閩三角城市群生態系統服務權衡的時空動態與情景模擬

稅 偉,杜 勇,王亞楠,楊海峰,付 銀,范冰雄,黃夢圓

1 福州大學環境與資源學院,福州 350116 2 福州大學空間數據挖掘與共享教育部重點實驗室,福州 350116 3 福州大學福建省空間信息工程研究中心,福州 350116 4 福建農林大學經濟學院,福州 350002

生態系統服務是指生態系統所形成與維持的人類賴以生存和發展的環境與效用,是人類直接或間接從生態系統得到的所有福祉[1- 2]。生態系統服務功能包括調節服務、供給服務、支持服務和文化娛樂服務等四大類[3- 4]。自20世紀90年代以來,生態系統服務的有關研究逐漸興起,隨著研究的深入,國內外學者發現,由于人類社會經濟發展對生態系統干擾的增加,引起了生態系統內部和不同生態系統之間物質、能量、信息的流動、遷移和轉化,影響生態系統結構、功能與過程[5],導致生態系統服務之間關系的動態變化。生態系統服務之間存在復雜的關系,一般表現為權衡-協同關系[6]。其中,權衡關系所表示的是生態系統服務之間的對立關系,是指一種生態系統服務供給的增加會導致其他生態系統服務供給的減少[7],協同關系則表示兩種或者兩種以上的生態系統服務功能之間同時增強或者減弱[8]。在供給服務之間,供給服務與調節服務之間以及支持服務之間通常存在權衡關系[9],四類生態系統服務存在協同關系,特別是在調節服務、支持服務和文化服務之間最為普遍[10]。其中有些生態系統服務的權衡-協同是直接的、相互關聯和內在生成的,相反,其他生態系統服務權衡-協同則是在外在干擾下形成的[11]。由于地域空間和人類干擾的影響,生態系統服務的權衡-協同關系具有時空動態性和空間異質性[12]。此外,權衡具有可逆行性[13],若干擾服務的因素得到消除或者緩解,有些生態系統服務就可以恢復到原來的狀態。但是大部分生態系統服務具有一定的承載閾值,一旦超出這個閾值,則難以恢復。因此,明晰多元生態系統服務的權衡-協同關系的時空特征演變可以適時診斷生態系統服務的結構與功能的受損狀態[14],及時調整區域發展政策,創造條件保障和維持生態系統服務的自我條件機制,對實現社會經濟可持續發展具有重要意義。

隨著生態系統服務價值評估方法的成熟運用,越來越多的學者開始關注生態系統服務的權衡-協同關系[15]。目前,對生態系統服務的權衡-協同研究強調對倆者關系的甄別[16],其中相關分析是最普遍的方法[17],通過核算相關系數,如其值為負則判定為權衡關系,反之則為協同關系。也有學者運用權衡-協同度模型[18- 20],以協同度的數值大小來量化權衡-協同關系。研究尺度從全球到行政區[21- 22],涵蓋其內部的盆地[23]、流域[24- 25]、重要經濟區[26- 27]、草地[28]、農田[29]等生態易損區。研究重點放在探討土地利用/覆被變化對生態系統服務權衡-協同的影響[30- 32]。

城市生態系統是一種自然-社會-經濟復合的生態系統,受到自然和社會經濟的雙重影響[33]。城市生態系統服務功能受到人類行為和管理決策的支配與干擾[34],如人類對土地利用類型的改變,會導致生態系統服務之間的關系發生變化,尤其是在快速城市化區域,高強度人類活動所導致的土地利用類型的變化嚴重影響著城市生態系統服務能力[35]。城市群作為城市的組合體,既有與城市相同的特征,也有不同之處,既是一個有機的整體,各個城市又有各自的特色。厘清城市群生態系統服務功能間的相互關系、變化規律以及未來演變趨勢,對于人類合理調控社會經濟發展方式、尋求城市和城市間的生態系統服務管理途徑與方法,實現城市群生態安全與可持續發展尤為關鍵。目前尚缺乏對完整的城市群生態系統服務權衡與協同關系的研究,且有關研究著重于對歷史和現狀的分析,對未來生態系統服務權衡進行情景分析的研究還較為欠缺。本文選擇處于快速城市化背景下的閩三角城市群為研究區域,測算2005年、2010年和2015年閩三角城市群的保水服務、保土服務、凈初級生產力(NPP)和食物供給服務4種生態系統服務功能,使用相關分析法、空間自相關和空間制圖方法研究4種服務的時空動態變化規律和權衡關系,并基于CA-Markov模型在不同情景下模擬了2030年閩三角城市群的土地利用狀態,進一步分析不同情景下閩三角城市群的生態系統服務權衡關系,為閩三角城市群的生態安全保障提供決策參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

