承災脆弱性視角下的生態系統服務需求評估及供需空間匹配

董瀟楠,謝苗苗,2,*,張覃雅,王萌輝,郭雪瑩

1 中國地質大學(北京),北京 100083 2 國土資源部土地整治重點實驗室,北京 100035

生態系統服務是生態系統或生態過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環境條件和效用[1- 2],其供給與需求的空間特征及空間匹配狀況反映了環境資源的空間配置及生態系統服務對經濟發展的促進與制約作用,有助于生態系統有效管理及自然資源合理配置,對實現生態安全和社會經濟可持續發展具有重要推動作用,已成為生態系統服務研究領域的熱點[3]。主觀專家經驗與客觀社會經濟指標相結合的方法是目前研究中需求評估的常用方法,如需求影響因素空間疊置法[4- 6]、基于專家經驗的評價矩陣法[7- 10]、社會經濟指標綜合評價法[11- 12]及承災脆弱性評價法[13- 14],分別應用于全球尺度下農作物生產對氣候調節服務的需求評估[15]、城鄉交錯帶生態系統服務供需分析[16]、省域生態系統服務供需分析及綠地系統規劃[11]、洪災情景下洪水調節服務供需分析[17]等案例,其中的難點在于對人類需求的評估與空間異質性刻畫[18- 19]。

利用承災脆弱性表征生態系統服務需求的研究方法關注生態系統服務中減緩災害損失這一功能,該功能是人類活動密集區最為基礎的服務需求。洪水調節和沿海保護服務是承災脆弱性評估服務需求常用的兩種類型,Nedkov等[17]將易受洪災破壞的城市、農業地區與洪泛平原地區相交得到不同程度的洪水調節服務需求區域;Stürck等[20]將同一個流域內的下游GDP損失與能夠提供洪水調節服務的上游地區相關聯表征洪水調節服務需求;Liquete等[21]通過人口密度、基礎設施、人工地面、主要文化遺址四種變量確定沿海保護服務的需求區域。上述三個案例基于區域、流域和城市單元刻畫需求的空間異質性,適用于大、中尺度的城市、歐洲大陸、歐洲沿海地區。復雜城市地域的生態系統服務尚需結合人口動態分布與災害導致的真實損失進行內部需求異質性的客觀評估。

廣東省珠海市多次被評為宜居城市,但近幾年快速發展過程中面臨的諸如水土流失、滑坡、崩塌等生態環境問題日益嚴峻,迫切需要借助生態系統服務供需匹配空間異質性分析為城市建設與生態管理提供依據。土壤保持是生態系統提供的重要調節服務之一,在區域侵蝕控制以及生態安全維持方面具有不可替代的作用[22]。復雜城市地域的土壤保持服務主要作用于減少災害對城市居民生命安全和社會經濟系統的損害。因此本文選擇珠海市為案例研究區,土壤保持服務為供需分析研究對象,利用承災脆弱性評價城市系統及居民對土壤保持服務的需求并刻畫其空間異質性;結合InVEST模型的土壤保持服務供給潛力評估,從流域與鎮、街道兩種尺度分析生態系統服務供需匹配狀況,探究流域尺度下的生態系統服務供需與土地利用結構和景觀格局的關聯,以期為市級土地利用管理、景觀格局優化及城市經濟建設提供建議。

1 研究區概況

珠海市位于廣東省中南部,地處珠江口西岸,磨刀門、雞啼門、虎跳門、崖門之水匯流入海處,乃珠江三角洲中心城市之一。地處21°48′—22°27′N,113°03′—114°19′E之間。東與香港、深圳市隔海相望,南與澳門相連,西鄰新會、臺山市,北與中山市接壤。全市海陸總面積7653 km2,其中陸地面積1711.2 km2,占總面積的22.36%。設有香洲區、金灣區、斗門區3個行政區,香洲區轄獅山、灣仔、拱北、吉大、香灣、梅華、前山、翠香8個街道和南屏鎮;斗門區轄井岸、白蕉、斗門、乾務、蓮洲5個鎮;金灣區轄三灶、紅旗2個鎮(圖1)。

