粵港澳大灣區生態系統格局變化與模擬

王文靜,韓寶龍,鄭 華,歐陽志云

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

生態系統格局直接影響生物地球化學循環、水文循環、生物多樣性及生態系統服務,并對社會經濟產生深遠影響[1- 4]。近二十年來由于城市化帶來的經濟增長和人口聚集,我國生態系統格局發生了巨大變化,以東部沿海地區的變化最為劇烈[5- 7]。粵港澳大灣區(以下簡稱“大灣區”)范圍包括珠三角城市群的9個城市和中國香港、中國澳門兩個特別行政區,是我國開放程度最高、經濟活力最強的區域之一,在國家發展大局中具有重要戰略地位。在快速城市化的驅動下,大灣區城鎮用地需求不斷增加,農田和自然生態系統面積下降,生態環境保護與經濟發展之間矛盾突出。2019年2月發布了《粵港澳大灣區發展規劃綱要》,目標是將大灣區打造成一個充滿活力、國際領先、宜居宜業的世界級城市群,鑒于地方規劃統一并服從整體協調原則,大灣區內各城市將相繼出臺新的城市空間發展規劃以滿足經濟發展和生態文明建設的需要,大灣區的生態系統會呈現新的空間格局。因此,深入分析大灣區的生態系統格局變化,模擬未來的發展趨勢,對厘清生態系統變化規律和揭示城市化的生態效益具有重要意義[8-9],也是進行區域規劃和制定可持續發展策略的必要條件。

生態系統格局演變是全球氣候變化和環境變化等研究關注的重要內容[10]。生態系統格局演變的研究聚集在生態系統格局變化[11]、驅動力分析[12]、生態環境效應[13-14]及生態系統格局預測模擬[15]等方面,研究方法上多采用景觀格局指數[11]、土地利用轉移矩陣和主成分分析法[16]等方法。國內外已成功開展了全球、國家和城市群尺度的生態系統監測和演變研究。在全球和國家尺度上,Nowosad等[17]進行了全球1992—2015年生態系統景觀變化評估和制圖的研究,Yu[18]研究了不同情景需求下全球生態系統演變趨勢,Chen等[19]研究了中國1995—2015年的生態系統格局變化。在城市群尺度上,Sun和Zhao[20]研究了1987—2015年京津冀城市群生態系統時空演變,Yang等[21]開展了1987—2017年舊金山灣區、紐約灣區、東京灣區和粵港澳灣區4個灣區城市群的城市擴張過程,發現不同灣區的城市擴張速度和擴張方式不同。針對大灣區的研究包括對大灣區不透水地表景觀格局時空變化的研究[22]、大灣區內5個城市(廣州、深圳、珠海、香港和澳門)建成區擴展特征和驅動力[23]、珠三角城市群土地利用對熱島效應的影響[24]、珠三角城市群土地利用對生態系統服務的影響[25]及土地利用效率演變[26]等。

綜上,當前國內有關城市群生態系統演變的研究主要集中在京津冀城市群,而針對大灣區的研究側重于建成區的格局演變和土地利用的生態效益,缺乏對大灣區城市群整體生態系統空間格局演變的探索。

本研究以大灣區為研究對象,選取2000、2005、2010、2015、2018年5期土地利用數據,基于ArcGIS軟件核算生態系統變化、轉移矩陣、動態度等指標,揭示大灣區生態系統時空格局演變特征。同時,運用IDRISI 17.0軟件中的CA-Markov模塊,基于2000—2015年生態系統變化趨勢和地形數據,模擬預測2025年的生態系統結構,揭示大灣區生態系統的變化趨勢,為大灣區生態格局構建和區域總體規劃提供決策支持。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

大灣區(111°21′—114°53′ E,21°28′—24°29′ N)總面積約5.6萬km2,是由廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門、肇慶9個城市,以及中國香港、中國澳門兩個特別行政區組成的城市群(圖1)。2017年大灣區常住人口約7000萬人,經濟規模占廣東省85%,占全國13%,Hui等[27]在2018年的研究中預測大灣區經濟規模：2030年大灣區的GDP將達到30.4萬億元,超過了東京灣區(21.3萬億)和紐約灣區(14.4萬億)。大灣區屬亞熱帶季風氣候,多年平均年降雨量達1800 mm,年日照量為2000 h,年平均氣溫21.4—22.4℃。山地主要分布在大灣區北部的肇慶、廣州和惠州及江門南部,大部分地區坐落于珠江三角洲沖積平原上。

圖1 大灣區地理位置和邊界Fig.1 Geographical location and scope of Guangdong-Hong Kong-Macau Bay Area

