基于多源數據的成渝城市群綠色空間生態系統服務功能供需評價

邵明 李方正 李雄

1 概念與背景

生態系統服務供需關系是有效反映城市群自然生態系統本底與區域社會經濟結構二者是否配置合理的重要指標[1]，對城市群生態系統服務供需關系進行評估，有助于明確城市群各單元城市之間自然資源本底與人居社會發展需求之間的關聯，為各單元城市制定區域綠色空間發展規劃提供理論支撐，如構建城市發展模式[2]、劃定土地整治分區[3]、擬定分級管控政策等[4]。

隨著2016年國務院通過《成渝城市群發展規劃》，成都重慶雙城經濟圈有望與京津冀、長三角、粵港澳三大城市群并列成為中國國土空間建設發展的第四極，而目前關于成渝城市群的研究更多基于其人口流動[5]、空間結構[6]、產業組織[7]，對其生態系統服務供需評估處于起步階段。

因此，本研究選擇成渝城市群作為研究對象，通過能值法量化了成渝城市群核心生態系統服務，明確了成渝城市群核心服務供給與需求之間存量差異的時空變化，討論了成渝城市群核心生態系統服務的供需平衡關系，并嘗試提出了相應的管控策略。

2 方法與數據

2.1 研究范圍

成渝城市群具體范圍依據國務院批復的《成渝城市群發展規劃》，包括重慶市的27個區縣地區以及四川省的成都、自貢、瀘州等15個市（圖1），總面積18.5萬km2。研究對象選擇上，本研究采用綠色空間的廣義定義，即其不僅包括城市綠地，同時也包括城郊、鄉村等自然生態系統與受其影響的所有綠色基礎設施[8]，后續討論對象限定為成渝城市群全域。

1 成渝城市群區位及行政區劃圖Location and administrative zoning map of Chengdu-Chongqing urban agglomeration

2.2 研究數據

大數據可以有效反映研究區域在某一時間點的狀態規律，本研究采用世界相關組織或國家發布的多源數據進行綜合匹配，利用不同數據源間綜合差異對結果進行校正，從而更準確地評價研究區域內的生態系統服務功能。本研究所使用的多源數據，其獲取來源與指向類型包括基礎地理類數據、衛星遙感類數據、社會經濟類數據、氣象環境類數據、時空觀測類數據。以上所有數據在研究尺度上裁剪為成渝城市群區域全域，時間上選擇2000、2010、2020年3個時間節點，部分數據如月均植被覆蓋、月均降雨量、年均蒸散量由于2020年數據并不完整，故根據鄰近原則選擇2019或2018年數據替代計算，在坐標系上統一校正為WGS84投影坐標系，確保底圖一致性（表1）。

表1 數據來源及精度Tab. 1 Data sources and accuracy

2.3 研究方法及數據處理

自然資源部于2020年發布的《資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價指南（試行）》[9]所提出的5項國土空間重要生態系統服務類型，其中防風固沙功能主要體現在干旱與半干旱地區，海岸防護功能主要體現在沿海生物或物理防護區，與成渝城市群分布地理環境關聯較弱，結合成渝地區自然條件基礎，選擇水源涵養、水土保持、生物多樣性維護3項生態系統服務功能指標進行評價識別。

2.3.1 水源涵養服務供需評價途徑

水源涵養服務是指在一定條件下，生態系統將水分存留在系統內部的能力[10]，其與系統內氣候、植物、土壤等要素息息相關。

本研究中，水源涵養供給端服務采用水量平衡方程計算[11]，其具體公式如下：

式（1）中，Watersup為研究區域水源涵養供給量（t），Ri為空間第i個柵格年均降雨量（mm），Pi為空間第i個柵格地表徑流量（mm），ETi為空間第i個柵格地表實際蒸散量（mm），Si為單個柵格面積（km2），i為柵格單元序列，j為柵格單元總數。

本研究中，水源涵養需求端服務采用人均耗水量需求方程計算[12]，其具體公式如下：

式（2）中，Waterdem為研究區域水資源需求量（t），Popi為空間第i個柵格人口數量，Wi為空間第i個柵格人均耗水量，i為柵格單元序列，j為柵格單元總數。

2.3.2 水土保持服務供需評價途徑

水土保持服務是指生態系統通過其內部結構與運動減少因為水體侵蝕所導致的土壤損失的過程，其與地形、植被、氣候環境密切關聯，學界多通過土壤性質、氣候條件、植被條件等環境數據總結出相應規律公式對其進行評價[13]。水土保持供給端服務采用通用土壤流失方程（RUSLE）[14]中水土保持余量計算，其具體公式如下：

