基于土地利用的粵港澳大灣區生態系統服務價值及承載力演變分析

張 杰,李清泉,吳祥茵,張晨晨,2,王敬哲,鄔國鋒, ,*

1 自然資源部大灣區地理環境監測重點實驗室,深圳 518060 2 深圳大學土木與交通工程學院,深圳 518060 3 深圳大學建筑與城市規劃學院,深圳 518060

土地是城市經濟、社會、文化活動的必要載體,土地利用是人類生存和發展不可缺少的活動[1- 2]。伴隨著快速工業化和城鎮化進程,土地利用結構與方式發生了劇烈變化,造成生態系統結構與功能變化,進而影響生態系統服務功能與承載力[3- 4]。因此,定量研究土地利用對區域生態系統系統的影響有利于優化土地利用方式,提升生態系統質量,為區域可持續發展提供參考。

生態系統服務指人類通過生態系統的結構、功能和過程直接或間接地得到的產品和服務[5]。近年來,我國學者圍繞生態系統服務研究取得了一系列豐碩成果。劉耀林等[6和歐陽志云等[8]研究了生態系統服務功能、可持續發展及其生態學機制；傅伯杰等[9]總結了生態系統服務評估方法的特點及相關背景和概念；胡和兵等[10]定量探討了城市化地區流域生態系統服務價值與土地利用程度間的時空分異關系。一系列研究討論了濱海濕地[11]、石漠化地區[12]、水源涵養地[13]、城市群[14- 15]等不同生態系統土地利用與生態服務價值之間的關系；劉亞茹等建立模型分析土地利用變化對生態服務系統的影響[16],揭示城市化對生態服務價值的影響[4]。然而,當前針對大灣區的研究主要關注的是大灣區建成區演變、生態系統格局[17- 18]及生態系統服務價值識別[19]等特定內容,缺乏針對大灣區土地利用變化過程、生態系統服務價值、生態足跡及生態承載力演變結合的系統分析。

粵港澳大灣區(以下簡稱為大灣區)是全球第四大灣區,是中國經濟最發達、開放程度最高、人口密度最大的城市群之一,在國家發展大局中具有重要戰略地位。本研究以粵港澳大灣區為研究區域,采用遙感數據研究大灣區1990—2015年土地利用變化和轉移矩陣,分析其長時間序列的土地利用變化；在此基礎上采用當量法分析其生態服務價值變化；基于生態足跡法分析大灣區的生態承載力變化,并評估其生態系統的生態盈余/赤字情況。研究結果可為粵港澳大灣區土地利用優化、土地資源合理利用和生態環境保護提供理論依據,為政府部門制定生態安全管控等相關政策、進一步協調經濟發展與生態環境提供參考。

1 研究區概況

粵港澳大灣區是由廣州、深圳、珠海、佛山、東莞、中山、惠州、江門、肇慶九市及香港、澳門兩個特別行政區組成的城市群,地處珠江下游,總面積約5.6 萬km2(圖1)。該區域屬亞熱帶季風氣候,多年平均降水量達1800 mm,年平均日照量為2000 h,年平均氣溫21.4—22.4℃,自然資源豐富,具有重要的生態價值。粵港澳大灣區是我國快速城市化最具代表性的區域之一,是我國建設世界級城市群和參與全球競爭的重要載體。根據《粵港澳大灣區發展規劃綱要》要求[20],未來大灣區將建設成為世界級城市群、宜居宜業宜游的優質生活圈和高質量發展的典范,這對大灣區的生態環境提出了更高的要求。

圖1 粵港澳大灣區Fig.1 Location of the Guangdong-Hong Kong-Macau Greater Bay Area(GBA)

2 數據源與研究方法

2.1 數據源

土地利用數據來源于清華大學最新的30 m逐年、高分辨率遙感影像數據集(CLUD-A數據集)[21],選擇1990、2000、2010、2015年4期大灣區土地利用數據。該數據融合了多套主流遙感數據,包括6個一級類及25個二級子類,分類精度達到94.3%[21],分類精度較好,符合本研究的需要。在本研究中,土地利用類型劃分為耕地、草地、水域、林域、建設用地、濕地及未利用土地。

