长江经济带生态系统服务供需时空分异与平衡格局分析

张平,朱翔,*,贺清云, 欧阳晓,2

长江经济带生态系统服务供需时空分异与平衡格局分析

张平1,朱翔1,*,贺清云1, 欧阳晓1,2

1.湖南师范大学资源与环境科学学院,长沙 410081 2. 国土资源评价与利用湖南省重点实验室, 长沙 410007

为加强区域生态资产管理和实现生态环境的可持续发展, 以长江经济带为研究区, 综合运用格网、供需平衡模型和空间自相关分析长江经济带2000—2015年生态系统服务供需时空分异及平衡格局, 并进行空间依赖性检验。结果发现: (1)研究期内长江经济带生态系统服务供给总体呈先增加后减少的变化趋势, 共缩减115.34亿元, 下降0.15%, 其中，耕地的生态系统服务供给减少幅度最大, 达338亿元。(2)2000—2015年生态系统服务供给的年际变化不太显著，但需求呈现阶段性增长，且两者都存在显著的空间异质性。高供给主要分布在长江中下游的湖泊湿地、京杭运河沿线及长江入海口；低供给主要分布在贵州中西部、四川盆地、川西北及川北、长江中下游平原及河流入海口附近。高需求主要分布在长三角、江汉平原、长株潭地区、鄱阳湖平原、成都平原，空间上具有明显“核心—边缘”的特点。低需求主要分布在各县市的建成区, 空间上呈离散点状。(3)时间变化上, 生态系统服务供需平衡格局总体变化不大, 但也存在个别年份的明显变动。空间分布上, 生态服务供需平衡格局主要以较高盈余区、一般盈余区、供需平衡区和一般赤字区这四种类型区为主。(4)15年间生态服务供需平衡关系始终存在显著的空间正相关, 空间集聚显著，且集聚变化具有阶段性。2000—2010年莫兰指数逐年增加, 空间集聚愈加显著; 2010年之后莫兰指数大幅减小, 空间集聚减弱。LISA聚类占比反映出生态服务供需平衡格局具有明显的空间不平衡性。因此, 从生态赤字区、平衡区和盈余区三方面提出了相应的发展建议, 为长江经济带的生态补偿与生态建设提供参考。

生态系统服务; 时空分异; 供需平衡格局; 空间自相关; 长江经济带

0 前言

生态系统服务(Ecosystem Services, ES)是指生态系统形成和所维持的人类赖以生存和发展的环境条件和效用[1]，人类以直接或间接的方式获得其产品和服务。生态系统服务通过生态系统服务供给与社会经济需求的关系影响人类福祉。人类福祉一方面受生态系统提供的资源与服务的影响，另一方面又受人类社会需求偏好与期望的影响。同时，生态系统服务作为自然系统与人类社会的桥梁，其供给与需求可以反映生态系统服务与人类社会间复杂的动态关联[2]。但在城镇化、人口集聚和建成区扩张的推动下，生态系统服务供需关系趋向失调并引发了一系列诸如城市热岛、生态用地流失、环境污染和自然景观破坏等生态问题[3]。对生态系统服务的供给和需求进行识别、度量、空间化及均衡分析，有利于研究生态系统服务由“源”到“汇”的空间传递过程[4]，以及供需间的耦合平衡关系，确定真正需要保护的地方，明确供需双方是谁、供给区与受益区在哪[5]，为建设生态型城市和实现生态环境的可持续发展提供理论指导[6]，对生态系统服务付费、生态补偿及区域生态资源管理同样具有重要的现实意义。