珠海市坐落于沿海的山脈和丘陵高地之間,地貌類型多樣,包括山地、丘陵、三角洲平原、濱海沉積平原。珠海市共有大小河流170條,形成了山、水、林、海相互交融的人居大環境。

珠海市屬亞熱帶季風氣候區,多年平均氣溫為22.4℃;陸地的平均多年降雨量為2042 mm,呈現由南向北遞減的地區分布特征;由于受熱帶氣旋影響,珠海市各地多發暴雨,短歷時降雨強度大,沿海地區尤為突出,土壤侵蝕隱患較為嚴重。

圖1 珠海市地理位置與行政轄區Fig.1 The geolocation and administrative district of Zhuhai

2 研究方法

2.1 供需空間匹配原理概述

本文構建了基于承災脆弱性評價的生態系統服務需求分析及其供需空間匹配理論框架(圖2)。

生態系統服務供給是指在給定的時間和區域范圍內生態系統提供的能夠被人實際利用的自然資源和服務。本研究采用InVEST模型對生態系統服務的供給潛力進行空間表達和定量評估。該模型基于3S技術,能夠體現生態系統服務的空間異質性特征,并且評估結果能為管理者的決策和規劃提供關鍵有效信息[23]。

生態系統服務需求是指被人類社會消耗(能夠獲得的)或者希望獲得的生態系統服務數量[24]。基于承災脆弱性視角,將城市系統與居民作為承災體,脆弱性程度高表明對生態系統服務的需求程度高。市域尺度的脆弱性程度受到災害易發性與脅迫、人口數量與空間分布等因素的影響。本文利用災害(隱患)點數據獲取災害易發區域與損失,結合手機基站手機信令數據獲得動態人口的分布[25- 26],考慮因人口密度造成的災害損失程度。

圖2 基于承災脆弱性評價的生態系統服務供需空間匹配理論框架Fig.2 Theoretical framework of the match between ecosystem services supply and demand based on vulnerability to disaster-withstanding assessment

從流域尺度與鎮、街道尺度分析供需匹配狀況,流域尺度側重于分析供需匹配類型,街道尺度旨在通過各轄區供需比分析為城市管理提供建議。首先對供給與需求進行z-score標準化,將標準化的結果劃分供需匹配類型：高供給高需求、低供給高需求、低供給低需求以及高供給低需求。其中低供給高需求說明生態系統服務的功能在空間上無法滿足居民需求;高供給低需求說明部分生態源地的高供給無法惠及周邊區域的人口;高供給高需求說明生態保護與經濟發展相協調;低供給低需求表明生態系統服務較低,但可滿足現有較低經濟發展水平。再對各鎮、街道供給與需求進行離差標準化,分析各轄區供需比,從而為城市管理提供建議。

2.2 土壤保持服務供給潛力評估

采用InVEST模型的泥沙輸移比例模型(SDR)評估土壤保持服務供給潛力。模型的輸入數據包括土地利用/覆被、DEM、降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、植被覆蓋與管理因子、水土保持措施因子、流域圖等。本文根據地理空間數據云DEM數據,利用ArcGIS的水文分析,將珠海市分為98個子流域;土地利用/覆被為2015年30 m空間分辨率的土地覆被數據,來源于中國科學院1∶10 萬比例尺土地利用數據庫[27],包括一級六類二級十九類,一級類型有耕地、林地、草地、水域、建設用地以及未利用地;累年降雨數據來源于中國氣象數據共享服務網;土壤數據來源于第二次全國土壤普查數據,采用的土壤分類系統主要為FAO- 90;通過查閱相關研究資料與文獻[22,28- 30]獲得各土地利用/覆被類型的植被覆蓋與管理因子、水土保持措施因子。

