艾昕 蘭亦陽 鄭曦

日益增強的人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的負面影響逐漸擴大，生態(tài)系統(tǒng)和棲息地的退化在世界范圍內(nèi)都變得極為普遍[1]。人類依賴生態(tài)系統(tǒng)所提供的服務，因此對自然的保護不僅是為了生態(tài)系統(tǒng)的健康，也涉及人類自身福祉的存續(xù)[2]，當今的規(guī)劃在注重對自然生態(tài)系統(tǒng)保護的同時也需要兼顧社會的需求[3]。生態(tài)系統(tǒng)服務（Ecosystem services, ESs）的提出為綜合考慮生態(tài)效益和社會需求的評價體系的建立提供了新思路，得到了廣泛應用并成為相關學科的研究熱點。ESs是人類直接或間接地從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各種收益[4]，可分為調節(jié)服務、支持服務、供給服務和文化服務四大類[5]。國內(nèi)外大量研究表明ESs之間相互影響[6-7]，普遍存在著權衡或協(xié)同關系，多存在于以調節(jié)、支持服務為代表的人類間接需求服務和以供給、文化服務為代表的直接需求服務之間[8-12]。

國土空間規(guī)劃將土地劃分為生態(tài)、生產(chǎn)、生活“三類空間”，生態(tài)空間狹義上是以提供生態(tài)服務或生態(tài)產(chǎn)品為主要功能[13]，包括自然屬性、具有人工生態(tài)景觀特征以及部分具有農(nóng)、林、牧混合景觀特征的空間等[14]。在“多規(guī)合一”背景下目前只針對城市綠地的生態(tài)空間規(guī)劃范圍具有一定局限性。本研究的城市生態(tài)空間是城市尺度上提供生態(tài)功能的區(qū)域，是廣義上的生態(tài)用地，以狹義上的生態(tài)空間為主體，結合生態(tài)區(qū)域中的生產(chǎn)、生活空間作為綜合體進行研究。生態(tài)空間在為城市提供豐富的生態(tài)效益的同時也需應對城市發(fā)展的需求，因此越來越多的研究在進行生態(tài)空間規(guī)劃時嘗試兼顧生態(tài)需求和社會經(jīng)濟需求。這些研究通過協(xié)調ESs間的權衡作用或促進協(xié)同效益，減少在生態(tài)和社會經(jīng)濟效益間存在的空間矛盾，實現(xiàn)自然和社會協(xié)同發(fā)展[6,15-16]。這種對ESs協(xié)同與權衡效應的研究可有效識別各類ESs需重點保護的區(qū)域，以便在有限的空間里保護關鍵的服務類型[17]。如Domischa等基于4種ESs間關系，使用Marxan with Zones對多瑙河流域依據(jù)不同分區(qū)對保護目標的設置不同，劃分了重點保護區(qū)域、關鍵管理區(qū)、流域管理區(qū)域以及生產(chǎn)區(qū)[18]。Liu依據(jù)ESs間協(xié)同作用對3個縣城進行區(qū)劃，例如單一碳固存區(qū)、碳—土—水協(xié)同供應區(qū)及碳水協(xié)同供應區(qū)等區(qū)[19]。

1 生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)多情景生態(tài)空間區(qū)劃研究框架Framework of multi-scenario ecological space zoning planning in ecological conservation area

考慮在生態(tài)空間規(guī)劃中，不同區(qū)域對ESs的保護類型需要有不同的側重，在存在共同利益的區(qū)域促進ESs間的協(xié)同效應，緩解權衡效應，有利于構建協(xié)同效應最大化、權衡效應最小化的生態(tài)空間格局[17]。將情景分析整合到生態(tài)系統(tǒng)服務的權衡中，可以有效指導規(guī)劃并制定生態(tài)管理政策[20-21]。目前國內(nèi)生態(tài)空間規(guī)劃開始關注對ESs的保護，但研究方法上多基于垂直疊加的空間分析或評價，較少考慮到自然—社會系統(tǒng)空間矛盾或ESs間的相互作用；研究內(nèi)容上缺乏對保護服務區(qū)域間合理分配的研究；研究結果中對于規(guī)劃結果對ESs的保護成效的驗證不足。

