基于矩陣分析的水文調節服務供需關系時空分異研究
——以嘉興市為例

劉 頌,楊 瑩,王云才

同濟大學建筑與城市規劃學院, 上海 200092

生態系統服務是國內外研究的熱點,近年來,生態系統服務研究由價值評估向著更加重視生態系統服務對人類福祉的影響、更加重視生態系統服務的區域差異性和跨越空間尺度的關聯、更加重視生態系統服務的動態演化和時間耦合特性等方向演進[1],生態系統服務研究成果應用也由生物多樣性保護,逐步向資源與環境管理、區域規劃、可持續發展等領域發展[2]。生態系統服務受生態效應與地理過程的影響,具有時空分異特征[3-6],即同一地區生態系統服務供給與需求往往呈現空間錯位。可見,對生態系統服務的供給和需求進行識別、度量、空間化分析對自然資源合理配置有重要的意義。

但是,已有的研究大多側重于生態系統服務的供給研究[7-10],而關于人類社會對生態系統服務的需求測度研究及供需關系研究較少。在將生態系統服務供需關系空間化的5種分析方法中[11],除了專家經驗判別法,其他方法因對詳細的基礎數據過分依賴而難以實現。作為專家經驗判別法的一種,Burkhard提出的“生態系統服務供需關系矩陣法”[12]已經成功應用于國內外生態系統服務的量化以及空間化的研究中。如Nedkov和Burkhard[13]以矩陣法為基礎測算了保加利亞Malki Iskar河流域地區洪水調節服務的供需狀況,發現水文調節服務供給與需求存在嚴重的空間錯位。Kroll等[14]通過生態系統服務供需關系矩陣研究了德國東部Leipzig-Halle地區1990年至2007年能源的供給與需求變化。白楊等[15]基于矩陣法計算了白洋淀地區的生態系統服務的供給率和供需比,證明流域生態系統服務處于盈余狀態。目前國內關于生態系統服務的供需關系研究逐漸受到重視,以理論研究和空間分異的研究為主[16-19],而應用矩陣法進行時空分異的綜合研究較少。

基于此,本研究以嘉興市為研究區,通過建立生態系統服務供需關系矩陣,分析生態系統服務(尤其是水文調節服務)變化(供給)對人類福利(需求)的影響機制,在識別生態系統服務供需關系時空分異特征的基礎上,劃分嘉興市生態系統服務管控類型,并提出發展引導策略和規劃建議,為空間發展引導和規劃提供依據。

1 研究區概況

嘉興市位于浙江省東部,屬杭嘉湖平原地區,位置介于30°21′—31°02′N、120°18′—121°16′E 之間,轄兩區五縣(市)(南湖區、秀洲區、海寧市、平湖市、桐鄉市、嘉善縣、海鹽縣)。截止2015年,嘉興市陸域總面積4222.9 km2,戶籍人口349.48萬人,常住人口458.5萬人。

嘉興市境內地形平坦,水域面積占區域總面積的9.34%,河道交錯,湖蕩眾多,京杭運河穿境而過。地處北亞熱帶南緣,屬東亞季風區,年平均氣溫15.7℃,年平均降水量1168.6 mm,蒸發量1313 mm。特殊的自然地理環境導致該地區洪澇、臺潮、漬害嚴重。

嘉興市位于城市化發展速度最快的太湖流域中心地帶[20],快速的城市化導致嘉興市土地利用及河湖水系的劇烈變化,城市水文過程與功能發生巨大改變,城市下墊面構成改變、水網密度降低等變化使水文調節服務不斷退化,引發洪澇災害[21]。本文重點研究2005—2015年10年間嘉興市水文調節服務的時空分異特征,揭示城市發展對水文調節服務的影響。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

研究使用的數據包括嘉興市土地利用數據、土壤數據、氣象數據、水文數據、社會經濟數據等。獲取覆蓋嘉興市的2005年Landsat7 ETM+影像和2015年Landsat8 OLI傳感器影像,將原始影像進行真彩色合成,通過融合、鑲嵌等處理后,形成最終影像成果,分辨率為15 m。結合《土地利用現狀分類標準》(GB/T 21010—2017),將嘉興市土地劃分為耕地、林地、園地、水域、建設用地和其他土地6種一級類型,并建立相應的二級分類體系(表1)。經過目視解譯,獲得嘉興市土地利用圖(圖1),經驗證,土地利用數據平均分類精度達到80%以上。土壤數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn),氣象、水文數據來源于嘉興市水利局統計數據公報,社會經濟數據統計數據來源于嘉興市統計年鑒。