国内外关于生态系统服务的研究在生态服务分类与价值估算[7–11]、生态服务的时空特征[12–14]与模拟预测[15]、影响机制[16–19]、权衡与协同关系[20–23]、供需关系与人类福祉[24–26]等方面已取得了丰富成果，其中关于生态系统服务供需平衡关系的研究正逐渐引起学者们的重视。当前有关生态系统服务供需平衡的研究成果主要集中在两个方面: (1)生态系统服务供需平衡关系的时空特征方面，王静[27]、翟天林[28]和董潇楠[29]等学者从全国、长江经济带和珠海等不同空间尺度对生态系统服务供需平衡的空间格局与匹配状况进行了探讨，石忆邵等[30]对洞庭湖生态经济区的生态系统供需关系进行分析，发现其供需关系较为良好，供需比在空间上呈现“四周高中间低”的特点，但城乡供需差异显著；武爱彬等[4]运用供需矩阵研究了京津冀地区生态系统服务供需的盈赤状况，结果表明西北部供需呈现盈余状态，而东南部赤字区面积有扩大趋势。(2)生态系统服务供需平衡对生态管理的启示方面，刘颂等[31]学者认为生态系统服务供需平衡的研究对于指导城市绿地系统的规划与完善具有重要意义，并提出增加城市弹性内容，结合需求建立绿地弹性供给等城市绿地管理的优化建议；顾康康等[32]依据安徽省生态系统服务供需关系的空间特征，将安徽省划分成生态协调型、生态控制型、生态重建型和生态保育型四种生态管控类型，以提高生态管理效率与水平；管青春等[33]结合生态系统服务供需匹配度和协调度的空间集聚情况，以空间叠加产生的组合类型划分曲周县的农业生态管理分区，实现农业生态的精细化和差异化管理。总体来看，已有成果为深入研究生态系统服务供需关系及其平衡格局提供了一定启示，但仍存在一些不足之处。一是已有研究多基于国家、省域、市域等宏观行政尺度，难以准确测度和研究区域微观尺度上的空间分异特征；二是国内外关于生态系统服务供需关系的研究，多侧重于供给研究，或供需某一方面的时序变化或空间演变，而较少关注供需双方的时空动态演化以及供需平衡格局；三是已有研究对京津冀地区、长三角地区的生态系统服务供需平衡关系与空间匹配进行了量化分析，但对于流域型长江经济带的生态系统服务供需平衡格局的研究仍较为缺乏，或多集中在供需的评价与预测方面。

长江经济带作为国家四大区域发展战略之一，是以长江为发展轴，以流域为腹地，以长三角城市群、长江中游城市群及成渝城市群为依托的宏观协作经济带[34]。它横跨我国东、中、西部三大地区，是我国推进区域协调发展的重要轴线，旨在打造上、中、下游优势互补，东、中、西部互动合作的协调发展带。同时，它也是我国生态安全格局的重要组成部分，是全球生物多样性最为丰富的区域之一。然而，近年来长江流域内出现了森林覆盖率下降、耕地大幅缩减、水土流失、重金属污染及大气酸化等一系列生态环境问题，长江经济带的生态环境正面临着严峻挑战[35]。基于此，本研究尝试以长江经济带为研究区，选取2000—2015年期间的土地利用遥感影像，运用格网分析、当量因子、供需平衡建模与空间自相关等方法对长江经济带生态系统服务供给与需求的时空特征与空间平衡关系进行分析，以揭示长江经济带生态系统服务供需的时空异质性与平衡格局特征，并提出相应的发展建议，为长江经济带生态补偿与生态资产管理提供科学指导，推动长江经济带生态文明示范带的建设与发展。

1 研究区概况

长江经济带东起上海、西至云南，覆盖上海、江苏、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重庆、贵州、四川和云南等9省2市，面积约205万平方公里，约占国土总面积的21.35%。以亚热带季风气候为主，雨热同期、降水充沛。地跨我国三级阶梯，地势起伏大；地形复杂多样，以高原、山地为主，平原多分布在四川盆地、长江中下游地区。河网稠密，湖泊、湿地众多，淡水资源及生物资源丰富。截至2018年底，长江经济带约占全国42.91%(5.99亿)的常住人口创造了全国约44.76%的经济产值，是世界上人口最多、产业规模最大、城市体系最完整的巨型流域经济带[36]。国家高度重视长江经济带建设及沿线生态环境保护，自2014年起，陆续出台实施《长江经济带发展规划纲要》和《长江经济带生态环境保护规划》，并将生态环境保护作为经济发展推进的前提，明确要求以共抓大保护、不搞大开发为导向，以生态优先、绿色发展为引领，依托长江的水道联通功能，推动上、中、下游地区协调发展和沿江沿海地区高质量发展。依托三大城市群，优化沿江产业结构和城镇化布局，密切东、中、西部的经济社会交流与合作。同时，加快长江干流及支流的生态环境保护与修复，最大程度地恢复和提升生态系统服务能力，实现长江经济带的可持续发展。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

研究区2000年、2005年、2010年、2015年四期Landsat TM/ETM土地利用遥感影像图都来自于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www. resdc.cn)。参照刘纪远等[37]土地利用/覆被变化(LUCC)研究和全国土地利用标准分类，本研究中用地类型主要包括耕地、林地、草地、水域、建设用地与未利用地六种。社会经济数据来自2001—2016年《中国农村统计年鉴》和《全国农产品成本收益资料汇编》。行政矢量边界、人口公里网格与GDP公里网格数据也都从资源环境数据云平台(http://www.resdc.cn)获取。建设用地比例借助AcrGIS10.2从四期土地利用影像中提取。因格网能较好地避免行政区划分割产生的分配计算误差，经多次测算并最终确定以10 km×10 km的格网对长江经济带进行分割，共得到21291个格网，在ArcGIS10.2中将计算得到的供给与需求同格网进行关联，并将人口、GDP值赋予格网。

