陳新云，王 甜，李寶健

(1.國(guó)家林業(yè)和草原局 調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，北京 100714；2.常州工學(xué)院 計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院，江蘇 常州 213032；3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司 管道分公司，河北 廊坊 065000)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各種效益，包括有助于提升人類福祉或維持地球生命的產(chǎn)品和服務(wù)[1-2]。過(guò)去幾十年里，因人口增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程加快帶來(lái)的如糧食、水、燃料等自然資源的短缺，迫使人類以前所未有的強(qiáng)度和速度改變著地球生態(tài)系統(tǒng)[1,3-4]。生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估報(bào)告認(rèn)為，全球超過(guò)60%的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)已經(jīng)或正在發(fā)生退化，進(jìn)而影響了當(dāng)前和未來(lái)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給[1]。人類活動(dòng)導(dǎo)致的土地利用變化是影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的決定因素之一，其中，某些特定的土地利用類型與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)密切相關(guān)，如生態(tài)系統(tǒng)的氣候調(diào)節(jié)和水土保持服務(wù)主要由森林提供，因此，探討土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系一直是各國(guó)科學(xué)家和決策者們關(guān)注的重點(diǎn)[5-7]。

近年來(lái)，土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的影響研究已取得一定進(jìn)展[8-10]。有研究表明，耕地的集約化會(huì)導(dǎo)致碳儲(chǔ)量的減少和土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)的增加，而以經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)先作為優(yōu)化目標(biāo)的城市化以及建設(shè)用地的增加會(huì)破壞地表水平衡并影響區(qū)域氣候[11-12]。也有研究發(fā)現(xiàn)，土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響因社會(huì)經(jīng)濟(jì)背景和時(shí)空尺度而存在較大差異，這主要是由于人類需求的多樣化和時(shí)空異質(zhì)性導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間出現(xiàn)更為復(fù)雜的相互作用[13]。此外，土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系證明了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估在指導(dǎo)土地利用規(guī)劃和生態(tài)系統(tǒng)管理方面的重要性[14]。具體而言，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估可用于評(píng)價(jià)、比較和選擇不同土地利用情景下的土地利用規(guī)劃方案，例如，D.A.Shoemakeretal[15]利用多層次的城市增長(zhǎng)模型模擬了2030年不同情景下的土地利用，并與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估模型相結(jié)合探討了城市格局與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡。Y.Wuetal[11]提出了自然演變、農(nóng)田保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)3種情景，并探討了6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)土地利用時(shí)空變化的響應(yīng)特征。盡管土地利用時(shí)空格局的模擬能有效地預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用的發(fā)展軌跡并支持土地利用決策的制定，但多數(shù)研究只是模擬每個(gè)地類的演變過(guò)程，不同的土地利用/土地覆蓋變化過(guò)程在多數(shù)情況下會(huì)相互作用[10]。因此，本研究提出了集成馬爾可夫鏈(Markov chain)與FLUS模型的“交互耦合”模型，該模型不僅可以解決不同土地利用類型之間的相互競(jìng)爭(zhēng)作用，也能使土地利用需求預(yù)測(cè)與局部變化分配相結(jié)合，有效地處理自然過(guò)程和人類活動(dòng)影響下各種土地利用類型相互轉(zhuǎn)化的不確定性和復(fù)雜性[16-17]。

北京市西北部生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)具有豐富的景觀結(jié)構(gòu)、生境類型和自然資源，其土地利用的變化必然對(duì)首都的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和居民福祉有著潛在的重要影響。因此，本研究以北京市西北部生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)為例，結(jié)合土地利用預(yù)測(cè)模型FLUS和馬爾可夫鏈(Markov chain)以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估模型InVEST，探討2015-2030年不同發(fā)展情景下的土地利用變化如何影響生態(tài)系統(tǒng)固碳和產(chǎn)水量服務(wù)。內(nèi)容包括：1)基于FLUS模型和馬爾可夫鏈預(yù)測(cè)2030年自然演變、生態(tài)控制和城市發(fā)展情景下的土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)；2)評(píng)估2015-2030年3種發(fā)展情景下的固碳和產(chǎn)水量服務(wù)的時(shí)空變化特征；3)揭示土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的潛在影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

