粵港澳大灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務時空演化及其權(quán)衡與協(xié)同特征

王世豪,黃 麟,徐新良，徐淑琬

1 中國科學院地理科學與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點實驗室,北京 100101

2 中國科學院大學,北京 100049

3 中國科學院地理科學與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室,北京 100101

4 中國人民大學附屬中學通州校區(qū)，北京 101100

生態(tài)系統(tǒng)直接或間接地為人類提供物質(zhì)與非物質(zhì)惠益即生態(tài)系統(tǒng)供給、調(diào)節(jié)、支持和文化等服務[1- 4]。近年來,生態(tài)系統(tǒng)服務評估研究發(fā)展迅速,多通過物質(zhì)量分析生態(tài)系統(tǒng)服務的可持續(xù)性,利用價值量開展不同時段、不同區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務的變化評價[5]。1997年,Costanza等區(qū)分17種生態(tài)系統(tǒng)服務類型估算了全球生態(tài)系統(tǒng)服務價值[6- 8]。國內(nèi),謝高地等[3,7]基于Costanza等研究建立了中國生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務價值當量表。許多研究沿用當量法開展不同區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務評估,但由于生態(tài)系統(tǒng)及其服務的空間異質(zhì)性、評估復雜性,指標選取不統(tǒng)一以及評價方法差異等原因,導致結(jié)果具有極大地不確定性[5,9],評價內(nèi)容和尺度難以滿足實踐需求[10]。此外,由于生態(tài)系統(tǒng)服務種類多樣性、空間分布不均衡以及人類使用的選擇性,生態(tài)系統(tǒng)服務之間的關系出現(xiàn)了此消彼長的權(quán)衡和相互增益的協(xié)同等變化[11]。科學合理地估算生態(tài)系統(tǒng)服務,定量化描述其時空演化特征,分析主要生態(tài)系統(tǒng)服務之間的相關關系,可為生態(tài)系統(tǒng)管理與決策的制定提供重要依據(jù)[12- 13],對保護生態(tài)環(huán)境、維護人類社會福祉、促進人與自然和諧發(fā)展大有裨益[14]。

近幾十年,伴隨經(jīng)濟社會高速發(fā)展與人口增長的快速城市化是全球最顯著的土地利用變化特征,使得生態(tài)系統(tǒng)服務能力較弱的生活、生產(chǎn)空間占用了生態(tài)空間[15],極大地改變了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并導致生態(tài)系統(tǒng)服務呈現(xiàn)復雜的時空變化特征[14,16],由此引發(fā)了水污染、大氣污染、溫室效應等一系列生態(tài)環(huán)境問題[17], 嚴重威脅城市地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展和居民生活質(zhì)量[18]。因此,如何降低城市化對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響,實現(xiàn)可持續(xù)地城市發(fā)展,已成為城市化研究的熱點問題[19- 22]。眾多學者開展了城市化地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務研究,利用InVEST模型模擬了閩三角城市群水源涵養(yǎng)情景以及土地利用變化對其的影響[23]；基于生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量估算了武漢城市圈、京津冀、長三角等城市群地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值,分析了城市土地利用結(jié)構(gòu)與生態(tài)系統(tǒng)服務之間的關系[14,24- 26]。然而,對于城市化影響生態(tài)系統(tǒng)服務以及引起各類生態(tài)系統(tǒng)服務相互關系變化的時空過程,目前相關研究較少、政策方面考慮較為缺乏,不利于生態(tài)文明背景下的城市群地區(qū)發(fā)展。

