城鎮(zhèn)化和自然本底對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的影響: 以洛陽市為例

丁鴻浩,賀宏斌,李佳蕾,孫然好① (1.福建農(nóng)林大學風景園林與藝術(shù)學院,福建 福州 350100;.中國科學院生態(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;3.云南大學國際河流與生態(tài)安全研究院,云南 昆明 650500)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類活動與生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵紐帶,是人類社會生存發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的級聯(lián)模型中,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)往往由于可能存在對生態(tài)組分和自然資源的競爭利用關(guān)系而出現(xiàn)此消彼長的權(quán)衡關(guān)系[2-3],同時城市化進程和自然生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的復(fù)雜能量流動也使得服務(wù)組分間的權(quán)衡關(guān)系不斷變化,進而導致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與環(huán)境資源配置難以實現(xiàn)整體最優(yōu)化。因此,厘清城市化背景下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的數(shù)量空間結(jié)構(gòu)與權(quán)衡關(guān)系變化,探索其背后空間分異影響因素和關(guān)聯(lián)因素,對于優(yōu)化城市社會經(jīng)濟-生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展、提升人類福祉意義重大[4]。

當前有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的熱點研究主要集中于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量化評估、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)組分關(guān)系研究以及生態(tài)區(qū)劃管理研究3個方面。其中量化評估上逐漸由靜態(tài)層面的價值衡量過渡到面向多目標對象的綜合動態(tài)評估上[5-6],其方法分別以價值當量法與集成式生態(tài)模型為主。在權(quán)衡關(guān)系研究中,依據(jù)關(guān)系類別的不同可分為客觀權(quán)衡規(guī)律與管理權(quán)衡決策兩大類[3],其中前者可分為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需間[7]、供需服務(wù)各自組分間[8]以及單個服務(wù)組分與多項或整體服務(wù)間[9]的關(guān)系研究。其分析方法主要是基于時空兩方面分別展開動態(tài)、靜態(tài)權(quán)衡關(guān)系的定量識別,前者是基于長時間序列量化結(jié)果,選擇不同地理單元(整體、格網(wǎng)、行政區(qū)、逐像元)開展動態(tài)分析[10],相較靜態(tài)分析而言更適用于變化幅度強烈的地區(qū)[3];后者則是基于量化結(jié)果通過以行政區(qū)、格網(wǎng)或柵格作為評價單元,采用相關(guān)分析法[11]、空間自相關(guān)[12]等數(shù)理統(tǒng)計方法開展靜態(tài)分析。生態(tài)區(qū)劃研究上多采用評價體系、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇[13]對研究區(qū)域進行劃分,方法主要包括疊加分析、冷熱點識別[14]、空間自相關(guān)[15]以及其他聚類分析方法[16-17]。中共中央、國務(wù)院印發(fā)《黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》,明確提出建設(shè)“鄭(州)洛(陽)西(安)高質(zhì)量發(fā)展合作帶”,目前眾多學者針對洛陽市域情況提出未來建設(shè)發(fā)展策略,但多數(shù)仍以宏觀定性為主且內(nèi)容更傾向于社會經(jīng)濟,不能滿足高質(zhì)量全面發(fā)展概念的新要求。此外,多數(shù)研究側(cè)重于對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量化結(jié)果的直接描述性分析和區(qū)劃結(jié)果分析,而對其背后空間分異影響因素仍有所不足,同時有關(guān)單項服務(wù)與整體服務(wù)之間的權(quán)衡強度分析較少。

鑒于此,該研究對洛陽市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時空分布和變化情況進行量化,并對其內(nèi)部關(guān)系和潛在影響因素進行探析,有助于完善城市尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系的理論研究。基于InVEST、RUSLE模型和價值當量法對洛陽市生境質(zhì)量、土壤保持、碳儲存、產(chǎn)水量、糧食產(chǎn)量和美學景觀6項服務(wù)進行量化評估,通過Pearson相關(guān)性分析和均方根誤差對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系與權(quán)衡強度進行分析,選取冗余度分析與地理探測器對各項服務(wù)與權(quán)衡強度的空間分異影響因素進行探索,分析權(quán)衡強度與影響因素梯度變化之間的關(guān)系,最后通過冷熱點分析識別區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合冷熱點空間格局分布,以期通過加強對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)情狀的認識為洛陽市未來的景觀格局優(yōu)化、生態(tài)發(fā)展以及社會經(jīng)濟生態(tài)系統(tǒng)管理提供科學支撐,促進洛陽市與合作帶的共同高質(zhì)量發(fā)展。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

