基于土地利用的武漢城市圈生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同分析

張 斌, 李 璐, 夏秋月, 李嘉成， 董 捷

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 公共管理學(xué)院, 武漢 430070； 2.湖南工商大學(xué) 公共管理與人文地理學(xué)院， 長沙 410205)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)給予人類的所有惠宜，是人類社會可持續(xù)發(fā)展的必要條件，包含供給、支持、調(diào)節(jié)和文化服務(wù)[1]。人類因自身需求對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)存在選擇性，其活動在增加供給服務(wù)的同時，可能引起支持、調(diào)節(jié)或文化服務(wù)的衰退，反過來損害人類福祉。為了降低服務(wù)間的負(fù)面效應(yīng)，增強(qiáng)相互增益作用，達(dá)到效用最大化，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系相關(guān)研究應(yīng)運(yùn)而生，成為目前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的前沿課題[2]。權(quán)衡是指某項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力的提高會導(dǎo)致其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給水平降低的情況，而協(xié)同為多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間相互促進(jìn)的情況[3]。土地利用變化是人類活動作用于生態(tài)系統(tǒng)的重要體現(xiàn)，通過改變生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的關(guān)系[4]。千年生態(tài)系統(tǒng)評估指出，全球60%以上的生態(tài)系統(tǒng)功能正在衰退，且趨勢不斷加劇[5]。同時，我國正處于新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，經(jīng)濟(jì)建設(shè)不可避免改變土地利用結(jié)構(gòu)，進(jìn)而造成負(fù)面的生態(tài)效應(yīng)。在此背景下，以特定研究區(qū)為例，選擇典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，科學(xué)認(rèn)知土地利用變化下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化及彼此間權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系，有利于提高生態(tài)系統(tǒng)管理效率，實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)-生態(tài)協(xié)同發(fā)展。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者研究土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響，大致可分為3個方面，其一是基于某個時間點(diǎn)的靜態(tài)分析或長時間序列的動態(tài)分析，著重探討不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時空演變特征及權(quán)衡關(guān)系[6-8]；其二是基于不同尺度，對比分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的尺度效應(yīng)[9-11]；其三是利用預(yù)測模型，設(shè)置不同情景，討論生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在多情景下的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系差異[12-14]。從研究對象上看，多集中于流域、干旱區(qū)、海岸帶等重要生態(tài)區(qū)，但以縣域?yàn)閱挝坏某鞘腥旱难芯肯鄬ι僖姟３鞘腥杭仁墙?jīng)濟(jì)發(fā)展的引擎，又是新型城鎮(zhèn)化的核心區(qū)，需注重對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求，同時縣域治理是國家治理的基礎(chǔ)和重點(diǎn)，也是我國生態(tài)系統(tǒng)治理和維護(hù)的最小單位[15]，以此開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系的研究具有重要意義。在研究內(nèi)容上，集中于從定性和定量角度分析區(qū)域權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，較少涉及內(nèi)部的空間差異分析，缺乏生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系形成的內(nèi)在機(jī)理探析。在研究尺度上，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系存在尺度依賴性已得到共識[16]，但基于情景模擬法，預(yù)測并探討不同情景和不同尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡關(guān)系較為少見。

