區域尺度生態修復空間辨識研究進展

陳新闖,李小倩,呂一河,*,劉紅曉,郭建英

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 中國科學院華南植物園, 廣州 510650

隨著人口不斷集聚以及經濟的快速發展,城鎮化已經成為改變全球生態空間的主要驅動力[1- 2],改變生態空間結構和功能,使自然生態空間轉變為人類主導或人類耦合的生態空間[3-4],導致城市自然生態、社會生態和經濟生態之間矛盾加劇,造成區域生態空間質量下降,面積萎縮。且隨著城市人類活動的繼續增長,區域生態空間的壓力越來越大,造成區域生態系統質量和健康的持續性降低,使得生態空間呈現不同程度的退化現象,全球約20億公頃的陸地生態系統被認為是退化的,需要進行生態恢復[5-6]。目前加強區域生態空間規劃及修復是維護自然生態環境、健全國土空間用途管制制度的重要手段,也是決策者普遍關心的內容[7-8]。

準確評價并辨識需要修復的生態空間是進行生態系統恢復和重建的前提和基礎,有利于提高區域生態服務功能,改善生態環境,構建人類福祉[9]。科學辨識生態修復空間,加強自然生態空間規劃及修復是維護自然生態環境,堅持人與自然和諧共生的根本途徑,是新時代生態文明建設的重要內容,是科學研究面向政策需求的重要轉變[10- 12]。評價指標體系的準確性和科學性將直接影響生態修復空間的范圍和修復目標。目前對于生態空間修復識別,缺乏整體修復觀念,主要針對單一地點或單一生態系統,評價指標和分級標準具有差異性、較低的應用性及可推廣性[13- 15]。在評價過程中沒有落實“山水林田湖草是一個生命共同體”的理念,對于生態空間修復的范圍及規模缺少科學依據,不能針對性地解決區域尺度生態問題,因而區域尺度生態系統的破碎性和孤島現象未得到有效解決。生態空間評價應將區域尺度生態空間視為整體,根據生態空間與人類利用的關系建立綜合生態空間評價體系[16],進而辨識區域生態修復空間、預測和管理未來生態空間格局,這也是人們深入了解生態空間的重要性,踐行生態文明和實現可持續發展的必要條件。目前亟待構建區域尺度生態修復空間辨識框架,即在現有生態評價研究的基礎上,總結不同生態評價的方法及關鍵指標,直觀分析區域生態空間現存問題,確定生態修復重點區域和主導生態因素,科學確定生態修復范圍和不同層級修復目標。尤其應構造面向國土空間規劃,面向政策目標及民眾需求的生態修復空間辨識框架,通過生態修復空間的辨識及治理,對區域生態空間質量及服務的提升提供一定的科學依據,實現城鄉生態政策目標、改善人類福祉。生態修復空間辨識的研究可在科學和政策應用間架起一座橋梁,為生態環境問題的解決以及城鎮化問題的治理開辟新的方向。

1 生態空間定義及研究進展

明確生態空間是進行生態修復空間辨識的第一步。生態空間是具有自然屬性、以提供生態產品或生態服務為主導功能的國土空間,是承載山、水、林、田、湖、草、礦等自然資源的核心載體[17-18]。目前對于生態空間概念的界定主要基于生態功能論和生態要素論兩種視角,主要分歧在于農田是否為生態空間[17,19- 21]。農田作為陸地生態系統中較為重要的生態系統之一,發揮著重要的生態系統服務價值,具有農產品生產、社會保障、氣體調節等功能,與森林和草地相比,農田的直接服務價值所占比重遠遠高于森林和草地[22-23]。故本文界定具有生態系統服務價值和對于生物生境保護具有重要作用的地區都可視為生態空間,不僅包括天然或人工林地、草地、濕地、水體等自然生態空間,還應該包括農田、郊野公園、生態廊道等提供生態系統服務的區域[24-25]。目前對于生態空間研究取得較大的進展,集中于生態空間的評價與管理,主要包括重要生態空間的識別,生態系統服務評估,生態系統健康評估,生態風險評估[26- 33],均對生態修復空間的辨識提供了良好的理論基礎及參考價值。

