基于力學(xué)平衡模型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系研究——以長江中游城市群為例

梁玉琦,危小建,3*,江 平,蔡 進(jìn),謝名睿

基于力學(xué)平衡模型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系研究——以長江中游城市群為例

梁玉琦1,2,危小建1,2,3*,江 平4,蔡 進(jìn)1,2,謝名睿1,2

(1.東華理工大學(xué),自然資源部環(huán)鄱陽湖區(qū)域礦山環(huán)境監(jiān)測與治理重點實驗室,江西 南昌 330013；2.東華理工大學(xué)測繪與空間信息工程學(xué)院,江西 南昌 330013；3.江西省測繪地理信息工程技術(shù)研究中心,江西 南昌 330025；4.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 430079)

在運用InVEST模型估算2000～2020年長江中游城市群6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的基礎(chǔ)上,通過主成分分析法選出3個作用力構(gòu)建力學(xué)平衡模型,根據(jù)合力的大小和偏離程度來評判研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空演變及協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系特征.結(jié)果表明:研究期間6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空分異特征明顯,呈現(xiàn)出產(chǎn)水量、土壤保持量和凈初級生產(chǎn)力增加,而糧食生產(chǎn)、碳儲量和生境質(zhì)量減少的趨勢;根據(jù)主成分分析的結(jié)果,將3個主成分分別重命名為調(diào)節(jié)支持服務(wù)、糧食供給服務(wù)、產(chǎn)水供給服務(wù).研究期間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)調(diào)度合的均值為5.21,總體上處于基本協(xié)調(diào)狀態(tài),協(xié)同性有所提升且結(jié)構(gòu)趨于合理,同時協(xié)調(diào)度分布的區(qū)域差異明顯;協(xié)調(diào)度的偏離角分布在I、II、VI象限,產(chǎn)水供給服務(wù)主導(dǎo)區(qū)(I、VI)多于調(diào)節(jié)支持服務(wù)主導(dǎo)區(qū)(II).從協(xié)調(diào)性的流動性來看,雖存在跨越式的發(fā)展,但其水平仍有待提高.各縣區(qū)應(yīng)結(jié)合區(qū)域自然條件、資源稟賦和社會經(jīng)濟(jì)狀態(tài),優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系.研究結(jié)果可為研究區(qū)生態(tài)建設(shè)和土地合理利用提供參考依據(jù)和決策輔助.

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；協(xié)同與權(quán)衡；主成分分析法；力學(xué)平衡模型；長江中游城市群

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存與發(fā)展的自然環(huán)境條件與效用[1],是人類從生態(tài)系統(tǒng)中所獲得的利益[2].具體而言,生態(tài)系統(tǒng)能夠為人類提供包括供給、調(diào)節(jié)、文化和支持在內(nèi)的生態(tài)服務(wù),從而滿足人類的各種需求[3].而如今,城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的持續(xù)推進(jìn)加劇了生態(tài)環(huán)境的破壞,全球的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)迅速衰退[4].在此背景下,厘清生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系,探討生態(tài)系統(tǒng)的管理和保護(hù)顯得尤為緊迫和必要.

由于人類活動和自然條件的相互作用,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間呈現(xiàn)出空間異質(zhì)性,難以達(dá)到平衡,表現(xiàn)為協(xié)同與權(quán)衡的關(guān)系[5].協(xié)同意味著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間相互協(xié)作共同增益,而權(quán)衡則是一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)增加,其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨之減弱的情況.目前,國內(nèi)外的許多學(xué)者對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同權(quán)衡關(guān)系進(jìn)行了大量研究.學(xué)者們通過運用InVSET[6]、CASA[7]、RUSLE[8]、ESTD[9]等模型,使用空間疊置[10]、逐像元偏相關(guān)分析[11]、空間自相關(guān)分析[12]、情景模擬[13]、生態(tài)服務(wù)簇[14]等多種方法,從時間尺度[15]、空間尺度[16]、驅(qū)動因素[17]等方面展現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同權(quán)衡關(guān)系的特征,研究的對象及空間范圍囊括了耕地、草地、林地、流域、生態(tài)脆弱區(qū)及城市群.如劉海等[18]基于當(dāng)量因子法,以5年為時間間隔分析了丹江口水源區(qū)10種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的協(xié)同權(quán)衡關(guān)系;張靜靜等[19]從區(qū)域、南北坡、垂直帶等多個空間尺度探討了伏牛山地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡協(xié)同效應(yīng);Jiang等[20]通過繪制英國鄉(xiāng)村70年來的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和生物多樣性變化圖,從國家層面上來研究生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同權(quán)衡關(guān)系.這些研究雖取得了豐碩的成果,但大多局限于兩兩生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的關(guān)系探討,缺少從生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)角度來分析生態(tài)服務(wù)間的動態(tài)協(xié)調(diào)關(guān)系,較少關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的發(fā)展短板.鑒于此,本文引入力學(xué)平衡模型,測度生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系,從力作用的角度為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系分析提供一種較為便捷的方法.