在長江經(jīng)濟(jì)帶綠色發(fā)展的共識下，武漢城市圈作為長江經(jīng)濟(jì)帶的重要節(jié)點(diǎn)，長中游三大城市群之一，近些年來由于城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，人口快速擴(kuò)張，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對土地利用產(chǎn)生巨大影響，面臨的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)退化等問題具有很強(qiáng)的代表性。目前學(xué)者們對該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究已有一定基礎(chǔ)，但主要集中于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的評估及其影響因素的探究，較少涉及以縣域?yàn)橐暯堑纳鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡關(guān)系[17-19]。同時，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有很強(qiáng)的動態(tài)性和滯后性，分析目前的狀態(tài)難以把握未來的演變趨勢，亟需研究不同情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)差異特征[20]。就生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的選取而言，湖北省是產(chǎn)糧大省，是13個糧食主產(chǎn)省之一、10個糧食凈調(diào)出省之一，是長江經(jīng)濟(jì)帶上重要的“糧倉”，因此研究其食物供給能力刻不容緩；2020年9月22日，中國政府在第75屆聯(lián)合國大會上提出：中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。而碳儲量服務(wù)因地表大量分布的固碳單位，對吸收CO2，調(diào)節(jié)氣候變化方面起著關(guān)鍵作用，有利于碳中和目標(biāo)更快達(dá)成[21]。武漢城市圈中耕地和林地面積占比接近80%，是兩大重要碳庫，其地類轉(zhuǎn)換對碳儲量服務(wù)影響深遠(yuǎn)。因此研究其碳儲量服務(wù)，對武漢城市圈生態(tài)功能維系和自然資源的合理開發(fā)有重大意義；長江流域因獨(dú)特的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，造就了極其豐富的生物多樣性，位居我國七大流域之首[22]，因此研究處于長江中游的武漢城市圈的生境質(zhì)量服務(wù)，對加強(qiáng)物種保護(hù)及生態(tài)空間修復(fù)具有借鑒意義。綜上所述，本文以武漢城市圈各縣(市、區(qū))為研究對象，分析不同情景下的土地利用變化，在此基礎(chǔ)上探討食物供給服務(wù)、碳儲量服務(wù)和生境質(zhì)量服務(wù)的時空演變特征和彼此間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系，并據(jù)此提出針對性的生態(tài)系統(tǒng)管理措施，降低生態(tài)風(fēng)險，改善生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，為區(qū)域生態(tài)安全的構(gòu)建和高質(zhì)量發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

武漢城市圈地處112°30′—116°07′E，29°05′—31°51′N，湖北省東部，長江中游，中國中部，是以武漢為中心城市，覆蓋黃石、黃岡、鄂州、咸寧、孝感、仙桃、天門和潛江周邊8個城市所組成的城市群。該區(qū)域自然環(huán)境多樣，地形以平原和丘陵為主，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤性氣候，四季分明、光照充足、雨水充沛，水熱條件匹配相對較好。2005—2018年武漢城市圈GDP由4 019.05億元增加到24 897.5億元，三產(chǎn)比重由13.4∶43.4∶43.2轉(zhuǎn)變?yōu)?.6∶45.7∶47.7，表明武漢城市圈經(jīng)濟(jì)正處于高速發(fā)展時期，逐漸向第二、三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。武漢城市圈城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快會促使建設(shè)用地侵占大量生態(tài)用地和耕地實(shí)現(xiàn)迅速擴(kuò)張，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的惡化、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的不斷衰退并影響居民福祉。因此，研究武漢城市圈土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響并提出相應(yīng)政策建議，有助于實(shí)現(xiàn)區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的“雙贏”。本文將武漢城市圈分為39個縣(市、區(qū))，其中為處理方便，將武漢和黃石的市轄區(qū)統(tǒng)稱為武漢城區(qū)和黃石城區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)包括：(1) 土地利用數(shù)據(jù)來源于landsat-8遙感數(shù)據(jù)，年份為2005—2018年，一共4期，依據(jù)LUCC分類體系將地類劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地，經(jīng)檢測綜合精度為88.82%。(2) 各縣(區(qū)、市)年平均氣溫和年平均降雨來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)。(3) DEA數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)。(4) 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)來源于http:∥www.ngcc.cn/。(5) 食物產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于《湖北省統(tǒng)計年鑒》、《中國縣域統(tǒng)計年鑒》以及各地級市統(tǒng)計年鑒。

2 研究方法

2.1 食物供給服務(wù)

食物供給是生態(tài)系統(tǒng)最基礎(chǔ)的供給服務(wù)，對人類生存和可持續(xù)發(fā)展的作用不可忽視。參照郝夢雅等[23]的研究方法，本文以單位面積的食物總產(chǎn)值來代表食物供給服務(wù)，公式如下：

(1)

式中:i為各個縣(區(qū)、市);j為不同地類;N為各縣(區(qū)、市)不同地類單位面積的食物總產(chǎn)值;F為各縣(區(qū)、市)不同地類的食物總產(chǎn)值;S為各縣(區(qū)、市)不同地類的面積,其中耕地面積對應(yīng)農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值,林地面積對應(yīng)林業(yè)總產(chǎn)值,草地面積對應(yīng)牧業(yè)總產(chǎn)值,水域面積對應(yīng)漁業(yè)總產(chǎn)值。