洛陽市位于黃河中下游地區(qū),包含三大流域五大河流,是黃河流域生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵節(jié)點城市和調(diào)控城市[18]。域內(nèi)森林覆蓋率位居全省第2位(45.3%),以大山(伏牛山)、大河(伊洛河)、大壩(小浪底大壩)作為生態(tài)屏障,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能多樣,生態(tài)旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

研究數(shù)據(jù)包含遙感數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)4類。對遙感影像數(shù)據(jù)解譯后,經(jīng)200個隨機點生成和對比歷史影像,驗證2010和2019年數(shù)據(jù)整體精度分別為0.870和0.875;借助Google Earth Engine平臺計算植被歸一化指數(shù)(NDVI)年均值;對人口、GDP社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)分別依據(jù)行政區(qū)和氣象站點進行插值裁剪(分辨率為1 km);對研究時段潛在蒸發(fā)量數(shù)據(jù)集進行波段提取并計算年均值;對所需土壤數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)庫連接、柵格轉(zhuǎn)換和裁剪;借助ArcGIS 10.6軟件的空間分析工具和DEM數(shù)據(jù)生成坡度數(shù)據(jù)(圖1)。上述數(shù)據(jù)坐標系統(tǒng)一為WGS 1984 UTM Zone 49N,詳細數(shù)據(jù)來源見表1。

表1 數(shù)據(jù)來源Table 1 Data sources

圖1 研究區(qū)海拔及土地類型Fig.1 Location of the study area

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量化

研究綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分析的全面性、洛陽市的實際地域特征以及數(shù)據(jù)的可獲取性,選取碳儲存、糧食生產(chǎn)、生境質(zhì)量、產(chǎn)水量、土壤保持和美學景觀6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),通過生態(tài)模型仿真和指標評價對其進行量化。

2.1.1碳儲存

選取InVEST模型中的碳儲存模塊,采用各類生態(tài)系統(tǒng)中4大碳庫的平均密度對研究區(qū)碳儲存進行核算,碳庫表參照文獻[20],計算公式為

Ctotal=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead。

(1)

式(1)中,Ctotal、Cabove、Cbelow、Csoil、Cdead分別為總碳存儲量、地上碳存儲量、地下碳存儲量、土壤碳存儲量和死亡有機質(zhì)碳存儲量,t·hm-2。

2.1.2生境質(zhì)量

生境質(zhì)量用于表征環(huán)境給予個體種群發(fā)展的資源與條件狀況,是衡量地區(qū)生物多樣性發(fā)展的重要指標,研究將耕地、建設(shè)用地以及裸地設(shè)為威脅因子,并依照文獻[21-22]與手冊設(shè)定相關(guān)參數(shù),計算公式為

(2)

式(2)中,Qxj和Dxj分別為j類景觀在單元x的生境質(zhì)量與生境退化度;Hj為j類景觀的生境適宜度,其值在0～1之間;z為模型默認參數(shù),2.5;k為半飽和系數(shù),為首次計算生境退化度最大值的1/2。

2.1.3產(chǎn)水量

水產(chǎn)模型是基于水量平衡原理,通過計算每個柵格上降水量與實際蒸散量的差值以表征各個柵格上的水源供給量(Yx),進而對區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的水源供給量進行評估。

(3)

式(3)中,Px和Tx分別為柵格x的年降水量和實際蒸散發(fā)量,mm。

數(shù)據(jù)處理上,植物有效含水量由SPAW 軟件通過輸入土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)計算得來,根系限制層深度則由土壤深度代替,潛在蒸發(fā)量參考數(shù)據(jù)集[19],生物物理系數(shù)則依照文獻[23]與手冊設(shè)定,z經(jīng)多次調(diào)整對比設(shè)定為5。

