梁 晨,曾 堅(jiān),2,*,沈中健,王倩雯

1 天津大學(xué)建筑學(xué)院,天津 300072 2 中國(guó)城市科學(xué)研究會(huì)韌性城市專業(yè)委員會(huì),北京 100835

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)形成并維持人類賴以生存的環(huán)境條件與效用,是連接自然生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的紐帶[1]。由于城市化在多尺度驅(qū)動(dòng)環(huán)境變化,改變地表景觀結(jié)構(gòu)、生態(tài)過(guò)程以及生態(tài)功能[2],導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)受到重要影響[3],其衰退與變異現(xiàn)象引起廣泛關(guān)注。不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在動(dòng)態(tài)演變中具有相互干預(yù)機(jī)制[4- 5],呈現(xiàn)了差異化的空間分布與權(quán)衡協(xié)同關(guān)系,進(jìn)而形成復(fù)雜的格局并直接影響人居環(huán)境質(zhì)量。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)級(jí)聯(lián)效應(yīng)(Ecosystem services cascade, ESC)強(qiáng)調(diào)了從景觀結(jié)構(gòu)過(guò)程到人類惠益的多尺度鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)[6]。然而,當(dāng)前大量研究從國(guó)家、省域、流域等宏觀尺度探討了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分異和權(quán)衡協(xié)同關(guān)系[7- 9],中微觀尺度研究的匱乏限制了對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)一步認(rèn)知。此外,已有研究指出,城鎮(zhèn)化過(guò)程的人工干預(yù)并不是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)退化的必要條件[10],因此需要進(jìn)一步剖析二者關(guān)聯(lián)并探究引導(dǎo)管控方法。然而,城市化與生態(tài)環(huán)境之間呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性交互關(guān)系,同時(shí)具有顯著的階段性和空間差異性[11],現(xiàn)有研究多以均質(zhì)城市化為假設(shè)前提分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的演變規(guī)律,該范式一定程度上促進(jìn)了生態(tài)規(guī)劃實(shí)踐中廣泛運(yùn)用的宏觀分區(qū)管控思路的形成[12- 13]。需要指出在目前國(guó)土空間規(guī)劃精細(xì)化管理的語(yǔ)境下,現(xiàn)有技術(shù)成果表現(xiàn)出空間細(xì)分度不夠、決策缺乏依據(jù)兩點(diǎn)不足,造成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的應(yīng)用程度不高。因此,引入城市化空間的細(xì)分識(shí)別可以為深度揭示二者的交互作用規(guī)律和科學(xué)管控提供支撐。

綜上所述,本文聚焦于中微觀尺度上典型的快速城市化地區(qū),以廈門市為研究對(duì)象,基于有關(guān)模型計(jì)算生境質(zhì)量、土壤保持、水源涵養(yǎng)、溫度調(diào)節(jié)、雨澇調(diào)蓄和游憩休閑六類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),旨在探究各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布與權(quán)衡協(xié)同特征,并進(jìn)一步揭示異質(zhì)性城市化格局中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)構(gòu)成規(guī)律,基于空間細(xì)分的方法提出市域生態(tài)分區(qū)管控方案與決策模式。研究結(jié)果對(duì)我國(guó)新時(shí)期國(guó)土生態(tài)空間的精細(xì)化管理有指導(dǎo)作用。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域

廈門市位于福建省東南部,是閩三角地區(qū)中心城市,地處117°53′—118°26′ E,24°23′—24°54′ N之間,屬于南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。全市由廈門島等島嶼與陸域兩部分組成,包括6個(gè)行政轄區(qū),陸地面積1699.39 km2,海域面積約390 km2(圖1)。由于區(qū)位優(yōu)勢(shì)突出,廈門成為區(qū)域重要經(jīng)濟(jì)與交通樞紐,自改革開(kāi)放以來(lái)經(jīng)歷了快速城市化過(guò)程,從島內(nèi)東南一隅逐步擴(kuò)展到陸域,其建設(shè)用地在1980—2018年從142.84 km2增加到477.85 km2。城市化在促進(jìn)廈門人口集聚與經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)侵占大量生態(tài)資源,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的快速衰退[14],人地系統(tǒng)矛盾突出,具有研究的代表性。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究采用的數(shù)據(jù)包括土地利用、DEM、遙感影像、夜間燈光、凈初級(jí)生產(chǎn)力、氣象、人口空間分布、地理要素和興趣點(diǎn)(POI)數(shù)據(jù),具體情況見(jiàn)下表(表1)。

表1 研究數(shù)據(jù)來(lái)源

2 研究方法

本文的研究框架包括三個(gè)層次(圖2)：在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)選擇和計(jì)算的基礎(chǔ)上;分別從空間分布特征、權(quán)衡協(xié)同格局兩方面分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的格局特征,進(jìn)而通過(guò)城市化過(guò)程的空間細(xì)分識(shí)別探究生態(tài)系統(tǒng)服的空間構(gòu)成規(guī)律；最終在細(xì)分單元水平上綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平和城市化階段提出生態(tài)空間管控策略。