2.2 碳儲量服務(wù)

碳儲量作為生態(tài)系統(tǒng)重要的調(diào)節(jié)服務(wù)，能夠?qū)⒋髿庵械奶脊坛值酵寥阑蛑脖恢?，代表了生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力。InVEST模型自2007年開發(fā)以來，被廣泛應(yīng)用在區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估中，并得到普遍認(rèn)同[24]。InVEST模型中的Carbon模塊假設(shè)每一個地類的碳密度都由地上碳密度、地下碳密度、死亡有機(jī)質(zhì)碳密度和土壤有機(jī)質(zhì)碳密度所構(gòu)成，且均為常量[25]。公式為：

Ci=Ci-above+Ci-below+Ci-dead+Ci-soil

(2)

Ci-total=Ci×Ai

(3)

式中:Ci為地類i的碳密度;Ci-above為地類i的地上碳密度;Ci-below為地類i的地下碳密度;Ci-dead為地類i的死亡有機(jī)質(zhì)碳密度;Ci-soil為地類i的土壤有機(jī)質(zhì)碳密度;Ci-total為地類i的總碳儲量;Ai為地類i的面積。

碳密度數(shù)據(jù)的來源需遵循：湖北省的實(shí)測數(shù)據(jù)優(yōu)先，如若數(shù)據(jù)不全，則選用臨近湖北省的實(shí)測數(shù)據(jù)或文獻(xiàn)匯總數(shù)據(jù)。同時因方法或取樣時間不同造成的實(shí)測數(shù)據(jù)的差異，需經(jīng)比較舍棄異常值，取同一地類碳密度的平均值。

2.3 生境質(zhì)量服務(wù)

作為生態(tài)系統(tǒng)重要的支持服務(wù)，生物多樣性保護(hù)是生態(tài)保護(hù)主要的目標(biāo)之一。InVEST模型中生境質(zhì)量模塊作為生物多樣性指標(biāo)之一，用于反映外界環(huán)境對物種分布與豐富度的影響[26]，計算公式如下：

(4)

2.4 權(quán)衡與協(xié)同分析方法

為了探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的定量化表達(dá)，本文運(yùn)用SPSS軟件計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的相關(guān)系數(shù)，當(dāng)通過顯著性檢驗(yàn)時，其數(shù)值的多少代表變量間相關(guān)性的強(qiáng)弱，符號的正(負(fù))代表變量間存在協(xié)同(權(quán)衡)關(guān)系[27]。

為了更進(jìn)一步探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的空間格局，本文基于GeoDA軟件進(jìn)行空間自相關(guān)分析?？臻g自相關(guān)由全局和局部自相關(guān)構(gòu)成。全局自相關(guān)可分析研究區(qū)內(nèi)單元間某一特征的整體相關(guān)水平，而局部自相關(guān)用于計算局部臨近單元間某一特征的相關(guān)水平，能更準(zhǔn)確地把握局部聚集和分異水平。雙變量空間自相關(guān)在二者的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展，可對兩種要素之間的空間相關(guān)關(guān)系進(jìn)行度量。其中，“高高聚類”和“低低聚類”均為協(xié)同關(guān)系，“高低聚類”和“低高聚類”均為權(quán)衡關(guān)系[28]。

2.5 土地利用情景模擬

情景分析法的基本思路是依據(jù)現(xiàn)有發(fā)展趨勢來模擬未來狀態(tài)的方法，在土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡關(guān)系中得到廣泛應(yīng)用[29]。本文研究多情景下的土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響，對促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)建設(shè)-生態(tài)保護(hù)具有借鑒意義。因此，本文運(yùn)用Markov-FLUS模型，依據(jù)不同情景，設(shè)定不同約束條件，得到2035年兩種土地利用類型圖。情景一：自然發(fā)展情景Q1，即依據(jù)2005—2018年區(qū)域發(fā)展現(xiàn)狀，假定發(fā)展趨勢不會發(fā)生變化，且地類轉(zhuǎn)換不作任何限制條件。情景二：綜合發(fā)展情景Q2，統(tǒng)籌考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)保護(hù)和耕地保護(hù)，需要嚴(yán)控生態(tài)保護(hù)紅線和永久基本農(nóng)田保護(hù)紅線，遏制城市的無序擴(kuò)張。同時考慮到長江大保護(hù)的背景，將水域也作為約束條件。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化特征

