范逸凡,王 珂,2,黃 璐

1 浙江大學環(huán)境與資源學院, 杭州 310058 2 浙江大學新農村發(fā)展研究院, 杭州 310058

生態(tài)系統(tǒng)服務是生態(tài)系統(tǒng)與人類福祉聯(lián)系的重要紐帶[1],包括直接作用于人類的供給服務、調節(jié)服務、文化服務,以及維持生態(tài)系統(tǒng)功能的支持服務。鄉(xiāng)村作為景觀尺度上的空間聚落,是在鄉(xiāng)村山水林田湖草各類生態(tài)系統(tǒng)基礎上形成的村鎮(zhèn)有機體及其居業(yè)協(xié)同體,包含復雜性、綜合性、動態(tài)性、開放性等特征[2]。相較于城市,鄉(xiāng)村在人口密度、土地利用方式、生態(tài)環(huán)境特征、社會經(jīng)濟狀況、歷史文化傳承等方面存在顯著不同,因而在糧食生產(chǎn)、穩(wěn)定碳平衡、水源涵養(yǎng)、文化體驗等方面具有重要作用[3]。由于美麗鄉(xiāng)村的持續(xù)推進、鄉(xiāng)村振興的全面實施,中國鄉(xiāng)村景觀發(fā)生了巨大變化,鄉(xiāng)村生態(tài)系統(tǒng)受到不同程度的擾動[4],其生態(tài)系統(tǒng)服務也因此發(fā)生了改變。由于不同生態(tài)系統(tǒng)服務間具有此消彼長的權衡、互相增益的協(xié)同等復雜的相關關系[5],厘清鄉(xiāng)村各類生態(tài)系統(tǒng)服務間的相關關系,分析其空間異質、特征類型[6],對保障鄉(xiāng)村生態(tài)系統(tǒng)服務的持續(xù)供給、實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略具有重要的現(xiàn)實意義。

目前,生態(tài)系統(tǒng)服務的權衡與協(xié)同研究已成為可持續(xù)性科學、生態(tài)學、地理學、環(huán)境科學等相關學科和交叉學科的研究前沿與熱點[7—9]。在WOS核心合計數(shù)據(jù)庫(Web of Science Core Collection)中,自2006年以來,生態(tài)系統(tǒng)服務的權衡與協(xié)同研究進入快速的發(fā)展階段,刊文量和引文量呈持續(xù)高速增長的趨勢。在研究內容上,共引頻次較高的文獻聚焦于歸納探討生態(tài)系統(tǒng)服務的空間分布和相互作用,如Turner等[10]發(fā)現(xiàn)丹麥的生態(tài)系統(tǒng)服務具有集群分布特征,Howe等[11]分析指出2000—2013年全球尺度上生態(tài)系統(tǒng)服務間的相關關系以權衡關系為主。在權衡與協(xié)同關系上,各研究區(qū)的關系差異顯著,如研究水源涵養(yǎng)、碳貯存和土壤保持之間的相關關系,祁寧等[12]在東北地區(qū)的研究結果為協(xié)同關系,而劉華妍等[13]在北京市發(fā)現(xiàn)碳貯存與土壤保持之間為協(xié)同關系,產(chǎn)水量與碳貯存、土壤保持之間為權衡關系。目前的關系研究以靜態(tài)為主,在動態(tài)變化分析方面較為薄弱[14]。在研究對象上,目前研究多涉及國家、流域、地區(qū)等大尺度[15],對鄉(xiāng)村的關注度不高。在研究方法上,國內外學者運用相關分析法、權衡協(xié)同度、貝葉斯網(wǎng)絡等多種方法[16]識別生態(tài)系統(tǒng)服務的權衡與協(xié)同關系,如劉海等[17]使用相關性分析方法和生態(tài)系統(tǒng)服務權衡協(xié)同度模型對1990—2015年丹江口水源區(qū)10類生態(tài)系統(tǒng)服務的權衡協(xié)同關系展開研究；Dobbs等[18]利用貝葉斯回歸分析城市植被生態(tài)系統(tǒng)服務間的權衡與協(xié)同關系,并研究社會、政府與氣候對其影響。

