北京湾过渡带生态系统服务梯度效应分析及生态分区

刘晓娜，刘春兰，陈 龙，裴 厦，乔 青

（北京市环境保护科学研究院，国家城市环境污染控制工程技术研究中心，北京 100037）

0 引 言

北京市沿房山、门头沟、昌平、怀柔、密云和平谷的山地与平原交界处形成一个敞开半圆形山湾，被称为“北平湾（即北京湾）”[1]。该区域内分布有中山、低山、丘陵、台地和平原等多种地貌，属于自然地理脆弱区或敏感区，典型的山地-平原过渡带[2]，其生态过程具有显著的梯度变化[3]；同时也是乡村-城市过渡带，人类活动干扰强烈，利益相关者复杂，是保护和发展矛盾集中的分布区域，本研究称其为“北京湾过渡带”，是开展生态系统服务梯度效应的优选区域。

生态系统服务梯度效应研究可为区域生态系统服务优化供给、生态系统管理与保护以及国土空间优化提供决策依据[4-6]。国外关于生态系统服务的梯度效应主要倾向于乡村-城市过渡带[7-8]，结果表明大部分生态系统服务在乡村-城市过渡带中呈现随城市化水平的提高而递降趋势[9-10]。如 Kroll等[11]发现生态系统服务的供给沿乡村-城市梯度呈递减趋势，以食物供给最为明显，这种梯度的变化首先取决于土地利用的强度，其次为土地覆被的变化。Mario等[12]指出以农业和半自然土地覆被为特征的农村景观具有较高生态系统服务价值，而城市地区往往较低，土地利用强度是影响其梯度差异的关键因素。但也有研究表明如果城区植被覆盖状况较好也可提供部分较高的生态系统服务，如碳存储和生物多样性服务[13]。Francisco等[14]通过分析发现尽管由于城市化进程增加了不透水表面，但植被覆盖率的增加导致部分生态系统服务的供给反而得到一定改善。因此，生态系统服务随城乡梯度变化取决于生态系统服务类型、土地利用强度以及案例区植被的具体状况。国内对乡村-城市过渡带生态系统服务受人类活动干扰以及自然植被状况影响的研究相对较少。部分学者指出生态系统服务价值与距离城市中心区距离呈反比[4]，生态系统服务与人为干扰度存在显著的空间聚集特征，高（生态系统服务）-低（人为干扰度）型集聚区主要分布于人类活动较少的山区[15]。不同生态系统服务与影响因子的关系方面，食物供给随土地利用强度增加呈增加趋势，而调节服务随土地利用强度增加呈下降趋势[16]；土壤保持和生物多样性随植被覆盖度的增加而提高，水源涵养则随植被覆盖度增加而下降[17]。综合来看，上述研究多采用对影响因子进行分级，而后对生态系统服务的供给进行对比的方式研究其梯度变化，分级方式存在较强的主观性，其趋势存在不稳定性，未能充分反映出过渡带生态系统服务的梯度效应。尚缺乏针对典型影响因子，客观识别生态系统服务变化的突变点，并系统分析生态系统服务梯度效应的相关研究。此外，由于生态系统服务供给在空间上存在空间异质性，不同区域的主导生态系统服务有所差别。通常来说，耕地比例较高的区域以供给服务为主，林地比例较高的区域则以调节服务为主[18]，而过渡带区域生态系统服务供给特征尚不明确，缺乏深入研究。

生态系统服务的供给不仅受人类干扰的影响，也取决于区域自身植被状况[19-20]。本研究同时考虑自然因素和人为干扰的影响，选择植被覆盖度和土地利用程度 2个典型影响因子，以北京湾过渡带为案例区，以栅格为研究单元，探索不同生态系统服务类型的梯度效应差异，识别典型因子影响的突变点，并以突变点为依据划定生态分区，识别各分区主导生态系统服务，并根据结果提出各区域生态系统服务的优化管理策略。研究结果对于人地矛盾较为突出的北京湾区域具有较强的应用价值，提供国土空间布局优化生态产品供给思路，在提高其他生态系统服务的供给的同时保证必要的食物供给，从而达到效益最大化，满足不同利益相关者需求，对于探索城乡过渡带生态产品价值实现路径和“两山”转化模式，促进该区域的可持续发展与保障首都生态安全具有重要意义。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

