韓增林,劉澄浩,閆曉露,4,*,李欣媛,王學哲
1 教育部人文社科重點研究基地,海洋經濟與可持續發展研究中心,大連 116029 2 遼寧師范大學海洋可持續發展研究院,大連 116029 3 遼寧師范大學地理科學學院,大連 116029 4 華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室,上海 200241
生態系統服務是人類生存和發展的基礎[1]。然而,自工業革命以來,人類活動對人類賴以生存和發展的自然環境造成了嚴重破壞。世界上超過60%的生態系統服務正在退化[2],而且這些生態系統服務的喪失正變得越來越明顯,深刻影響了人類福祉以及自然-社會-經濟系統可持續發展,主要原因之一是缺乏對生態系統服務的有效管理[3]。生態管理分區是生態修復和國土空間規劃的重要依據,為提高人福祉和實現生態系統可持續發展提供了途徑[4]。正確理解生態系統服務供需關系是實施生態系統服務有效管理的前提條件,有助于改善人類福祉[5]。人類福祉包括經濟和社會福利,其依賴于對生態系統服務的消費,這將會導致生態系統服務供需之間的不平衡。由于自然資源稟賦和社會經濟因素的差異,區域生態系統服務供需存在時空差異[6],生態系統服務供需的時空變化識別面臨挑戰。如何識別和表征供需關系是分析供需空間特征的關鍵問題,同時,基于供需關系的生態系統服務的空間可視化也是將生態系統服務概念納入生態系統管理決策和實施過程中的關鍵步驟。
隨著生態系統服務研究的不斷深入,越來越多的學者嘗試從生態系統服務的角度來探討生態管理分區,主要集中在生態系統功能[7-8]、生態系統服務價值[9- 11]和生態系統服務簇[12-13]等,生態系統服務作為生態系統與社會經濟系統之間的橋梁,其狀態不僅受生態系統結構和功能的影響,還受社會經濟系統的影響[14]。利益相關者的經濟活動對生態系統服務產生了巨大需求,生態系統服務供需狀態的變化使得政策制定者開始權衡相關宏觀政策目標并開展生態系統服務供需關系的定量定性評價,通過劃分不同的生態管理區進行管控,以提高人類福祉。而區域的生態管理同樣會影響生態系統結構與功能,進而影響到生態系統服務供需關系[15],生態系統服務供需關系與生態管理分區二者相輔相成。然而,基于生態系統服務供需關系的生態管理分區研究仍然較少,綜合考慮生態系統的供給和利益相關者的需求進行生態系統服務管理,對促進生態系統和社會經濟的可持續發展有重要意義。
生態系統服務中的供需關系分析有助于為環境管理提供信息[16]。目前,關于生態系統服務供需關系的研究主要集中在以下方面:①探討生態系統服務供需間權衡/負相關關系[3,17];②生態系統服務流[18-19];③從數量均衡與空間分布格局等方面量化生態系統服務供需不匹配/不平衡關系[20- 22]等。這些研究豐富了生態系統服務供需關系評估體系,反映出了生態系統服務供應狀態及供給轉化情況。然而,這些研究在表征生態系統服務可承載狀態的同時,他們可能忽略了生態系統服務供需發展是否和諧一致和良性循環。生態系統服務供需耦合協調關系是衡量生態系統服務供需兩系統間一致性和良性互動的一種方法,可以反映生態系統服務供需由無序走向有序的趨勢[4,23],反映出生態系統服務可持續性狀態。因此,在進行生態管理分區時有必要綜合考慮生態系統服務供需耦合協調和匹配關系,有助于真實反映生態系統服務狀態并為生態系統服務的有效管理提供有效信息。此外,空間尺度上的生態系統服務供需關系研究集中在市域[2]、縣域[15,19,24]、流域[21]等大中尺度,格網等小尺度較少,而精細化的空間尺度更有利于實現土地精細化管理的目標[25]。