北京市西北部生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)(39°31′-41°04′N，115°24′-117°29′E)涵蓋北部和西部的山區(qū)，總面積約11 247 km2(圖1)。最高海拔2 291 m，最低海拔11 m。該區(qū)屬典型的溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量達(dá)576.71 mm，主要發(fā)生在6-8月，年平均溫度2.5℃～13.4℃。本區(qū)包括北京最重要的山區(qū)、水源涵養(yǎng)地和基本農(nóng)田等核心的生態(tài)用地，生態(tài)系統(tǒng)類型多樣，生物多樣性豐富。自20世紀(jì)末以來(lái)，該地區(qū)經(jīng)歷了快速土地利用轉(zhuǎn)型和土地利用政策，導(dǎo)致了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的退化，如區(qū)域碳儲(chǔ)存損失和供水和凈化能力下降[18-19]。近年來(lái)，北京市政府將生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)列為北京市可持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域。

圖1 北京市西北部生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)位置Fig.1 The map of the ecological conservation area in Beijing

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本研究用到的數(shù)據(jù)主要包括：高程數(shù)據(jù)(DEM)來(lái)源于全國(guó)地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)(http://www.webmap.cn/)。氣象數(shù)據(jù)，來(lái)源于國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)，主要有年降水量、月降水量、溫度和日照時(shí)數(shù)等(http://www.geodata.cn)。土壤屬性、根系限制層深度和200 cm深度植物枯萎點(diǎn)的有效土壤含水量數(shù)據(jù)，來(lái)源于世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(Harmonized World Soil Database，http://webarchive.iiasa.ac.at/Research/LUC/External-World-soil-database/)。植被蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，主要來(lái)源于聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織FAO的在線目錄(http://www.fao.org/3/X0490E/x0490e0b.htm)。土地利用數(shù)據(jù)是2000年和2015年生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)，采用歐陽(yáng)志云等[20]提出的生態(tài)系統(tǒng)分類體系，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和重分類，最終將土地利用類型分為7類：草地、水域、農(nóng)田、建設(shè)用地、未利用地、林地和灌木林地。利用Arcgis10.3軟件將所有空間數(shù)據(jù)的分辨率重采樣為30 m，投影坐標(biāo)系統(tǒng)一為(Beijing_1954_3_Degree_GK_CM_ 114E)。

1.3 情景設(shè)定與土地利用預(yù)測(cè)

1.3.1 情景設(shè)定 基于對(duì)2000-2015年土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因素和北京市政府實(shí)施的土地利用政策的分析，提出了3種土地利用情景：自然演變情景、生態(tài)控制情景和城市快速發(fā)展情景，并將2015年的土地利用數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行土地利用的模擬。

1.3.1.1 自然演變情景 主要是基于過(guò)去研究區(qū)土地利用的轉(zhuǎn)變速率持續(xù)保持不變的假設(shè)而構(gòu)建的，其人口、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)革新的發(fā)展趨勢(shì)將繼續(xù)與目前的狀況保持一致，因此，土地利用變化率被認(rèn)為與2000-2015年的年度變化一致，選擇馬爾可夫模型來(lái)模擬土地利用需求量。此外，本情景假設(shè)氣候變量的年均溫和降水量與當(dāng)前保持一致。

1.3.1.2 生態(tài)控制情景 主要是保障研究區(qū)的生態(tài)功能，保護(hù)環(huán)境質(zhì)量安全，以生態(tài)效益優(yōu)先作為優(yōu)化目標(biāo)，強(qiáng)化生態(tài)控制區(qū)的保護(hù)。根據(jù)《北京市總體規(guī)劃(2016-2035年)》的要求，主要以保護(hù)密云水庫(kù)、自然保護(hù)區(qū)、基本農(nóng)田、公園綠地等生態(tài)區(qū)域?yàn)橹?，控制建設(shè)用地規(guī)模，減少經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)環(huán)境的影響。

1.3.1.3 城市快速發(fā)展情景 將充分發(fā)揮經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出潛力較高的土地利用效益，以研究區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)。在這種背景下，人口、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)將快速增長(zhǎng)，交通水利建設(shè)用地面積迅速擴(kuò)大。此外，由于人口對(duì)糧食的需求不斷增長(zhǎng)，農(nóng)田面積的下降幅度較其他情景小。

