城市生態空間生態系統服務功能權衡協同及管控研究——以成都東部新城為例

邵明 李方正

1 概念與背景

隨著中國城市化進程的發展，城市規劃逐步向城鄉統籌一體化過渡，城市空間與生態功能空間之間的矛盾沖突愈發激烈[1]。生態功能空間作為國土空間規劃最嚴格的底線約束與基礎原則[2]，如何合理劃定其空間范圍并擬定相應的管控策略，成為規劃者所關注的重點問題。

早期，國內外學界對生態功能空間的評價與管控主要基于對宏觀政策、空間格局、景觀質量等方面的評定：如1971年Bourne等[3]通過對加拿大各城市生態功能空間規劃策略的綜述總結，提出4項城市生態功能空間基本管控原則；1984年Goodchild等[4]結合市民反饋，對哈利法克斯城生態功能空間格局的時空變化進行評價；1996年許學工等[5]通過對黃河三角洲生態環境質量進行評價，建立了相應的空間預警管控對策。但是，這一類型的生態功能空間評價方式往往從單一視角出發，評價途徑偏向定性總結，對生態功能空間整體系統把控偏弱。

而后，隨著1997年生態系統服務功能概念的提出與完善[6]，2005年聯合國發布《千禧年生態系統評估體系》，將生態系統服務作為量化自然系統與評價生態功能空間的重要手段進行推廣，并迅速在國內外學界得到廣泛應用：如2010年Jari等[7]通過評估芬蘭各城市生態系統服務功能價值，提出相應的綠色生態功能空間規劃辦法；2014年James等[8]基于紐約市域生態系統服務評價，構建紐約生態功能空間網絡規劃；2019年，孔令橋等[9]通過服務重要度與生態敏感性雙向評價，提出長江流域生態功能空間劃定辦法?？傮w來看，基于整體生態系統服務功能的評價有助于城市生態功能空間的整體認知，也有助于宏觀管控策略的把控擬定。但是，較大尺度的城市生態功能空間往往在不同區域存在著生態服務功能配比與相互作用關聯機制的空間差異，基于整體系統的服務價值評估無法準確對其進行規劃回應。

因此，國內外學者紛紛提出基于空間主導服務功能識別、多項服務功能權衡協同關聯評價的研究思路：如2018年，Vallet等[10]通過生態系統服務功能的價值評價，對哥斯達黎加雷文塔松流域6項主導服務功能價值與其權衡協同關系進行評價識別，并提出相應的空間管控措施；2019年王曉峰等[11]分析了中國重點脆弱生態區土壤保持、植被凈初級生產力和產水服務的權衡協同關系；2020年鞏杰等[12]提出甘肅白龍江流域4項典型生態系統服務功能權衡協同關聯機制。但是，目前國內外學者更多將研究重點放在中宏觀尺度中各項服務之間的作用差異，在對各項生態系統服務功能中主導性服務識別，以及利用主導性服務間的權衡協同關系指導城市生態功能空間規劃管控領域的研究仍處于空白階段，因此對該領域展開研究具有必要性與緊迫性。

本研究基于生態系統服務功能評價視角，依據城市生態功能空間內不同區域占據主導地位的一項或多項生態服務功能的識別，將生態功能空間進行細化劃分，并在此基礎上對不同區域主導服務與非主導服務之間的權衡協同關系進行測度，分析其生態系統正向或負向演化發展推動機制，從而為城市生態功能空間內部管控策略的細化制定提供依據。

2 方法與數據

2.1 研究范圍

本研究以成都市東部新城為研究對象，所涉面積3 981.63 km2。2019年7月，成都市發布《成都市東部新城空間發展戰略規劃（2017—2035年）》，明確東部新城三項轉變、五對關系以及十大策略，明確東部新城將作為成都市中遠期發展建設的重點區域，東進戰略成為成都市在國家宏觀調控背景下國土空間開發的重點戰略之一[13]。在此背景下，東部新城范圍內生態功能空間主導功能的識別與管控成為東進戰略的重要問題之一。

