耦合景觀格局與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的區(qū)域生態(tài)承載力評價*

劉世梁, 武 雪, 朱家蘺, 張 輝, 賈克敬, 趙 爽

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耦合景觀格局與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的區(qū)域生態(tài)承載力評價*

劉世梁1, 武 雪1, 朱家蘺1, 張 輝2, 賈克敬2, 趙 爽1

(1. 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院/水環(huán)境模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100875; 2. 中國土地勘測規(guī)劃院 北京 100875)

區(qū)域生態(tài)承載力評價是國土空間開發(fā)與規(guī)劃的主要依據(jù), 其評價結(jié)果能反映人類開發(fā)與規(guī)劃影響下的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)對人類的支撐與承載能力?，F(xiàn)有的生態(tài)承載力評價方法中, 以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為主線的評估日漸成熟, 但缺乏對生態(tài)系統(tǒng)受干擾程度及恢復(fù)能力的表征。因此, 本研究以石家莊市為例, 在生態(tài)承載力評價中引入景觀格局與植被變化因子來體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)受干擾程度, 與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)構(gòu)成具有3個準(zhǔn)則、11個指標(biāo)的綜合指標(biāo)體系。評價結(jié)果顯示: 基于柵格處理的石家莊市生態(tài)承載力空間分布基本呈現(xiàn)西部山區(qū)高, 東部低的態(tài)勢; 其中, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力分布格局基本與綜合生態(tài)承載力分布一致, 而景觀格局指數(shù)呈現(xiàn)鑲嵌分布, 植被變化指數(shù)表現(xiàn)為圈層分布, 這說明不同指標(biāo)對綜合承載力的貢獻(xiàn)存在差異。進(jìn)一步對比區(qū)縣及鄉(xiāng)鎮(zhèn)兩級行政尺度的區(qū)域分析結(jié)果可以看出, 小尺度上的指標(biāo)分布異質(zhì)性更高, 不同級別地方政府的調(diào)控、管理方向應(yīng)當(dāng)更具有針對性?？傮w來看, 石家莊市西部地區(qū)應(yīng)著重將森林生態(tài)系統(tǒng)融入到城市的發(fā)展和建設(shè)中; 東部區(qū)縣需要處理好生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系, 通過生態(tài)空間的格局優(yōu)化提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力, 從而提高國土空間綜合承載力。

石家莊市; 生態(tài)承載力; 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù); 景觀格局; 植被變化

在建設(shè)生態(tài)文明的背景下, 國土空間開發(fā)和規(guī)劃是維持區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要手段, 其基本依據(jù)是對區(qū)域資源、環(huán)境、生態(tài)供容能力和適宜性的評價結(jié)果[1]。當(dāng)前, 區(qū)域資源短缺、環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重, 針對資源承載力、環(huán)境承載力的研究已經(jīng)廣泛開展[2]; 而對于更具綜合性的生態(tài)承載力[3], 其內(nèi)涵與外延的界定仍存在諸多爭議[4]。

生態(tài)承載力最初是指在某一特定環(huán)境條件下(主要指生存空間、營養(yǎng)物質(zhì)、陽光等生態(tài)因子的組合), 某種個體存在數(shù)量的最高極限[5]。目前的觀點(diǎn)認(rèn)為, 生態(tài)承載力應(yīng)更多地關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)的整合性、持續(xù)性和協(xié)調(diào)性[6-7], 生態(tài)承載力的提出為實(shí)現(xiàn)由單純支撐人類社會進(jìn)步變成促進(jìn)整個生態(tài)系統(tǒng)和諧發(fā)展的進(jìn)步奠定了基礎(chǔ)。也有學(xué)者認(rèn)為資源承載力和環(huán)境承載力都是從單一系統(tǒng)來考慮的, 從協(xié)同系統(tǒng)來看[8], 資源系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)都是生態(tài)系統(tǒng)的一部分, 應(yīng)綜合開展人口、資源、環(huán)境等多因素研究[9-10]。

研究方法上, 目前通過生態(tài)足跡計算進(jìn)行生態(tài)承載力評價的方法已經(jīng)廣為運(yùn)用[11], 不少學(xué)者也通過模型修正使研究更具系統(tǒng)性、針對性和預(yù)測性[12-13]。然而, 由于數(shù)據(jù)來源年份、區(qū)域不同, 生態(tài)足跡計算的數(shù)據(jù)量繁雜, 計算過程中的參數(shù)取值較為理想化, 極易產(chǎn)生誤差; 同時生態(tài)足跡法難以完成小區(qū)域數(shù)據(jù)統(tǒng)計與評價工作[14]。為彌補(bǔ)生態(tài)足跡法的限制, 基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的生態(tài)承載力評價備受關(guān)注。Ouyang等[15]認(rèn)為生態(tài)承載力是指生態(tài)系統(tǒng)提供服務(wù)功能, 預(yù)防生態(tài)問題, 保障區(qū)域生態(tài)安全的能力。主要包括提供服務(wù)的能力和預(yù)防生態(tài)問題能力, 例如水源涵養(yǎng)、水土保持、固碳、氣候調(diào)節(jié)等方面, 這些生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的基礎(chǔ)。以“生態(tài)系統(tǒng)—生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)—人口和經(jīng)濟(jì)(承載力)[16]”為主線, 從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)角度研究生態(tài)承載力, 可以回歸承載力研究的增長極限問題, 另外也體現(xiàn)了承載力的空間分異, 有利于對承載力調(diào)控與管理提出具體的建議[17]。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估以區(qū)域內(nèi)生態(tài)用地類型劃分為基礎(chǔ), 在土地利用類型變化不明顯時, 難以全面反映出生態(tài)系統(tǒng)所受干擾的程度及其恢復(fù)能力。因此, 有必要在區(qū)域生態(tài)承載力評價中考慮景觀格局以及植被變化情況。景觀格局影響并決定著各種生態(tài)過程斑塊的大小、形狀和連接度, 進(jìn)而影響到景觀內(nèi)物種的豐度、分布及種群的生存能力和抗干擾能力[18]。生態(tài)過程與景觀格局的整合調(diào)控, 可用于識別城市化干擾下區(qū)域生態(tài)保護(hù)的優(yōu)先級[19], 從而進(jìn)一步提高區(qū)域環(huán)境質(zhì)量和資源利用效率[20]。植被變化指數(shù)可以在空間上描述各地區(qū)植被覆蓋的變化情況。人類活動的手段、方式、廣度與深度都會對植被覆蓋產(chǎn)生極大影響[21], 它是自然和人類活動交互作用的結(jié)果。

