以武汉市为例，探讨了综合空间功能区(ISFZs)对四种生态系统服务功能的影响，即作物生产、CP;出水量，WY;碳储存、CS;和水土流失防治(EP)及其协同效应和权衡。具体而言，通过将不同的空间功能区纳入土地利用模拟模型，我们模拟了“照常工作”(BAU)和“综合空间功能区”(ISFZs)两种情景下的土地利用。然后，我们评估和比较了两种情景下的ESs及其相关性。
1、 研究区和数据来源
1.1 研究区概况
武汉位于北纬29°58′-31°22′和东经113°41′- 115°05′之间，面积8569.15 km2(图1)。地形特点是中部为平原，四周为丘陵地貌，海拔138米至834米。武汉市土地利用以农田、水和森林为主，面积分别为2577.04 km2、2440.45 km2和1399.68 km2，分别占总面积的30.07%、28.48%和16.33%。武汉作为典型的快速城市化城市，2018年人口城镇化率达到80.29%。
1.2 数据来源
2、 研究方法
3、 结果分析
3.1 土地利用变化情景
从情景对比来看，ISFZs情景比BAU情景产生的建设用地格局更为紧凑，其特点是新的建设用地集中分布在城市周边地区，而在蔡甸区、黄陂区和偏远农村地区的分布则比较分散。
图4和图5给出了2035年BAU和ISFZs约束情景下的土地利用数量预测，以及2015-2035年不同土地利用总量类型之间的数量转换。总体而言，2015-2035年期间建设用地、草地和水域将扩大，耕地、森林和荒地将缩小。与BAU情景相比，ISFZs情景将产生更多的农田、绿林和荒地，而较少的建设用地、水域和草地。农田和森林面积将分别增加410.99km2和28.49km2，建设用地将减少342.45km2。从土地利用转换的角度看，其他土地利用类型向建设用地的转换将是未来最显著的转换，这与2005-2015年的历史趋势一致。农田、水域和森林将成为建设用地增长的主要来源。同时，ISFZs情景下，耕地面积减少369.24km2，森林面积减少16.31km2，大大限制了农林向建设用地的转化。但建设用地向其他土地利用类型的转化，尤其农田的转化将得到促进，ISFZs情景建设用地向农田的转化将增加43.01km2。这一发现可能表明，随着空间调控政策的实施，建设用地整理与整治具有良好的效率。
3.2 生态系统服务估算
图6为两种空间调节情景下研究区ESs的空间分布。我们可以看到，所有ESs在空间上的分布都是不均匀的。WY从西南向东北呈现逐渐下降的趋势，而其他三个ESs呈现明显的“城乡”差异。空间调控不会改变生态环境的整体格局，但会影响生态环境在局部空间的格局。与BAU情景相比， ISFZs情景将形成更多的聚集和更少的地方差异的ESs模式。在个体生态系统服务功能方面，CP在平原区水体周围最高，特别是黄陂区北部和蔡甸区南部，而在黄陂区东北部山区最低。与BAU相比，CP值较高的地区分布在平坦农业区，特别是集中和聚集农田的边缘。在蔡甸西南部，WY值最高，在黄陂东北部，WY值最低。在安全隔离区内，不同等级的WY值嵌合较少，导致空间格局更加聚集。CS的空间格局与LULC类型分布一致，南北山区最高，城市周边平原区中等，水体最低。与BAU相比，ISFZs呈现出更多的CS聚集模式，其特点是相对较高的值相对较低的入渗。从区域中心到外层，EP呈递减趋势。与BAU不同的是，在农村平原地区，低EP值在ISFZs内的分布会大大减少。
我们统计了四种生态系统价值的分布，以便定量比较两种情景之间的生态系统价值(图7)。总体而言，ISFZs产生的生态系统价值平均值(WY除外)高于BAU，这表明其在未来保护高价值生态系统服务方面具有优势。土壤CP、CS和EP平均增加0.05t/ha、2.23t/ha和7.3t/ha，土壤WY平均减少6.4mm。不同情景下，各斑块的CP值均在0~1之间，BAU和ISFZs情景下各斑块的平均CP值分别为0.86和0.91。在两种情况下，WY的值分别为0~1546.2和0~1450.7，平均值分别为472.8mm和466.4mm。两种情况下的CS值在43.46-139.10之间，平均CS值分别为68.92和71.15。EP值在0~1323.45m和0~1410.83m之间，平均值分别为186.02和193.32。
3.3 生态系统服务之间的相关性
图8为2035年两种调控情景下四种生态系统服务之间的相关性。我们可以看到，与BAU情景相比，ISFZs情景中大多数ESs对呈正相关，大多数协同效应略有提升。在BAU条件下，除WY-EP外，大部分ESs对均呈显著正相关，Spearman系数为正，说明这些ESs对之间存在协同效应。在所有ESs对中，CP与CS之间的协同作用最强，其Spearman系数为0.574，其次是CS与EP之间的协同作用(Spearman=0.455)， CP与EP之间的协同作用(Spearman=0.455)， WY与CS之间的协同作用最弱，其Spearman值为0.164。值得注意的是，作为供给服务的CP与其他调节ESs(如CS和EP)正相关，这验证了农田在提供间接调节生态功能和服务方面的功能。在ISFZs情景下，除WY-EP对外，ESs对均呈正相关。此外，除CP-WY对外，其余对均显著正相关(P<0.05)。ISFZs内CP与CS的相关值及其相对等级与BAU相似，CP与CS的相关性最强，WY与CS的相关性最弱。与BAU不同，ISFZs将在CP和WY之间获得权衡，而不是协同效应;CP与EP之间、WY与CS之间、CS与EP之间的协同作用也会增强，而CP与WY之间、CP与CS之间的协同作用会减弱。
