李 龍,吳大放,王 芳,劉艷艷,劉毅華,錢樂(lè)祥

廣州大學(xué)地理科學(xué)與遙感學(xué)院, 廣州 510006

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和過(guò)程直接或間接獲取維持人類生存和生活所需的產(chǎn)品或惠益[1]。千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估(Millennium Ecosystem Assessment, MA)指出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)包括供給、調(diào)節(jié)、支持與文化服務(wù),認(rèn)為全球60%的生態(tài)系統(tǒng)功能正在或者已經(jīng)退化,主要受到人類活動(dòng)的干擾[2]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和功能退化會(huì)破壞均衡的土地利用結(jié)構(gòu),從而影響到土地效益以及社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。土地利用/覆蓋變化是全球環(huán)境變化研究熱點(diǎn)之一,也是人類活動(dòng)作用于生態(tài)系統(tǒng)的重要體現(xiàn),通過(guò)改變生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能與空間格局,影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)形成、供給和分配。因此,土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)形成相互制約與促進(jìn)的關(guān)系[3]。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程急劇推進(jìn),人類建設(shè)開(kāi)發(fā)活動(dòng)占用大量土地,導(dǎo)致土地結(jié)構(gòu)失衡,從而引起負(fù)面的生態(tài)效應(yīng)[4]。探究城市化進(jìn)程中土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響已成為全球變化研究領(lǐng)域焦點(diǎn),是支持土地可持續(xù)利用決策的有效工具,同時(shí)對(duì)于協(xié)調(diào)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展、優(yōu)化國(guó)土空間格局以及保障國(guó)土生態(tài)安全具有重要意義[5]。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(Ecosystem Service Value, ESV)作為表征生態(tài)安全程度的重要指標(biāo),在科學(xué)準(zhǔn)確評(píng)估其價(jià)值與刻畫(huà)其地理分布規(guī)律特征等方面,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已取得豐富成果。自Hughes和Daily[6]和Costanza等[7]開(kāi)展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究以來(lái),該領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容、方法模型和尺度等研究體系逐漸趨于完善。研究?jī)?nèi)容主要涉及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類[8]、價(jià)值定量化評(píng)估[9]、功能監(jiān)測(cè)[10]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系[11]以及土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響[12]等方面；研究尺度涵蓋國(guó)家[13]、城市群[14]、流域[15]、省[16]市[17縣[18]等區(qū)域；研究方法主要包括模型分析法(InVEST[19]、ARIES[20]等模型)、能值分析法[21]、價(jià)值當(dāng)量表估算[22]、主成分分析[23]以及情景模擬[24]等。學(xué)者對(duì)許多區(qū)域進(jìn)行廣泛探索,但仍存在一定不足：目前主要針對(duì)流域或者城市群等宏觀區(qū)域進(jìn)行研究,忽略了中、微觀區(qū)域內(nèi)部空間的ESV差異；雖然已有部分研究對(duì)未來(lái)ESV進(jìn)行預(yù)測(cè),但從未來(lái)不同情景視角進(jìn)行預(yù)測(cè)并分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的研究鮮有報(bào)道；現(xiàn)有的模擬土地利用變化模型主要包括CA-Markov[25]、多智能體[26]、CLUE-S模型[27]、Tietenberg模型[28]、SLEUTH模型等[29],但大多數(shù)模型缺乏分析土地類型之間聯(lián)系,難以表征城市化擴(kuò)張下的土地類型之間競(jìng)爭(zhēng)和相互影響關(guān)系。FLUS模型基于自適應(yīng)慣性競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制可以有效解決上述問(wèn)題[30],但應(yīng)用FLUS模型預(yù)測(cè)ESV并分析未來(lái)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的研究更為少見(jiàn)。隨著全球城市化進(jìn)程推進(jìn),區(qū)域人口、資源與環(huán)境問(wèn)題突出,探究快速城市化區(qū)域的土地利用覆蓋變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響愈發(fā)受到學(xué)術(shù)界和政府界的關(guān)注。然而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性,分析歷史時(shí)期的ESV時(shí)空演變特征存在一定滯后效應(yīng),難以準(zhǔn)確分析區(qū)域目前以及未來(lái)的生態(tài)狀況,亟需更深入分析未來(lái)不同發(fā)展情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化。因此,分析未來(lái)不同情景下土地利用變化對(duì)ESV的影響以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系十分必要,為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和優(yōu)化管理決策提供科學(xué)的理論依據(jù),并豐富生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)研究的理論體系。

