基于生态系统服务供需匹配与耦合协调的生态管理分区<br/>——以大连市为例

基于生态系统服务供需匹配与耦合协调的生态管理分区
——以大连市为例

2021-12-12韩增林刘澄浩闫晓露李欣媛王学哲

生态学报 2021年22期

韩增林,刘澄浩,闫晓露,4,*,李欣媛,王学哲

1 教育部人文社科重点研究基地,海洋经济与可持续发展研究中心,大连 116029 2 辽宁师范大学海洋可持续发展研究院,大连 116029 3 辽宁师范大学地理科学学院,大连 116029 4 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海 200241

生态系统服务是人类生存和发展的基础[1]。然而,自工业革命以来,人类活动对人类赖以生存和发展的自然环境造成了严重破坏。世界上超过60%的生态系统服务正在退化[2],而且这些生态系统服务的丧失正变得越来越明显,深刻影响了人类福祉以及自然-社会-经济系统可持续发展,主要原因之一是缺乏对生态系统服务的有效管理[3]。生态管理分区是生态修复和国土空间规划的重要依据,为提高人福祉和实现生态系统可持续发展提供了途径[4]。正确理解生态系统服务供需关系是实施生态系统服务有效管理的前提条件,有助于改善人类福祉[5]。人类福祉包括经济和社会福利,其依赖于对生态系统服务的消费,这将会导致生态系统服务供需之间的不平衡。由于自然资源禀赋和社会经济因素的差异,区域生态系统服务供需存在时空差异[6],生态系统服务供需的时空变化识别面临挑战。如何识别和表征供需关系是分析供需空间特征的关键问题,同时,基于供需关系的生态系统服务的空间可视化也是将生态系统服务概念纳入生态系统管理决策和实施过程中的关键步骤。

随着生态系统服务研究的不断深入,越来越多的学者尝试从生态系统服务的角度来探讨生态管理分区,主要集中在生态系统功能[7-8]、生态系统服务价值[9- 11]和生态系统服务簇[12-13]等,生态系统服务作为生态系统与社会经济系统之间的桥梁,其状态不仅受生态系统结构和功能的影响,还受社会经济系统的影响[14]。利益相关者的经济活动对生态系统服务产生了巨大需求,生态系统服务供需状态的变化使得政策制定者开始权衡相关宏观政策目标并开展生态系统服务供需关系的定量定性评价,通过划分不同的生态管理区进行管控,以提高人类福祉。而区域的生态管理同样会影响生态系统结构与功能,进而影响到生态系统服务供需关系[15],生态系统服务供需关系与生态管理分区二者相辅相成。然而,基于生态系统服务供需关系的生态管理分区研究仍然较少,综合考虑生态系统的供给和利益相关者的需求进行生态系统服务管理,对促进生态系统和社会经济的可持续发展有重要意义。

生态系统服务中的供需关系分析有助于为环境管理提供信息[16]。目前,关于生态系统服务供需关系的研究主要集中在以下方面：①探讨生态系统服务供需间权衡/负相关关系[3,17]；②生态系统服务流[18-19]；③从数量均衡与空间分布格局等方面量化生态系统服务供需不匹配/不平衡关系[20- 22]等。这些研究丰富了生态系统服务供需关系评估体系,反映出了生态系统服务供应状态及供给转化情况。然而,这些研究在表征生态系统服务可承载状态的同时,他们可能忽略了生态系统服务供需发展是否和谐一致和良性循环。生态系统服务供需耦合协调关系是衡量生态系统服务供需两系统间一致性和良性互动的一种方法,可以反映生态系统服务供需由无序走向有序的趋势[4,23],反映出生态系统服务可持续性状态。因此,在进行生态管理分区时有必要综合考虑生态系统服务供需耦合协调和匹配关系,有助于真实反映生态系统服务状态并为生态系统服务的有效管理提供有效信息。此外,空间尺度上的生态系统服务供需关系研究集中在市域[2]、县域[15,19,24]、流域[21]等大中尺度,格网等小尺度较少,而精细化的空间尺度更有利于实现土地精细化管理的目标[25]。