研究顯示，耕地和林地是武漢城市圈最主要的地類，2018年兩者占比達(dá)79.21%，建設(shè)用地和水域面積雖持續(xù)增加，但仍占比不多。而草地和未利用地面積均較小，占比僅為2.42%,0.35%，呈緩慢減少趨勢。由表1可知，2005—2018年期間共轉(zhuǎn)移地類面積為1 223.78 km2。其中耕地轉(zhuǎn)出面積最大，為927.66 km2，轉(zhuǎn)出貢獻(xiàn)率達(dá)75.80%，轉(zhuǎn)入建設(shè)用地的最多，達(dá)791.88 km2，其次是林地，轉(zhuǎn)出面積(137.24 km2)中有93.57%轉(zhuǎn)入了建設(shè)用地。從轉(zhuǎn)入方向上看，轉(zhuǎn)向建設(shè)用地的面積高達(dá)1 010.30 km2，轉(zhuǎn)入貢獻(xiàn)率為82.56%，主要來自于耕地和林地，表明了武漢城市圈的經(jīng)濟(jì)建設(shè)仍處于犧牲生態(tài)環(huán)境和農(nóng)田的模式。水域是第二大轉(zhuǎn)入地類，轉(zhuǎn)入面積達(dá)165.94 km2，顯示了武漢城市圈在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時也注重了對水體的保護(hù)，符合長江經(jīng)濟(jì)帶的發(fā)展戰(zhàn)略。

表1 2005-2018年土地利用面積變化

兩種情景下的土地利用結(jié)構(gòu)具有較大差異。由圖1可知，從整個區(qū)域來看，耕地在兩種情景下均有所下降，在自然發(fā)展情景下面積減少1 093.107 km2，而在綜合發(fā)展情景下僅僅減少641.17 km2，體現(xiàn)了永久基本農(nóng)田的保護(hù)作用。林地在自然發(fā)展情景下面積減少了120.88 km2，而在綜合情景中由于生態(tài)保護(hù)紅線的功能，面積實(shí)現(xiàn)了增長，為48.487 km2。水域和建設(shè)用地在兩種情景下都在增長，但水域在自然發(fā)展情景下增加的面積(43.729 km2)遠(yuǎn)小于綜合發(fā)展情景(153.065 km2)，而建設(shè)用地正好相反，其在綜合發(fā)展情景下(519.352 km2)擴(kuò)張的面積僅為自然發(fā)展情景下(1 229.236 km2)的一半。草地在兩種情景下無較大區(qū)別，可能由于草地既具備生態(tài)服務(wù)功能，其畜牧業(yè)又可以帶動經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保障糧食安全。未利用地面積在綜合發(fā)展情境下(157.373 km2)小于自然發(fā)展情景(175.271 km2)，可能的原因是其更多地被保護(hù)性地開發(fā)利用。就縣域尺度而言，武漢城區(qū)、新洲區(qū)和江夏區(qū)的建設(shè)用地增長最為迅猛，在自然發(fā)展情景下共增長215.58 km2，在綜合發(fā)展情景下也增長了133.717 km2，可能的原因是武漢三大國家級開發(fā)區(qū)的蓬勃發(fā)展。其他新增建設(shè)用地多為各城市的建成區(qū)，同時也是耕地大量減少的區(qū)域。而武漢的蔡甸區(qū)，黃岡的紅安縣、麻城市、羅田縣、英山縣和浠水縣，咸寧的通山縣、通城縣和崇陽縣，孝感的孝昌縣，黃石的陽新縣以及鄂州的梁子湖區(qū)，其境內(nèi)含有大量重要生態(tài)保護(hù)區(qū)和水源涵養(yǎng)地，是武漢城市圈在綜合發(fā)展情景下林地和水域面積增長的主要來源。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空演變與多重重要區(qū)識別