图1 研究区位置示意

Figure 1 Location of the study area

2.2 研究方法

2.2.1 生态系统服务供给估算模型

生态系统服务供给是指特定时间和空间范围内，生态系统提供特定生态产品和服务的能力[46]，而生态系统服务价值(ecosystem services value, ESV)是对其供给大小的一种货币化测量，可以反映一定的生态系统服务供给状况，但价值量并非完全等同于供给量。目前国内外关于生态系统服务供给的评估暂未形成一套科学、统一和完整的评估或核算方法，但当前形成的估算方法主要有功能价值法和当量因子法两类。其中，当量因子法相较于功能价值法而言，使用更为简便、对数据需求更少、评估结果可比性更高，现已成为评估生态系统服务供给较为常用的方法[38]。因而，本研究参考谢高地等[39]制定出的中国陆地生态系统单位面积生态服务价值当量表及相关研究[40]，确定以长江经济带11省市2015年水稻、小麦和玉米三种粮食作物的平均产量(分别为7145.34 kg·hm-2、3660.10 kg·hm-2、5136.10 kg·hm-2)和2015年这三种粮食的全国平均收购价(分别为2.76元·kg-1、2.33元·kg-1、1.88元·kg-1)为基本数据，经加权修正得到单位面积生态服务供给，也即一个当量供给系数为2514.21元·(hm-2·a-1)。计算公式为:

式(2)(3)中,ESV是第项生态服务功能的供给；VC是第种土地利用类型的第项生态服务功能的供给系数；是研究区生态系统服务的总供给；A是研究区第种用地类型的面积；k是第种用地类型的生态系统服务供给。

2.2.2 生态系统服务需求估算模型

本研究借鉴彭建[41]、王静[27]等研究成果，从建设用地比例、人口密度和经济密度三个方面描述生态系统服务需求，并构建起土地开发指数(land development index, LDI)，用于综合表征生态系统服务需求水平。其中，建设用地比例反映土地开发利用程度及人类对生态系统服务的消耗强度；人口密度大小影响区域生态系统服务的消耗强度和总需求；经济密度体现地区经济的富裕程度，间接反映人类对生态系统服务的偏好与需求程度。计算公式如下:

式(4)中LDI表示第个格网的土地开发指数；Con表示第个格网的建设用地比例；Pop表示第个格网的人口密度；Gdp表示第个格网的经济密度。

表1 长江经济带生态系统单位面积生态服务供给系数/(元·hm-2·a-1)

2.2.3 生态系统服务供需平衡模型

本研究借鉴刘东等[42]提出的生态承载力供需平衡盈亏概念，并参考欧维新等[43]学者有关生态系统服务供需综合指数的构建方法，以标准化后的格网生态系统服务供给和需求为基础，构建出长江经济带生态系统服务的供需平衡指数(the index of supply-demand balance, Bisd)，其数值大小可以一定程度上反映生态系统服务供需的盈余、赤字和平衡状况。公式如下:

式(5)中Bi表示第个格网的供需平衡指数，ESVi为第个格网标准化后的生态系统服务供给，LDIi为第个格网标准化后的生态系统服务需求。运用ArcGIS10.2中的等距划分法，将研究区的供需平衡指数(Bisd)划分成高赤字、较高赤字、一般赤字、供需平衡、一般盈余、较高盈余和高盈余七种类型。

2.2.4 空间自相关分析

空间自相关是检验某一要素的属性值是否显著地与其相邻空间点上的属性值相关联的重要方法，检验内容包括全局空间自相关和局部空间自相关，多用Global Moran’s I 和 Local Moran’s I来描述。计算公式为:

3 结果分析

3.1 生态系统服务供给的时空分异

从生态系统服务总供给看(表2)，2000—2015年长江经济带生态系统服务供给总体呈先增加后减少的变化趋势，共缩减115.34亿元，下降了0.15%。2000—2005年生态系统服务供给增加了95.71亿元，而2005—2010年、2010—2015年则持续下降，依次减少了30.93亿元、180.12亿元。从各地类的生态系统服务供给看，15年来耕地与草地始终呈减少态势，其中耕地的生态系统服务供给减少幅度最大，达338亿元，而草地只减少了40.95亿元。林地和未利用地的生态系统服务供给变化具有阶段性，2000—2010年林地增加了85.02亿元，2010年后林地又迅速减少了152.86亿元；2000—2015年未利用地的生态系统服务供给经历了先减少后增加再减少的波动过程，但仅减少了0.05亿元。相反，水域的生态系统服务供给呈逐年增长趋势，共增加331.50亿元，增幅为5%，这主要是由于长江上游植树造林和中游退田还湖等政策的实施，河湖、水库等水域面积逐渐增加，从而使得水域的生态系统服务供给大幅增长。此外，林地的贡献率始终位居第一，2015年其贡献率为68.28%，其次耕地的贡献率为14.27%，居于第二。