1.3.2 土地利用預(yù)測(cè)模型 首先利用FLUS模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(ANN)獲取各類用地的適宜性概率，通過(guò)元胞自動(dòng)機(jī)(CA)模型提高模型的適用性，其次通過(guò)馬爾可夫鏈(Markov chain)獲取2030年各用地類型需求量，并設(shè)置鄰域權(quán)重參數(shù)、成本矩陣及限制發(fā)展區(qū)等相關(guān)參數(shù)完成對(duì)2030年土地利用情景的模擬。從現(xiàn)有文獻(xiàn)中選取土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因素作為預(yù)測(cè)變量進(jìn)行檢驗(yàn)(圖2)[21-23]，主要計(jì)算模塊如下：

1.3.2.1 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的適宜性概率計(jì)算 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(ANN)包括預(yù)測(cè)和訓(xùn)練階段，由輸入層、隱含層和輸出層組成，其計(jì)算公式為:

(1)

式中，sp(p,k,t)為t時(shí)間和p柵格下第k種土地利用類型適宜性概率；wjk為輸出層與隱含層之間的權(quán)值；Sigmoid()是從隱含層到輸出層的激勵(lì)函數(shù)；netj表示第j個(gè)隱藏柵格p在t時(shí)刻接收到的信號(hào)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法輸出的各土地利用類型適宜性概率之和均為1，即：

∑ksq(p,k,t)=1

(2)

(3)

(4)

(5)

1.3.3 模型驗(yàn)證 通過(guò)模擬2000-2015年的土地利用變化，測(cè)試和比較FLUS模型的性能，其他輸入包括模擬參數(shù)、空間限制區(qū)域和適宜性概率數(shù)據(jù)。本研究以2000年土地利用空間分布圖為模擬基準(zhǔn)圖，在FLUS模型中運(yùn)行得到2015年土地利用模擬分布圖，使用Kappa系數(shù)和FoM系數(shù)來(lái)評(píng)估模型的可靠性，以衡量模擬結(jié)果與實(shí)際土地利用數(shù)據(jù)之間的一致性[24-25]。該模型的總體精度為83.25%，Kappa值和FoM值分別為0.756和0.314，說(shuō)明該模型參數(shù)符合精度要求，可以用于預(yù)測(cè)未來(lái)的土地利用格局。因此，使用2015年的有效參數(shù)和土地利用分布圖，預(yù)測(cè)2030年3種情景下土地利用分布情況。

1.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的量化

選取InVEST 3.7.0版本的固碳和產(chǎn)水量服務(wù)模塊，基于2015年和2030年不同情景下的土地利用數(shù)據(jù)，定量評(píng)估北京市生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[26-27]。每個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)基于已發(fā)布的共享數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.4.1 固碳服務(wù) 根據(jù)土地利用當(dāng)前時(shí)間段內(nèi)的碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)，利用InVEST 3.7.0的“碳儲(chǔ)存和封存：氣候調(diào)節(jié)”工具，對(duì)每個(gè)情景的碳儲(chǔ)量進(jìn)行計(jì)算。該模型使用土地利用地圖和特定分類匯總了4個(gè)主要碳庫(kù)中的碳儲(chǔ)量：地上生物量、地下生物量、土壤和死亡有機(jī)物[28]。土地利用類型j中柵格單元(x，y)的總碳CSjxy公式為：

CSjxy= Ax (Cajxy+Cbjxy+Csjxy+Cdjxy)

(6)

式中，Cajxy、Cbjxy、Csjxy、和Cdjxy分別是土地利用類型j中柵格單元(x，y)的地上碳密度/(Mg·hm-2)、地下碳密度/(Mg·hm-2)、土壤有機(jī)碳密度/(Mg·hm-2)和死亡有機(jī)物碳密度/(Mg·hm-2)。本研究假設(shè)碳在土地覆蓋變化期間會(huì)立即變化。

1.4.2 產(chǎn)水量服務(wù)

1.4.2.1 評(píng)估模型 利用InVEST 3.7.0模型的“季節(jié)產(chǎn)水量”模塊，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格單元的年降水量(mm)、土壤最大根系埋藏深度(mm)、植物可利用水含量(0%～1%)、年平均潛在蒸散發(fā)量(mm)、土地利用[29-31]。土地利用類型x上每個(gè)柵格單元的年產(chǎn)水Yx的計(jì)算公式如下：

