基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇分析的城市生態(tài)空間碳匯能力綜合提升

戴菲 江佩宜 文晨＊

現(xiàn)如今，高度城鎮(zhèn)化的城市空間導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的壓力日趨增加，生態(tài)環(huán)境與人民需求的供需問(wèn)題逐步凸顯。城市生態(tài)空間集聚多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[1]，承載著多元的生態(tài)價(jià)值，是增進(jìn)民生福祉的物質(zhì)載體，也是賦能生態(tài)文明建設(shè)的具體實(shí)踐戰(zhàn)略[2]，更對(duì)推動(dòng)碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)有著至關(guān)重要的作用[3]。成都環(huán)城生態(tài)公園已通過(guò)建設(shè)綠道、增綠提質(zhì)，探索出生態(tài)空間可持續(xù)固碳增匯的新模式[4]。碳匯作為熱點(diǎn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之一，是近年來(lái)備受關(guān)注的課題，上海生態(tài)空間專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃[5]、湖南常德海綿城市專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃[6]、廣東國(guó)土空間規(guī)劃[7]中均提出“控排”“穩(wěn)碳”“增匯”的目標(biāo)，以及藍(lán)綠網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等低碳規(guī)劃的實(shí)施路徑。城市生態(tài)空間建設(shè)是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要推手，評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有助于量化多元生態(tài)價(jià)值，識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇可有效推進(jìn)城市生態(tài)空間規(guī)劃部署和策略實(shí)施，以實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益最大化，具有科學(xué)性與前瞻性。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指人類(lèi)從生態(tài)系統(tǒng)中直接或間接受益的產(chǎn)品和服務(wù)[8]。千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估（Millennium Ecosystem Assessment, MA）將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)界定為調(diào)節(jié)、支持、供給、文化4種服務(wù)類(lèi)別[9]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇指時(shí)空中重復(fù)出現(xiàn)的多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的集合，可對(duì)區(qū)域內(nèi)主導(dǎo)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行識(shí)別，分析多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系[10]。

城市生態(tài)空間在固碳增匯、氣體凈化、水土保持、水質(zhì)調(diào)節(jié)、土壤保持、城市降溫、維持生物多樣性等生態(tài)調(diào)節(jié)方面對(duì)城市的可持續(xù)發(fā)展與“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)存在重要作用。目前，已有大量研究利用InVEST模型對(duì)各地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中的碳儲(chǔ)量模塊[11]、生境質(zhì)量模塊[12]、生物多樣性模塊[13]等進(jìn)行生態(tài)價(jià)值評(píng)估，同時(shí)基于土地利用類(lèi)型變化[12-15]，運(yùn)用FLUS、CA-Markov等模型進(jìn)行多情景模擬，但單一因子難以指導(dǎo)極具差異化的大尺度市域生態(tài)空間建設(shè)，需綜合考慮多因子的協(xié)同作用來(lái)制定規(guī)劃政策。因此，中國(guó)學(xué)者對(duì)各區(qū)域開(kāi)展了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇的研究，張雅茹等[16]分析了淄博的6類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，并識(shí)別出4類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇，以期推動(dòng)公園城市全面建設(shè)；部分學(xué)者對(duì)東北地區(qū)[17]、雄安新區(qū)[18]等地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇進(jìn)行評(píng)估與分析；還有學(xué)者在對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇進(jìn)行分析后，根據(jù)生態(tài)用地功能制定分區(qū)[19]、分級(jí)[20]、分類(lèi)[21]策略。在各類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指導(dǎo)城市生態(tài)空間的保護(hù)與利用方面，尤其是多因子協(xié)同作用下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇與生態(tài)價(jià)值量化，現(xiàn)有研究較為薄弱，有待進(jìn)一步深入。因此，本研究試圖彌補(bǔ)當(dāng)前的研究短板，結(jié)合城市生態(tài)空間建設(shè)，創(chuàng)新性地提出以碳匯發(fā)育程度來(lái)識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇的方法，將生態(tài)空間建設(shè)和“雙碳”目標(biāo)有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，探討碳匯能力綜合提升背景下城市生態(tài)空間的規(guī)劃策略，構(gòu)建碳匯能力可持續(xù)提升體系。