2000—2015年长江经济带生态系统服务供给按等距划分为五种类型:低供给、较低供给、一般供给、较高供给和高供给。由图2可知，时间变化上，2000—2015年研究区生态系统服务供给的年际变化不太显著；空间分布上，长江经济带生态系统服务供给存在明显的空间分异。高供给主要分布在长江中下游的湖泊湿地、京杭运河沿线及长江入海口，还有零星分布在滇东南与滇北、川西南和湘南。较高供给在整个研究区呈“山”字形排列，主要位于滇中南、川西南、湘鄂西部、湘赣边界与南岭、武夷山区，以及浙江西部与南部，而在研究区东中部则形成了“川”字形分布格局。因山地和丘陵面积广阔，森林茂密、植被丰富，加上气候适宜、降水充沛，所以自然环境优越，生态功能完善、生态服务供给量较高。一般供给多位于山地丘陵向平原盆地过渡的地带，林地面积较小，因而生态系统服务供给量较小。较低供给和低供给主要分布在贵州中西部、四川盆地、川西北、长江中下游平原及河流入海口附近，以江苏和安徽北部最为显著。地形平坦，平原分布广泛，因而耕地与建设用地大量分布，加上，林地与水域的分布面积较小，从而使得该区域生态系统服务供给较低。

表2 2000—2015年长江经济带生态系统服务供给变化(109元)

图2 2000—2015年生态系统服务供给空间分布

Figure 2 Spatial distribution of ecosystem services supply from 2000 to 2015

3.2 生态系统服务需求的时空分异

在ArcGIS中将长江经济带2000—2015年生态系统服务需求等距分成低需求、较低需求、一般需求、较高需求和高需求五个等级。从图3可知，15年间长江经济带生态系统服务需求呈现阶段性增长。2000—2005年在长三角、皖西北、苏北、长江中游和四川盆地需求增长较快；2005—2010年研究区整体需求增长不太明显，重庆周边较低需求出现小幅增长；而2010—2015年重庆、武汉、昆明、长株潭城市群地区增长幅度比较明显。空间分布方面，生态系统服务需求整体上也具有显著的空间异质性。具体表现为: 高需求与较高需求主要分布在人口、经济活动比较密集的长三角地区、江汉平原、长株潭地区、鄱阳湖平原、成都平原，以城市群中心城市为典型，空间上具有明显“核心—边缘”的特点。其“核心”区，多为生态系统服务高需求或较高需求的集中分布，“边缘”区依次分布着一般需求区、较低需求区和低需求区。城市群地区，因中心城市城镇化加快、人口过快涌入城镇，以及经济活动愈加集中、建设用地扩张加速，从而使得中心城区的生态服务需求日益高涨，由此需求水平较高。周边地区受经济相对缺乏活力、进城人口规模偏小、建设用地拓展困难等影响，需求水平较低。较低需求和低需求主要分布在各县市区的建成区，空间上呈离散点状，这主要是受空间距离的制约作用，县域间人口、经济联系较弱，形成各自独立的点状需求区。

