全球四大灣區生態環境綜合評價研究

蔡文博,韓寶龍,逯 非,冼超凡,歐陽志云

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

粵港澳大灣區與東京灣區、舊金山灣區和紐約灣區并稱為世界四大灣區[1- 2],其中粵港澳大灣區是我國城鎮化水平最高的城市群區域,也是四大灣區中最“年輕”的地區。粵港澳大灣區作為我國國家區域發展戰略地,是我國建設世界級城市群和參與全球競爭的重要空間載體[3- 4]。粵港澳大灣區城鎮化速度快、人口集聚水平高,人與自然的矛盾也十分突出[5- 8],尤其是近年來,粵港澳大灣區快速發展帶來的生境破碎、大氣污染等生態環境問題逐步暴露[9- 13]。隨著生態文明建設的深入推進,生態修復亟待開展[14- 15],處理好“發展”與“保護”的關系成為粵港澳大灣區高質量發展的關鍵,需要科學地評價灣區的生態、環境質量與資源利用效率。舊金山灣區、紐約灣區和東京灣區發展較早,在生態環境治理取得了相對成熟的經驗[14,16- 17]。通過對比世界四大灣區在生態環境治理、資源利用等方面的現狀和趨勢,研究這些發達灣區的發展經驗,對于引導粵港澳大灣區可持續發展至關重要。

目前全球灣區的比較研究,以社會經濟領域居多[3- 4,18- 21],包括經濟發展[20]、科技創新[22]和人才培養[4]等多個方面；而生態環境方面的比較較少[2,14],部分學者從生態系統格局變化[2]、環境保護政策[23]方面進行了定性分析,但缺乏定量指標的評價。主要原因是由于國內外生態與環境數據統計口徑不一、收集難度較大,難以建立統一的定量評價體系。

為了建立適合全球灣區比較的生態環境綜合評價體系,本研究遍歷國內外主要統計數據,利用美國宇航局全球衛星產品和歐洲宇航局全球土地利用產品等數據,建立2005—2015四大灣區生態與環境綜合數據評價數據庫；圍繞生態質量、環境質量和資源利用效率三方面建立指標體系,構建灣區生態環境綜合評價指數。通過對比,識別粵港澳大灣區相較其他發達灣區的優勢和和短板,為粵港澳大灣區可持續發展提供科學支持。

1 研究方法

1.1 研究區概況

粵港澳大灣區位于珠三角地區,由我國香港、澳門兩個特別行政區和廣東省廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門、肇慶(珠三角)九個地級市組成。中部是平原, 四周是山地、丘陵和島嶼；屬于亞熱帶氣候,氣候溫和,雨量充沛,日照時間長。舊金山灣區是美國西海岸加利福尼亞州北部的一個大都會區,主要包括舊金山半島上的舊金山、東部的奧克蘭和南部的圣何塞；可分為東灣、北灣、半島和南灣四大片區；大多是丘陵地帶；位于地中海式氣候帶上,有濕潤溫和的冬季和干旱的夏季；降雨方面,有著分明的干濕季[13,20]。紐約灣區是美國東海岸地跨紐約州和新澤西州的大都會區,位于美國東北部太平洋沿岸平原,平地比較多,海拔比較低,屬于北溫帶,四季分明,雨水充沛,氣候宜人；夏季平均氣溫23℃,冬季1℃。水資源豐富,灣區周圍有哈德遜河、東河、哈林河等河流分布[25- 27]。東京灣區位于日本本州島中部太平洋海岸,主要包括東京都、崎玉縣、千葉縣、神奈川縣；地形主要有河岸平原和海岸平原,還有少量的臺地、低地、濕地和丘陵的分布；發源于北方的西方河川廣泛分布在灣區各地；氣候溫和,降水豐沛,初夏有雨,夏秋多臺風[28]。

