揭示城市化地区生态系统服务
满意度和公平性之间的驱动差异
原文信息
文章发表于RES期刊
Volume 18, December 2024, 100176
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.resenv.2024.100176
摘要图
文章亮点
•为城市生态系统服务管理制定综合分析框架。
•基于供需关系评估生态系统服务的空间满意度和公平性。
•识别城市化对生态系统服务(ES)的影响及其区域差异。
•分析自然、社会和经济驱动因素及其对生态环境服务的相互作用。
•为提高中国广东的环境服务满意度和公平性提供有针对性的政策。
英文摘要
Rapid urbanization intensifies the challenges of achieving satisfaction and equity in ecosystem services (ESs). Beginning with a theoretical overview, we identify five pivotal challenges in managing urban ESs, forming the basis for our integrative analysis. Employing a multi-level analytical perspective, our research quantifies ESs satisfaction through supply–demand ratios and evaluates ESs equity via supply–demand Gini coefficient. Simultaneously explored the driving force relationship between these two dimensions. This study uses Guangdong Province, a typical urbanized area in China, as a case study to assess the supply and demand relationships of four regulating ESs: water retention, soil retention, carbon storage, and water purification. Our results highlight the disparity in ESs management effectiveness across different scales while the overall assessments might suggest adequate or equitable ESs, localized assessments within cities and regions often uncover specific ESs issues. A pivotal aspect is that single-factor critical to ESs satisfaction or equity dimension may have limited or opposing importance in another, but interactive effects of multiple factors can effectively mitigate these divergent impacts through non-linear synergies. These insights not only reveal the multiplex impacts of natural–social–economic drivers on urban expansion but also guide the targeted development in different management scale, multi-dimensional management strategies to address these disparities. This approach enriches the discourse on sustainable urban development and provides a robust framework for addressing the nuanced challenges of urban ESs management.
中文摘要