图3 2000—2015年生态系统服务需求空间分布

Figure 3 Spatial distribution of ecosystem services demand from 2000 to 2015

3.3 生态系统服务的供需平衡格局分析

3.3.1 供需平衡格局的时空变化

生态系统服务供需平衡指数可以大致反映一个区域生态系统服务供需的时空平衡状况[44]，参考刘东[42]和欧维新[43]等划分生态系统服务供需盈亏等级的方法，运用ArcGIS中的等距划分法，将长江经济带划分为高赤字区、较高赤字区、一般赤字区、供需平衡区、一般盈余区、较高盈余区和高盈余区这七种类型区(如图4)。时间变化上，图4反映出2000—2015年长江经济带的生态系统服务供需平衡格局总体变化不大，但也存在个别年份的明显变动。对比2000—2015年的生态系统服务供需平衡状况，发现2000—2005年间高赤字区的分布范围明显缩小，2000年集中分布在皖西北、苏中苏北、杭州湾地区的高赤字区，在2005年已大幅度转变为较高赤字区，反映出这些地区生态系统服务供需关系开始由紧张转为较缓和，生态环境压力有所缓解。说明自2000年以来在国家退耕还林、退田还湖、植树造林和生态转移支付等政策的支持实施下，长江经济带的水域、湿地及林地等生态用地得到了有效保护。2005—2015年间生态系统服务供需平衡格局虽较为稳定，但上海、成都、重庆三个特大城市的生态系统服务供需平衡依然面临着紧张失调的风险，其高赤字区和较高赤字区的分布范围呈逐年增加趋势。未来这类城市应合理增加生态用地，适当控制建设用地的扩张，保障城市生产生活的生态用地安全，完善绿色基础设施，建设绿色宜居大都市。

空间分布上，2000—2015年研究区供需平衡格局主要以较高盈余区、一般盈余区、供需平衡区和一般赤字区这四种类型区为主，面积大且分布广；而髙盈余区、高赤字区和较高赤字区面积小且分散。具体来看，较高盈余区主要集中在云南中南部、川西南山地、秦巴—武陵山区、幕阜山—罗霄山区、南岭山地、武夷山区、大别山区及浙西浙南山地。一般盈余区分布在较高盈余区周边地区，多为缓坡低山丘陵向平原盆地的过渡区域，植被以草地和稀疏灌木为主，生态系统服务供给略大于需求。供需平衡区是生态系统服务供给与需求基本相等的区域，分散镶嵌在四川盆地边缘、云贵高原中部、江汉平原边缘、洞庭湖与鄱阳湖平原周边。而一般赤字区则主要分布在四川盆地内部平原、川西北高原、江汉平原、汉水谷地、长江下游平原及云贵高原南部。高盈余区主要分布在长江沿岸湖泊湿地、长江入海口附近，以及云南、四川等高原湖泊。因为单位面积水域生态系统服务供给系数较高且人口分布较少，使得生态系统服务供给量远远大于生态系统服务需求量，从而形成高盈余区。高赤字区主要集中在长江下游入海口及杭州湾沿岸，还有少数分布在成都、重庆、武汉、长沙、南昌、昆明等省会城市。这些地区地形平坦，人口、生产与商贸活动密集，城镇化水平较高，建设用地大规模挤占生态用地，使得生态系统服务供给远远满足不了人类需求的增长。至2015年，较高赤字区集中分布在皖苏北部平原、长江下游沿江平原、浙东沿海、若尔盖湿地、成都平原核心区、重庆市区周边。

图4 不同年份长江经济带生态系统服务供需平衡状况

Figure 4 Supply-demand balance of ecosystem services in the Yangtze River Economic Zone in different years

3.3.2 供需平衡关系的空间自相关检验

运用Geoda和ArcGIS10.2，计算出2000—2015年长江经济带生态服务供需平衡指数的Global Moran’s I分别为0.6951、0.6962、0.6995和0.6464，Z值得分依次为135.2568、136.2905、152.0092和184.6661。四期莫兰指数均为正数，说明研究区15年间生态服务供需平衡关系始终存在显著的空间正相关，空间集聚显著，且集聚变化具有阶段性。2000—2010年莫兰指数逐年增加，说明区域供需平衡关系的空间集聚愈加显著。但2010—2015年莫兰指数大幅减小，说明供需平衡关系的空间集聚性有所减弱。

由图5可知，2000—2015年长江经济带生态系统服务供需平衡指数在空间上形成了不显著、高高集聚、低低集聚、低高集聚和高低集聚五种类型区，其在面积、人口和GDP方面都存在较大差异，区域间生态供需格局具有明显的不平衡性。2000年不显著区的面积、人口、GDP比重分别为67.91%、57.43%、42.40%，这类区域面积分布最广，生态服务供给潜力较大，但需求相对不足、经济发展效率较低。高高集聚区的面积、人口、GDP比重依次为17.86%、10.83%和5.09%，区域多为生态环境较好、生态功能完善的重要生态功能区，人口分布稀疏，受自然环境影响，经济发展相对缓慢。低低集聚区多位于地形平坦的平原、盆地和沿江沿海的城市地区，面积、人口、GDP比重分别为13.65%、30.63%、49.97%，单位面积上的人口与经济活动压力较大，区域发展面临生态服务供给不足的威胁。低高集聚区的面积、人口和GDP比重较小，分别为0.31%、0.59%、2.11%，区域生态供给也面临着人口和经济方面的压力。高低集聚区面积占比最小，为0.27%，人口占比也仅为0.52%，GDP比重仅为0.43%。2015年，研究区的不平衡状况有了一定的改善，如不显著区GDP与面积之比由0.62:1降为0.60:1，单位面积承载的经济压力减小。高高集聚区面积占比由17.86%增加到26.64%，人口占比由10.83%增加到15.07%，GDP比重达到10.92%，GDP与人口的比值由0.47增长到0.73。在国家生态转移支付政策下，该区域积极调整产业结构，合理利用生态资源优势，从而实现生态保护与经济发展的“双赢”。低低集聚区的面积、人口和GDP比重分别增加到17.47%、40.32%和53.67%，GDP与面积之比由3.66:1降为3.07:1，说明区域生态系统服务供需压力有所缓和，生态环境得到改善。

