基于生態安全格局的粵港澳地區陸域空間生態保護修復重點區域識別

王秀明,趙 鵬,龍穎賢,宋巍巍,劉谞承,*

1 生態環境部華南環境科學研究所,廣州 510655 2 國家環境保護城市生態環境模擬與保護重點實驗室, 廣州 510655

快速城鎮化過程中,城市無序擴張和土地不合理開發利用,導致了生境破碎、生態功能下降、生態系統退化等諸多生態問題。20世紀70年代以來,我國在生態退化嚴重地區部署了一系列生態修復工程,如1979 年的“三北”防護林工程、1997 年開始的黃河上中游水土流失區重點防治工程、2002 年開始的京津風沙源治理工程[1],生態系統惡化趨勢基本得到遏制[2]。黨的十八大以來,隨著“山水林田湖草生態保護修復試點”、“編制國土空間生態保護修復規劃”、“實施全國重要生態系統保護和修復重大工程”等相關重要決策部署相繼出臺,生態保護修復工作得到高度重視,并成為當前的研究熱點。

當前生態修復研究主要聚焦于污染場地、河流濕地、礦山等單要素、小尺度層面[3],未體現山水林田湖草統籌治理的系統整體觀[4]。部分研究基于生態系統退化診斷、生態系統服務供需、壓力-狀態-響應等理論,構建指標體系,提出修復分區[5—7]或評價修復優先級方法[8—9],其根本是將生態受損區域恢復、生態功能提升作為修復目標,而未充分考慮生態過程實現的目標。值得注意的是,生態保護修復目標在個體、群落、生態系統、景觀及區域等不同尺度上存在差異[10],大中尺度生態修復研究應充分考慮生態系統完整性和連通性,對制約生態過程實現的關鍵區域進行修復[11—13]。以格局和過程耦合為核心理論的景觀生態學為新時期國土空間一體化生態修復提供了實現途徑[14—15]。

生態連通性修復最早源于生物棲息地保護和生物遷移廊道研究。20世紀90年代以來,隨著圖論、地理信息系統的發展,生態連通性通過景觀指數得以定量化評價,并發展出多種工具對生物廊道進行空間模擬[16]。相比于對大范圍的生態廊道進行保護,有針對性的修復影響生物運動的障礙區可以以最小的面積達到最大的生態修復效果[17],實現“最優生態修復”。2012 年,MaRce等提出了障礙區、生態夾點等生物棲息地連通性修復識別方法[17—18],此后廣泛應用于野生動物廊道設計、景觀基因流、運動生態學、疾病傳播等。2019 年,蘇沖[19]、方瑩[20]、倪慶琳[21]等將生態安全格局構建、生態連通性修復識別方法引入國土空間生態修復領域,分別開展了四川華鎣山區、煙臺市、徐州賈汪區生態修復重點區域識別,為國土空間生態保護修復規劃和管理提供了一種新的方法。目前該方法應用于國土空間生態修復識別研究仍較少,且研究區范圍整體較小。

粵港澳大灣區是國家建設世界級城市群和參與全球競爭的重要空間載體,由于長期、快速的城鎮化建設,大灣區生態空間被不斷擠占,生態格局完整性和連通性受到一定影響,生態安全面臨威脅[22]。目前有部分學者開展了大灣區生態安全格局研究[23—25],研究范圍多局限于大灣區行政邊界,且僅關注生態源地和廊道等生態保護區域。按照整體保護、系統修復的原則,有必要從全區域、大尺度層面,科學識別大灣區生態保護修復重點區域。本文以大灣區外延范圍——粵港澳地區作為研究區,探索一種大中尺度下基于生態安全格局開展生態保護修復區域識別的研究案例,并結合國土空間生態保護修復相關政策,提出了生態保護修復的對策建議,以期為大灣區生態保護和修復提供借鑒和參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

