特大城市新區(qū)土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡-協(xié)同關(guān)系影響: 以南京江北新區(qū)為例

錢紅運,陳 爽

(南京信息工程大學“一帶一路”城市可持續(xù)發(fā)展研究院/ 地理科學學院,江蘇 南京 210044)

生態(tài)系統(tǒng)是人類生存與發(fā)展的基礎(chǔ),可以為人類提供食物、水源等直接使用的產(chǎn)品,同時具有生物多樣性、碳存儲和水質(zhì)水量調(diào)節(jié)等間接為人類提供生產(chǎn)生活服務(wù)的功能[1]。人類當前面臨的多種生態(tài)問題的本質(zhì)是生態(tài)系統(tǒng)功能受到破壞與退化的后果[2]。近1個世紀以來,城市化對自然生態(tài)系統(tǒng)造成廣泛影響。城市化過程驅(qū)動土地利用轉(zhuǎn)換,改變了水和養(yǎng)分循環(huán)以及生態(tài)過程,直接或間接影響城市地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給,已有研究[3-4]采用價值當量因子等方法量化分析城市地區(qū)土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響,通過未來土地利用情景模擬探究生態(tài)服務(wù)功能變化趨勢。為了平衡城市化帶來的影響,大量事實指向基于自然的解決方案:通過城市開發(fā)空間規(guī)劃和綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提升區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)在食物供給、環(huán)境調(diào)節(jié)和生物多樣性維持等方面的服務(wù)功能[5]。然而,各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間關(guān)系復(fù)雜,呈現(xiàn)權(quán)衡或協(xié)同變化。一種服務(wù)的增加會以另一種或幾種服務(wù)的減少為代價,例如人口增長及相應(yīng)食物供給需求增加,會通過土地利用轉(zhuǎn)換,限制生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性維持、調(diào)節(jié)和支持服務(wù)[6]。植被凈初級生產(chǎn)力增加,會對生態(tài)系統(tǒng)的凈化、水分調(diào)節(jié)和支持服務(wù)產(chǎn)生增益作用。這種權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系隨著空間尺度的變化發(fā)生改變,且隨著時間發(fā)生階段性演變,并可能引發(fā)生態(tài)服務(wù)供給與人類需求的平衡被不斷打破,使得權(quán)衡關(guān)系難以確定和管理[7]。因此,為深入理解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的非線性特征,需要開展多尺度、多維度分析,提升定量化認知水平。

城市地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分布具有高度空間異質(zhì)性。破碎化分布的植被和水體,導(dǎo)致非均衡的生態(tài)服務(wù)供給,而人口和社會經(jīng)濟活動的高度集中,使得生態(tài)服務(wù)的需求與供給難以在空間上匹配,呈現(xiàn)出多種多樣的供需平衡及權(quán)衡關(guān)系[8-9]。如何認識城市空間差異化的生態(tài)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系是管理這些關(guān)系的前提,也是實現(xiàn)區(qū)域供需平衡的關(guān)鍵。已有研究采用相關(guān)分析法[10]、莫蘭指數(shù)[6]、玫瑰圖法[11]或權(quán)衡協(xié)同度(ESTD)模型[12]等多種方法探究生態(tài)服務(wù)間復(fù)雜的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,其中,多數(shù)研究[13-15]在城市群或城市區(qū)域尺度上進行,以行政區(qū)或流域為單元探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系,而在城市尺度上的研究較少。僅有個別報道[16-17]區(qū)分了不同城市或城鄉(xiāng)梯度上的地域差異,探討了城市開發(fā)模式、結(jié)構(gòu)及規(guī)模對生態(tài)服務(wù)供給的影響,遠不足以揭示生態(tài)服務(wù)在城市空間上的異質(zhì)性。此外,城市地區(qū)生態(tài)服務(wù)權(quán)衡機制研究也同樣欠缺。目前研究大多以數(shù)理統(tǒng)計分析為主,對形成權(quán)衡的社會經(jīng)濟和政策原因、自然因素的定量閾值等問題的實證研究不足,僅在部分案例中有零星討論。如陳田田等[18]對成渝城市群的研究發(fā)現(xiàn),城鎮(zhèn)發(fā)展占用耕地、林地從而對生態(tài)系統(tǒng)造成消極影響,在生態(tài)補償政策激勵下,退耕還林還草過程使得土壤保持和生境質(zhì)量這2類服務(wù)功能呈上升趨勢。王鵬濤等[19]討論了漢江流域降水對凈初級生產(chǎn)力(NPP)的閾值效應(yīng),認為這種閾值效應(yīng)可能造成NPP與土壤保持在南方呈現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系,在北方呈現(xiàn)協(xié)同關(guān)系,且需要更高精度數(shù)據(jù)來證實。王旸[20]則采用城市高精度多源數(shù)據(jù)評估分析了城市綠地降溫效果與游憩服務(wù)之間的協(xié)同關(guān)系。南京作為長江三角洲地區(qū)中心城市,一直是城市生態(tài)系統(tǒng)研究的重點[21-22],已有研究對南京市域生境質(zhì)量變化趨勢[23]、生態(tài)服務(wù)時空動態(tài)及權(quán)衡度變化[24]等進行了模擬評估,但是在生態(tài)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同機制的實證研究及空間差異分析上仍顯不足。