图5 2000年、2015年生态服务供需平衡指数LISA聚类占比

Figure 5 The proportion of Lisa clustering of the supply-demand balance index of ecosystem services in 2000 and 2015

4 讨论与建议

4.1 生态系统服务供需估算及平衡指数建模方法

生态系统服务供给估算的常用方法主要有功能价值法和当量因子法。其中，当量因子法最早由Costanza提出并运用于全球生态系统服务价值的测算[7]，随后谢高地[37]等学者制定出符合中国实际情况的生态系统服务当量因子表，由于其计算方法较简便、对数据要求较少，基本不受地域尺度限制，可适用于全球、国家、省域、县域等多种尺度的生态系统服务供给测算。加上当量因子法多以土地利用调查结果、土地利用遥感影像和社会经济数据作为基础数据，结果具有可靠的数据保障。因此，本研究借鉴邓楚雄[14]等学者运用研究区平均粮食产量修正当量因子的方法对长江经济带的价值当量加以区域修正，从而得出长江经济带的单位面积生态系统服务供给系数为2531.24元·hm-2·a-1，这一系数与刘园[15]等估算长江经济带生态系统服务供给的供给系数2632.5元·hm-2·a-1比较接近，同谢高地[38]得出的中国生态系统服务价值的空间分布基本一致，这一定程度上说明了本研究估算出的供给系数的合理性与客观性。但本研究在对当量因子进行区域修正时，尚未考虑气候、净生产能力、空间可达性、生境质量等空间因子对生态系统服务供给的影响，也因技术原因未对实际供给与潜在供给加以区分和量化，未来将进一步对当量因子加以空间异质的考虑与修正，同时区分和量化实际供给与潜在供给的关系，使研究结果更为可信。

生态系统服务需求是指人类社会消耗或期望获得的生态系统服务数量[32]，包括已消耗的或希望获得的产品或服务。现有需求评估多参照Burkhard等[46]研究，基于土地利用/土地覆被数据和专家知识经验，构建供需矩阵对区域供需平衡关系进行半量化的估算分析，结果虽能一定程度上反映人类需求主体的偏好与期望差异，但其质量主要取决于专家已有的知识和经验基础。部分学者参照生态足迹理论，计算每一项具体生态系统服务的人类需求实物量，由此分析整个研究区的总需求情况。对比之下，本文借鉴彭建[41]等有关生态系统服务需求的构建方法，从建设用地比例、人口密度和经济密度三个维度构建起土地开发指数(LDI)来表征和估算人类社会对生态系统服务的需求。这一综合指数把握了人—地相互作用的关键，即人类需求与生态服务供给间的相互作用关系，人类需求通过人口密度大小、经济活动密集程度和建设用地面积和强度对生态服务供给施加压力，反过来，生态系统服务的功能与结构变化也会影响人类需求，从而维持生态服务供给与需求的相对平衡状态。但这一综合指数也忽略了需求主体对需求偏好与期望的影响，也不能区分实际需求与潜在需求，今后应将需求利益相关者纳入需求估算的考量范围，运用多学科的方法来区分实际需求与潜在需求，使结果更真实地反映人类社会的需求情况。

生态系统服务供需平衡关系评价方面，当前国内外学者多运用Burkhard提出的生态服务供需矩阵计算供需平衡指数[46]，也有学者综合生态承载力和生态足迹相关理论对生态服务供需平衡指数加以构建。本研究参考刘东[42]、欧维新[43]等研究，在价值当量法和综合指数法估计长江经济带生态服务供给与需求的基础上，以其供需差值来构建研究区的供需平衡指数(Bisd)，并对生态系统服务供需平衡的空间格局及空间依赖性进行了量化，但研究都是基于本地生态系统服务供需关系这个前提，忽视了流域型研究区生态服务空间流动的影响，如气体调节、气候调节、洪水防控和授粉等生态服务都具有空间流动性，因此在进行供需关系的分析时需要着重考虑空间流动因素。在未来的研究中会进一步考虑生态服务流动因素对供需关系的影响，尝试运用InVEST模型、SWAT水文模型、ARIES模型和SPANs模型等进行“供给侧”到“需求侧”的服务流研究，深入思考供需空间平衡背后的机制作用过程，以期为确定生态补偿标准及制定生态管理决策提供一定参考。

