基于多源数据的成渝城市群绿色空间生态系统服务功能供需评价

邵明 李方正 李雄

1 概念与背景

生态系统服务供需关系是有效反映城市群自然生态系统本底与区域社会经济结构二者是否配置合理的重要指标[1]，对城市群生态系统服务供需关系进行评估，有助于明确城市群各单元城市之间自然资源本底与人居社会发展需求之间的关联，为各单元城市制定区域绿色空间发展规划提供理论支撑，如构建城市发展模式[2]、划定土地整治分区[3]、拟定分级管控政策等[4]。

随着2016年国务院通过《成渝城市群发展规划》，成都重庆双城经济圈有望与京津冀、长三角、粤港澳三大城市群并列成为中国国土空间建设发展的第四极，而目前关于成渝城市群的研究更多基于其人口流动[5]、空间结构[6]、产业组织[7]，对其生态系统服务供需评估处于起步阶段。

因此，本研究选择成渝城市群作为研究对象，通过能值法量化了成渝城市群核心生态系统服务，明确了成渝城市群核心服务供给与需求之间存量差异的时空变化，讨论了成渝城市群核心生态系统服务的供需平衡关系，并尝试提出了相应的管控策略。

2 方法与数据

2.1 研究范围

成渝城市群具体范围依据国务院批复的《成渝城市群发展规划》，包括重庆市的27个区县地区以及四川省的成都、自贡、泸州等15个市（图1），总面积18.5万km2。研究对象选择上，本研究采用绿色空间的广义定义，即其不仅包括城市绿地，同时也包括城郊、乡村等自然生态系统与受其影响的所有绿色基础设施[8]，后续讨论对象限定为成渝城市群全域。

1 成渝城市群区位及行政区划图Location and administrative zoning map of Chengdu-Chongqing urban agglomeration

2.2 研究数据

大数据可以有效反映研究区域在某一时间点的状态规律，本研究采用世界相关组织或国家发布的多源数据进行综合匹配，利用不同数据源间综合差异对结果进行校正，从而更准确地评价研究区域内的生态系统服务功能。本研究所使用的多源数据，其获取来源与指向类型包括基础地理类数据、卫星遥感类数据、社会经济类数据、气象环境类数据、时空观测类数据。以上所有数据在研究尺度上裁剪为成渝城市群区域全域，时间上选择2000、2010、2020年3个时间节点，部分数据如月均植被覆盖、月均降雨量、年均蒸散量由于2020年数据并不完整，故根据邻近原则选择2019或2018年数据替代计算，在坐标系上统一校正为WGS84投影坐标系，确保底图一致性（表1）。

表1 数据来源及精度Tab. 1 Data sources and accuracy

2.3 研究方法及数据处理

自然资源部于2020年发布的《资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价指南（试行）》[9]所提出的5项国土空间重要生态系统服务类型，其中防风固沙功能主要体现在干旱与半干旱地区，海岸防护功能主要体现在沿海生物或物理防护区，与成渝城市群分布地理环境关联较弱，结合成渝地区自然条件基础，选择水源涵养、水土保持、生物多样性维护3项生态系统服务功能指标进行评价识别。

2.3.1 水源涵养服务供需评价途径

水源涵养服务是指在一定条件下，生态系统将水分存留在系统内部的能力[10]，其与系统内气候、植物、土壤等要素息息相关。

本研究中，水源涵养供给端服务采用水量平衡方程计算[11]，其具体公式如下：

式（1）中，Watersup为研究区域水源涵养供给量（t），Ri为空间第i个栅格年均降雨量（mm），Pi为空间第i个栅格地表径流量（mm），ETi为空间第i个栅格地表实际蒸散量（mm），Si为单个栅格面积（km2），i为栅格单元序列，j为栅格单元总数。

本研究中，水源涵养需求端服务采用人均耗水量需求方程计算[12]，其具体公式如下：

式（2）中，Waterdem为研究区域水资源需求量（t），Popi为空间第i个栅格人口数量，Wi为空间第i个栅格人均耗水量，i为栅格单元序列，j为栅格单元总数。

2.3.2 水土保持服务供需评价途径

水土保持服务是指生态系统通过其内部结构与运动减少因为水体侵蚀所导致的土壤损失的过程，其与地形、植被、气候环境密切关联，学界多通过土壤性质、气候条件、植被条件等环境数据总结出相应规律公式对其进行评价[13]。水土保持供给端服务采用通用土壤流失方程（RUSLE）[14]中水土保持余量计算，其具体公式如下：