粵港澳大灣區(qū)由于特殊的地理位置與發(fā)展機遇,受到國內(nèi)外廣泛關注[27],成為全球人口高密度聚集的城市群地區(qū)之一[28], 快速城市化進程改變了城市的空間格局和自然景觀[29],同時也出現(xiàn)了植被面積減少、物種多樣性降低、海平面上升、洪澇規(guī)模增大等一系列環(huán)境污染和生態(tài)破壞問題,生態(tài)系統(tǒng)供給與調(diào)節(jié)服務降低,嚴重阻礙區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[30- 31]。針對粵港澳大灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務,李婧賢等[32]構(gòu)建了一個生態(tài)系統(tǒng)服務分類體系并分析其空間分布特征；甘琳等[33]從自然生態(tài)、城市擴張、生態(tài)系統(tǒng)服務方面選取生態(tài)敏感性評價因子并構(gòu)建指標體系,分析了近20年大灣區(qū)生態(tài)敏感性時空變化；林媚珍等[30]利用InVEST模型分析了近15年大灣區(qū)碳儲量、土壤保持等生態(tài)系統(tǒng)服務的時空變化以及景觀格局指數(shù)變化的影響。然而,多數(shù)研究側(cè)重于生態(tài)系統(tǒng)服務估算,對城市化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務演化規(guī)律及其權(quán)衡與協(xié)同關系的研究較為欠缺[10]。

本文以粵港澳大灣區(qū)作為我國城市群發(fā)展的典型研究區(qū),基于對2000—2015年大灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)宏觀格局變化的分析,揭示了大灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)供給服務與水源涵養(yǎng)、土壤保持調(diào)節(jié)服務的時空演化特征,進而探討供給服務與調(diào)節(jié)服務之間的權(quán)衡與協(xié)同關系,通過了解過去十幾年大灣區(qū)城市化進程中生態(tài)系統(tǒng)服務及其相互關系的動態(tài)本底狀況,掌握城市化對生態(tài)系統(tǒng)變化的正面和負面影響、生態(tài)保護的薄弱區(qū)域以及未來需要加強保護的重要區(qū)域。本研究對于粵港澳大灣區(qū)經(jīng)濟發(fā)展同時開展生態(tài)保護、改善大灣區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、實現(xiàn)城市化的健康發(fā)展,具有極為重要的現(xiàn)實意義和科學價值。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

粵港澳大灣區(qū)總面積5.6萬km2,包括廣東省廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門、肇慶9市和我國香港、澳門2個特別行政區(qū),2017年末總?cè)丝诩s7000萬人?；浉郯拇鬄硡^(qū)與美國紐約灣區(qū)、舊金山灣區(qū)、日本東京灣區(qū)并稱為世界四大灣區(qū),是我國開放程度最高、經(jīng)濟活力最強的區(qū)域之一[34]。大灣區(qū)以亞熱帶季風氣候為主,終年溫暖濕潤,年均溫21—23℃,年均降水量1500 mm以上。多雨季節(jié)與高溫季節(jié)同步,植被類型以亞熱帶常綠闊葉林為主[32]。

1.2 生態(tài)系統(tǒng)類型及變化信息提取

2000、2015年粵港澳大灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型及其變化信息源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心的土地利用變化與土地覆被數(shù)據(jù)集[35],該數(shù)據(jù)集是以美國陸地衛(wèi)星Landsat TM/ETM+圖像為主要信息源,通過人工目視解譯獲得,空間分辨率為100 m×100 m,土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)建設用地、未利用土地等6個一級類和25個二級類。將土地利用類型分類合并轉(zhuǎn)換為農(nóng)田、森林、草地、濕地、城鎮(zhèn)等生態(tài)系統(tǒng)類型,進而統(tǒng)計分析大灣區(qū)近十幾年生態(tài)系統(tǒng)類型與面積的變化趨勢。

1.3 生態(tài)系統(tǒng)服務量化方法1.3.1 生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力

生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力(NPP, Net Primary Productivity)是綠色植被在單位面積、單位時間內(nèi)累積的有機物數(shù)量,由光合作用獲得的有機質(zhì)總量扣除植被自身生長和代謝消耗后的剩余部分,它直接反映了自然環(huán)境條件下生態(tài)系統(tǒng)的供給能力[36],可作為生態(tài)系統(tǒng)供給服務量化的指標。本文中NPP數(shù)據(jù)來自于MODIS產(chǎn)品中的MOD17A3數(shù)據(jù)集,是通過BIOME-BGC 模型計算出全球陸地植被凈初級生產(chǎn)力年際變化的資料[37- 38],空間分辨率為1 km×1 km,數(shù)據(jù)時間序列為2000—2015年。該數(shù)據(jù)已廣泛應用于生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測、植被生物量估算、碳循環(huán)和全球變化等研究[39- 41]。

