基于生態系統服務簇評價的長沙市生態修復優先區識別

蔣紅波，覃盟琳，王政強，羅丁丁，吳欣芋

1.廣西大學林學院

2.廣西大學土木建筑工程學院

3.廣西大學人居環境設計研究中心

快速的城市化進程促使城市土地利用結構發生巨變[1]，對生態環境及景觀格局產生了較大影響[2-3]，導致生態系統服務供給能力減弱[4]，進而威脅到生態空間與人類福祉[5-6]。中國城市化水平從改革開放以來的17.92%上升到2020年的63.89%，城市化進程與生態環境間的矛盾逐漸激化，而生態修復是緩解城市化對生態系統服務能力負面影響的重要途徑[7]。“十四五”時期，我國生態文明建設進入促進經濟社會全面綠色轉型、實現生態環境質量由量變到質變的關鍵時期，在生態文明建設新階段，推進生態保護和修復工作時，要統籌山水林田湖草一體化保護和修復，堅持尊重自然和順應自然，堅持全局觀，識別優先保護和重點治理的關鍵，著力提高生態系統自我修復能力，增強生態系統穩定性[8]。

生態修復是以受到人類活動或外部負面影響干擾的區域性生態系統為對象，通過工程技術措施，對生態系統失衡、生態功能退化和生態產品供給能力下降的各尺度區域進行生態恢復、生態整治和生態重建[9-10]。生態修復分區是實施區域生態資源精準管控的基礎和前提[11]。現有研究從不同尺度，運用不同方法對國土空間生態修復展開修復分區或技術性研究。如劉春芳等[12-14]分別從省、市、縣(區)層面，運用生態安全格局研究范式，對國土空間生態修復進行分區研究；宮清華等[15-16]分別從人地系統耦合框架和“要素—景觀—系統”框架對研究區國土空間生態修復規劃策略和格局進行探究。生態系統服務簇(ecosystem service bundle)為研究生態修復提供了新思路。當前從各個角度開展生態修復分區的研究成果已經非常豐富，但較少基于城市化和生態系統服務簇空間交互關系對生態修復優先區的劃定展開探索和研究。

生態系統服務簇最初由Kareiva 等[17]提出，其主要指跨越時空重復出現在同一范圍內的多個生態系統服務類型的集合[18]。同一區域范圍內的不同生態系統服務類型或呈現此消彼長的權衡關系、或呈現相輔相成的協同關系[19]，通過生態系統服務簇可識別區域內主導的生態系統服務類型，提高景觀管理效率[7]。國內外學者從國家[18]、區域[20]等尺度，對森林[21]、耕地[22]等不同用地類型，運用K-means 聚類[23]、自組織特征映射網絡[24]等方法對生態系統服務簇進行劃分，探討其時空變化軌跡及驅動因素等[25]。生態系統服務能力和類型的變化體現了生態環境的變化，作為多個生態系統服務類型集合的生態系統服務簇，通過對其時空演變的研究，從城市化水平與生態系統服務能力在同一時空中的增減狀況對區域內生態修復進行等級劃分，設定潛在生態修復目標，再根據其總的生態系統服務價值和主導生態系統服務類型的變化，可以明確生態修復的方向及策略。如岳文澤等[26]根據生態系統服務供需平衡方法對固原市進行生態修復分區研究，以加強區域的生態管理。

2022年2 月，國家發展和改革委員會批復《長株潭都市圈發展規劃》[27]，長沙市作為都市圈的關鍵極，快速的城市化和經濟發展使生態環境面臨巨大壓力。因此，有必要從生態系統服務簇角度對長沙市進行生態修復探索與研究，識別修復優先級，針對性實施修復策略，以期為長沙市及長株潭都市圈國土空間規劃中生態保護與修復方案制定提供新思路和方法。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