在土地利用變化的影響下，武漢城市圈生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)發(fā)生了劇烈變化。由圖2可知，就食物供給服務(wù)而言，單位面積的食物供給能力處于持續(xù)上升趨勢，從2005年的平均值240.68萬元/km2到2018年的平均值588.68萬元/km2，增幅達(dá)144.59%。兩種模擬情景下，由于綜合發(fā)展情景下生態(tài)保護(hù)紅線和永久基本農(nóng)田紅線的存在，農(nóng)林牧漁業(yè)得到較好發(fā)展，其食物供給能力的平均值1 111.86萬元/km2，高于自然發(fā)展情景的887.42萬元/km2。從時空變化上，武漢城市圈食物供給服務(wù)較好地區(qū)由西北向東南偏移，尤其是孝感的云夢縣和應(yīng)城市，鄂州的梁子湖區(qū)，黃岡的武穴市提升較快，可能由于這些地區(qū)耕地占比較大，水源充足，同時由于生產(chǎn)條件和技術(shù)的提高使得供給效率增長。同時值得注意的是，武漢城區(qū)的食物供給服務(wù)較低，但其周邊的遠(yuǎn)城區(qū)卻很高，特別是新洲區(qū)、黃陂區(qū)、漢南區(qū)和江夏區(qū)。它們是湖北省重要的糧棉油供應(yīng)基地，耕地、林地和水域占比均超過85%。

武漢城市圈碳儲量呈持續(xù)下降趨勢，由2005年的680.984 Tg，下降到2018年的673.134 Tg，降幅較為明顯。在自然發(fā)展情景下，下降趨勢進(jìn)一步加快，為664.912 Tg，而在綜合發(fā)展情景下為670.045 Tg，碳儲量的流失大大減緩。從圖3可以看出，武漢城市圈碳儲量較低區(qū)域由中心逐漸往四周擴(kuò)散。碳儲量高值區(qū)主要集中于黃岡的紅安縣、麻城市、羅田縣、英山縣和浠水縣以及咸寧的崇陽縣、通城縣與通山縣，其境內(nèi)耕地和林地占比較多，固碳量較大。低值區(qū)主要分布在武漢城區(qū)、黃石城區(qū)、孝南區(qū)和咸安區(qū)，它們城鎮(zhèn)化水平較高，建設(shè)用地密度大，碳流失較為嚴(yán)重。需要說明的是，兩種情景下，新增建設(shè)用地都是通過侵占耕地和林地等碳密度大的地類實(shí)現(xiàn)擴(kuò)張，這是導(dǎo)致碳儲量損失的主要原因。

圖1 2035年兩種情景下土地利用模擬圖

圖2 2005-2035年食物供給分布

2005—2018年武漢城市圈生境質(zhì)量分別為0.578，0.577，0.573，0.572，總體上呈下降趨勢，尤其是2010—2015年期間最為明顯。在自然發(fā)展情景下生境質(zhì)量為0.566，生境質(zhì)量進(jìn)一步惡化，而在綜合發(fā)展情景下生境質(zhì)量與2018年相當(dāng)，也為0.572，表明區(qū)域在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，沒有以生境質(zhì)量的破壞作為犧牲。如圖4所示，武漢城市圈生境質(zhì)量大致呈現(xiàn)東西低南北高而中間最低的格局，且生境較差區(qū)域愈發(fā)聚集。北方的大悟縣、紅安縣、麻城市、羅田縣、英山縣和蘄春縣靠近大別山山脈，同時境內(nèi)水庫眾多，水資源豐富，能較好地為野生動植物提供棲息之所，而南方的崇陽縣、通山縣和通城縣南接幕阜山區(qū)，具有國家級的森林公園、濕地公園和地質(zhì)公園，生物多樣性極其豐富，因此生境質(zhì)量好。東西區(qū)域和中心的武漢城區(qū)生境質(zhì)量持續(xù)變差，主要在于隨著建設(shè)用地的擴(kuò)張，人類活動強(qiáng)度增加，導(dǎo)致動植物生存環(huán)境惡化。

