水网乡村生态系统服务供需评价与空间格局优化——以澄湖西北片区为例

丁金华，刘筠琰

（苏州科技大学 建筑与城市规划学院，江苏 苏州 215011）

0 引言

生态系统服务是生态系统所形成和维持人类赖以生存和发展的环境条件与效用[1]。相关研究主要有生态系统服务价值评价方法的测评、比对及改进研究[2-3]，生态系统服务的时空演变特征、驱动因素研究[4-6]以及基于生态系统服务的供需关系研究等[7]。目前从生态系统服务供需关系视角研究空间发展问题受到国内外研究者的重视[8]。生态系统服务供需特征分析，可为空间发展引导和规划提供客观依据，对实现区域生态安全和社会经济可持续发展具有重要推动作用[9-10]。国外研究方向主要集中在运用矩阵法进行生态系统服务供需匹配空间分析[11]，运用生态过程模拟模型研究生态系统服务供需时空分布以及供需流通[12]，运用生态足迹法研究区域范围内生态系统服务供需关系等[13]；国内研究方向主要有流域生态系统服务空间演变及关联性研究[14]，通过供需耦合协调度模型定量评价生态系统服务供需关系[15]，基于生态系统服务供需关系进行区域韧性规划研究[16-17]等。

现有生态系统服务供需研究主要侧重于量化方法研究和时空变化及驱动因素的综合研究[18-19]；结合生态系统服务供需关系进行空间格局优化的研究目前还不多，且研究内容主要集中在人口密度高的城市区域[20-21]；对乡村地区，尤其是针对具有典型水网生态特征的苏南乡村地区的研究还相对较少。苏南地区有着典型的水网生态特征，受城镇化影响，水网密布的乡村空间生态安全面临极大挑战。本文基于生态系统服务供需视角，选取具有典型苏南水网乡村特征的澄湖西北片区作为研究区，运用当量因子法和土地开发指数分别对生态系统服务供给价值和需求量进行定量评价[22-23]；将供给价值与需求量通过Z-score 模型和协调度模型分别进行生态系统服务供需匹配分析与供需协调度分析，总结生态系统服务供需关系的空间分布特征[24-25]。基于此，从景观生态格局构建、生态功能管控规划以及生态技术运用三个方面提出空间格局优化策略，以期为新型城镇化背景下水网乡村空间规划管理提供新思路。

1 研究区概况

研究区域位于江苏省苏州市吴中区甪直镇澄湖西北片区，东经120.78°，北纬31.25°，占地19.44 km2。研究区属于平原地貌，地势平坦、水网发达；气候类型为亚热带季风气候；产业以生态渔业、水稻种植为主；聚落临水而建，大部分农房屋舍具有典型的苏南水网乡村特色风貌。受城镇化影响，基地面临着水乡传统景观逐渐消退、建设用地大量侵占生态空间、水系在片区中发挥的作用逐渐弱化等问题，基地内生态空间未得到很好的保护和利用，澄湖西北片区现状空间格局很难发挥其生态本底应有的生态效益（图1）。

图1 澄湖西北片区区位图

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究所采取的土地利用数据来源于苏州市2020年Landsat8 OLI 传感器影像，人口、经济和社会等数据来源于地理国情监测云平台（http://www.dsac.cn）、江苏政务服务网（http://wzlzz.jszwfw.gov.cn）、《吴中年鉴（2020）》。在数据预处理中，结合《土地利用现状分类标准》（GB/T 2010—2017）将澄湖西北片区土地利用类型划分为耕地、林地、园地、草地、湿地、坑塘水渠、河流湖泊、住宅用地以及其他建设用地（图2）。并结合甪直镇土地利用总体规划以及实地走访调研，运用ArcGIS 10.2与ENVI5.3对影像进行几何校正、辐射校正、人工目视解译，获取澄湖西北片区土地利用现状。

