基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的城市群生態(tài)安全格局構(gòu)建框架

景永才,陳利頂,*,孫然好

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

快速城市化成為人類社會發(fā)展的最顯著特征,人類對經(jīng)濟發(fā)展的不斷追求與土地利用方式的改變,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需失衡,由此引發(fā)了一系列的生態(tài)環(huán)境問題,如沙塵暴、水污染、大氣污染、溫室效應(yīng)、厄爾尼諾現(xiàn)象等,直接威脅到區(qū)域生態(tài)安全[1]。隨著人口增長、城市化和經(jīng)濟的快速發(fā)展,城市群已成為人類生活與生產(chǎn)的主要空間,以城市為對象的生態(tài)安全保障研究成為人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)[2- 5]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡是生態(tài)安全的保障、維持區(qū)域生態(tài)健康發(fā)展的基礎(chǔ)。然而,目前基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的城市群的生態(tài)安全格局構(gòu)建多為理論研究,耦合生態(tài)過程[6-8]和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需[9-10]的有效應(yīng)用較少;目前開展的生態(tài)安全評價多為靜態(tài)評價,不能反映區(qū)域生態(tài)安全格局的動態(tài)變化過程,尚不能作為生態(tài)安全格局構(gòu)建的基礎(chǔ);神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、元胞自動機、CA-Markov模型等人工智能方法是生態(tài)安全的動態(tài)模擬有效手段,但是數(shù)據(jù)獲取依舊十分困難;常見的空間分析方法主要有多準(zhǔn)則分類法、空間疊加技術(shù)、情景模擬、人工智能優(yōu)化法及以上方法的綜合,綜合模型集成了多個模型優(yōu)點來解決生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的定量化和生態(tài)格局的優(yōu)化問題,對城市群生態(tài)安全格局構(gòu)建具有重要參考價值和借鑒意義;城市內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)或城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)[11]研究較為模糊,城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)、城市景觀格局?jǐn)?shù)據(jù)獲取困難,導(dǎo)致的研究成本高和評價結(jié)果誤差較大等問題;生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價、生態(tài)過程模擬在準(zhǔn)確度、不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡上還尚不能滿足生態(tài)安全格局構(gòu)建的需要,如價值量法在評估過程中往往存在主觀性強、結(jié)果具有不確定性的問題[12-14],物質(zhì)量法評估的不同服務(wù)之間量綱不相同、不易于比較和綜合評價的問題[15],能值法由于部分生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與能值關(guān)系弱,導(dǎo)致能值轉(zhuǎn)換率不易確定的問題[16];多尺度的生態(tài)安全格局評價、構(gòu)建、模擬和優(yōu)化的可操作性和可實施性不強,缺少一個基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的生態(tài)安全格局評價和模擬平臺[2]。關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究主要集中在分類、評價方法和模型構(gòu)建,如Costanza[13]、De Groot[17]、MEA[18]的從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給角度的分類,亦有如張彪和謝高地[19]從人類對生態(tài)系統(tǒng)需求角度的分類;主要的評價模型有InVEST、ARIES、SolVES等。目前,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡研究的不足主要體現(xiàn)在:(1)不確定性。隨著城鎮(zhèn)化的加速,生態(tài)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)服務(wù)下降,但是建設(shè)用地的增加又使得市民城市內(nèi)的購物休閑等服務(wù)增加,最終生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的綜合評價結(jié)果具有較大的不確定性,而這種不確定性對于城市生態(tài)格局的構(gòu)建具有很強的影響。(2)城市內(nèi)部研究較少。城市內(nèi)部研究需要較高分辨率的遙感影像,且城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取困難,導(dǎo)致城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價結(jié)果較為粗糙,且由于數(shù)據(jù)獲取渠道的不同,導(dǎo)致評價結(jié)果在時間尺度上缺少連貫性,在空間尺度上具有較大的差異。因此,高精度數(shù)據(jù)獲取及耦合生態(tài)過程的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價,應(yīng)用開放數(shù)據(jù)源、大數(shù)據(jù)和機器學(xué)習(xí)獲取時空高分辨率數(shù)據(jù)、構(gòu)建生態(tài)格局評價及模擬、優(yōu)化成為生態(tài)安全格局構(gòu)建的關(guān)鍵。因此本文從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、生態(tài)安全格局內(nèi)涵及其內(nèi)在關(guān)系,到所需關(guān)鍵數(shù)據(jù)獲取手段,再到生態(tài)安全格局框架構(gòu)建進行了梳理和介紹。

