基于三生空间生态服务供给和需求的国土空间规划效益评价研究.pdf
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1、103中国环境管理2024 年第 2 期引言国土空间规划是统筹区域资源空间配置、开发管理和布局优化的总体方案,在引领区域协调发展上具有重要意义1,2。国土空间规划的编制,将国土空间划分为城镇、农业和生态三类空间,统筹布局生产、生活、生态等各类功能3。三生(生产、生活、生态)的变化必然导致土地利用结构及布局的改变,从而引起经济、社会、生态环境等方面的供给与需求变化,产生不同的国土空间规划效益。目前,国土空间规划相关研究的重点还在于编制理论、编制方法的研究,尚缺少对规划效益评价的研究。有学者提出国土空间规划本质是从人地关系、社会主体利益关系、生命共同体、城市有机体等方面对空间关系的重建与重构4,并
2、从意识形态性、价值理性、工具理性、功能性等层级建构生态文明时代国土空间规划的价值导向5。土地规划、土地整治规划中关于规划效益评价已有较多研究,已由最初的注重经济、社会、生态单方面效益评价,逐渐趋于较为全面的综合效益评价。在规划效益评价方法上,有多因素综合评价的方法6、能值分析方法7、成对因素比较法和层次分析法相结合8,9、S 型隶属度曲线10、区位熵法11、模糊模型识别方法和物元分析方法12、灰色关联分析法13、土地利用综合指数与耦合协调模型相结合14等。本研究在借鉴土地规划和土地整理研究现有成果与效益评价范式的基础上,建立生态系统与人类社会经济两个系统的交互关系,通过生态系统服务和人类福祉需
3、求的供需关系,揭示两个系统的供需连接与耦资助项目:四川省自然资源厅土地科技创新项目“市、县级国土空间规划编制关键技术研究”(KJ-2019-2);四川省自然资源厅省级自然资源科研项目“十四五时期四川省自然资源形势研判与战略目标研究”(KJ-2020-7)。作者简介:朱建平(1996),男,硕士研究生,研究方向为地理信息建模,E-mail:。*责任作者:杨莉(1983),女,硕士,高级工程师,研究方向为国土空间规划和资源环境评价,E-mail:。基于三生空间生态服务供给和需求的国土空间规划效益评价研究朱建平1,张学茹2,3,黄中杰2,3,李欣欣2,3,杨莉2,3,*1.四川师范大学地理与资源科学
4、学院,四川成都,610101;2.四川省国土科学技术研究院(四川省卫星应用技术中心),四川成都,610072;3.自然资源部耕地资源调查监测与保护利用重点实验室,四川成都,610072【摘 要】国土空间规划是统筹区域资源空间配置、开发管理和布局优化的总体方案,在引领区域协调发展上具有重要意义。国土空间规划必然导致土地利用类型及布局的改变,从而引起经济、社会、生态环境等方面的供给与需求变化。本研究从三生空间耦合协调的角度,通过生态系统服务和人类福祉需求的供需关系,揭示三生空间的供需连接与耦合关系。本研究借助InVEST模型和生态服务价值当量法对生态系统服务供给与需求进行定量分析,同时引入耦合协调
5、度模型与相对发展度模型,通过对生态系统服务供需变化进行耦合协调类型分析,探究国土空间用地结构调整所产生的供需间的协调关系,并用耦合协调状况对国土空间规划效益进行评价。研究发现,在规划期内宜宾市翠屏区生态系统服务供需总体耦合协调度呈现减小态势。20202035年耦合协调度从0.60降低到0.59,相对发展度由1.05减小至1.01。生态系统服务总体供给盈余明显,但由于供需分布空间差异,城镇地区为主要的供给赤字区域。影响生态系统服务需求的主要因素为环境净化需求,城市化指标对生态系统服务供需相对发展度具有较为普遍的负面影响。【关键词】规划效益评价;国土空间规划;三生空间;耦合效应【中图分类号】X32
6、1;X52【文章编号】1674-6252(2024)02-0103-10【文献标识码】A【DOI】10.16868/ki.1674-6252.2024.02.103104中国环境管理2024 年第 2 期合关系,从而分析生态系统服务供需的空间分异与动态变化,并开展国土空间规划方案效益评价研究。1 研究方法当前国土空间规划缺乏有关生态系统服务供需关系的针对性研究。生态系统服务供需研究围绕供给对人类需求满足的程度,评价的方法比较丰富,但各评估方法限制条件和不足也比较明显,郭朝琼等把生态系统服务供需评估方法归纳为生态模型法、价值评估法、参与法和经验统计模型法四大类15。生态系统服务供需的数量和质量在