綜上所述，面對(duì)生態(tài)空間建設(shè)的實(shí)踐挑戰(zhàn)，單一的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估方法在理解生態(tài)服務(wù)之間的權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系方面存在局限性，因此難以應(yīng)對(duì)地區(qū)性的復(fù)雜問(wèn)題[22]。大量研究引入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇對(duì)區(qū)域進(jìn)行效益評(píng)估與規(guī)劃指導(dǎo)，但目前還未形成適用于差異化區(qū)域的通用類(lèi)模型。

城市生態(tài)空間具有多種類(lèi)別的生態(tài)功能，而高質(zhì)量的生境是實(shí)現(xiàn)這些功能的基礎(chǔ)條件。對(duì)生態(tài)空間的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)組合進(jìn)行研究，能夠反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇多維度和整體性的優(yōu)點(diǎn)。這種研究方式不僅能全面評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)，還能為區(qū)域決策和策略制定提供綜合性的支持[23-24]。因此，本研究以武漢市為研究區(qū)域，特別關(guān)注與生態(tài)空間建設(shè)相關(guān)的自然因素，并全面評(píng)估武漢市的5類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。針對(duì)武漢大江大湖的地域特色，構(gòu)建理論框架以識(shí)別具有不同碳匯發(fā)育程度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇，從而提升城市碳匯能力，助力生態(tài)文明建設(shè)，推動(dòng)“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

武漢市位于長(zhǎng)江中游，江漢平原東部，自古形成武昌、漢口、漢陽(yáng)三鎮(zhèn)。武漢是湖北省省會(huì)城市，處于中國(guó)腹地中心（113°41′～115°05′ E、29°58′～31°22′ N），承擔(dān)著中國(guó)重要交通樞紐的責(zé)任，有“九省通衢”之稱(chēng)。全市總面積8 569.15 km2，建成區(qū)面積885.11 km2，內(nèi)轄13個(gè)行政區(qū)，常住人口為1 365萬(wàn)人?？傮w地形以平原為主，三面環(huán)山，中部平坦，南北部為丘陵，北部山林共生，土地利用類(lèi)型的變化是導(dǎo)致生境質(zhì)量差異化的主要因素[25-26]。武漢市林地面積共1 500 km2，其中森林面積近1 270 km2，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中貢獻(xiàn)碳儲(chǔ)量的重要基地。市域內(nèi)湖泊密布、河網(wǎng)交織，水域面積約占全市總面積的26%，有“百湖之市”之名；淡水資源充沛，蓄水能力極強(qiáng)，享“濕地之城”之譽(yù)。因此，武漢濕地的固碳潛力不容忽視。同時(shí)，因得天獨(dú)厚的自然條件，動(dòng)植物資源豐富、種類(lèi)繁多。武漢市屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，由于地形特點(diǎn)難以散熱，具有夏熱冬冷、陽(yáng)光充足、雨水豐沛的特點(diǎn)，年均降水量約為1 150 mm，年平均氣溫為17.3 ℃[27]。武漢的大江大河特色為城市生態(tài)空間建設(shè)提供了優(yōu)質(zhì)的資源稟賦與自然載體。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究使用的主要數(shù)據(jù)包括土地利用數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型（digital elevation model, DEM）、土壤數(shù)據(jù)等，其中土地覆蓋數(shù)據(jù)（2020年）來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院，精度為30 m×30 m；DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于 ALOS （ Advanced Land Observing Satellite）全球高程數(shù)據(jù)，精度為30 m×30 m。其余數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)來(lái)源[28-31]Tab.1 Data source[28-31]

1.3 研究思路與框架

城市生態(tài)空間兼具多種生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)與多元生態(tài)價(jià)值[32-33]。對(duì)于城市生態(tài)空間建設(shè)，全域尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇研究有助于理解城市生態(tài)系統(tǒng)的多元性與復(fù)雜性。

