陈艺华 ， 陈振杰 ， 李飞雪 ， 黄秋昊

(南京大学 地理与海洋科学学院，南京 210023)

0 引言

生态空间是主要提供生态服务或生态产品的国土空间[1-2]。生态空间质量直接影响其提供人类日常生活必要的食物、能源、服务的能力[3-4]。生态需求是人类社会希望获得的生态系统服务以及通过一定方式(如金钱、时间、距离成本等)能够或想要获取的生态系统服务[5-8]。随着经济全球化发展，快速的城市化对生态空间产生巨大影响，经济发展、城市扩张、人口激增带来的后果之一是日益增长的资源需求与不断下降的生态空间质量之间的严重冲突[9-10]，这给区域可持续发展和生态文明建设带来了严峻挑战。

随着城市化的发展和生活水平的提高，人们对高质量生态空间的需求日渐强烈[11]，生态空间供需关系受到广泛关注。有关生态空间质量和需求的研究方法主要分三类：(1)指标构建方法是根据一定范围内提供的生态服务与人口、经济的比例来衡量供需匹配程度。如Y.Deng等[12]通过构建休闲服务供给指数和社会需求指数来分析城市休闲服务供给与需求的空间错配；寿飞云等[13]通过土地开发强度、人口密度、GDP测算生态系统服务需求，分析长三角生态系统供求变化趋势。(2)基于地理信息方法分析供需匹配。如K.Gupta等[14]利用缓冲区分析和网络分析评估绿地可达性及绿地需求程度。(3)基于调查问卷、统计数据或依赖专家经验、知识的经验调查法。如B.Burkhard等[5]提出将土地利用类型与生态系统服务潜力、生态系统服务流和生态系统服务需求联系起来的专家生态系统服务供求矩阵；K.Vierikko等[15]使用访谈和统计数据，通过综合生态系统服务方法，分析了芬兰城市湖泊生态系统娱乐供需关系。研究表明，不同区域的自然和社会经济状况差异会影响其生态服务供给和需求，存在空间不平衡的问题[16-17]。

上述方法能够一定程度上反映生态供求关系，但仍存在以下问题：(1)对人们的生态需求研究往往停留在人口和社会经济层面，较少考虑到交通可达性对人们享受生态空间的影响。(2)生态供给与需求的平衡因地而异，并随经济社会发展而变化，难以综合量化。

明晰区域的生态空间供需特征对生态空间科学管理、城乡高质量发展、人居环境改善意义重大。本研究选择长三角为研究区域，构建生态空间质量评价体系，建立生态空间供需平衡指数，分析长三角生态空间质量、供需平衡的时空演变特征，为长三角区域生态空间的合理管控提供支持。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域

研究区域为《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》中的长三角区域(图1)。长三角是中国经济社会发展中最活跃、最具创新力、能源资源需求最高的地区之一。由于工业化、现代化建设的飞速发展，经历了“先污染后治理”之路，导致生态空间污染严重，生态环境问题逐渐加剧。随着城乡一体化发展等政策的相继出台，坚持生态保护优先、加强生态空间共保、推动环境协同治理成为长三角未来生态环境管治的主要任务。

图1 研究区域

1.2 数据来源

1995年和2015年土地利用、降水量、土壤侵蚀、GDP、人口和道路网数据均来源于资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn/)；Landsat影像数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)；社会经济数据来源于1996年和2016年上海市、江苏省、浙江省、安徽省统计年鉴。

2 研究方法

2.1 生态空间质量评价指标

居民生活普遍关注生物多样性、植被覆盖率、供水等方面，有关领域专家特别关注景观格局和城市生态空间对人类的益处[18]。因此，本研究选择以下指标来评价生态空间质量。(1)生物丰度指数(OI)。基于土地利用数据，由生物多样性和生境质量的平均值计算得到[18]。参照谢高地等[19]的研究结果，生物多样性由土地利用类型对应的生物多样性服务价值计算得到。生境质量以中国环境保护部的生境质量指数为标准计算[20]。通过土地利用类型划分，得到生物丰度指数(表1)。(2)植被指数(VI)。反映植被覆盖程度，由Landsat影像计算一年中6—8月NDVI均值。(3)水网密度指数(WI)。由区域河流长度(RL)、区域水域面积(WA)和区域水资源(WR)三者均值计算得到[18]，RL和WA来自土地利用数据，WR来自降水量数据。(4)土地胁迫指数(LSI)。该指数参照中国环境保护部标准[20]，由区域重度侵蚀面积(SE)、区域中度侵蚀面积(ME)和区域建设用地面积(CA)加权计算得到，权重分别为0.5，0.3，0.2，SE和ME来自土壤侵蚀数据，CA来自土地利用数据。(5)景观连通性指数(LCI)。该指数是对城市群生态空间中影响多种生境物种多样性和生态安全格局的资源斑块之间运动的促进或阻碍程度的评价。采用Fragstats 4.2中的移动窗口法,基于土地利用数据计算景观指数PCI(patch cohesion index)。比较不同窗口大小的计算结果效果，选择合适的窗口大小。通过比较,选择9 000为移动窗口大小。