以長沙市主城區為研究區（112°36′53" E～113°11′37"E，27°55′41" N ～28°33′47"N），包括芙蓉區、天心區、雨花區、開福區、岳麓區和望城區(圖1)，總面積2 146.72 km2，用地類型以耕地、林地和建設用地為主，地勢西高東低，湘江穿城而過。氣候屬于亞熱帶季風氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和干燥，四季分明，雨熱同期。2001—2020年，長沙城市化率從44.47% 增至83.16%，建設用地面積從158.76 km2增至508.79 km2。

圖1 研究區概況Fig.1 Overview of the study area

1.2 數據來源

研究區2000年和2020年土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心(https://www.resdc.cn/)，分辨率為30 m；2001—2020年，主要糧食播種面積和單位面積平均利潤數據來源于相應年份的《長沙統計年鑒》和《全國農產品成本收益資料匯編》。使用ArcMap 10.7 軟件將研究區劃分為500 m×500 m 網格，作為研究單元，共得到9 036 個網格數據。

2 研究方法

生態修復優先區劃分依據同一時空內生態系統服務簇綜合服務能力與城市化強度的增減交互關系，分3 步進行：1）用生態系統服務價值模型計算研究區的生態系統服務價值后進行K-means 聚類，識別出研究區生態系統服務簇并對其綜合服務能力進行量化；2）在ArcGIS 軟件中處理土地利用數據，計算得出研究區城市化強度；3）將生態系統服務簇綜合服務能力與城市化強度的變化量運用GeoDa 軟件進行空間相關性分析，得到優先區劃分結果(圖2)。

圖2 技術路線Fig.2 Technology route

2.1 生態系統服務價值評估

采用謝高地等[28]的當量因子法對生態系統服務價值進行評估，其中建設用地的價值當量引自李淑娟等[29]的研究，構成研究區單位面積生態系統服務價值當量表，包括4 個一級類和11 個二級類(表1)。提取各網格不同用地類型面積，結合標準單位生態系統服務價值當量系數和長沙市1 個標準當量因子的生態系統服務價值量得出各網格總的生態系統服務價值。計算公式為：

表1 單位面積生態系統服務價值當量[28-29]Table 1 Ecosystem service value equivalent per unit area元/hm2

式中：ESVj為各網格中第j類生態系統服務價值，元/hm2；Se為各網格中第e種類型生態系統的面積，hm2；Vej為各網格中第e種類型生態系統對應的第j類生態系統服務的標準單位面積生態系統服務價值當量系數；D為長沙市1 個標準當量因子的生態系統服務價值量，元/hm2；Pr、Pw、Pc分別為長沙市稻谷、小麥、玉米播種面積占3 種作物播種總面積的比例，%；Nr、Nw、Nc分別為全國稻谷、小麥、玉米的單位面積平均利潤，元/hm2。其中，式（2）使用的數據為2001—2020年的平均數據，得到D為2 587.29元/hm2。

2.2 生態系統服務簇識別

將各網格生態系統服價值務評估結果進行標準化和歸一化處理后，運用K-means 聚類識別生態系統服務簇，并依據其組成結構繪制雷達圖。其中聚類數K需要人為設置，為確保試驗的科學性，使用輪廓系數法確定K[30]，公式如下：

式中：Si為樣本i被聚類到簇A 的輪廓系數；ai為樣本i的簇內不相似度，即樣本i到同簇其他樣本的平均距離，ai越小，說明樣本i越應該聚類到該簇；bi為樣本i與某簇Cj的不相似度，即樣本i到其Cj簇所有樣本的平均距離，樣本i的簇間不相似度bi=min{bi1,bi2,···,bin}(n=k-1)；Sa為所有樣本輪廓系數的平均值，即為該聚類結果總的輪廓系數；n為數據樣本個數。當Sa接近1 時，說明樣本i聚類合理；Sa接近-1 時，說明樣本i更應該分類到別的簇；Sa近似為0，說明樣本i在2 個簇的邊界上[30]。由圖3 可見，當聚類數為4 時，Sa最接近1，所有樣本聚類結果最優，因此將K取值為4。