佛山市作為典型快速城市化區(qū)域,具有土地利用格局變化劇烈、結(jié)構(gòu)功能較為復(fù)雜和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展迅速等特點(diǎn),同時(shí)隨著廣佛都市圈和粵港澳大灣區(qū)戰(zhàn)略的推進(jìn),區(qū)域經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展導(dǎo)致城市擴(kuò)張問(wèn)題加劇、人地矛盾、生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展矛盾愈發(fā)突出。因此探究佛山市ESV的時(shí)空演變特征及并預(yù)測(cè)分析不同情景下土地利用變化對(duì)其影響,對(duì)于優(yōu)化土地利用決策和統(tǒng)籌國(guó)土空間格局具有指導(dǎo)性作用。鑒于此,在分析佛山市2005—2015年的土地利用時(shí)空演變特征和ESV地理分布規(guī)律的基礎(chǔ)上,運(yùn)用FLUS模型分析未來(lái)不同情景下2025年佛山市土地利用變化對(duì)ESV影響,并利用空間自相關(guān)等方法探討佛山市各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,為促進(jìn)佛山市以及類似的快速城市化區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建和社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)支撐。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

佛山市位于廣東省中部,是粵港澳大灣區(qū)重要節(jié)點(diǎn)城市之一,地處東經(jīng) 112°22′— 113°23′, 北緯 22°28′— 23°34′,下轄三水區(qū)、南海區(qū)、禪城區(qū)、高明區(qū)和順德區(qū)5個(gè)區(qū),總面積為3797 km2。2015年佛山市耕地、建設(shè)用地和林地為主要用地類型,分別為1310.87、1475.66、687.14 km2。地勢(shì)總體上西高東低,由西向東傾斜,地形主要以三角洲平原為主,屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候,年平均氣溫23.2℃,年均降水量為1717.3 mm,氣候溫和,雨量充沛。該市GDP在2006—2015年期間由2983.90億元上升至8003.92億元,一二三產(chǎn)業(yè)比重分別由2.2∶63.1∶34.7轉(zhuǎn)變?yōu)?.7∶60.5∶37.8,表明佛山市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛,城市化程度較高,逐漸向第三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。佛山市城市擴(kuò)張態(tài)勢(shì)迅猛和土地利用結(jié)構(gòu)不均衡,給生態(tài)環(huán)境造成極大壓力并影響其居民生活質(zhì)量,因此研究該區(qū)域土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響對(duì)于快速城市化區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建具有典型的示范性。

圖1 研究區(qū)Fig.1 Study area

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于覆蓋佛山市域的Landsat TM/OLI遙感影像數(shù)據(jù)(2005-07- 18、2010- 11-02、2015-09- 12),根據(jù)佛山市土地利用特點(diǎn),通過(guò)監(jiān)督分類將研究區(qū)分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地六類土地利用類型,對(duì)比Google Earth高分辨率遙感影像及土地利用現(xiàn)狀圖,對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證,三期分類總體精度達(dá)到85%以上,符合精度所需要求；輔助圖件包括廣東省、佛山市行政區(qū)劃圖(2015年)來(lái)源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心1∶400萬(wàn)數(shù)據(jù)庫(kù)；DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)；社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于《佛山市統(tǒng)計(jì)年鑒》(2006—2016年)、《中國(guó)農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格調(diào)查年鑒》(2010年)。

2.3 研究方法

2.3.1不同情景下土地利用模擬預(yù)測(cè)

(1)模型介紹

FLUS模型是由Li等[31]研發(fā)的用于土地利用模擬和未來(lái)土地利用情景預(yù)測(cè)分析的有效工具。該模型原理源自元胞自動(dòng)機(jī)(CA),并在其基礎(chǔ)上做了較大改進(jìn)。首先采用多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BP-ANN)從一期的土地利用數(shù)據(jù)和自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因子中獲取各類用地適宜性概率,其次應(yīng)用輪盤賭的自適應(yīng)慣性競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制有效處理在人類活動(dòng)和自然因素共同影響下土地類型相互競(jìng)爭(zhēng)的復(fù)雜性問(wèn)題,從而彌補(bǔ)CA不足,實(shí)現(xiàn)更為完善的土地利用模擬預(yù)測(cè)?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的適宜性概率計(jì)算和自適應(yīng)慣性競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制原理不再詳細(xì)闡述,具體參照王寶盛等[32]文獻(xiàn)表述。

(2)土地利用變化驅(qū)動(dòng)因子選取

受自然、社會(huì)與經(jīng)濟(jì)因素等綜合影響,土地利用結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生相應(yīng)的變化。而在快速城市化區(qū)域,空間區(qū)位條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)于土地利用變化和城市擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)作用更為顯著。參考已有的土地利用變化驅(qū)動(dòng)因素研究[33],最終選取高程、坡度、到市中心、到不同道路的距離等7項(xiàng)因素作為驅(qū)動(dòng)因子,歸一化結(jié)果如圖2所示:

圖2 驅(qū)動(dòng)因子歸一化Fig.2 Normalization of driving factor

(3)情景設(shè)定

分析不同情景下生態(tài)環(huán)境對(duì)土地利用變化的響應(yīng)特征,對(duì)促進(jìn)生態(tài)保護(hù)、耕地保護(hù)與經(jīng)濟(jì)建設(shè)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要作用。因此,以2025年為目標(biāo)年設(shè)定3種土地利用情景。

①情景一：經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景。在快速城市化背景下,以經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)先和加快城鄉(xiāng)融合趨勢(shì)作為發(fā)展目標(biāo),較少受到政策和市場(chǎng)的干預(yù)影響,更多的是遵循土地利用自然變化規(guī)律,因此僅把水域作為約束條件,實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。

②情景二：耕地保護(hù)模式。耕地的數(shù)量與質(zhì)量對(duì)于保障國(guó)家和區(qū)域糧食安全極為重要。耕地保護(hù)政策干預(yù)力度較大,選擇耕地和水域作為約束條件,嚴(yán)格控制耕地?cái)?shù)量和空間位置,防止在快速城市化過(guò)程中被侵占,保證區(qū)域基本的糧食安全。

③情景三：生態(tài)保護(hù)模式。以生態(tài)效益優(yōu)先作為發(fā)展目標(biāo),加大生態(tài)保護(hù)的力度,減少城市無(wú)序向外擴(kuò)張對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的負(fù)面影響。受到政策因素影響較大,選擇基本農(nóng)田、林地以及水域作為約束條件,防止區(qū)域生態(tài)用地和基本農(nóng)田被侵占,改善區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

不同情景下約束條件如圖3所示.

(4)鄰域權(quán)重參數(shù)設(shè)置

鄰域權(quán)重參數(shù)表征鄰域范圍內(nèi)不同類型土地單元擴(kuò)張能力,反映在自然和社會(huì)因素驅(qū)動(dòng)作用下不同用地類型的侵占強(qiáng)度。鄰域因子參數(shù)范圍為0—1,值越大說(shuō)明該用地類型的侵占能力越強(qiáng)。借鑒已有鄰域權(quán)重參數(shù)成果[34],并結(jié)合佛山市實(shí)際情況修正,基于擴(kuò)張能力大小對(duì)用地類型排序并賦值,鄰域權(quán)重參數(shù)設(shè)置如表1所示.

圖3 不同情景約束條件Fig.3 Constraint conditions of different scenarios

表1 鄰域權(quán)重參數(shù)表

(5)成本矩陣設(shè)置

成本矩陣代表的是各類用地之間是否可以相互轉(zhuǎn)換的規(guī)則。如果某類用地可轉(zhuǎn)換為另一類用地,則賦值為1；如果兩類用地之間無(wú)法轉(zhuǎn)換,則賦值為0?；?種不同的情景,相應(yīng)設(shè)計(jì)3種轉(zhuǎn)換成本矩陣,具體參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景下,考慮到佛山市經(jīng)濟(jì)水平和技術(shù)條件較高,且以經(jīng)濟(jì)效益為優(yōu)先目標(biāo),因此設(shè)置所有用地均可轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地；而建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為其余用地可能性較低、成本較高,設(shè)置為建設(shè)用地不可轉(zhuǎn)化為其他用地,其余用地類型按實(shí)際情況相互轉(zhuǎn)化。在耕地保護(hù)情景下,主要考慮耕地保護(hù)等政策約束下,耕地不允許轉(zhuǎn)化為其他類型用地；同時(shí)基于耕地保護(hù)的正向驅(qū)動(dòng)作用,設(shè)置大部分其他類型用地均可轉(zhuǎn)化為耕地。在生態(tài)保護(hù)情景下,側(cè)重于生態(tài)用地保護(hù)并保證生態(tài)系統(tǒng)能夠提供足夠的服務(wù),因此設(shè)置大部分其他類型用地僅能單向轉(zhuǎn)換為林地或草地；同時(shí)適當(dāng)兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展和糧食安全,設(shè)置除林地、草地、水域之外的用地均可轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地和耕地。

表2 情景模擬成本矩陣

2.3.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估方法

謝高地等[35]基于Costanza的當(dāng)量因子法,結(jié)合中國(guó)實(shí)際情況和眾多專家修正結(jié)果,得出中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表?？紤]到ESV區(qū)域間的差異性和空間異質(zhì)性主要體現(xiàn)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平上,因此利用佛山市糧食作物單產(chǎn)、播種面積和糧食作物價(jià)格(2010年不變價(jià))修正單位面積農(nóng)田糧食作物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,使其更符合佛山市的實(shí)際情況,等于佛山市平均糧食單產(chǎn)市場(chǎng)價(jià)值的1/7[36],具體修正方法如下所示：