粵港澳地區包括廣東省及香港、澳門特別行政區,陸域面積18.08萬km2。地勢總體北高南低,具有山地、丘陵、臺地、平原多種地貌類型,見圖1。氣候為熱帶和亞熱帶季風氣候,年平均日照時數自北向南為1750—2200 h。年平均降水量1789.3 mm,自西北向東南為1580—2290 mm。年均氣溫21.8℃。地帶性植被包括北熱帶季雨林、南亞熱帶季風常綠闊葉林、中亞熱帶典型常綠闊葉林和沿海的熱帶紅樹林。

圖1 研究區地形及行政區劃圖Fig.1 Topographic and administrative division map of the study area

1.2 數據來源

本文涉及數據包括：(1)土地利用分類數據：2020 年土地利用數據來源于中科院資源環境科學數據中心,將研究區劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地6個一級類,及22個二級類,空間分辨率為100 m；(2)多年累計年均降雨量數據：來源于中科院資源環境科學數據中心；(3)多年降雨侵蝕力柵格數據：來源于國家科技基礎條件平臺——國家地球系統科學數據中心(http://www.geodata.cn/)；(4)多年潛在蒸散量柵格數據：來源于美國國家航空航天局(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)MOD16A2數據,經過MRT格式轉換、投影轉換和重采樣統一為100 m分辨率；(5)多年植被凈初級生產力柵格數據,來自美國國家航天局mod17A3數據。(6)土壤質地數據：來源于寒區旱區科學數據中心(http://westdc.westgis.ac.cn/)中國土壤數據集；(7)高程數據：來自地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)。(8)自然保護地數據：廣東省自然保護區(省級及以上)來自廣東省生態環境廳,香港特別行政區郊野公園、自然保育區、具有特殊科學價值區域來自《香港生物多樣性策略及行動計劃2016—2021》,澳門特別行政區生態保護區數據通過地圖矢量化。(9)交通道路網矢量數據：來自生態環境部衛星環境應用中心。

2 研究方法

按照生態源地-阻力面構建-生態廊道-生態節點的研究范式,通過生態系統服務重要性分析識別生態源地；基于地表覆蓋、地形、人類干擾構建綜合阻力面,采用最小累積阻力模型、電路理論模型,識別生態廊道及生態障礙點、生態夾點；根據生態敏感性分析,識別生態敏感區。綜合識別結果,以生態源地、生態廊道為生態保護重點區域,以生態障礙點、生態夾點、生態敏感區為生態修復重點區域(圖2)。

圖2 技術路線圖Fig.2 Technology Roadmap

2.1 生態源地識別

生態源地是指維護區域生態安全和可持續發展必須加以保護的區域,是物種擴散、生態功能流動與傳遞的源點[26]。本文通過開展生態系統服務重要性評價識別生態源地。

水源涵養服務重要性：利用水量平衡法計算研究區水源涵養服務重要性,以降水量扣除蒸散量、地表徑流量的值表示水源涵養量,計算過程及參數取值詳見參考文獻[27—28]。

水土保持服務重要性：利用InVEST模型水土保持模塊計算研究區水源涵養服務重要性,詳見參考文獻[28—29]。

生物多樣性保持服務重要性：現有研究多利用InVEST模型生境質量模塊計算生物多樣性功能重要性,其結果僅與土地利用類型高度相關,未能完全反映生物多樣性實際分布情況[28]。本文以廣東省自然保護區(省級以上)及香港、澳門特別行政區郊野公園、自然保育區、具有特殊科學價值區域等區域為基礎,考慮到陸域與水域生態過程阻力因素不同、難以共用同一阻力面,因此僅篩選其中以保護陸生生物為主的區域作為生物多樣性保護重要區。

碳儲存服務重要性：部分研究采用InVEST模型中碳儲存模塊,僅基于用地類型評價生態系統固碳功能,而未考慮溫度、降水、光照條件及人類擾動等因素,不能充分反映碳儲存空間異質性。本文利用研究區多年植被凈初級生產力(NPP)平均值評價碳儲存服務。

2.2 生態廊道模擬

(1)阻力面構建

物種遷移擴散過程中需要穿越一定的“阻力”,通過設定由生態源地向其他景觀單元擴散的最小阻力值,可判斷各景觀單元到生態源地的可達性和連通性[26]。本文以土地利用類型為基礎,并基于夜間燈光數據、距建設用地距離修正阻力面,修正的阻力值為：

