珠江三角洲城市群生態安全保障技術研究

黃國和,安春江,范玉瑞,徐琳瑜,李永平,蔡宴朋,李延峰,李 鋒

1 北京師范大學環境學院,環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室, 北京 100875 2 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

珠江三角洲城市群生態安全保障技術研究

黃國和1,*,安春江1,范玉瑞1,徐琳瑜1,李永平1,蔡宴朋1,李延峰1,李 鋒2

1 北京師范大學環境學院,環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室, 北京 100875 2 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

近年來,在工業化、城鎮化迅速推進和人口急劇增長的同時,珠三角城市群正面臨嚴重的現代城市生態問題。生態安全問題已成為珠三角地區率先全面建成小康社會的重大制約瓶頸,對該地區經濟社會的可持續發展構成了嚴重的威脅。“珠江三角洲城市群生態安全保障技術”項目將圍繞脆弱生態修復與保護這一科技需求,對珠三角城市群復合生態系統進行綜合研究。項目將針對內部互動復雜、空間組織緊湊、經濟關聯密切的城市群復合生態系統,開展城市群生態基底核算與健康診斷、城市群代謝模擬與生態風險預測預警技術、城市群生態安全格局網絡設計及生態安全保障技術、城市群生態景觀重建與生態空間修復技術、瀕海城市群受損生境修復與生態安全保障技術以及城市群生態安全調控技術集成及協同監管平臺構建與示范等六方面的研究。項目將為珠三角城市群生態問題的識別、評估與調控提供有效的理論基礎、方法體系及技術示范,由之將為保障該城市群的生態安全提供科學支持,并帶來顯著的社會、經濟與生態效益。

生態安全; 城市群; 珠江三角洲

城市群是在地域上以大城市為中心,以區域網絡化組織為紐帶,由若干不同等級城市及其腹地通過空間相互作用而形成的多核心、多層次城市集群。十六屆五中全會把推動城市群發展作為提升我國國際競爭力、統籌區域發展和優化城市空間結構的有效途徑；國家《“十一五”規劃綱要》、《“十二五”規劃綱要》也明確規定城市群為推進城鎮化進程的主體形態。珠三角城市群是以廣州、深圳為核心,包括珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門、肇慶而形成的特大集群。該城市群毗鄰港澳,“泛珠三角”的大區地緣優勢明顯。2015年,珠三角9個僅占全國面積0.57%的城市,創造了全國9.2%的GDP,生產總值達62267.45億元。近年來,在工業化、城鎮化迅速推進和人口急劇增長的同時,珠三角城市群正面臨嚴重的現代城市生態問題,如土地退化、植被破壞、環境污染、生物多樣性銳減、生態失調等。生態安全問題已成為珠三角地區率先全面建成小康社會的重大制約瓶頸,對該地區經濟社會的可持續發展構成了嚴重的威脅。

城市生態系統是一個復雜的巨系統,涉及社會、經濟、資源、環境等多個子系統,且每個子系統均包含多個隨時間不斷演進變化的層次與組分,具有顯著的不確定性、多功能性、多目標性和動態性。珠三角城市群包含九大城市。它們在發展過程中相互影響,相互作用,導致原有的城市系統復雜性在城市群多層式網絡結構中被高度放大,由之產生了更多、更顯著且更復雜的區域性生態問題,如城界黑臭水體泛濫、自然生態空間減少和破碎化、生態系統功能破壞嚴重、區域生物多樣性急劇下降、資源配置矛盾突出、感潮河段生態問題凸顯以及城市自然景觀退化等。這些復雜性常表現為城市生態系統單元及其相互之間不同層次、不同組分間大量錯綜復雜的矛盾組合,如線性與非線性、平衡與非平衡、連續與離散、無序與有序等。如此的諸多系統復雜性,給區域生態安全保障帶來了極大挑戰。

1 城市群生態安全研究方法

城市生態系統的評估、模擬、修復和調控早為各國所重視。過去幾十年來,各國學者從不同層次、不同角度及不同時空尺度對城市生態系統開展了一系列研究。Pickett等[1]研究了大都市的生態、物質以及社會經濟成分的特征與聯系。從城市生態系統各成分的尺度特征角度,Ernstson[2]等分析了城市生態過程和社會發展過程的尺度差異,并提出了斯德哥爾摩城市綠地規劃方案。從城市生態系統多成分之間相互影響的角度,Lyytim?ki和Sipil?[3]研究了不同生態危害對城市綠地規劃的影響。Stott[4]等研究了閑置土地對城市生態功能的影響。Su等[5]使用了集對分析對城市生態系統健康進行評估。Zhao和Chai[6]基于最大信息熵法開發了城市生態系統的健康評估等。Wolman[7]提出城市代謝(Urban Metabolism)概念,定義城市代謝為物質、能量輸入城市以及產品、廢物輸出城市的完整過程,用以指明物質、能量流動的基本方式,揭示城市對外環境的影響。Kennedy等[8]對城市代謝內涵進行延伸,將其看作是城市中一切技術與社會經濟過程的總和。Pandit等[9]提出了一個基于基礎設施生態學的城市可持續發展范例。Sophiya等[10]構建了一套瀕海城市生態脆弱性評價模型,并研究了海水倒灌對印度西部瀕海城市生境的影響,提出了相應的修復建議。整體而言,國際上對于城市生態系統研究的總體現狀可以歸結為：對于單個城市生態系統的研究較為深入,但對城市群生態系統的復雜性和聯動性研究不足。

