基于供需可达性空间耦合的生态优化分区和管控研究

摘要：【目的】基于生态服务供需可达性，探究生态系统与社会经济系统的空间耦合，为国土空间规划中的生态空间优化和分区管控提供定量依据。【方法】以常州市金坛区为研究区，首先评估其生态服务价值并计算生态服务供需比，利用改进潜能模型得到生态供给可达性进而评价生态供需协调度；其次叠加生态服务供需比和供需协调度得到生态优化区；最后借助PLUS模型进行情景模拟，根据两类情形下生态供给能力响应差异提出各分区管控策略。【结果】研究区内生态供需耦合空间分异明显，可划分为供需协调保护区、供需匹配保育区、供需拮抗培育区、供需损益补偿区4类生态优化区，面积占比分别为47.3%、18.8%、23.1%、10.8%，供需管控实施重点分别为：继续保护增强生态服务供给能力，维护生态供需优质协调状态；保护培育区内生态服务供给能力，继续提升生态供需协调匹配程度；大力提升区内生态供给的质和量；严禁生态占用和破坏。供需管控情形下研究区生态服务供给能力得到优化提升，相较于自然发展情形提升15.6%。【结论】基于供需可达性空间耦合的生态优化分区，能更有效地把握区域生态供需空间分异和管控实施重点。

关键词：生态优化分区；国土空间规划；可达性；生态服务供需；耦合协调；PLUS模型；常州市金坛区

中图分类号：X321"""""" 文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1000-2006（2024）06-0210-07

Ecological optimization zoning and management based on the spatial coupling of supply and demand accessibility in Jintan District，Changzhou City

L Chengxiang1，HU Xiuyan2， WU Yang2， YIN Qiqi1， ZHANG Zhifei1， QIN Wendong1， WANG Junxiao3， ZHOU Shenglu1

（1. The Key Laboratory of Coastal Zone Exploitation and Protection， Ministry of Natural Resources， School of Geographic and Oceanic Sciences， Nanjing University， Nanjing 210023， China; 2. Jiangdu Branch of Yangzhou Natural Resources and Planning Bureau， Yangzhou" 225200， China; 3. School of Public Administration， Nanjing University of Finance and Economics， Nanjing 210023， China）

Abstract： 【Objective】Territorial spatial planning is crucial for building ecological civilization， with ecological space optimization and zoning management serving as the foundation for effective planning. 【Method】 The study area was Jintan District in Changzhou City. First， we evaluated ecological service values and calculated the ecological service supply-demand ratio. We then assessed the ecological supply-demand coordination degree using an improved potential model to determine ecological supply accessibility. Next， we superimposed the ecological service supply-demand ratio and coordination degree to identify ecological optimization zones. Scenario simulations were conducted with the PLUS model， and control strategies were proposed based on the differences in ecological supply capacity responses between the scenarios. 【Result】The study area showed significant spatial variation in ecological supply and demand coupling. We identified four types of ecological optimization zones： supply and demand coordination protection zone （47.3%）， supply and demand matching conservation zone （18.8%）， supply and demand antagonism cultivation zone （23.1%）， and supply and demand loss and gain compensation zone （10.8%）. The focus of supply and demand control should be： continuing to protect and enhance ecological service supply capacity， maintaining the coordination of supply and demand quality; protecting and cultivating regional ecological service supply capacity， and improving supply and demand coordination; significantly increasing the quality and quantity of regional ecological supply; and strictly prohibiting ecological occupation and destruction. The supply and demand control scenario improved ecological service supply capacity by 15.6% compared with the natural development scenario. 【Conclusion】Ecological optimization zoning based on spatial coupling of supply and demand accessibility effectively addresses regional ecological supply and demand differentiation and prioritizes control implementation.