表1 生物丰度指数

将所有的评价指标归一化为0～1，参考中国环境保护部标准[20]，生态空间质量ESQ计算公式如下：

ESQ=0.30×OI+0.25×VI+0.15×WI+0.15×(1-LSI)+0.15×LCI 。

2.2 可达生态空间质量

可达性表示居民克服距离、费用等阻力到达一个目的地的愿望或能力[21]。根据不同等级道路、下垫面的通行能力计算相应通行距离下的通行成本，以最小成本作为路径选择标准来表达个体通过不同出行方式克服空间阻隔到达目的地的难易程度。基于路网数据，根据交通方式的不同，对矢量路网赋予不同的速度值，即各道路车辆的平均行驶速度，计算通过每个格网单元的时间成本，格网单元大小为3 km×3 km(表2)。

表2 时间成本值统计

对得到的时间成本栅格，计算每个格网单元单位时间内可到达的最远范围，将该范围内的生态空间质量和生态空间面积等权相加作为生态空间供给值。

2.3 生态需求

生态需求主要用居民日常生活(休闲游憩、短途出行等)中希望从生态用地获得的相应服务或产品的多少来衡量[22]。生态需求较高的地区通常集中在经济发展水平较高的区域[22]。本研究选取土地开发强度(区域建设用地面积占比)、GDP、人口密度3个指标，建立3 km×3 km的格网，分别计算每个格网单元的生态环境压力以反映不同的生态需求。由于各个指标的数值差异很大，对土地开发强度进行归一化处理，对人口密度和GDP取对数后进行归一化处理，公式如下[13,22]：

ESD=X1×lgX2×lgX3。

式中：ESD为生态需求；X1，X2，X3分别为土地开发强度、GDP、人口密度。

2.4 生态空间供需平衡指数

由于不同地区的自然和社会经济条件的差异，其生态供需平衡状态也会有所不同[23]。而且，随着经济社会发展水平的提高，人们对自然环境、城市品质的要求也会提高，相应的生态空间供需平衡状态也会发生变化[24]。因此，生态供给与需求的平衡因地而异、因时而异，难以定量化分析。从区域生态文明建设、实施成本的角度出发，最迫切的应该是补“短板”，即优先在生态空间供需缺口大的区域增加生态要素。基于上述分析，将区域内各格网单元的可达生态空间质量均值、生态需求均值作为供需平衡分析的基准，借鉴统计分析方法，分析生态空间供需平衡状况。

按照统计学的思想，各格网单元的可达生态空间质量、生态需求将形成各自的统计分布，且二者的均值和方差均有差异。为了便于比较，将两个分布标准化，并根据二者标准化值的差异，建立区域生态空间供需平衡指数，公式如下：

3 结果分析

3.1 长三角生态空间质量格局

土地利用与生态空间质量具有较强的空间相关性。按自然断裂法将生态空间质量评价结果分为5个等级(图2)。长三角地区的生态空间质量存在明显的区域异质性，上海生态空间数量和质量均较低，江苏处于中下水平，浙江和安徽相对较高。

图2 生态空间质量分布

从空间分布来看，长三角生态空间质量呈现由北向南逐渐升高的趋势。生态空间质量高值区域主要位于浙南、皖西南丘陵区域，该区域自然环境良好，气候适宜，降水充足，植被覆盖度高，生态用地集中连片，能够提供较高质量的生态服务，且山区高程起伏大，与城区距离较远，受城市建设用地扩张等人类活动的干扰较小；低值区主要包括上海、苏南、皖中、浙北城镇及周边地区，该区域发展水平高，受人类活动的干扰较大。由于南北经济发展的差异，苏北和皖北地区的生态空间质量较低，主要是该区域通过加强土地的开发利用和刺激经济增长来缩小区域间经济差异所导致。

从时空演变来看，1995—2015年生态空间质量有较大的变化，等级为差和较差的区域占比均有上升，分别上升了3.52%和10.36%，等级为好、较好和一般的区域占比均下降，分别下降了3.94%，4.51%和5.42%，其中，较差区域有一定程度的增加。1995年生态空间质量较差的区域主要分布在各大城市中心部分，2015年扩大到城市周边地区，并逐渐成连片状。生态空间质量下降的主要原因是社会经济的快速发展和城镇化水平的提高以及建设用地大规模的扩张。1995—2015年长三角耕地面积减少1.16万km2，建设用地面积增加约1.33万km2。其中，大部分耕地、部分林地和草地变为建设用地，少部分转换为水域。

生态空间质量受城市化发展的影响显著[18]。考虑数据的可获取性和统计尺度，选择城市化进程中社会经济相关因素。数据经标准化处理，通过普通最小二乘法(OLS)模型剔除共线性变量，配合使用地理加权回归(GWR)模型对城市化相关影响因素进行分析(表3)。总体而言，不同城市化相关因素对不同城市生态空间质量的影响差异较大。例如，教育水平和第三产业比重是影响上海和南京生态空间质量的主要因素，第一产业比重是影响宿州和六安的主要因素。废弃物处理水平对生态空间质量的影响主要是正向影响，交通水平对生态空间质量的影响主要是负向影响。

