城市化速度影响生态系统功能，增加对生态系统服务的需求。本研究面向可持续城市，结合TES综合框架和InVEST模型多尺度评估了城市生态系统服务（UES）的供应、需求和可持续性，并针对此提出了政策建议。
研究背景
城市群是推动城镇化的主要实体，十四五要求城市群要根据其生态系统的承载能力进行发展。快速城市化威胁生态系统的结构和功能，并增加其对生态系统产品的需求。可持续发展目标（SDG）需要平衡城市化与生态系统服务。
目前研究多侧重于评估单一尺度生态系统服务供需（ESSD）之间的关系，对于生态系统服务与不同发展水平的城市化之间的ESSD进行多尺度测量的综合方法仍然缺乏。由于生态系统服务的溢出效应，不同尺度上生态系统服务功能之间的远程耦合关系将会导致不同的结果。
技术-生态协同（TES）框架可以通过量化技术系统对生态系统的需求以及自然提供的多尺度过程或产品的生态系统服务供给来连接技术和生态系统系统。本研究将城市和城市群定义为技术系统，将城市、城市群和国家的地理区域定义为生态系统。采用TES框架将生态系统供给和技术系统需求联系在一起，来探索城市和城市群多尺度上的生态系统服务的可持续性。
本研究技术路线如下所示：
图 1. 研究路线图
研究区域与方法
研究区域共包括19个城市群，总面积为3,146,945.57 km2， 分布于中国东部、中部、西部和东北部。根据其人口，GDP，人均GDP，GDP密度和特大城市数量，19个城市群可被分为特大型，大型和中型城市群。林地在区域内占比最大，其次是旱地和草地，建设用地平稳增加。
图2. 城市群的地理位置。三个特大型城市群包括长江三角洲（YRD）、珠江三角洲(PRD)及京津冀(BTH)城市群。八个大型城市群分别位于长江中游(YRMR)、川渝(SH)、山东半岛(SP)、中原(CP)、哈尔滨-长春(HC)、关中平原(GP)、辽宁中南部(MSL)及粤闽浙海岸(GFZC)。八个中等城市群包括北部湾(BG)、天山北坡(NSTM)、山西中部(SC)、贵州中部(GC)、云南中部(YC)、呼和浩特-包头-鄂尔多斯-榆林(HBEY)、兰州-西宁(LX)和宁夏黄河沿岸地区(NYRCR)。
图3. 2000、2005、2010、2015和2020年19个城市群土地利用/土地覆盖(LULC)的空间分布。(f)是每种 LULC 类型的比例。
本文中，土地利用/土地覆盖（LULC）数据来自中国科学院资源与环境科学与数据中心（https://www.resdc.cn/），多年平均降水量数据来自中国科学院资源与环境科学与数据中心（https://www.resdc.cn/），蒸散数据来自时空三极环境大数据平台，社会经济数据来自《城市统计年鉴》、《水资源公报》、《中国统计年鉴》等。CO²排放数据来自中国排放-社会经济清单。
粮食生产服务供给和需求分别指农业生产和居民的食物消费，鉴于各类产品的可比性，本文将产量转换为热值（kcal），具体公式如下，公式参数解释请见原文：
保水供给被定义为生态系统拦截或储存降雨水资源的能力，同时减少地表径流。保水需求被定义为农业、工业、居民和生态用水量。保水供需量表示如下：
土壤保持供需基于InVEST模型中的SDR模块进行测度。土壤保持供给为潜在与实际土壤侵蚀之间的差距决定。潜在土壤侵蚀是在没有植被覆盖或水土保持措施的情况下发生的土壤侵蚀量。实际土壤侵蚀是指植被覆盖并采取某些水土保持措施时发生的土壤侵蚀量，其中，实际土壤侵蚀量为土壤保持需求。
碳固存供给基于InVEST模型中的Carbon模块进行测算，在本研究中，碳封存的供需是在5年时期（2000-2005，2005-2010，2010-2015和2015-2020）进行的，碳库之间的差额为碳固存供给量。其中，负值表示植被和土壤中的固碳量是从LULC的变化中释放的。碳固存需求为累计CO²排放。
TES框架可以通过量化城市化对生态系统的需求以及大自然在多个尺度上提供的生态系统服务的供应来评估技术和生态系统系统。在本文中，城市和城市群（UA）为技术系统，而城市，UA和国家的行政区域被确定为生态系统。因此，生态系统的供给和多尺度城市化的需求是基于TES联系在一起的。与传统的生态供需比相比，TES框架可以通过多尺度评价来衡量生态系统服务的溢出效应。