本研究以北京市生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)為研究對象。生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)是北京市重要的生態(tài)空間，作為減量提質發(fā)展的關鍵區(qū)域[22]，其自身存在著生態(tài)保護和社會經(jīng)濟發(fā)展的矛盾。因此亟須尋求能保障生態(tài)功能和區(qū)域內(nèi)社會經(jīng)濟共同發(fā)展的規(guī)劃手段，優(yōu)化生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)多層次空間格局，實現(xiàn)更全面的分區(qū)管理，推動區(qū)域性質調控轉換。筆者選取生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)5種關鍵性生態(tài)系統(tǒng)服務對它們之間的相關性進行量化，根據(jù)其間的權衡協(xié)同關系，通過定義低權衡、低協(xié)同、高協(xié)同3種情景中各個區(qū)域的ESs保護目標和空間分配，使用Marxan with zones[22]①得到生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)分區(qū)規(guī)劃的結果，并進一步驗證3種情景分區(qū)規(guī)劃結果對ESs間的協(xié)同權衡程度的促進或降低作用（圖1）。形成更有效、更完善的區(qū)域生態(tài)空間調控機制，以期為需要協(xié)同生態(tài)保護和社會經(jīng)濟的城市生態(tài)空間分區(qū)規(guī)劃和生態(tài)系統(tǒng)服務保護管理，提供一定的決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域

北京市生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)自東北向西南，跨越北京北部的燕山山脈和西部的太行山山脈，行政區(qū)范圍包括延慶區(qū)、門頭溝區(qū)、密云區(qū)、平谷區(qū)、懷柔區(qū)，以及昌平區(qū)、房山區(qū)的山區(qū)部分（圖2）。土地面積為11 259.3 km2，占全市面積的68%；2017年常住人口為266.4萬人，占全市常住人口的12.3%。2019年底，北京市發(fā)改委發(fā)布的《關于推動生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)生態(tài)保護和綠色發(fā)展的實施意見》（簡稱《實施意見》）中指出生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)是北京重要的生態(tài)屏障和水源保護地[23]，是保障首都可持續(xù)發(fā)展的關鍵區(qū)域和首都城市空間布局的重要壓軸空間[24]，能為宜居城市建設提供生態(tài)保障[25]。

2 研究區(qū)域：北京市生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)Study area: ecological conservation area of Beijing

表1 生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)所選生態(tài)系統(tǒng)服務類型與數(shù)據(jù)來源Tab. 1 Ecosystem service types and data sources selected in ecological conservation area

表2 北京市典型生態(tài)系統(tǒng)服務SPSS相關性分析Tab. 2 SPSS correlation analysis for typical ecosystem services in Beijing

參考Mónica[26]、杜勇[27]等的研究方法，將北京市域以1 km×1 km的方格網(wǎng)進行劃分，共分為16 948個規(guī)劃單元，其中生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)有11 718個規(guī)劃單元。所有整理的數(shù)據(jù)投影到的網(wǎng)格單元，代表了分析的最小規(guī)劃單位?？紤]到在整個分析過程中，單元之間的連接性被整合到分析中，為保證研究的完整性與科學性，本研究將對整個北京市域范圍進行分析，但重點對生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)進行討論。

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務數(shù)據(jù)來源與處理

生態(tài)系統(tǒng)服務具有眾多指標，特定區(qū)域的空間規(guī)劃需要選擇具有代表性和適合空間制圖的服務。生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)是首都重要的生態(tài)屏障和水源保護地，作為城市的“大氧吧”和“后花園”[22]，主要功能是涵養(yǎng)水源、固碳釋氧、凈化環(huán)境、維持生物多樣性等[25]；結合《實施意見》中的相關要求，選取包括體現(xiàn)生態(tài)效益的調節(jié)、支持服務和代表社會直接需求的供給、文化服務作為保護特征[28]。具體指標選取較為成熟并對生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)有管理意義的ESs，即以固碳釋氧、水源涵養(yǎng)為主的調節(jié)服務，生物多樣性為代表的支持服務，食物生產(chǎn)為主的供給服務以及在城郊為市區(qū)提供大量游憩機會的文化服務（表1）。

其中北京市固碳釋氧、水源涵養(yǎng)的數(shù)據(jù)來源于2010年中國生態(tài)系統(tǒng)服務空間數(shù)據(jù)集[29]，食物生產(chǎn)和美學價值的數(shù)據(jù)來源于2015年中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間分布數(shù)據(jù)集[30]。生物多樣性的計算以北京市珍稀鳥類為指示物種，基于2015年發(fā)表的北京市國家重點保護鳥類生態(tài)分布數(shù)據(jù)庫[31]，分別選取I級保護的鸛形目和雁形目等，II級保護的雁形目、鸮形目與隼形目等作為指示物種，采用MaxEnt進行物種潛在分布模擬，計算出珍稀鳥類空間分布概率圖，作為生物多樣性的保護特征數(shù)據(jù)；在游憩機會的計算上，使用ArcGIS10.4計算市中心到生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)的可達性，可達性越高游憩機會越大，結合2015年美學價值[30]疊加計算出研究區(qū)域的游憩機會。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務相關性分析

