整合多重生態保護目標的廣東省生態安全格局構建

姜 虹,張子墨,徐子涵,丹宇卓,葉玉瑤,李家志, 彭 建,,*

1 北京大學深圳研究生院城市規劃與設計學院, 城市人居環境科學與技術重點實驗室, 深圳 518055 2 北京大學城市與環境學院, 地表過程分析與模擬教育部重點實驗室, 北京 100871 3 廣東省科學院廣州地理研究所廣東省地理空間信息技術與應用公共實驗室, 廣州 510070 4 中規院(北京)規劃設計有限公司, 北京 100084

快速的城市化進程影響生態系統的結構、功能和格局,導致日益嚴重的生態環境問題,威脅區域可持續發展[1—2]。應對生態系統退化風險和危害,國家提出開展國土空間生態保護修復,以期提升生態系統的質量和穩定性、筑牢生態安全屏障[3]。生態保護修復的首要工作是明確關鍵生態要素的合理布局。作為國土空間生態修復規劃的重要途徑,構建生態安全格局是保障區域生態安全和可持續發展的有效空間措施[4—5],對于緩解生態保護與經濟發展之間的突出矛盾具有重要意義[6]。

目前,生態安全格局已初步形成了“生態源地-阻力面-生態廊道”的研究范式[1]。其中,識別源地是構建生態安全格局的關鍵環節[5, 7],包括基于自然保護區、風景名勝區分布的用地類型識別方法[8]和綜合指標體系評價方法兩類[9],其中生態系統服務是最常用的評價指標之一[10]。然而,面向區域生態問題的復雜性,現有研究特別強調綜合,但大多通過簡單疊加多種生態系統服務重要性來識別生態源地、構建生態安全格局。這種方法過于強調綜合而忽視了不同服務間的權衡與協同關系,難以直接支撐面向不同生態保護目標的策略制定,需要整合多重生態保護目標構建綜合生態安全格局,以促進生態系統服務的協同,維持生態安全[6]。盡管Su等[11]面向地質災害防治、防洪和飲用水保護、大氣污染防治、生物多樣性保護和農田保護等目標分別構建了生態安全格局，但直接選取潛在地質災害區域、水系、自然保護區、高質量農田作為源地,缺少對生態系統服務重要性的量化,難以兼顧多重生態保護目標。同時,由于缺少對不同類型源地的對比,難以為生態要素的空間配置和生態保護修復策略的制定提供直接支撐。因此,國土空間生態保護修復有必要關注多種生態系統服務的權衡與協同關系,整合多重生態保護目標識別生態源地,構建綜合生態安全格局,為保護修復決策提供支撐。

作為改革開放的先驅,廣東省在過去四十年里經歷了快速的社會經濟發展與劇烈的生態環境變化。經濟發展與生態保護之間的矛盾日益凸顯,促使廣東省開始重視生態環境問題并采取了一系列措施[12]。基于自然生態系統結構-功能-過程的級聯特征,識別重要生態源地和生態廊道,構建人與自然和諧共生的生態安全格局是均衡經濟發展與生態保護的重要途徑。因此,本研究重點關注七種重要生態系統服務,面向生物多樣性保育、水資源利用、糧食生產、自然災害防范等單一生態保護目標識別生態源地,基于最小累積阻力模型和電路模型識別生態廊道的走向和范圍；進而整合多種生態系統服務重要性和單一生態保護目標下的多功能源地,構建綜合生態安全格局,為廣東省國土空間生態保護修復提供決策支撐。

