【文献分享】中国生态系统服务供需失衡的多尺度特征：加强生态系统精细化管理

1. ESs供需的时空变化

1. 1.ESs供应

如图1所示，中国5个ESS供应的空间分布表明，单个ESS供应的空间格局随着时间的推移保持相对稳定。然而，各种ESs供应的时空分布格局存在显著差异。具体而言，HQ（生境质量指数）和CS（碳的全部储量）表现出相对相似的空间分布：高供应区主要分布在云贵高原、东南丘陵、小兴安岭、长白山脉和长江中下游平原，而低供应区主要集中在北部高原地区和西北地区，尤其是新疆准噶尔盆地和塔里木盆地、内蒙古的阿拉善高原和甘肃的祁连山。相比之下，高FS（谷物生产、肉、蛋、牛奶和水生生产）值主要集中在长江平原、华北平原、东北平原和四川盆地的中下游地区，而低水平区域主要集中在中国西北地区。WY（年产水量）呈现从西北内陆向东南沿海递减的梯度分布，与黑河-腾冲线一致。SC（土壤保护供给）高值区分布在西南地区表现为破碎化和相对集中，秦岭北部地区和西南喀斯特地区SC供应能力普遍较低。

从时间维度上ESs供应量的统计（图2）来看，5种ESs供应量表现出明显的年际变化。具体而言，HQ和SC的供应总体上保持相对稳定，从2000年到2020年略微增长了约5%。FS在所有三个时期均呈上升趋势，总体增长35.37%，增幅最为显著。WY在三个时间段内呈现“U”形变化趋势，反映出20年期间的总体增长约为8.77%。CS显示出约2.93%的小幅下降趋势。总体来看，在过去20年中，除CS外，其他4个ES的供应呈增长趋势，证明中国在实施粮食安全战略和生态保护政策方面取得了进展。

 1.2.ESs需求

图3显示了5个ESs需求的空间分布结果，其中HD（栖息地需求）、FD（食物需求）、WD（水需求）和CD（碳需求）表现出相似的空间分布特征。需求旺盛的地区主要集中在京津冀地区、长三角、成渝经济圈和粤港澳大湾区等经济活跃地区，以及东部沿海地区。相反，低需求地区主要位于北部和西部地区。高值SD（土壤需求）主要分布在黄河流域、云桂高原和南部丘陵地区，地表遭受严重侵蚀，是水土流失控制的关键区域。

就2000年至2020年的需求变化而言（图2），HD和SD的年际波动并不显著，分别增长了3.78%和6.07%。FD在2000年至2020年间略微增长了，约10.42%。WD变化趋势呈倒“U”形，总体而言，2020年与2000年相比下降了31.46%，这是与第一年相比，五个ES需求的唯一下降。CD表现出明显的年际波动，从2000年到2010年增加了近1.5倍，然而，这一趋势在后十年放缓，总体上与2000年相比，2020年增加了两倍多。

 1.3.ESs平衡

5个ESDRs的时空分布如图4所示。一般来说，每个ESs的正向变化区域与高价值供应位置密切相关。除SESDR（水土保持供需比）外，其他ES供需之间存在明显的空间不平衡。其中，HESDR（生境质量的供需比）和CESDR（碳封存的供需比）具有相似的空间分布特征，正向变化面积大于负向变化面积。正向变化面积相对集中在大兴安岭、东北小兴安岭、东南丘陵和云贵高原的茂密林区，而负向变化面积分布在塔里木盆地、准噶尔盆地和甘肃祁连山以北地区。FESDR（食品供应的供需比）的负向变化面积远大于正向变化面积，可以看出东北平原、北方平原、中下游平原和四川盆地是盈余面积。WESDR（产水量的供需比）逐渐从正向变化区过渡到从东南到西北的负向变化区域，大部分是负向变化区域。内蒙古高原、青藏高原、黄土高原和新疆处于供不应求的状态，而长江以南的情况则长期处于产水量过剩状态，平衡区主要分布在正向变化地区周围。SESDR整体上处于平衡状态，西北部的负向变化区域数量有限，西南部和东南部的正向变化区域分布分散。

从ESDR区域的变化来看（图2），HESDR的平衡区域在过去二十年中下降，而赤字区域增加了近两倍，加剧了HQ的不平衡。FESDR的年际变化量最为显著，正向变化面积在20年期间急剧增长，受益于国家耕地保护政策。WESDR的盈余和平衡区域在2000年至2020年期间均有所增加，表明均衡得到增强。从2000年到2020年，SESDR的负向变化和正向变化领域都有所增加，其中负向变化领域增加得更多。与其他4次ESDR相比，2000—2020年CESDR的年际波动不明显，平衡面积增加了28.82%，供需平衡略有改善。

 2.多尺度上ESs供需比

根据空间自相关结果，2000年至2020年间ESDR的空间分布格局在网格、城市和流域等各种尺度上表现出明显的空间聚类趋势。随着尺度范围的缩小，空间聚类特征更加详细，区域协同特征表现出不同的差异。不同时空尺度的Moran'sI值如图5所示：Moran'sI指数在网格尺度上呈上升趋势，在城市和流域尺度上保持稳定。ESDR的分布总体上表现出显著的空间正相关。

