基于人居耦合與服務(wù)通達(dá)性的國(guó)土生態(tài)空間優(yōu)化
——以揚(yáng)州市江都區(qū)為例

胡秀艷，武 洋，呂程翔，周生路*

（1.揚(yáng)州市自然資源和規(guī)劃局 江都分局，江蘇 揚(yáng)州 225200； 2.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023）

生態(tài)空間是國(guó)土空間的重要組成部分，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化是人地系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)。生態(tài)系統(tǒng)能為人類提供產(chǎn)品和服務(wù)，科學(xué)評(píng)估生態(tài)服務(wù)價(jià)值可為生態(tài)空間優(yōu)化提供依據(jù)［1-2］。目前，國(guó)土生態(tài)空間優(yōu)化多采用景觀生態(tài)學(xué)方法，通過(guò)“生態(tài)源地選取—阻力面構(gòu)建—生態(tài)廊道提取”的模式構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)［3］，重點(diǎn)關(guān)注生態(tài)斑塊間的連通性［4］。但生態(tài)空間優(yōu)化須重視服務(wù)于人的需要［5］，關(guān)注點(diǎn)應(yīng)從景觀內(nèi)部要素關(guān)聯(lián)向生態(tài)人居系統(tǒng)的耦合視角轉(zhuǎn)變［6］。耦合使不同系統(tǒng)之間相互作用并彼此影響，是系統(tǒng)內(nèi)外要素從無(wú)序到有序的過(guò)程［7］。現(xiàn)有研究對(duì)于生態(tài)人居系統(tǒng)的耦合涉及較少，對(duì)生態(tài)服務(wù)對(duì)象——人的重視不足，僅強(qiáng)調(diào)生態(tài)服務(wù)在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的通達(dá)［8］，忽略了生態(tài)服務(wù)的人居通達(dá)性，因此，需探究生態(tài)—人居系統(tǒng)的耦合互動(dòng)［9］，開(kāi)展生態(tài)服務(wù)人居通達(dá)性研究。分析區(qū)域生態(tài)與人居系統(tǒng)的空間耦合，探究生態(tài)服務(wù)的流暢性與服務(wù)對(duì)象——人之間的匹配程度，對(duì)促進(jìn)生態(tài)服務(wù)與人居系統(tǒng)的協(xié)同可持續(xù)發(fā)展、提高獲得生態(tài)服務(wù)的便利程度、優(yōu)化國(guó)土生態(tài)空間具有重要意義。

為此，本文以揚(yáng)州市江都區(qū)為例，在通過(guò)二級(jí)地類調(diào)整得到當(dāng)量因子的基礎(chǔ)上，評(píng)價(jià)國(guó)土生態(tài)服務(wù)價(jià)值，計(jì)算生態(tài)連通性，分析國(guó)土生態(tài)與人居系統(tǒng)的耦合類型和格局，進(jìn)而探究區(qū)域生態(tài)服務(wù)人居通達(dá)性、國(guó)土生態(tài)空間優(yōu)化及其對(duì)策。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

揚(yáng)州市江都區(qū)（119°27′03″～119°54′23″E，32°17′51″～32°48′00″N）地處長(zhǎng)三角，位于江蘇省中部，全區(qū)面積1330 km2，境內(nèi)地勢(shì)平坦，河湖交織，土地利用類型多樣，耕地、水域分布廣泛，分別占全區(qū)總面積的49.22%和22.20%（圖1）。江都區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口稠密，2020年末，地區(qū)生產(chǎn)總值1114.91億元，位列全國(guó)百?gòu)?qiáng)縣第36位，全區(qū)常住人口92.66萬(wàn)人，人口密度696.69人/km2。

圖1 研究區(qū)區(qū)位與土地利用類型圖

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于江都區(qū)全國(guó)第三次國(guó)土調(diào)查成果數(shù)據(jù)庫(kù),生態(tài)區(qū)域數(shù)據(jù)來(lái)源于江都區(qū)國(guó)家級(jí)生態(tài)紅線和省級(jí)生態(tài)管控區(qū)域數(shù)據(jù)；社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于《江都區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒》和《江都區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》；人口數(shù)據(jù)來(lái)源于WorldPop世界人口統(tǒng)計(jì)平臺(tái)（https://hub.worldpop.org/geodata/）的中國(guó)人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)集，時(shí)間范圍為2020年，數(shù)據(jù)格式為Geotiff，分辨率為1 km，投影坐標(biāo)為地理坐標(biāo)系GCS2000，單位為每格網(wǎng)單元的人口總數(shù)。利用重采樣方法得到30 m×30 m分辨率的數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 研究技術(shù)路線