7、时空间尺度上具有巨大的差异,目前除了对供需盈亏变化状态与趋势的研究,也增加了对生态系统服务功能效益、热点变化及驱动机制的分析15-17。价值评估法是在区分不同种类土地利用功能的基础上,基于可量化的标准构建不同类型、不同服务功能的价值当量,然后结合土地利用的分布面积进行评估,谢高地等在国外全球生态系统服务价值研究的基础上,提出了更适合我国的生态服务当量因子表及在实际应用中的修正公式,并实现了该方法对服务的动态评估18-22。有学者基于专家知识构建生态系统服务供需量化矩阵,建立了基于格网的生态系统服务供给能力和需求强度模型,研究生态系统服务供需盈亏15。人口23、GDP24、夜间灯光数据25和土地
8、利用程度26是评估生态系统服务需求的主要依据,因为需求主要集中于人类的活动区域,市场价值法27可以对需求量进行一定的价值量评估,从而更直观地表征供需之间的关系与差异。主流的生态模拟工具为InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)模型28,29和 ARIES(Artificial Intelligence for Ecosystem Services)模型,分别侧重于生态系统服务供给和需求的模拟计算30。本研究借助 InVEST 模型和生态服务价值当量法对生态系统服务供给与需求进行定量分析,同时引入耦合协调度
9、模型与相对发展度模型,通过对生态系统服务供需变化进行耦合协调类型分析,探究国土空间用地结构调整所产生的供需间的协调关系,并用耦合协调状况对国土空间规划效益进行评价,从而科学合理地调整规划方案,保障区域生态空间安全,促进社会经济可持续发展31。1.1 生态系统服务供给与需求核算生态系统服务供给是指在特定时间和区域范围内,生态系统提供给人类所需产品或是服务的能力。供给区域由三生空间对应的用地类型构成:生态空间中,林地主要提供原材料生产、气候调节、净化环境等,湿地和水域主要提供水源涵养、净化环境和休憩娱乐等;农业空间主要供给食物生产;建设空间是城镇、农业、生态空间用于居住、基础设施建设、工业生产等的
10、用地空间,供给支撑较少,主要是公园绿地对休憩娱乐的支撑(表 1)。表1三生空间生态服务供给计算表空间供给 F内涵计量单位计算方法生态空间水资源供给生态系统通过植被对雨水的截留、吸收和净化元生态服务价值当量法11净化环境植被和生物去除降解多余养分和化合物,滞留灰尘、除污等元生态服务价值当量法11碳固存生态系统吸收 CO2,释放O2元InVEST 模型原材料供给生态系统提供的工业等其他用途的原材料元生态服务价值当量法11农业空间食物生产生态系统提供的能够食用的产品元生态服务价值当量法11建设空间休憩娱乐生态系统提供的休闲娱乐和体育活动场所元生态服务价值当量法11生态系统服务需求强调人类因为生活生产
11、活动所使用和耗费掉的来自自然生态系统的各类不同的产品和服务。谢高地等把人类对于生态系统服务的需求划分为物质需求、安全需求和精神需求 3 个层次18。物质需求代表的是人们对生活、生产资料的物质需求,对应本文中的食物需求和原材料需求。安全需求代表的是人类为维护和保持自身不断的生存、生活和生产所必需的良好生态环境,对应本文中的水源涵养需求、净化环境需求、土壤保持需求和碳固存需求。精神需求代表的则是人们生活中对于知识文化、休闲娱乐和美的观赏需求,对应本文中的休憩娱乐需求(表 2)。根据生态系统服务理论基础,基于土地利用变化的生态系统服务价值评估具有快速准确获知不同区域生态系统服务格局特征的优势,已成为
12、当前生态系统服务定量评估研究最常用的方式之一32。其中,国内学者最普遍使用的是谢高地等所提出的当量因子评估法,因此本文选取谢高地等18的当量因子表里中的 6 个方面进行了供需评价:三个供给服务(水资源供应、食物生产供应和原材料供应),一个调节服务(净化环境),一个支持服务(碳固存)和一个文化服务(休憩娱乐),并采用该文献中提出的当量因子改进方法进行生态系统服务价值评估。105基于三生空间生态服务供给和需求的国土空间规划效益评价研究中国环境管理2024 年第 2 期1.2 单位面积生态系统服务功能价值基础当量修正谢高地等对 Costanza 的生态系统服务当量方法根据中国的平均状态进行了改进,编