1.3.2水源涵養(yǎng)服務量

采用降水貯存量法[42- 44]估算粵港澳大灣區(qū)森林、濕地、草地生態(tài)系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)水量和凈化水質(zhì)所產(chǎn)生的水源涵養(yǎng)服務量,公式表示為：

W=A×Pr×R

(1)

Pr=P×K

(2)

式中,W為與裸地相比得到的森林、濕地和草地生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水分的增加量(m3),A為生態(tài)系統(tǒng)面積(hm2),Pr為產(chǎn)流降水量(mm),P為年均降水量(mm),K為產(chǎn)流降水量占降水總量的比例；R為與裸地相比生態(tài)系統(tǒng)減少徑流的效益系數(shù)。通過已發(fā)表文獻搜集獲得實測降雨產(chǎn)流臨界值, 并以臨近氣象臺站實測的日降水量修正同時期得到的TRMM逐日3 h降水量, 累計單次降雨量大于降雨產(chǎn)流臨界值的數(shù)值,得到單點產(chǎn)流降雨量占降雨總量的比例, 進而與多年平均河川徑流系數(shù)建立線性關系,得到K值的空間分布。森林R值主要通過搜集已有文獻資料, 草地R值根據(jù)植被覆蓋度[42,45]計算。

1.3.3土壤保持服務量

利用生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量(SC)衡量生態(tài)系統(tǒng)保育土壤的能力,土壤保持量定義為生態(tài)系統(tǒng)在極度退化狀況下土壤侵蝕量(SEd)與現(xiàn)實狀況下土壤侵蝕量(SEr)的差值。采用修正通用水土流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation,RUSLE)估算土壤侵蝕量(SE),該方程認為土壤水蝕強度主要由降雨侵蝕力因子(Rse)、土壤可蝕性因子(Kse)、坡長因子(L)、坡度因子(S)、覆蓋和管理因子(C)、水土保持措施因子(Psc)等決定,因此表示為：

SC=SEd-SEr

(3)

SE=Rse×Kse×L×S×C×Psc

(4)

Kse=2.1×10-412-OMM1.14+3.25St-2+2.5P-3/100×0.1317

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中,利用基于日降雨量的半月降雨侵蝕力模型[46]來估算Rse；利用Nomo圖法計算Kse,其中,OM是土壤有機質(zhì)含量百分比(%),M是土壤粉粒、極細砂與粘粒百分比之積,St是土壤結(jié)構(gòu)系數(shù),Psc是滲透等級,這些土壤屬性數(shù)據(jù)均來源于1∶100萬土壤數(shù)據(jù)庫。基于McCool等[47]和劉寶元等[48]的方法估算L和S,其中,λ為坡長(m),計算L時把生態(tài)系統(tǒng)類型邊界、道路、河流、溝塘湖泊等地表要素作為徑流的阻隔因素,改進了傳統(tǒng)算法中通過相鄰柵格間的坡向以及坡度變化率確定坡長終止點的方法,避免了坡長因子的高估。根據(jù)蔡崇法[49]的方法計算確定C。

1.3.4生態(tài)系統(tǒng)服務權(quán)衡與協(xié)同關系分析

以大灣區(qū)供給服務與水源涵養(yǎng)、土壤保持服務的多年變化趨勢為基礎,基于逐像元空間相關分析方法,探討兩兩生態(tài)系統(tǒng)服務之間相關系數(shù)的絕對值大小及正負方向,判斷生態(tài)系統(tǒng)服務之間的權(quán)衡與協(xié)同關系。首先,計算兩兩生態(tài)系統(tǒng)服務之間相應的相關系數(shù)與偏相關系數(shù)。

相關系數(shù)計算公式如下：

(10)

一階偏相關系數(shù)計算公式如下：

(11)

式中,rij·h表示在變量i和j在控制變量h后的一階偏相關系數(shù),rij、rih、rjh分別為兩個變量的相關系數(shù)。

如果一階偏相關系數(shù)為正,表明在排除另外一個服務的影響下,這兩個生態(tài)系統(tǒng)服務之間為協(xié)同關系；一階偏相關系數(shù)為負,說明為權(quán)衡關系；相關系數(shù)為零,則表明生態(tài)系統(tǒng)服務之間無相關關系。