作為中國“美麗鄉(xiāng)村”發(fā)源地、“兩山”理念誕生地,湖州自然生態(tài)要素齊全,文化景觀類型眾多,擁有“?；~塘”全球重要農業(yè)文化遺產(chǎn)、“太湖溇港”世界灌溉工程遺產(chǎn)等。近年來,隨著鄉(xiāng)村地區(qū)社會經(jīng)濟蓬勃發(fā)展,生態(tài)系統(tǒng)服務間的供需矛盾日益突出[19]。生態(tài)系統(tǒng)服務間的供需關系作為可持續(xù)景觀規(guī)劃的基礎[20—21],在面對復雜變化的人地矛盾時,探究不同時期鄉(xiāng)村地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務權衡與協(xié)同關系對生態(tài)系統(tǒng)服務價值保育及鄉(xiāng)村可持續(xù)發(fā)展具有重要指導意義。因此,本研究以湖州市鄉(xiāng)村地區(qū)為例,選取四項生態(tài)系統(tǒng)服務,基于多種模型開展定量評估,分析其時空變化與分布特征,探究服務間的權衡與協(xié)同關系,以期揭示鄉(xiāng)村地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)供給、調節(jié)、文化服務間的關系,為鄉(xiāng)村的合理規(guī)劃和可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)與參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1.1研究區(qū)概況

湖州市地處浙江省西北部(119°14′—120°29′E,30°22′—31°11′N),位于江、浙、皖三省交界處,西接天目山,北濱太湖,山水林田湖自然生態(tài)要素豐富(圖1)。西南部以山區(qū)丘陵為主,東部屬平原水鄉(xiāng),多樣的地貌類型造就了特色的鄉(xiāng)村景觀。湖州市包含三縣兩區(qū),鄉(xiāng)村面積42.89萬hm2,2018年鄉(xiāng)村常住人口210.22萬,全年實現(xiàn)農林牧漁業(yè)總產(chǎn)值216.42億元。

圖1 研究區(qū)范圍Fig.1 Location of the study area

1.1.2數(shù)據(jù)來源

①地理空間數(shù)據(jù)：2010年、2015年、2018年30m×30m土地利用數(shù)據(jù)來源于中科院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/Datalist1.aspx?FieldTyepID=1,3)；1km×1km土壤質地數(shù)據(jù)來源于中科院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=260),經(jīng)重采樣得到30m×30m分辨率數(shù)據(jù)；30m×30m DEM(Digital Elevation Model)數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),并以此提取坡度信息；道路交通、水系、行政區(qū)劃等數(shù)據(jù)來源于Open street map(https://www.openstreetmap.org/)；

②環(huán)境數(shù)據(jù)：2009—2019年1km×1km逐月降水量與平均氣溫數(shù)據(jù)來源于國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心(http://www.geodata.cn),并以此計算湖州市年平均降水量、氣溫和蒸散量；

③社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)：統(tǒng)計用區(qū)劃和城鄉(xiāng)劃分代碼數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計局(http://www.stats.gov.cn/tjsj/tjbz/tjyqhdmhcxhfdm/)；2010年、2015年、2018年高德電子地圖興趣點(Point of Interest, POI)數(shù)據(jù)均基于高德地圖平臺開放的應用程序接口(API),以“公司、企業(yè)”等關鍵詞抓取工廠POI數(shù)據(jù),以“風景名勝”抓取研究區(qū)內具有休閑游憩功能的景觀POI數(shù)據(jù),以“餐飲、住宿、酒店”等關鍵詞抓取食宿POI數(shù)據(jù),抓取結果包含各類數(shù)據(jù)的空間信息和屬性信息。

1.2 生態(tài)系統(tǒng)服務估算

鄉(xiāng)村能夠為人類提供所需的糧食等物質產(chǎn)品,發(fā)揮調節(jié)水源、改善區(qū)域小氣候等調節(jié)作用,滿足人們休閑游憩的文化服務需求[22]。湖州素來被譽為魚米之鄉(xiāng)、江南水鄉(xiāng),不僅糧食充裕、水網(wǎng)密布,森林覆蓋率高,而且是國家歷史文化名城,農業(yè)文化遺產(chǎn)豐富。因此,本研究以千年生態(tài)系統(tǒng)評估框架為分類基礎,結合區(qū)域實際,以糧食供給、碳貯存、水源涵養(yǎng)、文化服務四項生態(tài)系統(tǒng)服務為代表展開研究。