圖3 2005-2035年碳儲量分布

圖4 2005-2035年生境質(zhì)量分布

同一地類可以提供多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，如林地既具有碳儲存能力，又能提供較好地生境質(zhì)量服務(wù)。因此，本文對不同時期各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)果進(jìn)行疊加分析，通過各柵格上提供服務(wù)的能力，判斷其重要性。其中，能夠提供1，2，3種超過全域服務(wù)平均值的區(qū)域分別定義為“中度重要”“高度重要”和“極其重要”，均小于服務(wù)平均值的區(qū)域?yàn)椤耙话阒匾盵30]。由圖5和表2可知，從數(shù)量上看，各年份“中度重要”區(qū)域面積最大，均超過40%，且在自然發(fā)展情景下占比最多，為42.07%。而“極其重要”區(qū)域在各年份面積都最小，僅僅只有在綜合發(fā)展情景下超過4%。從時空分布上看，2005年“中度重要”區(qū)域集中分布在武漢城市圈的西側(cè)以及武穴市，主要以食物供給服務(wù)為主，該區(qū)域?yàn)榻瓭h平原，耕地面積較多。但在2018年和模擬年份，逐漸擴(kuò)張到武漢市遠(yuǎn)城區(qū)和鄂州全境以及浠水縣和嘉魚縣?！耙话阒匾焙汀案叨戎匾眳^(qū)域始終分布在武漢城市圈的北側(cè)、東側(cè)和南側(cè)，主要以碳儲量服務(wù)和生境質(zhì)量服務(wù)為主，包含大量林地和水域。而“極其重要”區(qū)域在2005年時零星分布在安陸市的西北側(cè)，孝昌縣和黃陂區(qū)的交界區(qū)和武穴市，但在2018年時安陸市的部分降為“高度重要”，而增加了浠水縣的部分區(qū)域。在自然發(fā)展情景下孝昌縣的部分區(qū)域也變?yōu)椤案叨戎匾保黾恿舜笠笔心喜繀^(qū)域。綜合發(fā)展情景與自然發(fā)展情景大致相同，但黃梅縣的北部從“高度重要”升為“極其重要”，且赤壁市的“極其重要”面積大幅增加?？v觀“極其重要”區(qū)域，其境內(nèi)建設(shè)用地占比極少，植被茂盛，水土保持量高且耕地富足。

圖5 2005-2035年多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分布

表2 多重服務(wù)重要性分級面積占比 %

3.3 不同情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系分析

首先分析武漢城市圈生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的數(shù)值體現(xiàn)。本文運(yùn)用SPSS軟件，分析全域尺度和區(qū)縣尺度的生境質(zhì)量、碳儲量和食物供給3種服務(wù)兩兩之間的相關(guān)性。如表3所示，就相關(guān)關(guān)系來說，不同情景下的生境質(zhì)量與碳儲量的相關(guān)系數(shù)均顯著為正，表明這對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為顯著的協(xié)同關(guān)系，而食物供給與生境質(zhì)量，碳儲量與食物供給的相關(guān)系數(shù)均顯著為負(fù)，代表這兩對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間是顯著的權(quán)衡關(guān)系。就不同尺度而言，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)關(guān)系的正負(fù)是一致的，但數(shù)值的大小有所區(qū)別，全域尺度下生境質(zhì)量與碳儲量的協(xié)同程度高于區(qū)縣尺度，而食物供給與生境質(zhì)量，碳儲量與食物供給的權(quán)衡程度隨著尺度增大而變強(qiáng)。從不同情景上來看，綜合發(fā)展情景下的生境質(zhì)量與碳儲量的協(xié)同程度在兩種尺度上均高于自然發(fā)展情景，而食物供給與生境質(zhì)量，碳儲量與食物供給的權(quán)衡程度在兩種尺度上也都低于自然發(fā)展情景。