式（3）中，Soilsup為研究區域土壤保持量 （t/hm2·a），Ri、Ki、Li、Si、Ci、Pi分別為空間第i個柵格的降雨侵蝕力因子（MJ·mm/hm2·h·a）、土壤可蝕性因子（t·h/MJ·mm）、坡長因子、坡度因子、植被覆蓋因子、人為管理措施因子。

水土保持需求端服務采用通用土壤流失方程（RUSLE）中水土保持實際侵蝕量計算[15]，其具體公式如下：

式（4）中，Soildem為研究區域土壤實際侵蝕量（t/hm2·a）其他參數含義及獲取方式等同式（3）。

2.3.3 生物多樣性維持服務供需評價途徑

生物多樣性維持服務是指生態系統在維持動植物物種、基因多樣性的持續作用，其中由于氣候環境變化、城市空間侵蝕等因素產生的生態環境退化，直接關聯人居環境的福祉需求[16]。

生物多樣性供給端服務采用INVEST模型中Habitat Quality模塊計算[17]，其具體公式如下：

式（5）中，Speciessup為研究區域生物多樣性供給等級（生境質量等級），Hj為第j類土地覆被的生境適合性得分，DZij為空間第i個柵格的第j類土地覆被的生境脅迫水平，Z為常量 2.5，Kz為自定義半飽和常數。式（6）中，r為脅迫因子，R為其數量，Yr指威脅柵格圖上y位置柵格，ωr為脅迫因子權重，ry為柵格y位置的脅迫是否判定，iriy是柵格y位置脅迫因子對柵格i位置的脅迫水平，βi為柵格i位置的距離水平，Sjr為第j類土地覆被的生境對r脅迫因子的響應敏感性[18]。

生物多樣性需求端服務采用全球生物多樣性信息網絡觀測 POI數據計算，通過核密度方式量化其在空間上分配權重比例，而后通過 Z-score標準化獲取，其具體公式如下：

式（7）中，Speciesdem為研究區域生物多樣性需求程度，Si為空間第個柵格的物種觀測 POI核密度指數，為研究范圍全域平均核密度指數，i為柵格單元序列，j為柵格單元總數。

2.3.4 Z-Socoe標準化

本研究采用 Z-score標準化獲取供需象限圖，其也被稱為零均值規范化或標準差標準化法，是目前應用最為廣泛的標準制圖方式之一。相對傳統極值標準化法，可有效反映數據距離中心均值的離散狀態，公式如下：

3 結果

3.1 生態系統服務供給空間特征評價

基于式（1、3、5、6）分別計算2000—2020年成渝城市群水源涵養、水土保持、生物多樣性服務供給空間特征（圖2～4）。

2 成渝城市群水源涵養服務供給圖Water conservation service supply map of Chengdu-Chongqing urban agglomeration

3 成渝城市群水土保持服務供給圖Soil and water conservation service supply map of Chengdu-Chongqing urban agglomeration

4 成渝城市群生物多樣性維持服務供給圖Biodiversity maintenance service supply map of Chengdu-Chongqing urban agglomeration

成渝城市群在2000—2020年間水源涵養供給量分別為1.60×106萬t、1.95×106萬t、2.17×106萬t，整體提升35.63%?？臻g層面上則由于降雨量空間差異性以及中部的城市擴張所帶來下墊面徑流系數增加，而呈現顯著的環帶狀分布結構。從市縣尺度統計計算數據上來看，西部雅安、眉山、樂山單位面積水源涵養量均超過2 000m3/hm2，其主要由于成渝城市群南部山區集中了大部分的森林系統，較密集的植物葉片降低了地面蒸散量的產生，大部分的雨水被植物根系所固定，回補了地下水源[20]。

成渝城市群在2000—2020年間水土保持供給量分別為45.82×104萬t、49.42×104萬t、54.05×104萬t，整體提升17.96%?？臻g層面上核心水土保持服務位于成都、眉山、雅安、樂山市西南側山林地區域與縉云—中梁山脈一線，其重要原因是中部成都平原農田區域地形起伏度小、土壤條件穩定，但農田系統植被根系條件較弱，無法提供較強的水土保持功能，雖然西南側山地區域每km2范圍內起伏度超過200m以上，但是其多為郁閉度超過50%～70%的復層森林生態系統，其穩固土壤能力優秀，為成渝城市群山地區域土壤保持提供了較大貢獻。

成渝城市群在2000—2020年間生境質量分別為0.346 5、0.349 4、0.342 5。相較2010年， 2020年出現了較顯著的質量下降，主要由于城市建成區的大面積擴張對周邊生物生境的壓迫影響[21]?？臻g層面上西南部雅安市與樂山市表現出了明顯的高生境特征（質量＞0.5），可以負擔更高的生物多樣性維持需求；而與此相對的中部內江、遂寧生境質量較低（質量＜0.25），主要由于大面積的林地開墾所導致的生態環境單一化影響；同時成都至重慶間遂寧鐵路、成渝客運鐵路等城際鐵路、道路交通也對中部區域的生境產生了一定程度的威脅。

