上呈下降趋势，休闲游憩服务逐渐呈现供需失衡状态。玉环市休闲游憩服务的供需匹配类型变化趋势为盈余区减少，平衡区和赤字区逐渐增多，南部沿海地区赤字区范围逐渐扩大，且由西南部和东南部沿海地区逐渐向内陆地区扩散。

从空间上来看，玉环市3种生态系统服务具有显著的空间差异性。围垦区碳固存服务和休闲游憩服务变化较为剧烈，碳固存服务供给水平上升，而休闲游憩服务供给水平下降。中部城镇中心城区和东北部的工业园区是生态系统服务高需求区，北部的山区耕地林地资源丰富，食物供应和碳固存服务占据主导地位，而沿海及海岛地区由于生态环境较好，休闲游憩服务为该地区主要的生态系统服务类型。

3.2 讨论

玉环市各生态系统服务供需在空间上呈现一定供需匹配不平衡的问题，尤其在人口密度大的区域，生态系统服务供需匹配类型多为赤字型。因此，对玉环市未来的发展提出以下几点建议。

楚门镇作为玉环市食物供应服务高供给区，承担着玉环市大部分的食物需求。在工业化和城镇化进程加快的过程中，政府合理安排该区域的土地利用规划，在大力发展玉环文旦休闲农业的同时，未来应重点保护该区域内耕地用地基本红线，以巩固和维持其的食物高供给能力。

未来玉环市政府在调整碳固存服务供需平衡时，可以从提升生态系统固碳能力和减少碳排放量2方面进行考虑，通过增加城市绿地覆盖率、恢复保护沿海滩涂湿地，提高生态系统服务固碳能力；在人口密集碳排放量较高的城镇中心区，对于短距离出行应积极鼓励倡导居民选择公共交通及绿色低碳的交通方式，工业排放是碳排主要来源，工业应尽可能使用清洁能源，从而降低碳排放量。

随着城市土地开发程度的不断加大和人们生活水平的提高，人口越密集的区域往往人们可支配收入越高，对休闲游憩服务的需求也就越大。由于不同区域所提供的休闲游憩服务不同，未来玉环市政府在调整休闲游憩服务供需平衡时应根据差异化采取不同措施，在城镇中心城区打造口袋公园、微绿空间，提高绿化覆盖率，在沿海滩涂湿地区域应重点加强地区生态环境保护，在海岛休闲游憩服务水平较高的地区应合理规划路网，改善地区交通情况，提高与内陆地区交通的可达性。