流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和水土資源匹配研究進(jìn)展

孫寶娣,于德湖,崔東旭,*

1 青島理工大學(xué),青島 266033

2 山東建筑大學(xué),濟(jì)南 250101

流域是典型的山水林田湖草有機(jī)生命體。作為統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展的紐帶,流域在構(gòu)建國土空間開發(fā)保護(hù)新格局、防洪安全屏障、生態(tài)景觀廊道等方面發(fā)揮重要作用。如何有效提升流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),精準(zhǔn)識(shí)別流域“山水林田湖草生命共同體”內(nèi)在機(jī)理和規(guī)律[1],開展系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)是當(dāng)前我國流域生態(tài)保護(hù)工作中亟待解決的問題。流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與水土資源存在響應(yīng)關(guān)系(圖1),即水資源與土地資源作為驅(qū)動(dòng)因素影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化,而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值動(dòng)態(tài)變化和趨勢預(yù)測,會(huì)促進(jìn)專家學(xué)者和流域管理者對水土資源格局做出新調(diào)整。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指基于受益人考慮,生態(tài)系統(tǒng)為人類以及各種生物提供賴以生存的環(huán)境條件和自然效益,即人類本身以及產(chǎn)生的活動(dòng)能夠從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的利益[2],水資源和土地資源作為復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中自然系統(tǒng)的一部分,也會(huì)受到社會(huì)系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的影響,是流域重要的生產(chǎn)和生活要素,也是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。水土資源合理分配及匹配是指對水資源和土地資源進(jìn)行時(shí)間、空間上的安排、設(shè)計(jì)、組合和布局,以提高水土資源利用效益,實(shí)現(xiàn)水土資源的可持續(xù)利用[3—4]。

圖1 流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與水土資源的響應(yīng)關(guān)系圖示Fig.1 The map of response relationship between ecosystem services and water-land resources for the River Basin

其中,流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)精確評(píng)估,可識(shí)別流域空間生態(tài)資源分布;水土資源匹配狀態(tài)的確定對流域經(jīng)濟(jì)、政治、社會(huì)及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響[5],即會(huì)驅(qū)動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化。深入開展流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與水土資源的耦合協(xié)調(diào)研究,是促進(jìn)流域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

針對流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與水土資源已開展的研究,可歸納為三部分:①流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估,采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類體系和相應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估方法,如Costanza價(jià)值系數(shù)法[6]、Glass提出的Meta分析法[7—8]、小波變換模型的探索與引入[9—10],進(jìn)行大尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估。②流域水資源或土地資源與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)聯(lián)性研究[11],包括流域水資源與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)聯(lián)研究[12]、流域土地資源與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)聯(lián)研究[13]。③面向生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的水土資源匹配研究[14],包括水資源配置、土地資源配置以及水土資源配置[15],進(jìn)而提升流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力。

然而,仍有兩個(gè)方面研究有待進(jìn)一步探討:一是流域尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估方法選取和精確性驗(yàn)證,例如,較少從適用范圍、對象屬性以及結(jié)果精確性等方面對評(píng)估方法進(jìn)行比較,導(dǎo)致難以精準(zhǔn)識(shí)別生態(tài)空間資源分布,進(jìn)而難以診斷生態(tài)敏感脆弱區(qū)及其成因。二是流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與水土資源耦合協(xié)調(diào)研究的深度和廣度問題。深度即指構(gòu)建科學(xué)量化的耦合協(xié)調(diào)模型,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與水土資源的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性和響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行的深入研究,廣度即指研究的時(shí)空范圍,應(yīng)將流域生態(tài)系統(tǒng)與水土資源匹配進(jìn)行耦合協(xié)調(diào),從而對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平提升、實(shí)現(xiàn)“生態(tài)經(jīng)濟(jì)并重”目標(biāo)導(dǎo)向的流域空間格局優(yōu)化起到調(diào)控作用。

