基于多重生态系统服务能力指数的生态空间优先级识别

申佳可

王云才

1 研究背景

中国快速城市化导致自然或半自然土地向建设用地的急剧转变[1]，生态空间大量损失与高度破碎降低了生态系统的功能和提供服务的能力并带来一系列生态风险[2]。在土地资源极其有限的快速城市化地区，通过大规模增加生态空间恢复生态系统机能、抵御生态风险的途径并不现实[3]。确定生态空间保护优先次序可确保人们从有限的资源中获得最大利益[4]。这就需要在现有生态空间的基础上识别能够有效且高效提供生态系统服务的生态斑块，作为阻止城市用地扩张和城市生态系统功能进一步受损的优先空间，将其纳入最具成本效益的区域生态安全格局[4]，并在规划阶段为自然资源保护、生态网络建设及城市可持续发展中的决策提供明确的优先次序指导[5]。

尽管人们愈发意识到生态空间在提供生态系统服务方面的重要性，但大量研究从连通性、可达性等结构角度识别需要保护的优先空间[6]，或仅注重区域内生态空间理想形态的塑造和数量的增加[2]。少数以生态系统服务评价为依据识别生态空间优先级的研究，或是基于对单项服务高价值区域的直接提取[7]，或是以多个服务价值简单叠加的结果作为评价优先空间的指标[8-9]。这些方法较少考虑空间内多重生态系统服务间相互作用表现的联合影响。还有一些研究构建了基于单项生态系统服务指标的生态空间优先级评价标准[10-11]，但是标准内指标的权重或优先级排序是根据研究区域社会经济因素或本地利益相关者偏好而定，使这些方法具有很强的地方性。

可以说，目前基于生态系统服务方法的生态空间优先级研究的不足之一，就是缺乏针对生态空间提供的多重生态系统服务及相互作用的通用、明确且可重复的评价指标，以这一指标为依据，应能很容易地显示生态空间优先级排序间的共性和显著差异。因此，本文提出一种基于对多重生态系统服务能力指数的评价与制图识别生态空间优先级的方法，并将分级结果与生态网络规划中识别重要的功能性生态空间这一需求相适应。

2 区域特征与关键生态系统服务的选择

2.1 研究区域概况

苏嘉湖地区是江苏苏州、嘉兴和浙江湖州3座城市的统称，环太湖东岸分布(图1)，总面积18 221km2，常住人口1 831.5万。苏嘉湖地区河网密布、湖泊众多，是太湖与上海大都市区之间主要的生态缓冲区。在2000—2015年的15年间，苏嘉湖地区建设用地总计增加2 174.8km2[12]。截至2015年，苏嘉湖地区城镇化水平由改革开放初期第三次人口普查时(1982年)的17.78%增长为67.05%[12]。土地资源侵占、农业及工业污染、生态空间破碎化等典型城市化现象严重威胁着苏嘉湖地区的生态安全，并使该地区面临着以下三方面的核心生态问题：水环境生态退化[13]、洪涝灾害[14]与城市热岛[15]。

图1 研究区域区位及生态空间分布图(底图引自中国自然资源部网站)

2.2 关键生态系统服务的选择

使用以下3个标准选择苏嘉湖地区关键生态系统服务：1)来自千年生态系统评估(2005)或国际生态系统服务分类(v4.3，2013)框架；2)针对苏嘉湖地区城市快速发展背景下环境与人类供需关系中最核心的生态问题与矛盾；3)具备测度数据可得性。基于上述标准选择了5个关键生态系统服务，包括4个调节服务(生物多样性维持、洪水调节、地方气候调节、水体净化)和1个文化服务(游憩与旅游)。

研究基于已有文献中对特定土地利用类型提供生态系统服务的研究成果，并结合研究区域资料和本地专家知识，对生态空间与生态系统服务的相关性进行经验性判断。由于本文的分析并非是对各类生态空间提供的所有生态系统服务的详尽描述，因此只将特定类型的生态空间与在供给上具有突出贡献的生态系统服务判断为具有相关关系，判断结果见表1。

表1 苏嘉湖地区关键生态系统服务与生态空间的相关性和存在性

在判断过程中，考虑到研究区域内草地和湿地大多分布在远离城镇的郊区、河岸、海岸和山林地，且总面积较小，因此判断它们在提供地方气候调节尤其是对城市内热环境调节服务的贡献不大。此外，受限于数据与制图精度(15m×15m栅格)，面积小于144m2及平均宽度在50m以下的细小、低等级河流及其所显著提供的生态系统服务在本文研究尺度上未涉及。

