20世紀90年代以來中國生態空間演化的時空格局和梯度效應

殷嘉迪,董金瑋,*,匡文慧,崔耀平,江 東

1 中國科學院地理科學與資源研究所中國科學院陸地表層格局與模擬重點實驗室,北京 100101 2 河南大學黃河中下游數字地理技術教育部重點實驗室,開封 475004

隨著人類世的到來,生態空間被人類活動相關的生產和生活空間大量擠占[1]。尤其是在中國,改革開放以來迅速推進的城市化進程、持續增加的人口和經濟快速發展導致生態空間質量不斷下降。原本脆弱的生態和環境趨于惡化[2],景觀破碎化、生物多樣性銳減、土地荒漠化等生態系統功能逐步退化,影響到人類福祉[3- 5]。從宏觀上加強生態空間的監測和管控,優化生態空間布局成為當前緊迫形勢[6- 7]。因此,在當前我國生態環境保護進入戰略轉型的關鍵時期,完整刻畫和評價生態空間時空變化對于認識我國生態狀況演化過程、統籌“三生”空間協調發展、優化國土空間管控具有重要理論及現實意義。

目前國內外在生態空間格局方面已經開展了大量研究。國外代表性工作主要集中在對綠色空間、公園綠地、綠色基礎設施等城市生態空間的辨識與利用[8- 10]以及對生態空間占用的人類足跡方面[11-12]。在國內,最早的研究可見于1990年,趙景柱[13]基于景觀生態學視角構建度量生態空間格局的動態指標體系,完成了生態空間分析的定量化轉變；俞孔堅等[14]通過定量評價生態系統功能重要性,從而識別生態空間的時空分布格局,實現了全國尺度的評價；張紅旗等[15]以生態功能為出發點,系統構建“三生用地”分類體系,統籌生產、生活和生態空間；劉繼來等[16]采用中國科學院1990和2010年兩期土地利用數據,通過對生態空間進行映射賦值,評估了生態空間和生態安全評分,首次進行了全國尺度生態空間演化過程的分析。

前人開展的大量研究為認識全國尺度生態空間格局演化奠定了基礎[17- 20],但目前的研究在幾個方面仍有較大的提升空間,主要體現在：1)改革開放以來,對于生態空間的研究缺乏長時間尺度連續演化過程的刻畫,難以體現生態空間變化的完整過程；2)對于生態空間的認識仍存在爭議,缺乏統一的生態空間分類標準,前期研究多采用已有的土地利用遙感制圖產品進行映射歸并,具體的標準有待于進一步論證；3)我國采取的區域不同的經濟發展戰略及生態空間管控措施,使得生態空間變化的速度和規模有所不同,但由于研究數據時間長度所限,目前的研究尚沒有體現出這種空間分異,對于不同區域生態空間的模式及階段演化過程未形成完整的認識,本研究擬通過對比分析揭示這種不同發展階段下的區域梯度差異。目前劉紀遠等已系統構建了1980—2015年多期中國土地利用數據產品[21],為實現生態空間演化連續監測提供了可能。

本研究擬解決的科學問題包括：1)如何采用最新的土地利用更新數據庫實現對近30年中國生態空間演變完整過程的刻畫？2)我國生態空間演化過程在不同區域(東中西部)是否存在顯著的空間分異規律？本文采用1990、1995、2000、2005、2010、2015年6期中科院土地利用柵格數據產品,構建基于土地利用分類數據的生態空間分類體系,分析改革開放以來中國生態空間變化的時空格局,探索生態空間變化機理,以期為生態文明建設及國土空間格局優化提供參考依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本文所用數據來源于中國科學院地理科學與資源研究所資源與環境數據中心的土地利用產品[21]。該數據基于Landsat、GF—2等遙感衛星數據,根據中國《土地利用現狀調查技術規程》和土地基本特征等作為分類依據,將土地利用類型分為7個一級類及26個二級類。采用人機交互目視判別方法提取土地利用信息,到目前為止完成了包括1980年至2015年多期全國土地利用矢量數據集,并在此基礎上生成了100 m分辨率的柵格數據集。為保證土地利用數據解譯質量及一致性,利用野外調查資料進行統一的質量控制和核對檢查,按10%縣數比例開展精度驗證,一級類型綜合評價精度達到94.3%,二級類型達到91.2%[22]。基于上述數據庫,提取1990—1995年、1995—2000年、2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年與1990—2015年土地利用變化信息,刻畫1990至2015年中國生態空間演化的總體特征和不同生態空間類型變化差異特征。為了更好地體現空間分異特征,依據地形、氣候、人文、經濟、政治及生態等因素,將全國分為西南、西北、華北、東北、華東、華中及華南7大區域(暫不包括港澳臺地區)進行分析。

