京津冀地區生態空間識別研究

遲妍妍, 許開鵬, 王晶晶, 張麗蘋

環境保護部環境規劃院, 北京 100012

土地利用規劃和生態空間管控應致力于實現經濟社會發展和生態環境保護雙重目標,任何只注重單一目標的發展都是不可持續的,這是全球千年生態計劃的核心思想[1]。目前最為通行的方法是對資源與環境進行生態空間識別并劃分生態紅線,該方法是對稀缺資源和退化環境采取保育或生態修復措施,以便提升該地區生態系統服務功能,達到生態環境保護的目的[2-3]。生態空間管控可促使土地管理者修改土地利用規劃方案、減輕甚至避免生態環境風險問題出現。生態空間識別只有和土地利用規劃相互協調,并實現生態系統服務功能提升,才能給人類社會提供資源價值,體現其自身的存在意義[4]。Costanza在1997年對全球生態系統服務價值進行了定量評估,在生態系統服務基礎上的空間識別已經成為生態學、生態經濟學等學科研究的熱點和前沿[5-6]。一些學者將生態系統服務的概念、內涵和價值評價方法與生態空間識別相結合,探討生態系統服務與可持續發展研究的關系問題。

生態空間是指用于自然保護、山林保護、生態防護等功能的地域[7]。通常來講,對于生態系統和生物生境保護具有重要作用的地區都可視為生態空間。長期以來,由于人們對生態空間的重要性認識不夠,對生態資源總是采取掠奪式的開采或粗放式的管理,這樣的結果只能導致生態系統各項服務功能減弱[8-9]。隨著生態學研究的深入,人們逐漸意識到生態服務功能的重要性,保育和提升生態系統服務功能是實現人類可持續發展的前提之一[10-11]。由于對生態系統服務的大部分功能缺乏深入的生態學解釋,致使能夠為決策者提供依據的生態學信息非常少,這直接影響自然生態系統服務功能的保育和管理,因此,生態空間識別是一種切實解決生態服務功能退化的有效手段之一。

1 研究區簡介

京津冀地處內蒙高原、太行山脈向華北平原的過渡地帶,是華北平原的關鍵區域,在華北平原生態安全格局中具有重要地位。京津冀北部是華北平原的主要生態屏障,其水源涵養、土壤保持和防風固沙功能直接影響京津冀地區甚至華北平原生態系統安全[12]。該區長期以來的資源不合理開發利用造成草原生態系統嚴重退化,當地土地沙化特別嚴重、沙漠化敏感性程度極高,該地區是北京市乃至華北地區主要沙塵暴源區。京津冀水資源短缺,全域均出現河流斷流和濕地萎縮問題,全年存在斷流現象的河流比例約為70%,永定河、潮白河、小白河、新洋河、滹沱河、民主渠、永金渠等主要河渠存在全年斷流現象。同時,隨著城市化的快速發展及雄安新區建設,京津冀城鎮人口數量激增,帶來環境污染加劇、生態承載力降低等一系列生態環境問題[13-14]。雄安新區內的白洋淀濕地生態系統穩定性趨向脆弱,濕地洪水調蓄、生物多樣性保護等功能呈退化趨勢。因此,京津冀區域生態空間識別對維護區域生態安全具有重要意義。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究采用野外調查和遙感影像處理相結合方式進行數據處理。植被覆蓋度采用美國國家航空航天局(NASA) 數據信息服務中心(DISC)提供MODIS 數據產品,空間分辨率為250 m×250 m。圖像處理過程包括大氣校正、輻射校正、格式和投影轉換等。利用最大合成法(MVC)將16 d的NDVI數據合成為月均值,生成逐月數據集[15]。植被覆蓋度和NDVI 之間存在線性關系,通過建立二者之間的轉換關系,提取植被覆蓋度信息[16]?；谙裨帜Ｐ驮O計的遙感估算方法,以NDVI 值為參數,計算植被覆蓋度[17]。