1 研究區與數據源

廣東省位于我國東南沿海,陸地總面積約17.98萬km2(圖1)。全省21個地級市在地理空間上可劃分為珠三角、粵東、粵西和粵北四大區域[12]。廣東省的主要氣候類型為亞熱帶季風氣候,年降水量在1300—2500 mm之間[13]。廣東省的快速城市化導致了經濟發展水平在空間上的不均衡,珠三角人口密度、城市化水平、經濟發展顯著優于粵東、粵西、粵北地區。2019年7月,廣東省印發了《關于構建“一核一帶一區”區域發展新格局促進全省區域協調發展的意見》,要求加快形成“一核一帶一區”的區域發展新格局。其中,“一核”為珠三角,是引領全省發展的核心區和主引擎；“一帶”為沿海經濟帶,包括珠三角沿海七市和東西兩翼的汕頭、汕尾、揭陽、潮州、湛江、茂名、陽江七市；“一區”為粵北生態發展區,是廣東省重要的生態屏障,包括韶關、梅州、清遠、河源、云浮五市。

圖1 廣東省地理位置與土地利用類型

本研究所用的數據年份為2018年。土地利用數據是由中科院資源環境科學與數據中心(http://www.resdc.cn/)發布的中國土地利用遙感監測數據,空間分辨率為1 km,在數據預處理環節,將土地利用類型合并為耕地、林地、草地、水體、建設用地、未利用地六類。數字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)來自地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)。降水量數據來自中國氣象數據網(http://data.cma.cn/)。蒸散量數據是由美國地質調查局提供的MODIS16A產品(https://www.usgs.gov/)。土壤組分、厚度數據來自世界土壤數據庫(HWSD v1.2, http://www.fao.org/soils-portal/soil-survey/)。歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)數據來自中科院資源環境科學與數據中心(http://www.resdc.cn/)。夜間燈光數據來自美國國家海洋和大氣管理局(https://www.noaa.gov/)。統計數據來自《廣東省統計年鑒》。

2 研究方法

2.1 生態源地面積閾值確定

生態源地應具有一定的規模,以保證生態功能的穩定發揮[14]。提取連續分布的林地、草地、水體作為生態斑塊,并計算斑塊面積。以2 km2為初始值、2 km2為步長,統計面積小于閾值的斑塊數量和總面積隨閾值的變化,以曲線的拐點作為生態源地的斑塊面積閾值。

2.2 生態系統服務評估

生態系統服務是人類從生態系統中獲得的惠益[15],與生態安全和人類福祉密切相關[16—17],是生態本底的重要表征。廣東省快速的城市化進程破壞了自然生境,使生物多樣性遭受威脅[18]。水污染、水體縮減等水生態問題突出,水資源安全面臨嚴峻的挑戰[18]。糧食生產作為生態系統維持人類生存的重要功能[12],也是生態安全的重要保障。全球氣候變化加劇了沿海地區的自然災害風險,威脅著人居環境的安全[19—20]。針對廣東省自然資源和生態環境的本底條件,以及面臨的主要生態問題,本研究重點評估生境維持、水源涵養、水質凈化、糧食生產、土壤保持、洪水調節、沿海災害緩解共7種生態系統服務(表1)。

表1 生態系統服務評估方法

2.3 景觀連通性評估

景觀連通性指示了景觀對生態流的適宜或阻礙程度,是景觀生態過程的重要指標。保持良好的景觀連通性是保護生物多樣性,維持生態系統穩定的重要條件,是實現生態系統功能與服務的有效保障[26]。可能連通性指數(PC)被廣泛用作景觀連通性的評價指標。

(8)

