SimulatingPM2.5removalinanurbanecosystembasedonthesocial-ecologicalmodelframework
基本信息
期刊：EcosystemServices()
作者：罗翔宇，江鹏，杨静怡，金晶，杨**
单位：清华大学地球系统科学系地球系统数值模拟教育部重点实验室，北京
中国北京清华大学城市研究所，北京
中国健康城市中心，清华大学中国可持续城市化研究所，北京
贵州大学林业学院，贵阳
摘要：将生态系统服务的概念纳入规划和管理实践被提出作为改善城市生态系统管理的一种方式。然而，由于许多*治和技术障碍，这一想法被接受是缓慢的。技术障碍之一是，城市缺乏工具来预测拟议的*策和行动对城市生态系统服务的影响。为了解决这一差距，我们基于社会生态模型框架，建立了城市生态系统服务模型。以北京市的PM2.5去除服务为例，展示该模型如何模拟不同*策情景对特定生态系统服务的影响。模拟结果表明，城市生态系统贡献的PM2.5去除服务有助于从社会系统中降低PM2.5排放，形成正反馈。从年到年，北京城市绿地提供的PM2.5去除服务在“照旧”、“限制城市增长”和“调整能源结构”三种*策情景下存在显著差异。根据对PM2.5清除服务的预测，我们得出结论，北京应优先考虑通过城市规划来限制城市增长的*策。研究表明，生态系统服务的反馈效应在长期内是显著的。此外，本研究建立的模型也为模拟城市规划和管理对城市生态系统服务的影响提供有用工具。
1.方法
1.1模型结构
城市生态系统服务模型是通过以下方式开发的社会生态框架。我们认为城市生态系统是由社会系统和自然生态系统组成的社会生态系统。随着城市化过程中的经济增长和人口增加，社会系统将排放更多的污染物(即PM2.5)，占用更多的土地。土地转换将反过来改变植被和空气污染清除服务占用的土地。空气净化服务的健康效益是通过影响人力资本对社会制度变迁的反馈。基于社会生态系统的概念模型，本研究开发的城市生态系统服务模型包括四个部分(图1)。第一部分是社会系统的子模型。第二部分是土地利用子模型，它将社会系统子模型与第三部分生态系统子模型联系起来。第四部分是反馈模块，量化生态系统服务对社会系统的反馈效应。整个模型是使用Python3.6构建的。每个子模型的详细描述如下。
图1.基于社会生态模型框架的城市生态系统服务模式总体结构
1.2.社会系统的子模型
社会系统子模型的核心是系统动态模型。SD模型是能够很好地表示复杂系统动力学的非线性模型，它已被广泛用于模拟城市生态系统不同部分之间的复杂关系。在回顾了对可能影响中国城市PM2.5污染的社会经济因素的研究之后，我们在SD模型中包括了六个子系统。它们是人口子系统、土地子系统、农业子系统、工业子系统、服务业子系统、交通子系统和排放子系统(图2)。这些子系统通过经济生产、劳动力和土地需求以及能源使用联系在一起(表1)。例如，随着经济的增长，将分配更多的土地来容纳不断扩大的劳动力和生产活动。社会系统子模型中的所有子系统都涉及产生两种输出:对城市土地的需求和PM2.5排放。
图2.社会系统子模型的结构
表1.社会系统子模型中使用的经验函数
六个子系统的变化从三个来源影响PM2.5的排放，即能源使用、建筑和运输。基于能源的排放包括制造业、服务业、运输业和城市居民通过消耗煤、燃料、天然气、热和电产生的排放。施工排放主要是指城市建设过程中产生的细粉尘。使用经验函数对这些排放进行建模(表1)。
1.3.土地利用子模型
土地利用子模型连接社会系统和生态系统。子模型的核心是元胞自动机（CA）模型。社会系统子模型输出的土地需求推动城市土地转换。土地单位的转换概率取决于自然因素如地形，以及社会经济因素如*策限制和当前的土地使用(图3)。
图3.土地利用子模型的结构
子模型中使用的主要经验函数(表2)取自文献。考虑到*策限制，自然保护区、永久耕地和水体不能转化为建设用地。驱动力包括海拔、坡度、坡向、国内生产总值分布、人口分布、到铁路的距离、主要道路和城市中心，都用于逻辑回归。
表2.土地利用子模型中使用的经验函数
1.4.生态系统的子模型
生态系统子模型目前包含PM2.5去除服务的量化模型，该模型是从干沉降模型发展而来的。在该子模型中，城市地区的城市植被被认为是去除空气中PM2.5的生态系统服务的提供者。城市人口、工业部门和服务部门被认为是受益者，因为空气污染清除服务对人类福祉具有有益影响(图4)。利用空气污染数据、气象数据和城市植被的叶面积指数(表3)模拟了PM2.5的沉积。首先使用历史数据计算不同土地利用类型的PM2.5沉积率。然后，根据使用土地利用子模型估算的土地利用变化，将该比率用于估算PM2.5清除量的未来变化。为了将土地利用的变化与反馈模块联系起来，采用诺瓦克等人(年)的方法，将PM2.5的去除量转化为城市空气中可吸入颗粒物2.5浓度的变化百分比。诺瓦克等人的方法是基于这样的假设，即PM2.5在城市能见度层中混合良好。
图4.生态系统子模型和反馈效应模块的结构
表3.生态系统子模型中使用的经验函数
1.5.反馈效应
反馈效应被模拟为城市空气中可吸入颗粒物浓度降低对健康的影响以及随后对经济的影响。在中国，PM2.5污染与心血管和呼吸系统疾病相关的高死亡率和发病率有关。接触PM2.5污染会增加医疗保健费用，降低生产率。PM2.5的减少集中可以避免额外的费用和劳动力的损失，这反过来又改变了国内生产总值的增长。因此，国内生产总值可以作为一个替代指标来说明PM2.5清除服务对社会系统的反馈效应所产生的经济效益。PM2.5浓度与健康影响之间的关系通过暴露-反应函数进行建模，该方法的可行性已被其他研究证实。我们使用来自先前研究的数据拟合函数的参数(谢等人，)。反馈效应的经济效益表示为这种生态系统服务避免的国内生产总值损失，可以通过考虑或不考虑生态系统服务的国内生产总值损失的变化来计算(表4)。
表4.反馈效果模块中使用的主要功能
数据可访问性：