图2 澄湖西北片区土地利用现状

2.2 研究方法

2.2.1 生态系统服务供给评价

本文基于当量因子法对生态系统服务供给价值进行评价。当量因子法是根据现有文献研究并结合研究区实际情况，在区分不同用地类型和不同生态系统服务类型的基础上，基于不同用地类型上各类生态系统服务的价值当量，结合空间分布面积进行供给价值评价的方法[26-27]。本文依据千年生态系统服务评价（MA），将生态系统服务分为供给服务、调节服务、支持服务和文化服务四大类[27]，根据相关研究文献爬梳、卫星影像分析以及实地走访调研，将澄湖西北片区生态系统服务进一步细分为食物生产、水资源供给、气体调节、水质净化、水文调节、土壤保持、生物多样性、景观美学八个小类。考虑到澄湖西北片区与全国范围生态系统服务当量因子之间的差异，结合澄湖西北片区统计年鉴中的相关数据对中国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。当量系数修正公式为：

式中：λi为第i类服务的修正系数，Ji为反映该类型服务特征指标的澄湖西北片区平均水平，Qi为反映该类型服务特征指标的全国平均水平。

生态系统服务当量价值计算公式为：

式中：Ei为第i类土地利用类型修正后的价值当量，Eoi为第i类土地利用类型全国平均的服务功能当量，λi为第i类服务的修正系数。

基于ArcGIS 平台，根据修正后的当量因子系数结合土地利用分布情况对生态系统服务价值进行定量评价。单位面积当量因子法生态系统服务供给价值评价公式为：

式中：ESVij为第i类生态系统第j类生态服务功能供给价值，Kij为第i类生态系统单位面积对第j类生态服务功能修正后的价值当量，Si为第i类土地生态类型的面积。

2.2.2 生态系统服务需求评价

生态系统服务需求表示人类社会消耗（能够获得的）或者希望获得的生态系统服务的数量，它与人类活动对土地开发的强度和干扰程度有直接关系。现有研究主要运用土地开发指数（land development index，LDI）来量化生态系统服务需求。一般选取人口密度、土地利用综合程度和地均GDP 三个指标，借助统计学中取自然对数的方法计算土地开发指数[15,22,28]。其中，人口密度反映了生态系统服务需求的数量（广度），单位人口数量与生态系统服务需求成正比；土地利用综合程度表示人类对土地开发强度的大小，反映了生态系统服务需求的消耗强度，开发强度大小与生态系统服务需求成正比；地均GDP 表示地区的富裕程度及生产力发达程度，反映了生态系统服务需求的潜在深度，地区发达程度与生态系统服务需求成正比。由于人工建设区与自然用地间在人口密度与地均GDP 上数值差距波动过大，因此采取自然对数的方法，在不影响整体分布趋势的前提下减少指标波动。

土地开发指数计算公式为：

式中：LDI代表评价单元土地开发指数；X1、X2、X3分别代表评价单元的土地利用综合程度、人口密度、地均GDP。

2.2.3 生态系统服务供需关系分析

根据生态系统服务供给价值和需求量评价结果对生态系统服务供需空间匹配情况和供需协调度两项指标进行生态系统服务供需关系研究。

（1）生态系统服务供需关系匹配分析。根据生态系统服务供给价值与需求量，经过Z-score 标准化，通过空间拟合对比，得出高供给高需求、高供给低需求、低供给高需求和低供给低需求四种分异情况的空间分布特征。将各栅格内的生态系统服务供需量利用方差进行Z-score 标准化[23]，将研究区域供给（需求）标准方差值大于等于0 的区域设为高供给（需求）区域，小于0 的区域设为低供给（需求）区域，分别对澄湖西北片区生态系统服务供给需求标准方差值高低进行空间拟合，得出四种供需匹配关系空间分异情况。

Z-score 标准化方法计算公式为：

式中：x为标准化后的生态系统服务供给（或需求）量；xi为第i个单元的生态系统服务供给（或需求）量；s为澄湖西北片区供给（或需求）量的标准差；为澄湖西北片区供给（或需求）量的平均值。与s的计算公式为：

