雄安新區生態系統服務需求空間分布格局預測

馮運雙,石龍宇,*

1 福建農林大學生命科學學院, 福州 350002 2 中國科學院城市環境研究所 城市環境與健康重點實驗室, 廈門 361021

生態系統服務是指生態系統與生態過程所形成及維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用,包括對人類生存及生活質量有貢獻的有形產品和無形服務[1- 2]。綜合考慮人類基本生活對生態系統服務的消耗和偏好需求,生態系統服務需求是指被人類社會消耗(能夠獲得的)或者渴望得到的生態系統服務的數量和質量[3],與土地開發的強度或人類活動的干擾程度密切相關。相關研究表明,不同區域的自然和社會經濟狀況不同,影響其生態系統服務供給和需求,生態系統服務供需存在空間異質性和不平衡的問題[4- 5],明晰區域的生態系統服務需求可為保護規劃、土地利用規劃和管理提供支持[6]。2017年4月1日,雄安新區被中共中央、國務院設立為國家級新區,包括雄縣、容城縣、安新縣3個縣及周邊部分區域,著重強調了新區規劃要突出生態優先、綠色發展,作為未來生態城市標桿,雄安新區在疏解北京非首都功能和推進京津冀生態建設中戰略地位重要[7]。然而新城的建設過程中必然伴隨著高強度人為建設活動對自然生態環境的干擾,容易造成生態系統脆弱,威脅區域生態系統服務的供需平衡,甚至導致生態環境問題。同時,由于城市人口的聚集和經濟的發展,雄安新區對糧食供給、水資源供給、空氣凈化、水源涵養和文化休閑等生態系統服務的需求將不斷提高,且具有空間分異特征。因此,在城市發展初期,分析預測生態系統服務需求空間特征和未來變化趨勢,可為后期的生態系統服務供給、生態基礎設施建設和城市規劃布局等提供指導[8],建設高標準生態城市。

目前測算生態系統服務需求的研究方法有生態系統服務供需關系矩陣法[9- 11]、生態足跡法、問卷調查法和公眾參與法、模型計算法、貨幣價值法等[12]。應用較多的是基于土地利用/土地覆被變化(LUCC)的生態系統服務供需關系矩陣法,即以土地利用圖為基礎,利用專家經驗制定土地利用類型和生態系統服務供需程度的矩陣,對生態系統服務供需進行對比分析,分析結果的精確度與土地利用數據精確度密切相關,而雄安新區的發展和建設由于受政策影響較大,其土地利用變化機制與普通自然增長的城市不同,無法使用常見的CA-Markov模型進行預測,因此生態系統服務需求預測不能使用依賴于土地利用狀況的供需矩陣法。生態足跡法是從物質文化、生態安全和環境質量三個方面參考可持續發展城市的標準,把人類對生態系統服務的各種需求反映在所需要的生物生產性面積上[13- 14],測算生態系統需求,但無法反映區域內部生態系統服務需求的空間異質性。公眾參與法和問卷調查法是基于利益相關者的認知、支付意愿和偏好來研究生態服務需求和供給,有利于反映不同利益相關者的需求,但容易存在認知和理解偏差[2]。貨幣價值法能提高人們對生態系統退化所涉及的經濟風險的認識,有利于提高可比性和經濟權衡評估[6],但對于無形的服務,由于不可衡量性和對人們感知的依賴,貨幣價值法難以測算。目前已有的生態系統服務研究,大部分是根據現狀自然和社會經濟數據開展的單一時間維度的研究[15- 18],缺乏對生態系統服務時空變異性的關注。因此,本文根據研究區域特征和數據的可獲取性,參考彭建等人[19- 21]的研究方法,選取社會經濟指標中的土地利用開發程度、人口密度和經濟密度三個指標表征生態系統服務需求,對雄安新區未來時間節點的生態系統服務需求時空分布進行預測。

由于生態系統服務需求受到社會經濟條件、行為規范、人口結構的變化和技術創新等因素的影響[3],未來時間節點的生態系統服務需求預測需要結合未來的土地利用狀況和社會經濟數據,因此根據雄安新區規劃資料預估2035年和2050年兩個關鍵節點的土地利用空間分布格局,使用地區類比法和綜合增長率法預測2035年和2050年的人口和經濟密度空間分布格局,然后空間疊加分析,預測雄安新區生態系統服務需求空間分布狀況,探討新興城市發展過程中,人口社會經濟等因素影響下的城市內部生態系統服務需求變化的空間規律,得到不同區域的生態系統服務需求的空間差異,指導未來城市規劃和生態基礎設施建設,以滿足人們對生態系統服務的需求。