4.2 区域生态服务供需格局优化建议

长江经济带生态系统服务供需平衡格局具有显著的空间异质性。生态赤字区包括高赤字区、较高赤字区和一般赤字区，其区域生态系统服务供给严重不足，难以满足城市化、经济发展、人民群众需求多样化的需要。生态平衡区的生态服务供给与需求关系总体较为协调，但区域的人口密度和经济密度偏小，未能充分利用自然资源。生态盈余区包含一般盈余区、较高盈余区和高盈余区三种类型，拥有较为良好的生态环境，人类活动对生态系统的干预较少，但区域经济相对缺乏活力、体量偏小，城镇化也因人口分散、高山丘陵等地形影响而难以推进，人口城镇化水平普遍较低。因此，必须从以下三方面采取有效对策，实现研究区生态服务供给与需求的协调与发展。

生态赤字区: 因地形相对平坦、耕地广布，而成为人口、工农业活动比较集中的区域，城镇化的继续推进是发展的大趋势，必须高效利用有限土地，合理调控城市人口与经济活动，严格控制与监测建设用地扩张规模与强度。积极改造提升城市公共基础设施，引导建筑物、产业活动与基础设施的集中紧凑发展，积极建设高密度、高效益、高质量和集约紧凑的新型城市。同时，统筹规划建设更多生态斑块与生态廊道，着力提高生态连通度。

生态平衡区: 多集中连片的耕地，但经济发展水平相对低下，总体生态供给略大于生态需求，今后应重视土地整治，加快土地流转与承包，适当增加生态用地面积，提高区域生态供给能力。统筹城乡发展，合理发展现代农业，推进农业与信息化融合发展，加快原有产业结构优化调整，并加强基础设施建设。适当加快城镇化步伐，推动更多分散农业人口进城务工，并合理安排就业技能培训，保障人口的就业与经济发展需要。

生态盈余区: 多位于高山高原、低山丘陵和湖泊湿地，生态环境较优越。随着城镇化的推进，盈余区生态环境遭受人类活动的干扰程度也在日益加深，生态系统服务供需关系开始出现恶化和趋紧的迹象。因此，应严格实施封山育林、退耕还林、退田还湖等生态保护政策，扎实推进长江经济带沿岸防护林带建设，增强水土保持能力以保护长江岸线。坚持生态保护优先，合理疏散生态环境脆弱地区的人口，减少人类活动。转变发展方式，调整优化产业结构，支持发展全域旅游与乡村旅游等第三产业，实现生态效益和经济效益的“双赢”。

5 结论

基于长江经济带2000年、2005年、2010年和2015年4期土地利用遥感影像与2000—2015年社会经济数据等资料，本研究综合运用格网分析、当量因子、供需平衡建模和空间自相关等方法对长江经济带2000—2015年生态系统服务供给与需求的时空特征及平衡格局进行分析，并对供需平衡关系加以空间自相关检验，得出以下主要结论:

(1) 从生态系统服务总供给看，2000—2015年长江经济带生态系统服务供给总体呈先增加后减少的变化趋势，共缩减115.34亿元，下降了0.15%。其中耕地的生态系统服务供给减少最多，达338亿元。从生态系统服务供给贡献率看，15年来林地的贡献率始终位居第一，2015年其贡献率为68.28%，其次耕地贡献率为14.27%。前者因生态系统服务系数较大且面积最大，从而贡献率最大，后者则因面积较大而使贡献率居于第二。

(2) 2000—2015年研究区生态系统服务供给的年际变化不太显著，但需求呈现阶段性增长，且两者都存在显著的空间异质性。高供给主要分布在长江中下游的湖泊湿地、京杭运河沿线及长江入海口；低供给主要分布在贵州中西部、四川盆地、川西北及川北、长江中下游平原及河流入海口附近。高需求主要分布在长三角、江汉平原、长株潭地区、鄱阳湖平原、成都平原，以城市群中心城市为典型，空间上具有明显“核心—边缘”的特点。低需求主要分布在各县市区的建成区，空间上呈离散点状。