Keywords：ecological optimization zoning; territorial spatial planning; accessibility; supply and demand of ecological services; coupling coordination; PLUS model; Jintan District of Changzhou City

国土空间规划是生态文明建设的重要支撑，生态空间优化和分区管控则是国土空间规划的重要基础[1]。当前生态空间优化大多通过生态网络构建实施，重点集中于生态系统功能内部的连通性[2]，虽模拟了生物迁移路径但对人这一生态服务对象则重视不足，忽略了生态系统和社会经济系统的空间耦合。已有学者强调生态网络构建的目的是为可持续的城市化服务[3]，应从景观内部单一供给角度向生态服务供需关系视角转变[4-5]。生态服务供给指生态系统在特定时空中所能提供的生态产品和服务的数量，生态服务需求指人类消耗或期望消耗的生态服务的数量[6]。通过对生态服务供需平衡状况与空间匹配特征分析，可为生态系统与社会经济系统的空间耦合提供定量依据[7]。

当前生态服务供需分析方法多以土地利用斑块类型体现供需差异与规模[8-9]，而国土空间规划则要求从地类向空间管控转变[10]，应考虑距离即区位因素对生态服务供需的影响。同时现有研究表明，生态服务供需具有空间不均衡性与空间不匹配的问题[11]，引入可达性有助于把握生态服务供需空间分异。可达性的概念涉及两地之间的距离因素，即在一个特定区域内，从一个地方到达另一个地方的容易程度，包括克服两地空间阻隔的通行形式。其评价模型多样，包括最近距离法、交通成本加权法、潜能模型法、两步移动搜索法等[12]。可达性测度本质上是一种基于距离加权衡量空间相互作用的方法，生态服务的可达性度量了生态服务功能在供需间传递的空间规律[13-14]，应考虑生态服务可达性与供需分析相结合的方法揭示生态供需空间耦合机制。通过生态供需空间耦合特征进行生态空间分区规划，对明确管控重点、实施有效管理，进而促进国土空间格局优化有重要意义。

基于此，本研究以常州市金坛区为例，在生态服务供需核算的基础上，结合改进潜能模型评价生态供给可达性，探究生态系统与人居系统供需空间耦合的生态优化分区和管控策略。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

常州市金坛区（119°17′～119°44′E，31°33′～31°53′N）位于江苏省南部，全区面积975.5 km2，地势呈现西高东低，土地利用类型多样。境内平原地形条件优越，耕地分布广泛。水域有长荡湖和钱资荡两大湖泊，西部地区为丘陵山地，富有林地、园地资源。2018年末，金坛区常住人口56.2万人，国内生产总值801.9亿元，城镇化率62.5%。金坛区内生态资源丰富，土地类型与空间规模配置多样，为研究提供了丰富的物质基础。

1.2 数据来源

数据包括5种：①土地利用类型与面积数据（2009、2014、2018年）来源于金坛区土地利用变更调查数据库；②DEM高程数据来源于地理空间数据云平台（http：//www.gscloud.cn），分辨率为30 m×30 m；③土壤数据（土壤类型与侵蚀度）、气象数据（年均气温和年均降水量）与社会经济数据（GDP与人口密度）来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn），分辨率为1 km×1 km；④水系与湖泊数据来源于全国地理信息资源目录服务系统（https：//www.webmap.cn）提供的1∶100万全国基础地理数据库，分辨率为1 km×1 km；⑤道路交通矢量数据来源于OSM网站（http：//www.openstreetmap.org）提取的2018年道路网络数据，根据JTGB—2014《中华人民共和国公路工程技术标准》中不同等级道路和速度标准，设定速度分别为高速公路100 km/h，一级公路80 km/h，二级公路60 km/h，三级公路40 km/h，四级公路20 km/h，其他道路5 km/h。将以上栅格数据在ArcGIS中进行预处理后均转换为30 m×30 m的栅格数据。

1.3 研究方法

首先以当量因子法对常州市金坛区生态服务价值进行核算，并计算生态服务供需比；利用改进潜能模型得到研究区生态供给可达性，进而评价生态供需协调度。其次叠置分析生态供需协调度和供需比，揭示研究区生态供需空间耦合特征，并据此进行生态优化分区。最后借助PLUS模型进行情景模拟，根据自然发展和供需管控情形下生态供给能力响应差异提出各分区管控策略。研究技术路线见图1。

