城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的影響研究進(jìn)展及對(duì)長(zhǎng)江流域的啟示

官冬杰,和秀娟,周李磊

(1.重慶交通大學(xué) 智慧城市學(xué)院,重慶 400074;2.重慶社會(huì)科學(xué)院 生態(tài)與環(huán)境資源研究所,重慶 400020;3.北九州市立大學(xué) 國(guó)際環(huán)境工學(xué)部,北九州 808-0135,日本)

0 引 言

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流是指在一定時(shí)間尺度內(nèi)具有流動(dòng)性、傳遞性的某種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在不同空間區(qū)域內(nèi)的動(dòng)態(tài)過程[1]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流作為當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估、權(quán)衡協(xié)同和空間異質(zhì)性研究的綜合和延伸,是連接生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求必不可少的紐帶,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的輸送、轉(zhuǎn)化和維持至關(guān)重要[2]。近年來,隨著城市人口及建設(shè)規(guī)模的增長(zhǎng),城市蔓延程度越來越嚴(yán)重,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系日趨緊張[3],這種緊張關(guān)系不僅體現(xiàn)在總量和時(shí)空分異上,更體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流通過傳遞載體逐漸增強(qiáng)的消耗/損失過程[4]。但目前,由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流傳遞載體的差異性和人類參與影響機(jī)理的復(fù)雜性,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在較大空間范圍內(nèi)的流動(dòng)路徑和轉(zhuǎn)移規(guī)律難以捕抓和量化,為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展帶來了挑戰(zhàn)。

當(dāng)前,已經(jīng)有不少學(xué)者在流域尺度上開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流定量化和模型模擬研究,為進(jìn)一步的深入研究奠定了良好基礎(chǔ)。但是對(duì)城市蔓延過程中,大流域尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動(dòng)路徑和擴(kuò)散效應(yīng)等空間屬性和空間位置之間影響機(jī)理的研究尚不成熟,亟待開展流域尺度下城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流影響研究的總結(jié)與展望。基于過程視角,模擬城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的影響,能夠厘清產(chǎn)品與服務(wù)在自然生態(tài)系統(tǒng)與人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)之間的流動(dòng)路徑和空間范圍,揭示城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動(dòng)路徑的影響機(jī)理及擴(kuò)散效應(yīng),對(duì)促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有較高的科學(xué)意義。

筆者研究目的是歸納城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流影響研究的進(jìn)展。首先,基于城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動(dòng)路徑的影響機(jī)理、城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流過程影響的模擬和城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的擴(kuò)散效應(yīng)等研究?jī)?nèi)容對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行綜合分析。然后,總結(jié)已有研究對(duì)長(zhǎng)江流域的啟示。最后,提出長(zhǎng)江流域城市可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流合理分配優(yōu)化方案思路。

1 研究進(jìn)展

1.1 城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動(dòng)路徑的影響機(jī)理

城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的影響主要表現(xiàn)在傳遞載體和流動(dòng)路徑兩個(gè)方面。在傳遞載體上,城市蔓延導(dǎo)致水資源需求量和污染物排放量增加,嚴(yán)重影響水作為載體的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流變化,如淡水供給服務(wù)流減少,洪水調(diào)節(jié)服務(wù)流和土壤保持服務(wù)流降低[5];在城市蔓延促進(jìn)農(nóng)業(yè)集約化發(fā)展的過程中,農(nóng)業(yè)機(jī)械和農(nóng)藥化肥的投入增加引起土壤板結(jié)、穩(wěn)定性降低,使土壤載體功能受損[6];此外,城市蔓延過程中,不透水面的擴(kuò)張限制了綠地植物的生長(zhǎng)空間,使土壤維持植物生長(zhǎng)的功能和固碳的功能受到影響,嚴(yán)重影響土壤作為載體的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流變化,如文化服務(wù)流和碳固持服務(wù)流減少[7]。城市蔓延引起空氣質(zhì)量降低、大氣污染指數(shù)增加,嚴(yán)重影響空氣載體傳遞速度,阻礙了防風(fēng)固沙服務(wù)和碳吸收服務(wù)的流動(dòng)[8]。在流動(dòng)路徑上,主要影響流向、流速和流量3種屬性特征的變化[2]。在流向上,城市蔓延改變了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流傳遞的原路徑,如修建交通基礎(chǔ)設(shè)施和大壩等工程,阻斷了流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的路徑[9];城市蔓延過程中,人口數(shù)量的增加使文化服務(wù)承載了更大的壓力,但是文化服務(wù)流的方向沒有發(fā)生改變[10]。在流量上,城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流量存在雙向影響,城市蔓延造成建筑用地增加導(dǎo)致洪水調(diào)節(jié)服務(wù)、土壤保持服務(wù)和防風(fēng)固沙服務(wù)流量減少[11];但常住人口增加促使防風(fēng)固沙和土壤保持服務(wù)流量增加[12]。在流速上,城市蔓延降低生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的流速,如畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖等降低了水環(huán)境凈化流速[13](表1)。