首先，針對(duì)二級(jí)地類細(xì)化調(diào)整當(dāng)量因子體系，評(píng)估國(guó)土生態(tài)服務(wù)價(jià)值，并據(jù)此選取生態(tài)重要功能區(qū)；其次，通過(guò)構(gòu)建生態(tài)阻力面計(jì)算生態(tài)連通性指數(shù)，疊加人口密度空間數(shù)據(jù)計(jì)算區(qū)域生態(tài)連通性—人居耦合度，進(jìn)一步分析生態(tài)人居系統(tǒng)空間耦合的等級(jí)、類型和格局；最后，設(shè)置低、中、高3種投入情景，探究基于生態(tài)服務(wù)人居通達(dá)性的國(guó)土生態(tài)空間優(yōu)化，并提出相應(yīng)的對(duì)策建議（圖2）。

圖2 研究技術(shù)路線圖

2.2 生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)估與生態(tài)重要功能區(qū)選取

2.2.1 生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)估 本文采用當(dāng)量因子法評(píng)估生態(tài)服務(wù)價(jià)值，在謝高地等［1］提出的生態(tài)服務(wù)當(dāng)量因子表的基礎(chǔ)上結(jié)合相關(guān)研究［10-14］，再通過(guò)研究區(qū)地類調(diào)整得到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)當(dāng)量因子（表1）。其中，水澆地的當(dāng)量因子取旱地和水田的均值；園地中，果園、其他園地的當(dāng)量因子分別取灌木林地、其他林地和灌草叢的均值；草地中其他草地的當(dāng)量因子取灌草叢值；建設(shè)用地中，采礦用地、工業(yè)用地、物流倉(cāng)儲(chǔ)用地與各類交通運(yùn)輸用地的當(dāng)量因子采用工礦用地值，城鎮(zhèn)、農(nóng)村住宅用地和商服用地的當(dāng)量因子選取住宅用地值，公共管理與公共服務(wù)用地的當(dāng)量因子選取住宅用地和工礦用地的均值，公園綠地的取值參考相關(guān)方法得到［11］；河流湖泊的當(dāng)量因子取水系值，溝渠坑塘的取值參考相關(guān)方法得到［12］，內(nèi)陸灘涂的當(dāng)量因子取濕地值，水工建筑用地的當(dāng)量因子取工礦用地值；其他用地中僅含設(shè)施農(nóng)用地，其當(dāng)量因子取工礦用地值。

表1 研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)當(dāng)量因子

依據(jù)1年內(nèi)每公頃農(nóng)田自然糧食產(chǎn)量?jī)r(jià)格為1個(gè)生態(tài)服務(wù)當(dāng)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，得到研究區(qū)的當(dāng)量因子價(jià)值量為3578.70元/hm2，并計(jì)算生態(tài)服務(wù)價(jià)值(ESV)，計(jì)算公式為：

式(1)～式（2）中：Ea為當(dāng)量因子價(jià)值量，參考揚(yáng)州市2020年平均糧食單產(chǎn)為7137 kg/hm2；單價(jià)A為3.51元/kg；系數(shù)1/7指在沒(méi)有人力等外在因素影響下農(nóng)田自然產(chǎn)生的生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值；ESV為生態(tài)服務(wù)價(jià)值；VCk為當(dāng)量因子；Sk為研究區(qū)k種地類的面積。

2.2.2 生態(tài)重要功能區(qū)選取 根據(jù)相關(guān)理論［3］，生態(tài)重要功能區(qū)的選取有最小面積要求，生態(tài)服務(wù)價(jià)值較高而面積較小的“孤島”通常不具備維持生態(tài)服務(wù)功能的能力［8］；同時(shí)，本研究生態(tài)重要功能區(qū)的選取還應(yīng)充分考慮《江蘇省生態(tài)紅線區(qū)域保護(hù)規(guī)劃（2013）》劃定的生態(tài)紅線區(qū)域類型［3］。因此，根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況，本文確定面積≥100 hm2且生態(tài)服務(wù)價(jià)值降序排列在前30%的區(qū)域再疊加生態(tài)紅線區(qū)域，得到本研究生態(tài)重要功能區(qū)。