已有多項(xiàng)研究結(jié)果表明：碳儲(chǔ)量與生境質(zhì)量[34]、土壤保持呈正相關(guān)關(guān)系[35]，且碳匯效益在林地中最為突出[36]；而降水是影響植被碳儲(chǔ)量的重要因子之一[37]。因此，本研究篩選出與城市生態(tài)空間建設(shè)的自然條件息息相關(guān)的5種模塊，運(yùn)用InVEST模型對(duì)武漢市的碳儲(chǔ)量、生境質(zhì)量、水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化、土壤保持模塊進(jìn)行單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估；隨后，運(yùn)用自組織特征映射（self-organizing feature mapping, SOM）模型進(jìn)行聚類(lèi)分析，識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇，再導(dǎo)入ArcGIS進(jìn)行空間制圖與可視化表達(dá)：以1 km×1 km的網(wǎng)格（統(tǒng)計(jì)單元）對(duì)研究區(qū)域內(nèi)不同類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇進(jìn)行提取，識(shí)別出6類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇，再按照碳匯發(fā)育程度劃分為碳匯保育區(qū)、碳匯潛力區(qū)、碳匯稀缺區(qū)3類(lèi)分區(qū)；分類(lèi)、分區(qū)提出城市生態(tài)空間規(guī)劃策略和碳匯能力提升建議（圖1）。

1 研究框架Research Framework

1.4 數(shù)據(jù)測(cè)算

1.4.1 單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估

本研究使用InVEST模型測(cè)算武漢市碳儲(chǔ)量、生境質(zhì)量、水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化、土壤保持5種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（表2）。該模型的使用有助于直觀了解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布與演化模式，為規(guī)劃者、管理者制定決策提供科學(xué)依據(jù)[45]。

表2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)模塊的計(jì)算原理與計(jì)算式[38-44]Tab.2 Calculation principle and formula of ecosystem service module[38-44]

1）碳儲(chǔ)量利用InVEST模型中的碳模塊進(jìn)行估算，將地上生物量、地下生物量、土壤碳儲(chǔ)量和死亡有機(jī)物4個(gè)碳庫(kù)的碳密度相加，再與各類(lèi)土地利用類(lèi)型的面積相乘[38]，來(lái)計(jì)算某區(qū)域的碳儲(chǔ)量，并分析時(shí)空分布特征。通過(guò)評(píng)估城市綠地和植被對(duì)碳的吸收和儲(chǔ)存能力，可量化碳儲(chǔ)量，從而助力城市綠色低碳發(fā)展。

2）生境質(zhì)量是反映生態(tài)系統(tǒng)提供適宜的生存條件的能力，影響著生物的生存環(huán)境與人類(lèi)福祉。已有研究表明，生境質(zhì)量易受到人為活動(dòng)的影響，是權(quán)衡生物多樣性的重要指標(biāo)[39]，因此生境質(zhì)量模塊通過(guò)土地利用類(lèi)型將生境與脅迫因子敏感度、距離等因素建立聯(lián)系，并結(jié)合生境威脅水平等參數(shù)進(jìn)行估算[40]。

3）水源涵養(yǎng)模塊先基于水量平衡原理計(jì)算水產(chǎn)量，再利用地形指數(shù)、流速系數(shù)和土壤飽和導(dǎo)水率進(jìn)行修正[41]。測(cè)算水產(chǎn)量能夠預(yù)測(cè)并管理城市地表環(huán)境的水資源供應(yīng)情況，分析生態(tài)及人類(lèi)活動(dòng)的水資源需求，評(píng)估城市抵抗洪澇等災(zāi)害的能力，提升水生態(tài)韌性。

4）水質(zhì)凈化模塊根據(jù)不同土地利用類(lèi)型內(nèi)植物、土壤對(duì)污染物的移除率與氮營(yíng)養(yǎng)物的截留率來(lái)反映水質(zhì)凈化狀況，該模塊只考慮非點(diǎn)源污染，氮輸出越低，水質(zhì)凈化能力越強(qiáng)[42]。測(cè)算氮滯留有助于分析城市中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸和淤積，幫助管理部門(mén)保護(hù)水源地并維護(hù)水生態(tài)環(huán)境的健康。