1 城市群生態(tài)安全、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需內(nèi)涵及其關(guān)系

1.1 城市群生態(tài)安全內(nèi)涵

生態(tài)安全是指一個區(qū)域人類生存和發(fā)展所需的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能處于不受或少受破壞與威脅的狀態(tài),使生態(tài)環(huán)境保持既能滿足人類和生物群落持續(xù)生存與發(fā)展的需要,又能使生態(tài)環(huán)境功能不受損害,并使其與經(jīng)濟社會處于可持續(xù)發(fā)展的良好狀態(tài)[19-20]。城市群生態(tài)安全是區(qū)域生態(tài)安全的典型,是通過對區(qū)域內(nèi)的生態(tài)要素,如關(guān)鍵節(jié)點、斑塊、廊道及生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求的綜合調(diào)控,實現(xiàn)城市內(nèi)部和外部、行政區(qū)之間的生態(tài)系統(tǒng)功能的充分發(fā)揮。目前城市群生態(tài)安全研究方向主要側(cè)重于生態(tài)安全的理論研究和定性評價[21-23]。城市群生態(tài)安全的內(nèi)涵主要體現(xiàn)在兩個方面:

(2)城市群內(nèi)不同行政單元間的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的正常運轉(zhuǎn)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在自然和人為的雙重驅(qū)動下,從供給源向受益匯發(fā)生的時空轉(zhuǎn)移。其供給源為由生物(動植物、微生物)與非生物成分(光、熱、水、土、氣)相互作用形成的生態(tài)系統(tǒng),其受益匯是人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲取利益的區(qū)域[25],其本質(zhì)就是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、生態(tài)過程、生態(tài)功能和景觀格局的耦合[20,26]。生態(tài)安全是區(qū)域內(nèi)土地利用變化、生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、生物流、物質(zhì)流、能量流構(gòu)成的供需網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)格局的綜合表現(xiàn),由于區(qū)域內(nèi)不同行政區(qū)的生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟條件、城市定位、人口和產(chǎn)業(yè)構(gòu)成的不同,導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流網(wǎng)絡(luò)非常復(fù)雜,因此安全格局的構(gòu)建要實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的正常運轉(zhuǎn)。

1.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需內(nèi)涵

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各種惠益,包括有形的物質(zhì)產(chǎn)品供給與無形的服務(wù)提供兩方面,主要分為與人類活動直接相關(guān)的提供服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和文化服務(wù),以及維持其他類型服務(wù)所必需的支持服務(wù)[13,27-28]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力不受或少受威脅是構(gòu)建生態(tài)安全格局的前提。目前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究,從研究內(nèi)容上看,已從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類、單一類型供給計算、單一計算供給到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)生態(tài)學(xué)機制、權(quán)衡與協(xié)同作用、供需平衡、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的研究中[25,29-34];從研究方法上看,已從靜態(tài)研究描述到動態(tài)研究模擬,從定性解釋到多個評估模型共同發(fā)展[35-36]。從供給角度分析,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)包括供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)、文化服務(wù);從需求角度分析,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)包括:物質(zhì)產(chǎn)品需求、生態(tài)安全維護需求和景觀文化傳承需求三大類[19]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的內(nèi)涵主要體現(xiàn)在兩方面:

(1)供給與需求的量化統(tǒng)一。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)強調(diào)服務(wù)與人類福祉的關(guān)系,供給能否滿足人類需求及能滿足的程度,評價的方法主要有價值量評估、物質(zhì)量評估和能值評估法。各評估方法都有較明顯的適用條件和不足,其中價值量評估法的主觀性強、結(jié)果的不確定性強;物質(zhì)量評估法無法統(tǒng)一不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的量綱,無法權(quán)衡各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)劣程度;能值評估法能值轉(zhuǎn)換率不易確定,與文化服務(wù)等關(guān)系較弱、不易表征[9]。

