面向生態監管的多等級生態功能網格概念與框架

錢雨果,周偉奇,*,王 佳,胡瀟方,韓立建,虞文娟,王偉民

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 3 農業農村部農業生態與資源保護總站, 北京 100125 4 深圳市環境監測中心站, 深圳 518049

生態管理是基于生態系統原理,優化生態系統結構-過程-功能的耦合關聯,協調生態系統的社會價值、生態潛力和經濟發展的整合性管理方法。旨在平衡長期和短期目標,維持生態系統功能和服務的可持續性[1- 5]。生態監管強調明確的生態學邊界,清晰的管理目標、管理者間的合作、監測管理結果、國家政策領導和社會參與等6個方面[5-6]。十八大以來國家高度重視生態文明建設,并在十九大提出要實行最嚴格的生態環境保護制度。實施科學有效的生態監管是建設我國生態文明,實現可持續發展的關鍵環節。

生態系統監管包括了生態系統監測和管理兩個部分。目前,從全球、國家到城市各個尺度都有大量生態環境要素的監測。在全球和國家尺度,已建立了多個觀測及研究網絡,圍繞共同的生態環境問題,開展了大量跨國家、區域的合作觀測、實驗及研究。如全球環境監測系統淡水監測(Global Environment Monitoring System for Water,GEMS/Water)、全球海洋觀測系統(Global Ocean Observing System, GOOS)、全球氣候觀測系統(Global Climate Observing System,GCOS)、全球陸地觀測系統 (Global Terrestrial Observing System,GTOS) (表1)。此外,從生態系統的角度,全球也建立了國際長期生態研究網絡(International Long Term Ecological Research Network,ILTER)[7],有50多個國家和地區建立了自己的長期生態系統監測網絡。已有監測網絡中,森林生態系統受到了極大重視,是重點監測的生態系統。在1997年,美國的Baltimore Ecosystem Study(BES)以及Central Arizona-Phoenix LTER(CAP-LTER)首先建立了城市生態系統研究站,開始了城市生態系統的監測。2001年以來,北京、深圳等城市也建設了城市生態系統研究站,啟動了城市生態系統的監測與研究。

表1 全球生態環境監測網絡

針對不同尺度、不同生態系統類型,也有大量生態系統的管理實踐。在全球尺度,有《巴黎協定》控制全球碳排放。在國家層面,有國家主體功能區劃[8]、國家生態功能區劃[9]、"兩屏三帶"、國家公園[10]等生態安全戰略[11]。在城市和區域尺度,有三區三線的劃定[12]、海綿城市的建設[13]、城市見縫插綠[14]、留白增綠措施[15]、空氣治理的“一微克”行動計劃、自然保護區“綠盾”專項行動[16]等。此外,針對森林生態系統,有天然林資源保護工程[17]、三北防護林建設、退耕還林工程、自然保護區建設[18]等；針對農田生態系統,有永久基本農田保護紅線[19]、耕地占補平衡[20]等；針對濕地生態系統,有流域生態功能區劃[21],長江十年禁漁等[22]。在制度方面,生態補償[23]、生態負載表[24]、三線一單[25]、生態系統質量指數(EI)、生態系統生產總值(GEP)等管理策略已經為城市的生態監管提供抓手[26],來平衡城市發展和生態環境保護。

盡管各類生態系統、各種生態要素都有各自的監測體系和管控手段,但長期以來,不同生態系統、不同生態要素、不同行政單元割裂的監管方式導致生態系統監管的整體性、系統性不足。此外,不同尺度的生態監管缺乏有機融合,尺度間內在聯系缺乏有效整合。如何基于生態系統整體的、多層次的分析評價,識別和區分生態系統的常規監管區域和重點監管區域,進而合理設置監測點的數量、監測頻率、監測要素和監測手段,實現系統的、高效的監測還亟需科學方法來提供支撐。因此,本研究提出了多等級生態功能網格框架以耦合不同尺度、不同維度的生態環境要素,為生態系統的科學監管提供理論和技術支撐。

