特大城市新区土地利用变化对生态系统服务权衡-协同关系影响: 以南京江北新区为例

钱红运,陈 爽

(南京信息工程大学“一带一路”城市可持续发展研究院/ 地理科学学院,江苏 南京 210044)

生态系统是人类生存与发展的基础,可以为人类提供食物、水源等直接使用的产品,同时具有生物多样性、碳存储和水质水量调节等间接为人类提供生产生活服务的功能[1]。人类当前面临的多种生态问题的本质是生态系统功能受到破坏与退化的后果[2]。近1个世纪以来,城市化对自然生态系统造成广泛影响。城市化过程驱动土地利用转换,改变了水和养分循环以及生态过程,直接或间接影响城市地区生态系统服务供给,已有研究[3-4]采用价值当量因子等方法量化分析城市地区土地利用变化对生态系统服务的影响,通过未来土地利用情景模拟探究生态服务功能变化趋势。为了平衡城市化带来的影响,大量事实指向基于自然的解决方案:通过城市开发空间规划和绿色基础设施建设提升区域生态系统在食物供给、环境调节和生物多样性维持等方面的服务功能[5]。然而,各种生态系统服务之间关系复杂,呈现权衡或协同变化。一种服务的增加会以另一种或几种服务的减少为代价,例如人口增长及相应食物供给需求增加,会通过土地利用转换,限制生态系统生物多样性维持、调节和支持服务[6]。植被净初级生产力增加,会对生态系统的净化、水分调节和支持服务产生增益作用。这种权衡与协同关系随着空间尺度的变化发生改变,且随着时间发生阶段性演变,并可能引发生态服务供给与人类需求的平衡被不断打破,使得权衡关系难以确定和管理[7]。因此,为深入理解生态系统服务功能的非线性特征,需要开展多尺度、多维度分析,提升定量化认知水平。

城市地区生态系统服务分布具有高度空间异质性。破碎化分布的植被和水体,导致非均衡的生态服务供给,而人口和社会经济活动的高度集中,使得生态服务的需求与供给难以在空间上匹配,呈现出多种多样的供需平衡及权衡关系[8-9]。如何认识城市空间差异化的生态服务权衡与协同关系是管理这些关系的前提,也是实现区域供需平衡的关键。已有研究采用相关分析法[10]、莫兰指数[6]、玫瑰图法[11]或权衡协同度(ESTD)模型[12]等多种方法探究生态服务间复杂的权衡与协同关系,其中,多数研究[13-15]在城市群或城市区域尺度上进行,以行政区或流域为单元探讨生态系统服务间权衡和协同关系,而在城市尺度上的研究较少。仅有个别报道[16-17]区分了不同城市或城乡梯度上的地域差异,探讨了城市开发模式、结构及规模对生态服务供给的影响,远不足以揭示生态服务在城市空间上的异质性。此外,城市地区生态服务权衡机制研究也同样欠缺。目前研究大多以数理统计分析为主,对形成权衡的社会经济和政策原因、自然因素的定量阈值等问题的实证研究不足,仅在部分案例中有零星讨论。如陈田田等[18]对成渝城市群的研究发现,城镇发展占用耕地、林地从而对生态系统造成消极影响,在生态补偿政策激励下,退耕还林还草过程使得土壤保持和生境质量这2类服务功能呈上升趋势。王鹏涛等[19]讨论了汉江流域降水对净初级生产力(NPP)的阈值效应,认为这种阈值效应可能造成NPP与土壤保持在南方呈现权衡关系,在北方呈现协同关系,且需要更高精度数据来证实。王旸[20]则采用城市高精度多源数据评估分析了城市绿地降温效果与游憩服务之间的协同关系。南京作为长江三角洲地区中心城市,一直是城市生态系统研究的重点[21-22],已有研究对南京市域生境质量变化趋势[23]、生态服务时空动态及权衡度变化[24]等进行了模拟评估,但是在生态服务间权衡与协同机制的实证研究及空间差异分析上仍显不足。

江北新区作为南京域内的国家级新区,承担着国家重大发展战略。在城市新区规划建设中土地利用结构剧烈变化,自然环境平衡被打破,影响生态系统服务功能。该研究通过栅格像元及街区尺度上的生态服务模拟评估与变化分析,主要回答以下问题:(1)城市区域生态服务间权衡与协同关系是否遵循已有的一般认知?受哪些因素影响?(2)哪些土地利用变化会带来生态服务协同增强?哪些会导致此消彼长的权衡?如何在新区建设中管理这些关系以促进生态服务提升?从而探究土地利用变化对生态服务间权衡与协同关系的影响机制,丰富相关理论和实证研究,研究结果可为南京江北新区绿色发展提供科学依据。