長江中游城市群作為中國快速城鎮(zhèn)化的典型地區(qū),長期以來區(qū)域經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展、城市空間格局和土地利用結(jié)構(gòu)劇變,致使自然景觀破壞、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能衰退,亟需提升社會經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的適配性[21-22].基于此,本文將以長江中游城市群為研究對象,通過InVEST模型測算2000～2020年6種典型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量,并借助主成分分析法選出3個作用力建立變化的力學(xué)平衡模型,根據(jù)合力的大小和偏離程度來識別各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相互匹配關(guān)系與發(fā)展短板[23-25],客觀地反映出生態(tài)服務(wù)在多個不同方向力量的作用下所產(chǎn)生的協(xié)同權(quán)衡關(guān)系特征,對研究期間長江中游城市群的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行動態(tài)考量,以期為生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展和科學(xué)制定生態(tài)保護(hù)策略提供參考和依據(jù).

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)位置及2020年土地利用現(xiàn)狀

長江中游城市群是由武漢城市圈、環(huán)長株潭城市群和環(huán)鄱陽湖城市群組成的以武漢為核心的特大城市群,其跨越了湖北、湖南和江西三省,囊括31個城市,國土面積約31.7萬km2.該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,雨熱同期,水資源豐富,并且擁有我國最大的淡水湖群.區(qū)域內(nèi)稀土、鈾礦等戰(zhàn)略性礦產(chǎn)豐富,頁巖氣資源儲量較大.土地類型多樣,以丘陵、平原和濕地為主.江漢平原、洞庭湖平原和鄱陽湖平原互聯(lián)互通,平原面積廣袤,是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū).周邊有大別山、幕阜山和雪峰山,森林覆蓋率高,生態(tài)價值凸顯.長江中游城市群位于浙贛、京廣、武廣及京九鐵路的交匯處,工業(yè)門類較齊全,戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和服務(wù)業(yè)發(fā)展迅速.該區(qū)域是長江經(jīng)濟(jì)帶的重要組成部分,是中國經(jīng)濟(jì)的新增長極,在全國經(jīng)濟(jì)地理格局中處于承南啟北,連接?xùn)|西的重要地位.

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

以長江中游城市群范圍內(nèi)的縣級行政單位作為研究單元,使用的數(shù)據(jù)包括:(1)2000年、2010年以及2020年三期土地利用數(shù)據(jù)來源于Zenodo數(shù)據(jù)庫(https://www.zenodo.org),空間分辨率為30m′30m; (2)DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(https://www. gscloud.cn/),空間分辨率為30m; (3)2000年、2010年以及2020年的氣象數(shù)據(jù),包括氣溫、降水量數(shù)據(jù),來自國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://www. geodata.cn/),空間分辨率為1km;(4)土壤數(shù)據(jù),包括土壤類型和土壤質(zhì)地數(shù)據(jù),提取自北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院地理數(shù)據(jù)平臺(http://geodata.pku.edu.cn/)的世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)中國土壤特征數(shù)據(jù)集,空間分辨率為1km;(5)相關(guān)社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于各地的統(tǒng)計年鑒.

2 研究方法

本文的研究重點在于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系的探討,通過運用InVEST模型、主成分分析法、力學(xué)平衡模型和馬爾可夫鏈方法[26],梳理研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的現(xiàn)狀,探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)調(diào)性的時空分異特征和偏度特征,識別問題區(qū)域,提出改善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的對策與建議,為長江中游城市群生態(tài)文明建設(shè)發(fā)展提供理論依據(jù).技術(shù)路線如圖2所示.