2.2 研究方法

首先，本研究采用當量因子法對成都市東部新城的生態功能空間功能進行量化評估[14]；其后，研究利用熱點分析指標（指數）劃定東部新城核心生態功能空間并篩選相應主導生態系統服務功能的落位空間，其能有效排除突變空間因子，準確反映各子項生態系統服務價值在空間的集聚主導特征[15]；最后，利用雙變量空間局部自相關指數（Local Moran’s I）的空間化特征優勢[16]，分析不同區域2項服務功能之間的關聯作用差異，從而厘清東部新城不同空間單元不同生態系統服務功能之間的權衡協同機制。

2.2.1 生態系統服務價值測定

中國陸地生態系統服務價值當量因子表[17]為謝高地等基于700余位相關領域專家意見對Costanza所擬定的全球生態系統服務功能當量系數表修正后獲得，其以研究區域單位面積的糧食平均市場價值的1/7作為標準當量，將因子系數轉化為不同生態系統所對應服務功能類型的價值系數，測度公式如下[18-19]：

式中，V是生態系統服務總價值，n、m分別為土地利用類型與生態系統服務功能類型數量，Vxy代表第x類土地類型的第y項服務功能價值，j為地方主要糧食作物種類數量，Vi代表第i類單位面積主要糧食作物種類市場價值，Qi代表第i類主要糧食作物播種面積比例，Mxy代表第x類土地類型的第y項服務功能價值系數，Sx代表第x類土地類型面積。

2.2.2 空間聚集性評價

2.2.3 雙變量空間局部自相關指數

研究選擇雙變量空間局部自相關指數進行篩選后的核心主導服務功能權衡協同判定。傳統莫蘭指數只能從判斷變量與整體空間或局部空間是否存在關聯性[23]，而空間局部自相關指數在傳統莫蘭指數的基礎上將一元變量拓展至二元變量，可以有效揭示各項生態系統功能間的權衡協同關系[24]，其公式如下：

式中，Moran’I是空間i位置x、y2類生態系統服務相關性指數，ES、ES分別是空間i、j位置x、y類生態系統服務價值數，、分別是x、y類生態系統服務價值平均數，n是空間柵格數量，Wij是基于空間鄰域建立的權重矩陣。

根據相關研究成果[25-26]，本研究取整體聚集性回歸系數為(0.4,1.0]時為強協同關聯，[0.2,0.4]為弱協同關聯，(-0.2,0.2)為無顯著關聯，[-0.4,-0.2]為弱權衡關聯，[-1.0,-0.4)為強權衡關聯。

2.3 研究數據

研究中，土地利用及衛星遙感數據來源于國土空間二調數據及地理空間數據云網站（http://www.gscloud.cn/）所提供的Landsat 8 OLI_TIRS衛星數據，參考二調數據矯正后識別為田地、園地、林地、草地、水域、濕地、已建設地、未利用地8類。社會經濟數據來源于《中國統計年鑒2019》及地方農業局統計經濟數據，土地利用數據分辨率為30 m×30 m，坐標系采用CGCS2000（圖1）根據相關研究[27-28]，綜合單元尺度、研究范圍、數據精度，選擇1 000 m×1 000 m漁網矢量單元對其進行統計。

1 成都東部新城土地利用分布Land use distribution map of Eastern New City of Chengdu

3 結果與討論

3.1 生態服務功能價值評價

根據《中國統計年鑒2019》，利用公式（1～2）與中國陸地生態系統服務價值因子表計算得出成都東部新城各生態系統服務功能價值分布，在ArcGIS平臺采用5級自然分斷點實現數據可視化，得到東部新城各生態系統服務功能價值子項分布（圖2）。

2 子項生態系統服務價值分布Sub-ecosystem service value distribution

由結果可知，各子項生態系統服務功能空間分布特征明顯。其中，東部新城西側龍泉山一線具有較高的原材料供給、氣候調節、土壤保持、生物多樣性維持的生態服務功能，中部沱江及三岔湖地區水文調節、廢物處理、景觀美學提供生態服務功能較高，東部淺丘農田區域食物生產服務價值明顯較高。