沿海地區是由海洋和內陸共同形成的區域,人類經濟活動頻繁,生態環境相對脆弱[2]。改革開放以來,我國沿海地區經濟迅速發展,特別是沿海開放城市。大連作為我國首批對外開放的沿海城市之一,其產業發展以石油化工、船舶制造等重型工業為主,具有路徑依賴性。盡管以重型工業為基礎的經濟模式對城市化加速和人類福祉做出了巨大貢獻,卻也催生了許多生態問題,如:城市用地擠占生態用地、近海工業污染、水土流失等,陸、海生態系統提供服務的能力降低,難以滿足日益增長的人類需求,人地關系緊張。因此,大連市亟待統籌陸海,厘清生態系統服務供需關系,構建陸海統籌的生態管理分區。
大連市位于遼東半島南端,地處120°98′—123°52′E、38°73′—40°22′N之間,西臨渤海,東臨黃海(圖1),是中國重要的港口城市之一。屬溫帶季風氣候又兼具海洋性氣候特征,地勢呈現中心軸以東北-西南高、西北-東南低的特點,丘陵、山地、平原、濱海等地貌多樣。區域內林地、濕地、自然保護區等資源豐富,是重要的生態區位,蘊含多種生態系統服務。氣候、地勢、地貌等的空間異質性導致大連市各區域生態環境的不同。截至2015年末,大連市下轄中山區、西崗區、沙河口區、甘井子區(為便于研究,將該四區合稱為大連市區)、旅順口區、金州區、普蘭店區、莊河市和長海縣。其中,大連市區是主要的人口集中地和經濟發展地,其他區域相對較緩,區域不同的社會經濟發展現狀直接影響了生態系統服務需求的空間分布。
研究中使用的基礎數據主要包括2015年土地利用、土壤、數字高程(Digital Elevation Model,DEM)、氣象、歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)、社會經濟等數據。其中,土地利用數據基于遙感影像解譯所得,根據研究需要,大連市土地利用類型化為9類:林地、耕地、濕地、草地、水體、海洋、水產養殖及鹽田、建設用地和其它用地,空間分辨率30 m,經檢驗Kappa指數為0.81,結果可靠;土壤數據來自寒區旱區科學數據中心網站(http://westdc.westgis.ac.cn/)基于世界土壤數據庫中國土壤數據集(V1.1),包括粉砂、粘粒、沙粒和有機碳含量,經ArcGIS 10.2重采樣為30 m空間分辨率;DEM數據來源于美國國家航空航天局網站(http://reverb.echo.nasa.gov/)ASTEM GDEM V2數據集,空間分辨率30 m;氣象數據來自中國氣象數據網站(http://data.cma.cn/)中國地面氣候資料月值數據集,選取大連及鄰近地區12個氣象站點的降雨量、地表凈輻射、平均溫度和2 m處風速等數據,經ArcGIS 10.2反距離權重法空間插值得到空間分辨率30 m的氣象柵格數據;NDVI數據來源于美國航空航天局網站MODIS13Q1數據集的16 d合成產品,經ArcGIS 10.2最大值合成2015年NDVI柵格數據,重采樣為30 m;社會經濟數據來源于《大連市統計年鑒》和《全國農產品成本收益資料匯編》。
基于千年生態系統評估對生態系統服務的分類,綜合考慮大連市生態系統結構、社會經濟條件以及數據的可獲取性,選取6種典型生態系統服務:食物供給、固碳釋氧、水源涵養、土壤保持、生境維持和美學景觀。目前,有關生態系統服務供給測算的方法主要有模型法[16-17,19]、專家經驗判別法[4,15,21]、能值法[26]和價值法[27]四種。價值法以生態經濟學為理論基礎采用貨幣評估生態系統服務供給,該方法雖然存在爭議,但能粗略估計[28],而且可以反映區域生態保護成效,提高相關者的重視程度,為政策制定者提供科學依據。模型法不受限于時空尺度[29],彌補了部分指標非精細化缺陷。因此,本文選擇以價值法為主,輔以模型法測算生態系統服務供給(表1),得到單位面積生態系統服務供給,則2015年大連市生態系統服務供給總量計算公式如下:
(1)
式中,ESS為大連市生態系統服務供給(元);A為柵格面積(hm2);Si為第i種生態系統服務類型的供給量(元/hm2),S1—S6分別代表食物供給、水源涵養服務供給、固碳釋氧服務供給、土壤保持服務供給、生境維持服務供給、美學景觀服務供給。