Yx=(1-AETx/Px)·Px

AETx/Px=(1+PETx/Px)-[(1+(PETx/Px)ω]1/ω

PETx=Kx·ET0/Px

ωx=Z·AWCx/Px+1.25

AWCx=Min(SoilDepth，RootDepth)·PAWC

(7)

式中，AETx表示柵格x的年實(shí)際蒸散量，Px為柵格x的年降水量，AETx/Px為土地利用類型的植被蒸散發(fā)，PETx為潛在蒸散量，ωx為自然氣候-土壤性質(zhì)的非物理參數(shù)，ET0為柵格單元x的參考作物蒸散，Kx為柵格單元x中特定土地利用/覆被類型的植物蒸散系數(shù)，AWCx為土壤有效含水量，PAWC為植物可利用含水率(0%～1%)。

1.4.2.2 模型參數(shù)的選擇Z值為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，又稱“季節(jié)常數(shù)”，能夠表征區(qū)域降雨分布及其他水文地質(zhì)特征，參考北京地區(qū)的相關(guān)文獻(xiàn)，取Z值為4.02[31-32]。根據(jù)中國(guó)植被類型分布圖，研究區(qū)的土地利用類型主要有草地、水域農(nóng)田、建設(shè)用地、未利用地、林地和灌木林地等類型，參考相關(guān)文獻(xiàn)和InVEST模型使用手冊(cè)中的研究結(jié)果，確定各土地利用類型的植被蒸散指數(shù)Kc(表1)[33-35]。

表1 不同土地利用類型的植被蒸散指數(shù)KcTable 1 The plant evapotranspiration coefficient (Kc) of different land use types

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化特征

生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)在2015-2030年不同情景下的土地利用變化特征有較大差異(表2和圖3)。林地和灌木林地是研究區(qū)最主要的土地利用類型，在2015年，其面積分別占研究區(qū)總面積的44.14%和32.10%，其次是農(nóng)田(8.36%)以及建設(shè)用地(6.38%)，主要分布在研究區(qū)的西部和東部邊緣地區(qū)。此外，水域和未利用地面積所占比例均較小，均占5%以下。在2015-2030年城市快速發(fā)展情景下，土地利用變化的主要特征是建設(shè)用地的快速擴(kuò)張，相對(duì)于2015年，城市快速發(fā)展情景的建設(shè)用地增加了39.57%，遠(yuǎn)高于自然演變情景和生態(tài)控制情景的15.10%和2.86%。農(nóng)田和水域在2015-2030年自然演變情景的下降幅度最大，均高于20%。在2030年的生態(tài)控制情景下，建設(shè)用地和林地面積的變化較為穩(wěn)定，相對(duì)于2015年，分別增加了2.86%和3.10%，農(nóng)田的減少率低于自然演變情景和城市快速發(fā)展情景(-8.74%)。

表2 研究區(qū)2015-2030年3種情景下土地利用變化Table 2 Land use changes from 2015 to 2030 under three scenarios in ecological conservation area

注：(a)：2015年；(b)：自然演變情景；(c)：生態(tài)控制情景；(d)：城市快速發(fā)展情景。下同。圖3 2015和2030年3種情景下的土地利用覆蓋Fig.3 Land use maps from 2015 to 2030 underthree scenarios

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化特征

2.2.1 固碳服務(wù) 研究區(qū)碳儲(chǔ)量的最大值是生態(tài)控制情景下的99.53×106Mg，最小值是城市快速發(fā)展情景下的96.31×106Mg，相對(duì)于2015年的98.36×106Mg，分別變化了1.17×106Mg和-2.05×106Mg(表3)。從土地利用類型的碳儲(chǔ)量及其變化特征可以看出，林地?fù)碛凶畲蟮奶純?chǔ)量，其中，生態(tài)控制情景下林地的碳儲(chǔ)量最大(66.80×106Mg)，相對(duì)于2015年增加了1.27×106Mg，其余如水域、建設(shè)用地和未利用地的碳儲(chǔ)量均為0。就空間分布特征來(lái)看，生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)中部主要分布的是森林和灌木林地，其碳儲(chǔ)量較為豐富，西側(cè)的延慶城區(qū)和東部邊緣地區(qū)主要分布著建設(shè)用地和農(nóng)田，碳儲(chǔ)量相對(duì)較少，因此可以看出，碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)出中部多東西偏少的基本分布格局(圖4)。結(jié)合研究區(qū)地形地貌特征來(lái)看，高水平的碳儲(chǔ)量主要分布在海拔相對(duì)較高的區(qū)域，而地勢(shì)較為平緩的區(qū)域碳儲(chǔ)量也相對(duì)較少(圖1)。