表1 嘉興市土地利用類型分類

圖1 嘉興市土地利用圖Fig.1 Land use of Jiaxing City

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用與生態系統服務的關聯框架

土地是各類生態系統的鑲嵌體,是自然屬性與人文要素綜合作用而形成的地理實體,土地利用會導致生態系統服務的變化[22]。生態系統服務與土地利用的關系主要體現在兩方面(圖2)：一方面,人類對生態系統服務需求的不同,造成生態系統服務類型的差別,有意或無意的改變著土地利用,出現不同土地利用類型[23]。另一方面,不同的土地利用類型對生態系統結構和過程造成的不同影響,引起生態系統服務功能積極或消極的變化[24],進而影響人類福祉。因此,影響生態系統服務供需水平的因素主要包括自然因素與社會經濟因素兩方面[25]。自然因素包括氣候、地形地貌、植被、土壤、水文、生物多樣性等。社會經濟因素的影響主要體現在人口變化、人類活動、經濟發展結構等對土地利用類型造成的改變等。

圖2 土地利用與生態系統服務的關聯框架Fig.2 Linkage framework of land use and ecosystem services

2.2.2 生態系統服務供需關系矩陣構建

根據Burkhard提出的“生態系統服務供需關系矩陣法”,生態系統服務供需關系矩陣由供給矩陣與需求矩陣綜合而成,是不同土地利用類型與不同生態系統服務的供需關系表征,能夠揭示自然條件與人類活動隨時間的推移產生的變化以及土地利用的改變對生態系統服務能力的影響。

矩陣數據采用專家打分法獲得,專家針對不同土地利用類型代表的生態系統能夠提供的生態系統服務價值以及人類期望從該系統中獲得的福祉分別進行評分,最終獲得生態系統服務價值的總體概況及趨勢[26-27]。

本研究邀請了不同專業知識背景,包括生態學、景觀生態學、風景園林學、地理學、植物學等且對評價區域的自然及社會環境非常了解的10位專家,針對嘉興市各類用地(生態系統)在對人類福祉有直接貢獻的調節服務、供給服務與文化服務進行供需水平的全面評分,分值在0—5之間,分值越大,供給能力/需求水平越高。經過兩輪函詢,取得一致意見,形成針對嘉興市生態系統服務服務供給、需求、供需關系矩陣(表2—4)。

本文選取了水文調節服務矩陣形成嘉興市生態系統服務供需關系“子”矩陣,結果表明,近自然土地利用類型(如林地、水體等)所提供的水文調節供給能力最高,這些地區由于人口密度低,活動影響較小,對水文調節服務的需求水平也越低。人類活動強度大的土地利用類型(如城市建設用地)水文調節服務供給能力弱,同時由于人口密集,對水文調節服務的需求水平很高。水田對水文調節服務的供給能力最強,但需求水平也最高,因為水田具有一定蓄水作用,能夠調節徑流,起到土壤水庫的作用[28]；同時水田是水土相互作用的生產模式,對水資源具有較高的需求。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化分析

經統計,2005—2015年嘉興市土地利用結構的變化見表5。從面積變化來看,建設用地增長顯著,至2015年已達1376.7 km2,占全市土地總面積的32.6%,比2005年增加了296.9 km2；其次是水域,2015年水域面積500.5 km2,面積增加了115.9 km2；水田面積一直占主導地位,2015年水田面積1842.5 km2,占全市土地總面積的43.6%,但是變化最小,面積僅增加了64.2 km2。面積減少最多的是園地,2015年園地面積211.9 km2,與2005年相比共減少135.8 km2,占全市土地總面積的比例下降到5.0%。

從變化幅度來看,增幅最多的是水域,其次是建設用地,10年間分別增加了30.1%和27.5%。林地面積最小,但是變化幅度最大,2015年林地面積26.7 km2,僅占全市土地總面積的0.6%,但是較2005年減少了56.1%。

