2024, Vol. 45
2. 东华理工大学测绘与空间信息工程学院, 南昌 330013;
3. 江西省测绘地理信息工程技术研究中心, 南昌 330025
2. School of Surveying and Geoinformation Engineering, East China University of Technology, Nanchang 330013, China;
3. Jiangxi Province Engineering Research Center of Surveying, Mapping and Geographic Information, Nanchang 330025, China
生态系统服务是生态系统对人类福祉和效益的直接或间接贡献[1].其供需平衡是区域可持续发展理论的重要组成部分[2], 也是人类可持续发展的关键. 当前区域生态系统供需平衡正面临着多方面负面影响.一方面, 随着人类活动对自然环境的影响范围不断扩展和强度日益加深, 自然生态系统正呈现出面积萎缩和斑块破碎化态势, 降低了生态系统服务的供给水平[3].另一方面人口增长显著提升了对水、能源和食物等生态系统服务的需求[4].因此, 生态系统服务供需不平衡日益凸显, 成为区域可持续发展面临的一个重要挑战.生态系统服务供需时空特征及其空间匹配研究, 能够在时间和空间上刻画其供需的状态及其空间分布, 可以为生态系统保护规划和生态补偿提供依据和决策支撑[5], 是实现区域可持续发展的重要手段.
目前, 生态系统服务供需平衡与空间匹配已成为生态系统服务供需研究领域的新方向和新热点[6].这一研究方向具有3个核心要素：一是构建生态系统服务评估指标体系；二是供需总量的测算以及空间分布的刻画；三是供需平衡的判断与空间匹配模式的识别.首先, 现阶段, 国内外学者已构建起相对完善的指标体系.Costanza等[7]将生态系统服务划分为17个子功能, 并通过价值评估法构建了生态系统服务的评估体系；联合国千年生态系统评估报告（MA）将其进一步细化为4个大类和20个功能, 构建起更完善的生态系统服务功能体系, 为后续研究提供了相对完善的评估指标体系[8]. 国内学者普遍使用产水量[9~13]、生境质量[14~16]、土壤保持[17, 18]、粮食供给[19~21]和碳存储[22, 23]这5类生态系统服务构建服务评估体系并取得丰富的理论与实践成果.其次, 随着诸如INVEST、RUSLE和ARIES等生态模型的开发与应用, 生态系统服务供给总量的测算与空间分布刻画已取得突破进展[24].同时, 在进行需求总量的测算与空间分布刻画时, 过往的学者们普遍采用人口密度[25]、经济密度[26, 27]和用地比例[28, 29]等社会经济指标.近期, 有学者也尝试使用夜间灯光指数[30]来刻画生态系统服务需求在空间上的分布.少量学者, 例如García-Nieto等[31], 通过问卷调查与走访方式调查公众的偏好和意愿, 用以评估难以量化的文化服务需求量.最后, 供需均衡与匹配识别分析可评估生态系统服务供需的满足程度[24].供需比是其中常见的分析方法[32].此外, 双变量空间自相关（双变量Moran's I）通过空间聚类将生态系统服务划分为不同的供需匹配类型区域[33], 可以更好地揭示潜在的生态系统服务“流入”、“流出”区域, 是目前较为新颖的研究方法.总体而言, 相关研究已取得较为显著的成果, 但仍存在一定不足, 关于生态系统服务供需平衡与空间匹配的研究大多局限于单一尺度, 没有关注到不同尺度下的供需平衡关系与空间匹配模式存在差异性, 鲜见学者开展多尺度方面的研究.
本文以湖北省为研究区域, 运用诸如InVEST等多种生态模型, 估算湖北省粮食供给、产水、碳存储和土壤保持服务的供需量, 分析了2000~2020年间各类生态系统服务供需的时空演变特征.并使用GeoDa软件, 通过1 km×1 km、5 km×5 km和10 km×10 km 3种栅格尺度以及县域尺度, 揭示4种生态系统服务供需平衡关系与空间匹配模式在不同尺度上的差异性, 旨在为推动湖北省生态系统服务供需格局优化和制定更为准确和详细的生态保护规划提供科学依据, 促进湖北省可持续发展.