生態系統服務需求是人類對生態系統提供服務的數量及質量的偏好,包括已滿足和未滿足的部分[38]。其反映了人類活動干擾的程度,不同的經濟社會發展狀況對生態系統服務需求不同。目前,國內外學者采用的生態系統服務需求量化方法主要包括兩種:(1)從認知的角度,采用調查問卷的方式[17,39],但該方法受限于受訪者對生態系統服務了解程度;(2)指標法[40-41],如彭建等選取建設用地占比、人口密度和地均GDP三個社會經濟指標核算了廣東省生態系統服務需求[40],該指標體系由于計算簡便得到國內學者廣泛應用[2-3,15,27]。其中,建設用地占比僅能反映出區域內建設用地對生態系統服務影響,而忽視了人類干擾活動同樣較強的耕地、水產養殖等土地利用類型,面對同一區域內可能存在多種土地利用類型,以及各占不同面積比重,可以將不同的土地利用類型歸屬于不同土地利用強度下[42],故本文采用土地綜合利用強度指數代替建設用地占比。土地綜合利用強度指數直接反映了人們對不同土地資源利用的差異,值越高,生態系統服務需求越高。人口密度可以直接反映生態系統服務的需求。地均GDP即國內生產總值密度,反映了地區發達程度,可以間接體現人類對生態系統服務的需求。由于大連市地均GDP和人口密度的地區極端化較嚴重,因此采用統計學中取自然對數方法減緩劇烈波動帶來的影響。

表1 生態系統服務供給測評指標
ESD=LDI×lnP×lnG
(2)
(3)
式中,ESD為生態系統服務需求;P為人口密度(人/km2);G為地均GDP(元/km2);LDI為土地綜合利用強度指數;Pi為研究區內第i級土地利用強度(i=1,2,3,4,5)[37];Qi為研究區第i級土地利用類型所占面積百分比;n為研究區土地利用強度分級數。
本研究以網格為研究單元探討大連生態系統服務供需匹配和耦合協調關系,結合研究區大小及實際研究結果,利用漁網工具(Fishnet)創建1 km×1 km的格網。對基于以上方法量化得到的大連市生態系統服務供給量和需求量分別進行z-score標準化(式4),以標準化后的需求量為X軸,標準化后供給量為Y軸構建二維坐標系,各格網的標準化需求、供給值構成(x,y)坐標點,得到4類供需匹配類型:高供給-高需求、高供給-低需求、低供給-低需求和低供給-高需求依次對應第一至四象限。
(4)

為消除供需量綱影響,對原始供給量和需求量進行極差標準化(式5),將極差標準化后的結果進行生態系統服務供需耦合協調關系分析。耦合協調度模型在探討生態系統生產總值-經濟發展[33]、經濟-社會-環境[43]、生產-生活-生態[44]等系統間耦合協調關系取得廣泛應用。因此,本文引入耦合協調度模型表征生態系統服務供給和需求兩系統之間的耦合協調關系(式6),反映二者之間彼此和諧一致的程度。
(5)
(6)
(7)
T=α×XS+β×XD
(8)
式中,X為極差標準化后的生態系統服務供給量或需求量;xi為第i個網格供給量或需求量;xmax為全市最大值;xmin為全市最小值;D為供需耦合協調度,D∈[0,1],D越大說明供需協調性越好;C為耦合度;T為供需綜合協調指數;XS表示供給量;XD表示需求量;α、β為待定系數,由于生態系統服務供給與需求同等重要,故取α=β=0.5。采用等分法,并結合大連市實際發展情況,將生態系統服務供需耦合協調度劃分為以下8個區間:①D∈[0,0.2],表明供需處于嚴重失調;②D∈(0.2,0.3],表明供需處于中度失調;③D∈(0.3,0.4],表明供需處于輕度失調;④D∈(0.4,0.5],表明供需處于瀕臨失調;⑤D∈(0.5,0.6],表明供需處于基本協調;⑥D∈(0.6,0.7],表明供需處于輕度協調;⑦D∈(0.7,0.8],表明供需處于中度協調;⑧D∈(0.8,1],表明供需處于良好協調。