表1 城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的影響Table 1 The impact of urban sprawl on the ecosystem service flows

研究表明,城市蔓延通過地類改變和人類參與需求,影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流。即城市蔓延程度越強(qiáng),對(duì)淡水供給、水源涵養(yǎng)、氣候調(diào)節(jié)、洪水調(diào)節(jié)和土壤保持服務(wù)流影響越強(qiáng),通過影響局地蒸散量,減少水的供給,增加淡水需求,改變徑流過程;城市蔓延程度越強(qiáng),植被覆蓋率降低,對(duì)碳吸收能力減弱,改變服務(wù)流向,增加碳空間流動(dòng)量;城市蔓延程度越強(qiáng),人口數(shù)量增加,想去參觀文化景觀的訪客增加,使交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加強(qiáng)的同時(shí)公眾偏好的休閑服務(wù)需求增加,未改變服務(wù)流的方向,增加了服務(wù)流速和流量。

1.2 城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流過程影響的模擬

城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流過程影響的模擬是當(dāng)前生態(tài)環(huán)境與人類活動(dòng)耦合關(guān)聯(lián)研究中的重點(diǎn)和難點(diǎn),城市蔓延模型和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流模型的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流定量化研究進(jìn)展[14]。城市蔓延的模擬主要基于人口增長(zhǎng)、土地利用變化、交通建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和政策制定等影響因素,通過統(tǒng)計(jì)模型參數(shù)設(shè)置,發(fā)展耦合模型進(jìn)行多情景、多目標(biāo)和多尺度的模擬,提高了城市蔓延的模擬能力,如LUSD-urban,FLUS,Logistic-CA-Markov和USSA模型[15]。但上述模型在利用多源數(shù)據(jù)的模擬精度方面還存在有待提高之處。全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是近年來出現(xiàn)的一種深度學(xué)習(xí)方法,其在圖像識(shí)別、分類與模擬等方面有更高的精度。但少有研究利用全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息抓取的全面性,構(gòu)建更為客觀的特征圖譜對(duì)城市蔓延進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流模型為有效模擬生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的流動(dòng)過程提供了一種新的途徑。基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的概念框架,學(xué)術(shù)界對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流模型有兩種理解(圖1)。一種是揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流“最終效用”的量化模型,該模型通過統(tǒng)計(jì)相關(guān)關(guān)系量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給、流量以及需求。大多借助于較為成熟和適用性強(qiáng)的InVEST、SWAT和SolVES等生態(tài)模型。最為典型的是耦合土地利用評(píng)估法、InVEST或SWAT模型,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)淡水供給、水源涵養(yǎng)和碳固持等關(guān)鍵服務(wù)供需匹配關(guān)系進(jìn)行模擬[16];耦合環(huán)境-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)多維指標(biāo)體系和空間自相關(guān)模型,量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需流的空間分布[17];耦合SolVES和多種空間統(tǒng)計(jì)模型,模擬文化服務(wù)空間容量-流量-平衡的條件[18]。這些模型揭示了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需流之間的量化關(guān)系,推進(jìn)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流在供需匹配和位置表達(dá)上的進(jìn)展,但是仍存在一定的不足,如耦合土地利用評(píng)估法的動(dòng)態(tài)性不足,因?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)具有異質(zhì)性,難以通過套用的系數(shù)衡量不同區(qū)域?qū)嶋H的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的空間分布;InVEST模型SolVES模型中的一些假定和算法的簡(jiǎn)化使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需流的空間分布模擬結(jié)果具有一定的局限性,如碳儲(chǔ)量和碳匯模塊對(duì)碳循環(huán)過程的過度簡(jiǎn)化,使碳固持服務(wù)流的模擬結(jié)果受到影響[19];SWAT模型缺乏下墊面條件動(dòng)態(tài)模擬模塊,難以體現(xiàn)城市蔓延等地表特征對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的影響;耦合空間統(tǒng)計(jì)模型和多維指標(biāo)模型刻畫生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流則涉及大量的數(shù)據(jù),且難以體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的過程;問卷調(diào)查法和專家咨詢法的主觀性比較高,且受到現(xiàn)實(shí)條件的限制。另一種是揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)“流動(dòng)路徑”的過程模型,該模型利用因果關(guān)系量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)從產(chǎn)生、流動(dòng)到消費(fèi)的全過程[20]。最為典型的是服務(wù)路徑屬性網(wǎng)絡(luò)[21](service path attribution networks,SPANs)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(又稱貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò),Bayesian belief networks,BBNs)。SPANs使用人工智能技術(shù)的模型研究框架,分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)從供給區(qū)到受益區(qū)的流動(dòng)[22]。但該模型的運(yùn)行過程包含大量的參數(shù),需要根據(jù)SPANs模型概念框架篩選出量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)“供給-流-需求”的參數(shù),結(jié)合研究區(qū)域差異進(jìn)行本地化處理(表 2)。