1 材料与方法 1.1 研究区概况湖北省位于中国中部（图 1）, 北纬29°01′53″~33°06′47″、东经108°21′42″~116°07′50″之间, 属于亚热带季风气候.总面积18.59万km2, 占中国总面积的1.94%.行政区划包括13个地级市（自治州）、3个省辖市和1个林区.湖北省地形特征为东部、西部和南部高, 中部低, 被秦巴山、武陵山、大别山和福山等山脉环绕.这些山脉不仅提供丰富地的碳存储和土壤保持服务[34], 同时为许多珍稀动植物提供栖息场所, 在维护生物多样性方面具有重要意义.江汉平原是湖北省的重要区域, 被誉为全国重点商品粮油基地和淡水养殖基地, 素有“鱼米之乡”和“江汉粮仓”之称.湖北省拥有丰富的自然资源, 水资源尤为突出, 除长江、清江和汉江外, 还分布着上千湖泊.作为长江流域的一部分, 湖北省的水资源在整个流域中占据重要地位.
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图 1 2020年湖北省土地利用现状 Fig. 1 Land use distribution map of Hubei Province in 2020 |
本研究使用多源数据集对生态系统服务供需进行量化和空间分布刻画, 包括2000年、2010年和2020年的空间和统计数据（表 1）.所有数据均在ArcGIS 10.8中经过转换, 采用相同的坐标系（WGS_1984_UTM_Zone_49N）, 以进行数据的预处理、空间分析和统计.
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表 1 数据来源 Table 1 Data sources |
1.3 生态系统服务供需量的估算 1.3.1 碳存储
本文将湖北省二氧化碳排放量中碳元素的总量视为碳存储服务的总需求量, 将生态系统中植被每年所能固定的碳元素的总量视为碳存储服务的总供给量.为了反映碳存储服务供给量的空间分布, 本文使用植被净生态系统生产力（NEP）来估算湖北省的固碳量.NEP代表陆地生态系统与大气之间的净碳交换, 是评价陆地生态系统碳源/汇的重要指标[36].公式为：
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(1) |
式中, NEP为植被净生态系统生产力, NPP为植被净初级生产力, Rh为土壤异养呼吸.
鉴于近年来国内外学者已验证夜间灯光与碳排放存在相关关系, 并将夜间灯光数据广泛应用于研究碳排放时空格局[37~39], 本文采用修正后的夜间灯光数据总值和各栅格的夜间灯光数据, 以反映碳排放的空间分布.公式为：
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(2) |
式中, DCj为第j个栅格的碳存储需求, DNj为第j个栅格的灯光亮度值, DNsum为湖北省的灯光亮度总值, CE为湖北省的碳排放总量.
1.3.2 产水量本文采用InVEST模型中的产水量模块对2000年、2010年和2020年湖北省生态系统产水量进行测算, 公式为：
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(6) |
式中, AET（x）为栅格单元x的年实际蒸散量, P（x）为栅格单元x的年降水量, PET（x）为潜在蒸散量, ω（x）为自然气候与土壤性质的非物理参数, ET0（x）为栅格单元x的参考作物蒸散, Kc（x）为栅格单元x中特定土地利用/覆被类型的植物（植被）蒸散系数、AWC（x）为土壤有效含水量（mm）, 由土壤质地和土壤有效深度决定, 用来确定土壤为植物生长储存和提供的总水量.
水资源需求量的计算基于湖北省社会经济系统的用水量.《湖北省水资源公报》将全省的用水量划分为农业用水、工业用水和生活用水这3大类.这些用水量按照其对应的土地利用类型（耕地、建设用地、农村居民点和其他建设用地）, 通过平均分配到栅格图层中, 从而获得湖北省水资源需求的分布图, 公式为：
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(7) |
式中, DWxj为第x类土地利用类型中第j个格栅的用水量, DWx为第x类土地利用类型的用水量, COUNTx为第x类土地利用类型的栅格总数.