1.2.1糧食供給

在一定的區(qū)域尺度上,糧食生產(chǎn)潛力受氣候變化、水資源空間分布等影響[23]。本研究利用Thornthwaite Memorial模型和Miami模型相結合計算標準氣候生產(chǎn)潛力[24],并綜合土地自然質量、基礎設施、限制條件等因素量化修正,得到綜合生產(chǎn)潛力以表征糧食供給服務值。

Miami模型公式為：

WT=30000/(1+e1.315-0.119T)

(1)

WR=30000/(1-e-0.000664R)

(2)

Thornthwaite Memorial模型公式為：

Wv=30000/(1-e-0.0009695(v-20))

(3)

V=1.05R/[1+(1.05R/L)2]1/2

(4)

L=300+25T+0.05T3

(5)

W=min(WT,WR,Wv)

(6)

式中,T為年平均氣溫(℃)；R為年降水量(mm)；L為年平均最大蒸散量(mm)；V為年平均實際蒸散量(mm)；WT、WR、WV分別為年平均氣溫、年降水量和蒸散量決定的植被生產(chǎn)潛力(kg/ha·a)；W為研究區(qū)域的標準氣候生產(chǎn)潛力。

本研究從土地自然質量、基礎設施、限制條件3個方面選取8個指標構建綜合修訂系數(shù)(表1),利用土地利用、DEM、土壤質地、道路、水系、工廠POI等數(shù)據(jù),結合前人研究成果[25—26]和層次分析法確定各指標權重(表2),進而修訂標準氣候生產(chǎn)潛力。其公式為：

Yi=Wi×Ki

(7)

式中,Yi為地塊i的綜合生產(chǎn)潛力；Wi為地塊i的標準氣候生產(chǎn)潛力；Ki為地塊i的生產(chǎn)潛力綜合修訂系數(shù)。

1.2.2碳貯存

生態(tài)系統(tǒng)利用植被和土壤等固定大氣CO2,影響全球碳平衡格局和區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況[27]。本研究利用InVEST模型的Carbon模塊測算區(qū)域的碳儲量,各地類的碳密度結合InVEST模型的推薦取值與鄒文濤等[28]研究確定。其公式為：

Ctotal=Cabove+Cunder+Csoil+Cdead

(8)

式中,Ctotal為生態(tài)系統(tǒng)碳總量,Cabove為地上部分生物量碳庫,Cunder為地下部分生物量碳庫,Csoil為土壤有機質碳庫,Cdead為死亡有機質碳庫。

表1 綜合生產(chǎn)潛力修訂指標無量綱分值標準

表2 綜合生產(chǎn)潛力修訂指標權重系數(shù)

1.2.3水源涵養(yǎng)

生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)服務表現(xiàn)為徑流調節(jié)、降水攔蓄、降雨量影響等[29]。本研究通過水量平衡法計算平均水源涵養(yǎng)量,以此反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)服務。其公式為：

Qx=Px-Px×Rx-ETx

(9)

式中,Qx為柵格x水源涵養(yǎng)量,Px為柵格x年均降雨量,Rx為不同生態(tài)系統(tǒng)柵格x地表徑流系數(shù),ETx為年均蒸散發(fā)量。

1.2.4文化服務

生態(tài)系統(tǒng)文化服務是生態(tài)系統(tǒng)為人類提供的精神上的享受,指通過精神豐富、認知發(fā)展、游憩娛樂和美學享受等方式從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的非物質效用和價值[30—31]。最大熵模型于2006年由普林斯頓大學的Phillips等構建,早期廣泛應用于物種分布研究[32],近年來應用于其他領域,如Richards[33]、Yoshimura等[34]利用該模型研究生態(tài)系統(tǒng)的社會文化價值。本研究基于Maxent3.4.1平臺,從高德地圖API中獲取具有景觀審美、精神享受、文化遺產(chǎn)等多重體驗的“風景名勝”POI數(shù)據(jù)作為樣本點數(shù)據(jù),從自然、人為兩方面選取六項指標作為環(huán)境變量數(shù)據(jù)(表3)[35—36],將樣本點數(shù)據(jù)與環(huán)境變量數(shù)據(jù)輸入Maxent模型測算得到評價結果。