基于此,本文從流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估、水土資源匹配模型算法、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與水土資源耦合協(xié)調(diào)三個(gè)層面開展評(píng)述,著重分析了評(píng)估方法的精確性、水土資源匹配算法優(yōu)化及其與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)聯(lián)性等,指出了基于耦合協(xié)調(diào)理論的流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與水土資源利用響應(yīng)機(jī)理研究的必要性,以期為后續(xù)開展流域國土空間開發(fā)保護(hù)新格局研究提供理論指導(dǎo)及決策支持。

1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估的精確性研究

流域作為區(qū)域重要生態(tài)屏障,科學(xué)評(píng)估和精確量化其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平,識(shí)別流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、確定生態(tài)修復(fù)區(qū)域、構(gòu)建生態(tài)安全格局,可以為構(gòu)建可持續(xù)的山水林田湖草生命共同體提供可靠的建設(shè)方案。近年來,國內(nèi)外學(xué)者多采用聯(lián)合國“千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估”的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)[16—17],從供給、調(diào)節(jié)、支持和文化4方面對渭河流域[18]、鄱陽湖流域[19]、洞庭湖流域[1]、閩江流域[20]、延河流域[21]、Jamuna River[22]、Gulf of Kalloni[23]、Ourika watershed[17]、Pearl River[24]等流域尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平進(jìn)行了評(píng)估。而在評(píng)估方法上引介了Costanza價(jià)值系數(shù)法、Meta分析法和小波變換模型等。

其中,Costanza價(jià)值系數(shù)法,也稱數(shù)值直接外推法[25],來源于國外學(xué)者Costanza在1997年[6]和2008年[26]發(fā)表的關(guān)于全球尺度生態(tài)資產(chǎn)評(píng)估的理論體系和評(píng)估方法。由于其研究案例均來自于歐美發(fā)達(dá)國家,因此該方法的研究結(jié)論與發(fā)達(dá)國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相適宜,對于發(fā)展中國家會(huì)產(chǎn)生生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估價(jià)值偏高的現(xiàn)象。Glass提出的Meta分析法[8,27],通過調(diào)整函數(shù)來換算單位土地面積的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,具有可重復(fù)操作、有效節(jié)約成本、評(píng)估程序簡潔等優(yōu)點(diǎn)。但該方法存在尺度轉(zhuǎn)換中忽視空間異質(zhì)性和缺乏空間非線性信息分析等問題,同時(shí),限于時(shí)間和精力,國內(nèi)研究大部分以小尺度案例作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ),出現(xiàn)樣本數(shù)量小、解釋變量少、剔除不顯著的變量和回歸預(yù)測范圍縮小等四種傾向,研究結(jié)論具有不確定性。

小波變換模型是多分辨率分析方法,具有良好的局部檢測功能,適合表征數(shù)據(jù)變換的瞬態(tài)和奇異點(diǎn)特征,且保持頻率特性品質(zhì)因數(shù)恒定,常用于噪聲祛除、多尺度趨勢分析等地學(xué)和生態(tài)學(xué)過程。近年來,小波變換方法在生態(tài)水文參數(shù)的影響[28]、濕地河岸線后退[23]、沿海極端氣溫變化[29]、湖泊富營養(yǎng)化[30]、黃河流域徑流變化與預(yù)測[31]、鄱陽湖流域氣候變化模式[32]等研究中,體現(xiàn)了不同時(shí)空尺度下的變化程度、變化幅度、突變點(diǎn)以及周期等特點(diǎn)。

以李小梅[33]和Sun等[9]在生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估中的研究為例,小波變換的研究思路是將大尺度數(shù)據(jù)原始信號(hào)(即流域)作為整體函數(shù),亦即原始待分析函數(shù),在對該函數(shù)進(jìn)行近似分解(劃分流域不同時(shí)空尺度的范圍)基礎(chǔ)上開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估,進(jìn)而通過疊加時(shí)空序列信號(hào)進(jìn)行尺度上推和尺度重構(gòu),最終推演出流域尺度上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變換規(guī)律。Harr、Daubechies(DB)、Morlet、墨西哥帽等小波函數(shù)都有廣泛的運(yùn)用[31,34—35],并依據(jù)研究因子的取值的尺度將小波變換劃分為離散變換和連續(xù)變換兩類,例如Sun等[9]以空間連續(xù)采樣方式對遼寧省域尺度的濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行了評(píng)估,所以選取方法為連續(xù)小波變換模型。然而,我國流域干流、支流和水庫等分布較為離散,空間異質(zhì)性強(qiáng),小波變換模型要達(dá)到更為精準(zhǔn)的效果尚需考慮生態(tài)資源離散分布、空間異質(zhì)性強(qiáng)的特征,并驗(yàn)證該方法可行性。