2.2 生態空間識別方法

針對研究區的水源涵養、土壤保持、防風固沙功能，以及水土流失和土地沙化等生態問題,根據《生態保護紅線劃定技術指南》,在區域生態服務功能重要性評價、生態系統敏感性評價的基礎上,參照《全國主體功能區規劃》、三省(市)主體功能區規劃、《全國生態功能區劃(修編版)》、《中國生物多樣性保護戰略與行動計劃》、《中國濕地保護行動計劃》等文件中明確的重點關注區域,結合本文研究方法提出生態空間分布范圍。對于生態空間識別,采用生態服務功能重要性和生態敏感性來進行評估,主要包括5個方面評估內容。

2.2.1 水源涵養

采用InVEST產水量模型,通過徑流調節量的大小進行評估。其主要原理是基于Budyko曲線和年均降雨量,徑流量等于降水量減去蒸散量,公式如下：

(1)

式中,AETxj是j類土地利用類型中像元x的年實際蒸散量,Px為像元x的年降雨量。AETxj/Px是Budyko曲線的一個近似值[18]。其中徑流調節為潛在徑流量與實際徑流量之差。借助InVEST產水量模型,估算不同植被覆蓋程度的流域年度產水量(徑流量)及其空間分布特征[19-20]。

2.2.2 土壤保持

本研究采用通用水土流失方程USLE進行評價,包括自然和人類活動因子,降雨、坡度坡長、植被、土壤和土地管理等5個因素。

USELx=Rx×Kx×LSx×Cx×Px

(2)

式中,USLEx表示柵格x的土壤侵蝕量；Rx為降雨侵蝕力；Kx為土壤可蝕性；LSx為坡度-坡長因子；Cx為植被覆蓋因子；Px為管理因子[21-22]。

2.2.3 防風固沙

以生態系統防風固沙服務能力指數作為評估指標,計算公式為：

sws=NPPmean×K×Fq×D

(3)

u2=u1(z2z1)17D=1/cos(q)

式中,Sws為防風固沙服務能力指數,NPPmean為多年植被凈初級生產力平均值,K為土壤蝕性因子,Fq為多年平均氣候侵蝕力,u為2 m高處的月平均風速,u1、u2分別表示在z1、z2高度處的風速,ETPi為月潛在蒸發量(mm),Pi為月降水量(mm),d為當月天數,i為月平均氣溫,ri為月平均相對濕度(%),D為地表粗糙度因子,θ為坡度(弧度)。

2.2.4 水土流失敏感性

按照土壤侵蝕發生的動力條件分類,水土流失包括水力侵蝕和風力侵蝕。以風力侵蝕為主帶來的水土流失敏感性將在土地沙化敏感性中進行評估,本節主要對水動力為主的水土流失敏感性進行評估[23]。根據通用水土流失方程的基本原理,通常選取土壤可蝕性、地表植被覆蓋、降水侵蝕力、坡度坡長等指標[24]。將反映各因子對水土流失敏感性的單因子進行評價,最后用地理信息系統技術進行乘積運算,公式如下：

(4)

式中,SSi為i空間單元水土流失敏感性指數,評估因子包括降雨侵蝕力(Ri)、土壤可蝕性(Ki)、坡長坡度(LSi)、地表植被覆蓋(Ci)。

2.2.5 土地沙化敏感性

土地沙化會導致荒漠化的發生,因此本研究參照《生態功能區劃暫行規程》,選取干燥度指數、起沙風天數、土壤質地、植被覆蓋度等指標。本研究利用GIS系統的空間分析功能,先將單個因子的敏感性分布圖羅列出,然后進行乘積運算,得到研究區的土地荒漠化敏感性等級分布圖[25-26],公式如下：

(5)

式中,Di為單元評估區的土地沙化敏感性指數,Ii、Wi、Ki、Ci分別為評估區域干燥度指數、起沙風天數、土壤質地和植被覆蓋的敏感性等級值(表1)。

3 區域生態空間重要性和敏感性評價

3.1 區域生態功能重要性評價

重要性評價的目的在于明確研究區各種類型的生態系統服務功能的重要程度,以及對該區域可持續發展的作用,并根據重要性進行等級劃分,明確其空間分布[27-28]。結合京津冀實際,選用3個指標進行評價。