2.3 土壤保持服務需求核算

本文采用承災脆弱性評價方法刻畫土壤保持服務需求的空間異質性。綜合考慮致災程度和人口密度兩方面因素。首先,以全市的災害損失量代表致災程度。通過實地調查和地質災害報告搜集177個地質災害(隱患)點(包括滑坡、潛在滑坡、崩塌以及潛在崩塌)。采取信息熵的方法,根據災害點的直接經濟損失和威脅資產兩項指標的離散程度和貢獻信息量大小確定熵權各自為0.5,加權計算得到災害點的損失。由于地形、坡度與地質災害(隱患)點的分布與損失無明顯相關性,因此忽略不計。考慮距離因素,利用反距離權重將災害點的損失擴展到市域,災害點以外其他地區的損失表達了生態系統為防止災害發生必須付出的代價;利用手機基站大數據,獲取珠海市2016年4月某一無節日周的手機信令數據,求得珠海市的人口動態分布作為人口密度。由于人口密度指標波動較大,因而借助統計學中取對數的方法,在不影響整體分布趨勢的前提下,將局部劇烈波動特征弱化后代入計算,以便于后續分析。

X=A×log10B

(1)

式中,X代表土壤保持需求;A代表災害損失量;B代表人口密度。

2.4 土壤保持服務供需匹配

基于上述土壤保持服務供給、需求評估方法,對所求得的供給量、需求量進行z-score標準化與離差標準化。將z-score標準化的結果劃分象限進行供需匹配,以x軸表示標準化的供給量、以y軸表示標準化的需求量,劃分出4個象限：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ依次代表高供給高需求、低供給高需求、低供給低需求、高供給低需求4種供需匹配類型。

土壤保持服務供給量、需求量的z-score 標準化方法為:

(2)

(3)

(4)

土壤保持服務供給量、需求量的離差標準化方法為:

(5)

式中,x為標準化后的土壤保持服務供給量、需求量;xi為第i個單元的土壤保持服務供給量、需求量;xmax為全市最大值,xmin為全市最小值。

3 結果與分析

3.1 土壤保持服務供給空間分異

圖3 土壤保持量Fig.3 Soil retention

運行InVEST模型,計算得到流域尺度的土壤保持量,按自然斷點法將土壤保持量從大到小分為高供給、較高供給、中供給、較低供給與低供給5級(圖3)。為了分析土地利用類型與景觀格局對供給潛力的影響,本文分別計算了5種級別中的土地利用結構(表1)與斑塊密度(圖4)。各級別的土地利用結構差距較大(表1),低供給的土地利用類型主要為水域,其面積占39.45%,而林地面積僅占7.69%;較低供給的土地利用類型主要為耕地,其面積占30.45%,其次為28.75%的建設用地;高供給和較高供給的土地利用類型主要為林地,其面積各占66.11%和49.81%,建設用地面積僅占20%左右。斑塊密度反映了景觀的破碎化程度,高供給區域對應較低的破碎化程度。圖4表明低供給的斑塊密度較大,從高供給到低供給斑塊密度逐步增加,景觀格局的破碎化程度逐漸增加,人類活動對景觀的干擾程度加大。

綜合可知,土壤保持量低的地區土地利用類型復雜,其中耕地、水域及建設用地分布廣,林地分布非常少;斑塊較為破碎,人類活動對景觀干擾較大。土壤保持量高的地區,林地分布最廣且斑塊破碎度低,受人類活動干擾度較小。

圖4 各供給等級景觀斑塊密度Fig.4 Plaque density of supple grade

供給等級Supply grade耕地Arable land林地Forest草地Grassland水域Water area建設用地Construction land未利用地Unused land高供給High supply1.2466.111.1310.6120.910.00較高供給Little high supply11.8249.810.1417.3620.870.00中供給Medium supply18.2745.661.206.9027.760.21較低供給Little low supply30.4523.580.4716.7528.750.00低供給Low supply34.057.690.0539.4518.350.41

3.2 土壤保持服務需求空間分異

由于地質災害易發區域與脅迫的空間異質性,珠海市災害損失的空間分異特征明顯(圖5)。例如,斗門區白藤街道附近的災害點雖少,但由于工業分布集中受威脅資產數額較大,災害損失巨大。板障山、鳳凰山東側災害點分布密集,但直接經濟損失與威脅資產均較小,因此災害損失較小。

由于市內自然地理條件與經濟發展差異,珠海市人口密度空間分異顯著(圖6),整體上東部人口高于西部,各區中心的人口高于周邊。其中香洲主城區、斗門區中心井岸鎮與金灣區中心紅旗鎮的人口密度非常大,大部分超過了3000人 d-10.25 km-2)。