將小波變換研究思路和方法引入流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的量化分析和評(píng)估領(lǐng)域,具有較強(qiáng)的可行性。相比已有研究方法,小波變換模型方法的優(yōu)勢在于可將研究過程分解為三個(gè)步驟:①尺度分解,將流域生態(tài)地理空間局部化分解后,進(jìn)行小尺度范圍的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估,得出精確性的結(jié)果;②尺度擴(kuò)展,將分解后的局部化生態(tài)地理空間進(jìn)行尺度延伸,篩選適合小波函數(shù)識(shí)別適宜尺度的非線性空間;③尺度重構(gòu),即尺度上推,通過對“尺度分解”和“尺度擴(kuò)展”的結(jié)果進(jìn)行空間聚類和效果檢驗(yàn),對評(píng)價(jià)尺度進(jìn)行層層上推,最終形成流域全尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)核算和評(píng)估結(jié)論。小波變換分析的核心是“尺度分解-尺度擴(kuò)展-尺度重構(gòu)”的過程(圖2),而在流域小尺度時(shí)空范圍的研究中,科學(xué)篩選甄別小波函數(shù)權(quán)重和價(jià)值評(píng)估是構(gòu)建離散型小波變換模型的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。

圖2 小波變換模型對流域空間尺度分解擴(kuò)展重構(gòu)過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of expansion and reconstruction process of spatial scale decomposition by wavelet transform modelling for the River Basin

鑒于流域干流、支流、水庫等生態(tài)資源的空間特征既相互聯(lián)系又離散分布,在后續(xù)研究中應(yīng)積極加強(qiáng)離散型小波函數(shù)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估精確性,通過不同地理單元數(shù)據(jù)的空間上推和檢驗(yàn),形成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估全流域尺度重構(gòu)研究的理論框架,為科學(xué)識(shí)別生態(tài)空間資源分布進(jìn)而診斷生態(tài)敏感脆弱區(qū)和開展生態(tài)保護(hù)修復(fù)提供技術(shù)支撐。

2 流域水土資源匹配狀態(tài)研究

作為生產(chǎn)和生活要素,“水資源、土地資源”是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)[36—37],其天然價(jià)值不言而喻。流域水土資源利用變化是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的重要驅(qū)動(dòng)力[38],一些人類活動(dòng)的結(jié)果,如水資源變化、用水結(jié)構(gòu)、土地利用方式改變,都會(huì)引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)結(jié)構(gòu)和功能的變化。

水資源是指地下水、地表水和降雨等可資利用的水源,流域水資源則主要指河流的干流、支流可被利用的地表徑流量和地下水,其合理配置包括在生態(tài)、生活與經(jīng)濟(jì)等方面的合理分配和使用。面對社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的用水需求增長和水資源匱乏、水生態(tài)環(huán)境下降之間的矛盾,越來越多的學(xué)者致力于研究水資源分配與生態(tài)環(huán)境的沖突與關(guān)聯(lián)程度,包括量化地表水與地下水,通過評(píng)估水文整體狀況分析水資源系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的關(guān)系[39];模擬地下水實(shí)時(shí)狀態(tài),并對水位進(jìn)行控制,同時(shí)防止土地鹽堿化[40];通過響應(yīng)曲面動(dòng)態(tài)坐標(biāo)搜索、灰色系統(tǒng)、不確定性分析等模型方法和虛擬水戰(zhàn)略,結(jié)合生態(tài)用水規(guī)模和質(zhì)量,進(jìn)行水資源優(yōu)化配置[41—42];通過估算預(yù)留生態(tài)(含輸沙)水量、下游南水北調(diào)及海水利用可替代黃河供水量及上中游部分產(chǎn)業(yè)發(fā)展需水,研究向黃河上中游分配更多水量指標(biāo)的水資源戰(zhàn)略配置方案,并提出完善水權(quán)轉(zhuǎn)讓與補(bǔ)償制度、探索用水指標(biāo)與土地指標(biāo)調(diào)控的聯(lián)動(dòng)機(jī)制[43—44]。