3.2 生態系統服務需求空間特征評價

基于式（2、4、7）分別計算2000—2020年成渝城市群水源涵養、水土保持、生物多樣性服務需求空間特征（圖5～7）。

5 成渝城市群水源涵養服務需求圖Water conservation service demand map of Chengdu-Chongqing urban agglomeration

6 成渝城市群水土保持服務需求圖Soil and water conservation service demand map of Chengdu-Chongqing urban agglomeration

7 成渝城市群生物多樣性維持服務需求圖Biodiversity maintenance service demand map of Chengdu-Chongqing urban agglomeration

成渝城市群在2000—2020年間水源涵養需求量分別為2.43×106萬t、2.54×106萬t、2.72×106萬t，整體提升11.93%。時間維度上由于人口增加與產業發展，水源涵養需求壓力逐年提升?？臻g層面上，由于成渝城市群中雙核城市成都、重慶的城市引力遠超其他地級市、縣、區，表現出了顯著的“收縮型城市特征”[22]，即人口向引力核心城市轉移。以典型代表成都為例，其水源涵養需求量由2000年的2 429.72 m3/hm2提升至4 164.42 m3/hm2，而緊鄰其側的資陽市則由151.14 m3/hm2降低至110.95 m3/hm2。

成渝城市群在2000—2020年間水土保持需求量分別為7.14×104萬t、6.77×104萬t、6.33×104萬t，整體降低11.34%?？臻g分布上與水土保持供給服務類似，在西南山林地區與重慶中部山脈呈現了較高的服務需求，從縣域尺度上來看，重慶與雅安2市顯著高于其他城市，侵蝕量超過46.19 t/hm2·a，而中部遂寧、資陽、內江、自貢則不足12 t/hm2·a，出現了顯著的兩極化差異特征，其核心影響條件仍然為坡度與坡長因子。

1990—2000年觀測物種熱點區域集中在眉山市洪雅縣與樂山市峨眉山市區交界處。而2001—2010年觀測記錄顯示，2個次熱點出現在成都市龍泉山山脈以及成都市市域西北側。2011—2020年觀測記錄顯示，洪雅—峨眉生物集中分布區有向滎經縣過渡趨勢，同時成都龍泉山西部以及重慶主城區東側逐漸形成次級的生物熱點區域。隨著生物熱點區域由外圍山地區域轉向城市群內部的山脈區域，在后續規劃中，城市綠地以及生態綠地均應重點考慮對該區域生物多樣性的保護，避讓或嚴格保護相應生物多樣性熱點區域，構建合理生態系統網絡。

3.3 生態系統服務供需空間匹配特征

對成渝城市群2000—2020年各縣市水源涵養、水土保持、生物多樣性服務供需值域分別進行Z-score標準化獲取供需象限圖 （圖8～10）。

8 成渝城市群水源涵養服務供需匹配圖Water conservation service supply and demand matching diagram of Chengdu-Chongqing urban agglomeration

9 成渝城市群水土保持服務供需匹配圖Soil and water conservation service supply and demand matching diagram of Chengdu-Chongqing urban agglomeration

10 成渝城市群生物多樣性維持服務供需匹配圖Biodiversity maintenance service supply and demand matching diagram of Chengdu-Chongqing urban agglomeration

水源涵養服務中，成渝城市群大部分城市位于低供給高需求或高供給低需求狀態，由于汶川地震災后重建中提出高坡度地區人口向平原地區過渡遷移的安置政策，西南山地城市人口逐步向平原城市遷移，收縮城市現象的出現促使部分城市水資源供需條件出現改變，例如成都市在水資源供給量并未發生顯著調整的情況下出現了極大程度的服務需求提升，而資陽市則由低供給高需求城市轉向低供給低需求城市，供需服務差距進一步擴大。

水土保持服務中，大部分城市均處于低需求低供給與高需求高供給狀態，例如雅安市，由于邛崍山、涼山山地區域的存在，具有較高的泥石流、山體滑坡等水土流失風險，但是同時其也具有良好的森林生態系統，復雜的植物根系提供了穩定的水土保持服務的能力，當地政府陸續出臺政策限制25°以上坡度的開發利用，進一步促使人口向城市流動，產業結構由農業轉向二、三產。

生物多樣性維持服務中，大部分城市同樣位于高供給高需求或低供給高需求狀態，由于山地地震影響，綿陽等地市出現生物熱點區域的遷移，需求量下降供給量提升，以綿竹、什邡為例，由于災害影響，生態系統受到破壞面積分別為1 251.653、853.567 km2，超過縣域面積的8.03%與6.27%[23]。