表3 多尺度下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)關(guān)系

再進(jìn)一步探究武漢城市圈各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的空間表達(dá)。從表4可知，從雙變量全局自相關(guān)Moran′sI可知，區(qū)域內(nèi)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)都通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，且生境質(zhì)量與碳儲量在兩種情景下均呈正相關(guān)關(guān)系，即協(xié)同關(guān)系，而食物供給與生境質(zhì)量、碳儲量與食物供給在兩種情境下都為負(fù)相關(guān)關(guān)系，即權(quán)衡關(guān)系，這與表3的分析結(jié)論保持一致。為細(xì)化探究武漢城市圈內(nèi)部各區(qū)縣空間權(quán)衡/協(xié)同特征，本文運(yùn)用雙變量局部自相關(guān)分析得到圖6。就生境質(zhì)量與碳儲量而言，協(xié)同關(guān)系的占比在自然發(fā)展情景下為40.17%，其中“高高聚類”主要分布在黃岡北部和咸寧南部，而“低低聚類”主要分布在天門、仙桃、潛江等區(qū)域。協(xié)同關(guān)系在綜合發(fā)展情景下占比達(dá)41.46%，除上述區(qū)域外，增加了新洲區(qū)、東西湖區(qū)和浠水縣等部分區(qū)域。而權(quán)衡關(guān)系在自然發(fā)展情景下占比達(dá)12.9%，在綜合發(fā)展情景下占比為12.5%，主要分布在武漢的偏遠(yuǎn)城區(qū)和鄂州。這表明了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系具有空間異質(zhì)性。從食物供給與生境質(zhì)量來看，權(quán)衡關(guān)系在兩種情景下均占比較多，在自然發(fā)展情景下為47.94%，其中“高低聚類”主要分布在天門、潛江、仙桃、孝感以南、武漢遠(yuǎn)城區(qū)和鄂州等區(qū)域。而“低高聚類”是主要在黃岡以北以及咸寧南側(cè)。權(quán)衡關(guān)系在綜合發(fā)展情景下占比達(dá)46.32%，在上述區(qū)域中減少了孝南區(qū)部分。協(xié)同關(guān)系在自然發(fā)展情景下占比達(dá)14.25%，在綜合發(fā)展情景下占比為15.79%，大體位于孝感往北、武漢城區(qū)、東西湖區(qū)和黃梅縣，零星分布在江夏區(qū)、梁子湖區(qū)和大冶市。就碳儲量與食物供給來說，同樣為權(quán)衡關(guān)系較多，在自然發(fā)展情景和綜合發(fā)展情景下分別為41.48%，39.24%，與食物供給和生境質(zhì)量的權(quán)衡關(guān)系區(qū)域較為相似，但增加了武漢南部的蔡甸區(qū)、漢南區(qū)、江夏區(qū)和咸寧的嘉魚縣，少了天門、仙桃和潛江等部分區(qū)域。另外，綜合發(fā)展情景比自然發(fā)展情景少了應(yīng)城市和通城縣部分。協(xié)同關(guān)系占比較少，在自然發(fā)展情景下為17.89%，在綜合發(fā)展情景下為18.89%，主要分布在武漢城區(qū)、黃岡和咸寧等部分區(qū)域。

表4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)雙變量全局自相關(guān)

圖6 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同空間分異

單獨(dú)統(tǒng)計縣域單元的各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同占比，結(jié)果見圖7。生境質(zhì)量與碳儲量在各縣以協(xié)同關(guān)系為主，占比比例從高到低依次為通山縣、崇陽縣、武漢城區(qū)、英山縣、羅田縣和大悟縣。其中，除武漢城區(qū)是因建設(shè)用地密集，導(dǎo)致生境質(zhì)量和碳儲量均低而呈現(xiàn)“低低聚類”外，其他區(qū)域均是“高高聚類”。這些區(qū)域林地茂盛，水域眾多，有機(jī)物含量較高，且生境質(zhì)量較好。而權(quán)衡關(guān)系占比從高到低依次為梁子湖區(qū)、鄂城區(qū)、漢南區(qū)、江夏區(qū)和蔡甸區(qū)，這些區(qū)域水域與草地相間分布，是良好的動植物棲息地，但林地偏少，碳儲量相對不足。食物供給與生境質(zhì)量在各縣中權(quán)衡關(guān)系占比較大，依次為云夢縣、天門市、崇陽縣、應(yīng)城市和漢川市，這些地區(qū)地勢平坦，多為耕地，食物供給充足，但受人為干擾大，生境質(zhì)量較差。而協(xié)同關(guān)系占比從高到低依次為孝昌縣、安陸市、大冶市和東西湖區(qū)，其地類以林地和耕地為主，保障糧食供給的同時，生境質(zhì)量也沒受到損害。在碳儲量與食物供給的關(guān)系中，各區(qū)縣中權(quán)衡關(guān)系占比介于0～99.28%，協(xié)同關(guān)系占比介于0～91.89%，表現(xiàn)為復(fù)雜的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系。其中權(quán)衡關(guān)系最高的是漢南區(qū)，協(xié)同關(guān)系最高的是武漢城區(qū)，但整體來說還是以權(quán)衡關(guān)系居多。權(quán)衡關(guān)系處于優(yōu)勢的有新洲區(qū)、江夏區(qū)、嘉魚縣、華容區(qū)、漢川市和云夢縣，這些區(qū)域是耕地和草地的組合地類，由于常年的耕作，食物供給較高的同時也導(dǎo)致了碳儲量的流失。協(xié)同關(guān)系為主的有武漢城區(qū)、黃石城區(qū)、陽新縣、麻城市和咸安區(qū)，它們主要呈現(xiàn)“低低聚類”，其建設(shè)用地占比多，城市擴(kuò)張侵占耕地，會同時導(dǎo)致碳儲量和食物供給兩種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的衰退。值得注意的是，綜合發(fā)展情景下各區(qū)縣的權(quán)衡占比在多數(shù)情況下均低于自然發(fā)展情景，而協(xié)同關(guān)系占比恰恰相反，說明綜合發(fā)展情景在一定程度上增強(qiáng)了各生態(tài)系服務(wù)間的協(xié)同作用，減弱了它們之間的權(quán)衡對抗。