按自然斷點法將土壤保持服務需求從高到低分為高需求、較高需求、中需求、較低需求與低需求5級(圖7)。對比圖5、6、7可知,盡管需求高低值分布由災害損失量、人口密度共同決定,但需求分布格局與人口密度分布最為接近。高需求主要分布于井岸鎮、紅旗鎮、灣仔與拱北等地區。一方面由于山體附近集中的崩塌與滑坡造成一定的災害損失;另一方面由于這些地區承擔綜合性服務職能,重點發展第三產業,居住用地、商業用地、公共管理與公共服務用地分布廣,人口密度大。

圖5 地質災害損失Fig.5 Geological hazard loss

圖6 人口密度Fig.6 Population density

圖7 土壤保持服務需求Fig.7 The demand of soil retention

3.3 流域尺度的供需匹配空間分異

基于象限分布,根據供需匹配空間分異狀況,全市98個流域可被劃分為高供給高需求、低供給高需求、低供給低需求與高供給低需求4種供需匹配類型(圖8)。結果表明,珠海市的供需匹配類型主要為供需不平衡的低供給高需求和高供給低需求;其次是低供給低需求;高供給高需求最少。為了分析土地利用類型與景觀格局對供需匹配狀況的影響,本文分別計算了4種類型的土地利用結構(表2)和6種景觀格局指數(表3)。不同供需匹配類型的土地利用結構和景觀格局指數的差距較大。

3.3.1 各供需匹配類型的土地利用結構特征

林地能夠提供最大的土壤保持服務,其面積在4種供需匹配類型中的占比順序是：高供給低需求>高供給高需求>低供給低需求>低供給高需求。高供給區域(包括低需求和高需求)的土地利用類型主要是林地,其面積分別占47.98%、43.76%;低供給區域耕地面積均大于30%,水域面積均大于20%,遠高于另兩類。其中低供給低需求的土地利用類型主要是耕地與水域;低供給高需求的土地利用類型主要是建設用地,其面積占34.39%。而低供給低需求的建設用地面積僅占15.54%(表2)。

3.3.2 各供需匹配類型的景觀格局特征

斑塊密度反映了景觀的破碎化程度[31],低供給高需求的斑塊密度最高,說明景觀格局的破碎化程度較高,人類活動頻繁;景觀優勢度代表某種景觀占優勢地位的程度,景觀聚集度代表某種景觀的分布的聚集程度。低供給高需求和低供給低需求的景觀優勢度和景觀聚集度明顯大于另兩類,說明景觀類型中某種景觀占優勢地位且分布比較聚集;平均分維數代表斑塊的自相似程度,平均分維數越小說明形狀越不規則,從一定程度上反映了人類活動對斑塊的影響程度。高供給高需求與低供給低需求的平均分維數高于另兩類,說明景觀形狀更規則(表3)。

表2 供需匹配類型的土地利用結構

表3 供需匹配類型的景觀格局指數

綜上可知,各土地利用類型能夠提供土壤保持服務的大小依次為：林地、耕地、水域、建設用地(由于珠海市域內的草地和未利用地面積極少,因此本文不討論其提供的服務)。高供給地區通常有廣闊的林地分布,斑塊破碎度低,連通性高;高需求地區通常有大面積集中連片的建設用地,斑塊破碎且形狀不規則。

4 鎮、街道轄區供需匹配分異及對策

由于基于流域的城市管理困難,為加強自然生態系統與社會經濟系統的聯系,使生態系統服務有益于城市建設,定位出行政單元上的供需不匹配的熱點地區,本文將鎮、街道尺度下的供給和需求離差標準化,以堆疊圖的形式顯示其供需比(圖9),并結合上文對供給、需求和供需匹配狀況的分析為市政府一級對整個城市的宏觀管理提供建議。

圖8 生態系統服務供需匹配類型 Fig.8 The type of match between ecosystem services supply and demand