3.2 主導生態系統服務功能識別

子項生態系統服務功能分布圖可以良好的表現單一生態服務功能空間分布的相對關系，但價值分布無法反映其空間相關聚集程度與主導性。因此，在ArcGIS 10.6平臺利用公式（3～5）計算各子項服務功能價值的熱點分析指標（指數），并結合標準正態分布表將之轉換為零假設拒絕概率，參照統計學概念及相關研究[20,29]，選擇±2.58、±1.96、±1.65作為間斷點，分別對應±99%，±95%，±90%聚集程度概率，并統一進行空間拉伸顯示，得到各子項生態系統服務空間聚集性分布圖（圖3）。

3 子項生態系統服務空間聚集性分布Spatial aggregation distribution of sub-ecosystem services

由結果可知，各子項生態系統服務功能空間聚集性特征明確，且與價值分布特征基本吻合。食物生產服務高值聚集空間集中分布在東南側淺丘農田，低值聚集空間以西側龍泉驛擴散影響至龍泉山中部；原材料供給、氣體調節、土壤保持、生物多樣性維持、景觀美學提供服務空間分布特征相似，除龍泉山一線較明顯的高值聚集空間分布外，龍泉驛、簡陽新城與空港新城呈現較明顯的低值集聚空間；氣候調節服務除龍泉山中部的高值聚集空間外，沒有明顯的低值聚集空間，水文調節、廢物處理則除沱江沿線與三岔湖區域外，顯現了龍泉山中部的高值聚集分布空間特征。

高值聚集空間代表各子項服務功能核心聚集分布空間，在此基礎上對各子項服務價值聚集空間進行極值運算，疊加結果選擇空間最大值[30]，獲得東部新城核心生態功能空間分布圖（圖4），并識別空間單元最大值所對應的生態系統服務功能作為該單元主導生態系統服務功能，將3類以上生態系統服務功能參與的單元定義為綜合性服務功能單元，分別得到單主導、雙主導、綜合性東部新城生態功能空間主導服務功能分布圖（圖5）。

東部新城所識別核心生態功能空間面積2 231.08 km2，占全域面積56.03%，主要分布在區域西側龍泉山、西南側三岔湖、東南側淺丘農田、中部沱江沿線區域，呈現較為明顯的圈層化空間分布特征（圖4）。

4 東部新城核心生態功能空間分布Distribution map of the core ecological space in eastern new city

核心生態功能空間內單主導生態服務功能空間占比為65.21%，達到1 454.95 km2，其中占據主導型的是位于東南側淺丘農田地區的食物供給、南部淺山地區的原材料供給、西部龍泉山淺山地區氣候調節、中部沱江沿線廢物處理、東部平原土壤保持5類核心空間，其空間占比分別達到37.42%、6.41%、11.96%、4.65%、3.45%，氣體調節、水文調節、生物多樣性維持、景觀美學提供單主導服務空間占比均小于1%。核心生態功能空間內雙主導生態服務功能空間為229.26 km2，占比為10.28%，主要分布在龍山泉半坡與沱江中部，共計14類，表現出較為明顯的供給、支持、調節、文化四大類生態系統服務內子項間關聯性。綜合性服務空間為546.87 km2，占比為24.51%，空間分布明顯集中在龍泉山與三岔湖一線，同時東部邊界也有少量綜合性服務空間分布（圖5）。

5 東部新城生態功能空間主導服務功能分布Distribution map of dominant service function of ecological space in the eastern new city

3.3 核心生態功能空間內生態服務權衡協同關系測定

在核心生態功能空間識別基礎上，基于公式（6）對各子項生態系統服務功能進行雙變量空間局部自相關計算，得到東部新城核心生態功能空間內生態系統服務功能權衡協同關系表（表1）。