(2)生態廊道模擬

生態廊道是保障生態源地之間能量和物質流動的通道,是保障生態過程、生態功能實現的關鍵生態用地[30]。目前生態廊道構建方法主要包括最小累積阻力模型(MCR)、電路理論模型。最小累積阻力模型認為物種遷移距離與穿越的景觀阻力值的乘積即為遷移“成本”,累積成本最低的通道即為最優通道[31]。電路理論模型用電子在電路中隨機流動的特性來模擬物種在景觀中的遷移擴散過程[18],電流反映了游走者到達目標棲息地之前通過相應節點或路徑的凈遷移概率[32],因而電路理論識別的生態廊道是多個生物通過可能性較大的片區,而非唯一的一條阻力最小通道。

由于本研究區較大,電路理論模型運算所需時間過長,本文利用基于最小累積阻力模型的Linkage Mapper模擬生態廊道,其運算步驟包括：(1)計算源地間歐氏距離或加權成本距離(Cost-weighted Distance,CWD)以識別生態源地鄰近斑塊；(2)根據鄰近生態源地創建源地網絡,以確定在哪些源地斑塊間生成最小成本路徑(Least Cost Path,LCP)；(3)逐個源地計算加權成本距離和最小成本路徑[33]。

2.3 生態修復重點區域識別

(1)生態障礙點

生態障礙點是指阻礙生物擴散移動的景觀,移除這些區域會顯著增加生態連通性[34]。本文利用Linkage Mapper工具箱中的Barrier Mapper識別生態障礙點。該工具通過設定一定半徑的移動搜索窗口,逐柵格計算生態廊道上各點清除后(將其阻力值設定為1)到達該廊道連接的兩個生態源地間的最小成本距離(Least cost distance, LCD′),并計算其相比原始最小成本距離的減少量[17,35]。一般通過計算LCD′與初始值的改進得分作為識別障礙點的定量指標。障礙點清除后最小成本距離的計算公式為[17,35]：

LCD′=CWD1MIN+CWD2MIN+(L×R′)

式中,LCD′是障礙移除后通過焦點柵格最佳路徑的最小成本距離,CWD1MIN和CWD2MIN分別是搜索窗口到源地1和源地2的最小累積阻力值,L是搜索窗口的最長軸長度,R′是替代障礙物的特征阻力值,設定為1。

(2)生態夾點

生態夾點是廊道中電流密度較大的區域,代表了影響整個景觀連接度的“瓶頸”地區,對維持整個網絡的連接性非常重要[32]。夾點的形成往往是由于周邊地區的阻力值較大,廊道在夾點地區被壓縮在了相對狹窄的范圍內[19]。本文利用Linkage Mapper工具箱中的Pinchpoint Mapper識別生態夾點,該工具通過調用電路理論模型Circuitscape計算斑塊間電流密度,電流密度較大的區域生物遷移概率大但受周圍干擾大,因而需對周邊區域進行修復。

利用Circuitscape工具成對模式兩兩計算源地間電流密度,計算時將其中一個生態源地任意地連接到一個1A 的電源,而其他源地將被接地(設定為物種在該源地停留,不再繼續擴散),電阻將迭代地對所有成對源地進行計算,計算后生成電流密度疊加圖[36—37]。

(3)生態敏感區

生態敏感區是指對外界干擾和環境變化具有特殊敏感性或潛在自然災害影響的區域,因而需進行嚴格保護和修復。陸地生態敏感性主要包括水土流失敏感性、土地沙化敏感性、石漠化敏感性,考慮到廣東省氣候濕潤、冬春季無沙塵天氣現象,土地沙化敏感性較低,因而本文參考《生態保護紅線劃定技術指南》[27]分析了研究區水土流失、石漠化敏感性,并將敏感性處于前20%的區域作為生態敏感區。

