北京灣過渡帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)梯度效應(yīng)分析及生態(tài)分區(qū)

劉曉娜，劉春蘭，陳 龍，裴 廈，喬 青

（北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，國(guó)家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心，北京 100037）

0 引 言

北京市沿房山、門頭溝、昌平、懷柔、密云和平谷的山地與平原交界處形成一個(gè)敞開半圓形山灣，被稱為“北平灣（即北京灣）”[1]。該區(qū)域內(nèi)分布有中山、低山、丘陵、臺(tái)地和平原等多種地貌，屬于自然地理脆弱區(qū)或敏感區(qū)，典型的山地-平原過渡帶[2]，其生態(tài)過程具有顯著的梯度變化[3]；同時(shí)也是鄉(xiāng)村-城市過渡帶，人類活動(dòng)干擾強(qiáng)烈，利益相關(guān)者復(fù)雜，是保護(hù)和發(fā)展矛盾集中的分布區(qū)域，本研究稱其為“北京灣過渡帶”，是開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)梯度效應(yīng)的優(yōu)選區(qū)域。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)梯度效應(yīng)研究可為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化供給、生態(tài)系統(tǒng)管理與保護(hù)以及國(guó)土空間優(yōu)化提供決策依據(jù)[4-6]。國(guó)外關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的梯度效應(yīng)主要傾向于鄉(xiāng)村-城市過渡帶[7-8]，結(jié)果表明大部分生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在鄉(xiāng)村-城市過渡帶中呈現(xiàn)隨城市化水平的提高而遞降趨勢(shì)[9-10]。如 Kroll等[11]發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給沿鄉(xiāng)村-城市梯度呈遞減趨勢(shì)，以食物供給最為明顯，這種梯度的變化首先取決于土地利用的強(qiáng)度，其次為土地覆被的變化。Mario等[12]指出以農(nóng)業(yè)和半自然土地覆被為特征的農(nóng)村景觀具有較高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，而城市地區(qū)往往較低，土地利用強(qiáng)度是影響其梯度差異的關(guān)鍵因素。但也有研究表明如果城區(qū)植被覆蓋狀況較好也可提供部分較高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，如碳存儲(chǔ)和生物多樣性服務(wù)[13]。Francisco等[14]通過分析發(fā)現(xiàn)盡管由于城市化進(jìn)程增加了不透水表面，但植被覆蓋率的增加導(dǎo)致部分生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給反而得到一定改善。因此，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨城鄉(xiāng)梯度變化取決于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型、土地利用強(qiáng)度以及案例區(qū)植被的具體狀況。國(guó)內(nèi)對(duì)鄉(xiāng)村-城市過渡帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)受人類活動(dòng)干擾以及自然植被狀況影響的研究相對(duì)較少。部分學(xué)者指出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與距離城市中心區(qū)距離呈反比[4]，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與人為干擾度存在顯著的空間聚集特征，高（生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)）-低（人為干擾度）型集聚區(qū)主要分布于人類活動(dòng)較少的山區(qū)[15]。不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與影響因子的關(guān)系方面，食物供給隨土地利用強(qiáng)度增加呈增加趨勢(shì)，而調(diào)節(jié)服務(wù)隨土地利用強(qiáng)度增加呈下降趨勢(shì)[16]；土壤保持和生物多樣性隨植被覆蓋度的增加而提高，水源涵養(yǎng)則隨植被覆蓋度增加而下降[17]。綜合來看，上述研究多采用對(duì)影響因子進(jìn)行分級(jí)，而后對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給進(jìn)行對(duì)比的方式研究其梯度變化，分級(jí)方式存在較強(qiáng)的主觀性，其趨勢(shì)存在不穩(wěn)定性，未能充分反映出過渡帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的梯度效應(yīng)。尚缺乏針對(duì)典型影響因子，客觀識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的突變點(diǎn)，并系統(tǒng)分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)梯度效應(yīng)的相關(guān)研究。此外，由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給在空間上存在空間異質(zhì)性，不同區(qū)域的主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有所差別。通常來說，耕地比例較高的區(qū)域以供給服務(wù)為主，林地比例較高的區(qū)域則以調(diào)節(jié)服務(wù)為主[18]，而過渡帶區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給特征尚不明確，缺乏深入研究。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給不僅受人類干擾的影響，也取決于區(qū)域自身植被狀況[19-20]。本研究同時(shí)考慮自然因素和人為干擾的影響，選擇植被覆蓋度和土地利用程度 2個(gè)典型影響因子，以北京灣過渡帶為案例區(qū)，以柵格為研究單元，探索不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的梯度效應(yīng)差異，識(shí)別典型因子影響的突變點(diǎn)，并以突變點(diǎn)為依據(jù)劃定生態(tài)分區(qū)，識(shí)別各分區(qū)主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，并根據(jù)結(jié)果提出各區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的優(yōu)化管理策略。研究結(jié)果對(duì)于人地矛盾較為突出的北京灣區(qū)域具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，提供國(guó)土空間布局優(yōu)化生態(tài)產(chǎn)品供給思路，在提高其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給的同時(shí)保證必要的食物供給，從而達(dá)到效益最大化，滿足不同利益相關(guān)者需求，對(duì)于探索城鄉(xiāng)過渡帶生態(tài)產(chǎn)品價(jià)值實(shí)現(xiàn)路徑和“兩山”轉(zhuǎn)化模式，促進(jìn)該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展與保障首都生態(tài)安全具有重要意義。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