1.3.3 粮食供给本文采用国家统计年鉴的分类方法, 将研究区域内谷类、豆类和薯类作物的产量视为该地区的粮食供给量.鉴于归一化植被指数（NDVI）与作物的生长状态密切相关, 且对作物长势变化、气象和水分等信息敏感[40], 故本文采用湖北省耕地全年最大NDVI指数来刻画粮食供给的空间分布.公式为：
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(8) |
式中, Gj为第j个耕地栅格的粮食产量, Gsum为湖北省的总粮食产量, NDVIj为第j个耕地栅格的NDVI值, NDVIsum为湖北省耕地NDVI值总和.
食物需求的测算, 则采取“以人定需”的方法计算[41].本文将湖北省人均粮食消费量视作人均粮食的需求量, 通过其与每一栅格单元上人口密度的乘积来表征每一栅格单元上的粮食需求量.公式为：
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(9) |
式中, Di为第i个栅格的粮食需求量, Dp为人均粮食消费量, PDi为第i个栅格的人口密度.
1.3.4 土壤保持土壤保持量表示研究区内潜在土壤侵蚀量和实际土壤侵蚀量的差值, 反映了研究区土壤抗侵蚀能力的强弱[42].本文以潜在土壤侵蚀量表示需求量, 以潜在与实际土壤侵蚀量之间的差值表示土壤保持服务的供给量, 采用InVEST模型中的SDR模块进行土壤保持服务供需量的估计, 公式为：
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式中, RKLSx、USLEx和SDx分别为栅格x的潜在土壤侵蚀量、实际土壤侵蚀量和土壤保持量. Rx、Kx、LSx、Cx和Px分别为栅格x的降水侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、坡度坡长因子、植被与经营管理因子和水土保持措施因子, 其中降雨侵蚀因子R采用章文波等[43]的研究成果.土壤可蚀性因子K采用Williams等[44]提出的EPIC模型.具体公式如下所示：
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式（13）~（15）中, P为年平均降雨量（mm）, R为多年平均降雨侵蚀力. α1和β1为模型参数, 分别为0.053 4和1.654 8. Kj为栅格j的土壤侵蚀因子, K为修正后的土壤侵蚀率. SANj、SILj、SOMj和CLAj分别为栅格j的含砂量、含泥量、有机碳含量和黏土含量.
1.4 生态系统服务供需空间平衡与匹配生态系统服务供需比（ESDR）是反映实际的生态系统服务供应与人类空间需求之间关系的指标[32].本文采用ESDR来量化生态系统服务的实际供需平衡情况, 公式为：
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(16) |
式中, supplymax和demandmax分别表示研究区域内实际生态系统服务供给和人类需求的最大值. supplyactual和demandhuman分别表示栅格单元上生态系统服务的供给量和人类需求量.ESDR值大于0表示生态系统服务过剩, 值小于0表示短缺, 值为0表示平衡状态.
尽管ESDR能够可视化生态系统服务供需在空间上的平衡程度, 但也引入了一种“斑点效应”.对于管理者而言, 对实际环境中的特定栅格进行干预并不切实可行, 因此需要确定更大的同质区域以实施适当的管理措施[45].同时, ESDR也较难判断生态系统服务在空间上的供需模式和流向.
双变量空间自相关分析能够将生态系统服务供需划分为5种类型的空间集群, 即高供给高需求（H-H）、高供给低需求（H-L）、低供给高需求（L-H）、低供给低需求（L-L）和不显著区域.一般认为, 高供给低需求（H-L）和低供给高需求（L-H）区域是最可能发生生态系统服务流入和流出的地区, 同时也是供需空间不匹配地区.高供给高需求（H-H）、低供给低需求（L-L）, 以及不显著区域则需要具体情况具体分析.