根據(jù)偏相關系數(shù)的零假設檢驗t檢驗方法,判斷生態(tài)系統(tǒng)服務之間相互關系的顯著性。t檢驗公式如下：

(12)

式中,r是對應的偏相關系數(shù),n是樣本觀測數(shù),k是可控制變量的數(shù)目,n-k-2是自由度,當t>t0.05(n-k-2)時即P<0.05,拒絕原假設,相關性結(jié)果顯著,當t>t0.01(n-k-2)時即P<0.01,拒絕原假設,相關性結(jié)果極顯著。t0.05(n-k-2)和t0.01(n-k-2)查閱t檢驗表確定。

2 結(jié)果與分析

2.1 2000—2015年大灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局時空變化特征

從2015年粵港澳大灣區(qū)各類生態(tài)系統(tǒng)面積及分布來看,森林生態(tài)系統(tǒng)面積最大,約為2.98萬km2,占大灣區(qū)陸地面積的54.1%,主要分布在大灣區(qū)北部和西部的肇慶市、惠州市、江門市。其次是農(nóng)田,占比22.8%,主要分布在江門市、惠州市、廣州市北部。濕地和草地面積最少,僅占7.2%和2.2%。城鎮(zhèn)面積約0.75萬km2,占13.6%,其中廣州市、東莞市、佛山市的城鎮(zhèn)面積最多,占大灣區(qū)城鎮(zhèn)面積的一半(圖1、表1)。

表1 2015年粵港澳大灣區(qū)各行政區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型面積及所占百分比Table 1 Areas and proportions of various ecosystems in GHM Greater Bay Area in 2015

圖1 粵港澳大灣區(qū)2015年生態(tài)系統(tǒng)類型與2000—2015年類型變化空間分布Fig.1 Spatial distribution of ecosystem types in 2015 and its variations in the GHM Greater Bay Area from 2000 to 2015

從2000—2015年大灣區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)類型變化來看,城鎮(zhèn)面積增加了0.31萬km2,增幅達68.6%,其中,中山市、東莞市和佛山市分別達到了130%、99.5%和97.2%,廣州市、惠州市增幅也超過了70%,香港、澳門變化相對較小,分別約3.8%和3.5%(表2)。城鎮(zhèn)增加的面積主要來源于農(nóng)田,其次是森林、濕地。農(nóng)田面積減少0.19萬km2,減幅為13.3%,廣州市和東莞市減少面積最多,減幅最大的是東莞市(48%)和深圳市(30%)。森林面積減少了803.25 km2,減幅為2.6%,其中,東莞市減幅較大,達到29.5%。濕地減少了6.7%,其中深圳市和中山市最明顯。因此,近15年粵港澳大灣區(qū)由于快速城鎮(zhèn)化導致森林、農(nóng)田、濕地生態(tài)系統(tǒng)不斷縮減、退化等問題突出。

表2 2000—2015年粵港澳大灣區(qū)各類生態(tài)系統(tǒng)凈變化面積及變化率Table 2 Net change area and change rate of various ecosystems in GHM Greater Bay Area from 2000 to 2015

2.2 2000—2015年大灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務時空演化格局及特征

從大灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力來看,多年平均植被NPP空間分布與生態(tài)系統(tǒng)類型分布一致,森林NPP最高,平均約419.4 gC/m2,草地NPP為370.0 gC/m2,農(nóng)田NPP約323.5 gC/m2,濕地NPP約181.0 gC/m2(圖2)。2000—2015年,NPP整體呈現(xiàn)輕度增加趨勢,其中,濕地轉(zhuǎn)森林、草地轉(zhuǎn)森林、濕地轉(zhuǎn)農(nóng)田區(qū)域的NPP增加趨勢最明顯,分別達到6.5、5.9、4.9 gC m-2a-1,而農(nóng)田轉(zhuǎn)濕地、農(nóng)田轉(zhuǎn)城鎮(zhèn)、森林轉(zhuǎn)城鎮(zhèn)區(qū)域的NPP呈現(xiàn)減少趨勢,分別為-3.1、-0.8、-0.1 gC m-2a-1(圖2)。從各行政區(qū)看,多年平均NPP值最高的是肇慶市和惠州市,分別達到413.7 gC/m2和405.4 gC/m2,最低的是澳門,僅為45.5 gC/m2；就NPP總量而言同樣是肇慶市和惠州市最高,分別為6.2 Tg和4.6 Tg,兩市NPP總量占大灣區(qū)57%；年際變化趨勢最大的是江門市,最小的是澳門和東莞市(表3)。