沿海地区是由海洋和内陆共同形成的区域,人类经济活动频繁,生态环境相对脆弱[2]。改革开放以来,我国沿海地区经济迅速发展,特别是沿海开放城市。大连作为我国首批对外开放的沿海城市之一,其产业发展以石油化工、船舶制造等重型工业为主,具有路径依赖性。尽管以重型工业为基础的经济模式对城市化加速和人类福祉做出了巨大贡献,却也催生了许多生态问题,如：城市用地挤占生态用地、近海工业污染、水土流失等,陆、海生态系统提供服务的能力降低,难以满足日益增长的人类需求,人地关系紧张。因此,大连市亟待统筹陆海,厘清生态系统服务供需关系,构建陆海统筹的生态管理分区。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

大连市位于辽东半岛南端,地处120°98′—123°52′E、38°73′—40°22′N之间,西临渤海,东临黄海(图1),是中国重要的港口城市之一。属温带季风气候又兼具海洋性气候特征,地势呈现中心轴以东北-西南高、西北-东南低的特点,丘陵、山地、平原、滨海等地貌多样。区域内林地、湿地、自然保护区等资源丰富,是重要的生态区位,蕴含多种生态系统服务。气候、地势、地貌等的空间异质性导致大连市各区域生态环境的不同。截至2015年末,大连市下辖中山区、西岗区、沙河口区、甘井子区(为便于研究,将该四区合称为大连市区)、旅顺口区、金州区、普兰店区、庄河市和长海县。其中,大连市区是主要的人口集中地和经济发展地,其他区域相对较缓,区域不同的社会经济发展现状直接影响了生态系统服务需求的空间分布。

1.2 数据来源与处理

研究中使用的基础数据主要包括2015年土地利用、土壤、数字高程(Digital Elevation Model,DEM)、气象、归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)、社会经济等数据。其中,土地利用数据基于遥感影像解译所得,根据研究需要,大连市土地利用类型化为9类：林地、耕地、湿地、草地、水体、海洋、水产养殖及盐田、建设用地和其它用地,空间分辨率30 m,经检验Kappa指数为0.81,结果可靠；土壤数据来自寒区旱区科学数据中心网站(http://westdc.westgis.ac.cn/)基于世界土壤数据库中国土壤数据集(V1.1),包括粉砂、粘粒、沙粒和有机碳含量,经ArcGIS 10.2重采样为30 m空间分辨率；DEM数据来源于美国国家航空航天局网站(http://reverb.echo.nasa.gov/)ASTEM GDEM V2数据集,空间分辨率30 m；气象数据来自中国气象数据网站(http://data.cma.cn/)中国地面气候资料月值数据集,选取大连及邻近地区12个气象站点的降雨量、地表净辐射、平均温度和2 m处风速等数据,经ArcGIS 10.2反距离权重法空间插值得到空间分辨率30 m的气象栅格数据；NDVI数据来源于美国航空航天局网站MODIS13Q1数据集的16 d合成产品,经ArcGIS 10.2最大值合成2015年NDVI栅格数据,重采样为30 m；社会经济数据来源于《大连市统计年鉴》和《全国农产品成本收益资料汇编》。

2 研究方法

2.1 生态系统服务供需测算

基于千年生态系统评估对生态系统服务的分类,综合考虑大连市生态系统结构、社会经济条件以及数据的可获取性,选取6种典型生态系统服务：食物供给、固碳释氧、水源涵养、土壤保持、生境维持和美学景观。目前,有关生态系统服务供给测算的方法主要有模型法[16-17,19]、专家经验判别法[4,15,21]、能值法[26]和价值法[27]四种。价值法以生态经济学为理论基础采用货币评估生态系统服务供给,该方法虽然存在争议,但能粗略估计[28],而且可以反映区域生态保护成效,提高相关者的重视程度,为政策制定者提供科学依据。模型法不受限于时空尺度[29],弥补了部分指标非精细化缺陷。因此,本文选择以价值法为主,辅以模型法测算生态系统服务供给(表1),得到单位面积生态系统服务供给,则2015年大连市生态系统服务供给总量计算公式如下：