1.5 尺度选取本文基于研究数据可获取性, 以1 km×1 km栅格为最小研究单元对湖北省生态系统服务供需进行量化, 并利用ArcGIS的渔网分析和分区统计工具实现多尺度生态系统服务供需的空间统计与空间分布的刻画.1 km×1 km栅格尺度与县域尺度分别是在进行基础研究与管理决策研究中经常使用的空间尺度, 因此本文首先将这2种尺度纳入到多尺度的考察范围内.为尝试通过由栅格尺度向行政组织尺度的逐步过渡, 以实现基础研究与管理决策尺度的有效衔接, 本文额外选取10 km×10 km栅格尺度用于研究.湖北省总面积为18.59万km2, 共计有1 260个乡级行政区.经计算, 乡级行政区平均面积约为147 km2. 10 km×10 km栅格尺度不仅与湖北省乡级行政区在空间尺度上较为贴合, 而且易于进行数据处理, 因此将其作为研究的过渡尺度是非常合适的.同时, 依据景观生态学的网格划分原则, 网格尺度的单元幅度范围为1~5 km[46], 为进一步实现研究尺度上的逐步过渡, 本文另选取5 km×5 km栅格尺度作为过渡尺度进行研究.
2 结果与分析 2.1 生态系统服务供需与多尺度供需比时空演变特征分析 2.1.1 碳存储服务表 2显示, 2000~2020年湖北省的碳存储服务供给量、需求量和供需差均呈增长趋势.供给增长较弱, 需求增长较为显著.供需差和供需比收窄, 表明湖北省的碳存储服务供求关系日益紧张.
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表 2 湖北省生态系统服务供需总量 Table 2 Total supply and demand of ecosystem services in Hubei Province |
根据估算结果（图 2）, 可以得知, 2000~2020年供需比在空间上逐步呈现“两极化”现象.即低值地区与高值地区均逐步扩大.低值地区主要分布在城市及周边, 而高值区域主要分布在远离城市的生态用地区域.这种现象, 是由碳存储服务供给量与需求量变换趋势在空间上的差异所决定的.需求量的增长主要集中在城市, 而供给量的增长主要集中在城市以外的生态用地.
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图 2 4尺度上湖北省碳存储服务供需和供需比时空分布变化 Fig. 2 Spatiotemporal distribution changes of supply, demand, and supply-demand ratio of carbon storage services in Hubei Province at four scales |
将研究尺度逐步扩大, 由1 km×1 km栅格尺度逐步放大至县域尺度.在这一过程中, 研究发现, 不同尺度下的供需比空间分布格局在整体上具有相似性, 依旧呈现“西高东低”的态势.但局部地区的值发生了一定改变.例如, 2020年部分极低值区域在栅格尺度逐步扩大的过程中其供需比值开始逐步上升, 最终在县域尺度上, 部分极低值（或供给严重不足）区域转变为供需平衡区域.这种现象主要集中发生在湖北省中部人口聚集区域（仙桃市、潜江市、沙市区和樊城区等）与西部偏远地区（恩施市、张湾区和茅箭区等）.
2.1.2 产水服务表 2显示, 2000~2020年间产水服务的供给量与供需差均为逐年递增, 而需求量则先增长后下降, 说明湖北省水资源供求关系相较舒缓, 产水服务供应充足.
根据估算结果（图 3）, 2000~2020年间供需比呈现上升趋势, 表现为整体上高值区域不断增加, 尤其以东部与西南部地区最为突出.局部上, 部分区域的供需比呈现下降趋势, 例如武汉都市圈、荆州市、襄樊市等, 这主要是因为该区域是产水服务需求量主要增长地区, 且增长量远超过产水服务供给量的增长.
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图 3 4尺度上湖北省产水服务供需和供需比时空分布变化 Fig. 3 Spatiotemporal distribution changes of supply, demand, and supply-demand ratio of water production services in Hubei Province at four scales |
当研究尺度由1 km×1 km栅格尺度过渡至县域尺度时, 本研究发现, 不同尺度下, 产水服务供需比整体空间格局除武汉市周边区域有一定变化外, 其余地区在空间上依然呈现相似性.但在局部上, 供给严重不足的区域（红色区域）会逐步模糊和收缩, 最终转化为供求平衡甚至过剩区域.该现象主要发生在湖北省中、西部城市地区与武汉都市圈.