1.2 數據來源

本研究所用數據包括：(1)2000、2005、2010、2015、2018年大灣區遙感影像解譯數據來源于中國科學院資源環境數據中心,分辨率為30 m。本文基于大灣區生態系統組成特征,將其重分類為6類生態系統：森林、草地、濕地、農田、城鎮、裸地,包括20類土地利用類型(表1)。(2)30 m分辨率的DEM數據來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/),坡度數據基于DEM數據在ArcGIS空間分析模塊中計算得到。

表1 大灣區生態系統類型

2 研究方法

2.1 生態系統結構變化

生態系統結構變化從變化數量、變化速度和來源結構3個方面進行分析。首先,運用ArcGIS統計2000—2018年生態系統類型數量變化；然后采用劉紀遠等[28]提出的土地利用動態度模型,計算2000—2018年大灣區各類生態系統的動態度,用來反映大灣區生態系統變化速度和強度,詳見公式(1)；最后運用ArcGIS空間分析模塊中的Tabulate Area工具計算各生態系統類型的轉移矩陣,用來反映生態系統的來源結構。

(1)

式中,K為研究時段某一生態系統類型動態度；Ua和Ub分別為研究初期和末期某一生態系統類型的數量(單位：km2)；T為研究時長(單位：a)。

2.2 生態系統格局變化

景觀格局指數能夠高度濃縮景觀格局信息,反映生態系統的構成和空間配置特征[29],定量描繪斑塊相對位置、大小和形狀等特征[30-31]。本文基于研究目的和研究區特色,共選取了8個景觀格局指數(表2)。從類型水平上選取了4個景觀指數：斑塊個數(Number of patches,NP)、最大斑塊指數(Landscape shape index,LPI)、景觀形狀指數(Landscape shape index,LSI)、分離度指數(Split index,SPLIT),用來分析6類生態系統的格局變化；從景觀水平上也選擇了4個景觀指數：香農多樣性指數(Shannon′s diversity index,SHDI)、香農均勻度指數(Shannon′s evenness index,SHEI)、蔓延度指數(Contagion index,CONTAG)、分割度指數(Division index,DIVISION),用來分析全局景觀變化。景觀格局指數由Fragstats 4.2軟件計算得出。

表2 景觀格局指數及意義

2.3 生態系統變化模擬

本文采用IDRISI軟件的CA-Markov模型模擬大灣區2025年的生態系統格局特征。CA-Markov模型綜合了CA模型的空間模擬能力和Markov模型的數量變化預測優勢,對空間和數量的變化都有較好的模擬效果[32]。本研究在不考慮社會經濟發展和城市規劃控制,僅考慮坡度和高程兩個地形因素的前提下,模擬自然條件下大灣區的生態系統變化趨勢。首先,將2005、2010、2015年的生態系統數據、坡度和高程數據均轉化為ASCII碼文本,導入軟件并進行預處理；其次,運行Markov模塊,計算2005—2010和2010—2015的轉移概率矩陣和轉移面積矩陣；然后,基于2010年的生態系統結構、坡度和高程數據,模擬2015年的生態系統結構,并與2015年的實際數據對比,計算Kappa系數驗證模擬精度；最后,基于2015年現狀生態系統,以10年為步長,預測2025年的生態系統結構。Kappa系數的值域為[-1, 1],Kappa>0.6說明模擬結果與現狀具有顯著一致性,Kappa>0.8則幾乎與現狀完全一致[33]。

3 結果與分析

3.1 生態系統面積變化

3.1.1生態系統組成和結構變化

2000—2018年大灣區的城鎮和草地面積增長,農田、森林和濕地面積下降(圖2)。大灣區的城鎮生態系統面積變化最大,增長了2596 km2；農田生態系統縮減最多,減少了1983 km2；森林生態系統和濕地生態系統也呈下降趨勢,分別減少740 km2和278 km2；草地生態系統呈緩慢上升趨勢,共增加103 km2；裸地增長了2 km2。

從圖2中可以看出,11個行政區的城鎮擴張趨勢不同。廣州、佛山和東莞的城鎮增長速度最快,增長面積分別為521、500、495 km2,其中廣州和東莞城鎮面積增長主要來源于農田,佛山市主要來源于農田和濕地；惠州、深圳和中山的城鎮增速也較快,主要來源是農田,還有部分來源于森林；江門、肇慶和珠海的城鎮擴張緩慢,江門和珠海的城市擴張主要侵占森林,肇慶的城鎮面積增長來源于農田和森林。