5）土壤保持模塊利用潛在土壤侵蝕量與現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕量的差值來(lái)估算土壤侵蝕量[43]，進(jìn)而得出土壤保持量。測(cè)算土壤滯留能幫助分析城市中的土壤侵蝕和沉積情況，通過(guò)景觀管理手段降低水體渾濁度。

1.4.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇識(shí)別

SOM是一種無(wú)監(jiān)督自學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[46]，可根據(jù)時(shí)空中多因子的內(nèi)在規(guī)律與相關(guān)性進(jìn)行聚類(lèi)分析。該模型反映了一組數(shù)據(jù)本原的聯(lián)系，有效減少了主觀性因素的干擾[47-48]，具有較高的參考價(jià)值，已在生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)[49]、功能分類(lèi)[50]、分級(jí)維度[51]等領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)。SOM模型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由輸入層和輸出層組成，生成的聚類(lèi)保留了原有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，映射到二維平面或曲面上，其算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程大致如下[52-54]。1）初始化：給輸出層各個(gè)神經(jīng)元j賦權(quán)值Wj（j=1，2...，n），并進(jìn)行歸一化處理，得到權(quán)值向量wij（t），同時(shí)設(shè)置較大的初始優(yōu)勝鄰域；2）確定優(yōu)勝神經(jīng)元：選取樣本Xi（i=1，2...，n）并 計(jì)算Xi與各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離dj， 從而確定距離樣本Xi最近的神經(jīng)元作為優(yōu)勝神經(jīng)元i（x），，通常使用歐氏距離計(jì)算dj，計(jì)算式為

3）更新權(quán)值：根據(jù)優(yōu)勝神經(jīng)元的鄰域函數(shù)確定優(yōu)勝鄰域所包含的節(jié)點(diǎn)，對(duì)優(yōu)勝神經(jīng)元及優(yōu)勝鄰域的權(quán)值進(jìn)行更新，該權(quán)值的計(jì)算式為

其中，η（t）（0＜η（t）＜1）為增益函數(shù)，隨時(shí)間增加，數(shù)值變小；4）更新增益函數(shù)與拓?fù)漕I(lǐng)域。被選取的樣本按此過(guò)程完成一輪迭代后，其他樣本返回2）重復(fù)上述步驟，直到達(dá)到迭代次數(shù)。

本研究使用SOM聚類(lèi)模型與非監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)算法，識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇。此過(guò)程參考了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究中常用的SOM聚類(lèi)分析的標(biāo)準(zhǔn)流程，并著重考慮了以下2個(gè)層面來(lái)確認(rèn)最終簇的數(shù)量：1）在數(shù)值層面，主要考慮“簇內(nèi)差異最小化和簇間差異最大化”原則[55]，這可以最大限度地區(qū)分每一個(gè)統(tǒng)計(jì)單元中的數(shù)據(jù)，使每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇在簇內(nèi)的差異較小，具有較穩(wěn)定的相似性，同時(shí)使不同類(lèi)別之間的服務(wù)簇差異更顯著；2）在學(xué)科領(lǐng)域的可解釋性層面，分類(lèi)過(guò)后的服務(wù)簇將用于分析生態(tài)空間的不同模式和應(yīng)對(duì)策略，因此，在判定簇的數(shù)量的同時(shí)，也會(huì)考慮研究目標(biāo)和管理措施，即生態(tài)空間的特征是否典型，且其多功能狀態(tài)是否便于管理部門(mén)理解與溝通。

在聚類(lèi)分析完成后，計(jì)算出的聚類(lèi)標(biāo)簽將被相應(yīng)地賦值到每一個(gè)統(tǒng)計(jì)單元，隨后運(yùn)用ArcGIS進(jìn)行空間制圖，可視化各類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇在武漢的空間位置及分布規(guī)律，從而針對(duì)所識(shí)別出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇提出規(guī)劃策略，以支持空間決策。