2015年大連市生態系統服務供給為469.6757億元(表2),從各土地利用類型來看,生態系統服務供給能力最強的為林地和耕地,二者供給能力約占總供給的76%,其它用地最低。空間上,供給高值主要分布在植被覆蓋率高和近海地區(圖2),這里生態本底良好,生物多樣;供給低值主要分布在城鎮區,區域內多建設用地,人口密度大,人類活動頻繁。從各生態系統服務來看,其供給能力呈現固碳釋氧>美學景觀>食物供給>水源涵養>生境維持>土壤保持的排列,此外,各生態系統服務供給均存在明顯空間異質性。其中,食物供給741.8457萬t,經濟價值98.2449億元,其高值區主要分布于水產養殖和耕地,區域內農、漁業發達;研究區南北部的食物供給較低,土地利用類型主要為建設用地和林地。水源涵養量6.8705億m3,經濟價值52.9807億元,其高值區分布于研究區北部,林地水源涵養服務供給最高,達29.6581億元;低值主要分布在濕地和海洋,主要是由于研究區內濕地包含灘涂和沼澤,面積不足研究區1%。固碳釋氧量2.4580億t,經濟價值149.1921億元,土壤保持量24.2300億t,經濟價值24.6514億元,二者空間分布類似,與研究區地形關系較為密切,呈現南北向中部傾斜格局。生境質量指數平均0.65,生境維持經濟價值42.8192億元,美學景觀經濟價值101.7874億元,二者空間分布相似,與土地利用類型分布聯系密切,林地表現能力最強,耕地次之,建設用地生境維持和美學景觀服務供給均為0。

表2 2015年大連市各土地利用類型生態系統服務供給/1×108元

圖2 大連市各生態系統服務供給Fig.2 Distribution of ecosystem services supply in Dalian
大連市生態系統服務需求具有顯著的空間異質性(圖3),由于人口密度、土地利用綜合強度以及地均GDP的空間分布均呈現出高值向主城區集中的趨勢,使得生態系統服務需求向主城區集中,大連市區最為明顯,高達65848.4。從具體指標來看,人口密度和經濟密度的空間分布相似,呈現南高北低、內陸向沿海傾斜的空間格局,北部地廣人稀,受山地地形等影響,經濟發展較低,對生態系統服務需求較低;南部是大連市經濟中心,建設面積廣闊,人類干擾活動程度較高,對生態系統服務需求高;東西近海區域水產養殖業發達,陸地稀疏,多為漁民居住,人口稀疏,生態系統服務需求低。土地需求方面,研究區內林地、水體、濕地的土地利用綜合強度最低,集中分布在大連北部,而中部平原地區土地利用強度較高,其中,建設用地最高、耕地次之,分布廣泛。

圖3 大連市生態系統服務需求Fig.3 Demand for ecosystem services in Dalian
2015年大連市生態系統服務供需耦合協調度取值范圍為0—0.70,平均值為0.38,表現為輕度失調。從空間分布來看,大連市生態系統服務供需耦合協調度的空間差異明顯(圖4),呈現內陸向沿海傾斜的空間格局。其中,生態系統服務供需嚴重失調和中度失調的區域集中分布在東西部沿海,共占研究區總面積的17%;表現為輕度失調的區域與建設用地空間分布較為一致,占比20%;瀕臨失調的區域占比51%,分布廣泛;基本協調的區域與耕地(主要為旱地)的空間分布相似,占比12%,主要原因在于耕地一方面受人類干擾程度較高,另一方面具有較強的生態系統服務供給能力(表2)。
2015年大連市生態系統服務供需的象限匹配如圖5所示,經統計得到:高供給-低需求區域約占大連市面積的36%,低供給-高需求區域約占40%,二者比重最大,而高供給-高需求和低供給-低需求分別僅占9%和15%,說明生態系統服務供給和需求之間的不匹配現象突出。從空間分異來看,高供給-低需求區域主要分布在研究區東西部沿海和南北山地,是大連重要的生態屏障,區域內森林和水資源豐富,林、漁業發達,生態系統服務供給高。同時,受地形地貌影響,人類干擾活動較小,生態系統服務的需求較低。低供給-高需求區域主要分布內陸地勢平坦地區,土地利用類型以耕地和建設用地為主,區域內的人類活動頻繁,生態系統服務的需求較高,但由于缺乏生態系統服務能力較高的林地等土地利用類型,使得生態系統服務的供給較低。高供給-高需求和低供給-低需求分布零散,主要處于前兩者類型的過渡地帶。