粵港澳大灣區范圍采用廣東9市與香港、澳門；紐約灣區的范圍采用美國國家統計局的統計范圍(Metropolitan Statistical Area)；舊金山灣區采用灣區美國官方統計范圍；東京灣區采用一都三縣的邊界范圍。四大灣區的面積根據歐洲宇航局2015年土地利用遙感影像解譯得(表1)。

表1 全球四大灣區概況Table 1 Overview of four global bay areas

在氣候帶上,四大灣區處于兩個梯度,舊金山灣區(地中海氣候)和紐約灣區(溫帶大陸性氣候)位于溫帶,東京灣區和粵港澳大灣區北部地區(溫帶季風氣候)位于亞熱帶。由于區位的不同,導致從北到南,四大灣區的溫度和降雨量大致呈現隨緯度的降低逐步升高的趨勢。其中,大灣區跨亞熱帶和熱帶,雨量充足,溫度常年較高。

在經濟發展水平上,全球主要的灣區也處于不同的發展水平。從2015年人均GDP來看,舊金山灣區和紐約灣區分別為63.75萬元(人民幣)和49.00萬元(人民幣),東京灣區和粵港澳大灣區分別為32.33萬元(人民幣)和15.05萬元(人民幣)。

1.2 數據庫構建

從社會經濟、自然遙感和資源利用三方面,綜合美國、日本和我國統計與全球衛星遙感產品多源數據,建立全球四大灣區社會—經濟—自然數據庫(表1和表2)。

表2 全球四大灣區自然-社會-經濟綜合數據庫Table 2 Socio-economic-natural database of the four global bay areas

由于數據獲得性年份不一,為保證數據年份統一和比較的代表性,根據數據可獲得性(如美國用水縣級調查五年一次,最新為2015年)和灣區的社會經濟發展階段(2005—2015年為大灣區快速高速發展期),選取2005和2015年兩個時間節點進行對比。

其中,全球土地利用數據獲取自歐洲宇航局全球衛星產品,分辨率為300 m,時間為2005和2015年。總初級生產力(GPP)和 PM2.5數據由美國宇航局全球衛星產品獲得,分辨率為500 m。粵港澳大灣區的土地利用數據及其環境遙感數據與其他灣區一致。

1.3 指標體系建立

本研究的全球灣區生態與環境綜合評價指標體系包含3個方面(表3)：生態質量、環境質量和資源利用效率。其中,生態質量和環境質量指標可反映灣區的生態系統健康,資源利用效率指標可反映灣區的資源利用可持續性,以上三方面指標均反映了灣區可持續發展的重要基礎。

表3 灣區生態與環境綜合評價指標體系Table 3 Comprehensive evaluation system of the eco-environment in the four global bay areas

在此三方面指標分指標確立和計算方面,研究克服了阻礙四大灣區國際生態環境綜合比較中的多項問題：一方面,尋找四大灣區生態、環境和資源利用共同監測或統計的指標有難度,有些國內常用指標國外并不使用,需要通過指標計算和單位換算,例如,資源利用的三項分指標；另一方面,共同監測或統計指標的統計年限不一,某些指標國內監測晚于國外,需要重新選取或統一數據充分的年份比較。

經過生態與環境方面專家的討論與咨詢,選取生態質量的2項指標、環境質量3項指標和資源利用的3項指標,篩選指標的原則是：

(1)每項指標的分指標指示內容不同,同類指標不重復選取：生態質量兩項分指標分別指示生態系統面積和質量；環境質量三項分指標分別指示空氣和水的質量,其中PM2.5和NO2雖同為空氣質量指標,但是PM2.5與空氣顆粒物相關,而NO2與能源消耗密切相關；資源利用效率三項分指標分別指示用水、用地和用能三方面。

