本文来源：i地理

本研究使用未来城市区域环境模拟 (FUTURES) 模型，以中国呼和浩特为研究区域，模拟量化2015-2023年自然情景、生态优先情景以及经济优先情景下的城市扩张。然后，计算了过去和未来时期关键生态系统服务的价值以及它们之间的权衡或协同作用。

文章亮点

①基于FUTURES模型模拟未来35年三种情景下的城市扩张。

②评估了不同情景下生态系统服务的变化。

③基于RMSE（均方根误差）探索生态系统服务的权衡或协同作用分析。

④从生态系统服务保护的角度提出了城市发展模式。

研究区域与数据来源

呼和浩特地处中国北部边陲，地理条件优越，交通便利，是连接北京和西北地区的主要通道、呼和浩特-包头-鄂尔多斯-榆林城市群中心城市以及中蒙俄经济走廊重要节点城市。呼和浩特位于典型的干旱半干旱地区，生态系统结构不稳定，易受外界干扰而退化，是典型的生态脆弱区。

本研究采用的土地利用数据来自资源环境数据云平台；高程数据来自NASA，空间分辨率为30m；气象和土壤数据分别取自中国气象数据网和世界土壤数据库；社会经济数据来自《呼和浩特统计年鉴》。

研究方法

1. 基于FUTURES模型的城市扩张模拟

Futures是城市增长预测模型，适用于模拟快速城市化地区的城市扩张。在本研究中，土地利用图被转换为二进制图，城市用地值为1，未开发地区值为0，不宜开发用地设为空值。具体工作流程如下：①基于r.futures.demand模块，我们利用历史人口和相应的土地利用数据，得出人口与城市开发用地需求之间的统计相关性。其中，人口指数模型用于预测人口规模，然后使用不同的拟合曲线（线性、对数、指数）计算历史时期人口与建成区的统计关系，进而确定未来城市的用地需求。②使用 r.futures.potential，potential 模块根据城市扩张的适宜性因子计算土地开发的可能性。③结合未来城市土地需求的结果和城市发展潜力，通过斑块增长算法模拟城市土地扩张。

本研究连续设置了三种情景：自然情景（NC）、生态优先情景（EC）以及经济优先情景(EP)。NC情景下，遵循现有的城市发展规则，限制不适宜转化为城市用地的土地利用类型（如水域），其他不受限制；EC情景下，保护生态价值高的自然要素，限制自然保护区、林地、水域向城市用地的转化；EP情景下，城市边缘周边大量耕地和林地将转化为城市用地。

2. 生态系统服务评估

本文基于NDVI数据，利用CASA模型进行量化了碳固存服务。

使用修订的通用土壤流失方程（RULSE）量化土壤保持服务。

根据植被覆盖指数（NDVI）的空间差异，通过将年粮食总产量分配给不同农田网格单元的空间方法计算粮食生产服务。

利用InVEST模型中的生境质量模块量化生境质量服务。

3. 权衡和协同量化

本研究使用R语言计算生态系统服务之间的斯皮尔曼系数。如果两个生态系统服务之间的斯皮尔曼系数为<0，则意味着两者相互约束，即为权衡。否则，存在协同关系。此外，研究引入了RMSE来确定生态系统服务之间权衡的强度。

研究结果

1. 2015—2035年城市用地扩张模拟结果

在EC、NC和EP情景下，城市土地将依次增加，新增城市土地主要以耕地和草原占用为主。自然情景下城市扩张以边际填充为主，新增城市地块主要产生于呼和浩特周边交通便利、地势平坦的地区。生态优先情景下，城市扩张类型为边缘蔓延，没有新的城市斑块集聚。在经济优先情景下，城市用地倾向于向中心城区和经济发达的建成区蔓延。