以16 948個規(guī)劃單元的中心點去提取北京市內(nèi)ESs的值作為該規(guī)劃單元的ESs值，再使用SPSS22.0軟件對提取數(shù)據(jù)進行Pearson相關分析（表2）。依據(jù)Mónica等[26]的研究，其中正值表示2種ESs之間具有協(xié)同作用，負值表示二者之間具有權衡作用。這一步驟有助于確切了解生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)ESs間的關系，從而在規(guī)劃時允許協(xié)同性的ESs兼容存在，提高協(xié)同效益，并減小被保護ESs和與其不兼容的ESs之間的權衡作用。

從顯著性來看，5個ESs之間確定存在相關關系。因變量數(shù)據(jù)受空間數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分布較廣的影響，整體上幾組因子間線性關系較低，因此只在這幾組因子間進行相關系數(shù)高低的比較。與其他協(xié)同性因子相關系數(shù)相比，同屬于調節(jié)服務的固碳釋氧與水源涵養(yǎng)之間存在比較高的協(xié)同關系；同時2個調節(jié)服務與生物多樣性之間存在較其他因子更明顯的協(xié)同關系，但兩類服務與食物生產(chǎn)呈現(xiàn)出一定的權衡關系。固碳釋氧與游憩機會間呈現(xiàn)出幾組因子中最高的權衡系數(shù)，同屬調節(jié)服務的水源涵養(yǎng)與游憩機會間卻呈現(xiàn)了極低的協(xié)同關系，可能是因為生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)水源多位于山腳下，因此比山體林地有更高的可達性，并且水源的存在使風景價值偏高，游憩吸引力更大。生物多樣性與食物生產(chǎn)表現(xiàn)出比較低的權衡作用，而與游憩機會間則有比較低的協(xié)同性。食物生產(chǎn)與游憩機會間則存在較低的協(xié)同關系。

通過分析不同種類ESs間的協(xié)同或權衡關系，可以看出調節(jié)與支持服務間協(xié)同作用較供給與文化服務間明顯，但調節(jié)和支持服務兩者與供給服務存在權衡關系。

2.3 Marxan with zones模型及原理

為了滿足不同功能的保護需求，優(yōu)化不同管理區(qū)域的空間分配，使用了Marxan with zones[22]來進行空間運算，該模型采用模擬退火算法優(yōu)先選擇“保護價值高、保護成本低”的規(guī)劃單元來構成分區(qū)，通過迭代計算各單元不可替代性以優(yōu)先選擇針對該區(qū)“性價比”最高的單元，當選擇的單元包含的ESs之和滿足目標數(shù)值時，該單元集合形成某分區(qū)。模型用于確保滿足預設的保護目標，最小化規(guī)劃總成本。最早應用于保護生物學領域，為了將有限的保護成本用在關鍵區(qū)域，進行一些生物保護優(yōu)先區(qū)的規(guī)劃實踐[32]。隨著生態(tài)系統(tǒng)服務成為大尺度生態(tài)保護規(guī)劃的核心議題，近年來呈現(xiàn)出除生物資源外，以ESs為保護對象的研究趨勢[33]。目前Marxan with zones在國外廣泛應用于以平衡生態(tài)保護和經(jīng)濟發(fā)展間沖突為目的的綠色基礎設施及區(qū)域生態(tài)空間的分區(qū)規(guī)劃中[2,18,26,34]。如Mónica等從當?shù)乩娼嵌瘸霭l(fā)設置各區(qū)保護目標，兼容保護協(xié)同性ESs，僅在供應區(qū)保護對其他服務有權衡作用的供應服務，采用該模型實現(xiàn)了滿足保護目標的區(qū)劃[26]。國內(nèi)研究目前多采用Marxan，應用領域仍是以生物資源為保護對象的保護地優(yōu)先級選址和分區(qū)規(guī)劃為主[35-36]，采用Marxan with zones的研究實踐較少。為實現(xiàn)因優(yōu)先保護特征不同而保護目標不同的管理區(qū)域劃分，Marxan with zones通過模擬退火優(yōu)化算法實現(xiàn)保護特征，最小化目標函數(shù)[22]，具體公式如下：

Objective function = ΣPUsCost + BLM ΣPUsBoundary + ΣFeaturesFPF×Feature Penalty， （ 1）

式中：ΣPUsCost 為成本因素，即保護區(qū)域規(guī)劃單元的成本之和；BLM ΣPUsBoundary 代表邊界因子，即邊緣長度調整系數(shù)（BLM）乘以被選中規(guī)劃單元的邊界長度之和（ΣPUsBoundary），BLM 值越高，聚合和連接性就越高[37]，研究按梯度測試了不同的BLM 值，確定轉折點BLM 為125 ；ΣFeaturesFPF×Feature Penalty 是每種服務沒有達到保護目標時，添加到目標函數(shù)的懲罰值，保護特征的懲罰因子（FPF）越高，則對應的服務重要性越高[22]，調節(jié)和支持服務對于生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)來說具有重要保護價值，因此設置調節(jié)與支持服務FPF為10，供給與文化服務的FPF 為5，以保證調節(jié)和支持服務達到要求的保護目標。