3 結果分析

3.1 生態系統服務重要性

生態系統服務重要性空間分布見圖3。研究區水源涵養量多年平均值為633.28 t hm-2a-1,高值區主要位于廣東省清遠-廣州北部-惠州-河源南部-汕尾一帶,及陽江、江門地區,香港特別行政區本島中部、西北部及南部山地、大嶼山及香港島,整體與研究區降水量空間分布基本一致。低值區位于珠三角城市群及各城市建成區、農用地集中區域。

研究區水土保持多年平均值為5166.15 t hm-2a-1,其空間分布與研究區地形基本一致,高值區主要分布在粵北、粵東、粵西主要山脈,及香港特別行政區中部山地及香港島、大嶼山。低值區集中分布在珠三角城市群核心區域,及湛江全域、茂名南部等地。

研究區以保護陸生生物為主的自然保護地面積共74個,總面積6286.10 hm2,占研究區總面積的0.035%,在粵北韶關、清遠、河源、梅州及香港特別行政區分布較多。其中香港特別行政區各類保護地面積537.71 hm2,占陸域面積的0.48%。澳門特別行政區各類保護地面積4.59 hm2。

研究區多年平均植被凈初級生產力為851.71 g C m-2a-1,高值區主要分布在粵北、粵東及香港特別行政區中部山地區域,低值區集中分布在珠三角城市群核心區,及粵東城市建成區。

圖3 研究區生態系統服務重要性空間分布Fig.3 Spatial distribution of the importance of ecosystem services in the study area

3.2 生態保護重點區域

3.2.1生態源地

將水源涵養、水土保持、碳儲存功能重要性前20%的區域進行空間融合,得到生態功能重要斑塊954個,面積范圍為0.01—11522.6 km2。為便于下一步廊道模擬,需對碎小斑塊進行處理,參考吳茂全等研究[38],根據斑塊面積閾值與其累計面積占比及斑塊數量關系(圖4),選擇100 km2以上的斑塊時,其累計面積占比達到80%以上,能夠代表生態源地的整體格局。在此基礎上疊加生物多樣性維持重要區(自然保護地),得到生態源地共83個斑塊,總面積52740.65 km2,占研究區總面積的29.2%,主要分布在粵北青云山、九連山、起微山、羅浮山,粵東蓮花山,粵西云霧山、天露山(圖5),及香港特別行政區中部、東部山地及大嶼山、香港島,澳門特別行政區路環島山地區域。

圖4 生態源地斑塊面積分布區間Fig.4 Distribution range of area of ecological source patches

3.2.2生態廊道

利用Linkage mapper識別得到研究區潛在生態廊道共138條,總長度2750.0 km。按照自然斷點法將廊道阻力值進行分類(圖5),得到阻力較小的廊道84條,主要分布在韶關、河源、梅州、惠州等地,其景觀類型以林地、草地為主,該類廊道阻力小,對源地連接起重要作用,未來需要重點保護。阻力較大的廊道主要分布在肇慶、云浮、佛山、江門、陽江,主要是由于建設用地、耕地阻隔導致生物遷移的物理距離過長或由于林地等低阻力區破碎化,廊道多次穿越耕地等阻力較大區。阻力極大的廊道12條,主要分布在珠海、中山市,主要是由于該區域景觀基質為耕地,且水網交織,該類廊道連接生態源地、促進生態過程實現的作用較弱。香港特別行政區陸域三個源地斑塊間生態廊道阻力均較小,且通過西北部船灣-八仙嶺源地斑塊與深圳市南部梧桐山源地斑塊保持較好的連通。香港特別行政區3個位于海島的源地斑塊、澳門特別行政區源地斑塊及江門市的上下川島、汕頭市的南澳島均由于海域阻隔而成為生態“孤島”。整體來說,生態源地與生態廊道共同構成了“兩屏多核、兩橫四縱”的生態安全格局(圖5)。

圖5 研究區生態安全格局Fig.5 Ecological security pattern in the study area

3.3 生態修復重點區域

3.3.1生態障礙點

通過設定不同的移動搜索窗口半徑,Linkage Mapper工具可探測不同大小的障礙點。小半徑可搜索高速公路等狹窄障礙點,大半徑可搜索耕地等障礙點或兩個平行的狹窄障礙點[32]。本文采用100、500、1000、2000 m四種搜索半徑,將整個移動搜索窗口內改進得分的百分比按照自然斷點法分為三個區間,最高的區間作為障礙點。

