陳田田 ,彭 立 ,王 強(qiáng) (.重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院,三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶40；2.四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院,四川 成都 60066；.重慶市規(guī)劃和自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)院,重慶 4047)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指自然生態(tài)系統(tǒng)以及物種所提供的能夠滿足和維持人類生活需要的條件和過程,是人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)獲得的所有收益[1].穩(wěn)定、協(xié)調(diào)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給是維持區(qū)域自然生命系統(tǒng)、保障區(qū)域生態(tài)安全的基礎(chǔ)[2].近年來,由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展,人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)干擾的增加,導(dǎo)致生態(tài)功能下降,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)沖突加劇.例如,建設(shè)用地?cái)U(kuò)張?jiān)斐缮锒鄻有凿J減[3]、加劇石漠化和水土流失[4]、威脅糧食安全[5];退耕還林導(dǎo)致植被覆蓋與產(chǎn)流、土壤含水量的權(quán)衡[6],加劇碳固存與生物多樣性之間的沖突[7],強(qiáng)化降水對(duì)碳固定、土壤保持和水文調(diào)節(jié)服務(wù)之間的約束關(guān)系[8].在此背景下,提高國土生態(tài)承載能力,平衡生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系,構(gòu)建國土空間生態(tài)安全格局成為了緩解此類生態(tài)環(huán)境問題的重要途徑.

生態(tài)安全格局是指景觀中存在某種潛在的對(duì)于維護(hù)、控制特定地段某種生態(tài)過程有著重要意義的關(guān)鍵生態(tài)要素[9].目前,關(guān)于生態(tài)安全格局研究的內(nèi)容較多,以生態(tài)安全格局評(píng)價(jià)和基于生態(tài)過程的生態(tài)安全格局構(gòu)建為主.對(duì)生態(tài)安全格局評(píng)價(jià)而言,其方法主要有壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)模型[10]、綜合指標(biāo)法[11]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與生態(tài)安全耦合模型[12]和基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)“供-流-需”的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型[13].基于生態(tài)過程的生態(tài)安全格局構(gòu)建,采用較多的是“源地-阻力面-廊道”模式和多屬性決策方法.源地識(shí)別方法有基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)敏感性和重要性、景觀連通性等[14-16];阻力面的構(gòu)建則通常根據(jù)土地利用類型參數(shù)[17]或生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值參數(shù)[18]修訂得到;生態(tài)廊道的提取主要有最小累積阻力模型[19-20]和電路理論[21-22].整體而言,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)成為了生態(tài)安全格局研究的重要內(nèi)容.只是,基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的生態(tài)安全格局研究多假定不同生態(tài)過程之間互不干擾,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)彼此之間不存在權(quán)衡或協(xié)同關(guān)系,在此情況下產(chǎn)生的生態(tài)安全格局不僅容易導(dǎo)致多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相互競(jìng)爭(zhēng),還可能破壞生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的因果關(guān)系[23].如何協(xié)調(diào)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,構(gòu)建均衡提升區(qū)域內(nèi)不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平的生態(tài)安全格局是目前加強(qiáng)區(qū)域生態(tài)安全建設(shè)亟待解決的問題[24].對(duì)此,學(xué)者們嘗試采用不同方法將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系納入到生態(tài)安全格局研究中,主要包括基于土地利用變化構(gòu)建的 CA-Markov模型[25]和 CLUE-S模型[26]以及有序加權(quán)平均算子(OWA),其中 OWA 被證明可以解決多屬性決策問題,平衡內(nèi)部沖突并確定優(yōu)先保護(hù)區(qū)域,受到了學(xué)者們的廣泛使用[24,27-29].

成渝城市群作為我國批復(fù)的第3個(gè)跨區(qū)域城市群,是我國城市化戰(zhàn)略格局中重要的交匯中心.同時(shí),成渝城市群位于長(zhǎng)江上游生態(tài)屏障區(qū),生態(tài)環(huán)境保護(hù)與系統(tǒng)維護(hù)至關(guān)重要.基于此,本文以成渝城市群為對(duì)象,選取5類主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型,通過InVEST模型逐柵格估算各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),借助相關(guān)分析法從全域、省市、縣域尺度揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)兩兩間權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系演變,通過 OWA 算子設(shè)置不同情景明確適應(yīng)于城市群發(fā)展的生態(tài)安全格局,以期為區(qū)域生態(tài)安全評(píng)價(jià)與管理提供科學(xué)參考.