土地資源主要通過土地利用面積變化、土地利用方式和土地利用空間格局3種方式,改變生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)過程和變生境3種途徑影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[45—46]。所以,土地資源的重大變化通常會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)產(chǎn)生重大變化,其中,森林面積和生產(chǎn)力增加、農(nóng)業(yè)集約化和生物能源生產(chǎn)的“剩余土地”,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化是積極的或者說能夠?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力提升提供機(jī)會(huì);但若土壤肥力、水資源供應(yīng)等生態(tài)系統(tǒng)供應(yīng)減少,就會(huì)增加生態(tài)系統(tǒng)脆弱性,特別是在沿海和山區(qū)地帶[47]。近年來,越來越多的學(xué)者借助空間分析技術(shù)結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)評(píng)估方法[3,9,48],分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化,以約束函數(shù)和轉(zhuǎn)化規(guī)則為條件,優(yōu)化土地?cái)?shù)量結(jié)構(gòu)和空間格局配置,改善和提高城鄉(xiāng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。

目前,單一優(yōu)化(面向生態(tài)環(huán)境功能的水資源格局優(yōu)化或土地資源格局優(yōu)化)居多,總體優(yōu)化(水土資源總體優(yōu)化配置)較少。而流域水資源和土地資源相互影響和滲透、且相互制約,水資源利用合理與否,直接影響土地資源的生產(chǎn)效率;而土地資源的利用程度同樣也制約著水資源的利用。因此需要探索水、土資源配置同時(shí)達(dá)到優(yōu)化的研究方法,以實(shí)現(xiàn)真正意義上的水土資源優(yōu)化配置。

現(xiàn)有的區(qū)域水土資源匹配格局研究方法,多采用基尼系數(shù)法或農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)測算模型表征水土資源時(shí)空匹配程度,包括對中亞各國[49]、黃河三角洲[50]、撓力河流域[51]、山東省各地級(jí)市[52]、the Gharehsoo River Basin[53]、the Oder River Basin[54]的水土資源匹配狀況進(jìn)行測算。上述兩種方法通過農(nóng)業(yè)用水資源量和耕地面積的量比關(guān)系進(jìn)行水土資源匹配系數(shù)的測算,并未納入生態(tài)水土資源匹配。而近年來引入的信息熵理論則可以同時(shí)考慮農(nóng)業(yè)和生態(tài)的用水用地[55]。具體納入生態(tài)環(huán)境用水和生態(tài)用地的水土資源空間匹配格局測算示意圖見圖3。信息熵的概念最早由美國數(shù)學(xué)家Shannon[56]提出并使用,隨后在生態(tài)學(xué)[57]、景觀設(shè)計(jì)學(xué)[58]、土地資源科學(xué)[59]等多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用?！办亍痹从跓崃W(xué)概念,在信息論中主要用于度量信息的無序度并表征系統(tǒng)的演變特征,即衡量系統(tǒng)的信息量、穩(wěn)定程度和不確定性。如將信息熵理論(納入生態(tài)的用水用地)結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、粒子群優(yōu)化算法、多目標(biāo)線性規(guī)劃模型等方法(多目標(biāo)優(yōu)化算法),將“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益最大”作為結(jié)果目標(biāo)函數(shù)、“土地利用經(jīng)濟(jì)-生態(tài)效益最大、缺水總量最小”作為過程目標(biāo)函數(shù),通過調(diào)整耕地、生態(tài)用地、農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)環(huán)境用水的分配比例,迭代產(chǎn)生一組非劣解即Pareto最優(yōu)解集[60—61],各解之間均不存在支配關(guān)系,相互獨(dú)立,為決策管理者對流域水土資源優(yōu)化提供方法支撐。

