基于“退化壓力-供給狀態-修復潛力”框架的國土空間生態修復分區——以珠江三角洲為例

丹宇卓,彭 建,,*,張子墨,徐子涵,毛 祺,董建權

1 北京大學深圳研究生院城市規劃與設計學院,城市人居環境科學與技術重點實驗室,深圳 518055

2 北京大學城市與環境學院,地表過程分析與模擬教育部重點實驗室,北京 100871

隨著我國城市化進程的不斷加速,自然生態空間在人為活動干擾下,出現生物多樣性減少、自然災害增多等一系列生態環境問題,資源環境承載力下降,國土空間治理與修復勢在必行[1]。中國共產黨第十九次全國代表大會以來,國家明確要求構建國土空間開發保護制度,實施重要生態系統保護和修復重大工程,提升生態系統質量和穩定性[2]。新時代的國土空間生態修復逐漸從單點、單要素、單過程的修復轉向山、水、林、田、湖、草等全域、全要素、全過程的協同治理[3]。而實施生態系統的整體保護、系統修復、綜合治理首先要進行綜合分區,進而在生態修復綜合分區內識別重點修復空間,從而開展生態系統恢復與重建,優化綜合治理[4- 5]。國土空間生態修復分區提供了國土整治與生態修復具體工程項目布局的空間指導,是有序開展國土空間生態修復的前提基礎,有助于明確區域生態修復優先區。合理的分區方案能夠根據區域特點和主要問題進行修復模式選擇,因地制宜優化治理,明晰具體修復技術與工程管理措施[6]。

近年來,已有學者開展了國土空間生態修復分區研究,主要包括三類分區方法：構建生態安全格局、基于生態系統服務供需關系、建立綜合指標體系[7- 9]。其中,綜合指標體系法能夠直觀反映多個因子之間的大小關系與相互作用并最終指示空間分區。以往研究大都將“社會系統-生態系統”存在的沖突關系應用于國土空間分區的理論構建與方法評估,將持續增長的人類活動與快速發展的經濟指標等作為區域生態環境的壓力與脅迫[10- 11]。然而,隨著時代發展,《中共中央國務院關于全面加強生態環境保護堅決打好污染防治攻堅戰的意見》明確指出應健全生態環境保護經濟政策體系,經濟建設與生態建設間已逐漸建立起相互協調、相互促進、持續發展的關系。在當今世界,生態經濟正在成為發展潮流,即通過提升經濟活動的質量和效益,來促進生態修復和環境保護[12]。區域經濟的發展伴隨著更多的環保投資,逐漸為生態修復帶來了新的恢復潛力與治理途徑[13]。因此,國土空間生態修復需解決生態空間和社會、文化、經濟空間的沖突與融合問題。國土空間生態修復需要一并考慮城市化給生態系統帶來的壓力以及經濟發展為區域生態修復提供的可行性即修復潛力,綜合指導生態修復分區。

自1994年提出建設珠江三角洲經濟區以來,珠江三角洲地區城市化進程不斷加快,成為我國三大城市群之一[14]。2015年,世界銀行發布的報告表明珠江三角洲地區已成為世界上人口和面積最大的城市群,基礎設施建設、工業發展和城市擴張給當地的生態環境和城市建設帶來了前所未有的壓力[15]。為提升生態環境質量和穩定性,2020年1月廣東省提出把生態保護修復放在落實《粵港澳大灣區發展規劃綱要》和構建“一核一帶一區”發展新格局中進行系統謀劃,而如何識別重點修復空間、制定生態修復目標,已成為亟待解決的問題[16]。本文構建“退化壓力-供給狀態-修復潛力”框架,科學評估壓力、狀態與潛力,從而指導國土空間生態修復分區,以期為粵港澳大灣區生態環境的保護、改善與提升提供決策支持。