(1)

式中,ESS为大连市生态系统服务供给(元)；A为栅格面积(hm2)；Si为第i种生态系统服务类型的供给量(元/hm2),S1—S6分别代表食物供给、水源涵养服务供给、固碳释氧服务供给、土壤保持服务供给、生境维持服务供给、美学景观服务供给。

生态系统服务需求是人类对生态系统提供服务的数量及质量的偏好,包括已满足和未满足的部分[38]。其反映了人类活动干扰的程度,不同的经济社会发展状况对生态系统服务需求不同。目前,国内外学者采用的生态系统服务需求量化方法主要包括两种：(1)从认知的角度,采用调查问卷的方式[17,39],但该方法受限于受访者对生态系统服务了解程度；(2)指标法[40-41],如彭建等选取建设用地占比、人口密度和地均GDP三个社会经济指标核算了广东省生态系统服务需求[40],该指标体系由于计算简便得到国内学者广泛应用[2-3,15,27]。其中,建设用地占比仅能反映出区域内建设用地对生态系统服务影响,而忽视了人类干扰活动同样较强的耕地、水产养殖等土地利用类型,面对同一区域内可能存在多种土地利用类型,以及各占不同面积比重,可以将不同的土地利用类型归属于不同土地利用强度下[42],故本文采用土地综合利用强度指数代替建设用地占比。土地综合利用强度指数直接反映了人们对不同土地资源利用的差异,值越高,生态系统服务需求越高。人口密度可以直接反映生态系统服务的需求。地均GDP即国内生产总值密度,反映了地区发达程度,可以间接体现人类对生态系统服务的需求。由于大连市地均GDP和人口密度的地区极端化较严重,因此采用统计学中取自然对数方法减缓剧烈波动带来的影响。

表1 生态系统服务供给测评指标

ESD=LDI×lnP×lnG

(2)

(3)

式中,ESD为生态系统服务需求；P为人口密度(人/km2)；G为地均GDP(元/km2)；LDI为土地综合利用强度指数；Pi为研究区内第i级土地利用强度(i=1,2,3,4,5)[37]；Qi为研究区第i级土地利用类型所占面积百分比；n为研究区土地利用强度分级数。

2.2 生态系统服务供需耦合协调和匹配分析

本研究以网格为研究单元探讨大连生态系统服务供需匹配和耦合协调关系,结合研究区大小及实际研究结果,利用渔网工具(Fishnet)创建1 km×1 km的格网。对基于以上方法量化得到的大连市生态系统服务供给量和需求量分别进行z-score标准化(式4),以标准化后的需求量为X轴,标准化后供给量为Y轴构建二维坐标系,各格网的标准化需求、供给值构成(x,y)坐标点,得到4类供需匹配类型：高供给-高需求、高供给-低需求、低供给-低需求和低供给-高需求依次对应第一至四象限。

(4)

为消除供需量纲影响,对原始供给量和需求量进行极差标准化(式5),将极差标准化后的结果进行生态系统服务供需耦合协调关系分析。耦合协调度模型在探讨生态系统生产总值-经济发展[33]、经济-社会-环境[43]、生产-生活-生态[44]等系统间耦合协调关系取得广泛应用。因此,本文引入耦合协调度模型表征生态系统服务供给和需求两系统之间的耦合协调关系(式6),反映二者之间彼此和谐一致的程度。

(5)

(6)

(7)

T=α×XS+β×XD

(8)

式中,X为极差标准化后的生态系统服务供给量或需求量；xi为第i个网格供给量或需求量；xmax为全市最大值；xmin为全市最小值；D为供需耦合协调度,D∈[0,1],D越大说明供需协调性越好；C为耦合度；T为供需综合协调指数；XS表示供给量；XD表示需求量；α、β为待定系数,由于生态系统服务供给与需求同等重要,故取α=β=0.5。采用等分法,并结合大连市实际发展情况,将生态系统服务供需耦合协调度划分为以下8个区间：①D∈[0,0.2],表明供需处于严重失调；②D∈(0.2,0.3],表明供需处于中度失调；③D∈(0.3,0.4],表明供需处于轻度失调；④D∈(0.4,0.5],表明供需处于濒临失调；⑤D∈(0.5,0.6],表明供需处于基本协调；⑥D∈(0.6,0.7],表明供需处于轻度协调；⑦D∈(0.7,0.8],表明供需处于中度协调；⑧D∈(0.8,1],表明供需处于良好协调。