圖2 技術(shù)路線

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)測算

根據(jù)研究區(qū)特征和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的現(xiàn)狀與熱點,選擇3個類別6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行研究,包括糧食生產(chǎn)(grain production,GP)和產(chǎn)水量(water yield,WP)2項供給服務(wù),碳儲量(carbon sequestration, CS)和土壤保持量(soil retention,SR)2項調(diào)節(jié)服務(wù),以及生境質(zhì)量(habitat quality,HQ)和凈初級生產(chǎn)力(net primary production, NPP)2項支持服務(wù).生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)測算方法詳見表1.

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)測算方法

2.2 主成分分析法

主成分分析法是基于多指標(biāo)分析,通過合適的數(shù)學(xué)變換,使新變量——主成分成為原來多個變量的線性組合,并選取少數(shù)幾個在變差總信息量中比例較大的主成分來分析事物的一種方法.本文通過對研究區(qū)研究時段內(nèi)6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行主成分分析,根據(jù)主成分的因子荷載系數(shù)進(jìn)行總結(jié)與重命名,然后計算主成分得分,公式如下:

式中:Score為主成分得分;a為各成分所包含的因子得分系數(shù),由SPSS軟件計算得出;Factor為因子值.

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)調(diào)性判別

在城鎮(zhèn)化和社會經(jīng)濟(jì)活動活躍發(fā)展的同時,為了實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)調(diào)發(fā)展,達(dá)到生態(tài)總體效益最大化,需要深入研究服務(wù)間各項評價指標(biāo)之間的均衡狀態(tài),通過技術(shù)和結(jié)構(gòu)調(diào)整緩和沖突,實現(xiàn)各類型服務(wù)間的協(xié)同與共生.因此,本文引入力作用的概念,構(gòu)建基于力學(xué)平衡模型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)調(diào)狀態(tài)判別方法,全面分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系.

(1)協(xié)調(diào)性判別作用力

現(xiàn)有的關(guān)于力學(xué)平衡模型的研究對于均衡狀態(tài)的定義,大致可分為兩種:一是在周華等[33]的研究中,將研究時段要素的起始狀態(tài)定義為均衡狀態(tài),同時用與起始狀態(tài)相比的變化量(正向或負(fù)向)表示作用力;二是在項曉敏等[34]的研究中,將要素的標(biāo)準(zhǔn)值定義為均衡狀態(tài),用與標(biāo)準(zhǔn)值相比的值來表示作用力.而本文基于前文的研究,采用主成分1、主成分2和主成分3的重命名結(jié)果作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)調(diào)性判別作用力的名稱.并結(jié)合了上述兩種方法,將變化量(三年主成分得分分別做差值)的標(biāo)準(zhǔn)值定義為均衡狀態(tài),然后與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較,將結(jié)果用來表示3個作用力的大小.

(2)協(xié)調(diào)性判別模型

假設(shè)其他條件均質(zhì),將主成分1、主成分2和主成分3抽象為笛卡爾坐標(biāo)系中三個不同方向的矢量力,以矢量力的合力及合力所在象限的結(jié)果來動態(tài)地檢測指標(biāo)間的協(xié)調(diào)程度及匹配關(guān)系[35-36].如果3個作用力均達(dá)到預(yù)期目標(biāo),則合力為0,表明3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均衡發(fā)展,此時合位于均衡點,即圖3中點.因此根據(jù)作用合力合的大小和偏離角度,可以研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)調(diào)關(guān)系特征(概念模型見圖3).圖中:、、分別表示研究期間內(nèi)主成分1、主成分2和主成分3所代表的作用力的大小.計算中可用極坐標(biāo)(合,)來表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)調(diào)性,合為極徑,其值越大說明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)調(diào)性越差;極角表示合力與三個力之間的關(guān)系,反映服務(wù)協(xié)調(diào)性的具體特征.將、、的方向角度分別定義為π/2、7π/6、11π/6.

根據(jù)向量運算規(guī)則,極坐標(biāo)(合,)的計算公式如下:

反向延長、、為、和,以此作為主成分1、主成分2和主成分3所代表力的逆向發(fā)展矢量方向,并將合力空間劃為6個象限(圖3),根據(jù)3種作用力間矢量正負(fù)關(guān)系相互組合情況,形成各象限矢量特征表(表2).