1 多等級生態功能網格的理論基礎與概念內涵

1.1 理論基礎

多等級生態功能網格分析框架是對已有相關理論的發展和創新,主要借鑒了等級斑塊動態、城市復合生態系統、多功能景觀等理論。等級斑塊動態范式認為生態系統是一個由若干層次斑塊組成的巢式等級系統[27-28]。不同層次上生態學過程變化速率的差異、以及同一層次不同斑塊內部及其之間相互作用強弱的差異使得等級系統具有可分解性[29],因此不同層次上斑塊個體水平以及斑塊鑲嵌體水平的動態變化共同形成了生態系統的結構、過程和功能的總體動態特征[30- 33]。

復合生態系統理論[34-35],包括與之類似的人類與自然耦合系統理論[36]、城鄉連續體理論[37]、人類生態系統理論[38-39]、星球城市化理論[40]等都論述了人類社會經濟活動對自然產生廣泛影響,強調了景觀都是自然環境和社會經濟活動共同作用融合而成的復合生態系統,任何景觀都具有自然屬性(如水、土、氣、生等)和社會經濟屬性(如文化、制度、經濟價值)等,只是不同景觀的自然和社會經濟屬性的復合程度與方式不同。

多功能景觀概念則是以復合生態系統理論為基礎,強調景觀同時具有生態功能、經濟功能、社會文化、歷史和美學等多重功能[41]。根據研究對象、研究尺度、研究目標的不同,相同的景觀可以劃分為不同空間形態的斑塊,發揮不同的功能。通過對景觀各類功能間的協同、沖突及兼容作用的權衡分析,可優化生態監管的策略,提升生態系統的綜合效益。

1.2 概念內涵

本文結合等級斑塊動態理論、復合生態系統理論以及多功能景觀的核心思想,構建了多等級生態功能網格理論框架。等級斑塊動態范式提供了生態系統認知的框架,可基于異質性將完整的系統依據不同的尺度分解為不同類型、不同等級的斑塊,然后通過斑塊間的水平關系以及上下等級斑塊間的垂直作用來開展生態研究和管理(圖1)。復合生態系統理論則賦予了等級斑塊不同維度的內涵。比如從行政管理的維度,可以按城市群-城市-區縣-鄉鎮街道來劃分等級斑塊[42]；從景觀結構的維度,可按森林景觀-內部干擾斑塊-土地覆蓋類型來劃分等級斑塊[43]；從社會經濟的維度,可按城市類型-城市功能區-土地利用單元來劃分等級斑塊[44]；從熱環境的維度,可按照全球變暖-城內熱島-局地氣候區來劃分等級斑塊[45]。在此基礎上,多功能景觀則刻畫了各個維度的功能特征。比如森林斑塊具有防風固沙、水源涵養、生物多樣性保持、木材供給等功能；社區斑塊具有管理、服務、保障、教育等社會功能。將復合生態系統的多維度和景觀的多功能屬性融入等級斑塊的范式,構建了多等級生態功能網格框架(圖1)。

圖1 多等級生態功能網格框架的構建 Fig.1 The framework of the hierarchical patches with ecological functions

2 多等級生態功能網格的劃分-評價-監管框架

多等級生態功能網格的劃分-評價-監管框架由3個部分組成：(1)多等級生態功能網格識別與劃分；(2)多等級生態功能網格評價；以及(3)差異化監管策略制定(圖2)。多等級生態功能網格識別與劃分的目標是明確監管單元的空間范圍,為評價和監管提供空間顯性的監管對象。多等級生態功能網格評價的目標是為生態監管提供科學依據,通過翔實的分析和評價來支撐差異化的管理。差異化監管以多等級生態功能網格為對象,以評價結果為基礎,針對不同斑塊的特征定制相應監管策略。網格劃分、評價、和監管三個部分是有機聯系、相互支撐的。其中,多等級生態網格是城市差異化監管的基本分析單元,評價指標體系一方面為網格單元賦予生態屬性,另一方面也為差異化的監測提供依據。根據實際監測的結果,可以進一步修正多等級的網格單元的邊界及屬性,實現自我迭代的網格邊界和監管方案優化。