2.1.4土壤保持

土壤保持是生態(tài)系統(tǒng)通過植物多層結(jié)構(gòu)與保護土壤、消減降雨侵蝕力、減少水土流失并保護土壤的功能。常選用潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量的差值作為生態(tài)系統(tǒng)水土保持功能的評價指標。核算上則基于修正的通用水土流失方程(RUSLE)計算,公式為

A=R×K×L×S×(1-C×P)。

(4)

式(4)中,R為降雨侵蝕力因子,MJ·mm·hm2·h-1·a-1,基于日降水量[24]計算得來;K為土壤可蝕性因子,t·hm2·h·MJ-1·mm-1·hm-2,基于NDVI計算得來;L和S分別為坡長和坡度因子,基于作物生長(EPIC)模型[25]和30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)計算得來;C和P分別為植被保持因子與水土保持措施因子,基于土地覆蓋和地形特征修正而來[26]。

2.1.5糧食生產(chǎn)

依據(jù)統(tǒng)計年鑒得到不同時期各縣域年度單位面積的糧食總產(chǎn)量,采用反距離法對其進行插值。

2.1.6美學景觀

該類服務(wù)是指多種類型的生態(tài)系統(tǒng)為周邊人群提供的美學與精神體驗。采用價值當量法[27]對美學景觀服務(wù)的價值量進行量化。

Vx=∑Axj×Cj。

(5)

式(5)中,Vx和Axj分別為單元x的美學景觀服務(wù)的價值量(萬元)和j類生態(tài)系統(tǒng)的面積(hm2);Cj為j類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值系數(shù),依照2019年洛陽市稻谷、小麥、玉米播種面積結(jié)構(gòu)與全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編中的各類作物平均凈利潤,得到洛陽市1價值當量因子的價格為543.58元·hm-2。

2.2 權(quán)衡協(xié)同分析

采用Pearson相關(guān)性分析,對洛陽市2010和2019年6項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)組分間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系進行分析,通過網(wǎng)格分區(qū)統(tǒng)計得到各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(ES,SE)的均值,網(wǎng)格大小選取景觀平均斑塊面積的2～5倍[28](3 km)。在α=0.05顯著性水平下,依據(jù)相關(guān)系數(shù)對其關(guān)系的方向程度以及變化趨勢進行判定。引入均方根誤差(RMSE,ERMS)來表征地區(qū)單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(CES,SCE)供給效益之間的權(quán)衡關(guān)系,CES的供給效益用ES的加權(quán)平均值來表示(因各項ES均具代表性意義,因此設(shè)定各ES權(quán)重相等)[9]。該方法將權(quán)衡內(nèi)涵由傳統(tǒng)ES組分間的正負權(quán)衡協(xié)同關(guān)系拓展到單項ES與CES變化過程中的不均衡性[29],為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)調(diào)控標準和閾值設(shè)定提供新視角。采用Max-Min方法對各指標進行正向標準化,RMSE值介于0～1之間,當值接近0時表示地區(qū)各項ES與CES供給之間權(quán)衡強度較弱;反之,當值越接近1則表示各項ES與CES供給之間權(quán)衡強度較強。

(6)

2.3 空間分異影響因素分析

采用CANOCO 5.0軟件對各項ES的空間異質(zhì)性影響因素進行分析,從自然、人文、景觀格局3個方面選擇年降水量、海拔、坡度、NDVI、GDP、人口、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、最大斑塊指數(shù)(LPI)和聚集度指數(shù)(AI)9個指標作為環(huán)境變量,景觀格局指數(shù)的選擇和計算是基于景觀格局的復(fù)雜度、優(yōu)勢度和破碎度3個方面,通過移動窗口法選取3 km窗口計算得來。將2010和2019年各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為響應(yīng)變量,基于網(wǎng)格分區(qū)統(tǒng)計得到各項數(shù)據(jù)均值。排序模型篩選經(jīng)過消除趨勢對應(yīng)分析(detrended correspondence analysis, DCA),得到2010和2019年各軸梯度最大值分別為1.12和1.63,排序軸長度均小于3,因此選擇基于線性模型的冗余分析(redundancy analysis, RDA)進行分析[29],并通過蒙特卡洛置換檢驗分析對結(jié)果的顯著性進行檢驗。借助R 4.2軟件,基于最優(yōu)參數(shù)的地理探測器(optimal parameters-based geographic detector, OPGD)模型中的因子探測和交互作用2個模塊,對ES與CES之間權(quán)衡的空間分異影響因素進行分析。該模型通過比較不同數(shù)據(jù)離散方法與分層數(shù)量對于因子解釋程度的影響來確定各因子適用的最優(yōu)組合方法,從而提升空間異質(zhì)性分析的準確度[30]。

