珠三角城市群生態空間分區方法與管控對策

陳新闖,李 鋒,李小倩,胡印紅,韓 婧,胡盼盼

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 清華大學建筑學院, 北京 100084

生態空間是提供一切生態系統服務或保護的土地利用空間,不僅包括自然生態用地,還應包括人工、半人工生態用地,如農田、綠地、廊道等[1- 3]。生態空間對于區域生態安全具有重要意義,是實現綠水青山就是金山銀山的重要載體,也是人類福祉提升的關鍵[4]。隨著不合理城市化進程,社會生態、經濟生態、自然生態的不協調,使得生態空間受到侵占、受損,進而導致生態退化,造成生態系統服務降低,供需矛盾逐漸加劇,嚴重限制區域可持續發展[5- 9]。隨著中國生態文明理念的貫徹和執行,對于生態空間的管控日趨重要,重點集中于生態空間的劃定和用途管制,如：黨的十九大報告明確表示構建節約資源和保護環境的空間格局作為生態文明建設的優先任務。《粵港澳大灣區發展規劃綱要》更是強調要劃定并嚴守生態保護紅線,強化自然生態空間用途管制。目前由于對于生態空間的內涵、辨識、分類和生態管控等方面的研究都較為薄弱[10],限制了區域生態安全格局的構建,亟待從區域角度開展生態空間分區研究,科學布局生產空間、生活空間、生態空間,以便準確實施生態修復和生態保護,加強生態空間管控的實效性,健全國土空間用途管制制度。

準確辨識和評價生態空間并對其分區管控,是進行生態空間保護、修復和建設的前提和基礎,是新時代生態文明建設的重要內容[11-12]。尤其在區域角度,以“山水林田湖草生命共同體”的理念科學評價生態空間并進行分類,可為區域生態安全格局的構建提供決策依據[13]。目前對于生態空間評價取得較大的進展,包括生態源地的識別[14- 16],生態空間的動態變化規律及驅動力因素[17- 19],量化及預測城市化下生態用地需求及可持續性[20- 22],評估生態空間的生態系統服務、生態敏感性等內容[23- 27]。然而由于對生態空間缺乏“區域綜合體”的觀念,對于生態空間分區辨識和管控的研究仍不完善,且現有評價體系由于忽視區域生態系統特點及社會需求,具有較低的政策應用性[28]。基于此,本文根據生態空間特點、政策目標、民眾需求,以珠三角城市群為典型案例,區域角度建立生態空間評價體系,科學確定需要保護、修復的生態空間范圍,并提出相應的管控對策,以便決策者參考制定科學合理的國土空間規劃和區域生態空間管控規劃。

1 研究區概況

珠三角城市群是粵港澳大灣區的重要組成部分,主要包括廣東省的廣州市、東莞市、中山市、深圳市、江門市、肇慶市、珠海市、佛山市、惠州市,總面積約5.48萬平方公里,年末常住人口約6446.9萬人,珠三角城市群城鎮化率超過85%,是中國城鎮化率最高的城市群[29-30]。隨著城市化的快速發展,珠三角城市群生態空間受到侵占,土地資源需求量持續增加,導致城市發展對生態空間的壓力逐漸加大,造成生態系統退化,影響生態系統服務及區域生態安全[31]。目前生態安全問題已對珠三角城市群可持續發展構成了嚴重威脅,亟待開展生態空間分區管控研究[12]。

2 數據與方法

2.1 研究框架

生態空間受社會、經濟、自然因子的多重影響,評價指標體系應按照復合生態系統理論、“山水林田湖草生命共同體”的理念,對生態格局、生態過程、生態功能進行綜合評價,以構建區域生態空間評價指標體系[1,11-12]。為了使評價指標體系具有應用指導性,指標還應符合區域政策目標及民眾需求[28]。本文建議基于政策目標、民眾需求、專家知識綜合選擇評價指標,主要評價指標體系由生態空間質量和生態系統健康構成。生態空間質量決定著生態系統的效益和生活環境的質量,直接影響著居民的可用性和舒適性,是政策目標的主要內容[2]。生態系統健康是生態系統的內在穩定性和抗干擾性水平,強調生態系統的完整性,為生態系統損害評價提供依據[32]。