圖3 考慮生態(tài)環(huán)境用水和生態(tài)用地的水土資源優(yōu)化配置圖Fig.3 Optimal allocation of water -land resources considering ecological water-land

其中,結(jié)果目標(biāo)函數(shù)中的“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益”是指納入流域經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)等要素所產(chǎn)生的綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)并進(jìn)行量化表征。過程目標(biāo)函數(shù)中的“土地利用的經(jīng)濟(jì)-生態(tài)效益”是指以土地利用結(jié)構(gòu)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)響應(yīng)機(jī)制為基礎(chǔ),結(jié)合國土空間“三區(qū)三線”約束條件,表征土地利用過程中產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益,為土地資源空間格局優(yōu)化調(diào)控提供理論支撐。土地利用的經(jīng)濟(jì)效益是指目標(biāo)年GDP總量來表征各項(xiàng)用地的單位經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出;土地利用的生態(tài)效益是指土地利用過程對整個(gè)區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)平衡所造成的影響,進(jìn)而對人類的生活和生產(chǎn)環(huán)境產(chǎn)生的影響效應(yīng),以量化包括植被覆蓋率、土壤肥力保持等在內(nèi)的生態(tài)價(jià)值來表征各項(xiàng)用地的單位生態(tài)效益產(chǎn)出。此外,土地利用的社會(huì)效益是指在人口總量的約束下,涉及的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生活水平、社會(huì)文化以及社會(huì)保障等,但鑒于社會(huì)因素存在難以具體量化的客觀事實(shí),最終以“土地利用的經(jīng)濟(jì)效益最大、生態(tài)效益最大”為目標(biāo)函數(shù)。

綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估和流域水土資源空間格局優(yōu)化配置研究,可看出目前的研究多集中在1個(gè)子系統(tǒng)(生態(tài)系統(tǒng)或水資源系統(tǒng)或土地資源系統(tǒng))和2個(gè)子系統(tǒng)之間(水資源和土地資源系統(tǒng)、水資源和生態(tài)系統(tǒng)、土地資源和生態(tài)系統(tǒng)),相關(guān)研究總結(jié)見表1,缺少將流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與水資源、土地資源3個(gè)子系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行研究。

表1 流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與水土資源匹配研究總結(jié)Table1 Summaries of research on optimal allocation of water-land resources for ecosystem

3 流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與水土資源系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)研究

系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)理論,集“系統(tǒng)”、“耦合”與“協(xié)調(diào)”于一體?！跋到y(tǒng)”即流域整體概念,研究流域的系統(tǒng)、要素和環(huán)境三者相互關(guān)系及其動(dòng)態(tài)規(guī)律,強(qiáng)調(diào)整體和局部、局部和局部、系統(tǒng)本身和外部環(huán)境的依存和制約的影響關(guān)系?！榜詈稀痹从谖锢韺W(xué)概念,主要是指通過流域子系統(tǒng)間的良性互動(dòng),實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)?！皡f(xié)調(diào)”是以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總體演進(jìn)為目標(biāo),流域兩個(gè)或多個(gè)動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)之間相互協(xié)作、互為促進(jìn)的一種良性循環(huán)態(tài)勢及其控制過程?！跋到y(tǒng)耦合協(xié)調(diào)”研究流域內(nèi)部序參量之間的協(xié)同作用,體現(xiàn)系統(tǒng)由無序向有序的變化特征。

