基于生態系統服務供需的雄安新區生態網絡構建與優化

榮月靜,嚴 巖,王辰星,章 文,4,朱婕緣,3,盧慧婷,鄭天晨

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 中國科學院大學資源與環境學院, 北京 100049 3 中國科學院城市環境研究所,城市環境與健康重點實驗室, 廈門 361021 4 武漢理工大學資源環境工程學院, 武漢 430070

雄安新區是推動京津冀一體化協同發展是我國黨中央作出的重大歷史性戰略決策,堅持生態優先、綠色先行則是雄安新區穩步、持續發展的關鍵[1- 2]。新區的建設是一個快速城市化的過程,由于城市生態系統復雜性,快速城市化過程會對城市生態環境與城市生物多樣性喪失產生強烈的影響,嚴重威脅城市與區域的可持續發展[3-4],人類對生態環境保護的關注、維護生態安全不僅有助于實現生態系統自身運轉良性循環,也是實現人類社會可持續發展的必經之路[5]。因此如何在快速城市化進程中,保障城市生態安全是亟待解決的一個問題。

國內外學者通過優化城市景觀結構、構建綠色廊道、形成城市生態網絡,已成為應對城市化棲息地破碎化、熱島效應以及自然水文土壤等環境問題、保障城市生態安全的重要共識[6- 8]。1996年,歐洲理事會制定生態網絡路線,主要包括核心地區、走廊和緩沖區,旨在設計和發展歐洲國家之間的生態網絡,建立跨尺度的景觀尺度生態過程,增加自我恢復能力,并引導發展布局[9]。比利時的Flanders生態網絡,西班牙的加泰羅尼亞自然保護區網絡等主要關注生物多樣性及文化娛樂價值保護[10]。東京綠地計劃等城市尺度生態網絡,主要集中于“生態基礎設施”、“綠色基礎設施”領域,來優化城市生態與建設空間布局,提供宜居綠色的生活環境[11- 15]。我國在國家尺度建立生態系統研究網絡,覆蓋全國典型的農田、森林、草原、沙漠、沼澤、湖泊、海洋和城市生態系統,反映生態系統的結構和功能、模式和過程,對生態系統恢復與生態系統管理提供指導[16]。針對區域生態網絡構建研究,國內主要集中在 “生態斑塊識別”、 “生態安全評估”、 “生態安全格局”、“通風廊道”等方面,并從山水林田林田湖生態修復工程、生態保護紅線和保護區巡查等方面進行生態環境治理[17]。

在生態網絡研究尺度方面,已有研究多集中在對大區域尺度上,如流域、省、市行政區域[18- 23],對于城市與城區中微尺度的生態網絡優化研究較少,因此亟需在城市尺度研究如何合理的構建生態網絡,優化生態系統結構與布局,解決快速城市化過程中改善城市生態環境、提高人居環境質量的途徑。國內外生態網絡研究方法,包括基于GIS技術的適宜性評價法[18]、生態指標評價法[19],以及基于景觀生態學“斑塊-廊道-基質”理論[20]等,其中基于最小累積阻力(Minimum Cumulative Resistance,MCR)模型計算累積阻力差,構建緩沖區與生態廊道的方法應用最為廣泛,為城市生態網絡構建提供必要的基礎[21- 23]。

雄安新區現狀城區較為集聚,整體生態用地面積較小,生態網絡空間連接度較低,目前對新區研究與規劃中,主要有生態保護紅線的劃定,白洋淀流域生態環境規劃等,對于新區地塊生態重要性的識別具有重要指導意義,但在地塊功能連通層面存在一定的缺陷。本研究基于依據“源地-緩沖區-廊道-節點”的框架,以雄安新區生態系統服務供給、需求為基礎,得到生態源地與城鎮源地,基于最小累積阻力差分級,構建生態空間、農業空間與城鎮空間。運用最短路徑及結合新區規劃設計,搭建生境斑塊之間、生境斑塊與城鎮源地之間的廊道,建立重要的生態節點,提出雄安新區未來生態網絡優化方向,作為對新區城市總體規劃生態保護與修復的有效補充。

1 研究區域

雄安新區地處北京、天津、保定腹地,規劃范圍涉及河北省雄縣、容城、安新三縣及周邊部分區域。新區屬于暖溫帶半濕潤大陸季風性氣候,四季分明;新區位于太行山麓平原向沖積平原過渡地帶,地形開闊平坦,西北部稍高,南部及東南部地勢較低。土地利用以耕地為主,位于東南部的白洋淀是華北平原上最大的淡水湖,具有重要的防洪調蓄功能,被譽為“華北之腎”,見圖1。