圖3 不同聚類數輪廓系數Fig.3 Contour coefficient of different bundle numbers

2.3 生態系統服務簇綜合服務能力和城市化強度量化

將各生態系統服務價值標準化處理后進行等權重計算得到生態系統服務簇綜合服務能力[7]，用ESB 表示；將各網格內建設用地占網格面積之比作為城市化強度(urbanization intensity)，用UI 表示。2000—2020年ESB 和UI 的變化值為ΔESB 和ΔUI。其中城市化強度計算公式為：

式中：UIl為第l個網格城市化強度；CAl為第l個網格的建設用地面積；TAl為第l個網格的總面積。

2.4 生態修復空間優先區識別

在GeoDa 軟件中建立空間權重矩陣，用雙變量局部莫蘭指數(bivariate local Moran's I)研究每個500 m 網格2000—2020年ΔESB 與ΔUI 的空間相關性。計算公式為：

式中：I為莫蘭指數；Wsq為空間權重；xs和ys分別為各網格的ΔUI 與ΔESB；和分別為各網格ΔUI 與ΔESB 的均值。結果輸出不顯著關系和4 個顯著關系類型：高-高(H-H)、低-低(L-L)、低-高(L-H)和高-低(H-L)，其中高-高(H-H)型表示2000—2020年生態系統服務簇綜合服務能力和城市化強度均有提高的網格，低-低(L-L)型表示生態系統服務簇綜合服務能力和城市化強度均有下降的網格，低-高(L-H)型表示生態系統服務簇綜合服務能力降低而城市化強度提高的網格，高-低(H-L)型表示生態系統服務簇綜合服務能力提高而城市化強度降低的網格。

3 結果與分析

3.1 生態系統服務簇識別及時空動態變化

K-means 聚類結果顯示，長沙市主城區的9 036個網格被聚集成4 個生態系統服務簇，根據每個簇的生態系統服務類型分布特征，分別命名為農業生產簇(APB)、生態保育簇(ECB)、文化服務簇(CSB)和水文調節簇(HRB)。如圖4 所示，APB 的生態系統服務類型以水文調節為主，食物生產、氣體調節和氣候調節雖然不是主導類型，但占比相近，其中水資源供給服務為負，說明該服務簇既有調蓄水源功能，又是消耗水資源的類型，這與耕地用地類型的情況相吻合。ECB 主要以氣候調節和水文調節等生態系統服務類型為主，其他各生態系統服務類型分布較均衡。CSB 以土壤保持為主要的生態系統服務類型，水文調節出現負值，其他生態系統服務類型的占比均較低，符合城市建成區以硬化地表為主的特點，城市內地表大量硬化，雖減少了水土流失，但因城市大面積的地表硬化，雨水下滲受阻，地表徑流增多，城市內澇災害頻發，故水文調節能力為負。HRB 的水文調節占絕對主導地位，其他生態系統服務類型占比低。

圖4 各生態系統服務簇功能結構Fig.4 Functional structure of each ecosystem service bundle

2000—2020年，長沙市區生態系統服務簇的空間分布總體結構變化不大，如圖5 所示。其中，APB 主要分布在望城區西北部，用地類型主要是耕地；ECB 主要分布在望城區東北部和西南部、開福區北部、岳麓區西部和雨花區南部，用地類型主要為林地；CSB 主要分布在芙蓉區、天心區、雨花區、開福區南部、岳麓區北部和望城區東南部等城市建設用地；HRB 主要沿湘江分布，用地類型為水域。

圖5 2000—2020年生態系統服務簇空間分布Fig.5 Spatial distribution of ecosystem service bundles from 2000 to 2020

從時空序列上來看，研究期內，除CSB 的數量呈現持續增長趨勢外，其余3 個簇均呈減少趨勢。在ECB、APB、CSB 和HRB 這4 個生態系統服務簇中，ECB 和APB 減少幅度大，CSB 增長勢頭強，HRB較為穩定。有20.15%的網格在研究期內發生了生態系統服務簇類型的變化，主要為ECB、APB 和HRB 轉變為CSB；而79.85%的網格保持不變，說明長沙市大部分區域的生態系統服務結構較為穩定，未發生明顯的變化。發生服務簇類型轉變的區域是研究期內長沙城市發展最快的區域，生態系統服務結構的變化主要來源于區域內建設用地的快速擴張，侵占了周圍的其他用地類型[31]。