江北新區(qū)作為南京域內(nèi)的國家級新區(qū),承擔著國家重大發(fā)展戰(zhàn)略。在城市新區(qū)規(guī)劃建設(shè)中土地利用結(jié)構(gòu)劇烈變化,自然環(huán)境平衡被打破,影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。該研究通過柵格像元及街區(qū)尺度上的生態(tài)服務(wù)模擬評估與變化分析,主要回答以下問題:(1)城市區(qū)域生態(tài)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系是否遵循已有的一般認知?受哪些因素影響?(2)哪些土地利用變化會帶來生態(tài)服務(wù)協(xié)同增強?哪些會導(dǎo)致此消彼長的權(quán)衡?如何在新區(qū)建設(shè)中管理這些關(guān)系以促進生態(tài)服務(wù)提升?從而探究土地利用變化對生態(tài)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的影響機制,豐富相關(guān)理論和實證研究,研究結(jié)果可為南京江北新區(qū)綠色發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

南京江北新區(qū)是江蘇首個國家級新區(qū),于2015年6月由國務(wù)院正式批復(fù)同意設(shè)立。作為南京都市圈、寧鎮(zhèn)揚同城化的核心區(qū)域,江北新區(qū)的綠色發(fā)展和現(xiàn)代化建設(shè),是實施區(qū)域發(fā)展總體戰(zhàn)略的關(guān)鍵[25]。江北新區(qū)范圍覆蓋南京市長江以北地區(qū)(圖1),屬亞熱帶季風氣候區(qū),四季分明,多年平均降水量呈現(xiàn)增加趨勢,尤其近10 a增加明顯。江北新區(qū)生態(tài)環(huán)境良好,是南京生態(tài)屏障區(qū)之一,擁有老山、平山、金牛湖等重要生態(tài)斑塊以及滁河、長江等生態(tài)廊道。研究區(qū)土地利用類型以耕地為主,近年來隨著經(jīng)濟迅速發(fā)展和城市化進程加快,建設(shè)用地迅速擴張、耕地面積大幅度下降引發(fā)一定的生態(tài)環(huán)境問題[26]。江北新區(qū)總面積為2 451 km2,包括南京市浦口區(qū)、六合區(qū)和棲霞區(qū)八卦洲街道。根據(jù)《省政府關(guān)于南京江北新區(qū)發(fā)展總體規(guī)劃的批復(fù)》(蘇政復(fù)〔2017〕74號),劃分直管區(qū)、共建區(qū)和協(xié)調(diào)區(qū),其中,直管區(qū)面積為386.25 km2,包含浦口區(qū)沿江街道、泰山街道、盤城街道和頂山街道,六合區(qū)大廠街道、長蘆街道和葛塘街道,以及南京高新技術(shù)開發(fā)區(qū)和南京化工園區(qū),由新區(qū)管委會負責區(qū)內(nèi)經(jīng)濟管理、城市建設(shè)管理、社會事務(wù)和社會管理。