北京灣過渡帶與淺山地區(qū)高度重合，是山地和平原的過渡地帶[21]。根據(jù)區(qū)域地形地貌特征，同時(shí)參考俞孔堅(jiān)等[22]相關(guān)研究，以及《北京市限建區(qū)規(guī)劃（2016－2020年）》和《北京城市總體規(guī)劃（2016－2035年）》等相關(guān)規(guī)劃，以行政區(qū)界限為準(zhǔn)，本研究首先提取海拔100～300 m的淺山區(qū)范圍，然后將其所涉及的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道辦事處確定為研究范圍（去除包含淺山區(qū)面積較小的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道辦事處）（圖1）。北京灣過渡帶，介于東經(jīng)115°25'～117°30'、北緯 39°30'～40°48'，共涉及北京市 11 個(gè)區(qū)，85個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)及街道辦事處，1 601個(gè)村及社區(qū)，面積共計(jì)7 416.6 km2，占北京市總面積的45.19%。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area

由于北京灣過渡帶具有山區(qū)-平原過渡帶、鄉(xiāng)村-城市過渡帶、自然-人工生態(tài)系統(tǒng)過渡帶的典型特征，本研究選擇能直接代表自然生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的植被覆蓋度（Vegetation Coverage，VC），代表人類活動(dòng)干擾強(qiáng)度的土地開發(fā)程度（Land Development Intensity，LDI）開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)梯度效應(yīng)研究。其中土地開發(fā)程度為耕地和建設(shè)用地面積之和的比例，能夠很好的反映人為干擾強(qiáng)度特征。研究所用數(shù)據(jù)時(shí)間為2015年，土地利用數(shù)據(jù)為基于 Landsat OLI的遙感解譯數(shù)據(jù)，植被覆蓋度基于Landsat OLI和HJ-1 CCD 遙感影像獲得逐月的NDVI值，采用像元二分模型獲得逐月植被覆蓋度值[23]，進(jìn)而采用最大值合成方法獲得2015年植被覆蓋度年值數(shù)據(jù)。從植被覆蓋度來看，研究區(qū)平均植被覆蓋度為 0.47，西北部植被覆蓋度較高，特別是平谷區(qū)、密云區(qū)、懷柔區(qū)和昌平區(qū)靠近山區(qū)的部分，植被覆蓋度多在0.50以上，自然生態(tài)系統(tǒng)特征較明顯；而東南部植被覆蓋度較低，如房山區(qū)和密云區(qū)靠近平原區(qū)的部分，植被覆蓋度多在 0.50以下，多為耕地和建設(shè)用地。從土地開發(fā)程度來看，研究區(qū)整體開發(fā)程度約為 20%，西北部靠近山區(qū)的土地開發(fā)程度多在 10%以下，而東南部靠近平原區(qū)的部分可高達(dá)70%以上，呈現(xiàn)出明顯的人為干擾梯度變化特征。