圖2 2000—2015年粵港澳大灣區(qū)NPP、水源涵養(yǎng)量、土壤保持量多年平均值與年際變化趨勢空間分布Fig.2 Spatial distribution of average annual and interannual trend of NPP, water conservation and soil conservation in the GHM Greater Bay Area from 2000 to 2015

從大灣區(qū)水源涵養(yǎng)服務來看,森林、濕地、草地生態(tài)系統(tǒng)多年平均水源涵養(yǎng)總量約為1.24×106萬m3,單位面積水源涵養(yǎng)量為29.01萬m3/km2。受降水分配格局和生態(tài)系統(tǒng)類型分布的影響,水源涵養(yǎng)量呈現(xiàn)東南部沿海最高、北部次之、中部偏低的區(qū)域分異分布格局(圖2)。其中,香港的單位面積水源涵養(yǎng)量最高,達37.6萬m3/km2,佛山市最低約16.5萬m3/km2(表3)。2000—2015年,除肇慶市、江門市、佛山市西部和惠州市北部呈現(xiàn)增加趨勢以外,其它區(qū)域皆呈現(xiàn)明顯減少趨勢,特別是東南部沿海的香港、深圳市、東莞市、中山市,水源涵養(yǎng)量年均減幅超過0.3萬m3/km2(圖2)。其中,森林轉(zhuǎn)草地、濕地轉(zhuǎn)森林區(qū)域的水源涵養(yǎng)量表現(xiàn)為微弱的增加趨勢(0.12萬m3km-2a-1和0.04萬m3km-2a-1),而農(nóng)田、森林和草地轉(zhuǎn)城鎮(zhèn)區(qū)域的水源涵養(yǎng)量減少趨勢較明顯(-0.4萬m3km-2a-1、-0.48萬m3km-2a-1、-0.34萬m3km-2a-1)。

表3 2000—2015年粵港澳大灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務量及變化趨勢統(tǒng)計Table 3 Statistics of ecosystem services and its variations in GHM Greater Bay Area from 2000 to 2015

從大灣區(qū)土壤保持服務來看,多年平均土壤保持總量約為5.75×108t,單位面積土壤保持量為124.66 t/hm2,亦呈現(xiàn)珠江入海口地區(qū)低周邊地區(qū)高的空間分布格局(圖2),佛山、東莞、中山等市的單位面積土壤保持量均小于100 t/hm2,而香港、澳門、惠州則超過了150 t/hm2。2000—2015年,土壤保持年際變化整體呈現(xiàn)增加趨勢(圖2),特別是廣州市和肇慶市,變化率分別達1.41 t hm-2a-1和2.52 t hm-2a-1,僅中山、東莞和香港的部分區(qū)域呈現(xiàn)輕微減少態(tài)勢。其中,森林轉(zhuǎn)草地和城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)森林的區(qū)域土壤保持量呈現(xiàn)增加明顯趨勢(2.15、2.13 t hm-2a-1),而森林轉(zhuǎn)濕地、草地轉(zhuǎn)城鎮(zhèn)的區(qū)域呈現(xiàn)減少趨勢。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務的相關關系時空變化特征