閩三角城市群是指福建省閩南地區的廈門市、泉州市和漳州市3個地級市(包含29個縣區市)所組成的城市群,是福建省的經濟發展中心,也是我國沿海開放地區之一。研究區面積2.53萬 km2,2015年常住人口近2000萬人,平均海拔345 m,年均降水量1800—2000 mm,屬于亞熱帶季風氣候。閩三角城市群地處21世紀海上絲綢之路起點,屬于海峽西岸經濟區,與臺灣省隔海相望,兩地的歷史文化淵源深厚,并且存在著較為緊密的社會經濟往來。位于全國首個生態文明先行示范區福建省的閩三角城市群,進入21世紀以來,經歷了快速的城鎮化過程,在提升區域經濟社會發展水平和人民生活水平的同時,也帶來了一系列的生態環境問題,威脅著該地區的生態安全和可持續發展。

圖1 閩三角城市群區位Fig.1 Location of the Min Delta Urban Agglomeration

1.2 數據來源

本文的數據來源：①土地利用分類數據,分為耕地、林地、草地、水體、建設用地和未利用地六類,空間分辨率為1 km,由中科院資源環境科學數據中心下載；②DEM數據,空間分辨率為30 m,由地理空間數據云下載；③氣象站點數據,主要包括降水量、積溫和輻射指標,由中國氣象數據網下載；④NDVI數據,選擇MODIS中的MOD13A3數據,空間分辨率為1 km；⑤土壤類型和土壤質地數據,空間分辨率為500 m,由中國科學院資源環境科學數據中心下載；⑥社會經濟統計數據,包括2006、2011和2016年的《廈門市統計年鑒》、《泉州市統計年鑒》和《漳州市統計年鑒》;⑦土地利用規劃數據,包括《廈門市土地利用總體規劃(2006—2020)》、《泉州市土地利用總體規劃(2006—2020)》和《漳州市土地利用總體規劃(2006—2020)》。

2 研究方法

2.1 保水服務估算

植被的保水服務主要通過林冠截流、枯枝落葉層保水和土壤理水作用實現,以植被的蓄水能力來估算研究區的保水服務物質量[36]。研究采用綜合蓄水法估算保水量[37- 38],主要因素包括冠層截留量、枯枝落葉吸水能力和土壤層水分截留。計算公式為：

Q=Q1+Q2+Q3

(1)

Q1=降水量(mm)×林冠截留率(%)×面積(hm2)×10

(2)

Q2=枯枝落葉層干重(t/hm2)×飽和吸水率(%)×面積(hm2)

(3)

(4)

FMC=0.003075×n1+0.005886×n2+0.008039×n3+0.002208×OM-0.14340×ρ

式中：降水量由氣象數據進行空間插值獲得,林冠截留率、枯枝落葉層干重、飽和吸水率均在結合植被類型數據,參考前人研究成果獲得。FMC表示田間最大持水量,所涉及參數均由土壤類型及土壤質地數據集獲得；hi表示土壤i的厚度(本文取閩三角的平均值為0.5 m)；n1表示土壤砂粒含量百分比；n2表示土壤粉砂含量百分比；n3表示土壤黏粒含量百分比；OM表示土壤有機質含量百分比；ρ表示土壤容重(g/cm3)。

2.2 保土服務估算

計算土壤保持量主要有兩種方法,一種是通過統計數據計算土壤保持量,另一種是通過“3S”技術結合模型計算,常用模型有USLE模型、RUSLE模型和LISEM模型等,其中USLE模型由于計算科學、操作簡便,在研究中使用頻率最高[39]。因此,本文選擇USLE模型計算土壤保持量。土壤保持量的計算包括兩個部分,一部分是潛在的土壤侵蝕量,一部分是現實土壤侵蝕量,兩者之差為土壤保持量。計算公式為：

Ap=R×K×L×S

(5)

Ar=R×K×L×S×C×P

(6)

Ac=R×K×L×S×(1-C×P)

(7)

式中,Ap是潛在土壤侵蝕量；Ar是現實土壤侵蝕量；Ac是土壤保持量；R是降雨量侵蝕因子；K是土壤可蝕性因子；L是坡長因子；S是坡度因子；C為植被覆蓋因子；P為水土保持措施因子。

