雄安新區多尺度生態安全格局構建框架

盧慧婷,嚴 巖,趙春黎,吳 鋼

1 中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049

隨著我國城市化進程加快,城市內澇、水污染、空氣污染、熱島效應、水資源緊缺等城市生態環境問題層出不窮,城市生態安全問題引起越來越多學者的重視[1]。然而城市生態安全不僅是城市本身的問題,還涉及到城市所處的流域、區域、國家等多個不同的空間尺度,具體由支撐城市及其發展的關鍵生態系統服務所涉及的生態過程所決定。如城市內澇問題主要是由于排水管網系統不完善和不透水地表的不合理空間配置導致[2],可通過完善城市排水管網系統和優化城市內部景觀格局等途徑來解決;而空氣污染問題往往受到區域大氣傳輸的影響[3],需進行區域環境綜合治理。當前城市和區域生態安全研究主要關注生態安全狀態評估、土地利用變化和景觀格局配置、生態系統服務變化等[4- 7]。然而城市生態安全對生態系統服務的具體需求、城市生態安全格局的尺度特征、城市與區域生態安全格局的關聯與影響等研究還較少。

雄安新區位于河北省保定市境內,規劃范圍涵蓋河北省雄縣、容城、安新3縣及周邊部分區域。盡管新區區位條件優越,但是其水環境、水資源和大氣環境相對較為敏感,生態環境本底脆弱。新區范圍內土地利用類型以農田為主,植被和景觀結構單一,農業和生活污染源負荷較重。新區南部毗鄰的白洋淀由拒馬河、萍河、瀑河、漕河、府河、唐河、孝義河、潴龍河、白溝引河共9條支流匯入,后經趙王新河匯入大清河,在流域內具有重要的防洪調蓄功能,被譽為“華北之腎”,但是也存在水資源超載、水污染、濕地退化、景觀破碎、洪澇風險等一系列生態環境問題。隨著新區的建設,新區及周邊城市化進程將顯著加快,人類活動影響加劇,新區及周邊區域的生態安全形勢將面臨嚴峻的挑戰。如何在新區建設過程中對其生態安全格局進行優化和調整,避免潛在生態環境問題和風險的產生,是亟待解決的問題。

本文對生態安全格局相關概念及研究進展進行了梳理,從生存需求、可持續發展需求和人居環境改善需求3個層面,對雄安新區的關鍵生態系統服務需求進行了分析,并依據這些生態服務及其生態過程的空間尺度特征,從新區城市尺度、大清河流域尺度和京津冀生態支撐區三個尺度構建了雄安新區的生態安全格局研究框架,并提出了相應的保障對策和建議,以期為雄安新區的生態環境保護和城市生態建設提供理論支撐。

1 生態安全格局相關概念與研究進展

自1941年土地健康的概念被提出后,生態系統健康與生態環境風險研究分別在全球范圍內得到發展[8]。20世紀80年代,世界環境與發展委員會與國際應用系統分析研究所正式提出生態安全問題及監測系統[8]。生態安全是指生態系統在保持自身結構和功能穩定的前提下,生態環境條件與生態系統服務可以持續支撐經濟發展和社會安定、保障人民生活和健康不受生態破壞損害的狀態與能力[4,9- 12]。生態安全格局即是對維持區域和城市生態安全具有重要意義的空間格局,包括對維持某個生態過程具有關鍵作用的斑塊、廊道、區域等[10,13]。隨著景觀生態學、生態系統服務供需格局等相關研究的發展,生態安全格局已成為生態安全面向應用與管理的熱點研究領域。近年來,我國也陸續開展了生態區劃、生態功能區、主體功能區、生態紅線等研究和制度劃定,為我國生態環境的保護發展與管理提供了指導。

生態安全和生態安全格局與其他相關概念的區別與聯系梳理如下：(1)生態風險。生態風險是生態安全的逆向測度或反函數[14-15],也有部分學者認為生態安全研究是從生態風險分析發展而來的[11]。但生態風險側重對現狀和潛在生態風險的評估,對生態系統支撐社會經濟發展和提供人類福祉方面的刻畫較為薄弱。(2)可持續發展。生態安全與可持續發展的目標和內涵具有一致性,但是可持續發展更側重社會經濟發展與環境的關系,弱化了生態系統的基礎支撐作用,因此生態安全可以說是對可持續發展概念的補充和完善[16-17]。(3)生態保護紅線(簡稱生態紅線)。生態紅線是為維護國家或區域的生態安全和可持續發展,根據生態系統完整性和連通性的保護需求,劃定的需實施特殊保護的區域[18]。生態紅線具有精準的空間邊界和嚴格的管理制度,是生態安全格局的重要組成部分。綜上,生態安全和生態安全格局均是較為宏觀的概念,它們與生態風險、可持續發展和生態保護紅線等在內涵上部分重疊,但又各有側重。