2.1.3 土壤保持服务表 2显示, 2000~2020年间供给量与需求量变化趋势相同.供需差绝对值逐年增长, 供小于求的状况日益加剧.
根据估算结果（图 4）, 湖北省土壤保持服务供给与需求均主要分布在湖北省西部以及东部部分地区.2000~2020年间, 供给量与需求量的空间分布并未有明显变化, 仅是小范围地区的值有明显上升.由于水土流失方程是土壤保持服务的主要测算方式, 而该方程中, 高程差对测算结果有巨大影响, 因此, 供给量主要分布在具有较大高程差的地区.同时, 由于植被越茂密, 土壤流失截留能力越强, 因此, 土壤保持服务需求量主要分布在潜在土壤流失量大但植被茂密的地区.湖北省西部以及东部部分地区山地林立, 大巴山、巫山、武当山、大别山和幕阜山均位于此, 不仅是高程差较大的地区, 同时也是湖北省林地主要聚集地, 植被茂盛.故土壤保持服务供给与需求中高值区域均分布于此, 且供给量值越高的区域、也是需求量值越高的区域.因此, 土壤保持供需比空间分布也与土壤保持服务供给与需求具有相似性, 且各区域上的值并未有明显变化.
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图 4 4尺度上湖北省土壤保持服务供需和供需比时空分布变化 Fig. 4 Spatiotemporal distribution changes of supply, demand, and supply-demand ratio of soil conservation services in Hubei Province at four scales |
将研究尺度逐步放大, 可以看出, 不同尺度下土壤保持服务供需比在空间上的分布具有一定变化.首先是中北部部分高值区域, 随着栅格尺度的扩大其范围逐渐收缩；其次是东北与东南小部分低值区域, 其范围在1 km×1 km、5 km×5 km和10 km×10 km栅格尺度下是逐渐扩大的, 而在县域尺度下则完全消失, 进而转化为中值区域；最后是西南部地区, 该地区部分高值区域逐渐转变为中值区域, 而低值区域则先扩大后有一定收缩.最终, 在县域尺度下, 除2000年外, 该区域基本转变为中值区.
2.1.4 粮食供给服务表 2显示, 2000~2020年间, 湖北省的粮食供给量呈现明显的增长态势, 需求量则呈现减少趋势.粮食供给充裕, 供给远大于需求.
根据估算结果（图 5）, 粮食供应主要集中分布在中部平原地区, 且单位面积产量逐年上升, 表现为低值区域逐年变更为高值区域.粮食需求主要集中在城市与周边区域, 范围逐年收缩且单位面积粮食消费量逐渐减小.随着经济发展、湖北省的城市化率与人民生活水平不断提高, 人口逐渐向城市聚集的同时人民饮食结构不断改善, 人均粮食消费量逐年下降.最终导致“范围收缩、单位面积上量的减小”这一空间格局变化的产生.粮食供需比高值区域与粮食供给量高值区域在空间分布上具有相似性, 而低值区域分布则与粮食需求量高值区域在空间分布上具有相似性.粮食供需比的时空变化呈现出“高值更高、低值更低”的两极化变化趋势.由于供给坐落于耕地, 需求坐落于建设用地, 而同一土地不可能存在2种土地利用类型.因此, 理论上, 粮食供给与需求在空间分布上基本“互斥”.故粮食供需比的时空变化必然呈现两极化特征.同时, 研究观察到, 在各个尺度下, 粮食供需比的空间分布基本保持稳定, 几乎没有显著的变化, 只有少数零星的低值区域逐渐向中高值区域转变.例如, 在十堰市张湾区、襄阳市樊城区和黄冈市黄州区等地, 这些区域普遍是人口聚集区, 尽管人口规模相对较小, 但在其行政辖区内拥有一定规模的耕地.