1 研究区与数据来源

1.1 研究区概况

南京江北新区是江苏首个国家级新区,于2015年6月由国务院正式批复同意设立。作为南京都市圈、宁镇扬同城化的核心区域,江北新区的绿色发展和现代化建设,是实施区域发展总体战略的关键[25]。江北新区范围覆盖南京市长江以北地区(图1),属亚热带季风气候区,四季分明,多年平均降水量呈现增加趋势,尤其近10 a增加明显。江北新区生态环境良好,是南京生态屏障区之一,拥有老山、平山、金牛湖等重要生态斑块以及滁河、长江等生态廊道。研究区土地利用类型以耕地为主,近年来随着经济迅速发展和城市化进程加快,建设用地迅速扩张、耕地面积大幅度下降引发一定的生态环境问题[26]。江北新区总面积为2 451 km2,包括南京市浦口区、六合区和栖霞区八卦洲街道。根据《省政府关于南京江北新区发展总体规划的批复》(苏政复〔2017〕74号),划分直管区、共建区和协调区,其中,直管区面积为386.25 km2,包含浦口区沿江街道、泰山街道、盘城街道和顶山街道,六合区大厂街道、长芦街道和葛塘街道,以及南京高新技术开发区和南京化工园区,由新区管委会负责区内经济管理、城市建设管理、社会事务和社会管理。

图1 南京江北新区位置

1.2 数据来源

数据主要包括:(1)2000、2010和2020年土地利用数据来自中国资源环境科学与数据中心(https:∥www.resdc.cn/),采用一级分类结果(包括耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地),遥感数据源为Landsat TM/ETM,通过人工目视解译生成,分辨率为30 m。(2)DEM数据采用ASTER Global Digital Elevation Model(ASTER GDEM)数据,来自地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/#page1/1),分辨率为30 m。(3)土壤数据来自世界土壤数据库(http:∥westdc.westgis.ac.cn/data/611f7d50-b419-4d14-b4dd-4a944b141175),提取可利用的土壤类型(包括砂粒、粉粒和黏粒等)和有机碳含量等土壤属性数据,分辨率为1 km。(4)气象数据来自中国气象数据网(http:∥data.cma.cn/),选取2000、2010和2020年南京江北新区及周边气象站点日降水量、气温等文本数据,经克里金插值后获得可利用的栅格数据。(5)道路、河流水系和行政区划等矢量数据来自国家基础地理数据库(http:∥www.ngcc.cn/ngcc/)。

2 研究方法

基于InVEST模型、GIS软件以及气象、土壤等多源数据,在30 m栅格像元上计算多个年份南京江北新区生态系统服务,包括碳存储、产水量与生境质量,并采用生态系统服务权衡协同度模型定量分析不同生态服务间相互关系。

2.1 碳存储

InVEST模型碳存储模块通过不同年份土地利用数据及对应碳密度数据评估研究区每个栅格单元的碳储量。该研究考虑地上生物碳库、地下生物碳库、土壤碳库和死亡有机质碳库4大碳库,计算公式为

Ctot=(Cabove+Cbelow+Cdead+Csoil)×S。

(1)

式(1)中,Ctot为碳存储量,kg;Cabove、Cbelow、Cdead和Csoil分别为地上生物、地下生物、死亡有机质和土壤碳密度,kg·m-2;S为土地利用类型面积,m2,采用南京江北新区三期土地利用数据及对应碳密度数据表进行模型计算,碳密度数据参照荣月静[27]、揣小伟等[28]和郭晶晶等[29]研究进行设定。

2.2 产水量

InVEST产水量模块基于水量平衡原理,可以用来评估区域内生态系统水源供给量[30],每个栅格水源供给量为降水量减去实际蒸散量后的水量[31-32]。计算公式为

(2)

(3)

(4)

(5)

TEo=a×Ra(T+17.8)×(Tmax-Tmin)b,

(6)

CPAW,x=0.003 134×wSand+0.004 744×wSilt+0.002 27×wClay-0.000 02×wOM-0.170 1×DB。

(7)