1.3.1 生态服务供需核算与供需比计算

基于土地利用数据（图2a），以研究区生态服务价值表征生态服务供给（图2b），人口密度表征生态服务需求（图2c），行政村作为研究单元。参考谢高地等[15]和Costanza等[16]的研究基础上提出的生态服务价值当量表及生态服务功能分类方法[17-18]，得到研究区生态服务价值当量因子（表1）。其中：水浇地当量因子取水田和旱地的均值；园地取林地和草地相应当量因子的均值；水域中水库水面和湖泊水面性质相近，取水系生态的当量因子，内陆滩涂取湿地的当量因子；建设用地本身不具备生态及调节功能，当量因子设置为0；其他用地中空闲地的当量因子取荒漠与草地的均值。

依据1 a内单位面积农田自然粮食产量价格为1个生态服务当量的经济价值，得到研究区的当量因子价值量（E）为3 578.70 元/hm2。根据研究区当量因子及地类面积得到生态服务价值（VES），据此计算生态服务供需比（RSD）。

E=17×Y×U;

（1）

VES=∑（E×VC，k×Sk）;

（2）

RSD=VESP。

（3）

式中：E为当量因子价值量；Y为常州市2018年平均粮食单产量，取7 137 kg/hm2;U为粮食单价，取3.51元/kg；1/7为系数，指在没有人力等外在因素的影响下农田自然产生的生态经济价值；VES为生态服务价值，元；k为地类；VC，k为当量因子；Sk为地类k的面积，hm2；RSD为生态服务供需比；P为人口密度，人/km2。

1.3.2 生态供给可达性计算

采用潜能模型度量可达性[19]，一般潜能模型中，没有考虑供给规模与需求规模的影响，经不同学者引入规模影响因子[20]，得到改进模型，其计算结果表明了生态系统可为单位人口提供的生态服务价值量。

Ai=∑nj=1Mj/（Vj×Dβij）；

（4）

Vj=∑mk=1P/Dβij。

（5）

式中：Ai为第i个单元的生态供给可达性；Mj为第j个单元的生态服务功能大小，用生态服务价值表示；Vj为需求规模影响因子；Dij为供需单元i和j间的出行阻抗，用出行时间表示；β为出行摩擦系数；n，m为供需单元个数。

1.3.3 考虑可达性的生态供需协调度评价

生态供给可达性表明了生态系统服务实际可供应的生态服务价值量，结合生态服务需求进行供需匹配分析。利用耦合协调度模型得到生态供需协调度，采用离差标准化方法进行归一化[21]，修正后的公式如下：

yi=（xi-xmin）/（xmax-xmin）；

（6）

C=[1-（A-PS）2]×min（A，PS）max（A，PS）；

（7）

T=α×A+β1×PS；

（8）

D=C×T。

（9）

式中：yi为标准化值，数值区间为[0，1]；xi为第i个单元的输入数据；xmin为最小值，xmax为最大值，本研究两个变量均为正向指标；C为生态供需协调度；A为生态供给可达性标准化值；PS为人口密度标准化值；min（A，PS）和max（A，PS）分别为二者间最小值和最大值；T为综合调和指数，用A和PS算数平均值表示；α和β1为待定权重，因供给与需求同等重要，故取α=β1=0.5;D为协调发展度。

1.3.4 基于供需可达性空间耦合的生态优化分区

考虑可达性的生态供需协调度C反映了生态服务实际供应和需求的空间协调匹配状况，参考相关研究[21]将结果划分为优质协调、中度协调、濒临失调、中度失调、严重失调5个类型。生态服务供需比RSD反映了生态服务潜在供应对需求的空间承载能力，对生态供需协调度结果进行补充，参考《生态保护红线划定技术指南》中生态服务分位数分级方法及相关研究[22]将结果划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 5个等级。