對生態空間評價指標的篩選主要采取文獻、政策及問卷調查中明確提出該指標對區域生態空間具有重要指示作用。如：《廣東省國土空間生態修復規劃(2020—2035年)編制工作方案》提出將生態功能重要、生態系統脆弱、自然生態保護空缺區域劃為重要生態空間,納入自然保護地體系；《粵港澳大灣區發展規劃綱要》明確提出強化水資源安全保障、構建生態廊道和生物多樣性保護網絡及建設宜居宜業宜游的優質生活圈。在與居民的訪談及問卷調查中發現居民普遍關注生活環境,如：植被覆蓋度、空氣質量、水體健康及生態空間社會服務質量。專家則特別關注生態空間對區域的生態安全保障和生態系統服務(如水資源、空氣凈化),以及生態敏感性[2, 33- 36]。在系統總結上述的指標偏好,結合生態空間質量和生態系統健康現有評價模型,本研究選取生物多樣性指數、植被覆蓋度指數、水資源指數、生態敏感性指數、空氣質量指數、娛樂休閑指數綜合評價生態空間質量。生態系統健康采用“活力—組織力—恢復力”模型對其綜合評價。

2.2 數據來源與處理

2.2.1生態空間質量評價

由于本研究指標的選取上較多側重于政策目標和民眾需求,權重的選取采用層次分析法,更能直觀的通過區域特點,按照居民或決策者普遍關注的指標構建科學合理的評價模型。計算公式如下：

ESQ=0.26×BI+0.24×VI+0.15×WI+0.12×ES+0.1×AQI+0.13×ORI

式中,ESQ為生態空間質量指數,BI為生物多樣性指數,代表區域生態系統生物類群的層次結構和功能的多樣性。鑒于數據的可獲取性,我們參考謝高地等[37]研究成果,確定各土地利用類型下生物多樣性當量(表1),土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心(http://www.resdc.cn),分辨率為30 m。

表1 生物多樣性指數當量

VI為植被覆蓋度指數,代表區域植被覆蓋度,以歸一化植被指數表征,數據來源于MOD13Q1(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov)；WI為水資源指數,代表區域水資源的豐貧程度,計算公式如下：

WI=(W+WR)/2

式中,WI為水資源指數,W為評價單元內水體面積,WR為評價單元內年均降雨量,數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http://data.cma.cn)。

ES為生態敏感性指數,代表生態空間對外界壓力的變異程度,以土壤侵蝕表征(表2),土壤侵蝕數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心(http://www.resdc.cn)。

表2 生態敏感性指數

AQI為空氣質量指數,以珠三角城市群內53個監測站的空氣質量指數表征,數據來源于中國生態環境部環境數據中心(http://datacenter.mep.gov.cn)；ORI為娛樂休閑指數,表征區域生態空間的娛樂和休閑游憩能力,運用ESTIMAP評價日常生活中居民基于生態空間的娛樂活動,由評價單元內自然度、生態保護價值和水體決定[38]。所有數據均歸一化為0—100以消除量綱。

2.2.2生態系統健康評價

生態系統健康是指生態空間在受到外界壓力下維持其自身健康結構、自我調節和恢復的能力,采用“活力—組織力—恢復力”模型對其綜合評價[32]。

式中,EH為生態健康指數,V為活力,指輸入到生態系統的所有能量,本文以植被凈初級生產力表示,數據來源于MOD17A3(http://ladswed.nascom.nasa.gov)。

O為組織力,主要由生態空間內景觀格局影響,以景觀連通性、景觀異質性、林地和濕地景觀特征進行綜合表征[32, 39],所有數據均歸一化為0—100以消除量綱,計算公式如下：