圖2 研究技術(shù)框架Fig.2 The framework of this studyESs：生態(tài)系統(tǒng)服務(wù) Ecosystem services

2.1 空間細(xì)分網(wǎng)格尺度選擇

空間異質(zhì)性是生態(tài)系統(tǒng)的普遍特征[15],為了在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與城市化過(guò)程耦合分析中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)匹配,引入空間網(wǎng)格作為輔助。網(wǎng)格分析在生態(tài)學(xué)、地理學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,通過(guò)設(shè)定適宜的網(wǎng)格尺寸可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的空間特征分析,并為管控提供明確指向。網(wǎng)格尺度的選擇決定對(duì)下墊面信息的提取程度,因此香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)可以作為信息采樣的衡量指標(biāo)。為了避免依賴經(jīng)驗(yàn)判斷導(dǎo)致的網(wǎng)格尺度選擇誤差,本文基于500—1500 m的范圍以100 m為步長(zhǎng),通過(guò)Fragstats 4.2.1分別計(jì)算廈門土地利用的SHDI。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果比較,選擇采樣SHDI平均值顯著提高(信息提取充分)以及網(wǎng)格尺寸最小(提高分析精度)的1000 m作為網(wǎng)格分析尺度,借助ArcGIS 10.2生成采樣網(wǎng)格,并通過(guò)其分區(qū)均值統(tǒng)計(jì)工具批量化提取柵格信息。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估與分析方法

2.2.1單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估

參考前人研究[14,16- 17]并結(jié)合廈門市域?qū)嶋H情況,從6個(gè)方面展開(kāi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估,其中考慮了日益突出的極端氣候影響[18- 19],通過(guò)溫度調(diào)節(jié)與雨澇調(diào)蓄測(cè)度其氣候調(diào)節(jié)水平。

(1)生境質(zhì)量

InVEST模型中的生境質(zhì)量模塊通過(guò)自然棲息地受到的人工干擾程度計(jì)算生境質(zhì)量水平,基于InVEST 3.8.6平臺(tái),將林地、草地、水域、濕地定義為生境[20],其他用地定義為非生境,同時(shí)將城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、公路和鐵路定義為生境脅迫要素,生態(tài)保護(hù)區(qū)以廈門現(xiàn)行總體規(guī)劃為準(zhǔn),根據(jù)模型手冊(cè)確定模型的各類參數(shù)。計(jì)算公式如下

(1)

式中,Qxj為地類j中柵格x的生境質(zhì)量指數(shù)；Hj為地類j的生境適宜度；Dxj為地類j中柵格x的生境退化度；k為半飽和常數(shù),即退化度最大值的一半；z為模型默認(rèn)參數(shù)。

(2)土壤保持

通過(guò)土壤侵蝕模型衡量土壤保持服務(wù)的水平,為了克服USLE模型在地形方面的局限[21],引入修正的通用土壤流失方程RUSLE模型。計(jì)算公式如下：

A=R·K·L·S·C·P

(2)

式中,A為土壤侵蝕指數(shù)(t hm-2a-1)；R為降雨侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1a-1)；K為土壤可蝕性因子(t h MJ-1mm-1)；LS為坡長(zhǎng)坡度因子；C為植被覆蓋和管理因子；P為水土保持措施因子。上述各個(gè)指標(biāo)計(jì)算參考了前人有關(guān)方法[21- 23]。

(3)水源涵養(yǎng)

水源涵養(yǎng)服務(wù)表現(xiàn)為植被截留降水、增強(qiáng)土壤下滲、抑制蒸發(fā)、緩和地表徑流和增加降水等功能。本文以生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)能力指數(shù)[24]作為水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)指標(biāo),計(jì)算公式如下：

WR=NPPmean·Fsic·Fpre·(1-Fslo)

(3)

式中,WR為生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)能力指數(shù)；NPPmean為年均生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力；Fsic為土壤滲流能力因子,根據(jù)砂土、壤土、黏土滲流能力的強(qiáng)弱分別賦值1、0.67、0.33；Fpre為多年平均降水量,Fsio為坡度值,兩者均做離差標(biāo)準(zhǔn)化處理。

(4)溫度調(diào)節(jié)

城市熱環(huán)境的升溫和熱島現(xiàn)象加劇,很大程度上是由于地表覆被的改變,有研究表明自然生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)植被水體可顯著調(diào)節(jié)溫度[18]。通過(guò)反演地表溫度(Land surface temperature, LST)衡量生態(tài)系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)效能?；谶b感數(shù)據(jù)的劈窗算法、單窗算法和IB算法成為目前被廣泛應(yīng)用,其中單窗算法具有模型簡(jiǎn)易、計(jì)算效率高、所需參數(shù)較少的優(yōu)點(diǎn)。LST反演計(jì)算借鑒了Estoque等[25]的方法,基于8月份少云的Landsat 8 OLI/TIRS影像進(jìn)行輻射亮溫計(jì)算,其中地表比輻射率的計(jì)算參照了高靜等[26]的計(jì)算過(guò)程。