将以上结果在ArcGIS中进行空间叠加分析，依据生态供需空间匹配与差异特征将研究区划分为供需协调保护区、供需匹配保育区、供需拮抗培育区、供需损益补偿区4类生态优化分区。供需协调保护区指供需优质协调、供给能力最强的区域，由RSD为Ⅰ级和优质协调型区域共同组成；供需损益补偿区指供给能力最弱、供需匹配失调的区域，由RSD为Ⅴ级和严重失调型区域组成；供需匹配保育区指供需中度协调、供给能力一般的区域，由上述两类分区之外的RSD包括Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级和中度协调型区域组成；供需拮抗培育区指供需处于失调状态、供给能力一般的区域，由上述3类分区之外的区域组成。

1.3.5 生态服务供给能力响应情景模拟

选用PLUS模型进行情景模拟，以2009、2014、2018年3期土地利用数据为基础，参考文献[23-24]，选取15种土地利用变化驱动因子：到一级道路、二级道路、三级道路、县城驻地、水系、湖泊以及自然保护区的距离，年均气温、年均降水量、高程、坡度、土壤类型、土地侵蚀度，以及GDP和人口密度。将预处理后的数据导入PLUS模型得到土地利用转移概率。以2009年土地利用分布为基准，在PLUS模型中模拟2018年土地利用分布，将模拟结果与2018年实际数据比对，结果表明PLUS模型总体精度为71.1%，Kappa系数为0.613。在此基础上设置自然发展与供需管控两种情形对2027年土地利用分布情况进行模拟。

自然发展情形延续2009—2018年土地利用变化趋势，不进行参数调整。供需管控情形中，将供需协调保护区设置为限制转化区域。供需匹配保育区和供需拮抗培育区的土地利用转移概率分别以2014和2009年为基准进行限制概率计算，并镶嵌至原概率栅格上，按各类用地生态服务供给能力高低排序：水域、园地、林地、草地、耕地、其他用地、建设用地，限制原则为不允许顺序在前向在后的地类转移。供需损益补偿区不进行参数调整。据此模拟2027年土地利用分布状况进而评估生态服务供给能力响应差异。

2 结果与分析

2.1 生态供需协调度与供需比评价结果

利用耦合协调度模型计算生态供需协调度C，将结果划分为优质协调[0.8，1.0]、中度协调[0.6，0.8）、濒临失调[0.4，0.6）、中度失调[0.2，0.4）、严重失调[0，0.2）5个类型，面积占比分别为36.2%、28.3%、25.1%、4.5%、5.9%（图3a）。研究区生态供需协调度均值为0.685，整体状态中度协调。供需协调类型以优质协调型和中度协调型为主，主要分布于研究区中部和东部的平原地区，以耕地和水域为主。濒临失调型区域主要分布于南部长荡湖、北部天荒湖和东部丘陵山地区，以水域和园地为主。中度失调型和严重失调型区域比例较少，主要分布于建成区、西部丘陵山地和东部地区，以建设用地和园地为主。

将生态服务供需比RSD结果划分Ⅰ[≥21.0）、Ⅱ[14.6，21.0）、Ⅲ[10.9，14.6）、Ⅳ[6.8，10.9）、Ⅴ[0，6.8）5个等级，面积占比分别为13.6%、20.9%、17.3%、31.9%、16.3%（图3b）。研究区生态服务供需比Ⅰ、Ⅱ级区域主要分布于南部长荡湖、北部水系和西部丘陵山地区，以水域、林地为主，耕地为辅。Ⅲ、Ⅳ级区域主要分布于中部平原地区，以耕地、园地为主，水域为辅。Ⅴ级区域分布于建成区，以建设用地为主。

2.2 生态优化分区结果

将生态供需协调度C与供需比RSD结果进行空间叠加分析，依据优化分区方法得到研究区生态优化分区结果（图4）。

供需协调保护区共计461.4 km2，占全域面积的47.3%。该区生态服务供给能力最强，供需匹配优质协调；土地利用类型主要以耕地、水域为主，并由部分林地和园地等组成。该区管控实施重点应继续保护以增强生态服务供给能力，维护生态供需优质协调状态。供需匹配保育区共计183.2 km2，占全域面积的18.8%。该区生态供需匹配中度协调，生态供给能力较强；土地利用类型主要包括耕地、水域和园地。该区管控实施重点应保护培育区内生态服务供给能力，继续提升生态供需协调匹配程度。供需拮抗培育区共计225.6 km2，占全域面积的23.1%。该区生态供需协调度较低，处于拮抗阶段，生态服务供给能力较弱；土地利用类型以园地和林地为主，耕地和水域为辅，并由部分建设用地组成。该区管控实施重点应大力提升区内生态服务供给的质和量。供需损益补偿区共计105.6 km2，占全域面积的10.8%。该区供需匹配程度较差，生态服务供给能力最低，土地利用类型主要由建设用地组成。该区管控实施重点应严禁生态占用和破坏。