(2)在同類指標中選取同時滿足內地與港澳和國際通用的生態環境指標,例如,PM2.5是全球常用城市環境測度指標之一,對于空氣質量具有代表性和通用性；

(3)選取內地與港澳和其他國家灣區可獲得性高或計算簡易的指標,例如,單位GDP建設用地采用易于獲取的城市GDP和全球免費衛星產品數據計算。

生態質量的2項指標、環境質量3項指標和資源利用的3項指標,由以下表3中方法直接或計算獲得。表3指標獲取和計算方法中,需要指出：生態質量指標中,綠林地的GPP,由ArcGIS平臺處理的土地利用產品數據[35]的綠林地范圍,截取GPP衛星產品數據[36]統計獲得。綠林地的GPP指標計算為相對量,計算方法參見表3。針對生態質量指標中的綠林地GPP指標,為了減少不同緯度帶綠林地GPP差異的影響,研究采用GPP(均值)‘四個灣區分別的綠林地GPP平均值′與GPP(10%)‘前10%的綠林地GPP高值′的比值,根據公式1計算GPP(相對量):

(1)

式中,各灣區前10%的綠林地GPP高值區的生態系統類型是森林；2015年四大灣區前10%的綠林地GPP值為舊金山灣區(666.0 g/m2)>粵港澳大灣區(630.9 g/m2)>東京灣區(527.4 g/m2) >紐約灣區(468.9 g/m2)；2005年四大灣區前10%的綠林地GPP值為舊金山灣區(715.5 g/m2)>粵港澳大灣區(596.7 g/m2)>紐約灣區(504.9 g/m2)東京灣區(451.8 g/m2)。

環境質量指標中, NO2(μg/m3)指標使用深圳、廣州和香港指代粵港澳大灣區,紐約、舊金山和東京都的值分別指代紐約灣區,舊金山灣區和東京灣區。海灣水質使用珠江口、紐約灣、舊金山灣,東京灣無機氮濃度值指代,其中根據中國近岸海域生態環境質量公報珠江口水質主要為四類和劣四類,采用海水水質標準GB—3097—1997無機氮四類底線值(0.5 mg/L),紐約灣、舊金山灣,東京灣無機氮濃度值來源參照表2。資源利用指標中,萬元GDP能耗采用美國能源信息部州級能耗數據(表3)測算金山灣區和紐約灣區。其中,美國加州分為以舊金山市為中心的北加州和以洛杉磯市為中心的南加州兩大區域,舊金山灣區作為北加州重鎮,采用加州總能耗的1/2指代舊金山灣區的總能耗。紐約灣區地跨紐約州和新澤西州,兩個州的能耗平均值指代舊金山灣區的總能耗。美國能耗單位1btu=1055.06 J[49],以及日本能耗單位 kJ,根據我國能耗標準轉換為標準煤(1千克標準煤=29271 kJ[50])。其中,GPP計算柵格平均量(Mean)；PM2.5計算柵格平均量；為了表示結果的不確定性,柵格平均量(Mean)計算標準差,顯示內部差異。2015年,四大灣區綠林地GPP標準差分別為舊金山灣區(120.15)>粵港澳大灣區(113.64)>東京灣區(73.79)>紐約灣區(46.89)；四大灣區PM2.5標準差分別為粵港澳大灣區(3.67)>舊金山灣區(2.79)>紐約灣區(1.38)>東京灣區(1.59)。

1.4 生態環境綜合評價指數構建

首先,將表4中9個分指標方向統一調整為正向,指數越高代表正面評價越高：正向指標綠地比例和綠林地GPP均量方向不變,負向指標PM2.5調整為“1/PM2.5”, NO2調整為“1/NO2”,海灣水質調整為“1/海灣水質”,萬元GDP用水量調整為“單位用水GDP”,單位GDP建設用地調整為“單位用地GDP”,單位GDP能耗調整為“單位用能GDP”。

其次,并對表4中調整為正向后的生態質量的2個分指標,環境的3個分指標和和資源利用的3個分指標,進行四個灣區指標數值加總后,分別除以總值,轉換值到(0—1)之間(公式2)。

En=Xn/((An+Bn+Cn+Dn))

(2)

式中,En代表每類轉換為(0—1)之間的第n個分指標,An、Bn、Cn和Dn分別代表粵港澳大灣區、紐約灣區、舊金山灣區和東京灣區的第n項分指標,Xn代表An、Bn、Cn或Dn中的一項。