(5)雨澇調(diào)蓄

快速城市化伴隨的土地利用變化改變了自然景觀結(jié)構(gòu)和水文過(guò)程,導(dǎo)致城市暴雨內(nèi)澇問(wèn)題日趨嚴(yán)重。通過(guò)對(duì)暴雨情景下的地表徑流進(jìn)行計(jì)算模擬,評(píng)估現(xiàn)狀生態(tài)系統(tǒng)對(duì)雨水徑流的消納調(diào)蓄功能。主要使用SCS-CN(Soil Conservation Service-Curve Number)模型實(shí)現(xiàn),該模型是美國(guó)農(nóng)業(yè)部水土保持局于1954年基于150多個(gè)小流域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)開(kāi)發(fā)得出的,能夠有效揭示不同土地利用類型對(duì)徑流的影響[19]。根據(jù)廈門市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃,選取50 a一遇暴雨情景進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)降雨量222.91 mm,具體計(jì)算過(guò)程參照Walega等[27]的方法。其中,CN值是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù),是綜合反應(yīng)土壤類型、土地利用現(xiàn)狀、土壤前期濕度的指標(biāo),考慮廈門地形的影響,通過(guò)坡度因子對(duì)其進(jìn)行修正[28]以提高計(jì)算精度。

(6)休閑游憩

生態(tài)空間的覆蓋度決定了其可達(dá)性水平,是評(píng)價(jià)其提供休閑游憩績(jī)效的重要指標(biāo)[29],以高德開(kāi)放平臺(tái)地圖分類編碼中類的風(fēng)景名勝與公園廣場(chǎng)篩選POI數(shù)據(jù)。通過(guò)ArcGIS 10.2的Kernel density工具針對(duì)廈門市公園綠地的POI數(shù)據(jù)進(jìn)行密度計(jì)算。

2.2.2綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估

目前在綜合指標(biāo)聚合中線性加權(quán)法的應(yīng)用最廣泛,由該方法計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的綜合水平,通過(guò)Delphi法確定6類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)重(表2)。

表2 廈門市6類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)重與指標(biāo)性質(zhì)

為消除量綱影響,對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)采用以下公式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化[30]：

正向指標(biāo)：Si=(Xi-minXi)/(maxXi-minXi) 負(fù)向指標(biāo)：Si=(maxXi-Xi)/(maxXi-minXi)

(4)

式中,Si表示原始數(shù)據(jù)Xi的標(biāo)準(zhǔn)化值,minXi表示第i項(xiàng)指標(biāo)的最小值,maxXi表示第i項(xiàng)指標(biāo)的最大值。

2.2.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡協(xié)同分析

目前,學(xué)界普遍將生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)系概括為競(jìng)爭(zhēng)消長(zhǎng)的權(quán)衡、相互增益的協(xié)同和無(wú)關(guān)三類[31]。本文在宏觀與局部?jī)蓚€(gè)尺度上開(kāi)展分析：在宏觀上,通過(guò)分析網(wǎng)格幾何質(zhì)心生成矢量點(diǎn)1580個(gè),對(duì)單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)柵格數(shù)據(jù)分別采樣后,借助SPSS 22平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)性分析,當(dāng)結(jié)果呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)表示權(quán)衡關(guān)系,反之為協(xié)同關(guān)系,雙側(cè)置信度滿足0.01則為強(qiáng)權(quán)衡/協(xié)同,滿足0.05為弱權(quán)衡/協(xié)同,不顯著則表示無(wú)關(guān)[8]。在局部上通過(guò)分析網(wǎng)格提取單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均值后,借助GeoDa 1.14平臺(tái)中的雙變量空間自相關(guān)分析模塊,可以進(jìn)一步揭示權(quán)衡協(xié)同的空間格局,具體計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[17]。根據(jù)局部空間關(guān)聯(lián)性指標(biāo)(Local indicators of spatial association, LISA),同質(zhì)的“高—高”集聚及“低—低”集聚特征均表示協(xié)同關(guān)系,異質(zhì)的集聚則表示權(quán)衡關(guān)系,其他為不相關(guān)。

2.3 城市化過(guò)程的識(shí)別方法

城市化過(guò)程可以從時(shí)空兩個(gè)維度進(jìn)行識(shí)別,即未來(lái)擴(kuò)張的可能性(適宜性)和現(xiàn)狀空間的開(kāi)發(fā)程度[11],通過(guò)二者的疊加判定目標(biāo)單元的城市化階段和趨勢(shì)。