(2)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)過程的耦合。生態(tài)安全格局構(gòu)建其實質(zhì)就是依循格局與功能的互饋, 通過特定空間斑塊、廊道的景觀結(jié)構(gòu)保護, 來實現(xiàn)特定或綜合生態(tài)功能/過程的保育[37]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需存在明顯的空間異質(zhì)性及空間錯位問題[38-40],而生態(tài)過程與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的耦合可以有效的實現(xiàn)供需的有效統(tǒng)一。目前,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價大多數(shù)是靜態(tài)、偏定性的評價,如利用InVEST模型的生境質(zhì)量模塊的時間序列分析[41],其是依賴先驗參數(shù)進行即時定性的評估,并結(jié)合相關(guān)統(tǒng)計學(xué)方法進行年際間的變化比較的過程,而且脅迫因子的選取、影響距離、權(quán)重以及生境對各脅迫因子的敏感性都有較大的空間異質(zhì)性,不便于進行綜合評價,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的計算在時間尺度上同質(zhì)性較強,與實際情況差距較大;在空間尺度上對生物流、物質(zhì)流和能量流等生態(tài)過程關(guān)注較少。

綜上所述,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需評價中,宜使用影響到的人口數(shù)量和規(guī)模表征,供給大于需求時,注重研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的流向和流量以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)盈余可滿足的人口規(guī)模;供給小于需求時,重點分析供需失衡導(dǎo)致的環(huán)境問題及解決的方法,便于決策者制定長期發(fā)展規(guī)劃。

1.3 生態(tài)安全與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)系

生態(tài)安全格局構(gòu)建的目的是為了保障人類社會的生存需求,實現(xiàn)人類與生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。生態(tài)安全格局構(gòu)建不是一個抽象的概念,需要具有可操作性和可實施性。生態(tài)安全格局的構(gòu)建需要在一個公認(rèn)的、客觀的生態(tài)安全評價體系,從多角度、多尺度開展生態(tài)安全研究,并依據(jù)安全評價體系對人類活動發(fā)展需求與生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀進行格局優(yōu)化、風(fēng)險預(yù)警模擬,而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需評價是綜合生態(tài)格局-過程-服務(wù)的生態(tài)格局評價的有效手段[2]。

傳統(tǒng)的實訓(xùn)內(nèi)容過于單一，會計教師只是教給學(xué)生簡單的會計技巧，比如核對會計賬目、編繪財務(wù)報表等，這些技巧不能滿足當(dāng)前相關(guān)企業(yè)的需求。因此，會計教師要放棄傳統(tǒng)的教學(xué)方法，去尋找更加適合學(xué)生發(fā)展的教學(xué)方法，應(yīng)增加教學(xué)內(nèi)容，使其與企業(yè)財務(wù)部門的相關(guān)要求保持一致。

(1)生態(tài)安全是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的表征。生態(tài)安全是保障人類福祉的關(guān)鍵,隨著人類活動干擾的加劇,生態(tài)風(fēng)險增加,生態(tài)脆弱性增加,生態(tài)安全受到嚴(yán)重威脅,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能不正常發(fā)揮,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給無法滿足人類發(fā)展需求,而人類為滿足自身需求加劇生態(tài)系統(tǒng)的索取,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)功能持續(xù)下降甚至消失的惡性循環(huán)。

(2)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)安全的前提。生態(tài)安全是一個抽象概念,而生態(tài)安全格局構(gòu)建必須具有可操作性和實施準(zhǔn)則與標(biāo)準(zhǔn),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估是生態(tài)過程、生態(tài)功能、人類活動等的綜合評價,正好契合了生態(tài)安全格局構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的研究為生態(tài)安全格局構(gòu)建的動態(tài)模擬提供了理論指導(dǎo)。通過探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系可以達到對生態(tài)安全的測度。

(3)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡是實現(xiàn)生態(tài)安全與人類福祉的紐帶。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需失衡加劇生態(tài)安全風(fēng)險,生態(tài)安全受到破壞影響人類生產(chǎn)生活,對人類福祉造成影響,比如近幾年的大氣霧霾的出現(xiàn),是生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)失衡的結(jié)果,為保證人類福祉的可持續(xù)發(fā)展,必須保障生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需平衡,保障生態(tài)安全不受威脅。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡是實現(xiàn)生態(tài)安全格局構(gòu)建的保證。