圖3 基于力學(xué)平衡的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同與權(quán)衡模型

表2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)調(diào)性偏離動力狀態(tài)及其特征

3 結(jié)果與分析

3.1 長江中游城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布格局

長江中游城市群6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間差異性(以2020年為例)見圖4.糧食生產(chǎn)量主要成片集中在江漢平原、洞庭湖平原及鄱陽湖平原,這些地區(qū)地形平坦、土壤肥沃、耕地集中,是重要的農(nóng)作物產(chǎn)區(qū);產(chǎn)水量受降水、蒸發(fā)、土壤及植被等多種因素的影響,多集中在城市建設(shè)用地密度較高的地方,如贛江沿線及鄱陽湖周邊縣(市)區(qū)和以長沙為核心的周邊縣(市)區(qū);湘贛之間的羅霄山和贛東的武夷山森林覆蓋率高,碳密度高,碳儲量較高;土壤保持量主要分布在山區(qū)林草地密集區(qū)域,因植被保持水土的功能強(qiáng),故土壤不易被侵蝕.而城市周邊和平原地帶,植被覆蓋率較低,以建設(shè)用地和耕地為主,土壤易被侵蝕;生境質(zhì)量在遠(yuǎn)離城區(qū)的山地和丘陵區(qū)域較高,而中心城區(qū)及交通主干道附近社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,受人類干擾較大,生物多樣性減少;凈初級生產(chǎn)力的高值主要分布在植被茂密的林地附近,而植被稀疏的城區(qū)凈初級生產(chǎn)力較低.

圖4 2020年長江中游城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布格局特征

從研究的整體時段來看,產(chǎn)水量、土壤保持量和凈初級生產(chǎn)力增加,而糧食生產(chǎn)、碳儲量和生境質(zhì)量減少(圖5).2000～2010年,江西和湖南交界的羅霄山脈和周邊山區(qū)糧食生產(chǎn)量下降.產(chǎn)水量呈增長趨勢,增長顯著區(qū)域集中在武漢的漢陽區(qū)、岳陽的岳陽縣及南昌、上饒和九江交接的部分縣區(qū),這主要是由于城市蔓延、不透水面面積增大所致.同時,大片的森林和農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,碳儲量和生境質(zhì)量整體呈下降趨勢,凈初級生產(chǎn)力在江西省內(nèi)下降嚴(yán)重. 2010～2020年,隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,耕地面積減少,但資本和技術(shù)的投入提高了糧食生產(chǎn)率.產(chǎn)水量持續(xù)增長,但增長幅度有所放緩.碳儲量和土壤保持量增長區(qū)域主要集中在研究區(qū)西北部,凈初級生產(chǎn)力呈增長趨勢.由此說明人們實施的退耕還林還草、天然林保護(hù)工程、退田還湖等生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)政策取得了一定成效,促進(jìn)了森林、草地和濕地的恢復(fù)與增加.

3.2 長江中游城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系

3.2.1 主成分因子分析 運用SPSS對前文測算的6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)值進(jìn)行主成分分析,根據(jù)檢驗結(jié)果,KMO的值為0.76,Barttett球形梯度檢驗對應(yīng)值為0.00,水平上呈現(xiàn)出顯著性,表明各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間具有相關(guān)性,可以進(jìn)行主成分分析.根據(jù)因子荷載系數(shù)對主成分進(jìn)行重命名,以便提煉結(jié)果的實際意義.因子荷載系數(shù)結(jié)果見表3,前3個成分的累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)91.6%,可解釋大部分變量信息,故確定出3個主成分.

從因子荷載的絕對值大于0.4的結(jié)果來看,主成分1與碳儲量、土壤保持量、生境質(zhì)量和凈初級生產(chǎn)力的相關(guān)程度較大,故概括為“調(diào)節(jié)支持服務(wù)”;主成分2只與糧食生產(chǎn)這一個變量相關(guān)程度大,故概括為“糧食供給服務(wù)”;產(chǎn)水量在主成分3上荷載系數(shù)最高,故將主成分3概括為“產(chǎn)水供給服務(wù)”.

表3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)因子荷載系數(shù)表

3.2.2 協(xié)調(diào)性時空分異特征 根據(jù)式(9)～(14)計算各縣區(qū)合力,并利用自然斷點法將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)調(diào)性由小到大分為4類,分別表示高度協(xié)調(diào)(￡3.36)、基本協(xié)調(diào)(3.36～6.45)、過渡類型(6.45～10.31)及失調(diào)類型(310.31).其中協(xié)同包括高度協(xié)調(diào)和基本協(xié)調(diào),權(quán)衡包括過渡類型和失調(diào)類型.據(jù)計算,研究期內(nèi)合的平均值為5.21,可見長江中游城市群的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總體上處于基本協(xié)調(diào)狀態(tài),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的改善有一定成效.