圖1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流模型研究總結(jié)Fig.1 Summary of research on ecosystem service flows models

BBNs作為機(jī)器學(xué)習(xí)語言,能夠在有限的、不完整的和不確定的信息條件下進(jìn)行學(xué)習(xí)和推理生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間流動(dòng)過程。SPANs-BBNs模型通過耦合SPANs模型概念框架和BBNs模型,實(shí)現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流在供給容量、流動(dòng)路徑和流量需求的有機(jī)結(jié)合,具有機(jī)理性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn),能夠模擬生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流通過傳遞載體到最終效用的過程。如,LI Delong等[23]通過簡(jiǎn)化SPANs-BBNs模型模擬了產(chǎn)水服務(wù)的流動(dòng)路徑;曾莉等[24]利用SPANs-BBNs模型,對(duì)水源涵養(yǎng)服務(wù)流傳遞過程進(jìn)行模擬和評(píng)估。但由于不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流傳遞載體影響機(jī)理復(fù)雜,導(dǎo)致量化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動(dòng)路徑和空間范圍差異顯著。如依靠水流為載體,評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)從供給區(qū)到需求區(qū)的服務(wù)流動(dòng)[25];以主風(fēng)向?yàn)檩d體,可視化服務(wù)流傳輸路徑并量化服務(wù)流[26]。

表2 SPANs模型概念框架本地化Table 2 Localizing the conceptual framework of the SPANs model

綜上所述,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間流動(dòng)影響過程模型的構(gòu)建需要根據(jù)多維度集成耦合模式框架,以串聯(lián)不同載體場(chǎng)模塊為第1模型,模擬不同載體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的流向、流速和流量;以SPANs-BBNs模擬模塊為第2模型,耦合不同載體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動(dòng)路徑作為子節(jié)點(diǎn),模擬不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需流各父節(jié)點(diǎn)的條件概率分布;以USSA模擬模塊作為第3模型,將城市蔓延模擬結(jié)果耦合到第2模型中各節(jié)點(diǎn)分布相關(guān)聯(lián)的條件概率表中,集成貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,預(yù)測(cè)未來不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的概率分布,才能夠有效模擬城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)“供給-流向-耗散-盈余/赤字-消費(fèi)”完整流動(dòng)過程的影響(圖2)。