圖4 2015年-2030年3種情景下的碳儲(chǔ)量空間分布格局Fig.4 Spatial distribution of carbon storage from 2015 to 2030 under three scenarios

表3 研究區(qū)2015-2030年3種情景下的碳儲(chǔ)量及其變化情況Table 3 The variation ofcarbon storage from 2015 to 2030 under three scenarios ×106Mg

2.2.2 產(chǎn)水量服務(wù) 研究區(qū)產(chǎn)水量的最大值是城市快速發(fā)展情景下的362.50×107m3，最小值是生態(tài)控制情景下的361.5×107m3，相對(duì)于2015年的361.08×107m3，分別變化了1.42×107m3和0.42×107m3(表4)。從土地利用類型的產(chǎn)水量及其變化特征來(lái)看，林地?fù)碛凶畲蟮漠a(chǎn)水量，其中，在生態(tài)控制情景下的林地產(chǎn)水量最大(161.13×107m3)，相對(duì)于2015年增加了5.27×107m3。城市快速發(fā)展情景下的建設(shè)用地產(chǎn)水量為36.81×107m3，相對(duì)于2015年增加量最大(9.98×107m3)。從產(chǎn)水量的分布特征來(lái)看，研究區(qū)產(chǎn)水量呈現(xiàn)出南高北低以及中部低東部和西部偏高的基本分布格局(圖5)。結(jié)合研究區(qū)的地形地貌特征來(lái)看，高產(chǎn)水量區(qū)域主要分布在海拔相對(duì)較低的區(qū)域，而地勢(shì)較高的區(qū)域產(chǎn)水量也相對(duì)較少(圖1)。此外，城市和農(nóng)田被確定為提供產(chǎn)水量服務(wù)的熱點(diǎn)地區(qū)。

圖5 2015-2030年3種情景下的產(chǎn)水量空間分布Fig.5 Spatial distribution of water yield from 2015 to 2030 under three scenarios

表4 研究區(qū)2015-2030年3種情景下的產(chǎn)水量及其變化情況Table 4 The variation of water yieldfrom 2015 to 2030 under three scenarios ×107 m3

2.3 土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響

從生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)2015-2030年土地利用與碳儲(chǔ)量和產(chǎn)水量的變化特征來(lái)看，碳儲(chǔ)量與產(chǎn)水量變化同各用地類型的面積變化具有一定關(guān)系(表5)。從單位面積變化對(duì)碳儲(chǔ)量影響的絕對(duì)量來(lái)看，灌木林地的影響強(qiáng)度在城市快速發(fā)展情景中達(dá)到最大，其面積每減少1 km2，碳儲(chǔ)量損失3.91×104Mg。從單位面積變化對(duì)產(chǎn)水量影響的絕對(duì)量而言，未利用地的影響強(qiáng)度在自然演變情景中最大，其面積每減少1 km2，產(chǎn)水量減少4.93×105m3。對(duì)比各用地類型面積增減幅度以及與碳儲(chǔ)量和產(chǎn)水量的變化關(guān)系發(fā)現(xiàn)，盡管面積同碳儲(chǔ)量和產(chǎn)水量呈正相關(guān)關(guān)系，但面積增減僅意味著碳儲(chǔ)量和產(chǎn)水量的增減，其增減幅度并不能表征碳儲(chǔ)量和產(chǎn)水量的增減幅度。

表5 2015-2030年3種情景下土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響Table 5 Impacts of land use changes on ecosystem services under three scenarios from 2015 to 2030

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

利用FLUS模型耦合馬爾可夫鏈(Markov chain)模擬了2030年自然演變、生態(tài)控制和城市快速發(fā)展情景下的土地利用分布，并探討了2015-2030年3種土地利用3種情景下的土地利用變化如何影響固碳和產(chǎn)水量服務(wù)。