圖1 雄安新區2017年土地利用圖Fig.1 The land use map of Xiong′an New Area in 2017

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

雄安新區于2017年4月1日被中共中央、國務院設立為國家級新區,包括雄縣、容城縣、安新縣3個縣及周邊部分區域(圖1),土地規劃總面積1770 km2,根據2018年公布的《河北雄安新區規劃綱要》,新區遠景開發強度控制在30%,建設用地總規模約530 km2,人口規模控制在1萬人/km2；規劃先行啟動建設起步區,起步區面積約198 km2,在起步區適當區域規劃建設啟動區。建設目標為到2035年,基本建成綠色低碳、信息智能、宜居宜業、具有較強競爭力和影響力、人與自然和諧共生的高水平社會主義現代化城市。到21世紀中葉,全面建成高質量高水平的社會主義現代化城市,成為京津冀世界級城市群的重要一極,集中承接北京非首都功能成效顯著,為解決“大城市病”問題提供中國方案,新區各項經濟社會發展指標達到國際領先水平。

生態系統服務需求預測區域：雄安新區規劃范圍,面積共1770 km2；先行開發的起步區,面積約198 km2；

預測時間節點：根據城市建設發展規律,綜合考慮城市規劃目標等因素,確定預測時間節點為2035年、2050年。

1.2 數據來源

本文人口統計口徑均為年末常住人口,雄安新區人口數據來自《保定經濟統計年鑒》,深圳人口數據來自《深圳統計年鑒》,北京經濟技術開發區數據來自《北京市統計年鑒》。土地利用數據是基于Sentinel- 2數據獲得的10 m空間分辨率的2017年全球土地覆被圖(FROM-GLC10)[22],人口空間分布公里網格數據和GDP空間分布公里網格數據來自中國科學院資源環境科學數據中心[23- 25]。

2 研究方法

2.1 生態系統服務需求預測

綜合生態系統服務變化驅動因子以及數據可獲取性,本文參考彭建等人[19,26- 28]的研究方法,選取社會經濟指標中與生態系統服務的需求呈現正相關關系的土地利用開發程度、人口密度、經濟密度3個指標,綜合計算反映生態系統服務需求的空間分異格局。其中,土地利用開發程度為建設用地面積占區域土地總面積的百分比,人口密度為每km2范圍的人口數量,經濟密度為每km2范圍的國內生產總值,即地均GDP。為了消除不同縣市的人口密度和經濟密度的較大差異,人口密度和經濟密度在統計上采用對數法[19],預測生態系統服務需求的計算公式如下：

X=lgPi×lgEi×Di

(1)

式中,X代表評價單元生態系統服務需求,Pi代表人口密度；Ei代表經濟密度；Di代表土地利用開發程度。

2.2 土地利用開發程度預測

基于雄安新區土地利用現狀,結合《河北雄安新區規劃綱要》、《河北雄安新區啟動區控制性詳細規劃》和《河北雄安新區起步區控制性規劃》等重要權威批復性文件以及相應規劃示意圖,將國土空間分為生態空間、城鎮空間和農業空間,對雄安新區2035年、2050年國土空間結構進行初步預估(圖2),在國土空間結構圖的基礎上,利用Arcmap軟件進行空間分析,計算得到1 km2網格內,建設用地面積所占的比例。

圖2 預估雄安新區國土空間結構Fig.2 Estimated land use structure of Xiong′an New Area

2.3 人口密度預測

2.3.1雄安新區2035年人口密度預測

人口增長包括自然增長和機械增長,在雄安新區的快速發展和建設過程中,雄安新區的功能定位是以疏解北京的非首都功能為主,起步區是先行啟動建設的主城區,重點承接北京非首都功能疏解,由于政策原因而導致的政策內遷入人口[29]將主要集中在起步區,人口的機械增長是影響人口規模的主要因素,非起步區人口增長在發展初期受政策影響相對較小,人口的自然增長是影響人口規模的主要因素,因此雄安新區2035年的常住人口預測由兩部分組成。