(3) 时间变化上，2000—2015年长江经济带的生态系统服务供需平衡格局总体变化不大，但也存在个别年份的明显变动。空间分布上，2000—2015年研究区供需平衡状况主要以较高盈余区、一般盈余区、供需平衡区和一般赤字区这四种类型区为主，面积大且分布广；而髙盈余区、高赤字区和较高赤字区面积小且分散。

(4) 15年间生态服务供需平衡关系始终存在显著的空间正相关，空间集聚显著，且集聚变化具有阶段性。2000—2010年莫兰指数逐年增加，区域供需平衡关系的空间集聚愈加显著；2010—2015年，莫兰指数大幅减小，供需平衡关系的空间集聚性有所减弱。LISA聚类占比反映出不显著、高高集聚、低低集聚、低高集聚和高低集聚五种类型区在面积、人口和GDP方面都存在较大差异，区域间生态系统服务供需格局具有明显的不平衡性。

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Analysis on the spatial-temporal differentiation and supply-demand balance pattern of ecosystem services in the Yangtze River Economic Zone

ZHANG Ping1, ZHU Xiang1,*, HE Qingyun1, OUYANG Xiao1,2

1. College of Resources and Environmental Sciences, Hunan Normal University, Changsha 410081, China 2. Hunan Key Laboratory of Land Resources Evaluation and Utilization, Changsha 410007, China

In order to strengthen the management of regional ecological assets and realize the sustainable development of ecological environment, taking the Yangtze River Economic Zone as the research area, comprehensively using the grid, supply-demand balance model and spatial autocorrelation, we analyzed the spatial-temporal differences and supply-demand balance pattern of ecosystem services from 2000 to 2015 in the Yangtze River Economic Zone, and tested the spatial dependence. The results showed that: (1) During the study period, the ecosystem services supply in the Yangtze River Economic Zone generally increased first and then decreased, with a total reduction of 11.534 billion yuan, a decrease of 0.15%. Among them, the ecosystem services supply of cultivated land decreased the most, reaching 33.8 billion yuan. (2) The inter-annual change of ecosystem services supply from 2000 to 2015 was not very significant, but the demand showed a periodic growth, and both of the supply and demand had a significant spatial heterogeneity. High supply was mainly distributed in the lake and wetland in the middle and lower reaches of the Yangtze River, along the Beijing-Hangzhou Canal and the Yangtze River estuary; low supply mainly distributed in the Central and Western Guizhou Province, Sichuan Basin, Northwestern and Northern Sichuan Province, the plains in the middle and lower reaches of the Yangtze River and near the river estuary. High demand mainly distributed in the Yangtze River Delta, Jianghan Plain, Changzhutan area, Poyang Lake Plain and Chengdu Plain, which hadobvious characteristics of "core-edge" in space. The low demand mainly distributed in the built-up areas of each county and city, with pointsdiscrete in space.(3) In terms of time change, the supply-demand balance pattern of ecosystem services changeda little in general, but there were also obvious changes in individual years. In terms of spatial distribution, the supply-demand balance pattern of ecological services was mainly composed of four types: high surplus area, general surplus area, supply-demand balance area and general deficit area. (4) In the past 15 years, there was always a significant positive spatial correlation between supply and demand of ecological services. Spatial agglomeration was significant, and the change of agglomeration was periodic. From 2000 to 2010, Moran index increased year by year and spatial agglomeration became increasingly significant; after 2010, Moran index reduced substantially and spatial agglomeration weakened. The proportion of Lisa cluster reflected the spatial imbalance of supply-demand balance pattern of ecological services. Therefore, the corresponding development suggestions are put forward from three aspects: ecological deficit area, balance area and surplus area to provide reference for the ecological compensation and ecological construction in the Yangtze River Economic Zone.

ecosystem services; spatial-temporal differentiation; supply-demand balance pattern; spatial autocorrelation; the Yangtze River Economic Zone

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.06.020

X171

A

1008-8873(2020)06-155-12

2019-10-02;

2019-12-10基金项目:国家社会科学基金重大项目(18ZDA040)

张平(1994—),女,江西九江人,硕士研究生,主要研究生态环境与区域发展, E-mail: 1290656924@qq.com

朱翔,男, 教授,博士生导师,主要从事城市发展与区域规划的研究,E-mail: zhuxiang882000@aliyun.com

张平, 朱翔, 贺清云, 等. 长江经济带生态系统服务供需时空分异与平衡格局分析[J]. 生态科学, 2020, 39(6): 155–166.

ZHANG Ping, ZHU Xiang, HE Qingyun, et al. Spatial-temporal differentiation and balance pattern of supply and demand of ecosystem services of the Yangtze River Economic Zone[J]. Ecological Science, 2020, 39(6): 155–166.