2 基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的區(qū)域生態(tài)安全格局研究現(xiàn)狀

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需研究現(xiàn)狀

目前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的計算上主要通過供給模型、需求模型和價值模擬等方法及其綜合運用,定性或定量評估區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[42-43]。具體方法包括基于土地利用/土地覆被變化(Land-Use and Land-Cover Change, LUCC)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系矩陣法、生態(tài)足跡法、問卷調(diào)查法和公眾參與法、基于生態(tài)過程的模型計算法、空間數(shù)據(jù)疊加分析法、市場價值法等[44],每種方法都有其適用的場景和優(yōu)點,但這些方法應(yīng)用到城市群尺度仍然存在定量化評價欠缺、不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡主觀性強、與人類活動關(guān)聯(lián)性弱的問題。例如,基于專家經(jīng)驗知識的定性評價,由于生態(tài)系統(tǒng)的時空異質(zhì)性,該方法存在較大的局限性;基于生態(tài)過程的模型計算法主要涉及單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的計算;生態(tài)足跡法主要用來計算各類承載力問題,是在對土地面積量化的基礎(chǔ)上,在需求層面上計算生態(tài)足跡,反映當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需平衡關(guān)系[45],目前多是以縣級行政單元為研究單位,忽略了空間異質(zhì)性;問卷調(diào)查法和公眾參與法是一種輔助統(tǒng)計手段,目的主要是獲取不同階層、年齡結(jié)構(gòu)、性別的人對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求的意愿和偏好,在小尺度上比較有代表意義,但是在城市群等大尺度研究中意義不明確,更宜采用POI數(shù)據(jù)、道路網(wǎng)密度、地圖服務(wù)商提供的路徑規(guī)劃等綜合數(shù)據(jù)分析結(jié)果表征;空間疊加分析法是將影響服務(wù)供需的各個因素的空間數(shù)據(jù)疊加,利用閾值等準(zhǔn)則限定供給和需求的區(qū)域和程度,該方法主要用于空間制圖和定性分類;市場價值法是將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和供給全部轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌鰞r值,主要根據(jù)謝高地等[46]、Costanza等[13]的價值當(dāng)量法,該方法的特點是基于專家知識、方便快捷,但是該方法機理不清晰,更多是采用物質(zhì)量評估法,因其連接生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能,能夠揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的作用機理[9]。

2.2 生態(tài)安全格局評價的方法和模型

生態(tài)安全格局已成為緩解生態(tài)保護與經(jīng)濟發(fā)展之間矛盾的重要途徑之一[47-48]。綜合生態(tài)格局的發(fā)展,耦合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)過程的生態(tài)安全格局構(gòu)建的關(guān)鍵步驟包括斑塊的劃分、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)“源”、“匯”、關(guān)鍵節(jié)點的識別、生態(tài)廊道的識別、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的流向和流量的計算[37]。目前生態(tài)安全格局主要的評價方法主要有:基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)框架模型[49- 50]、熵值法和灰色預(yù)測模型[51]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值與生態(tài)安全耦合模型[52- 53]、基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)“供-流-需”的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型[25](表1)。

表1 生態(tài)安全格局評價方法比較

其中基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的生態(tài)安全格局評價方法是目前研究的主要方向[25,49,54- 56]?；谏鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供-流-需的生態(tài)系統(tǒng)安全格局構(gòu)建模型是在考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需空間不匹配的基礎(chǔ)上,通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)源地-廊道-匯的識別,結(jié)合生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、圖形學(xué)的理論知識,以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流的形式連接生態(tài)系統(tǒng)的供給與需求,定量化地描述生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的轉(zhuǎn)移,以供需關(guān)系表征生態(tài)安全格局是否健康的動態(tài)模型。