2.4 各區(qū)域的空間分配和情景設置

在此次以北京市生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)為例的城市生態(tài)空間規(guī)劃的研究中，參考Domischa[18]、Peng[38]、Mónica[26]等的分區(qū)定義和依據(jù)，在目前國土空間規(guī)劃政策分區(qū)的基礎上，結合生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)保護需求特點設置了更詳細的4個管理區(qū)域，基于ESs間的權衡協(xié)同關系，各區(qū)側重不同的保護特征。這些管理區(qū)域包括：1）重點保護區(qū)，主要致力于生物多樣性的核心保護，并保護部分與支持服務相協(xié)同的調節(jié)服務；2）生態(tài)緩沖區(qū)，在維持重點保護區(qū)之間的連接性并提供和城市之間緩沖隔離的同時，以生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)調節(jié)服務為主要保護特征，兼顧部分支持服務和人們到郊區(qū)的游憩需求；3）控制發(fā)展區(qū)，主要用于維護供給服務，減少供給服務與支持和調節(jié)服務間的權衡，控制城鎮(zhèn)擴張；4）集中建設區(qū)，用于維持對支持和調節(jié)服務產(chǎn)生權衡影響的文化服務，集約建設城鎮(zhèn)，集中在現(xiàn)有城市建設用地周邊。其中重點保護區(qū)和生態(tài)緩沖區(qū)的設置可以為生態(tài)控制線的格局優(yōu)化提供借鑒，控制發(fā)展區(qū)和集中建設區(qū)的布局可對城市開發(fā)邊界做出引導，為實現(xiàn)政策中限建區(qū)轉化與“兩線合一”提出更詳細的管理區(qū)域劃分。通過在模型輸入文件“zoneboundcost”中設置較高的區(qū)域邊界成本參數(shù)，來加強重點保護區(qū)和生態(tài)緩沖區(qū)的空間相鄰性，以保證緩沖區(qū)對保護區(qū)的連接和緩沖，并盡可能避免重點保護區(qū)受到干擾。研究將每個保護特征的保護目標進行空間區(qū)域分配，有助于減少要保護的ESs間的權衡，并增強協(xié)同效益[26]。

表3 各情景下每種生態(tài)系統(tǒng)服務在各區(qū)域中的保護目標Tab. 3 Conservation objectives of each ecosystem service in zones under three scenarios

作為選址優(yōu)化算法，Marxan with zones需要依據(jù)保護成本和保護目標構建目標函數(shù)，為每個規(guī)劃單元賦值，通過迭代計算，在所有規(guī)劃單元中選擇最優(yōu)解即最優(yōu)的單元集合構成分區(qū)，該單元集合滿足該區(qū)保護目標且保護成本最低。保護特征是各分區(qū)側重保護的生態(tài)系統(tǒng)服務，模型運算需為各區(qū)保護特征設置量化的保護目標作為分區(qū)計算的限制條件[32]。保護目標是指分配給各分區(qū)需保護的生態(tài)系統(tǒng)服務數(shù)量占該服務全域保護總量的百分比。單元集合覆蓋的ESs總量達到預設目標數(shù)量時可形成分區(qū)。依據(jù)各管理區(qū)不同的側重保護特征，將各特征的保護目標分配到4個區(qū)中合適的區(qū)域（各ESs分配在各區(qū)的總目標之和為100%），這是使有限的保護資源用在重點區(qū)域的關鍵[18,26]。并依據(jù)ESs的權衡協(xié)同關系，在同一管理區(qū)為兼容的ESs分配保護目標以增加協(xié)同效益，盡量減少權衡作用（如不在重點保護區(qū)和生態(tài)緩沖區(qū)分配具有權衡關系的供給服務）。為了比較不同的保護目標分配對每個區(qū)域ESs權衡協(xié)同效應的影響，設置了3種情景。這些情景以不同的方式分配了保護目標，體現(xiàn)在同一區(qū)域兼容ESs的保護目標時，從低到高的靈活程度[21]（表3）。例如，從嚴格的重點保護區(qū)僅包含支持服務保護目標的低權衡情景，到更靈活的低、高協(xié)同情景，在重點保護區(qū)中允許更多的調節(jié)服務與支持服務兼容存在（即3個情景中調節(jié)服務在重點保護區(qū)保護目標從0依次增加到30%、70%）。情景1：低權衡情景，是最嚴格的情景，根據(jù)各區(qū)域定位主要保護的ESs類型不同，將每類ESs以100%的保護目標分配在更合適的區(qū)域中，最大限度地減少ESs間的權衡干擾，如支持服務在重點保護區(qū)保護目標設置為100%，其余區(qū)域同理，即該情景下具有“高支持服務”的規(guī)劃單元優(yōu)先組成重點保護區(qū)，“高調節(jié)服務”的單元優(yōu)先組成生態(tài)緩沖區(qū)，“高供給服務”和“高文化服務”的單元分別組成控制發(fā)展區(qū)和集中建設區(qū)以滿足保護目標。情景2：低協(xié)同情景，允許支持和調節(jié)服務在重點保護區(qū)和緩沖區(qū)進行部分協(xié)同保護（即分別兼容30%的協(xié)同性ESs，混合比例為7∶3），同時允許控制發(fā)展區(qū)也兼容30%的文化服務。情景3：高協(xié)同情景，嘗試對調節(jié)服務和支持服務進行更多的協(xié)同保護（混合比例1∶1），使重點保護區(qū)對支持和調節(jié)服務的保護目標為70%，并且考慮到實際游憩需求的廣泛分布，在文化服務的分配上更為靈活（除了嚴格保護的重點保護區(qū)，其余區(qū)域都設置一定保護目標），允許作為重點保護區(qū)和城市間屏障且具有更高可達性的生態(tài)緩沖區(qū)包括10%的文化服務。