1 研究區與數據源

珠江三角洲地區地處珠江下游(圖1),位于廣東省東南部(21°27′—24°24′N, 111°21′—115°25′E),與香港、澳門接壤。土地總面積約54000km2,行政范圍包括廣州、深圳、佛山、中山、惠州、東莞、珠海、江門、肇慶等9個市,截至2015年底具體包括5個縣級市、7個縣、33個市轄區,以及中山、東莞兩地級市(無下轄區縣),共計528個鄉鎮(街道辦事處)。珠江三角洲終年溫暖濕潤,年均氣溫為21—22℃,降水豐沛,大部分地區為平原,海拔位于100m以下,土壤肥沃,河道縱橫。

圖1 研究區地理位置Fig.1 Location of the study area

本研究采用的土地利用數據來源于2015年全球30m分辨率地表覆蓋產品(GlobeLand30),由國家基礎地理信息中心發布(http://www.globeland30.org),分為耕地、林地、草地、水體、建設用地與未利用地等6類。人口、經濟數據來自《廣東省統計年鑒》以及中國科學院資源環境科學與數據中心(http://www.resdc.cn)。此外,用于計算生態系統服務的數據,DEM來自地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn/)；歸一化植被指數(NDVI) 采用美國航天局(NASA)提供的MOD13Q1 數據(https://www.usgs.gov/)；氣象數據源自中國氣象科學數據共享服務網(http://data.cma.gov.cn/),包括氣溫和降水數據；土壤數據來源于世界土壤數據庫(http://www.fao.org/soils-portal/soil-survey/soil-maps-and-databases/harmonied-world-soil-datebase-v12/en/)。

2 研究方法

基于對生態系統退化壓力、供給狀態、修復潛力指標的核算,進行指標z-score標準化,構建包括x軸壓力、y軸狀態、z軸潛力的三維散點圖,最終通過比較三個指標的大小組合劃分不同類型的國土空間生態修復區。

2.1 壓力

城市化指示了人類社會活動對自然生態系統的直接壓力,同時表征社會系統對于生態系統服務的需求程度[17-18]。區域生態環境問題與城市化引起的土地利用變化以及人口密集程度密切相關[19]。本文選取土地開發利用程度、人口密度兩個指標分別表征土地城市化與人口城市化水平。其中土地開發利用程度即建設用地面積占比,可以反映一定范圍內人類活動對生態系統服務供給的壓力,建設用地面積占比越大,提供生態系統服務的能力越低；人口密度可以反映生態系統服務需求的大小,人口密度越大,人類對生態系統服務需求越高,退化壓力越大。由于珠江三角洲深圳、廣州等特大城市在人口密度上帶來的顯著差異,本文采用統計學中自然對數法消除局部劇烈波動特征。

Pi=lg(POPi)×CLPi

(1)

其中,Pi代表研究單元i在生態系統所承受的壓力,POPi代表人口密度(人/km2),CLPi代表建設用地面積占比。

2.2 狀態

生態系統服務指生態系統對人類福祉的直接或間接貢獻,提供了人類生存至關重要的資源和環境基礎,為支撐經濟社會發展提供基礎保障,是評價生態系統健康與可持續性的關鍵概念和指標之一[20-21]。因此,可用生態系統服務表征自然生態系統的供給狀態。考慮到珠三角地區旅游資源豐富；人口密集,糧食生產與水資源的穩定供給可以保證生產生活的安定有序；降水豐沛集中,土壤侵蝕風險大,本文選取糧食生產、產水、固碳、土壤保持、游憩服務5種關鍵生態系統服務對生態系統狀態進行定量評估(表1)。借鑒生態重要性的評估方法[22],考慮到單一生態系統服務的不可代替性,本研究將以上五種生態系統服務評估結果歸一化后等權重疊加,得到生態系統服務供給狀態的評價指標。