1.3 城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的擴(kuò)散效應(yīng)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動(dòng)具有典型的跨區(qū)域擴(kuò)散效應(yīng),只有明確生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在較大空間范圍內(nèi)的流動(dòng)和轉(zhuǎn)移規(guī)律,才能準(zhǔn)確地劃定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的供給范圍和使用范圍,揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的生態(tài)屏障作用。按照流擴(kuò)散效應(yīng)方向,B.FISHER等[27]將其歸納為3類：①“原位服務(wù)流”,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求空間重合;②“有方向性服務(wù)流”,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求發(fā)生在供給區(qū)周圍一定地域內(nèi);③“無方向性連接服務(wù)流”,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給區(qū)和需求區(qū)涉及全球。按照流擴(kuò)散效應(yīng)范圍,W.R TURNER等[28]將其分為鄰近模型、全球模型和基于地形的模型。除此之外,H.M.SERNA-CHAVEZ等[29]引入服務(wù)空間流動(dòng)可達(dá)范圍概念進(jìn)行了分類。由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流空間傳遞載體的差異,不同類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流可從局地、區(qū)域到全球尺度間流動(dòng),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流類型的劃分為評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的擴(kuò)散效應(yīng)提供了重要依據(jù)。

城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流在研究區(qū)內(nèi)部以及研究區(qū)外部的受益區(qū)都會(huì)產(chǎn)生效應(yīng),分別稱為域內(nèi)擴(kuò)散效應(yīng)和域外擴(kuò)散效應(yīng)[30]。目前,對(duì)于域內(nèi)擴(kuò)散效應(yīng)研究較多,對(duì)域外擴(kuò)散效應(yīng)研究較少。如,U.SCHIRPKE等[31]在全球和區(qū)域尺度上評(píng)估了阿爾卑斯山區(qū)6項(xiàng)關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動(dòng)效應(yīng),以更好地理解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的跨區(qū)域轉(zhuǎn)移;J.KLEEMANN等[32]測(cè)算出德國(guó)出口40%的洪水調(diào)節(jié)服務(wù)在鄰國(guó)下游國(guó)家,揭示了跨境流擴(kuò)散效應(yīng);D.J.SEMMENS等[33]通過遠(yuǎn)距離衰減函數(shù)和基準(zhǔn)集水池建模,揭示文化服務(wù)流的遠(yuǎn)距離耦合效應(yīng)。當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流跨區(qū)域擴(kuò)散范圍的界定是空間效應(yīng)評(píng)估的重點(diǎn)和難點(diǎn),其主要瓶頸是在流動(dòng)路徑刻畫中,城市蔓延引起流的損失/耗散難以表征和量化。

圖2 城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間流動(dòng)影響過程模型構(gòu)建Fig.2 Construction of the process model of the impact of urban sprawl on the spatial flow of ecosystem services

2 主要研究發(fā)現(xiàn)

目前的研究主要關(guān)注城市蔓延時(shí)空格局、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需流量化、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流傳遞路徑模擬以及城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流域內(nèi)效應(yīng)評(píng)估等方面,在研究對(duì)象上主要關(guān)注淡水供給、水源涵養(yǎng)、碳固持、氣候調(diào)節(jié)和文化景觀服務(wù)。

在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動(dòng)路徑的影響機(jī)理方面,城市蔓延通過載體傳遞和流動(dòng)路徑兩方面影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流,使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的流量、流速和流向發(fā)生改變。例如,研究表明,城市蔓延導(dǎo)致淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的總量減少了25.7%[34],生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的最高區(qū)域位于城市周邊[35],有管理城市蔓延情景下,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的流量增加18.5%～56.0%[11],人為活動(dòng)對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的干預(yù)強(qiáng)度逐年增大[36]。

城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流影響過程耦合模型有3個(gè)研究方向：①耦合土地利用類型及城市人口密度變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的影響,強(qiáng)調(diào)城市蔓延單項(xiàng)指標(biāo)變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需流差異性的評(píng)估和模擬;②耦合不同尺度城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的效應(yīng),強(qiáng)調(diào)多尺度城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需流關(guān)系的模擬,從對(duì)大流域尺度、城市群,到著眼于大城市、地區(qū)和縣域,最后到保護(hù)區(qū)層面的多尺度供需流格局分析;③耦合城市蔓延模型和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流模型的多情景模擬,強(qiáng)調(diào)城市蔓延多情景設(shè)定對(duì)不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流變化的模擬。