2.3 NPP估算

植被凈初級生產力(NPP)是指陸地植被在單位時間、單位面積內,通過光合作用產生的有機同化物去除自養呼吸而剩余的有機物質總量,它反映了植被群落在自然環境中生產有機物的能力[40]。CASA模型是廣泛應用的NPP測評模型,計算公式為：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(8)

式中,NPP(x,t)是象元x在月份t的凈初級生產力(g·C/m2)；APAR(x,t)表示象元x在月份t的光和有效輻射(MJ/m2)；ε(x,t)是象元x在月份t的實際光能利用率(g·C/MJ)。

2.4 食物供給服務計算

食物供給是生態系統中重要的供給服務之一,食物是人類從生態系統中獲取的基本物質,是人類不可缺少的。本文結合土地利用數據及統計年鑒數據,估算研究區內各類型土地利用的食物總產值,實現食物供給的空間化。計算公式為：

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Gi=Ai×Ni

(9)

式中,Gi表示研究區中所對應的食物i的總產值；Ai表示研究區域中食物i所占的面積；Ni表示食物i的單位面積產值。

(10)

式中,Fi表示食物在區域中的總產值；Si表示食物i在研究區域的總面積,即各類土地利用類型的總面積。

食物供給的數據主要來源于2006、2011和2016年的《廈門市統計年鑒》、《泉州市統計年鑒》和《漳州市統計年鑒》,鑒于閩三角城市群的畜牧業不發達,因此只考慮耕地、林地和水域3種土地利用類型作為食物供給服務的來源,其中,耕地對應糧食作物的食物供給能力,林地對應水果的食物供給能力,水域對應淡水漁業的食物供給能力。

2.5 Markov-CA模型

馬爾科夫(Markov)預測法是一種基于馬爾科夫鏈,根據事件目前狀況預測將來各個時刻(或時期)變動狀況事件發生概率的方法[41]。土地利用變化過程可視為馬爾科夫(Markov)過程,其狀態轉移過程無后效性[42]。土地利用類型之間相互轉換的面積數量或比例為狀態轉移概率,可用如下公式對土地利用狀態進行預測：

S(t+1)=Pij×S(t)

(11)

式中,S(t)和S(t+1)分別表示t和t+1時刻土地利用結構的狀態。

元胞自動機模型(Cellular Automata,簡稱CA)是時間、空間、狀態都離散,且空間的相互作用及時間上的關系皆為局部的網格動力學模型,其計算原理為散布在規則格網中的每個元胞取有限的離散狀態,遵循同樣的作用規則、確定的局部規則作同步更新,每個變量只取有限的狀態,且其狀態改變的規則在時間和空間上都是局部的[43]。其計算公式如下[44]：

S(t+1)=f(S(t),N)

(12)

式中,S表示元胞有限離散的集合狀態；t和t+1表示不同的時刻；N表示元胞的鄰域；f表示局域空間的元胞轉換規則。

Markov模型與CA模型均為時間和狀態離散的動力學模型,但Markov無法預測空間變量,而CA的狀態變量則與空間位置緊密相連。CA-Markov模型不僅具有Markov模型可預測多種土地利用類型的預測數量上的優勢,同時也具備了CA模型模擬復雜系統時空動態演變的能力,故將兩種模型結合能有效地模擬土地利用的空間變化。本文的土地利用的模擬預測分析主要通過IDRISI17.0軟件中的Markov模塊和CA-Markov模塊來實現。

3 結果與分析

3.1 閩三角城市群生態系統服務時空演變

根據相關模型,在ArcGIS10.0軟件中使用疊加分析等工具分別計算了閩三角城市群2005、2010和2015年的保水服務、保土服務、NPP和食物供給服務,并進行空間制圖表達(圖2)。保水服務、保土服務和NPP的空間分布具有較為明顯的規律。取3種服務3個年份平均值進行空間自相關分析,得到保水、保土和NPP三種服務的Moran′s指數分別為0.26、0.30和0.66,均呈現空間正相關。NPP的空間自相關性最強,其中低低值分布主要集中在泉州的主城區、晉江市、石獅市、廈門的大部分區域以及漳州市主城區；高-高值主要分布在閩三角北部和西南部的山區森林地帶。在ArcGIS10.0軟件中分別統計4種生態系統服務功能的平均值,發現在2005—2015年間,保水服務、保土服務、NPP和食物供給服務都出現了不同程度的下降,保水服務的降幅為15.8%,保土服務的降幅為21.5%,NPP的降幅為25%,食物供給服務的降幅為19.2%。

