基于多重生態系統服務能力指數的生態空間優先級識別

申佳可

王云才

1 研究背景

中國快速城市化導致自然或半自然土地向建設用地的急劇轉變[1]，生態空間大量損失與高度破碎降低了生態系統的功能和提供服務的能力并帶來一系列生態風險[2]。在土地資源極其有限的快速城市化地區，通過大規模增加生態空間恢復生態系統機能、抵御生態風險的途徑并不現實[3]。確定生態空間保護優先次序可確保人們從有限的資源中獲得最大利益[4]。這就需要在現有生態空間的基礎上識別能夠有效且高效提供生態系統服務的生態斑塊，作為阻止城市用地擴張和城市生態系統功能進一步受損的優先空間，將其納入最具成本效益的區域生態安全格局[4]，并在規劃階段為自然資源保護、生態網絡建設及城市可持續發展中的決策提供明確的優先次序指導[5]。

盡管人們愈發意識到生態空間在提供生態系統服務方面的重要性，但大量研究從連通性、可達性等結構角度識別需要保護的優先空間[6]，或僅注重區域內生態空間理想形態的塑造和數量的增加[2]。少數以生態系統服務評價為依據識別生態空間優先級的研究，或是基于對單項服務高價值區域的直接提取[7]，或是以多個服務價值簡單疊加的結果作為評價優先空間的指標[8-9]。這些方法較少考慮空間內多重生態系統服務間相互作用表現的聯合影響。還有一些研究構建了基于單項生態系統服務指標的生態空間優先級評價標準[10-11]，但是標準內指標的權重或優先級排序是根據研究區域社會經濟因素或本地利益相關者偏好而定，使這些方法具有很強的地方性。

可以說，目前基于生態系統服務方法的生態空間優先級研究的不足之一，就是缺乏針對生態空間提供的多重生態系統服務及相互作用的通用、明確且可重復的評價指標，以這一指標為依據，應能很容易地顯示生態空間優先級排序間的共性和顯著差異。因此，本文提出一種基于對多重生態系統服務能力指數的評價與制圖識別生態空間優先級的方法，并將分級結果與生態網絡規劃中識別重要的功能性生態空間這一需求相適應。

2 區域特征與關鍵生態系統服務的選擇

2.1 研究區域概況

蘇嘉湖地區是江蘇蘇州、嘉興和浙江湖州3座城市的統稱，環太湖東岸分布(圖1)，總面積18 221km2，常住人口1 831.5萬。蘇嘉湖地區河網密布、湖泊眾多，是太湖與上海大都市區之間主要的生態緩沖區。在2000—2015年的15年間，蘇嘉湖地區建設用地總計增加2 174.8km2[12]。截至2015年，蘇嘉湖地區城鎮化水平由改革開放初期第三次人口普查時(1982年)的17.78%增長為67.05%[12]。土地資源侵占、農業及工業污染、生態空間破碎化等典型城市化現象嚴重威脅著蘇嘉湖地區的生態安全，并使該地區面臨著以下三方面的核心生態問題：水環境生態退化[13]、洪澇災害[14]與城市熱島[15]。

圖1 研究區域區位及生態空間分布圖(底圖引自中國自然資源部網站)

2.2 關鍵生態系統服務的選擇

使用以下3個標準選擇蘇嘉湖地區關鍵生態系統服務：1)來自千年生態系統評估(2005)或國際生態系統服務分類(v4.3，2013)框架；2)針對蘇嘉湖地區城市快速發展背景下環境與人類供需關系中最核心的生態問題與矛盾；3)具備測度數據可得性。基于上述標準選擇了5個關鍵生態系統服務，包括4個調節服務(生物多樣性維持、洪水調節、地方氣候調節、水體凈化)和1個文化服務(游憩與旅游)。

研究基于已有文獻中對特定土地利用類型提供生態系統服務的研究成果，并結合研究區域資料和本地專家知識，對生態空間與生態系統服務的相關性進行經驗性判斷。由于本文的分析并非是對各類生態空間提供的所有生態系統服務的詳盡描述，因此只將特定類型的生態空間與在供給上具有突出貢獻的生態系統服務判斷為具有相關關系，判斷結果見表1。

表1 蘇嘉湖地區關鍵生態系統服務與生態空間的相關性和存在性

在判斷過程中，考慮到研究區域內草地和濕地大多分布在遠離城鎮的郊區、河岸、海岸和山林地，且總面積較小，因此判斷它們在提供地方氣候調節尤其是對城市內熱環境調節服務的貢獻不大。此外，受限于數據與制圖精度(15m×15m柵格)，面積小于144m2及平均寬度在50m以下的細小、低等級河流及其所顯著提供的生態系統服務在本文研究尺度上未涉及。