(1)

式中,Ea為佛山市單位面積農(nóng)田糧食作物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值(元/hm2),i為糧食作物種類；n為糧食作物數(shù)量；mi、pi、qi分別為i類糧食作物的面積(hm2)、價(jià)格(元/kg)和單產(chǎn)(kg/hm2)；S為農(nóng)作物總面積(hm2)。

利用單位面積農(nóng)田糧食作物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和當(dāng)量因子表,最終得到佛山市單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)表3：

表3 佛山市單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)/(元/hm2)

基于佛山市單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù),并結(jié)合公式2計(jì)算ESV。為分析區(qū)域內(nèi)部土地利用變化對(duì)ESV的影響差異,選取格網(wǎng)為評(píng)價(jià)單元。以往研究關(guān)于格網(wǎng)單元大小選取差異較大,涵蓋0.5、1、3、5和10 km大小不等的尺度,郭椿陽(yáng)等[37]認(rèn)為5 km尺度以下的結(jié)果總體較為一致,因此考慮圖幅限制并凸顯空間差異性,多次調(diào)整后擬定3 km為評(píng)價(jià)單元。為了消除研究區(qū)域邊緣不規(guī)則格網(wǎng)面積大小差異影響,便于比較區(qū)域內(nèi)部所有差異,本文在傳統(tǒng)的ESV基礎(chǔ)上增加單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(UESV)這一指標(biāo)[38]?；谧匀粩帱c(diǎn)法,將UESV劃分為一至五級(jí),UESV值越大,等級(jí)越高。二者計(jì)算公式如下所示：

(2)

(3)

式中,ESV為格網(wǎng)內(nèi)總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(元)；Aj為j類生態(tài)系統(tǒng)面積(hm2)；Eij為j類生態(tài)系統(tǒng)的i類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)(元/hm2)；m為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)種類總數(shù)；n為土地利用類型總數(shù)；UESV為格網(wǎng)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(元)；S為格網(wǎng)單元面積(hm2)。

2.3.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同定量化表達(dá)

空間自相關(guān)分析分為全局和局部自相關(guān)。全局自相關(guān)用于分析區(qū)域內(nèi)研究單元之間關(guān)于某一屬性的整體關(guān)聯(lián)水平,局部自相關(guān)用于度量局部鄰近單元之間關(guān)于某一屬性關(guān)聯(lián)程度,能更準(zhǔn)確把握局部集聚和分異特征。雙變量空間自相關(guān)分析是在兩者的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善,用于度量?jī)蓚€(gè)變量屬性之間的空間相關(guān)程度。雙變量全局自相關(guān)和局部自相關(guān)模型的計(jì)算方式如下所示：

(4)

(5)

3 結(jié)果和分析

3.1 2005—2025年佛山市土地利用變化

為預(yù)測(cè)2025年佛山市不同情景下的土地利用變化情況,首先利用2010年現(xiàn)狀數(shù)據(jù)模擬2015年土地利用狀況并結(jié)合2015年實(shí)際土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,Kappa系數(shù)為87.32%,精度符合需求。再利用2010和2015年現(xiàn)狀數(shù)據(jù),基于Markov模型測(cè)算未來(lái)土地利用需求量,最后預(yù)測(cè)2025年佛山市不同情景下土地利用情況。從圖4可知,2005—2015年佛山市主要用地類型為耕地、建設(shè)用地和林地,其中耕地主要分布在佛山市東北部和南部區(qū)域,建設(shè)用地分布在佛山市中部和東部區(qū)域,林地主要分布在西南和北部區(qū)域。南海和三水區(qū)的耕地?cái)?shù)量下降速度最快,南海區(qū)和順德區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張速度最高。 2015—2025年,在耕地保護(hù)情景中,耕地面積總體保持穩(wěn)定,林地、草地和未利用地面積分別下降31.86、28.39、8.59 km2,主要分布在高明區(qū)南部和三水區(qū)北部。在生態(tài)保護(hù)情景中,除建設(shè)用地?cái)?shù)量略有下降以外,其余用地?cái)?shù)量均有上升,其中高明區(qū)林地?cái)?shù)量增長(zhǎng)趨勢(shì)最顯著,增加了34.39 km2。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景中,耕地、草地和未利用地?cái)?shù)量均呈下降趨勢(shì),其中順德區(qū)南部和南海區(qū)北部耕地下降數(shù)量最多,下降了76.83 km2；順德區(qū)南部的建設(shè)用地?cái)U(kuò)展程度最大,增加了87.25 km2。