接著,使用幾何平均法,對生態質量、環境質量和資源利用效率的三大類指標內部分指標進行等權重疊加,構建生態質量、環境質量和資源利用效率三大指數。

(3)

式中,G是三類指標內部分指標的幾何平均值,En代表每類轉換值(0—1)的第n個分指標。最后,對三大類指標進行等權重疊加,構建灣區生態與環境綜合評價指數。G是灣區生態與環境綜合評價指數,采用生態質量、環境質量和資源利用效率3個分指數數值的幾何平均值表征。

結果中,使用2005—2015年分指標和總指標的變化率：如果變化率為正,說明這項指標正增長；如果變化率為負,說明這項指標負增長；如果變化率為零,說明這項指標保持不變。

2 結果

2.1 生態質量指數對比

2015年,四個大灣區的生態質量指數排序為：紐約灣區>舊金山灣區>粵港澳大灣區>東京灣區(圖1)。各分指標中,綠林地比例指數排序為,舊金山灣區>粵港澳大灣區>紐約灣區>東京灣區(圖1),說明總綠林地比例舊金山灣區和粵港澳大灣區較高。同時,人均綠林地面積中,舊金山灣區>紐約灣區>粵港澳大灣區>東京灣區,首位舊金山灣區是粵港澳大灣區的3.41倍。綠林地GPP指數方面,紐約灣區>東京灣區>粵港澳大灣區>舊金山灣區,說明粵港澳大灣區與發達國家灣區存在差距。

圖1 2015全球四大灣區生態環境評價分指標對比Fig.1 Evaluation Secondary Indexes of the Eco-environment in the Four Global Bay Areas in 2015

其中,綠林地比例指數差距較大(圖2)：粵港澳大灣區(35.32%)>東京灣區(12.71%)>舊金山灣區(-9.43%)>紐約灣區(-21.56%)；綠林地GPP指數,紐約灣區(7.98%)>東京灣區(4.21%)>粵港澳大灣區(3.65%)>舊金山灣區(-17.40%)。

2005—2015年間,四大灣區生態質量指數變化不同(圖2)：港澳大灣區(8.40%)>紐約灣區(1.26%)>東京灣區(0.81%)>舊金山灣區(-9.70%)。

圖2 2005和2015全球四大灣區生態環境評價分指標對比Fig.2 Comparison of Evaluation Secondary Indexes of the Eco-environment in the Four Global Bay Areas in 2005 and 2015

2.2 環境質量指數對比

2015年,舊金山灣區>東京灣區>紐約灣區>粵港澳大灣區(圖1)。其中,舊金山灣區是粵港澳大灣區的3.09倍。1/PM2.5指數,舊金山灣區>紐約灣區>東京灣區>粵港澳大灣區(圖1),粵港澳大灣區與發達國家灣區的差距較大。從標準差看,粵港澳大灣區的柵格平均PM2.5的變異性最大,為3.67,是紐約灣區的2.67倍,東京灣區的2.31倍,舊金山灣區的1.32倍。1/海灣水質指數中,舊金山灣區>東京灣區>紐約灣區>粵港澳大灣區(圖1)。珠江口水質與發達灣區差距很大,舊金山灣和東京灣分別達到我國海洋水質標準的一類,紐約灣區達到二類,而珠江口為劣四類。

2005—2015年間,四大灣區環境質量指數變化幅度不一(圖2),紐約灣區增幅最高,舊金山灣區降幅最高,紐約灣區(15.64%)>東京灣區(5.99%)>粵港澳大灣區(1.31%)>舊金山灣區(-11.33%)。其中,1/PM2.5指數,紐約灣區(22.32%)>粵港澳大灣區(13.90%)>東京灣區(-1.15%)>舊金山灣區(-15.82%)；1/NO2指數,東京灣區(6.91%)>紐約灣區(6.26%)>粵港澳大灣區(0.10%)>舊金山灣區(-2.71%)；1/海灣水質指數,紐約灣區(18.97%)>東京灣區(12.67%)>粵港澳大灣區(-8.79%)>舊金山灣區(-14.87%)。