（2）生态系统服务供需关系协调度分析。供给价值和需求量运用耦合协调模型进行定量化计算，运用自然断点法对协调度值进行分段，得到重度失调、轻度失调、基本平衡、初步协调和高级协调五种供需协调程度的空间分布情况[15]。根据澄湖西北片区生态系统服务供需量，运用供需协调度模型，计算澄湖西北片区生态系统服务供需协调度指数，按自然断点法将生态系统服务供需协调度划分为五个等级，即严重失调、轻度失调、基本平衡、初级协调、高度协调[15]。

生态系统服务供需协调度计算公式为：

式中：K是协调度指数；C是耦合度指数；S供为供给价值；D需为需求量。

具体研究思路如图3 所示。

图3 研究思路

3 澄湖西北片区生态系统服务供需关系研究

3.1 澄湖西北片区生态系统服务供给评价

本文运用当量因子法进行生态系统服务供给评价。基于谢高地等[18]研究中的中国陆地生态系统服务价值当量因子表以及生态系统服务价值化改进方法，结合《吴中年鉴（2020）》以及澄湖西北片区实地调研情况，将澄湖西北片区生物量与全国生物量通过公式计算得出的修正系数并基于此进行价值当量修正，最终得到修正后的澄湖西北片区生态系统服务价值当量（表1）。将修正后的生态系统服务价值当量结合澄湖西北片区生态系统空间分布情况，运用单位面积当量法进行评价，并对单个栅格内生态系统服务供给价值由高至低进行颜色区分（图4）。

图4 澄湖西北片区生态系统服务供给评价

表1 澄湖西北片区生态系统服务价值当量

根据研究可以得出，因为苏南地区乡村水网发达，自然用地占比大，澄湖西北片区生态系统服务供给价值情况整体良好，空间上呈现东高西低、南高北低的状态。其中倪家浜、大姚区域水域面积占比大，是供给价值最高的区域；此外，三马村、油车浜、沈家荡用地类型以耕地为主，生态系统服务供给价值较高；陆庄泾、杨家桥、沙浜受城镇化影响最大，其他建设用地占比最高，生态系统服务供给价值最低。

3.2 澄湖西北片区生态系统服务需求评价

通过地理国情监测云平台、江苏政务服务网、《吴中年鉴（2020）》以及实地调研情况获取澄湖西北片区人口密度、土地综合利用程度和地均GDP 三个指标数据[22]，构建土地开发指数（LDI），通过ArcGIS10.2 平台运用栅格计算器进行评价，并对单个栅格内生态系统服务需求量由高至低进行颜色区分（图5）。根据研究可以得出，澄湖西北片区生态系统服务需求量普遍偏低，杨家桥、三姑村、沙浜等受城镇化影响较大的区域，其生态系统服务需求相对较高。

图5 澄湖西北片区生态系统服务需求评价

3.3 澄湖西北片区生态系统服务供需关系评价

3.3.1 澄湖西北片区生态系统服务供需关系匹配评价

根据生态系统服务供给价值与需求量，经过Z-score标准化，通过空间拟合对比可以得出澄湖西北片区生态系统服务供需不匹配问题比较明显，不匹配空间分布区域较广（表2、图6）。其中，生态系统服务供需匹配关系为高供给高需求区域的分布状态较为零散，主要分布在研究区南侧；高供给低需求区域的分布较为集中，主要分布在三马村东侧、三姑村南侧以及油车浜北侧；低供给低需求区域面积较小、分布零散，主要分布于油车浜东侧、陈家港东侧；低供给高需求区域的分布较为零散，主要分布在杨家桥、陆庄泾北侧。研究表明由于当前空间格局对生态斑块的影响较大，澄湖西北片区生态系统服务供需空间分异问题比较突出，供需不匹配区域较多，可通过空间格局优化来提升生态系统服务供给价值及稳定性。