基于此, 本文以河北省石家莊市生態(tài)環(huán)境作為評價對象, 綜合考慮上述生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力、景觀格局指數(shù)、植被變化指數(shù), 建立相應(yīng)準(zhǔn)則層, 明確量化指標(biāo), 構(gòu)建起科學(xué)合理的生態(tài)承載力評價指標(biāo)體系, 從而獲得生態(tài)承載力的空間分布, 并在不同行政區(qū)尺度下進(jìn)行區(qū)縣與鄉(xiāng)鎮(zhèn)分析。石家莊地處京津冀戰(zhàn)略區(qū)中心地帶[22], 一方面，城市在京津冀協(xié)同發(fā)展背景下綜合實(shí)力相對較弱, 經(jīng)濟(jì)發(fā)展任務(wù)艱巨[23]; 而另一方面, 石家莊市生態(tài)承載力不容樂觀[24], 大氣、水環(huán)境等單要素生態(tài)環(huán)境處于超載狀況[25-27]; 同時轄區(qū)內(nèi)有國家與省級重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)[28], 生態(tài)保護(hù)任務(wù)艱巨。因此對石家莊市生態(tài)承載力進(jìn)行評價, 可為該地區(qū)實(shí)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展, 土地可持續(xù)利用提供理論方法和決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

河北省石家莊市位于河北省中南部(113°30′~115°29′E, 37°27′~38°45′N), 總面積為15 848 km2。西與山西省相連, 東近河北省衡水市, 北靠河北省保定市, 南接河北省邢臺市。全市人口約1 016萬人, 轄6區(qū)、12縣、5個縣級市和1個國家級高新技術(shù)開發(fā)區(qū), 是河北省的政治、經(jīng)濟(jì)、科技、金融、文化和信息中心, 也是中國環(huán)渤海京津冀經(jīng)濟(jì)圈中心區(qū)域城市。石家莊地勢西高東低, 兼具山地、平原兩大地貌類型。西部地處太行山中段, 東部為滹沱河沖積平原。石家莊屬暖溫帶半濕潤半干旱季風(fēng)型大陸性氣候, 四季分明, 年平均氣溫為13.3 ℃。屬海河流域子牙河水系, 西部山區(qū)有崗南、黃壁莊等水庫, 主要河流、渠道有滹沱河、洨河、沙河、石津灌渠。隨著京津冀一體化的推進(jìn)以及城市化的快速發(fā)展, 石家莊地區(qū)人口快速增長, 人均耕地面積不斷減少[29]。與此同時石家莊市西部山區(qū)生態(tài)用地也不斷縮減, 土地利用矛盾極為突出, 景觀格局變化劇烈[30]。因此亟需對現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)承載能力以及經(jīng)濟(jì)社會活動的干擾水平展開科學(xué)評價, 為城市建設(shè)以及土地規(guī)劃管理提供指導(dǎo)依據(jù)。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究中參考的土地利用基本數(shù)據(jù)源自石家莊國土局公布的2015年第2次全國土地調(diào)查結(jié)果, 并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行土地覆蓋分類處理。石家莊市共包含耕地、林地、草地、水域、工礦居民用地和未利用土地6個一級類型, 18個二級土地利用類型。研究中使用生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Production, NPP)數(shù)據(jù)為中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺提供的2000—2017年遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品(空間分辨率1 km, 時間分辨率1 a, http://www.resdc.cn), 該數(shù)據(jù)基于光能利用率模型GLM-PEM計算獲取。

1.2.2 生態(tài)承載力綜合評價指標(biāo)體系

研究采用綜合指標(biāo)體系法進(jìn)行生態(tài)承載力評價, 構(gòu)建包含生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力、景觀格局指數(shù)、植被變化指數(shù)3個準(zhǔn)則, 共11個指標(biāo)的評價指標(biāo)體系(圖1)。