3 北京市生態(tài)系統(tǒng)服務空間分布Spatial distribution of ecosystem services in Beijing3-1 固碳釋氧[29]Carbon fixation and oxygen release[29]3-2 水源涵養(yǎng)[29]Water conservation[29]3-3 生物多樣性Biodiversity3-4 食物生產(chǎn)[30]Food supply[30]3-5 游憩機會Recreation opportunity

2.5 空間優(yōu)先級次序成本因素

北京作為中國的政治文化中心，人口眾多。本研究選擇了社會經(jīng)濟GDP[39]、人口數(shù)量[40]和人類影響指數(shù)碳足跡[41]作為在生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)生態(tài)空間規(guī)劃中需要考慮的成本因素。和生態(tài)系統(tǒng)服務一樣，以每個規(guī)劃單元的中心點去提取各單元保護成本的值。每個規(guī)劃單元具有量化的ESs值和保護成本，優(yōu)先選擇高保護價值、低保護成本的單元構成分區(qū)，各區(qū)單元成本之和為該分區(qū)保護成本。

人類影響碳足跡是指在人類生產(chǎn)和消費活動中所排放的與氣候變化相關的氣體總量[42]，碳足跡較高區(qū)域代表著大量的人類干擾，不適宜設置重點保護區(qū)，因為會導致高額的成本；同理，GDP 和人口數(shù)量高的區(qū)域也不宜設置。Marxan with zones嘗試將目標函數(shù)的成本降至最低時，鑒于這些成本的影響，將尋求規(guī)劃區(qū)域中成本更低且不可替代的生態(tài)空間進行配置[18]。

3 結果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務空間分布

北京市5個ESs的空間分布如圖3。調節(jié)服務包括固碳釋氧和水源涵養(yǎng)大量集中在生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)內(nèi)的林地和水體（圖3-1、3-2），以瀕危鳥類作為指示物種的生物多樣性也大部分集中生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)內(nèi)，圖3-3顯示了北京市瀕危鳥類的出現(xiàn)概率。食物生產(chǎn)主要分布在郊區(qū)平原即建設用地和山體的過渡地帶（圖3-4）。在越靠近人口集中的建成區(qū)，游憩機會越大，同時便于到達且具有優(yōu)美風景的淺山郊野地帶也具有一定的游憩機會（圖3-5）。

3.2 不同情景的分區(qū)規(guī)劃結果

在進行100次的迭代運算之后，輸出結果的“best_run”文件顯示ESs保護目標都得到實現(xiàn)[22]。3種情景的分區(qū)規(guī)劃結果呈現(xiàn)出一種趨勢（圖4），即從低權衡情景到高協(xié)同情景，隨著ESs保護目標的空間分配越來越靈活，重點保護區(qū)的面積也越來越大，在情景3中重點保護區(qū)的面積比情景1多499.56 km2（圖5）。這意味著隨著情景2和3的調節(jié)和支持服務間協(xié)同效益的增加，重點保護區(qū)從情景1中只保護支持服務轉變?yōu)閷φ{節(jié)—支持服務進行協(xié)同保護，所保護的目標也在增加，因此需要更多的面積來滿足目標。增長的重點保護區(qū)面積集中在現(xiàn)狀保護區(qū)和風景區(qū)周邊，包括密云云峰山風景區(qū)北側的柏岔山區(qū)域、臨龍門澗風景區(qū)西側的灰金坨到大頭慶區(qū)域、京西十八潭南側區(qū)域以及房山區(qū)十渡北側龍虎溝區(qū)域等，未來可以考慮將這些區(qū)域納入現(xiàn)狀保護管理區(qū)。生態(tài)緩沖區(qū)空間位置緊鄰重點保護區(qū)，增加了重點保護區(qū)的連接性，并維持了重點保護區(qū)與其他區(qū)域的部分隔離，并從情景1的僅提供調節(jié)服務轉變?yōu)榍榫?的調節(jié)—支持服務協(xié)同保護，到情景3的調節(jié)—支持—文化服務協(xié)同保護。因為低協(xié)同情景允許生態(tài)緩沖區(qū)內(nèi)同時存在調節(jié)和支持服務，因此情景2為了滿足2種服務的保護目標，生態(tài)緩沖區(qū)的面積較情景1稍微增加69.9 km2。而高協(xié)同情景生態(tài)緩沖區(qū)盡管新分配了10%的文化服務，但面積較情景2減少453.59 km2，這是由于重點保護區(qū)承擔了70%，即大部分的支持和調節(jié)服務。而控制發(fā)展區(qū)和集中建設區(qū)在3個情景中都相對穩(wěn)定，從情景1到情景3，控制發(fā)展區(qū)面積小幅提升，集中建設區(qū)面積呈減少趨勢，增加的控制發(fā)展區(qū)主要位于城鎮(zhèn)周邊區(qū)域。低權衡情景的控制發(fā)展區(qū)和集中建設區(qū)的空間分布較協(xié)同情景相對集中，情景2到情景3，隨著一部分文化服務分配到生態(tài)緩沖區(qū)，集中建設區(qū)面積略有減少。