2.3 現(xiàn)有研究的不足

生態(tài)安全格局構(gòu)建應(yīng)依據(jù)格局與過程的交互作用,遵循城市發(fā)展定位與政策,通過構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局,達到對生態(tài)過程的有效調(diào)控,從而保障生態(tài)功能的充分發(fā)揮,實現(xiàn)區(qū)域自然資源和社會基礎(chǔ)設(shè)施的合理配置,確保自然資源的生態(tài)和物質(zhì)福利,最終實現(xiàn)生態(tài)安全[37]。通過對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的分類、計算方法和生態(tài)安全格局評價和優(yōu)化模擬方法的梳理,可以發(fā)現(xiàn)目前研究存在的不足:

(1)在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需方面:①城市內(nèi)部的文化服務(wù)(教育、消遣旅游服務(wù)等)供需的忽略,文化服務(wù)數(shù)據(jù)的獲取可通過感興趣點(Point of Interest, POI)數(shù)據(jù)提取分析。②計算供給的方法的創(chuàng)新性不足。例如,計算城市綠地可達性時,可替換常用的最小臨近距離法,通過地圖服務(wù)商(高德地圖、百度地圖等)提供的API接口計算耗費時間,比較不同出行方式評價城市綠地的生態(tài)服務(wù)。③研究單元的劃分尺度較大,一般以行政單元的研究單元的劃分,不易挖掘空間異質(zhì)性對生態(tài)安全格局的影響,更宜借助道路網(wǎng)數(shù)據(jù)的研究單元劃分方法[57]。

(2)生態(tài)安全格局的方法和模型方面:①未能綜合考慮城市擴張、經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)保護需求,從生態(tài)完整性和區(qū)域一體化協(xié)同發(fā)展角度,構(gòu)建適宜的、可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)安全格局[2],城市群生態(tài)安全格局構(gòu)建應(yīng)注重的是區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展。②與生態(tài)環(huán)境問題耦合的不足,城市綠地能有效減緩熱島效應(yīng)[58-59],城市生態(tài)格局構(gòu)建應(yīng)在滿足對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求的同時,耦合城市熱島、交通擁堵等問題,綜合分析、優(yōu)化。③城市內(nèi)部數(shù)據(jù)的有效獲取和數(shù)據(jù)分析方法創(chuàng)新不足,隨著城市化進程的加快,城市成為人類生存與生產(chǎn)的主要空間,城市內(nèi)部生態(tài)安全格局的構(gòu)建成為生態(tài)安全格局構(gòu)建的重要組成部分,城市內(nèi)部結(jié)構(gòu)異質(zhì)性導(dǎo)致景觀格局的變化研究缺乏,城市內(nèi)部數(shù)據(jù)獲取、處理和分析較為薄弱。

3 基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的城市群生態(tài)安全格局構(gòu)建

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需網(wǎng)絡(luò)平衡是保障城市群生態(tài)安全格局的紐帶。城市群在經(jīng)濟上緊密聯(lián)系,在功能上具有分工合作,在交通上聯(lián)合一體,在人口分布上具有向心集聚作用,并通過城市規(guī)劃、基礎(chǔ)設(shè)施和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流共同構(gòu)成的社會生活空間網(wǎng)絡(luò),是工業(yè)化和城鎮(zhèn)化發(fā)展到高級階段的產(chǎn)物。由于人口規(guī)模、城市定位、經(jīng)濟發(fā)展水平的不同及對資源利用和保護程度不同,導(dǎo)致城市群發(fā)展的不均衡和不協(xié)調(diào)。因此,城市生態(tài)安全格局構(gòu)建的主要內(nèi)容有(圖 1):①基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求,從生態(tài)完整性和區(qū)域一體化協(xié)同發(fā)展角度考慮城市擴張、經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)保護需求、生態(tài)環(huán)境問題。②城市內(nèi)部和外部多尺度多角度的協(xié)調(diào)考慮,城市內(nèi)部多源數(shù)據(jù)的有效融合。③以人口網(wǎng)格化為基礎(chǔ),實現(xiàn)以柵格像元為研究單元的自下而上的多尺度的、跨行政區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估和生態(tài)安全格局構(gòu)建。④社會資源脅迫和生態(tài)過程與生態(tài)安全格局的耦合。⑤基于生態(tài)系統(tǒng)流的生態(tài)安全格局評價、優(yōu)化和模擬。