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

本文涉及的成渝城市群包括重慶市25個(gè)區(qū)(縣)以及 四 川省的 15 個(gè) 市(圖 1,27°39′N～32°20′N,102°51′E～108°54′E),地域面積 16.9 萬 km2,約占國土空間總面積的 2.5%.成渝城市群是引領(lǐng)西部開發(fā)開放的國家級(jí)城市群,是貫徹西部大開發(fā)戰(zhàn)略、提升內(nèi)陸開放水平、促進(jìn)區(qū)域發(fā)展平衝的重要支撐.截止到2018年,其常住人口約為9500萬人,占全國常住總?cè)丝诘?7.2%;國內(nèi)生產(chǎn)總值達(dá) 5.72萬億元,占全國的6.4%;城鎮(zhèn)化率從2010年的46.3%增長(zhǎng)到了2018年的 53.8%.在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí),區(qū)域土地利用發(fā)生了巨大變化,造成了部分生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的損失以及空間沖突的加劇.為此,國家頒布了《成渝城市群發(fā)展規(guī)劃》,明確指出要構(gòu)建成渝城市群生態(tài)安全格局,建設(shè)綠色城市群.

圖1 成渝城市群區(qū)位Fig.1 Location of Chengdu-Chongqing Urban Agglomeration

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究使用的數(shù)據(jù)有:基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù),主要包括區(qū)域邊界、各區(qū)(縣)邊界、城鎮(zhèn)節(jié)點(diǎn)等,均來自國家測(cè)繪地理信息局;土壤數(shù)據(jù),主要包含土壤有機(jī)碳含量、土壤容重和土層厚度等數(shù)據(jù),來源于蘭州寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心的《基于世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)的中國土壤數(shù)據(jù)集》;土地利用類型圖,2000和 2015年的土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心;高程數(shù)據(jù),采用的是 SRTMDEM-V2產(chǎn)品,空間分辨率為 30m;生物量數(shù)據(jù),來源于政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)2006年制定的確定農(nóng)業(yè)、林業(yè)和其他土地用途部門的溫室氣體目錄方法學(xué);氣象數(shù)據(jù),主要包括氣溫和降水等,來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng),并采用 ANUSPLIN軟件的薄盤樣條法對(duì)其進(jìn)行插值,獲得了多年逐月時(shí)間序列的柵格圖像;植被類型、植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心;社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于四川統(tǒng)計(jì)年鑒和重慶統(tǒng)計(jì)年鑒;其他數(shù)據(jù)來源于相關(guān)文獻(xiàn).

1.3 研究方法

InVEST (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型由斯坦福大學(xué)、大自然保護(hù)協(xié)會(huì)與世界自然基金會(huì)聯(lián)合開發(fā).模型能夠基于不同土地利用情景對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行很好地分析和評(píng)估,能夠全面權(quán)衡區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)狀況,能夠通過空間參數(shù)的輸入和結(jié)果的空間化表達(dá)使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要區(qū)域易于識(shí)別,從而使區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與自然資源保護(hù)的權(quán)衡更科學(xué)[30-31].InVEST 模型具有多個(gè)模塊、運(yùn)行參數(shù)較少、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取較易、以及評(píng)價(jià)結(jié)果定量化和空間可視化等諸多優(yōu)點(diǎn),已被國內(nèi)外研究者廣泛應(yīng)用在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估領(lǐng)域[32-35].本文以此模型為基礎(chǔ),對(duì)成渝城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行了估算.

