沿海高密度城市國土空間生態修復關鍵區域識別方法
——以澳門特別行政區為例

王佳煜 陳天

識別國土空間生態修復關鍵區域并辨析城市適宜發展區域，是建構生態健康的國土空間體系、提升國土空間開發利用效率的重要途徑，對貫徹生態文明建設具有重要意義。精準識別國土空間生態修復區域，首先需要在技術上構建一套生態修復區域的評價標準。既往研究多關注景觀生態學理論垂直疊加與水平生態過程的空間分析[1]，對國土空間生態修復的研究內容集中于土地功能[2]、生態安全格局[3]、流域生態價值[4]等特定方面；在研究方法上，生態系統服務（ecosystem services, ESs）雖已介入生態修復區域識別領域，但僅停留在借助其技術手段構建生態源地的初級階段；在研究結果上，多根據ESs價值測算結果定性提出生態修復策略，尚無研究從生態系統的復雜性視角出發，度量同一類型用地表達的生態功能多樣性及差異性，進而探索生態保護與城市發展雙贏目標下劃分國土空間修復關鍵區域的技術方法。

ESs是聯結生態系統與人工環境的橋梁，能夠作為突破上述研究限制的切入點。從宏觀角度來看，ESs指人類直接或間接從生態系統中獲得的各種益處[5]；從生態系統-城市環境的耦合關系來看，建設用地的擴張不斷蠶食生態廊道，自然資源的高度保護又致使城市用地碎片化、松散化，其相互作用的本質與ESs的概念內涵不謀而合[6]。因此，將傳統生態修復關鍵區域識別方法與ESs相結合，在理念上借鑒了生態城市規劃的發展思想；在空間上有助于精準劃定生態修復關鍵區域，形成國土空間規劃體系下的生態環境與城市形態耦合格局；在實施上積極響應城市集約發展的訴求，促進生態效益與社會效益系統發展雙贏。

基于此，本研究擬引介ESs理念中生態-城市互饋作用機制，著重解決“如何將ESs嵌入傳統國土空間生態修復關鍵區域劃定理念與技術方法”這一關鍵問題，創新性地納入ESs多層級服務并耦合生態修復成本（cost of ecological restoration, CER），可以更好地實現生態修復關鍵區域識別精準化與實施修復效益最大化。同時，本研究基于《澳門特別行政區城市總體規劃（2020—2040）》（以下簡稱《規劃》）提出的“持續推動綠色低碳及可持續的城市發展目標”，旨在提升沿海高密度城市生態環境修復與城市建設效率。

1 研究數據與數據來源

1.1 案例背景及研究區域

澳門特別行政區（以下簡稱澳門）是世界上人口最密集的地區之一。1999年澳門回歸后，人口數量以年均近4%的幅度快速增長，人口和資本向土地資源有限的城市快速聚集。澳門作為中國“一國兩制”方針的范本和世界旅游休閑中心，城市化率已達100%，但同時也面臨著嚴峻的城市問題。

1.1.1 海陸空間割裂——海洋系統與陸域系統的矛盾

2009年11月國務院正式批復同意澳門特區政府填海造陸約361.65 hm2，建設澳門新城區。至2018年，澳門特區土地面積由1912年的11.6 km2增長到32.8 km2，海岸線長度自2000年的41 km增長至76.7 km[7]。大規模圍填海工程建設激化了海陸生態系統的矛盾，威脅著濱海地區的可持續發展。

1.1.2 空間赤字嚴重——土地資源與城市發展的矛盾

澳門是高密度填海造陸城市發展的典型代表。時至今日，澳門填海面積已超過最初的總用地面積，填海活動盛行導致人口總量快速上升且分布不均。人口密度由2011年的1.84萬人/km2上升至2015年的2.11萬人/km2，澳門半島僅占據全澳門30.7%的土地，卻集中了超過80.6%的人口。高密度建設模式引發的一系列微氣候失衡、高溫、熱島效應等氣候問題[8]，已成為制約城市發展與宜居城市塑造的主要阻力。

1.1.3 生態監管缺失——生態系統與建設活動的矛盾

長期以來，中國城市建設活動都以人工環境為主導，自然環境僅作為建設活動前期勘測的一項考察依據，后期則被迫淪為填充城市發展空白的破碎景觀資源。澳門城市建設發展迅猛，但綠地資源并未隨之同步增長，人均綠地面積由2011年的15.5 m2下降至2014年的14 m2[9]。尤其在澳門半島等人類活動較頻繁的空間，由于極高的建筑密度與豐厚的城市歷史文脈，只能采用見縫插針式的綠地布局，導致城市景觀破碎化程度日益加劇，對整體景觀生態安全格局造成負面影響。