圖1 石家莊生態(tài)承載力評價流程圖

石家莊市中西部的平山、靈壽、行唐、井陘、元氏、贊皇等縣與礦區(qū)分布有太行山水土保持重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū), 在權(quán)重分配時重點(diǎn)考慮該區(qū)域的水土保持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力準(zhǔn)則層下, 在太行山水土保持重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū), 水土保持服務(wù)指標(biāo)權(quán)重賦值0.20, 其他5個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)權(quán)重賦值0.10; 在非水土保持重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū), 各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力各指標(biāo)層的權(quán)重均賦值0.11。景觀格局指數(shù)準(zhǔn)則層下, 各指標(biāo)等權(quán)重賦值, 為0.05。植被變化指數(shù)準(zhǔn)則層下凈初級生產(chǎn)力變化率權(quán)重分配為0.10。權(quán)重分配如表1。

表1 生態(tài)承載力綜合評價指標(biāo)及權(quán)重

1.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力評價方法

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指人類從生態(tài)系統(tǒng)獲得的所有惠益, 包括供給、調(diào)節(jié)、文化、支持4類。本研究中, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力評價參考以下6個指標(biāo)。在供給服務(wù)層面, 碳固定能力由NPP表示, 采用朱文泉等[31]改進(jìn)的CASA模型計算, 考慮了植物光合作用及其對光能的利用率; 在調(diào)節(jié)服務(wù)層面, 包括水土保持、水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護(hù)和防風(fēng)固沙4個指標(biāo)。其中, 水土保持以生態(tài)系統(tǒng)水土保持服務(wù)能力指數(shù)(pro)作為評價指標(biāo), 其影響因素包括氣候、土壤、地形和植被, 計算采用Williams[32]提出的可蝕性諾莫公式; 水源涵養(yǎng)以生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)能力指數(shù)(WR)為評價指標(biāo), 衡量生態(tài)系統(tǒng)緩和地表徑流、補(bǔ)充地下水、減緩河流流量的季節(jié)波動、滯洪補(bǔ)枯、保證水質(zhì)的能力[33]; 生物多樣性保護(hù)功能以生物多樣性保護(hù)服務(wù)能力指數(shù)(bio)作為評價指標(biāo), 衡量生態(tài)系統(tǒng)(如森林、草地、濕地、荒漠等)在維持基因、物種、生態(tài)系統(tǒng)多樣性的能力[33]; 防風(fēng)固沙能力通過Burkhard等[34]提出的基于土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給矩陣來確定, 用以衡量生態(tài)系統(tǒng)(如森林、草地等)通過其結(jié)構(gòu)與過程減少由于風(fēng)蝕所導(dǎo)致的土壤侵蝕的能力; 休憩能力是生態(tài)系統(tǒng)提供的重要文化服務(wù), 利用土地利用類型、坡度、植被覆蓋度及景觀多樣性估算的文化休閑承載力評價, 計算公式為:

式中:Cri是像元中游憩潛力;S是像元中由土地利用類型所決定的文化休閑能力值[34]; SL是像元的坡度; SLmax和SLmin為研究區(qū)所有像元的最高與最低坡度, 坡度空間數(shù)據(jù)由DEM得來;SDI是像元的Simpson多樣性指數(shù), 由Fragstats4軟件得來; FVC為像元內(nèi)的植被覆蓋度, 其計算公式為:

式中: NDVI是像元的NDVI值, NDVIsoil與NDVIveg分別為裸地和植被的NDVI值。

同時, 通過下式將像元內(nèi)的文化休閑功能轉(zhuǎn)化為0~10:

式中:Csi為標(biāo)準(zhǔn)化的Cri,Crmin和Crmax分別為像元內(nèi)文化休閑功能的最大值和最小值。

1.2.4 景觀格局與植被退化分析

景觀格局特征顯現(xiàn)了人類活動對景觀格局變化的影響。在區(qū)域土地利用分類己知的情況下, 結(jié)合石家莊市具體情況, 從面積、形狀、多樣性、聚散性4個方面選取4個指標(biāo)。其中, 最大斑塊指數(shù)有助于確定景觀的優(yōu)勢類型, 反映人類社會活動的強(qiáng)弱和方向; 景觀形狀指數(shù)反映景觀生態(tài)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性; 香農(nóng)多樣性指數(shù)反映景觀豐富度和復(fù)雜度, 反映景觀元素或生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能以及隨時間變化方面的多樣性; 蔓延度指數(shù)反映景觀中不同斑塊類型的非隨機(jī)性或聚集程度, 反映景觀破碎度。研究中利用Fragstats 4.2的移動窗口算法, 選用邊長為2 km的矩形移動窗口在整個研究區(qū)內(nèi)從左上角開始移動, 每次移動一個柵格, 計算窗口內(nèi)景觀指數(shù)值, 并將該值賦給該窗口的中心柵格, 形成各景觀指數(shù)的空間分布圖。

植被變化指數(shù)通過NPP變化趨勢(NPP-slope)表征[35]。NPP作為植被生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)、能量的轉(zhuǎn)換和傳遞基礎(chǔ), 直接反映了植物在自然條件下的自身生產(chǎn)能力, 同時也能夠有效地響應(yīng)氣候與環(huán)境變化, 可作為評價陸地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的一個重要生態(tài)指標(biāo)。本研究中采用一元線性回歸方法分析NPP的變化趨勢(slope), 其計算公式為:

式中: slope為趨勢線的斜率, 即NPP的變化趨勢, 單位為g(C)?m-2?a-1;Y表示第年的NPP值, 單位為g(C)?m-2?a-1;為年變量;為監(jiān)測年數(shù)。當(dāng)slope>0時, NPP增加, 反之則減少。本研究根據(jù)該公式, 計算2000—2017年的NPP變化趨勢, 獲得一個NPP-slope圖層, 反映當(dāng)?shù)豊PP在2000—2017年間的變化, 參與生態(tài)承載力綜合評價。