圖1 南京江北新區(qū)位置

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要包括:(1)2000、2010和2020年土地利用數(shù)據(jù)來自中國資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心(https:∥www.resdc.cn/),采用一級分類結(jié)果(包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地),遙感數(shù)據(jù)源為Landsat TM/ETM,通過人工目視解譯生成,分辨率為30 m。(2)DEM數(shù)據(jù)采用ASTER Global Digital Elevation Model(ASTER GDEM)數(shù)據(jù),來自地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/#page1/1),分辨率為30 m。(3)土壤數(shù)據(jù)來自世界土壤數(shù)據(jù)庫(http:∥westdc.westgis.ac.cn/data/611f7d50-b419-4d14-b4dd-4a944b141175),提取可利用的土壤類型(包括砂粒、粉粒和黏粒等)和有機碳含量等土壤屬性數(shù)據(jù),分辨率為1 km。(4)氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/),選取2000、2010和2020年南京江北新區(qū)及周邊氣象站點日降水量、氣溫等文本數(shù)據(jù),經(jīng)克里金插值后獲得可利用的柵格數(shù)據(jù)。(5)道路、河流水系和行政區(qū)劃等矢量數(shù)據(jù)來自國家基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(http:∥www.ngcc.cn/ngcc/)。

2 研究方法

基于InVEST模型、GIS軟件以及氣象、土壤等多源數(shù)據(jù),在30 m柵格像元上計算多個年份南京江北新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),包括碳存儲、產(chǎn)水量與生境質(zhì)量,并采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同度模型定量分析不同生態(tài)服務(wù)間相互關(guān)系。

2.1 碳存儲

InVEST模型碳存儲模塊通過不同年份土地利用數(shù)據(jù)及對應(yīng)碳密度數(shù)據(jù)評估研究區(qū)每個柵格單元的碳儲量。該研究考慮地上生物碳庫、地下生物碳庫、土壤碳庫和死亡有機質(zhì)碳庫4大碳庫,計算公式為

Ctot=(Cabove+Cbelow+Cdead+Csoil)×S。

(1)

式(1)中,Ctot為碳存儲量,kg;Cabove、Cbelow、Cdead和Csoil分別為地上生物、地下生物、死亡有機質(zhì)和土壤碳密度,kg·m-2;S為土地利用類型面積,m2,采用南京江北新區(qū)三期土地利用數(shù)據(jù)及對應(yīng)碳密度數(shù)據(jù)表進行模型計算,碳密度數(shù)據(jù)參照榮月靜[27]、揣小偉等[28]和郭晶晶等[29]研究進行設(shè)定。

2.2 產(chǎn)水量

InVEST產(chǎn)水量模塊基于水量平衡原理,可以用來評估區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)水源供給量[30],每個柵格水源供給量為降水量減去實際蒸散量后的水量[31-32]。計算公式為

(2)

(3)

(4)

(5)

TEo=a×Ra(T+17.8)×(Tmax-Tmin)b,

(6)

CPAW,x=0.003 134×wSand+0.004 744×wSilt+0.002 27×wClay-0.000 02×wOM-0.170 1×DB。

(7)

式(2)～(7)中,Yxj為生態(tài)系統(tǒng)類型j柵格x的年水源涵養(yǎng)量,mm;Px為柵格x的年降水量,mm;TAE,xj為生態(tài)系統(tǒng)類型j柵格x的年實際蒸散量,mm;Rxj為生態(tài)系統(tǒng)類型j柵格x的Budyko干燥指數(shù);wx為自然氣候-土壤性質(zhì)的非物理參數(shù);Z為季節(jié)降水分布和降水深度參數(shù)[33],受季節(jié)、降水影響較大,在夏季降水量大的區(qū)域,Z的期望值為1;CPAW,x為植被可利用含水量,mm,基于世界土壤數(shù)據(jù)庫中不同土壤類型和有機碳含量等數(shù)據(jù),通過計算獲得空間分布圖;Kxj為植被蒸散系數(shù),指不同發(fā)育期植被蒸散量與潛在蒸散量之比[34],通過聯(lián)合國糧農(nóng)組織在線資源及蒸散量計算獲得各土地利用蒸散系數(shù);TEo為參考作物蒸發(fā)蒸騰量,mm,參照李郁等[35]關(guān)于南京地區(qū)修正后的經(jīng)驗系數(shù)值,a和b分別為0.001 09和0.68;Ra為太陽天頂輻射(以水量計),MJ·m-2·d-1;T為日平均溫度,℃;Tmax為日最高溫度,℃;Tmin為日最低溫度,℃;wSand、wSilt、wClay、wOM和DB分別為土壤粉粒、砂粒、黏粒和有機質(zhì)含量(%)以及土壤容重(g·cm-3)。采用研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù),對經(jīng)裁剪的土壤屬性數(shù)據(jù)以及克里金插值后獲得的降水量、蒸散量和植被可利用含水量等參數(shù)的空間分布圖,進行模型計算。