式（3）中，Soilsup为研究区域土壤保持量 （t/hm2·a），Ri、Ki、Li、Si、Ci、Pi分别为空间第i个栅格的降雨侵蚀力因子（MJ·mm/hm2·h·a）、土壤可蚀性因子（t·h/MJ·mm）、坡长因子、坡度因子、植被覆盖因子、人为管理措施因子。

水土保持需求端服务采用通用土壤流失方程（RUSLE）中水土保持实际侵蚀量计算[15]，其具体公式如下：

式（4）中，Soildem为研究区域土壤实际侵蚀量（t/hm2·a）其他参数含义及获取方式等同式（3）。

2.3.3 生物多样性维持服务供需评价途径

生物多样性维持服务是指生态系统在维持动植物物种、基因多样性的持续作用，其中由于气候环境变化、城市空间侵蚀等因素产生的生态环境退化，直接关联人居环境的福祉需求[16]。

生物多样性供给端服务采用INVEST模型中Habitat Quality模块计算[17]，其具体公式如下：

式（5）中，Speciessup为研究区域生物多样性供给等级（生境质量等级），Hj为第j类土地覆被的生境适合性得分，DZij为空间第i个栅格的第j类土地覆被的生境胁迫水平，Z为常量 2.5，Kz为自定义半饱和常数。式（6）中，r为胁迫因子，R为其数量，Yr指威胁栅格图上y位置栅格，ωr为胁迫因子权重，ry为栅格y位置的胁迫是否判定，iriy是栅格y位置胁迫因子对栅格i位置的胁迫水平，βi为栅格i位置的距离水平，Sjr为第j类土地覆被的生境对r胁迫因子的响应敏感性[18]。

生物多样性需求端服务采用全球生物多样性信息网络观测 POI数据计算，通过核密度方式量化其在空间上分配权重比例，而后通过 Z-score标准化获取，其具体公式如下：

式（7）中，Speciesdem为研究区域生物多样性需求程度，Si为空间第个栅格的物种观测 POI核密度指数，为研究范围全域平均核密度指数，i为栅格单元序列，j为栅格单元总数。

2.3.4 Z-Socoe标准化

本研究采用 Z-score标准化获取供需象限图，其也被称为零均值规范化或标准差标准化法，是目前应用最为广泛的标准制图方式之一。相对传统极值标准化法，可有效反映数据距离中心均值的离散状态，公式如下：

3 结果

3.1 生态系统服务供给空间特征评价

基于式（1、3、5、6）分别计算2000—2020年成渝城市群水源涵养、水土保持、生物多样性服务供给空间特征（图2～4）。

2 成渝城市群水源涵养服务供给图Water conservation service supply map of Chengdu-Chongqing urban agglomeration

3 成渝城市群水土保持服务供给图Soil and water conservation service supply map of Chengdu-Chongqing urban agglomeration

4 成渝城市群生物多样性维持服务供给图Biodiversity maintenance service supply map of Chengdu-Chongqing urban agglomeration

成渝城市群在2000—2020年间水源涵养供给量分别为1.60×106万t、1.95×106万t、2.17×106万t，整体提升35.63%。空间层面上则由于降雨量空间差异性以及中部的城市扩张所带来下垫面径流系数增加，而呈现显著的环带状分布结构。从市县尺度统计计算数据上来看，西部雅安、眉山、乐山单位面积水源涵养量均超过2 000m3/hm2，其主要由于成渝城市群南部山区集中了大部分的森林系统，较密集的植物叶片降低了地面蒸散量的产生，大部分的雨水被植物根系所固定，回补了地下水源[20]。

成渝城市群在2000—2020年间水土保持供给量分别为45.82×104万t、49.42×104万t、54.05×104万t，整体提升17.96%。空间层面上核心水土保持服务位于成都、眉山、雅安、乐山市西南侧山林地区域与缙云—中梁山脉一线，其重要原因是中部成都平原农田区域地形起伏度小、土壤条件稳定，但农田系统植被根系条件较弱，无法提供较强的水土保持功能，虽然西南侧山地区域每km2范围内起伏度超过200m以上，但是其多为郁闭度超过50%～70%的复层森林生态系统，其稳固土壤能力优秀，为成渝城市群山地区域土壤保持提供了较大贡献。

