王世豪,黃 麟,徐新良，徐淑琬

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101

2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

3 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101

4 中國人民大學(xué)附屬中學(xué)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(wù)[1- 4]。近年來,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(wù)的可持續(xù)性,利用價(jià)值量開展不同時(shí)段、不同區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化評價(jià)[5]。1997年,Costanza等區(qū)分17種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型估算了全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)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(wù)價(jià)值當(dāng)量表。許多研究沿用當(dāng)量法開展不同區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估,但由于生態(tài)系統(tǒng)及其服務(wù)的空間異質(zhì)性、評估復(fù)雜性,指標(biāo)選取不統(tǒng)一以及評價(jià)方法差異等原因,導(dǎo)致結(jié)果具有極大地不確定性[5,9],評價(jià)內(nèi)容和尺度難以滿足實(shí)踐需求[10]。此外,由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(wù)之間的關(guān)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]?？茖W(xué)合理地估算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),定量化描述其時(shí)空演化特征,分析主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)關(guān)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(hù)生態(tài)環(huán)境、維護(hù)人類社會福祉、促進(jìn)人與自然和諧發(fā)展大有裨益[14]。

近幾十年,伴隨經(jīng)濟(jì)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(wù)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(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈現(xiàn)復(fù)雜的時(shí)空變化特征[14,16],由此引發(fā)了水污染、大氣污染、溫室效應(yīng)等一系列生態(tài)環(huán)境問題[17], 嚴(yán)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(wù)的影響,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)地城市發(fā)展,已成為城市化研究的熱點(diǎn)問題[19- 22]。眾多學(xué)者開展了城市化地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(wù)價(jià)值當(dāng)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(wù)價(jià)值,分析了城市土地利用結(jié)構(gòu)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系[14,24- 26]。然而,對于城市化影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以及引起各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互關(guān)系變化的時(shí)空過程,目前相關(guān)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(jī)遇,受到國內(nèi)外廣泛關(guān)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(jìn)程改變了城市的空間格局和自然景觀[29],同時(shí)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(wù)降低,嚴(yán)重阻礙區(qū)域經(jīng)濟(jì)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(wù),李婧賢等[32]構(gòu)建了一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(kuò)張、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)方面選取生態(tài)敏感性評價(jià)因子并構(gòu)建指標(biāo)體系,分析了近20年大灣區(qū)生態(tài)敏感性時(shí)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(wù)的時(shí)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(wù)估算,對城市化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)演化規(guī)律及其權(quán)衡與協(xié)同關(guān)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(wù)與水源涵養(yǎng)、土壤保持調(diào)節(jié)服務(wù)的時(shí)空演化特征,進(jìn)而探討供給服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,通過了解過去十幾年大灣區(qū)城市化進(jìn)程中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其相互關(guān)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(fù)面影響、生態(tài)保護(hù)的薄弱區(qū)域以及未來需要加強(qiáng)保護(hù)的重要區(qū)域。本研究對于粵港澳大灣區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展同時(shí)開展生態(tài)保護(hù)、改善大灣區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)城市化的健康發(fā)展,具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)價(jià)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(gè)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(jì)活力最強(qiáng)的區(qū)域之一[34]。大灣區(qū)以亞熱帶季風(fēng)氣候?yàn)橹?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(xué)院資源環(huán)境科學(xué)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(shè)用地、未利用土地等6個(gè)一級類和25個(gè)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(jìn)而統(tǒng)計(jì)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(wù)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(shí)間內(nèi)累積的有機(jī)物數(shù)量,由光合作用獲得的有機(jī)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(wù)量化的指標(biāo)。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(jì)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(shí)間序列為2000—2015年。該數(shù)據(jù)已廣泛應(yīng)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(wù)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(wù)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(xiàn)搜集獲得實(shí)測降雨產(chǎn)流臨界值, 并以臨近氣象臺站實(shí)測的日降水量修正同時(shí)期得到的TRMM逐日3 h降水量, 累計(jì)單次降雨量大于降雨產(chǎn)流臨界值的數(shù)值,得到單點(diǎn)產(chǎn)流降雨量占降雨總量的比例, 進(jìn)而與多年平均河川徑流系數(shù)建立線性關(guān)系,得到K值的空間分布。森林R值主要通過搜集已有文獻(xiàn)資料, 草地R值根據(jù)植被覆蓋度[42,45]計(jì)算。

1.3.3土壤保持服務(wù)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(shí)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(rèn)為土壤水蝕強(qiáng)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(jì)算Kse,其中,OM是土壤有機(jī)質(zhì)含量百分比(%),M是土壤粉粒、極細(xì)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?；贛cCool等[47]和劉寶元等[48]的方法估算L和S,其中,λ為坡長(m),計(jì)算L時(shí)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(jìn)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(diǎn)的方法,避免了坡長因子的高估。根據(jù)蔡崇法[49]的方法計(jì)算確定C。

1.3.4生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系分析

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

相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下：

(10)

一階偏相關(guān)系數(shù)計(jì)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(guān)系數(shù),rij、rih、rjh分別為兩個(gè)變量的相關(guān)系數(shù)。

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

根據(jù)偏相關(guān)系數(shù)的零假設(shè)檢驗(yàn)t檢驗(yàn)方法,判斷生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間相互關(guān)系的顯著性。t檢驗(yàn)公式如下：

(12)