根据每个尺度的LISA图谱（图6），ESDR明显表现出异质性和空间自相关性，从而在不同尺度上形成相对稳定的进化格局。H-H（高-高）和L-L（低-低）协同格局更频繁，而H-L（高-低）和L-H（低-高）权衡格局出现得相对较少。其中，H-H聚类主要分布在南部和东北部地区，而L-L聚类主要出现在西北部和东部地区。ESDR在不同尺度上的分布格局大致相似，但存在显著差异。

在网格尺度上，H-H聚类主要分布在南部、东北部和中部地区，而L-L聚类主要分布在西北部。2000—2020年，H-H集群带数量明显增加，尤其是西南四川盆地、黄土高原和东北部小兴安岭附近地区。同时，L-L聚类内的网格数量增加，加上空间向南移动，显著变化主要集中在青藏高原北部。H-L聚类和L-H聚类主要分布在H-H聚类和L-H聚类的边缘，作为ESDR高区和低区之间的过渡区，这两种类型的聚类并不常见。

在城市尺度上，2000年中国有117个城市处于H-H集群中，主要分布在长江以南和吉林省东北部。L-L集群共154个城市，主要分布在新疆、青海、甘肃、内蒙古、宁夏、山西等西北地区，以及北京、天津、河北、山东、江苏等东部地区。从2000年到2010年，表现出L-L集群的城市数量显著减少，尤其是在东北地区。2010—2020年，ESDR空间分布格局以碎片化为特征，北疆、青海、甘肃、内蒙古、河南、江苏等地L-L集群数量减少，部分区域转变为L-H集群和H-L集群，表明严重失衡地区周边环境正在改善。同时，H-H集群中的城市增加并在空间上北移，主要分布在四川和重庆等地区。在这十年中，通过推进以城市为基础的生态恢复计划，城市规模的供需失衡得到了显著改善。

在流域尺度上，2000年有149个H-H集群的子流域单元，主要分布在长江流域、珠江流域、黑龙江流域和东南沿海地区。L-L聚类的子流域单元66个，主要分布在塔里木河流域和黄河流中下游流域。2000—2010年，中国南方地区ESS供需状况良好，H-H集群数量增加到167个子流域单元。同时，东部沿海地区L-L集聚的发生率有所下降，但塔里木盆地的不平衡现象并未得到改善。2010—2020年，黑龙江流域南部和东北地区H-H集群单元数量持续增加，东部沿海地区L-L集群单元数量略有增加。ESDR格局在2010年后基本稳定，主要归因于2008年后大规模农田再造林工程的放缓，流域尺度的ESs供需状况有所改善。

3.ESDRs之间的权衡和协同作用

2000—2020年，5对ESDR之间的相关强度和方向的空间特征在网格、城市和流域尺度上存在差异，但在时间尺度上具有显著相似的关联特征。大多数ESDR对通过了时空尺度的显著性检验（图7）。一般来说，ESDR对之间的正协同作用比权衡更有利。本文发现HESDR-CESDR在网格尺度上的协同效应最高，表明生境质量的改善显著提高了植被的固碳能力。本文还发现HESDR-FESDR在城市尺度上的权衡最高，表明高密度的农业和畜牧活动可能会破坏现有的自然栖息地。在网格和流域尺度上，ESDR对之间的大部分协同关系得到了改善。然而，在城市尺度上，ESDR互动的改善不太明显，权衡取舍有增加和协同作用下降的趋势。

在网格尺度上，ESDR对大多表现出协同效应，其中HESDR-CESDR、WESDR-CESDR和HESDR-WESDR位居协同强度前三，在该尺度上表现出最强的协同效应。随着规模范围扩展到城市规模，FESDR和其他ESDR之间的权衡变得明显。权衡效应在HESDR-FESDR中最为明显，而HESDR-SESDR和SESDR-CESDR之间的协同效应在该规模下最强。在流域尺度上，FESDR与其他4个ESDR之间的权衡效应显著减弱，甚至FESDR-WESDR和FESDR-CESDR也逆转为协同效应，尽管这种强度较弱。WESDR-SESDR在流域尺度上的协同增效强度大于其他两个尺度。

从时间的角度来看，在网格尺度上，9对ESDR之间的协同强度保持稳定或不断提高。在城市尺度上，WESDR-CESDR、HESDR-WESDR和WESDR-SESDR的协同效应普遍减弱，而FESDR-HESDR和FESDR-SESDR的权衡强度普遍增强。FESDR-WESDR权衡强度减弱，FESDR-CESDR之间交互作用的强度基本不变。在流域尺度上，6对ESDR之间的协同作用呈现稳定或总体增加的趋势，而HESDR和FESDR之间的权衡强度随着时间的推移而增加。

本研究对探索多尺度ESs供需关系的空间特征做出了重要贡献，然而，本研究存在以下局限性：首先，它缺乏对文化服务的评估，而文化服务与人类需求直接相关，但没有更好地定义为提供或规范服务，因此需要对评估进行更科学的量化。第二，ESs的流动下产生的供需不平衡在调节生态系统的稳定平衡至关重要，应进一步探索的流动调节ESs供需匹配关系，支持未来生态系统服务的动态治理。