表5 嘉興市土地利用情況

地類Land Use Classification2005年2015年變化幅度Change ranges面積/km2Area比例/%Ratio面積/km2Area比例/%Ratio面積/km2Area比例/%Ratio水田Paddy field1778.344.41842.543.664.23.6旱地Non-irrigated arable land348.98.7226.25.4-122.7-35.2園地Garden plots347.78.7211.95.0-135.8-39.1林地Forest land60.81.526.70.6-34.1-56.1建設用地Constructed area1079.826.91376.732.6296.927.5水域Water area384.69.6500.511.9115.930.1其他土地Others8.70.238.40.929.7341.4總面積Total4008.84222.9214.1

其他土地指嘉興市未利用地,包括裸土地、裸巖石礫地、沼澤地等,由于嘉興市2005年與2015年市域面積統計口徑不同,不能歸入一級地類的都計入該類型,因變動較大,在此不做分析

3.2 水文調節服務供給能力的時空變化

應用生態系統服務供給矩陣分析方法,獲得嘉興市水文調節供給能力的空間分布圖(圖3),圖中可以看出水文調節服務供給能力具有明顯的時空分異特征。以2015年為例,嘉興市水文調節服務供給能力高(得分為4)的區域分布范圍最廣,面積最大(1842.5 km2), 以水田為主,占全市土地面積的43.63%。供給能力較高(得分為3)的地區主要分布在河渠與水庫較為集中的區域,尤其是海寧市南部沿海地區以及海鹽縣澉浦鎮。供給能力中等(得分為2)的地區分布較廣,其中在大量湖泊、濕地分布的王江涇鎮、油車港鎮、嘉善縣東北部的陶莊鎮、天凝鎮以及由于圍墾造成灘地大幅增加的海鹽縣澉浦鎮分布最為集中。供給能力較低(得分為1)的地區集中分布在嘉興市的東南沿海灘涂地區。供給能力最低(得分為0)的區域呈現點、線、面分布的特征。其中,城鎮用地及工業用地面積較大,呈面狀集中分布在嘉興、桐鄉、海寧、嘉善和海鹽的中心城區及近郊地區；農村居民點則呈點狀分散分布,面積較小；交通用地呈線狀輻射整個嘉興市域。

從時間變化情況來看(表6),2005—2015年10年間,低供給能力的區域面積增加顯著,2015年達到296.9 km2, 增幅27.5%。2015年水文調節供給能力高以及較高的區域面積共2291.2 km2,較2005年增加了129.1 km2。水文調節供給能力提高市由于政策引導的影響,嘉興市在《嘉興市土地利用總體規劃(2006—2020)》中,提出了“先補后占”“旱地改水田”等耕地和農田保護政策,以及土地圍墾增加了灘涂面積,水文調節供給能力有了一定的提升。

從空間上看,水文調節供給能力最低的區域不斷擴張,這是由10年間城市向城郊蔓延,侵占周圍的旱地、園地等生態用地造成的。相應的,被侵蝕的中等供給能力區域不斷萎縮,10年間共減少246.9 km2,減幅33.3%。總體來說,由于供給能力中等的土地大量減少以及供給能力最低的土地大量增加,雖然水文調節供給能力高和較高的區域有所增加,但是嘉興市水文調節服務供給能力仍然呈下降趨勢,這與城市的快速發展密切相關。

表6 嘉興市水文調節服務供給能力統計結果

圖3 嘉興市水文調節服務供給能力空間分布Fig.3 Spatial distribution of hydrological regulation services supply capacity in Jiaxing City

3.3 水文調節服務需求水平的時空變化

應用生態系統服務需求矩陣分析方法,獲得嘉興市水文調節需求水平的空間分布圖(圖4)。以2015年為例,需求水平最高(得分為5)的區域面積最大(2428.5 km2),以水田和農村居民點為主,占全市區域總面積的57.5%。需求水平高(得分為4)的地區在嘉興市、桐鄉市、海寧市、嘉善縣和海鹽縣中心城區及城鎮地區分布集中,占全市區域面積的18.4%。需求水平中等(得分為2)的地區面積較小,呈點狀分布,其中在海鹽縣中心區與海寧市黃灣鎮南部以旱地、園地為主的地區分布較為集中。需求水平最低(得分為0)的地區集中在嘉興市北部王江涇鎮、油車港鎮、嘉善縣東北部的陶莊鎮和天凝鎮的湖泊、濕地處,以及海寧市南部和海鹽縣東部的沿海灘涂及灘地地區。