3 生态系统服务评估与空间识别方法

3.1 单项生态系统服务评估

表2展示了5种关键生态系统服务评估的具体指标与方法。根据评价结果的数据特征，利用自然断点法对数据进行等级划分，形成生态系统服务供给的5个等级：低能力、较低能力、中等能力、较高能力、高能力，分别赋值1～5。将等级值转入ArcGIS，对5个单项生态系统服务空间分布进行图示化表达。

1)生物多样性维持服务。以栖息地质量指数作为评价该服务的代理[16-17]。对于林地和草地，以斑块面积、重点保护植被类型所占比例、与公路距离和斑块内人口密度作为综合代理评价指标。对于湿地、河流和湖塘，以水体面积、水生物种丰富度、与公路及城镇距离作为综合代理评价指标。

2)洪水调节服务。通过湿地土壤蓄水和地表蓄水构建湿地洪水调蓄功能评价模型[18]，基于河流水位绝对变幅与河流面积间的数量关系建立河流水量调节功能评价模型[19]，基于湖塘可调蓄水量与湖面面积间的数量关系构建湖塘洪水调蓄功能评价模型[20]。通过计算河流两岸50m缓冲区位于各个林地和未利用地斑块的面积占总缓冲区面积的比率，评价林地和未利用地疏导洪峰水量、削减并滞后洪峰的能力[21]。

3)地方气候调节服务。以森林的碳汇能力作为林地提供该服务的代理，构建森林碳汇能力测度模型[14，21]。基于水体面积、水体形状复杂度对其降温效果的影响作用构建水体温度调节指数[22]，并以湖泊面积、湖泊形状复杂度(周长面积比)作为综合代理指标对湖泊的温度调节能力进行评价。

4)水体净化服务。对于林地和草地，构建陆地生态系统截污能力指数，以斑块面积、坡度、植被密度、土壤渗透能力作为综合替代评价指标[23]。对于水生态系统，将氮净化量作为评价水体提供该服务的代理[14]。

5)游憩与旅游服务。将游憩服务量化为林地面积及湿地和湖泊周长，以及提供的游憩机会、到人口聚集区(乡镇市政府)和主要道路(高速公路、省道)的距离这几个指标的函数[24]，对其提供服务的能力进行评价(表2)。

表2 5个关键生态系统服务评价的指标及方法

3.2 基于生态空间多重生态系统服务能力指数的评估

复杂的生态系统建立在无数相互作用的基础上，其结果往往大于各个独立景观组成部分的总和[25]。对于提供多重生态系统服务的生态空间来说，这种现象可以解释为由生态系统服务间的协同关系带来的并发性增强效果[26]。因此本文假设：某一生态空间提供多重彼此协同的生态系统服务的能力，要高于该空间中各独立生态系统服务供给的简单叠加。基于这一假设，构建了用以描述生态空间提供彼此协同的多重生态系统服务综合能力的新指数：多重生态系统服务能力指数(MESC指数)。使用斯皮尔曼等级相关分析确认每种生态空间提供的生态系统服务之间的两两关系是否属于协同作用[26]。若相关系数为正且显著，则2种服务间存在协同关系；否则这2种服务间不存在协同关系。数据统计分析在SPSS 18.0中进行，统计检验均以0.01为水平进行统计学处理。

假设某类生态空间MESC指数(0.0～5.0分)的函数有如下形式：

其中，N是生态空间提供的生态系统服务个数；i是生态系统服务编号(表1)；x是生态空间提供的某项生态系统服务的等级分值(0～5分)；ω1x1是单项生态系统服务对MESC指数的贡献；ωi是单项生态系统服务的贡献权重，假设所有独立的生态系统服务对MESC指数的影响是一样的，取：

所有权重加和为1。γ是比例因子，假设一个生态空间提供的生态系统服务数量(N)越多，该空间MESC指数越高，取：

3.3 基于空间聚类分析的生态空间优先级识别

利用ArcGIS软件的工具箱中“聚类分布制图”工具的“分组分析”功能，并选择基于k均值算法的“无空间约束”，通过执行一个分类过程查找数据中存在的自然聚类，各聚类中要素的相似性由各个生态空间MESC指数的高低决定。通过寻找使每个组中所有要素都尽可能相似，但各组之间尽可能不同的聚类划分结果，保证各组内生态空间的MESC指数处于同一个等级。为了确定最优的分组数量，使用轮廓测量检验了不同分组结果的好坏[27]。检验结果表明6个集群的分类效果最佳。由此得到生态空间的6个等级，构成生态空间的优先级体系。