4 3種情景下生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)分區(qū)規(guī)劃布局Ecological conservation area planning under three scenarios4-1 低權衡情景Low tradeoff scenario4-2 低協(xié)同情景Low synergy scenario4-3 高協(xié)同情景High synergy scenario

5 3種情景下生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)內(nèi)各管理區(qū)域面積The area of various zones of the ecological conservation area under three scenarios

表4 低權衡情景下生態(tài)系統(tǒng)服務的權衡關系Tab. 4 Tradeoffs of ecosystem services under the low tradeoff scenario

總體上看，3個情景的重點保護區(qū)都集中在北京市北部燕山山脈和西部太行山脈等生物資源豐富的區(qū)域，即生物多樣性熱點區(qū)域，滿足了保護目標。考慮了協(xié)同效益的情景2和3，在分區(qū)結果的緊湊度上不如低權衡情景，但是協(xié)同情景區(qū)域內(nèi)的連接性更強，具有更長且破碎的邊界。生態(tài)緩沖區(qū)有助于協(xié)同發(fā)展生態(tài)效益，增強了重點保護區(qū)間的連接性，為重點保護區(qū)與城市區(qū)域間提供緩沖。通過集中建設區(qū)和控制建設區(qū)的設置控制對生態(tài)保護產(chǎn)生干擾的發(fā)展建設活動進行集約建設，減少土地沖突，引導減量增綠的綠色發(fā)展。

3.3 多情景協(xié)同權衡程度驗證

基于3個情景生成的分區(qū)結果，在具有權衡或協(xié)同關系的2個生態(tài)系統(tǒng)服務（即表2中**顯著性P＜0.01的2個生態(tài)系統(tǒng)服務）間再次進行Pearson相關性分析，通過判斷分區(qū)規(guī)劃后各管理區(qū)保護的ESs間的權衡協(xié)同效應的變化[27]，驗證規(guī)劃體系的有效性。

由表4可以看出，低權衡情景下，各管理區(qū)域主要保護的ESs與對應有權衡關系的ESs之間的權衡程度都有所減輕，除了生態(tài)緩沖區(qū)內(nèi)“水源涵養(yǎng)—食物生產(chǎn)”（W-F）和控制發(fā)展區(qū)內(nèi)的“食物生產(chǎn)—固碳釋氧”（F-C），從權衡關系轉為更低的權衡關系外，其他分區(qū)規(guī)劃前具有權衡關系的ESs都由權衡關系轉為無相關性，這表明從權衡程度最小化角度出發(fā)構建的生態(tài)空間分區(qū)規(guī)劃結果，有助于減輕ESs的權衡程度，從而更好地保護生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)關鍵的生態(tài)效益。

與分區(qū)規(guī)劃前相比，協(xié)同情景下的各區(qū)域主要保護的ESs之間大部分依然維持著協(xié)同關系（表5）。除了重點保護區(qū)內(nèi)“生物多樣性—游憩機會”（B-R），集中建設區(qū)內(nèi)游憩機會與水源涵養(yǎng)、食物生產(chǎn)、生物多樣性間（R-W、R-F、R-B）的協(xié)同關系轉為無相關性外，其他管理區(qū)重點保護的協(xié)同性ESs在從低協(xié)同情景轉變到高協(xié)同情景時，均呈現(xiàn)出協(xié)同關系增強的趨勢。這表明在對各管理區(qū)進行保護目標空間分配時，考慮到ESs之間的協(xié)同關系并予以利用，有利于增加以調節(jié)—支持服務為代表的服務間協(xié)同效益，從而對生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)重要的生態(tài)效益和物種資源起到協(xié)同保護作用。