13、制了中国单位面积生态服务价值表,并得到了广泛应用19,20。考虑到生态系统服务的空间异质性,以及采用全国参数表征区域特征的误差,有必要对单位面积生态系统服务价值当量表中的当量系数进行修正26。本研究根据宜宾市实际状况进行修正:采用单位土地面积产值中的农、林、牧、渔产值当量分别修正耕地、林地、草地、水体的供给服务当量,用森林覆盖率对调节服务和支持服务的价值当量进行修正,基于旅游总收入指标修正 文 化 服 务 的 价 值 当量33。修正系数计算公式如下:n=aAii(1)式中,n 为修正系数,无量纲;ai为宜宾市平均值;Ai为中国平均值。以谢高地 2015 年构建的基础当量表为基础,每项土地的当量
14、值取其下二级标准的平均值。根据计算结果,耕地、林地、草地和水域的生态系统服务修正系数分别为 1.1、0.97、0.69、0.47,调节、支持和文化服务的修正系数分别为 2.15、2.15、4.42。将中国单位面积生态系统服务当量的经济价值乘以修正系数,可以得到宜宾市生态系统服务价值修正表(表 3)。由于生态系统服务在建设用地区域的供给很少,在此不予估算。1.3 耦合协调度模型供需耦合机制研究可以准确地分析生态系统服务供给与需求的空间不匹配,确定国土空间规划中土地利用格局问题,同时能帮助确定生态系统服务的供给和需求来源、分布,从而研判国土空间规划的生态效益,为国土空间规划决策和生态补偿等政策制定
15、提供可靠依据34。(1)数据标准化:为增强指标数据的可比性,对评价指标采用极大极小值法进行标准化处理35。如下:Bij=()XX()ijijxXmaxminijmin(2)式中,Bij为原始评价指标数据;Xij归一化后数据;Xijmax和 Xijmin分别为评价指标 Xij中最大值和最小值,由于本文选取的评价指标均为正向指标,故标准化公式为正向因子标准化公式,未涉及负向因子标准化。(2)耦合协调度模型:耦合度指系统之间相互影响的内在协同机制,但不能体现二者相互作用关系水表2三生空间生态服务需求计算空间需求 D内涵计算方法生态空间农业空间用水需求水资源消耗总量内农业生产活动部分(元)Ddpwai
16、=da为全国人均农业用水量建设空间食物需求从生态系统中获得能够食用的产品(元)Dpdf=ifdf为全国人均食物消耗原材料需求从生态系统中获得工业等其他用途的原材料(元)Dpdtit=dt为全国人均原材料消耗量用水需求水资源消耗总量内工业生产与生活部分(元)Ddpdpwgipi=+dg为全国人均工业用水dp为全国人均生活用水碳排放生产生活中消耗 O2,排放的 CO2(元)Ddpcci=dc为全国人均碳排放环境污染工业生产和生活中产生的灰尘、大气污染等(元)DSa=(i)为区域空气污染浓度i为国家控制标准空气污染浓度休憩娱乐需求从生态系统中获得的休闲娱乐和体育活动(元)Ddprri=dr为全国人均
17、游憩用地需求量 表3宜宾市生态系统服务价值修正 单位:元/hm2一级分类二级分类耕地林地草地湿地水域未利用地供给服务食物生产4 140.97832.82565.891 243.371 245.8134.07水资源供给-4 890.47989.49459.794 718.0012 909.6668.13原料生产918.131913.02825.261 413.70358.17102.20支持服务土壤保持3 812.7917 029.2311 071.7513 564.726 819.02953.20调节服务净化环境989.8612 244.917 918.8729 255.8140 694.17
18、2 273.01文化服务休憩娱乐1 129.3214 003.529 109.8239 827.2228 458.77752.88合计6 100.6047 012.9929 951.3790 022.8390 485.614 183.47106中国环境管理2024 年第 2 期平高低。耦合协调度模型既能够反映生态系统服务供需之间相互作用的程度,还能体现协调发展的水平。计算方法32如下:CFD=(FD+2)2(3)RC T=(4)TFD=+(5)式中,R 表示耦合协调度;C 表示耦合度;T 为系统间综合协调指数;F 和 D 分别为生态系统服务供给和需求;与 分别为生态系统服务供给和需求的待定系数
19、,+=1,本文认为二者的作用同等重要,故取=0.5。(3)相对发展度模型:耦合协调度模型可以有效反映生态系统服务供需的协调发展关系与水平,但不能揭示二者的相对发展程度,故以相对发展度模型求取生态系统服务供需的相对发展度系数,以表征生态系统服务供给对需求的满足程度。计算方法34如下:EFD=ii/(6)式中,E 为相对发展度;Fi、Di分别为生态系统服务供给和需求指数。借鉴已有研究成果32,并综合耦合协调度及相对发展度的计算结果,对生态系统服务供需的耦合协调发展阶段及类型进行判定(表 4)。1.4 线性回归与随机森林1.4.1 线性回归模型基于最小平方法(LSM)的一元线性回归来建立城市化指标和