多等級生態功能網格識別與劃分主要依據等級斑塊動態范式的異質性和等級性理論,并結合社會-經濟-自然的復合性特征。多等級生態功能網格的評價則需要全盤考慮等級斑塊的整體結構,包括斑塊間的水平空間關系和垂直隸屬關系,實現空間全覆蓋的評價體系。在此基礎上,結合生態系統維度的服務供給和社會維度的人類需求,評價斑塊的供需特征,構建生態公平的網格體系。此外,對斑塊的各類特征,如格局、構成、功能等,還需要開展動態度評價,以預測斑塊的可持續性,確定監管的優先級。差異化生態監管策略制定的基礎是綜合了多維屬性和評價結果的斑塊網格,策略制定的方法是通過各類生態功能、社會需求間的博弈權衡,最終落地是基于斑塊的社會權屬特征(圖2)。

圖2 總體研究思路圖 Fig.2 The overall workflow

2.1 多等級生態功能網格識別

基于地表生物物理屬性的空間異質性可劃分出山、水、林、田、湖、草、城等景觀類型作為第一等級斑塊。以京津冀為例,依據生態系統的完整性和連續性,可劃分出京津冀的森林景觀、草地景觀、濕地景觀、農田景觀、城市景觀等。在各類第一級斑塊中,可依據其內部的生物物理異質性細分出二級斑塊(圖3)。比如在城市景觀中可根據城市形態劃分出棚戶區、別墅區、風景區等；在森林景觀中可根據土地覆蓋劃分出工礦裸地、居民點、林地等；在農田景觀中可根據土地覆蓋和利用類型劃分出農村居住點、種植養殖區、農產品加工區、農用設施、農用水渠等。此外,在二級斑塊中還能進一步劃分出如建筑、道路、針葉林、闊葉林等三級斑塊。一般來說,城市綠地和自然森林的結構、過程、功能、服務都有較大差異。多等級斑塊的劃分能夠有效區分不同類型林地,并基于等級網格的隸屬關系支撐差異化的生態監管。

圖3 多等級生態功能網格示意圖Fig.3 The example of hierarchical patches

基于社會經濟異質性的等級斑塊劃分一方面依據現有的省、市、縣、街道等行政單元邊界,比如以省為第一級斑塊時,市則為第二級斑塊,縣則為第三級斑塊,不同等級的斑塊具有行政維度的隸屬關系；另一方面也可依據不同尺度的社會經濟政策和規劃。比如基于國家城市群的發展計劃可以將城市群作為一級斑塊[46],將其內部協同發展的城市作為二級斑塊?；谥卮髧覒鹇园l展可以將長江經濟帶作為第一級斑塊[47],內部的城市作為二級斑塊。在城市內部,依據不同的定位或規劃的差異也可以劃分為核心區,發展新區,生態涵養區等[44]。

其他維度的等級斑塊劃分也基于類似的方法。對于生態功能,基于全國主體生態功能區劃可劃分出一級斑塊[48],如防風固沙斑塊。在斑塊內部再基于生態功能的差異劃分出二級斑塊,如生物多樣性保持、水源涵養、木材供給等。對于水的生態過程,可以依據流域特征劃分出一級斑塊,然后在其內部劃分出二級子流域斑塊。對于熱的生態過程,可以依據局地氣候區特征劃分一級斑塊[45],然后根據其內部下墊面的溫度差異劃分二級斑塊[49]。

面向對象的圖像分析技術可實現多等級生態網格的快速、自動劃分[50]。該技術基于柵格圖像的像素值進行影像分割,通過異質性閾值的設定劃分出斑塊邊界。設置較大的閾值可劃分出大尺度的一級斑塊,然后在一級斑塊中設置較小的閾值可劃分出下一等級的小尺度斑塊,形成多等級斑塊。面向對象的方法不僅廣泛適用于各類遙感影像,也適用于各類生態過程、功能等的反演和評價產品,如地表溫度、氣溶膠光學厚度,植被凈初級生產力等。為實現各類斑塊的分類,可充分利用機器學習的優勢,如決策樹、支撐向量機、深度學習算法等,將多等級斑塊的劃分原理轉化為計算機的算法、規則、和流程,結合多源數據實現多等級生態功能網格的自動劃分。