1.2 生態空間分類體系

自然資源部在《自然生態空間用途管制辦法》中首次對生態空間進行定義,指森林、草地、濕地、河流、海洋、荒地等以提供生態產品或服務為主導功能的國土空間。隨后學術界就生態空間展開深入研究,但目前對于生態空間的概念與分類尚未達成共識。

表1 生態空間相關概念在前期研究中的表述和內涵比較

生態空間源于對生態用地概念的拓展與延伸,即生態用地所在的空間范圍,綜合對比和分析前人研究中對生態空間的相關定義(表1),本文界定生態空間內涵為：能夠生產生態產品或提供生態服務,且自身有一定自我調節、修復、維持和發展能力,并具有水源涵養、土壤保持、防風固沙、生物多樣性、洪水調蓄、產品提供或人居保障等功能,在保障生態安全及維護生態系統可持續發展等方面有一定推動作用的國土空間。生態空間范圍很廣,在生態價值、利用方式上也存在較大差異,不同類型生態空間所承載的生態功能也有所不同[25],本文認為,不同用地類型在某種程度上均存在一定的生態功能,但其強度有所不同。考慮到人為活動本身無法脫離生態空間而也是其一部分,以及人類活動作用范圍與生態空間的關系,故將生態空間劃分為生態用地、半生態用地及弱生態用地(表2)。為使生態空間分類在生態空間管控及生態文明建設中發揮應有的作用,本文以生態空間辨識為出發點,以強化生態功能的基礎地位為分類目標,建立中國生態空間分類體系與中科院土地利用分類系統的銜接關系,使生態空間分類體系與原有工作實現有效對接。

表2 生態空間分類體系及其與中科院土地利用分類系統的映射關系

1.3 研究方法

(1)生態空間動態度

為了更好地揭示各生態空間用地類型變化的速率和強度,參考土地利用動態度的定義[26],采用單一生態空間類型動態度表達某區域一定時間范圍內某種生態空間類型的數量變化情況及變化速度,其公式為：

式中,Si為i類型生態空間面積,t為時間段；|ΔSi,j|為t時段內第i類生態空間與其他類生態空間j相互轉化面積的絕對值；i類型的動態度反映了與該時段生態空間類型i變化的劇烈程度。

(2)生態空間變化圖譜

地學圖譜的概念由陳述彭等[27]首先提出,具有圖形與譜系的雙重特性,反映土地利用變化規律及結構特征。本文對生態空間數據集進行疊加運算并實現圖譜融合[28]。具體步驟為：1)對生態空間數據集進行重采樣,生態用地、半生態用地和弱生態用地分別設置為1、2、3,對重編碼后數據進行代數運算和信息重組。2)選取相鄰時間節點的生態空間數據集進行柵格運算,即把前一時間節點柵格數據的屬性值乘以10,與后一時間節點柵格數據屬性值相加,生成一個兩位數編碼的新柵格數據,得到1990—1995年、1995—2000年、2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年和1990—2015年的全國生態空間變化圖譜。參照100 m分辨率的全國生態空間變化圖譜信息,基于15km大小的柵格區域生成生態空間各用地類型變化比例及變化方式的生態空間演化格局。