O=0.35×LC+0.35×LH+0.3×IC

O=0.1×AWMPFD+0.25×FN1+0.15×SHDI+0.1×MSIDI+0.1×CONT+0.1×FN2+0.05×CONNECT1+0.1×FN3+0.05×CONNECT2

式中,O為組織力,LC為景觀連通性,LH為景觀異質性,IC為重要生態空間(林地、濕地)的景觀連通性,AWMPFD為面積加權的平均斑塊分形指數,FN1為景觀破碎度指數,SHDI為香農多樣性指數,MSIDI為修正Simpson多樣性指數,CONT為景觀蔓延度,FN2為林地景觀破碎度指數,CONNECT1為林地景觀連通性,FN3為濕地景觀破碎度指數,CONNECT2為濕地景觀連通性。運用Fragstats 4.2(the University of Massachusetts)移動窗口法計算各景觀格局指數。

R為恢復力,指生態系統受到外界干擾后所保持的穩定性及恢復速率,表征生態系統的彈性,主要由調節生態過程和生態功能的生態系統服務指標決定。在本研究中,我們選取決策者普遍關注的水資源供給量和水質凈化能力表征生態系統的恢復力,可以更好地反映區域生態系統的彈性和可持續性。水資源供給量和水質凈化采用InVEST模型計算[28, 31, 40-41]。

2.2.3生態空間分區

生態空間分區應從區域角度出發,以“山水林田湖草是一個生命共同體”的理念,結合區域內部生態空間現狀及生態系統受損類型,識別區域內需要保護或修復的生態空間。由于生態空間質量和生態系統健康對生態空間具有不同的側重,應綜合二者進行聚類歸并和趨同性分析。基于此,本文采取閾值法對生態空間進行分區[28],參照《珠江三角洲環境保護規劃綱要(2004—2020年)》、《珠江三角洲環境保護一體化規劃(2009—2020年)》、《粵港澳大灣區發展規劃綱要》、《廣東省環境保護“十三五”規劃》、《廣東省環境保護規劃綱要(2006—2020年)》等內容,將閾值取值為生態空間質量指數和生態健康指數累計面積百分含量的10%、25%、75%,將生態空間質量和生態系統健康劃分為差、一般、良和優4個級別。在生態空間分區管控中,綜合生態空間質量和生態系統健康分級范圍,將兩個優的區域確定為重點保護區,含有一個差的區域和兩個一般的區域為重點修復區,含有一個一般的區域為潛在修復區,其余均為生態保育區。該分類方法可根據區域政策目標和國土空間規劃合理調整閾值取值范圍,具有較大的靈活性。

3 結果與分析

3.1 珠三角城市群生態空間質量評價與空間分布特征

珠三角城市群生態空間質量指數為12.7—91.5,集中在57—71之間(圖1)。城市群內生態空間質量總體良好,空間分布基本呈四周高、中間低的分布趨勢(圖2)。生態空間質量較高的區域主要集中于肇慶市、江門市,約占生態空間面積18.5%；差的區域集中于惠州市、江門市、廣州市,約占生態空間面積的7%。因生態本底、城市化水平、生態管理措施的不同,城市群內城市生態空間質量具有一定的差異性,數值差異集中于44.9—56.9,其中肇慶市、深圳市生態空間質量較高,珠海市、中山市生態空間質量較低。這主要是由于肇慶市擁有較多高質量的生態空間,占城市面積的46%。深圳市雖然高質量生態空間僅占25%,但是其差的生態空間面積較小,僅占城市面積的3.8%。珠海市,中山市生態空間差的面積較大,分別占城市面積的30.3%,25%。

圖1 珠三角城市群生態空間質量面積累計百分比 Fig.1 The cumulative percentage of ecological space quality in the Pearl River Delta