2.3 生境質(zhì)量

InVEST模型通過生境質(zhì)量指數(shù)表征生物多樣性維持功能,原理是通過土地覆被、生物多樣性的威脅因子和敏感性因子生成生境質(zhì)量圖。生境質(zhì)量指數(shù)范圍為0～1,值越高表示生物多樣性越豐富,反之,則代表生物多樣性較低。計算公式為

(8)

式(8)中,Qxj為土地利用類型j柵格x的生境質(zhì)量;Hj為土地覆被類型j對應(yīng)的生境類型得分;Dxj為土地覆被類型j柵格x的生境脅迫水平;k為半飽和常數(shù),設(shè)為0.5。選擇對生境質(zhì)量具有直接影響的威脅源因子,包括建設(shè)用地、耕地和交通用地(主要鐵路、主要公路、國道和省道),其中,威脅源因子權(quán)重和影響范圍以及生境質(zhì)量對威脅的敏感性數(shù)據(jù)參考高周冰等[23]、榮月靜[27]和張慧[36]的研究設(shè)定。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同度模型(ESTD)

采用權(quán)衡協(xié)同度模型計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互作用的方向和程度,該模型建立在線性擬合基礎(chǔ)上,通過對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的相互作用進行整體評價,計算公式為

(9)

式(9)中,DEST,ij為第i和j種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同度;CES,iq和CES,ip分別為q和p時刻第i種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化量;CES,jq和CES,jp分別為q和p時刻第j種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化量。DEST<0表示兩者間存在權(quán)衡關(guān)系,DEST>0表示兩者間存在協(xié)同關(guān)系,DEST=0表示兩者間無顯著關(guān)系[37]。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空特征

基于InVEST模型研究評估南京江北新區(qū)2000、2010和2020年碳儲量、產(chǎn)水量和生境質(zhì)量(表1),得到研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布及變化(圖2)。

表1 2000—2020年南京江北新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量

圖2 2000—2020年南京江北新區(qū)產(chǎn)水量、碳儲量和生境質(zhì)量空間分布及變化格局

如表1所示,2000—2020年研究區(qū)生境質(zhì)量和碳儲量總體上呈逐年下降趨勢,產(chǎn)水量呈逐年上升趨勢。2000年產(chǎn)水量為17.25億m3,2020年達到23.90億m3,增加6.65億m3,增幅明顯。據(jù)統(tǒng)計資料記載,2000—2020年南京市明顯進入雨水豐沛的時段,尤其近10 a降水量增加更為明顯,產(chǎn)水量受降水量影響,也呈增加趨勢。2000—2020年,生境質(zhì)量指數(shù)不斷下降,從0.490 5降低到0.461 3,減幅為5.95%,碳儲量也漸次減少,減幅為1.6%。

如圖2所示,2000—2020年產(chǎn)水量呈中間建設(shè)用地高四周低的空間分布格局,中部高值區(qū)面積逐年增加,主要位于研究區(qū)中部的大廠、沿江街道和高新技術(shù)開發(fā)區(qū)等城鎮(zhèn)區(qū)域,全域大部分地區(qū)產(chǎn)水量增加,部分水域產(chǎn)水量無明顯變化或減少。碳儲量呈中間低南北高的空間分布格局,且碳儲量沿長江區(qū)域都很低,但隨時間變化碳存儲空間分布較為穩(wěn)定,僅城鎮(zhèn)建設(shè)用地附近增減變化明顯。生境質(zhì)量高值區(qū)分布與林地分布一致,位于老山林場、六合區(qū)平山森林公園和西北部自然保護區(qū)附近,低值區(qū)位于研究區(qū)中部的城鎮(zhèn)區(qū)域,生境質(zhì)量多呈減少的變化趨勢,僅在北部和西南部的自然保護區(qū)和水源涵養(yǎng)區(qū)內(nèi)有所增加。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系

