城市群生態安全格局構建:概念辨析與理論思考

陳利頂,孫然好,孫 濤,楊 磊

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

隨著人口增長和社會經濟快速發展,城市化已經成為人類社會發展的必然趨勢。作為人口和產業高度集聚的中心[1-2],城市也成為維持人們日常生活需求和健康發展的主要空間載體和物質基礎[3]；但在快速城市化給人類帶來福祉同時,也帶來了一系列的生態環境問題,如熱島效應、城市內澇、霧霾、水資源短缺、糧食供給不足、能源短缺、水土環境污染、生物多樣性下降等[4-5]。城市群是人類社會發展到一定階段城市不斷演變與發展的結果,通過與臨近城市之間物流、能流、人流和信息流的高度融合與發展而形成的區域型復合生態系統,最終實現產業結構互補、生態功能協調、社會發展高度融合。在自然環境變化、人口集聚和社會經濟活動不斷增強的多重壓力下,如何保障城市群生態安全與健康發展成為目前各界關注的熱點問題[6-7]。

生態安全本質是為了實現人類社會可持續發展[8]。狹義上,生態安全是指人類生存所依賴的自然生態環境未受到人為破壞或干擾而導致生態系統功能失調的狀態,可以為人類社會持續不斷提供優質產品和服務,滿足人類生存發展對自然生態環境的需求[9]。廣義上,生態安全是指影響人類生存安全的狀態,涉及到衣食住行各個方面,反映了人類生存所依賴的環境是否可以滿足不斷增長的物質需求、精神需求,與此同時人類的身心健康又未受到嚴重威脅[10]。狹義上生態安全強調自然生態系統的保護與優化利用,需要考慮人類社會經濟發展與生態保護之間的協調關系；而廣義的生態安全除了要求保護與人類有關的自然生態系統外,還要從物質需求、精神需求方面滿足各種生態安全需求,突出對人類健康的維護。

1 城市生態安全與城市群生態安全

1.1 城市生態安全內涵與特點

城市生態系統是一個人為建造的開放型復合生態系統,與周邊地區存在著復雜的物質和能量交換。城市生態安全是把城市生態系統健康與可持續發展作為最終目標,通過生態修復與重建,解決人類社會活動中所面臨的各種生態環境問題,維持城市為人類提供福祉的能力[11]。城市是人類生存的重要棲息場所,因此城市生態安全涉及到與人類有關的各種社會經濟活動[12-13]。城市生態安全的目的性很強,從人類生產與發展角度,探討如何控制城市生活中所面臨的各種生態環境問題,進而通過城市生態系統結構優化來增強城市生態系統的健康、提高城市居民的生活質量和生活水平,滿足人們不斷增長的物質需求和精神需求[14- 17]。

城市生態安全特點包括三個方面[11]:(1)主觀性。人類在城市發展與演變過程中居于主導地位,而城市生態安全又是以維持人類社會可持續發展作為主要目的,不同城市類型、不同社會群體對城市生態安全的理解不同,所面臨的生態安全需求存在差異,因此城市生態安全具有一定的主觀性。(2)可塑性。城市生態安全需要根據人類社會水平和生存需求,制定城市生態安全的目標,城市規劃中建筑物抗震標準、防洪標準以及城市公共服務標準等,均是根據人類社會發展可承受的風險而制定。(3)階段性。城市發展不同階段人類的追求不同,那么人類談及城市生態安全時也會因人而異、因城而變；特別是隨著經濟發展、人口集聚和城市規模的不斷擴大,城市的功能隨之發生改變,在城市生態安全上也會不斷提高標準,提出新的要求。

1.2 城市群生態安全內涵

城市群生態安全不僅需要考慮各城市所面臨的生態環境問題,也需要從城市群一體化發展角度,考慮城市復合生態系統的健康運行與可持續發展。城市群生態安全是指在保障城市復合生態系統正常社會經濟活動同時,實現城市群地區生態系統結構優化與生態系統服務功能提升。內涵上,城市群生態安全與城市生態安全沒有本質區別,但由于二者所關注的空間尺度不同,所面對的問題存在差異。城市群生態安全是從更大空間尺度上,探討人類社會經濟的有序發展,解析資源優化配置與物質、能源、信息的合理高效流動,是對城市生態安全的補充、完善與提升。許多城市尺度上無法解決的問題,可以通過城市群一體化協同發展來實現或得到緩解。