2.3.1城市擴(kuò)張概率計(jì)算

由于城市化過(guò)程的高度動(dòng)態(tài)性、綜合性與復(fù)雜性,有典型的灰箱特征,借助非線性方法在擴(kuò)張動(dòng)態(tài)的模擬和識(shí)別中可取得較好效果[32]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial neural networks, ANNs)是一種模仿生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(如人腦)行為特征進(jìn)行分布式并行信息處理的算法[33],該模型能夠通過(guò)多次學(xué)習(xí)記憶迭代,學(xué)習(xí)和擬合輸入數(shù)據(jù)與訓(xùn)練目標(biāo)之間的復(fù)雜關(guān)系,在非線性地理問(wèn)題模擬預(yù)測(cè)中取得了較好效果[34]。在ANNs模型中包括輸入層、隱藏層和輸出層上的多個(gè)神經(jīng)元構(gòu)成,通過(guò)每個(gè)柵格單元中輸入空間要素信息以及輸出的土地利用類型,采用Sigmoid函數(shù)約束模型的輸出,具體計(jì)算公式如下[35]：

S=∑w·V

(5)

(6)

式中：S表示隱藏層中神經(jīng)元獲取的信號(hào),w表示輸入層與隱藏層的適應(yīng)性權(quán)重,而V表示與輸入層神經(jīng)元相關(guān)聯(lián)的變量。

每個(gè)輸出層的神經(jīng)元都對(duì)應(yīng)一種土地利用類型,通過(guò)輸出層的神經(jīng)元可獲得某一土地利用類型出現(xiàn)的概率。通過(guò)ANNs的大量樣本訓(xùn)練,適應(yīng)性權(quán)重得到校準(zhǔn)并可用于預(yù)測(cè)。在輸入層的城市建設(shè)驅(qū)動(dòng)因子方面,劉曉陽(yáng)等[36]通過(guò)隨機(jī)森林算法遴選了閩三角地區(qū)的建設(shè)用地?cái)U(kuò)張驅(qū)動(dòng)因素,參考其成果并結(jié)合廈門實(shí)際情況,選取了自然、社會(huì)、區(qū)位和交通4類18項(xiàng)驅(qū)動(dòng)因素(表3),通過(guò)歸一化處理得到30 m分辨率柵格文件。在輸入層方面,將土地利用類型重分類為建設(shè)用地與非建設(shè)用地兩類。

表3 城市擴(kuò)張概率模擬輸入驅(qū)動(dòng)因素

2.3.2城市開(kāi)發(fā)程度計(jì)算

城市化的本質(zhì)是資源要素集聚的過(guò)程,其空間表現(xiàn)為土地利用類型與格局演變,由自然狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯顟B(tài)。劉紀(jì)遠(yuǎn)[37]基于人類對(duì)土地資源開(kāi)發(fā)的上下限提出了一種通過(guò)不連續(xù)函數(shù)量化土地利用程度的思路。因此,引入該土地利用程度指數(shù)模型計(jì)算所有采樣網(wǎng)格內(nèi)的城市開(kāi)發(fā)程度(表4),計(jì)算公式如下：

表4 土地利用程度分級(jí)賦分表[37]

(7)

式中,LCIm為第m個(gè)網(wǎng)格的土地利用程度指數(shù)；Ami為第m個(gè)網(wǎng)格中土地利用類型i的面積比重；Ci為土地利用類型i的開(kāi)發(fā)程度分值；共n種土地利用類型。

2.3.3城市化過(guò)程判別坐標(biāo)系

基于分析網(wǎng)格采樣得到的擴(kuò)張概率與開(kāi)發(fā)程度樣本,以兩個(gè)指標(biāo)的均值為原點(diǎn)構(gòu)建二維四象限坐標(biāo)系,以橫軸表示開(kāi)發(fā)程度,縱軸表示擴(kuò)張概率,象限Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ依次代表建成單元、潛力開(kāi)發(fā)單元、未開(kāi)發(fā)單元、過(guò)度開(kāi)發(fā)單元,以此為依據(jù)細(xì)分市域城市化過(guò)程的空間異質(zhì)特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布特征

3.1.1單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)格局

廈門市各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布具有顯著差異(圖3)。在生境質(zhì)量方面,高質(zhì)量區(qū)域集中于內(nèi)陸山區(qū)及河湖水系周邊,濱海地區(qū)的高度人工化導(dǎo)致生境質(zhì)量衰退,而海灣地區(qū)生境質(zhì)量明顯高于周邊。在土壤保持方面,大部分地域?qū)儆诜?wù)高值區(qū),圖中顯示土壤侵蝕模數(shù)在內(nèi)陸山地的局部地區(qū)顯著提高；在水源涵養(yǎng)方面,北部林區(qū)的服務(wù)水平整體較高,而石兜水庫(kù)、汀溪水庫(kù)等水源地的服務(wù)能力最突出。在溫度調(diào)節(jié)方面,建成區(qū)服務(wù)能力不足,廈門高溫區(qū)呈枝狀向郊區(qū)蔓延,島外城區(qū)組團(tuán)和填海造陸地區(qū)形成明顯“熱核”。在雨澇調(diào)蓄方面,由于地表覆被差異,內(nèi)陸未開(kāi)發(fā)地區(qū)明顯優(yōu)于建成區(qū),值得注意的是廈門濱海高強(qiáng)度建設(shè)(特別是臨港建設(shè))嚴(yán)重削弱了生態(tài)調(diào)蓄能力,從圖中可見(jiàn)服務(wù)低值區(qū)密集分布在海岸線。在休閑游憩方面,廈門島及海滄、集美、同安等地區(qū)處于服務(wù)高值區(qū),但是服務(wù)覆蓋的均勻性較差?？偟膩?lái)看,生境質(zhì)量、水源涵養(yǎng)、溫度調(diào)節(jié)和雨澇調(diào)蓄服務(wù)均在“陸—?！狈较蛏媳憩F(xiàn)出衰退趨勢(shì),游憩休閑服務(wù)則表現(xiàn)為增強(qiáng)趨勢(shì),土壤保持服務(wù)變化不顯著。