1.2 研究方法

1.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估

根據(jù)研究區(qū)特點(diǎn)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)注程度和研究現(xiàn)狀，選擇1項(xiàng)供給服務(wù)：食物供給（Food Supply，F(xiàn)S），6項(xiàng)調(diào)節(jié)服務(wù)：水源涵養(yǎng)（Water Retention，WR）、水質(zhì)調(diào)節(jié)（Water Quality Regulation，WQR）、空氣凈化（Air Quality Regulation，AQR）、碳存儲(chǔ)（Carbon Storage，CS）、土壤保持（Erosion Control，EC）、土壤質(zhì)量調(diào)節(jié)（Soil Quality Regulation，SQR），1項(xiàng)文化服務(wù)：休閑游憩（Recreation，Recre.）和1項(xiàng)支持服務(wù)：生物多樣性（Biodiversity，Biod.），共 9種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型進(jìn)行過渡帶梯度效應(yīng)研究，所用評(píng)估方法皆為目前較為成熟的方法，詳細(xì)如下：

對(duì)于食物供給服務(wù)，Li等[24]研究表明農(nóng)用地質(zhì)量與作物產(chǎn)量之間存在線性相關(guān)關(guān)系，可用于表征食物供給服務(wù)。參考該方法原理，本研究利用北京農(nóng)用地分等定級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)中自然質(zhì)量等指數(shù)乘以其對(duì)應(yīng)的農(nóng)用地面積來表示食物供給服務(wù)，該值為無量綱，越高說明供給能力越強(qiáng)。從而客觀反映評(píng)價(jià)單元的產(chǎn)量水平，且在不同地區(qū)具可比性。數(shù)據(jù)源為北京農(nóng)用地分等定級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)和2015年北京市土地利用數(shù)據(jù)。

水源涵養(yǎng)服務(wù)評(píng)估采用水量平衡法，水源涵養(yǎng)量為降雨量（Pi）與地表蒸散量（E）和地表徑流量（R）的差值。參考李盈盈 等[25]等方法，應(yīng)用InVEST模型計(jì)算區(qū)域產(chǎn)水量，即（Pi-E）；應(yīng)用SCS模型計(jì)算地表徑流量R。降雨量數(shù)據(jù)來源于國(guó)家氣象信息中心，土地利用數(shù)據(jù)采用2015年北京市土地利用數(shù)據(jù)，其他參數(shù)源于InVEST模型使用手冊(cè)[26]，SCS模型參數(shù)參考北京本地研究[27]。

水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)借助InVEST模型中Nutrient Delivery Ratio（NDR）模塊來評(píng)估，本研究評(píng)估的營(yíng)養(yǎng)物為N元素。模型詳細(xì)說明及參數(shù)選取參考InVEST模型使用手冊(cè)[26]，其中不同生態(tài)系統(tǒng)類型N元素的輸出系數(shù)參考耿潤(rùn)哲等[28]的北京市本地化研究成果。

空氣凈化服務(wù)基于干沉降模型，以生態(tài)系統(tǒng)吸收大氣中PM2.5的量來表征該服務(wù)。參考Nowak等[29]和陳龍等[30]方法和參數(shù)，PM2.5空間分布來源于《2015年北京市環(huán)境狀況公報(bào)》。

碳存儲(chǔ)服務(wù)基于生態(tài)系統(tǒng)的生物量和含碳系數(shù)評(píng)估，含碳系數(shù)按0.5計(jì)[31]。森林生態(tài)系統(tǒng)生物量參考王光華[32]基于北京本地調(diào)查數(shù)據(jù)建立的轉(zhuǎn)換模型，利用北京市森林蓄積量調(diào)查數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到其生物量。其他生態(tài)系統(tǒng)采用相關(guān)研究的生物量實(shí)測(cè)結(jié)果，匯總整理后分別取中位值乘以其在研究區(qū)的分布面積獲得。各類型林地面積和蓄積量數(shù)據(jù)來源于北京市森林資源清查數(shù)據(jù)。

土壤保持服務(wù)以土壤保持量，即潛在土壤侵蝕量與實(shí)際土壤侵蝕量的差值，作為生態(tài)系統(tǒng)土壤保持服務(wù)的評(píng)估指標(biāo)。采用修正通用水土流失方程（RUSLE）計(jì)算，參考劉寶元等[33]建立的北京市各項(xiàng)因子的本地化參數(shù)評(píng)估。降雨數(shù)據(jù)來源為國(guó)家氣象信息中心。