城市群生態安全同樣包括狹義和廣義兩個層面。狹義上城市群生態安全側重于城市群內部生態系統空間優化和服務能力提升,重點關注城市群地區生態用地的空間優化以及城市群地區“三生空間”(生態、生活及生產空間)的合理布局,以滿足城市群地區人們日常生活中的物質和精神需求作為基本目標,以不破壞城市群地區生態系統可持續性作為基本原則,通過生態恢復和安全格局構建實現生態系統服務功能最大化、提升城市復合生態系統的韌性和可持續發展能力。廣義上城市群生態安全需要既考慮城市群內部生態系統結構和功能協調,以及生態系統服務供需平衡,也需要從區域尺度考慮城市群與其他區域之間的協調關系。為此,不僅需要從生態流角度研究城市群近遠程耦合關系,探討支撐城市群發展環境資源的空間尺度效應,也需要考慮城市群內部以及城市內部不同功能空間資源利用關系,連接不同功能區的物質循環和再利用過程[18]。

1.3 城市群生態安全特點

城市群生態安全具有一般的生態安全屬性特征,如綜合性、區域性、相對性和動態性特點[11]。除此以外,城市群生態安全也有其自身特點,需要從兩個層面上考慮:一是城市群內部生態安全,需要在物質保障方面實現城市群地區的自給自足,滿足生活在城市群地區人們的日常需求,實現區域內基本生態系統服務的供需平衡,如公共基礎設施保障能力、休閑服務滿足能力、自然災害防御能力、人居環境健康維持能力等,同時也需要實現城市群內部物質代謝平衡,如廢棄物吸納和消解能力等；二是城市群與其他區域之間的近遠程耦合關系,需要綜合考慮城市群與其他地區之間發展的協調關系,需要從物質、能源保障方面考慮城市群與其他地區之間的供需平衡關系,但城市群是否可以達到生態安全,關鍵取決于城市群本身科技發展水平和對外輻射能力,只有通過提升城市群吸引力和競爭力,才能彌補因土地空間有限而在物質資源保障方面的不足。

城市群生態安全還具有以下特點:(1)生態環境要素之間的協調與平衡。無論何種生態安全,均需要從立地尺度上建立不同生態環境要素之間的協調與平衡,從水土資源角度構建適宜的景觀生態系統,以及適宜本地生態環境特征的人類活動形式；(2)生態環境要素近遠程耦合關系的協調與平衡。對于城市群來說,生態安全的關鍵在于區域內居民生產生活的需求是否可以達到滿足？然而作為以外來物質和能源輸入為主的城市群地區,許多生產和生活的基本需求需要從其他地區獲取,因此城市群的生態安全嚴格意義上是一個城市群與其他區域之間在物質、能量、人力和技術方面形成的動態平衡。(3)城市群內部小循環與區域大循環之間的協同聯動。城市群生態安全不僅要求位于城市群地區的所有城市之間在功能上協調,實現城市群內部生態系統服務供需的協調以及物質能量的平衡,同時也需要城市群地區與周邊更大區域范圍內實現生態功能的協調與平衡。

2 生態安全格局構建:從城市到城市群

2.1 城市生態安全格局構建

(1)城市生態安全格局構建目的:以滿足人類的生存和發展需求作為主要目的,具有其本身的特殊性[19- 21],主要包括:① 控制城市擴張和發展中出現的生態環境問題,實現城市人居環境質量和生態系統服務功能的提升,保障城市居民的生活與生存需求。② 維持城市地區正常的物質循環與代謝功能,實現城市與周邊地區物質良性循環和代謝功能的正常發揮。③ 維持城市生態系統健康運行與可持續發展,實現城市生態系統的結構優化和功能提升。④ 保障城市人居環境健康,減少城市生態系統有害代謝物質的排放與環境暴露和居民的正常生活。⑤ 滿足城市居民可預見時期內生態系統服務需求,特別是一定時期內對生態系統服務的需求。