圖2 2005—2015年閩三角城市群生態系統服務空間格局Fig.2 Spatial pattern of the ecosystem services in Min Delta urban agglomeration from 2005 to 2015

3.2 生態系統服務功能之間的權衡協同關系

3.2.1閩三角城市群整體生態系統服務功能權衡協同關系

本文采用相關分析方法來分析4種生態系統服務功能之間的權衡協同關系。使用ArcGIS10.0軟件在研究區域建立間隔為1 km 的采樣點,基于4種生態系統服務功能評估結果的柵格圖進行空間采樣,將采樣得到的點數據導出為表格格式,在SPSS22.0軟件中對同一年份中不同的生態系統服務功能進行Person相關分析。結果顯示,2005—2015年,保水服務、保土服務和NPP之間均呈協同關系,食物供給服務分別與保水服務、保土服務和NPP之間均呈權衡關系。分析其成因可知,在林地和草地兩種土地利用類型中,保土服務、NPP與保水服務能力較強,但是其食物供給能力較弱；而作為提供主要食物供給能力的耕地區域,其保土服務、NPP與保水服務能力則較弱。此外,在2005—2015年間,保水服務與保土服務的協同關系呈減弱趨勢,而食物供給服務與保水服務和NPP之間的權衡關系加劇。

表1 2005—2015年閩三角城市群生態系統服務權衡變化

3.2.2廈漳泉3個城市之間的生態系統服務權衡關系對比

作為閩三角城市群的組成部分,廈門、漳州和泉州都面臨著快速城鎮化所帶來的生態安全問題,但是由于三個城市的發展程度不同,各自生態安全問題的特點和程度也不同,因此分別統計3個市的4種生態系統服務的權衡協同關系并進行對比分析。廈門市、泉州市和漳州市的4種生態系統服務功能之間權衡關系與閩三角城市群整體相同,保水服務、保土服務和NPP三種服務呈協同關系,食物供給服務與其他3種服務呈權衡關系。從空間尺度來看,廈漳泉3個城市的生態系統服務權衡程度對比為廈門市>泉州市>漳州,而保水服務、保土服務和NPP三種服務的協同關系對比為廈門市>泉州市>漳州。在時間尺度上,三市的保水與NPP之間的協同關系均升高；泉州的保水與食物供給之間的權衡關系加劇,幅度大于同樣加劇的漳州。

三個城市中,廈門的城市化速度最快,程度最高,漳州的城市化程度最低,快速的城市化過程導致了廈門的生態系統服務降低較為明顯,支持服務于調節服務同供給服務之間的權衡關系偏高且加劇；漳州市的生態環境狀況相對優于另外兩個城市,且生態農業較為發達,因此權衡關系相對另外兩個城市較低。

表2 廈漳泉3市生態系統服務權衡關系變化對比

3.2.3晉江流域和九龍江流域之間的生態系統服務權衡關系對比

閩三角城市群主要存在九龍江流域和晉江流域兩個流域,由于統計數據限制的原因,本文將廈門市和漳州市整體作為九龍江流域,泉州市作為晉江流域。兩個流域在河流流量、地形等自然因素方面存在著較大的不同。在空間尺度上,晉江流域各項服務之間無論是權衡關系和協同關系都大于九龍江流域。在時間尺度上,各生態系統服務協同關系中,晉江流域各服務間整體呈現減小趨勢,九龍江流域各服務間的協同關系整體呈現上升態勢；在權衡關系中,晉江流域呈現出逐漸增強趨勢,九龍江流域整體呈現上升態勢,其中九龍江流域在2010—2015年間,各生態系統服務之間的權衡關系增幅較大。