土壤質(zhì)量調(diào)節(jié)服務(wù)主要表現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)維持土壤生物活性、多樣性以及生產(chǎn)力的作用。本文參考Maes等[34]方法，采用土壤有機(jī)碳含量表征生態(tài)系統(tǒng)維持土壤質(zhì)量的能力。數(shù)據(jù)來源于中國(guó)寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)的土壤屬性數(shù)據(jù)集。

休閑游憩服務(wù)借助研究區(qū)自然景點(diǎn)的分布密度來表示。自然景點(diǎn)數(shù)據(jù)從百度地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中提取，去除其中重復(fù)記錄和偏人文特色的景點(diǎn)。方法采用ArcGIS軟件（版本10.1）的核密度分析模塊（Kernel Density）進(jìn)行分析。

生物多樣性本質(zhì)上具有空間化特征，但通過調(diào)查獲取數(shù)據(jù)難度較大。本研究基于InVEST模型的生境質(zhì)量模塊（Habitat Quality）進(jìn)行評(píng)估，該模塊借助生境質(zhì)量來反映生物多樣性，通過評(píng)估研究區(qū)各種生境類型或植被類型的范圍及其退化程度來表征該服務(wù)，模型原理及參數(shù)獲取參見InVEST模型使用手冊(cè)[26]。數(shù)據(jù)源為2015年北京市土地利用數(shù)據(jù)。

1.2.2 梯度效應(yīng)分析方法

本研究將區(qū)域劃分為1 km×1 km的柵格單元，隨機(jī)選取柵格總數(shù)的 10%作為樣本，以避免空間自相關(guān)性[35]，分析各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨自然因子和人為因子變化的梯度效應(yīng)。由于多種因子效應(yīng)疊加的復(fù)雜性，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與各因子并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，本研究采用雙變量散點(diǎn)圖疊加局部加權(quán)回歸（Locally Weighted Scatterplot Smoothing，LOWESS）對(duì)其梯度效應(yīng)做初步判斷，同時(shí)識(shí)別各服務(wù)隨植被覆蓋度和土地開發(fā)程度因子變化的突變點(diǎn)（Change Point），繼而分析突變點(diǎn)之間各服務(wù)變化的梯度性，并對(duì)其趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。突變點(diǎn)識(shí)別采用R語(yǔ)言的IDetect包，該方法可識(shí)別一組連續(xù)變量中突變點(diǎn)的數(shù)量和位置，其原理和計(jì)算方法詳見[36]，趨勢(shì)性檢驗(yàn)基于M-K非參數(shù)檢驗(yàn)，采用R語(yǔ)言trend包。

1.2.3 區(qū)域劃分及主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)識(shí)別

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給存在較大的空間差異性，為了制定政策時(shí)更具針對(duì)性，基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)梯度效應(yīng)識(shí)別的突變點(diǎn)，利用植被覆蓋度和土地開發(fā)程度將北京灣過渡帶劃分為 4個(gè)生態(tài)分區(qū)。然后基于柵格尺度將各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給值進(jìn)行離差標(biāo)準(zhǔn)化，統(tǒng)計(jì) 4個(gè)生態(tài)分區(qū)每種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的平均值，以區(qū)域平均值相對(duì)整個(gè)研究區(qū)平均值的倍數(shù)為半徑做玫瑰圖，展示并識(shí)別各分區(qū)的主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布