2.4 冷熱點分析

冷熱點分析是一種局部空間自相關(guān)指標,能較好地識別各項ES空間分布的冷點和熱點區(qū)域?；诰W(wǎng)格尺度分區(qū)統(tǒng)計各類ES均值,利用Getis-OrdGi*局部統(tǒng)計量工具對各項ES冷熱點區(qū)域進行識別。參照文獻[31-32],依據(jù)Z(Gi*)值1.65和-1.65 對區(qū)域進行篩選劃分,得到各項ES在90%置信區(qū)間內(nèi)的冷熱點分布,并通過疊置分析獲取區(qū)域綜合冷熱點區(qū)域的空間分布。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化

表2表明,洛陽市整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給功能呈下降趨勢,其中碳儲存、糧食生產(chǎn)與美學景觀服務(wù)在整體上波動較小,土壤保持服務(wù)呈上升趨勢(27.49%),產(chǎn)水量服務(wù)則呈顯著下降趨勢(-57.7%)?？臻g分布上,各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)存在顯著空間異質(zhì)性(圖2),碳儲存、生境質(zhì)量、土壤保持和美學景觀服務(wù)在空間分布上呈現(xiàn)出一致性,具體表現(xiàn)為西南部林地為高值聚集區(qū),東北部建成區(qū)和耕地則為低值聚集區(qū),糧食生產(chǎn)與產(chǎn)水量和其他服務(wù)呈相反空間分布趨勢,其中年均產(chǎn)水量減少了近80 mm·hm-2?？臻g變化趨勢上,生境質(zhì)量低值區(qū)逐漸向城市內(nèi)部聚集;市域的西部山區(qū)與北部靠近黃河下游的地區(qū)土壤保持量顯著增加;除建成區(qū)和其北部耕地以外,其他地區(qū)產(chǎn)水量服務(wù)均有明顯下降。CES空間分布與多數(shù)ES空間分布類似,呈現(xiàn)自北向南逐漸增高趨勢且與景觀格局耦合度較高,其中2010年低值區(qū)(0～0.4)、中值區(qū)(>0.4～0.6)和高值區(qū)(>0.6～1.0)面積占比分別為50.15%、30.40%和19.45%,2019年各區(qū)面積變化占比為2.98%、14.90%和-17.87%。

表2 洛陽市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)統(tǒng)計Table 2 Statistics of ecosystem services in Luoyang City

圖2 洛陽市2010和2019年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布Fig.2 Spatial distribution of ecosystem services in Luoyang city in 2010 and 2019

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系與權(quán)衡強度分析

通過Pearson相關(guān)性系數(shù)在95%的置信度區(qū)間下對各項ES間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系進行分析(圖3),結(jié)果表明,各項ES間存在顯著相關(guān)關(guān)系,大多數(shù)ES間呈高協(xié)同關(guān)系,相關(guān)系數(shù)均在0.8以上;權(quán)衡關(guān)系集中于產(chǎn)水量、糧食生產(chǎn)與其余服務(wù)之間,其中產(chǎn)水量與土壤保持的權(quán)衡關(guān)系程度最高,為-0.51。關(guān)系變化上,碳儲存與產(chǎn)水量由弱協(xié)同轉(zhuǎn)向權(quán)衡關(guān)系,產(chǎn)水量與其余服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系進一步增強,同時與生境質(zhì)量和美學景觀之間的關(guān)系轉(zhuǎn)為顯著,協(xié)同關(guān)系變化上各ES之間保持平穩(wěn),無較大波動變化。