2.3 資源利用效率指數對比

2015年,東京灣區>舊金山灣區>紐約灣區>粵港澳大灣區(圖1),東京灣區總體指數最高,是粵港澳大灣區的5.5倍。單位用水GDP,東京灣區>粵港澳大灣區>舊金山灣區>紐約灣區,東京灣區用水效率最高,是粵港澳大灣區的4.06倍。單位用地GDP,舊金山灣區>東京灣區>粵港澳大灣區>紐約灣區,舊金山灣區用地效率最高,是粵港澳大灣區的1.55倍。單位用能GDP,東京灣區>紐約灣區>舊金山灣區>粵港澳大灣區,粵港澳大灣區與三個發達國家灣區的差距都較大。

2005—2015年,四大灣區資源利用效率指數變化中(圖2),粵港澳大灣區總體增幅最大,粵港澳大灣區(53.12%)>舊金山灣區(32.84%)>紐約灣區(3.59%)>東京灣區(-10.55%)。其中,單位用水GDP,粵港澳大灣區增幅最大,舊金山灣區(115.19%)>粵港澳大灣區(102.40%)>紐約灣區(52.39%)>東京灣區(-18.17%)；單位用地GDP,粵港澳大灣區增幅最大,粵港澳大灣區(63.17%)>舊金山灣區(14.16%)>東京灣區(-18.95%)>紐約灣區(-19.02%)；單位用能GDP, 舊金山灣區增幅最大,舊金山灣區(6.41%)>東京灣區(4.90%)>粵港澳大灣區(2.37%)>紐約灣區(-6.92%)。

2.4 綜合指數對比

對比可見(圖1),舊金山灣區和紐約灣區的優勢在生態質量和環境質量,特別是環境質量,短板在資源利用效率。東京灣區在資源利用效率方面優勢明顯,短板在生態質量。粵港澳大灣區與其他三個灣區相比,三個方面都有一定差距。

2015年,東京灣區>舊金山灣區>紐約灣區>粵港澳大灣區,整體上粵港澳大灣區與發達國家灣區都有一定差距。從三大方面看,生態質量,紐約灣區>舊金山灣區>粵港澳大灣區>東京灣區；環境質量,舊金山灣區>東京灣區>紐約灣區>粵港澳大灣區；資源利用效率,東京灣區>舊金山灣區>紐約灣區>粵港澳大灣區。

2005—2015年,四大灣區綜合指數都有增幅,粵港澳大灣區綜合指數增幅最大,粵港澳大灣區(23.92%)>舊金山灣區(3.52%)>紐約灣區(2.15%)>東京灣區(-2.41%)(圖3)。其中,生態質量指數增幅,粵港澳大灣區>紐約灣區>東京灣區>舊金山灣區；環境質量指數增幅,紐約灣區>東京灣區>粵港澳大灣區>舊金山灣區；資源利用效率指數增幅,粵港澳大灣區>舊金山灣區>紐約灣區>東京灣區(圖3)。粵港澳大灣區在生態質量和資源利用效率兩項增幅最大。

圖3 2005和2015年全球四大灣區生態環境綜合指標對比Fig.3 Comparison of comprehensive evaluation of the eco-environment in the four global bay areas in 2005 and 2015

3 討論與結論

3.1 灣區生態環境治理與發展

二戰之后的美日灣區經歷過類似粵港澳大灣區早期以生態環境為代價的經濟發展階段,在磨礪中積累了灣區生態環境治理與發展經驗：二戰之后,東京灣區生產大規模的擴張造成了較為嚴重的工業污染,繼而引發了大氣污染、水污染等一系列環境問題；針對環境污染,東京灣區制定了有針對性標準體系、積極推動環保技術發展、調整產業結構等措施[51- 53]。同一時期,伴隨城市擴展和經濟發展,舊金山灣區出現大氣污染、水體污染和濕地減少等生態環境問題,為此舊金山灣區嚴格的環保監管以及綠色低碳發展等措施[17,54]。紐約灣也曾出現過濕地面積減少和大氣污染等嚴重的生態環境問題,為此推出了立法、提高清潔能源比例和濕地保護建設等多項措施改善生態環境質量。現階段,粵港澳大灣區亟需在認識差距的同時,利用后發優勢取長補短,汲取發達國家灣區的經驗和教訓。