式(2)～(7)中,Yxj为生态系统类型j栅格x的年水源涵养量,mm;Px为栅格x的年降水量,mm;TAE,xj为生态系统类型j栅格x的年实际蒸散量,mm;Rxj为生态系统类型j栅格x的Budyko干燥指数;wx为自然气候-土壤性质的非物理参数;Z为季节降水分布和降水深度参数[33],受季节、降水影响较大,在夏季降水量大的区域,Z的期望值为1;CPAW,x为植被可利用含水量,mm,基于世界土壤数据库中不同土壤类型和有机碳含量等数据,通过计算获得空间分布图;Kxj为植被蒸散系数,指不同发育期植被蒸散量与潜在蒸散量之比[34],通过联合国粮农组织在线资源及蒸散量计算获得各土地利用蒸散系数;TEo为参考作物蒸发蒸腾量,mm,参照李郁等[35]关于南京地区修正后的经验系数值,a和b分别为0.001 09和0.68;Ra为太阳天顶辐射(以水量计),MJ·m-2·d-1;T为日平均温度,℃;Tmax为日最高温度,℃;Tmin为日最低温度,℃;wSand、wSilt、wClay、wOM和DB分别为土壤粉粒、砂粒、黏粒和有机质含量(%)以及土壤容重(g·cm-3)。采用研究区土地利用数据,对经裁剪的土壤属性数据以及克里金插值后获得的降水量、蒸散量和植被可利用含水量等参数的空间分布图,进行模型计算。

2.3 生境质量

InVEST模型通过生境质量指数表征生物多样性维持功能,原理是通过土地覆被、生物多样性的威胁因子和敏感性因子生成生境质量图。生境质量指数范围为0～1,值越高表示生物多样性越丰富,反之,则代表生物多样性较低。计算公式为

(8)

式(8)中,Qxj为土地利用类型j栅格x的生境质量;Hj为土地覆被类型j对应的生境类型得分;Dxj为土地覆被类型j栅格x的生境胁迫水平;k为半饱和常数,设为0.5。选择对生境质量具有直接影响的威胁源因子,包括建设用地、耕地和交通用地(主要铁路、主要公路、国道和省道),其中,威胁源因子权重和影响范围以及生境质量对威胁的敏感性数据参考高周冰等[23]、荣月静[27]和张慧[36]的研究设定。

2.4 生态系统服务权衡协同度模型(ESTD)

采用权衡协同度模型计算生态系统服务相互作用的方向和程度,该模型建立在线性拟合基础上,通过对研究区生态系统服务变化的相互作用进行整体评价,计算公式为

(9)

式(9)中,DEST,ij为第i和j种生态系统服务权衡协同度;CES,iq和CES,ip分别为q和p时刻第i种生态系统服务的变化量;CES,jq和CES,jp分别为q和p时刻第j种生态系统服务的变化量。DEST<0表示两者间存在权衡关系,DEST>0表示两者间存在协同关系,DEST=0表示两者间无显著关系[37]。

3 结果与分析

3.1 生态系统服务时空特征

基于InVEST模型研究评估南京江北新区2000、2010和2020年碳储量、产水量和生境质量(表1),得到研究区生态系统服务空间分布及变化(图2)。

表1 2000—2020年南京江北新区生态系统服务量

图2 2000—2020年南京江北新区产水量、碳储量和生境质量空间分布及变化格局

如表1所示,2000—2020年研究区生境质量和碳储量总体上呈逐年下降趋势,产水量呈逐年上升趋势。2000年产水量为17.25亿m3,2020年达到23.90亿m3,增加6.65亿m3,增幅明显。据统计资料记载,2000—2020年南京市明显进入雨水丰沛的时段,尤其近10 a降水量增加更为明显,产水量受降水量影响,也呈增加趋势。2000—2020年,生境质量指数不断下降,从0.490 5降低到0.461 3,减幅为5.95%,碳储量也渐次减少,减幅为1.6%。

如图2所示,2000—2020年产水量呈中间建设用地高四周低的空间分布格局,中部高值区面积逐年增加,主要位于研究区中部的大厂、沿江街道和高新技术开发区等城镇区域,全域大部分地区产水量增加,部分水域产水量无明显变化或减少。碳储量呈中间低南北高的空间分布格局,且碳储量沿长江区域都很低,但随时间变化碳存储空间分布较为稳定,仅城镇建设用地附近增减变化明显。生境质量高值区分布与林地分布一致,位于老山林场、六合区平山森林公园和西北部自然保护区附近,低值区位于研究区中部的城镇区域,生境质量多呈减少的变化趋势,仅在北部和西南部的自然保护区和水源涵养区内有所增加。

3.2 生态系统服务权衡与协同关系

3.2.1基于像元的空间分异分析

为进一步探究研究区生态系统服务权衡与协同关系的空间分异,利用GIS技术对研究区2000—2020年各项生态服务变化进行逐像元统计(图3)。如图3所示,生境质量与碳储量以协同关系为主,呈协同关系的像元占全部研究区的11%,权衡部分占比为2%,其余区域无明显关系。这一结果与多数文献报道[8]比较吻合,进一步证实生境质量-碳储量的协同关系,但是这种协同关系主要表现为负向协同。协同区主要分布在区域中部及南部沿江的城镇建设区,这与大片耕地被城镇建设用地侵占有关,在人为干扰强烈作用下,生境质量变低,碳储量下降。