圖7 各區(qū)縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系占比

4 結(jié) 論

(1) 2005—2018年，武漢城市圈耕地、林地、草地、未利用地面積持續(xù)減少，建設(shè)用地和水域面積不斷增加，主要是來源于耕地和林地的轉(zhuǎn)入。綜合發(fā)展情景下耕地減少面積約為自然發(fā)展情景的一半，林地面積實(shí)現(xiàn)了增長，建設(shè)用地有序且緩慢擴(kuò)張。

(2) 武漢城市圈2005—2018年食物供給服務(wù)處于持續(xù)上升趨勢，且綜合發(fā)展情景下食物供給能力高于自然發(fā)展情景，服務(wù)較好地區(qū)由西北向東南偏移；2005—2018年碳儲量呈持續(xù)下降趨勢，在自然發(fā)展情景下進(jìn)一步加快，而在綜合發(fā)展情景下有所緩解，碳儲量較低區(qū)域由中心逐漸往四周擴(kuò)散；2005—2018年生境質(zhì)量總體上也呈下降趨勢，在自然發(fā)展情景下繼續(xù)惡化，但在綜合發(fā)展下得到維持，呈現(xiàn)東西低南北高而中間最低的格局，且生境較差區(qū)域愈發(fā)聚集。識別多重服務(wù)重要區(qū)發(fā)現(xiàn)，從數(shù)量上看，各年份“中度重要”區(qū)域面積最大，而“極其重要”面積最小，只有在綜合發(fā)展情景下超過4%。從時空分布上看，“一般重要”和“高度重要”區(qū)域始終分布兩大山區(qū)，以碳儲量服務(wù)和生境質(zhì)量服務(wù)為主，包含大量林地和水域。而“高度重要”區(qū)域成零星分布，其境內(nèi)建設(shè)用地較少，植被茂盛，水土保持量高且耕地富足。

(3) 相關(guān)性分析表明不同尺度和情景下生境質(zhì)量與碳儲量均呈顯著正相關(guān)，食物供給與生境質(zhì)量、碳儲量與食物供給均呈顯著負(fù)相關(guān)，但程度有所差別。雙變量空間自相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，服務(wù)間的權(quán)衡關(guān)系與相關(guān)系數(shù)分析保持一致。從空間分布上看，生境質(zhì)量與碳儲量協(xié)同關(guān)系主要分布在黃岡北部、咸寧南部和省直轄市，但在梁子湖區(qū)、鄂城區(qū)、漢南區(qū)、江夏區(qū)和蔡甸區(qū)呈現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系。食物供給與生境質(zhì)量協(xié)同關(guān)系主要分布在在孝感南部、武漢遠(yuǎn)城區(qū)、鄂州等地區(qū)，但在孝昌縣、安陸市、大冶市和東西湖區(qū)為協(xié)同關(guān)系。碳儲量與食物供給服務(wù)在武漢南部、嘉魚縣、華容區(qū)和漢川市以權(quán)衡關(guān)系為主，但在武漢城區(qū)、黃石城區(qū)、陽新縣、麻城市和咸安區(qū)呈現(xiàn)協(xié)同關(guān)系。