北京湾过渡带与浅山地区高度重合，是山地和平原的过渡地带[21]。根据区域地形地貌特征，同时参考俞孔坚等[22]相关研究，以及《北京市限建区规划（2016－2020年）》和《北京城市总体规划（2016－2035年）》等相关规划，以行政区界限为准，本研究首先提取海拔100～300 m的浅山区范围，然后将其所涉及的乡镇和街道办事处确定为研究范围（去除包含浅山区面积较小的乡镇和街道办事处）（图1）。北京湾过渡带，介于东经115°25'～117°30'、北纬 39°30'～40°48'，共涉及北京市 11 个区，85个乡镇及街道办事处，1 601个村及社区，面积共计7 416.6 km2，占北京市总面积的45.19%。

图1 研究区位置Fig.1 Location of study area

由于北京湾过渡带具有山区-平原过渡带、乡村-城市过渡带、自然-人工生态系统过渡带的典型特征，本研究选择能直接代表自然生态系统质量的植被覆盖度（Vegetation Coverage，VC），代表人类活动干扰强度的土地开发程度（Land Development Intensity，LDI）开展生态系统服务梯度效应研究。其中土地开发程度为耕地和建设用地面积之和的比例，能够很好的反映人为干扰强度特征。研究所用数据时间为2015年，土地利用数据为基于 Landsat OLI的遥感解译数据，植被覆盖度基于Landsat OLI和HJ-1 CCD 遥感影像获得逐月的NDVI值，采用像元二分模型获得逐月植被覆盖度值[23]，进而采用最大值合成方法获得2015年植被覆盖度年值数据。从植被覆盖度来看，研究区平均植被覆盖度为 0.47，西北部植被覆盖度较高，特别是平谷区、密云区、怀柔区和昌平区靠近山区的部分，植被覆盖度多在0.50以上，自然生态系统特征较明显；而东南部植被覆盖度较低，如房山区和密云区靠近平原区的部分，植被覆盖度多在 0.50以下，多为耕地和建设用地。从土地开发程度来看，研究区整体开发程度约为 20%，西北部靠近山区的土地开发程度多在 10%以下，而东南部靠近平原区的部分可高达70%以上，呈现出明显的人为干扰梯度变化特征。

1.2 研究方法

1.2.1 生态系统服务评估

根据研究区特点、生态系统服务的关注程度和研究现状，选择1项供给服务：食物供给（Food Supply，FS），6项调节服务：水源涵养（Water Retention，WR）、水质调节（Water Quality Regulation，WQR）、空气净化（Air Quality Regulation，AQR）、碳存储（Carbon Storage，CS）、土壤保持（Erosion Control，EC）、土壤质量调节（Soil Quality Regulation，SQR），1项文化服务：休闲游憩（Recreation，Recre.）和1项支持服务：生物多样性（Biodiversity，Biod.），共 9种生态系统服务类型进行过渡带梯度效应研究，所用评估方法皆为目前较为成熟的方法，详细如下：

对于食物供给服务，Li等[24]研究表明农用地质量与作物产量之间存在线性相关关系，可用于表征食物供给服务。参考该方法原理，本研究利用北京农用地分等定级数据库中自然质量等指数乘以其对应的农用地面积来表示食物供给服务，该值为无量纲，越高说明供给能力越强。从而客观反映评价单元的产量水平，且在不同地区具可比性。数据源为北京农用地分等定级数据库和2015年北京市土地利用数据。

水源涵养服务评估采用水量平衡法，水源涵养量为降雨量（Pi）与地表蒸散量（E）和地表径流量（R）的差值。参考李盈盈 等[25]等方法，应用InVEST模型计算区域产水量，即（Pi-E）；应用SCS模型计算地表径流量R。降雨量数据来源于国家气象信息中心，土地利用数据采用2015年北京市土地利用数据，其他参数源于InVEST模型使用手册[26]，SCS模型参数参考北京本地研究[27]。

水质调节服务借助InVEST模型中Nutrient Delivery Ratio（NDR）模块来评估，本研究评估的营养物为N元素。模型详细说明及参数选取参考InVEST模型使用手册[26]，其中不同生态系统类型N元素的输出系数参考耿润哲等[28]的北京市本地化研究成果。