表3 文化服務的環(huán)境變量信息

1.3 權衡與協(xié)同關系分析

1.3.1相關性分析

本研究采用Pearson相關系數(shù)來評價不同生態(tài)系統(tǒng)服務(糧食供給、碳貯存、水源涵養(yǎng)、文化服務)兩兩之間的相關關系,以此來探究四項生態(tài)系統(tǒng)服務之間的權衡與協(xié)同關系[37]。為了量化不同生態(tài)系統(tǒng)服務之間的關系,運用極值法對評價結果進行標準化處理,使結果歸一化,以消除量綱的影響?；贏rcGIS 10.2平臺Create Fishnet工具,綜合考慮數(shù)據(jù)分辨率和結果可靠性,將不同時間節(jié)點上標準化后的各項生態(tài)系統(tǒng)服務以1km×1km漁網(wǎng)提取至表,在SPSS 20.0中計算兩兩生態(tài)系統(tǒng)服務之間的Pearson相關系數(shù),并對相關系數(shù)結果進行顯著性檢驗,以此判定生態(tài)系統(tǒng)服務之間的關系。當相關系數(shù)通過顯著性檢驗,且相關系數(shù)為正時,認為兩者存在協(xié)同效應；當相關性系數(shù)為負時,認為存在權衡效應[38]。其公式為：

(10)

1.3.2熱點區(qū)域識別

基于ArcGIS 10.2平臺,對各年份生態(tài)系統(tǒng)服務評價結果進行疊置。熱點區(qū)對應超過該年份生態(tài)系統(tǒng)服務均值的區(qū)域,其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類熱點區(qū)分別對應超過該年份1、2、3、4項生態(tài)系統(tǒng)服務均值的區(qū)域,非熱點區(qū)對應未超過該年份任一生態(tài)系統(tǒng)服務均值的區(qū)域[39]。依據(jù)劃分原則,獲得不同時期湖州市鄉(xiāng)村地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務熱點區(qū)空間分布圖。利用重心遷移模型分析不同時期各級熱點區(qū)重心的空間轉移特征,其公式為[40]：

(11)

(12)

(13)

式中,Xt、Yt為各級熱點區(qū)的重心坐標,Xi、Yi為熱點區(qū)i的坐標,Cti為熱點區(qū)在單位時間變化的面積,n為熱點區(qū)i的地塊數(shù)量,D為重心移動距離。

2 結果與分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務時空演變

2.1.1糧食供給服務

標準氣候生產(chǎn)潛力經(jīng)多指標修訂后,數(shù)值成為相對值,因此采用自然斷點法,將經(jīng)過修訂并歸一化后的區(qū)域土地綜合生產(chǎn)潛力分成三級(圖2)?？臻g分布上,2010—2018年的生產(chǎn)潛力基本保持一致,總體呈現(xiàn)東高西低的分布趨勢。其中一級區(qū)生產(chǎn)潛力最高,主要位于東部水網(wǎng)平原與西部河谷平原地區(qū),地類以耕地為主；二級區(qū)生產(chǎn)潛力中等,主要分布在西北部、南部和中部的丘陵山區(qū),地類以林地等為主；三級區(qū)生產(chǎn)潛力較差,穿插分布在東部水網(wǎng)平原與西部河谷平原,地類以水域、建設用地為主。時間變化上,湖州市2010年、2015年、2018年生產(chǎn)潛力指數(shù)均值分別為0.56、0.57、0.53,總體雖有波動但變化幅度小。

圖2 2010—2018年湖州市鄉(xiāng)村地區(qū)糧食供給服務空間分布Fig.2 Spatial distribution of food supply service in rural areas of Huzhou, 2010—2018

2.1.2碳貯存服務

基于InVEST模型的Carbon模塊,得到碳貯存的空間分布值,并利用自然斷點法,將區(qū)域內固碳值分成三級(圖3)?？臻g分布上,2010—2018年的碳貯存結果基本保持一致,一級區(qū)集中在西北部、南部和中部的高山林地,固碳能力最強；二級區(qū)位于東部和中北部的水網(wǎng)平原地區(qū),固碳能力一般；三級區(qū)零星分布在東部水網(wǎng)平原與西部河谷平原的水系及建設用地上,固碳能力最差。時間變化上,湖州市鄉(xiāng)村地區(qū)2010年、2015年、2018年的平均碳儲量分別為204.62 t/hm2、204.38 t/hm2、203.18 t/hm2,約有47.27%、47.21%、46.91%的地區(qū)高于均值,分別固定碳總量9.63×107t、9.62×107t、9.56×107t(理論值)。