3.2.1基于像元的空間分異分析

為進一步探究研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的空間分異,利用GIS技術(shù)對研究區(qū)2000—2020年各項生態(tài)服務(wù)變化進行逐像元統(tǒng)計(圖3)。如圖3所示,生境質(zhì)量與碳儲量以協(xié)同關(guān)系為主,呈協(xié)同關(guān)系的像元占全部研究區(qū)的11%,權(quán)衡部分占比為2%,其余區(qū)域無明顯關(guān)系。這一結(jié)果與多數(shù)文獻報道[8]比較吻合,進一步證實生境質(zhì)量-碳儲量的協(xié)同關(guān)系,但是這種協(xié)同關(guān)系主要表現(xiàn)為負向協(xié)同。協(xié)同區(qū)主要分布在區(qū)域中部及南部沿江的城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū),這與大片耕地被城鎮(zhèn)建設(shè)用地侵占有關(guān),在人為干擾強烈作用下,生境質(zhì)量變低,碳儲量下降。

圖3 2000—2020年南京江北新區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系空間分布

另外,區(qū)域中部的有林地面積增加,有機質(zhì)積累豐富,使得生境質(zhì)量和碳儲量2項生態(tài)服務(wù)協(xié)同上升。生境質(zhì)量與產(chǎn)水量的權(quán)衡關(guān)系區(qū)域占比超過65%,而協(xié)同關(guān)系區(qū)域較少,主要分布在大泉水庫水源涵養(yǎng)區(qū)、平山省級森林公園和金牛湖飲用水水源涵養(yǎng)區(qū)以及滁河重要濕地等生態(tài)綠地和水源涵養(yǎng)區(qū),這得益于區(qū)域嚴格的空間管制和生態(tài)保護制度,生境質(zhì)量與產(chǎn)水量協(xié)同增加。碳儲量與產(chǎn)水量權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系區(qū)域比例為4∶1,權(quán)衡關(guān)系區(qū)域分散分布于全區(qū),相對集中于長江沿岸的建設(shè)用地,協(xié)同關(guān)系區(qū)域零星分布在西北邊界滁河沿線、南部長江沿線等,滁河沿線部分區(qū)域加強水利工程建設(shè)及水產(chǎn)養(yǎng)殖,將耕地轉(zhuǎn)為水域,這2項服務(wù)協(xié)同下降。研究區(qū)產(chǎn)水量與碳儲量、產(chǎn)水量與生境質(zhì)量的大比例權(quán)衡關(guān)系,與其他研究結(jié)果相似,有研究報道長三角地區(qū)碳存儲與產(chǎn)水量之間呈現(xiàn)顯著此消彼長的權(quán)衡關(guān)系[38],長江經(jīng)濟帶碳固定與水源產(chǎn)水服務(wù)在空間上以權(quán)衡關(guān)系為主,與生物多樣性服務(wù)之間以協(xié)同關(guān)系為主[39]。

3.2.2不同階段權(quán)衡協(xié)同度變化

以街道為單元計算各類生態(tài)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同度及其在2個時期的變化(圖4)。

圖4 2000—2010和2010—2020年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同度分布及變化

如圖4所示,28個單元按直管區(qū)、生態(tài)區(qū)和一般區(qū)分為3組,包括珍珠泉、湯泉農(nóng)場、老山林場和八卦洲4個重要生態(tài)功能單元,其開發(fā)活動受生態(tài)保護政策影響;中間化工園區(qū)等9個單元為江北新區(qū)直管區(qū),是主要開發(fā)活動的承載區(qū);北部竹鎮(zhèn)等15個單元為一般區(qū)域,其中,雄洲、六合開發(fā)區(qū)和江浦街道為新城規(guī)劃組團所在地。首先在總體上,街道的生境質(zhì)量-碳儲量和產(chǎn)水量-碳儲量權(quán)衡協(xié)同度較高,前者多數(shù)為協(xié)同,后者多數(shù)為權(quán)衡。而產(chǎn)水量-生境質(zhì)量權(quán)衡協(xié)同度相對不太明顯,這與像元尺度(圖3)上的表現(xiàn)略有差別。其次在時間變化上,2000—2010年,受區(qū)域開發(fā)中城鎮(zhèn)建設(shè)用地大幅增加的影響,大部分單元生境質(zhì)量與碳儲量都在下降,呈負向協(xié)同關(guān)系;但也有差異,如六合開發(fā)區(qū)以及沿江街道、老山林場、湯泉農(nóng)場生境質(zhì)量-碳儲量協(xié)同程度較高,大廠街道部分草地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地,碳儲量增加而生境質(zhì)量下降,兩者表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系。由于降水量增加使研究區(qū)產(chǎn)水量普遍上升,使得產(chǎn)水量與生境質(zhì)量和碳儲量均呈權(quán)衡關(guān)系,權(quán)衡程度較高的街道有葛塘、永寧和頂山街道,但西部沿滁河的湯泉和程橋街道因水域面積增加,生境質(zhì)量-產(chǎn)水量表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系。2010—2020年,江北新區(qū)直管街道以及六合開發(fā)區(qū)和江浦街道的權(quán)衡協(xié)同度維持較高水平,尤其是生境質(zhì)量-碳儲量協(xié)同度更加突出。而周圍街道的權(quán)衡協(xié)同度均有所收縮,一定程度上體現(xiàn)了城市集中發(fā)展帶來的影響?？傮w而言,生境質(zhì)量與碳儲量協(xié)同的街道數(shù)量由2000—2010年沿江、泰山等19個增加到2010—2020年大廠、八卦洲等21個,生境質(zhì)量-產(chǎn)水量權(quán)衡的街道增加6個,產(chǎn)水量-碳儲量權(quán)衡的街道減少2個。