(2)城市生態安全格局構建基本原則:基于城市生態系統特殊性,城市生態安全格局構建需要遵循以下原則[11]:① 以人為本原則:人類是城市生態系統的干預者,也是城市建設的參與者與受益者,因此也將是城市生態安全格局構建的直接主導者,在生態安全格局構建時,需要全方位考慮人類社會的需求。② 區域適應原則:城市生態安全必須放在流域/區域尺度上考慮,城市生態安全格局構建需要考慮其在流域/區域中的環境背景、空間位置、生態過程與功能。③ 區域協調原則:城市與周邊區域之間通過近、遠程的物質、能量、信息和人類的耦合作用而形成一個復雜的生態網絡,城市發展離不開周邊區域的支持,周邊區域的發展也需要城市的輻射帶動作用。④ 有限目標原則:隨著城市發展和人類生活水平提高,城市生態安全的目標會逐漸提高,因此在構建城市生態安全格局時必須根據現階段所遇到的突出問題和未來一段時期內人類社會發展需求,否則很難將生態安全格局落到實處。

2.2 城市群生態安全格局構建目的

城市群生態安全格局構建的核心是保障城市群地區生態系統健康與安全運行,保障生態系統服務的有效和持續供給,因此,城市群生態安全格局構建的目的包括:

(1)保障城市群內部區域一體化協調發展。城市群的形成起源于產業的區域分工與協同發展,提高了城市之間的競爭活力和資源環境效率。然而隨著城市群不斷壯大和競爭發展,如何提高城市群的社會調控能力,對于實現區域一體化協同發展至關重要。城市群生態安全格局構建就是探討城市之間、區域內部交通、產業、物流、能流的合理空間布局和有序發展,尋找適合城市群一體化發展的城市模式、產業模式和物流能流模式,最終做到城市群內部產業分工明確、功能定位準確、責任分配到位、物質流通高效、人口流動順暢,從而提高城市群對外輻射競爭能力和城市群生態系統的韌性。

(2)保證城市群地區生態系統服務供需平衡。城市群發展不僅將區域產業、交通和物流能力緊密聯系在一起,同時也為區域之間生態系統服務和人流提供了便利條件,特別是就業和休閑服務。因此,通過城市群生態安全格局構建,來滿足生活在城市群內部人們日常生活基本需求,如就業、職住通勤、休閑服務、環境健康與生存安全等。在城市群尺度,生態安全格局構建需要通過生產、生活和生態用地調整以及生態系統優化,提升生態系統服務功能。

(3)實現城市群與區域之間物流、能流和人流暢通。由于城市群的人為主導和空間資源的有限性,依托城市群本身實現對城市群發展的安全保障與可持續性維持十分困難,必須從更大空間尺度上探討城市群發展依托的生態腹地。為此,需要通過城市群本身生態系結構優化,提升城市群的輻射競爭能力,與周邊區域之間構成一個交錯發展、有機融合、結構穩定的生態網絡體系,明確城市群與周邊地區物流、能流和人流過程與空間特征,探討城市群發展在物質、能源和人力資源方面對周邊區域依賴性,從近遠程耦合角度探討城市群的生態安全保障機制。

城市群生態安全格局的基本框架如圖1所示:

圖1 城市群生態安全格局基本框架與空間關系圖Fig.1 Framework of ecological security pattern in urban agglomeration regions

依據上述原則和目的,需要區分城市群生態安全格局構建與生態安全保障。生態安全格局構建側重于城市群內部可調控的資源,更多關注人類社會發展的基本需求。城市群生態安全保障需要考慮城市群與周邊地區之間的近遠程耦合關系,關注城市群尺度物質、能源供需平衡與資源利用效率,以及城市群與外部環境之間的近遠程耦合關系。判斷城市群是否處于生態安全狀態時需要設定一個閾值,而閾值大小則取決于三個方面因素:城市發展水平與城市生態系統韌性、城市群對外部資源的依賴程度、國家/地區政府干預與調控能力。

2.3 城市群生態安全格局構建原則

城市群生態安全與城市生態安全的主要區別在于覆蓋的空間范圍更大、形成的生態系統更為復雜。但其與城市生態安全具有很多相似之處,均是以人為主導、依賴于外來物質輸入的開放型生態系統。因此城市群生態安全格局構建不僅需要滿足城市生態安全格局構建的基本原則,還需要基于城市群地理環境背景與資源特征,遵循以下原則:

(1)生態安全供需平衡的尺度效應。對于生態安全格局構建來說,人們可以改造和調控的空間范圍局限于城市群地區,因此需要依據城市群發展定位、地理環境、生態背景和資源稟賦,梳理城市群本身可支配的土地資源、環境資源以及存在的突出問題,由此明確生態安全格局構建所依托的資源環境和生態系統服務需求。除了需要保障本地區基本生態系統服務需求外,還需要通過優化城市群生態系統結構、過程和功能,提升城市群對外輻射競爭能力,來獲取外部地區的物質、能源和人力支持。因此,在生態安全格局構建時,需要從近遠程耦合、近遠期目標提出城市群生態安全格局構建的目標和需要解決的現實問題。

(2)生態安全保障的閾值效應。城市群生態安全保障的基本需求,需要通過土地利用結構調整、土地利用空間優化配置和生態重建,來實現對城市群發展基本需求的保障,如生產生活空間擴張、糧食和水資源供給、健康環境維持、生態風險防控、休閑娛樂供給。而對于城市群發展的遠期(程)目標需求,如物質保障、資源供給、人力資源服務等方面,需要通過與周邊區域之間的合作與協調來實現。多大程度上需要本地區的資源環境來保障,則取決于城市群本身的社會調控能力,據此給出生態安全保障閾值。通常,城市群地區社會調控能力越強,其對周邊地區的輻射競爭力越強,可以從周邊地區獲取更多的物質資源和人力來為城市群發展提供服務,因此其本身生態安全保障閾值可以稍低。而對于社會調控能力較弱的城市群,其既難以向周邊地區輸出產品、技術或服務,也難以從周邊地區吸引物質、能源和人口的流入,生態安全保障則需要設定較高的閾值。因此對于不同類型的城市群,面對不同生態安全需求,需要根據城市群的資源稟賦與社會調控能力設定不同的閾值。

(3)生態安全格局的空間聯動性。城市群作為一個復雜的生態系統,無論是生態環境要素之間,還是城市與區域之間形成了千絲萬縷的關系。在生態安全格局構建時,必須從城市群整體出發,充分考慮要素之間、城市之間的互動關系,探討滿足城市群社會經濟發展的途徑和方式,構建結構穩定、功能齊全的城市與區域生態網絡,保障物質、能源、人口在城市群生態網絡的合理運移轉化,從而實現城市群地區生態系統服務功能的提升和抵御外來災害風險的韌性。因此,在生態安全格局構建時,需要首先明確不同城市和地區的功能定位,明確不同城市與地區之間的服務關系,解析不同城市與地區之間的空間聯動性,依據城市群地區社會經濟發展目標和居民生產生活需求探討生態安全實現的路徑和方式。

2.4 城市群地區生態安全格局構建技術路徑

生態安全格局構建的技術路線如圖2所示。

圖2 城市群生態安全格局構建技術路徑Fig.2 Roadmap of ecological security pattern building in urban agglomeration

2.4.1生態環境敏感性評價

一個地區的生態環境背景特征決定了其生態安全格局。開展生態敏感性評價就是要準確描述城市群地區的本底環境特征,掌握維持區域生態安全的基礎構架。影響一個地區生態環境敏感性的因素包括環境地質背景[22-23]、氣候環境空間變異特征[24]、水土資源稟賦和土地利用格局[25]。為此,生態環境敏感性可以從環境地質穩定性、氣候環境穩定性和景觀格局演變的穩定性方面評價。

環境地質背景特征與穩定性是生態安全的本底特征,直接決定了一個地區生態安全的水平,也將影響到人類活動的類型和形式。地球表層生物生存均離不開光照、溫度和水,而氣候的差異性直接導致地表植被和生態環境的空間異質性,也決定了人類可以利用的資源稟賦以及生存環境的本底質量。評價氣候環境穩定性的主要目的是分析一個地區維持生態安全氣候資源的穩定程度。景觀格局穩定性評價需要依據不同景觀類型在空間上的鄰接關系,以及受到外來人為脅迫的程度,定量分析景觀格局的穩定程度。通過分析景觀格局與區域生態安全之間的相互關系,開展景觀格局穩定性分區評價。