紅色表示正相關(guān),藍色表示負相關(guān),橢圓形狀越扁則相關(guān)關(guān)系程度越高。*表示P<0.05。

對各項標準化后的ES進行加權(quán)平均計算,用來表征CES的供給效益,采用RMSE對單項ES與CES之間的權(quán)衡關(guān)系進行表征(圖4)。結(jié)果可知,洛陽市整體權(quán)衡強度有所上升,高權(quán)衡區(qū)域主要集中在南部的林地與北部靠近黃河下游的濕地。動態(tài)變化上,權(quán)衡強度顯著增加的地區(qū)主要集中在中心城區(qū)(瀍河區(qū)、老城區(qū)、西工區(qū)等)以及中部耕地和西南部的林地(宜陽縣、洛寧縣、欒川縣和伊川縣),市域東北部權(quán)衡強度范圍縮小?？臻g分布特點上,高權(quán)衡區(qū)域(RMSE值>0.4)內(nèi)聚性增強,其中高權(quán)衡區(qū)域內(nèi)部林地面積占比為89%,耕地與草地面積各占約5%。

圖4 洛陽市各行政區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡強度Fig.4 The trade-off intensity of ecosystem services in each administrative region of Luoyang City

采用逐步向前選擇確定各環(huán)境因子的相對貢獻量,經(jīng)蒙特卡洛置換檢驗對約束排序模型顯著性進行檢驗,P值均小于0.01。由圖5可知,所選環(huán)境變量分別解釋了77.3%(2010年)和76.7%(2019年)的各項ES空間分異現(xiàn)象,因子解釋度較高。土壤保持、美學景觀、生境質(zhì)量、碳儲存主要受到自然因素影響,與海拔、坡度、降水和NDVI因子呈正相關(guān);產(chǎn)水量、糧食生產(chǎn)則主要受到人為因素影響,與人口、GDP、SHDI呈正相關(guān);最大板塊指數(shù)(LPI)、聚合度指數(shù)(AI)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分異關(guān)系較小?？傮w上不同時期因子解釋度變化差異較小,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分異受因子間相互反饋作用影響較大。

變量間箭頭夾角表示相關(guān)性方向,夾角小于90°為正相關(guān),反之則為負相關(guān),等于90°表示不相關(guān)。

通過OPGD模型對ES與CES權(quán)衡強度的空間異質(zhì)性進行因子探測,結(jié)果表明各因子P值均小于0.01。坡度、DEM、NDVI、GDP和降水因子對權(quán)衡強度的空間分布解釋度較高,景觀格局因子(SHDI、AI、LPI)解釋度較低。交互作用上以雙因子增強類型為主,其中交互因子解釋度最高的前5組均與坡度有關(guān)(表3)。為進一步探索權(quán)衡強度與影響因素之間的相關(guān)關(guān)系,研究選取解釋度最高的前5個特征因子對其進行等距梯度劃分,并分別統(tǒng)計不同因子各梯度空間上的權(quán)衡強度均值。結(jié)果(圖6)顯示,權(quán)衡強度伴隨降水梯度變化呈線性增長,伴隨高程、坡度梯度變化呈現(xiàn)對數(shù)型增長,而伴隨GDP與NDVI則呈現(xiàn)“U”型增長。動態(tài)變化上,高程、坡度和GDP在所有梯度上權(quán)衡強度均有所減小,在降水上有所增加,在NDVI上則呈現(xiàn)出差異,具體表現(xiàn)為低值范圍梯度上,諸如水域、建成區(qū)、裸地等地區(qū)權(quán)衡強度減小;在高值梯度范圍上,如草地、林地等植被茂密的區(qū)域,權(quán)衡強度增加。

表3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡強度空間分異影響因素Table 3 Influencing factors of spatial differentiation of ecosystem service trade-off intensity

圖6 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡強度的梯度變化Fig.6 Gradient change of ecosystem service tradeoff intensity