由于每種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的形成過程和影響因素各不相同，其空間分布有所差異（圖2）。具體來說，北京灣過渡帶的食物供給服務(wù)在研究區(qū)由西北向東南方向呈增加趨勢(shì)，即山區(qū)供給較低，平原區(qū)供給較高，供給較高的區(qū)域主要位于房山區(qū)和密云區(qū)（圖 2a）。水源涵養(yǎng)服務(wù)受降雨影響較大，研究區(qū)主要有 3個(gè)降雨中心，分別為東部的平谷密云交界區(qū)域、西南部的房山區(qū)和北部密云懷柔交界區(qū)域，這 3個(gè)區(qū)域的水源涵養(yǎng)服務(wù)相對(duì)其他地區(qū)較高（圖 2b）。水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)的空間分布與食物供給服務(wù)類似，在研究區(qū)內(nèi)由西北向東南方向呈增加趨勢(shì)（圖2c）?？諝鈨艋?wù)與空氣污染物濃度和生態(tài)系統(tǒng)類型密切相關(guān)，山區(qū)的區(qū)域空氣污染物濃度較低，而平原區(qū)的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量較差，凈化能力低下。由此造成了研究區(qū)內(nèi)該服務(wù)在空間分布上呈現(xiàn)平原區(qū)和山區(qū)較低，而在中間過渡區(qū)域較高的獨(dú)特格局（圖 2d）。碳存儲(chǔ)服務(wù)在研究區(qū)內(nèi)由西北向東南方向呈降低趨勢(shì)，即山區(qū)供給較高，城區(qū)供給較低，供給較高的區(qū)域主要位于密云區(qū)和平谷區(qū)（圖 2e）。土壤保持服務(wù)同樣受降雨影響較大，其空間分布與水源涵養(yǎng)相近，供給較高的區(qū)域主要位于西南部的房山區(qū)、北部懷柔和密云交界的地區(qū)和東部的平谷區(qū)（圖 2f）。土壤質(zhì)量調(diào)節(jié)服務(wù)主要受土壤碳含量的影響，無明顯空間分布特征，供給較高的區(qū)域主要位于東部的平谷區(qū)和西南部的房山區(qū)（圖 2g）；休閑游憩服務(wù)主要受自然景點(diǎn)影響，隨自然景點(diǎn)的分布呈聚集分布，供給較高的區(qū)域主要位于西南部房山區(qū)、北部懷柔密云交界區(qū)域以及中部海淀區(qū)的部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)（圖2h）；生物多樣性服務(wù)在研究區(qū)內(nèi)由西北向東南方向呈降低趨勢(shì)，較高的區(qū)域主要位于西南部的房山區(qū)和北部密云區(qū)（圖2i）。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的梯度效應(yīng)

2.2.1 植被覆蓋度梯度

北京灣過渡帶各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨植被覆蓋度梯度變化有所不同，總體來說，食物供給和水質(zhì)調(diào)節(jié)隨植被覆蓋度增加而下降，休閑游憩無明顯變化，其他服務(wù)隨植被覆蓋度增加而提升（圖3）。具體如下：

食物供給服務(wù)和水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)隨植被覆蓋度的變化近似，各自識(shí)別得到 2個(gè)突變點(diǎn)。食物供給服務(wù)隨植被覆蓋度變化的突變點(diǎn)分別為0.28和0.54（圖3a），水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)隨植被覆蓋度變化的突變點(diǎn)分別為0.25和0.53（圖3c）。上述2種服務(wù)在2個(gè)突變點(diǎn)之間隨植被覆蓋度的升高都呈顯著下降趨勢(shì)（P＜0.05），而在兩端則無顯著趨勢(shì)（P＞0.05）。

圖2 北部灣過渡帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布Fig.2 Spatial distribution of ecosystem services in the transitional zone of Beijing Bay

水源涵養(yǎng)（圖3b）、空氣凈化（圖3d）和土壤質(zhì)量調(diào)節(jié)（圖3g）3種服務(wù)類型隨植被覆蓋度變化趨勢(shì)近似，隨植被覆蓋度變化的突變點(diǎn)分別為 0.46、0.47和 0.45。上述 3種服務(wù)類型在突變點(diǎn)以下時(shí)隨植被覆蓋度的增加而顯著提升（P＜0.05），超過突變點(diǎn)后無顯著變化趨勢(shì)（P＞0.05）。

碳存儲(chǔ)服務(wù)和生物多樣性服務(wù)隨植被覆蓋度的變化均識(shí)別得到 2個(gè)突變點(diǎn)。碳存儲(chǔ)服務(wù)隨植被覆蓋度變化的突變點(diǎn)分別為0.37和0.55（圖3e），生物多樣性服務(wù)隨植被覆蓋度變化的突變點(diǎn)分別為0.18和0.56（圖3i）。碳存儲(chǔ)服務(wù)隨植被覆蓋度變化的 2個(gè)突變點(diǎn)并不改變其變化趨勢(shì)，隨植被覆蓋度的增加始終呈顯著提升趨勢(shì)（P＜0.05）；而生物多樣性服務(wù)隨植被覆蓋度變化在介于2個(gè)突變點(diǎn)之間時(shí)隨植被覆蓋度的增加呈顯著提升趨勢(shì)（P＜0.05），在突變點(diǎn)兩端則無顯著趨勢(shì)（P＞0.05）。