图4. 本文的技术-生态协同(TES)框架。
本研究中认为技术系统的最小尺度为城市（T1），较大尺度为 UA（T2)。生态系统的最小尺度是一个城市的行政区划（E1），包括中心城市、内郊区和郊区。更大规模的生态系统是UA的行政区（E2），其中包括UA中的所有城市。最大的生态系统是中国的行政区（E3)。每个技术系统都嵌套在一个生态系统中，从而可以在多个尺度上评估城市和UA的可持续性。
图5. 本研究TES的尺度。矩形代表技术系统，椭圆形代表生态系统。T1和 T2分别代表一个城市和一个 UA。E1、 E2和 E3分别代表城市、 UA 和国家行政区的生态系统。
生态系统服务供给需要在更大范围内进行分区，本研究基于农业用地和人口对生态系统服务进行分区。可持续性指标可用于计算生态系统服务在多个尺度上的可持续性，在本文中，对技术系统的需求是由所需的城市化决定的，而供应是从相关的生态系统中获得的。可持续性指标可以在多个尺度上评估生态系统服务供需之间的关系，来解释城市或城市群城市化的可持续性。
为了揭示城市化对ESSD的影响路径并了解其潜在驱动因素，研究采用相关性分析探讨了2000-2020年各种社会经济因素与LULC变化之间的关系。
研究结果
1. ESSDD的时空变化分析
粮食生产供给由2000年的1.09E+17 kcal增加至2015年的1.45E+17 kcal，然后减少至2020年的1.37E +17 kcal 。随着人口增长，粮食生产需求由2000年的2.77E+16 kcal增加至2020年的5.15E+16 kcal。粮食生产ESSD在城市之间呈现出时间差异，粮食生产可持续性较低的城市主要分布在上海和北京等较先进的城市，而可持续性较高的城市则位于东北地区。
图 7.城市尺度中236个城市的粮食生产(FP)供给、需求和可持续性指标(SM)的变化。
2015年、2020年除了珠三角外，所有的城市群都足以用于粮食生产。粮食产量供应量最大的UA是CP，其次是YRMR和HC，粮食产量供应最小的UA是NYRCR，NSTM和LX，它们都位于中国西北高海拔和半干旱气候。粮食生产需求最高的UA是CP，其次是YRD和YRMR。
保水供给由2000年的8765.2亿立方米下降至2015年的8443.9亿立方米，2020年增加至8984.6亿立方米。保水需求由2000年的3900.1亿立方米增加至2010年的4268.3亿立方米，然后在2020年下降至3961.7亿立方米。大部分南方城市都可以实现足够的保水量，北方城市保水量供给较为缺乏。需求量较高的城市主要为上海、重庆、广州。
图8. 城市尺度中236个城市保水量(WR)供给、需求和可持续性指标(SM)。
城市群有足够的保水量，其中，YRMR, GFZC 和 PRD具有较高的保水供给量，而NYRCR、SP和SC较小。用水需求量最高的UA为YRD，其次为YRMR和GFZC。高保水供给主要集中在丘陵和水域，高保水需求主要集中在平原地区。
研究区236个城市的土壤保持供给量先上升后下降，需求量呈现波动上升趋势。土壤保持供给较高的城市主要集中在中国南部，供给量较少的城市主要分布在西北部。重庆的土壤保持供给量最高，其次为雅安和南平。胡杨河市的土壤保持供给量最低。土壤保持需求量最高的城市为重庆，其次为雅安和塔城，较低为五家渠、胡杨河和盘锦。
图9. 城市尺度下236个城市土壤保持量(SR)供需变化及可持续性指标(SM)。
土壤保持供给量较高的UA为GFZC、SH、YRMR，土壤保持供给量最低的UA为NYRCR，其次为HBEY和SP。土壤保持需求量最高的为SH，其次为GFZC和YRMR ，需求量最低的为NYRCR，其次为SP和HBEY。
研究地区的碳封存供给损失在2000-2005年期间为67.67 Tg，在2010-2015年期间为147.45 Tg，而2005-2010年期间的供应盈余为27.73 Tg，在2015-2020年期间为876.78 Tg。研究地区的碳封存需求呈上升趋势。从供给侧来看，供给量最高的城市是重庆，其次是抚顺和沈阳。在需求方面，较大的碳固存需求集中在特大城市和矿产资源型城市。唐山的需求量最高，其次是上海和榆林。
图10. 城市尺度下236个城市固碳(CS)供需变化及可持续性指标(SM)。