图3 2000—2020年南京江北新区各生态系统服务权衡与协同关系空间分布

另外,区域中部的有林地面积增加,有机质积累丰富,使得生境质量和碳储量2项生态服务协同上升。生境质量与产水量的权衡关系区域占比超过65%,而协同关系区域较少,主要分布在大泉水库水源涵养区、平山省级森林公园和金牛湖饮用水水源涵养区以及滁河重要湿地等生态绿地和水源涵养区,这得益于区域严格的空间管制和生态保护制度,生境质量与产水量协同增加。碳储量与产水量权衡与协同关系区域比例为4∶1,权衡关系区域分散分布于全区,相对集中于长江沿岸的建设用地,协同关系区域零星分布在西北边界滁河沿线、南部长江沿线等,滁河沿线部分区域加强水利工程建设及水产养殖,将耕地转为水域,这2项服务协同下降。研究区产水量与碳储量、产水量与生境质量的大比例权衡关系,与其他研究结果相似,有研究报道长三角地区碳存储与产水量之间呈现显著此消彼长的权衡关系[38],长江经济带碳固定与水源产水服务在空间上以权衡关系为主,与生物多样性服务之间以协同关系为主[39]。

3.2.2不同阶段权衡协同度变化

以街道为单元计算各类生态服务权衡协同度及其在2个时期的变化(图4)。

图4 2000—2010和2010—2020年生态系统服务权衡协同度分布及变化

如图4所示,28个单元按直管区、生态区和一般区分为3组,包括珍珠泉、汤泉农场、老山林场和八卦洲4个重要生态功能单元,其开发活动受生态保护政策影响;中间化工园区等9个单元为江北新区直管区,是主要开发活动的承载区;北部竹镇等15个单元为一般区域,其中,雄洲、六合开发区和江浦街道为新城规划组团所在地。首先在总体上,街道的生境质量-碳储量和产水量-碳储量权衡协同度较高,前者多数为协同,后者多数为权衡。而产水量-生境质量权衡协同度相对不太明显,这与像元尺度(图3)上的表现略有差别。其次在时间变化上,2000—2010年,受区域开发中城镇建设用地大幅增加的影响,大部分单元生境质量与碳储量都在下降,呈负向协同关系;但也有差异,如六合开发区以及沿江街道、老山林场、汤泉农场生境质量-碳储量协同程度较高,大厂街道部分草地转换为建设用地,碳储量增加而生境质量下降,两者表现为权衡关系。由于降水量增加使研究区产水量普遍上升,使得产水量与生境质量和碳储量均呈权衡关系,权衡程度较高的街道有葛塘、永宁和顶山街道,但西部沿滁河的汤泉和程桥街道因水域面积增加,生境质量-产水量表现为协同关系。2010—2020年,江北新区直管街道以及六合开发区和江浦街道的权衡协同度维持较高水平,尤其是生境质量-碳储量协同度更加突出。而周围街道的权衡协同度均有所收缩,一定程度上体现了城市集中发展带来的影响。总体而言,生境质量与碳储量协同的街道数量由2000—2010年沿江、泰山等19个增加到2010—2020年大厂、八卦洲等21个,生境质量-产水量权衡的街道增加6个,产水量-碳储量权衡的街道减少2个。