土壤保持服務(wù)（圖3f）和休閑游憩服務(wù)（圖3h）隨植被覆蓋度的變化未識(shí)別突變點(diǎn)。但土壤保持服務(wù)隨植被覆蓋度的增加呈顯著提升趨勢(shì)（P＜0.05），而休閑游憩服務(wù)則無明顯梯度效應(yīng)（P＞0.05）。

2.2.2 土地開發(fā)程度梯度

北京灣過渡帶各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨土地開發(fā)程度變化與植被覆蓋度大致相反，食物供給服務(wù)和水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)隨土地開發(fā)程度的增加而增加，休閑游憩服務(wù)無明顯變化，其他服務(wù)類型隨土地開發(fā)程度增加而下降（圖4）。具體如下：

食物供給服務(wù)和水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)總體隨土地開發(fā)程度的提高而增加，各自識(shí)得的突變點(diǎn)為 25%（圖 4a）和15%（圖4c），但識(shí)別的突變點(diǎn)并不影響2種服務(wù)類型均隨土地利用開發(fā)程度的提高而顯著增加的變化趨勢(shì)（P＜0.05）。

圖3 北京灣過渡帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨植被覆蓋度梯度效應(yīng)Fig.3 Gradient effects of ecosystem services with the vegetation coverage in the transitional zone of Beijing Bay

圖4 北京灣過渡帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨土地開發(fā)程度梯度效應(yīng)Fig.4 Gradient effects of ecosystem services with land development intensity in the transitional zone of Beijing Bay

水源涵養(yǎng)（圖4b）、碳存儲(chǔ)（圖4e）、土壤保持（圖4f）、土壤質(zhì)量調(diào)節(jié)（圖4g）和休閑游憩（圖 4h）5種服務(wù)類型隨土地開發(fā)程度的變化均未識(shí)別得到突變點(diǎn)。休閑游憩服務(wù)隨土地開發(fā)程度增加無明顯變化趨勢(shì)（P＞0.05），而其他4種服務(wù)類型則隨土地開發(fā)程度的增加呈顯著下降趨勢(shì)（P＜0.05）。

空氣凈化服務(wù)（圖4d）和生物多樣性服務(wù)（圖4i）隨土地開發(fā)程度的增加均呈顯著下降趨勢(shì)（P＜0.05），識(shí)別得到隨土地開發(fā)程度變化的突變點(diǎn)分別為31%和26%，但 2種服務(wù)類型識(shí)別得到的突變點(diǎn)不影響其總體下降趨勢(shì)，僅表現(xiàn)出下降速率有所降低。

2.3 區(qū)域劃分及主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)識(shí)別

從圖3和圖4的結(jié)果可知，北京灣過渡帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨植被覆蓋度變化的突變點(diǎn)范圍介于 0.45～0.56，隨土地開發(fā)程度的突變點(diǎn)范圍為15%～31%。根據(jù)影響因子突變點(diǎn)對(duì)各分區(qū)結(jié)果特征的表現(xiàn)情況，結(jié)合ArcGIS軟件中自然間斷點(diǎn)（Natural Breaks）分類結(jié)果和研究區(qū)實(shí)際情況的主觀判斷，選擇突變點(diǎn)為 0.45的植被覆蓋度和15%的土地開發(fā)程度將北京灣過渡帶劃分為 4類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)梯度效應(yīng)區(qū)域（表1和圖5）。

表1 北京灣過渡帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)梯度效應(yīng)生態(tài)分區(qū)及特征描述Table 1 Ecological zoning and characteristics based on gradient effect of ecosystem services in the transitional zone of Beijing Bay

圖5 北京灣過渡帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)梯度效應(yīng)生態(tài)分區(qū)Fig.5 Ecological zoning based on gradient effect of ecosystem services in the transitional zone of Beijing Bay