2.3 生態(tài)連通性計(jì)算

2.3.1 最小累積阻力模型構(gòu)建 通過(guò)生態(tài)重要功能區(qū)的選取，借助生態(tài)服務(wù)價(jià)值空間分布確定生態(tài)阻力面，生態(tài)服務(wù)價(jià)值越高，表明生態(tài)阻力越低，反之則越高。生態(tài)阻力值與最小累計(jì)阻力計(jì)算公式分別為：

式（3）～式（4）中，Rk是k類土地利用類型的生態(tài)阻力值，ESVmax和ESVmin分別為研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的最大值和最小值。MCR是最小累積阻力值，n是生態(tài)重要功能區(qū)數(shù)目，Dlo是生態(tài)重要功能區(qū)l到達(dá)格網(wǎng)中心o的半徑。

2.3.2 生態(tài)連通性指數(shù)計(jì)算 選用生態(tài)連通性指數(shù)評(píng)估區(qū)域生態(tài)連通狀況，其優(yōu)點(diǎn)是能夠反映生態(tài)景觀動(dòng)態(tài)變化并且考慮到基質(zhì)和廊道的影響［15］。根據(jù)最小累積阻力值計(jì)算生態(tài)連通性指數(shù)，計(jì)算公式為：

式（5）～式（6）中，di表示第i個(gè)像元到各生態(tài)重要功能區(qū)的總耗費(fèi)距離，dri表示阻力面中第i個(gè)像元到第r個(gè)生態(tài)重要功能區(qū)的最小耗費(fèi)距離。ECIi為第i個(gè)像元的生態(tài)連通性指數(shù)，dmax、dmin分別表示像元到各生態(tài)重要功能區(qū)總耗費(fèi)距離di的最大值和最小值，參考相關(guān)文獻(xiàn)［15］取a=b=1。

2.4 生態(tài)連通性—人居耦合度計(jì)算

本文使用人口密度表征人居系統(tǒng)，采用生態(tài)連通性—人居耦合度測(cè)度生態(tài)人居系統(tǒng)的空間耦合。采用離差標(biāo)準(zhǔn)化法對(duì)生態(tài)連通性指數(shù)和人口密度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算公式為：

式（7）中，yi表示第i個(gè)像元的生態(tài)連通性指數(shù)和人口密度標(biāo)準(zhǔn)化值，xi表示第i個(gè)像元的區(qū)域生態(tài)連通性和人口密度，xmin和xmax分別表示所有像元中區(qū)域生態(tài)連通性和人口密度的最小值和最大值。

將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，計(jì)算生態(tài)連通性—人居耦合度，公式為：

式（8）～式（10）中，D表示生態(tài)連通性—人居耦合度，C表示生態(tài)連通性與人居系統(tǒng)的協(xié)調(diào)度，ECI表示生態(tài)連通性指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化值，PEOP表示研究區(qū)人口密度標(biāo)準(zhǔn)化值，T表示綜合調(diào)和指數(shù)，α和β為待定權(quán)重，考慮到2個(gè)系統(tǒng)同等重要，取α=β=0.5［7］。

2.5 生態(tài)服務(wù)人居通達(dá)性計(jì)算與投入情景設(shè)置

2.5.1 生態(tài)服務(wù)人居通達(dá)性計(jì)算 生態(tài)連通性高且人口密度較大的地區(qū)，生態(tài)服務(wù)人居通達(dá)性較高，而生態(tài)連通性高的地區(qū)，若人口密度較低，生態(tài)服務(wù)人居通達(dá)性也相應(yīng)降低，計(jì)算公式為：

式（11）中，HAi表示第i個(gè)像元的生態(tài)服務(wù)人居通達(dá)性，ECIi表示第i個(gè)像元的生態(tài)連通性指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化值，PEOPi表示第i個(gè)像元的人口密度標(biāo)準(zhǔn)化值。

2.5.2 生態(tài)空間優(yōu)化情景設(shè)置 設(shè)置低、中、高3種投入情景，選擇關(guān)鍵區(qū)域，將生態(tài)服務(wù)人居通達(dá)性排在后20%的區(qū)域作為低值區(qū)（表2），優(yōu)化提升該區(qū)域的生態(tài)服務(wù)人居通達(dá)性。