1.3.1 固碳服務(wù) 陸地生態(tài)系統(tǒng)中的碳儲(chǔ)量主要取決于4個(gè)方面:地上生物量碳儲(chǔ)存,地下生物量碳儲(chǔ)存,土壤碳儲(chǔ)存和有機(jī)質(zhì)碳儲(chǔ)存.在不考慮有機(jī)質(zhì)碳儲(chǔ)存的情況下,基于 InVEST模型的碳儲(chǔ)存模塊對(duì)成渝城市群的固碳服務(wù)進(jìn)行了估算.其計(jì)算公式如下:

式中:C是總碳儲(chǔ)量;Cabove是地上部分碳儲(chǔ)量;Cbelow是地下部分碳儲(chǔ)量;Csoil是土壤碳儲(chǔ)量;Cdead是有機(jī)質(zhì)碳儲(chǔ)量,單位均為 t/(hm2·a).

根據(jù)張優(yōu)[36]、高艷麗等[37]的研究,碳密度主要受氣候、地形、水文條件、植被類型等影響,但由于植被類型與水文條件沒法量化.因此,本文選取年均溫和年降水量作為影響因子對(duì)碳密度進(jìn)行修正,具體修正公式如下:

式中:CSP為土壤碳密度,單位為kg/m2;CBP、CBT分別為根據(jù)降水和氣溫得到的生物碳密度,kg/m2;MAP為年均降水量,mm;MAT為年均溫,℃.

將成渝城市群和全國年均溫、年降水量數(shù)據(jù)分別代入公式,根據(jù)兩者之比得到碳密度系數(shù),以全國碳密度數(shù)據(jù)表為基礎(chǔ),計(jì)算得到研究區(qū)碳密度數(shù)據(jù)表,進(jìn)而在InVEST模型中完成碳儲(chǔ)存的計(jì)算.

1.3.2 產(chǎn)水服務(wù) 基于產(chǎn)水模塊,通過 InVEST模型計(jì)算年尺度上的區(qū)域產(chǎn)水量.其主要公式如下:

式中:Yxj表示土地利用類型j的產(chǎn)水量,mm;AETxj表示對(duì)應(yīng)的年實(shí)際蒸散發(fā)量,mm;Px表示刪格 x 的年降水量,mm;Rxj為干燥指數(shù),無量綱,表示潛在蒸發(fā)量與降水量的比值;wx為修正植被年可利用水量與降水量的比值,無量綱;Z表示研究區(qū)降水特征的常數(shù),無量綱,根據(jù)模型測(cè)試經(jīng)驗(yàn)取默認(rèn)值;AWCx為植物可利用含水量;Kxj表示刪格x的潛在蒸散發(fā)量.具體可以參考包玉斌等[38]的研究.

1.3.3 土壤保持 基于InVEST模型中的土壤流失方程對(duì)區(qū)域土壤保持服務(wù)進(jìn)行計(jì)算,其基本形式如下:

式中:SEDRETx和SEDRx表示柵格x的土壤保持量和泥沙持留量,t/(hm2·a);USLEx和USLEy是柵格x及其上坡柵格 y的實(shí)際侵蝕量,t/(hm2·a);Rx,Kx,LSx,Cx和Px分別是柵格x的降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、地形因子、地表覆蓋與管理因子和土壤保持措施因子;SEx是柵格x的泥沙持留率.對(duì)任意刪格x而言,其降雨侵蝕力因子 R,根據(jù)降雨侵蝕力回歸模型[39]計(jì)算而得;土壤可蝕性因子 K,根據(jù)吳昌廣等[40]的研究以及區(qū)域土壤類型分布所得;地形因子LS,基于區(qū)域DEM數(shù)據(jù)計(jì)算所得;地表覆蓋與管理因子C,根據(jù)蔡崇法等[41]建立的植被覆蓋度與 C值的關(guān)系計(jì)算所得;土壤保持措施因子 P,參考已有研究[42],建設(shè)用地和水域取0,耕地取0.4,其余用地為1.

1.3.4 食物生產(chǎn) 以糧食產(chǎn)量為基礎(chǔ),結(jié)合農(nóng)作物與NPP之間的顯著相關(guān)性[43],將糧食產(chǎn)量按照刪格NPP值與區(qū)域總NPP值的比例進(jìn)行空間分配,得到研究區(qū)糧食生產(chǎn)服務(wù)空間分布圖,具體公式如下:

式中:Gi表示刪格i的糧食產(chǎn)量,t;Gsum表示研究區(qū)糧食總產(chǎn)量,t;NPPi表示刪格 i的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力;NPPsum為區(qū)域NPP之和.

