特大城市生态系统服务供需均衡演变及驱动机制研究—以北京市为例

Urbanization has significantly changed the spatial patterns and ecological processes of ecosystems and highly increased the demands of residents' well-being, resulting in the imbalance between the supply and demand of ecosystem services (ESs). This issue has become a research frontier and hotspot in landscape ecology and other related fields. However, the existing studies have focused primarily on the supply of ESs, studies of the demand of ESs are still lacking. This project takes the megacity with the most intense interaction and conflict between human activities and natural ecosystems as the study case. It integrates the supply and demand of ESs and applies the methodological approach of “Identification-Evaluation- Simulation-Regulation”. By constructing the comprehensive indicator system and supply-demand ratio index, and applying quantitative models, spatial statistics, machine learning algorithms and optimization models, we aim to analyze the spatiotemporal evolution of ESs in Beijing from 1984 to 2015. And then we will identify the hotspot regions of supply-demand surplus and deficit, and explore the coupling impacts of natural, social, economic and policy’s factors on the supply and demand of ESs. Finally, we will propose multiscale spatially-explicit optimization strategies to balance the supply and demand of ESs in Beijing. The results can not only provide new research perspective and management approach for the spatial optimization of ESs in Beijing, but can also provide reference for the sustainable planning of similar megacities.

城市化过程不仅显著改变着生态系统的空间格局和生态过程，而且高度提升了居民福祉需求，由此引发的生态系统服务供给和需求失衡问题已成为景观生态学以及相关领域的研究前沿和热点。但现有研究多是仅评估生态系统服务供给，缺乏考虑生态系统服务需求。本项目以人类活动和自然生态系统交互影响与冲突最为强烈的特大城市为研究对象，综合考虑生态系统服务供给和需求，采用“辨识-评估-模拟-调控”的研究思路，构建生态系统服务供需综合指标体系与供需比指数，运用定量模型、空间统计、机器学习算法和优化模型等方法，旨在对北京市1984-2015年生态系统服务供需进行时空均衡演变分析和盈亏特征热点识别，并探索自然、社会、经济和政策等驱动因素对生态系统服务供需演变的耦合作用机制，提出多尺度生态系统服务供需均衡的空间优化策略。项目不仅为北京市生态系统服务空间优化提供新的研究视角和管控途径，也为类似特大城市可持续发展提供经验借鉴。

项目围绕“生态系统服务供给和需求”，采用“生态辨识-定量评估-耦合驱动-优化调控”的复合生态系统评估与管理思路，采用经验公式法、InVEST、GAEZ、ROS等评估生态系统服务供给；采用消耗利用、风险减控、生境威胁等表征生态系统服务需求。从多指标、多时段、多尺度出发，实施三项关键内容：（1）指标体系与定量模型构建；（2）均衡演变与热点识别分析；（3）耦合机制与空间优化调控。.结果表明：（1）供给格局：过去40年，粮食生产、水质净化、生境质量供给明显下降，分别约20%、20%和10%，而产水量增加近15%。大多数服务均值在城市地区最低，而水质净化在城市地区最高，粮食生产在城乡交错区最高。大尺度表现出显著和可预测的尺度关系，且主要为指数关系。（2）需求格局：产水量、碳固存、空气净化、休闲娱乐需求增加显著，分别增长120%、220%、40%和15%，粮食生产需求稳定。除土壤保持外，多数生态系统服务需求在城市地区最高。（3）供需关系：所有生态系统服务均存在赤字，空气净化尤为严重，赤字率超过25%。过去20年，城市地区粮食生产、碳固存的赤字增加6%和2%，乡村地区空气净化赤字减少约10%。（4）权衡特征：从城市到乡村，多数生态系统服务供给相关性变强，且水质净化与碳固存、生境质量间关系由权衡变为协同。随着尺度扩张，粮食生产与其他服务关系由协同变为权衡。对于需求，粮食生产、产水量与碳固存间正相关较强，其他指标间关系较弱。（5）耦合驱动：随着尺度扩张，社会经济因素影响递减，而自然因素影响在城乡交错区出现转折。GDP、人口密度主要影响城市地区，气候、坡度主要影响东南部乡村地区，而植被覆盖显著影响西北部乡村地区。（6）空间优化：不同尺度应提出因地制宜的优化情景，市中心应注重建设用地集约利用，大都市应实施农林间作方案，城市群可促进森林保护实践。.项目结果不仅为生态系统服务供需提供新的尺度效应和城乡梯度研究视角，也为类似高度城市化地区的生态系统服务管理与可持续规划提供借鉴。