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图 5 4尺度上湖北省粮食供给服务供需和供需比时空分布变化 Fig. 5 Spatiotemporal distribution changes of supply, demand, and supply-demand ratio of grain supply services in Hubei Province at four scales |
结果显示（图 6）, 对于粮食供给服务来说, 从面积占比的变化来看, 2000~2020年间, “不显著”与L-L集群占据主导地位, 前者占比约60%, 后者占比约为30%.且二者20年内变化均不明显.同样, H-L集群与L-H集群的变化也相较不明显.变化较为明显的是H-H集群, 其面积占比由4.26%下降至2.92%.从空间分布的角度来看, L-L集群主要分布在湖北省西部与东南地区, 该区域是湖北省五大山脉所在地.H-H集群主要分布在湖北省中部与东部地区, 该区域是湖北省农村与耕地的主要所在地. L-H集群的分布较为集中, 主要在城市及周边地区. H-L集群的分布较为分散, 主要在西部与东部的部分区域.从空间分布的变化来看, L-L集群在空间上呈现缓慢扩张态势, 且扩张区域集中在湖北省西北部与部分中北部地区.H-H集群在空间上呈现明显收缩态势, 中部地区尤为如此.与之相反, L-H集群则在空间上呈现明显的扩张态势, 武汉、黄石、黄冈和十堰地区扩张较为显著.
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图 6 4种生态系统服务空间匹配模式时空变化 Fig. 6 Spatiotemporal variation in four ecosystem service spatial matching patterns |
对于产水服务来说, 从面积占比的变化来看, 2000~2020年间, “不显著”、H-H、L-L和H-L集群均有较大变化.占据主导地位的“不显著”由46.51%增长至63.63%, 其次是占比较大的H-H集群, 由22.15%降至5.4%. L-L与H-L集群, 前者增长至19.61%, 后者降至9.81%.从空间分布的角度来看, H-H集群主要分布在湖北省中部地区, 该区域是耕地与建设用地所在区域. L-L集群主要分布在湖北省西北部地区, 该区域是山脉、林地所在地. L-H集群主要零星分布在H-H集群周围, 仅在2020年十堰市郧阳区有少量聚集. H-L集群则广泛地分布在西南、东南、东北部地区.从空间分布的变化来看, H-H集群明显处于收缩态势, 并且其分布范围逐渐以城市为核心进行收缩. L-L集群则处于扩张态势且明显向北扩张. H-L集群则在西南部地区逐渐收缩, 东南部地区先扩张后收缩. L-H集群除十堰市郧阳区有明显小规模扩张趋势外, 其余地区变化并不明显.
对于土壤保持服务来说, L-L、H-H集群和不显著地区在空间面积占比上占据着主导地位, 且这三者的空间分布随时间的变化并不明显.仅湖北省东北部部分地区由“不显著”转变为H-H集群.从空间分布来看, L-L集群主要集中在中部地区, 该地区主要是耕地, 地势相较平缓, 不易发生水土流失. H-H集群主要集中在西部和部分东部地区, 该区域主要是山地, 地形起伏较大, 是水土流失潜在高发区.
对于碳存储服务而言, 从面积占比的变化来看, H-L在20年内增长最为迅速, 由41.2%增长至44.55%. L-H集群则有一定变化, 由7.43%增长至8.76%. H-H集群变化并不明显.同时, 2000年、2010年和2020年碳存储服务均不存在L-L集群.从空间分布及变化来看, H-L集群主要分布在西部与东南、东北地区, 并在中北部地区呈现扩张态势. L-H集群主要聚集在武汉都市圈与湖北省各大城市, 并呈现了先收缩再扩张的变化趋势. H-H集群则围绕L-H集群分布, 其多年来空间分布变化不大.