圖4 大連市生態系統服務供需關系空間分布Fig.4 Spatial distribution of ecosystem service supply-demand relations in Dalian

圖5 大連市生態系統服務供需象限圖 Fig.5 Quadrant map of ecosystem services supply-demand in Dalian
綜上分析可知,大連生態系統服務供需狀況空間差異明顯,為實現區域可持續發展目標,有必要進行分區管理。通過供需耦合協調和匹配關系疊加分析,并結合《大連市城鎮體系規劃(2018—2035年)》(以下簡稱《規劃》)和大連市經濟地理條件,從區域統籌發展與生態管理角度對大連市進行國土生態管理分區,共分為四大區域:生態涵養區、生態農業區、生態一般保護區及生態改良區(圖6)。

圖6 大連市生態管理分區Fig.6 Zoning of ecological management in Dalian
(1)生態涵養區主要包括研究區南北部山地,是大連主要的生態屏障,區域內自然保護區、森林公園和水庫等資源豐富,良好的生態本底使得生態系統服務供給高,是生態系統服務的主供給地,以調節服務和支持服務為主。生態系統服務供需匹配類型以高供給-低需求和高供給-高需求為主,生態系統服務供需耦合協調關系表現為輕度失調至基本協調。因此,該區的管理方向可以為:以保育為主,限制開發。一方面,注重林木的種植和培育,提高森林覆蓋率,保護區域內生物多樣性,充分發揮生態功能屏障的作用;另一方面,借助其良好的生態優勢,適度開發旅游資源等,發展生態文化產業,形成生態本底好經濟基礎不斷提升的新格局。
(2)生態農業區主要包括研究區西部和中東部,是大連糧食主產區,土地利用類型以耕地和水產養殖為主。區域內地勢平坦,水土條件優良,農牧漁業發達,人類活動干擾強度相對較大,單位面積生態系統服務供給僅次于生態涵養區。生態系統服務供需匹配類型主要為低供給-高需求和高供給-高需求,生態系統服務供需耦合協調關系表現為基本協調。因此,該區要以生態保護和生態建設為主,提高其投入產出效率。一方面,在保證糧食安全的前提下適當退耕還林還草,提升農牧業生產技術,減少藥物和肥料的使用,提高農、畜牧等產出品單產,進而提升生態系統服務的供給能力;另一方面,發展生態農業,如:大連中北部借助耕地和林地資源發展有機農產品生態田園,東西沿海借助濕地和海洋資源建設休閑娛樂型海洋牧場等,提升其休閑娛樂服務,提高土地利用產出效益。
(3)生態一般保護區主要分布在黃、渤海沿岸,山、海、島地貌豐富,區內功能復合、文化多元。生態系統服務供需匹配類型以低供給-高需求為主,生態系統服務供需協調度呈現瀕臨失調至基本協調狀況。因此,區域內生態管理方向可以為:綜合保護為主,提高生態溢出效應。一方面,保護生態環境,遵循綠色低碳循環發展的理念;另一方面,促進產業集群發展,創建新的經濟增長極。特別是沿海地區,應加強海洋生態環境保護,將海岸線資源優勢轉為經濟優勢,促進產業集群發展帶動人口集聚。其中,位于渤海沿岸的長興島經濟技術開發區擁有優良的建港條件,應積極發展臨港物流業;位于黃海沿岸的花園口經濟區是國家新材料高技術產業基地,應積極發展生物、新能源等戰略性新興產業。
(4)生態改良區主要分布在各區縣中心城區,區域內植被覆蓋度較低,人口密度大,人類活動頻繁,是主要的產業集群地。生態系統服務供需匹配類型以低供給-高需求為主,生態系統服務供需協調度呈現輕度失調至中度失調狀況,人地矛盾和生態問題突出。因此,區域內發展應以生態改良為主,綜合改善生態系統服務水平。一方面,重視土地整治,優化產業結構,發展綠色經濟;另一方面,大連市區是多種產業的中心,可以借助外部生態一般保護區的優勢,適當中心北移,緩解人地矛盾問題。