2.3.1相關關系的空間格局差異

2000—2015年,從粵港澳大灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)供給服務與水源涵養(yǎng)服務的相關關系來看,表現(xiàn)為顯著或極顯著空間權(quán)衡關系的區(qū)域面積為619 km2,約占大灣區(qū)陸地面積的1.5%,顯著或極顯著空間協(xié)同關系為1680 km2,約占4%,而不顯著的空間權(quán)衡和協(xié)同關系分別占38.4%和53.4%,還有2.7%顯示為無相關關系。從空間分布來看,在大灣區(qū)東北部散布顯著的權(quán)衡關系,而珠江口及大灣區(qū)西北部以協(xié)同關系為主,特別是肇慶市、東莞市和深圳市部分區(qū)域表現(xiàn)為極顯著正相關性(圖3)。從各行政區(qū)看,廣州市、惠州市和東莞市表現(xiàn)為顯著或極顯著權(quán)衡關系的面積占比最大,分別占該市面積的3.8%、3.0%和2.5%,肇慶市、東莞市和深圳市表現(xiàn)為顯著或極顯著協(xié)同關系的面積占比最大,分別為9.1%、6.4%和6.1%(圖4)。

圖3 2000—2015年粵港澳大灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)供給與水源涵養(yǎng)、土壤保持服務的相關關系空間差異Fig.3 Spatial correlations between ecosystem supply services and water conservation, soil conservation in the GHM Greater Bay Area from 2000 to 2015

圖4 2000—2015年粵港澳大灣區(qū)各行政區(qū)生態(tài)系統(tǒng)供給與水源涵養(yǎng)、土壤保持服務的權(quán)衡與協(xié)同關系面積占比Fig.4 Area proportion of trade-offs and synergies between ecosystem supply services and water conservation, soil conservation in GHM Greater Bay Area from 2000 to 2015

從大灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)供給和土壤保持服務的相關關系來看,表現(xiàn)為顯著或極顯著權(quán)衡關系的面積為81 km2,約占0.2%,顯著或極顯著協(xié)同關系的為8011 km2,約占18.6%,不顯著的空間權(quán)衡和協(xié)同關系分別占14.1%和65.4%,還有1.7%顯示為無相關關系。相當一部分區(qū)域表現(xiàn)為顯著的正相關性,特別是肇慶市、廣州市北部、中山市,而大灣區(qū)南部和東北部的江門市、惠州市等區(qū)域則呈現(xiàn)不同程度的空間權(quán)衡關系,主要城鎮(zhèn)周邊的供給服務和土壤保持服務以顯著正相關性為主,即顯著空間協(xié)同關系(圖3)。從各行政區(qū)看,東莞市和中山市表現(xiàn)為顯著或極顯著權(quán)衡關系的面積分別占該市面積的0.6%和0.5%,中山市和肇慶市表現(xiàn)為顯著或極顯著協(xié)同關系的面積占比分別為33.3%和32.0%(圖4)。

2.3.2相關關系的時間過程變化

從2000—2015年大灣區(qū)各行政區(qū)供給與調(diào)節(jié)服務之間關系的時間過程變化來看(圖5,圖6),總體以不同程度的協(xié)同關系為主,期間部分時間段可能呈現(xiàn)不同程度的權(quán)衡關系。從圖5可知,2009—2011年廣州市的NPP先減少后增加而水源涵養(yǎng)量表現(xiàn)為先增加后減少,2003—2006年中山市的NPP先增加后減少而水源涵養(yǎng)量表現(xiàn)為先減少后增加；從圖6可知,2012—2014年江門市的NPP先減少后增加而土壤保持量表現(xiàn)為先增加后減少。

從2000—2015年粵港澳大灣區(qū)整體的生態(tài)系統(tǒng)供給和調(diào)節(jié)服務相關系數(shù)可以看出(圖7),總體呈現(xiàn)波動中緩慢增長的趨勢,特別是2005—2007年的波動最為明顯。在大灣區(qū)城市群發(fā)展過程中,需要針對不同區(qū)域開展有針對性的生態(tài)保護措施,特別是權(quán)衡關系顯著的廣州市、佛山市、惠州市、江門市等,其中有些區(qū)域作為大灣區(qū)城市群最重要的水源涵養(yǎng)、水土保持生態(tài)屏障區(qū),需要在實施生態(tài)保護時注意關鍵生態(tài)系統(tǒng)服務的排序和權(quán)衡考慮。

圖7 2000—2015年粵港澳大灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)供給與水源涵養(yǎng)、土壤保持服務的相關系數(shù)年際變化Fig.7 The temporal changes of correlation coefficient between ecosystem supply services and water conservation, soil conservation in counties of GHM Greater Bay Area from 2000 to 2015