生態系統服務價值(Ecosystem Services Value,ESV)估算所需的單位面積糧食產量、農作物播種面積等數據來源于國家局統計局、《中國統計年鑒》、《廣東省統計年鑒》及粵港澳大灣區各市統計年鑒。生態足跡(Ecological Footprint,EF)計算所需的糧食消費量、蛋奶消費量、能源消費量、水產品消費量、人口等基礎數據來自《中國能源統計年鑒》、《中國統計年鑒》、《廣東省統計年鑒》及大灣區各市統計年鑒。全球各類農作物的平均產量數據來自聯合國糧農組織數據庫。

2.2 研究方法

2.2.1土地利用變化分析

土地利用轉移矩陣主要適用于定量研究土地利用類型間相互轉化的數量及方向特征,能具體反映土地利用變化的結構特征和各類型之間的轉化關系[22],反映出在一定時間間隔下,從T時刻向T+1時刻狀態轉化過程中的變化過程[23],其數學表達式如下：

(1)

式中,Sij表示研究期初與研究期末的土地利用狀態,n為土地利用的類型數。本文采用ArcGIS 10.5平臺的疊置分析及統計功能獲得研究區1990—2000、2000—2010、2010—2015年土地利用轉移矩陣。基于土地利用轉移矩陣對比分析不同時段大灣區土地利用的時空變化情況。

2.2.2生態系統服務價值評估

(1)生態系統服務價值系數修正

聯合國發起的千年生態系統評估將生態系統服務歸納為供給服務、調節服務、文化服務和支持服務四類[24]。謝高地等[25]在Costanza的評價模型基礎上,依據中國的實際情況提出了中國生態服務價值當量因子法[25],其后依據調研資料和生物量時空分布數據對該方法進行l修訂和補充。本文采用謝高地等[26]提出的生態系統服務價值當量表進行核算,并采用徐麗芬等[27]“以農田為基準的地區修正”方法對當量因子表進行研究區尺度修正(公式2和3)。

(2)

Ei=θ×EiO

(3)

式中,θ為研究區修訂因子,Q和QO分別為粵港澳大灣區和全國單位面積平均產量,Ei表示i類土地利用類型修正后的當量因子,EiO表示謝高地等確定的同類土地利用類型當量因子；其中,i= 1, 2, …,6,分別對應本研究中的耕地、林地、草地、濕地、未利用地及水域。

2015年粵港澳大灣區和全國的耕地單位面積糧食產量分別為5.25t/hm2和5.48t/hm2,根據公式(2)計算獲得大灣區的生態服務當量修訂因子為0.96。由華南糧網(https://gdgrain.com/)獲得大灣區2015年末的糧食采購價格為2939.7元/t。由于自然生態系統提供的經濟價值是現有單位面積耕地提供的食物生產服務經濟價值的七分之一[28],因此,計算可知大灣區一個生態服務價值量因子的經濟價值為2204元/hm2,進而得到大灣區不同生態系統單位面積的生態服務價值(表1)。

表1 1990—2015年粵港澳大灣區不同生態系統單位面積的生態服務價值/(元 hm-2 a-1)

最終計算得到研究區的生態系統服務價值：

ESV=∑Sk×VCk

(4)

式中,ESV表示生態系統服務價值(元),Sk表示研究區第k類土地利用類型的面積(公頃),VCk表示生態系統類型k單位面積的生態系統服務價值系數(元/公頃)。

2.2.3生態承載力評估

生態足跡法是以土地為媒介量化區域人類活動的生態資本需求及其可持續性的資源核算方法,包含生態足跡與生物承載力兩個綜合指標[29]。生態足跡從消費角度核算人類消費行為的生態資本需求；生物承載力則衡量自然提供生態資本的能力[30]。本研究基于粵港澳大灣區多年土地利用情況構建基于生態服務價值的均衡因子和產量因子,計算研究區的生態足跡和生態承載力。

(1)生態足跡及生態承載力

生態足跡模型[31- 33]的計算如公式(5)所示：

(5)

生態承載力的計算如公式(6)所示：

(6)

