以下文章来源于HydroConnection ，作者EHGeoLab
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Understanding the spatial relationships and drivers of ecosystem service supply-demand mismatches towards spatially-targeted management of social-ecological system
认识生态系统服务供需错配的空间关系及驱动因素——面向社会生态系统空间定向管理
研究背景：
生态系统服务（ESs）被广泛用于构建解决人与自然关系的概念框架，并在实现社会生态系统的可持续发展中发挥重要作用。管理生态系统服务供给和需求之间的关系，操纵某些驱动因素以保持生态系统服务套件的良好平衡，是确保社会生态系统可持续发展的关键挑战。
根据现有的研究结果，有效地管理社会生态系统可能需要设计空间上有针对性的干预措施，以解决基于环境依赖驱动因素的不同ES供应和需求的空间变异性。而ES簇提供了一种极具创新的方法来针对这些空间策略。ES簇是空间或时间上可重复的ES的相干集合，可以区分具有相同生态系统类型和规模的区域，而这些区域往往有着共同的社会生态概况和共同的环境问题。
基于此，本文重点研究了京津冀城市群，首先对2015年6个ESs的供需关系进行了评价，并阐述了不同ES簇（BSDRES）的ESs供需关系；随后对不同ES簇之间的权衡和协同作用进行分析；最后量化了不同社会生态驱动因素对每一束生态系统供需关系的影响，并探讨了生态系统供需关系对主要驱动因素的非线性响应。
材料及方法：
1. 研究区概况：
京津冀城市群位于中国北部环渤海地带的中心，其行政区域由13个地级及以上城市组成，其中包括北京市和天津市两个直辖市，以及河北省的11个地级市。该地区的生态系统在空间上存在异质性，从森林和草地生态系统向主要分布在东南部的农业和城市生态系统过渡。京津冀城市群不仅是中国的首都地区和文化中心，也是中国北方的经济核心。而随着全球范围内的快速城市化，造成了多重环境挑战，并导致ESs供需之间的差距越来越大。如何维持可持续的能源供应和满足可持续能源的需求成为了该地区所面临的重大挑战。
2. 生态系统服务供需关系评价：
2.1 绘制生态系统服务的供需图
采用多种方法，对2015年京津冀城市群1 km2尺度上的供给、调节和文化服务6个ESs的供给和需求进行了量化和绘制。表1简要概述了这些服务的供应和需求的选定指标。
表1 2015年京津冀城市群不同生态系统服务的供需量化
2.2 量化不同生态系统服务的供需比
生态系统服务供需比（ESDR）代表了社会服务的供给与人类对这些服务的需求之间的关系，可以方便地可视化每个社会服务的供需之间的空间一致性和不匹配。
ESs的综合供需比（CESDR）可以用来反映多个ESs的供需关系的总体状况，它是选定的六个ESs的供需比的算术平均值。
3. 生态系统服务供需关系的识别：
通过自组织映射方法（the self-organizing maps method）通过空间聚类ESDR中具有共同特征的网格单元来识别ES簇。为探索其敏感度，首先构建不同数量的簇（2-30个），然后计算Davies-Bouldin指数，以确定最优簇数。获得的最低Davies-Bouldin指数与2015年京津冀城市群的4个服务簇相对应。
4. 服务簇供需关系的权衡与协同效应：
将相关分析与网络分析相结合，以理清捆绑ESs供需关系之间错综复杂的权衡与协同关系，在Spearman相关矩阵的基础上，对每个BSDRES构建了单部、无向和加权网络。所有服务簇的供需关系之间的显著正相关关系形成了一个代表相应捆绑类型的关联网络。
5. ES簇供需关系的社会生态驱动因素探讨：
对每个BSDRES进行冗余分析、层次划分分析和回归分析，以确定不同社会生态驱动因素对多种服务供需关系的影响。分析中包括了11个潜在的社会生态驱动因素，通过90%的winsorization和最小-最大归一化，将不同的潜在驱动因素转换为从0到1的共同尺度。
采用广义加性模型（GAMs）研究ES供需关系对社会生态驱动因素的潜在非线性响应。
研究结果：
1.ESs供需关系的空间格局：
不同ESs的供需关系空间格局在景观中呈现出不同的异质性（图1)。总体而言，ESs较大盈余地区主要集中在西北山区，而多种ESs供应的短缺则从研究区的远郊向东南部的城市中心逐渐增加。粮食生产满足或超过需求的地区占景观的69.6%。西部山区土壤保持相对不平衡程度明显高。南方的一些农田和西北的森林和草原固碳服务过剩明显。从郊区到市中心的固碳服务相对不足程度增加。生物多样性保护需求过剩的区域占景观面积的64.7%。只有几个主要位于水景沿线的地区的防洪供应不足。娱乐服务的严重不足仅局限于城市地区，因而大部分景观中都是供过于求的。
图1 2015年京津冀城市群不同生态系统服务供需关系的空间分异特征：（a）粮食生产供需比的空间变化；（b）水土保持供需比的空间变化；（c）固碳供需比的空间变化；（d）生物多样性保护供需比的空间变化；（e）防洪供需比的空间变化；（f）娱乐服务供需比的空间变化。