(1)起步區人口預測

雄安新區的定位首先是疏解北京非首都功能集中承載地,起步區主要負責承接來自北京的批發零售業、制造業、醫療衛生教育及行政管理等方面的單位機構和人口,這些人口集中于第二產業和第三產業,根據北京市的統計數據,2017年底北京市第二產業和第三產業的從業人數分別為192.8萬人和1005.2萬人。在非首都功能疏解過程中,由于新區的基礎設施建設需要,且基礎設施等配套條件改善,對人才的吸引力及需求增加,吸引大量第二產業和第三產業從業人員遷入起步區。以2017年北京市從業人口規模為基數,假設由于政策原因遷入雄安新區的第二產業和第三產業人口占比分別為30%和10%[29]。

(2)非起步區人口預測

建設初期非核心區的其他區域承接非首都功能較少,受政策影響相對較小,常住人口預測主要與現狀人口空間分布情況相關,因此使用綜合增長率法[30],以預測基準年上溯5年的歷史平均增長率為基礎,預測規劃目標年城市人口,計算公式為：

Pn=P0×(1+k)n

(2)

式中,P0表示基年人口總數,Pn表示預測年人口數,k表示人口規模綜合增長率,n表示年數。

2.3.2雄安新區2050年人口密度預測

地區類比法是借鑒戰略地位、行政級別和土地面積等發展背景相似地區的發展經驗,根據參照地區的經濟社會指標變化趨勢規律,對相關指標進行預測[31]。雄安新區的成立和建設被稱為“千年大計、國家大事”,改革開放以來,我國陸續成立了多個經濟特區及國家級新區,綜合多方面發展背景特征,選取深圳為雄安新區的參照城市,參考深圳1997年至2012年的人口年平均增長率,預測雄安新區2035年至2050年期間15年的人口年平均增長率為4.76%,以雄安新區2035年人口密度分布圖為基礎,在Arcmap軟件中使用柵格計算器,根據公式2計算得到2050年雄安新區人口密度分布圖。

2.4 經濟密度預測

2.4.1雄安新區2035年經濟密度預測

創新驅動發展引領區和開放發展先行區是雄安新區發展定位的組成部分,先行啟動建設的起步區重點承接北京非首都功能疏解,重點發展尖端技術產業基地,因此起步區與非起步區的經濟發展狀況具有空間分異特征,將雄安新區的經濟密度預測主要分為兩部分。

(1)起步區經濟密度預測

采用地區類比法,根據起步區產業布局為重點承接北京疏解的事業單位、總部企業、金融機構、高等院校、科研院所等功能,重點發展人工智能、信息安全、量子技術、超級計算等尖端技術產業基地,建設國家醫療中心的規劃定位,參考成立于1992年的北京經濟技術開發區發展至2015年GDP數據,預測雄安新區2035年建設用地地均GDP值 292270萬元/km2,結合每個面積為1 km2的正方形網格中建設用地所占比例,利用柵格計算器工具計算得到2035年起步區的經濟密度空間分布數據。

(2)非起步區經濟密度預測

采用平均增長率法,以2017年為基期,根據雄縣、容縣和安新縣的2012—2017年的GDP年平均增長率,預測2035年非起步區的地均GDP空間分布情況,計算公式為：

En=E0×(1+k)n

(3)

式中,E0表示基年地均GDP,En表示預測年地均GDP,k表示GDP年平均增長率,n表示年數。

以雄安新區2015年的GDP空間公里網格數據為基礎(注：本文預測以2017年為基準年,但由于2017年的人口和GDP空間數據無法獲取,以2015年數據代替),利用Arcmap中的柵格計算器工具,根據公式3進行運算,得到2035年非起步區GDP空間分布數據。

2.4.2雄安新區2050年經濟密度預測

將地區類比法和綜合增長率法相結合,參考北京經濟技術開發區2013—2017年的GDP年平均增長率,預測雄安新區2035年至2050年的GDP年平均增長率為10.57%,以雄安新區2035年經濟密度數據為基礎,利用Arcmap中的柵格計算器工具,根據公式3計算得到2050年雄安新區經濟密度空間分布數據。