圖3 2010—2018年湖州市鄉(xiāng)村地區(qū)碳貯存服務空間分布Fig.3 Spatial distribution of carbon storage service in rural areas of Huzhou, 2010—2018

2.1.3水源涵養(yǎng)服務

依托ArcGIS 10.2平臺的空間計算功能和水量平衡法公式,得到市域鄉(xiāng)村生態(tài)系統(tǒng)的平均水源涵養(yǎng)量,利用自然斷點法,將其分成三級(圖4)?？臻g分布上,2010—2018年的水源涵養(yǎng)結果基本保持一致,一級區(qū)位于南部和中部的高山林地,水源涵養(yǎng)能力突出；二級區(qū)集中分布在市域西北部的長興縣,但縣域空間分布不均；三級區(qū)以東部平原水網(wǎng)為主,水源涵養(yǎng)能力整體一般；水源涵養(yǎng)服務的空間分布特點與碳貯存相似。時間變化上,湖州市鄉(xiāng)村地區(qū)2010年、2015年、2018年的平均水源涵養(yǎng)量分別為3.44×105m3km-2a-1、3.76×105m3km-2a-1、3.48×105m3km-2a-1,約有52.75%、52.56%、52.64%地區(qū)的涵養(yǎng)量在均值以上。

圖4 2010—2018年湖州市鄉(xiāng)村地區(qū)水源涵養(yǎng)服務空間分布Fig.4 Spatial distribution of water conservation service in rural areas of Huzhou, 2010—2018

2.1.4文化服務

本研究采用自然斷點法,將基于Maxent模型得到并歸一化后的文化服務供應能力結果分成三級(圖5)?？臻g分布上,2010—2018年的文化服務結果存在一定變化,且與土地利用類型關系較弱,與景點分布關系密切。2010年一級區(qū)主要集中在德清縣莫干山周圍,其他則零星分布在靠近城鎮(zhèn)的區(qū)域；2015年一級區(qū)向德清縣莫干山、長興縣顧渚山和安吉縣東南部等區(qū)域聚集,其余呈散狀分布；2018年一級區(qū)在德清縣莫干山、吳興區(qū)西塞山、長興縣顧渚山周圍和安吉縣東南部山地等區(qū)域擴張。時間變化上,湖州市2010年、2015年、2018年文化服務供應能力均值分別為0.12、0.13、0.15,總體呈增長趨勢。

圖5 2010—2018年湖州市鄉(xiāng)村地區(qū)文化服務空間分布Fig.5 Spatial distribution of culture ecosystem service in rural areas of Huzhou, 2010—2018

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務權衡與協(xié)同關系分析

2.2.1生態(tài)系統(tǒng)服務相關性分析

為消除量綱差異影響,本研究通過極值法對評價結果進行歸一化處理?；赟PSS軟件,對生態(tài)系統(tǒng)服務兩兩之間的相關關系進行分析(表4)。2010—2018年,所有生態(tài)系統(tǒng)服務之間的相關性分析結果均通過0.01水平的顯著性檢驗。水源涵養(yǎng)與碳貯存、糧食供給之間的相關系數(shù)顯著為正,說明這兩對生態(tài)系統(tǒng)服務之間存在顯著的協(xié)同效應,其中水源涵養(yǎng)-碳貯存之間協(xié)同效應保持穩(wěn)定(2010年：r=0.71；2015年：r=0.70；2018年：r=0.70),水源涵養(yǎng)-糧食供給之間協(xié)同效應明顯增強(2010年：r=0.24；2015年：r=0.33；2018年：r=0.40),但總體上水源涵養(yǎng)-碳貯存之間的協(xié)同效應遠高于水源涵養(yǎng)-糧食供給的協(xié)同效應。糧食供給-碳貯存之間的相關系數(shù)由負轉正,說明二者由權衡效應向協(xié)同效應轉變(2010年：r=-0.03；2015年：r=0.02；2018年：r=0.09),但總體相關性很弱。文化服務與水源涵養(yǎng)、糧食供給、碳貯存之間的相關系數(shù)均顯著為負,說明這三對生態(tài)系統(tǒng)服務之間存在顯著的權衡效應,其中文化服務-水源涵養(yǎng)之間權衡效應保持穩(wěn)定(2010年：r=-0.37；2015年：r=-0.35；2018年：r=-0.36),文化服務-糧食供給之間權衡效應不斷增強(2010年：r=-0.22；2015年：r=-0.30；2018年：r=-0.31),文化服務-碳貯存之間權衡效應波動性減弱(2010年：r=-0.19；2015年：r=-0.11；2018年：r=-0.13),總體上文化服務與水源涵養(yǎng)之間的權衡效應最強、與糧食供給次之、與碳貯存最弱?？傮w而言,研究期內湖州市鄉(xiāng)村地區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)服務之間相關關系以權衡效應為主,協(xié)同效應較少,且多數(shù)服務間效應呈增強之勢。