圖1 基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的生態(tài)安全格局構(gòu)建研究理論框架Fig.1 The theoretical research framework of ecological security pattern construction based on ecosystem services supply and demand

3.1 城市群生態(tài)安全格局構(gòu)建的重點

(1)多角度、多尺度的生態(tài)安全格局構(gòu)建

由于城市內(nèi)部和外部生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的差異,安全格局的構(gòu)建有必要單獨分、綜合構(gòu)建。城市內(nèi)部主要關(guān)注休閑和文化服務(wù)、城市熱島和交通擁堵等城市問題;城市外部考慮糧食生產(chǎn)、水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙、水土保持、生物多樣性維持等服務(wù)的供需關(guān)系。對于需求的計算,應(yīng)在人口網(wǎng)格化的基礎(chǔ)上,通過現(xiàn)狀能滿足的人口數(shù)量或負(fù)荷程度進行時間和空間的對比識別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系,而人口網(wǎng)格化可以根據(jù)夜間燈光數(shù)據(jù)劃分城區(qū)和郊區(qū)[60],城區(qū)按道路網(wǎng)數(shù)據(jù)進行斑塊劃分,計算斑塊內(nèi)POI(購物、餐飲、科教等)分布、道路密度、人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)、建筑物類型和密度構(gòu)建城區(qū)人口分布指數(shù)進行計算;郊區(qū)通過土地利用數(shù)據(jù)識別農(nóng)村居民點面積、距行政中心距離構(gòu)建郊區(qū)人口分布指數(shù)。以上數(shù)據(jù)可通過Google Eearth Engine平臺及地圖服務(wù)商API獲取。通過人口空間分布的細(xì)化,實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求在省級、市區(qū)級、斑塊不同尺度下的需求計算,是構(gòu)建以人為中心的生態(tài)安全格局的重要部分。

(2)社會資源脅迫下的生態(tài)安全格局

社會資源脅迫是指人類活動對自然資源和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成的壓力,是威脅生態(tài)安全的重要因素。目前,基于統(tǒng)計資料、遙感影像的時間序列分析辨識景觀格局演變特征以及城鎮(zhèn)化類型、強度、空間影響范圍及其驅(qū)動機制,評價區(qū)域內(nèi)資源脅迫和社會經(jīng)濟壓力的方法和模型已較為成熟。城市功能分區(qū)是反映社會資源脅迫的有效手段。城市功能區(qū)的劃分對研究城市結(jié)構(gòu)、制定政策、配置資源等方面具有非常重要的意義,有助于研究土地利用/覆被變化后的不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的增益和損耗以及功能區(qū)內(nèi)景觀格局對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響。但是,研究者對城市內(nèi)部功能區(qū)的劃分尚未達成統(tǒng)一,且現(xiàn)有的功能分區(qū)結(jié)果與人類實際社會經(jīng)濟活動脫節(jié),并未能反映真實的社會資源脅迫效應(yīng)。而基于道路網(wǎng)和POI數(shù)據(jù)的城市功能區(qū)劃分[57]是一個有效手段,步驟是在依道路網(wǎng)劃分斑塊的基礎(chǔ)上結(jié)合POI以聚類的方法劃分城市功能區(qū)[57,61]。

(3)生態(tài)過程、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)安全格局的耦合

生態(tài)安全的基礎(chǔ)是生態(tài)風(fēng)險評價和管理[62],生態(tài)安全格局的構(gòu)建是對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和生態(tài)過程的耦合[63-64]?；陂L期監(jiān)測試驗和模型模擬尋找可以表征某種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的多元生態(tài)系統(tǒng)功能指標(biāo),是加強生態(tài)系統(tǒng)過程與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間關(guān)系研究的一個必要的起始點[65-66],而基于開放大數(shù)據(jù)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)格局分析是是實現(xiàn)大尺度研究的分析和模擬的有效手段。生態(tài)安全格局的變化主要表現(xiàn)為土地利用/覆被狀況的改變。這種變化不僅體現(xiàn)在景觀空間面貌的改變,還體現(xiàn)在景觀中物質(zhì)循環(huán)和能量流動,土壤水分、養(yǎng)分和土壤侵蝕等生態(tài)過程的時空變化[67]。不同生態(tài)過程之間存在密切的相互作用、相互影響,單個生態(tài)過程與各生態(tài)過程的耦合結(jié)果可能大相迥異,因此有必要深入解析不同生態(tài)過程的耦合關(guān)聯(lián)[68]。在生態(tài)安全格局構(gòu)建及優(yōu)化中,基于土地利用、降雨、水流過程評估水土流失、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響程度,評價并優(yōu)化生態(tài)安全格局,保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要和城市建設(shè)需求;基于LUCC的生境質(zhì)量評價,識別生態(tài)源和生態(tài)廊道,加強生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供、需斑塊的連接。