表1 生態系統服務評估方法Table 1 Methods for ecosystem services assessment

2.3 潛力

為實現社會經濟與自然生態環境的協調發展,“節約資源與保護環境”被列為基本國策,中央與地方政府越來越重視在節能環保上的財政投入[29]。節能環保支出是當前政府履行生態保護、環境治理和節能減排等職能的重要手段[30]。針對經濟增長、污染減排與節能環保財政支出三者關系的研究表明,隨著地方政府節能環保財政支出規模每增加1%,污染排放將減小0.2414%,因此節能環保支出具有明顯的生態環境治理效應[31-32]。本研究計算2015年節能環保支出與土地面積的比值,即地均節能環保支出,定量表征退化生態系統恢復的潛力。由于節能環保支出僅統計到縣域,本研究進而基于1km柵格GDP數據將區縣節能環保支出指標降尺度到鄉鎮單元,即同一個縣域內,地均GDP較高的鄉鎮,政府節能環保支出的投入占比更高,修復意愿更為強烈,鄉鎮生態修復治理的可能性更大。

(2)

其中,potential為鄉鎮修復潛力指標,Ai代表2015年區縣i地均節能環保支出(萬元/km2),GDPij為區縣i鄉鎮j的GDP均值,GDPi為區縣i的GDP均值。需要說明的是,統計年鑒中未能列出部分區縣的節能環保支出數據,而有研究證實一般公共預算支出的增加會顯著增加節能環保支出[33]。本研究基于2014—2016年已知區縣的節能環保支出與該區縣一般公共預算支出的相關分析,亦表明r=0.849(P<0.001),即區縣一般公共預算支出與節能環保支出呈顯著正相關。因此,作為一種近似處理,本文將區縣一般公共預算支出占所屬市一般公共預算支出比值,作為區縣節能環保支出占所屬市總節能環保支出比值,推算該區縣節能環保支出。

3 結果分析

3.1 退化壓力空間格局

珠江三角洲已成為我國最大的城市群,但區域內部人口密度與土地開發利用程度的空間差異仍較大(圖2)。相較而言,土地開發利用程度的高值區輻射范圍更廣,占珠江三角洲土地面積42.27%的鄉鎮其土地開發利用程度已超過30%,土地開發的整體生態壓力較大。從人口密度來看,廣州市中心的荔灣區、越秀區、海珠區與天河區,深圳市中部的福田區平均人口密度超過了10000人/km2,廣州市越秀區更是高達34225人/km2,珠三角核心區人口高度聚集帶來極大的生態壓力。

圖2 珠江三角洲分鄉鎮壓力指標空間格局Fig.2 Spatial pattern of pressure indicator for each town across the Pearl River Delta

將珠江三角洲面臨的退化壓力按照自然斷點法分為五級,可以發現珠江三角洲生態系統所承受的退化壓力集中于珠江三角洲的核心區,在廣州市、深圳市、東莞市、佛山市、中山市、珠海市已形成連片的退化壓力指標高值區并逐漸向外部的肇慶市、惠州市、江門市的中心城區輻射,其中廣州市越秀區的梅花村街道承受的壓力最大。對比人口密度、土地開發利用程度與退化壓力指標的分布圖,可以看出三者分布格局大體相似,退化壓力指標與土地開發利用程度的空間格局更為類似。

3.2 供給狀態空間格局

珠江三角洲不同類型生態系統服務的空間分異格局差異明顯(圖3)。從固碳服務來看,高值區主要位于山地丘陵地區如肇慶市的大部分區域；土壤保持服務整體狀況不佳,低值區主要分布在植被覆蓋狀況較差的城市中心地帶；糧食生產的高值區位于珠江三角洲的西南部、東北部等耕地較多的地區；產水服務高值區位于廣佛都市圈交界地帶,此外珠江口兩岸多為水系匯集區,產水量也較高；游憩服務的高值區主要位于肇慶市,惠州市東部與江門市西部,低值區則基本位于珠江三角洲的核心地帶。

圖3 珠江三角洲分鄉鎮狀態指標空間格局Fig.3 Spatial patterns of state indicator for each town across the Pearl River Delta