1.1 生態安全格局研究方法與進展

目前生態安全格局領域的研究方法主要有指標體系法、“源地—廊道”法、生態系統服務供需法、情景分析法、生態風險評估法等。(1)指標體系法。指標體系法包括利用DPSIR模型[19]、生態系統健康“活力—組織力—恢復力”框架[20]等,選取生態環境指標和社會經濟指標作為評價因子,對研究區生態安全狀態進行綜合評價并劃分生態安全等級[21]。(2)“源地—廊道”法?！霸吹亍鹊馈狈ㄖ饕峭ㄟ^生境重要性評估、生態紅線等途徑識別生態源地,并利用最小累積阻力模型和電路理論等方法進行生態廊道識別和生態安全格局劃定[13,22-23]。如Peng等[23]利用生態系統服務評估和基于電路理論的方法,構建了由66個生態源地、186個生態廊道、24個生態節點和10個障礙點構成的云南省生態安全格局。(3)生態系統服務供需法。生態系統服務供需法是指通過定量評估生態系統服務供需及其轉移和流動,以供需關系表征生態安全格局的方法[4,24]。生態系統服務供需法可以在一定程度上體現出生態過程對格局的影響,同時耦合了社會經濟發展對生態系統的需求,目前已成為生態安全格局研究的熱點。如景永才等[4]提出了基于生態系統服務供需的城市群生態安全格局研究框架;Li等[24]通過對水資源供給服務流的過程進行水文分析和空間建模,評估了京津冀地區的水資源安全格局,并根據水資源供給是否充足和是否受到上游影響將研究區分為了5個類型。(4)情景分析法。情景分析法即針對區域或城市的不同發展目標或不同干擾情景,對生態安全格局進行預測和比較分析[7,25]。如俞孔堅等在北京市生態安全綜合格局研究基礎上,提出無生態安全格局、底線生態安全格局、滿意生態安全格局、理想生態安全格局4種城鎮空間發展預景[5]。(5)生態風險評估法。生態風險是生態安全的逆向測度或反函數[14-15],防范和規避生態風險是保障區域和城市生態安全的重要前提。在區域生態安全研究中,通過生態風險評估來預測和估算風險源對生態系統造成損害的概率和程度,對區域生態安全建設、生態風險防范和管理具有重要的指示意義[26-27]。如吳艷霞等[28]選取了9項生態風險免疫能力指標構建了資源型城市生態安全預警指標體系;黃隆楊等[29]從生態用地質量、生態退化風險以及生態需求3方面識別生態源地,基于“質量—風險—需求”框架構建了武漢市生態安全格局。此外,還有學者利用生態承載力法[30]、系統分析法[31]等進行生態安全格局研究。

1.2 現有研究的問題和不足

首先,當前生態安全格局研究尚未形成主流的研究方法,各個學者的研究各有側重。在生態安全評價方面,評價方法和指標體系的構建缺乏公認的準則和閾值[32],導致評價結果主觀性較大;在生態安全格局構建方面,盡管“源地—廊道”法具有較好的空間格局顯示,方法也已較為成熟,但是其廊道僅能代表物種遷徙的途徑而無法反映其他生態過程,還有廊道寬度如何確定等問題尚未解決。其次,目前的生態安全研究大多是靜態的,基于生態過程的生態安全動態評價和預警研究不足,如人類活動和氣候變化對生態安全格局的影響與預測[9]。此外,目前生態安全和生態安全格局研究方法和尺度較為單一,多尺度生態安全格局研究還較少,尤其是城市尺度與區域尺度的生態安全的研究未能有效銜接。

2 雄安新區生態安全目標解析及其生態系統服務需求

生態系統服務是指人類從生態系統直接或間接獲得的益處,包括有形的物質產品供給與無形的服務提供[33-34]。生態系統服務建立了社會經濟子系統和生態環境子系統的橋梁,一個城市或區域生態系統服務供給和需求的平衡狀態決定了其是否生態安全,而供需失衡會加劇生態風險[4]。隨著生態系統服務評估及其供需研究的發展,生態系統服務已成為耦合社會經濟發展與生態系統結構和功能的紐帶[35],并且也是人類感知和辨識生態安全狀態的重要途徑[36]。維護城市生態安全需要不同層次的生態系統服務來支撐,參照心理學的馬斯洛需求層次理論,將生態安全的生態系統服務需求從低到高劃分為生存需求層次、可持續發展需求層次和人居環境改善需求3個層次,如圖1所示。