從時間變化情況來看(表7),2005年-2015年10年間,嘉興市對水文調節服務的需求顯著提高,表現在對水文調節需求水平最高的區域及高需求區域面積的增加。2015年兩類高需求區域面積共3205.3 km2,占全市區域面積的75.9%,較2005年增加了347.2 km2,增幅12.1%。與此同時中等需求水平的區域面積急劇減少,10年間共減少452 km2,減幅35.1%。這是因為嘉興市不斷地圍湖造田、圍蕩養殖,城市開發建設蠶食生態用地,侵占河道水域,直接降低了河網的調蓄能力。需求水平最低的區域有所增加,較2005年增加24.6%,但是面積變化最小(增加111.5 km2),對水文調節服務需求水平的影響作用不明顯。

從空間上看,2005—2015年10年間嘉興市對水文調節服務的需求水平一直較高,并且高需求水平區域面積不斷擴大。近郊區服務水平變化最為明顯,表現在對水文調節服務需求水平越來越高。綜合來看,嘉興市對水文調節服務的需求水平整體較高,這是因為嘉興市仍然處于工業化、城鎮化、農業現代化快速推進時期,對水文調節、防洪排澇等水生態安全的需求較大。另外嘉興市水田為主的土地利用特征也決定了對水文調節服務的較高需求。

圖4 嘉興市水文調節服務需求水平空間分布Fig.4 Spatial distribution of hydrological regulation services demand level in Jiaxing City

得分Scores需求程度Demand extent2005年2015年面積/km2Area比例/%Ratio面積/km2Area比例/%Ratio變化量/km2Amount變化幅度/%Ranges5最高222155.42428.557.5207.59.34高637.115.9776.818.4139.721.92中等696.617.445210.7-244.6-35.10最低454.111.3565.613.4111.524.6

3.4 水文調節服務供需關系時空分異性分析

依據水文調節服務供給與需求的綜合能力值可以將嘉興市水文調節服務供需關系分為3種狀態和4種空間類型(圖5、表8)。3種狀態指供需平衡、供不應求、供過于求的狀態。4種空間類型即低供給高需求、高供給高需求、低供給低需求、高供給低需求四類[29](圖6)。

圖5 2005年、2015年嘉興市水文調節服務供需關系類型空間分布圖Fig.5 Spatial distribution map of supply and demand relationship of hydrological regulation service of Jiaxing City

圖6 供給與需求服務關系的四種類型 Fig.6 Four types of relationship between ecosystem service supply and demand

嘉興市水文調節服務供不應求的區域一直占主導地位,并且面積持續擴大,增幅較快。2015年供不應求與供過于求的區域總面積比例約為5.7∶1,面積增幅比例約為3∶1(表9)。2015年水文調節服務供不應求的區域面積3219.2 km2,以建設用地和水田為主,占全市面積的76.2%,較2005年增加了19.7%。供過于求的土地面積565.6 km2,占全市面積的13.4%,增幅11.2%。供需平衡的土地面積最小(438.1 km2),占全市面積的10.4%,但是減幅最高,達到59%。空間分布上來看,嘉興市水文調節服務供過于求的區域分布在河流、湖泊以及水系密集的區域以及近自然植被覆蓋的生態環境較好的區域。供不應求的區域以低供給高需求建設用地以及高供給高需求的水田為主,并以城市為核心向城郊擴散(圖7)。

總體來看,嘉興市大部分地區在水文調節服務上處于供不應求的狀態。這首先與嘉興市以水田(高供給高需求)為主的土地利用結構相關。其次,由于城鎮擴張,低供給高需求的區域面積不斷增加,說明水文調節服務供需關系與人類的活動和區域資源的過度開發密切相關。

圖7 嘉興市水文調節服務供需空間分布圖Fig.7 Spatial Distribution map of supply and demand of hydrological regulation service of Jiaxing City

4 討論與結論

4.1 討論

4.1.1 研究方法討論

(1)生態系統服務供需關系矩陣法可以在數據難以獲取時或生態系統服務較為復雜的情況下,對生態系統服務供給與需求及相互關系進行快速判斷并能進行時間維度的動態對比演變研究。雖然有學者采用不同陸地生態系統單位面積生態服務價值表估算也實現了生態系統服務的動態變化[30],但無法對需求進行度量并進行供需關系研究。本文對嘉興市水文調節服務進行了動態評估,利用GIS空間分析技術,分析了水文調節服務的空間分異規律,可為嘉興市生態系統可持續發展和管理,維護、恢復和改善生態系統服務提供依據。

