基于生态系统服务供需匹配的城市群生态空间结构优化研究——以中原城市群为例

The aim of ecological space(Eco-space) structure optimization is to optimize ecosystem service (ES) for matching its supply and demand of ES for socioeconomic development. In terms of great challenges which contain: lack of quantitative methods for Eco-space structure optimization, inaccuracy of the ES research results, imperfectness of goal and method about ES optimization in urban agglomeration region. We selected the Eco-space of the Central Plains Urban Agglomeration as a case study which is considered as the typical fragile ecology region, to explore a quantitative method for Eco-space structure optimization based on supply-demand matching of ecosystem services. ①The evaluation of supply and demand of ecosystem services. According to the natural and socio-economic characteristics and ecological environmental problems, we constructed an evaluation index system and evaluation method to evaluate the supply potential and demand of ecosystem services, as well as the matching characteristics of ES supply and demand based on the essential data from field experiments and remote sensing data. ②ES optimization. The landuse change scenarios, the optimization targets, models and methods of ES optimization were improved in our research project according to the ES supply and demand evaluated above. Multi-objective genetic algorithm (NSGA-II) was used to find ES Pareto optimal solutions under structure and ecosystem services constraints, and the relationships between ES and landuse pattern were quantitatively analyzed. ③ Eco-space structure optimization. The optimal pattern of landuse in Eco-space was generated according to the ES Pareto optimal solutions through optimal allocation of landuse type, area and layout. This research results will be helpful for optimal allocation of natural resource by Providing clear spatial guidance, and achieve quantitative optimization of ecological space structure of Urban Agglomeration.

生态空间结构优化的最终目标是优化生态系统服务，以匹配社会经济发展需求。针对城市群生态空间结构定量优化方法缺乏，生态系统服务评价不准确和优化方法不完善等问题。本项目以中原城市群生态空间为研究区，探索基于生态系统服务供需匹配的生态空间结构优化方法。内容包括：①生态系统服务供给与需求评价。基于研究区自然生态与社会经济特征，构建生态系统服务供需评价指标体系与评价方法，依托实验和遥感数据，评价生态系统服务供给潜力、需求目标和匹配特征。②优化生态系统服务。设置不同土地利用情景、优化目标，以结构和服务为约束条件，运用非支配排序遗传算法（NSGA-II），寻求生态系统服务帕累托最优。量化生态系统服务之间及与土地利用格局之间的关系。③生态空间结构优化。以生态系统服务帕累托最优解为目标，优化调整土地利用格局，寻求最优生态空间结构。研究可为自然资源优化配置提供明确的空间指引，实现对城市群生态空间结构的定量优化。

生态空间结构优化是优化生态系统服务，实现生态空间管理目标的重要方法手段。针对城市群生态空间结构定量优化方法缺乏和优化方法不完善等问题，本研究选择人口密集、生态服务供给功能退化、生态环境问题突出的中原城市群为研究对象，采用生态系统服务评估模型InVEST、NSGAII优化模型、遥感调查和统计模型等方法开展研究，构建城市群生态空间结构优化方法。结果显示，不同情景下，淡水服务供需比63.68%-63.91%，供需格局呈现出北缺南丰、西贫东富的空间分层现象。盈余区主要分布在东南，供需不足区主要分布在中部、北部和西部。净水服务供需比50.10%-50.44%，供需不足呈网络状分布，主要分布在以郑州市为节点的黄河流域沿黄城镇发展带、淮河流域城市发展带和海河流域城市发展带。固碳服务供给充足，但在空间上呈现西部多东部少、城镇不足、腹地丰裕的供需格局。基于上述结果，本研究以农田面积不少于1.1亿亩（73334平方公里）、生态空间面积≧16835.70平方公里为面积约束条件，以淡水服务≧400亿立方米，净水服务量≧4.5万吨、固碳服务≧10亿吨为服务约束条件，在MATLAB平台上利用非支配排序遗传算法（NSGAII）获得了不同情景下淡水服务、净水服务与固碳服务间的帕累托最优解集，并确定了12个土地覆盖/利用优化方案；以农田面积（92027平方公里）最大的最优方案为例，提出了研究区的部分林地、农田和城镇建设用地作为土地转出方，其它林地和水体、湿地等作为主要土地转入方，明晰了不同优化方案中土地覆盖/利用结构的优化途径，优化了研究区生态空间结构。研究结果揭示了研究区生态系统服务供给潜力、需求目标和匹配特征；量化了不同土地利用情景下生态系统服务之间及其与土地利用格局之间的关系；优化调整了不同情景下的土地利用格局，寻求了最优生态空间结构；构建了城市群生态空间结构的定量优化方法。研究结果为通过生态空间结构优化获得生态服务优化，进而实现生态系统服务管理目标提供了科学方法和依据。