4 讨论

城市地区生态系统服务间权衡与协同关系受多种因素影响,土地利用变化在其中起主要作用。2020年南京江北新区土地利用类型以耕地(58.6%)为主,其后依次为建设用地(24.58%)、林地(7.72%)和水域(7.46%)。从2000年到2020年,各土地利用类型均发生变化,其中,耕地、林地和草地面积占比分别减少7.9、0.4和0.1个百分点,而建设用地、水域面积占比分别增加7.2和0.8个百分点。比较土地利用变化区域(图5)和生态服务间权衡与协同关系分布,综合各街道生态服务权衡协同度变化分析,可以推断耕地转换对生境质量、产水量和碳储量间权衡与协同具有重要驱动作用。例如,江北新区建设中直管区有68.52 km2耕地转换为固碳能力较弱的城镇建设用地,固碳能力减弱使相应土地上的碳储量服务下降7 304.82 t,同时,地表密实化与植被生物量减少破坏了自然栖息环境,导致生境质量下降0.154 4,因此,在地表城镇化驱动下,直管区23.59%的土地出现碳储量与生境质量的协同关系。而产水量受土地利用转换、降水量等多项因素影响,由于2000—2020年南京地区降水量明显增加,而江北新区新增城镇土地上植被覆盖度较低,植被蒸散量较小,使得产水量不断上升,每1 km2耕地转为建设用地后产水量平均增加78.02%。因此,这种城市扩张和植被减少过程,在降水增加的情形下,造成生境质量与产水量、碳储量与产水量之间呈现权衡关系。除此之外,水域增加或减少是影响生态服务间权衡与协同的另一个不可忽视的因素。在江北新区快速城镇化过程中,耕地向水域的转变和建设用地对水域的占用都会明显驱动生态系统服务权衡关系。例如,新区从高速发展逐渐过渡为高质量发展,将河湖保护与自然保护区、湿地保护区(公园)和水利风景区相结合,使马鞍山街道川桥水库、竹镇大泉水库、程桥街道水产养殖和永宁街道滁河重要湿地等水域面积增加,促成了生境质量上升与碳储量下降的权衡过程(图3),以及碳存储服务与水源产水服务协同降低的过程(图3)。另一方面,建设用地侵占水域的情况仍有发生,如顶山街道和葛塘街道在研究期内有大面积水域转为建设用地(图5),碳密度上升使碳储量增加,使得碳储量-产水量由2000—2010年的权衡关系转变为2010—2020年的协同增长关系(图4)。因此,水域增加和减少是快速城镇化过程中驱动生态系统服务间权衡与协同变化的重要机制。在以往的城市土地利用变化研究中,曾报道和关注水域变化引起的生态空间变化[21],这种变化一方面表现为土地产出经济效益推动大都市外围养殖水域增加,另一方面新型城镇化建设进一步推动湿地生态空间修复和增长,这些主客观因素可能在一段时间内持续驱动着城市周边地区水域变化,并由此驱动基于水域的生态服务权衡关系。因此,有关城市地区水域变化驱动生态服务时空格局变化的研究,有待从经济、社会和生态耦合系统角度进行更深入探讨。

图5 2000—2020年南京江北新区土地利用分布

为改善南京江北新区的生态服务,建议在未来城市发展规划中,坚持生态优先原则,充分认识生态空间的服务价值,划定生态保留区;优化城市空间布局,合理规划城镇建设用地,加强城市内部与周边的生态联系,将生态空间纳入现行规划和管理体系[21]。该研究案例区的推广性在于证明城市化地区生态系统服务权衡协同关系存在一定区域差异,区域整体权衡关系与街道尺度可能有所不同。该研究局限性在于各年份碳存储服务使用同一碳库数据,而实际碳库应随时间有所变化;其次,虽然InVEST模型被众多学者广泛应用于生态系统服务研究,但该模型自身存在一定局限性,模型部分参数需要根据前人研究在江北新区的实际情况下设定和修改,相关参数随着经济、环境变化而有所变化,容易造成因参数选择所致的不确定性。另外,该研究所探究的3种生态系统服务种类在数量上仍偏少,还需考虑其他如土壤保持和文化服务等,从空间上对多个服务进行综合评价将使研究更具有说服力。在今后研究中,仍需进一步寻找更高分辨率的数据以及更详细的资料,通过更综合的指标体系评估区域生态系统服务功能,理清生态系统服务权衡的影响因素。

5 结论

快速城镇化过程中,土地利用变化驱动生态系统服务时空变化。采用InVEST模型测算了南京江北新区2000、2010和2020年产水量、碳储量和生境质量3种生态系统服务量,所识别的生态服务间权衡与协同关系与其他研究大体一致而兼有地区差异。得到如下主要结论:

(1)2000—2020年,南京江北新区生境质量呈下降趋势,从0.490 5降低到0.461 3,建设用地持续增加导致碳储量减少,减幅为1.6%。生境质量和碳储量高值区主要分布在老山林场等林地,低值区位于人类活动频繁的建设用地。受降水量等气象因素影响,江北新区产水量上升,高值区主要位于建设用地,低值区位于长江沿岸水域。

(2)生境质量与碳储量以协同关系为主;生境质量与产水量以权衡关系为主,呈权衡关系的区域面积占比超过65%;碳储量与产水量以权衡关系为主,权衡与协同关系区域面积比值为4∶1,权衡关系区域分布与新增建设用地重合;街道尺度上的权衡协同度与像元尺度上略有不同,生境质量-碳储量协同度更加突出。

(3)建设用地及水域增加和减少是生态系统服务间权衡与协同变化的重要驱动因素,需从经济、社会和生态耦合系统角度进一步深入探讨城市地区水域变化对生态服务时空格局变化的驱动作用。