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南京师范大学团队在Ecological Indicators发布成果:基于交互视角的水-能源-食物关联生态系统服务多尺度供需安全评估

2026-04-17 12:27:50

近期课程安排
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4月10日、4月12日	第十五期-生命周期评价全流程及SimaPro软件应用与碳足迹分析培训班

确保水-能源-食物关系的供需安全对于平衡社会经济发展和自然生态系统至关重要。然而，现有研究通常关注单一尺度下的单个单元评估，忽视了跨区域的相互作用。为弥补这一不足，本研究开发了一个多尺度评估框架，以生态系统服务作为统一视角，同时捕捉区域内的供需平衡和区域间的互动。以长江三角洲（研究区范围见Fig.1）为案例，本研究量化了2000、2010和2020年的水源涵养、碳固定和食物供给三项服务的供需，并运用供给需求指数、耦合协调度模型、重力模型和网络分析方法，在省、市、县三级尺度上评估了WEF的供需安全。该框架整合了区域内供需状态和区域间网络重要性，揭示了四种耦合类型。结果表明，供需不匹配现象普遍存在，许多单元表现出强大的内部供给能力但外部互动有限。这些不平衡在更精细的尺度上更为明显，县级分析揭示了在省级汇总中被掩盖的结构性差异。这些发现凸显了该框架在诊断跨尺度不平衡和指导区域性、多层次政策响应以提升WEF关系相关生态系统服务安全方面的效用。

数据与方法

1. 研究区与概念框架

研究区为长江三角洲（Fig.1），涵盖江苏省13个地级市、浙江省11个、安徽省16个以及上海市。本研究构建了一个结合区域内供需状态和区域间互动的多尺度评估框架（Fig.2）。采用“省-市-县”行政层级作为多尺度分析的基础。

2. 关键生态系统服务选择与数据

选择水源涵养、碳固定和食物供给分别作为水、能源、食物维度的代理指标。研究所用数据及其来源详见Table 1，包括降水、潜在蒸散发、土地利用、净初级生产力、NDVI、人口密度及社会经济统计数据等，均统一了空间坐标系和分辨率。

3. 研究方法

WEF供需量化： 分别采用InVEST模型、NPP与碳排放关系、NDVI与粮食产量关系等方法，量化了WY、CS、FP的供给与需求。
供给需求指数： 用于衡量区域内供需盈余/赤字状态。SDI > 0 为盈余，SDI < 0 为赤字。
耦合协调度： 用于评估WY、CS、FP三个子系统间的协同与协调关系。
重力模型与网络分析： 基于CCD值和地理距离，量化区域间WEF关联ESs的互动强度，构建空间互动网络。采用Table 2所列的六个网络指标（平均度、平均聚类系数、平均路径长度、度中心性、中介中心性、特征向量中心性）分析网络结构，并进一步生成复合重要性指数以评估节点在网络中的综合地位。

结果

1. 供需与多尺度SDI模式的时空演变

供给时空演变（Fig.3a, c）： 高WY供给区从南部丘陵向中部扩张；高CS供给区稳定分布在南部农、林、草地；高FP供给区集中于长江下游肥沃平原。整体供给在2000-2020年间呈增长趋势。
需求时空演变（Fig.3b, d）： 高需求区高度集中在上海、苏州、无锡等核心城市，外围地区需求持续较低。需求增长与人口和经济扩张一致。

多尺度SDI演变（Fig.4）： 2000-2020年，长三角WEF相关ESs的SDI在省、市、县三级均为正值，整体呈盈余状态。但存在明显尺度效应：市级平均SDI最高，省级波动最大，县级空间异质性最强。到2020年，县级单元中约有13%出现SDI负值（赤字），揭示了被粗尺度掩盖的局部不匹配。

2. 多尺度CCD互动网络的时空演变

CCD时空格局（Fig.5）： CCD值在空间上呈现“南高北低”的分布特征，高值区主要集中在浙江南部和安徽南部。

网络结构演化（Fig.6）： 从2000年到2020年，网络连通性和结构性能有所改善。县级和市级网络的平均度增加，平均路径长度缩短，表明网络在更精细尺度上连接更紧密、效率更高。

节点重要性演化： 节点中心性指标在更精细的空间尺度上显著增强。县级网络具有最高的平均中心性值，表明其连通性更密集、控制力更分散。高重要性节点集中在苏南、浙北等经济发达和生态战略区域。

3. 基于内部供需和外部互动网络的综合多尺度评估

以2020年为例，通过将SDI（内部状态）与CII（外部网络重要性）相结合，将所有空间单元划分为四个象限（Fig.7）：

第一象限（高平衡-高重要性）： 代表自给自足能力强且深度融入区域网络的单元（如昆山、苏州部分区县）。
第二象限（高平衡-低重要性）： 代表本地供给能力强但外部连通性有限的单元（如浙南、皖南部分县）。该类型单元占主导（50-65%）。
第三象限（低平衡-高重要性）： 代表本地供给有限但在网络中扮演重要支撑或枢纽角色的单元（如慈溪、宁波）。
第四象限（低平衡-低重要性）： 代表生态和结构双重脆弱的单元（如黄山、祁门等部分山区县）。

讨论

1. 框架有效性与政策启示

本框架通过同时考虑区域内供需状态（SDI）和区域间空间互动（CII），能够系统揭示结构异质性和功能多样性。Fig.7的四象限分类为差异化政策制定提供了直接依据：

Q1区域： 巩固其作为系统韧性核心支撑的角色。
Q2区域： 需通过资源共享、制度协同等方式加强与周边单元的互动。
Q3区域： 应重点加强本地自给能力和缓冲能力。
Q4区域： 需针对基础设施和网络连通性进行重点干预。

2. 尺度效应与政策协调

研究结果揭示了尺度依赖的政策不匹配性。Fig.4显示，在省级表现良好的地区，其内部县级单元可能存在局部赤字（SDI<0）。Fig.6和Fig.7进一步表明，许多内部供给良好的县级单元（Q2）在区域网络中处于边缘地位。这强调了考虑空间异质性的尺度敏感性政策制定的必要性，以促进跨尺度协调和垂直政策整合。

3. 局限性与展望

研究存在一定局限性，如所选ES指标有限、数据聚合可能失真、社会经济因素未显性考虑、网络模型较简化等。未来可纳入更多服务、使用更精细数据、引入多层网络模型以刻画更复杂的多维互动。

结论

本研究开发了一个多尺度综合框架，通过耦合长三角地区省、市、县三级的内部供需条件（SDI）与基于CCD的外部空间互动网络及中心性指标（CII），系统评估了WEF关联ESs的供需安全。Fig.4, Fig.6, Fig.7的结果共同表明，供需安全评估存在明显的空间尺度效应，更精细的尺度（尤其是县级）在维持区域协调方面扮演着日益关键的角色。同时，本地供给能力（SDI）与网络重要性（CII）之间普遍存在不匹配（Fig.7中第二象限占主导），表明仅内部供需状态无法完全代表区域安全状况。这些发现证明，将空间互动纳入评估对全面理解ES供需安全至关重要。该框架能够识别在内部聚焦评估中易被忽视的协调瓶颈和内外脱钩风险，为差异化的、尺度敏感的政策设计提供了科学依据，有助于提升生态系统服务网络的韧性和区域可持续性治理的连贯性。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2025.114584

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