表2 3種投入情景的優(yōu)化區(qū)域與相應(yīng)生態(tài)服務(wù)人居通達(dá)性提升程度

3 結(jié)果分析

3.1 基于生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)估的生態(tài)重要功能區(qū)選取結(jié)果

根據(jù)2.2節(jié)方法，得到研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值和生態(tài)重要功能區(qū)分布情況（圖3）。研究區(qū)內(nèi)國(guó)土生態(tài)服務(wù)價(jià)值差異較大，高值區(qū)主要分布在研究區(qū)西北部和南部的水域；中西部的生態(tài)服務(wù)價(jià)值較高且以林地為主；中部成片耕地生態(tài)服務(wù)價(jià)值不及水域；而西部城區(qū)和各鎮(zhèn)區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值最低，以建設(shè)用地為主，生態(tài)重要功能區(qū)則主要為湖泊水域。

圖3 研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值與生態(tài)重要功能區(qū)空間分布

3.2 生態(tài)連通性—人居耦合度評(píng)價(jià)結(jié)果

利用ArcGIS 10.8軟件中創(chuàng)建漁網(wǎng)工具得到研究區(qū)30 m×30 m的空間網(wǎng)格，根據(jù)2.3和2.4節(jié)方法，得到研究區(qū)生態(tài)連通性指數(shù)和生態(tài)連通性—人居耦合度（表3）。參考相關(guān)研究［7］和研究區(qū)的實(shí)際情況，采用分位數(shù)法將生態(tài)連通性—人居耦合度分為高、較高、中、較低、低5個(gè)耦合度等級(jí)和高等協(xié)調(diào)同步型、高等協(xié)調(diào)人居耦合滯后型、高等協(xié)調(diào)人居生態(tài)連通性滯后型3種耦合類型，其中高、較高、中、較低、低耦合度等級(jí)的面積分別為232.57、266.31、287.72、285.99、259.56 km2，占比分別為17.49%、20.02%、21.63%、21.42%、19.52%；同步型、人居耦合滯后型、生態(tài)連通性滯后型耦合類型的面積分別為772.93、501.77、54.91 km2，占比分別為58.13%、37.74%、4.13%。

表3 研究區(qū)生態(tài)連通性—人居耦合度等級(jí)與耦合類型判別標(biāo)準(zhǔn)

由圖4可知，高耦合度區(qū)域主要分布在研究區(qū)西部及中部，以河流湖泊和人口集中地區(qū)為主，表現(xiàn)出團(tuán)塊狀集中、線狀延伸的特征。較高和中耦合度區(qū)域分布較為集中，圍繞高耦合度區(qū)域逐級(jí)遞減，表現(xiàn)出圈層式連續(xù)變化的特征，中耦合度以上區(qū)域面積為786.6 km2，占比為58.93%。較低和低耦合度區(qū)域廣泛分布在研究區(qū)中部，以農(nóng)用地為主，面積為545.55 km2，占比為41.07%。中耦合度以上區(qū)域內(nèi)，同步型區(qū)域位于研究區(qū)中部，以耕地和建設(shè)用地為主，面積為297.54 km2，占比為37.90%，表明同步型不是其主導(dǎo)類型；人居耦合滯后型區(qū)域位于研究區(qū)西部和南部，以耕地和水域?yàn)橹鳎娣e為436.80 km2，占比為55.64%，為主導(dǎo)類型，其形成原因可能是由于人口向城鎮(zhèn)遷移集中，而生態(tài)環(huán)境建設(shè)沒(méi)有同步，導(dǎo)致人居通達(dá)性下降后生態(tài)與人居系統(tǒng)不匹配；生態(tài)連通性滯后型區(qū)域以建設(shè)用地為主，僅50.75 km2，占比最低，為6.46%，表明生態(tài)服務(wù)功能之間連通性良好。總體而言，研究區(qū)生態(tài)連通性—人居耦合度較高，呈現(xiàn)出由西南向東北的“高—低”分布特點(diǎn)（圖4）。