表3 城市化相关生态空间质量影响因素系数

3.2 长三角可达生态空间质量

研究表明，单次出行时间超过30 min时，人们普遍会感到焦虑和不耐烦[25]。本研究选择计算30 min可达范围内生态空间质量情况(图3)。基于可达性的生态空间质量与原生态空间质量评价结果相比，各等级连片分布，与路网相类似呈放射状。1995—2015年，长三角地区路网逐渐完善，道路通达性提高。一般来说，道路通达性高，其可达的生态空间相对更多，但沪宁沿线城市、皖中、苏北及杭州湾附近城市，由于城市化的快速发展，其本身生态空间质量偏低，即使可达程度高，其基于可达性的生态空间质量仍然偏低。而皖南和浙南地区道路通达性差，自然环境良好，生态空间质量很高，其基于可达性的生态空间质量较高。

图3 基于可达性的生态空间质量分布

3.3 长三角生态需求

按自然断裂法将生态需求评价结果分为5个等级(图4)。由于社会经济的发展，长三角人口和社会经济差异明显，生态需求的时空差异显著。在空间分布上，生态需求高值区集中在土地开发强度高、社会经济比较发达、人口密度较高的区域。其中，上海土地开发强度已接近饱和，皖西南和浙南丘陵地带土地利用开发程度较低；上海人口密度最高，南京、苏锡常等城市人口密度均处于前列，浙江和安徽除省会和临海城市之外的人口密度较低；长三角社会经济总体比较发达，但各城市间的差别比较明显，安徽各市GDP多处于下游水平。在时间演变上，1995—2015年，生态需求呈现扩张趋势，这与城市化发展和土地利用类型的转变密切相关。考虑到实际居民的主观因素，生态需求可能还与居民的收入和消费水平、人口年龄层次、城市环境污染情况以及教育水平等因素相关。由于相关统计年鉴数据是以行政单元为主体进行粗口径的统计，本研究仅考虑人口、经济、土地利用等客观因素对生态需求的影响。

图4 生态需求分布

3.4 长三角生态空间供需平衡情况

长三角生态空间供需平衡空间分布具有明显的时空差异(图5)。从空间上看，供给不足的区域主要为上海、苏州等经济发达城市，生态空间的需求很大，且同时缺少高质量的生态空间，生态空间供给不足；供大于需的区域主要分布在浙南以及皖西南黄山、大别山、太湖等区域，这些区域自然条件好，生态空间质量高，生态空间供大于需。从时间上看，1995—2015年，城市周边生态空间供给不足，且呈扩张趋势。由于交通的发展使得人们出行更加便利，可以去到相对更远的地方，因此，生态空间供需平衡的区域有一定的增加，缓解了一些供给不足区域的生态环境压力，甚至道路沿线的区域从供需平衡转变为供大于需。

图5 生态空间供需平衡指数

利用空间统计分析软件Geoda计算得到1995年和2015年的生态空间供需平衡指数与部分生态空间质量评价因子以及生态需求因子之间的双变量局部自相关LISA图(图6，图7)，分析生态空间供需平衡指数与自然因素、社会因素之间的关系。浙南区域生态空间供需平衡指数与生态空间质量因子呈“高-高”集聚，但同时生态空间供需平衡指数与生态需求因子呈“高-低”集聚，说明该区域资源条件良好，人口经济发展压力较小，生态空间供大于需；苏北和皖北以及省会和发达城市区域生态空间供需平衡指数与生态空间质量因子呈“低-低”集聚，生态空间供需平衡指数与生态需求因子呈“低-高”集聚，说明该区域资源条件一般，且人口密集，生态空间供给不足。此外，这些因子之间还存在一定的趋同性。

图6 1995年生态空间供需平衡指数与评价因子LISA图

图7 2015年生态空间供需平衡指数与评价因子LISA图

4 结论与建议

4.1 结论

(1)基于融合可达性分析、统计分析方法建立的生态空间供需平衡指数，能够很好地识别生态空间供需“短板”，可为区域生态空间的合理管控提供支持以提高生态空间的服务效率和价值。

(2)长三角生态空间质量与土地利用类型密切相关，总体呈现由北向南逐渐升高的趋势。生态质量高值区分布在浙南、皖西南丘陵等受城市土地扩张建设及人类活动干扰影响较小的区域，低值区分布在上海、苏南、皖中、浙北城镇及周边。

(3)1995—2015年生态空间质量较差的区域从各大城市中心部分扩大到城市周边地区，并逐渐成连片状。各大城市城镇周边地区生态需求明显增加，长三角生态空间供需平衡情况空间分布具有明显的时空差异，供给不足的区域主要是经济和城市化发展较快的城市，供大于需的区域主要分布在生态高质量区域，城市周边生态空间供给不足，且呈扩张趋势。

4.2 建议

根据居民的休闲需求，精细化管理生态服务，构建优质的城市内部生态绿色空间，促进宜居城市建设，深化绿色生活理念。因地制宜发展适合本地的生态服务功能，重点保护生态敏感区公益林，提升河湖水系包括太湖、长江、运河等的水生态环境质量，推广绿色生态农业。