生态系统环境-文化服务耦合视角下的珠江河口区生态功能分区

吴隽宇 朱榴奕

20世纪以来，人类社会与自然环境的矛盾日益突出。自然环境是人类生存和发展的基础，如何协调人与自然的关系是实现人类文明社会可持续发展的核心[1]。人类社会和自然环境是2个庞大且复杂的系统，两者通过物质、体验、情感、认知和哲学多个维度建立了联系[2]，并在漫长的交互作用、相互影响中形成了不可分割的整体，产生了耦合效应。这种耦合包括了正面及负面的影响：一方面，能源消耗、工业化、城市化等高强度的人类活动对自然环境造成极大的破坏；另一方面，环保运动、政策干预可以使自然免受人类的过度开发[3]。只有正确把握人与自然之间的辩证关系，倡导保护自然的生态文明理念，才能建立人和自然的和谐统一。

生态系统服务是人类赖以生存和发展的基础，也是连接自然系统与人类福祉的桥梁。生态系统服务指的是人类从生态系统获取的所有惠益的统称，包括支持服务、供给服务、调节服务、文化服务[4]。前三者可通过生态过程直接为人类提供生态价值，如气候调节、生物多样性、粮食供给等，可统称为环境服务；而文化服务则是通过人的主观意愿和感受为人类间接提供社会价值，如审美、精神疗愈、科研教育等，可作为生态系统服务与人类福祉交互作用的重要表征[5]。总的来说，环境服务是量化生物物理过程的概念，体现了自然生态的属性，文化服务则将人的主观情感与偏好纳入评估框架中，体现了社会人文的属性，两者分别表征生态和社会的双重价值需求。

环境服务评估方法目前主要有当量因子法、InVEST、ARIES等，方法较为成熟，而文化服务则因其无形性、非消耗性、主观性等特点[6]，其评估水平整体落后于环境服务，这也是文化服务在生态系统服务管理和规划中常被忽视的原因[7]。随着新数据源如社交媒体、兴趣点（point of interest, POI）数据的出现，以及参与式制图方法的成熟，SoLVES、MaxEnt模型的应用为文化服务的系统、全面评估提供了可能。实际上，人们对于大自然的向往和追求与自然环境所提供的各种文化服务的承载能力之间存在着复杂的矛盾，因此了解和分析环境服务和文化服务之间的空间可视化耦合关系、识别环境-文化服务的冷热点地图有助于规划和管理者明确社会和生态价值层面的权衡和协同效应[8]，为生态保护规划和管理的优化提供新的视角。现有研究从社会-生态耦合的角度对生态系统服务进行探讨，如Alessa等通过参与式制图量化的感知生物价值叠加净初级生产力生成了社会-生态热点地图[9]，潘健峰等分别采用InVEST模型和SoLVES模型量化了生境质量和感知生物多样性2个指标，并引入耦合协调度模型探讨了生态系统服务中社会-生态功能的耦合程度[10]。但相关研究仍不全面，即表征社会和生态功能的指标不完善，且未对国土空间可持续规划产生具体的指导意义。

珠江河口区是粤港澳大湾区的核心区域，一方面高强度的城市建设对珠江河口的生态环境产生了极大的威胁，另一方面高密度的人群对城市生态系统所提供的文化服务功能提出了更高的要求，因此如何实现珠江河口区社会生态价值的一体化优化是该区可持续发展的重要课题。

鉴于此，本研究以珠江河口区为研究案例，采用InVEST模型和MaxEnt模型分别对多种环境服务和多种文化服务进行量化评估与空间制图，采用耦合协调度模型并结合热点分析，探讨环境服务和文化服务之间的空间耦合协调关系和集聚特征，提出基于环境-文化服务耦合视角下的珠江河口区生态管理分区和策略，为生态文明建设下国土空间可持续规划和管理提供参考依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

珠江河口位于粤港澳大湾区中南部，是中国三大河口三角洲之一。珠江河口承接西江、北江、东江等河流之水，由南部八大入海口汇入南海。珠江河口区是陆海相互作用形成的陆地区域，本研究范围为珠江河口区，即珠三角绿道网1、2、3号线在珠三角平原围合形成的河口区域，包括广州、深圳、东莞、中山、珠海5市的部分滨海区域以及香港、澳门2区，面积为4 207.63 km2（图1）。珠江河口区是粤港澳大湾区人口最集中、经济文化活动最活跃的区域，该区水网纵横，地势低平，海岛众多，自然资源丰富，历史文化底蕴深厚。