2.4.2資源環境脅迫性評價

資源環境是維持一個地區生態安全的基本保障,而資源環境受到的脅迫程度直接關系到生態安全的受損狀態。因此需要從資源的承載能力、環境受脅迫狀態和土地利用對區域生態安全的脅迫程度來評價一個地區生態安全的脅迫程度。資源的承載能力和受脅迫狀態直接關系到一個地區生態安全水平,過度的人類活動使得生態環境資源受到高度脅迫,反而無法滿足人們生產和生活的需求。資源環境脅迫從資源有效性、人居環境健康和環境容量等方面反映了人類所面臨的生態安全威脅。資源環境脅迫強度評價需要從人類活動與資源、環境之間的相互作用關系出發,評價人類生產生活的資源索取、以及向環境中排放的各種廢棄物是否會影響到生態安全與人居環境健康。因此,在進行資源環境脅迫強度評價時,需要重點考慮與生態安全有關的資源和環境要素受到人類活動影響的程度。土地利用可以直接反映人類社會經濟活動的類型和方式,影響到區域生態安全的狀態。當一個地區的土地利用強度超出本地區資源環境的承載能力時,土地利用將會產生較大的負面效應,區域生態安全就會受到脅迫。因此,資源環境脅迫強度評價可以結合本地區的資源環境背景和土地利用現狀,分析土地利用對區域生態安全的影響程度。

2.4.3社會調控能力評價

無論城市還是城市群地區,均是一個高度人為干擾的生態系統,僅靠本地區的資源環境無法滿足其功能維持,必須依靠外來物質能源的輸入和環境支撐才能實現城市或城市群的健康運行。因此,通過城市群產業結構調整和布局優化,建立結構穩定的物流、能流和人流網絡,提高城市群的韌性、對外競爭能力和社會調控能力,對于保障城市群的生態安全具有重要意義。經濟調控能力的增強有助于生態安全保障,可以從外部獲取更多的資源來滿足城市發展和生態安全保障的需求。人口適應能力主要反映了當地居民對外來干擾的適應狀態和抵御外來災害和風險的能力。而社會應對能力主要反映了一個地區在遇到外來重大事件或災害時,社會可以調動的資源、應變能力和機制。對于依賴外來物質輸入的城市來說,只有增強了經濟調控能力,才能從外部獲取更多的資源來滿足城市發展和生態安全保障需求；而人口適應能力的增強才能應對外界環境變化,維持城市生態系統的正常運轉。社會調控能力取決于一個地區的經濟實力、政策保障機制和領導的應變處理能力,同時也與一個地區的物資保障體系密切相關,提高一個地區的社會調控能力對于實現區域生態安全具有至關重要的作用。

3 結語

隨著人口增長和社會經濟發展城市已經成為人類社會發展的必然趨勢,作為人類生存的重要棲息場所,如何控制城市發展過程中所出現的各種生態環境問題,保障城市生態系統健康、滿足居民日益增長的物質需求和精神需求已經成為社會關注的熱點問題。城市群的生態系統健康與生態安全不僅取決于城市群本身特征,更大程度上取決于城市群與周邊區域之間的耦合關系。實現城市群生態安全保障,不僅需要考慮城市群內部生態系統的結構優化和功能協調,也需要考慮城市群與周邊區域之間的近遠程耦合關系；而對于城市群生態安全格局構建來說,則需要重點解決城市群發展過程中面臨的實際問題和城市發展基本需求,側重于城市群內部生態空間優化和服務能力提升,以及城市群內部生態用地空間優化與“三生空間”(生態、生活及生產空間)的合理布局。因此,城市群生態安全格局構建的主要目的就是保障城市群內部區域一體化協調發展,保證人們日常生活的基本需求,實現城市群與區域之間物質、能源和人員的有序流動與暢通。城市群生態安全格局構建除了遵循生態安全格局構建的一般原則外,還需要考慮生態系統服務供需平衡的尺度效應、生態安全保障的閾值效應和生態安全的空間聯動效應。需要首先明確不同地區的功能定位,闡述清楚不同地區之間的服務關系,依據城市群地區社會經濟發展目標和居民生產生活需求確定生態安全實現的路徑和方式。首先,需要從環境地質穩定性、氣候環境穩定性和景觀格局演變的穩定性等方面,開展城市群地區的生態敏感性評價；其次,需要從城市群本身的資源承載能力、環境受脅迫狀態和土地利用對區域生態安全的脅迫三個方面綜合分析資源環境的脅迫程度；最后從經濟調控能力、人口適應能力和社會應對能力評價城市群地區的社會調控能力。在此基礎上,開展城市群生態安全風險分區、生態受損空間分區和社會調控能力分區,進而從生態保護、生產生活和社會發展需求角度,確定城市群地區生態保護重點區、生態重建與恢復區、社會發展重點利用區。