式中,EF為區域總人口的生態足跡(hm2),EC為區域總人口的生態承載力(hm2),N為研究區域總人口,ef為人均生態足跡(hm2/人),ec為人均生態承載力(hm2/人),aj為人均生物生產面積,rj為均衡因子,yj為產量因子。

(2)均衡因子及產量因子計算

均衡因子是指某一生態系統類型單位面積提供某種生態系統服務的能力與所有生態系統類型單位面積提供該種生態系統服務平均能力的比值[32]。由于單位面積耕地、化石燃料土地、草地、林地等的生物生產能力差異很大,需使用均衡因子將每類生物生產面積轉化為統一、可比較的生物生產面積[33- 34]。根據郭慧等[32]的研究,均衡因子計算公式如下：

(7)

產量因子表征了區域某一類土地面積的生產能力與對應的整體平均水平的差異,主要用于對比不同區域之間生物生產性土地面積[33]。本研究中產量因子取自2015年全球生態足跡網(https://www.footprintnetwork.org/)發布的《Working Guidebook to the National Footprint Accounts》[35]。根據世界環境與發展委員會(WCED)的要求,在計算生態足跡的供給時扣除12%的生物多樣性保護面積[36- 37]。

(3)生態赤字(盈余)

使用生態赤字(盈余)對研究區域生態足跡與生物承載力進行比較,表征人地系統之間服務的供需情況和可持續發展程度。

Sy=ECy-EFy

(8)

式中,Sy為生態赤字(盈余),y代表研究年份,ECy代表第y年的研究區生物承載力,EFy代表第y年研究區的生態足跡；Sy≥ 0代表研究區處于生態赤字的狀況,反之則為生態盈余狀況。

(4)化石能源生態足跡計算

化石能源消費主要包括煤、焦炭、燃料油、原油、汽油、煤油、柴油、液化石油氣、天然氣和電力。粵港澳大灣區1990、2000、2010、2015年的化石能源的消費量數據來自大灣區內各個市的統計年鑒。根據全球單位化石燃料生產土地面積的平均發熱量,將當地能源消費所消耗的熱量折算成一定的化石燃料土地面積[38]。根據生態足跡計算模型,得到化石能源用地生態足跡。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化特征

1990年大灣區土地利用類型以林地為主(55.77%),其次為耕地(27.36%)。2015年大灣區雖然仍以林地為主要類型,但比例縮小(53.99%),建設用地急劇增加(占13.73%)。耕地主要分布在江門、肇慶、惠州,建設用地主要集中在廣州、深圳、香港、澳門。1990—2015年,大灣區的建設用地、水域面積增加,而耕地、林地、濕地及未利用地面積減少(圖2)。建設用地增幅最大,研究期內變化率為102.20%,累計面積增加量約為4504.73 km2,其次為水域,變化率為0.94%。濕地、未利用地和耕地面積減少最大,分別減少54.64%、45.03%和17.23%。2010—2015年草地面積增加,其余時段減少約249.61 km2。耕地、林地和未利用地面積一直減少,耕地和林地面積減少約4214.32 km2。隨著耕地、林地等地類在大灣區土地總量中占比持續下降,建設用地面積由6.79%增加到13.73%(表2)。

圖2 粵港澳大灣區1990至2015年土地利用Fig.2 The land use changes of the GBA from 1990 to 2015

由表3可知,建設用地增加的主要來源為耕地、林地和水域；流失的耕地主要轉化為建設用地、水域等；水域主要轉化為建設用地,其余轉為濕地、耕地等。其他土地利用類型也有不同程度轉換,2000—2010年,大約1480.70 km2的耕地用于城市建設；除濕地外,其他各類型土地轉換到建設用地在3個時段內均最高,其中水域轉換面積約428.37 km2。