空气净化服务基于干沉降模型，以生态系统吸收大气中PM2.5的量来表征该服务。参考Nowak等[29]和陈龙等[30]方法和参数，PM2.5空间分布来源于《2015年北京市环境状况公报》。

碳存储服务基于生态系统的生物量和含碳系数评估，含碳系数按0.5计[31]。森林生态系统生物量参考王光华[32]基于北京本地调查数据建立的转换模型，利用北京市森林蓄积量调查数据转换得到其生物量。其他生态系统采用相关研究的生物量实测结果，汇总整理后分别取中位值乘以其在研究区的分布面积获得。各类型林地面积和蓄积量数据来源于北京市森林资源清查数据。

土壤保持服务以土壤保持量，即潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量的差值，作为生态系统土壤保持服务的评估指标。采用修正通用水土流失方程（RUSLE）计算，参考刘宝元等[33]建立的北京市各项因子的本地化参数评估。降雨数据来源为国家气象信息中心。

土壤质量调节服务主要表现为生态系统维持土壤生物活性、多样性以及生产力的作用。本文参考Maes等[34]方法，采用土壤有机碳含量表征生态系统维持土壤质量的能力。数据来源于中国寒区旱区科学数据网的土壤属性数据集。

休闲游憩服务借助研究区自然景点的分布密度来表示。自然景点数据从百度地图数据库中提取，去除其中重复记录和偏人文特色的景点。方法采用ArcGIS软件（版本10.1）的核密度分析模块（Kernel Density）进行分析。

生物多样性本质上具有空间化特征，但通过调查获取数据难度较大。本研究基于InVEST模型的生境质量模块（Habitat Quality）进行评估，该模块借助生境质量来反映生物多样性，通过评估研究区各种生境类型或植被类型的范围及其退化程度来表征该服务，模型原理及参数获取参见InVEST模型使用手册[26]。数据源为2015年北京市土地利用数据。

1.2.2 梯度效应分析方法

本研究将区域划分为1 km×1 km的栅格单元，随机选取栅格总数的 10%作为样本，以避免空间自相关性[35]，分析各生态系统服务随自然因子和人为因子变化的梯度效应。由于多种因子效应叠加的复杂性，生态系统服务与各因子并非简单的线性关系，本研究采用双变量散点图叠加局部加权回归（Locally Weighted Scatterplot Smoothing，LOWESS）对其梯度效应做初步判断，同时识别各服务随植被覆盖度和土地开发程度因子变化的突变点（Change Point），继而分析突变点之间各服务变化的梯度性，并对其趋势进行显著性检验。突变点识别采用R语言的IDetect包，该方法可识别一组连续变量中突变点的数量和位置，其原理和计算方法详见[36]，趋势性检验基于M-K非参数检验，采用R语言trend包。

1.2.3 区域划分及主导生态系统服务识别

生态系统服务的供给存在较大的空间差异性，为了制定政策时更具针对性，基于生态系统服务梯度效应识别的突变点，利用植被覆盖度和土地开发程度将北京湾过渡带划分为 4个生态分区。然后基于栅格尺度将各生态系统服务的供给值进行离差标准化，统计 4个生态分区每种生态系统服务供给的平均值，以区域平均值相对整个研究区平均值的倍数为半径做玫瑰图，展示并识别各分区的主导生态系统服务类型。