2.2.2 多尺度下2020年生态系统服务空间匹配分析结果显示（图 7）, 对于粮食供给服务而言, 4个尺度上, 湖北省的空间匹配度均在35%左右, 且占据主导地位的均是L-L, 占比在30%上下浮动.同时, L-L集群在不同尺度上的空间分布具有相似性.当研究尺度逐渐放大时, H-H集群在空间分布上明显呈现收缩聚集的态势, 并且当尺度扩大至县域尺度时, 仅武汉市东西湖区在供求关系上为高供给高需求地区, 其余地区均转变为“不显著”区域. L-H与H-H集群相似, 也呈现收缩聚集的趋势, 最终在县域尺度上, 仅武汉市洪山区、武昌区、青山区、江岸区、汉阳区和硚口区表现为“低供给高需求”.至于H-L, 可在栅格尺度下观测到其零星分布在湖北省西部与中部部分地区, 但在县域尺度, 则完全无法被识别出来.结果表明, 粮食供给服务的空间不匹配仅在栅格尺度上能被较好地识别出来.在县域尺度下, 除武汉市外, 无法被识别.
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图 7 2020年4种尺度上4种生态系统服务供需空间匹配模式变化 Fig. 7 Changes in spatial matching patterns of supply and demand of four ecosystem services at four scales in 2020 |
对于产水服务而言, 在5 km×5 km、10 km×10 km尺度下, 湖北省的空间匹配度在36%至40%之间, 而在县域尺度与1 km×1 km栅格尺度上, 空间匹配度仅约为25%.作为“空间匹配”最为主要的2种聚类方式, L-L与H-H集群在不同尺度下空间的分布变化则大相径庭.L-L在4个尺度上的空间分布具有明显的相似性, 均主要分布在湖北省西北部, 且在面积占比上并没有过大差异（19.6%~24%）.而H-H集群无论在空间分布还是在空间占比上均有较大差异.在3个栅格尺度上, H-H集群主要分布在中部地区, 且随着研究尺度的逐渐扩大, H-H集群的空间分布范围也在逐渐扩大.但当尺度扩大至县域时, 仅剩武汉市部分地区表现为H-H集群.空间不匹配区域主要存在于湖北西南部, 主要表现为潜在流出的空间错配型的H-L集群.而具有潜在流入的空间错配型的L-H集群主要小范围分布于主要城市区域, 在栅格尺度上包括西北地区的襄阳、十堰和宜昌市, 在较粗糙的县域尺度上仅有宜昌市地区.
对于土壤保持服务而言, 占据主导地位的是供需匹配类型, 空间匹配度在50.06%~66.49%之间.在3个栅格尺度上时, L-L与H-H集群在空间分布上均具有相似性, 且规模不断扩大.在县域尺度上时, L-L集群的规模快速缩小, 而H-H集群在西北部地区继续扩张, 在东部地区则消失.空间错配区域的H-L和L-H集群的比例较小, 且随着规模的增大而减小, 在县域尺度完全消失.
与其余3个生态系统服务不同, 碳存储服务供需匹配的面积和比例都很小, 空间不匹配类型占主导地位.随着研究尺度的扩大, 空间不匹配类型的占比由53.3%下降至32.9%, 呈下降趋势. H-L集群主要分布在植被密集的林地, 在4个尺度上都有很强的碳存储服务供给流出潜力.另一个明显的聚类类型是在武汉都市区和其他城市地区的L-H集群, 它们需要其他地区的服务供给流入来满足本区域的服务需求缺口.
3 讨论过去关于生态系统服务供需空间关系的研究, 通常仅使用单一尺度, 忽视了不同尺度下的供需平衡关系与空间匹配模式存在差异性. 尽管精细尺度的研究显示了生态系统服务供求关系在空间上呈现相对异质的模式, 使得较精细的栅格尺度能够详细描述区域微观尺度的供求状况, 但在实际生态环境管理中, 对大范围区域进行如此精确的管理不切实际. 随着研究尺度逐渐扩大到县域尺度, 由于空间聚集效应, 生态系统服务供求关系在粗尺度上呈现同质模式[33]. 因此, 县域尺度的生态系统服务均衡关系能够判断湖北省内不同生态系统服务主要的“赤字”区和“富余”区. 然而, 该方法仅适用于整体局势的把握, 不符合更为精确化的管理需求, 对于制订详细的生态环境管理方案缺乏实际意义. 因此, 研究不同尺度的供需平衡关系与空间匹配模式, 并将其融入环境决策过程, 对促进生态系统服务供需格局优化至关重要. 研究结果表明, 随着时代的发展、研究尺度的扩大, 湖北省整体的生态系统服务供需均衡关系均得到了缓解, 但产水、碳存储、粮食供给3种生态系统服务在城市及周边县区的供求关系依旧紧张. 并且在1 km×1 km栅格尺度上, 随着时间的推移, 供需“赤字”栅格以城市为核心向周边地区不断蔓延. 这些显著的变化均说明湖北省城市地区的生态系统服务供求关系有一定恶化倾向. 同时, 在一些远离城市的县或较小的栅格内仍然存在供需不平衡的情况. 这些情况均说明湖北省的生态环境管理依旧存在改进空间, 需要更加有力、精细化的管理.