2 結果分析

2.1 1990—2015年中國生態空間演化特征

1990—2015年中國生態用地持續減少,半生態用地波動變化,弱生態用地逐漸增加(表3)。生態用地面積減少8.46萬km2,減少幅度占全國總面積的0.88%。其中,1990—1995年間生態用地面積減少最為顯著,變化幅度為1.24萬km2,同時弱生態用地開始劇烈擴張；1995—2000年間半生態用地面積顯著增加,由1995年的174.33萬km2增長至2000年的180.59萬km2；2000年后,生態空間變化幅度均有所降低,半生態用地面積收縮；2005—2015年間弱生態用地增長速度明顯下降,但該階段處于中國城鎮化快速發展時期,建設用地等弱生態用地仍持續擴張。

表3 1990—2015年各類型生態用地動態度

在空間分布上(圖1),生態用地縮減主要集中在中國新疆綠洲平原、東北地區(三江平原、松嫩平原及遼河平原)、華北平原、四川盆地及江漢平原等糧食生產區域,約占全國生態用地減少面積的62.8%,主要輸出為半生態用地；擴張區域主要發生在中部及南部地區,且變化趨勢逐漸南移。1990年之后中國重要城市群及周邊地區半生態用地不斷向弱生態用地轉化,占半生態用地變化的53.2%。弱生態用地擴張顯著,主要轉換形式為半生態用地向弱生態用地的變化,中西部城市群、東北城市群,黃淮海平原及東部沿海等地區,約占弱生態用地擴張面積的63%；存在少數生態用地向弱生態用地的轉變,發生在珠三角及長三角地區。

2.2 1990—2015年區域生態空間演化特征

中國30年來生態空間的變化存在著明顯的區域差異(圖2,圖3)。其中,2000—2010年兩個時段,各區域相對前后時期的演化都比較平緩,主要原因是：1)經濟發展速率與人類活動范圍不相協調,該階段人口集中活動于城鎮及周邊地區,城鎮化發展速度明顯滯后于經濟發展速率,對生態空間影響范圍仍較小。2)舊的土地政策后延與新的土地政策交錯,2000年作為中國生態空間變化的重要時間節點,各類生態保護工程的實施與之前的土地開發工程有所中和,各區域生態用地類型變化較為平緩。

圖1 1990—2015 年中國生態空間演化格局Fig.1 China′s ecological space evolution from 1990 to 2015

圖2 1990—2015年區域生態空間演化Fig.2 Regional ecological space evolution from 1990 to 2015

圖3 1990—2015年區域各類型生態用地動態度Fig.3 Dynamic degrees of regional ecological space from 1990 to 2015

(1)西南區

1990年中國西南地區生態用地面積為204.4萬km2,約占西南區總面積的87.78%；半生態用地27.9萬km2,占總面積的12.02%；弱生態用地0.45萬km2,占總面積的0.20%。生態空間變化主要集中在四川盆地及滇東南地區,1990—2005年間大量生態用地快速向半生態用地轉變,主要原因是森林及灌木等改造為耕地。2005年之后,半生態用地及少量生態用地開始向弱生態用地轉變,主要原因是成渝城市群地區及其他主要城市的城鎮化發展,弱生態用地增加量為0.80萬km2。

(2)西北區

西北區生態空間變化類型主要以生態用地向半生態用地的轉化為主,集中分布在塔里木盆地北部、準噶爾盆地和伊犁河谷平原區等地區。由于綠洲農業的發展[21],生態用地如草地、林地等被開墾為耕地,因此西北區耕地呈現出增長態勢,生態用地減少面積為2.97萬km2,半生態用地增加面積約為1.01萬km2。另外,該地區荒漠化有所減緩,綠洲面積增加。2000—2015年間由于退耕還林還草工程的實施,部分區域生態用地得以恢復,生態用地向半生態用地的轉化速度及強度逐漸降低,但由于西部大開發戰略的實施,轉化方向未發生轉變。

(3)華北區

該區生態用地向半生態用地及半生態用地向弱生態用地的轉變主要發生在1990—2000年,生態用地下降約2.45萬km2,由于土地經營制度改革及木材市場的開放[29],顯著推動了農業生產力的發展和耕地的擴張。2000—2015年間生態用地數量有所上升,主要原因是該階段退耕還林還草及國家生態保護工程項目(“三北”防護林工程等)的實施[30-31],變化明顯區域主要集中在黃土高原。但部分區域如京津冀及周邊主要城市生態用地面積仍持續下降,半生態、弱生態用地面積顯著擴張。