由表1可知，在東部新城內食物生產與氣候調節、景觀美學提供呈現較強的權衡關系（Moran’s I<-0.4）；食物生產與原材料供給、氣體調節、水文調節、生物多樣性維持，廢物處理與土壤保持呈現弱權衡關系（-0.4≤Moran’s I≤-0.2）；原材料供給與氣體調節、土壤保持、生物多樣性維持，氣體調節與氣候調節、土壤保持、生物多樣性維持，氣候調節與生物多樣性維持，水文調節與廢物處理、景觀美學提供，廢物處理與景觀美學提供，土壤保持與生物多樣性維持，生物多樣性維持與景觀美學提供均呈現強協同關系（Moran’s I>0.4）；原材料供給與氣候調節、景觀美學提供，氣體調節與景觀美學提供，氣候調節與水文調節、土壤保持、景觀美學提供，水文調節與生物多樣性維持呈現弱協同關系（0.2≤Moran’s I≤0.4）。

表1 生態服務功能權衡協同關系Tab. 1 Synergy relationship table of ecological service function trade-off

綜合核心生態功能空間的主導性生態服務功能的分析結果表明，單主導生態服務功能空間內東南部食物生產功能區與其他子項服務弱權衡關系明確，其主要原因是農田基底生態類型較為單一，所提供生產性服務功能專一性較強，極大程度壓迫區域內其他生態服務功能的生態類型存量；西側淺山區氣候調節服務與多數子項服務呈現較明顯的強協同關系，主要是因為該區域氣候調節功能多數由淺山疏林草地提供，自身生態系統正向演化趨勢較為明確，周邊林地與草地生態系統也對其具有較強的促進作用。雙主導生態服務功能空間內沱江水文調節與氣候調節服務、水文調節與景觀美學提供服務雙主導趨勢明確，主要由于河道水體與近河道濕地的生態服務功能極容易受到周邊復雜環境因素影響，與其他生態服務功能呈現較明顯的弱權衡關系；西側龍泉山中部地區氣體調節與氣候調節、原材料供給與氣體調節主導趨勢明確，其生態功能復合主要由山體中部疏林草地向密林地過渡所導致，且該類型空間與子項服務呈現較明顯的弱協同關系。綜合性服務空間集中在龍泉山及三岔湖區域，與多數服務呈現較明確的協同關系，主要是因為現狀生態系統穩定，服務功能結構完善，正向演化趨向明確。

4 東部新城生態功能空間管控策略

目前，中國國土空間三區三線中生態紅線及生態功能空間劃定的重要依據之一就是生態系統服務功能的重要度，本研究所識別的核心生態系統服務分布空間、主導性服務功能類型、主導性服務功能數量、主導性與非主導性服務功能權衡協同關聯分別為國土空間規劃中生態紅線范圍的劃定、生態功能空間功能的定位、生態功能空間管控的方向以及方式提供依據。

生態功能空間內的主導性服務類型差異指導其在國土空間規劃中的基礎功能定位。如食物生產、原材料供給屬于基礎性供給服務，其主導空間載體多為耕地園地，存在底線約束要求，基礎功能定位應以遵循相關法律法規、確保底線生態服務功能為前提；氣體調節、氣候調節、水文調節、廢物處理屬于環境性調節服務，主導空間載體多為林草地或水域濕地，對周邊環境基礎有正向協同作用，提供了良好生態發展或景觀營造的基礎條件，基礎功能定位應以綠色循環發展為主，適度引入綠色產業；土壤保持、生物多樣性維持屬于結構性支持服務，主導空間載體多為山林系統與林草空間，對周邊生態結構多數有正向協同作用，應充分利用其優勢，促進區域整體生態結構向良性演替發展。

生態功能空間內的主導性服務類型數量指導其在國土空間規劃中的管控策略方向。單主導或雙主導功能生態功能空間結構簡單，整體脆弱度較高，管控方向應以政策引導及人為介入為主，適度增加管控力度及頻率，確?？臻g功能的長效可持續發展。綜合性服務功能空間生態系統結構趨向穩定，生態存量豐富，管控方向應以增加政策保護及維護自然演替為主，降低人為干擾，保持生態底線功能。

生態功能空間內的主導性與非主導性服務間權衡協同關系指導其在國土空間規劃中的管控方式及途徑。通過識別相應主導性功能所對應的協同性服務，可以對其載體進行正向或負向管控引導，以達到促進區域生態功能良性發展或優化空間結構的管控目的；通過對主導性功能所對應的權衡性服務載體進行正向或負向的管控引導，可以人為干預區域主導生態功能構成，從而達到優化城市生態功能結構的目的。