1.2.5 指標(biāo)歸一化方法

采用離差標(biāo)準(zhǔn)化(最大最小值標(biāo)準(zhǔn)化)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換, 使結(jié)果值映射至[0, 100]之間。正向指標(biāo)轉(zhuǎn)換函數(shù)為:

負(fù)向指標(biāo)轉(zhuǎn)換函數(shù)為:

式中:為樣本數(shù)據(jù),max為樣本數(shù)據(jù)的最大值,min為樣本數(shù)據(jù)的最小值。

1.2.6 評價結(jié)果分級

1)各指標(biāo)空間分布及分級統(tǒng)計: 根據(jù)權(quán)重分配表, 對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力準(zhǔn)則下6個指標(biāo)和景觀格局指數(shù)準(zhǔn)則下3個指標(biāo)分別進(jìn)行疊加, 獲得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力分布圖和景觀格局指數(shù)分布圖, 分別反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和景觀生態(tài)效應(yīng)的空間變化, 用NPP-slope分布反映植被變化的空間分布。對疊加結(jié)果進(jìn)行區(qū)域分析, 提取各區(qū)縣均值, 進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力、景觀格局指數(shù)與植被變化指數(shù)的空間分析。

2)生態(tài)承載力空間分布及分級統(tǒng)計: 將各準(zhǔn)則層按權(quán)重分配表進(jìn)行賦權(quán)疊加, 獲得生態(tài)承載力空間分布圖。為使評價結(jié)果更明了準(zhǔn)確, 更有針對性, 對生態(tài)承載力進(jìn)行分級評價。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)權(quán)重分配表將各個指標(biāo)疊加, 得到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力、景觀格局指數(shù)與植被變化指數(shù)3個準(zhǔn)則層的空間分布; 再將3個準(zhǔn)則層疊加, 獲得石家莊市生態(tài)承載力評價的空間分布。在上述結(jié)果的基礎(chǔ)上, 提取各區(qū)縣與各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的平均值作為該行政區(qū)這一指標(biāo)的屬性值, 進(jìn)行區(qū)縣與鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度的分析。

2.1 石家莊市生態(tài)承載力各因素的空間分布

石家莊市不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分異及總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力見圖2?？梢钥闯? 石家莊市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力在空間上呈西部與北部山區(qū)高, 東部及南部低的趨勢, 整體上表現(xiàn)隨海拔上升而升高的特征。6個指標(biāo)層空間分布與最終生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力空間分布大致相同。其中, 石家莊市防風(fēng)固沙服務(wù)圖層的空間異質(zhì)性較大, 表現(xiàn)為西部山區(qū)遠(yuǎn)高于東部平原, 對石家莊市西部在最終的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力評價中獲得較高值有較大貢獻(xiàn)。

石家莊市景觀格局指數(shù)在空間上呈現(xiàn)高值、低值鑲嵌分布的格局, 高值區(qū)在石家莊市西北部、北部及東部都有分布(圖3)。最大斑塊指數(shù)和景觀形狀指數(shù)的空間分布相似, 低值區(qū)主要分布在石家莊市西南片區(qū)。研究區(qū)的景觀香農(nóng)多樣性高值區(qū)分布在西部、西南部和北部的部分地區(qū); 低值區(qū)主要出現(xiàn)在中心城區(qū), 這與人類活動強(qiáng)度的分布相似, 反映了人類活動在土地利用格局演變中的影響作用。石家莊市景觀蔓延度指數(shù)的高值區(qū)主要分布在中心城區(qū)和西北部地區(qū), 表明此處人類活動影響強(qiáng)度較高。

研究區(qū)植被變化的空間格局具有較明顯的圈層分布特征, 從內(nèi)向外在整個研究區(qū)降低(圖4)。這表明石家莊市城市內(nèi)部的植被情況在好轉(zhuǎn), 而周圍區(qū)縣, 尤其是西部山區(qū)的植被情況呈現(xiàn)惡化趨勢。

2.2 不同行政單元生態(tài)承載力指標(biāo)層評價結(jié)果比較

區(qū)縣一級的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力評價結(jié)果顯示: 高值集中在石家莊市西部的井陘縣、平山縣、贊皇縣、靈壽縣與礦區(qū), 最低值為石家莊市東北部的無極縣(圖5a)。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力分布異質(zhì)程度更高, 但基本與其上級區(qū)縣的指數(shù)水平一致, 如生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力最高的井陘縣的全部17個鄉(xiāng)鎮(zhèn)在鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)計中均屬于高或較高級別, 而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力最低的前5個區(qū)縣的全部鄉(xiāng)鎮(zhèn)均為較低級別(圖5b)。從單個鄉(xiāng)鎮(zhèn)來看, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力最高的是井陘縣的辛莊鄉(xiāng), 最低的是晉州市的周家莊鄉(xiāng), 前者的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力比后者高6倍。

圖2 2015年石家莊市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力及其各指標(biāo)評價值的空間分布