在研究期间，所有UA都经历了严重的碳固存供给损失，而碳固存需求持续增加。碳封存供给最大的UA是SH，其次是MSL和HC。在研究期间，碳封存需求最大的UA是长三角YRD，其次是BTH和CP。
2. ESSD变化的驱动因素
研究表明ESSD与LULC变化和人口密切相关。粮食生产供给与农业用地呈显著正相关。粮食生产需求是由人口决定的，发现粮食生产需求与所有选定的社会经济指标之间存在显著的正相关关系。
图11. 农业用地、生态用地、建设用地、人口、 GDP 与生态系统服务供需的相关关系。(a)、(b)、(c)及(d)分别是食物生产(FP)、保水(WR)、土壤保持(SR)及固碳(CS)。
保水量与土壤保持量与生态用地呈显著正相关，与建设用地呈显著负相关，这可以归因于生态土地通过减少径流来增加水和土壤保持供给。人口、GDP、建设用地和农业用地与保水需求呈正相关，这意味着人类对水的需求随着社会经济发展而增长。
固碳需求与人口、GDP和建筑用地显著相关。碳固存相关性不显著，表明经济增长与碳固存供给损失脱钩。这可能是由中国的生态政策造成的，例如制定生态红线，植树造林，退耕还林以及增加封闭森林覆盖率。
研究期内，19 个UA的建设用地增加明显，农业用地（包括稻田和旱地）和生态用地（包括林地和草地）下降明显。不同规模的UA建设用地占比差异显著。
图12. 2000-2020年19个城市群 LULC 的演化特征(单位: km2)。(a)、(b)、(c)和(d)分别是19个城市群、特大型城市群、大型城市群和中型城市群的变化特征。
特大型UA占建筑用地的比例最大（12.27%），其次是大型UA（6.84%）和中型UA（3.28%）。然而，中型UA经历了更剧烈的LULC变化。中型UA中的大量生态用地被转换为农业用地，农业用地转换为建设用地。
3. 城市生态系统服务的可持续性
本文使用气泡图来说明城市在三个尺度上的等级指标。气泡代表了城市尺度上的可持续性。实心气泡反映 V1,1 ≥0，空心气泡反映 V1,1 <0。气泡的大小反映了 V1,1 的值。最好的情况是象限I中的实心气泡，这意味着城市可以在城市，城市群和国家范围内实现可持续性。相比之下，最糟糕的情况是象限III中的空心气泡，这意味着一个城市无法在城市，城市群和国家范围内实现可持续性。
图13. 所研究的城市和 UA 的可持续性指标。(a) (b) (c)和(d)分别是研究城市在粮食生产(FP) ，保水(WR) ，土壤保持(SR)和碳固存(CS)方面的可持续性指标。(e)(f)(g)及(h)分别是城市群在食物生产、保水、土壤保持及碳固存方面的可持续性指标。
从2000年到2020年，实现粮食生产可持续性的城市数量有所减少。粮食生产ESSD在研究城市中表现出巨的大区域差异。松原市粮食生产的可持续性指标最高，其次是四平和绥化。这些城市位于中国东北的主要粮食产区。其中，松原在三个尺度的粮食生产方面是可持续的，并且有剩余的粮食供应来支持UA和全国的其他城市。在深圳，这些指标为负数，反映了在城市群或国家范围内的粮食生产不可持续。
2000-2020年，研究区内保水供给增加，但能够实现可持续性的城市数量有所减少。保水服务的可持续性高值分布在中国南部山区，而低值分布在北部和西北部,
所有城市在土壤保持方面都实现了可持续性，上海的土壤保持可持续性指标最大，其次是南通和湛江。可持续性指标最低的城市是克拉玛依，其次是鄂尔多斯和塔城。
关于碳固存，大多数城市都无法在城市和城市群尺度上实现可持续性。在2000-2005年和2005-2010年期间，只有河源和赣州分别在城市范围内实现了可持续发展。2010-2015年，没有一个城市的碳封存供大于求，而碳封存在全国范围内是可持续的。
4. 城市群生态系统服务的可持续性
所有研究的UA在UA和国家范围内都实现了粮食生产的可持续性。HC的可持续性指标最大，其次是CP和YRMR。可持续性指标最低的是PRD，其次是GFZC和LX。在保水方面，可持续性指标最高的UA是GC，其次是GFZC和BG。在其尺度无法保证保水可持续的UA需要由更大规模的生态系统提供。土壤保持的可持续性最高值是BG，其次是MSL和HC。土壤保持可持续性最低的UA是NSTM，其次是NYRCR和HBEY。对于碳封存而言，没有一项关于UA的研究在UA规模上实现可持续性。YRD在UA尺度中的可持续性值最低，其次是BTH和CP。在国家尺度内，所有UA的碳固存可以实现可持续性。NYRC在全国尺度内的可持续性指标最低，其次是NSTM和HBEY。