3 生態系統服務評估與空間識別方法

3.1 單項生態系統服務評估

表2展示了5種關鍵生態系統服務評估的具體指標與方法。根據評價結果的數據特征，利用自然斷點法對數據進行等級劃分，形成生態系統服務供給的5個等級：低能力、較低能力、中等能力、較高能力、高能力，分別賦值1～5。將等級值轉入ArcGIS，對5個單項生態系統服務空間分布進行圖示化表達。

1)生物多樣性維持服務。以棲息地質量指數作為評價該服務的代理[16-17]。對于林地和草地，以斑塊面積、重點保護植被類型所占比例、與公路距離和斑塊內人口密度作為綜合代理評價指標。對于濕地、河流和湖塘，以水體面積、水生物種豐富度、與公路及城鎮距離作為綜合代理評價指標。

2)洪水調節服務。通過濕地土壤蓄水和地表蓄水構建濕地洪水調蓄功能評價模型[18]，基于河流水位絕對變幅與河流面積間的數量關系建立河流水量調節功能評價模型[19]，基于湖塘可調蓄水量與湖面面積間的數量關系構建湖塘洪水調蓄功能評價模型[20]。通過計算河流兩岸50m緩沖區位于各個林地和未利用地斑塊的面積占總緩沖區面積的比率，評價林地和未利用地疏導洪峰水量、削減并滯后洪峰的能力[21]。

3)地方氣候調節服務。以森林的碳匯能力作為林地提供該服務的代理，構建森林碳匯能力測度模型[14，21]。基于水體面積、水體形狀復雜度對其降溫效果的影響作用構建水體溫度調節指數[22]，并以湖泊面積、湖泊形狀復雜度(周長面積比)作為綜合代理指標對湖泊的溫度調節能力進行評價。

4)水體凈化服務。對于林地和草地，構建陸地生態系統截污能力指數，以斑塊面積、坡度、植被密度、土壤滲透能力作為綜合替代評價指標[23]。對于水生態系統，將氮凈化量作為評價水體提供該服務的代理[14]。

5)游憩與旅游服務。將游憩服務量化為林地面積及濕地和湖泊周長，以及提供的游憩機會、到人口聚集區(鄉鎮市政府)和主要道路(高速公路、省道)的距離這幾個指標的函數[24]，對其提供服務的能力進行評價(表2)。

表2 5個關鍵生態系統服務評價的指標及方法

3.2 基于生態空間多重生態系統服務能力指數的評估

復雜的生態系統建立在無數相互作用的基礎上，其結果往往大于各個獨立景觀組成部分的總和[25]。對于提供多重生態系統服務的生態空間來說，這種現象可以解釋為由生態系統服務間的協同關系帶來的并發性增強效果[26]。因此本文假設：某一生態空間提供多重彼此協同的生態系統服務的能力，要高于該空間中各獨立生態系統服務供給的簡單疊加。基于這一假設，構建了用以描述生態空間提供彼此協同的多重生態系統服務綜合能力的新指數：多重生態系統服務能力指數(MESC指數)。使用斯皮爾曼等級相關分析確認每種生態空間提供的生態系統服務之間的兩兩關系是否屬于協同作用[26]。若相關系數為正且顯著，則2種服務間存在協同關系；否則這2種服務間不存在協同關系。數據統計分析在SPSS 18.0中進行，統計檢驗均以0.01為水平進行統計學處理。

假設某類生態空間MESC指數(0.0～5.0分)的函數有如下形式：

其中，N是生態空間提供的生態系統服務個數；i是生態系統服務編號(表1)；x是生態空間提供的某項生態系統服務的等級分值(0～5分)；ω1x1是單項生態系統服務對MESC指數的貢獻；ωi是單項生態系統服務的貢獻權重，假設所有獨立的生態系統服務對MESC指數的影響是一樣的，取：

所有權重加和為1。γ是比例因子，假設一個生態空間提供的生態系統服務數量(N)越多，該空間MESC指數越高，取：

3.3 基于空間聚類分析的生態空間優先級識別

利用ArcGIS軟件的工具箱中“聚類分布制圖”工具的“分組分析”功能，并選擇基于k均值算法的“無空間約束”，通過執行一個分類過程查找數據中存在的自然聚類，各聚類中要素的相似性由各個生態空間MESC指數的高低決定。通過尋找使每個組中所有要素都盡可能相似，但各組之間盡可能不同的聚類劃分結果，保證各組內生態空間的MESC指數處于同一個等級。為了確定最優的分組數量，使用輪廓測量檢驗了不同分組結果的好壞[27]。檢驗結果表明6個集群的分類效果最佳。由此得到生態空間的6個等級，構成生態空間的優先級體系。