圖1 雄安新區地理位置圖Fig.1 Geographical location of Xiong′an New Area

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文所采用的數據包括雄安新區土地利用數據、土壤屬性數據、DEM數據、氣象數據(氣溫、降水)、道路圖、水系圖等。其中土地利用類型數據、NDVI數據、人口和GDP數據來源自中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn),人口和GDP數據分辨率是1 km×1 km;土壤數據來源于第二次全國土壤調查南京土壤所提供的1:100萬土壤數據,分辨率為1 km×1 km;數字高程模型(DEM)采用中國科學院地理空間數據云平臺提供的分辨率30m×30 m數據(http://www.gscloud.cn/);氣象數據來自中國氣象科學數據共享服務網的中國地面氣候資料年值數據集。

2.2 研究方法

本研究通過雄安新區生態系統服務供給、需求兩個層面識別生態源地與城鎮源地。依據雄安新區阻力評價體系,基于生態源地與城鎮源地的驅動因子,運用最小累積阻力模型,計算累積阻力及其差值,生成緩沖區。然后在阻力面的基礎上,根據成本距離分析和路徑分析,生成最小累積成本路徑,作為源地與源地之間的生態廊道。在生態廊道之間交匯處且具有生態重要的生態功能或者生態脆弱的區域,識別生態節點。綜上,運用生態源地、緩沖區、生態廊道和生態節點等要素共同構成雄安新區生態網絡。

(1)生態系統服務供給與需求評價模型

本研究生態供給評價采用生態系統服務重要性評價方法進行評價。其中,生態系統服務重要性評價包含水源涵養功能、水土保持功能、生物多樣性維護功能評價;水源涵養量計算采用水量平衡法[24],通過降水量、蒸發散量及土壤涵養能力等關系來推算,蒸散發量用等價的徑流系數來表達;水土保持量采用通用水土流失方程[25],是潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量的差值,作為生態系統水土保持功能的評價指標;生物多樣性重要性評價均采用InVEST模型[26]生境質量評估模型進行評價。

依據Villamagna等[27]學者的觀點,生態系統服務需求是指人類社會獲得的生態系統服務總量。本文依據張豆等[28]對于生態需求評價的方法,用生態稀缺度指標綜合表征生態需求程度。并考慮到通過價值法計算的生態系統服務價值(ESV,Ecosystem Service Value)由于市場機制,得出生態系統服務價值具有不確定性,因此生態稀缺度使用人均生態系統服務總量(ES,Ecosystem System)來表示,人均ES越低,生態需求越高。具體見表1：

表1 生態系統服務重要性、生態稀缺性評價方法

(2)累積百分比保護目標分級法

參考生態環境部2017年發布《生態保護紅線劃定技術指南》中,運用某一生態系統服務累積保護百分比,來界定其指標對應的柵格值,從而定量化的對生態系統服務進行分級,這種界定閾值方法比自裂法、分位法等更能突顯政府決策管理中以保護生態系統服務高值區域為目標的意愿。

具體流程為首先對生態系統服務歸一化處理,將歸一化值從高到低降序排列,計算累加服務值與累積面積百分比,為使極重要區域的功能占比最高,本文按照各生態系統服務極重要、較重要、一般重要、不重要4個等級以累積百分比為40%、70%、90%進行分級設定,使極重要區域功能占比最高,占到總量的40%;重要區域占到30%,能夠有效地保護生態系統服務高值區域,同時滿足生態保護管理的需求(見表2)。其中生態系統服務柵格值歸一化的公式為：

Y=Int(x/xmax×100)

式中,Y為歸一化后生態系統服務柵格值;x為某一生態系統服務的柵格數值;xmax為某一生態系統服務的最大值。

(3)最小累積阻力面模型[29- 30]

不同地理條件和社會經濟作用對生態源地擴張具有不同的影響。依據不同目標選擇與生態源地與城鎮源地擴張過程相關程度高的影響因子,依據各評價因子的影響程度大小采用層次分析法確定其權重,從而建立雄安新區阻力評價體系(表3)。依據阻力評價體系,將各個評價因子的原始數據進行標準化處理后對阻力進行賦值,將各評價因子進行加權求和計算,從而得到生態源地與城鎮源地擴張過程阻力面。