圖1 城市生態安全的生態系統服務需求層次Fig.1 The hierarchy of ecosystem service demand for urban ecological security

2.1 生存需求

支撐人類在城市生存最基礎的需求包括清潔的空氣、水和食物等。根據聯合國第三次住房和城市可持續發展大會提出的《新城市議程》[37],城市應逐步實現人人普遍享有安全和負擔得起的飲用水和衛生設施,以及人人平等獲得糧食安全和營養、衛生、基礎設施、能源、空氣質量等公共產品和服務的目標。因此,城市發展最基本的生態系統服務需求包括水資源供給、食物生產、固碳釋氧、水質凈化、空氣凈化等。為承接北京的非首都功能,雄安新區將面臨大量的人口遷入,而華北地區原本水資源就已高度緊張,滿足大量新增人口及社會經濟發展的水資源供給將是雄安新區亟待解決的生態服務需求之一。

2.2 可持續發展需求

根據《2030年可持續發展議程》[38],建設包容、安全、有抵御災害能力和可持續的城市和人類住區是聯合國17項可持續發展目標之一,具體包括保護、養護、恢復和促進城市和人類住區內的生態系統、水、自然生境和生物多樣性,最大限度地減少它們對環境的影響,并轉向可持續的消費和生產模式。雄安新區位于生態環境本底脆弱、人類活動強度劇烈的華北平原和大清河流域腹地,新區的可持續發展離不開區域和流域所提供和維持的各項生態系統服務,尤其是來自上游的土壤保持、水源涵養、水質凈化,以及區域的防風固沙、生物多樣性維持等。

2.3 人居環境改善需求

為建設具有“世界眼光、國際標準”的生態宜居新城,雄安新區應以人文關懷精神為指導,運用景感生態學原理,以人為本,全面考慮新區社會、經濟、文化活動對城市生態系統的需求。在新區的建設過程中,不僅需要保證一定的藍綠空間比,還應構建科學、合理、美觀的綠色基礎設施網絡體系,以最大化滿足居民生產、生活活動需求為目標,充分發揮城市綠色基礎設施的生態休閑、微氣候調節、降塵減噪等生態服務,提升居民福祉。

2.4 生態系統服務的尺度特征

生態系統服務是基于特定的生態系統結構、過程和功能產生的,不同的生態系統服務涉及到不同尺度的生態過程,也因此具有不同的空間尺度特征。不同尺度的生態安全格局并非獨立存在,而是彼此聯系、互相影響。需要注意的是,某些生態系統服務的尺度特征邊界較為模糊,如糧食生產：一個城市的糧食供給來源不僅包括流域和區域內的農村、城郊,還可能包括城市內部的陽臺農業、立體農業等,甚至包括國外進口部分。一般而言,生存需求層次的生態系統服務涉及到的尺度相對教大,人居環境改善需求層次的生態系統服務涉及的尺度相對較小,主要集中在城市尺度;而可持續發展需求層次的生態系統服務主要集中在流域和區域尺度。雄安新區關鍵生態系統服務的尺度特征如圖2所示。

圖2 雄安新區關鍵生態系統服務的尺度特征Fig.2 Scale characteristics of the key ecosystem services in Xiongan New Area

3 雄安新區生態安全格局構建框架

由于各生態系統服務具有不同的尺度特征,而維護城市生態安全需要考慮不同尺度的生態系統服務需求,因此在構建城市生態安全格局時也應從多尺度進行考慮。根據雄安新區的自然地理特征和社會經濟發展格局,本研究從城市、流域和區域三個尺度提出雄安新區的生態安全格局構建框架(圖3)。

圖3 雄安新區生態安全格局構建框架Fig.3 The framework of constructing ecological security pattern in Xiongan New Area

