陈万旭,赵雪莲,钟明星,李江风,曾 杰

1 中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院,武汉 430078 2 中国地质大学(武汉)空间规划与人地系统模拟研究中心,武汉 437008 3 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室,北京 100875 4 信阳师范学院旅游学院,信阳 464000 5 中国地质大学(武汉)公共管理学院,武汉 430074

日益严重的生态环境问题引发了人类对健康问题与生态问题的深入思考,健康的概念逐渐从人类转移到生态系统上[1]。可持续发展战略、生态文明建设以及“One Health”理念的提出表明人类对人地关系认识进一步深化[2]。生态系统健康概念的提出扩展了人类对自身健康和疾病来源的理解,可以构建人类健康、人类活动和生态系统变化之间关联[3]。构建科学的生态系统健康评估理论框架是准确评估生态系统健康的前提,是制定生态系统健康宏观调控政策的基础,但是以往生态系统健康评估仍存在不足。以往研究更多地关注生态系统的完整性和可持续性,生态系统服务是反映生态系统健康状况的重要组成部分,然而如何把生态系统服务纳入生态系统健康评估框架需要进一步的进行探讨。此外,在当前生态文明和美丽中国建设背景下,选择快速城镇化的城市群地区作为研究对象,评估城市群地区生态系统健康状况的研究并不多见。因此,有必要对生态系统健康评估框架的构建以及城市群地区生态系统健康时空演化特征进行深入分析。

生态系统健康是指在一定时空范围内,不同类型生态系统空间镶嵌而成的地域综合体在维持各生态系统自身健康的前提下,提供丰富的生态系统服务的稳定性和可持续性[4]。在过去几十年,生态系统健康领域取得了迅速发展,并在生态系统健康的理论、概念和评价方法以及影响因素等方面取得了一定进展,主要体现在以下几个方面：①在理论和概念方面,虽然生态系统健康的概念仍未达成共识[1],但是生态系统健康的理论和内涵仍然得到了一定的丰富和拓展。由强调生态系统的自然生态方面转型为综合考虑生态系统自身健康以及其满足人类需求和愿望的程度和社会经济等方面[5—7]。②在评价方面,以往研究主要采用指示物种法[8—9]和指标体系法[10—11]对生态系统健康进行了多尺度的测度。前者主要采用种群数量、生物量以及其他重要的生理指标来间接评估生态系统健康状况,后者通常采用基于生态系统活力-组织力-弹性-生态系统服务以及压力-状态-响应等理论框架进行生态系统健康评估[10—12]。生态系统服务是生态系统健康评估的核心,可以很好地连接自然环境和人类福祉[13]。关注人类福祉是生态系统健康新的研究指向,生态系统健康评估过程中纳入生态系统服务是明晰生态系统与人类福祉之间内在综合关联的有效途径[14—15]。当前生态系统健康评估更加重视研究具体的生态过程,并侧重关注生态格局或生态过程造成的人类健康问题[16]。而基于InVEST模型的生态系统服务评估可以很好地反映生态系统服务结构功能和生态过程,实现生态系统服务定量评估的空间化和动态化[14, 17]。但是,如何把基于InVEST模型的生态系统服务与传统的“生态系统活力-组织力-弹性”逻辑关系有机衔接需要进一步探索。在当前长江经济带共抓大保护,不搞大开发背景下研究长江中游城市群地区生态系统健康时空特征对实现经济高质量发展具有重要实践指导意义。当前,城市群日益成为新型城镇化的主体形态和现代化建设的重要载体,以往文献在流域生态系统健康、城市生态系统健康等方面进行了全面的研究,但是很少有研究探索城市群地区生态系统健康状态时空分异特征[6, 18—19]。

综上所述,以往研究对生态系统健康理论、概念、时空分异特征和影响因素等方面开展了丰富的实践研究,但鲜有研究把基于InVEST模型的生态系统服务评价结果纳入生态系统健康评估理论框架中。另外,当前城市群地区逐渐成为中国城镇化进程的主体形态,而系统探索城市群地区生态系统健康状态时空分异特征的研究较为少见。鉴于此,本研究拟在以往研究基础上对生态系统健康评估框架进行完善,并且结合多源数据,对长江中游城市群地区生态系统健康进行评估以及时空演化特征进行实证分析,以期为长江中游城市群地区生态系统健康保护政策制定提供科学参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