4 基于多重生态系统服务能力指数的优先级体系识别

4.1 苏嘉湖地区单项生态系统服务能力评估

苏嘉湖地区5个关键生态系统服务的空间分布如图2。生物多样性维持服务的高供给主要集中于太湖、南部和西南部山林地、阳澄湖以及研究区域内长江的西段和中段，这是因为这些片区生态斑块面积较大，且相对远离人口密集的城镇生活区。

图2 苏嘉湖地区5个关键生态系统服务的空间分布图

对于洪水调节服务来说，太湖、长江和钱塘江3处水体是研究区域内调节水量的主要水体生态空间；西南部的2片山林地由于覆盖了较大面积的洪泛区(河流两岸50m缓冲区)而承担了主要的水量疏导与径流拦截等功能。

对于地方气候调节服务来说，太湖、阳澄湖、澄湖和昆承湖等一系列位于城市内部和城郊的水体表现出对城市地表温度较好的降温效果；南部和西南部的大片林地由于固碳能力较强，而对地方气候调节具有较大的贡献。

水体净化服务的高供给主要集中于太湖、长江中段和东段、钱塘江以及位于东南部的滨海湿地这些具有较高自净能力的水体生态空间，以及由于地处南部和西南部山地陡坡而具有较强拦截与吸附功能的大片林地和草地空间。

游憩与旅游服务的高供给片区是太湖、南部和西南部山林地，这主要由于较大的生态空间面积提供了更多的游憩机会；阳澄湖、昆承湖、澄湖、太湖东岸的成片圩区、长江滨江湿地以及位于东南部的滨海湿地等片区，由于较高的可达性和更多得到造访与使用的机会，从而成为城市内部和城郊具有较高游憩与旅游服务供给的区域。

4.2 苏嘉湖地区多重生态系统服务能力指数评估

对各个生态空间提供的成对生态系统服务进行斯皮尔曼等级检验，结果显示：30个生态系统服务对均呈显著正相关(p＜0.01)。说明各生态用地提供的生态系统服务间具有协同效应，彼此间会产生加强和促进而非相互削弱的作用。苏嘉湖地区各类生态空间MESC指数的空间分布如图3所示。

图3 苏嘉湖地区生态空间MESC指数的空间分布图

所有生态空间中，林地和湖塘的MESC指数总体水平最高，范围分别为0.8～5.0和1.0～5.0分。这是因为林地和湖塘提供了最多的生态系统服务类型(5类)，而具有多功能生态系统服务的区域更趋向于稳定提供更高价值的生态系统服务[28]。

草地和未利用地的MESC指数总体水平最低，范围分别为0.4～2.0和0.0～0.6分。这主要是因为研究区域内的草地规模较小且格局破碎，而未利用地是由植被覆盖度很低的裸土地和裸岩石砾地组成的。并且这2类生态空间提供生态系统服务的类型最少(分别为2类和1类)、多样性最低，因此由协同作用带来的共同增强效果较弱，并表现为整体生态价值的低水平。

此外，湿地和河流的MESC指数处于中等水平，范围分别为0.8～4.0和0.6～3.0分。MESC指数最高的湿地位于太湖南岸沿岸及长江中端南侧沿江(3.2～4.0分)，MESC指数最高的河流是太湖东岸与太湖相连的太浦河(3.0分)。其他零散分布于研究区域各处的湿地和河流的MESC指数处于中等偏低水平，这与它们面积较小、布局分散且与干扰源较近等因素有关。

4.3 生态空间优先级体系的识别与划分

聚类分析将研究区域内的生态斑块划分为六级(图4)，并根据各等级内生态空间MESC指数的高低及其主要生态功能命名这6个等级。使用花瓣图表征了各个等级上生态空间提供各单项生态系统服务的平均等级值(0～5分，图4)。

图4 苏嘉湖地区生态空间优先级体系(六级)

一级生态空间：大型生态保护地。该等级占研究区域生态空间总面积的56.49%，MESC指数总体水平最高，包含很多大型且完整的生态空间，应受到重点保护。这一等级生态空间提供游憩与旅游服务能力非常高，其中包含太湖风景名胜区、莫干山旅游度假区等旅游景点，为人们提供了丰富的娱乐、自然教育和审美等机会。有必要针对这些空间制定科学有效的文化与景观遗产管理政策和保护措施。

二级生态空间：核心生态保护地。该等级占研究区域生态空间总面积20.50%，为区域提供重要的生态系统服务，尤其是水体净化和游憩与旅游服务。在功能上是一级生态空间的补充，并且能为其分散一定的需求压力。有必要实施相应的生态保护与恢复措施，以维持其较高的生态系统服务供给水平。