成渝城市群在2000—2020年间生境质量分别为0.346 5、0.349 4、0.342 5。相较2010年， 2020年出现了较显著的质量下降，主要由于城市建成区的大面积扩张对周边生物生境的压迫影响[21]。空间层面上西南部雅安市与乐山市表现出了明显的高生境特征（质量＞0.5），可以负担更高的生物多样性维持需求；而与此相对的中部内江、遂宁生境质量较低（质量＜0.25），主要由于大面积的林地开垦所导致的生态环境单一化影响；同时成都至重庆间遂宁铁路、成渝客运铁路等城际铁路、道路交通也对中部区域的生境产生了一定程度的威胁。

3.2 生态系统服务需求空间特征评价

基于式（2、4、7）分别计算2000—2020年成渝城市群水源涵养、水土保持、生物多样性服务需求空间特征（图5～7）。

5 成渝城市群水源涵养服务需求图Water conservation service demand map of Chengdu-Chongqing urban agglomeration

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

7 成渝城市群生物多样性维持服务需求图Biodiversity maintenance service demand map of Chengdu-Chongqing urban agglomeration

成渝城市群在2000—2020年间水源涵养需求量分别为2.43×106万t、2.54×106万t、2.72×106万t，整体提升11.93%。时间维度上由于人口增加与产业发展，水源涵养需求压力逐年提升。空间层面上，由于成渝城市群中双核城市成都、重庆的城市引力远超其他地级市、县、区，表现出了显著的“收缩型城市特征”[22]，即人口向引力核心城市转移。以典型代表成都为例，其水源涵养需求量由2000年的2 429.72 m3/hm2提升至4 164.42 m3/hm2，而紧邻其侧的资阳市则由151.14 m3/hm2降低至110.95 m3/hm2。

成渝城市群在2000—2020年间水土保持需求量分别为7.14×104万t、6.77×104万t、6.33×104万t，整体降低11.34%。空间分布上与水土保持供给服务类似，在西南山林地区与重庆中部山脉呈现了较高的服务需求，从县域尺度上来看，重庆与雅安2市显著高于其他城市，侵蚀量超过46.19 t/hm2·a，而中部遂宁、资阳、内江、自贡则不足12 t/hm2·a，出现了显著的两极化差异特征，其核心影响条件仍然为坡度与坡长因子。

1990—2000年观测物种热点区域集中在眉山市洪雅县与乐山市峨眉山市区交界处。而2001—2010年观测记录显示，2个次热点出现在成都市龙泉山山脉以及成都市市域西北侧。2011—2020年观测记录显示，洪雅—峨眉生物集中分布区有向荥经县过渡趋势，同时成都龙泉山西部以及重庆主城区东侧逐渐形成次级的生物热点区域。随着生物热点区域由外围山地区域转向城市群内部的山脉区域，在后续规划中，城市绿地以及生态绿地均应重点考虑对该区域生物多样性的保护，避让或严格保护相应生物多样性热点区域，构建合理生态系统网络。

3.3 生态系统服务供需空间匹配特征

对成渝城市群2000—2020年各县市水源涵养、水土保持、生物多样性服务供需值域分别进行Z-score标准化获取供需象限图 （图8～10）。

8 成渝城市群水源涵养服务供需匹配图Water conservation service supply and demand matching diagram of Chengdu-Chongqing urban agglomeration

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

10 成渝城市群生物多样性维持服务供需匹配图Biodiversity maintenance service supply and demand matching diagram of Chengdu-Chongqing urban agglomeration

水源涵养服务中，成渝城市群大部分城市位于低供给高需求或高供给低需求状态，由于汶川地震灾后重建中提出高坡度地区人口向平原地区过渡迁移的安置政策，西南山地城市人口逐步向平原城市迁移，收缩城市现象的出现促使部分城市水资源供需条件出现改变，例如成都市在水资源供给量并未发生显著调整的情况下出现了极大程度的服务需求提升，而资阳市则由低供给高需求城市转向低供给低需求城市，供需服务差距进一步扩大。

水土保持服务中，大部分城市均处于低需求低供给与高需求高供给状态，例如雅安市，由于邛崃山、凉山山地区域的存在，具有较高的泥石流、山体滑坡等水土流失风险，但是同时其也具有良好的森林生态系统，复杂的植物根系提供了稳定的水土保持服务的能力，当地政府陆续出台政策限制25°以上坡度的开发利用，进一步促使人口向城市流动，产业结构由农业转向二、三产。

生物多样性维持服务中，大部分城市同样位于高供给高需求或低供给高需求状态，由于山地地震影响，绵阳等地市出现生物热点区域的迁移，需求量下降供给量提升，以绵竹、什邡为例，由于灾害影响，生态系统受到破坏面积分别为1 251.653、853.567 km2，超过县域面积的8.03%与6.27%[23]。