圖4 2005—2025年佛山市土地利用時(shí)空演變及預(yù)測(cè)Fig.4 The land use spatiotemporal evolution and prediction in Foshan from 2005 to 2025

圖5 2005—2025年佛山市土地利用結(jié)構(gòu)變化 Fig.5 The land use structure change in Foshan from 2005 to 20252025.a、2025.b、2025.c分別為2025年耕地保護(hù)、生態(tài)保護(hù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景

從圖5可知,2005—2015年佛山市土地利用結(jié)構(gòu)變化劇烈,耕地、林地和未利用地面積逐年下降,分別下降了255.35、20.02 、43.17 km2,占比分別下降了6.72%、0.47%、1.18%。建設(shè)用地面積增加了339.49 km2,占比增加了8.94%,水域和草地面積基本保持穩(wěn)定。2015—2025年期間,耕地保護(hù)和生態(tài)保護(hù)情景土地利用結(jié)構(gòu)變化相對(duì)緩和,經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景下的土地結(jié)構(gòu)變化最為劇烈,水域和建設(shè)用地面積略有增加,其余用地面積均減少。

3.2 2005—2025年佛山市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化

2005—2015年ESV逐年下降,由183.22億元下降至171.81億元,下降了11.41億元,由于建設(shè)用地?cái)U(kuò)張占用大量耕地和林地造成。從圖6中可以看出,佛山市UESV整體呈現(xiàn)顯著的西高東低、南北兩側(cè)高以及中部低的空間格局特征。西南部和北部UESV高值區(qū)的海拔較高且林地居多,具有較好自然生態(tài)本底條件；東部和中部UESV低值區(qū)的地形平坦,以ESV較低的建設(shè)用地和耕地為主。

圖6 2005—2015年佛山市UESV時(shí)空演變Fig.6 The spatiotemporal evolution of UESV in Foshan from 2005 to 2015

從圖7可知,2015—2025年不同情景的UESV總體變化顯著,其中經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景UESV下降程度相對(duì)較高。從內(nèi)部空間格網(wǎng)來(lái)看,經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景下的格網(wǎng)UESV值變化較大,東部UESV整體呈下降趨勢(shì),主要是政策約束小以及經(jīng)濟(jì)效益驅(qū)動(dòng)造成,給予城市東部生態(tài)環(huán)境造成極大壓力；而北部和西南局部區(qū)域UESV上升,主要是因?yàn)閾碛辛己蒙鷳B(tài)本底條件。在耕地保護(hù)情景下,格網(wǎng)的UESV值變化不大,由于受到嚴(yán)格耕地保護(hù)政策的影響,耕地被占用幾率降低,建設(shè)用地?cái)U(kuò)張也受到一定的制約,因此大部分區(qū)域UESV趨于穩(wěn)定；同時(shí)受到耕地保護(hù)政策的影響,耕地周圍的生態(tài)也會(huì)受到相應(yīng)的保護(hù),因此部分林地區(qū)域表現(xiàn)為UESV上升。在生態(tài)保護(hù)情景下,格網(wǎng)總體UESV值變化不大,主要是因?yàn)榱值卦趪?yán)格的生態(tài)保護(hù)政策下極少被占用,而建設(shè)用地?cái)U(kuò)張未能保護(hù)耕地免于被侵占,因此局部表現(xiàn)為下降。

從圖8可知,2005—2015年佛山市供給服務(wù)價(jià)值呈逐年下降趨勢(shì),共下降1.95億元,2015—2025年三種情景下,生態(tài)保護(hù)情景的供給服務(wù)價(jià)值略有提升,共增長(zhǎng)0.05億元,受到生態(tài)保護(hù)政策影響,林地較少被侵占,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升促使供給服務(wù)價(jià)值有所提升；其余兩種情景由于城市發(fā)展侵占林地或者耕地導(dǎo)致原材料生產(chǎn)和食物生產(chǎn)服務(wù)價(jià)值下降。2005—2015年調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值呈逐年下降趨勢(shì),共下降5.02億元,2015—2025年三種情景下,調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值均略有提升,主要是土地利用結(jié)構(gòu)更為均衡,其中生態(tài)保護(hù)情景的服務(wù)價(jià)值提升程度最大。2005—2015年佛山市支持服務(wù)價(jià)值呈逐年下降趨勢(shì),共下降4.08億元,2015—2025年三種情景下,耕地保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景下的支持服務(wù)價(jià)值略有下降,分別下降了1.43億元和0.99億元,而生態(tài)保護(hù)情景增長(zhǎng)了0.04億元。前兩種情景未能有效重視生態(tài)用地保護(hù),因此服務(wù)價(jià)值有所下降。2005—2015年佛山市文化服務(wù)價(jià)值呈逐年下降趨勢(shì),共下降0.36億元,2015—2025年三種情景下,生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景下的文化服務(wù)價(jià)值略有上升,分別上升了0.30億元和0.20億元,耕地保護(hù)情景減少了0.36億元。耕地保護(hù)情景下的耕地被嚴(yán)格管控,林地、草地被大量占用,美學(xué)景觀功能未能得到有效發(fā)揮。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系特征