表1 土地沙化敏感性評估指標分級

3.1.1 水源涵養重要性評價

京津冀地區水源涵養重要性評價結果見圖1,區域較重要的水源涵養區分布在密云水庫上游潮白河流域、官廳水庫上游的永定河流域、潘家口水庫上游的灤河流域以及西大洋水庫、王快水庫、黃壁莊水庫、崗南水庫的匯水區域。

3.1.2 土壤保持重要性評價

京津冀地區土壤保持重要性評價結果見圖2,區域重要的土壤保持區分布在張家口的壩上高原、永定河上游的山間盆地地區、官廳和密云水庫上游河谷地區、灤河水系上游山川河谷地區以及保定、石家莊西部太行山山區等地區。

圖1 京津冀地區水源涵養重要性評價 Fig.1 Evaluation of water conservation importance in Beijing-Tianjin-Hebei

圖2 京津冀地區土壤保持重要性評價 Fig.2 Evaluation of soil conservation importance in Beijing-Tianjin-Hebei

3.1.3 防風固沙重要性評價

防風固沙重要性主要反映風沙對大城市等目標的影響程度,京津冀地區防風固沙重要性評價結果見圖3。北部張承地區為防風固沙重要區域,東部和南部地區為防風固沙的一般區域。北京毗鄰防風固沙重要區域。

3.2 區域生態系統敏感性評價

3.2.1 水土流失敏感性評價

京津冀地區水土流失敏感性評價結果見圖4,水土流失極敏感地區分布在北部和西南部地區,而在北部的太行山東坡和燕山山地容易引發生態和貧困的惡性循環,并對北京的飲用水庫行洪和供水的造成巨大壓力。

圖3 京津冀地區防風固沙重要性評價 Fig.3 Evaluation of the importance of wind and sand fixation in Beijing-Tianjin-Hebei

圖4 京津冀地區水土流失敏感性評價 Fig.4 Sensitivity evaluation of soil and water loss in Beijing-Tianjin-Hebei

3.2.2 荒漠化敏感性評價

京津冀地區荒漠化敏感性評價結果見圖5,區域荒漠化敏感性較高,重點地區在河北省北部張承地區,華北平原上較易發生荒漠化的土地為永定河、潮白河下游等干涸河道地區。

4 京津冀地區生態空間識別

4.1 生態功能極重要區和敏感區

根據區域土壤保持、水源涵養、防風固沙等生態系統服務功能重要性評價,土壤保持功能極重要和重要區分別占區域總面積的25.2%和36.9%,主要分布在承德、北京、唐山、秦皇島和保定等地[29]。防風固沙功能極重要和重要區分別占區域總面積的2%和2.6%,主要在張家口與承德的壩上地區。水源涵養功能極重要和重要區分別占區域總面積的51%和20%,主要分布在承德、張家口、北京、唐山、秦皇島和保定等地(圖6)。

綜合土壤保持、水源涵養、防風固沙等三項生態系統服務功能,京津冀地區生態服務功能“極重要-重要”區域面積約為6.35萬km2(表2),面積比例約30%,主要分布在西部、北部山區[30]。

圖5 京津冀地區荒漠化敏感性評價 Fig.5 Sensitivity assessment of desertification in Beijing-Tianjin-Hebei

圖6 京津冀地區生態服務功能重要性布局Fig.6 Important ecosystem services in Beijing Tianjin Hebei

京津冀Beijing-Tianjin-Hebei土壤保持Soil conservation防風固沙Sandstorm prevention水源涵養Water conservation億噸%億噸%億噸%極重要Very Important0.9625.132.471.99522.6951.48重要Important1.4136.913.192.58198.5619.56中等重要Medium Important0.9123.8210.728.66150.1814.79一般Common0.5414.14107.4786.77143.9114.17總量Total3.82123.851015.34

4.2 重點生態功能區

根據《全國主體功能區規劃》,京津冀共有1處國家重點生態功能區,即渾善達克沙漠化防治生態功能區,河北省的壩上高原風沙防治區位于此區內。根據三省(市)主體功能區規劃,共有2處省級重點生態功能區,包括冀北燕山山區和冀西太行山山區,總面積90786km2,關系到京津冀地區水資源和生態安全,是京津冀生態安全的重要屏障(圖7)。