三级生态空间：重要生态核心。该等级占研究区域生态空间总面积13.24%。三级生态空间作为一、二级生态空间和非生态空间的过渡起到缓冲作用。有必要实施相应生态更新和景观改善措施，保证斑块完整性并进一步提高生态系统服务能力。

四级生态空间：生态踏脚石与小型生态廊道。该等级占研究区域生态空间总面积5.15%，相较于前3个等级，各生态空间规模很小。但由于包括众多彼此邻近的生态斑块和小型河流，因此在局部呈现出较好的连通性。通过整合邻近的低等级小型生态空间，能够在大型生态斑块之间形成连通性良好的空间体系，从而加强各级生态空间的联系，更好地承担生态通道的功能。

五级生态空间：生态空间单元。该等级占研究区域生态空间总面积3.27%，生态斑块规模更小，围绕中型生态斑块及小型廊道两侧分布，呈现小集中、大分散的空间格局，因此在局部具有形成小型生态廊道的潜力；再通过与临近四级生态空间的合并，进一步完善由小型生态空间形成的空间体系。

六级生态空间：零散生态空间。该等级占研究区域生态空间总面积1.08%，生态斑块规模最小且布局零散，在市域尺度上很容易被忽视或遗弃。因此需要通过局部尺度上的空间连接和整合，将它们并入与之邻近的四/五级优先空间中，成为生态踏脚石体系和局部网络格局的补充与完善。

5 结论与讨论

研究基于对多重生态系统服务能力指数的评价与制图，识别了苏嘉湖地区6种生态空间提供5种关键生态系统服务的优先级，方法包括以下主要步骤：生态系统服务供给空间识别，单项及多重生态系统服务能力指数评价与制图，以及基于评价结果的生态空间优先级识别。结果表明：湖塘和林地是研究区域内生态系统服务供给总体水平最高的生态空间类型。通过聚类分析将研究区域的生态空间分为6个等级：作为大型生态保护地的一级生态空间，作为核心生态保护地的二级生态空间，作为生态缓冲区的三级生态空间，以及具有生态踏脚石潜力，可被统整为小型生态空间体系的四、五、六级生态空间。

本文设计并构建的多重生态系统服务能力指数是一种符合生态系统论的具有创新性的模拟评价方法，它并非是对生态空间综合供给能力的准确描述，但概括了一个生态空间提供的多重生态系统服务的复杂性和多个指标。这一指数适用于对彼此间具有协同作用的多重生态系统服务的总体水平进行耦合评价，并提供了根据单项服务评价结果给出生态空间服务综合能力的计算框架。在服务间存在显著协同作用的情况下，其评价结果要优于简单对各项服务进行加和，其优越性主要来自以下假设。1)同一地块内多个存在协同关系的生态系统服务的总体效果要强于各个独立生态系统服务作用的简单叠加，这是由于生态系统服务间的协同作用使它们在共存时具有彼此增强的趋势[29]，并在理想情况下产生互惠结果，从而实现多功能景观。2)当同一类型的生态空间提供的生态系统服务数量一致，且各独立生态系统服务等级值总和一定时，各项服务等级值相差更小的生态空间提供服务的MESC指数更高。Zhong等[30]构建的生态系统服务协同与权衡强度评价模型表明了相似观点，该模型利用点到直线距离表示生态系统服务对的关系：距离越小，也就是2个生态系统服务评价的数值越接近，就表明这它们之间的协同关系越强，共存时彼此间相互加强的倾向越大。3)生态空间提供的生态系统服务类型越多，该空间的MESC指数倾向于越高，这体现在比例因子的设置上[公式(4)]。这与Liu等[28]的研究结论相符，即具有多种生态功能的区域能稳定提供更高价值的生态系统服务。因此，本研究中MESC指数最高的生态斑块出现于被预先判定为提供5种关键生态系统服务的林地和湖塘当中，而这也是简单将生态空间各项服务等级值相加的结果所体现不出的效果。

本研究的方法表现出以下局限性。首先，生态空间的优先级是从生态系统服务供给的角度识别的，人类的生态需求在空间上的耦合需要进一步考虑。其次，在生态廊道、生态节点等景观生态组成方面的考虑不足，尚未回应构建生态网络过程中完整的网络结构这一需求。因此，如何确定生态廊道与生态节点，以及如何结合研究区域实际的规划发展需求对现有生态空间优先级进行结构性修正与整合是下一步研究的方向。最后，这一方法仅适用于存在协同效应的多重生态系统服务的耦合评价。虽然生态系统服务间的显著协同关系十分普遍[29]，但权衡作用及其效应在评价中同样应予以关注。对于彼此间具有权衡关系的生态系统服务的综合评价方法与模型仍需进一步探索。

注：文中图片均由作者绘制。