在空間格局上(圖6),協(xié)同區(qū)域主要位于中部平原地帶,該區(qū)域地形平坦,水土肥沃,自然條件較好.高度協(xié)調(diào)的縣(市)區(qū)包括湖北的荊州區(qū)、孝南區(qū)和鄂城區(qū),江西的共青城市、永修縣和彭澤縣,湖南的云溪區(qū)、資陽區(qū)和津市市.位于該區(qū)的縣級單元隨著工業(yè)化和城市化的發(fā)展,經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快,但其生態(tài)平衡并未破壞,調(diào)節(jié)支持服務(wù)、糧食供給服務(wù)和產(chǎn)水供給服務(wù)三者之間協(xié)同發(fā)展、彼此促進(jìn).同時,處于基本協(xié)調(diào)的縣(市)區(qū)在空間上多集中于高度協(xié)調(diào)區(qū)域的周圍,分布廣泛且聚集.該類地區(qū)的協(xié)調(diào)度雖稍低于高度協(xié)調(diào)型,但在發(fā)展中若采取積極的生態(tài)保護(hù)措施,便能收獲明顯的生態(tài)成效;權(quán)衡區(qū)域主要位于山脈綿延區(qū),包括研究區(qū)的西北角,江西懷玉山與武夷山附近的玉山縣、廣豐區(qū)和廣信區(qū).受制于自然資源條件和社會經(jīng)濟(jì)條件,該類區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)調(diào)性偏差,出現(xiàn)了調(diào)節(jié)支持、糧食供給和產(chǎn)水供給某一方發(fā)展過度或欠缺的權(quán)衡狀態(tài),各服務(wù)間相互阻擾,成效低下,是當(dāng)前長江中游城市群生態(tài)文明建設(shè)過程中的問題區(qū)域.總體上看,2000～2020年協(xié)同與權(quán)衡狀況有所改善,表現(xiàn)為協(xié)同區(qū)域的擴(kuò)張和權(quán)衡區(qū)域的縮小,協(xié)調(diào)性類型向高一級狀態(tài)轉(zhuǎn)變.

從各類型協(xié)調(diào)度的數(shù)量變化來看(表4),總體上高度協(xié)調(diào)區(qū)和基本協(xié)調(diào)區(qū)占比大,協(xié)調(diào)性發(fā)展穩(wěn)中向好.在前兩個研究時段期間協(xié)同區(qū)域數(shù)量增加,權(quán)衡區(qū)域數(shù)量逐步減少.協(xié)調(diào)度均值和中位值下降,協(xié)調(diào)性提升.同時全距和標(biāo)準(zhǔn)差下降,表明各區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)調(diào)度差異縮小,結(jié)構(gòu)趨于合理.從2000～2020年長時段來看,協(xié)調(diào)度均值為6.64,總體上處于過渡狀態(tài),協(xié)同區(qū)域多于權(quán)衡區(qū)域.綜上,長江中游城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)調(diào)狀況有所改善,生態(tài)狀況良好.

3.2.3 協(xié)調(diào)性偏度特征 通過力學(xué)平衡模型計算得到偏離角,以偏離角所在象限來分析偏離特征,如圖7.結(jié)果顯示偏離角分布在I、II、VI象限,總體上產(chǎn)水供給服務(wù)主導(dǎo)區(qū)(I、VI)多于調(diào)節(jié)支持服務(wù)主導(dǎo)區(qū)(II).