4 討論

本研究從ESs協(xié)同權衡關系出發(fā)，根據(jù)不同區(qū)域主要維護的保護特征進行區(qū)域間的合理分配，使用系統(tǒng)保護規(guī)劃模型，展示了在針對多種規(guī)劃目標時，如何確定各類ESs保護的合適區(qū)域，以促進生態(tài)效益和社會經(jīng)濟效益的協(xié)同發(fā)展和雙贏局面，緩解空間使用沖突形成了更科學的生態(tài)空間保護調控體系。

1）分區(qū)規(guī)劃前的相關性分析，可以看出普遍存在的調節(jié)—支持服務協(xié)同作用、兩者與供給服務間權衡作用，也存在于生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)。但本研究中水源涵養(yǎng)、生物多樣性與游憩機會間存在協(xié)同關系（表2），意味著在生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)靠近市中心的區(qū)域，良好的天然風景和自然資源也是人們文化需求的一部分，兩者并不一定是權衡關系。因此在不同地域進行生態(tài)空間ESs的保護規(guī)劃時，先分析了解ESs之間的關系是有必要的。

表5 2種協(xié)同情景下生態(tài)系統(tǒng)服務的協(xié)同關系Tab. 5 Synergies of ecosystem services under two synergy scenarios

2）3種情景下的分區(qū)結果：低權衡情景的分區(qū)結果將ESs之間的權衡最小化，布局上也更緊湊，重點保護區(qū)面積是3個情景中最小的，為4 855.6 km2。從低協(xié)同到高協(xié)同情景，隨著更靈活的空間分配，重點保護區(qū)兼顧了支持與調節(jié)服務，面積從4 985.95 km2增加到5 355.16 km2，管理實施成本也相應提高；生態(tài)緩沖區(qū)因為保護服務總量變少，面積從3個情景最大3 634.86 km2減少為3 171.27 km2，但是在功能上以調節(jié)—支持—文化服務協(xié)同發(fā)展，有助于生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)發(fā)揮綜合效益。這2個區(qū)域有利于在生態(tài)控制線范圍內(nèi)統(tǒng)籌生態(tài)要素，構建多層次、穩(wěn)固的區(qū)域生態(tài)結構，引導生態(tài)管控措施提升生態(tài)功能?？刂瓢l(fā)展區(qū)與集中建設區(qū)只占生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)面積10%和15%左右，但可以保證生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)內(nèi)村鎮(zhèn)的經(jīng)濟效益，結合優(yōu)良的天然資源，在有社會基礎的村鎮(zhèn)大力發(fā)展文化、農(nóng)業(yè)、旅游，可以促進供給和文化服務之間的協(xié)同作用，有利于生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)節(jié)約、集約、高效、高質量地發(fā)展。

3）分區(qū)結果對生態(tài)系統(tǒng)服務的保護成效進行了驗證：低權衡情景下各管理區(qū)域主要保護的ESs和與之權衡的ESs間的權衡程度都有所減輕甚至轉為無相關性，實現(xiàn)了ESs權衡最小化的空間規(guī)劃；低協(xié)同到高協(xié)同情景，各分區(qū)重點保護的協(xié)同性ESs都表現(xiàn)出協(xié)同性增強的趨勢，實現(xiàn)了生態(tài)價值協(xié)同增益的規(guī)劃目標。

其中值得注意的是，協(xié)同情景下集中建設區(qū)內(nèi)的游憩機會與水源涵養(yǎng)的關系轉為較小的權衡關系，這是因為在北京市域內(nèi)全局具有的協(xié)同性，在進行有側重功能的分區(qū)規(guī)劃之后，集中建設區(qū)因為不承擔水源涵養(yǎng)的保護目標，所以兩者的相關性有所改變；同樣，重點保護區(qū)內(nèi)生物多樣性和游憩機會轉為無相關性，更有利于生物資源的保護，與生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)的保護規(guī)劃目標一致，意味著在政策制定時需加強重點保護區(qū)的嚴格管理，減少人類干擾。