2. 不同情景下生态系统服务的变化

生境质量服务：2015年呼和浩特市内生境质量处于中等水平，以大庆山为界，两侧均呈低趋势，中间呈较高趋势。到2035年，三种情景下的生境质量都将下降，生境质量差的地区范围将扩大。具体而言，生境质量较差的区域主要分布在旗区和县区的建筑工地周围，而较高等级出现在北部大青山自然保护区和东南部的蛮汉山，与境内林地空间分布高度一致。自然情景下，城市扩张导致生境质量较差的区域持续扩散，尤其是城市中心附近；在生态保护情景下，呼和浩特市生境质量差地区的总体分布正在下降。相比之下，在经济优先情景下，呼和浩特的生境质量差的地区范围进一步扩大。

粮食生产服务：2015年粮食生产呈现出“西高东低”的空间格局，粮食产量平原高、山区和中心城区低。2035年，呼和浩特市粮食生产服务总体空间分布格局稳定。但就数量而言，不同情景下城市扩张引起的粮食生产变化差异较大，主要原因是耕地占用不同。

固碳服务：2015年呼和浩特的碳封存量通常在300-400 gC/m2的范围内，占整个行政区域的31.20%，基本上位于大青山自然保护区和蛮汉山地区，100-200 gC/m2的范围内仅占行政面积的2.35%。生态优先情景与自然情景相比，增长速度放缓。

土壤保持服务：土壤保持生态系统服务空间分布与高程一致，自然情景下，原有高值土壤保持累积面积下降，生态优先情景下，土壤保持服务下降速度放缓，经济优先情景下显示最大减少量。

3.不同情景下生态系统服务之间的权衡或协同分析

2015年，固碳与其他三种服务呈现协同关系，土壤保持与生境质量呈现协同关系，粮食生产与土壤保持和生境质量呈权衡关系。2035年，生态系统服务之间的权衡关系与2015年相同，权衡和协同关系不会逆转。

在不同的情景下，生态系统服务之间权衡和协同关系之间的强度不同。粮食产量与土壤保持权衡强度顺序：EC>2015>EP>NC；粮食产量与生境质量权衡强度顺序：EP>NC>EC>2015。EP和NC情景下，城市扩张通过侵占耕地实现，所以粮食生产与生境质量权衡高。相较于2015年，2035年三种情景下权衡升高，而在EC情景下，生境质量恶化程度最低。

讨论

生态系统服务在不同时间和空间尺度及不同的土地利用情景下有不同程度的改变。未来城市土地扩张将威胁粮食安全和生态安全。由于城市建成区面积扩大，生态系统服务下降无法避免，在基于生态系统服务权衡强度的管理决策中，如何在降低生态系统服务之间权衡强度的同时，最大限度地减少各种生态系统服务的损失是更为关键的问题。城市化的一个重要方面是它侵占了其他土地用途，导致各种生态系统服务的丧失。在这种情况下，探索可持续的城市发展模式可以防止这些问题进一步恶化，从而避免将它们推向最坏的方向，从而最大限度地维护生态系统服务。随着城镇化进程的推进，生态系统服务之间的正负相关关系不会改变，但生态系统服务之间日益增强的权衡不利于区域优化发展。因此，在制定城市管理目标以实现更可持续的城市增长和更好地保护生态系统服务时，迫切需要考虑降低服务之间的权衡。

研究以某典型生态脆弱城市为例，从未来生态系统服务丧失的角度，探讨不同情景下城市发展的可持续性，从而实现最优的城市发展格局。同时作者指出研究仍存在以下局限：①在进行城市扩张模拟时排除气候变化对结果的可能影响可能会导致模拟结果与实际情况的存在差异。②仅通过FUTURES模型模拟了城市扩张，而没有考虑其他土地利用类型之间的转换。③此研究仅分析了城市尺度生态系统服务的相关性，没有考虑跨行政因素的影响。

END

声明：本推送内容仅代表课题组对文章的理解，请各位专家、同学批评指正。

原文请见：Zhang, Z. et al. Integrating ecosystem services conservation into the optimization of urban planning policies in eco-fragile areas: A scenario-based case study. Cities 134, 104200 (2023).