3.3 情景模拟结果与生态优化区管控策略

依据生态优化分区结果，利用PLUS模型分别以自然发展情形和供需管控情形模拟研究区2027年土地利用分布状况，进而核算不同情形下生态服务供给并与2018年的数据进行对比，结果见图5。自然发展情形下，园地面积增加幅度最大，建设用地面积有较高增加，耕地面积减少幅度最大，水域、林地、草地面积均有不同程度减少。相较于2018年，研究区生态服务价值VES从31 514.3万元减少至30 936.9万元。

供需管控情形下，耕地、林地面积减少得到有效控制，水域增加幅度最大，园地、草地规模均有提升，建设用地扩张得到控制，证明生态优化分区可有效遏制耕地、水域、林地的萎缩。相较于2018年，生态服务价值VES达到35 771.8万元，增加了4 257.5万元。

相较自然发展情形，供需管控情形下研究区生态服务价值VES共增加4 835.8万元，提升15.6%，生态优化分区管控可更好地协调生态服务供需，提升生态服务供给能力。据此提出各生态优化区管控策略如下：

1）供需协调保护区应继续增强全域生态服务供给能力，维护供需优质协调状态。通过扩大湿地、水域面积，建设湿地缓冲带，提升生态系统服务功能。应加强生态保护区建设，促进长荡湖、钱资荡和天荒湖流域的生态安全。通过土地整治发展优质高效农业，提高耕地质量。减少农业闲置用地，改善耕地碎片化，促进耕地集中连片。

2）供需匹配保育区应保护培育区内生态服务供给能力，维持供需协调状态。通过构建生态廊道串联城乡，提升生态连通性，加大自然及人工生态廊道沿线的生态绿化建设。注重游憩与景观观赏功能，对生态服务功能保持的同时提高人居系统获得服务的便利程度。强化农业面源污染防控，建设生态农业园。

3）供需拮抗培育区应大力提升生态服务供给的质和量。重点整治丘陵林地生态资源，通过抚育、补植等手段改造低效林地合理提高种植密度。开展森林公园、生态休闲型产业建设，针对生态退化或损坏地区进行整治。

4）供需损益补偿区内严禁生态占用和破坏。应在城镇内建设生态基础设施，配置城市公园，增强具有生态功能的绿地及防护带的保护和培育。推行土地流转合理布局乡村空间，提高空间利用率，同时注重历史文化遗产的保护。

3 结 论

1）研究区生态供需耦合空间分异明显。生态供需协调度可划分为优质协调、中度协调、濒临失调、中度失调、严重失调5个类型，面积占比分别为36.2%、28.3%、25.1%、4.5%、5.9%。生态服务供需比可划分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 5个等级，面积占比分别为13.6%、20.9%、17.3%、31.9%、16.3%。

2）研究区可划分为供需协调保护区、供需匹配保育区、供需拮抗培育区、供需损益补偿区4类生态优化区，面积占比分别为47.3%、18.8%、23.1%、10.8%，供需管控实施重点分别为：继续保护增强生态服务供给能力，维护生态供需优质协调状态；保护培育区内生态服务供给能力，继续提升生态供需协调匹配程度；大力提升区内生态供给的质和量；严禁生态占用和破坏。

3）供需管控情形下研究区生态服务供给能力得到优化提升，相较自然发展情形提升15.6%。基于供需可达性空间耦合划分生态优化区，能更有效地把握区域生态供需空间分异和管控实施重点。

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（责任编辑 孟苗婧 郑琰燚）