比較不同搜索半徑下障礙點識別結果的差異發現,500 m半徑識別結果與1000、2000 m基本一致,說明研究區大部分障礙點不超過500 m,同時100 m半徑識別障礙點一般位于500 m半徑識別障礙點的核心區域,由于因而綜合100、500 m半徑識別結果,并將生態廊道與交通道路圖層疊加識別道路障礙點(由于本文土地利用數據分辨率為100 m,Linkage mapper未識別100 m寬度以下道路障礙點),融合得到研究區障礙點共387處(圖6),總面積442.71 km2。

圖6 研究區生態障礙點空間分布圖Fig.6 Spatial distribution of ecological barriers in the study area

3.3.2生態夾點

利用Pinchpoint Mapper計算得到廊道上各點的電流密度見圖7。按照自然斷點法將電流密度分為五個等級,電流密度最高的區域即為夾點。可見,研究區生態夾點主要分布在清遠、云浮、江門、珠海、河源、梅州等地,總面積9.13 km2,夾點周邊高阻力景觀包括耕地、灌木林、其他林地及河流、建設用地。夾點形成的主要原因是該區域生物通過的概率大,但其周邊一定范圍內分布著阻力較高的耕地等景觀,因而被壓縮在較窄的區域內。

圖7 研究區生態廊道電流密度及生態夾點空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of current density of ecological corridor and pinch points in the study area

3.3.3生態敏感區

研究區水土流失敏感區總面積3906.13 km2,主要分布在韶關、清遠、梅州、河源、云浮、茂名等地的山地區域,香港特別行政區大嶼山也有一定分布；石漠化敏感區與研究區碳酸巖分布一致,主要分布在清遠、韶關、云浮、陽江等地,總面積679.48 km2。將水土流失和石漠化敏感區融合后得到生態敏感區總面積4302.48 km2(圖8),其土地利用類型主要是耕地、植被覆蓋度較低的林地、草地。

圖8 研究區生態敏感區空間分布圖Fig.8 Spatial distribution of ecologically sensitive areas in the study area

4 討論與建議

4.1 同類研究對比

(1)同類研究對比與不足

整體而言,本文生態系統服務重要性及生態源地、生態廊道、生態障礙點識別結果與相關研究[23—25,39]基本一致,差異主要包括：①源地識別方面,本研究識別出的肇慶、茂名、湛江市源地范圍較其它研究小,而江門市較大。主要原因一是部分研究將生態敏感性、生態連通性作為源地識別依據[23],本文認為源地是生態過程實現的源點,將敏感區作為生態源地易掩飾其應實施生態修復的特征,將生態連通性作為生態源地識別的依據,則默認了連通性較差的區域沒有改善連通性的可能,因而本文源地識別中僅考慮了生態系統服務重要性。二是重要性評價方法和分級方式不同。②生態廊道識別方面,因源地識別結果、研究范圍等方面的不同,肇慶、茂名、湛江及梅州等地識別結果與其他研究存在差異。未來研究應充分考慮研究區自然地理邊界及外圍地區的景觀連通性；受計算能力所限,本研究僅在生態夾點識別中應用了電路理論模型,未來研究以電路理論模型識別生態廊道,并在此基礎上識別障礙點、生態夾點更為合理。③生態修復重點區域識別方面,生態障礙點識別結果與吳健生等[40]整體一致,存在差異主要由于源地識別結果及搜索半徑不同,且本文補充識別了生態夾點、生態敏感區作為重點修復區域。