2.2 多等級生態功能網格評價

在多等級生態功能網格劃分的基礎上,自上而下的開展系統的、整體的生態評價。以等級斑塊為載體,可全盤考慮區域的整體結構,包括斑塊間的水平空間關系和垂直隸屬特征,實現空間全覆蓋的評價。評價內容包括格局、過程、功能的分項評價,以及生態重要性、脆弱性、敏感性等綜合評價[51]。例如各類型斑塊面積的此消彼長,相互轉化；不同層次斑塊的景觀格局指數,如綠地破碎度的特征和變化[52]；各類型斑塊相鄰關系特征、斑塊間的近程和遠程耦合等。在系統、整體的基礎上,通過斑塊垂直結構的分解,可實現多等級的、有針對性的評價分析。比如在第一等級的重要森林景觀內部評價人類活動斑塊的變化；在城市景觀內部評價棚戶區改造的變化。

在整體性和系統性的基礎上,需要結合生態系統維度的服務供給和社會維度的人類需求,評價斑塊的供需特征[53-54],確定監管的優先級。進而構建生態公平的、可持續的等級斑塊體系。以城市熱島為例,夏季城市低溫區域的網格內部人為活動很少,則溫度調節服務的供應多而需求少,溫度調節服務的供需比很大,不需要太多的生態監管；相反,如果在城市高溫區域的網格內部人為活動的強度很高,并且主要以脆弱人群為主,如老人和病人。那么該網格的溫度調節服務的供需比很小,甚至為赤字,需要嚴格的生態監管。

生態評價的另一個重要因子則是網格單元的動態度。格局、功能、服務等都具有動態度特征[55-56],生態系統內部格局的改變會導致該網格單元功能、服務的變化。因此,等級斑塊重點關注的景觀格局動態度。生態系統格局的變化大體有兩種情況,一種是自然的演替,包括植被的自然生長、土地的退化等；另一種是干擾,包括由城市化引起的人為干擾,如耕地轉化為城市、由退耕還林政策引起的耕地轉變為林地,以及由自然現象造成的干擾,如閃電、臺風等[57]。自然演替的變化是連續的、緩慢的、具有自我恢復力的；而人為干擾引起的變化往往是突變的、快速的、有著傾向性的。動態度的評價需要明確生態網格的變化類型(如自然演替或人為干擾)、變化方向(如森林變成城市或裸地變成草地),和變化速度(如每年都變化或是多年變化一次)。動態度評價結果可為監測和管理的頻率設定提供依據。

為明確每個生態網格在整體中的主導功能和需求,需要耦合生態系統服務、生態系統風險、生態供需的綜合評價技術,以及動態變化檢測技術。生態系統服務評價可識別提供重要生態系統服務的網格,生態系統風險評價可識別生態系統亟需修復和監管的脆弱和敏感網格,生態供需服務可揭示生態產品和服務是否滿足了人們的需求,網格是否存在生態問題和風險。動態變化反映了斑塊的穩定性,以明確有無重點監管的必要性。利用層次分析法、千層餅模型等方法[58],可耦合網格的生態服務、風險、供需、動態等特征,可為差異化的監管策略提供科學依據。

2.3 差異化監管策略制定

差異化是生態監管策略的核心與關鍵。該策略以多等級生態網格體系為監管對象,以斑塊網格單元的評價結果為監管依據(圖4)。首先明確網格的監管目標是發展還是保護,然后綜合分析網格的生態功能、生態重要性、動態度、生態供需、面積大小、行政權屬等特征?；诰W格的監管目標和復合屬性來設置其差異化的生態監管策略,明確網格監測的優先級別、監測頻率、監測要素、監管范圍、監管技術、監管主體等(圖4)。此外,網格的監管還受其上級網格監管策略的約束,進而平衡局部與整體的關系,正確認識網格單元的主導功能,確保生態系統的監管向可持續的方向推進。