表3 晉江流域和九龍江流域生態系統服務權衡關系對比

3.3 不同情景下2030年閩三角城市群生態系統服務權衡分析

研究基于Logistic-CA-Markov模型,使用IDRISI 17.0軟件模擬了3種不同情景(自然情景、規劃情景和保護情景)下閩三角城市群2030年的土地利用類型。首先基于2005和2010年的土地利用類型,建立Logistic-CA-Markov模型,模擬2015年的土地利用類型,模型中各地類的ROC值均達到了85%以上,并與2015年的土地利用現狀進行對比,對比結果表明模型的準確率為86.6%,表明模型具有較高的可信度。3種模擬情景的設定規則為：自然情景設定依據現有發展規律,不對土地利用轉換概率做改變；規劃情景設定根據廈門、泉州、漳州3市的2006—2020年土地利用總體規劃,統計到2020年林地、耕地以及建設用地等土地利用類型的面積控制范圍,根據范圍值設置模擬到2020年土地利用面積轉移矩陣,并在此轉換概率的基礎上模擬2030年的土地利用類型；保護情景設定考慮到3個城市的土地利用總體規劃的起始年份均為2006年,彼時的規劃對生態環境保護的意識落后于當前,因此在該情景設定中對林地、耕地、水體和草地四種重要的生態用地類型的轉換概率進行調整,設置林地、耕地和草地轉換為建筑用地的面積降低10%,并禁止水體轉換為建筑用地。

圖3 不同情景下2030年生態系統服務空間分布Fig.3 Spatial distribution of the ecosystem services in 2030 under different scenarios

根據相關研究成果[12]以及研究區的具體情況,本文認為引起閩三角城市群生態系統服務發生變化的主要因素是快速城鎮化所帶來的土地利用變化,因此本文在估算2030年的生態系統服務功能時,以情景模擬得到的土地利用類型為基礎,保持估算模型中的其他數據與2015年一致。2030年的模擬結果顯示,與2015年相比,在保護情景和規劃情景下,水服務與保土服務、保水服務與NPP以及保土服務與NPP的協同關系都增強。保護情景與規劃情景相比,生態系統之間的協同關系都有所提高,除NPP與食物供給的權衡關系加劇之外,其余權衡關系減輕。

4 結論

本文以快速城鎮化背景下的閩三角城市群為研究區域,利用相關模型測算該地區保水服務、保土服務、NPP和食物供給服務4種生態系統服務功能,使用相關分析、空間自相關和空間制圖表達等方法分析其時空動態變化規律和相互之間的權衡協同關系,并基于不同情景對未來的生態系統服務權衡狀況進行預測和分析。結果表明：2005—2015年來,閩三角城市群的保水服務、保土服務、NPP和食物供給服務4種生態系統服務功能均呈下降趨勢；閩三角城市群的保水服務、保土服務與NPP這3種生態系統服務之間呈現相互增益的協同關系,食物供給服務與其他3種服務均呈此消彼長的權衡關系,在2005—2015年間,四種服務的權衡協同關系方向未變,權衡協同程度發生了復雜的變化；閩三角3個城市的生態系統服務權衡關系和協同關系均為廈門市>泉州市>漳州市,晉江流域的生態系統服務權衡關系高于九龍江流域,協同關系也高于九龍江流域；在所設定的自然情景下,4種生態系統服務均出現大幅降低,生態系統服務之間的協同關系主要呈降低趨勢,而權衡關系加劇；與規劃情景相比,保護情景下的生態系統服務之間的協同關系更高,權衡關系更低。

5 討論

本研究使用了較為常規的模型測算了生態系統服務功能,與以往相似的研究成果[2,12]進行了對比,發現在食物供給與其他調節服務和支持服務呈現此消彼長的權衡關系方面具有較高的一致性,說明所使用的模型具有較高的科學性和適用性。近年來,閩三角城市群城市化快速推進,建設用地大量占用耕地、林地與草地,在人類活動干預和自然災害雙重壓力下,生態系統服務的結構與功能不斷受損,總的生態系統服務價值不斷降低,生態系統服務關系呈現權衡增強、協同弱化的特征。本文基于不同情景模擬閩三角城市群未來的生態系統服務權衡狀況,根據情景模擬與分析的結果,建議政府應嚴格控制建設用地對林地、草地的侵占,通過保持林地、草地和水體的穩定來維持生態系統服務權衡關系的穩定和改善,進而保障區域的生態安全和可持續發展。研究目前所設定的情景主要是基于自上而下的原則,便于提供政策建議但是精準性不足,還欠缺基于所估算的生態系統服務功能狀況進行自下而上的情景設定。文章目前還局限于生態系統服務的時空演變和不同生態系統服務功能之間的權衡協同分析,缺乏對生態系統服務供給與需求的權衡研究,生態系統服務供給與需求的平衡是生態系統能否為人類提供福祉的關鍵,該問題還需在接下來的研究中進行補充和深化。此外,生態系統服務分為供給服務、調節服務、支持服務與文化服務,本文只研究閩三角城市群的調節服務和供給服務,今后應加強對文化服務和支持服務的探討。