(4)東北區

東北區1990—2015年半生態用地面積共增加2.93萬km2,顯著增長地區集中在三江平原、松嫩平原及遼河平原,其他地區也有少量的增長現象,但分布較為零散。原因主要為東北平原地區土壤肥沃、水土資源良好,耕地得到大量開墾[32],林地及草地面積大量縮減。東北各省會城市及其他主要城市弱生態用地在1990年以后表現出逐漸擴張的態勢,振興東北戰略帶來的經濟發展推動了該區域弱生態用地的持續增加,2015年東北區弱生態用地面積已達2.27萬km2。

(5)華東區

華東區生態空間類型以弱生態用地為主,該區為國家重點開發區,改革開放后經濟快速發展,半生態用地持續向弱生態用地轉變。1990—2015年,弱生態用地面積增長約3.47萬km2,變化用地主要集中在長江三角洲等經濟發達地區。2005—2015年間,華東區生態用地面積由40.25萬km2增加至2015年的40.75萬km2。該區半生態用地自1990年起面積不斷減少,主要變化形式為半生態用地向弱生態用地的轉變,后期生態用地呈現波動上升的趨勢。

(6)華中區

1990—2015年該區生態空間變化類型以半生態用地向弱生態用地轉變為主,半生態用地面積減少約0.94萬km2,弱生態用地(主要是建設用地)持續擴張,但增長速度不斷減弱,主要是由于中原城市群、武漢城市群和長株潭城市群地區的發展,面積由1990年的0.86萬km2增長至2015年的2.03萬km2。部分地區如洞庭湖、鄱陽湖等水域附近,圍湖造田現象較為嚴重,生態用地面積減少較為顯著。

(7)華南區

華南區地處中國沿海,生態空間變化具有階段性。初期該區生態用地向半生態用地轉變,原因主要是該時期中國家庭聯產承包責任制的實施極大地促進了農業的進步及耕地的持續擴張。及至2000年后,由于沿海地區城鎮化進程的加快及基塘農業的發展,生態用地及半生態用地大量流失。2005—2015年,受到國家主體功能區戰略的影響,華南區率先實施生態管控(《退耕還林條例》、《廣東省森林管理實施辦法》等),生態空間逐漸得到恢復,2015年華南區生態用地總面積約30.13萬km2,占全區的53.71%。

2.3 1990—2015年區域生態空間演化梯度

近30年來中國生態空間發生了快速轉型,主要經歷了3個階段：首先是生態用地向半生態用地的轉變,之后轉變速率降低,伴隨半生態用地向弱生態用地的轉化,最后表現為半生態用地向生態用地轉變。由于自然環境、資源稟賦及經濟水平等條件的差異,不同區域生態空間轉型速率有所不同,所處轉型階段也有所不同,本文將全國西南、華北、東北、西北、華東、華中及華南7大區域劃分為3級梯度帶(圖4)。

圖4 1990—2015年區域生態空間演化的梯度效應Fig.4 Gradient effect of regional ecological space evolution from 1990 to 2015

(1)第一梯度：華南區。半生態用地向弱生態用地轉變趨勢仍較為顯著。但部分區域半生態用地開始向生態用地轉變,主要集中在水域如湖泊、江河以及林地周圍,說明受到宏觀政策及區域經濟發展戰略的影響,通過實施生態管控措施[33-34],大力推進生態空間保護和建設,有效遏制了生態環境的繼續惡化,使生態空間發生轉型,有效推動了生態用地的增加。

(2)第二梯度：華東區及華中區。該區域前期大量生態用地向半生態用地轉變,后期主要表現為半生態用地向弱生態用地的轉變,由于生態保護工程[35- 37](如天然林資源保護工程、長江中上游水土保持重點防治工程等)的實施,生態用地縮減速率不斷降低,林地及草地面積有所增加,部分地區生態環境有所改善,但仍需要實施具有針對性的空間治理方案。