圖4 差異化監管框架Fig.4 The framework of targeted ecological management

差異化的監管要綜合權衡多等級網格的屬性來制定相應的監測策略。比如生態重要性高、穩定性低的區域需要設置較高的監管優先級別,較為嚴格的管控策略。相反,生態重要性低,穩定性高的區域則可設置較低的優先級,頻率較低的監管。大面積、可達性差的網格可采用遙感的監管手段,而小面積、可達性好的網格可采用實地調查的監管方法。差異化的監管可以根據生態功能網格單元的特征,科學合理的設置監管策略,更加高效的利用有限的監管資源,提高監管效率。

從監管的主體看,由于同一個網格單元中往往包含著多類生態要素(比如土壤、植物、動物、空氣、微生物)和生態功能(如食物生產、生物多樣性保持、水源涵養、文化服務),同一個生態功能網格的監管往往是涉及到多個管理部門。因此,需要綜合考慮各個要素,統籌協調多個部門來制定監管策略,組織實施監管方案。比如對各類生態要素的共性指標開展聯合監管,多部門共享數據,避免重復建設；對于復合性的生態問題開展多部門聯合會診,對接有生態監管體制、技術和設備,提高監管的效率,避免重復建設和浪費。

多等級生態功能網格及其多維屬性可為多部門聯合監管提供科學支撐。一方面生態網格可為監管提供明確的管理單元,進而支撐其長期的監測與管理；另一方面多維度評價分析結果可為決策制定提供大量空間信息。具體來說,每一個生態網格都具有多維屬性(圖5),包括生態格局、生態質量、干擾脅迫、生態服務、動態度、社會特征、下級特征、上級特征、以及綜合評價等維度的屬性。其中,網格本身的屬性如生態格局、生態質量、社會特征等可支撐不同部門的權衡博弈,網格上下等級的屬性則體現了決策的整體性和系統性。根據不同的管理目標可對網格進行分級分類,進而選擇相應的監測指標、數據、方法,以及管理的對策和方案。

圖5 生態網格的多維度屬性示意圖Fig.5 The example of an ecological patch with multiple attributes

基于多等級生態功能網格的監管可以服務于面向生態風險和面向生態問題的監管(圖6)。生態風險是指可能發生,但是還沒有發生的事故或災害；而生態問題是已經發生的事故或災害。多等級生態網格一方面具有生態風險預警的作用,另一方面具有生態問題分析的功能。比如對于生態紅線的監管,可采取自上而下的生態風險監管。首先劃分第一等級生態紅線網格,然而識別紅線內部的高動態度和高人為活動強度的二級網格,針對這些具有較高的生態風險的二級網格,制定高頻率、高強度的監管策略。針對出現生態問題的區域,如生態紅線內部的違規砍伐,可通過明確該網格及其上級網格的生態功能、生態重要性、管理主體等特征,明確生態問題的監管主體和監管方式。

圖6 面向生態風險和面向生態問題的監管Fig.6 Management towards ecological risk and ecological problem

3 討論

3.1 多等級生態網格監管的應用潛力

復合生態系統理論將復雜生態系統層層剝離解析,為認識和理解生態系統的整體性和系統性提供了指導思想。多等級生態功能網格從空間的角度,將復雜的生態格局、過程、功能、服務等組合到一起,將不同尺度的生態監管融合到一起,形成具有復合屬性的管理單元,為復合生態系統理論的落地提供方法和工具。多等級生態網格打通了理論和實踐的橋梁,全覆蓋的等級斑塊體系可實現整體性、系統性監管目標；明確的空間邊界可連接網格化的管理方法；多維度的屬性可對接分層分類管理政策。

多等級生態網格的監管能夠綜合多維度、多尺度的信息,實現差異化的生態監管。以圖7中京津冀第一等級森林網格中的兩個二級網格為例說明。從土地的生物物理角度(第一等級),兩個網格均為森林覆蓋,需要進行生態保護,但是根據全國主體生態功能區劃,南邊的森林網格位于人居保障功能的大都市群區,而北邊的森林位于生態調節功能的水源涵養區,因此,南邊的森林斑塊可適當考慮城市發展,設置相對北邊斑塊更為寬松生態保護政策。多個等級間的制約體現了整體性和系統性,生態功能與土地利用的博弈體現了不同維度的權衡,展示出該研究框架的先進性。