圖中數(shù)字為區(qū)縣代碼。1: 行唐縣; 2: 靈壽縣; 3: 平山縣; 4: 新樂市; 5: 藳城區(qū); 6: 無極縣; 7: 辛集市; 8: 深澤縣; 9: 晉州市; 10: 欒城區(qū); 11: 趙縣; 12: 元氏縣; 13: 高邑縣; 14: 贊皇縣; 15: 井陘縣; 16: 礦區(qū); 17: 鹿泉區(qū); 18: 正定縣; 19: 新華區(qū); 20: 裕華區(qū); 21: 長安區(qū); 22: 橋西區(qū)。The numbers in figures stand for districts/counties. 1: Xingtang; 2: Lingshou; 3: Pingshan; 4: Xinle; 5: Gaocheng; 6: Wuji; 7: Xinji; 8: Shenze; 9: Jinzhou; 10: Luancheng; 11: Zhaoxian; 12: Yuanshi; 13: Gaoyi; 14: Zanhuang; 15: Jingxing; 16: Kuangqu; 17: Luquan; 18: Zhengding; 19: Xinhua; 20: Yuhua; 21: Chang’an; 22: Qiaoxi.

圖3 2015年石家莊市景觀格局指數(shù)及其各指標(biāo)評價值的空間分布

圖中數(shù)字為區(qū)縣代碼。1: 行唐縣; 2: 靈壽縣; 3: 平山縣; 4: 新樂市; 5: 藳城區(qū); 6: 無極縣; 7: 辛集市; 8: 深澤縣; 9: 晉州市; 10: 欒城區(qū); 11: 趙縣; 12: 元氏縣; 13: 高邑縣; 14: 贊皇縣; 15: 井陘縣; 16: 礦區(qū); 17: 鹿泉區(qū); 18: 正定縣; 19: 新華區(qū); 20: 裕華區(qū); 21: 長安區(qū); 22: 橋西區(qū)。The numbers in figures stand for districts/counties. 1: Xingtang; 2: Lingshou; 3: Pingshan; 4: Xinle; 5: Gaocheng; 6: Wuji; 7: Xinji; 8: Shenze; 9: Jinzhou; 10: Luancheng; 11: Zhaoxian; 12: Yuanshi; 13: Gaoyi; 14: Zanhuang; 15: Jingxing; 16: Kuangqu; 17: Luquan; 18: Zhengding; 19: Xinhua; 20: Yuhua; 21: Chang’an; 22: Qiaoxi.

圖4 2000—2017年石家莊市植被變化指數(shù)空間分布

圖中數(shù)字為區(qū)縣代碼。1: 行唐縣; 2: 靈壽縣; 3: 平山縣; 4: 新樂市; 5: 藳城區(qū); 6: 無極縣; 7: 辛集市; 8: 深澤縣; 9: 晉州市; 10: 欒城區(qū); 11: 趙縣; 12: 元氏縣; 13: 高邑縣; 14: 贊皇縣; 15: 井陘縣; 16: 礦區(qū); 17: 鹿泉區(qū); 18: 正定縣; 19: 新華區(qū); 20: 裕華區(qū); 21: 長安區(qū); 22: 橋西區(qū)。The numbers in figures stand for districts/counties. 1: Xingtang; 2: Lingshou; 3: Pingshan; 4: Xinle; 5: Gaocheng; 6: Wuji; 7: Xinji; 8: Shenze; 9: Jinzhou; 10: Luancheng; 11: Zhaoxian; 12: Yuanshi; 13: Gaoyi; 14: Zanhuang; 15: Jingxing; 16: Kuangqu; 17: Luquan; 18: Zhengding; 19: Xinhua; 20: Yuhua; 21: Chang’an; 22: Qiaoxi.

針對區(qū)縣的景觀格局指數(shù)評價結(jié)果顯示, 高值集中在橋西區(qū)、新樂市、辛集市、趙縣與深澤縣。低值為石家莊市西部的井陘縣、礦區(qū)、鹿泉區(qū), 東部的晉州市和中部的新華區(qū)(圖5c)。通過異質(zhì)性較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)計結(jié)果圖(圖5d), 可以更明顯觀察到高低值鑲嵌分布的格局: 中心城區(qū)集中了景觀格局指數(shù)最高的前23個鄉(xiāng)鎮(zhèn), 但其周邊景觀格局指數(shù)相對較低。石家莊市北部的行唐縣、靈壽縣等較高值區(qū)域中, 也分布有景觀格局指數(shù)較低的鄉(xiāng)鎮(zhèn)。從單個鄉(xiāng)鎮(zhèn)分析, 景觀格局指數(shù)最高的新華區(qū)革新街道是最低的新華區(qū)五七街道的2倍。

區(qū)縣植被變化指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果顯示, 植被覆蓋情況好轉(zhuǎn)較快的區(qū)縣為高邑縣以及中部的部分區(qū)縣。植被覆蓋情況惡化較快的區(qū)縣均為石家莊市西部與北部的高海拔地區(qū)(圖5e)。從鄉(xiāng)鎮(zhèn)的統(tǒng)計情況來看, 植被覆蓋情況好轉(zhuǎn)最快的是欒城區(qū)的樓底鎮(zhèn), 植被覆蓋情況惡化最快的是贊皇縣的嶂石巖鄉(xiāng), 同時中心城區(qū)的部分核心地帶在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上表現(xiàn)出明顯的植被覆蓋情況惡化趨勢。植被覆蓋情況變化不明顯的鄉(xiāng)鎮(zhèn)包括新樂市的協(xié)神鄉(xiāng)、晉州市的總十莊鎮(zhèn)、行唐縣的城寨鄉(xiāng)、平山縣的蘇家莊鄉(xiāng)和辛集市的南智邱鎮(zhèn)(圖5f)。