圖3 廈門市六類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間格局Fig.3 Spatial patterns of six ESs of Xiamen

3.1.2綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)格局

聚合單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)得到綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)格局(圖4)。在空間分布上,低值區(qū)(占比23.47%)與建成區(qū)范圍基本重疊并且集中在海岸帶,而高值與中高值區(qū)(占比28.97%)集中于內(nèi)陸山區(qū),為市域生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)提供關(guān)鍵支撐,中值區(qū)與中低值區(qū)(占比47.56%)屬于生態(tài)系統(tǒng)中的“灰色空間”,在城市化過(guò)程中極易被侵蝕后喪失服務(wù)能力。從全市各區(qū)情況來(lái)看(表5),翔安區(qū)和海滄區(qū)的均值同為最低值0.37,廈門制造業(yè)集中在該區(qū)域布局,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生消極影響。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均值最高的是區(qū)劃面積最大的同安區(qū)(0.43),憑借廣闊的生態(tài)腹地具備較高服務(wù)水平。湖里區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平最低(0.31),由于思明區(qū)園林綠化資源多于湖里區(qū),所以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)較高(0.41),然而從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的分布特征來(lái)看,湖里區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差最低,服務(wù)均勻性最強(qiáng),而海滄區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間異質(zhì)性最高。從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的總量來(lái)看,基本與面積呈正相關(guān),島外四區(qū)的綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給占比達(dá)到全域的91.78%,其中同安區(qū)占比44.55%,具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

圖4 廈門市綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)空間格局Fig.4 Spatial pattern of CES of Xiamen

表5 廈門市綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)分區(qū)統(tǒng)計(jì)

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡協(xié)同格局

3.2.1整體權(quán)衡協(xié)同關(guān)系

通過(guò)大量采樣并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析進(jìn)一步探究各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系。Pearson相關(guān)分析結(jié)果表明(表6),六類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間以協(xié)同關(guān)系為主,存在少量權(quán)衡與不相關(guān)現(xiàn)象。在協(xié)同關(guān)系方面,生境質(zhì)量—水源涵養(yǎng)、生境質(zhì)量—溫度調(diào)節(jié)、生境質(zhì)量—雨澇調(diào)蓄、土壤保持—溫度調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)—溫度調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)—雨澇調(diào)蓄、溫度調(diào)節(jié)—雨澇調(diào)蓄七對(duì)服務(wù)表現(xiàn)出強(qiáng)協(xié)同,其中生境質(zhì)量與雨澇調(diào)蓄(0.785**)以及與溫度調(diào)節(jié)(0.616**)具有最高的協(xié)同水平,表明氣候調(diào)節(jié)類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和物種生存環(huán)境的密切聯(lián)系。此外,土壤保持與生境質(zhì)量(0.064*)以及與雨洪調(diào)蓄(0.089*)兩對(duì)服務(wù)表現(xiàn)出弱協(xié)同,未來(lái)隨著城市擴(kuò)張和生態(tài)退化有演變?yōu)闄?quán)衡關(guān)系的可能。此外,結(jié)果還發(fā)現(xiàn)游憩休閑與其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)都表現(xiàn)出較強(qiáng)的權(quán)衡關(guān)系,其中與生境質(zhì)量(-0.370**)以及與雨澇調(diào)蓄(-0.368**)權(quán)衡效應(yīng)最突出,與土壤保持服務(wù)不相關(guān)。結(jié)合圖3可知,休閑游憩服務(wù)集中于城區(qū)內(nèi)部與近郊的公園綠地,內(nèi)陸腹地生態(tài)空間目前提供的休閑服務(wù)有限,因此休閑游憩活動(dòng)與生態(tài)資源的分布呈現(xiàn)倒掛現(xiàn)象。