2015年大連市生態系統服務供需空間分異結果顯示,生態系統服務供需呈現北部林地和東西部沿海生態系統服務供給高、需求低,中南內陸城鎮區生態系統服務供給低、需求高的空間格局,原因之一在于資源稟賦的差異。據統計,2015年大連市林地面積4331 km2,占全市的32%,但1/2以上的林地資源集中在北部山地,而北部山地平均人口密度不足300人/km2。大連市建設用地面積2063 km2,占全市的15%,其中1/5集中分布在大連市區北部和金州區南部,該區人口密度超過2000人/km2,最高達24746人/km2,地均GDP高達1.2—46.7萬元/km2。這表明大連市生態系統服務供需存在嚴重的空間不平衡。其次,經濟空間布局是導致生態系統服務供需空間不平衡原因之一。《規劃》指出要建設“一核兩區七組團多節點”的城鄉空間結構,結合上述分析可知,該地生態系統服務供給普遍較低。此外,大連市臨港產業分布與此結構類似,集中分布在黃渤海沿岸,產業以裝備制造業等第二產業為主,能耗大、污染大,產業結構可能對生態系統服務供需空間不平衡有一定影響,未來尚需探究產業結構是否及如何影響了生態系統服務供需關系。
生態系統服務供需匹配表明二者在量上一致,生態系統服務供需協調發展表明二者在質上和諧一致,城市發展需要維持現狀或向高質量方向調整;反之,當生態系統服務供需出現不匹配或失調的情況下,城市的生態、生產和生活空間承受較大的壓力或具有富余發展空間,城市需要對三生空間有效利用與管控,針對不同的供需模式采取對應的規劃策略,其中生態管理分區是基于生態系統服務供需雙重影響下合理規劃的重要方法。研究發現各區縣中心城區和東西近海普遍存在生態系統服務供需的不匹配和不協調。由于空間局限,中心城區難以直接進行改變,這就需要適當中心外移,創造新的增長極,緩解中心城區生態系統服務赤字壓力。東西近海用地類型以水產養殖及鹽田為主,具有較強的食物供給能力,呈現生態系統服務盈余狀態,沿海生態系統服務對分區產生了較大影響。因此,按照陸地國土空間與海洋國土空間相統一的要求,需要提高沿海與內陸的連通性,增強城市外圍生態系統的供應向中心輻射能力,既滿足城市生態系統服務的需求,又帶動經濟發展。《規劃》指出要通過建設都市新區有效疏解都市極核發展的壓力,進一步驗證了生態管理分區的合理性。總體來看,本研究可為大連市生態保護規劃、土地利用規劃和城市發展規劃提供有力支撐,有利于生態安全和人類福祉協調發展,也是將生態系統服務供需概念融入實踐應用的有益探索。盡管研究采用可以反映區域內部差異的網格尺度,但是生態系統服務存在尺度效應,流域、行政單元邊界可能存在供需差異,其與網格邊界不匹配,因此多尺度下的生態系統服務供需關系差異還需進一步深入探討,使生態管理分區更加系統和科學。
(1)2015年大連市生態系統服務供給高達469.6757億元,其中固碳釋氧服務的供給最高,美學景觀次之,分別占總供給32%和21%,區域內林地、耕地等綠色基礎設施分布廣泛,二者生態系統服務供給能力最強,占總供給76%。整體上,大連市生態系統服務供給呈現東西、南北U型空間格局。
(2)大連市生態系統服務需求具有顯著的空間異質性,由于區域內經濟需求、人口需求和土地需求的空間分布均呈現出高值向主城區集中的趨勢,使得大連市整體生態系統服務需求向主城區集中。
(3)生態系統服務供需不匹配特征顯著,匹配類型以高供給-低需求和低供給-高需求為主,生態系統服務供需耦合協調度平均值為0.38,表現為輕度失調。
(4)生態涵養區要以保護為主培育為輔,重點保護;生態農業區以生態保護和生態建設為主,提高其投入產出效率;生態改良區以生態改良為主,綜合改善生態系統服務水平;生態一般保護區以綜合保護為主,提高生態溢出效應。生態管理分區可為大連市國土空間規劃提供有力支撐,有助于生態可持續發展及人類福祉提高。