图1 研究区范围Scope of research area

1.2 研究方法

依据《生态保护红线划定指南》[11]、《广东省资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价技术指引（试行）》[12]等官方文件以及国家提出的“双碳”目标[13]，确定了环境服务的4个指标——生境质量、碳储存、水源供给、土壤保持；参考影响广泛的千年生态系统评估框架，选取了目前评估中最常见且最易理解的7个文化服务指标，各指标权重由熵值法确定（表1）。

表1 珠江河口区生态系统服务评估体系Tab.1 Evaluation system of ecosystem services in the Pearl River Estuary area

首先，本研究采用InVEST、MaxEnt模型对环境服务、文化服务进行评估，引入耦合协调度模型，探讨研究区环境服务和文化服务水平的相对高低和相互作用的协调程度；接着，通过环境服务和文化服务热点的叠加，了解两者的热（暖/冷）点的空间聚类的差异性，从而厘清环境服务和文化服务的空间耦合机制。

1.2.1 InVEST模型

InVEST模型是目前应用较为成熟的生态系统服务评估软件，可对多种环境服务进行评估，本研究采用该模型对研究区的生境质量、碳储存、水源供给、土壤保持进行空间制图，上述4个模块运行的原理见InVEST模型指导手册[14]。

1.2.2 MaxEnt模型

MaxEnt是根据最大熵理论和机器学习算法建立的一种概率模型，可根据已知事物分布和环境信息构建约束条件-特征函数，拟合最大熵并预测事物的潜在分布[15-16]，模型计算式[17]为：

式中：X为已知事物分布；Y为环境变量；n为训练样本数量；p（X,Y）为概率函数；H（X|Y）为训练样本的信息熵；X*为最大熵。

在模型参数设置中，一般随机选择75%的分布点为训练样本，另外25%的分布点则作为测试数据以验证训练样本的准确度。为提高预测精度，在模型运行过程中可选择重复运算25次。模型预测结果精度由受试者工作特征曲线下的面积（area under curve, AUC）表示，AUC取值范围为[0，1]，该值越高代表模拟结果越精确，一般情况下，AUC值大于0.7则视为结果有效[18]。

MaxEnt模型最早应用于物种分布预测，因其具有空间可视化的优势逐渐被用于评估文化服务。如2011年，基于MaxEnt模型开发的SoLVES模型就被认为是一种有效评估文化服务的工具，但SoLVES模型所需数据较MaxEnt模型更为复杂。MaxEnt模型相对灵活，仅需获取文化服务的已知分布点以及相应的环境变量数据即可实现对文化服务的可视化评估，且该方法的合理性和有效性已被多个学者证明[19-20]。采用MaxEnt结合大众点评数据进行文化服务评估，主要分以下3个步骤（图2）。

图2 MaxEnt结合大众点评数据进行文化服务评估的工作流程Workflow of cultural service evaluation by MaxEnt baesd on public comment data

1）获取文化服务分布点数据。可通过社交媒体[21]、POI[22]、参与式制图[23]等方法获取，其中POI提供的信息较难识别多种文化服务的分布点，而参与式制图适合城市公园、社区等小尺度区域，考虑到本研究需在大尺度上评估多个文化服务指标，故选择社交媒体中的大众点评景点/周边游频道的资源点作为文化服务分布点的数据。具体方法为：参考相关文献[24-25]，根据评论关键词确定各资源点能提供哪几种文化服务类型，所有具有某种文化服务的资源点的坐标位置即为该种文化服务的已知分布点，最后分别得到7种文化服务的分布数据。2）选取环境变量。根据文献资料以及田野调查，选取土地利用、高程、坡度、山体阴影、植被覆盖度、距水体距离、距道路距离、距海岸线距离、距食宿点距离共9个对文化服务分布存在影响的变量。为避免变量之间存在共线性而对结果产生影响，采用皮尔逊相关系数进行变量筛选。结果表明：所有环境变量相关系数均小于0.8，相关性不强，故全部予以保留用以建模。3）将7种文化服务分布数据与环境变量输入MaxEnt模型，输出7种文化服务的空间分布预测图。