3.2 生態系統服務簇綜合服務能力與城市化強度相關關系

將UI 和ΔUI 設為自變量，ESB 和ΔESB 設為因變量，進行線性回歸分析。結果顯示，UI 與ESB、ΔUI 與ΔESB 均存在明顯的相關關系(p＜0.001)(圖6)。2000—2020年自變量與因變量之間的系數為負，表明城市化強度與生態系統服務簇綜合服務能力存在顯著的負相關關系，二者間R2在2000年為0.170，2020年為0.382，R2變大，說明城市化強度對生態系統服務簇綜合服務能力的負面影響越來越明顯。這主要是城市化進程改變了土地利用類型，影響了生態系統服務的供給能力，如耕地、林地等轉變為城市建設用地，使得11 種二級類型的生態系統服務中，除了水土保持服務有所提高，其他服務類型均有所下降或基本保持不變[32]。

圖6 生態系統服務簇綜合服務能力與城市化強度相關關系Fig.6 Relationship between comprehensive service capacity of ecosystem service bundles and urbanization intensity in Changsha City at various periods

3.3 生態修復優先區識別結果

將2000—2020年的ΔUI 和ΔESB 運用空間統計檢驗二者的顯著性，參考已有研究的劃分標準[7]，研究區被劃分為5 個生態修復類型：Ⅰ級生態修復優先區(高-低)、Ⅱ級生態修復優先區(高-高)、Ⅲ級生態修復優先區(低-高)、Ⅳ級生態修復優先區(低-低)和生態保護區(不顯著) (圖7)。其中Ⅰ級生態修復優先區占13.53%，分布在長沙市中心城區周邊，以文化服務簇為主；這些區域的土地利用類型最初以耕地和林地為主，在2000—2020年城市擴張使其轉變為建設用地。Ⅱ級生態修復優先區占0.58%，是生態系統服務簇綜合服務能力與城市化強度在研究期內均提高的區域。Ⅲ級生態修復優先區占12.53%，主要分布在長沙市舊城區及湘江沿岸的新興城市建設用地周邊的容易受到人類活動干擾的區域，以農業生產簇和文化服務簇為主。Ⅳ級生態修復優先區占2.23%，零星分布于現有建設用地與非建設用地交界處。生態保護區占71.13%，主要覆蓋了生態保育簇和水文調節簇，用地類型以林地、灌木、草地和水域為主。

圖7 生態系統修復優先區Fig.7 Priority areas for ecosystem restoration

3.4 生態修復與保護策略

依據2000—2020年研究區生態修復優先區識別結果，結合區域生態系統服務簇綜合服務能力演變與城市化強度變化，分別確立了相應的修復和保護策略。

Ⅰ級生態修復優先區分布于2000—2020年由農業生產簇和生態保育簇轉變為文化服務簇的區域。區域內主導生態系統服務類型由氣候調節、水文調節和生物多樣性等轉變為土壤保持，其中水文調節服務能力明顯減弱。該區域在城市建設過程中要根據城市水文調節、氣候調節等方面綜合考慮城市綠地的比例和布局，在穩定土壤保持功能基礎上，適當增補綠地面積，合理設置路面與綠地的高差關系，加強水系連通性以及對水系的規劃管理，通過多樣手段實現水文調節、生物多樣性等生態系統服務價值的提升。

Ⅱ級生態修復優先區主要為生態保育簇。具有較大的生態服務潛力，生態修復的目標是保持現有生態系統服務簇中氣候調節、氣體調節和生物多樣性等主要生態系統服務類型。可適當調整耕地、林地的種植結構，建立多樣性更為豐富的植物群落，增強生物多樣性、氣候調節等功能。

Ⅲ級生態修復優先區主要為農業生產簇和文化服務簇。農業生產簇區域內，可在不減少耕地面積的基礎上提升耕地質量，以增強其食物和原料生產功能，同時還應加強生態建設，增強水文調節、維持養分循環和生物多樣性等功能。文化服務簇區域內，應在現有本底資源生態效用基礎上，合理增設綠色基礎設施，推進生態廊道建設，增強美學景觀功能。