表6 廈門市六類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相關(guān)性分析結(jié)果

3.2.2局部權(quán)衡協(xié)同關(guān)系

通過(guò)雙變量空間自相關(guān)分析獲得15組計(jì)算結(jié)果(圖5),總的來(lái)說(shuō)水源涵養(yǎng)與雨澇調(diào)蓄具有最高的協(xié)同性,協(xié)同單元達(dá)到1050個(gè),雨澇調(diào)蓄與休閑游憩具有最高的權(quán)衡性,權(quán)衡單元達(dá)到811個(gè)。廈門市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同的空間格局包括三種類型：第一類,協(xié)同主導(dǎo),包括HQ-WC、HQ-TM、HQ-RM、WC-TM、WC-RM、TM-RM六組,其共性特征是空間自相關(guān)格局分明,協(xié)同單元占比在41.18%—61.85%之間,“高—高”集聚分布于內(nèi)陸山區(qū),“低—低”集聚分布于海岸及島內(nèi)建成區(qū),較為清晰的體現(xiàn)了生境質(zhì)量、水源涵養(yǎng)、溫度調(diào)節(jié)和雨澇調(diào)蓄服務(wù)的“陸—?！备窬植町?權(quán)衡現(xiàn)象只在局部零星出現(xiàn)。第二類,權(quán)衡主導(dǎo),包括HQ-RS、SC-RS、WC-RS、TM-RS、RM-RS五組,特征為在內(nèi)陸山區(qū)和廈門島內(nèi)的“高—低”與“低—高”集聚,權(quán)衡單元占比達(dá)到38.10%—45.43%,休閑游憩服務(wù)與其他五類服務(wù)的空間權(quán)衡是主要原因。第三類,混合分布,包括HQ-SC、SC-WC、SC-TM、SC-RM三組,特征為在內(nèi)陸山區(qū)表現(xiàn)協(xié)同關(guān)系,而海岸及島內(nèi)表現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系,其中生境質(zhì)量與土壤保持的空間相關(guān)性較弱,不顯著單元占比達(dá)到71.82%。

圖5 廈門市六類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的雙變量LISA圖Fig.5 Bivariate LISA diagram of six ESs of XiamenHQ：生境質(zhì)量服務(wù) Habitat quality；SC：土壤保持服務(wù) Soil conservation；WC：水源涵養(yǎng)服務(wù) Water conservation；TM：溫度調(diào)節(jié)服務(wù) Temperature mitigation；RM：雨澇調(diào)蓄服務(wù) Runoff mitigation；RS：休閑游憩服務(wù) Recreation service

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在城市化格局中的構(gòu)成

3.3.1城市化過(guò)程的空間格局識(shí)別

通過(guò)計(jì)算擴(kuò)張概率和開(kāi)發(fā)程度實(shí)現(xiàn)城市化過(guò)程空間識(shí)別。選取開(kāi)發(fā)程度和擴(kuò)張概率的均值(2.92,0.39)為原點(diǎn)繪制二維四象限坐標(biāo)系對(duì)廈門全域空間單元進(jìn)行分類(圖6),散點(diǎn)圖中形成“高概率—高開(kāi)發(fā)”和“低概率—低開(kāi)發(fā)”兩個(gè)簇群,對(duì)建成區(qū)和非開(kāi)發(fā)區(qū)有較好的分離度,分類結(jié)果包括建成單元602個(gè)、潛力開(kāi)發(fā)單元231個(gè)、過(guò)度開(kāi)發(fā)單元177個(gè),未開(kāi)發(fā)單元775個(gè)。其中,建成單元主要是城市化完成的地域,與城區(qū)范圍基本吻合,呈現(xiàn)組團(tuán)狀分布,集中于濱海和島內(nèi)區(qū)域；未開(kāi)發(fā)單元屬于未發(fā)生規(guī)模城市化的鄉(xiāng)村地域,集中連片分布于內(nèi)陸腹地包含大量自然要素；潛力開(kāi)發(fā)單元擴(kuò)張概率高但是開(kāi)發(fā)程度低,是近期城市化熱點(diǎn)區(qū),零散分布于市郊,其中翔安區(qū)包含95個(gè)潛力開(kāi)發(fā)單元,為市域最高,此外潛力開(kāi)發(fā)單元多數(shù)與郊區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心或工礦區(qū)臨近；過(guò)度開(kāi)發(fā)單元指在城市發(fā)展現(xiàn)狀條件下擴(kuò)張概率低但是開(kāi)發(fā)程度高,即土地開(kāi)發(fā)超前于城市擴(kuò)張的客觀需求,是一種局部過(guò)度城市化的現(xiàn)象,同安區(qū)包含68個(gè)過(guò)度開(kāi)發(fā)單元,為全市最高,在空間分布上該類單元集中于生態(tài)敏感的灣區(qū)及淺山區(qū)。

圖6 廈門市城市化過(guò)程的空間格局識(shí)別結(jié)果Fig.6 Spatial identification of urbanization process in Xiamen