3 结果与分析

3.1 大连生态系统服务供给空间特征分析

2015年大连市生态系统服务供给为469.6757亿元(表2),从各土地利用类型来看,生态系统服务供给能力最强的为林地和耕地,二者供给能力约占总供给的76%,其它用地最低。空间上,供给高值主要分布在植被覆盖率高和近海地区(图2),这里生态本底良好,生物多样；供给低值主要分布在城镇区,区域内多建设用地,人口密度大,人类活动频繁。从各生态系统服务来看,其供给能力呈现固碳释氧>美学景观>食物供给>水源涵养>生境维持>土壤保持的排列,此外,各生态系统服务供给均存在明显空间异质性。其中,食物供给741.8457万t,经济价值98.2449亿元,其高值区主要分布于水产养殖和耕地,区域内农、渔业发达；研究区南北部的食物供给较低,土地利用类型主要为建设用地和林地。水源涵养量6.8705亿m3,经济价值52.9807亿元,其高值区分布于研究区北部,林地水源涵养服务供给最高,达29.6581亿元；低值主要分布在湿地和海洋,主要是由于研究区内湿地包含滩涂和沼泽,面积不足研究区1%。固碳释氧量2.4580亿t,经济价值149.1921亿元,土壤保持量24.2300亿t,经济价值24.6514亿元,二者空间分布类似,与研究区地形关系较为密切,呈现南北向中部倾斜格局。生境质量指数平均0.65,生境维持经济价值42.8192亿元,美学景观经济价值101.7874亿元,二者空间分布相似,与土地利用类型分布联系密切,林地表现能力最强,耕地次之,建设用地生境维持和美学景观服务供给均为0。

表2 2015年大连市各土地利用类型生态系统服务供给/1×108元

图2 大连市各生态系统服务供给Fig.2 Distribution of ecosystem services supply in Dalian

3.2 大连生态系统服务需求空间特征分析

大连市生态系统服务需求具有显著的空间异质性(图3),由于人口密度、土地利用综合强度以及地均GDP的空间分布均呈现出高值向主城区集中的趋势,使得生态系统服务需求向主城区集中,大连市区最为明显,高达65848.4。从具体指标来看,人口密度和经济密度的空间分布相似,呈现南高北低、内陆向沿海倾斜的空间格局,北部地广人稀,受山地地形等影响,经济发展较低,对生态系统服务需求较低；南部是大连市经济中心,建设面积广阔,人类干扰活动程度较高,对生态系统服务需求高；东西近海区域水产养殖业发达,陆地稀疏,多为渔民居住,人口稀疏,生态系统服务需求低。土地需求方面,研究区内林地、水体、湿地的土地利用综合强度最低,集中分布在大连北部,而中部平原地区土地利用强度较高,其中,建设用地最高、耕地次之,分布广泛。

图3 大连市生态系统服务需求Fig.3 Demand for ecosystem services in Dalian

3.3 大连生态系统服务供需空间耦合协调和匹配分析

2015年大连市生态系统服务供需耦合协调度取值范围为0—0.70,平均值为0.38,表现为轻度失调。从空间分布来看,大连市生态系统服务供需耦合协调度的空间差异明显(图4),呈现内陆向沿海倾斜的空间格局。其中,生态系统服务供需严重失调和中度失调的区域集中分布在东西部沿海,共占研究区总面积的17%；表现为轻度失调的区域与建设用地空间分布较为一致,占比20%；濒临失调的区域占比51%,分布广泛；基本协调的区域与耕地(主要为旱地)的空间分布相似,占比12%,主要原因在于耕地一方面受人类干扰程度较高,另一方面具有较强的生态系统服务供给能力(表2)。