4、 讨论
4.1 解读综合空间功能区对生态系统服务的影响（ISFZs）对生态系统服务相关性的影响
研究结果表明，生态系统服务功能相关性的显著影响主要体现在LULC传递机制上。建模结果显示，未来ISFZs将增加农田、绿林和荒地，减少建设用地、水域和草地(图3)。作为响应，大部分ESs的平均值将提高(图6)，ESs之间的相互作用略有变化(图7)。ISFZs将促进绿色森林的生长，从而促进生态系统和生态系统服务之间的协同作用，使绿色植被在从大气中吸收二氧化碳和防止土壤水分流失和土壤侵蚀方面具有很高的能力。然而，ISFZs对ESs相关性的影响不仅依赖于LULC变化，而且还受到地形和植被等常见的社会生物物理因素(即非LULC因素)的影响。例如，我们发现ISFZs情景会节省更多的耕地，并增强CP和CS的服务，从而促进CP和CS之间的协同作用。假设只考虑LULC的传导机制(即本例中的土地使用冲突机制)，很容易推断出农田增长会加剧CP和CS之间的权衡，因为农田提供CP服务的能力很高，但提供CS的能力很低，这一点已经被广泛的研究揭示了。然而，由于城市周边地区集约农田增加的特定社会物理条件，即植被覆盖度高、海拔平坦、交通便利，在这种情况下，CP与CS之间的相关性将从权衡效应转向协同效应。在此背景下，耕地面积的增长会导致CP和CS之间的协同效应的提高。
4.2 对领土空间规划和基于生态系统的管理的影响
我们发现ISFZs情景有利于保护农业和生态用地，控制建设用地的增加，促进城市紧凑增长。此外，它还有助于改善城市周边地区的城市土地管理和调控，抑制城市增长对农田绿色植被的侵蚀。该方法可为TSP的制定、实施和评价提供参考。例如，在规划制定阶段，可以评估安全隔离区对土地利用格局的潜在影响，在此基础上，通过将潜在的土地利用格局与目标土地利用格局进行比较，划定更合理的安全隔离区。此外，通过改变ISFZs情景影响土地利用变化的方式，可以制定更合理的土地利用转换政策。
目前，空间规划或空间调控对城市土地利用变化及其引发的温室气体排放和碳代谢等生态过程和功能的影响研究较少。它们通常分析空间调节对单一生态过程或功能的影响，而忽略了它们对多个生态服务领域的共同影响，从而导致结论的偏误。为了克服这一缺陷，本研究将多个空间功能区划政策整合到一个整体框架中，分析其对多个ESs的联合效应及其相关性。作为先决条件，本研究采用将LULC数据与环境因素相结合的方法来评估所选的ESs指标，这不仅有利于分析LULC的传导机制，而且克服了简单的基于LULC的评估方法忽略了影响ESs的环境背景的效率。我们的研究结果表明，ISFZs会促进大多数ESs，并对所有ESs产生更聚集的模式。此外，这将增强大多数ESs对之间的协同效应。我们进一步发现，LULC传输机制会显著影响ESs相关性，但共同驱动因素也会发挥作用。
4.3 缺点与展望
本研究存在一些需要改进的局限性。首先，在评估特定土地利用政策的可持续发展后果时，选择适当和全面的可持续发展指标非常重要。由于篇幅有限，本文仅选取了提供和调节领域的4个生态环境指标，可能忽略了在生态社会系统中发挥重要作用的其他生态环境，如自然生态系统中的游憩服务。此外，在评估ESs时，我们采用了时间合成法获得的植被、降水等背景条件的模拟数据来替代真实值，这可能导致结果存在偏差甚至偏差。未来的研究可以发展时间序列模型，如指数外推，灰色预测模型和其他智能技术，如小波变换，以更好地估计这些背景数据以及ESs值。
5、 结论
结果表明，FLUS模型在土地利用转换模拟中是有效的，总体精度、Kappa系数和FoM系数分别为0.797、0.762和0.4874。设计了BAU和ISFZs两种不同空间调控政策情景，分别进行了土地利用模拟。情景比较结果显示，ISFZs情景比BAU情景产生的建设用地格局更为紧凑。它还会产生更多的农田、绿林和荒地，而减少建设用地、水域和草地。土地利用数量和格局的变化将导致生态环境的变化，其特征是生态环境平均值较高(除WY外)，所有生态环境的格局比BAU更聚集。在两种情况下，ESs相关性也会有所不同，这表明在ISFZs中，大多数ESs对之间的协同作用会略微提高。我们进一步推断，空间调节主要通过LULC传递机制影响ESs的相关性，但也受到地形和植被等常见社会生物物理因素的影响。该研究为土地利用变化与生态的空间政策探索提供了依据，同时也提出了改善城市环境需要陆地空间规划和基于生态系统的管理，以及城市系统和生态系统的协调发展。
本文由i地理公众号整理而成，原文请见：Zhang Y, Yu P, Tian Y, et al. Exploring the impact of integrated spatial function zones on land use dynamics and ecosystem services tradeoffs based on a future land use simulation (FLUS) model[J]. Ecological Indicators, 2023, 150: 110246.
转自：“生态遥感前沿”微信公众号
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