(3)第三梯度：主要為西南區、西北區、華北區及東北區。21世紀前生態用地持續縮減,主要的糧食生產區如華北及東北區等半生態用地持續增加,主要由農田開墾導致的大量草地、林地及未利用地轉變為耕地及湖泊面積減少所致。及至后期,由于追求經濟增長,在各區域經濟戰略實施的影響下,生態空間以弱生態用地面積的增長為主,建設用地盲目擴張,集中分布于各省會及主要城市、鄉鎮周邊。該區域承載了中國約52%的生態功能[6],對保障國家生態安全具有重要作用,亟待實施生態空間管控措施。

3 結論與討論

3.1 結論

本文以中科院1990—2015年中國土地利用變化數據為基礎,在對生態空間內涵進行界定的基礎上,建立中國生態空間分類體系與土地利用分類系統的銜接關系,分析了改革開放30年以來中國生態空間演化的時空格局和梯度效應。主要結論為：

(1)中國生態用地面積持續減少,主要向半生態用地轉變,變化劇烈地區集中分布于重要的糧食生產區域及周邊,通常水土資源良好,具有優越的種植環境。半生態用地變化較為波動,前期主要表現為不斷擴張,來源為生態用地,后期大量半生態用地轉換為弱生態用地,主要發生在主要城市群地區。弱生態用地持續擴張,主要來源為半生態用地,伴隨城鎮化進程不斷加速。

(2)生態空間演變過程表現出一定的區域差異,西南區、西北區、華北區及東北區生態用地持續縮減,半生態用地不斷增加,后期由于區域經濟戰略的實施,生態空間變化方向發生轉變,弱生態用地不斷增加；華東區及華中區生態用地轉出速率逐漸降低,半生態用地仍持續輸出為弱生態用地；華南區部分區域半生態用地開始向生態用地轉變,對該區域實施的生態管控措施有所響應,生態用地有所增加。

(3)不同梯度區域生態空間演化發生拐點的時間不同,整體趨勢表現為由西向東生態用地轉入面積不斷增多,生態管控實施力度增大。因此,區域生態空間狀況與生態空間管控具有較強的相關性,各級政府應當高度重視。生態空間管控應基于區域生態空間變化特征,參考主體功能區戰略,以保障和維護生態功能為目標,強化總體生態空間管控,確定分區域生態空間安全底線目標,提出國家空間管控近遠期戰略性方案。同時,我國經濟發展戰略向區域協調發展戰略(西部大開發、東北振興及中部崛起等)的轉變(主要包括生態環境建設及產業結構調整等),有效遏制了中西部及東北地區生態空間的進一步惡化。

3.2 討論

1990年以來土地利用變化遙感信息連續監測為掌握和揭示中國生態空間動態演化特征提供了可能,明晰中國生態空間演化的時空及過程特征,有利于及時發現我國過去一段時間內土地利用中存在的生態問題,并為開展生態環境建設及國土空間格局優化提供參考依據。然而,本研究在以下兩個方面仍有待于進一步改進。

首先,關于生態空間的界定和分類體系的確定。十八大報告中關于推進生態文明建設及優化國土空間開發格局的實施亟需提出完善的生態空間分類體系[18]。但學術界對于生態空間的界定仍存在一定難度。從生態學的角度,不同生態系統類型具有不同的生態功能。如荒漠生態系統是一種自然生態系統,盡管其生態系統服務價值較低,但結構及功能相對穩定。另外,根據土地利用類型對生態空間進行分類仍具有不確定性與非絕對性。弱生態用地中某些用地(例如城鎮用地中的人工綠地)也具有半生態用地的性質。下一步應基于不同生態系統對其功能強度、抵抗力及恢復力等進行量化分析。

其次,關于土地利用和生態空間數據的不確定性。中科院土地利用數據集是目前我國唯一一套覆蓋1980年代以來的完整時間序列圖集,采用的人機交互解譯的方式保證了產品的一致性和精度。盡管野外調查驗證得到的綜合評價精度達到91%—94%[38],但在變化圖譜分析時這些誤差會帶入到生態空間的變化中,對結果造成一定的誤差。未來應基于大數據及遙感技術,運用深度學習算法等進一步優化多時相生態空間信息。