圖5 2015年石家莊市區(qū)縣(圖a, c, e)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)(圖b, d, f)兩級行政單位下的生態(tài)承載力要素評價結(jié)果

圖中數(shù)字為區(qū)縣代碼。1: 行唐縣; 2: 靈壽縣; 3: 平山縣; 4: 新樂市; 5: 藳城區(qū); 6: 無極縣; 7: 辛集市; 8: 深澤縣; 9: 晉州市; 10: 欒城區(qū); 11: 趙縣; 12: 元氏縣; 13: 高邑縣; 14: 贊皇縣; 15: 井陘縣; 16: 礦區(qū); 17: 鹿泉區(qū); 18: 正定縣; 19: 新華區(qū); 20: 裕華區(qū); 21: 長安區(qū); 22: 橋西區(qū)。The numbers in figures stand for districts/counties. 1: Xingtang; 2: Lingshou; 3: Pingshan; 4: Xinle; 5: Gaocheng; 6: Wuji; 7: Xinji; 8: Shenze; 9: Jinzhou; 10: Luancheng; 11: Zhaoxian; 12: Yuanshi; 13: Gaoyi; 14: Zanhuang; 15: Jingxing; 16: Kuangqu; 17: Luquan; 18: Zhengding; 19: Xinhua; 20: Yuhua; 21: Chang’an; 22: Qiaoxi.

2.3 石家莊市生態(tài)承載力的空間分布

在考慮重要生態(tài)功能區(qū)的前提下, 生態(tài)承載力在空間分布上呈現(xiàn)西部高東部低的基本格局: 高值區(qū)分布在石家莊西北部、西部的高海拔地區(qū); 低值區(qū)分布在東部, 尤其是各區(qū)縣的中心城區(qū)。生態(tài)承載力中等的區(qū)域則主要集中在石家莊市的中部與東南部(圖6a)。

從區(qū)縣統(tǒng)計結(jié)果來看, 生態(tài)承載力最高的為平山縣, 其后依次為井陘縣、靈壽縣、贊皇縣和礦區(qū); 生態(tài)承載力最低的是晉州市, 其后依次是新華區(qū)、裕華區(qū)、高邑縣和無極縣; 中等的區(qū)縣包括橋西區(qū)、趙縣、辛集市、欒城區(qū)、藁城區(qū)和長安區(qū)(圖6b)。

從單個鄉(xiāng)鎮(zhèn)來看, 生態(tài)承載力最高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)是平山縣的營里鄉(xiāng), 最低的鄉(xiāng)鎮(zhèn)是晉州市的東里莊鄉(xiāng), 前者生態(tài)承載力是后者的2倍(圖6c)。對比區(qū)縣與鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)計結(jié)果, 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)承載力大體與其上級區(qū)縣水平一致, 如平山縣所屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)承載力表現(xiàn)十分突出, 均處于較高水平。但也存在個別鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)承載力影響區(qū)縣生態(tài)承載力平均水平, 如礦區(qū)有個別鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)承載力水平較低, 值得區(qū)縣一級管理者重點(diǎn)關(guān)注。

圖6 2015年石家莊市生態(tài)承載力在柵格(a)、區(qū)縣(b)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)(c)尺度上的空間分布特征

圖中數(shù)字為區(qū)縣代碼。1: 行唐縣; 2: 靈壽縣; 3: 平山縣; 4: 新樂市; 5: 藳城區(qū); 6: 無極縣; 7: 辛集市; 8: 深澤縣; 9: 晉州市; 10: 欒城區(qū); 11: 趙縣; 12: 元氏縣; 13: 高邑縣; 14: 贊皇縣; 15: 井陘縣; 16: 礦區(qū); 17: 鹿泉區(qū); 18: 正定縣; 19: 新華區(qū); 20: 裕華區(qū); 21: 長安區(qū); 22: 橋西區(qū)。The numbers in figures stand for districts/counties. 1: Xingtang; 2: Lingshou; 3: Pingshan; 4: Xinle; 5: Gaocheng; 6: Wuji; 7: Xinji; 8: Shenze; 9: Jinzhou; 10: Luancheng; 11: Zhaoxian; 12: Yuanshi; 13: Gaoyi; 14: Zanhuang; 15: Jingxing; 16: Kuangqu; 17: Luquan; 18: Zhengding; 19: Xinhua; 20: Yuhua; 21: Chang’an; 22: Qiaoxi.