3 討論

城鎮(zhèn)化是粵港澳大灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型和生態(tài)系統(tǒng)服務變化的重要原因。大灣區(qū)近幾十年發(fā)展迅速,據(jù)統(tǒng)計,2000—2018年,大灣區(qū)GDP總量從2.4萬億元增長到10.9萬億元,常住人口數(shù)從4956萬增長至7116萬人,分別增長了362%和44%,人口和經(jīng)濟迅速增長的同時,城鎮(zhèn)、建設用地擴張不斷占用農(nóng)田、森林和濕地,人類活動也影響著生態(tài)系統(tǒng)格局及其服務潛力。研究表明,近30年受圍填?；顒拥挠绊?大灣區(qū)圍墾面積達59422 hm2,圍墾利用形式也從農(nóng)田、養(yǎng)殖塘用地轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘袛U張,過度圍墾嚴重影響濱海濕地凈化污染、保灘護岸等生態(tài)功能[50],大灣區(qū)沿岸咸水沼澤和紅樹林遭到破壞,進而影響水源涵養(yǎng)功能,這與本文關于水源涵養(yǎng)量在深圳、東莞、中山等沿海城市減少較多的分析結(jié)果是契合的。NPP和土壤保持量在許多區(qū)域呈現(xiàn)輕度增加趨勢,原因可能是退耕還林還草、天然林保護等森林保護修復政策的實施,較多農(nóng)田轉(zhuǎn)為森林,同時與其他生態(tài)系統(tǒng)類型相比,森林單位面積土壤保持量和凈初級生產(chǎn)力都較高。

過去幾十年,我國城市群地區(qū)高速發(fā)展,秉持著以發(fā)展為主線的理念,出現(xiàn)了許多攤大餅的土地城市化、人口城市化現(xiàn)象[51],以致整體生態(tài)空間的喪失以及城市區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化[52],難以形成可持續(xù)的城市化發(fā)展進程。因此,國土空間規(guī)劃、新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃等最新舉措皆將經(jīng)濟社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護并舉提到首要高度?；浉郯拇鬄硡^(qū)作為我國開放程度最高、經(jīng)濟活力最強的區(qū)域,規(guī)劃建設成為更具活力的經(jīng)濟區(qū)、宜居宜業(yè)宜游的優(yōu)質(zhì)生活圈[34]。通過掌握大灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局與服務的過去發(fā)展的時空演化態(tài)勢,可以看出城市化擠占生態(tài)空間導致的生產(chǎn)力供給、水源涵養(yǎng)等生態(tài)系統(tǒng)服務能力下降,得出了作為大灣區(qū)生態(tài)服務主要供給區(qū)域的東北部和南部地區(qū)存在生態(tài)系統(tǒng)供給與調(diào)節(jié)服務的權(quán)衡關系,這些都將成為大灣區(qū)未來發(fā)展的負面因素。因此,生態(tài)保護、環(huán)境優(yōu)化必須放在與城市發(fā)展、經(jīng)濟開發(fā)同等重要地位,明確界定生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間,明確劃分生態(tài)紅線、耕地保護紅線和城市發(fā)展界線,實行最嚴格的生態(tài)環(huán)境保護制度,才可能建設生態(tài)安全、環(huán)境優(yōu)美、社會安定、文化繁榮的美麗灣區(qū)。有關部門需要制定針對性的政策,減少城鎮(zhèn)擴張和不合理的人類活動對生態(tài)系統(tǒng)服務的消極影響。對于城鎮(zhèn)化水平較高的港、澳、廣、深,可以從優(yōu)化綠地結(jié)構(gòu)比如屋頂綠化等措施改善生態(tài)環(huán)境。而生態(tài)服務主要提供區(qū)域的肇慶、惠州、江門等,應兼顧推進大灣區(qū)自然保護地和游憩生態(tài)空間建設,構(gòu)筑灣區(qū)生態(tài)屏障。