2 結(jié)果與分析

2.1 單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估結(jié)果

武漢市總體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（圖2）高值區(qū)域分布于北部和東北部林地、山區(qū)，水源涵養(yǎng)與水質(zhì)凈化能力較強(qiáng)區(qū)域集中分布于水體區(qū)域及其周邊，中部由于人類(lèi)活動(dòng)集中，整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力較差。

2 單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估結(jié)果Assessment results of individual ecosystem services

2.1.1 碳儲(chǔ)量

武漢市碳儲(chǔ)量空間分布的高值區(qū)域集中在北部山區(qū)與東北部的林地，中部地區(qū)土地利用類(lèi)型以建設(shè)用地為主，植被覆蓋率低，碳匯效益差。

2.1.2 生境質(zhì)量

武漢市生境質(zhì)量?jī)?yōu)越的區(qū)域主要位于北部山區(qū)、南部水域與東北部的林地，西部、東部的水體區(qū)域有零星分布，表明受人為影響較小的山林、水體區(qū)域生境質(zhì)量較好。中部為武漢主城區(qū)，由于建設(shè)用地集中、人類(lèi)活動(dòng)頻繁，生境質(zhì)量較差。

2.1.3 水源涵養(yǎng)

產(chǎn)水量的空間格局分布與降水量息息相關(guān)。武漢市年均產(chǎn)水量總體上呈現(xiàn)由西北向東南逐漸遞增；高產(chǎn)水量區(qū)集中在武漢南部的河湖聚集區(qū)域；北部山林廣布，植被蒸散能力強(qiáng)，產(chǎn)水量低。

2.1.4 水質(zhì)凈化

氮保持的低值區(qū)域集中在農(nóng)田區(qū)域，水質(zhì)凈化能力較弱的區(qū)域主要為農(nóng)田和建設(shè)用地，可能因受到農(nóng)業(yè)活動(dòng)中農(nóng)藥、化肥排放的影響，氮輸出率高；高值區(qū)域覆蓋了大部分山林、草地，植被覆蓋率高，氮輸出率低，水質(zhì)凈化能力強(qiáng)。

2.1.5 土壤保持

武漢市的水土保持情況較為平均，整體效益較低；北部山體和東北部林地植被覆蓋率較高，泥沙的有效滯留率較高，可以有效緩解土壤流失；中部地區(qū)地勢(shì)平坦，土壤保持率低。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇分析

基于單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估結(jié)果，疊加計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的總體情況。等權(quán)疊加法計(jì)算所得結(jié)果（圖3-1）無(wú)法揭示各類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的內(nèi)在聯(lián)系；采用層次分析法賦權(quán)后計(jì)算所得結(jié)果（圖3-2）與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的總體分布規(guī)律有所呼應(yīng)，但無(wú)法指導(dǎo)特定區(qū)域的規(guī)劃部署和分區(qū)管理工作，因此本研究引入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇進(jìn)行分析，識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇在研究區(qū)域的分布規(guī)律，更為有效地提出碳匯能力提升下城市生態(tài)空間的規(guī)劃策略。

3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)疊加計(jì)算結(jié)果Superimposed calculation results of ecosystem services3-1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等權(quán)疊加總圖General map of equal-weighted superimposition of ecosystem services3-2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)層次分析法總圖General map of analytic hierarchy process of ecosystem services

對(duì)聚類(lèi)分析后得出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇空間分布進(jìn)行可視化表達(dá)（圖4-1），并將生態(tài)服務(wù)的數(shù)值（表3）轉(zhuǎn)化為圖示語(yǔ)言（圖4-2），了解分析5類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的差異，以揭示單項(xiàng)服務(wù)之間的數(shù)值組合模式與趨勢(shì)，便于規(guī)劃者理解和審視不同區(qū)域的環(huán)境資源稟賦。根據(jù)聚類(lèi)結(jié)果及其空間分布規(guī)律，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇確定為6類(lèi)：生態(tài)均衡簇、生態(tài)保育簇、游憩水源簇、水土保育簇、人居環(huán)境簇、生態(tài)脆弱簇（圖4）。

4 武漢市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇空間分布（4-1）與聚類(lèi)圖（4-2）Spatial distribution（4-1）and clustering（4-2）of ecosystem service clusters in Wuhan