1.2.3 耦合协调度模型

耦合协调度模型是基于物理学中耦合度的概念而建立的模型，能够判别各子系统的耦合相互作用或互馈关系的好坏[26]。引入该模型可以衡量研究区环境和文化服务功能交互耦合的协调程度，该模型的计算式为[27]：

式中：C为系统耦合度；f（a）和f（b）分别为环境服务和文化服务综合评价指数值；T为珠江河口区生态系统服务综合指数；权重α和β均取0.5，表明环境服务和文化服务2个子系统同样重要；D为耦合协调度，值越大，耦合协调程度就越高（表2）。

表2 研究区综合生态系统服务耦合协调类型特征[28]Tab.2 Characteristics of coupling and coordination types of integrated ecosystem services in the research area[28]

1.2.4 热点分析

热点分析（G*指数）可区分聚类高值和低值的热（暖/冷）点。为进一步揭示环境服务和文化服务空间聚类分布特征，本研究以100 m×100 m的网格为基本单位，使用G*指数分别对环境服务和文化服务进行热点分析，计算式为[9]：

式中：n为网格数量；wij是网格i、j之间的距离，即空间权重；xj是网格j的环境或文化服务值。

G*指数的统计意义可通过Z值和P值区分，参考其他研究[9,24]，以P＜0.1为标准，Z值处于（–∞，–1.65）为冷点，处于[–1.65，1.65]为暖点，处于（1.65，+∞）为热点。

1.3 数据来源

本研究的所有数据的选取时间点为2020年，需重采样的数据的空间分辨率为100 m×100 m，坐标系统一矫正为WGS_1984_UTM_Zone_49N投影坐标系（表3）。

表3 研究数据来源、精度和时间Tab.3 Data sources, accuracy and time

2 研究结果

2.1 环境服务评估结果

通过InVEST模型生成4个环境服务指标的空间分布图（图3），将归一化的指标结合权重生成综合环境服务空间分布图（图4）。由图可知，研究区综合环境服务呈现东南高、西北低的空间分布格局，环境服务较高的区域往往是林、草地等人类活动少的城市郊区，而环境服务较低的区域则位于地形平坦的沿海区域。河口沿海人类活动频繁、人口密度大，这与河口城市多沿海岸线发展有一定的关系。

图3 研究区4个环境服务指标空间分布Spatial distribution of four environmental services in the research area

图4 研究区综合环境服务空间分布Spatial distribution of comprehensive environmental ecosystem services in the research area

2.2 文化服务评估结果

采用MaxEnt模型生成7个文化服务指标的空间分布图（图5），每个指标输出的AUC值均高于0.7，说明评估结果有效。从环境变量的响应来看，距道路、食宿点距离等人为因素对文化服务存在距离衰减的规律，且较高程、坡度等自然因素对文化服务分布的影响更大。

图5 研究区7个文化服务指标空间分布Spatial distribution of seven cultural services in the research area

将归一化的指标结合权重生成综合文化服务空间分布图（图6）。由图可知，综合文化服务呈现外伶仃洋沿岸价值高、内陆价值低的空间分布格局，即文化服务感知较强的区域是城市繁华、基础设施完善、人口相对密集的沿岸地区，文化服务较低的区域则遍布全区，这些地方往往是工业园区密集、旅游资源稀少、人口稀疏的区域。

图6 研究区综合文化服务空间分布Spatial distribution of comprehensive cultural ecosystem services in the research area

2.3 环境-文化服务耦合协调关系

从区域整体而言，研究区平均耦合协调度为0.36，即整体耦合协调程度为中度失调，接近勉强耦合协调；环境服务与文化服务均值相差0.03，协调类型属于环境-文化服务同步发展型，说明全区环境-文化服务濒临失调。可见，研究区环境-文化服务虽能同步发展，但总体相互促进、协同发展水平一般，处于失调到协调的过渡阶段。

从空间分布上讲，研究区东南部耦合协调度高、西南部低（图7）。究其原因，该区东南部为香港、澳门地区，这些地区经济发达，人口密度大，旅游产业发达，大量公园、历史遗址能提供众多文化服务，并且在发展的同时也注重生态环境的保护与修复。例如，香港是典型的多山沿海城市，近一半的土地为天然山坡，生态基底优越，且因严格的分类分级管控、多元共治等措施，使生态环境得到了有效保护，维持了较高的生物多样性，至今约有76%的土地为未开发的生态空间，环境服务价值高[33]；多数生态空间被划定为公园、保护区等，既作自然保育用途，也能为众多市民和游客提供亲近大自然的机会。另外，在城市建成区，香港主张“将大自然带回市区”，在市区建设了完善的蓝绿基础设施，营建了城市生境网络，加深了人们对生物多样性的认识，提高了文化服务的供给效率，因此香港总体来说耦合协调度高。