本研究中长江中游城市群范围包括湖北省的武汉城市圈和宜昌-荆州-荆门城市群、湖南省的长株潭城市群和江西省的环鄱阳湖城市群(图1)。长江中游城市群处于中国地形梯度中第二阶梯向第三阶梯过渡地带,地形条件复杂。周边被群山环绕,中部的罗霄山脉将江西和湖南分割,鄱阳湖平原、江汉平原和洞庭湖平原沿长江广泛分布。气候类型属于亚热带季风性气候,夏季高温多雨,冬季温和少雨,是我国的粮食主产区。长江中游城市群承东启西、连南接北,是实施促进中部地区崛起战略和长江经济带战略、全方位深化改革开放和推进新型城镇化先行区、内陆开放合作示范区和“两型”社会建设引领区,在我国区域发展格局中占有重要地位。长江中游城市群城镇化的快速发展对生态系统产生的胁迫作用日益突显,严重威胁城市群地区的可持续发展。由此可见,科学测度长江中游城市生态系统健康时空演变特征可以对长江中游城市群生态系统健康保护政策制定具有重要意义。

图1 研究区地理位置与要素分布 Fig.1 Geographical location and element distribution of the study area

1.2 数据来源

本研究涉及的自然地理数据包括土地利用数据、交通数据、DEM高程数据、气象、土壤和植被覆盖；社会经济数据包括粮食产量,具体的来源和描述见表1。

表1 研究数据来源与描述

2 研究方法

准确评估长江中游城市群地区生态系统健康状况,是分析其时空特征以及制定有效生态系统健康保护政策的前提条件。本研究首先构建了“生态系统活力-生态系统组织力-生态系统弹性-生态系统服务”生态系统健康评估理论框架,然后基于多源数据分别测度综合生态系统服务指数、生态系统活力、生态系统组织力和生态系统弹性,最后对长江中游城市群生态系统健康时空特征进行测度。结合全局Moran′sI指数和Getis-Ord Gi*指数对长江中游城市群生态系统健康时空演化特征进一步分析。

2.1 生态系统健康评估理论框架构建

本研究对Costanza 等提出的生态系健康评估框架"Vigor-Organization-Resilience Evaluation System"进行了丰富和拓展,创新地把基于InVEST模型测度的生态系统服务纳入生态系统健康评估理论框架,构建基于“生态系统活力-生态系统组织力-生态系统弹性-生态系统服务”的生态系统健康评估框架体系[5, 20](图2)。参考以往研究Peng 等和Pan等,本研究中生态系统健康主要通过两个方面进行评估：生态系统自然健康和综合生态系统服务指数(公式1)[21—22]。其中生态系统自然健康包括生态系统活力、生态系统组织力和生态系统弹性三个方面(公式2)[23]。综合生态系统服务指数由供给服务、调节服务、支持服务和文化服务综合测度[20, 24]。具体计算公式如下：

图2 生态系统健康评估概念框架Fig.2 Conceptual framework for ecosystem health assessment

(1)

(2)

式中,EHIit是第i个单元t时刻的生态系统健康指数；PHit是第i个单元t时刻的生态系统自然健康指数；CESIit是第i个单元t时刻的综合生态系统服务指数；Vit,Oit和Rit分别是第i个单元t时刻的生态系统活力、生态系统组织力和生态系统弹性。由于健康是一个相对概念,本研究参考欧维新等(2018)的研究,把生态系统健康均值设为生态系统健康状况一般水平[23]。将评价结果分为5个等级：良好(0.65—1)、较好(0.55—0.65)、一般(0.45—0.55)、较差(0.35—0.45)、差(0—0.35)。

2.2 综合生态系统服务指数测度

本研究基于InVEST模型测度粮食生产力、产水量、碳储存、土壤保持、水净化、生物多样性和文化服务供给能力等方面生态系统服务供给能力[20]。具体计算方法见表2。

表2 生态系统服务量化方法

不同生态系统服务侧重于衡量生态系统供给能力的不同方面,为了测度综合生态系统服务,本研究将不同种类生态系统服务进行标准化(公式3和4)。根据不同生态系统服务的具体含义,本研究中只有N和P输出量为负向指标,其他指标均为正向指标。基于标准化后的生态系统服务,采用层次分析方法进行权重赋值,最后采用综合得分法(公式5),计算综合生态系统服务指数,具体计算公式如下：

正向因子：

(3)

负向因子：

(4)

式中,ESij′是标准化后的第i个格网单元的第j种生态系统服务；ESij是第i个格网单元的第j种生态系统服务；max(ESj)和min(ESj)分别是所有单元中的最大值和最小值。

(5)

式中：CESIi是第i个格网单元的综合生态系统服务指数；Wj是基于层次分析法计算得出的各种生态系统服务类型的权重系数；ESij′是标准化后的第i个格网单元的第j种生态系统服务；n是本研究中生态系统服务类型。