3.3 綜合冷熱點分析

基于GIS軟件在90%置信度區(qū)間識別各類ES供給效益的冷熱點區(qū)域,結(jié)果(圖7)表明,洛陽市ES供給效益在整體上呈現(xiàn)顯著的空間聚集效應(yīng),ES供給效益的低值區(qū)主要分布在建成區(qū)的西側(cè),景觀類型以耕地為主;高值區(qū)則主要分布在市域南部的林地以及生態(tài)涵養(yǎng)地,趨勢變化上整體冷熱點區(qū)域面積有所減小。單個ES冷熱點面積區(qū)域最大且變化平穩(wěn);4個ES重疊冷熱點面積有所增加;2019年2個ES重疊熱點與冷點區(qū)域面積占比分別為1.62%和1.85%,3個ES熱點與冷點重疊區(qū)域總面積占比分別為4.19%和3.23%,其中3個冷熱點重疊區(qū)域的重疊服務(wù)主要為碳儲存、土壤保持和生境質(zhì)量。

圖7 洛陽市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合冷熱點區(qū)Fig.7 Comprehensive cold hot spots of ecosystem services in Luoyang city

4 討論

4.1 模型精度驗證

驗證模型數(shù)據(jù)結(jié)果的精度是衡量模型數(shù)據(jù)質(zhì)量、減少結(jié)論不確定性的重要依據(jù)。結(jié)合政府統(tǒng)計公報與相關(guān)研究對模型量化結(jié)果進行驗證,根據(jù)《洛陽市2010年水資源公報》和《洛陽市2019年水資源公報》得到年均水資源總量分別為46.30億和20.48億m3,相較于模型量化結(jié)果整體誤差分別為3.66%和-0.85%,根據(jù)《洛陽市水土保規(guī)劃2018—2030年》得到全市土壤平均侵蝕模數(shù)為2 567 t·km-2·a-1,與2010和2019年模擬結(jié)果的均值(2 680.71 t·km-2·a-1)相比,相對誤差為4.43%,同時碳儲存研究結(jié)果也與文獻[20]一致,表明模型量化結(jié)果較好,結(jié)論可信度高。

4.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)數(shù)量空間變化與權(quán)衡關(guān)系

洛陽市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化上主要集中在土壤保持與產(chǎn)水量2個方面。影響產(chǎn)水量的主要因子包括氣候因素、土地利用、下墊面特征以及土壤因素[33]。產(chǎn)水量的大幅度減少可能歸因于洛陽市近年南部生態(tài)保護與修復(fù)工程成效,致使南部林地蒸發(fā)量與土壤含水量進一步增大,分布上由于北部建設(shè)用地與耕地的擴張及其景觀下墊面特征導致地表徑流增加而下滲減少,使得該地區(qū)的產(chǎn)水量升高,相關(guān)研究也呈現(xiàn)出類似產(chǎn)水量空間格局分布特征[31]。土壤保持主要受侵蝕和保持因子在服務(wù)功能上的相對權(quán)衡作用影響,其中洛陽市侵蝕因子時空變化波動幅度較小,因此土壤保持服務(wù)的增加主要得益于植被保持因子和水土保持因子的作用,具體來看可歸因于洛陽自“十二五”以來對于水利工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的完善,以及對水保林、經(jīng)濟林的營造和對坡耕地的改造。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布受因子間交互作用影響顯著,其影響機制可能歸因于洛陽市景觀類型自北向南由建設(shè)用地逐漸過渡到耕地、林地,海拔逐漸增高,自然方面由地形因子主導的因子交互作用使得南部地區(qū)降水豐沛、植被茂盛,同時人為活動方面由GDP主導的因子交互作用則促使南部地區(qū)人口密度、城市化進程、景觀格局破碎程度都較低,這使得諸如土壤保持、美學景觀、生境質(zhì)量、碳儲存、產(chǎn)水量和糧食生產(chǎn)服務(wù)隨之產(chǎn)生相應(yīng)的空間分異特征。權(quán)衡關(guān)系上,研究結(jié)果表現(xiàn)為同類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)內(nèi)部多為協(xié)同關(guān)系,權(quán)衡關(guān)系則主要集中在供給服務(wù)(糧食生產(chǎn)、產(chǎn)水量)與其他服務(wù)之間,其中對比文獻[34-38]發(fā)現(xiàn),糧食產(chǎn)量、產(chǎn)水量在各空間尺度上與調(diào)節(jié)、支持服務(wù)間的靜態(tài)權(quán)衡關(guān)系穩(wěn)健性較強,驗證了耕地、不透水面與生態(tài)用地間在生態(tài)過程-功能-服務(wù)中可能存在的競爭關(guān)系的假設(shè)[39]。在動態(tài)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系分析結(jié)果上,服務(wù)間關(guān)系存在差異,這可能由于動態(tài)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系結(jié)論是依據(jù)對2個長時間序列ES逐像元相關(guān)性分析結(jié)果求均值得來,因此其結(jié)論受地域性特征和時間動態(tài)變化程度較大[38,40]。

