引言

国土空间规划是统筹区域资源空间配置、开发管理和布局优化的总体方案，在引领区域协调发展上具有重要意义 ^{[1, 2]}。国土空间规划的编制，将国土空间划分为城镇、农业和生态三类空间，统筹布局生产、生活、生态等各类功能 ^[3]。

三生（生产、生活、生态）的变化必然导致土地利用结构及布局的改变，从而引起经济、社会、生态环境等方面的供给与需求变化，产生不同的国土空间规划效益。

目前，国土空间规划相关研究的重点还在于编制理论、编制方法的研究，尚缺少对规划效益评价的研究。有学者提出国土空间规划本质是从人地关系、社会主体利益关系、生命共同体、城市有机体等方面对空间关系的重建与重构 ^[4]，并从意识形态性、价值理性、工具理性、功能性等层级建构生态文明时代国土空间规划的价值导向 ^[5]。土地规划、土地整治规划中关于规划效益评价已有较多研究，已由最初的注重经济、社会、生态单方面效益评价，逐渐趋于较为全面的综合效益评价。在规划效益评价方法上，有多因素综合评价的方法 ^[6]、能值分析方法 ^[7]、成对因素比较法和层次分析法相结合 ^{[8, 9]}、S型隶属度曲线 ^[10]、区位熵法 ^[11]、模糊模型识别方法和物元分析方法 ^[12]、灰色关联分析法 ^[13]、土地利用综合指数与耦合协调模型相结合 ^[14]等。

本研究在借鉴土地规划和土地整理研究现有成果与效益评价范式的基础上，建立生态系统与人类社会经济两个系统的交互关系，通过生态系统服务和人类福祉需求的供需关系，揭示两个系统的供需连接与耦合关系，从而分析生态系统服务供需的空间分异与动态变化，并开展国土空间规划方案效益评价研究。

1 研究方法

当前国土空间规划缺乏有关生态系统服务供需关系的针对性研究。生态系统服务供需研究围绕供给对人类需求满足的程度，评价的方法比较丰富，但各评估方法限制条件和不足也比较明显，郭朝琼等把生态系统服务供需评估方法归纳为生态模型法、价值评估法、参与法和经验统计模型法四大类 ^[15]。生态系统服务供需的数量和质量在时空间尺度上具有巨大的差异，目前除了对供需盈亏变化状态与趋势的研究，也增加了对生态系统服务功能效益、热点变化及驱动机制的分析 ^[15-17]。

价值评估法是在区分不同种类土地利用功能的基础上，基于可量化的标准构建不同类型、不同服务功能的价值当量，然后结合土地利用的分布面积进行评估，谢高地等在国外全球生态系统服务价值研究的基础上，提出了更适合我国的生态服务当量因子表及在实际应用中的修正公式，并实现了该方法对服务的动态评估 ^[18-22]。有学者基于专家知识构建生态系统服务供需量化矩阵，建立了基于格网的生态系统服务供给能力和需求强度模型，研究生态系统服务供需盈亏 ^[15]。人口 ^[23]、GDP^[24]、夜间灯光数据 ^[25]和土地利用程度 ^[26]是评估生态系统服务需求的主要依据，因为需求主要集中于人类的活动区域，市场价值法 ^[27]可以对需求量进行一定的价值量评估，从而更直观地表征供需之间的关系与差异。主流的生态模拟工具为InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs）模型 ^{[28, 29]}和ARIES（Artificial Intelligence for Ecosystem Services）模型，分别侧重于生态系统服务供给和需求的模拟计算 ^[30]。

本研究借助InVEST模型和生态服务价值当量法对生态系统服务供给与需求进行定量分析，同时引入耦合协调度模型与相对发展度模型，通过对生态系统服务供需变化进行耦合协调类型分析，探究国土空间用地结构调整所产生的供需间的协调关系，并用耦合协调状况对国土空间规划效益进行评价，从而科学合理地调整规划方案，保障区域生态空间安全，促进社会经济可持续发展 ^[31]。