Ⅳ級生態修復優先區分布于文化服務簇與農業生產簇和生態保育簇交界處，是城市繼續擴張時有較大可能性發生生態系統服務能力減弱及生態系統服務簇變化的區域。要嚴格控制“三區三線”，保持其糧食和原料生產、氣體和氣候調節等主導功能的可持續性。

生態保護區以生態保育簇為主。該區域受人類活動干擾少，生態系統完善，生態系統服務價值高，具有重要的氣候調節、水源涵養、土壤保持、維持生物多樣性等功能，要構建森林資源生態保育制度，加強山體與林地的保育，嚴格限制破壞性建設活動。

4 討論

城市的發展需要足夠的土地資源，這使得耕地、林地等不斷被侵蝕，威脅生態系統的穩定。生態系統服務簇作為多個生態系統服務類型的集合，理清其內部各生態系統服務類型間的權衡/協同關系，有助于從生態系統全要素出發，因地制宜地制定生態修復方案。因此以生態系統服務簇演變與城市化影響為切入點進行生態修復優先區識別是一項可行的技術方案。

傳統生態修復以礦山、森林植被、河流湖泊、土壤污染治理、水土流失治理等單一生境或要素為修復目標取得了豐富的理論與實踐成果，但由于其缺乏對區域內生態要素關聯性和生態修復系統性的考慮，存在局部效果提升而整體收益偏低甚至生態系統服務價值減弱的現象。本文從區域整體性出發，立足于生態系統服務能力的保持與恢復，從城市化影響因素入手，劃分了研究區的生態修復優先級。該方法可以運用于研究城市化進程中高強度人類活動干擾對生態系統的影響，具體表現為能夠快速定位高速城市化與生態系統受損同時發生的區域，并為制定相應的修復策略提供參考，以達到生態系統服務能力的最大化與城市化影響的最小化。

根據生態系統服務簇和城市化效應的時空演變，劃分了生態修復優先區，但生態系統服務簇的識別會受到生態系統服務能力的評估方法和尺度的影響[33]，在未來的研究中需要使用不同生態系統服務評估方式和尺度，并根據評估結果與現實情況的耦合程度來確定最終的評估方式和尺度[34]。同時可將生態系統服務簇和城市化變化的驅動因素納入研究范圍，明確各階段演變的驅動機制，針對各驅動因素更精準地制定保護和修復策略。

5 結論

(1)長沙市主城區生態系統服務簇可以劃分為農業生產簇、生態保育簇、文化服務簇和水文調節簇4 個類型，2000—2020年由于城市擴張占用其他用地，導致生態系統服務和景觀格局變化，4 個生態系統服務簇中僅文化服務簇呈現擴張態勢。

(2)線性回歸分析結果表明，城市化發展對生態系統服務簇的演變始終起負面作用，主要是城市化進程中，城市建設大量占用周邊土地，原本豐富的地表類型變為單一的硬化地表，導致生態系統服務能力減弱，威脅到生態環境及景觀格局。

(3)快速的城市發展對于生態環境的負作用愈加明顯，將2000—2020年生態系統服務簇與城市化強度的變化進行空間統計，劃分了5 個生態修復優先級，Ⅰ級生態修復優先區占13.53%，Ⅱ級生態修復優先區占0.58%，Ⅲ級生態修復優先區占12.53%，Ⅳ級生態修復優先區占2.23%，生態保護區占71.13%。

(4)針對各級生態修復優先區提出修護及保護策略：Ⅰ級生態修復優先區應著重水文調節能力的提升；Ⅱ級生態修復優先區著重保持現有生態系統服務格局；Ⅲ級生態修復優先區在農業生產簇區域內應著重保持原料和食物生產服務，文化服務簇區域內則著重提升美學景觀功能；Ⅳ級生態修復優先區著重保持現有主導生態系統服務類型；生態保護區應限制開發活動，加強森林資源保育。