為探究佛山市不同情景下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,本文以3 km格網(wǎng)單元為評(píng)價(jià)單元,獲取三個(gè)情景下每個(gè)格網(wǎng)單元單一服務(wù)的UESV,然后進(jìn)行SPSS相關(guān)性分析、雙變量全局自相關(guān)分析。Person相關(guān)系數(shù)大于0,說(shuō)明不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間則呈現(xiàn)為協(xié)同特征,系數(shù)越大,表明在時(shí)間上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同關(guān)系越顯著；反之,則表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系。從耕地保護(hù)、生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展三個(gè)情景下的Pearson相關(guān)系數(shù)和雙變量全局自相關(guān)Moran′s I指數(shù)來(lái)看,佛山市的供給、調(diào)節(jié)、支持和文化服務(wù)在不同情景下表現(xiàn)出一致的協(xié)同關(guān)系,并且經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景下協(xié)同關(guān)系最顯著。從Pearson系數(shù)可知,顯著程度為供給-支持>調(diào)節(jié)-文化>支持-文化>供給-文化>調(diào)節(jié)-支持>供給-調(diào)節(jié)；從Moran′s I指數(shù)可知,空間上協(xié)同關(guān)系顯著程度為供給-支持>支持-文化>供給-文化>供給-調(diào)節(jié)>調(diào)節(jié)-支持>調(diào)節(jié)-文化,具體結(jié)果如表4所示.

圖8 2005—2025年供給、調(diào)節(jié)、支持與文化ESV變化Fig.8 Changes of ESV in supply, regulation, support and culture from 2005 to 2025a、b、c分別為耕地保護(hù)、生態(tài)保護(hù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展

表4 2025年佛山市不同情景4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)分析結(jié)果

為深入了解佛山市不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在內(nèi)部空間上協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系的分異特征,本研究引入雙變量局部自相關(guān)分析法進(jìn)行細(xì)化分析。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景的時(shí)空協(xié)同關(guān)系顯著性最強(qiáng),因此以經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景的UESV為基礎(chǔ)單元表征生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系。從圖9可知,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系的空間集聚特征總體較為顯著。供給、調(diào)節(jié)、支持和文化四種服務(wù)在空間上主要表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系,分布在佛山市西南部和東部區(qū)域,局部表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系,主要分布在三水區(qū)東部和高明區(qū)東北部區(qū)域。其中供給-調(diào)節(jié)、供給-文化、供給-支持、調(diào)節(jié)-文化、調(diào)節(jié)-支持和支持-文化表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系的格網(wǎng)數(shù)目分別為267、304、392、277、347和304；表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系的格網(wǎng)數(shù)目為27、26、44、53、89和26。東北部的協(xié)同關(guān)系表現(xiàn)為低低集聚,主要由于建設(shè)用地?cái)?shù)量較高以及城市迅速向外擴(kuò)展導(dǎo)致；西南地區(qū)協(xié)同關(guān)系表現(xiàn)為高高集聚特征,是因?yàn)楦呙鲄^(qū)林地?cái)?shù)量較多,生態(tài)本底質(zhì)量較高；表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系的格網(wǎng)零散分布各區(qū),大多處于林地等生態(tài)用地外圍區(qū)域,位于建設(shè)用地與林地、耕地之間,由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展破壞穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),導(dǎo)致呈現(xiàn)出權(quán)衡特征。

圖9 2025年佛山市經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)局部LISA圖Fig.9 The local LISA diagram of 4 ecosystem services under economic development scenario of Foshan in 2025