玫瑰圖清晰展示了北京灣過渡帶各分區(qū)每種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相對(duì)供給水平，其半徑表征每種服務(wù)相對(duì)于研究區(qū)整體供給水平的倍數(shù)，半徑最長(zhǎng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)即為該區(qū)域的主導(dǎo)服務(wù)（圖6）。區(qū)域I植被覆蓋度高，土地開發(fā)程度低，其食物供給和水質(zhì)調(diào)節(jié)較低，分別為研究區(qū)整體平均水平的13%和 57%，而其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給較高，均超出研究區(qū)整體平均水平，該區(qū)域主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為土壤保持服務(wù)和碳存儲(chǔ)服務(wù)，供給能力是研究區(qū)平均水平的1.44和1.25倍。區(qū)域II植被覆蓋度和土地開發(fā)程度均較低，主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為生物多樣性服務(wù)和休閑游憩服務(wù)，供給能力分別是研究區(qū)整體平均水平的1.11和1.05倍，而水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)供給較低，為平均水平的75%。區(qū)域III植被覆蓋度和土地開發(fā)程度均較高，主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為食物供給服務(wù)和空氣凈化服務(wù)，供給能力分別是研究區(qū)整體平均水平的1.28和1.24倍，土壤保持服務(wù)供給較低，為平均水平的 67%。區(qū)域IV植被覆蓋度低，土地開發(fā)程度高，主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為食物供給服務(wù)和水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)，供給能力分別是研究區(qū)整體平均水平的2.82和1.96倍，而其他服務(wù)均低于研究區(qū)整體平均水平，特別是土壤保持服務(wù)的供給，僅為平均水平的24%。總體來看，從區(qū)域I到區(qū)域IV，隨著植被覆蓋度逐漸降低和土地開發(fā)程度逐漸增加，主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)從以調(diào)節(jié)服務(wù)為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨┙o服務(wù)為主，呈現(xiàn)一定的過渡性。

圖6 北京灣過渡帶不同生態(tài)分區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給水平Fig.6 Ecosystem service supply level in different ecological zoning of the transitional zone of Beijing Bay

3 討 論

受多種自然因子和人為干擾因子影響，各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的空間分布并不均勻[37-39]，通常存在空間異質(zhì)性[40]，本研究所評(píng)估的 9種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)也呈現(xiàn)出這一特征。Yang等[41]對(duì)京津冀區(qū)域的研究發(fā)現(xiàn)，供給服務(wù)較高的區(qū)域常常耕地較多或人類活動(dòng)較密集，而調(diào)節(jié)服務(wù)較高的區(qū)域通常位于植被覆蓋度較高、人口密度較低的山區(qū)，這與本文研究結(jié)果一致，在其他研究結(jié)果中也得到證實(shí)[17,38]。此外，水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)與食物供給空間分布相似，而與其他調(diào)節(jié)服務(wù)不同，是由于食物供給較高的區(qū)域通常為保證作物產(chǎn)量，其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入也較高，由此產(chǎn)生污染物的量也比其他生態(tài)系統(tǒng)類型高，導(dǎo)致其水質(zhì)調(diào)節(jié)能力雖然較低，但凈化量卻較高，其分布格局與Chen等[42]采用同樣方法對(duì)北京及周邊生態(tài)系統(tǒng)的水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)的評(píng)估結(jié)果一致。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給一般隨著植被覆蓋度的提高而增加，這在本研究與其他研究中都得到驗(yàn)證[17,43]。而土地開發(fā)通常會(huì)使自然生態(tài)系統(tǒng)消失或質(zhì)量下降而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)降低，除個(gè)別案例由于城區(qū)植被狀況較好，部分生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有所改善外[13-14]，土地開發(fā)程度的增加在多數(shù)情況下都會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給造成顯著負(fù)面影響[44-45]。本文所評(píng)估的大部分生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)都表現(xiàn)出這一特征（圖4），不同的是本文從人為干擾程度出發(fā)，將耕地也考慮為土地開發(fā)程度，因此與其密切相關(guān)的食物供給和水質(zhì)調(diào)節(jié)服務(wù)隨土地開發(fā)程度的提高而呈增加趨勢(shì)，與Xu等[16]采用相同思路所得研究結(jié)果一致。