2.4 生態安全格局構建

為解決生態安全格局過于強調綜合所導致的源地功能指向不明問題,分別面向生物多樣性保育、水資源利用、糧食生產、自然災害防范等單一生態保護目標構建生態安全格局。具體而言,面向生物多樣性保育目標,對生境維持服務與景觀連通性歸一化求和得到生物多樣性保育重要性指數識別生態源地,構建生態安全格局。面向水資源利用目標,對水源涵養服務、水質凈化服務由高到低分級賦值為7、5、3、1,與水體重要性等權重疊加構建水安全格局[28]。其中,水體重要性反映了水體及周邊用地對水資源利用和水環境保護的重要性。以河湖、水庫為中心建立緩沖區,河湖、水庫及其1 km緩沖區內賦值為7,1—2 km緩沖區賦值為5,2—3 km緩沖區賦值為3,其余區域賦值為1,定量表征水體重要性[28—29]。面向糧食生產目標,由于土壤和水源對于糧食生產有重要影響[30—31],對糧食生產服務、水源涵養服務、土壤保持服務歸一化求和,表征糧食生產的重要性識別生態源地,構建生態安全格局。面向自然災害防范目標,考慮山地水土流失風險[32]、城市內澇風險[33]以及沿海災害風險[19],對土壤保持服務、洪水調節服務、沿海災害緩解服務歸一化求和表征自然災害防范重要性識別生態源地,構建生態安全格局。整合單一目標下的生態源地,將重疊部分作為多功能生態源地。對七種生態系統服務歸一化求和,得到生態系統服務重要性指數。將生態系統服務重要性前30%的區域與多功能生態源地的并集作為綜合生態源地,構建廣東省陸域綜合生態安全格局。

建設生態廊道可以有效解決生態源地破碎化的問題,增強生態源地的連通性,促進源地間的物種、物質、能量流動,保障生態功能的穩定發揮[34]。基于電路模型,將景觀作為導電表面,通過模擬生態流的隨機流動,識別景觀中的潛在生態廊道,并提取重要的生態夾點和障礙點。景觀對生態流的阻礙作用與景觀類型、人類活動強度密切相關[35—36],首先根據土地利用類型設置初始阻力值,林地、草地、耕地、濕地、水體、未利用地、建設用地的基本阻力值分別為1、10、30、50、50、300、500。以夜間燈光強度反映人類活動強度,修正基本阻力值[35]。

(9)

式中,R′為修正后阻力值,NLIi為土地利用類型a像元i的夜間燈光強度,NLIa為土地利用類型a的平均夜間燈光強度,R為基本阻力值。

電路模型將生態源地看作電路的節點,將非生態源地區域視作電路支路中不同阻力的電阻,通過非生態源地區域的電流高低識別景觀中的生態廊道和關鍵節點[37—38]。兩節點間的電流強度I計算為：

I=V/Reff

(10)

式中,I為通過導體的電流,V為通過導體測量的電壓,Reff為有效電阻。有效電阻Reff能夠反映節點間的空間間隔,而支路電流值I能反映通過該支路阻力截面的生態流量,可用來預測生態流在相應節點或路徑上的移動概率,進而識別具有較高生態流量的區域,作為生態廊道。

3 結果分析

3.1 生態源地面積閾值

廣東省生態用地分布廣泛,占總面積的68.78%,其中林地、草地、水體分別占比87.04%、6.34%、6.62%,主要分布在韶關市、清遠市、河源市、梅州市、肇慶市。面積小于閾值的生態源地斑塊數量和總面積隨閾值變化的拐點出現在26 km2處,對應生態斑塊數為3483,占研究區生態斑塊總數的98.11%；面積為6481.99 km2,占生態斑塊總面積的5.39%(圖2)。以26 km2作為生態源地的面積閾值,可以去除大部分破碎的小生態用地斑塊,且不會對總面積產生顯著影響。

圖2 面積小于閾值的生態斑塊數及面積變化

3.2 生態系統服務空間格局

廣東省各類生態系統服務的分布均呈現空間不均衡性,且不同服務的分布格局差異較大(圖3)。生境維持服務的高值位于粵北山地,廣泛分布的林地為眾多野生生物提供了適宜生境。低值則位于珠三角、湛江市、汕頭市,這是因為珠三角高度城市化導致生態用地面積小且面臨較高的生態威脅,而湛江市和汕頭市耕地密布,生態用地面積小且分布破碎。

圖3 廣東省單一生態系統服務供給與生態系統服務重要性

水源涵養服務以林地為提供主體,高值位于清遠市、湛江市北部、茂名市南部。這些區域降水量大且植被密布,能涵養大量水源。低值位于珠三角建設用地,其地表覆被難以有效截留降水。水質凈化服務以高植被覆蓋度的林地、草地、耕地為提供主體,高值位于河源市與惠州市交界處、清遠市、肇慶市,低值位于高城市開發強度的珠三角,污染物質的截留和凈化能力較弱。