1.1 生态系统服务供给与需求核算

生态系统服务供给是指在特定时间和区域范围内，生态系统提供给人类所需产品或是服务的能力。供给区域由三生空间对应的用地类型构成：生态空间中，林地主要提供原材料生产、气候调节、净化环境等，湿地和水域主要提供水源涵养、净化环境和休憩娱乐等；农业空间主要供给食物生产；建设空间是城镇、农业、生态空间用于居住、基础设施建设、工业生产等的用地空间，供给支撑较少，主要是公园绿地对休憩娱乐的支撑（表 1）。

生态系统服务需求强调人类因为生活生产活动所使用和耗费掉的来自自然生态系统的各类不同的产品和服务。谢高地等把人类对于生态系统服务的需求划分为物质需求、安全需求和精神需求3个层次 ^[18]。物质需求代表的是人们对生活、生产资料的物质需求，对应本文中的食物需求和原材料需求。安全需求代表的是人类为维护和保持自身不断的生存、生活和生产所必需的良好生态环境，对应本文中的水源涵养需求、净化环境需求、土壤保持需求和碳固存需求。精神需求代表的则是人们生活中对于知识文化、休闲娱乐和美的观赏需求，对应本文中的休憩娱乐需求（表 2）。

根据生态系统服务理论基础，基于土地利用变化的生态系统服务价值评估具有快速准确获知不同区域生态系统服务格局特征的优势，已成为当前生态系统服务定量评估研究最常用的方式之一 ^[32]。其中，国内学者最普遍使用的是谢高地等所提出的当量因子评估法，因此本文选取谢高地等 ^[18]的当量因子表里中的6个方面进行了供需评价：三个供给服务（水资源供应、食物生产供应和原材料供应），一个调节服务（净化环境），一个支持服务（碳固存）和一个文化服务（休憩娱乐），并采用该文献中提出的当量因子改进方法进行生态系统服务价值评估。

1.2 单位面积生态系统服务功能价值基础当量修正

谢高地等对Costanza的生态系统服务当量方法根据中国的平均状态进行了改进，编制了中国单位面积生态服务价值表，并得到了广泛应用 ^{[19, 20]}。考虑到生态系统服务的空间异质性，以及采用全国参数表征区域特征的误差，有必要对单位面积生态系统服务价值当量表中的当量系数进行修正 ^[26]。本研究根据宜宾市实际状况进行修正：采用单位土地面积产值中的农、林、牧、渔产值当量分别修正耕地、林地、草地、水体的供给服务当量，用森林覆盖率对调节服务和支持服务的价值当量进行修正，基于旅游总收入指标修正文化服务的价值当量 ^[33]。修正系数计算公式如下:

(1)

式中，n为修正系数，无量纲；a_i为宜宾市平均值；A_i为中国平均值。以谢高地2015年构建的基础当量表为基础，每项土地的当量值取其下二级标准的平均值。

根据计算结果，耕地、林地、草地和水域的生态系统服务修正系数分别为1.1、0.97、0.69、0.47，调节、支持和文化服务的修正系数分别为2.15、2.15、4.42。将中国单位面积生态系统服务当量的经济价值乘以修正系数，可以得到宜宾市生态系统服务价值修正表（表 3）。由于生态系统服务在建设用地区域的供给很少，在此不予估算。

1.3 耦合协调度模型

供需耦合机制研究可以准确地分析生态系统服务供给与需求的空间不匹配，确定国土空间规划中土地利用格局问题，同时能帮助确定生态系统服务的供给和需求来源、分布，从而研判国土空间规划的生态效益，为国土空间规划决策和生态补偿等政策制定提供可靠依据 ^[34]。

（1）数据标准化：为增强指标数据的可比性，对评价指标采用极大—极小值法进行标准化处理 ^[35]。如下：

(2)

式中，B_ij为原始评价指标数据；X_ij归一化后数据；X_ijmax和X_ijmin分别为评价指标X_ij中最大值和最小值，由于本文选取的评价指标均为正向指标，故标准化公式为正向因子标准化公式，未涉及负向因子标准化。