4 討論

城市地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系受多種因素影響,土地利用變化在其中起主要作用。2020年南京江北新區(qū)土地利用類型以耕地(58.6%)為主,其后依次為建設(shè)用地(24.58%)、林地(7.72%)和水域(7.46%)。從2000年到2020年,各土地利用類型均發(fā)生變化,其中,耕地、林地和草地面積占比分別減少7.9、0.4和0.1個百分點,而建設(shè)用地、水域面積占比分別增加7.2和0.8個百分點。比較土地利用變化區(qū)域(圖5)和生態(tài)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系分布,綜合各街道生態(tài)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同度變化分析,可以推斷耕地轉(zhuǎn)換對生境質(zhì)量、產(chǎn)水量和碳儲量間權(quán)衡與協(xié)同具有重要驅(qū)動作用。例如,江北新區(qū)建設(shè)中直管區(qū)有68.52 km2耕地轉(zhuǎn)換為固碳能力較弱的城鎮(zhèn)建設(shè)用地,固碳能力減弱使相應(yīng)土地上的碳儲量服務(wù)下降7 304.82 t,同時,地表密實化與植被生物量減少破壞了自然棲息環(huán)境,導(dǎo)致生境質(zhì)量下降0.154 4,因此,在地表城鎮(zhèn)化驅(qū)動下,直管區(qū)23.59%的土地出現(xiàn)碳儲量與生境質(zhì)量的協(xié)同關(guān)系。而產(chǎn)水量受土地利用轉(zhuǎn)換、降水量等多項因素影響,由于2000—2020年南京地區(qū)降水量明顯增加,而江北新區(qū)新增城鎮(zhèn)土地上植被覆蓋度較低,植被蒸散量較小,使得產(chǎn)水量不斷上升,每1 km2耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地后產(chǎn)水量平均增加78.02%。因此,這種城市擴張和植被減少過程,在降水增加的情形下,造成生境質(zhì)量與產(chǎn)水量、碳儲量與產(chǎn)水量之間呈現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系。除此之外,水域增加或減少是影響生態(tài)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同的另一個不可忽視的因素。在江北新區(qū)快速城鎮(zhèn)化過程中,耕地向水域的轉(zhuǎn)變和建設(shè)用地對水域的占用都會明顯驅(qū)動生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系。例如,新區(qū)從高速發(fā)展逐漸過渡為高質(zhì)量發(fā)展,將河湖保護與自然保護區(qū)、濕地保護區(qū)(公園)和水利風景區(qū)相結(jié)合,使馬鞍山街道川橋水庫、竹鎮(zhèn)大泉水庫、程橋街道水產(chǎn)養(yǎng)殖和永寧街道滁河重要濕地等水域面積增加,促成了生境質(zhì)量上升與碳儲量下降的權(quán)衡過程(圖3),以及碳存儲服務(wù)與水源產(chǎn)水服務(wù)協(xié)同降低的過程(圖3)。另一方面,建設(shè)用地侵占水域的情況仍有發(fā)生,如頂山街道和葛塘街道在研究期內(nèi)有大面積水域轉(zhuǎn)為建設(shè)用地(圖5),碳密度上升使碳儲量增加,使得碳儲量-產(chǎn)水量由2000—2010年的權(quán)衡關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)?010—2020年的協(xié)同增長關(guān)系(圖4)。因此,水域增加和減少是快速城鎮(zhèn)化過程中驅(qū)動生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同變化的重要機制。在以往的城市土地利用變化研究中,曾報道和關(guān)注水域變化引起的生態(tài)空間變化[21],這種變化一方面表現(xiàn)為土地產(chǎn)出經(jīng)濟效益推動大都市外圍養(yǎng)殖水域增加,另一方面新型城鎮(zhèn)化建設(shè)進一步推動濕地生態(tài)空間修復(fù)和增長,這些主客觀因素可能在一段時間內(nèi)持續(xù)驅(qū)動著城市周邊地區(qū)水域變化,并由此驅(qū)動基于水域的生態(tài)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系。因此,有關(guān)城市地區(qū)水域變化驅(qū)動生態(tài)服務(wù)時空格局變化的研究,有待從經(jīng)濟、社會和生態(tài)耦合系統(tǒng)角度進行更深入探討。