圖9 各街道生態系統服務供需比Fig.9 The ratio of ecosystem services supply and demand of street

4.1 低供給高需求

處于低供給高需求狀態的有井岸鎮、紅旗鎮、白蕉鎮、南屏鎮和灣仔、拱北、吉大、梅華、翠香、獅山街道。這些地區城鎮發展快,生態系統服務無法滿足人類需求。未來一方面要完善城鎮的綠色基礎設施,降低斑塊破碎度,提高景觀連通性,提升土壤保持供給能力;另一方面適度疏散老城區職能,建設新的區中心,降低人口密度,減少土壤保持需求。例如灣仔、南屏、拱北、吉大可以與低需求的橫琴組建新的中心城區,承擔全市主要的綜合性服務職能,重點發展第三產業。井岸鎮、紅旗鎮可以發展成為新的西部生態中心,發展生產性及生活性服務功能,適度分散中心城區的人口。

4.2 高供給低需求

處于高供給低需求狀態的有斗門鎮、乾務鎮、南水鎮和橫琴鎮,其中南水鎮和橫琴鎮是供給能力最強的地區。這些區域分布著眾多自然山體,目前為止尚未快速發展。未來一方面要保持高生態供給的可持續性發展,強化對黃楊山自然保護區、鳳凰山區域等生態源地的保護,保障生態系統服務向周邊區域的持續輸送;另一方面可以通過城鎮建設與產業發展吸引人口定居,提高城市居民需求。例如斗門鎮、乾務鎮、蓮州鎮可以發展成為生態型城鎮,依托自然資源大力發展生態農業和旅游休閑業;南水鎮可以依托港口大力發展制造業、港口產業、休閑產業;在橫琴新區開發過程中,應注重自然生態系統保育,發展生態型高新產業與旅游業。

4.3 高供給高需求

處于高供給高需求狀態的有前山、香灣街道。目前這些區域的經濟發展與生態保護基本協調。未來應充分發揮良好的經濟與生態優勢,促進生態系統服務向周邊區域流動[11]。同時調整經濟產業結構和人口偏好以改變需求結構。

4.4 低供給低需求

處于低供給低需求狀態的有蓮州鎮、平沙鎮、三灶鎮和唐家灣鎮。這些區域有大面積耕地、灘涂分布,城鎮發展較緩慢。未來建設應以生態經濟為導向,在完成產業空間重構、保障區域社會經濟健康發展的前提下,以城市反哺鄉村的形式推進生態空間優化,提高自然生態系統功能。例如唐家灣鎮屬于高新技術產業開發區,可以重點發展科研、教育;三灶鎮可以依托金灣機場建立航空產業園。

5 結論與討論

城市的擴展蔓延和強烈的人類活動明顯影響著生態系統服務功能[32]。在有限國土空間難以滿足日益增長的社會生產、生活、生態需求的背景下,明晰城市化進程下不同區域的生態本底和生態需求差異至關重要[11]。本文引入承災脆弱性評估生態系統服務需求并刻畫需求的空間異質性,采用InVEST模型評估供給潛力,探究生態系統服務供需匹配狀況,為市級土地利用管理、景觀格局優化及城市經濟建設的宏觀管理提供建議。

城市洪澇與臺風災害是威脅珠海市居民安全的重要因素,為建設承災能力強的恢復型城市,承災脆弱性評價方法同樣適用于水源涵養、臺風災害防護服務在市域尺度上的需求評估。為識別災害易發區域及量化市域的致災損失,該方法需要大量數據支撐,而數據搜集存在一定困難。如何精確量化生態系統服務的需求,如何尋找統一的生態系統服務供需評價指標和計算方法使得供需結果具有數量單位上的可比性,仍有待進一步深入探討。生態系統服務在空間上的流動和傳遞是對生態系統服務供給與需求關聯研究的深化,因此未來將探究生態系統服務在供給方與受益方之間的流動機制及作用,并基于生態系統服務流視角強化區域生態建設的供需均衡。

致謝：北京大學未來城市實驗室鐵漢科研開放課題,仝德副教授提供部分資料,珠海市住房和城鄉規劃建設局對實地調研給予幫助，北京大學彭建副教授、中國農業大學常青副教授對供需空間匹配方法給予幫助，特此致謝。