1.1.4 規劃理性不足——城市形態與規劃結構的矛盾

澳門城市建設格局關注綠地景觀的結構性塑造，但強制性劃分綠地空間作為其他用地的補充與細化的做法，違背了生態物質信息流動的自然規律。如位于路環島的大潭山與小潭山，在規劃時未能考慮山體之間的景觀廊道聯系，導致城市建設用地擴張，不斷蠶食山體間珍貴的生態與文脈聯系，逐漸成為被建筑包圍、缺少聯系的孤山[10]。

澳門低生態約束的中、高速擴張模式與脆弱敏感的環境本底間的現實矛盾突出，以此作為研究對象具有一定代表性與研究意義。根據澳門城市規劃目標以及填海造陸工程放緩等驅動影響，預計至2030年城市空間發展仍將高位運行。因此，模擬城市擴張發展趨勢并識別國土空間生態修復關鍵區域，將有助于實現生態空間結構的剛性保護與存量自然資源的彈性釋放[6]。

1.2 數據來源

研究范圍限定在澳門半島、氹仔島、路環島、路氹填海區以及橫琴島澳門大學新校區，研究依據澳門地圖繪制暨地籍局、建設發展辦公室提供的2019年10月18日Landsat TM/ETM影像（分辨率為30 m×30 m）、研究行政界線空間數據、地理空間特征及數字高程（digital elevation model, DEM）數據、研究范圍土地利用與城市總體規劃和經濟社會統計數據等相關資料，劃定國土空間生態修復關鍵區域。

2 研究思路與方法

2.1 生態系統服務評價方法

ESs作為管理生態資源的技術手段，以兼顧生態需求與社會發展為目標，借助用地功能的空間異質性契機，引導形成面向宏觀區域的健康生態空間。構建ESs評價體系是評估生態系統服務價值的基礎，本研究旨在形成一套可轉化、可操作的分級體系，具體方法闡述如下。

1）定義ESs類型：世界范圍內尚未形成一套科學統一的ESs價值核算方法，本研究以國內外學者的大量探索性研究為依據，基于單位面積價值當量因子方法，明確ESs產品的標準功能單元，參考中國陸地ESs單位面積服務價值當量表[11]，定義4類ESs一級服務，以及氣體調節、土壤支持與水資源供給等10種二級服務，確定其在不同土地利用類型下的價值當量系數（表1）①[12]。

表1 ESs價值當量系數[11]Tab. 1 Value equivalent coefficient of ESs[11]

2）提取ESs空間異質影響因子：僅以土地利用類型測算ESs時，則會忽略不同用地類型的空間異質性[13]。因此，依據既有研究[6]與專家建議，進一步細化二級服務的時空分異影響因子，以表達的直觀性、簡潔性及獨立性為原則，形成10項ESs評價指標（表2）。

表2 ESs類型與數據獲取途徑[6,14-15]Tab. 2 Types of ESs and methods of data acquisition[6,14-15]

3）確定ESs的協同權衡關系：掌握ESs權衡與協同關系的類型是進行可持續ESs管理的基礎和前提[16]。本研究通過SPSS22.0軟件分析4類一級服務的Pearson相關性，明確ESs中兼容的協同作用與不兼容的權衡作用，為生態修復關鍵區的自然和人文雙輪驅動提供科學依據。

2.2 生態廊道的識別與構建

無論是城市規劃視角下綠地系統的“點-線-面”形態，還是景觀生態學視角下的“斑-廊-基”結構，生態修復的重點都在于重塑生態物質信息的流動通路，以實現生物多樣性保護、物種遷徙與休閑游憩等ESs[17]。因此，以識別生態廊道為基礎，預測生態修復成本（cost of ecological restoration, CER）是實現經濟效益與生態效益雙贏的關鍵一環。

本研究借鑒“生態源地-阻力面-生態廊道”的研究范式預測CER：1）依據《規劃》提取林地、水域等生態保護區作為生態源地；2）結合澳門高密度城市特征與景觀類型賦予相應的阻力值（取值范圍設定為1～100）[18]，量化經由不同生態景觀斑塊所消耗的費用②（表3）；3）采用最小累積阻力模型（minimal cumulative resistance, MCR）模 擬 物 種 擴 散過程與生態流動過程的難易程度[19]，基于Circuitscape插件中的Linkage Mapper模塊構建生態廊道，計算公式如下：