重要生態空間辨識主要結合區域內的生態承載力和開發適宜性,開展生態功能重要性評價、生態環境敏感性評價、生態系統服務功能評價,確定水源涵養、水土保持、生物多樣性保護等生態功能極重要區域及水土流失、土壤風蝕荒化等極敏感區域,以及結合重點生態功能區、生物多樣性保護優先區等生態保護重要區域,識別區域重要生態空間[32,34-35]；利用基于生態過程最小阻力網絡識別模型和基于網絡分析模型的多情景識別方法對生態空間進行網絡識別,辨識生態重要節點與生態廊道,構造生態安全格局[36-37]。生態系統服務指生態系統與生態過程形成及維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用,分為供給服務、調節服務、支持服務和文化服務等[16,38]。通過生態系統服務評價,可以揭示外界脅迫對生態空間發揮服務的影響,以及不同生態系統服務之間的相互作用[39]。目前對于生態系統服務評價內容主要包含綜合評價和單項評價。綜合評價是指評估生態空間內各生態類型的自然、經濟與社會文化服務等多維價值,包括直接利用價值和間接利用價值[40-41]。單項評價中,主要集中于生物多樣性保護、氣候調節、水源涵養、水質凈化等單一價值評估[42- 47]。生態系統健康是指一個生態系統所具有的穩定性和可持續性, 即在時間上具有維持其組織結構、自我調節和對脅迫的恢復能力[48-49]。生態系統健康可以通過活力、組織力和彈性等3個特征進行定義[50]。活力表示生態系統的初級生產力；組織結構是根據各類生態系統相互作用的多樣性及數量表征；彈性也稱恢復力,是指系統在外界壓力下維持其自身結構和功能穩定的能力[51]。對于生態系統健康的評估一般采用指示物種和指標體系兩種方法[48]。指示物種法對社會經濟和人類健康因素考慮不足,難以全面反映生態系統的健康狀況,在受人類活動主導下的復雜生態系統健康評價中尤為突出。目前應用廣泛的主要是指標體系法,指標體系法根據生態系統狀態、特性及其生態效益篩選評價指標,進行定量評價。“活力-組織力-恢復力”的評估框架得到廣泛的應用及認可[49,52-53],指標選取涉及社會、經濟、自然等因子,既要綜合衡量生態系統自身的健康,又要反應生態系統是否滿足人類的需要,即通過生態系統結構與功能的完整性保障生態系統服務功能的持續供給以滿足人類需求。生態風險是生態系統受到外界脅迫下,其自身特性及發揮的服務,目前和將來發生改變和降低的可能性[54- 57]。對于生態風險評價是評價負生態效應可能發生或正在發生的可能性,而這種可能性是歸結于受體暴露在單個或多個脅迫因子下的結果。對于區域生態風險評價,其重點是評價人類活動對生態環境的脅迫效應,加大生態風險的可能性[58]。對于區域生態風險的研究主要集中于景觀生態風險評價,聚焦于對生態系統結構、功能和過程的影響及對景觀不利的生態效應[59]。景觀生態風險評價是指以生態景觀的特性、景觀格局、以及景觀空間演變規律為評價因子,分析其在外力脅迫下,內部景觀組分、結構、功能和過程發生風險的可能性,識別內部風險源,對生態景觀本身進行風險判定或預測。

2 生態修復空間辨識指標體系

2.1 生態修復空間辨識指標的選擇原則

生態空間受社會、經濟、自然因子的多重影響,在構建修復空間辨識評估指標體系時,評價指標的選取直接決定了評價結果的科學性與適用性[21,60]。在新時期生態文明思想下,對于生態修復空間辨識指標的選取,應按照“山水林田湖草生命共同體”的理念及復合生態系統理論[17,61],對生態空間格局、生態系統特性及服務功能進行綜合評價,明確生態空間存在的突出問題,以及未來區域生態保護修復所面臨的形勢與挑戰。在系統分析上述生態空間評價方法上,本文建議指標篩選應達到3個目標,1)指標體系全面衡量并統籌考慮區域生態空間退化過程和方向,采用能夠綜合反應生態空間的狀態、結構、功能,包括外在特征及內在機理的指標；2)區域角度綜合評判各類生態空間及相互影響機制,要充分考慮到生態空間時間尺度分布特征及人為壓力與生態空間狀態變化之間的聯系,指標選取應該代表影響區域生態空間受損及退化的主要驅動力；3)評價指標應具有概括性及普適性,符合當地政策目標及民眾需求,選擇易于獲取和影響重大的因子或者模型,同時要容易監測,具有技術和經濟可行性,以便定期地為政府決策、科研及公眾要求等提供生態空間現狀、變化及趨勢的統計總結和解釋報告。