圖2 珠三角城市群生態空間質量空間分區 Fig.2 The spatial division of regional ecological space quality in the Pearl River Delta

3.2 珠三角城市群生態系統健康評價與空間分布特征

珠三角城市群生態健康指數在0—79,城市群生態健康水平數值較低,主要集中在17—60之間(圖3)。生態系統健康空間分布呈四周高、中間低的空間分布趨勢(圖4),其中,生態系統健康水平較高的區域主要集中于肇慶市、惠州市,約占生態空間面積13.5%。差的區域集中于佛山市、江門市、廣州市,約占生態空間面積的4.1%。一般的區域集中于肇慶市、惠州市、廣州市,約占生態空間面積的9.3%。城市群內各城市生態系統健康水平低且差異性較大,集中于27.3—47.2之間,其中惠州市、肇慶市生態系統健康水平較高,佛山市、中山市生態系統健康水平較低。這主要是由于惠州市、肇慶市擁有較多健康的生態空間,且生態系統健康差的面積較小,僅占比3%—3.4%。中山市生態系統健康差的面積占比41.4%,是生態修復的主要區域。佛山市生態系統健康一般的面積占比較高,是造成該市生態系統健康水平總體較低的主要原因。

圖3 珠三角城市群生態系統健康面積累計百分比 Fig.3 The cumulative percentage of ecological health in the Pearl River Delta

圖4 珠三角城市群生態系統健康空間分區 Fig.4 The spatial division of regional ecological health in the Pearl River Delta

3.3 珠三角城市群生態空間分區管控

綜合生態空間質量與生態系統健康對生態空間進行分區管控(圖5)。生態空間重點保護區集中于城市群的西北部和西南部,面積為4488.7 km2,占生態空間總面積的10.1%。該區域生態空間質量好,是保障和維護區域生態安全的核心區域,應按照最嚴格的保護制度實施保護,限制一切人為開發建設項目。強化該區域生態核心位置,加強生物多樣性保護,構建生態廊道、大型斑塊和生物多樣性保護網絡,提升生態系統質量和穩定性。

圖5 珠三角城市群生態空間分區管控 Fig.5 Regional ecological space management zoning in the Pearl River Delta

生態空間重點修復區主要集中在城市周邊區域,面積為9663.5 km2,占生態空間總面積的21.6%。該區域主要以人工生態系統為主,如農田、坑塘及部分人工林。該區域受人為干擾程度較大,生態空間退化且受損比較嚴重,生態系統過程和功能受到干擾,難以發揮相應的生態系統服務,亟需開展生態修復,實施生態治理工程,嚴格限制城市周邊區域森林、農田、濕地等生態空間被侵占和破壞活動。中山市、珠海市、佛山市是重點實施生態修復的區域。

生態空間潛在修復區分布集中于重點修復區的周邊區域,該區域面積5867.8 km2,占生態空間總面積的13.1%。該區域生態空間狀況一般,生態系統服務比較單一,生態空間存在受損現象。該區域應限制居民開發建設活動,開展生態保護和生態建設,重點優化生態系統結構,提升生態系統服務價值,如：規劃建設生態公園、生態濕地,提升其戶外游憩功能。

生態空間生態保育區生態狀況較好,是珠三角城市群主要存在的生態空間,面積為24659.1 km2,占生態空間總面積的55.2%,是發揮生態系統服務和保障區域生態安全的主要區域。該區域應重點實施生態保育,依托區域現有生態服務優勢,修復和提升生態系統,優化區域生態系統服務,在保護生態空間的基礎上合理開展生產建設活動。