因此，本研究基于所識別的核心生態功能空間范圍及其所對應的不同主導服務功能，綜合考慮主導服務功能數量及其與非主導服務功能之間權衡協同關系測定結果，劃定3種類型生態功能空間范圍（圖6～7），并提出不同類型東部新城生態功能空間管控策略[31]。

6 核心生態功能空間管控類型分布Distribution diagram of core ecological space management and control types

7 各類型生態服務功能空間分布圖Distribution map of various types of ecological service functions

4.1 單主導生態服務功能空間——結構優化、底線控制

單主導生態服務功能空間是成都市東部新城最主要的生態功能空間類型，該類型空間主要分布在東側丘陵農田區域、西側龍泉山淺山區域，其空間分布呈現面狀結構，具有集聚性高、核心服務價值集中的特征，同時該類型空間生態功能構成單一，結構較為脆弱，受其他環境因素影響的彈性回應能力較差，但各項服務間權衡協同關系明確。

單主導生態服務功能空間與協同性服務空間的重疊空間分布集中且面積較大，多為農業用地、平原或淺山林草地，單位面積服務價值不高，但整體生態存量較高，提供了區域內最基礎性的生態服務功能。該類型空間應遵循結構優化原則，通過主導服務功能帶動協同服務共同優化，提升協同服務價值存量，增加生態功能空間整體服務功能價值與生態系統結構強度，確保生態基底彈性發展。以西側淺山地區氣候調節服務主導空間為例，龍泉山淺山區與山頂山林區分界空間模糊，正向演化趨勢明顯，該空間在其自然狀態下受山體林草生態系統過渡空間的影響，與多數服務功能呈現較明顯的協同特征，應充分利用現有疏林草地特征構建生態保護地或生態廊道，穩定現有生態功能格局，降低人為干擾，增加生態系統穩定性，保護生態系統正向演化趨勢，實現空間服務功能最大化。

單主導生態服務功能空間與權衡性服務空間的重疊空間分布多位于與城市建設區域交接邊界或單主導生態服務功能空間邊緣區域，受環境周邊環境影響較為嚴重。該類型空間應遵循底線控制原則，嚴格控制生態底線，通過政策引導、規劃控制增加局部生態功能空間服務復合結構性，維持主導功能可持續發展。以東側淺丘地區食物供給服務主導空間為例，其集中分布了東部新城的大部分基礎農業田地空間，應在堅持底線功能不改變的同時，在邊緣或局部小空間內增加復合生態系統，確保其基本主導功能獨立性與農田生態系統可持續發展可能性。

4.2 雙主導生態服務功能空間——格局提升、功能強化

雙主導生態服務功能空間在成都市東部新城范圍內占比較低，主要在沱江沿線、龍泉山林草空間交界邊緣處呈線性分布，其空間趨向破碎化，往往分布在綜合性生態服務功能空間與單主導生態系統服務功能空間過渡地區。該類型空間生態功能構成趨向完整化，從量化價值來看服務價值整體較高，但極易受到主導服務之間權衡協同關系影響，導致生態結構發生變化。

雙主導生態服務功能空間與協同性服務空間的重疊空間分布于山地與淺山地區交界、河流交匯處，有明顯的演化過渡趨勢。該類型空間應遵循格局提升原則，在保持現有雙主導服務功能穩定發展的前提下，首先考慮對其格局進行提升。以西側龍泉山淺山山林交界處的氣候調節與氣體調節主導服務功能空間為例，其生態過渡特征較為明確，且受龍泉山森林影響，自然群落正向演化趨勢明確，應與周邊綜合性服務功能區域統籌考慮，完善現有生態結構，通過生態服務功能間權衡協同作用，科學篩選協同服務，促進其向林地生態功能空間平穩過渡。