將珠江三角洲生態系統服務供給狀態按照自然斷點法分為五級,供給狀態指標的空間分布差異較大,且低值區向高值區自然過渡不明顯。其中,低值區主要位于深圳市西部,中山市與珠海市的南部,快速的城市化進程顯著破壞了自然生態本底；高值區包括肇慶市的懷集縣與廣寧縣,廣州市的從化區與惠州市的西北部,這些區域大多位于珠江三角洲北部,生態基底條件好、生態功能穩定,是珠江三角洲的重要生態屏障。

3.3 修復潛力空間格局

由于珠江三角洲各市的經濟發展水平以及對于生態文明建設的重視程度差異較大,導致不同區縣地均節能環保支出差異較大(圖4)。從各區縣來看,深圳市的羅湖區與福田區地均節能環保支出均超過了1000萬元/km2,分別為1105.34萬元/km2與1662.92萬元/km2；而地均節能環保支出最少的區縣為肇慶市封開縣,僅為1.62萬元/km2。另一方面,從地均GDP分布格局來看,廣州市的天河區、海珠區與越秀區是地均GDP高值區,與其他地區存在顯著差異。對于鄉鎮修復潛力指標,在珠江三角洲地區呈現四周低中間高的空間分布格局。高值區主要位于高度發達的城市地區,如深圳市、東莞市的西部以及廣州市的中心城區,而珠江三角洲的外圍城市如西北部的肇慶市、東北部的惠州市與西南部的江門市大都處于潛力指標的低值區,政府對于節能環保支出的投入相對較少。

圖4 珠江三角洲分鄉鎮潛力指標空間格局Fig.4 Spatial patterns of potential indicator for each town across the Pearl River Delta

3.4 國土空間生態修復分區

對生態系統的退化壓力、供給狀態與修復潛力指標進行z-score標準化,根據標準化后的結果分析珠江三角洲各個鄉鎮的供給狀態、退化壓力以及修復潛力組合特征,可以將珠江三角洲劃分為五大類型區(圖5)：

(1)生態自主保護區(壓力指標<0,狀態指標>0,潛力指標>0)。僅占珠江三角洲土地總面積的0.73%,主要位于深圳市羅湖區的東部——大鵬半島與鹽田區。雖位于高度城市化的深圳市,該區通過大量環保資金的投入及城市擴張的政策約束打造成為城市功能核心區的生態腹地,有著較高的生態環境基底質量與提升潛力,是珠江三角洲生態環境保護的示范區。因此,該區應該積極發揮良好的經濟與生態優勢,堅持保護生態環境,發揮珠江三角洲生態文明建設示范標桿作用,通過環保資金與修復技術的輸出橫向促進跨區域之間的協同保護與發展。

(2)生態優先保護區(壓力指標<0,狀態指標>0,潛力指標<0)。占珠江三角洲土地總面積的73.66%,集中分布于西北部的肇慶市,東部的惠州市以及西南部的江門市。該區多位于山地丘陵地帶,自然生態基底條件優越,森林覆蓋率高,人口密度較低,城市化進程相對不高。作為珠江三角洲地區的生態源地,需要加強自然保護區的網絡化建設和管護,注重發揮生態系統服務供給能力的提升。

(3)生態自主修復區(壓力指標>0,狀態指標<0,潛力指標>0)。僅占珠江三角洲土地面積的3.24%,主要位于深圳市的寶安區、南山區與福田區,廣州市的中心城區以及佛山市的禪城區。該區城市化水平較高,自然生態本底狀況較差,城市化進程給自然生態環境帶來的壓力較大,但用于生態修復的地均節能環保支出較高,能夠通過區域的財政撥款實施自主修復。因此,該區應堅持生態保護修復政策并維持或加大環境治理的投資力度,持續將城市化對自然生態空間的影響從退化壓力轉為修復潛力。