表3 阻力面類型與阻力值Tab. 3 Resistance surface types and resistance values

式中：MCR為生態源斑塊j擴散至某點的最小累積阻力值；Dij為物種從生態源地j到空間某一點所穿越的基面i空間距離；Ri為斑塊i對生態過程或物種運動的基本阻力。

2.3 ESs-CER耦合識別生態修復關鍵區

2.3.1 耦合理念與路徑

沿海高密度城市存在海陸生態系統保護與社會經濟發展的矛盾，亟須尋求統籌生態服務功能與經濟效益的發展模式。筆者選擇ESs與CER分別作為上述兩者的評價基礎（圖1）：在ESs理念的引導下，生態修復關鍵區域識別成為關注城市生態脆弱區域與生態環境大格局的規劃方法，最終可精準識別海陸ESs高價值生態資源區域；CER是基于生態廊道表征得出的生境連通性，合理推測修復破碎景觀斑塊的難易程度，即生態修復可能消耗的綜合成本。區域內生境連通性越強，表明生物遷徙阻力越小且可選擇路徑越多，所耗費的修復成本較小，反之亦然。集成2種分析理念，采用元胞自動機（cellular automata, CA）模擬城市自組織發展趨勢，通過生境退化與城市緊湊度評測自然-人工環境耦合發展綜合效能，并根據結果劃定國土空間生態修復關鍵區域，為實現生態效益與經濟效益雙高目標的國土空間規劃提供一定決策依據。

1 基于ESs的國土空間生態修復關鍵區域識別研究框架Research framework of key area identification for ecological restoration of territoral space based on ESs

2.3.2 模擬情景設定

基于以上理念與路徑，設定ESs優先、CER優先與ESs-CER協同優先3類修復情景，分別表征嚴格保護高ESs區域、僅保護并修復高CER區域、保護并兼顧ESs-CER這3類修復區域劃定情景（表4）。

表4 修復情景設定[6]Tab. 4 Restoration scenario setting[6]

2.3.3 城市自組織發展模擬條件設定

基于ArcGIS Model Builder平臺構建簡單的CA技術模型，操作過程如下：1）設定發展引導約束條件規則，選擇“與建成區的距離”“與交通基礎設施的距離”分別表征區域內核心增長極與交通區位優勢；2）設定空間控制約束條件規則，分別以上述3類情景作為空間控制約束條件；3）生成鄰域建設用地適宜性概率圖像，建設用地轉換概率根據預先設定的發展引導約束條件與空間控制約束條件共同作用[20]；4）構建CA模型運算法則，根據重分類的現狀建設用地柵格圖層與可建設用地柵格圖層③，將鄰域建設用地適宜性概率圖像與可建設用地相乘，劃定可建設用地柵格單元范圍，每類情景進行50次迭代運算后輸出最終城市自組織發展結果。公式如下：

式中：Pi為最終轉換概率，conf(Si=construction)為條件函數，若Si為建設用地，賦1，否為0；5×5為鄰域用地范圍；Ps,(i)為情景條件下的城市自組織發展結果。

2.3.4 自然-人工環境耦合發展綜合效能測度方法

1）生境質量評價方法。生態修復關鍵區劃分應實現稀缺敏感生境的保育，降低城市發展對鄰域生境造成的影響。借助InVEST軟件平臺的生境質量（habitat quality, HQ）模塊測度生境保護效能，以2019年澳門城市用地現狀作為起始狀態，分別與上述3類城市自組織發展空間格局對比，合理推斷出符合目標的優質情景[21]。HQ模塊計算公式如下[22]：

式中：Qxj為地類j中柵格x的生境質量指數；Hj為地類j的生境適宜度；k為半飽和常數，通常取Dxj最大值；z為模型默認參數；Dxj為地類j中柵格x的生境退化度。

2）城市緊湊度評價方法。緊湊集約的用地格局應兼具完整的幾何形態與連續的用地邊界。澳門城市空間形態受限于土地資源，更應將城市緊湊度作為衡量城市開發效率的重要指標。采用景觀格局指數表征城市形態緊湊度已是較為成熟的技術方法[6]。研究基于Fragstats 4.2平臺量化城市空間結構，測度城市自組織發展結果的土地資源利用緊湊程度（表5）。