產(chǎn)水供給服務(wù)主導(dǎo)區(qū)集中反映為產(chǎn)水供給服務(wù)偏高的同時,相應(yīng)的調(diào)節(jié)支持或糧食供給服務(wù)卻低于既定目標(biāo),制約著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)調(diào)發(fā)展.2000～2010年長江中游城市群21.3%的縣區(qū)處于第Ⅰ象限,61.6%的縣區(qū)處于第VI象限.2010～2020年,第Ⅰ象限占比由21.3%下降到15.6%,第VI象限的縣區(qū)數(shù)量保持不變.隨著生態(tài)文明理念的傳播與貫徹實施,使得部分縣區(qū)從第Ⅰ象限轉(zhuǎn)向第Ⅱ象限.Ⅰ象限主要分布在傳統(tǒng)農(nóng)區(qū),如江漢平原的武漢、仙桃和孝感,鄱陽湖平原和洞庭湖平原周圍的縣域.這些區(qū)域農(nóng)耕歷史悠久,但隨著人為活動的增多,耕地的生態(tài)功能遭到破壞,糧食供給服務(wù)的增長受到限制.該地區(qū)今后應(yīng)以現(xiàn)代農(nóng)業(yè)為依托,充分發(fā)揮其旅游休閑功能與農(nóng)耕文化傳播功能,從而促進(jìn)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)的協(xié)同發(fā)展;第VI象限的縣區(qū)占比最大,這些區(qū)域由于建設(shè)用地的擴(kuò)張,產(chǎn)水供給服務(wù)逐步增長.但其對于生態(tài)保護(hù)政策的要求未落實到位,相應(yīng)的保護(hù)規(guī)模較小且成效不甚顯著,未能充分挖掘生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)支持服務(wù)價值.因此這些縣區(qū)后續(xù)應(yīng)注重經(jīng)濟(jì)規(guī)劃和生態(tài)規(guī)劃的一致性,優(yōu)化經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局,提升生態(tài)保護(hù)的效果.

調(diào)節(jié)支持服務(wù)主導(dǎo)區(qū)偏向于區(qū)域內(nèi)調(diào)節(jié)支持服務(wù)和糧食供給服務(wù)的不協(xié)調(diào),即第II象限的縣區(qū)生態(tài)保護(hù)措施實施良好,而相匹配的糧食供給偏低.2000～2010年第II象限的縣區(qū)數(shù)量占比為17.1%, 2010～2020年占比為22.8%,其中包括湖北的荊州和宜昌、江西的九江和撫州,及湖南的長沙、湘潭和常德等地方.2000～2020年,受經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和耕地面積減少的影響,該區(qū)域糧食生產(chǎn)量呈下降趨勢.今后這些地區(qū)應(yīng)結(jié)合國家和區(qū)域規(guī)劃的要求,明確生態(tài)保護(hù)的目標(biāo)和重點,同時加強(qiáng)用途管制,加大保護(hù)耕地.

圖7 2000～2020年各縣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)調(diào)度象限分布

從長江中游城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)調(diào)性的馬爾可夫鏈結(jié)果來看(表5),協(xié)調(diào)性的流動性存在差異.從前兩個研究時段的對比情況來看,象限流動性排序從高到低依次為第Ⅵ象限、第Ⅱ象限、第Ⅰ象限,其他象限向第Ⅵ象限轉(zhuǎn)移的可能性更高.由此可知協(xié)調(diào)性的轉(zhuǎn)移不僅發(fā)生在相鄰狀態(tài)中(第Ⅰ、Ⅵ象限相互轉(zhuǎn)移),同時也存在跨越式發(fā)展的現(xiàn)象(第Ⅰ、Ⅵ象限轉(zhuǎn)為第Ⅱ象限).相鄰象限轉(zhuǎn)移的最高概率為55%,而跨越象限轉(zhuǎn)移的最高概率為29%,可見產(chǎn)水供給服務(wù)主導(dǎo)區(qū)和調(diào)節(jié)支持服務(wù)主導(dǎo)區(qū)存在著時間上的躍遷,多數(shù)地方的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)調(diào)性有所提升.同時,將10年間隔的結(jié)果與20年間隔的結(jié)果對比來看,保持在原有象限不變的概率遠(yuǎn)高于象限流動的概率.因此,從長期來看,研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)調(diào)性較為穩(wěn)定.綜上,長江中游城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)調(diào)性雖存在跨越式的發(fā)展,但其水平仍有待提高,同時需持續(xù)采取科學(xué)的措施,突破現(xiàn)有狀態(tài),促使各地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)調(diào)性向高水平類型轉(zhuǎn)移.

表5 2000～2020年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)調(diào)性的馬爾可夫轉(zhuǎn)移矩陣表

4 討論

長江中游城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)整體上協(xié)同大于權(quán)衡,并且在2000～2010年、2010～2020年和2000～ 2020年三個研究時段下協(xié)調(diào)性(合,)在協(xié)調(diào)度、協(xié)同特征和空間分布上發(fā)生明顯變化,這也在一定程度上說明研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)調(diào)性改善,并持續(xù)向好發(fā)展.生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)不僅取決于所處區(qū)域自身的資源環(huán)境狀態(tài),而且會受到鄰近地域的影響,研究區(qū)協(xié)調(diào)性的流動水平仍需繼續(xù)提升,向高水平發(fā)展.因此,建議未來生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理突破行政區(qū)劃限制,實施長江中游城市群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)聯(lián)合管理與保護(hù)[37].限制城鎮(zhèn)建設(shè)用地對耕地的占用,推進(jìn)土地整治工程,發(fā)展綠色農(nóng)業(yè),強(qiáng)化區(qū)域糧食安全與生態(tài)安全責(zé)任,以驅(qū)動城鎮(zhèn)化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合協(xié)調(diào).