图6 澄湖西北片区生态系统服务供需匹配关系

表2 澄湖西北片区生态系统服务供需匹配分析

3.3.2 澄湖西北片区生态系统服务供需关系协调度评价

将澄湖西北片区生态系统服务供给价值与需求量，通过耦合协调模型研究得出澄湖西北片区生态系统服务供需关系协调度评价结果（表3、图7）。澄湖西北片区生态系统服务供需协调度主要为基本平衡；高度协调占比较少，主要分布在倪家浜、大姚区域；轻度失调区域主要为城镇化影响较大区域，如杨家桥、沙浜；严重失调区域主要为受人工干预最大且自然用地极少的区域，如陆庄泾、三姑村。研究表明，澄湖西北片区生态系统服务协调度各区域差别较为明显，失调区域相对集中，可以通过分级管控措施有效保护和改善乡村生态基底。

图7 澄湖西北片区生态系统服务协调度分析

表3 澄湖西北片区生态系统服务供需协调度分析

4 基于生态系统服务供需视角的空间格局优化

4.1 景观生态安全格局构建

基于生态系统服务供需空间分布情况，构建良好的景观生态安全格局，可以平衡生态系统服务供需，保障区域生态安全。研究表明，目前澄湖西北片区生境破碎化问题明显，生态斑块之间缺少交流通道，导致部分区域生态系统服务供需失调。因此，构建高效完整的景观生态安全格局，增加各斑块之间的生态系统服务流通，对平衡生态系统服务供需，实现澄湖西北片区生态安全是十分必要的。本文将根据生态系统服务供需关系结合研究区生态特征，构建景观生态安全格局，增强各斑块之间的关联性，充分提升水网系统功能，增加生态系统服务流通性，使得供给盈余区域的服务向需求过高的区域转移，通过高效的生态流通达到空间上生态系统服务供需平衡的目的。

4.1.1 生态源地识别

生态源地是生态系统服务流通的源头，应选取可提供较高生态系统服务供给的区域作为生态源地。根据前文研究，选取生态系统服务供需协调且供给价值高的区域作为生态源地，根据卫星遥感影像分辨具体用地情况对生态斑块进行整合并确定其边界，并对这些区域采取生态保护措施，限制人工开发建设，以保障其高效稳定的生态系统服务功能，充分发挥其生态作用。

4.1.2 生态廊道提取

生态廊道是生态系统服务供需流通的载体。分析发现，研究区域内生态系统服务供需协调区与失调区分散割裂，生态服务流通受阻。因此，基于识别生态源地及供需失调区域，并结合水网分布特征提取生态廊道，将生态源地与供需失调区域通过生态廊道进行串联，连通各斑块之间的生态通道。选取可连接生态源地的主要河流水系作为一级生态廊道，以小型河道沟渠作为二级生态廊道构建生态廊道网络。通过疏通连接水网、拓宽绿道、建设生态驳岸等手段构建完整的生态廊道网络，充分发挥生态源地的生态效益。

4.1.3 完善生态安全格局

在生态源地识别、生态廊道提取的基础上，补充选取生态系统服务供需基本平衡的区域作为生态节点，对高需求低供给区域因地制宜加强生态修复，根据水网特征建设人工湿地，完善生态节点作为廊道源地间的生态补充空间，提升生态系统服务供给能力，并通过增加生态系统服务供需空间连通性，平衡服务供需，保障澄湖西北片区生态安全（图8）。

图8 澄湖西北片区景观生态格局

4.2 生态功能分区管控规划

研究表明，澄湖西北片区供需失调区域较为集中，生态系统服务高质量区域分布比较零散，生态源地面积较小，难以保障持续稳定地提供生态系统服务。通过对澄湖西北片区生态系统进行分级管控，针对不同生态功能分区，提出相应的功能管控规划策略，以减轻受人类活动、经济建设影响的生态本底较弱区域的需求压力，稳定区域生态系统服务的供需平衡。