3 討論

3.1 基于景觀格局與植被變化的生態(tài)承載力評價優(yōu)勢

傳統(tǒng)基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的生態(tài)承載力評價, 重點(diǎn)關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)提供的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品和功能[36], 從單一維度上刻畫人類開發(fā)活動對生態(tài)系統(tǒng)的“利用”。而將一定景觀格局指數(shù)和植被變化指數(shù)納入評價指標(biāo), 能更直觀地反映人類經(jīng)濟(jì)社會活動對生態(tài)環(huán)境的“干擾與影響”。本研究中, 石家莊市中心城區(qū)依靠臨近西部山區(qū)的地理資源優(yōu)勢, 在考慮單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力時表現(xiàn)良好, 然而在綜合評價體系中, 城區(qū)生態(tài)承載能力則較弱。二者結(jié)果差異較大的主要原因在于城區(qū)高強(qiáng)度的人類活動對生態(tài)環(huán)境的干擾并未在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中反映出來。同時, 針對城市區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價與城市占地面積、土地利用狀況密切相關(guān)[37], 在時序的縱向?qū)Ρ戎胁町愋圆淮? 而NPP-slope基于一定的時間序列開展評價, 彌補(bǔ)了傳統(tǒng)生態(tài)承載力評價瞬時性與靜態(tài)性的缺陷, 通過對植被變化的時序研究, 可以開展對生態(tài)承載力的動態(tài)研究, 從而對未來生態(tài)環(huán)境變化的趨勢展開模擬和預(yù)測。其次, 該方法利用移動窗口算法, 可針對柵格進(jìn)行計算, 從而得出指標(biāo)在空間上的詳細(xì)分布, 相較于傳統(tǒng)的生態(tài)足跡-生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)法可以體現(xiàn)區(qū)域間的差異[38], 打破空間尺度的限制, 完成小區(qū)域數(shù)據(jù)統(tǒng)計與評價工作。此外, 傳統(tǒng)的基于生態(tài)足跡法的生態(tài)承載力計算由于數(shù)據(jù)來源不同, 數(shù)據(jù)量繁雜[39], 計算過程中的參數(shù)取值較為理想化, 極易產(chǎn)生誤差, 并不利于社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)核算[14]。采取統(tǒng)一數(shù)據(jù)來源的景觀格局指數(shù)、植被變化指數(shù)則可以很好地規(guī)避這一問題。

3.2 體現(xiàn)生態(tài)承載力對國土空間規(guī)劃的支撐作用

在各準(zhǔn)則層與生態(tài)承載力評價的空間分布基礎(chǔ)上, 本研究提取出各區(qū)縣與各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的指標(biāo)平均值作為行政區(qū)的屬性值, 進(jìn)行區(qū)縣與鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度的分析。綜合結(jié)果表明, 小尺度上的指標(biāo)分布異質(zhì)性更高, 部分出現(xiàn)了與區(qū)縣一級指標(biāo)水平不一致的情況。針對這一現(xiàn)象, 管理與決策機(jī)構(gòu)可以提出更具針對性的意見, 從3個準(zhǔn)則層出發(fā), 指導(dǎo)特定區(qū)域的生態(tài)承載力優(yōu)化。針對較大尺度, 決策機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)在宏觀調(diào)控中將生態(tài)承載力與產(chǎn)業(yè)發(fā)展相結(jié)合[40], 利用空間上的生態(tài)承載力差異, 在考慮具體的社會生態(tài)條件下優(yōu)化產(chǎn)業(yè)空間布局[41]; 在較小尺度上, 地方政府應(yīng)當(dāng)著重梳理地方生態(tài)-環(huán)境-資源特點(diǎn), 因地制宜, 統(tǒng)籌安排, 確定資源綜合利用方向與目標(biāo)[42-43]。

同時該方法將生態(tài)承載力的內(nèi)涵限制在相對狹義的理解范圍內(nèi), 專注于生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能及其對干擾的響應(yīng)建立評價機(jī)制, 避免與資源承載力中的資源供給需求能力發(fā)生重疊, 也避免與環(huán)境承載力中的環(huán)境質(zhì)量維持功能產(chǎn)生交叉。這為后續(xù)厘清生態(tài)-環(huán)境-資源復(fù)雜巨系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系奠定了基礎(chǔ)[44], 從而幫助建立多因素耦合下的綜合承載力評價體系, 對國土空間綜合承載力監(jiān)測與預(yù)警提供依據(jù), 進(jìn)而滿足區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)和國土開發(fā)科學(xué)決策的需要。

3.3 石家莊生態(tài)承載力提升的關(guān)鍵途徑

石家莊市生態(tài)承載力空間分布差異較為明顯, 基本呈現(xiàn)西部高, 東部低的態(tài)勢。東部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力整體較弱, 區(qū)域景觀格局與植被變化情況分布不均, 需要針對實(shí)際情況加以討論; 西部生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力表現(xiàn)較好, 但植被退化情況較為嚴(yán)重。

石家莊市東部地區(qū)需要協(xié)調(diào)好生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系、生態(tài)服務(wù)與社會服務(wù)的關(guān)系以及生態(tài)建設(shè)與工程建設(shè)的關(guān)系, 而其解決關(guān)鍵是在城市化發(fā)展中合理利用土地, 加強(qiáng)管理。東部區(qū)縣需在土地景觀優(yōu)化中重點(diǎn)恢復(fù)和保護(hù)自然景觀, 尤其是林地景觀; 在土地開發(fā)利用過程中要嚴(yán)格實(shí)施土地利用總體規(guī)劃, 嚴(yán)格執(zhí)行土地利用年度計劃, 使土地資源能可持續(xù)地利用; 促進(jìn)生態(tài)保護(hù)和修復(fù)相結(jié)合, 提高國土空間綜合承載力。

西部山區(qū)是石家莊市的重要生態(tài)保育區(qū), 其主要生態(tài)系統(tǒng)為森林生態(tài)系統(tǒng)。該地區(qū)需將森林生態(tài)系統(tǒng)融入到石家莊市城市的發(fā)展和建設(shè)中, 切實(shí)提高森林生態(tài)系統(tǒng)的各項(xiàng)服務(wù)功能和承載力; 充分考慮生態(tài)-社會-經(jīng)濟(jì)耦合系統(tǒng)的復(fù)雜性, 實(shí)現(xiàn)三者的均衡發(fā)展, 互為促進(jìn), 從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的優(yōu)化提升。此外, 石家莊市中部地區(qū)的井陘縣、行唐縣等與石家莊市西部生態(tài)重要保護(hù)區(qū)臨近, 可適度發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)和林業(yè), 提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能, 控制區(qū)域人口增長和大規(guī)模工業(yè)發(fā)展。