表3 各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇內(nèi)單項(xiàng)服務(wù)的聚類(lèi)數(shù)值Tab.3 Clustering parameters for individual ecosystem services within each ecosystem service cluster

1）生態(tài)均衡簇空間分布面積為167 km2，約占總面積的1.8%，此類(lèi)區(qū)域的土地利用類(lèi)型以林地、山地為主，集中分布在北部和東北部的林地，擁有優(yōu)質(zhì)的碳匯資源。因林地、山地的綜合作用，且開(kāi)發(fā)強(qiáng)度較低，此類(lèi)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值高，碳儲(chǔ)量、土壤保持、生境質(zhì)量、水質(zhì)調(diào)節(jié)4類(lèi)服務(wù)呈現(xiàn)協(xié)同關(guān)系，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)發(fā)展均衡；林地的蒸散能力強(qiáng)導(dǎo)致產(chǎn)水量低，相對(duì)來(lái)說(shuō)水源涵養(yǎng)能力較弱。

2）生態(tài)保育簇空間分布面積為402 km2，約占總面積的4.5%，土地利用類(lèi)型以北部、東北部、中部和西部零星的林地為主，綠地為輔。此類(lèi)區(qū)域內(nèi)5類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均有發(fā)展，但均弱于生態(tài)均衡簇；水質(zhì)凈化優(yōu)于其他4類(lèi)服務(wù)，但可能受到周邊景區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)的影響，土壤保持與碳儲(chǔ)量較低，生境質(zhì)量服務(wù)較弱，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合貢獻(xiàn)有待加強(qiáng)。

3）游憩水源簇空間分布面積為799 km2，約占總面積的8.9%，土地利用類(lèi)型以水體為主，農(nóng)田為輔，多分布在水體區(qū)域，南部分布較多，西南部與東部有小面積分布。此類(lèi)區(qū)域水源涵養(yǎng)能力強(qiáng)，水域可能受到人類(lèi)活動(dòng)與農(nóng)業(yè)化學(xué)物排放的雙重影響，水質(zhì)凈化能力相對(duì)水源涵養(yǎng)較弱，生境質(zhì)量和碳儲(chǔ)量服務(wù)弱。

4）水土保育簇空間分布面積為1 418 km2，約占總面積的15.7%，土地利用類(lèi)型以綠地為主，農(nóng)田、建設(shè)用地為輔，多圍繞水域周邊分布，在中南部分布較為集中，總體呈散點(diǎn)式分布。此類(lèi)區(qū)域內(nèi)5類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中的水源涵養(yǎng)服務(wù)最為突出，其服務(wù)能力在6類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇中最強(qiáng)，而碳儲(chǔ)量和水質(zhì)凈化服務(wù)較弱。主要原因是耕地的蒸散能力弱、產(chǎn)水量高，水源涵養(yǎng)能力強(qiáng)，但農(nóng)業(yè)活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致土壤侵蝕、土地退化，水質(zhì)凈化服務(wù)可能受到農(nóng)藥排放的影響，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了破壞。

5）人居環(huán)境簇空間分布面積為5 259 km2，約占總面積的58.4%，土地利用類(lèi)型以建設(shè)用地、綠地為主，裸地為輔，并于全域大面積分布，呈現(xiàn)出中心向四周發(fā)散的特征。由于城市建設(shè)導(dǎo)致下墊面產(chǎn)生徑流，所以此類(lèi)區(qū)域有一定的水源涵養(yǎng)能力，但受到人為活動(dòng)和綠地的綜合影響，生境質(zhì)量服務(wù)還有待加強(qiáng)。由于城區(qū)的開(kāi)發(fā)活動(dòng)，建設(shè)用地大面積蠶食生態(tài)綠地，其他服務(wù)亟待激活，表明城市化建設(shè)、人類(lèi)活動(dòng)等會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生消極影響。