4 结论与讨论

4.1 结论

本研究以多源数据为研究工具，从生态系统服务视角出发，量化成渝城市群在2000—2020年间水源涵养、水土保持、生物多样性维持3项主要服务功能的供需空间分布特征与时间演变趋势，主要结论如下。

1）2000—2020年，成渝城市群内各服务供需效能时空分异特征显著。其中，水源涵养服务供需量分别提升35.63%与11.93%；水土保持服务供给量提升17.96%，需求量降低11.34%；生物多样性维持服务供给量降低1.15%，生物热点区域由南部山林地转向城市群内部山脉区域。

2）2000—2020年，成渝城市群水源涵养服务整体需求量大于供给量，大部分城市处于低供给高需求或高供给低需求状态，供需空间匹配严重不均，以成都、重庆为核心出现显著的供不应求现象，但供需差距逐年缩小；水土保持服务供给量大于需求量，大部分城市位于低需求低供给与高需求高供给状态，其主要供需量产生于外围山地区域，供需空间基本匹配，整体供需状态正向演化趋势显著；生物多样性维持服务供需空间基本匹配，大部分城市处于高供给高需求或低供给供需求状态，中部生物多样性质量显著劣于城市群外围区域。

4.2 讨论

城市群发展模式具有国土空间的尺度与规模，其自然生态环境的支撑载体由城市绿地转变为山水林田湖草居的复杂生命共同体，因此系统分析其自然生态系统所供给服务功能与社会人居环境所需求服务功能的差异化特征，能有效帮助在城市群规划拟定时，每个单元城市中绿色空间发展目标的确定。

基于本研究结论，在成渝城市群后续发展中存在4个类型的城市单元。第一类为成都、重庆市，该类型核心城市各项生态系统服务功能基本均处于低供给高需求状态，城市内部生态资源已经严重不能满足人居环境需求以及社会经济产业的发展需求，该类型城市应首先考虑增量人口带来的服务供需缺口问题，对现状绿色空间存量进行严格保护，合理规划森林蓝绿空间的修复与建设，考虑跨城生态廊道的规划建设，建立合理的生态补偿机制，将高耗水高干扰的工业产业向资源富集区外移，合理控制迁入人口数量，缓解城市环境压力。第二类为资阳、绵阳、广安、自贡市，该类型城市各项生态系统服务功能基本均处于低供给低需求的平衡状态，但是由于服务供给量较低，其人居环境与产业发展受到极大限制，该类型城市应合理控制引入产业类型及规模，控制对生态环境压力较大的一、二产引入数量，以三产带动社会经济结构的逐步转型。第三类为泸州、宜宾、乐山、雅安、眉山、达州市，该类型城市生态系统服务功能多处于高供给低需求的富余状态，但是其中大部分城市位于山地林区，水土保持服务需求量较大，存在一定环境风险，该类型城市在城市群规划中应充分利用城市平原区合理引入绿色产业，在山林区建立完善风险预警机制，依托国家公园或自然保护区构建生态保护红线，控制生态空间的底限存量，同时该类型城市多为生物热点区域，后续规划中应注意在双城经济圈扩张时，城市建成区扩张对现状绿色空间的侵蚀与扰动。第四类为南充、德阳、遂宁、内江市，该类型城市除水源涵养服务处于低供给高需求状态，其他各项生态系统服务基本均衡，该类型城市应对区域内湿地水体等绿色空间进行存量保护，通过调整下垫面径流系数增加对地下水的回补，考虑跨城水利工程的规划建设，充分基于非核心城市水网形成资源互补，构建合理的水资源生态网络。

目前本研究中仍存在一定局限性，多源数据由于其数据格式与数据时效的不同，可能会造成局部的异常波动，同时讨论尺度偏向宏观，后续可在数据进一步细化后进行空间单元维度上的供需叠图，进一步增加研究的现实指导意义。由于城市群系统的复杂性与系统性，尽管在计算过程中优先采用全面性指标，但受限于数据精度，结论仍具有一定局限性，后续研究可进一步提升数据全面性，从而提高结论价值。

图表来源(Sources of Figures and Table)：

文中所有图表均由作者绘制，其中图1-1根据自然资源部监制地图GS(2019)1697号（审图号）改绘，未对国界、行政区域界线或者范围、重要地理信息数据等进行编辑调整；图1-2、2～7底图来自中科院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn/）。