2015年大连市生态系统服务供需的象限匹配如图5所示,经统计得到：高供给-低需求区域约占大连市面积的36%,低供给-高需求区域约占40%,二者比重最大,而高供给-高需求和低供给-低需求分别仅占9%和15%,说明生态系统服务供给和需求之间的不匹配现象突出。从空间分异来看,高供给-低需求区域主要分布在研究区东西部沿海和南北山地,是大连重要的生态屏障,区域内森林和水资源丰富,林、渔业发达,生态系统服务供给高。同时,受地形地貌影响,人类干扰活动较小,生态系统服务的需求较低。低供给-高需求区域主要分布内陆地势平坦地区,土地利用类型以耕地和建设用地为主,区域内的人类活动频繁,生态系统服务的需求较高,但由于缺乏生态系统服务能力较高的林地等土地利用类型,使得生态系统服务的供给较低。高供给-高需求和低供给-低需求分布零散,主要处于前两者类型的过渡地带。

图4 大连市生态系统服务供需关系空间分布Fig.4 Spatial distribution of ecosystem service supply-demand relations in Dalian

图5 大连市生态系统服务供需象限图 Fig.5 Quadrant map of ecosystem services supply-demand in Dalian

3.4 大连生态管理分区与管控

综上分析可知,大连生态系统服务供需状况空间差异明显,为实现区域可持续发展目标,有必要进行分区管理。通过供需耦合协调和匹配关系叠加分析,并结合《大连市城镇体系规划(2018—2035年)》(以下简称《规划》)和大连市经济地理条件,从区域统筹发展与生态管理角度对大连市进行国土生态管理分区,共分为四大区域：生态涵养区、生态农业区、生态一般保护区及生态改良区(图6)。

图6 大连市生态管理分区Fig.6 Zoning of ecological management in Dalian

(1)生态涵养区主要包括研究区南北部山地,是大连主要的生态屏障,区域内自然保护区、森林公园和水库等资源丰富,良好的生态本底使得生态系统服务供给高,是生态系统服务的主供给地,以调节服务和支持服务为主。生态系统服务供需匹配类型以高供给-低需求和高供给-高需求为主,生态系统服务供需耦合协调关系表现为轻度失调至基本协调。因此,该区的管理方向可以为：以保育为主,限制开发。一方面,注重林木的种植和培育,提高森林覆盖率,保护区域内生物多样性,充分发挥生态功能屏障的作用；另一方面,借助其良好的生态优势,适度开发旅游资源等,发展生态文化产业,形成生态本底好经济基础不断提升的新格局。

(2)生态农业区主要包括研究区西部和中东部,是大连粮食主产区,土地利用类型以耕地和水产养殖为主。区域内地势平坦,水土条件优良,农牧渔业发达,人类活动干扰强度相对较大,单位面积生态系统服务供给仅次于生态涵养区。生态系统服务供需匹配类型主要为低供给-高需求和高供给-高需求,生态系统服务供需耦合协调关系表现为基本协调。因此,该区要以生态保护和生态建设为主,提高其投入产出效率。一方面,在保证粮食安全的前提下适当退耕还林还草,提升农牧业生产技术,减少药物和肥料的使用,提高农、畜牧等产出品单产,进而提升生态系统服务的供给能力；另一方面,发展生态农业,如：大连中北部借助耕地和林地资源发展有机农产品生态田园,东西沿海借助湿地和海洋资源建设休闲娱乐型海洋牧场等,提升其休闲娱乐服务,提高土地利用产出效益。