(4)生態(tài)安全格局的模擬和優(yōu)化

在不同情景的模擬和針對特定目標(biāo)的優(yōu)化是構(gòu)建生態(tài)安全格局有效途徑。借助RS、GIS技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)爬蟲、機器學(xué)習(xí)模型,識別城市邊界、劃分最小研究斑塊、提取城市群地區(qū)生態(tài)節(jié)點、生態(tài)廊道等構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò),并對其有效性和合理性進行評價;基于粒子群或蟻群算法模擬多目標(biāo)多情景下生態(tài)網(wǎng)絡(luò)、林地、濕地、城市綠地等重要斑塊、生物群落等的空間優(yōu)化配置技術(shù)[2];利用最短距離模型分析或者地圖服務(wù)商的API接口直接獲取路徑規(guī)劃結(jié)果,從要素適應(yīng)和空間協(xié)調(diào)方面探究生態(tài)調(diào)控的空間途徑,基于元胞自動機-馬爾科夫鏈蒙特卡洛方法(CA-MCMC)構(gòu)建生態(tài)安全格局預(yù)測模型;將現(xiàn)狀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)與安全格局進行疊加與空間權(quán)衡,找出目前生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的問題,探究生態(tài)調(diào)控的空間途徑。

生態(tài)安全是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、生態(tài)過程在資源環(huán)境脅迫下的研究,是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)多樣性之間的權(quán)衡,是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與人類需求的平衡。在未來的研究中,需要注重掌握新的技術(shù)手段、多源數(shù)據(jù)整合能力,通過準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)從不同角度和尺度解析生態(tài)過程,更要貼合生態(tài)安全的目的——人類福祉與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展,通過長期數(shù)據(jù)積累和驗證,實現(xiàn)模型的優(yōu)化和改進,并依據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化景觀格局現(xiàn)狀、識別安全隱患、評估生態(tài)風(fēng)險,實現(xiàn)脆弱生態(tài)系統(tǒng)的保護、一體化協(xié)同發(fā)展的生態(tài)安全格局體系的構(gòu)建。

3.2 城市群生態(tài)安全格局構(gòu)建的框架

城市群生態(tài)格局的評價、構(gòu)建需要多源數(shù)據(jù)的融合,計算機技術(shù)的發(fā)展、多源數(shù)據(jù)的開放、大數(shù)據(jù)獲取方式的多樣性、云計算平臺的問世、機器學(xué)習(xí)算法的優(yōu)化為多尺度生態(tài)學(xué)研究提供了支撐。這些技術(shù)和方法與生態(tài)安全格局構(gòu)建的具體關(guān)系如表2所示。

表2 生態(tài)安全格局構(gòu)建相關(guān)的計算機前沿技術(shù)介紹

圖2 城市群生態(tài)安全格局技術(shù)路線圖Fig.2 Technical roadmap for constructing ecological security pattern of urban agglomerationsPOI:Point of Interest, 興趣點;LUCC:Land-Use and Land-Cover Change,土地利用與土地覆蓋變化;CA:Cellular Automata, 元胞自動機;MCMC:Markov Chain Monte Carlo,馬爾科夫蒙特卡洛;A*:A star algorithm