2 结果与分析

2.1 生态系统服务空间分布

由于每种生态系统服务的形成过程和影响因素各不相同，其空间分布有所差异（图2）。具体来说，北京湾过渡带的食物供给服务在研究区由西北向东南方向呈增加趋势，即山区供给较低，平原区供给较高，供给较高的区域主要位于房山区和密云区（图 2a）。水源涵养服务受降雨影响较大，研究区主要有 3个降雨中心，分别为东部的平谷密云交界区域、西南部的房山区和北部密云怀柔交界区域，这 3个区域的水源涵养服务相对其他地区较高（图 2b）。水质调节服务的空间分布与食物供给服务类似，在研究区内由西北向东南方向呈增加趋势（图2c）。空气净化服务与空气污染物浓度和生态系统类型密切相关，山区的区域空气污染物浓度较低，而平原区的区域生态系统质量较差，净化能力低下。由此造成了研究区内该服务在空间分布上呈现平原区和山区较低，而在中间过渡区域较高的独特格局（图 2d）。碳存储服务在研究区内由西北向东南方向呈降低趋势，即山区供给较高，城区供给较低，供给较高的区域主要位于密云区和平谷区（图 2e）。土壤保持服务同样受降雨影响较大，其空间分布与水源涵养相近，供给较高的区域主要位于西南部的房山区、北部怀柔和密云交界的地区和东部的平谷区（图 2f）。土壤质量调节服务主要受土壤碳含量的影响，无明显空间分布特征，供给较高的区域主要位于东部的平谷区和西南部的房山区（图 2g）；休闲游憩服务主要受自然景点影响，随自然景点的分布呈聚集分布，供给较高的区域主要位于西南部房山区、北部怀柔密云交界区域以及中部海淀区的部分乡镇（图2h）；生物多样性服务在研究区内由西北向东南方向呈降低趋势，较高的区域主要位于西南部的房山区和北部密云区（图2i）。

2.2 生态系统服务的梯度效应

2.2.1 植被覆盖度梯度

北京湾过渡带各生态系统服务随植被覆盖度梯度变化有所不同，总体来说，食物供给和水质调节随植被覆盖度增加而下降，休闲游憩无明显变化，其他服务随植被覆盖度增加而提升（图3）。具体如下：

食物供给服务和水质调节服务随植被覆盖度的变化近似，各自识别得到 2个突变点。食物供给服务随植被覆盖度变化的突变点分别为0.28和0.54（图3a），水质调节服务随植被覆盖度变化的突变点分别为0.25和0.53（图3c）。上述2种服务在2个突变点之间随植被覆盖度的升高都呈显著下降趋势（P＜0.05），而在两端则无显著趋势（P＞0.05）。

图2 北部湾过渡带生态系统服务空间分布Fig.2 Spatial distribution of ecosystem services in the transitional zone of Beijing Bay

水源涵养（图3b）、空气净化（图3d）和土壤质量调节（图3g）3种服务类型随植被覆盖度变化趋势近似，随植被覆盖度变化的突变点分别为 0.46、0.47和 0.45。上述 3种服务类型在突变点以下时随植被覆盖度的增加而显著提升（P＜0.05），超过突变点后无显著变化趋势（P＞0.05）。

碳存储服务和生物多样性服务随植被覆盖度的变化均识别得到 2个突变点。碳存储服务随植被覆盖度变化的突变点分别为0.37和0.55（图3e），生物多样性服务随植被覆盖度变化的突变点分别为0.18和0.56（图3i）。碳存储服务随植被覆盖度变化的 2个突变点并不改变其变化趋势，随植被覆盖度的增加始终呈显著提升趋势（P＜0.05）；而生物多样性服务随植被覆盖度变化在介于2个突变点之间时随植被覆盖度的增加呈显著提升趋势（P＜0.05），在突变点两端则无显著趋势（P＞0.05）。

土壤保持服务（图3f）和休闲游憩服务（图3h）随植被覆盖度的变化未识别突变点。但土壤保持服务随植被覆盖度的增加呈显著提升趋势（P＜0.05），而休闲游憩服务则无明显梯度效应（P＞0.05）。

2.2.2 土地开发程度梯度

北京湾过渡带各生态系统服务随土地开发程度变化与植被覆盖度大致相反，食物供给服务和水质调节服务随土地开发程度的增加而增加，休闲游憩服务无明显变化，其他服务类型随土地开发程度增加而下降（图4）。具体如下：

食物供给服务和水质调节服务总体随土地开发程度的提高而增加，各自识得的突变点为 25%（图 4a）和15%（图4c），但识别的突变点并不影响2种服务类型均随土地利用开发程度的提高而显著增加的变化趋势（P＜0.05）。

图3 北京湾过渡带生态系统服务随植被覆盖度梯度效应Fig.3 Gradient effects of ecosystem services with the vegetation coverage in the transitional zone of Beijing Bay

图4 北京湾过渡带生态系统服务随土地开发程度梯度效应Fig.4 Gradient effects of ecosystem services with land development intensity in the transitional zone of Beijing Bay