圖4 研究區(qū)生態(tài)連通性—人居耦合度等級(jí)和耦合類型空間分布

3.3 生態(tài)服務(wù)人居通達(dá)性評(píng)價(jià)與優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)2.5節(jié)方法，采用分位數(shù)法將研究區(qū)人居通達(dá)性劃分為強(qiáng)、較強(qiáng)、中等、較弱、弱5個(gè)等級(jí)，面積分別為286.5、277.75、277.75、277.75、278 km2，占比分別為20.50%、19.87%、19.87%、19.87%、19.89%。其中，強(qiáng)通達(dá)性區(qū)域以團(tuán)塊狀分布在西南地區(qū)，較強(qiáng)和中等通達(dá)性區(qū)域圍繞強(qiáng)通達(dá)性區(qū)域由內(nèi)向外呈圈層式分布，中等通達(dá)性以上區(qū)域面積為842 km2，占比為60.24%。較弱和弱通達(dá)性區(qū)域則在全域散布，面積為555.75 km2，占比為39.76%。研究區(qū)生態(tài)服務(wù)人居通達(dá)性整體水平較高，但存在兩極分化現(xiàn)象，表現(xiàn)出自西南向東北由高到低過(guò)渡分布的特征（圖5），區(qū)域內(nèi)的人居通達(dá)性有待進(jìn)一步提升。

圖5 研究區(qū)生態(tài)服務(wù)人居通達(dá)性等級(jí)空間分布

根據(jù)2.5節(jié)方法，得到3種投入情景優(yōu)化區(qū)域空間分布（圖6），以及人居通達(dá)性面積變化率（表4）。相較于優(yōu)化前，各情景中生態(tài)服務(wù)人居通達(dá)性都有不同程度的提高。其中，高投入情景下的提升效果較好，中等通達(dá)性以上區(qū)域面積可增加28.47%。

表4 研究區(qū)3種投入情景下各級(jí)人居通達(dá)性區(qū)域面積變化率 %

圖6 研究區(qū)3種投入情景優(yōu)化區(qū)域空間分布

根據(jù)上述結(jié)果，確定耦合主導(dǎo)類型與耦合度低值區(qū)域，對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化提升。同步型區(qū)域匹配程度良好，應(yīng)發(fā)展優(yōu)質(zhì)高效農(nóng)業(yè)，減少用地閑置，并對(duì)沿江生態(tài)進(jìn)行整治，維護(hù)生態(tài)人居系統(tǒng)的協(xié)調(diào)狀態(tài)。對(duì)于人居耦合滯后型區(qū)域，生態(tài)紅線區(qū)域內(nèi)應(yīng)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，維護(hù)生態(tài)現(xiàn)狀；生態(tài)紅線區(qū)域外部分應(yīng)著力提升人居通達(dá)性，利用生態(tài)廊道串聯(lián)城鄉(xiāng)，加大廊道及沿線的生態(tài)綠化建設(shè)，通過(guò)打造南部濱江旅游休閑區(qū)，提高獲得生態(tài)服務(wù)的便利程度。生態(tài)連通性滯后型區(qū)域內(nèi)，應(yīng)禁止隨意占用城市綠地，保障生態(tài)服務(wù)功能的正常發(fā)揮。

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)生態(tài)連通性—人居耦合度較高，中等耦合度以上區(qū)域面積占比達(dá)58.93%，耦合類型以人居耦合滯后型為主導(dǎo)，面積占比為55.64%。

（2）研究區(qū)生態(tài)服務(wù)人居通達(dá)性整體水平較高，中等通達(dá)性以上區(qū)域面積占比為60.24%，但存在兩極分化現(xiàn)象，區(qū)域內(nèi)人居通達(dá)性有待進(jìn)一步提升。低、中、高3種投入情景相較于優(yōu)化前，生態(tài)服務(wù)人居通達(dá)性均有不同程度的提高，其中高投入情景提升效果較好，中等通達(dá)性以上區(qū)域面積可增加28.47%。

（3）通過(guò)分析生態(tài)人居系統(tǒng)的空間耦合，可識(shí)別耦合主導(dǎo)類型與耦合度低值等關(guān)鍵區(qū)域。對(duì)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)生態(tài)服務(wù)人居通達(dá)性進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化提升，可增加獲得生態(tài)服務(wù)的便利程度，對(duì)促進(jìn)國(guó)土生態(tài)空間優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)作用。