快速城市化加剧了实现生态系统服务（ESs）的满意度和公平性的挑战。从理论概述开始，我们确定了管理城市生态系统服务的五大关键挑战，为我们的综合分析构建了框架。我们的研究采用多层次分析视角，通过供需比率量化生态系统服务的满意度，并通过供需基尼系数评估生态系统服务的公平性，同时探讨了这两个维度之间的驱动关系。本研究以中国典型城市化地区广东省为例，评估了水源涵养、土壤保持、碳储存和水净化四种调节城市环境系统管理的供需关系。我们的研究结果凸显了不同尺度下生态系统服务管理效能的差异性。虽然整体评估可能表明环境服务充足或公平，但城市和区域内的局部评估往往会发现特定的生态系统服务问题。关键在于，对环境、社会和经济因素的满意度或公平性至关重要的单一因素可能在另一个方面的重要性有限或相反，但多种因素的交互效应可以通过非线性协同作用有效缓解这些分歧影响。这些发现不仅揭示了自然-社会-经济驱动因素对城市扩张的多重影响，而且还为不同管理尺度提供了针对性的、多维度的管理策略，以解决这些差异。这种方法丰富了关于城市可持续发展的讨论，并为应对城市环境系统管理的复杂挑战提供了一个强有力的框架。
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广东省位于中国东南沿海（北纬20°03-25°31，东经109°45-117°20），呈现出独特而迷人的典型性（图1），既有繁华的经济景观，又有丰富迷人的生态系统，一直是全球关注的焦点。
图1. 广东省的地理位置、四个主要地区和城市。
为了应对这五大挑战，这一交叉视角下的综合分析框架主要包括“催化剂-状态-问题-层次-目标”（图2）这五个关键组成部分，每个组成部分都反映了城市化地区环境系统管理中不容忽视的重要特征。
图2. 管理城市化地区生态系统服务(ES)的强化技术路线图：确定关键影响因素（催化剂）、评估当前供需动态（状态）、解决权衡和公平问题（问题）、分析不同规模的服务动态（层次），以及制定城市特定的管理目标（目标）。
我们以2020年为基准年，描述广东省区域生态系统服务供需状况及其影响因素。本文使用的数据包括五大类（表1）。所有空间数据统一采用Albers投影法，空间分辨率为30m。
表1. 数据来源和说明。
本研究使用的InVEST子模型包括水产量(WY)模型、沉积物输送比(SDR)模型、碳储量(CS)模型和养分输送比(NDR)模型（表2）。由于InVEST水量模型不提供生态系统的保水量，我们使用了一个扩展模型，通过水量平衡方程从降水中减去蒸散和径流来计算保水量。在需求核算方面，目前还没有统一的模型或平台。根据ES的理论定义和实际数据，我们对每种服务的需求进行了定义。
表2. 环境服务供需核算中使用的模型和指标。
地理信息系统（GIS）可实现GDP、人口密度和城市化水平的空间可视化，从而有助于研究生态系统服务供应与人类需求之间的空间错配问题。通过整合这些空间显性指标，本研究可有效捕捉生态系统服务分布的空间动态和公平性。这增强了所选指标的代表性，使其能够提供对影响不同区域生态系统服务的驱动因素的细致理解（表3）。
表3. 从自然、经济和社会三个维度选择 ES 催化因子。
从供需平衡的角度来看，广东省的水源涵养、土壤保持、碳储存和水净化服务的比率均大于零，表明生态系统服务的总体供不应求，该地区处于过剩状态。然而，这些服务的地理分布显示出明显的空间差异（图3）。保水和碳储存服务的严重不足主要出现在珠江三角洲，那里植被覆盖率低，工农业活动频繁，造成供需失衡（图3）。粤北和粤西地区拥有丰富的生态资源和植被，是重要的生态屏障，其供需比要高得多。虽然水土保持和水净化服务一般都能维持正向的供需平衡，但东莞、佛山、深圳和中山等城市中心却因大规模城市化而面临水源涵养不足的问题。东莞和深圳还存在碳储存赤字，排放量高，植被有限。虽然水土保持和水净化服务基本平衡，但潮州和汕头等城市的水净化率较低，反映了农业径流和污染导致的未满足需求及较差的水质状况。
图3. 广东省能源服务供给与需求的空间格局及供需匹配的空间分布（跨视角应用：状态层次）。
本研究利用空间基尼系数评估了各省市生态系统服务的空间公平性。在省一级（图4中粗红线），四种服务的空间公平性各不相同。土壤保持和水净化服务表现出较好的公平性，其基尼系数分别为0.319和0.212，均高于公平性阈值。洛伦兹曲线表明40%的供给满足50%的需求。在城市规模上，除了水净化之外，大多数服务都存在明显的不匹配。保水基尼系数从广州的0.485到河源的0.125，超过70%的城市的系数在0.2-0.4之间，表明条件适度匹配（图4）。
图4所示。广东省不同生态系统服务供给与需求的Lorenz曲线（交叉视角应用：状态层次）。图（a-d）分别评估了保水、沉积物保水、碳储存和氮输出，粗体红线代表了全省洛伦兹曲线。每个图的右下角显示了全省的累积基尼系数和公平指数，而左上角的插图显示了21个城市的基尼系数直方图。（对于图例中有关颜色的解释，请参阅本文的网页版本。）