水源涵养（图4b）、碳存储（图4e）、土壤保持（图4f）、土壤质量调节（图4g）和休闲游憩（图 4h）5种服务类型随土地开发程度的变化均未识别得到突变点。休闲游憩服务随土地开发程度增加无明显变化趋势（P＞0.05），而其他4种服务类型则随土地开发程度的增加呈显著下降趋势（P＜0.05）。

空气净化服务（图4d）和生物多样性服务（图4i）随土地开发程度的增加均呈显著下降趋势（P＜0.05），识别得到随土地开发程度变化的突变点分别为31%和26%，但 2种服务类型识别得到的突变点不影响其总体下降趋势，仅表现出下降速率有所降低。

2.3 区域划分及主导生态系统服务识别

从图3和图4的结果可知，北京湾过渡带生态系统服务随植被覆盖度变化的突变点范围介于 0.45～0.56，随土地开发程度的突变点范围为15%～31%。根据影响因子突变点对各分区结果特征的表现情况，结合ArcGIS软件中自然间断点（Natural Breaks）分类结果和研究区实际情况的主观判断，选择突变点为 0.45的植被覆盖度和15%的土地开发程度将北京湾过渡带划分为 4类生态系统服务梯度效应区域（表1和图5）。

表1 北京湾过渡带生态系统服务梯度效应生态分区及特征描述Table 1 Ecological zoning and characteristics based on gradient effect of ecosystem services in the transitional zone of Beijing Bay

图5 北京湾过渡带生态系统服务梯度效应生态分区Fig.5 Ecological zoning based on gradient effect of ecosystem services in the transitional zone of Beijing Bay

玫瑰图清晰展示了北京湾过渡带各分区每种生态系统服务的相对供给水平，其半径表征每种服务相对于研究区整体供给水平的倍数，半径最长的生态系统服务即为该区域的主导服务（图6）。区域I植被覆盖度高，土地开发程度低，其食物供给和水质调节较低，分别为研究区整体平均水平的13%和 57%，而其他生态系统服务的供给较高，均超出研究区整体平均水平，该区域主导生态系统服务为土壤保持服务和碳存储服务，供给能力是研究区平均水平的1.44和1.25倍。区域II植被覆盖度和土地开发程度均较低，主导生态系统服务为生物多样性服务和休闲游憩服务，供给能力分别是研究区整体平均水平的1.11和1.05倍，而水质调节服务供给较低，为平均水平的75%。区域III植被覆盖度和土地开发程度均较高，主导生态系统服务为食物供给服务和空气净化服务，供给能力分别是研究区整体平均水平的1.28和1.24倍，土壤保持服务供给较低，为平均水平的 67%。区域IV植被覆盖度低，土地开发程度高，主导生态系统服务为食物供给服务和水质调节服务，供给能力分别是研究区整体平均水平的2.82和1.96倍，而其他服务均低于研究区整体平均水平，特别是土壤保持服务的供给，仅为平均水平的24%。总体来看，从区域I到区域IV，随着植被覆盖度逐渐降低和土地开发程度逐渐增加，主导生态系统服务从以调节服务为主转变为以供给服务为主，呈现一定的过渡性。

图6 北京湾过渡带不同生态分区生态系统服务供给水平Fig.6 Ecosystem service supply level in different ecological zoning of the transitional zone of Beijing Bay

3 讨 论

受多种自然因子和人为干扰因子影响，各生态系统服务供给的空间分布并不均匀[37-39]，通常存在空间异质性[40]，本研究所评估的 9种生态系统服务也呈现出这一特征。Yang等[41]对京津冀区域的研究发现，供给服务较高的区域常常耕地较多或人类活动较密集，而调节服务较高的区域通常位于植被覆盖度较高、人口密度较低的山区，这与本文研究结果一致，在其他研究结果中也得到证实[17,38]。此外，水质调节服务与食物供给空间分布相似，而与其他调节服务不同，是由于食物供给较高的区域通常为保证作物产量，其营养物质输入也较高，由此产生污染物的量也比其他生态系统类型高，导致其水质调节能力虽然较低，但净化量却较高，其分布格局与Chen等[42]采用同样方法对北京及周边生态系统的水质调节服务的评估结果一致。