根據(jù)本文的表3可知,前三個主成分的累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了91.6%,具有顯著的代表性,可以滿足分析問題的需要[38].因此本文運用主成分分析法降到三維,使用三個主成分來構(gòu)建力學(xué)平衡模型,這針對本研究區(qū)長江中游城市群是適用的.但針對于其他面積更大的研究區(qū)來說,降到三維的處理方法適不適用,這個問題有待今后做進(jìn)一步的研究.同時,需要指出的是,當(dāng)涉及到更多要素時,將諸多要素降到二維或-1維也可以在模型中實現(xiàn)平衡狀態(tài).力學(xué)平衡模型可以發(fā)展成四個(或更多)的作用力,但同時各個作用力矢量正負(fù)關(guān)系相互組合成的象限數(shù)量會越來越復(fù)雜,不利于分析,而三個力,數(shù)量適中,也是文章中常用的形式.本文在前人研究的基礎(chǔ)上,通過變化量的標(biāo)準(zhǔn)值來構(gòu)建變化的力學(xué)平衡模型,很好地揭示了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)動態(tài)的演變規(guī)律,清晰地表達(dá)出多種類型服務(wù)之間的空間關(guān)聯(lián)及發(fā)展短板.但該方法難以全面認(rèn)識不同維度(要素)之間的相互作用機(jī)制,并要求參與評價的要素具有較強(qiáng)的獨立性,這是今后應(yīng)用力學(xué)平衡模型時需要注意的問題.

研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其相互關(guān)系的動態(tài)變化,度量服務(wù)間協(xié)調(diào)狀況的好壞,可以加強(qiáng)對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的理解,實現(xiàn)從生態(tài)科學(xué)到生態(tài)決策的轉(zhuǎn)型,以此來追求生態(tài)系統(tǒng)總體最優(yōu).在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估研究中,InVEST模型以簡單、快速等優(yōu)點被廣泛地應(yīng)用,然而其也存在一定的局限性.由于模型結(jié)果與方法的簡化,加之參數(shù)不統(tǒng)一、缺乏實測數(shù)據(jù)等問題,因此導(dǎo)致模型模擬結(jié)果具有不確定性[39].今后的研究應(yīng)更關(guān)注參數(shù)本地化,并通過實地調(diào)研對結(jié)果的合理性進(jìn)行驗證,進(jìn)而提高InVEST模型評估結(jié)果的準(zhǔn)確性.同時,城市群發(fā)展具有復(fù)雜性,梳理生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系還應(yīng)考慮響應(yīng)時間和空間尺度,而本文僅對空間權(quán)衡的時空特點做了初步探討.因此,深入量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系的原因,并通過設(shè)置不同發(fā)展模式和政策情景,預(yù)測生態(tài)保護(hù)措施的效果[40]也是后續(xù)研究的重要方向.

5 結(jié)論

5.1 受不同環(huán)境因素影響,長江中游城市群6種典型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空分異特征明顯,其中糧食生產(chǎn)、碳儲量、土壤保持量、生境質(zhì)量和凈初級生產(chǎn)力均呈現(xiàn)出郊區(qū)高、城區(qū)低的分布格局,而產(chǎn)水量與之相反.生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)格局變化主要體現(xiàn)在人類活動干擾強(qiáng)烈的地區(qū),在2000～2020年間呈現(xiàn)出產(chǎn)水量、土壤保持量和凈初級生產(chǎn)力增加,而糧食生產(chǎn)、碳儲量和生境質(zhì)量減少的趨勢.

5.2 將6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的估算值進(jìn)行主成分分析的結(jié)果符合相關(guān)條件,表明各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間具有相關(guān)性.并且根據(jù)主成分因子荷載系數(shù)的大小,分別將主成分1、2、3重命名為調(diào)節(jié)支持服務(wù)、糧食供給服務(wù)、產(chǎn)水供給服務(wù).