总体而言，广东的生态系统服务在公平性和总满意度方面都高于警戒线，但仔细观察会发现地区间存在明显差异，结果也各不相同（图5）。在所有城市的平均水平上，所有四项服务的公平性和供需满意度均在警戒线以上的安全区域内。从这一平均值来看，WR（保水）、SR（保土）和WP（净水）的公平性相对较好（位于第3区），但CS服务的公平性稍差（位于第6区）。所有四项服务的总体满意度都介于0和0.2之间，显示出中等水平——不是特别好，但也不是特别差。但是，从四个分区来看，珠三角的服务质量公平性和满意度都处于双低状态，尤其是水源涵养（WR）和碳储存（CS）服务，某些指数已经突破警戒线，是四个分区中唯一存在严重风险的地区。其他三个地区的服务满意度和公平性普遍较好。唯一的例外是NG，与珠江三角洲相比，它的WP公平性较差，但总体而言，它处于1区。NG也是唯一在WR和总体指标上都得分较高的次区域，在这两项指标上都位于1区。EG和WG一般在第3区大致相当，第1区在WG在WR方面略胜一筹。
图5所示。广东省与各城市ESs供需满意度与公平性比较（交叉视角应用：Status×Concern×Hierarchy×Object）。各组（a-d）分别评估WR(保水)、SR（保土）、CS（碳储存）和WP（净水）。x轴代表供需状态，供需警戒线阈值为0，y轴代表公平水平，公平警戒线阈值为0.6。图（e）综合了每个城市的空间供需和公平状态的累计得分，图的右下角显示了各个服务位置的评分规则。
为了更直观地表示城市之间的差异，我们根据城市的象限位置（如图6e所示）给城市分配了不同的分数，这些分数被累计加了四次，以便在地图上清楚地显示城市之间的状态差异。一般来说，相同的相互作用因素组合在影响满意度和公平的核心驱动因素方面表现出良好的异质性。如果只考虑单一因素（图6），ESs满意度目标与公平分配原则之间可能存在权衡，但在双重因素的影响下，大多数服务都能实现较好的提升，尽管提升程度有所不同。
图6. 广东地区Ess（生态服务系统）供需满意度和公平性的单因素驱动分析（跨视角应用：催化剂状态问题）。每列代表一项服务的分析结果，根据因素对ESs公平性的影响程度从高到低排列。圆圈的大小代表驱动因素的级别，黄色背景表示公平驱动因素，蓝色背景表示满意驱动因素。两类驱动因素之间的间距表示两个关注点之间的排名差异；间距越小，排名差异越小，表示协同效应越好。图例中用深浅不同的红色或灰色标出了驱动因素的显著性水平。(有关本图例中颜色的解释，请读者参阅本文的网络版）。
我们利用GeoDetector的因子检测模块来探索环境服务满意度和公平性的单一驱动因素，结果显示，大多数驱动因素都表现出较高的统计显著性（P<0.01或P<0.05），从数据角度反映了我们选择指标的合理性。进一步将不同目标的同类驱动因素的强度对齐统一到一个尺度上（图7），可以明显看出，经济和社会驱动因素（紫色和蓝色）能更好地解释公平性，而自然因素（绿色）一般能更好地解释服务满意度。GeoDetector的交互探测模块分析了因子交互作用对四种生态系统服务匹配的空间差异的影响。结果表明，各种因素成对相互作用的影响呈现出双因素增强和非线性增强的特点，表明广东省生态系统服务供需匹配的空间差异不是由单一因素单独决定的，而是由不同因素的交互影响决定的（图7）。
图7. 广东地区ESs供需满意度与公平性的交互因子检测（跨视角应用：催化剂现状关注）。各组（a-d）分别评估WR、SR、CS和WP（氮输出）。左下方外圈为黄色的三角形表示公平互动评估结果，右上方外圈为蓝色的三角形表示满意度互动评估结果。扇形开口的大小代表交互作用因素的影响大小，图例中用蓝色和绿色区分交互作用类型。(有关本图例中颜色的解释，请读者参阅本文的网络版）。
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本期编辑
洪鄂誉升，南京信息工程大学，环境科学与工程学院，博士生
王苗苗，南京林业大学，经济管理学院，硕士生
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Resources, Environment and Sustainability（RES）是南京大学（溧水）生态环境研究院于2020年创办的一本跨学科英文学术期刊，依托Elsevier BV出版发行，旨在发表资源、环境和人类可持续性探索方面的高质量原创性文章。当前期刊编委会成员共计144人，来自全球24个国家/地区。截至2025年1月，RES期刊共发表19期165篇文章，作者分布在全球40余个国家/地区，期刊已陆续被ESCI、Ei Compendex、Scopus、GEOBASE、GeoRef、WorldCat、CAB Abstracts、CNKI等国内外数据库收录，入选中国环境科学领域高质量科技期刊分级目录（T3），已建成国内外社交平台（微信公众号、推特、领英等）。期刊影响因子达到12.4，CiteScore达到15.1，CiteScoreTracker 2024达到17.8。
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