生态系统服务的供给一般随着植被覆盖度的提高而增加，这在本研究与其他研究中都得到验证[17,43]。而土地开发通常会使自然生态系统消失或质量下降而导致生态系统服务降低，除个别案例由于城区植被状况较好，部分生态系统服务有所改善外[13-14]，土地开发程度的增加在多数情况下都会对生态系统服务的供给造成显著负面影响[44-45]。本文所评估的大部分生态系统服务都表现出这一特征（图4），不同的是本文从人为干扰程度出发，将耕地也考虑为土地开发程度，因此与其密切相关的食物供给和水质调节服务随土地开发程度的提高而呈增加趋势，与Xu等[16]采用相同思路所得研究结果一致。

此前研究多基于生态系统服务簇对研究区进行生态分区[41,43,46]。该方法优点是各区主导生态系统服务非常明确，然而仅基于生态系统服务而不考虑其他特征因子，其分区结果无法有效体现各区域的自然或人为因子特征，不利于政策落地。本研究从植被覆盖度和土地开发程度 2个指标出发，尝试利用生态系统服务梯度效应识别 2个因子的突变点进行分区，结果显示各分区自然状况和人为干扰状况各具特点，且各分区主导生态系统服务相近，利于政策实施。然而不足之处在于各生态系统服务的突变点不尽相同，甚至可能存在较大差别，划分过程具有一定的主观性，未来可考虑引入 GDP、人口密度、地形和气象等因子，提炼指标以综合反映当地自然和社会经济特征，减少主观性，使分区结果充分反映当地特征。北京湾过渡带是生态环境脆弱区和敏感区，是北京市政府关注的焦点区域，《北京城市总体规划（2016－2035年）》提出要加强浅山区生态修复和建设管控，构建浅山休闲游憩带，将浅山区建设成为首都生态文明示范区。基于相关规划要求和本研究成果，区域I人为干扰较小，植被条件较好，应始终坚持生态优先的原则，以生态保护工作为主，并提高现有生态系统的质量，增加其主导服务的供给。区域II则人为干扰较重，植被条件较差，人为破坏后尚未完全恢复，应以生态修复为主，实施低效林改造，提升纯林的生物多样性等，必要时实施封山育林，使人为干扰严重的区域尽快恢复到自然状态。区域III主要为山间村落，要紧密结合相关规划，适度发展生态主导的特色产业，提倡发展生态精品农业和高端民宿，提高休闲游憩服务的供给。区域IV为人类聚居区，根据相关规划，要加强规划建设管控，严控增量建设和开发强度，恢复生态用地，合理配置耕地，大力发展智能化都市型现代农业，保障首都粮食安全，在保证供给服务的同时提高调节服务的供给，同时适度发展生态旅游，增加休闲游憩服务的供给。

4 结 论

本研究以北京湾过渡带为研究区，基于生态系统服务形成的生物物理过程评估了 9种典型生态系统服务，对其梯度效应进行了评价。得到的主要结论有：

1）生态系统服务的形成过程和影响因素各不相同，导致其分布存在较大的空间差异。总体来说，受人类影响较大的生态系统服务，其供给较高的区域位于平原区；受生态系统及其生态过程影响较大的生态系统服务，其供给较高的区域位于山区。

2）除休闲游憩外，大多生态系统服务随自然因子和人类影响因子呈现出明显的梯度效应。总体来说，受耕地影响，食物供给和水质调节随植被覆盖度的提高而降低，随土地开发程度的提高而增加；其他生态系统服务则相反，随植被覆盖度的提高而增加，随土地开发程度的提高而降低。

3）基于生态系统服务随植被覆盖度和土地开发程度的突变点将北京湾过渡带划分为 4个区域，主导生态系统服务特征明显，从区域I到区域IV呈现出以调节服务为主转变为以供给服务为主的过渡性。

以北京湾过渡带现有规划为依据，结合本研究成果，可为各区域生态系统服务的优化管理策略提供依据。同时因地制宜，针对不同区域制定生态保护、生态修复和生态补偿政策，优化国土空间格局与山区生态经济发展模式，以促进当地生态系统的可持续发展。