在城市內(nèi)部,隨著人們對城市內(nèi)的地圖服務(wù)需求不斷增加,許多數(shù)據(jù)提供商應(yīng)運而生,如高德地圖、百度地圖等,其提供并開放的API接口成為了重要的數(shù)據(jù)獲取手段,可獲取POI數(shù)據(jù)、詳細(xì)的地表土地利用數(shù)據(jù)、路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)等;遙感影像數(shù)據(jù)服務(wù)支撐機構(gòu),如NOAA、NASS等;全球性免費開源組織OSM(包括Open Street Map獲取精細(xì)道路網(wǎng)數(shù)據(jù)、OSM Buildings獲取地表土地利用數(shù)據(jù))等。除以上數(shù)據(jù)提供商外,更是出現(xiàn)了比較優(yōu)秀的云數(shù)據(jù)處理平臺,如Google Earth Engine可以批量獲取、處理多衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)集的平臺,以Google Earth高清圖像為數(shù)據(jù)源的基于深度學(xué)習(xí)的衛(wèi)星圖像識別方法[69-70]。基于以上分析,我們繪制了生態(tài)安全格局構(gòu)建、模擬和優(yōu)化的技術(shù)路線圖(圖2),關(guān)鍵技術(shù)包括:人口的細(xì)化(3.1(1)有相關(guān)介紹);機器學(xué)習(xí)樣本庫數(shù)據(jù)的獲取;城市內(nèi)景觀格局的分析;生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的定量計算;生態(tài)過程與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的耦合;多尺度的評價和模擬。具體步驟可以表述為:從城市內(nèi)部和外部兩個角度進行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需計算,在城市內(nèi)部利用多源數(shù)據(jù)進行多尺度的生態(tài)過程與生態(tài)環(huán)境問題的耦合,通過獲取城市內(nèi)部建筑物、景區(qū)、綠地、商業(yè)服務(wù)、居民小區(qū)、教育服務(wù)區(qū)等數(shù)據(jù)為機器學(xué)習(xí)提供樣本庫,再通過獲取Google Earth的歷史圖像數(shù)據(jù)進行地物識別,實現(xiàn)對生態(tài)安全格局的時序分析,然后結(jié)合系統(tǒng)動力學(xué)模型、最短路徑算法(亦可根據(jù)地圖服務(wù)商提供的路徑規(guī)劃API的結(jié)果)、MCMC概率模型進行格局優(yōu)化模擬,實現(xiàn)最優(yōu)安全格局的構(gòu)建[71]。

4 結(jié)語

生態(tài)安全格局的構(gòu)建應(yīng)以人類需求為導(dǎo)向,以生態(tài)環(huán)境問題為著力點,以優(yōu)化景觀格局解決生態(tài)環(huán)境問題為目的,借助新的計算機技術(shù),綜合利用開源數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理平臺,充分融合多源數(shù)據(jù)集,整合多學(xué)科研究成果,探索人類活動與生態(tài)環(huán)境要素的耦合機制,通過生態(tài)安全格局的構(gòu)建,實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的動態(tài)平衡,實現(xiàn)人類生存、發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展,為城市規(guī)劃提供理論指導(dǎo)。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是區(qū)域生態(tài)安全的表征。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流是基于“源-流-匯”生態(tài)過程的評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)計算的有效評估方法,是實現(xiàn)城市內(nèi)部與外部、行政區(qū)間協(xié)同發(fā)展的有效手段。多源、時序的海量遙感數(shù)據(jù)(可在Google Earth Engine平臺云計算、數(shù)據(jù)獲取)的開放為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時間序列的動態(tài)變化、生態(tài)安全格局分析提供了數(shù)據(jù)支撐,便于從大尺度上實現(xiàn)區(qū)域間的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需流的研究;國內(nèi)地圖服務(wù)廠商(高德、百度開放平臺)的多類型數(shù)據(jù)的支撐(POI數(shù)據(jù),建筑物、綠地、景區(qū)等數(shù)據(jù)集)為實現(xiàn)城市內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)計算與生態(tài)安全構(gòu)建提供了數(shù)據(jù)支撐;大數(shù)據(jù)與機器學(xué)習(xí)方法的發(fā)展為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價、生態(tài)安全格局構(gòu)建及模擬提供了更加強大的技術(shù)支持。在生態(tài)安全格局構(gòu)建中應(yīng)該更加注重綜合利用開源平臺與數(shù)據(jù)的支撐,進一步提升生態(tài)安全格局構(gòu)建的實踐和指導(dǎo)意義。