3.3.2城市化格局中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)構(gòu)成

為進(jìn)一步明確四類城市化空間單元對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的貢獻(xiàn)比重,通過(guò)均值統(tǒng)計(jì)得到結(jié)果(圖7)。從綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)來(lái)看,未開(kāi)發(fā)單元占比最高(31.38%),其次分別是過(guò)度開(kāi)發(fā)單元、潛力開(kāi)發(fā)單元與建成單元。在生境質(zhì)量、水源涵養(yǎng)和雨澇調(diào)蓄服務(wù)方面,未開(kāi)發(fā)單元都具有明顯優(yōu)勢(shì),分別占45.31%、58.20%和39.65%,而建成單元的服務(wù)水平較低,分別占8.34%、7.25%和14.10%。土壤保持與溫度調(diào)節(jié)在四類空間的服務(wù)水平相對(duì)均衡。在休閑游憩方面,建成單元服務(wù)水平最高(48.26%),未開(kāi)發(fā)單元僅貢獻(xiàn)5.58%?？偟膩?lái)看,廈門市域未開(kāi)發(fā)單元的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)平均水平最高,在多項(xiàng)服務(wù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用,而潛力開(kāi)發(fā)單元與過(guò)度開(kāi)發(fā)單元的服務(wù)水平相近,建成單元僅在土壤保持、雨澇調(diào)蓄和休閑游憩表現(xiàn)出一定服務(wù)能力,其他方面基本依賴外部生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)補(bǔ)充,可見(jiàn)高度人工化的空間系統(tǒng)具有明顯生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)短板。

圖7 廈門市四類城市化單元對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的貢獻(xiàn)Fig.7 Contribution of four kinds of urbanization units to ESs in Xiamen

3.4 耦合城市化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的分區(qū)管控策略

3.4.1生態(tài)分區(qū)管控格局

基于城市化異質(zhì)性的空間細(xì)分結(jié)果以及每個(gè)采樣單元內(nèi)綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平的高低(與平均值對(duì)比),進(jìn)一步細(xì)化生態(tài)管控單元分區(qū)。由圖8可見(jiàn),非開(kāi)發(fā)區(qū)的低服務(wù)單元主要位于城鎮(zhèn)近郊區(qū),并且已經(jīng)向山區(qū)滲透,是生態(tài)保護(hù)需重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。潛力開(kāi)發(fā)與過(guò)度開(kāi)發(fā)單元中具備高服務(wù)水平的空間主要分布于城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶,經(jīng)濟(jì)區(qū)位上具有較高價(jià)值,同時(shí)又極其脆弱敏感,這類空間的有效規(guī)劃控制對(duì)廈門市域生態(tài)安全格局起到關(guān)鍵作用。建成單元中的高服務(wù)區(qū)主要得益于廈門城區(qū)公園綠地的建設(shè),然而其中仍有大部分屬于低服務(wù)單元,所以城市建成區(qū)生態(tài)環(huán)境仍需優(yōu)化提升。

圖8 廈門市域生態(tài)分區(qū)管控圖Fig.8 Reginal ecological zoning management map of Xiamen

3.4.2生態(tài)分區(qū)管控決策

統(tǒng)籌考慮空間單元的城市化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)特征,通過(guò)交叉分析獲得廈門市生態(tài)分區(qū)管控決策矩陣(表7),共包括四類單元八種情景的管控策略：(1)建成單元,特征是空間基本飽和且可調(diào)整范圍較小,在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高值區(qū)主要維持現(xiàn)狀生態(tài)空間繼續(xù)發(fā)揮相應(yīng)功能,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)低值區(qū)采用存量修復(fù)的策略,例如增加立體綠化,海綿城市改造等措施可以在有限空間內(nèi)提供可觀的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；(2)潛力開(kāi)發(fā)單元,特征是建設(shè)適宜性高且遠(yuǎn)期建設(shè)調(diào)整的可能性較大,其內(nèi)部的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高值區(qū)往往在城鄉(xiāng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中具有重要作用,應(yīng)降低開(kāi)發(fā)強(qiáng)度對(duì)關(guān)鍵生態(tài)空間進(jìn)行保留,而在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)低值區(qū)可適當(dāng)平衡高值區(qū)的建設(shè)容量,局部提高開(kāi)發(fā)強(qiáng)度；(3)過(guò)度開(kāi)發(fā)單元,特征是土地覆被動(dòng)態(tài)性強(qiáng)且現(xiàn)狀建設(shè)超前于實(shí)際需求,也具備較大調(diào)整空間,在高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域嚴(yán)格限制進(jìn)一步開(kāi)發(fā),保存關(guān)鍵生態(tài)空間,在低生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域著重開(kāi)展受損空間生態(tài)修復(fù),此時(shí)各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系可提供參照,從而精準(zhǔn)彌補(bǔ)生態(tài)短板；(4)未開(kāi)發(fā)單元,特征是以自然生態(tài)屬性為主并在區(qū)域發(fā)揮重要的服務(wù)功能,在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高值區(qū)應(yīng)繼續(xù)生態(tài)保育,涵養(yǎng)自然資源并嚴(yán)格禁止開(kāi)發(fā)建設(shè),同時(shí)對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)低值區(qū),需要采取輔助生態(tài)干預(yù)的手段,優(yōu)化各類生態(tài)要素的關(guān)系,逐步提升其服務(wù)能力。