2.2 生態修復空間辨識指標體系的構建

由于生態空間研究尺度不同,且生態空間內部的復雜性和多樣性,對于生態修復空間的評價指標及分級標準存在一定的差異性,且具有較低的政策應用性[62- 65]。本文在系統研究生態空間評價與修復空間辨識的基礎上,建議基于政策目標、民眾需求、專家知識綜合選擇評估指標,參考各地城市生態規劃、環境保護規劃及國土空間規劃中的生態目標,例如:《河北雄安新區規劃綱要》提出將淀水林田草生態空間作為一個生命共同體進行統一保護、統一修復。政策目標主要集中于實現藍綠空間占比穩定在70%,實現生態空間的互聯互通,確保新區生態系統完整；構建宜人便民生態公園體系；對重要生態空間實施生態修復,恢復白洋淀淀泊水面,修復多元生境,提高生物多樣性。通過對該政策目標解讀,可識別生物多樣性、生境質量、植被覆蓋度、景觀連通性、景觀多樣性、生態游憩能力、水資源供給能力、水資源凈化能力等指標為決策者普遍關心的指標。對居民與利益相關者的問卷調查及實地走訪中發現,人們對生態空間的要求主要集中于滿足自己的休閑娛樂功能,以及良好生活、生產環境的保持,例如：森林覆蓋率、空氣質量、城市水質達標率、公園可達性等指標；研究者較多的集中于對生態空間本身服務價值的大小及生態系統健康的評價,評價指標主要集中于水土保持、水源涵養、水質凈化、生物多樣性保持、生態景觀格局以及生態系統健康。

本文總結分析上述生態指標選擇偏好,根據生態修復空間辨識評價指標體系選擇原則,對這些主要指標及關鍵因子進行重新篩選,構建評價指標體系(表1)。一級指標層是生態空間需修復的直接表現,由生態空間質量、生態系統服務、生態系統健康三部分構成。生態空間質量、生態系統服務決定著生態系統的效益和生活環境的質量,直接影響城市居民的可用性和舒適性,是政策目標的主要內容。生態健康是生態系統的內在穩定性和抗干擾性水平。生態健康評價強調生態系統的完整性,為生態系統損害評價提供依據；二級指標層是對一級指標層的詳細分解,參照政策目標、民眾需求及相關文獻,選取具有代表性的、易獲取的評價指標,指標數據的獲取方法以遙感監測、實地調研、問卷調查及模型相結合為主。

表1 生態修復空間辨識指標體系

2.3 生態修復空間辨識指標的閾值

確定生態修復空間辨識的標準,不僅對生態修復空間范圍的選取,對于生態修復空間的治理及驅動力研究均具有很大的幫助,是區域生態空間評價研究的關鍵。目前對于修復標準的選取,往往采用生態城市、園林城市、環保模范城市目標值或規劃值、國際發達城市建設標準值、全國最高、最低或現狀值作為相關指標的標準,而這些標準并不能準確的反應生態空間是否需要修復,對生態修復空間的辨識指導意義不大[49]。或者參照生態保護紅線劃定技術要求,生態功能重要、生態系統敏感脆弱區域的空間分布作為生態修復空間評價指標[20,66],然而這些標準僅注重區域生態極重要區及生態極敏感區,對于潛在的生態修復空間缺少辨識。生態修復空間實際上并不僅僅是針對明顯退化的生態空間,而是結合區域生態系統與人類活動,人為的識別需要提升及完善的生態系統,滿足人類所期望的生態系統狀態。對于生態修復空間指標閾值的選取,很大程度上決定于社會效益、政策目標。同一生態空間,面對不同的城市化水平、不同的人類期望,其評估結果相差很大。因此區域生態修復空間的辨識評價,應該全面剖析區域社會、經濟效益,明確生態政策目標,探討生態空間狀態的時空變化特征,篩選區域低水平的生態空間及持續降低的生態空間,而非主觀判定其是否需要生態修復,從而保障評價的客觀性。

2.4 生態修復空間辨識指標權重

評價指標的權重賦值是綜合評價體系中重要的環節,對結果具有顯著的影響[67]。研究對于指標權重的選擇主要集中于主觀賦權法和客觀賦權法[68]。對于主觀賦權法主要考慮根據其主觀價值判斷評價指標對于評價對象的重要程度,一般依據已有的專家知識或經驗,人為主觀確定指標權重,主要包括專家評判法、層次分析法等。主觀賦權法對現有生態健康評價、生態風險評價中具有較廣泛的用途,但在評判過程中主觀性較強,不同專家自身的知識結構及個人喜好不同,權重選取欠缺科學性,穩定性[69- 70]。客觀賦權法則根據收集的生態指標數據進行預處理,通過數理統計的方法將各指標值經過分析處理后得出權數的一類方法,主要有熵權法、變異系數法、主成分分析法等,由于指標權重的選擇根據樣本指標值本身的特點來進行賦權,具有較好的規范性,客觀性強[60,71]。但其容易受到樣本數據的影響,不同的樣本會根據同一方法得出不同的權數,對于結果并不能具有很好地應用性。