图7 研究区环境-文化服务耦合协调程度空间分布Spatial distribution of coupling and coordination degree between environmental and cultural service in the research area

2.4 环境-文化服务热点叠加分析

本研究分别对环境和文化服务进行G*指数分析，根据Z值划定热、暖、冷点，两者叠加得到环境-文化热点图（图8）。环境服务冷点-文化服务冷点区（简称冷-冷区，其他以此类推）占比为23.87%，主要分布在研究区西部的南沙、中山和珠海等地，该地以耕地和城市建设用地等人工生态系统为主，生态破坏严重，自然和人文资源相对匮乏、基础设施较为分散等导致文化服务供给能力也相对较低。热-热区仅为6.10%，在澳门、深圳、香港、淇澳岛等零星分布，研究区中部虎门等地也有少量热-热区分布，这些地方生态环境较好，旅游资源丰富，交通便利，因此环境服务和文化服务均较高。环境-文化服务集聚程度不匹配区域（热-冷区、冷-热区）占研究区的1/3以上，主要分布在研究区东部的东莞、深圳、香港等地，西部的珠海也有零星分布。环境-文化服务集聚程度不匹配的原因：一方面是城市建设用地基础设施完善和生态环境恶化的矛盾；另一方面是山区腹地生物多样性高和基础设施不足的矛盾。

图8 研究区环境服务、文化服务热点空间分布Spatial distribution of hot spots in environmental services and cultural services in the research area

3 珠江河口区生态管理分区策略

结合环境-文化服务热（暖/冷）点以及耦合协调程度来看，区域内存在较多环境-文化服务不协调和冲突的区域，结合上述分析结果进行生态管理分区，可为研究区可持续发展提供针对性的指导，从而实现社会-生态协同增益的目标。良好的生态环境是文化服务感知的基础，因此将以生态保护为主、以文化服务开发为辅作为生态功能分区划分的原则，将研究区热-热、热-冷、热-暖、暖-暖区划为生态涵养区，冷-暖、冷-热、暖-热区划为生态修复区，冷-冷、暖-冷区划为一般保护区（图9）。

图9 研究区生态管理分区Ecological management regionalization in the research area

1）生态涵养区。总面积为1 615.93 km2，占研究区总面积的38.4%，在香港、珠海及各岛屿大面积分布，耦合协调程度以勉强耦合协调、中度耦合协调为主，少量中度失调。生态涵养区是珠江河口区重要的生态屏障，是区域可持续发展的核心区域，同时也是居民和游客最为理想的文化服务感知载体。因此生态涵养区一方面应施行严格的保护政策，限制任何开发、生产经营活动；另一方面可通过预约制来控制参观、旅游活动的规模，管控一切恶意破坏自然生态环境和旅游设施的行为。另外，可以生态教育为主题适度开展自然教育及体验活动，建构生态认同和正确的生态价值观，以公众参与的形式加入城市可持续性管理项目中。

2）生态修复区。总面积为1 245.07 km2，占研究区总面积的29.6%，主要分布在东莞、深圳、香港、广州南沙、珠海等城市建成区，耦合协调程度以中度失调、勉强耦合协调为主。这些区域因高度的城市化导致人类活动加剧，生态用地破碎，生态安全问题突出，可通过见缝插绿的方式增加小型城市绿地的供给，并结合珠三角绿道、碧道、古驿道的建设构建生态廊道网络，修复破碎的生境，加强人与自然的联系，以环境服务的提升作为优化文化服务空间结构和功能的基础。

3）一般保护区。总面积为1 346.63 km2，占研究区总面积的32.0%，普遍存在于研究区西部，即广州南沙、中山、珠海等地，耦合协调程度主要为严重失调和中度失调。一般保护区多为耕地、水产养殖地，人类活动干扰强度大，因此应以综合保护为主，适度挖掘自然和人文资源，发挥生态溢出效应。一方面对于自然水体要加强水域生态环境保护，通过“水、岸、城”一体化联动带动周边区域的产业升级和发展；另一方面，对于耕地可考虑转变农业生产方式，减少化肥农药的使用，同时打造有机生态田园，提升休闲、娱乐等文化服务。