此前研究多基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇對(duì)研究區(qū)進(jìn)行生態(tài)分區(qū)[41,43,46]。該方法優(yōu)點(diǎn)是各區(qū)主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)非常明確，然而僅基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)而不考慮其他特征因子，其分區(qū)結(jié)果無法有效體現(xiàn)各區(qū)域的自然或人為因子特征，不利于政策落地。本研究從植被覆蓋度和土地開發(fā)程度 2個(gè)指標(biāo)出發(fā)，嘗試?yán)蒙鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)梯度效應(yīng)識(shí)別 2個(gè)因子的突變點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)，結(jié)果顯示各分區(qū)自然狀況和人為干擾狀況各具特點(diǎn)，且各分區(qū)主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相近，利于政策實(shí)施。然而不足之處在于各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的突變點(diǎn)不盡相同，甚至可能存在較大差別，劃分過程具有一定的主觀性，未來可考慮引入 GDP、人口密度、地形和氣象等因子，提煉指標(biāo)以綜合反映當(dāng)?shù)刈匀缓蜕鐣?huì)經(jīng)濟(jì)特征，減少主觀性，使分區(qū)結(jié)果充分反映當(dāng)?shù)靥卣?。北京灣過渡帶是生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)和敏感區(qū)，是北京市政府關(guān)注的焦點(diǎn)區(qū)域，《北京城市總體規(guī)劃（2016－2035年）》提出要加強(qiáng)淺山區(qū)生態(tài)修復(fù)和建設(shè)管控，構(gòu)建淺山休閑游憩帶，將淺山區(qū)建設(shè)成為首都生態(tài)文明示范區(qū)?；谙嚓P(guān)規(guī)劃要求和本研究成果，區(qū)域I人為干擾較小，植被條件較好，應(yīng)始終堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先的原則，以生態(tài)保護(hù)工作為主，并提高現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量，增加其主導(dǎo)服務(wù)的供給。區(qū)域II則人為干擾較重，植被條件較差，人為破壞后尚未完全恢復(fù)，應(yīng)以生態(tài)修復(fù)為主，實(shí)施低效林改造，提升純林的生物多樣性等，必要時(shí)實(shí)施封山育林，使人為干擾嚴(yán)重的區(qū)域盡快恢復(fù)到自然狀態(tài)。區(qū)域III主要為山間村落，要緊密結(jié)合相關(guān)規(guī)劃，適度發(fā)展生態(tài)主導(dǎo)的特色產(chǎn)業(yè)，提倡發(fā)展生態(tài)精品農(nóng)業(yè)和高端民宿，提高休閑游憩服務(wù)的供給。區(qū)域IV為人類聚居區(qū)，根據(jù)相關(guān)規(guī)劃，要加強(qiáng)規(guī)劃建設(shè)管控，嚴(yán)控增量建設(shè)和開發(fā)強(qiáng)度，恢復(fù)生態(tài)用地，合理配置耕地，大力發(fā)展智能化都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，保障首都糧食安全，在保證供給服務(wù)的同時(shí)提高調(diào)節(jié)服務(wù)的供給，同時(shí)適度發(fā)展生態(tài)旅游，增加休閑游憩服務(wù)的供給。

4 結(jié) 論

本研究以北京灣過渡帶為研究區(qū)，基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)形成的生物物理過程評(píng)估了 9種典型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，對(duì)其梯度效應(yīng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。得到的主要結(jié)論有：

1）生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的形成過程和影響因素各不相同，導(dǎo)致其分布存在較大的空間差異?？傮w來說，受人類影響較大的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，其供給較高的區(qū)域位于平原區(qū)；受生態(tài)系統(tǒng)及其生態(tài)過程影響較大的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，其供給較高的區(qū)域位于山區(qū)。

2）除休閑游憩外，大多生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨自然因子和人類影響因子呈現(xiàn)出明顯的梯度效應(yīng)?？傮w來說，受耕地影響，食物供給和水質(zhì)調(diào)節(jié)隨植被覆蓋度的提高而降低，隨土地開發(fā)程度的提高而增加；其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)則相反，隨植被覆蓋度的提高而增加，隨土地開發(fā)程度的提高而降低。

3）基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)隨植被覆蓋度和土地開發(fā)程度的突變點(diǎn)將北京灣過渡帶劃分為 4個(gè)區(qū)域，主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)特征明顯，從區(qū)域I到區(qū)域IV呈現(xiàn)出以調(diào)節(jié)服務(wù)為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨┙o服務(wù)為主的過渡性。

以北京灣過渡帶現(xiàn)有規(guī)劃為依據(jù)，結(jié)合本研究成果，可為各區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的優(yōu)化管理策略提供依據(jù)。同時(shí)因地制宜，針對(duì)不同區(qū)域制定生態(tài)保護(hù)、生態(tài)修復(fù)和生態(tài)補(bǔ)償政策，優(yōu)化國(guó)土空間格局與山區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，以促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。