表3 2000—2018生態系統面積變化

圖2 2000—2018年生態系統變化Fig.2 Changes of ecosystem from 2000 to 2018

3.1.2生態系統動態度變化

2000—2018年大灣區各類生態系統變化速度的階段性特征明顯(表4),2000—2005年生態系統變化速度最快,2005年后生態系統變化速度降低。2000—2005年農田面積下降速度最快,約減少1373 km2,動態度達-1.9%,從2005年開始,農田面積縮減速度降低。2000—2015年森林下降速度不斷加快,2015—2018年下降速度減緩。草地面積在2000—2010年緩慢上升,2010—2015年迅速增加,動態度達1.93%,但2015—2018年草地面積轉而呈現下降趨勢。2000—2018年濕地面積持續下降,速度幾乎保持不變。2000—2005年城鎮的增長速度最快,動態度高達6.46%,2005年開始,城鎮擴張速度趨緩。裸地在2010—2015年動態度最高,增加了2.7 km2,其他時間面積變化較小。

表4 生態系統面積與動態度變化

3.1.3生態系統轉移矩陣

大灣區城鎮面積增長主要來源于農田、林地和濕地,草地的增長主要來源于林地(表5)。城鎮生態系統以轉入為主,18年共轉入3034 km2,有1877 km2來源于農田,663 km2來源于森林,459 km2來源于濕地；森林、濕地以轉出為主,除大部分轉為城鎮,還有部分轉出為農田和草地。草地以轉入為主,主要來源是森林。

3.2 生態系統格局變化

3.2.1類型尺度的變化

類型尺度上的景觀指數表明(表6),森林的最大斑塊指數(LPI)遠大于其他生態系統類型,聚集程度高,其次是濕地；2000—2018年農田和森林的斑塊個數(NP)上升,最大斑塊指數下降,形狀指數下降,整體斑塊的破碎化程度增加,分離度增加；濕地斑塊雖然斑塊個數下降,破碎度降低,最大斑塊指數下降,分離度增加；城鎮和草地的形狀指數下降,受人為影響大,形狀趨于規則化,斑塊個數下降,破碎化程度和分離度降低,呈填充式或蔓延式發展。

表5 2000—2018生態系統類型轉移矩陣/km2

表6 斑塊類型水平的景觀指數變化

3.2.2景觀尺度的變化

景觀尺度的景觀指數表明(表7),2000—2018年多樣性指數、均勻度指數和蔓延度指數呈下降趨勢,分割度指數上升,說明斑塊的聚集程度降低,景觀斑塊向小斑塊趨勢發展,破碎化程度增加。

表7 景觀水平的景觀指數變化

3.3 生態系統變化預測

基于IDRISI軟件中CA-Markov模塊模擬了2015年生態系統結構,并與2015年實際數據對比進行精度檢驗,Kappa系數高達0.94,模擬結果與現狀具有較高的一致性。基于2010—2015年生態系統變化趨勢、2015年生態系統現狀、坡度和高程數據,模擬2025年大灣區的生態系統格局(圖3)。結果發現：與2018年數據相比,城鎮生態系統面積增長了609 km2,農田和森林生態系統面積均呈下降趨勢,分別減少了309 km2和316 km2,草地生態系統、濕地生態系統面積變化不大。

圖3 2025年生態系統格局與城市擴張Fig.3 Comparison of ecosystem structure between 2018 and 2025

4 討論

4.1 自然生態系統面積下降,斑塊破碎度和分離度增加為主要變化特征

大灣區城鎮生態系統面積的增長主要來源于農田生態系統和森林生態系統,區域景觀破碎度和分離度上升。大灣區發展過程中,農田面積下降速度最快,最大斑塊指數降低了一半,說明最大的農田斑塊一半被城鎮侵占,農田完整性被破壞；森林是大灣區主要的生態系統類型,城市化發展過程中面積不斷下降,大型斑塊被破壞,斑塊間的連通度大幅下降；城鎮和草地的斑塊個數下降,最大斑塊指數上升,逐漸由小斑塊聚集成大斑塊,斑塊的破碎度和分離度下降。

大灣區2000—2018年城鎮生態系統增長5.27%,農田和森林分別減少3.61%和1.34%。與我國長三角城市群和京津冀城市群相比,大灣區生態系統變化較小。2000—2015年長三角城市群的城鎮增長7.59%,農田減少了8.01%[34]；1998—2018年京津冀城市群的城鎮增長了16.67%,草地和森林分別減少了13.73%、3.22%[35]。