4 结论

人类社会和自然环境在交互作用下形成了不可分割、相互联系的社会-生态系统整体，文化服务和环境服务作为分别表征社会系统和生态系统的指标，研究两者之间的耦合程度以及热点分布，一定程度上能了解社会生态功能之间的相互关系。研究结果主要如下。

1）研究区环境服务和文化服务的整体耦合协调度为0.36，处于失调到协调的过渡阶段，环境服务与文化服务均值相差 0.03，协调类型为环境-文化服务同步发展型。不同区域的耦合协调程度存在差异，香港、澳门等区域耦合协调度相对较高；2）研究区环境服务和文化服务的热点分布在空间上存在较大的差异，热-热区在香港、澳门、深圳、淇澳岛零星分布，研究区中部虎门等地也有少量热-热区分布，冷-热区主要在深圳、东莞等地，热-冷区主要在香港、珠海等地；3）结合环境-文化服务的耦合协调度和热点分析，提出研究区环境-文化服务热点分布中的热-热、热-冷、热-暖、暖-暖区为生态涵养区，以生态保育和限制开发为主，冷-暖、冷-热、暖-热区为生态修复区，以生态修复和优化文化服务水平为主，冷-冷、暖-冷区为一般保护区，以综合保护和适度挖掘自然和人文资源为主。

本研究将环境服务和文化服务视为2个重要的子系统，其中文化服务因具有主观性特点，难以在较大尺度对多种文化服务进行评估。本研究以大众点评资源点的位置和评论信息为基础数据，结合MaxEnt模型实现了对区域潜在文化服务空间分布的预测，这为大尺度范围多种文化服务的空间制图提供了新途径，也为环境服务和文化服务的量化耦合提供了可能。另外，耦合协调度模型的引入为环境服务和文化服务的耦合研究提供了新的方法，体现了复杂的社会生态系统的自身发展规律。

满足社会和生态的双重需求是区域可持续发展的核心内容，在城市高质量发展阶段，不仅要考虑生态安全层面的需求，保证足够的高质量生态空间，还要将休闲游憩、景观美学等文化服务功能纳入考量，提高和改善文化服务的功能和结构。本研究揭示了环境和文化服务之间的空间耦合程度和集聚特征，明晰了社会和生态的互动结果，表明生态优先的国土空间规划的底线思维正逐步向着社会-生态功能统筹的维度迈进，社会-生态功能统筹要求厘清各系统之间的关系，在规划和管理中以社会-生态系统二维互动为治理模式，构建一个合理的社会-生态功能复合体系。对于高度城市化的珠江河口区而言，环境-文化服务的热-热、热-冷、热-暖、暖-暖区是区域主要的生态空间，应建立生态涵养区，禁止过度的旅游开发，将人类活动的影响降到最低；冷-热区多分布于沿海，可通过海陆环境综合整治、统筹蓝绿开放空间网络体系进行生态修复。总之，应合理统筹环境和文化服务的关系，以单元化、网络化的方式实施更为精细化、差异化的生态管控。更重要的是，可持续生态管理可发挥生态环境的自然教育、生态科普功能，增强公众的生态、环保意识，引导公众参与生态管理和环境保护，在生态管理中形成政府管控和公众参与的合力。

本研究也存在一定的局限性：1）仅考虑河口陆地区域，海洋生态系统因评估相对较为复杂，在本研究中未列入研究范围；2）在对环境服务和文化服务2个子系统进行耦合协调分析时，认为2个系统同等重要，权重分别为0.5，实际上，环境服务和文化服务在不同决策背景下的重要程度可能会存在差异。综上，后续研究将考虑海洋区域以及2个子系统重要程度上的差异，进一步提高研究的精确度。

环境和文化服务的耦合研究可作为新时期社会-生态系统相结合的空间可视化管理工具，保障生态系统服务功能的多元化供给和发挥，该研究可为今后社会-生态统筹下的国土空间规划带来新的视角和思路，引导区域可持续发展。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

图1底图来源于自然资源部标准地图服务网站（http://bzdt.ch.mnr.gov.cn），审图号为粤S（2018）011号；其余图、表均由作者绘制。