雙主導生態服務功能空間與權衡性服務空間的重疊空間多分布于鄰近單主導生態服務功能空間或與城市交界的邊緣區域，空間分布破碎，易受周邊空間功能影響，自身穩定性較低。該類型空間應遵循功能強化原則，在維持生態系統穩定前提下，降低權衡生態服務功能對于現有主導生態服務功能的負向作用，向周邊綜合性生態功能空間過渡。以沱江地區水文調節與氣候調節雙主導服務功能空間為例，該區域鄰近東部新城數個城市規劃建設區，同時兼具自然緩沖與人居環境塑造的復合特征，是中部地區核心的生態服務功能提供區域，應優化區域生態格局，構建沿江濕地水域生態廊道，增加東向山地西向淺丘的生態連通空間，強化現有生態功能，限制周邊城鎮化開發強度。

4.3 綜合性生態服務功能空間——存量保護、系統管控

綜合性生態服務功能空間在成都市東部新城分布集中，主要分布在龍泉山內部及三岔湖周邊，空間區塊化分布特征明顯。該類型空間提供了東部新城絕大多數生態服務功能價值，生態功能構成相對完善、功能結構也相對完整，但各項服務功能間權衡協同關系復雜。

綜合性生態服務功能空間與協同性服務空間的重疊空間多由大面積天然山林地與自然保護地、水源保護地、濕地組成，承擔了區域內絕大多數生態服務功能，是城市中重要的生態資源儲存基地。該類型空間應遵循存量保護原則，以西側龍泉山綜合性服務主導空間為例，作為整個東部新城重要生態源地，生態屏障特征明確，應禁止任何層面的開發建設活動，集中策劃生態保護與生態屏障功能，完善長效可持續發展的生態建設機制。

綜合性生態服務功能空間與權衡性服務空間的重疊空間多分布于山林地或鄰近核心生態功能空間的邊緣地區，空間分布偏向破碎，演化趨勢趨向結構退化。該類型空間應遵循系統管控原則，以東部及北部邊緣空間為例，應嚴格遵循系統管控調整原則，在禁止開發活動的基礎上，合理分析現有生態群落結構演化模式及驅動方式，調整內部結構及外部環境，促進系統正向演化，維持生態功能完整。

5 結論

生態功能空間遵循國土空間規劃中最基礎控制原則，對其進行空間劃定與空間識別管控具有必要性與現實意義。本研究基于生態系統服務功能視角，通過熱點分析指標（指數）與雙變量空間局部自相關指數共同篩選成都市東部新城核心生態功能空間、識別主導生態系統服務功能、測算核心生態功能空間內生態系統服務權衡協同關系，并據此提出相應生態功能空間管控模式：

1）成都市東部新城核心生態功能空間面積2 231.08 km2，面積占比56.03%，價值總占比超過64.58%，依托龍泉山、沱江、東南部淺丘農田呈現較為明顯的圈層化空間分布特征。

2）成都市東部新城主導性生態系統服務功能空間可以分為單主導、雙主導、綜合性3類，其面積分別為1 454.95、229.26、546.87 km2，空間占比分別為65.21%、10.28%、24.51%，呈現較為明顯的單類型主導趨勢，主導類型為食物生產、原材料供給、氣候調節、廢物處理、土壤保持。

3）成都市東部新城核心生態功能空間內生態系統服務功能多數呈現較為明顯的高協同關系，其中食物生產與除氣體調節外多數服務，廢物處理與氣體調節、土壤保持呈現較高的權衡關系，綜合主導生態服務功能空間類型分別提出底線控制、結構優化；功能強化、格局提升；存量保護、系統管控3個層級的管控策略。

目前本研究仍存在一定局限性，數據精度質量、生態系統服務價值評價手段的不同可能會帶來分析結果的局部偏差，從而影響核心服務功能范圍的識別與劃定。研究對服務價值的估算是基于土地利用類型與生態服務當量因子表，未來可以考慮通過結合其他軟件模型模擬或實測校驗的手段進一步提高價值評價精度。同時本研究主要從生態視角出發，基于生態服務功能內部間權衡協同效應作用關系，未將社會經濟因子納入服務功能驅動因素的討論，后續研究可進一步提升評價系統完整性。

圖表來源(Sources of Figures and Table)：

文中所有圖表均由作者繪制。