4.2 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

人口城市化和土地城市化促使大灣區城鎮生態系統面積大幅增長,農田、林地和濕地生態系統面積下降。①土地城市化帶來城鎮生態系統面積的大幅增長,人口城市化的發展必然伴隨著配套基礎設施面積的增長,城鎮生態系統面積增長中約40%是機場和交通用地等基礎設施的增加。②大灣區的城鎮生態系統主要分布中部平原區,大多被農田包圍,土地城市化的主要來源是農田生態系統,2000—2005年是土地城市化最快的一個階段,農田面積縮減速度最快,隨著《關于進一步加強和改進耕地占補平衡工作的通知》和《廣東省基本農田保護區管理條例》等農田保護條例的發布,城鎮生態系統增長速度趨緩,大大緩和了農田生態系統大幅減少的現象。③土地城市化導致大量森林生態系統轉化為城鎮生態系統,森林面積大幅下降,2010—2015年間,由于管理不當和亂砍濫伐,部分林地退化為草地,帶來了森林面積的下降和草地面積的增長。④大灣區濕地生態系統面積下降有以下兩個原因：快速城市化導致土地開發強度增加,大量濕地轉化為建設用地；人口城市化快速發展,農村勞動力外出務工,大量遷移到城市,使基塘疏于管理,出現廢棄和富營養化的情況,加速了基塘向經濟效益更高的建設用地轉化的趨勢。濕地生態系統面積下降主要以桑基魚塘農業類型中的基塘水域下降最為顯著,Sun等人通過遙感解譯發現,佛山和中山的桑基魚塘從2000年的1528.36 km2減少至2015年的1064.03 km2,主要大量轉化為建設用地[36-37],與本文的研究結果一致。

土地城市化造成了大灣區的景觀破碎化和分離度上升。景觀的破碎化與城市化有直接聯系,城市擴張導致景觀的多樣性和均勻度降低,造成景觀的破碎化和異質性[38- 40]。Jiao等人研究了珠江三角洲9個城市在1985—2015年間生態系統格局變化,發現珠三角的景觀多樣性指數上升,破碎化程度增加,空間連通度下降[41],該結果與大灣區2000—2015年生態系統格局變化趨勢一致。

4.3 2025年大灣區森林生態系統仍呈下降趨勢,區域生態風險增加

大灣區的生態系統變化趨勢為城鎮生態系統面積上升,農田生態系統和自然生態系統面積下降,模擬2025年的生態系統格局發現,森林生態系統和農田生態系統仍存在下降風險。Liu等人在對珠三角生態系統格局研究中發現農田、森林和濕地生態系統面積下降[25],本文與其得到一致的結論。森林具有高的生態系統服務價值,其面積的下降導致整個大灣區的生態系統服務下降,并帶來一系列的生態環境問題,增加生態風險。大灣區未來發展趨勢與2019年印發的《粵港澳大灣區發展規劃綱要》中生態環境堅持節約優先和保護優先的方針不符,會影響大灣區發展戰略的實施。

4.4 大灣區未來發展建議

(1)通過生態保護紅線等措施加強自然生態系統保護和修復

大灣區農田生態系統和森林生態系統面積下降會帶來一系列生態風險,在控制城鎮生態系統擴張的同時,應嚴格落實耕地保護紅線和生態保護紅線的劃定工作,針對不同發展趨勢的城市實施差異化策略。深圳、中國香港和中國澳門3個城市基本實現100%的城市化,城市內沒有農田或面積極小,這3個城市綠地面積增長空間小,可以通過改善綠地質量、增加立體綠化等方式來提升城市生態系統服務供給水平。東莞、中山、珠海和佛山這4個城市城鎮擴張速度快,綠地面積較小,可以通過合理增加綠地面積和優化綠地網絡結構等方式提升生態系統服務。廣州、江門、肇慶和惠州4個城市面積大,森林覆蓋度高,應嚴格控制城市擴張,并通過生態修復和紅線劃定等方式加強森林生態系統的保護,構建生態屏障,打造高質量的生態腹地。

(2)構建生態廊道,保護和增強重要生態空間的完整性

生態廊道可以增強重要生態源地之間的聯系,保護重要生態源地的連通性和完整性[42]。可以通過構建生態廊道連通大灣區主要的生態斑塊,不僅可以保障重要生態源地生態系統服務的長期穩定供給,還可以優化整個地區的生態網絡,強化生態源地之間的連通性,加強生態系統服務的流動和野生動物的基因交流。

5 結論

2000—2018年,大灣區的城鎮面積增加,主要來源是農田、森林和濕地,部分林地由于管理不善轉化為草地,草地生態系統面積增長；2000—2005年是城鎮擴張速度最快的一個階段,2005年開始,城鎮擴張速度放緩。城鎮擴張帶來了大灣區景觀破碎化和分離度增加,斑塊間的連通性降低。大灣區的生態系統格局變化,主要是受到土地城鎮化和人口城鎮化的影響。同時,模擬2025年的生態系統發現,城鎮生態系統沿著較大的斑塊向外擴展,農田和森林面積均呈下降趨勢,生態風險將會升高。

控制城鎮擴張規模、增加綠地覆蓋率是未來區域可持續發展的主要任務。未來大灣區的發展規劃中,應通過劃定生態紅線控制城鎮生態系統擴張,并通過增加綠地面積、改善綠地質量、增加立體綠化、加強森林的保護和修復以及構建生態廊道增加生態斑塊之間的連通度等方式提高區域生態系統服務。