1.3.5 生境質(zhì)量 基于 InVEST模型的子模塊,將某些脅迫因子與土地利用類型進(jìn)行關(guān)聯(lián),計(jì)算了成渝城市群生境質(zhì)量和生境退化度,用以評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況.生境質(zhì)量的計(jì)算公式如下:

式中:Qxj是土地利用類型 j中柵格 x的生境質(zhì)量指數(shù);Hj是生境適宜性指標(biāo);Dxj是對(duì)應(yīng)的生境退化度;R為脅迫因子個(gè)數(shù);Yr為脅迫因子r的柵格個(gè)數(shù);ry為每個(gè)柵格上脅迫因子的個(gè)數(shù);Sjr為地類j對(duì)脅迫因子r的敏感性;irxy為柵格y中脅迫因子r對(duì)柵格x的影響;dxy為柵格x與柵格y的距離;drmax為脅迫因子r的影響范圍;βx為法律保護(hù)程度;k是半飽和常數(shù),通常取最大生境退化度數(shù)值的1/2.

基于相關(guān)研究[44-45],選取耕地、居民點(diǎn)、建設(shè)用地作為脅迫因子,根據(jù)模型推薦數(shù)據(jù)以及相關(guān)研究成果[46-47],明確研究區(qū)各參數(shù)大小,進(jìn)而在 InVEST模型中實(shí)現(xiàn)成渝城市群生境質(zhì)量指數(shù)模擬.

1.3.6 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同分析方法 不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)上,逐刪格提取成渝城市群5類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),計(jì)算兩兩服務(wù)間的 Pearson相關(guān)系數(shù),并進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn).當(dāng)兩種服務(wù)間的相關(guān)系數(shù)為正時(shí),認(rèn)為兩者具有協(xié)同關(guān)系,當(dāng)相關(guān)性系數(shù)為負(fù)時(shí),認(rèn)為具有權(quán)衡關(guān)系;同時(shí),以區(qū)(縣)為單元,計(jì)算了成渝城市群132個(gè)區(qū)(縣)兩兩服務(wù)間的相關(guān)性系數(shù),剖析不同尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系變化.生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間Pearson相關(guān)性系數(shù)計(jì)算公式如下:

式中:Rxy為x,y兩種服務(wù)間的偏相關(guān)系數(shù);xi與yi分別為x,y兩種服務(wù)第i年的值;和分別表示對(duì)應(yīng)年份兩類服務(wù)的平均值;n為刪格數(shù).Pearson相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)采用t檢驗(yàn)法完成.其統(tǒng)計(jì)量計(jì)算公式如下:

式中:R為相關(guān)性系數(shù);n為刪格數(shù).

1.3.7 有序加權(quán)平均算子 有序加權(quán)平均算子(Ordered Weighted Averaged,OWA)是一種可以依據(jù)決策風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)任意選擇指標(biāo)之間重要程度的決策方法.其包括準(zhǔn)則權(quán)重(uj,j=1,2,…,n)和次序權(quán)重(vj).其中,準(zhǔn)則權(quán)重(uj)表示某個(gè)指標(biāo)在所有指標(biāo)中的相對(duì)重要性,次序權(quán)重(vj)是將評(píng)價(jià)單元各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后經(jīng)降序排列得到的.其定義如下:

式中:uj為第j個(gè)指標(biāo)的準(zhǔn)則權(quán)重;vj為第j個(gè)指標(biāo)的次序權(quán)重;Zij為i按照屬性值大小進(jìn)行降序排列后得到第j個(gè)指標(biāo)的屬性值.

一般情況下,按照指標(biāo)的重要等級(jí) wk來確定次序權(quán)重vj,其計(jì)算公式為:

式中:α為決策風(fēng)險(xiǎn);wk為指標(biāo)的重要等級(jí),通常會(huì)根據(jù)指標(biāo)數(shù)值大小確定,其計(jì)算公式為:

式中:rk為依據(jù)數(shù)值大小對(duì)指標(biāo)重要性進(jìn)行的等級(jí)取值,通常最大值取1,次大值取2,最小值取n.