糧食生產服務的高值位于汕頭市、揭陽市、茂名市、肇慶市,糧食單產高。低值位于珠三角,且耕地面積小,糧食供給高度依賴其他地區。土壤保持服務的高值位于粵北山地和沿海地區,高植被覆蓋度能有效防止土壤流失,低值則位于珠三角和湛江市。洪水調節服務的低值位于珠三角,高不透水面占比導致雨水下滲能力弱,對洪水災害的調節能力差。沿海災害緩解服務的高值位于粵北山地,高植被覆蓋有利于緩解沿海災害,低值位于珠三角。

3.3 面向生物多樣性保育目標的生態安全格局

綜合生境維持服務和景觀連通性得到生物多樣性保育重要性指數(圖4)。粵北生態發展區的生態用地大面積連續分布,連通性高且遠離威脅源,能為多種生物提供穩定的優質生境。東莞市、深圳市、中山市、佛山市的生態用地分散,受高強度的人類活動影響,生境質量較差且不穩定。湛江市、汕頭市以耕地為主要的土地利用類型,生態用地的破碎化程度高,不宜作為重要生境。識別生物多樣性保育源地共5個,在空間上連續分布,總面積76871.20 km2,占廣東省總面積的43.44%(圖4)。提取生態廊道共5條,總長度34.36 km,主要分布在清遠市。面向生物多樣性保育目標的生態安全格局整體呈“雙屏障帶”式分布,包括粵北生態屏障帶和珠三角生態屏障帶。其中,位于粵北生態發展區的粵北生態屏障帶是全省生物多樣性保育的核心區域,珠三角生態屏障帶位于珠三角外圍,是核心經濟發展區生物多樣性的重要保障。

圖4 面向生物多樣性保育目標的重要性指數與生態安全格局

3.4 面向水資源利用目標的水安全格局

疊加水源涵養服務、水質凈化服務和水體重要性,得到面向水資源利用目標的水安全格局(圖5)。其中,重點保護區的保護級別最高,占廣東省總面積的6.23%,主要分布在鑒江、北江、東江、西江、韓江、豐江水庫、高州水庫等重要水體及其河岸帶、庫濱帶；控制開發區的保護等級中等,占總面積的15.34%,主要分布在水體周圍的內陸灘涂、林地、草地；彈性開發區面積占比31.05%,多為林地、建設用地和耕地；適宜開發區面積占比47.38%,可以進行合理開發。廣東省水安全格局整體呈“五江一帶”式分布。“五江”包括鑒江、西江、北江、東江、韓江,在區域水生態安全中具有重要地位,其周邊的林地、草地是重要的水質凈化和水源涵養功能區。“一帶”指沿海經濟帶,充沛的降水和較高的植被覆蓋度使其具有較好的水質凈化和水源涵養能力。在生態保護修復過程中,要重點關注河網密布的珠江口,避免城市化帶來的水質退化與水系結構破壞。

圖5 面向水資源利用目標的水安全格局

3.5 面向糧食生產目標的生態安全格局

綜合糧食生產服務、水源涵養服務和土壤保持服務得到糧食生產重要性指數(圖6)。高值位于茂名市南部、揭陽市、汕頭市和湛江市,這些區域的耕地質量好,是維持穩定糧食生產的重要區域,需要重點保護。珠三角耕地面積小,糧食依靠外部供給。共識別了92個生態源地,總面積12605.35 km2,占研究區陸域總面積的7.12%、耕地總面積的29.62%。源地高度集中在湛江市、茂名市、揭陽市、汕頭市等沿海經濟帶地區,是廣東省糧食安全的重要保障。提取了214條生態廊道,總長度15030.86 km,主要分布在肇慶市、河源市、梅州市,通過連接重要的生態源地來保障耕地生態系統結構和功能的完整性。