表4 湖州市鄉(xiāng)村地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)間的相關系數(shù)

2.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務熱點區(qū)域識別

生態(tài)系統(tǒng)往往可以提供多種生態(tài)服務,如林地既可以提供碳貯存與水源涵養(yǎng)服務,還能提供文化服務。因此,本研究在分析生態(tài)系統(tǒng)權衡與協(xié)同關系的基礎上,基于熱點區(qū)域識別方法,得到2010—2018年湖州市鄉(xiāng)村地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務熱點區(qū)分布(圖6)?？臻g分布上,Ⅰ類熱點區(qū)主要聚集在東部與西部的平原耕地,糧食供給能力較高但其他生態(tài)系統(tǒng)服務能力一般；Ⅱ類熱點區(qū)集中分布在中部與西部的高山林地,碳貯存與水源涵養(yǎng)能力較高；Ⅲ類熱點區(qū)在中、西部的林地與耕地上均有分布,碳貯存與水源涵養(yǎng)能力普遍較高,糧食供給或文化服務能力在部分地區(qū)也存在較高值；Ⅳ類熱點區(qū)分布較為分散,以山地-平原過渡區(qū)為主,四項生態(tài)系統(tǒng)服務能力比較均衡；非熱點區(qū)零星分布在靠近城鎮(zhèn)的區(qū)域,可提供的生態(tài)系統(tǒng)服務類型雖多,但數(shù)值均較低。時間變化上,Ⅰ類熱點區(qū)從2010年的34.43%增至2018年的36.68%；Ⅱ類熱點區(qū)面積減少較多,2010年的占比達37.34%,2018年占比僅30.28%,主要向Ⅲ類熱點區(qū)轉變；Ⅲ類熱點區(qū)在2010—2018年由17.67%增至21.10%,年際增幅明顯；Ⅳ類熱點區(qū)和非熱點區(qū)面積較小且呈零星分布,其變化受時間影響不大。重心遷移上,2010—2018年Ⅰ類熱點區(qū)重心遷移距離最小,在吳興區(qū)中南部800m范圍內小幅變化；Ⅱ類熱點區(qū)重心在安吉東北部略向西南偏移,總體偏移量在1200m以內；Ⅲ類、Ⅳ類熱點區(qū)重心相較于Ⅱ類更靠近安吉縣中部；非熱點區(qū)重心偏移幅度最大,由吳興區(qū)西南向中部靠攏(圖7)。

圖6 2010—2018年湖州市鄉(xiāng)村地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務熱點區(qū)空間分布Fig.6 Spatial distribution of hotspots for ecosystem services in rural areas of Huzhou, 2010—2018

圖7 2010—2018年湖州市鄉(xiāng)村地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務熱點區(qū)重心分布Fig.7 Spatial distribution of the center of gravity in hotspots for ecosystem services in rural areas of Huzhou, 2010—2018