(2)與相關規劃和生態空間管控政策對比

《廣東省主體功能區劃》和《珠江三角洲地區生態安全體系一體化規劃(2014—2020 年)》對廣東省和珠三角地區分別提出構建“兩屏、一帶、一網”和“一屏一帶兩廊多核”生態安全格局,本研究結果與上述規劃基本一致。經與廣東省生態保護紅線劃定結果(2018年報原環境保護部版)對比,本研究識別的生態源地范圍在湛江、肇慶等地較紅線小,原因是未考慮水域濕地地區,并刪除了小面積源地斑塊；在粵北起微山、羅殼山、滑石山脈及河源、惠州中部的羅浮山等區域較紅線范圍大,說明該區域存在一定的保護空缺。在香港特別行政區,本研究識別的生態源地90.6%位于各類保護地內,說明其重要生態空間基本得到嚴格保護。

4.2 生態保護修復對策建議

(1)加強監管,保障生態安全

結合國家及地方 “十四五”規劃編制,通過調整紅線、增設或整合自然保護地等方式,擴大起微山、羅殼山、滑石山、羅浮山等重要生態源地保護范圍,加強重要源地空間管控。銜接國土空間規劃、“三線一單”等工作,將重要生態廊道納入生態控制區、一般生態空間；嚴格控制城鎮發展區域范圍,防止建設用地無序擴張。結合“綠盾”行動、中央環保督察等工作,加強生態保護紅線、自然保護地監管,保障生態安全。

(2)分區修復,確定優先次序

研究區存在諸多歷史遺留問題,生態修復工作難以全面實施,因此有必要明確重點修復區域及其修復優先次序。生態修復優先區域的確定,不同研究存在差別,如綜合考慮生物多樣性變化、氣候變化減緩和修復成本等多準則優化的最優區域[41],生態保護與經濟發展明顯沖突的區域[42],生態屏障區和生態退化區域[2,43]。考慮到實施的可行性,建議對接現有生態空間管控、生物多樣性保護等法規要求,將生態保護紅線、自然保護地、重點生態功能區等各類法定保護列為優先修復區域；位于國土空間規劃劃定的生態控制區、“三線一單”劃定的一般生態空間中的珍稀瀕危保護物種集中分布區、自然保護小區、紅樹林、重要濕地等,宜作為次優級區域。其他區域的生態障礙點、生態夾點、生態敏感區等,應列入遠期規劃,逐步推進生態修復。

(3)分類實施,明確修復重點

一是對青云山、九連山、起微山、蓮花山等部分重要生態源地內的低質量林地草地及耕地,未來應以自然恢復為主,實施封育保護、退耕還林還草,減少人類擾動,保護珍稀瀕危特有物種及其棲息地。二是對重要生態障礙點和生態夾點,修復應以人工干預為主,林地障礙點可通過林分改造、撫育提高自然度和多樣性；水域可建設護岸林帶和碧道體系,降低景觀阻力；耕地宜開展退耕還林還草,營造適宜生境；城鎮應強化公園等綠地系統的保護與建設,通過線性空間串聯成網[44],提高生態系統連續性；道路則應加強防護林帶建設與保護,預留野生動物通道。三是對水土流失和石漠化生態敏感區,需科學推進水土流失綜合治理,實施植樹造林、陡坡地退耕還林、坡耕地梯田改造等植被、工程和耕作措施,防范自然災害風險。

4.3 結論

本文基于生態系統服務重要性、敏感性評價識別了研究區生態源地和生態敏感區,并利用最小累積阻力模型、電路理論模型模擬了研究區生態廊道、生態障礙點、生態夾點等,識別了粵港澳地區生態保護修復的整體格局。結果表示：(1)研究區生態保護重點區域包括生態源地5.27萬km2、潛在生態廊道138條,其中生態源地主要分布在粵北青云山、九連山、起微山、羅浮山山脈,粵東蓮花山山脈,粵西云霧山、天露山山脈等,及香港特別行政區中部、東部山地及大嶼山、香港島。(2)研究區生態修復重點區域包括生態障礙點442.71 km2、生態夾點9.13 km2,生態敏感區4302.48 km2,及青云山、九連山、起微山等重要生態源地內部分生態退化區域。(3)未來生態保護修復應通過空間規劃途徑對重要源地和生態廊道加強保護監管,對生態節點、生態敏感區、生態退化區進行分區分類修復。