4.2.1 一级管控区

澄湖西北片区南侧区域受城镇化影响小，水网密集，生态本底好，生态系统服务供需协调度较高，可将其作为一级管控区，主要以生态保护为主，通过整合生态斑块，限制人工建设等手段维持并逐步提高其原有的高质量生态系统服务。结合具体生态服务供需特征和实际土地利用情况，进一步划分为生产调蓄区、水源涵养区、生态净化区三个生态功能分区。

4.2.2 二级管控区

澄湖西北片区东北侧区域生态系统服务供需相对平衡，可将其作为二级管控区，主要以缓冲过渡为主。根据具体发展情况对区域规划作出调整，充分发挥其生态系统服务特征，提高供需协调度。结合生态需求、供需匹配情况，进一步划分为缓冲过渡区和生态修复区。

4.2.3 三级管控区

将生态系统服务供需失衡区域占比最多的西北侧区域作为三级管控区，加强人工生态修复，改善供需失调的现状。根据其具体生态特征、建设需求，进一步划分为综合建设区和景观休闲区。最终将澄湖西北片区划分为一至三级控制管理区域以及七个生态功能分区，如表4 和图9 所示。

表4 澄湖西北片区生态系统供需特征及生态功能管控规划

图9 澄湖西北片区生态功能分区管控

4.3 生态技术运用

研究表明，澄湖西北片区内生态系统服务供需高度协调空间较少，部分区域供需严重失调，生态本底未得到很好的利用。因此，运用生态技术对潜在的生态系统服务节点进行整合和优化，对提升澄湖西北片区生态系统服务效益、提高生态系统服务供需协调度很有必要。

4.3.1 自然本底修复

目前澄湖西北片区水系断流、破碎情况严重，造成生态系统服务供需协调度低。应将河流沟渠进行清淤疏通，并将形态散碎的小型坑塘湖泊进行整合优化，得到完整通畅的水网系统。在受经济建设影响最大、生态系统服务供需失调状况最严重的区域如澄湖西北片区西侧吴淞江沿岸，应加强自然本底修复，提升生态系统服务供给能力，以满足区域生态系统服务需求。

4.3.2 生态设施规划

通过完善生态设施规划、落实生态技术应用，平衡协调澄湖西北片区生态系统服务供需关系，以发挥生态系统服务的最佳效能。如图10 所示，可将供需高度协调的区域设为涵养保护区，结合生态保护设施进行农业污染物处理、水源保护等，对其进行充分保护以维持其高效的生态效益；可将提供较高调节、支持服务的区域设为调蓄维育区，结合低影响开发设施进行水源保护、净化、收集，以维持湿地、水域等生态斑块的生态系统服务质量；可将供需初级协调且供给、调节服务价值较高的区域设为净化管控区，结合生态保护设施和生态调蓄设施提升该区域生态系统服务供给效能；对于文化服务供给较高的区域，在保护生态环境的同时，可结合文化服务设施进行景观游憩设施建设。

图10 澄湖西北片区生态技术运用

5 结论

苏南乡村地区水系发达、气候温和，自然基底较好，可提供较高质量的生态系统服务；同时苏南地区人口密度高、经济发达，社会经济活动对自然基底的干扰较大。受城镇化影响，苏南水网乡村受到了外部社会经济活动的冲击，现有空间格局难以满足其生态环境可持续发展需求。本文以澄湖西北片区为例，根据水网乡村特征及生态系统服务供需关系评价体系，定量评价澄湖西北片区生态系统服务供需关系及空间分布特征，基于此分析澄湖西北片区现有空间格局存在的生态系统服务供需失衡现象，通过景观生态安全格局构建、生态功能分区管控规划及生态技术运用三个方面，优化水网乡村空间格局，以达到平衡生态系统服务供需、提升生态效益的目的。

目前本文生态系统服务供需关系的定量分析数据主要来源于静态的土地利用现状与统计年鉴数据，未来可考虑评价多年生态系统服务供需并进行时空格局变化分析，进一步考虑各生态系统服务之间的权衡协调关系，更加科学地研究经济社会系统与自然生态系统之间的复杂关系，以提升研究结果的全面性、客观性。