4.3 權(quán)衡關(guān)系尺度效應(yīng)與權(quán)衡強度空間分異影響因素

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的尺度關(guān)聯(lián)導致了ES間關(guān)系受尺度效應(yīng)影響顯著[41],促使其伴隨時空尺度的變化而發(fā)生改變。時間尺度上,洛陽市2010—2019年權(quán)衡協(xié)同關(guān)系時間動態(tài)性表現(xiàn)平穩(wěn),無較大變化,其原因可能為洛陽市利益群體與決策者傾向統(tǒng)一且穩(wěn)定,因而使得常年管理決策變化浮動較小;同時還可能因為該地區(qū)ES的跨尺度流動較小,區(qū)域間ES供需流動少且緩,因此服務(wù)間關(guān)系受外部干擾較小。該研究空間幅度上選取城市尺度,空間分析粒度為3 km網(wǎng)格,不同ES權(quán)衡關(guān)系研究核算服務(wù)類型有所差異,其中糧食產(chǎn)量、土壤保持、產(chǎn)水量3類服務(wù)出現(xiàn)頻率較高。該研究的3類服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系結(jié)果與城市群[36]、流域[34,42]、山區(qū)[40]等尺度的研究結(jié)論一致,同時不同研究所選空間粒度不盡相同,這也進一步驗證了這3類服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系在空間幅度、粒度變化上的穩(wěn)健性。

整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡強度上,高值主要集中分布在生態(tài)環(huán)境良好的地區(qū),且伴隨環(huán)境、經(jīng)濟屬性梯度變化呈現(xiàn)多種變化規(guī)律。權(quán)衡強度與降水量呈線性正相關(guān),且隨海拔與坡度梯度變化的呈對數(shù)型增長,這是因為降水和地形對于自然基底狀況起決定作用,同時高降水和高海拔坡度的區(qū)域受自然擾動較強,風險發(fā)生概率更高,因而該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性較弱,ES權(quán)衡強度高。中等水平GDP和NDVI(灌木叢和草地地區(qū))權(quán)衡強度較低,其空間分布多位于城市外圍或城鄉(xiāng)交接處,景觀破碎度和復(fù)雜度較高,生態(tài)基底狀況普通,ES供給效益整體較弱,因而整體生態(tài)系統(tǒng)彈性較高。當前為迎合城市化快速發(fā)展進程,決策者往往傾向于優(yōu)化能帶來直接經(jīng)濟價值、解決當前問題的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),而忽視優(yōu)化特定服務(wù)組分給其他服務(wù)或整體服務(wù)以及周邊要素所帶來的影響。通過引入RMSE可直觀展示不同地區(qū)單項服務(wù)組分變化對整體服務(wù)的影響,從而協(xié)助決策者對不同地區(qū)的調(diào)控力度進行統(tǒng)籌把控。