6）生態(tài)脆弱簇空間分布面積為964 km2，約占總面積的10.7%，土地利用類(lèi)型以水體為主，主要圍繞水域周邊分布。此類(lèi)區(qū)域生境質(zhì)量較差，水質(zhì)凈化能力低，受城市化影響，水體污染較大，整體生態(tài)環(huán)境脆弱，水源涵養(yǎng)與生境質(zhì)量服務(wù)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上有待加強(qiáng)，其他服務(wù)需進(jìn)一步提升。

3 基于碳匯能力提升的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇分區(qū)規(guī)劃策略

城市生態(tài)空間具有多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，承載著多重生態(tài)價(jià)值，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估可以揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在全域的空間分布規(guī)律，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇識(shí)別能有效帶動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同發(fā)展。城市生態(tài)空間建設(shè)是實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵舉措，探索“雙碳”目標(biāo)下的城市生態(tài)空間建設(shè)是未來(lái)城市發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此，基于碳匯能力提升重新審視6類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇，進(jìn)行二次分區(qū)，為城市生態(tài)空間碳匯能力的可持續(xù)性提升提出規(guī)劃策略。水體涵蓋了其他類(lèi)別的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，所以本研究并未對(duì)水體的碳匯進(jìn)行測(cè)算，而是綜合進(jìn)行了全域的評(píng)估，保證了對(duì)連續(xù)空間的研判。根據(jù)聚類(lèi)結(jié)果與碳匯發(fā)育程度，將6類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇劃分為碳匯保育區(qū)、碳匯潛力區(qū)、碳匯稀缺區(qū)3類(lèi)（表4），并針對(duì)3類(lèi)分區(qū)提出碳匯能力的提升策略（圖5）。

5 武漢市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇分區(qū)規(guī)劃總圖Master plan of ecosystem cluster distribution areas in Wuhan

表4 生態(tài)系統(tǒng)簇分布區(qū)域與碳匯能力提升策略Tab.4 Ecosystem cluster distribution areas and carbon sink capacity enhancement strategies

1）生態(tài)均衡簇與生態(tài)保育簇總體而言固碳增匯、生境質(zhì)量、水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化、土壤保持5類(lèi)服務(wù)呈協(xié)同發(fā)展，均擁有較好的碳匯資源，同屬于碳匯保育區(qū)，僅占總面積的6.3%。此類(lèi)區(qū)域應(yīng)保護(hù)優(yōu)質(zhì)資源，優(yōu)化景區(qū)結(jié)構(gòu)，制定管控政策，減少人為活動(dòng)，穩(wěn)定生態(tài)服務(wù)。此類(lèi)區(qū)域涵蓋了木蘭山風(fēng)景區(qū)、將軍山森林公園、青龍山森林公園、九峰山森林公園等林地與山區(qū)，表明已依托優(yōu)質(zhì)的自然資源與生態(tài)服務(wù)建設(shè)了景區(qū)景點(diǎn)，不僅處于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的高值區(qū)，還能提供多元的文化服務(wù)。因此，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，應(yīng)考慮優(yōu)化風(fēng)景區(qū)結(jié)構(gòu)，打造復(fù)合型公園，構(gòu)建生態(tài)屏障，限制開(kāi)發(fā)建設(shè)，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同提升，持續(xù)貢獻(xiàn)碳匯，賦能生態(tài)文明建設(shè)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

2）游憩水源簇、水土保育簇均有少量碳儲(chǔ)，同屬于碳匯潛力區(qū)，占總面積的24.6%，主要分布在梁子湖、斧頭湖、魯湖、漲渡湖等水域及其周邊綠地，零星分布在西南部農(nóng)田。此類(lèi)區(qū)域水源涵養(yǎng)能力強(qiáng)，應(yīng)著重提升碳儲(chǔ)量、生境質(zhì)量與土壤保持服務(wù)。應(yīng)穩(wěn)定現(xiàn)有優(yōu)質(zhì)水源，加強(qiáng)水域連通，合理配置藍(lán)色基礎(chǔ)設(shè)施，完善藍(lán)綠網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)藍(lán)綠空間的固碳能力，打造生態(tài)景觀，連通生態(tài)廊道。同時(shí)可建設(shè)復(fù)合型耕地生態(tài)系統(tǒng)，優(yōu)化農(nóng)田結(jié)構(gòu)，發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)同作用，激活生態(tài)服務(wù)，創(chuàng)造生態(tài)價(jià)值。