OWA除了風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)外,還有一個(gè)權(quán)衡的概念.其計(jì)算公式如下:

式中:n為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型數(shù)量;vj為第j個(gè)柵格的有序權(quán)重.

本文的決策風(fēng)險(xiǎn)水平α以0.1為間隔,從0開始取值,形成不同決策水平下的生態(tài)安全情境.將 5種生態(tài)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)加權(quán)權(quán)重值與其對(duì)應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相乘,可以得到多情景生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果柵格圖.比較不同情景下的權(quán)衡程度,選取權(quán)衡程度最大的情景,將其前20%值作為保護(hù)區(qū)范圍[48].

2 結(jié)果

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空格局

從2000～2015年,糧食生產(chǎn)、固碳和產(chǎn)水量這三類服務(wù)的均值分別從 195.63t/km2、15.98t/hm2、7333.57m3/ hm2下降到了 183.13t/km2、15.81t/hm2和 7087.88m3/hm2,土壤保持和生境質(zhì)量這兩類服務(wù)的均值從 11.41t/hm2、0.74上升到了 11.88t/hm2和0.75,表明城鎮(zhèn)化發(fā)展對(duì)耕地、林地等的占用對(duì)糧食生產(chǎn)以及固碳等服務(wù)產(chǎn)生了一定的消極作用,同時(shí)生態(tài)與水保工程的實(shí)施對(duì)水土保持和生境質(zhì)量服務(wù)產(chǎn)生了積極作用.

就各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布而言,除成都、重慶主城區(qū)以外其它區(qū)域固碳服務(wù)水平均較高;糧食生產(chǎn)服務(wù)的高值區(qū)主要位于四川西北部和渝東北;土壤保持服務(wù)整體水平較低,空間分布較均勻;產(chǎn)水服務(wù)的高值區(qū)位于渝東北;生境質(zhì)量服務(wù)的高值區(qū)主要位于海拔較高區(qū)域.整體來看,各類服務(wù)的空間分布差異明顯,與區(qū)域地理背景密切相關(guān).

就各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間變化而言,大部分區(qū)域表現(xiàn)為固碳服務(wù)的減少,特別是城鎮(zhèn)及其周邊地區(qū);糧食生產(chǎn)服務(wù)的減少也主要集中于城鎮(zhèn)及其周邊地區(qū);除萬源市、宣漢縣和開縣部分區(qū)域土壤保持服務(wù)呈減少趨勢(shì)外,其他地區(qū)均表現(xiàn)為增加趨勢(shì);產(chǎn)水量服務(wù)的減少區(qū)域主要位于研究區(qū)東北部;城鎮(zhèn)周邊區(qū)域生境質(zhì)量的提升程度相對(duì)較高.

圖2 2000～2015年5類服務(wù)的空間分布Fig.2 Spatial distribution of five ecosystem services from 2000 to 2015

圖3 2000～2015年5類服務(wù)的空間變化Fig.3 Spatial changes of five ecosystem services from 2000 to 2015

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系

通過兩兩生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)系數(shù)圖(圖4)發(fā)現(xiàn),食物生產(chǎn)與固碳、產(chǎn)水量、土壤保持和生境質(zhì)量之間均存在明顯的權(quán)衡關(guān)系,其中與生境質(zhì)量的權(quán)衡關(guān)系最明顯;固碳與產(chǎn)水量、土壤保持和生境質(zhì)量均存在明顯的協(xié)同關(guān)系,其中與生境質(zhì)量的相關(guān)性最大,該系數(shù)可達(dá)0.562;產(chǎn)水量與土壤保持和生境質(zhì)量之間也存在協(xié)同關(guān)系,只不過正相關(guān)系數(shù)較小;土壤保持與生境質(zhì)量之間存在明顯的協(xié)同關(guān)系.同時(shí), 2000～2015年,食物生產(chǎn)與固碳、產(chǎn)水量、土壤保持和生境質(zhì)量之間的權(quán)衡效應(yīng)在逐漸減弱,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的負(fù)相關(guān)性呈減小趨勢(shì);固碳與產(chǎn)水量之間的關(guān)系由協(xié)同轉(zhuǎn)變?yōu)榱宋⑿〉臋?quán)衡;固碳與土壤保持、固碳與生境質(zhì)量、土壤保持與生境質(zhì)量之間的協(xié)同關(guān)系呈增加趨勢(shì);產(chǎn)水量與土壤保持、產(chǎn)水量與生境質(zhì)量的協(xié)同關(guān)系略有下降.整體而言,糧食生產(chǎn)與其他服務(wù)之間存在明顯的權(quán)衡關(guān)系,但這種沖突性在區(qū)域發(fā)展過程中逐漸呈減弱趨勢(shì);除糧食生產(chǎn)服務(wù)外的其它服務(wù)兩兩之間表現(xiàn)為明顯的協(xié)同關(guān)系.