圖7 京津冀地區重點生態功能區分布Fig.7 Key ecological functional areas in Beijing Tianjin Hebei

4.3 重要生態功能區

根據《全國生態功能區劃(修編版)》,京津冀共有3處重要生態功能區,包括京津冀北部水源涵養重要區、太行山區水源涵養與土壤保持重要區以及渾善達克沙地防風固沙重要區[31]。京津冀北部水源涵養重要區包括北京市、天津市重要水源地的涵養區及灤河、潮河上游源頭,該區的水源涵養對保障京津冀地區的供水安全具有重要作用。

太行山區水源涵養與土壤保持重要區位于河北省、山西省與河南省交界處,太行山是黃土高原與華北平原的分水嶺,其水源涵養功能對保障區域生態安全極其重要。渾善達克沙地防風固沙重要區地處陰山北麓東部半干旱農牧交錯帶、燕山山地、壩上高原,該區是北京市乃至華北地區主要沙塵暴源區。

4.4 生物多樣性保護優先區

根據《中國生物多樣性保護戰略與行動計劃》,京津冀共有2個生物多樣性保護優先區,包括內陸陸地和水域生物多樣性保護優先區域中的太行山區、海洋與海岸生物多樣性保護優先區域中的黃渤海保護區域(表3)。

北京市、天津市以及河北省部分地區包含在太行山區內,已建立國家級自然保護區18個,國家級水產種質資源保護區12個。河北省唐海、黃驊濱海濕地和天津市的漢沽、塘沽、大港鹽田濕地包含在黃渤海保護區域內,該區海洋資源豐富,海洋沿岸濕地是鳥類的重要棲息地,也是海洋生物的產卵場、索餌場和越冬場,要加強對該區域內濕地的恢復與保護。

4.5 生態空間劃分

本文識別的生態空間包括生態功能極重要區、生態環境極敏感/脆弱區、重點(要)生態功能區、生物多樣性保護優先區、禁止開發區等。京津冀生態空間面積占區域面積的比例為51.7%,其中,北京市生態空間占其市域國土面積的比例為70.2%,天津市生態空間占其市域國土面積的比例為37.8%、河北省生態空間占其省域國土面積的比例為51.0%,這些區域是需要嚴格保護的地區。

表3 京津冀地區生物多樣性保護優先區

表4 京津冀地區生態空間

5 結論與建議

本文采用GIS技術,結合京津冀國土空間范圍內的資源環境承載能力和開發適宜性評價技術,開展生態功能重要性評價和生態環境敏感性評價,確定水源涵養、水土保持、防風固沙等生態功能極重要區域及極敏感區域,并建議將此地區納入生態保護紅線。本文對京津冀生態空間識別旨在使人們清楚認識到京津冀自然生態系統的重要性和敏感性,生態空間劃分不僅有利于生態環境保護,也有助于相關職能部門制定決策時參考,促進經濟和生態環境和諧發展。

生態空間識別成為區域生態保護和提升生態系統服務功能的重要措施,還需要開展如下幾方面的工作:

1)以“尊重自然、順應自然、保護自然”為基本理念,基于從山體到海洋的地理構成,構建京津冀地區生態安全格局、自然岸線格局,劃定并嚴守生態保護紅線,構建生態廊道和生物多樣性保護網絡。重要生態空間面積比例應占到區域面積51%以上。

2)堅持保護優先、自然恢復為主,實施山水林田湖草系統保護和修復工程,修復濕地、森林、草地等受損的自然生態系統,扭轉河湖濕地等水生態系統持續惡化的態勢,嚴格保護自然岸線,全面提升生態系統穩定性和服務功能。

3)基于山水林田湖草統一保護的理念,將生態建設、開發審批、執法監管、生態修復工程等建立統一的生態監管體制。研發生態環境監測預警、生態修復、生物多樣性保護、生態保護紅線評估管理、生態廊道構建等關鍵技術,建立一批生態保護與修復科技示范區。

4)加強跨界地區生態保護管理一體化。京津冀地區統籌制定空間規劃,建立區域一體化的規劃和生態保護建設體系,逐步打破行政邊界,執行統一的生態環境空間管控和負面清單管理制度。切實落實生態空間管控制度,保障自然資本對經濟社會發展的支撐作用,加強生態空間管控力度。