3.2 粵港澳大灣區生態空間喪失明顯,應加強生態空間保護,降低生態功能衰退風險

生態質量方面,紐約灣區>舊金山灣區>粵港澳大灣區>東京灣區。大灣區僅高于東京灣區,需要避免建設用地擴張導致對生態系統結構及其功能的負面影響,避免生態質量的下降風險[26]。2005—2015年間,城鎮用地增幅中,粵港澳大灣區(34.27%)>東京灣區(25.10%)>紐約灣區(10.03%)>舊金山灣區(6.43%),粵港澳大灣區增幅最大；同時,森林面積變化中,紐約灣區(-4.59%)>粵港澳大灣區(-3.84%)>東京灣區(-1.52%)>舊金山灣區(-0.68%),粵港澳大灣區降幅排第二位,需要警惕用地擴張導致對自然生態系統結構及其功能的負面影響。美國灣區的生態質量控制值得粵港澳大灣區借鑒：以舊金山灣區為例,舊金山灣區是國際公認的生態宜居灣區之一[55],完善的濕地分級保護體系和公園保護地體系是其生態質量控制良好的主因之一[24,56]。

3.3 粵港澳大灣區生境質量較高,但環境質量偏差,污染治理應是當前主要工作

環境質量方面,舊金山灣區>東京灣區>紐約灣區>粵港澳大灣區,粵港澳大灣區與發達國家灣區都有一定差距,需要吸取發達國家灣區環境質量控制經驗和技術。例如,舊金山灣區重視科研對環境治理的支持[21,55]：在大氣治理方面,加利福尼亞州空氣資源委員會,積極研發了較為成熟的各種污染源減排技術,先進的機動車排放控制技術等；同時,委員會設有專門的科研部門和健康風險評估小組,負責對污染物質可能造成的風險進行評估,為進一步研究并降低灣區污染暴露提供重要支撐。此外,東京灣區的先進環保技術值得借鑒：大力發展液化天然氣海運,推廣無鉛汽油和三元催化器的使用,都對東京灣區空氣質量控制起到良好作用；另外,東京灣區的地表水監測項目眾多,并根據情況變化及時調整更新污染物質控制標準,對水污染控制行之有效[46]。

3.4 粵港澳大灣區資源利用效率低,應多管齊下,提升用水用能效率

資源利用方面,東京灣區>舊金山灣區>紐約灣區>粵港澳大灣區,同時2005—2015年間,粵港澳大灣區的人口和GDP增長在四大灣區中都占據首位(表1),隨之帶來的資源的需求也迅速增長。然而,資源利用效率方面,粵港澳大灣區與發達國家灣區都有一定差距,與東京灣區的差距最大,需要借鑒發達國家灣區高新技術。其中,用水效率,與東京灣區差距較大,可借鑒日本的水資源利用技術和節水教育理念[17,23]：東京都政府通過推廣再生水循環系統來節約用水,同時還改革了給水、排水系統,采用“上、中、下”三水道的供水來節水,大大提升了用水效率。用地效率,與舊金山灣區和東京灣區有差距,可借鑒其嚴格的土地管理政策。用能效率,與發達國家灣區的差距較大,需要轉變產業結構,借鑒清潔能源技術。建議借鑒能源技術,建設低碳城市[18]：舊金山灣區通過電力和太陽能清潔能源使用建設低碳城市[19]。為實現大灣區的低碳能源轉型和減排,應優先考慮能源系統優化,使清潔能源和可再生能源的發電組合多樣化,進行新能源項目投資[57]。