3 結果與分析

3.1 土地利用開發程度預測

根據雄安新區土地利用2017年數據、2035年和2050年預估國土空間結構數據得到雄安新區2017年、2035年和2050年土地利用開發程度圖(圖3)。2017年土地利用開發程度高值區分布在雄縣、容城縣和安新縣的縣城,中值區分布在農村居民點范圍,低值區分布在農田和白洋淀水域范圍；2035年土地開發利用程度格局發生變化,起步區范圍內建設用地增加,導致土地利用開發程度最高；2050年土地利用開發程度高值區集中在起步區和周邊幾個組團范圍,同時白洋淀水域面積擴大導致其周圍土地利用開發程度降低。

圖3 土地利用開發程度Fig.3 Land development degree

3.2 人口密度預測

雄安新區2035年起步區范圍政策內遷入人口數量約為158萬人,使用綜合增長率法計算2035年非起步區人口總量約為121萬人,雄安新區總人口為279萬人。將地區類比法和綜合增長率法相結合,預測2050年雄安新區人口總量約為560萬,《河北雄安新區規劃綱要》中規定新區遠景開發強度控制在30%,建設用地總規模約530 km2,新區規劃建設區人口密度控制在1萬人/km2,預測所得2050年人口總量基本符合規劃的人口總量要求。

人口總量根據每平方公里內建設用地所占比例分布,在2015年人口密度基礎上得到雄安新區2035年和2050年人口密度圖(圖4)。雄安新區現狀人口密度整體較小,相對密度較高值區分布在雄縣、容城縣和安新縣的縣城；2035年人口密度空間格局變化較大,高值區集中在起步區建設用地內；2050年人口在起步區基礎上,周圍組團人口密度也相對增加。

圖4 人口密度Fig.4 Population density

3.3 經濟密度預測

利用地區類比法和綜合增長率法,參考北京經濟技術開發區的2015年的GDP年平均增長率,預測起步區范圍2035年GDP總量為2922億元,非起步區GDP總量約為552億元,總量為3475億元,雄安新區2050年GDP總量預測約為15677億元。GDP總量根據每平方公里內建設用地所占比例分布,在2015年經濟密度基礎上得到雄安新區2035年和2050年經濟密度圖(圖5)。2015年經濟密度整體較低,較高值區集中在雄縣、容城縣和安新縣的縣城；2035年新區整體經濟密度增加,高值區集中在起步區,起步區與非起步區差距變大；2050年新區整體經濟密度進一步增加,起步區地均GDP遠遠高于其他區域,人均GDP達到28萬元/人,經濟發展水平最高。

圖5 經濟密度Fig.5 Eeconomic density

3.4 生態系統服務需求預測

基于雄安新區三個時間節點的土地利用開發程度、人口密度和經濟密度的空間分布數據,得到雄安新區2017年、2035年和2050年的生態系統服務需求圖(圖6),評價結果根據生態系統服務需求從低到高顏色漸變。

圖6 生態系統服務需求Fig.6 Ecosystem services demand

由于雄安新區自然地理條件與經濟發展存在差異,2017年人口密度和經濟發展水平空間分異明顯,雄縣、容城縣和安新縣縣城相比其下轄的鄉鎮,人口密度和經濟密度較大；三縣相比,安新縣的人口密度和經濟發展水平均最低；現有農田和白洋淀水域范圍的土地利用開發程度較低,白洋淀區域由于水體和濕地的存在,人口密度小,其生態系統服務需求水平也最低。

雄安新區成立后,先行建設起步區,起步區的建設用地比例將大幅度增加,土地利用開發程度變高,大量企業、高校和科研院所遷移入駐,在人口大量流入的同時也將極大提高起步區的經濟發展水平,由于承載人口工作和生活的空間多集中于建設用地,因此2035年的人口密度較高值區和經濟密度較高值區均集中在起步區的建設用地范圍,且起步區與非起步區的差異明顯,直接影響生態系統服務需求的空間異質性,需求高值區將集中分布在起步區建設用地范圍,因原容城縣和雄縣的人口和GDP基數較大,需求較高值區分布于起步區周圍的雄縣和容城縣的縣城等外圍組團區域,需求最低值區分布在未開發建設的農田和白洋淀區域。

展望本世紀中葉,新區將全面建成高質量高水平的社會主義現代化城市,成為京津冀世界級城市群的重要一級,人口和經濟發展也將成為與北京和天津相協調的重要城市,人口總量增長迅速,逐步達到穩定水平,新區各項經濟社會發展指標達到國際領先水平。新區的人口密度和經濟發展的絕對值大幅度提高,生態系統服務需求高值區主要集中在“一主、五輔”城區范圍,與城鄉空間布局相呼應。新區規劃實施白洋淀生態濕地修復,淀泊水面增加,淀區恢復至360 km2左右,土地利用格局變化較大,需求低值區與淀區和耕地的分布范圍密切相關,生態用地面積增加,有效平衡生態系統服務供需矛盾。