式中,MCR代表最小累積阻力,fmin是一個正相關的函數,評價單元對不同景觀源的阻力值取最小值,Dij為源j到匯i的距離,Ri為阻力系數。

表2 生態系統服務評估分級

依據生態源地與城鎮源地兩類擴張的最小累積阻力相減,得到最小累積阻力差值：

MCR差值=MCR生態-MCR建設

當MCR差值<0,表明生態源地比城鎮源地更容易擴張,則此柵格適宜作為生態用地;當MCR差值>0,表明城鎮源地比生態源地更容易擴張,則此柵格適宜作為建設用地;當MCR差值=0,則為從生態源地與城鎮源地的臨界線。

表3 雄安新區阻力評價體系

3 結果與分析

3.1 基于生態重要性評價的生態供給空間識別

鑒于新區生態供給最重要的服務主要是生態調節與生態休閑,本研究選用水源涵養、水土保持、生物多樣性等的生態調節服務,同時加以用規劃的綠地與濕地斑塊來表征生態休閑服務,共同識別雄安新區生態供給空間。

依據生態重要性的評價方法,得出雄安新區水源涵養、水土保持、生物多樣性維持生態系統服務評價結果(圖2)。生物多樣性維護功能極重要區域,主要分布于白洋淀區、河流濕地與林地區域;水源涵養功能極重要的區域。主要分布在白洋淀濕地水域、唐河、趙王新河以及白溝引河等河道周邊;水土保持功能極重要的區域,主要零星分布于容城以及白洋淀區。在此基礎上,補充雄安新區規劃綠地面積與白洋淀水域面積,并扣除起步區與規劃中占用的居住用地以及小于1km2的小斑塊,得到新區生態系統服務供給總面積為728 km2,主要分布在白洋淀水域、新區規劃的綠地斑塊與綠帶廊道區域以及周邊地區。

圖2 雄安新區生態系統供給評價過程與結果圖Fig.2 The evaluation process and result of ecosystem supply in Xiong′an New Area

3.2 基于生態稀缺性評價的生態需求空間識別

依據雄安新區總體規劃[1],未來建設區人口密度控制在1萬人/km2,對雄安新區現狀人口分布數據進行修正,得到雄安新區規劃人口圖(圖3)。依據水源涵養、生物多樣性維護、水土保持等生態系統服務歸一化后得到生態系統綜合服務值與雄安新區人口的比值,按照自然斷裂點進行空間分級, 得到新區生態稀缺性指數分級圖。雄安新區人均ES在不同區域人均生態系統服務有較大差異,人均ES高值區域面積為152 km2,主要分布在新區南部白洋淀輻射范圍;低值區即生態高需求區面積為166 km2,主要分布在新區東部容城縣與雄縣城區以及一些零星的農村居民點區域。

圖3 雄安新區生態需求評價過程與結果圖Fig.3 The Process and result chart of ecological demand assessment in Xiong′an New Area

圖4 雄安新區生態擴張阻力與城鎮擴張阻力圖Fig.4 The ecological expansion resistance and urban expansion resistance in Xiong′an new area

3.3 基于“源地-緩沖區-廊道-節點”的生態網絡構建與優化

基于雄安新區阻力評價體系,運用最小累積阻力模型生成雄安新區生態擴張阻力和城鎮擴張阻力(圖4)。依據生態系統服務供給區與需求區的分析,得到新區未來的生態源地主要分為水域生態源和林地生態源兩類生態源,面積總共728.12 km2。其中水域生態源是新區白洋淀濕地、水體區域,面積為343.32 km2,綠地和林地生態源是新區已有的和新規劃的森林與公園綠地等,面積為384.80 km2;在容城縣、安新縣,雄縣均有分布,部分斑塊形狀較為規整,部分較為復雜。新區的城鎮源地主要分布在容城縣與雄縣的城區居住用地,面積為166.00 km2。采用GIS分析的成本距離,以生態源地和城鎮源地分別作為成本路徑的“源”,進而生成生態源地最小累積阻力面(圖5)和城鎮源地最小累積阻力面(圖6)。