我國對城市生態系統的相關研究起步稍晚,近年來也取得了諸多的研究成果[11,12]。例如,黃國和等[13]針對現代城市生態系統所存在的問題,將之比作城市的“病癥”,并對系統進行了綜合辨識,提出了調控規劃方案。徐琳瑜等[14]計算了廣州市城市生態系統承載力與壓力,獲得二者的動態關系。曾光明等[15]分析了城市生態系統規劃的不確定性。張妍和楊志峰[16]從城市物質代謝通量及其生態效率出發,構建了城市物質代謝生態效率的度量模型,并將其應用于深圳的城市管理研究中。吳玉琴等[17]從城市生態經濟系統的觀點出發,建立城市系統動態模擬模型并模擬了廣州市的生態環境變遷情況。劉耕源等[18]基于生態網絡的概念模擬了大連市的城市代謝結構。安佑志[19]采用多風險源、多風險受體的區域生態風險評價方法對上海市進行了城市生態風險評價。龔建周[20]等采用空間統計學方法對廣州生態安全進行分析,識別其形成與發生變化機制,并探討區域生態安全的主要影響因子。李鋒等[21]從城市濕地生態基礎設施、綠地生態基礎設施和城市地表硬化的生態工程改造三個方面對國內多個城市的生態基礎設施進行評估。李媛等[22]構建了生態城市規劃決策支持系統框架,并以中新天津生態城為例進行了實證研究。相較而言,我國大多數相關城市生態系統的研究仍處于對國外理論的引進和消化階段,研究工作大多局限于對單個城市生態系統的定量分析或對城市群系統的定性分析,缺乏對城市群復合生態系統的多方位定量識別與綜合調控研究,未能從全方位的角度對復雜的城市群生態安全問題進行多層次的辨識、評價、模擬、優化和協同監管研究

2 珠江三角洲城市群生態安全保障技術框架

如何開展珠江三角洲城市群生態安全保障技術研究涉及到很多關鍵科學問題,例如：如此諸多的城市群生態問題是如何產生的？這需要對城市群生態系統多層式復雜結構下各組分的內在演變規律及其間的互動機制進行科學的剖析。這些生態問題可能帶來什么樣的環境、社會與經濟后果？這需要對城市群生態系統的復雜性進行深入分析,以揭示其內在機制及其中蘊含的生態風險問題與效應。解決上述問題的關鍵所在是如何基于對城市群特有的多層式生態系統的解構和整合,開發有效的評估、監管、修復、保障和調控技術,并為區域生態安全一體化保障提供決策支持。

本項目將圍繞脆弱生態修復與保護這一科技需求,對珠三角城市群復合生態系統進行綜合研究。本研究將提出城市群復合生態系統多層式結構的概念(圖1),旨在對系統中繁多的組分進行細致的解構分析,并在剖析多層次、多組分間互動關系的基礎上,對此復雜系統進行整合研究。這一解構與整合分析體系將有助于研究珠三角城市群的生態安全一體化保障問題。項目總體目標包括：(1)初步建立一個珠三角城市群復合生態系統安全保障技術體系；(2)促進珠三角城市群發展過程中一系列生態安全問題的解決；(3)提高我國城市生態科學與技術的整體研究水平。本項目擬解決的關鍵科學問題包括：(1)如此諸多的城市群生態問題是如何產生的？這需要對城市群生態系統多層式復雜結構下各組分的內在演變規律及其間的互動機制進行科學的剖析。

圖1 多層式城市群復合生態系統Fig.1 Compound ecosystem of multilevel urban agglomeration area

(2)這些生態問題可能帶來什么樣的環境、社會與經濟后果？這需要對城市群生態系統的復雜性進行深入分析,以揭示其內在機制及其中蘊含的生態風險問題與效應。項目將針對內部互動復雜、空間組織緊湊、經濟關聯密切的城市群復合生態系統,開展城市群生態基底核算與健康診斷、城市群代謝模擬與生態風險預測預警技術、城市群生態安全格局網絡設計及生態安全保障技術、城市群生態景觀重建與生態空間修復技術、瀕海城市群受損生境修復與生態安全保障技術以及城市群生態安全調控技術集成及協同監管平臺構建與示范等六方面的研究。本項目的技術路線見附圖。