（2）耦合协调度模型：耦合度指系统之间相互影响的内在协同机制，但不能体现二者相互作用关系水平高低。耦合协调度模型既能够反映生态系统服务供需之间相互作用的程度，还能体现协调发展的水平。计算方法 ^[32]如下：

(3)

(4)

(5)

式中，R表示耦合协调度；C表示耦合度；T为系统间综合协调指数；F和D分别为生态系统服务供给和需求；α与β分别为生态系统服务供给和需求的待定系数，α+β=1，本文认为二者的作用同等重要，故取α=β=0.5。

（3）相对发展度模型：耦合协调度模型可以有效反映生态系统服务供需的协调发展关系与水平，但不能揭示二者的相对发展程度，故以相对发展度模型求取生态系统服务供需的相对发展度系数，以表征生态系统服务供给对需求的满足程度。计算方法 ^[34]如下：

(6)

式中，E为相对发展度；F_i、D_i分别为生态系统服务供给和需求指数。借鉴已有研究成果 ^[32]，并综合耦合协调度及相对发展度的计算结果，对生态系统服务供需的耦合协调发展阶段及类型进行判定（表 4）。

1.4 线性回归与随机森林 1.4.1 线性回归模型

基于最小平方法（LSM）的一元线性回归来建立城市化指标和生态系统服务供需相对发展度之间的回归模型 ^[37]，探讨城市化对生态系统服务供给和需求积极或消极的影响以及影响的程度，并确保城市化对不同生态系统服务供应和需求影响的可比性。回归模型如下：

(7)

式中，y是相对发展度；x是城市化指标；β₁和β₂是系数；ε是残差。P值被用来代表显著性水平，P值越小，显著性水平越高，临界值为0.05相当于95%的置信度。

1.4.2 随机森林（RF）

随机森林是一种基于决策树的算法，它可以用于分类和回归。本研究以生态系统服务供需相对发展度为因变量，以城市化指标（POP、GDP和ALP）为自变量，构建了RF模型，以探索城市化对ES供需的重要性（variable importance measures，VIM）。模型如下：

(8)

式中，err₁为每一棵决策树的袋外数据误差；err₂为对袋外数据加入噪声干扰后的袋外数据误差；n为随机森林模型中决策树的数量。线性回归与随机森林是在MATLAB R2022a实现。

2 研究结果 2.1 研究区与数据

本次研究主要选取宜宾市翠屏区五个镇片区级国土空间总体规划作为研究对象，包括翠屏城乡融合发展片区、白花三产融合片区、金秋湖特色农业片区、李庄文旅融合片区和宗场商贸物流片区，其中一个城乡融合片区，四个农村片区，总面积为1255.09 km²，现状总人口66.1万人，规划末期总人口67.38万人，规划总人口增加1.28万（表 5）。

本研究涉及的数据主要包含：翠屏区三调土地利用现状数据、归一化植被指数NDVI数据、生态环境质量数据等自然地理数据。人口、经济发展等社会经济统计数据。土地利用数据通过生态系统服务价值修正，分为耕地、林地、草地、湿地、水体、未利用地、建设用地7类土地利用类型。大气质量数据来自宜宾市生态环境局环境空气质量报告。社会经济统计数据主要包括农林牧渔和旅游业总产值、各行政区人口数据、工农业经济发展状况数据、耗水量等数据来自《中国统计年鉴》《宜宾市统计年鉴》《宜宾市水资源公报》以及宜宾市及各行政区统计局。本文所有数据统一采用了CGCS2000_3_Degree_GK_ Zone_35坐标系，空间数据的栅格大小重采样为30m。