表8 嘉興市水文調節服務供需關系類型

表9 2005年、2015年嘉興市水文調節服務供求狀況表

(2)生態系統服務供需關系矩陣具有不確定性。該方法忽略了同一生態系統類型內部差異與區域空間差異容易對區域評估結果產生偏差,所以具有一定的地域局限性。同時,生態系統服務供需關系矩陣法在供需評估中也存在不確定性,主要有自然供給能力判斷的不確定性；偏好不確定性；技術不確定性等[31]。自然供給能力的不確定性來源于人們對生態系統的認識不足引發不確定性。偏好不確定性與受訪者的主觀決策及對待評估的生態系統服務的認知水平和經驗水平的差異有關,分值結果高度依賴于打分者的經驗和知識。技術不確定性指應用不同的方法來評估生態系統服務的過程中產生的不確定性結果,如遙感影像的精度影響土地利用類型識別的準確性等。評估方法的不確定性無法避免,但是可以通過諸如使用德爾菲法對專家評估進行迭代；將不確定性信息納入評估過程和結果；優化數據質量等降低分析結果的不確定性。

4.1.2 基于供需關系的管理對策

生態系統服務供需關系矩陣法可幫助識別供需平衡、供不應求、供過于求三種狀態及低供給高需求、高供給高需求、低供給低需求、高供給低需求四類區域,為制定相應的發展引導策略和規劃建議提供依據(表10)。

表10 基于水文調節服務提升的嘉興市發展引導及規劃建議

在本研究中,以城市建設用地為主的低供給高需求區域應在快速城鎮化發展的同時兼顧生態環境效益提升。通過劃定城鎮開發邊界,嚴格控制建設用地規模,集約利用土地；控制新增建設用地不透水面積,合理規劃場地用地及景觀雨水設施,推行低影響開發策略；加強生態保護和修復,通過提高綠地率、綠化覆蓋率、構建區域綠色網絡等方法提升水文調節服務。

以水田為主的高供給高需求區域占主導是嘉興市的土地利用特色,可通過劃定永久基本農田控制線與永久基本農田保護示范區,確定保護規模,避免農田被建設占用,實行永久保護；復墾優質耕地,納入基本農田整備區,予以嚴格保護。

高供給低需求區域自然資源較好,是重要的生態源,但是往往生態敏感性較強,一旦受到破壞很難修復,需要實施嚴格的生態控制。應劃定嚴格的生態保護紅線,出臺生態控制導則,嚴守生態底線,做到性質不轉換、功能不降低、面積不減少、責任不改變；同時還要加強污染治理,維持良好的生態風貌。

屬于低供給低需求區域的旱地、園地、林地應該按照相關保護條例進行保護和管控,統籌城鄉發展,強化生態環境保護,保持嘉興市“城田相融”的田園特征。以防洪與水環境保護為目標導向,結合水系現狀和城市發展趨勢完善現有水系布局,保障水面率,提高區域水源涵養及水土保持功能。

4.2 結論

(1)2005—2015年10年間,嘉興市處于快速城市化階段,土地利用變化明顯。總體趨勢是建設用地顯著增加,水域、水田面積有所增加,旱地、園地、林地大量減少。

(2)土地利用變化是影響水文調節服務供需關系的主要因素。2015年嘉興市水文調節服務供不應求的區域占研究區域的76.2%,較2005年增加了19.7%；供過于求的區域占全市土地面積的13.4%,增加111.5 km2；供需平衡的土地面積減少258.5 km2,減幅達59%。反應出嘉興市大部分地區水文調節服務處于供不應求的狀態。

(3)建設用地是典型的低供給高需求區域,隨著城市用地的不斷擴張,導致水文調節服務供需矛盾加劇,供不應求區域由中心城區向城市邊緣區擴大。

(4)水文調節服務需求區域的變化與人類活動密切相關,供給區域則受制于自然環境的數量與質量。生態系統服務供給與需求存在錯位,促進了由供給區向需求區的生態系統服務流的產生[32]。如何保護生態源,對受損和破壞的生態系統服務流進行恢復及重建,需要針對體情況進行政策導引。