4 結(jié)論與討論

4.1 討論與建議

4.1.1提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的城市土地利用管理建議

佛山市ESV呈逐年下降趨勢(shì),反映了城市化和人類干預(yù)等因素造成土地利用格局的不合理性,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成一定的負(fù)面效應(yīng)[39]。林地、耕地和建設(shè)用地是影響ESV變化的主要類型,林地等農(nóng)業(yè)資源面臨嚴(yán)重威脅[40]。因此,在快速城市化過(guò)程中,需要加強(qiáng)耕地和林地等能提供較高ESV的用地保護(hù),避免城市建設(shè)用地?cái)偞箫炇降臒o(wú)序擴(kuò)張,同時(shí)政府應(yīng)更重視土地集約利用水平提升和環(huán)境保護(hù)工作。2025年耕地保護(hù)情景ESV低于經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景,與歐陽(yáng)曉等[41]結(jié)果不一致。這是由于耕地保護(hù)情景的約束對(duì)象是所有耕地,假設(shè)所有耕地不被侵占這一參數(shù)設(shè)置過(guò)于苛刻,破壞了城市和生態(tài)系統(tǒng)自身的規(guī)律,城市生態(tài)系統(tǒng)引發(fā)更為嚴(yán)重的負(fù)面效應(yīng)[42]。生態(tài)保護(hù)情景的ESV高于耕地保護(hù)情景,主要是生態(tài)保護(hù)情景以基本農(nóng)田和林地作為約束對(duì)象,并未將所有耕地納入約束條件,政策干預(yù)力度相對(duì)較小,合理地優(yōu)化了結(jié)構(gòu)和布局,因此生態(tài)保護(hù)情景ESV更高。在快速城市化區(qū)域,耕地保護(hù)的政策不能過(guò)于嚴(yán)苛,在嚴(yán)守耕地紅線的前提下,可適當(dāng)對(duì)低質(zhì)量、散亂的耕地進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整,以實(shí)現(xiàn)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。就快速城市化區(qū)域中的國(guó)土空間規(guī)劃和生態(tài)修復(fù)等政策而言,未來(lái)不僅要重視農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和生態(tài)用地保護(hù),還要提升建設(shè)用地集約利用水平、嚴(yán)格控制基本農(nóng)田數(shù)量以及合理優(yōu)化生態(tài)安全格局。同時(shí),城鎮(zhèn)化建設(shè)中還需建立生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制,通過(guò)實(shí)施生態(tài)補(bǔ)償項(xiàng)目來(lái)提升區(qū)域ESV。此外,因地制宜設(shè)計(jì)相關(guān)政策、合理調(diào)整土地利用方式,注重城市的合理開(kāi)發(fā)和有序建設(shè),實(shí)現(xiàn)快速城市化區(qū)域建設(shè)開(kāi)發(fā)和生態(tài)保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

4.1.2權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系及尺度效應(yīng)分析

ESV是表征生態(tài)安全程度的重要性指標(biāo),準(zhǔn)確科學(xué)評(píng)估其價(jià)值,對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能以及過(guò)程調(diào)節(jié)和優(yōu)化,統(tǒng)籌優(yōu)化生態(tài)安全格局具有重要意義。厘清生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在不同情景與尺度下協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系更是提升生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的前提。本文關(guān)于調(diào)節(jié)、支持與文化服務(wù)之間的協(xié)同關(guān)系結(jié)果與他人研究成果基本一致[43],但供給服務(wù)與其他服務(wù)之間均表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系,與部分學(xué)者的結(jié)果不同[44],尚且需更多深入研究進(jìn)行驗(yàn)證。主要是由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系表現(xiàn)顯著的空間異質(zhì)性,不同區(qū)域權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系不同,對(duì)于此消彼長(zhǎng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),在不同區(qū)域可能會(huì)表現(xiàn)協(xié)同關(guān)系[45]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評(píng)估方法也不一致,目前多數(shù)運(yùn)用的InVEST模型提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估的精確度,但由于方法模型和參數(shù)的不足,不能方便計(jì)算總體ESV的空間變化[46],而本文利用價(jià)值當(dāng)量法計(jì)算ESV,由于評(píng)估機(jī)制不一致,內(nèi)涵和結(jié)果也會(huì)有所差別,同時(shí)人地環(huán)境系統(tǒng)的時(shí)空異質(zhì)性和多樣性導(dǎo)致價(jià)值轉(zhuǎn)移泛化而形成誤差[47]。由于圖幅限制并盡可能凸顯佛山市ESV的內(nèi)部異質(zhì)性,選擇3 km的評(píng)價(jià)單元,然而權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系具有明顯復(fù)雜的尺度效應(yīng),如城市群、區(qū)域以及城市尺度存在一定差異[48],同時(shí)也與自然要素的空間異質(zhì)性以及不同利益方的需求差異息息相關(guān),不同尺度下的利益群體對(duì)同類服務(wù)具有不同選擇結(jié)果[49],因此權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系可以相互轉(zhuǎn)化,造成與其他學(xué)者結(jié)果在一定程度上不相符。由于整體上的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系趨于一致,所以需要更深入分析內(nèi)部空間異質(zhì)性,以便結(jié)合局部特征因地制宜制定生態(tài)保護(hù)政策。局部產(chǎn)生權(quán)衡關(guān)系,表明區(qū)域土地利用在一定程度上存在著競(jìng)爭(zhēng)和博弈關(guān)系,經(jīng)濟(jì)發(fā)展、糧食生產(chǎn)和生態(tài)保護(hù)之間存在一定的沖突[50]?？茖W(xué)劃定城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)邊界、基本農(nóng)田和生態(tài)保護(hù)紅線,緩和建設(shè)用地的無(wú)序擴(kuò)張、提升區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展,從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的統(tǒng)一。