4.4 區(qū)域發(fā)展建議

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的熱點重疊區(qū)域集中在洛陽市南部,主要位于嵩縣和汝陽縣的交界處,緊鄰伏牛山脈與眾多山嶺,植被覆蓋度高,同時生態(tài)基底優(yōu)良,重疊生態(tài)服務(wù)類型主要包括碳儲存、土壤保持和生境質(zhì)量,三者互為協(xié)同促進關(guān)系,區(qū)域ES權(quán)衡強度較高。因此針對這一地區(qū),應(yīng)明確生態(tài)優(yōu)先發(fā)展方向,依照國土空間規(guī)劃合理劃定生態(tài)保護紅線。在原有基礎(chǔ)上繼續(xù)植樹造林、豐富物種多樣性,完善地區(qū)生態(tài)廊道、荒山造林、農(nóng)田林網(wǎng)、特色經(jīng)濟林等造林工程,增加森林碳匯儲備的同時提升區(qū)域生境質(zhì)量,同時時刻關(guān)注地區(qū)糧食產(chǎn)量,保證糧食安全。冷點區(qū)域主要集中于洛陽市的中部和西北部,景觀類型以耕地為主,內(nèi)部植被稀少,冷點重合服務(wù)類型與熱點類似,權(quán)衡強度相對較小。針對此類區(qū)域,應(yīng)在保證糧食安全與永久基本農(nóng)田的前提下,合理進行退耕還林還草,在合理調(diào)控閾值范圍內(nèi)強化地區(qū)其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),因地制宜地構(gòu)建行之有效的生態(tài)補償政策,增加生態(tài)用地儲備,實現(xiàn)地區(qū)碳儲存與排放的動態(tài)平衡。

4.5 不足與展望

時間尺度上,研究僅對洛陽市2個年份的ES進行量化,有關(guān)ES的趨勢變化分析和影響因素有所不足;數(shù)據(jù)模型方法上,數(shù)據(jù)精度和模型方法有待提升和創(chuàng)新,ES量化結(jié)果則有待補充實測數(shù)據(jù)進行驗證。今后,ES權(quán)衡關(guān)系相關(guān)研究應(yīng)注重在多時空尺度上探究服務(wù)組分間關(guān)系的穩(wěn)健性和變化規(guī)律,并對其變化規(guī)律的影響因素與驅(qū)動機制進行探索,此外還應(yīng)深入研究利益相關(guān)者偏好與ES服務(wù)的供需流動對ES權(quán)衡協(xié)同關(guān)系的影響,進而增強研究的實際意義。

5 結(jié)論

研究量化評估洛陽市6類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),系統(tǒng)地對其時空分布特征、數(shù)量結(jié)構(gòu)變化及其服務(wù)間的權(quán)衡關(guān)系和權(quán)衡強度進行探析,同時對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與權(quán)衡強度的空間分異影響因素進行探索,得出如下結(jié)論:

(1)洛陽市的碳儲存、生境質(zhì)量、美學景觀和土壤保持服務(wù)呈南高北低分布,其空間分異與地形、植被和降水呈正相關(guān),和人口、GDP以及SHDI則呈負相關(guān);糧食產(chǎn)量與產(chǎn)水量的空間分布與成因關(guān)系則與上述4類服務(wù)相反。2010—2019年洛陽市產(chǎn)水量服務(wù)下降57.7%,土壤保持服務(wù)上升27.49%,其余各項服務(wù)變化幅度較小。

(2)研究區(qū)協(xié)同關(guān)系集中在碳儲存、生境質(zhì)量、美學景觀和土壤保持服務(wù)間,權(quán)衡關(guān)系則分布在糧食產(chǎn)量、產(chǎn)水量與其余服務(wù)間,且皆隨時間變化波動較小。

(3)洛陽市權(quán)衡強度等級分布與CES一致,為南高北低,林地為高強度區(qū)域內(nèi)主要景觀類型(面積占比89%)。坡度、NDVI、海拔、GDP、降水對權(quán)衡強度空間異質(zhì)性解釋程度較高,分別為71%、62%、64%、43%和43%,同時權(quán)衡強度伴隨地形、降水以及經(jīng)濟植被的梯度變化分別呈現(xiàn)線型、對數(shù)型和“U”型增長。

(4)洛陽市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的冷熱點分別聚集在市域的西北部和東南部,其中冷熱點重疊服務(wù)類型主要為碳儲存、土壤保持和生境質(zhì)量。