3）人居環(huán)境簇、生態(tài)脆弱簇共屬于碳匯稀缺區(qū)，占總面積的69.1%。此類(lèi)區(qū)域水源涵養(yǎng)與生境質(zhì)量服務(wù)較好，但仍有待加強(qiáng)，同時(shí)應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)其他3類(lèi)服務(wù)制定協(xié)同提升策略。此類(lèi)區(qū)域分布較為廣泛，呈現(xiàn)中心向四周擴(kuò)散的趨勢(shì)，且沿長(zhǎng)江支流以及沉湖濕地自然保護(hù)區(qū)、武湖濕地自然保護(hù)區(qū)、夏家寺水利風(fēng)景區(qū)等景觀資源周邊分布。因此，此類(lèi)區(qū)域應(yīng)合理連通水系，串聯(lián)水體周邊景點(diǎn)，構(gòu)建藍(lán)綠網(wǎng)絡(luò)，充分發(fā)揮濕地的碳匯效益，打造片區(qū)濕地公園，提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性；在生境脆弱區(qū)應(yīng)以保護(hù)水土、涵養(yǎng)水源為主，種植修復(fù)型水生植被，建立自然保護(hù)區(qū)。另外，此類(lèi)區(qū)域的土地利用類(lèi)型以建設(shè)用地與綠地為主導(dǎo)，強(qiáng)烈的人為活動(dòng)導(dǎo)致生態(tài)用地破碎，占據(jù)了綠色基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展空間，后續(xù)應(yīng)增量提質(zhì)，優(yōu)化城市綠地設(shè)計(jì)，提高綠地覆蓋率，打造口袋公園、袖珍公園，創(chuàng)建推門(mén)見(jiàn)綠、移步入園的生態(tài)城市，增進(jìn)民生福祉，共建美好家園。

4 結(jié)論與展望

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇研究不僅能為科學(xué)地理解城市生態(tài)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，也能在“雙碳”背景下助力生態(tài)空間因地制宜的建設(shè)。本研究以武漢市為例，考慮了城市生態(tài)空間建設(shè)的自然條件，選取了5類(lèi)生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)進(jìn)行評(píng)估，識(shí)別出6類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇，根據(jù)碳匯發(fā)育程度劃分出碳匯保育區(qū)、碳匯潛力區(qū)、碳匯稀缺區(qū)3類(lèi)分區(qū)，并提出相應(yīng)的規(guī)劃策略。該創(chuàng)新性的方法以碳匯能力提升為核心，構(gòu)建了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇識(shí)別、分類(lèi)、分區(qū)的技術(shù)路徑，可為武漢市全域碳匯效益優(yōu)化與生態(tài)空間規(guī)劃提供參考。且相較于其他學(xué)科，風(fēng)景園林作為城市生態(tài)空間中重要的碳匯來(lái)源，在固碳效應(yīng)中發(fā)揮著不可替代的作用，也在“雙碳”戰(zhàn)略中占有重要的地位。研究城市生態(tài)空間的碳匯能力綜合提升規(guī)劃策略能有效促進(jìn)城市早日邁向碳中和，創(chuàng)建低碳宜居城市、共繪和諧共生畫(huà)卷。

然而，本研究的局限性在于僅關(guān)注了城市生態(tài)空間的自然因素，尚未涵蓋文化和供給服務(wù)。未來(lái)研究應(yīng)從更全面的角度出發(fā)，考慮更多生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡和協(xié)同機(jī)制，包括人類(lèi)活動(dòng)、精神需求、社會(huì)福祉等，這將有助于進(jìn)一步厘清城市生態(tài)空間的建設(shè)思路，特別是在“雙碳”背景下，為城市生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展注入活力。

圖表來(lái)源(Sources of Figures and Tables)：

圖表均由作者繪制，其中表1根據(jù)參考文獻(xiàn)[28]～[31]繪制，表2根據(jù)參考文獻(xiàn)[38]～[44]繪制。