3 討論

3.1 湖州鄉(xiāng)村生態(tài)系統(tǒng)服務的空間集聚性與服務多元性

湖州市鄉(xiāng)村地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務在2010—2018年整體呈下降趨勢,對土地利用類型的變化表現(xiàn)出一定的敏感度。糧食供給、碳貯存與水源涵養(yǎng)服務不同程度的波動揭示了城市化進程對耕地、林地等自然用地被占用所帶來的消極影響[41]；糧食供給服務在湖州市東部地區(qū)交叉分布極高值與極低值,原因在于該區(qū)域地勢平坦,有利于農業(yè)生產(chǎn),也同樣適宜城市開發(fā)建設,體現(xiàn)城市發(fā)展與農業(yè)生產(chǎn)之間的用地矛盾；碳貯存服務、水源涵養(yǎng)服務的年際差異與區(qū)域耕地、林地、草地等地類的面積變化密切相關；文化服務的空間聚集與價值提升體現(xiàn)了區(qū)域充分利用環(huán)境優(yōu)勢,不斷挖掘文旅、養(yǎng)老、文創(chuàng)等產(chǎn)業(yè)潛力。水源涵養(yǎng)、碳貯存與糧食供給3項服務之間以協(xié)同效應為主,與前人的研究結果有所差異[42—43],這可能是由于在自然要素和社會要素的共同作用下[44],湖州市以?；~塘為代表的循環(huán)農業(yè)使水源涵養(yǎng)、碳貯存與糧食供給服務間的關系總體呈協(xié)同效應而非權衡效應。Ⅱ類熱點區(qū)以碳貯存與水源涵養(yǎng)服務為主,三年占比均超56%,這與兩者協(xié)同效應的相關性分析結果符合,體現(xiàn)了相關性分析與熱點區(qū)識別的關聯(lián)。Ⅱ類熱點區(qū)在研究時期內主要向Ⅲ類熱點區(qū)轉變的現(xiàn)象,體現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)服務類型向多元化方向發(fā)展的趨勢,這與研究者在漢江流域非熱點區(qū)向Ⅰ類熱點區(qū)轉變的研究結果類似[45],差異主要與研究的生態(tài)系統(tǒng)服務數(shù)量、類型不同有關。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務權衡與協(xié)同研究的方法改進

本研究綜合運用Thornthwaite Memorial模型、Miami模型、InVEST模型、水量平衡法、Maxent模型等方法對該區(qū)域四項生態(tài)系統(tǒng)服務進行時空演變分析?；赥hornthwaite Memorial模型和Miami模型計算標準氣候生產(chǎn)潛力,并利用多重因素進行量化修正,使其理論上更為可靠,但機理支持依據(jù)仍較為薄弱[46]；InVEST模型的Carbon模塊利用多源數(shù)據(jù)進行評價,實現(xiàn)定量化和空間化,但由于不同地區(qū)相同土地利用類型的單位碳儲量并不相同,這提高了碳儲量評估的不確定性[47]；利用水量平衡法計算區(qū)域平均水源涵養(yǎng)量,綜合了氣候、地形等對水循環(huán)的影響,但未考慮地表水以及地下水的影響[48]；Maxent模型作為機器學習算法,具有準確率高、環(huán)境變量設置靈活等優(yōu)點,POI數(shù)據(jù)具有時效性強、信息量大等優(yōu)勢,能彌補文化服務難以量化表達的缺陷,但由于模型精度依賴于訓練樣本,受定位精度所限,2010年前后的POI數(shù)據(jù)精準性一般,但對整體結果影響較小。本研究僅量化了四項具有代表性的生態(tài)系統(tǒng)服務,無法全面衡量區(qū)域的綜合服務能力；同時生態(tài)系統(tǒng)各服務間存在互相影響、互相作用[49—50],如Ⅲ類熱點區(qū)存在碳貯存、水源涵養(yǎng)與文化服務均較高的區(qū)域,這與相關性分析結果中文化服務與碳貯存、水源涵養(yǎng)呈權衡效應相矛盾,說明不能僅分析兩個服務之間的相關關系。因此,后續(xù)研究將基于服務簇進行權衡與協(xié)同關系評估[51],探究其影響因素與驅動機理,更好地制定差異化管理方案。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務權衡與協(xié)同研究對后續(xù)規(guī)劃的啟發(fā)