雄安新區總體規劃中,新區藍綠空間穩定在70%,城鎮用地面積占比30%,依據最小累積阻力差值結果,按照自定義比例的方法,將新區劃分為生態空間、農業空間和城鎮空間,構成新區生態安全格局分布圖。 新區需要在生態源地之間、生態源地與城鎮源地之間搭建穩定的生態廊道,提升彼此之間的連通性。依據源地與源地之間的最小累積阻力路徑,結合新區規劃綠帶與河流治理工程,共同生成新區生態廊道。得出新區生態廊道分為兩種類型,一類是河流生態廊道,由研究區內唐河、趙王新河以及白溝引河等河流水系構成;另一類是林地生態廊道,由白洋淀濕地及其灘涂周邊綠帶、重要高鐵與高速交通干線兩側、城區周邊自然或人工帶狀林地與草地等生態用地組成。同時在新區未來的建設中,要逐步完善新區河流廊道交匯點、河流廊道與城區的交匯處、交通道路與生態用地的交匯處等生態節點,是對新區生態網絡的重要補充,更加有效保障城市生態安全(圖7)。

圖5 雄安新區生態源地與最小累積阻力圖 Fig.5 The ecological source area and minimum cumulative resistance of ecological source in Xiong′an New Area

圖6 雄安新區城鎮源地與最小累積阻力圖 Fig.6 The urban source area and minicmum cumulative resistance ofurban source in Xiong′an New Area

圖7 基于“源地-廊道-節點”生態網絡構建 Fig.7 The construction of ecological network based on “source -corridor- node” in Xiong′an New Area

4 討論與結論

4.1 討論

雄安新區是一個高度城市化的城市,潛在的生態源地、生態廊道及未來生態節點的規劃,有效地保障新區未來的生態安全。通過雄安新區生態系統重要性與稀缺性的評估,識別生態系統供給和需求空間,得出新區生態源地與城鎮源地空間分布。生態源地主要分布在安新縣白洋淀區域,容城縣與雄安縣分布的公園、街頭綠地和附屬綠地等;城鎮源地分布于容城縣與雄縣的城區居住用地。因而在新區生態建設與修復中,需重點建設生態效益較高的大型生態綠地和面狀水域,保障新區充足的生態空間提供生態系統服務。

在此基礎上,依據雄安新區完善的生態網絡,新區需要建立綠地間的連接地帶、綠化隔離帶、河流水系綠帶為主的多種生態廊道,提升新區各生態源地之間的連通性;如通過人工干預的手段,增加河湖濱綠帶、道路附屬綠地、帶狀公園、防護林等。建立多功能的集中綠地、水面等生態節點,既能豐富城市生態系統,又能改善城市局部小環境,還是市民休閑活動的重要場所;如在各類生態廊道的交匯點,建設森林公園、濕地公園等。同時鑒于雄安新區規劃多條高鐵、高速等交通干線,需要建造生物涵洞來提高生態系統連通性,降低線性工程對生態系統的干擾。

綜上,本文提出城市的生態網絡包含“源地-緩沖區-廊道-節點”等多要素結構,其閉合度越大,越有利于能量、物質、信息流在網絡中循環和流通,能夠有效實現快速城市化過程中城市生態環境改善、人居環境質量提升的目標。其中,源地結構是生態網路的基礎,為城市人類提供產品供給、生態調節、生態休閑等生態系統服務,同時是城市動植物棲息地的主要來源。生態緩沖區包圍城市開發邊界,能夠有效的防止城市的無序擴張,是生態網絡的重要環節;廊道結構是整個生態網絡的關鍵,對景觀生態過程的影響很大,生態廊道結構越復雜,越有利于發揮廊道連接、分隔等作用;生態節點是生態網絡的關鍵轉折點,起著至關重要的戰略作用,脆弱的生態節點直接導致不穩定的城市生態網絡結構。

4.2 結論

城市生態網絡構建需要與生態系統供需密切關聯。基于生態系統服務供需關系,能夠更加精準的進行城市空間規劃。構建雄安新區“源地-緩沖區-廊道-節點”的多層次、多功能、點線面相結合的城市生態網絡系統,能夠有效保護整個城市生態系統、物種棲息地和重要景觀,對城市生態保護與修復方向具有指導意義。

雄安新區面對快速城鎮化與環境可持續發展的目標,可通過打造質量高的生態斑塊、連通度高的生態廊道,以及森林濕地修復工程、跨界河流治理等生態措施來共同保障雄安新區生態安全。但是雄安新區生態安全問題不僅是新區內部結構的優化,同時關系到新區生態系統服務之間的權衡以及與外部區域進行物質能量流動交互等,因此從多尺度多目標的角度,將新區內外聯通進行生態網絡構建與優化,是保障雄安新區生態安全的研究方向。