2. ESs簇供需关系的空间分布：
这四个BSDRESs在空间上聚集在不同的位置，并明确地与不同类型的景观相关联(图2)。BSDRES1主要位于城市地区和城郊农田，是多种生态系统需求的主要来源、几种调节服务供给的冷点，以及涉及大多数类型生态系统短缺的主要生态系统簇。BSDRES2分布在由水体等河流景观中，存在严重的防洪供需失配。BSDRES3广泛分布于东南部平原和西部山区的农业生态系统中，其粮食生产供给过剩最为明显。BSDRES4在空间上集中于西北部的森林和草原山地景观，所有ESs均存在供过于求的情况，大量的ESs过剩。
图2 2015年京津冀城市群生态系统服务供需簇关系：（a）不同供需簇的空间分布特征；（b）发生不同生态系统服务供需关系景观的土地利用结构；（c-f）不同簇中不同生态系统服务的平均供需比；（g-j）不同簇生态系统服务供给和需求的标准化均值。BSDRES:生态系统服务的供需关系簇；FP：粮食生产；SC：土壤保持；CS：碳封存；BP：生物多样性保护；FM：防洪；RS：娱乐服务。
3. ESs簇供需关系的权衡与协同效应：
四种服务簇供需关系的权衡和协同表现出数量、强度和类型的差异（图3和图4）。其中，在BSDRES3中，土壤资源供需关系之间的权衡最为严重，在BSDRES1中，粮食生产与土壤保持供需关系之间的权衡最为严重。
此外，我们为每个服务簇构建了一个协同网络，并计算了网络指标，以揭示不同类型之间的拓扑差异和ES供需关系。结果表明，BSDRES1和BSDRES2 的ES供需关系表现出更高的协同相关性，其生物多样性保护和土壤保持的供需关系均为伞型，生物多样性保护的供需关系始终是其他三个领域协同网络的唯一枢纽。BSDRES1和BSDRES4中的协同网络具有较高的聚类结构。在BSDRES2和BSDRES3中，生物多样性保护和娱乐服务的供需关系都表现出相似的分类行为，特别是在两个高节点之间表现出更强的协同效应。
图3 2015年京津冀城市群生态系统服务簇供需关系的权衡与协同效应。
图4 2015年京津冀城市群生态系统服务簇供需关系协同网络测度。
4. 社会生态驱动因素对ESs簇供需关系的影响：
不同数量和类型的社会生态因子的显著影响并驱动了各ESs簇的供需关系（图5和图6）。同一驱动因素既可以影响相同影响方向的四个服务簇中某些ESs的供需比，也可以对不同服务簇类型之间的同一类型ESs供需关系产生相反方向的影响。人口密度和社会经济活动强度等社会因素是影响BSDRES1和BSDRES2中ESs平衡的重要因素。而归一化植被指数（NDVI）等生物物理因子对于维持或改善BSDRES3和BSDRES4的多种服务更为重要。
在每个组合中，经济发展风险和伞形ESs的供需比对单个驱动因素的响应都表现出不同幅度的非线性轨迹。CESDR与不同种群的人口密度和社会经济活动强度呈相似的递减曲线。在所有四个服务簇中，CESDR都对NDVI有正非线性响应。社会经济活动强度的非线性效应导致生物多样性保护供需比急剧下降，导致BSDRES4呈弱盈余，其他服务簇呈强赤字。
图5 2015年京津冀城市群生态系统服务簇供需关系的社会生态驱动效应。
图6 2015年京津冀城市群多种生态系统服务供需关系总体状态及伞形生态系统服务供需关系对不同社会生态驱动力的响应。
讨论及结论
1. 多种生态系统服务供给与需求的异质错配
描述从空间一致性和生态系统供需差异中产生的生态系统供需关系的异质性，可以加深我们对自然如何为人类做出贡献的理解，并且是解决社会生态系统中人与自然关系的先决条件。不同ESs供需比空间一致性程度的异质性差异促进了景观不同区域不同BSDRESs的形成。这些BSDRESs的划分确定了空间单元之间的划分、社会生态子系统之间的分化以及社会生态驱动梯度的划分，从而有可能确定特定地点面临的可持续性挑战。
2. 不同生态系统服务供需关系中的权衡和协同作用
通过揭示ESs簇的供需关系中存在各种各样的权衡和协同作用，从而进一步丰富了关于一种服务的过度需求或过度供应是否会导致其他相关服务状态变化的有关结论，并为减少潜在的权衡和加强协同作用提供了新的思路。在不同服务簇供需关系的权衡和协同效应中，同一对服务供需关系的权衡和协同效应之间的变化表明了其空间异质性。
3. 研究不足
①本研究仅分析了6个代表性ESs和11个社会生态变量的供需数据。完善这些生态系统指标，提高数据质量，更新用于量化生态系统供应和需求的空间明确模型，可能有助于减少研究中获得的制图结果中的潜在不确定性，并可能导致额外的政策和规划影响。
②CESDR和个体ESs的供需比都是相对指数，有可能作为自然如何促进人们福祉的替代描述。因此，这些指数的结果必须用ES供给和需求之间的空间差异的相对值而不是绝对值来解释。
5. 研究亮点
①本研究量化分析了6种ESs的供给和需求，利用ESDR和CESDR对其进行了供需匹配分析。
②研究通过空间聚类分析，构建出研究区的四个生态系统服务簇，并在此基础上构建网络分析，以理清捆绑ESs供需关系之间错综复杂的权衡与协同关系。
转自：“生态遥感前沿”微信公众号
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