(4)生態優先修復區(壓力指標>0,狀態指標<0,潛力指標<0)。占珠江三角洲土地總面積的9.39%,主要位于廣佛都市圈的交界地帶,東莞市的大部分區域,以及珠海市、中山市的中心城區。該區城市化水平較高,自然生態本底狀況較差,且地均節能環保支出較低,生態環境有進一步惡化的風險。因此,該區在加強各地生態空間建設的同時,應統籌使用上級政府的專項撥款,強化區際橫向聯合治理,從而有效修復受損生態系統,在保護中促發展。

(5)生態治理調控區(壓力指標<0,狀態指標<0,潛力指標<0)。占珠江三角洲土地總面積的12.98%,主要位于廣州市的南沙區,佛山市、中山市與珠海市的非中心城區。該區地形平坦但自然生態本底條件較差,同時相較于其他地區人口密度、城市化水平相對較低,有必要在資源環境承載能力范圍內,踐行生態經濟理念,積極發展生態旅游,在促進區域經濟發展的同時加大生態環境保護力度。

4 討論

為厘清自然地理因子對于國土空間生態修復分區的影響,統計了不同分區的自然地理因子如年均溫、年降水量與平均高程(圖6)。可以發現,在三大自然地理因子中,氣溫在不同類型區中的差異最小,幾乎可以忽略；高程差異最大,集中體現為生態保護區與修復區、治理區之間的差異。從分區對比來看,生態自主保護區的氣溫與降水相較于其他分區較小,高程較高,屬低山丘陵海濱地貌,生態環境較好；生態優先保護區地勢顯著高于其他地區,多為山區地貌,自然環境較為良好,但不適合人類居住,城市化對于自然本底的壓力較低。生態自主修復區、生態優先修復區與生態治理調控區自然地理因子指標大小相似,地勢較低,適合人類居住,但由于區域內部社會發展的不同導致壓力與潛力指標產生差異。其中,生態治理調控區相較于其他兩個分區城市化進程相對滯后,壓力與潛力指標均相對較小；而生態優先修復區與生態自主修復區的城市化進程較快,但對于節能環保的財政投資不同導致內部潛力指標的差異。

圖6 國土空間生態修復分區自然地理因子對比Fig.6 Comparison of natural geographical factors among the territorial ecological restoration zones

對于國土空間生態修復而言,除了明確修復的目標與重點區域,明晰修復的路徑與方向也尤為重要。如何通過跨區域聯合治理政策或專項修復工程因地制宜的進行生態環境的修復治理,針對性的提高資源利用效率和生態保護效果,促進形成安全、和諧和可持續發展的國土空間也是未來研究的重點之一[34]。此外,基于生態系統的“退化壓力-供給狀態-修復潛力”框架,本研究雖然能夠綜合考慮城市化與生態系統之間的相互對立、相互促進的矛盾統一關系,有效劃分國土空間生態修復類型區,但受限于數據可得性,只利用區縣地均節能環保支出疊加GDP柵格數據構建鄉鎮修復潛力指標,難以全面表征生態修復的可能性；未來研究可以增加指標的多樣性,例如中央財政補貼或者地方生態修復工程財政補助資金撥付,綜合厘定生態修復潛力。

5 結論

本研究以珠江三角洲地區為例,提出基于“退化壓力-供給狀態-修復潛力”框架,開展國土空間生態修復分區,將珠江三角洲劃分為五類：生態優先修復區在強化生態空間建設的同時應通過政府的專項撥款或者區域之間聯合治理,修復受損生態系統；生態治理調控區有必要在資源環境承載能力范圍內,促進區域經濟發展的同時加大生態環境保護力度；生態自主修復區應堅持地區生態保護修復政策、維持環境治理投資力度,持續轉變城市化生態退化壓力為生態修復潛力；生態優先保護區應強化網絡化生態建設,保障生態系統服務向周邊區域的持續輸送；生態自主保護區可以通過環保資金與修復技術的輸出幫助周邊地區的協同保護與發展。