北京市西北部生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)2015-2030年的土地利用變化程度因不同情景而出現(xiàn)較大差異，其中，相對(duì)于2015年，城市快速發(fā)展情景的建設(shè)用地面積增加了39.57%，生態(tài)控制情景下的建設(shè)用地和林地面積的變化較為穩(wěn)定，分別增加了2.86%和3.10%，農(nóng)田的減少率低于自然演變情景和城市快速發(fā)展情景(-8.74%)。

研究區(qū)內(nèi)碳儲(chǔ)量和產(chǎn)水量的最大值分別出現(xiàn)在生態(tài)控制情景(99.53×106Mg)和城市快速發(fā)展情景(362.50×107m3)。林地?fù)碛凶畲蟮奶純?chǔ)量和產(chǎn)水量，其中，生態(tài)控制情景下的碳儲(chǔ)量(66.80×106Mg)和產(chǎn)水量(161.13×107m3)最大。碳儲(chǔ)量在生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)的中部較為豐富，在西側(cè)的延慶城區(qū)和東部邊緣地區(qū)的建設(shè)用地和農(nóng)田較少，而產(chǎn)水量呈現(xiàn)出東部和西部偏高其余地區(qū)偏低的分布格局。高水平的碳儲(chǔ)量主要分布在海拔相對(duì)較高的區(qū)域，而高水平的產(chǎn)水量區(qū)域主要分布在相對(duì)較低的區(qū)域。

碳儲(chǔ)量與產(chǎn)水量變化同各用地類型的面積變化具有一定關(guān)系，其中，灌木林地單位面積變化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響強(qiáng)度在城市快速發(fā)展情景中最大，未利用地單位面積變化對(duì)產(chǎn)水量的影響強(qiáng)度在自然演變情景中最大。

3.2 討論

3.2.1 土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響 研究結(jié)果顯示，在2015和2030年的3種情景中，生態(tài)控制情景下的林地面積占比最大，其單位面積的碳儲(chǔ)量最高，建設(shè)用地、水域和未利用地的碳儲(chǔ)量為0，說(shuō)明林地作為固碳服務(wù)的重要供給區(qū)，對(duì)生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)至關(guān)重要。此外，城市快速發(fā)展情景下的碳儲(chǔ)存總量最小，主要是由于建設(shè)用地并不是有效的碳庫(kù)，其面積的擴(kuò)張會(huì)導(dǎo)致諸如農(nóng)田和林地等面積的減少[36]。

林地、灌木林地和草地的單位面積產(chǎn)水量較低，而建設(shè)用地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的單位面積產(chǎn)水量較高，這與竇攀烽等[37]的研究結(jié)果相一致。有研究表明，產(chǎn)水量主要受植被的蒸散作用、根系深度和下滲過(guò)程的影響，而建設(shè)用地屬于不透水地表，其蒸散量和下滲水量都較小，降水到達(dá)地表后易迅速形成徑流，其產(chǎn)水量高于其他土地利用地類型，因此，建設(shè)用地面積在城市快速發(fā)展情景下最大，進(jìn)而增加了產(chǎn)水總量[38]。盡管如此，降水到達(dá)不透水地表后易快速形成徑流進(jìn)入城市下水道，難以被人類利用，因此，水資源的有效供給也會(huì)受技術(shù)因素的影響[38]。農(nóng)田的植被蒸散量與森林和草地類似，但由于根系深度和植被密度等原因，農(nóng)田的下滲水量明顯小于森林和草地，因此，農(nóng)田的單位面積產(chǎn)水量高于森林和草地。

土地利用類型面積的擴(kuò)大或縮小會(huì)導(dǎo)致區(qū)域碳儲(chǔ)量和產(chǎn)水量不同程度的增加或減少，該結(jié)論是基于每個(gè)用地類型內(nèi)部均質(zhì)的假定，僅從各用地類型量變的角度進(jìn)行了研究，并未考慮質(zhì)的差別，如果將用地類型內(nèi)部的差別考慮在內(nèi)，土地用地類型面積的變化不一定能夠產(chǎn)生同面積等量的碳儲(chǔ)量和產(chǎn)水量的變化，如林地每增加1 km2，碳儲(chǔ)量不一定新增0.14×104Mg。