5. 讨论
研究区内所有UA都可以在土壤保持方面实现可持续性，但粮食生产、保水和碳固存存在不平衡。粮食生产高供给区主要集中在中国中部、东北和长江中游的大型城市群，然后，当考虑粮食需求时，这些城市群中的某些城市会因为人口众多粮食供不应求。这些城市土地扩张迅速，可能会继续占用农业用地。保水服务与地理位置有关，华南地区除了上海和广州等特大城市外，大多数城市都实现了可持续发展，然而满足北方城市的用水需求仍然是一个挑战。土壤保持供给的增长快于需求，这得益于一些生态修复工程的实施。特大型城市群的表现由于中型城市群，原因是中型城市群的增长速度最快。碳固存的ESSD最不平衡。尽管2015-2020年大多数城市的碳储量供给有所增加，但远少于需求量。超大型城市群表现最差，主要原因是其工业排放量巨大。因此应优先考虑碳减排。
由于空间外部性，城市生态可持续性的挑战往往密切相关，因此需要在多个组织层面制定综合战略，以避免可持续性解决方案不足。例如，雅安在城市规模上实现了可持续性，但在城市群或国家范围内没有实现可持续性，这意味着雅安的保水供给已在城市群和国家范围内分配给其他城市。上海的情况完全不同，在城市和YRD保水都是不可持续的。在全国范围内，YRD以外的其他地区供水满足上海的用水需求。雅安的可持续保水增强了其他城市保水的可持续性，而上海不可持续的保水影响了其他城市保水的可持续性。中国已经制定了多个项目来应对城市群的生态挑战，例如YRD和BTH的生态可持续性保护项目。然而，这些项目主要关注环境污染物、水质、碳排放、节能和生态红线，而ESSD在多个尺度下的表现很少被考虑。
本研究提出了一些政策建议：①生态系统服务的供求应纳入土地使用决策和城市规划，应建立统一的生态系统服务标准评价体系，结合连接城市生态系统和人类福祉的经验数据集，监测城市ESSD的动态变化。②应该努力减少生态系统服务需求，节能减排，提高能源转换效率。③评估地区生态恢复的适宜性，实施有针对性的立地修复。④实施多尺度管理战略。对于无法实现可持续性的城市或UA应专注于减少需求和增加生态系统供应；对于依赖他人支持实现可持续性的城市，应跨行政区域提供激励措施。中国制定了跨境管理政策和项目，然而这些干预措施更多地侧重于自然资源，缺乏科学依据。
作者指出本文有以下局限。① InVEST 模型中仍存在一些局限性和不确定性。②尽管本研究揭示了生态系统服务与社会经济因素之间的关系，但这些关系并不意味着因果关系。可进一步探讨 ESSD 与城市化之间的互动机制。③生态系统服务的相关的社会经济驱动因素可以考虑跨组织层次、空间和时间的变化。例如可以进一步将生态系统服务纳入多区域投入产出(MRIO)分析，以确定更详细的人与自然的相互作用，考虑到这些相互作用因贸易而增加。
7. 研究结论
研究结果表明：①从 2000 年到 2020 年，四种关键生态系统服务的供给和需求都有所增加。大多数特大城市严重依赖其他城市提供的生态系统服务。②粮食生产、保水和土壤保持与 LULC 显著相关。人口是生态系统服务需求变化的主要驱动因素。在中型城市群，建筑用地的增长速度最快。③北部中型城市群的水源涵养和碳封存在城市和城市群尺度内是不可持续的，应该特别关注 NYRCR。本研究将TES框架与生态系统服务相结合可为多种管理策略提供深刻的启示，其研究结果对经历快速城市化的国家有重要意义。
原文请见：Hou W, Hu T, Yang L, et al. Matching ecosystem services supply and demand in China’s urban agglomerations for multiple-scale management. Journal of Cleaner Production, 2023, 420:138351
转自：“生态遥感前沿”微信公众号
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