圖4 2000～2015年5類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的相關(guān)性Fig.4 Correlation among five ecosystem services from 2000 to 2015

就不同城市5類服務(wù)的兩兩相關(guān)性而言(表1),成都市5類服務(wù)兩兩相關(guān)性與區(qū)域?qū)用嫔系南嚓P(guān)性較一致,均表現(xiàn)為糧食生產(chǎn)與其它服務(wù)之間存在權(quán)衡關(guān)系,除糧食生產(chǎn)服務(wù)外的其它服務(wù)兩兩之間表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系;重慶市的最大區(qū)別在于產(chǎn)水量與固碳、生境質(zhì)量之間存在的是權(quán)衡關(guān)系,而非協(xié)同關(guān)系.可見,相較于成都市,重慶市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的負(fù)相關(guān)性更明顯,面臨更大的生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)壓力.

表1 成都、重慶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的對(duì)比Table 1 Comparison of the correlation among ecosystem services between Chengdu and Chongqing

以2015年為例,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系的空間分布進(jìn)行了討論(圖 5).結(jié)果顯示,56.8%的區(qū)縣糧食生產(chǎn)-固碳表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系,87.1%區(qū)縣糧食生產(chǎn)-產(chǎn)水量表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系,71.2%區(qū)縣糧食生產(chǎn)-水土保持表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系,62.1%區(qū)縣糧食生產(chǎn)-生境質(zhì)量表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系,主要分布于除成都市周邊部分區(qū)縣外的其它區(qū)域;將近 70.5%的區(qū)縣固碳-產(chǎn)水量表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系,主要分布于研究區(qū)中部;86.4%的區(qū)縣固碳-水土保持表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系,99.2%的區(qū)縣固碳-生境質(zhì)量表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系,89.4%的區(qū)縣水土保持-生境質(zhì)量表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系,幾乎分布于整個(gè)研究區(qū);產(chǎn)水量-水土保持、產(chǎn)水量-生境質(zhì)量的權(quán)衡/協(xié)同分布較相似,大部分區(qū)縣以微弱的權(quán)衡關(guān)系分布于研究區(qū)中部.整體而言,成渝城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù) 兩兩間的權(quán)衡/協(xié)同分布表現(xiàn)出了一定的集聚特征.

圖5 5種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的空間分布Fig.5 Spatial distribution of trade-off/synergy on five ecosystem services

2.3 生態(tài)安全格局識(shí)別

2.3.1 OWA算子的風(fēng)險(xiǎn)與權(quán)衡 首先,對(duì)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型進(jìn)行排序,從大到小依次取1、2、3、4、5作為任一評(píng)價(jià)單元5個(gè)類型的重要性等級(jí)rk,根據(jù)上述公式計(jì)算得到各類型的重要程度 wk為:5/15、4/15、3/15、2/15和1/15.決策風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)α以0.1為間隔,從 0開始取值,計(jì)算得到不同決策情景下的次序權(quán)重(表2)和權(quán)衡值(圖6).由圖7可以看出,隨著決策風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的增加,權(quán)衡值呈先增加后下降的趨勢(shì),當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)值無限增大時(shí),權(quán)衡值會(huì)下降至零.并且當(dāng)決策風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為1.6時(shí),此時(shí)權(quán)衡值最大.