3.2.2 模型優(yōu)點(diǎn)與局限性 本研究方法主要包括土地利用的情景模擬和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估，其優(yōu)點(diǎn)是為探討土地利用變化對(duì)3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響提供了一種可供借鑒的方法，該方法對(duì)于其他地區(qū)的研究也是有效的。此外，InVEST模型被認(rèn)為是適用于多個(gè)尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估，可較為直觀地表達(dá)評(píng)估結(jié)果[26,28]。同時(shí)，InVEST模型也存在一些局限性，首先，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評(píng)估結(jié)果過(guò)于依賴土地利用分類，如本研究將土地利用類型分為7個(gè)大類，每個(gè)土地利用類型的內(nèi)部均被假定為均質(zhì)的，并沒(méi)有考慮內(nèi)部的異質(zhì)性[39]。例如，森林的碳儲(chǔ)量受溫度、海拔、降雨和森林年齡結(jié)構(gòu)的影響，而在劃分較為粗糙的土地利用類型中，碳儲(chǔ)量的異質(zhì)性特征被部分掩蓋了。其次，盡管土地利用數(shù)據(jù)是由30 m分辨率的遙感影像解譯而來(lái)，但土壤、降水、溫度等模型參數(shù)數(shù)據(jù)均來(lái)源于1 000 m分辨率的數(shù)據(jù)源，因此，數(shù)據(jù)的不匹配增加了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估的不確定性[9]。此外，“季節(jié)性產(chǎn)水量”模塊是基于年平均數(shù)據(jù)，忽略了極端情況，沒(méi)有考慮季節(jié)性的供水時(shí)間模式[40]。

3.2.3 政策建議 根據(jù)2000-2015年的土地變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)了2030年自然演變情景下的土地利用狀況，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了生態(tài)控制和城市快速發(fā)展2種土地利用情景。針對(duì)《北京城市總體規(guī)劃(2016-2035年)》中對(duì)森林、水域和農(nóng)田的保護(hù)規(guī)劃，本研究在城市快速發(fā)展和生態(tài)控制情景的設(shè)置中禁止將水庫(kù)、自然保護(hù)區(qū)和國(guó)家森林公園轉(zhuǎn)換為其他用地。結(jié)果表明，與自然演變情景相比，建設(shè)用地的擴(kuò)張?jiān)谏鷳B(tài)控制情景下將得到有效控制。此外，生態(tài)控制情景是具有更可持續(xù)性的發(fā)展策略，因?yàn)槠鋵?030年人類為滿足生產(chǎn)、生活和其他需求所需的土地考慮在內(nèi)，因此，加強(qiáng)自然資源保護(hù)規(guī)劃和調(diào)控的實(shí)施，是緩解生態(tài)系統(tǒng)退化的有效途徑。

此外，本研究識(shí)別了固碳和產(chǎn)水量服務(wù)及其響應(yīng)土地利用變化的熱點(diǎn)區(qū)域，為維持和加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護(hù)提供了有效的參考意見(jiàn)。例如，土地利用變化結(jié)果表明，如按自然演變情景和城市快速發(fā)展情景，農(nóng)田和水域在接下來(lái)的幾十年將大面積的減少，而建設(shè)用地將大幅度的增加，這也為如何防止?jié)撛诘某鞘袩o(wú)序擴(kuò)張以及保護(hù)基本農(nóng)田提供了依據(jù)[41]。西部的延慶城區(qū)以及東部邊緣地帶適當(dāng)?shù)脑黾恿值睾娃r(nóng)田將促進(jìn)固碳和產(chǎn)水量服務(wù)的區(qū)域空間平衡，因此，多種管理策略指導(dǎo)土地利用和其他資源(如糧食，石油和技術(shù))的分配顯得尤為必要。此外，盡管城市的產(chǎn)水量較大，但大部分降水進(jìn)入城市下水道后難以被人類利用，因此，如何有效利用降水和提高水資源的有效供應(yīng)是關(guān)鍵。最后，建議政策制定者應(yīng)采取多樣化的土地管理策略來(lái)指導(dǎo)不同情景下的土地資源的配置，從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)利用。