具體而言,本項目將(1)提出并定義城市群復合生態系統的多層式結構,通過對城市群生態系統的解構與整合分析,對其系統特征進行辨識,深入剖析各系統組分的特征以及它們之間的復雜互動關系,并開發多個多層式生態系統健康診斷及安全評估的相關技術。(2)通過開發多層式隨機城市群代謝模擬技術,揭示珠三角多城市與周圍環境之間以及珠三角內部城市之間的物質與能量流動規律。通過開發多層式城市群生態風險預測預警平臺,以評估珠三角城市群高密度產業的潛在影響,預測預警生態風險的跨界轉移與累積。通過耦合區域氣候變化、珠三角產業規劃與城市化進程情景,揭示未來變化環境下的珠三角城市群生態風險時空變化特征。(3)提出多層級、網絡化的生態安全格局設計思路,以多層多級的網絡結構反映城市群生態安全格局的功能與特性。遵循“理清經絡,打通穴脈,以點帶面,共振強化”的技術研發路線,開發一系列基于網絡分析、模擬與優化技術的辨識、評價、規劃與調控技術,旨在將珠三角城市群各市縣分散的生態安全“局域網”打造為強健的城市群生態安全“萬維網”,為珠三角城市群一體化生態安全格局網絡設計及生態安全保障提供技術支持。(4)通過建立多層次復合受損生態空間診斷技術,揭示珠三角城市群受損生態空間退化機理。評價珠三角城市群生態景觀與生態基礎設施,開發和集成受損生態空間修復技術,構建能綜合反映社會、經濟、環境、生態等效益的復合生態空間修復技術評估體系,以識別優化修復技術。(5)著重于珠三角瀕海城市群生態系統典型問題與特征,如海洋和內陸對系統的夾擊影響,遵循系統化、結構化、定量化的研究思路,綜合辨識與評估生態修復技術,進而開展系統互動與風險分析,以實現生態調控過程的有效管理。(6)通過技術集成(各個子課題)和數據收集與共享, 開發綜合優化(多層迭代式綜合優化模型),以及基于公眾調查與專家分析的多重后優化技術。通過提出的城市群生態安全協同聯動研究方法體系,對珠三角城市群以及廣州、深圳、東莞三個重點城市開展示范研究。

3 結論

綜上所述,城市群的發展導致空前規模的資源開發和污染物排放,給我國生態環境帶來巨大損害,嚴重威脅我國社會經濟的可持續發展與人民生命財產的安全。研究城市群生態安全與調控機理,并由之建立科學的決策支持體系,既是解決我國城市群生態問題的必由之路,更是實現我國城市群可持續發展的重大需求。本項目將為珠三角城市群生態問題的識別、評估與調控提供有效的理論基礎、方法體系及技術示范,由之將為保障該城市群的生態安全提供科學支持,并帶來顯著的社會、經濟與生態效益。相關成果還可推廣應用到我國其它城市群,并有助推動我國城市群生態系統管理模式的改善,從而對國家整體生態環境的改善及區域社會經濟的可持續發展產生積極影響。

[1] Pickett S T, Cadenasso M L, Grove J M, Nilon C H, Pouyat R V, Zipperer W C, Costanza R. Urban ecological systems: linking terrestrial ecological, physical, and socioeconomic components of metropolitan areas. Urban Ecology, Springer US, 2008: 99-122.

[2] Ernstson H, Barthel S, Andersson E, Borgstr?m S T. Scale-crossing brokers and network governance of urban ecosystem services: the case of Stockholm. Ecology and Society, 2010, 15(4): 28.

[3] Lyytim?ki J, Sipil? M. Hopping on one leg - the challenge of ecosystem disservices for urban green management. Urban Forestry & Urban Greening, 2009, 8(4): 309-315.

[4] Stott I, Soga M, Inger R, Gaston K J. Land sparing is crucial for urban ecosystem services. Frontiers in Ecology and the Environment, 2015, 13(7): 387-393.

[5] Su M R, Yang Z F, Chen B. Set pair analysis for urban ecosystem health assessment. Communication in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2009, 14(4): 1773-1780.

[6] Zhao S, Chai L. A new assessment approach for urban ecosystem health basing on maximum information entropy method. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 2015, 29(6): 1601-1613.

[7] Wolman A. The metabolism of cities. Scientific American, 1965, 213(3): 179-190.

[8] Kennedy C, Cuddihy J, Engel-Yan J. The changing metabolism of cities. Journal of Industrial Ecology, 2007, 11(2): 443-459.

[9] Pandit A, Minne E, Li F, Brown H, Jeong H, James J A C, Newell J P, Weissburg M, Chang M E, Xu M, Yang P. Infrastructure ecology: an evolving paradigm for sustainable urban development. Journal of Cleaner Production, 2015, in press.