對于區域生態修復空間辨識評價中,數據量大,且部分信息不能準確量化,尤其在指標的選取上較多側重于政策及公眾的選擇,采取客觀賦權法確認權重太過單一,并不能較好的反應政策目標及居民選擇,難以真實表征評價指標的相對重要性,對評價結果造成影響；而主觀賦權法,雖然權重確定的過程有較多的人為主觀性,然而在生態修復空間辨識中,公眾及決策者的選擇恰恰是識別生態修復空間的關鍵,通過主觀賦權法更能直觀的通過選擇居民或決策者普遍關心的指標,提升區域生態空間質量及服務水平,實現人類福祉建設。因此主觀賦權法有其科學合理性,其實用性要強于客觀賦權法。本文建議在確定權重的過程中優先采用層次分析法,基于前期調研與問卷調查的基礎上,建立層次結構模型、構造判斷矩陣,按其重要性程度評定等級以確定權重,不同區域可根據區域自身生態特點及政策目標合理確定各指標權重,以實現區域可持續發展。

3 生態修復空間辨識研究展望

生態修復空間的辨識是亟待開展研究及完善的生態評價中重要的一環,是以新的視角將生態學與政策制定、國土空間規劃相結合的新領域。通過生態修復空間的辨識及治理能夠科學的構建區域生態安全格局,優化生態安全屏障體系,加強生態基礎設施建設,提升生態系統質量和穩定性,提高區域生態空間的生態承載力,是當今實現新時代生態文明建設的重要內容。盡管近年來生態評價的研究和技術發展迅速,但針對生態修復空間辨識的理論和技術方法仍不完善,較多的集中于單一生態類型的修復技術的探討,對于生態修復空間的選擇上有很多問題有待進一步深入研究和解決。

3.1 生態修復空間辨識結果的尺度轉換與多尺度綜合

生態修復空間辨識首先涉及尺度問題,包括空間尺度和時間尺度。不同空間尺度評價指標體系存在明顯的差異性,小尺度如單一生態類型中傳統的生態系統的組成結構、功能和生境評價,轉變為區域尺度的宏觀生態環境質量監測指標為主。對于小尺度空間辨識并不能較好的客觀反映現實結果,空間辨識應該涉及多種生態類型、景觀的組合,應立足于區域尺度,即包括縣域、市域、城市群、省域、國家和大洲等空間尺度,通過空間格局分布,探究其差異性及內部聯系,將不同尺度下生態修復空間辨識結果進行綜合分析,探討其內部的關聯性,以及不同尺度之間的相互轉換途徑與方法,制定由上到下的綜合修復政策及措施,劃定不同生態修復區,并通過時間尺度的研究,建立長期評價及反饋機制,對生態修復空間的演替規律及其未來變化趨勢做出正確的評估,并通過與地理信息系統的結合,快速獲取、分析研究基礎數據,并實時監測識別待修復空間,是當前研究及應用生態修復空間辨識的核心和關鍵。

3.2 復合生態系統理論與方法的應用

辨識生態修復空間更多的面向于政策需求,意味著不僅僅考慮生態因子的影響,還要較多的考慮社會因子、經濟因子,實現復合生態評價。如何在生態空間辨識工作中更多的引用復合生態系統理論,尤其對于國土空間規劃中,識別復合生態空間的特點,進而考慮利益權衡下生態修復空間、生態保護空間的選擇,進行復合生態管理,實現生態空間的自然、經濟、社會多元復合價值將是下一階段的研究重點之一。目前城市化對生態空間質量和服務的脅迫效應顯著,對于復合生態修復空間的辨識與管理,要協調人與自然、經濟與環境、局部與整體間在時間、空間、數量、結構、功序上復雜的系統耦合關系,實現人類福祉的建設,生態系統服務和居民身心健康得到有效的保障。對于復合生態修復空間的辨識還需要從產業生態格局、區域生態服務和生態文明建設入手,強化生態系統文化服務功能評估及生態空間可持續利用,通過生態基礎設施、生態交通、生態代謝和生態健康技術綜合評估,實現區域人居生態建設與經濟生態效率和社會生態服務的和諧統一。因此,作為宏觀尺度的生態修復空間辨識的研究,復合生態系統理論與方法是區域生態修復空間辨識的重要依據,具有廣闊的發展前景。