产水、粮食供给与土壤保持服务主要呈现空间匹配模式, 而碳存储服务则相反, 主要呈现空间不匹配模式. 表明碳存储服务的供需空间错配较为显著, 而其他3种服务则相对平衡. 同时产水、粮食供给与碳存储服务在整体上均处于供大于求的状态, 表明湖北省具备通过资源调配来解决错配问题的空间. 湖北省政府应根据空间不匹配特征, 划定潜在生态系统服务流入、流出区, 并通过构建完善的“补偿平衡”方案促进生态系统服务资源由“富余”区向“赤字”转移. 在碳存储服务方面, 可通过构建碳汇交易市场来减缓地区发展不平衡问题, 促进武汉都市圈部分人口和高能耗企业向西部地区迁移, 实现碳排放在空间上的合理分布, 最终实现碳存储服务的供需平衡；对于产水服务, 先进的水利设施工程可以高效地调配湖北省境内的水资源. 通过兴建新型水利工程, 可以将湖北省西南部地区的水资源调配至相对缺水的东北部地区, 实现产水服务的供需平衡；在粮食供给服务方面, 随着我国经济的发展, 居民人均粮食消费量逐年递减. 近年来, 湖北省的基础设施建设和物流网络不断完善, 产粮区的粮食可以快速运往各个角落. 在需求下降、物资运转通畅的前提下, 湖北省粮食供给服务的空间供需不平衡问题相对不严峻. 未来, 继续构建与完善高效的物流网络、严格执行耕地保护制度就可以消减粮食供给服务供需空间错配所带来的负面影响.
4 展望（1）本研究虽然揭示了4种生态系统服务供需平衡关系与空间匹配模式在不同尺度上的差异性, 但并未说明哪一种尺度是最适宜用于生态保护规划的.因此, 今后学者可从这一点开展多尺度方面的研究.
（2）本研究在计算4种生态系统服务供需时, 采用目前常用的模型或公式, 缺少实测数据进行验证；部分数据由于难以获取或缺失, 因此采用估算的方法进行衡量（例如湖北省人均粮食消费量）, 导致实验结果与现实状况存在一定误差.今后研究可通过实地调查等方式获取更符合实际的数据来支撑论文结论.
5 结论（1）2000~2020年间, 湖北省4种生态系统服务供给总量均呈增长趋势；需求总量上, 除粮食供给服务外, 均呈增长趋势.在生态系统服务供需关系方面, 除土壤保持服务外, 其余3种服务均处于供过于求的状态.
（2）从生态系统服务供需比的空间分布来看, 除土壤保持服务外, 其他3种服务均呈现出城区供需比值低、非城区供需比值高的两极分化格局, 并且在研究区间内, 这一格局逐步加深.
（3）4种生态系统服务供需空间匹配的区域规模及程度差异明显.除碳存储服务供需空间不匹配区域较多外, 其余3种皆匹配区域较多；匹配程度方面, 仅碳存储的空间不匹配程度呈上升趋势, 其余3种服务的不变；4种生态系统服务空间不匹配的区域均分布在城区或湖北省边缘地区.
（4）不同尺度下的生态系统服务供需平衡与匹配分析结果存在较大差异.部分生态系统服务供需不平衡或不匹配的区域仅在较精细的栅格尺度下才能观察到, 在较粗糙的县域尺度下则可能被掩盖.
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