(3)生态一般保护区主要分布在黄、渤海沿岸,山、海、岛地貌丰富,区内功能复合、文化多元。生态系统服务供需匹配类型以低供给-高需求为主,生态系统服务供需协调度呈现濒临失调至基本协调状况。因此,区域内生态管理方向可以为：综合保护为主,提高生态溢出效应。一方面,保护生态环境,遵循绿色低碳循环发展的理念；另一方面,促进产业集群发展,创建新的经济增长极。特别是沿海地区,应加强海洋生态环境保护,将海岸线资源优势转为经济优势,促进产业集群发展带动人口集聚。其中,位于渤海沿岸的长兴岛经济技术开发区拥有优良的建港条件,应积极发展临港物流业；位于黄海沿岸的花园口经济区是国家新材料高技术产业基地,应积极发展生物、新能源等战略性新兴产业。

(4)生态改良区主要分布在各区县中心城区,区域内植被覆盖度较低,人口密度大,人类活动频繁,是主要的产业集群地。生态系统服务供需匹配类型以低供给-高需求为主,生态系统服务供需协调度呈现轻度失调至中度失调状况,人地矛盾和生态问题突出。因此,区域内发展应以生态改良为主,综合改善生态系统服务水平。一方面,重视土地整治,优化产业结构,发展绿色经济；另一方面,大连市区是多种产业的中心,可以借助外部生态一般保护区的优势,适当中心北移,缓解人地矛盾问题。

4 结论与讨论

4.1 讨论

2015年大连市生态系统服务供需空间分异结果显示,生态系统服务供需呈现北部林地和东西部沿海生态系统服务供给高、需求低,中南内陆城镇区生态系统服务供给低、需求高的空间格局,原因之一在于资源禀赋的差异。据统计,2015年大连市林地面积4331 km2,占全市的32%,但1/2以上的林地资源集中在北部山地,而北部山地平均人口密度不足300人/km2。大连市建设用地面积2063 km2,占全市的15%,其中1/5集中分布在大连市区北部和金州区南部,该区人口密度超过2000人/km2,最高达24746人/km2,地均GDP高达1.2—46.7万元/km2。这表明大连市生态系统服务供需存在严重的空间不平衡。其次,经济空间布局是导致生态系统服务供需空间不平衡原因之一。《规划》指出要建设“一核两区七组团多节点”的城乡空间结构,结合上述分析可知,该地生态系统服务供给普遍较低。此外,大连市临港产业分布与此结构类似,集中分布在黄渤海沿岸,产业以装备制造业等第二产业为主,能耗大、污染大,产业结构可能对生态系统服务供需空间不平衡有一定影响,未来尚需探究产业结构是否及如何影响了生态系统服务供需关系。

生态系统服务供需匹配表明二者在量上一致,生态系统服务供需协调发展表明二者在质上和谐一致,城市发展需要维持现状或向高质量方向调整；反之,当生态系统服务供需出现不匹配或失调的情况下,城市的生态、生产和生活空间承受较大的压力或具有富余发展空间,城市需要对三生空间有效利用与管控,针对不同的供需模式采取对应的规划策略,其中生态管理分区是基于生态系统服务供需双重影响下合理规划的重要方法。研究发现各区县中心城区和东西近海普遍存在生态系统服务供需的不匹配和不协调。由于空间局限,中心城区难以直接进行改变,这就需要适当中心外移,创造新的增长极,缓解中心城区生态系统服务赤字压力。东西近海用地类型以水产养殖及盐田为主,具有较强的食物供给能力,呈现生态系统服务盈余状态,沿海生态系统服务对分区产生了较大影响。因此,按照陆地国土空间与海洋国土空间相统一的要求,需要提高沿海与内陆的连通性,增强城市外围生态系统的供应向中心辐射能力,既满足城市生态系统服务的需求,又带动经济发展。《规划》指出要通过建设都市新区有效疏解都市极核发展的压力,进一步验证了生态管理分区的合理性。总体来看,本研究可为大连市生态保护规划、土地利用规划和城市发展规划提供有力支撑,有利于生态安全和人类福祉协调发展,也是将生态系统服务供需概念融入实践应用的有益探索。尽管研究采用可以反映区域内部差异的网格尺度,但是生态系统服务存在尺度效应,流域、行政单元边界可能存在供需差异,其与网格边界不匹配,因此多尺度下的生态系统服务供需关系差异还需进一步深入探讨,使生态管理分区更加系统和科学。