自20世紀(jì)80年代,中國工程院院士任繼周將“系統(tǒng)耦合”引入到農(nóng)業(yè)科學(xué)研究中[62—63],逐漸被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)社會(huì)及環(huán)境研究領(lǐng)域,包括“環(huán)境-經(jīng)濟(jì)”二維耦合視角[64]、“環(huán)境-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)”復(fù)合系統(tǒng)耦合視角等[65—66]。系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)研究是區(qū)域或流域資源、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的熱點(diǎn)問題和趨勢性問題,目前在流域資源利用(包括水資源、土地資源等)與其生態(tài)環(huán)境耦合協(xié)調(diào)研究領(lǐng)域,如何對流域有限的水土地資源與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行耦合協(xié)調(diào),探明流域生態(tài)環(huán)境與水土資源的系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)機(jī)理,進(jìn)而提出以“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益發(fā)揮最大化、土地利用經(jīng)濟(jì)-生態(tài)效益最大化和區(qū)域缺水總量最小化”多目標(biāo)為導(dǎo)向的流域水土資源空間格局優(yōu)化調(diào)控路徑是當(dāng)前存在的難題,同時(shí)也可為構(gòu)建流域水土資源空間開發(fā)保護(hù)新格局提供新視角。

納入生態(tài)環(huán)境用水和生態(tài)用地進(jìn)行水土資源空間格局優(yōu)化,可作為聯(lián)系水土資源與生態(tài)環(huán)境的橋梁,尋求“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益最大化、土地利用經(jīng)濟(jì)效益-生態(tài)效益最大化、區(qū)域缺水總量最小化”生態(tài)經(jīng)濟(jì)并重的流域水土資源空間格局最優(yōu)配置方案。目前,國內(nèi)外學(xué)者大多分別從水資源或土地資源與生態(tài)環(huán)境的耦合關(guān)系進(jìn)行研究。如Rost等[39]、高奇等[41]、李晨洋等[42]等研究水資源與生態(tài)系統(tǒng)耦合關(guān)聯(lián)的關(guān)系。Schr?ter等[47]、歐陽志云等[1]、Barros等[67]、Bussi等[68]、李勝鵬等[69]等研究土地資源與生態(tài)系統(tǒng)的耦合關(guān)聯(lián)關(guān)系。缺少基于“系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)”理論將流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與水土資源空間分布格局相關(guān)聯(lián)的深入研究,造成現(xiàn)有流域“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益最大、土地利用經(jīng)濟(jì)-生態(tài)效益最大、缺水總量最小”多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)控效果不明顯。

此外,現(xiàn)有的耦合關(guān)系研究僅是一種簡單相關(guān)性研究,如Rost等[39]通過量化地表水與地下水,評(píng)估水資源對農(nóng)業(yè)以及非農(nóng)業(yè)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響;Polasky等[70]研究水體質(zhì)量下降對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響;王潔等[71]通過模擬重要生態(tài)廊道的結(jié)構(gòu),研究廊道土地利用格局與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的耦合關(guān)系。喬斌等[72]基于3km×3km網(wǎng)格單元,對青?，敹嗫h土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行空間自相關(guān)分析;李勝鵬等[69]基于土地利用情景,對福建省2000—2026年的生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)度進(jìn)行時(shí)空演變模擬。仍缺乏運(yùn)用精確量化表達(dá)的系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度模型對流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與水土資源進(jìn)行研究。今后研究可通過格蘭杰因果檢驗(yàn)法[73—75]、灰色系統(tǒng)原理[76—77]和目標(biāo)函數(shù)[78—79]等方法和原理,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與水土資源的關(guān)聯(lián)性和響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行研究。具體研究步驟示意圖見圖4。

圖4 流域“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)-水資源-土地資源”多系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)及優(yōu)化調(diào)控示意圖Fig.4 Schematic diagram of multi-system coupling coordination and optimization regulation of "ecosystem services,water resources,land resources" in the River Basin

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

精確診斷生態(tài)空間資源分布進(jìn)而識(shí)別生態(tài)敏感脆弱問題的成因,優(yōu)化調(diào)控流域“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、水資源、土地資源”多目標(biāo)耦合效果,對開展流域系統(tǒng)保護(hù)修復(fù)和有效提升流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有深遠(yuǎn)意義。本文系統(tǒng)梳理了流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估及水土資源匹配研究,主要結(jié)論如下:

(1)構(gòu)建精準(zhǔn)復(fù)雜的離散型尺度轉(zhuǎn)換模型,是目前科學(xué)識(shí)別診斷流域尺度生態(tài)敏感脆弱區(qū)的技術(shù)瓶頸。需探索基于“尺度分解—尺度擴(kuò)展—尺度重構(gòu)”研究思路,加強(qiáng)離散型小波變換模型對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)精確性評(píng)估和可行性驗(yàn)證。

(2)流域水土資源時(shí)空格局配置優(yōu)化研究,需納入生態(tài)環(huán)境用水和生態(tài)用地,并采用信息熵理論結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和多目標(biāo)函數(shù)等方法進(jìn)行。

(3)需基于系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)理論,開展流域“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)-水資源-土地資源”多系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)及優(yōu)化調(diào)控研究,實(shí)現(xiàn)“生態(tài)經(jīng)濟(jì)并重”的流域空間格局構(gòu)建。

4.2 展望

基于現(xiàn)有研究和亟待解決的問題,流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與水土資源匹配研究可從以下3方面進(jìn)一步發(fā)展:

(1)“尺度分解—尺度擴(kuò)展—尺度重構(gòu)”是流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量化核算和評(píng)估的基礎(chǔ),其中“尺度分解”是重點(diǎn)。如何進(jìn)行尺度分解應(yīng)充分考慮自然要素、功能要素、社會(huì)要素在空間上的反映,也應(yīng)加強(qiáng)全流域視角下水土資源利用的生態(tài)效應(yīng)研究,針對不同效應(yīng)將流域上中下游分散研究[80],通過綜合集成和系統(tǒng)化識(shí)別流域生態(tài)保護(hù)戰(zhàn)略點(diǎn)(夾點(diǎn)和障礙點(diǎn)),提高流域水土資源利用變化整體生態(tài)效應(yīng)的集成研究水平。

(2)服務(wù)流域高質(zhì)量發(fā)展,突出提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量和水土資源優(yōu)化配置的同時(shí),加強(qiáng)與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化等外部要素的協(xié)調(diào)共生[81],進(jìn)而探索和揭示流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展耦合協(xié)調(diào)的客觀規(guī)律、驅(qū)動(dòng)因素、發(fā)展效應(yīng)和機(jī)制設(shè)計(jì)。今后研究以“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益最大”作為結(jié)果目標(biāo)導(dǎo)向、“土地利用經(jīng)濟(jì)-生態(tài)效益最大、缺水總量最小”作為過程目標(biāo)導(dǎo)向,統(tǒng)籌優(yōu)化流域生產(chǎn)生活生態(tài)的用水用地結(jié)構(gòu)。堅(jiān)持以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn),合理規(guī)劃人口、城市和產(chǎn)業(yè)發(fā)展,加強(qiáng)流域水土資源、生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)同共享,實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展的耦合協(xié)調(diào)。

(3)體現(xiàn)“以人民為中心”的發(fā)展新理念,服務(wù)構(gòu)建流域生態(tài)空間新格局?；凇暗乩碜R(shí)別-社會(huì)認(rèn)同-治理可行”三個(gè)層次[82],探索“地理-社會(huì)-治理”多層一體的流域空間治理路徑:推進(jìn)流域生態(tài)空間重組,即充分認(rèn)識(shí)流域生態(tài)空間一體化保護(hù)和環(huán)境協(xié)同化治理的作用,優(yōu)化生態(tài)空間布局進(jìn)而對流域生態(tài)空間重構(gòu)和生態(tài)資源重組。

此外,本論文以流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與水土資源(自然資源的重要組成部分:水是生命之源,土是生存之本)匹配研究,今后研究可進(jìn)一步圍繞生態(tài)系統(tǒng)多功能中的主導(dǎo)功能表征—生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇[83],研究其空間和功能變化及其更多的影響因素,并統(tǒng)籌流域水土資源多功能性,以期最終能實(shí)現(xiàn)理論和技術(shù)的差異化復(fù)制推廣,為整體提升區(qū)域或流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供參考。