2.3 生态系统自然健康指数测度

生态系统自然健康通常通过生态系统活力、生态系统组织力和生态系统弹性来表征[11]。生态系统活力用来描述生态系统的代谢和初级生产力,本研究中采用归一化植被指数来表征生态系统活力[13]。与以往研究不同的是,本研究并不是直接基于归一化植被指数对生态系统活力进行计算,而是依据生态环境状况评价技术规范(HJ 192—2015),通过计算不同土地利用类别的比例来计算植被覆盖度,具体计算公式参考Meng 等 (2018)[30]。该方法的优点在于量化了土地利用变化引起的植被覆盖度变化,能够从土地利用变化的角度更好地反映生态系统活力。生态系统组织力主要是用来描述生态系统结构的稳定性,一般来说,生态系统组织力主要是由与景观空间异质性和景观连通性相关的景观格局指数表征[11, 23]。本研究拟选择Shannon多样性指数和面积加权平均斑块分形指数来表征景观空间异质性。通过整个景观和生境的联通性共同表征景观连通性,具体地通过景观破碎化指数和景观蔓延度指数来表征整个景观的连通性,通过林地、水域以及湿地的破碎化指数和景观蔓延度指数来表征生境连通性。最后基于专家打分法对不同景观格局指数进行权重赋值,计算得出区域生态系统组织力水平,具体计算公式参考欧维新等和Peng 等[21,23]。生态系统弹性主要是用来表征生态系统在遭遇外部干扰后恢复其原有结构和功能的能力。基于专家知识以及以往研究,本研究拟对不同土地利用类型进行弹性系数赋值,最后基于土地利用类型面积加权法,计算得出区域生态系统弹性指数,具体计算公式参考Peng等和Zhang等[31—32]。

2.4 探索性空间数据分析

3 结果与分析

3.1 1995—2015年长江中游城市群土地利用/覆被变化特征

林地是长江中游城市群最主要的土地利用类型,其次是耕地和水域。1995—2015年,林地面积所占比例分别为49.03%、49.01%、48.93%、48.79%和48.53%,耕地占比分别为38.79%、38.42%、37.95%、37.22%和36.77%。研究期间长江中游城市群地区耕地和林地面积呈现出持续降低趋势。1995—2015年耕地和林地净减少面积分别为6153.80 km2(占土地总面积的2.02%)和1523.16 km2(占土地总面积的0.50%)。城市化和工业化的快速推进,极大地推动了长江中游城市群地区建设用地的扩张。1995—2000年、2000—2005年、2005—2010年和2010—2015年间建设用地增速分别为9.83%、14.45%、25.91%和18.08%。其他土地利用类型,如水域和湿地在研究期间也有所增加。1995—2000、2000—2005、2005—2010、2010—2015年间分别有12756.85 km2、11871.59 km2、14180.97 km2和18469.05 km2(分别占土地总面积的4.19%、3.90%、4.65%和6.06%)的土地发生了变化。其中,林地和耕地之间的变化最为频繁,分别占变化总面积的49.63%、28.30%、28.02%和40.68%。1995—2000、2000—2005、2005—2010、2010—2015年间,分别有1161.34 km2、1138.48 km2、1924.00 km2和2247.45 km2的耕地转化为建设用地,而只有525.26 km2、369.69 km2、329.88 km2和969.75 km2的建设用地转化为耕地,表明耕地和建设用地的相互转换中存在强烈的不平衡。

3.2 1995—2015年长江中游城市群综合生态系统服务指数时空分布特征

1995年、2000年、2005年、2010年和2015年长江中游城市群综合生态系统服务指数平均值分别为0.452、0.438、0.442、0.439和0.443。研究期间,长江中游城市群生态系统综合服务指数总体呈波动降低趋势。湖北省西部的巫山以及北部的大别山、湖南省中西部的雪峰山和南部的南岭、江西省东部的武夷山脉以及江西和湖南两省之间的罗霄山脉综合生态系统服务指数总体高于0.50(图3)。洞庭湖平原、鄱阳湖平原、武汉城市群、长株潭城市群和鄱阳湖城市群,特别是一些主要城市周边的县域单元综合生态服务水平明显较低。其中,江汉平原和武汉城市圈的生态系统服务综合供给能力最低。山地生态系统在碳储存、水土保持、生物多样性保护以及文化服务等方面具有绝对优势,而平原地区生态系统具有较强的粮食生产功能。社会经济的快速发展和城市化进程的快速推进,加剧了平原地区生态保护、城市化发展与土地利用转型之间的矛盾。1978年启动的“重点防护林带建设工程”、1998年启动的“天然林保护工程”等生态系统服务保护工程,以及毁林、滥垦等土地利用活动频繁发生,导致了长江中游城市群地区生态系统服务的权衡和协调问题日益加剧。