本文的不確定性和不足主要表現(xiàn)在幾個方面：(1)文中生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)空間分辨率雖為100 m,但估算生態(tài)系統(tǒng)服務的NPP、植被覆蓋度、降水量等遙感或插值數(shù)據(jù)空間分辨率則以1 km為主,因此估算結(jié)果對于城市內(nèi)部不具有解釋依據(jù)。(2)MODIS的NPP數(shù)據(jù)產(chǎn)品用于年際趨勢分析結(jié)果可信度較高,但是在數(shù)據(jù)絕對值方面精度不夠,然而目前暫未有更高精度的NPP數(shù)據(jù)集,未來需要針對該區(qū)域供給服務開展針對性估算或模擬研究。(3)學界對于水源涵養(yǎng)尚未形成一致認識,文中采用簡單的降水儲存量法,基于本地化參數(shù)估算生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量,實質(zhì)上是生態(tài)系統(tǒng)通過截流延長降水轉(zhuǎn)化為徑流的能力,即水量調(diào)節(jié)。(4)為了進一步提高生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務量的估算精度,需要進一步結(jié)合地面調(diào)查對土壤侵蝕方程中的管理因子進行參數(shù)本地化。(5)大灣區(qū)城鎮(zhèn)化導致森林、農(nóng)田等自然生態(tài)系統(tǒng)面積銳減,進而導致生態(tài)系統(tǒng)服務能力下降,但是通過景觀格局優(yōu)化、合理開發(fā)可以有效止損[53-54],因此可以考慮從景觀格局的角度進行研究,結(jié)合景觀格局指數(shù),探討如何最大限度地提高協(xié)同、盡量減少權(quán)衡。(6)城鎮(zhèn)化是粵港澳大灣區(qū)近十幾年變化最顯著的特點,研究城市群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務還需要綜合考慮文化服務等[32,55],在空間上對多個服務進行綜合評價及權(quán)衡,為大灣區(qū)生態(tài)修復與管理提供決策支持。

此外,生態(tài)系統(tǒng)服務權(quán)衡與協(xié)同的分析方法有很多,主要包括相關分析、雙變量空間自相關分析、權(quán)衡協(xié)同度模型等[56],本研究是基于連續(xù)16年數(shù)據(jù)進行相關性分析而非只把兩年數(shù)據(jù)相減,能較為準確和直觀地揭示大灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)供給和調(diào)節(jié)服務的權(quán)衡協(xié)同關系。其中NPP與土壤保持為相互增益的協(xié)同關系,這與一些學者的研究結(jié)果是一致的[57]。下一步,需要進一步通過創(chuàng)建漁網(wǎng)把研究區(qū)格網(wǎng)化后再進行生態(tài)系統(tǒng)服務之間的相關分析。

4 結(jié)論

通過分析2000—2015年粵港澳大灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)宏觀格局、供給、水源涵養(yǎng)、土壤保持服務的時空演化特征,探討了生態(tài)系統(tǒng)供給與主要調(diào)節(jié)服務之間的權(quán)衡與協(xié)同關系,我們可以看出,分布在北部和西部的森林是大灣區(qū)提供生態(tài)服務的主體生態(tài)系統(tǒng),其次為濕地和農(nóng)田。NPP和土壤保持量整體上均呈現(xiàn)輕度增加趨勢,特別是大灣區(qū)江門、肇慶等生態(tài)服務的主要提供區(qū)域；東南部最高、北部次之、中部偏低的水源涵養(yǎng)量,除西北部呈現(xiàn)增加趨勢以外,其它區(qū)域皆呈現(xiàn)減少趨勢。近十幾年,受城市化影響,森林、農(nóng)田、濕地等生態(tài)空間面積皆呈現(xiàn)減少態(tài)勢,生態(tài)系統(tǒng)供給、調(diào)節(jié)服務量在農(nóng)田、森林、草地轉(zhuǎn)城鎮(zhèn)的區(qū)域呈現(xiàn)明顯的減少趨勢。大灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)供給與水源涵養(yǎng)、土壤保持服務均以協(xié)同關系為主,而在大灣區(qū)東北部、南部權(quán)衡關系明顯。因此,針對供給與調(diào)節(jié)服務表現(xiàn)為權(quán)衡的區(qū)域,在大灣區(qū)發(fā)展過程中需要特別注意有針對性的生態(tài)保護修復措施。