表7 廈門市生態(tài)分區(qū)管控決策矩陣

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

研究發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)退化最嚴(yán)重的區(qū)域主要分布于廈門濱海集中建設(shè)區(qū),并且此處空間權(quán)衡效應(yīng)最顯著。從空間經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度來(lái)看,濱海地區(qū)的優(yōu)勢(shì)經(jīng)濟(jì)區(qū)位吸引更多的人工開(kāi)發(fā)活動(dòng),進(jìn)而加劇了對(duì)自然環(huán)境中多層次生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的擾動(dòng)。城鎮(zhèn)擴(kuò)張本質(zhì)是經(jīng)濟(jì)效益對(duì)生態(tài)效益的空間置換,在不能有效識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平閾值[1]的條件下,由經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)的城市化過(guò)程具有很強(qiáng)路徑依賴性,極易對(duì)原始生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)不可逆轉(zhuǎn)的破壞。比較典型的是,在廈門城鄉(xiāng)交錯(cuò)地區(qū)的潛力開(kāi)發(fā)單元與過(guò)度開(kāi)發(fā)單元中,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與城市化的矛盾最為突出,與既有研究相符[14]。一方面該地區(qū)屬于典型的生態(tài)交錯(cuò)帶(Ecotone),邊緣效應(yīng)突出,在廈門各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中的貢獻(xiàn)占比較高且較為穩(wěn)定,具備較高生態(tài)價(jià)值；另一方面,該區(qū)域也是城市化中的熱點(diǎn)區(qū),極易受到外部脅迫而喪失原有生態(tài)服務(wù)能力[38]。因此,在市域生態(tài)規(guī)劃中需要著重加強(qiáng)對(duì)城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶的關(guān)注。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的格局識(shí)別旨在通過(guò)認(rèn)識(shí)和掌握生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的復(fù)雜空間關(guān)系與城市化過(guò)程的交互影響規(guī)律,探尋生態(tài)底線保護(hù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的平衡點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)綜合效益最大化。區(qū)別于現(xiàn)行生態(tài)保護(hù)規(guī)劃中宏觀分區(qū)的技術(shù)范式,本文嘗試在細(xì)分空間單元中探究規(guī)律與管控路徑。由于尺度細(xì)分放大了空間異質(zhì)性影響,研究結(jié)果呈現(xiàn)一定程度的碎片化現(xiàn)象,但同時(shí)也有效識(shí)別了傳統(tǒng)廣域分區(qū)中易被忽略的關(guān)鍵生態(tài)管控節(jié)點(diǎn)。在國(guó)土空間規(guī)劃“五級(jí)三類”的體系中,本文提出的方法可以為市縣級(jí)規(guī)劃提供技術(shù)支撐,特別是在詳細(xì)規(guī)劃中,空間細(xì)分可以為城市及鄉(xiāng)村地區(qū)提供更為細(xì)致的參照?？紤]尺度效應(yīng)影響,采用的1000 m采樣與管理網(wǎng)格可以滿足廈門大部分區(qū)域的識(shí)別和分析,但是在不同研究區(qū)域或不同研究目標(biāo)下仍需進(jìn)一步搜尋最優(yōu)分析尺度。此外,由于城市化過(guò)程的動(dòng)態(tài)性與非線性,在時(shí)間截面上的空間識(shí)別結(jié)果不具備外推條件,因此未來(lái)需在時(shí)序研究上繼續(xù)深入。

4.2 結(jié)論

本文以廈門市為研究對(duì)象,在探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分異特征和權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的基礎(chǔ)上,揭示了異質(zhì)性城市化格局中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)構(gòu)成規(guī)律,并基于空間細(xì)分的方法提出市域生態(tài)空間管控方案。主要得出以下結(jié)論：(1)廈門市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在“陸-海”方向上空間分異顯著,島外四區(qū)的綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)總量占全域的91.78%,在平均服務(wù)水平上翔安區(qū)和海滄區(qū)最低,同安區(qū)在總量和均值上均處于首位；(2)六類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間以協(xié)同作用為主,在全局關(guān)系中生境質(zhì)量與雨澇調(diào)蓄以及與溫度調(diào)節(jié)的協(xié)同水平最高,在局部空間關(guān)系中水源涵養(yǎng)與雨澇調(diào)蓄的協(xié)同水平最高且高值區(qū)集中于內(nèi)陸山區(qū),休閑游憩服務(wù)與其他服務(wù)的權(quán)衡效應(yīng)最強(qiáng)；(3)廈門市未開(kāi)發(fā)單元的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)平均水平最高,其生境質(zhì)量、水源涵養(yǎng)和雨澇調(diào)蓄服務(wù)較強(qiáng),建成單元服務(wù)能力最弱,僅在休閑游憩服務(wù)表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì),在市域尺度翔安區(qū)開(kāi)發(fā)潛力最大,同安區(qū)過(guò)度城市化問(wèn)題突出；(4)基于空間細(xì)分單元疊加城市化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)特征,得到廈門市生態(tài)管控分區(qū)圖以及管控決策矩陣,提出了四類單元八種情景的具體管控策略。