2.2 用地结构调整状况

通过国土空间规划，用地结构发生了调整和优化（表 6）。城乡建设用地总面积增加了2243.02 hm²，其中包括新建公路、铁路等交通用地以及新一轮划定的城镇开发边界，城乡融合发展片区建设用地增加最为突出，增加1624.36 hm²；耕地增加76.85 hm²；林地减少2053.99 hm²；水域、湿地、草地也有不同程度的减少。城乡融合发展片区建设用地增加面积，以及耕地、林地减少面积较其他片区均偏大，说明城乡融合发展片区在城市化快速推进的情况下，城市建成区域主要侵占的是林地，其次是耕地和湿地；金秋湖特色农业片区耕地面积增加较多，其他三个片区的耕地面积都呈小幅度增加；各片区林地、草地都呈下降趋势，城乡片林地减少面积占总减少面积一半以上；水域和湿地除白花三产融合片区有小规模增加，其余各片区都有减少，减少面积以城乡融合发展片区较为突出。

2.3 生态系统服务供需评价

通过评价体系对生态系统服务价值进行核算，得到研究区生态系统服务供需总量及组成结构（图 1）。

（1）生态系统服务供给总量减少，净化环境和休憩娱乐服务为主要供给。2020年区域生态系统服务供给总量为361.23亿元，到规划末期的2035年减少为347.82亿元，共减少13.41亿元，降幅3.71%。其中休憩娱乐服务和净化环境服务变化最为明显，分别减少6.12亿元、5.61亿元，降低4.27% 和4.06%，高于总量降幅，林地和湿地水域是影响两项服务的主要因素。从生态系统服务供给内部组成结构来看，净化环境服务和休憩娱乐服务是主要供给，2020年生态系统服务价值分别为138.14亿元、143.52亿元，2035年为132.53亿元、137.40亿元。此外食物生产、水资源和原材料供应也是生态系统服务的重要组成部分，2020年服务供给分别为38.50亿元、18.55亿元、22.18亿元，到2035年价值量出现少量减少，分别为38.20亿元、17.87亿元、21.48亿元。根据表 6的土地利用结构变化矩阵可以看出，研究期内林地共减少2053.99 hm²，水域减少116.55 hm²，湿地减少86.24 hm²，湿地减少比例达到24.37%，主要集中于城乡融合发展片区，城乡片区不断推进的城市化进程和城市建成区的大幅度扩张不可避免地导致对其他土地利用的侵占。

（2）生态系统服务需求总体持平，有小幅度增加，环境保护难度大。2020年生态系统服务需求总量为343.48亿元，到2035年增加为344.01亿元，增加0.52亿元，增长0.15%。

其中需求量增加影响较大的因素为休憩娱乐需求由24.97亿元增加到25.42亿元，增长0.44亿元，食物需求由2.73亿元增加至2.77亿元，增长0.05亿元，增幅分别为1.78% 和1.78%，主要原因是人口增加使得对粮食和绿地的需求压力加大。内部组成结构中生态系统服务需求主要服务来自净化环境需求，需求价值为313.77亿元，根据宜宾市气象局公布的数据，宜宾市2020年平均空气质量（宜宾市空气污染主要污染物为PM_2.5，因此本文以大气PM_2.5含量为主要量化指标）为41.41μg/m³，目前空气污染净化难度较大，空气污染治理成本较高，导致环境净化需求价值较其他需求高（图 2）。