5.3 研究期間長江中游城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)調(diào)度合的均值為5.21,總體上處于基本協(xié)調(diào)狀態(tài),協(xié)同性有所提升,結(jié)構(gòu)趨于合理.同時協(xié)調(diào)度分布的區(qū)域差異明顯,協(xié)同區(qū)域主要位于中部平原地帶,權(quán)衡區(qū)域主要位于山脈綿延區(qū).

5.4 研究期間長江中游城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)調(diào)度的偏離角分布在I、II、VI象限,總體上產(chǎn)水供給服務(wù)主導(dǎo)區(qū)(I、VI)多于調(diào)節(jié)支持服務(wù)主導(dǎo)區(qū)(II).從協(xié)調(diào)性的流動性來看,雖存在跨越式的發(fā)展,但其水平仍有待提高,同時需持續(xù)采取科學(xué)的措施,突破現(xiàn)有狀態(tài),促使各地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)調(diào)性向高水平類型轉(zhuǎn)移.大多數(shù)縣區(qū)屬于產(chǎn)水供給服務(wù)主導(dǎo)縣區(qū),但各類型區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)調(diào)發(fā)展所面臨的制約因素有所差異,因此應(yīng)結(jié)合區(qū)域自然條件、資源稟賦和社會經(jīng)濟(jì)狀態(tài),制定差異化的提升方案.

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Study on trade-offs and synergies of ecosystem services based on mechanical equilibrium model:A case of the Middle Reaches of the Yangtze River Urban Agglomerations.

LIANG Yu-qi1,2, WEI Xiao-jian1,2,3*,JIANG Ping4,CAI Jin1,2,XIE Ming-rui1,2

(1.Key Laboratory of Mine Environmental Monitoring and Improving around Poyang Lake of Ministry of Natural Resources, East China University of Technology, Nanchang 330013, China；2.School of Surveying and Geoinformation Engineering, East China University of Technology, Nanchang 330013, China；3.Jiangxi Province Engineering Research Center of Surveying, Mapping and Geographic Information, Nanchang 330025, China；4.School of Resource and Environmental Sciences ,Wuhan University, Wuhan 430079, China)., 2023,43(11)：5974～5986

Based on the use of the InVEST model to estimate six ecosystem services in the middle reaches of the Yangtze River urban agglomeration from 2000 to 2020, a mechanical equilibrium model was constructed by selecting three forces through Principal Component Analysis (PCA). The spatiotemporal evolution of ecosystem services and the characteristics of trade-offs and synergies within the study area were assessed based on the magnitude and deviation of the resultant forces. The conclusions can be summarized as follows: the spatial and temporal characteristics of the six ecosystem services during the study period were obvious, demonstrating the trend of increasing water yield, soil retention and net primary production, while decreasing grain production, carbon sequestration and habitat quality. On the basis of the findings of PCA, the three principal components were renamed as regulation support service, food supply service and water production supply service. The average of coordination variabletotalwas 5.21, indicating a generally basic coordination state. The synergies among ecosystem services improved and the overall structure tended to be more reasonable. Meanwhile, significant regional differences in coordination degree distribution were observed. Coordination skewnesswas mainly distributed in quadrants I, II and VI, with a greater number of dominant areas for water production supply service (I and VI) compared to regulation support service (II). Regarding coordinated mobility, although there was some leapfrog development, its level still needs to be enhanced. All counties and districts should optimize the relationship between ecosystem services depending on regional natural conditions, resource endowments and socio-economic status. The research results can provide references and decision-making assistance for ecological construction and rational land utilization in the research area.

ecosystem services；trade-offs and synergies；principal component analysis；mechanical equilibrium model；the middle reaches of the Yangtze River urban agglomerations

X171

A

1000-6923(2023)11-5974-13

梁玉琦(2000-),女,湖南長沙人,東華理工大學(xué)碩士研究生,主要研究方向為土地利用規(guī)劃與評價.liang_yuqi22@163.com.

梁玉琦,危小建,江 平,等.基于力學(xué)平衡模型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系研究——以長江中游城市群為例 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2023,43(11):5974-5986.

Liang Y Q, Wei X J,Jiang P, et al. Study on trade-offs and synergies of ecosystem services based on mechanical equilibrium model:A case of the Middle Reaches of the Yangtze River Urban Agglomerations [J]. China Environmental Science, 2023,43(11):5974-5986.

2023-04-06

國家自然科學(xué)基金資助項目(52168010)

* 責(zé)任作者, 副教授, 631000872@qq.com