20、生态系统服务供需相对发展度之间的回归模型37,探讨城市化对生态系统服务供给和需求积极或消极的影响以及影响的程度,并确保城市化对不同生态系统服务供应和需求影响的可比性。回归模型如下:yx=+12(7)式中,y 是相对发展度;x 是城市化指标;1和2是系数;是残差。P 值被用来代表显著性水平,P值越小,显著性水平越高,临界值为 0.05 相当于 95%的置信度。1.4.2 随机森林(RF)随机森林是一种基于决策树的算法,它可以用于分类和回归。本研究以生态系统服务供需相对发展度为因变量,以城市化指标(POP、GDP 和 ALP)为自变量,构建了 RF 模型,以探索城市化对 ES 供需的重 要 性(v
21、ariable importance measures,VIM)。模 型如下:VIM=errerr21n(8)式中,err1为每一棵决策树的袋外数据误差;err2为对袋外数据加入噪声干扰后的袋外数据误差;n 为随机森林模型中决策树的数量。线性回归与随机森林是在 MATLAB R2022a 实现。2 研究结果2.1 研究区与数据本次研究主要选取宜宾市翠屏区五个镇片区级国土空间总体规划作为研究对象,包括翠屏城乡融合发展片区、白花三产融合片区、金秋湖特色农业片区、李庄文旅融合片区和宗场商贸物流片区,其中一个城乡融合片区,四个农村片区,总面积为 1255.09 km2,现状总人口 66.1 万人,规划
22、末期总人口 67.38 万人,规划总人口增加 1.28 万(表 5)。本研究涉及的数据主要包含:翠屏区三调土地利用现状数据、归一化植被指数 NDVI 数据、生态环境质量数据等自然地理数据。人口、经济发展等社会经济统计数据。土地利用数据通过生态系统服务价值修正,分为耕地、林地、草地、湿地、水体、未利用地、建设用地 7 类土地利用类型。大气质量数据来自宜宾市生态环境局环境空气质量报告。社会表4耦合协调度类型划分耦合协调度类型相对发展度耦和协调发展特征耦和协调阶段0R0.50 E0.8生态系统服务供小于求,二者高度拮抗,系统趋于衰退拮抗0.8 E1.2生态系统服务供等于求,二者低度拮抗,系统趋于优化
23、1.2 E生态系统服务供过于求,二者高度拮抗,系统趋于衰退0.5 R0.70 E0.8生态系统服务供小于求,二者低度磨合,系统趋于衰退磨合0.8 E1.21.2 E生态系统服务供等于求,二者高度磨合,系统趋于优化生态系统服务供过于求,二者低度磨合,系统趋于衰退0.7 R 10 E0.80.8 E1.21.2 E生态系统服务供小于求,二者低度协调,系统趋于衰退协调生态系统服务供等于求,二者高度协调,系统趋于优化生态系统服务供过于求,二者低度协调,系统趋于衰退107基于三生空间生态服务供给和需求的国土空间规划效益评价研究中国环境管理2024 年第 2 期经济统计数据主要包括农林牧渔和旅游业总产值、
24、各行政区人口数据、工农业经济发展状况数据、耗水量等数据来自中国统计年鉴 宜宾市统计年鉴 宜宾市水资源公报以及宜宾市及各行政区统计局。本文所有数据统一采用了 CGCS2000_3_Degree_GK_Zone_35 坐标系,空间数据的栅格大小重采样为 30m。2.2 用地结构调整状况通过国土空间规划,用地结构发生了调整和优化(表 6)。城乡建设用地总面积增加了 2243.02 hm2,其中包括新建公路、铁路等交通用地以及新一轮划定的城镇开发边界,城乡融合发展片区建设用地增加最为突出,增加 1624.36 hm2;耕地增加 76.85 hm2;林地减少 2053.99 hm2;水域、湿地、草地也有
25、不同程度的减少。城乡融合发展片区建设用地增加面积,以及耕地、林地减少面积较其他片区均偏大,说明城乡融合发展片区在城市化快速推进的情况下,城市建成区域主要侵占的是林地,其次是耕地和湿地;金秋湖特色农业片区耕地面积增加较多,其他三个片区的耕地面积都呈小幅度增加;各片区林地、草地都呈下降趋势,城乡片林地减少面积占总减少面积一半以上;水域和湿地除白花三产融合片区有小规模增加,其余各片区都有减少,减少面积以城乡融合发展片区较为突出。表6用地结构调整表 单位:hm2用地类型白花三产融合片区城乡融合发展片区金秋湖特色农业片区李庄文旅融合片区宗场商贸物流片区总体结构变化耕地+52.18-228.39+220.
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