表2 1990至2015年粵港澳大灣區土地利用變化

表3 1990—2015年粵港澳大灣區土地利用轉移矩陣/km2

3.3 生態系統服務價值變化特征

3.2.1各土地利用類型生態系統服務價值變化總體特征

由表4可知,大灣區的ESV在1990、2000、2010、2015年分別為6385.09、6433.34、6252.65、6183.89億元,總體減少201億元(3.15%)。2000—2010年減少最大,減少了2.81%。從各生態系統類型的ESV來看,森林價值所占比例最高,其次為水域。濕地生態系統的價值損失最大,26年間減少了25.67億元(-54.64%)；其次為未利用地,減少了45.03%。

3.2.2各項生態系統服務的價值變化總體特征

由表5可知,1990至2015年,除水資源供給功能外,大灣區的各項ESV均有所降低。其中食物生產功能下降最多,下降8.93%；其次為維持養分循環功能,下降5.21%；水文調節功能的ESV變化最小。在生態系統服務構成方面,氣候調節、水文調節和土壤保持是最重要的生態系統服務功能,三者占各時期所有功能的10%以上,綜合價值超過總功能的50%。其中,水文調節占最多(31%),而維持養分循環功能的占比最低(不足1%)。圖3顯示2015年各土地利用類型的各項ESV,每個圖從內到外分別表示水域、未利用地、濕地、草地、林地、耕地六種土地利用類型的不同ESV。其中森林的氣候調節功能、水域的水文調節功能和森林的水文調節功能的價值總量最高,分別為1379.93、987.05、859.73億元。未利用地的各項ESV都較低,濕地由于整體面積較小,雖然單位面積的ESV很高,但價值總量較低。

表4 1990—2015年粵港澳大灣區生態系統服務價值變化

表5 1990—2015年粵港澳大灣區各項生態系統服務價值變化

圖3 粵港澳大灣區各土地利用類型的各項生態系統服務價值/(×108 元)Fig.3 The Ecosystem Service Value of different land use types of the study area

3.3 生態足跡與生態承載力變化特征

3.3.1生態足跡分析

由表6可知,大灣區的區域生態足跡快速增長,由1990年的80.57 hm2增長至2015年的241.31 hm2,增長了2倍,人均生態足跡由3.22 hm2/人增加至3.47 hm2/人。化石能源的消耗增加最多,由1990年的9.21 hm2增加至2015年的44.13 hm2,增長了近4倍；其次為水域,增長了近3倍(122.04 hm2)。時間上,1990年到2000年的區域生態足跡增長較快。生物資源賬戶占比從1990年的88.57%逐步降低至2015年的80.91%,相應時間,其他資源賬戶占比從11.43%增加至19.09%(表6)。

3.3.2生態承載力與生態盈虧分析

由表7可知,1990—2015年大灣區整體處于生態赤字狀態,生態足跡遠大于生態承載力,且生態負荷不斷增加,人均生態負荷也逐漸增加。2015年區域生態負荷達到21488萬hm2,人均生態負荷達到3.09 hm2,表明大灣區的自然資源已經過度利用,有必要在不降低人們生活水平的前提下降低生態足跡的需求。

表6 粵港澳大灣區生態足跡變化

4 討論與結論

4.1 討論

1990—2015年粵港澳大灣區的建設用地明顯增加,耕地、林地、草地、濕地和未利用地明顯減少。同時,大灣區生態系統服務價值總體減少約201.20億元,生態環境明顯退化。區域總生態足跡呈增長趨勢,人均生態足跡略有上升,生態赤字不斷增加。結合大灣區的長時間序列人口、GDP等社會經濟數據分析(圖4),1990—2015年,大灣區人口和GDP大幅增長,常住人口增長50%,GDP增長近15倍,單位GDP生態足跡從1.47 hm2/元降低到0.28 hm2/元,呈明顯的下降趨勢。這在一定程度上說明大灣區總體上發展的資源利用方式逐步由粗放型、消耗型轉變為集約型、節約型,但整體仍面臨嚴峻的生態狀況。Zhang等[39]研究發現,大灣區城市擴張的驅動力主要包括GDP、人口、地方財政收入及道路長度。隨著時間推移,社會經濟驅動力的貢獻增加,物理驅動力的貢獻下降,不同驅動力間存在相互增強的關系。王文靜等[17]的研究表明,土地城市化和人口城市化是大灣區生態系統變化的重要原因：土地城市化使大量具有高生態價值的自然生態系統轉化為城鎮生態系統；而人口城市化快速發展,不僅使城市內部配套基礎設施面積快速增長,還使一些原有自然生態系統(如桑基魚塘)疏于管理,出現廢棄和富營養化的情況[40]。