土地利用類型對生態(tài)系統(tǒng)服務差異、權衡協(xié)同關系及熱點區(qū)分布有直接作用,其變化將影響當?shù)乜臻g規(guī)劃。2020年《湖州“五谷豐登”規(guī)劃(2020—2035)》選擇了生態(tài)本底良好、適合發(fā)展文創(chuàng)經(jīng)濟的地區(qū)(研究區(qū)涉及其中“四谷”,即西塞“科學谷”、陽山“時尚谷”、顧渚“畫溪谷”、莫干“論劍谷”)作為未來15年的重點發(fā)展區(qū)域。本研究中2010—2018年“四谷”范圍內的四項生態(tài)系統(tǒng)服務區(qū)域均值均達到或超過該年平均水平,尤其是文化服務,“四谷”均值由0.18升至0.23,均值和漲幅均超區(qū)域平均水平(圖8)。但本研究發(fā)現(xiàn)安吉縣南部生態(tài)優(yōu)美、文化服務能力較強的區(qū)域還未被納入五谷范圍,此結果可作為規(guī)劃參考。同時,有必要在不同的生態(tài)系統(tǒng)服務熱點區(qū)采取相對應的措施：Ⅰ類熱點區(qū)以糧食供給服務為主,作為農業(yè)生產(chǎn)的重要區(qū)域,應禁止使用高殘留農藥,防止農業(yè)面源污染；Ⅱ類熱點區(qū)碳貯存與水源涵養(yǎng)能力較高,能發(fā)揮重要的生態(tài)功能,后續(xù)管理應在局部生態(tài)關鍵性區(qū)域(納入生態(tài)保護紅線范圍的區(qū)域)限制人類活動,禁止隨意開發(fā)；Ⅲ類、Ⅳ類熱點區(qū)綜合服務能力較強,土地利用方式的選擇性更多樣,管理上不能“一刀切”,應兼顧生態(tài)效益、社會效益、經(jīng)濟效益,杜絕低水平開發(fā)；非熱點區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務能力較弱,應根據(jù)實際情況循序推進生態(tài)建設,不斷提高生態(tài)效益。

圖8 湖州市鄉(xiāng)村地區(qū)文化服務空間分布與“五谷豐登”區(qū)位關系Fig.8 Spatial distribution of culture ecosystem service in rural areas of Huzhou and location relationship of the “Grain harvest”

4 結論

本研究以湖州市鄉(xiāng)村地區(qū)為研究區(qū),對2010—2018年糧食供給、碳貯存、水源涵養(yǎng)、文化服務進行定量評估,分析其時空演變特征,利用相關性分析探究生態(tài)系統(tǒng)服務間的權衡與協(xié)同關系,并識別生態(tài)系統(tǒng)服務熱點區(qū),得到以下結論：

(1)研究期內,四項生態(tài)系統(tǒng)服務的空間變化迥異。其中糧食供給呈先增后減的波動狀態(tài),一級區(qū)以東部水網(wǎng)平原與西部河谷平原的耕地為主；碳貯存均值與總量雖逐年下降,但年際變化小,中部和西部的高山林地碳儲量最高；水源涵養(yǎng)均值呈先增后減的小幅波動,其空間分布特點與碳貯存相似；文化服務呈逐年增強的態(tài)勢,一級區(qū)向莫干山、西塞山、顧渚山、龍王山等景點區(qū)域聚集并擴張。

(2)2010—2018年,區(qū)域水源涵養(yǎng)與碳貯存、糧食供給之間存在顯著的協(xié)同效應,文化服務與水源涵養(yǎng)、糧食供給、碳貯存之間存在顯著的權衡效應,糧食供給與碳貯存之間由權衡效應向協(xié)同效應轉變,各服務間的相關關系總體呈增強之勢且存在空間差異性。

(3)熱點區(qū)域識別研究顯示,湖州市鄉(xiāng)村地區(qū)Ⅰ類熱點區(qū)占比多且略有增強,主要聚集在東、西部的平原耕地,以提供糧食供給服務為主；Ⅱ類熱點區(qū)總體呈減少趨勢,以中、西部的林地為主,主要提供碳貯存、水源涵養(yǎng)服務；Ⅲ類熱點區(qū)占比較多并不斷擴大,分布在中、西部的林地與耕地上,主要提供碳貯存、水源涵養(yǎng)以及糧食供給或文化服務；Ⅳ類熱點區(qū)和非熱點區(qū)占比極少,分別位于山地—平原過渡區(qū)和靠近城鎮(zhèn)的區(qū)域。