圖7 京津冀等級網格的復合屬性示例Fig.7 Example of hierarchical patches with multiple attributes in Beijing-Tianjin-Hebei urban region

多等級生態監管網格框架不僅能夠推進生態監管向著全盤統籌的方向發展,也能夠支撐不同尺度、不同目標的生態監管。比如針對區域尺度的生態安全格局構建,該框架可通過多維度的綜合分析識別生態系統的關鍵節點,明確重點監管區域、監管要素、以及相應監管主體；針對城市尺度的生態環境長期監測,多等級生態功能網格可對研究區分層分類,使得監測點位更具有典型性和代表性,提升監測方案的科學性；針對街道和局地尺度的城市規劃設計,多等級生態功能網格可提供全面的自然本底、生態供需等信息,使規劃設計更有效的改善人居環境。此外,針對業務化的生態環境保護督察,網格可分析監管的優先級,為監管的有序開展提供支撐。

3.2 多等級生態網格監管的應用挑戰

多等級生態網格需要融合不同行業、不同部門、不同城市的數據開展綜合的分析評價。然而,由于多種原因,不同行業、部門、城市間仍然存在數據的壁壘,數據交互的過程比較復雜、效率較低。數據的可獲取性決定了網格的維度,將直接影響分析的系統性和結果的可信度。此外,數據監測標準、統計口徑等也是分析評價的一大挑戰。比如人口統計口徑差異[59]、PM2.5監測方法差異[60]、多源遙感數據的差異[52]、斷面監測點位的布設差異[61]、統計單元的差異等,都會影響數據的可比性,進而影響網格的差異化監管策略,如監管優先級,監管程度等。

針對城市內部的生態網格分析評價也具有一定的挑戰。一方面城市的景觀格局破碎、空間異質性高,需要利用高空間分辨率遙感影像來刻畫[62-63]；另一方面城市的社會經濟過程復雜,需要綜合多源異構數據開展分析[64- 66]。多等級網格的劃分和評價往往都針對大區域、大尺度,當利用高空間分辨率遙感影像,高時間密度數據,社會經濟數據等海量大數據開展評價分析時,數據的存儲、調用以及計算分析,如圖像分割、變化檢測、景觀格局指數計算等也存在一定的挑戰。然而,隨著生態環境調查評估的常規化和規范化[67],以及空間數據集成分析的快速發展如谷歌地球引擎(Google earth engine)平臺[68],多等級生態功能網格應用在大尺度、大區域也是值得期待的。

4 結論

高質量的生態文明的建設離不開科學的生態監管。但已有的生態監管尚缺乏整體性、系統性、等級性的科學架構。因此,本研究整合了等級斑塊動態范式、復合生態系統理論、多功能景觀理論,構建了多等級生態功能網格框架。其中,等級斑塊動態范式提供了生態系統認知的框架,復合生態系統理論則賦予了等級斑塊不同維度的內涵,多功能景觀則刻畫了各個維度的功能特征。多等級生態網格可打破空間上多行政區割裂的管理,縫合生態要素割裂的監管,實現科學、有效的生態監管,為生態系統的監管和生態文明的建設提供有力抓手。

多等級生態功能網格的應用包括網格劃分、評價、監管三個部分。多等級生態功能網格識別與劃分能夠明確監管單元的空間范圍,為評價和監管提供空間顯性的監管對象,為全覆蓋、多尺度的評價和監管提供載體；多等級生態功能網格評價從多個維度評價網格的功能,通過翔實的分析和評價來支撐差異化的管理；多等級生態功能網格評價首先明確網格的監管目標,然后綜合分析、權衡網格的生態功能、生態重要性、動態度、生態供需、面積大小、行政權屬等特征,進而明確網格監測的優先級別、監測頻率、監測要素、監管范圍、監管技術、監管主體等,實現面向生態風險的預警和面向生態問題的監管。

致謝：感謝深圳快速城市化地區生態環境國家野外科學觀測研究站對研究提供的幫助 。