圖6 風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)與權(quán)衡值的關(guān)系Fig.6 The relationship between risk coefficient and trade-off value

表2 部分風(fēng)險(xiǎn)水平下的有序權(quán)重Table 2 Ordered weight of several risk levels

2.3.2 不同情境下的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià) 采用自然段點(diǎn)法將生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果分為了5個(gè)等級(jí),由于篇幅限制,本文僅展示幾種典型決策風(fēng)險(xiǎn)水平下的評(píng)價(jià)結(jié)果(圖7).結(jié)果顯示,當(dāng)α=0時(shí),此時(shí)的決策風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)最小,決策結(jié)果也最為樂觀.此時(shí),成渝城市群整體生態(tài)系統(tǒng)安全水平非常差,大部分區(qū)域處于四級(jí)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài);當(dāng) α=0.5時(shí),各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型權(quán)重之間的差異在逐漸減小,此時(shí),成渝城市群生態(tài)安全水平也不高,大部分區(qū)域處于中等及以上生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū);當(dāng) α=1時(shí),其結(jié)果主要取決于準(zhǔn)則權(quán)重的大小,而本文對(duì)各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的準(zhǔn)則權(quán)重賦值一樣,均為0.2.此時(shí),成渝城市群主要以二、三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)為主,四級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域范圍降低,區(qū)域生態(tài)安全水平明顯增長(zhǎng);當(dāng) α=2時(shí),成渝城市群一級(jí)生態(tài)安全區(qū)域的面積明顯增大,四、五級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域面積明顯下降,區(qū)域整體生態(tài)安全水平處于較安全狀態(tài);當(dāng)α=10時(shí),面臨的決策風(fēng)險(xiǎn)加大,此時(shí)四、五級(jí)風(fēng)險(xiǎn)覆蓋范圍較之決策風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)2的略有增大;當(dāng)α=1000時(shí),決策者愿意承擔(dān)最大的風(fēng)險(xiǎn),因而得到的評(píng)價(jià)結(jié)果可能存在最大風(fēng)險(xiǎn).結(jié)果顯示,此時(shí)成渝城市群沒有五級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域,都處于四級(jí)及以下安全水平.

圖7 不同情境下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)Fig.7 Risk grading of trade-off among ecosystem services under different scenarios

由于OWA方法中的決策風(fēng)險(xiǎn)指的是決策者對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的規(guī)避態(tài)度,因此,情景的權(quán)衡值越高,來自每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的值在最終OWA結(jié)果中越平均.因此,本文以權(quán)衡值最大的α=1.6作為最終情景,選取其前20%區(qū)域作為生態(tài)保護(hù)區(qū).結(jié)果表明(圖 8),生態(tài)保護(hù)區(qū)主要位于四川東北部和渝東北,以四川東北部為主,大多以林地、草地為主;同時(shí),這類區(qū)域也是碳固存和生境質(zhì)量較高區(qū)域.

圖8 成渝城市群生態(tài)安全格局Fig.8 Ecological security pattern in Chengdu-Chongqing urban agglomeration

3 討論

成渝城市群糧食生產(chǎn)、碳儲(chǔ)存和產(chǎn)水量這3類服務(wù)功能均呈下降趨勢(shì),其中,糧食生產(chǎn)與碳儲(chǔ)存服務(wù)的降低在一定程度上揭示了城鎮(zhèn)發(fā)展對(duì)耕地、林地占用而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成的消極影響[49],因此,在快速城市化過程中,需要加強(qiáng)耕地和林地等能提供較高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的用地保護(hù),避免城市建設(shè)用地?cái)偞箫炇降臒o序擴(kuò)張;產(chǎn)水服務(wù)的下降可能與期間區(qū)域年均溫的升高以及降水量的減少有關(guān)[8].土壤保持和生境質(zhì)量這 2類服務(wù)功能呈上升趨勢(shì),這與區(qū)域?qū)嵤┑纳鷳B(tài)保護(hù)政策密不可分.2000年以來,區(qū)域?qū)嵤┝税ㄍ烁€林(還草)在內(nèi)的生態(tài)保護(hù)措施,旨在以生態(tài)補(bǔ)償?shù)姆绞綄⒁桩a(chǎn)生水土流失的區(qū)域停止耕種,這在一定程度上增加了地表植被覆蓋,起到了保土保水的作用[50];后來,國家又開展了主體功能區(qū)劃,成渝城市群部分區(qū)(縣)特別是三峽庫區(qū)(重慶段)被納入到了國家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū),并確定其生態(tài)服務(wù)類型為水土保持型,要求這類區(qū)域加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)與管理,增強(qiáng)水源涵養(yǎng)、水土保持等在內(nèi)的生態(tài)服務(wù)功能,降低了區(qū)域水土脆弱性和敏感性,改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境.