圖6 面向糧食生產目標的重要性指數與生態安全格局

3.6 面向自然災害防范目標的生態安全格局

綜合土壤保持服務、洪水調節服務和沿海災害緩解服務得到自然災害防范重要性指數,低值位于珠三角,湛江市、汕頭市(圖7)。識別了118個生態源地,總面積17829.80 km2,占研究區總面積的10.07%；生態廊道共193條,總長度5009.61 km。生態源地和廊道在珠三角、湛江市、汕頭市少有分布,主要集中在粵北生態發展區。湛江市、汕頭市生態用地破碎,水土流失問題突出,同時地處沿海,面臨較高的沿海災害風險。珠三角不透水面比例高,抵御洪澇災害和風暴潮的能力較差。這些區域需要加強風險評估及預警等自然災害防范能力。

圖7 面向自然災害防范目標的重要性指數與生態安全格局

3.7 綜合生態安全格局

整合生態系統服務重要性指數和多功能生態源地,識別了99個綜合生態源地,總面積49536.10 km2,占研究區總面積的27.97%(圖8)。其中,湛江市沒有生態源地分布,珠三角與汕頭市少有生態源地分布,面臨較高的生態風險。韶關市、清遠市、肇慶市、河源市的生態源地面積較大,分別為8634 km2、7134 km2、5687 km2、5112 km2。生態廊道共提取了143條,總長度2268.07 km。其中,河源市與梅州市交界處廊道密集且長度較長。江門市-珠海市-中山市一帶、廣州市、惠州市的生態廊道較長,分布較離散,生態連通作用不可替代。相較而言,珠三角和茂名市的生態廊道細長,電流值較大；粵北生態發展區的廊道較寬,電流值較小。廊道中狹窄且電流值大的部分電流密度大,是重要的生態夾點,如果移除或破壞會對生態功能造成較大影響,共32處,主要分布在中山市、珠海市、江門市、惠州市廊道中電流值較大的12處狹窄區,要加強保護以避免對廊道連通功能的破壞。生態障礙點是廊道中阻力值大的區域,共44處,主要分布在廣州市、中山市、珠海市、江門市、惠州市的19處,覆蓋了廊道的大部分面積,需要開展生態修復,提升生態廊道連通性,維護區域生態安全。

圖8 廣東省綜合生態安全格局

4 討論

生態系統服務間存在著復雜的權衡與協同關系,一種生態系統服務的變化會引起其他服務的變化[39]。在國土空間生態保護修復中,針對不同生態保護目標采取的措施也可能存在沖突。因此,簡單疊加多種生態系統服務識別的生態源地無法兼顧多重生態保護目標。面向不同生態保護目標識別生態源地,進而疊加多功能源地,可以促進生態系統服務的協同,明確生態源地的多重效用,實現生態效益最大化。

將綜合生態源地以及生物多樣性保育源地、水資源利用源地、糧食生產源地、自然災害防范源地的七種生態系統服務供給水平進行對比(圖9),可以發現：綜合生態源地主要分布在粵北生態發展區,能較為均衡地保障多重生態系統服務的供給,但糧食生產服務的供給能力相對較差。生物多樣性保育源地、自然災害防范源地與綜合生態源地的服務供給水平較為一致,但生物多樣性保育源地的土壤保持服務較差。水資源利用源地與其他類型源地的重合度低,其水源涵養能力顯著較高。糧食生產源地主要位于湛江市、汕頭市,其糧食生產服務和洪水調節服務供給水平遠高于其他類型源地。研究表明,糧食生產服務與水質凈化服務和土壤保持服務間均存在顯著的權衡關系[39—40],導致糧食生產源地與其他類型源地的生態系統服務供給水平高度不一致。面向生態保護修復,綜合生態安全格局的構建可以兼顧生物多樣性保育和自然災害防范兩個目標,但要關注生態源地水源涵養能力的提升,強化水體周邊水源涵養區建設與保育。同時,對糧食生產源地的保護需要考慮糧食生產服務與其它生態系統服務間的權衡關系。湛江市耕地分布的破碎化破壞了生境的連通性,也降低了防范自然災害的能力,需要通過耕地綜合整治,引導高質量耕地的合理空間布局。