4 結(jié)論

生態(tài)承載力衡量了生態(tài)系統(tǒng)對人類社會提供的服務(wù)能力大小, 也表征了人類干擾和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的雙向關(guān)系。本研究以石家莊市生態(tài)承載力評價為例, 充分考慮生態(tài)系統(tǒng)對人類社會的供給能力以及人類活動脅迫下生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng), 探討了基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力、景觀格局、植被變化3個準(zhǔn)則層的評價方法, 最終獲得3個準(zhǔn)則層以及綜合生態(tài)承載力評價的空間分布, 并從不同行政區(qū)尺度提取平均值, 進(jìn)行區(qū)縣與鄉(xiāng)鎮(zhèn)間的分析對比。結(jié)果顯示, 石家莊市生態(tài)承載力與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力西高東低, 景觀格局指數(shù)鑲嵌分布, 植被變化指數(shù)以市區(qū)為中心, 呈圈層分布。在未來的生態(tài)承載力評價研究中, 可從本研究提出的方法出發(fā), 聚焦不同指標(biāo)在小區(qū)域尺度上的評價結(jié)果, 更具針對性地為當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)管理與可持續(xù)發(fā)展提供一定的理論依據(jù)。

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Evaluation of regional ecological carrying capacity coupling with landscape pattern and ecosystem services*

LIU Shiliang1, WU Xue1, ZHU Jiali1, ZHANG Hui2, JIA Kejing2, ZHAO Shuang1

(1. School of Environment, Beijing Normal University / State Key Laboratory of Water Environment Simulation, Beijing 100875, China; 2. China Land Surveying and Planning Institute, Beijing 100875, China)

The main basis of landscape development and planning is the evaluation of regional ecological carrying capacity. The results of this evaluation can reflect the extent to which ecological carrying capacity can remain unaffected by continuous development and planning activities of humans. Nowadays, among the existing methods for assessing ecological carrying capacity, the method based on ecosystem services value is relatively mature and widely used. However, the assessment of ecosystem services value is based on the classification of ecological land types in the region; therefore, it is difficult to apply where the land use status lacks extensibility and resilience. To fill this gap, this study coupled landscape pattern and vegetation change parameters with the ecosystem service provision capacity through a comprehensive index system with 3 criteria and 11 indicators. The landscape pattern determined the size, shape, and connectivity of various ecological patches, which in turn affected the abundance, distribution, and population viability and anti-interference ability of the landscape. Thus, landscape pattern indexes could be used to identify regional ecological protection priorities under urbanization, further improving regional environmental quality and resource utilization efficiency. The vegetation change index could spatially describe changes in breadth and depth of vegetation cover in regions, which were the result of the interaction between nature and human activities. This study applied the assessment model to Shijiazhuang City, measuring its comprehensive ecological carrying capacity at the grid, township and district scale. The results showed that the spatial distribution of the ecological carrying capacity of Shijiazhuang based on the grid analysis was relatively high in the western mountainous area and low in the east plain. Regarding the indicator layer, the distribution of ecosystem service provision capacity was relatively consistent with the comprehensive ecological carrying capacity distribution, whereas the landscape metrics presented a mosaic distribution pattern and the vegetation change index represented a circle layer distribution pattern. Meanwhile, the spatial heterogeneity of the first-level indicators was more significant. The further regional analysis results focusing on the administrative scales of districts and townships showed that the indicator distribution on smaller scale was more heterogeneous, and evaluation results in some regions were inconsistent with those assessed at higher administrative level. Therefore, local decision-makers should adjust more targeted management objectives and actions according to the jurisdiction. In general, through horizontal analysis in space and vertical contrast on scales, western Shijiazhuang City should focus on integrating the forest ecosystem conservation into urban development and construction; the eastern districts and townships should coordinate between the ecological environment and economic development, and improve the ecosystem service capacity through the optimization of ecological space patterns, thereby improving the comprehensive carrying capacity of national land space.

Shijiazhuang; Ecological carrying capacity; Ecosystem services; Landscape pattern; Vegetation change

, LIU Shiliang, E-mail: shiliangliu@bnu.edu.cn

Oct. 13, 2018;

Nov. 6, 2018

Q149; F205

A

2096-6237(2019)05-0694-11

10.13930/j.cnki.cjea.180910

2018-10-13

2018-11-06

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (41571173) and the National Key Research and Development Project of China (2016YFC0502103).

* 國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41571173)和國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目(2016YFC0502103)資助

劉世梁, 武雪, 朱家蘺, 張輝, 賈克敬, 趙爽. 耦合景觀格局與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的區(qū)域生態(tài)承載力評價[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文), 2019, 27(5): 694-704

LIU S L, WU X, ZHU J L, ZHANG H, JIA K J, ZHAO S. Evaluation of regional ecological carrying capacity coupling with landscape pattern and ecosystem services[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(5): 694-704

劉世梁, 主要從事景觀生態(tài)學(xué)、恢復(fù)生態(tài)學(xué)、環(huán)境影響評價與規(guī)劃等方面研究。E-mail: shiliangliu@bnu.edu.cn