在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的擴(kuò)散效應(yīng)方面,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的擴(kuò)散效應(yīng)由城市蔓延過程中快速轉(zhuǎn)變的土地利用類型和人類居住模式所驅(qū)動(dòng)。研究表明：城市蔓延改變了淡水供給服務(wù)流、水源涵養(yǎng)服務(wù)流和碳固持服務(wù)流的流向或者阻斷流,城市蔓延過程中引起的污染物排放量增加,改變了氣候調(diào)節(jié)服務(wù)的流向,城市蔓延不改變文化景觀服務(wù)流的流向,但是增加了其流量,對(duì)研究區(qū)及研究區(qū)以外的區(qū)域產(chǎn)生效應(yīng)。

目前,相關(guān)研究在城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的影響機(jī)理、過程模擬和擴(kuò)散效應(yīng)等方面仍存在不足。第一,城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的影響機(jī)理還不清楚。已有研究忽視了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流傳遞和流動(dòng)過程中城市蔓延對(duì)其阻塞和損耗的影響,認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和使用存在平衡關(guān)系,缺少對(duì)城市蔓延過程中不同載體對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流傳遞路徑影響的深入研究。第二,能夠有效模擬城市蔓延如何影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流完整實(shí)現(xiàn)過程的模型還比較缺乏。雖然已有一些耦合模型嘗試連接城市蔓延過程和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流,但由于模型未考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間流動(dòng)傳遞載體的影響機(jī)理和傳遞路徑的屬性特征,能夠有效模擬城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流完整實(shí)現(xiàn)過程影響的耦合模型仍較少,且在研究所需數(shù)據(jù)方面,耦合模型的模擬精度對(duì)數(shù)據(jù)的依賴性較高,受到數(shù)據(jù)可獲得性和數(shù)據(jù)精度的影響,如在大尺度研究中的參數(shù)簡(jiǎn)化以及在不同時(shí)間和空間尺度下的多源數(shù)據(jù)融合都對(duì)研究的結(jié)果產(chǎn)生影響,進(jìn)一步限制了耦合模型的應(yīng)用。第三,定量化評(píng)估城市蔓延過程中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的跨區(qū)域擴(kuò)散效應(yīng)和空間范圍的研究還比較缺乏。對(duì)于土地利用變化視角下,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流域內(nèi)效應(yīng)研究較多,對(duì)城市蔓延視角下,較大空間范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的主要需求區(qū)以及輻射范圍如何界定?較少受到關(guān)注。

3 對(duì)長(zhǎng)江流域的啟示

長(zhǎng)江流域位于N24°30′～N35°45′,E90°33′～E122°25′(圖3),總面積1.8×106km2,占我國(guó)國(guó)土面積的18.8%。長(zhǎng)江流域跨越我國(guó)地形的三大階梯,主要涉及西藏、青海、云南、四川、重慶、湖北、湖南、江西、安徽、江蘇和上海市等11個(gè)省、自治區(qū)和直轄市(圖3),包括92個(gè)地級(jí)市及以上行政單位、12個(gè)民族自治州和4個(gè)省直轄行政單位。截至2019年末,長(zhǎng)江流域包括6個(gè)特大城市、51個(gè)大城市、28個(gè)中等城市和7個(gè)小城市。在“一帶一路”建設(shè)規(guī)劃和新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃的影響下,長(zhǎng)江流域經(jīng)歷了高速的城鎮(zhèn)化過程。2000—2019年,長(zhǎng)江流域的總?cè)丝趶?0 312.81萬人增加至46 888.72萬人,增加了0.16倍,城鎮(zhèn)人口從10 026.29萬人增加至36 566.47萬人,增加了2.65倍;2000—2018年,長(zhǎng)江流域的城鎮(zhèn)用地面積由7 869 km2增加至20 270 km2,增加了2.58倍。截至2018年,長(zhǎng)江流域范圍內(nèi)共劃定了19個(gè)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)(圖3),在一定程度上起到了保護(hù)生態(tài)環(huán)境的作用。但是,長(zhǎng)江流域正在并仍將經(jīng)歷持續(xù)的人口增長(zhǎng)和劇烈的城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)展,這會(huì)進(jìn)一步加劇對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響。因此,明晰城市蔓延通過傳遞載體改變生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的屬性特征和空間位置,定量揭示城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動(dòng)路徑的影響機(jī)理,對(duì)長(zhǎng)江流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