5 結論

總體上看，重點保護區(qū)分布在山林覆蓋較好的、物種資源豐富的位置，管理上應該嚴格避免人類活動對該區(qū)的威脅，提高生態(tài)質量。生態(tài)緩沖區(qū)規(guī)劃在重點保護區(qū)的外圍，增加后者的棲息地連接性，在保護調節(jié)和支持服務的同時，通過兼容如游憩機會這樣的直接利用性的ESs，來保證人類對自然良好風景的社會游憩需求。3種情景展示了隨著保護特征空間分配上的靈活度增加，協(xié)同程度也相應增加。1）低權衡情景作為理想化情景。將各種服務類型間潛在的土地使用沖突降到最低，布局上偏緊湊，有利于集約化管理。但低權衡情景僅考慮權衡關系有局限性，其嚴格的劃分也增加了土地成本。因此，在低權衡情景的基礎上，逐漸增加協(xié)同性ESs的混合比例作為協(xié)同情景。2）高協(xié)同情景的生態(tài)緩沖區(qū)的功能更為綜合多元，雖有助于發(fā)展生態(tài)文化旅游促進經(jīng)濟發(fā)展，但是因為重點保護區(qū)兼顧了大量的調節(jié)服務導致面積過大，不利于節(jié)約管理成本。3）適度協(xié)同的低協(xié)同情景更具有現(xiàn)實指導意義。低協(xié)同情景通過避免兩者間有權衡作用的生態(tài)效益類服務（支持和調節(jié)服務）與社會經(jīng)濟類服務（文化和供給服務）作為同一區(qū)保護特征來減少潛在的空間矛盾。同時通過對有協(xié)同作用和共同利益的支持—調節(jié)服務、供給—文化服務進行適度協(xié)同來降低管理成本。作為折中方案，低協(xié)同情景在協(xié)同的適度把握上和管理成本的控制上有更多研究前景。

對于以生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)為例的城市近郊大型自然—社會復合系統(tǒng)來說，需在滿足總規(guī)協(xié)同發(fā)展的要求下合理進行區(qū)域資源分配，實現(xiàn)各類ESs的保護。生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)的發(fā)展須嚴格控制與生態(tài)環(huán)境保護有矛盾的建設行為，并對不同區(qū)域提出相應發(fā)展管理策略。在國土空間“兩線合一”的政策背景下，生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)圍繞生態(tài)優(yōu)勢發(fā)展生態(tài)文明建設，應對重點保護區(qū)進行嚴格保護，加強生態(tài)緩沖區(qū)的生態(tài)整治與綠化廊道建設形成生態(tài)網(wǎng)絡，推動生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)、生態(tài)控制區(qū)的系統(tǒng)穩(wěn)定；面對協(xié)調生態(tài)保護和經(jīng)濟發(fā)展的需求，生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)須引導集中建設區(qū)集約高效發(fā)展，推行控制發(fā)展區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀限建區(qū)通過騰退和減量增綠實現(xiàn)性質轉換，未來分別劃入國土空間分區(qū)規(guī)劃的集中建設區(qū)和生態(tài)控制區(qū)中。推動自然資源的保護管理和區(qū)域農(nóng)產(chǎn)經(jīng)濟的集約高效，為國土空間管制下與生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)類似的生態(tài)空間規(guī)劃提供更科學的實踐路徑和規(guī)劃手段。

本研究有側重地進行保護資源空間分配，以得到合理的管理區(qū)劃結果。結果證明該規(guī)劃結果有利于緩解自然保護與社會發(fā)展之間的空間矛盾，對生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)增質提效發(fā)展和土地管理調控具有一定意義。因此面對多種保護特征間具有共同利益或空間沖突時，筆者的研究思路和規(guī)劃體系考慮到多種保護功能之間關系，能更客觀全面地進行空間調控和規(guī)劃決策，是廣泛適用的，能為與生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)相似的大型區(qū)域生態(tài)空間的規(guī)劃提供借鑒。不同的規(guī)劃分區(qū)響應上位規(guī)劃的要求具有不同的保護措施或發(fā)展政策，引導并控制人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的干擾，實現(xiàn)在生態(tài)保護的前提下也滿足人類社會的需求，實現(xiàn)科學可持續(xù)發(fā)展。該規(guī)劃體系可以用于優(yōu)化管理區(qū)域的空間分配確定其重要性，但在不同的研究區(qū)域，需要考慮特定需求，選取地域性關鍵保護特征。本研究僅作為示例，具體規(guī)劃實施時，保護目標空間分配的數(shù)值須針對區(qū)域特定需求進行設置，或通過階梯性地增加靈活度而進行更多情景的運算測試，進行更深入的研究以尋求生態(tài)保護和經(jīng)濟成本的平衡點閾值。以期在保護生態(tài)效益的同時，維護人類社會對生產(chǎn)、娛樂等社會經(jīng)濟需求等方面發(fā)揮更大的作用。

注釋(Notes)：

① Marxan with zones是Marxan的優(yōu)化版本，是基于系統(tǒng)保護規(guī)劃理論開發(fā)的算法模型，應用于滿足多種保護需求的生態(tài)空間和保護地的管理區(qū)域空間規(guī)劃及空間優(yōu)化。

圖表來源(Sources of Figures and Tables)：

圖1～2、3-4、3-5、4由作者繪制；圖3-1～3-2根據(jù)參考文獻[28]繪制，圖3-3根據(jù)參考文獻[18]繪制；表1～5均由作者繪制。