4 基于多重生態系統服務能力指數的優先級體系識別

4.1 蘇嘉湖地區單項生態系統服務能力評估

蘇嘉湖地區5個關鍵生態系統服務的空間分布如圖2。生物多樣性維持服務的高供給主要集中于太湖、南部和西南部山林地、陽澄湖以及研究區域內長江的西段和中段，這是因為這些片區生態斑塊面積較大，且相對遠離人口密集的城鎮生活區。

圖2 蘇嘉湖地區5個關鍵生態系統服務的空間分布圖

對于洪水調節服務來說，太湖、長江和錢塘江3處水體是研究區域內調節水量的主要水體生態空間；西南部的2片山林地由于覆蓋了較大面積的洪泛區(河流兩岸50m緩沖區)而承擔了主要的水量疏導與徑流攔截等功能。

對于地方氣候調節服務來說，太湖、陽澄湖、澄湖和昆承湖等一系列位于城市內部和城郊的水體表現出對城市地表溫度較好的降溫效果；南部和西南部的大片林地由于固碳能力較強，而對地方氣候調節具有較大的貢獻。

水體凈化服務的高供給主要集中于太湖、長江中段和東段、錢塘江以及位于東南部的濱海濕地這些具有較高自凈能力的水體生態空間，以及由于地處南部和西南部山地陡坡而具有較強攔截與吸附功能的大片林地和草地空間。

游憩與旅游服務的高供給片區是太湖、南部和西南部山林地，這主要由于較大的生態空間面積提供了更多的游憩機會；陽澄湖、昆承湖、澄湖、太湖東岸的成片圩區、長江濱江濕地以及位于東南部的濱海濕地等片區，由于較高的可達性和更多得到造訪與使用的機會，從而成為城市內部和城郊具有較高游憩與旅游服務供給的區域。

4.2 蘇嘉湖地區多重生態系統服務能力指數評估

對各個生態空間提供的成對生態系統服務進行斯皮爾曼等級檢驗，結果顯示：30個生態系統服務對均呈顯著正相關(p＜0.01)。說明各生態用地提供的生態系統服務間具有協同效應，彼此間會產生加強和促進而非相互削弱的作用。蘇嘉湖地區各類生態空間MESC指數的空間分布如圖3所示。

圖3 蘇嘉湖地區生態空間MESC指數的空間分布圖

所有生態空間中，林地和湖塘的MESC指數總體水平最高，范圍分別為0.8～5.0和1.0～5.0分。這是因為林地和湖塘提供了最多的生態系統服務類型(5類)，而具有多功能生態系統服務的區域更趨向于穩定提供更高價值的生態系統服務[28]。

草地和未利用地的MESC指數總體水平最低，范圍分別為0.4～2.0和0.0～0.6分。這主要是因為研究區域內的草地規模較小且格局破碎，而未利用地是由植被覆蓋度很低的裸土地和裸巖石礫地組成的。并且這2類生態空間提供生態系統服務的類型最少(分別為2類和1類)、多樣性最低，因此由協同作用帶來的共同增強效果較弱，并表現為整體生態價值的低水平。

此外，濕地和河流的MESC指數處于中等水平，范圍分別為0.8～4.0和0.6～3.0分。MESC指數最高的濕地位于太湖南岸沿岸及長江中端南側沿江(3.2～4.0分)，MESC指數最高的河流是太湖東岸與太湖相連的太浦河(3.0分)。其他零散分布于研究區域各處的濕地和河流的MESC指數處于中等偏低水平，這與它們面積較小、布局分散且與干擾源較近等因素有關。

4.3 生態空間優先級體系的識別與劃分

聚類分析將研究區域內的生態斑塊劃分為六級(圖4)，并根據各等級內生態空間MESC指數的高低及其主要生態功能命名這6個等級。使用花瓣圖表征了各個等級上生態空間提供各單項生態系統服務的平均等級值(0～5分，圖4)。

圖4 蘇嘉湖地區生態空間優先級體系(六級)

一級生態空間：大型生態保護地。該等級占研究區域生態空間總面積的56.49%，MESC指數總體水平最高，包含很多大型且完整的生態空間，應受到重點保護。這一等級生態空間提供游憩與旅游服務能力非常高，其中包含太湖風景名勝區、莫干山旅游度假區等旅游景點，為人們提供了豐富的娛樂、自然教育和審美等機會。有必要針對這些空間制定科學有效的文化與景觀遺產管理政策和保護措施。

二級生態空間：核心生態保護地。該等級占研究區域生態空間總面積20.50%，為區域提供重要的生態系統服務，尤其是水體凈化和游憩與旅游服務。在功能上是一級生態空間的補充，并且能為其分散一定的需求壓力。有必要實施相應的生態保護與恢復措施，以維持其較高的生態系統服務供給水平。