4 討論

4.1 生態系統服務需求空間分布規律

在城市發展的不同階段,生態系統服務需求與土地開發的強度或人類活動的干擾程度密切相關。生態系統服務需求的時空分布受到土地利用格局的影響,由于建設用地集中承載大量的人口和經濟活動,因此生態系統服務需求的空間分布格局與建設用地的分布基本吻合。研究結果表明2035年和2050年生態系統服務需求高值區分別集中在起步區和“一主、五輔”城市組團等建設用地密集的城鎮空間,生態系統服務需求低值區則集中在土地開發程度較低區域,如各縣域的農業空間和白洋淀水域等生態空間。對比現有資料,《河北雄安新區規劃綱要》中規劃實施白洋淀生態濕地修復,淀泊水面增加,淀區恢復至360 km2左右,表明白洋淀的修復和保護至關重要,與本文觀點一致,生態用地面積的增加,可有效平衡生態系統服務供需矛盾,在維持生態服務供需平衡方面具有重要意義。

基于此,本文建議優化土地利用結構,平衡新區的建設用地和生態用地比例,留有充足的生態空間,加強森林管護和城市綠地建設,以滿足新區的水源涵養和空氣凈化等生態系統服務需求；同時,加強白洋淀的修復與保護,恢復淀區水量,保護淀區水質,加大濕地保護力度,增加野生動物棲息地,滿足需求新區及其周邊區域水源涵養和文化休閑等生態需求；建設宏觀-中觀-微觀多尺度生態基礎設施,建設流域-城市-場地多尺度的生態基礎設施,通過保護河流生態廊道和合理布局城市綠地等措施平衡不同時間和不同空間尺度的生態系統服務需求。

4.2 研究優勢與不足

以往研究在測算生態系統服務需求時,通常是基于現狀數據對當前生態系統服務需求的分析,較少對未來時間節點生態系統服務需求進行預測,尤其缺少對新城的未來發展過程中生態系統服務供需的關注。本文基于雄安新區土地利用現狀數據、相關重要權威批復性文件及其圖件和各地的年鑒數據等,利用綜合增長率法和地區類比法分別預測未來2035年和2050年雄安新區的土地利用開發程度、人口密度和經濟密度的數值和空間分布格局,進而預測雄安新區2035年和2050年生態系統服務需求空間分布格局和時間變化趨勢。

然而,本文是在綜合新區自然條件、社會經濟發展現狀和未來規劃目標的一種趨勢和方向的預估,以表征生態系統服務需求的空間分布格局情況,未對生態系統服務的內容和類型進行區分,也無法表明實際生態系統服務需求具體的價值,目前國內外相關研究還沒有比較成熟和完善的定量預測生態系統服務需求的方法,如何定量預測新城的生態系統服務需求仍需要更多學者的探討。

由于數據獲取困難,本文是基于雄安新區土地利用現狀數據,結合重要權威批復性文件以及相應規劃示意圖,利用ArcGIS軟件數字化對新區未來國土空間結構進行的預估,土地利用數據的質量對預測結果的精確度有較大的影響,而因此更加準確和權威的土地利用數據有助于進一步完善預測結果。

5 結論

本文基于雄安新區土地利用現狀數據、相關重要權威批復性文件及其圖件和各地的年鑒數據等,利用綜合增長率法和地區類比法分別預測未來2035年和2050年雄安新區的土地利用開發程度、人口密度和經濟密度的數值和空間分布結構,根據模型分析得到雄安新區現狀、2035年和2050年生態系統服務需求空間分布格局和時間變化趨勢。研究結果表明,雄安新區的生態系統服務需求隨著城市的快速發展而增加,其人口變化、經濟增長和土地開發程度與政策規劃密切相關,由于規劃先行開發建設起步區,建設用地面積增加,預測2035年起步區人口密度和經濟密度將大幅增加,進而帶動生態系統服務需求的增加；預測本世紀中葉,新區人口密度和經濟發展的絕對值大幅度提高,生態系統服務需求高值區主要集中在“一主、五輔”城區范圍,與城鄉空間布局相呼應。