（3）生态系统服务供需空间差异明显，城市是主要需求过剩区域。粮食生产服务总量一直处于盈余状态，从空间上看，粮食生产服务的空间分布与需求不匹配，研究期粮食生产供给分别为38.50亿元、38.20亿元，粮食需求为2.73亿元、2.77亿元。水资源供给并不存在供水量不足的问题，水资源供给由2020年18.55亿元降低至2035年的17.87亿元，需求则从2020年1.04亿元增长为1.05亿元，但是，由于发展差异较大，水资源服务与需求的空间分布差异较大，短缺的地区在城乡融合发展片区明显扩大。净化环境供给由138.14亿元减少到132.53亿元，而需求保持为313.77亿元，供需缺口增大，环境治理压力越来越大。碳固存服务的供需空间分布严重错配情况得到部分缓解，赤字地区减少，盈余区域增多，碳固存服务的高需求主要位于城市中心，农村地区的需求减少缓解供需错配情况，使供需赤字区域减少。休憩娱乐服务的总供应量减少，从2020年的143.52亿元减少到2035年的137.40亿元，休憩娱乐服务的总需求增长，对公共绿地的需求从2020年的24.97亿元增加到2035年的25.42亿元，休憩娱乐服务的总供给远远超过了总需求。然而从空间的角度来看，绿化程度高的地区主要分布在北部的白花三产融合片区、金秋湖特色农业和宗场商贸物流片区，而城乡融合发展片区和李庄文旅融合片区的绿化程度则很低，此外，由于人口密度的增加，居民对绿地的需求也明显增加，总体呈现出从空间平衡向空间不平衡转变的趋势。

3 结论与讨论

国土空间规划是解决城镇空间、农业空间与生态空间分配困难、生态要素缺失等问题的必经之道。在此背景下，对区域国土空间规划的生态服务供需耦合协调情况进行评估，理清区域生态服务供需关系的空间特征以及存在的主要问题，从而对国土空间规划方案进行科学、合理的调整，促进区域生态和经济有序发展。

（1）通过国土空间规划中城市化区域与生态系统服务的关系探究，城市化指标对生态系统服务供需相对发展度具有较为普遍的负面影响（图 3）。在现状城市区域，城市化指标对休憩娱乐供需相对发展度的影响是比较显著的，而在发展城市地区，GDP和人口密度对休憩娱乐供需相对发展度的负面影响也很显著，而土地利用强度对其影响却是显著正向的，其他服务受城市化指标的影响显著更甚于不显著（P＜0.05）。

（2）翠屏区生态系统服务供需总体耦合协调度呈现减小态势（图 4）。2020—2035年耦合协调度从0.60降低到0.59。由于规划期间城市化进程的推动，社会经济快速增长，经济增长对于生态系统和生态环境的负面影响较大，一方面城市建成区侵占生态空间，造成林地、水域湿地面积的缩减，另一方面社会经济发展对生态环境的影响和破坏，生态状况有待改善，这导致生态系统服务供需的耦合关系有所下降，属于磨合阶段。

关于生态系统服务供需耦合协调机制的研究尚处于探索阶段，本文在借鉴已有研究成果的基础上对宜宾市翠屏区国土空间规划的生态系统服务供需耦合度与相对发展度进行分析，无论是指标体系构建，还是研究方法及模型运用等方面难免存在不足与缺陷，仍需深入研究：

（1）目前生态系统服务价值评估主要采用价值当量法与生态模型法，价值当量法是在较大的研究尺度上假定同一土地利用的单位面积生态系统价值为恒值，评估效果较为粗糙，缺乏对生态系统服务空间异质性的考虑。

（2）供需耦合协调度受用地结构调整变化影响显著，但三生空间是一个协调的整体，用地质量和空间布局对供需耦合协调度也会产生影响，单考虑数量简单化了协调度的研究。同时，用地结构的变化除对供需产生明显影响，也会对社会效益和经济效益产生影响，不应只关注单方面的变化而应从整体和协调的角度来看问题。这些方面也是未来研究的重点。

（3）国土空间规划编制正开展得如火如荼，应加大对规划效益评价的研究，更好地把控编制的合理性和可实施性。在国土空间的五级四类体系结构中，省级、市级、县级、乡镇级、村级国土空间规划的尺度不同，数据的空间尺度会对评价因子的选择和评价结论产生影响。因此，在不同规划层级的规划效益评价中研究数据的空间尺度对评价结果的影响，也是未来研究的重点。

（4）本文研究了单一空间范围内的生态系统服务供需，而对利益相关者——人，未进行研究，在不同的空间尺度下，生态系统服务的供给和需求可能有不同的空间相关性和平衡关系，利益相关者可能也会分为短期和长期利益，这也将是未来研究的重点。