[10] Sophiya M S, Syed T H. Assessment of vulnerability to seawater intrusion and potential remediation measures for coastal aquifers: a case study from eastern India. Environmental Earth Sciences, 2013, 70(3): 1197-1209.

[11] 徐琳瑜, 楊志峰. 城市生態系統承載力. 北京: 北京師范大學出版社, 2011年.

[12] 楊志峰, 徐琳瑜, 毛建素. 城市生態安全評估與調控. 北京: 科學出版社, 2013年.

[13] 黃國和, 陳冰, 秦肖生. 現代城市“病”診斷, 防治與生態調控的初步構想. 廈門理工學院學報, 2006, 14(3): 1-10.

[14] 徐琳瑜, 楊志峰, 李巍. 城市生態系統承載力理論與評價方法. 生態學報, 2005, 25(4):771-777.

[15] 曾光明, 焦勝, 黃國和, 王玲玲, 何理, 曹麻茹, 朱舟, 周建飛. 城市生態規劃中的不確定性分析. 湖南大學學報: 自然科學版, 2006, 33(1): 102-105.

[16] 張妍, 楊志峰. 城市物質代謝的生態效率——以深圳市為例. 生態學報, 2007, 27(8): 3124-3131.

[17] 吳玉琴, 嚴茂超, 許力峰. 城市生態系統代謝的能值研究進展. 生態環境學報, 2009, 18(3): 1139-1145.

[18] 劉耕源, 楊志峰, 陳彬, 徐琳瑜, 張妍. 基于生態網絡的城市代謝結構模擬研究——以大連市為例. 生態學報, 2013, 33(18): 5926-5934.

[19] 安佑志. 基于GIS的城市生態風險評價——以上海市為例[D]. 上海: 上海師范大學, 2011.

[20] 龔建周, 夏北成, 劉彥隨. 基于空間統計學方法的廣州市生態安全空間異質性研究. 生態學報, 2010, 30(20): 5626-5634.

[21] 李鋒, 王如松, 趙丹. 基于生態系統服務的城市生態基礎設施: 現狀, 問題與展望, 生態學報, 2014, 34(1): 190-200.

[22] 李媛, 王建廷. 基于GIS的生態城市規劃決策支持系統框架研究——以中新天津生態城為例. 城市, 2010, (12): 52-57.

Development of ecological security protection techniques for the urban agglomeration area in the Great Pearl River Delta

HUANG Guohe1,*, AN Chunjiang1, FAN Yurui1, XU Linyu1, LI Yongping1, CAI Yanpeng1, LI Yanfeng1, LI Feng2

1SchoolofEnvironmentalScience,BeijingNormalUniversity,StateKeyJointLabtoryofEnvironmentalSimulationandPollutionControl,Beijing100875,China2StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China

Due to industrialization, urbanization and population explosion, there have been severe ecological problems for the urban agglomeration area in the Great Pearl River Delta. The ecological security issue becomes the major restricting factor for building a moderately prosperous society in the Great Pearl River Delta, jeopardizing the sustainable development of local socio-economic activities. The project of “Development of ecological security protection techniques for the urban agglomeration area in the Great Pearl River Delta” aims to meet the requirements of vulnerable ecosystem restoration and protection, and conduct comprehensive research for the integrated ecosystem in the urban agglomeration area of the Great Pearl River Delta. The study will be conducted based on the complex interactions, compact spatial organization, and intimate economic relationships for ecosystem in the urban agglomeration area. The topics include (1) ecological base accounting and health evaluation, (2) metropolitan metabolism simulation and ecological risk assessment, (3) network design for ecological security and protection of ecological security, (4) landscape reconstruction and ecological space restoration, (5) restoration of damaged habitats and protection of ecological security for coastal urban agglomeration area, (6) integration of ecological security protection techniques, development of supervisory platform and demonstration projects. This project can provide theory basis, technique system and demonstration for characterization, evaluation and regulation of ecological problems in the urban agglomeration area of the Great Pearl River Delta. The outcomes have significant socio-economic and ecological benefits.

ecological security; urban agglomeration area; Great Pearl River Delta

國家重點研發計劃項目(2016YFC0502800)

2016- 10- 17

10.5846/stxb201610172097

*通訊作者Corresponding author.E-mail: guohe.huang@outlook.com

黃國和,安春江,范玉瑞,徐琳瑜,李永平,蔡宴朋,李延峰,李鋒.珠江三角洲城市群生態安全保障技術研究.生態學報,2016,36(22):7119- 7124.

Huang G H, An C J, Fan Y R, Xu L Y, Li Y P, Cai Y P, Li Y F, Li F.Development of ecological security protection techniques for the urban agglomeration area in the Great Pearl River Delta.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7119- 7124.