三級生態空間：重要生態核心。該等級占研究區域生態空間總面積13.24%。三級生態空間作為一、二級生態空間和非生態空間的過渡起到緩沖作用。有必要實施相應生態更新和景觀改善措施，保證斑塊完整性并進一步提高生態系統服務能力。

四級生態空間：生態踏腳石與小型生態廊道。該等級占研究區域生態空間總面積5.15%，相較于前3個等級，各生態空間規模很小。但由于包括眾多彼此鄰近的生態斑塊和小型河流，因此在局部呈現出較好的連通性。通過整合鄰近的低等級小型生態空間，能夠在大型生態斑塊之間形成連通性良好的空間體系，從而加強各級生態空間的聯系，更好地承擔生態通道的功能。

五級生態空間：生態空間單元。該等級占研究區域生態空間總面積3.27%，生態斑塊規模更小，圍繞中型生態斑塊及小型廊道兩側分布，呈現小集中、大分散的空間格局，因此在局部具有形成小型生態廊道的潛力；再通過與臨近四級生態空間的合并，進一步完善由小型生態空間形成的空間體系。

六級生態空間：零散生態空間。該等級占研究區域生態空間總面積1.08%，生態斑塊規模最小且布局零散，在市域尺度上很容易被忽視或遺棄。因此需要通過局部尺度上的空間連接和整合，將它們并入與之鄰近的四/五級優先空間中，成為生態踏腳石體系和局部網絡格局的補充與完善。

5 結論與討論

研究基于對多重生態系統服務能力指數的評價與制圖，識別了蘇嘉湖地區6種生態空間提供5種關鍵生態系統服務的優先級，方法包括以下主要步驟：生態系統服務供給空間識別，單項及多重生態系統服務能力指數評價與制圖，以及基于評價結果的生態空間優先級識別。結果表明：湖塘和林地是研究區域內生態系統服務供給總體水平最高的生態空間類型。通過聚類分析將研究區域的生態空間分為6個等級：作為大型生態保護地的一級生態空間，作為核心生態保護地的二級生態空間，作為生態緩沖區的三級生態空間，以及具有生態踏腳石潛力，可被統整為小型生態空間體系的四、五、六級生態空間。

本文設計并構建的多重生態系統服務能力指數是一種符合生態系統論的具有創新性的模擬評價方法，它并非是對生態空間綜合供給能力的準確描述，但概括了一個生態空間提供的多重生態系統服務的復雜性和多個指標。這一指數適用于對彼此間具有協同作用的多重生態系統服務的總體水平進行耦合評價，并提供了根據單項服務評價結果給出生態空間服務綜合能力的計算框架。在服務間存在顯著協同作用的情況下，其評價結果要優于簡單對各項服務進行加和，其優越性主要來自以下假設。1)同一地塊內多個存在協同關系的生態系統服務的總體效果要強于各個獨立生態系統服務作用的簡單疊加，這是由于生態系統服務間的協同作用使它們在共存時具有彼此增強的趨勢[29]，并在理想情況下產生互惠結果，從而實現多功能景觀。2)當同一類型的生態空間提供的生態系統服務數量一致，且各獨立生態系統服務等級值總和一定時，各項服務等級值相差更小的生態空間提供服務的MESC指數更高。Zhong等[30]構建的生態系統服務協同與權衡強度評價模型表明了相似觀點，該模型利用點到直線距離表示生態系統服務對的關系：距離越小，也就是2個生態系統服務評價的數值越接近，就表明這它們之間的協同關系越強，共存時彼此間相互加強的傾向越大。3)生態空間提供的生態系統服務類型越多，該空間的MESC指數傾向于越高，這體現在比例因子的設置上[公式(4)]。這與Liu等[28]的研究結論相符，即具有多種生態功能的區域能穩定提供更高價值的生態系統服務。因此，本研究中MESC指數最高的生態斑塊出現于被預先判定為提供5種關鍵生態系統服務的林地和湖塘當中，而這也是簡單將生態空間各項服務等級值相加的結果所體現不出的效果。

本研究的方法表現出以下局限性。首先，生態空間的優先級是從生態系統服務供給的角度識別的，人類的生態需求在空間上的耦合需要進一步考慮。其次，在生態廊道、生態節點等景觀生態組成方面的考慮不足，尚未回應構建生態網絡過程中完整的網絡結構這一需求。因此，如何確定生態廊道與生態節點，以及如何結合研究區域實際的規劃發展需求對現有生態空間優先級進行結構性修正與整合是下一步研究的方向。最后，這一方法僅適用于存在協同效應的多重生態系統服務的耦合評價。雖然生態系統服務間的顯著協同關系十分普遍[29]，但權衡作用及其效應在評價中同樣應予以關注。對于彼此間具有權衡關系的生態系統服務的綜合評價方法與模型仍需進一步探索。

注：文中圖片均由作者繪制。