图3 长江中游城市群综合生态系统服务指数时空分布Fig.3 Spatiotemperal distribution patterns of comprehensive ecosystem services index in the Middle Reaches of the Yangtze River Urban Agglomerations (MRYRUA)

3.31995—2015年长江中游城市群生态系统自然健康指数时空分布特征

图4是1995—2015年长江中游城市群生态系统自然健康指数时空分布图。与生态系统组织力、活力和恢复力的空间分布特征相似,周边山区生态系统自然健康水平明显高于平原地区。具体地,周边山区以及中部罗霄山脉生态系统自然健康值基本高于0.75,平原地区生态系统自然健康值大多低于0.45。这主要是由于平原地区的人类活动显著高于山区,对生态系统健康的干扰较高。1995年、2000年、2005年、2010年和2015年长江中游城市群生态系统自然健康平均水平分别为0.633、0.635、0.629、0.622和0.617。可以发现,长江中游城市群地区的生态系统自然健康总体呈现出略微下降的趋势。

图4 长江中游城市群生态系统自然健康水平时空分布Fig.4 Spatiotemperal distribution patterns of ecosystem physical health level in the MRYRUA

3.4 1995—2015年长江中游城市群生态系统健康时空分布特征

1995年、2000年、2005年、2010年和2015年长江中游城市群生态系统健康水平的平均值分别为0.534、0.527、0.526、0.523和0.522,总体上有所降低。研究期间,低于生态系统健康指数均值的县域单元比例分别为55.07%、54.59%、53.62%、54.11%和52.17%。生态系统健康状态处于良好级别的县域单元比重最高(>23%),其次是处于较好级别的县域单元比重(>22%),处于差和较差级别的县域单元比重均低于18%。在空间分布方面,可以发现长江中游城市群的生态系统健康水平具有显著的空间异质性(图5)。在江汉平原、洞庭湖平原以及武汉、长沙、南昌等周边县域单元的生态系统健康指数大多在0.35以下。周边山区县域的生态系统健康指数多在0.65以上。另外,主要交通路线沿线单元的生态系统健康指数也低于其他地区。可以得出结论,生态系统健康状况和地形条件、交通条件、位置条件、经济发展水平密切相关。

图5 长江中游城市群生态系统健康水平时空分布Fig.5 Spatiotemperal distribution patterns of ecosystem health level in the MRYRUA

图6 长江中游城市群生态系统健康水平热点和冷点分布Fig.6 Spatiotemperal distribution patterns of hot spots and cold spots of ecosystem health level in the MRYRUA

图7 长江中游城市群生态系统健康水平变化热点和冷点分布Fig.7 Spatiotemperal distribution patterns of hot spots and cold spots of ecosystem health changes in the MRYRUA

4 结论与讨论

4.1 结论

(1)研究期间耕地和林地的变化呈现出持续的降低趋势,而建设用地呈现持续增加态势。建设用地占用耕地面积显著高于建设用地复垦为耕地的面积；

(2)研究期间长江中游城市群地区生态系统健康状况总体有所恶化,由1995年的0.534降低到2015年的0.522,恶化区域主要分布在城市群的核心地区；生态系统健康的高值区主要分布在周边山区以及中部的罗霄山脉,生态系统健康的低值区主要分布在平原地区、大城市周边地区以及主要的交通线路沿线地区；

(3)研究期间长江中游城市群地区生态系统健康水平存在显著的空间依赖性,生态系统健康水平变化冷点区域主要分在大城市周边地区；

4.2 讨论

生态系统健康测度方法多种多样,总体上逐渐由强调生态系统自然生态方面转型为综合考虑生态系统自身健康以及其满足人类需求和愿望的程度[1, 12, 34—35]。以往生态系统健康研究更多关注自然生态系统健康状态,而缺乏与人类社会维度的耦合关联研究。如何把基于InVEST模型的生态系统服务测度结果与传统的“生态系统活力-生态系统组织力-生态系统弹性”逻辑关系有机衔接是当前需要解决的问题。本研究将基于InVEST模型评估的生态系统服务(提供服务、支持服务、调节服务和文化服务)与生态系统健康评估联系起来。在现有文献的基础上,本研究将粮食生产能力、产水量、碳储量、土壤保持、水净化、生物多样性和文化服务供给等指标纳入生态系统健康评估中。借助综合生态系统服务指数,构建了生态系统健康评估框架“生态系统活力-生态系统组织力-生态系统弹性-生态系统服务”,对长江中游城市群地区生态系统健康时空特征进行评估,为生态系统健康研究提供科学参考。为了更加准确的评估生态系统健康水平,未来需要进一步加强生态系统服务、生物多样性、生态文化健康以及可持续生计等方面和生态系统健康评估融合,进一步丰富和完善生态系统健康研究方法和手段[14, 16]。