4.1.3不足與展望

采用多情景模擬預(yù)測(cè)的方法分析不同情景下佛山市土地利用變化對(duì)ESV的影響,并利用相關(guān)系數(shù)法和雙變量自相關(guān)分析法研究4種服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系不夠全面,未來(lái)可以將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)種類和情景進(jìn)行更細(xì)化、多樣化劃分。此外,在模擬預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用時(shí),具有一定的客觀局限性,例如耕地保護(hù)情景下的耕地被嚴(yán)格保護(hù),不受城市擴(kuò)張影響,生態(tài)保護(hù)情景下的基本農(nóng)田和林地不受城市化影響這一設(shè)計(jì)過(guò)于僵化,與實(shí)際情況有一定差距。雖然結(jié)果在一定程度上會(huì)夸大和縮小,但仍能反映不同政策設(shè)計(jì)影響下土地利用對(duì)ESV的影響總體趨勢(shì)。未來(lái)可基于基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)和生態(tài)紅線劃定結(jié)果,并結(jié)合實(shí)際情況修正,更為準(zhǔn)確探究不同情景下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)土地利用變化的響應(yīng)特征。同時(shí)加強(qiáng)ESV及其權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的尺度效應(yīng)的內(nèi)部機(jī)理和相互作用機(jī)制進(jìn)行分析,制定合理的土地利用政策,尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)良好的雙贏局面,可為決策者和利益相關(guān)者提供可行的政策方案和科學(xué)的決策依據(jù),為國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略提供有效的支撐。

4.2 結(jié)論

(1)在2005—2025年快速城市化過(guò)程中,佛山市土地利用格局變化明顯,建設(shè)用地?cái)U(kuò)張態(tài)勢(shì)顯著；林地、草地以及耕地等農(nóng)用地?cái)?shù)量呈下降趨勢(shì),而建設(shè)用地面積逐年增加,水域保持相對(duì)穩(wěn)定。2025年生態(tài)保護(hù)和耕地保護(hù)情景下的土地利用變化程度比經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景更緩和,人類活動(dòng)、政策干預(yù)對(duì)土地利用格局影響顯著。

(2)2005—2015年ESV整體呈下降趨勢(shì),共減少11.41億元,2015—2025年經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景下的ESV下降趨勢(shì)比耕地保護(hù)和生態(tài)保護(hù)情景明顯。2000—2025年各時(shí)期的UESV空間分布特征總體一致,呈現(xiàn)顯著的西高東低、南北兩側(cè)高中部低空間格局特征,佛山市東部和北部區(qū)域的ESV呈持續(xù)下降趨勢(shì),應(yīng)引起重視。

(3)就供給、調(diào)節(jié)、支持與文化4種單項(xiàng)ESV而言,2005—2015年總體呈下降趨勢(shì),分別下降1.95、5.02、4.08、0.36億元。2015—2025年期間,耕地保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景下的部分單項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值有所下降,而生態(tài)保護(hù)情景下的各項(xiàng)ESV均有上升。因此,制定和落實(shí)快速城市化區(qū)域生態(tài)補(bǔ)償、生態(tài)修復(fù)等生態(tài)保護(hù)政策,并加強(qiáng)區(qū)域生態(tài)保護(hù)力度,對(duì)于協(xié)調(diào)區(qū)域生態(tài)平衡、維持生態(tài)系統(tǒng)健康和促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。

(4)時(shí)間上,2025年不同情景下佛山市各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系表現(xiàn)一致,均存在明顯的協(xié)同作用,經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景下協(xié)同關(guān)系最顯著。空間上,西南和東北區(qū)域“高高協(xié)同”和“低低協(xié)同”的格網(wǎng)集聚特征明顯,但各格網(wǎng)數(shù)量和分布位置不同；局部區(qū)域表現(xiàn)為“高低權(quán)衡”和“低高權(quán)衡”關(guān)系,零散分布于建設(shè)用地與林地、耕地之間的格網(wǎng),各格網(wǎng)數(shù)量均有差異。研究結(jié)論可為快速城市化區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能調(diào)控和生態(tài)安全格局構(gòu)建提供一定的思路。