3.1 雄安新區城市尺度

建設綠色生態宜居新城區是雄安新區的目標,也是城市可持續發展、吸引人才和投資的基礎。因此,在雄安新區城市尺度的生態安全格局構建中,應充分考慮其在景觀綠化、污染凈化、環境美化、防洪減災、以及生態休閑等方面的生態需求,有效發揮城市生態系統的各項服務功能。具體包括,在新區總體規劃方案的基礎上構建由公園綠地、社區綠地、道路綠地、防護綠地和屋頂或墻面綠地結合的生態基礎設施網絡體系;優化植物群落配置,優先選用本地和適應性較強的物種,降低植物死亡風險和管理維護成本;減少不透水地表面積,鋪設生態透水磚和設計下沉式雨水花園,建設海綿城市;設計水—岸—陸梯級河流、湖泊濕地,增加城市水體自凈能力和水源涵養功能;利用城市冠層模型,通過對新區綠化空間比例、天空視角、形狀因子、建筑密度、高度等因子進行分析,構建生態通風廊道,緩解城市熱島和大氣污染等。

3.2 大清河流域尺度

流域是水文循環、氮磷循環、泥沙輸送等諸多生態過程的基本單元,也是進行水資源管理的基本單位。雄安新區及白洋淀水質和水量與大清河流域中上游息息相關。然而由于上游水庫蓄水以及徑流減少的原因,大部分入淀河流均處于長期斷流狀態,僅在豐水期有水,且水質大多為V類和劣V類。在流域尺度的生態安全格局構建中,應加強上游植被保護與恢復,防治水土流失,提升水源涵養功能;合理規劃流域上下游水資源調配和跨流域調水、補水工程,統籌流域管理、區域管理和河(湖)長制度;大力推廣滴灌、雨水回收等節水措施,提高水資源利用效率;監督管理流域工業廢水排放,加強入淀河流的水污染治理;控制流域農藥和化肥使用量,削減流域和淀區農業面源和生活源水污染等。

3.3 京津冀生態支撐區尺度

雄安新區的建設初衷是以疏解北京非首都功能為“牛鼻子”推動京津冀協同發展,因此雄安新區的發展與京津冀緊密相關,相輔相成。在京津冀協同發展規劃的指導下,京津冀將實現目標同向、措施一體、優勢互補、互利共贏的協同發展新格局。尤其在生態環境領域,京津冀區域生態環境的治理成效將對雄安新區具有深遠影響,是雄安新區發展的重要生態支撐區。以大氣污染防治為例,只有通過調整京津冀地區的能源和產業結構、統一嚴格排放標準,建立區域大氣污染聯防聯控體系,才能有效提升雄安新區的空氣質量。此外,京津冀地區應完善生態紅線劃定和自然保護地體系建立工作,保護自然生態系統和區域生物多樣性;強化燕山—太行山生態安全屏障、京津保濕地生態過渡帶建設,構建銜接太行山—渤海灣的生態廊道;建立并完善碳交易、排污權交易和生態補償制度等,通過經濟手段調控區域污染排放和利益沖突等。

4 結論和建議

維持城市生存和發展所依賴的關鍵生態系統服務的供需平衡是保障城市生態安全的根本要求和基本前提。本文將城市生態安全涉及的關鍵生態系統服務需求分為三個層次：一是水資源供給、食物生產、水質凈化等城市生存所依賴的基礎資源與基本環境維持相關的生存需求服務,二是土壤保持、水源涵養、防風固沙、固碳釋氧、生物多樣性等生態系統穩定和可持續性維持相關的生態系統穩定和調節類服務,三是生態休閑、微氣候調節、降塵減噪、文化審美等人居環境與文化類服務。由于各生態系統服務具有不同的尺度特征,因此在構建城市生態安全格局時也應從多尺度進行考慮。本文以雄安新區為研究對象,從不同需求層次分別對其生態安全保障的生態系統服務需求進行了分析,并結合其自然地理特征和新區建設的社會經濟發展情景,從新區城市、大清河流域和京津冀區域三個尺度提出了雄安新區生態安全格局構建框架。

作為京津冀世界級城市群的重要一極和推動高質量發展的全國樣板,雄安新區的建設和發展吸引著全國和全球包括學者和政府在內的各界關注。生態安全是一切發展的前提和基礎,也是決定雄安新區發展成敗的關鍵因素。在雄安新區的建設過程中應把生態環境問題擺在首位,從新區城市、大清河流域和京津冀區域多個尺度進行生態環境管理和調控,充分發揮雄安新區的平臺優勢,打破行政和地域邊界限制,創新管理體制;關注雄安各尺度關鍵生態系統服務的過程,加強生態環境要素的監測和預警,科學解決生態環境問題;重視雄安新區在人居環境改善層次的生態系統服務需求,尤其是生態休閑服務,打造綠色宜居的社區環境,并充分發揮白洋淀的自然景觀價值,吸引國內外游客和投資者,增加旅游和文化產業比重,從而實現化綠水青山為金山銀山。