式中,r是對應(yīng)的偏相關(guān)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(dāng)t>t0.05(n-k-2)時(shí)即P<0.05,拒絕原假設(shè),相關(guān)性結(jié)果顯著,當(dāng)t>t0.01(n-k-2)時(shí)即P<0.01,拒絕原假設(shè),相關(guān)性結(jié)果極顯著。t0.05(n-k-2)和t0.01(n-k-2)查閱t檢驗(yàn)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(shí)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(dá)68.6%,其中,中山市、東莞市和佛山市分別達(dá)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(dá)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(dǎo)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(wù)時(shí)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(dá)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(dá)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(wù)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(dá)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(wù)量及變化趨勢統(tǒng)計(jì)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(wù)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?？诘貐^(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(dá)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(wù)的相關(guān)關(guān)系時(shí)空變化特征

2.3.1相關(guān)關(guān)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(wù)與水源涵養(yǎng)服務(wù)的相關(guān)關(guān)系來看,表現(xiàn)為顯著或極顯著空間權(quán)衡關(guān)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(guān)系為1680 km2,約占4%,而不顯著的空間權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系分別占38.4%和53.4%,還有2.7%顯示為無相關(guān)關(guān)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(guān)系,而珠江口及大灣區(qū)西北部以協(xié)同關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(wù)的相關(guān)關(guān)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(wù)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)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(wù)的相關(guān)關(guān)系來看,表現(xiàn)為顯著或極顯著權(quán)衡關(guān)系的面積為81 km2,約占0.2%,顯著或極顯著協(xié)同關(guān)系的為8011 km2,約占18.6%,不顯著的空間權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系分別占14.1%和65.4%,還有1.7%顯示為無相關(guān)關(guān)系。相當(dāng)一部分區(qū)域表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)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(guān)系,主要城鎮(zhèn)周邊的供給服務(wù)和土壤保持服務(wù)以顯著正相關(guān)性為主,即顯著空間協(xié)同關(guān)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(guān)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(guān)系的面積占比分別為33.3%和32.0%(圖4)。

2.3.2相關(guān)關(guān)系的時(shí)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(wù)之間關(guān)系的時(shí)間過程變化來看(圖5,圖6),總體以不同程度的協(xié)同關(guān)系為主,期間部分時(shí)間段可能呈現(xiàn)不同程度的權(quán)衡關(guān)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(wù)相關(guān)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(hù)措施,特別是權(quán)衡關(guān)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(shí)施生態(tài)保護(hù)時(shí)注意關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(wù)的相關(guān)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(wù)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(jì),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(jì)迅速增長的同時(shí),城鎮(zhèn)、建設(shè)用地?cái)U(kuò)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(wù)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(dá)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(kuò)張,過度圍墾嚴(yán)重影響濱海濕地凈化污染、保灘護(hù)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(jìn)而影響水源涵養(yǎng)功能,這與本文關(guān)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(hù)等森林保護(hù)修復(fù)政策的實(shí)施,較多農(nóng)田轉(zhuǎn)為森林,同時(shí)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(jìn)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(jì)社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)并舉提到首要高度。粵港澳大灣區(qū)作為我國開放程度最高、經(jīng)濟(jì)活力最強(qiáng)的區(qū)域,規(guī)劃建設(shè)成為更具活力的經(jīng)濟(jì)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(wù)的過去發(fā)展的時(shí)空演化態(tài)勢,可以看出城市化擠占生態(tài)空間導(dǎo)致的生產(chǎn)力供給、水源涵養(yǎng)等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力下降,得出了作為大灣區(qū)生態(tài)服務(wù)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(wù)的權(quán)衡關(guān)系,這些都將成為大灣區(qū)未來發(fā)展的負(fù)面因素。因此,生態(tài)保護(hù)、環(huán)境優(yōu)化必須放在與城市發(fā)展、經(jīng)濟(jì)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(hù)紅線和城市發(fā)展界線,實(shí)行最嚴(yán)格的生態(tài)環(huán)境保護(hù)制度,才可能建設(shè)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(guān)部門需要制定針對性的政策,減少城鎮(zhèn)擴(kuò)張和不合理的人類活動對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(wù)主要提供區(qū)域的肇慶、惠州、江門等,應(yīng)兼顧推進(jìn)大灣區(qū)自然保護(hù)地和游憩生態(tài)空間建設(shè),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(gè)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(wù)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(wù)開展針對性估算或模擬研究。(3)學(xué)界對于水源涵養(yǎng)尚未形成一致認(rèn)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(shí)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(jìn)一步提高生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)量的估算精度,需要進(jìn)一步結(jié)合地面調(diào)查對土壤侵蝕方程中的管理因子進(jìn)行參數(shù)本地化。(5)大灣區(qū)城鎮(zhèn)化導(dǎo)致森林、農(nóng)田等自然生態(tài)系統(tǒng)面積銳減,進(jìn)而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(jìn)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(diǎn),研究城市群地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)還需要綜合考慮文化服務(wù)等[32,55],在空間上對多個(gè)服務(wù)進(jìn)行綜合評價(jià)及權(quán)衡,為大灣區(qū)生態(tài)修復(fù)與管理提供決策支持。

此外,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同的分析方法有很多,主要包括相關(guān)分析、雙變量空間自相關(guān)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(jìn)行相關(guān)性分析而非只把兩年數(shù)據(jù)相減,能較為準(zhǔn)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(wù)的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系。其中NPP與土壤保持為相互增益的協(xié)同關(guān)系,這與一些學(xué)者的研究結(jié)果是一致的[57]。下一步,需要進(jìn)一步通過創(chuàng)建漁網(wǎng)把研究區(qū)格網(wǎng)化后再進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)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(wù)的時(shí)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(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)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(wù)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(wù)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(wù)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(wù)均以協(xié)同關(guān)系為主,而在大灣區(qū)東北部、南部權(quán)衡關(guān)系明顯。因此,針對供給與調(diào)節(jié)服務(wù)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(hù)修復(fù)措施。