長(zhǎng)江流域城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動(dòng)路徑影響過程存在復(fù)雜的耦合關(guān)聯(lián)關(guān)系[37],涉及多元社會(huì)主體、生態(tài)要素與上中下游間的利益協(xié)調(diào)。長(zhǎng)江流域上游和下游時(shí)空上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需不匹配,導(dǎo)致流域生態(tài)保護(hù)和地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡的矛盾十分突出[38]。長(zhǎng)江是中華民族長(zhǎng)久穩(wěn)定發(fā)展的重要支撐。為了解決長(zhǎng)江流域上游和下游時(shí)空上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需不匹配的問題,以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江流域的可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo),亟需基于“機(jī)理揭示-過程模擬-效應(yīng)評(píng)估”的總體框架,綜合利用實(shí)地調(diào)查、大數(shù)據(jù)分析、深度學(xué)習(xí)、模型集成、情景模擬、遠(yuǎn)距離耦合和解耦機(jī)制評(píng)估等方法開展長(zhǎng)江流域城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的影響研究。

2020年6月,國(guó)家發(fā)展改革委和自然資源部印發(fā)《全國(guó)重要生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)重大工程總體規(guī)劃(2021—2035年)》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)劃》)?！兑?guī)劃》詳細(xì)回顧了長(zhǎng)江重點(diǎn)生態(tài)區(qū)的自然生態(tài)狀況、主要的生態(tài)問題以及主攻方向,并指出以增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性,顯著提升生態(tài)系統(tǒng)功能,打造長(zhǎng)江綠色生態(tài)廊道作為長(zhǎng)江重點(diǎn)生態(tài)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)的主要目標(biāo)。在此背景下,基于長(zhǎng)江流域城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流傳遞路徑影響機(jī)理、傳遞過程影響模擬和效應(yīng)評(píng)估結(jié)果,以減少城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流傳遞路徑影響為目標(biāo)(圖4),約束或控制城市蔓延過程中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流需求量;利用空間自相關(guān)方法,識(shí)別出城市蔓延影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流供給的重點(diǎn)地區(qū),提升或調(diào)配該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量;通過保護(hù)傳遞載體,修復(fù)傳遞路徑和管理擴(kuò)散效應(yīng),優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需流空間格局;通過解析城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)從產(chǎn)生、傳遞到使用全過程的影響,采用約束、調(diào)配、保護(hù)、修復(fù)和提升等多種手段,提出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流合理分配方案,可以在一定程度上提升長(zhǎng)江流域城市生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,最終促進(jìn)城市生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。

圖3 長(zhǎng)江流域概況Fig.3 Overview of the Yangtze River Basin

圖4 城市可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流合理分配優(yōu)化方案思路Fig.4 Idea of the optimized plan for urban sustainable development and reasonable distribution of ecosystem service flows

4 結(jié) 語

城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的影響研究已經(jīng)受到學(xué)者的廣泛關(guān)注,學(xué)者們?cè)诔鞘新訒r(shí)空格局、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需流量化、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流傳遞路徑模擬以及城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流域內(nèi)效應(yīng)評(píng)估等方面取得了積極進(jìn)展。研究結(jié)果表明：城市蔓延通過載體傳遞和流動(dòng)路徑兩方面改變了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的流量、流速和流向,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流總量的減少和空間異質(zhì)性的增加;城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的影響過程耦合了城市蔓延的單項(xiàng)指標(biāo)變化、城市蔓延的尺度以及城市蔓延的多情景模擬;城市蔓延過程中土地利用類型的變化和人類居住模式的改變驅(qū)動(dòng)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的擴(kuò)散效應(yīng)。相關(guān)研究為深入理解長(zhǎng)江流域城市蔓延對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的影響奠定了基礎(chǔ),但在揭示機(jī)理、剖析過程、評(píng)估效應(yīng)以及探索城市可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流合理分配優(yōu)化管理等方面還需要進(jìn)一步探索。因此,未來應(yīng)基于“機(jī)理揭示-影響模擬-效應(yīng)評(píng)估”的研究思路,開展深入的綜合研究,提出長(zhǎng)江流域城市可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的合理分配方案,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江流域生態(tài)保護(hù)與社會(huì)發(fā)展的協(xié)同共進(jìn)。