圖5 2000—2020年南京江北新區(qū)土地利用分布

為改善南京江北新區(qū)的生態(tài)服務(wù),建議在未來城市發(fā)展規(guī)劃中,堅持生態(tài)優(yōu)先原則,充分認識生態(tài)空間的服務(wù)價值,劃定生態(tài)保留區(qū);優(yōu)化城市空間布局,合理規(guī)劃城鎮(zhèn)建設(shè)用地,加強城市內(nèi)部與周邊的生態(tài)聯(lián)系,將生態(tài)空間納入現(xiàn)行規(guī)劃和管理體系[21]。該研究案例區(qū)的推廣性在于證明城市化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系存在一定區(qū)域差異,區(qū)域整體權(quán)衡關(guān)系與街道尺度可能有所不同。該研究局限性在于各年份碳存儲服務(wù)使用同一碳庫數(shù)據(jù),而實際碳庫應(yīng)隨時間有所變化;其次,雖然InVEST模型被眾多學者廣泛應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究,但該模型自身存在一定局限性,模型部分參數(shù)需要根據(jù)前人研究在江北新區(qū)的實際情況下設(shè)定和修改,相關(guān)參數(shù)隨著經(jīng)濟、環(huán)境變化而有所變化,容易造成因參數(shù)選擇所致的不確定性。另外,該研究所探究的3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)種類在數(shù)量上仍偏少,還需考慮其他如土壤保持和文化服務(wù)等,從空間上對多個服務(wù)進行綜合評價將使研究更具有說服力。在今后研究中,仍需進一步尋找更高分辨率的數(shù)據(jù)以及更詳細的資料,通過更綜合的指標體系評估區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,理清生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的影響因素。

5 結(jié)論

快速城鎮(zhèn)化過程中,土地利用變化驅(qū)動生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空變化。采用InVEST模型測算了南京江北新區(qū)2000、2010和2020年產(chǎn)水量、碳儲量和生境質(zhì)量3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量,所識別的生態(tài)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系與其他研究大體一致而兼有地區(qū)差異。得到如下主要結(jié)論:

(1)2000—2020年,南京江北新區(qū)生境質(zhì)量呈下降趨勢,從0.490 5降低到0.461 3,建設(shè)用地持續(xù)增加導(dǎo)致碳儲量減少,減幅為1.6%。生境質(zhì)量和碳儲量高值區(qū)主要分布在老山林場等林地,低值區(qū)位于人類活動頻繁的建設(shè)用地。受降水量等氣象因素影響,江北新區(qū)產(chǎn)水量上升,高值區(qū)主要位于建設(shè)用地,低值區(qū)位于長江沿岸水域。

(2)生境質(zhì)量與碳儲量以協(xié)同關(guān)系為主;生境質(zhì)量與產(chǎn)水量以權(quán)衡關(guān)系為主,呈權(quán)衡關(guān)系的區(qū)域面積占比超過65%;碳儲量與產(chǎn)水量以權(quán)衡關(guān)系為主,權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系區(qū)域面積比值為4∶1,權(quán)衡關(guān)系區(qū)域分布與新增建設(shè)用地重合;街道尺度上的權(quán)衡協(xié)同度與像元尺度上略有不同,生境質(zhì)量-碳儲量協(xié)同度更加突出。

(3)建設(shè)用地及水域增加和減少是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡與協(xié)同變化的重要驅(qū)動因素,需從經(jīng)濟、社會和生態(tài)耦合系統(tǒng)角度進一步深入探討城市地區(qū)水域變化對生態(tài)服務(wù)時空格局變化的驅(qū)動作用。