本文關(guān)于固碳、產(chǎn)水量、土壤保持與生境質(zhì)量4種服務(wù)之間呈現(xiàn)協(xié)同關(guān)系,糧食生產(chǎn)與上述4類服務(wù)間均表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系的結(jié)果與他人研究成果基本一致[51],但在相關(guān)性系數(shù)大小上卻略有差異,這主要是研究方法和尺度差異造成的.同時(shí),隨著時(shí)間推移,成渝城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系也發(fā)生了一定變化,這種變化產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)理本文并未做針對(duì)性分析.但已有相關(guān)結(jié)果顯示,以生態(tài)修復(fù)工程為代表的人類活動(dòng)在增加地表覆蓋的過程中會(huì)造成生物多樣性的減少,威脅糧食安全,激化水-土-沙的矛盾[52-53].未來可以以生態(tài)保護(hù)政策為切入點(diǎn),識(shí)別其對(duì)成渝城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系變化的影響.

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系、生態(tài)安全格局識(shí)別研究旨在充分認(rèn)識(shí)和掌握生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在的相關(guān)關(guān)系、演變特征、發(fā)展方向,尋求區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的平衡點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)效益最大.本文借助InVEST模型估算主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,采用相關(guān)分析量化兩兩生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系,通過 OWA算子設(shè)置不同決策風(fēng)險(xiǎn),平衡不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系,進(jìn)而識(shí)別區(qū)域生態(tài)安全格局,將多屬性決策、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡、生態(tài)安全格局構(gòu)建聯(lián)系在一起,為提升研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供了參考.只是,城市群生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)綜合系統(tǒng)[54],其包含的服務(wù)功能類型多種多樣.除了本文考慮的糧食生產(chǎn)、碳儲(chǔ)存、產(chǎn)水量、土壤保持、生境質(zhì)量這5類服務(wù)以外,污染凈化、娛樂與文化也是其很重要的服務(wù)類型,這也是后續(xù)研究的重要方向.

4 結(jié)論

4.1 2000～2015年,成渝城市群糧食生產(chǎn)、固碳和產(chǎn)水量這 3類服務(wù)功能均呈下降趨勢(shì),土壤保持和生境質(zhì)量這 2類服務(wù)功能呈上升趨勢(shì);在空間上,各類服務(wù)及其變化的分布異質(zhì)性明顯,重要節(jié)點(diǎn)城鎮(zhèn)及其邊緣地區(qū)生態(tài)服務(wù)功能較弱,長(zhǎng)江、嘉陵江沿線以及秦巴山地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力較強(qiáng).

4.2 固碳、產(chǎn)水量、土壤保持與生境質(zhì)量4種服務(wù)之間呈現(xiàn)協(xié)同關(guān)系,糧食生產(chǎn)與上述 4類服務(wù)間均表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系,但這種沖突性在區(qū)域發(fā)展過程中逐漸呈減弱趨勢(shì);相較于成都市,重慶市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡關(guān)系更突出;在空間上,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系表現(xiàn)出了一定的集聚特征.

4.3 隨著決策風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的增大,各類服務(wù)的權(quán)重和權(quán)衡值也發(fā)生了變化,當(dāng)決策風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為 1.6時(shí),此時(shí)的權(quán)衡值最大,區(qū)域面臨的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)適中,確定該風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)對(duì)應(yīng)的情景是最適宜情景;將該情景下風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果的前 20%區(qū)域選定為本文的生態(tài)安全保護(hù)區(qū),發(fā)現(xiàn)這類區(qū)域多位于川東北和渝東北,是固碳和生境質(zhì)量服務(wù)的高值區(qū),為區(qū)域生態(tài)保護(hù)與管理提供了參考.