4 結論與討論

4.1 結論

本研究以多源數據為研究工具，從生態系統服務視角出發，量化成渝城市群在2000—2020年間水源涵養、水土保持、生物多樣性維持3項主要服務功能的供需空間分布特征與時間演變趨勢，主要結論如下。

1）2000—2020年，成渝城市群內各服務供需效能時空分異特征顯著。其中，水源涵養服務供需量分別提升35.63%與11.93%；水土保持服務供給量提升17.96%，需求量降低11.34%；生物多樣性維持服務供給量降低1.15%，生物熱點區域由南部山林地轉向城市群內部山脈區域。

2）2000—2020年，成渝城市群水源涵養服務整體需求量大于供給量，大部分城市處于低供給高需求或高供給低需求狀態，供需空間匹配嚴重不均，以成都、重慶為核心出現顯著的供不應求現象，但供需差距逐年縮小；水土保持服務供給量大于需求量，大部分城市位于低需求低供給與高需求高供給狀態，其主要供需量產生于外圍山地區域，供需空間基本匹配，整體供需狀態正向演化趨勢顯著；生物多樣性維持服務供需空間基本匹配，大部分城市處于高供給高需求或低供給供需求狀態，中部生物多樣性質量顯著劣于城市群外圍區域。

4.2 討論

城市群發展模式具有國土空間的尺度與規模，其自然生態環境的支撐載體由城市綠地轉變為山水林田湖草居的復雜生命共同體，因此系統分析其自然生態系統所供給服務功能與社會人居環境所需求服務功能的差異化特征，能有效幫助在城市群規劃擬定時，每個單元城市中綠色空間發展目標的確定。

基于本研究結論，在成渝城市群后續發展中存在4個類型的城市單元。第一類為成都、重慶市，該類型核心城市各項生態系統服務功能基本均處于低供給高需求狀態，城市內部生態資源已經嚴重不能滿足人居環境需求以及社會經濟產業的發展需求，該類型城市應首先考慮增量人口帶來的服務供需缺口問題，對現狀綠色空間存量進行嚴格保護，合理規劃森林藍綠空間的修復與建設，考慮跨城生態廊道的規劃建設，建立合理的生態補償機制，將高耗水高干擾的工業產業向資源富集區外移，合理控制遷入人口數量，緩解城市環境壓力。第二類為資陽、綿陽、廣安、自貢市，該類型城市各項生態系統服務功能基本均處于低供給低需求的平衡狀態，但是由于服務供給量較低，其人居環境與產業發展受到極大限制，該類型城市應合理控制引入產業類型及規模，控制對生態環境壓力較大的一、二產引入數量，以三產帶動社會經濟結構的逐步轉型。第三類為瀘州、宜賓、樂山、雅安、眉山、達州市，該類型城市生態系統服務功能多處于高供給低需求的富余狀態，但是其中大部分城市位于山地林區，水土保持服務需求量較大，存在一定環境風險，該類型城市在城市群規劃中應充分利用城市平原區合理引入綠色產業，在山林區建立完善風險預警機制，依托國家公園或自然保護區構建生態保護紅線，控制生態空間的底限存量，同時該類型城市多為生物熱點區域，后續規劃中應注意在雙城經濟圈擴張時，城市建成區擴張對現狀綠色空間的侵蝕與擾動。第四類為南充、德陽、遂寧、內江市，該類型城市除水源涵養服務處于低供給高需求狀態，其他各項生態系統服務基本均衡，該類型城市應對區域內濕地水體等綠色空間進行存量保護，通過調整下墊面徑流系數增加對地下水的回補，考慮跨城水利工程的規劃建設，充分基于非核心城市水網形成資源互補，構建合理的水資源生態網絡。

目前本研究中仍存在一定局限性，多源數據由于其數據格式與數據時效的不同，可能會造成局部的異常波動，同時討論尺度偏向宏觀，后續可在數據進一步細化后進行空間單元維度上的供需疊圖，進一步增加研究的現實指導意義。由于城市群系統的復雜性與系統性，盡管在計算過程中優先采用全面性指標，但受限于數據精度，結論仍具有一定局限性，后續研究可進一步提升數據全面性，從而提高結論價值。

圖表來源(Sources of Figures and Table)：

文中所有圖表均由作者繪制，其中圖1-1根據自然資源部監制地圖GS(2019)1697號（審圖號）改繪，未對國界、行政區域界線或者范圍、重要地理信息數據等進行編輯調整；圖1-2、2～7底圖來自中科院資源環境科學數據中心（http://www.resdc.cn/）。