表7 粵港澳大灣區生態承載力及生態盈虧分析

圖4 粵港澳大灣區生態盈虧與GDP和人口間的關系Fig.4 The relationship between the ecological balance and GDP and population in GBA

當前,大灣區面臨嚴重的生態透支問題,包括土地、能源、水等生態資源質量下降,資源環境約束加劇[17]。同時,隨著生活水平的提高,公眾對清潔的空氣、水、綠化空間等生態環境的需求日益增長。2018年,《粵港澳大灣區發展規劃綱要》明確表示“大灣區發展空間面臨瓶頸制約,資源約束趨緊,生態環境壓力日益增大”,提出要“大力推進生態文明建設,推動形成綠色低碳的生產生活方式和城市建設運營模式,促進大灣區可持續發展”[20]。構建生態灣區、綠色灣區,實現灣區可持續發展,是大灣區發展的重要目標。因此,在供給端要提供必需的生態系統服務,而在消費端則要抑制不合理的生態足跡增長。同時,要嚴格保護具有生態價值的自然山地、綠地、海岸、濕地及基本農田,注重土地利用和景觀格局優化,促進形成安全可靠的生態系統和覆蓋全域的生態安全支撐體系,最終實現綠色低碳、可持續發展的“生態灣區”。最后,作為特大城市群,大灣區內各城市間的生態命運息息相關,需要在統一的生態規劃下,依照生態紅線、規劃及生態格局,創新協調,實現各城市的綠色協同,共同發展,最終打造世界可持續發展城市群的典范,推動可持續發展轉型。

本研究基于當量法對大灣區的生態系統服務價值進行研究,雖然這種方法能夠快速有效地核算區域ESV,但這種方法對于土地利用分類系統依賴性較強。因此,未來可考慮大灣區的實際情況,對生態系統分類進行細化,增加紅樹林、沙灘、鹽沼等海岸帶特殊生態系統。此外,基于InVEST[41]、ARIES[42]、SolVES[43]等物質量模型開展的研究也日漸興起,為生態系統價值評估研究提供了新的技術手段。鑒于此,未來研究可進一步結合高精度遙感數據、物質量模型和城市擴張模型,充分發揮各類方法的優勢,探索氣候變化與土地利用變化對生態系統服務的影響,探討二者之間的權衡協同響應機理。

4.2 結論

本研究結合粵港澳大灣區實際情況,研究了粵港澳大灣區近三十年來的土地利用變化,估算大灣區生態系統服務價值,探討了研究區的生態足跡、生態承載力及生態盈虧,主要結論如下：

(1)1990—2015年粵港澳大灣區經歷了快速城市化過程,土地利用變化明顯。大量森林和耕地轉化為城市建設用地,建設用地面積增加了1倍,而林地和耕地面積分別減少了3.19%和17.23%,這一變化趨勢在2000—2010年尤為顯著。

(2)粵港澳大灣區的生態系統服務呈現下降趨勢。由于城市擴張,建設用地擠占了大量自然、半自然生態系統的面積,導致大灣區生態系統服務總價值減少201億元,濕地的生態系統價值減少最多。食物生產和維持養分循環功能的價值顯著降低,快速城市化帶來的生態系統價值減少問題,需要引起重視。

(3)大灣區生態足跡和生態承載力的變化狀況表明,大灣區人均生態足跡呈增加趨勢,2015年,生態赤字達到21488萬hm2,生態嚴重超載,可持續、綠色發展是關系大灣區未來長遠發展的重要議題。

(4)聚焦大灣區未來發展,需要嚴格落實耕地保護紅線和生態保護紅線,合理控制城市生態系統規模；同時可針對不同發展階段的城市制定差異化策略；并通過增加綠地面積、改善綠地質量、優化土地利用和景觀格局等方式提高區域生態系統服務,助力粵港澳大灣區生態環境高質量發展。