圖9 面向多重生態保護目標的生態源地空間格局

整合多重生態保護目標下的生態安全格局構建結果,本研究提出廣東省生態保護修復策略：(1)面向生物多樣性保育目標,重點保護粵北生態發展區內大面積連續分布的生態用地、沿海地區以紅樹林為代表的典型濱海濕地,維育全省生態屏障,保護生物多樣性。珠三角、湛江市和汕頭市生態用地面積小且分布破碎,需重點提升連通性；(2)面向水資源利用目標,應加強保護鑒江、西江、北江、東江、韓江、豐江水庫、高州水庫等重要水體,強化河岸帶與庫濱帶植被恢復。珠江口河網密度大且城市化水平高,水源涵養和水質凈化能力差,需要重點開展污水處理以提升水質,同時加強生態城市建設,提升地表覆被對水源的涵養與凈化能力,保障區域用水安全；(3)面向糧食生產目標,應重點關注粵東、粵西的耕地破碎化問題,合理配置耕地與生態用地,協同提升水源涵養和土壤保持能力以保障耕地質量；(4)面向自然災害防范目標,需要重點關注高風險區的自然災害防范。例如,珠三角主要防范風暴潮、赤潮等海洋災害,粵東、粵西地區主要防范風暴潮、災害性海浪等海洋災害。這些區域缺少生態源地和廊道,應加強沿海防風林和生態海堤建設,采取雨水滯蓄、海綿城市等措施提升城市防洪排澇能力；(5)面向綜合生態保護目標,應重點保護粵北生態發展區的生態源地,同時加強珠三角、湛江市和汕頭市的生態建設。尤其是珠三角地區,生態廊道細長且電流值高,夾點與障礙點密集分布,需要重點保護夾點，修復障礙點,切實提升廊道對生態源地的連通作用,維護區域生態安全保障能力。

5 結論

本研究以廣東省為例,提出了整合多重生態保護目標的生態安全格局構建框架,并對比了不同類型的生態源地以提出針對性保護修復策略。研究結果表明,面向生物多樣性保育目標的生態安全格局呈“雙屏障帶”式分布,源地主要分布在粵北生態發展區；面向水資源利用目標的水安全格局呈“五江一帶”式分布,重點保護區主要位于河湖水體及周邊綠地；面向糧食生產目標的生態源地主要分布在廣東省東西兩翼；面向自然災害防范目標的生態源地在珠三角和湛江市、汕頭市少有分布,以粵北生態發展區為主；綜合生態安全格局兼顧了生物多樣性保育和自然災害防范的目標,源地主要位于珠三角外圍和粵北生態發展區。整合多重生態保護目標,廣東省生態保護修復策略的制定需要重點關注粵北生態發展區的生境質量提升,現狀河湖水體及河岸帶、庫濱帶的水生態安全,湛江市、汕頭市的耕地保護和國土綜合整治,沿海地區的自然災害防范,同時開展珠三角的生態夾點保護與障礙點修復,以提升生態廊道的連通性。

需要補充說明的是,現有方法構建的生態安全格局難以提供面向不同目標的生態保護修復策略,本研究應對廣東省多種生態問題,構建了面向多個單一目標的生態安全格局,解決了生態源地功能指向不明的問題。但目前糧食生產服務的評估受數據源所限尚無法區分不同類型耕地,有待未來進一步針對性探討。此外,本研究構建的是陸域生態安全格局,考慮到廣東省沿海的地理位置,應進一步落實陸海統籌,關注紅樹林等沿海濕地生態系統在區域生態安全保障中的重要作用。