4 討論

城市群尺度生態空間的辨識和分區管控,有利于決策者針對性地實施生態保護和生態修復策略,提升區域生態安全。對于生態空間評價方法和評價體系已取得重要進展,然而由于忽視區域政策目標及民眾需求,評價的側重點與決策者需求具有偏差[28]。因此,有必要考慮到決策者和利益相關者的需求,建立科學面向政策應用的多學科綜合評價框架[42]。本研究通過景觀生態學、城市生態學、區域生態學等的原理和方法,考慮生態系統的復雜性,將山水林田湖草作為一個生命共同體,綜合生態空間質量與生態系統健康進行統一評價,分區管控。這與Bai等[28]的研究框架基本一致。Bai在上海市生態保護紅線劃定方法的研究中,以生態系統服務、生物多樣性和生態脆弱性為基礎,結合利益相關者的意見進行閾值的選取和分析。本研究提出的生態空間分區同樣從多方面權衡的角度為決策者提供了分區依據,將生態空間評價應用到城市規劃中提供了新的見解。為了驗證結果的可行性,本文將位于珠三角城市群的國家級自然保護區與生態空間重點保護區進行空間疊加,發現本研究劃定的重點保護區基本涵蓋了現有保護區,但范圍上具有一定的差異性。這主要是由于本文基礎數據分辨率較大,存在一定的誤差。本研究的成果僅是生態分區的一個基礎階段,更加完善的分區方案,決策者還需考慮更多的社會經濟因素。

城市群內不同城市的生態環境現狀、社會經濟發展水平和建設目標均具有差異性,由于缺乏對生態空間的有效的識別和政策管控,導致區域生態管理困難,尤其生態管理邊界與行政邊界的不匹配,導致政策制定不完善[42]。目前對于分區管控較多采用生態保護紅線區、生態功能保障區、生態防護修復區[43],本文在此基礎上立足于城市群角度,將生態空間建立統一的評價標準和分類標準,構建了更為細化和具體的城市群生態空間分區方案。基于政策目標和民眾需求,識別區域生態空間需要提升及完善的方面,按照生態空間的生態過程和生態功能進行管控,滿足人類所期望的生態系統狀態。生態空間重點保護區和生態空間保育區,主要以生態空間質量高、生態健康風險低的自然生態系統為主,是保障區域生態安全和提供區域生態系統服務的主要區域。在生態管理中,要維護自然生態系統的完整性和可持續發展。加強對肇慶市和江門市生態源地的保護,保障生態系統服務的可持續性供給；合理開發建設生態游憩區,提高區域戶外游憩能力,充分發揮區域生態系統服務的文化價值。生態空間保育區中要加強生態廊道的識別和保護,提高城市群內生態系統服務,降低生態系統服務供需矛盾。生態空間重點修復區被定義為低質量或高風險區域,表征了生物多樣性、生態系統功能和服務價值較小的區域,自然生態空間較少,是城市群農業的主要分布區。應加大環境治理的資本與力度,積極發展和建設城市綠色基礎設施,尤其城郊區域將散亂的生態空間進行統一規劃,構建綠色基礎設施網絡體系,提升生態系統的穩定性。

5 結論

區域尺度生態空間的分區管控能夠有針對性地實施生態保護和生態修復,是落實“山水林田湖草”系統治理的重要方法和手段。本文基于政策目標、民眾需求、專家知識等因素綜合構建生態空間評價體系并對其分區管控,能夠較直觀地向決策者提供科學的技術支持。珠三角城市群生態空間品質高,生態空間質量和生態系統健康基本呈四周高、中間低的空間分布趨勢。生態空間重點保護區,重點關注肇慶市,該區域實施最嚴格的生態保護制度,構建和優化生態廊道、大型斑塊和生物多樣性保護網絡。生態空間重點修復區主要集中在城市化及周邊區域,重點關注江門市、惠州市、中山市、珠海市、佛山市,應實施生態修復工程,發展綠色農業。生態空間潛在修復區應重點關注肇慶市、惠州市、江門市、東莞市,重點實施生態建設和生態修復,提升生態系統服務價值。生態空間保育區應重點關注肇慶市、惠州市、深圳市,實施區域生態廊道建設,在保護生態空間的基礎上合理開展生產建設活動。