表5 景觀格局指數列表與選取意義Tab. 5 Landscape pattern index list and selection significance

3 研究結果及分析

3.1 研究結果

首先，獲取2019年澳門特區ESs價值當量（表6）與ESs價值評價及空間制圖結果（圖2）。其中，林地、水域的4類ESs價值都較為突出，具有促進區域集約高效發展的潛力。由《規劃》可知，路環區內的林地已被劃定為不可都市化地區，未來可在保證其“調節-供給服務”的基礎上進一步發揮文化服務價值，結合步行系統串聯山體（竹灣頂）、水體（黑沙水庫郊野公園）以及文化旅游節點（媽祖文化村），形成具有自然生態和游憩文化雙重內涵的高質量韌性生態廊道。

2 ESs價值評價及空間制圖結果ESs value evaluation and spatial mapping results

表6 2019年澳門特別行政區價值當量Tab. 6 Value equivalent of Macao SAR in 2019單位：元/hm2

其次，澳門特區的ESs協同權衡機制符合當前國內外對ESs各類服務關系的普遍認知，即“調節-供給與支持-文化服務”間表現出相互增益的協同關系（表7）。澳門ESs以協同關系為主，相關性最強的是“調節-供給服務”，這得益于澳門老舊城區持續的綠化更新，并促進了生態服務調節與生態產品供給的協同提升。

表7 澳門ESs價值相關性分析Tab. 7 Value relevance analysis of Macao ESs

再次，生物遷徙呈縱向分布，澳門半島東側填海區域內生境連通性越弱，生物遷徙阻力較大，表征出較高的生態修復成本（圖3）。

3 生態廊道識別與生態修復成本預測Identification of ecological corridors and prediction of CER

3類情景下的CA模擬結果有明顯差異（圖4），ESs優先的建設用地以內城填充的形態擴張，存在小規模、碎片狀的建設模式（如新城A區、路氹區東側），部分填海區域被割裂為多片孤立用地，與國土空間利用的緊湊高效目標相悖。CER優先則使建設用地逐漸擴散至東側填海區。ESs-CER協同的用地擴張呈較明顯的城區外拓趨勢，以塊狀為主集中分布于新城A區、港珠澳大橋珠澳口岸人工島等填海區，符合澳門對此區域的用地類型劃定規律。

4 3類生態修復情景下的城市自組織發展模擬結果Simulation results of urban self-organized development for three scenarios

3.2 ESs-CER協同情景的有效性驗證

為進一步檢驗ESs-CER耦合情景下生態修復關鍵區域劃分的科學性與有效性，從生境保護效能與城市發展緊湊度2個方面評測各情景的綜合修復效能。

3.2.1 生境保護效能分析

城市發展空間應避免高品質生境空間遭受不可逆轉的退化，而定量比較生境保護效能是較為直觀的驗證方法。從空間分布來看，3類情景下的HQ模塊均表現出明顯的空間異質性，整體呈北高南低的分布態勢（圖5）。澳門半島的水域斑塊，如南灣湖持續穩定地提供ESs且不易受到城市用地擴張的影響；草地、林地等生境斑塊的生境退化程度差異較大，是澳門生態保護與城市發展重點博弈的區域。通過進一步量化生境退化程度面積可知，ESs-CER協同情景下的中高度退化生境相對較低，生態斑塊與廊道能夠抵御建設用地擴張壓力，防止稀缺的生態資源在高速城鎮化進程中出現顯著衰退。

5 3類情景模擬結果下的生境退化空間分布Spatial distribution of habitat degradation for three scenarios

3.2.2 城市發展緊湊度分析

雖然因澳門城市面積小而導致的城市發展緊湊度結果差異不明顯，但ESs-CER協同在PD、ED、DIVISION指標上的表現略高于另兩類情景，且斑塊類型豐富，表現出用地的高效緊湊性及城市功能的混合趨勢。相較而言，ESs優先的城市用地擴張會因嚴格避讓自然資源，而導致用地格局碎片化；CER優先的土地轉換可能會犧牲大量優質生態空間，發生大范圍的城市蔓延。綜合來看，各情景下的城市發展緊湊度均較高，但亟須重視土地擴張方式與轉換效率，制定合理的政策遏制擴張趨勢并注重存量更新。

4 國土空間生態修復關鍵區域劃定

根據上述分析結果，綜合判定ESs-CER協同的修復情景表現良好，在降低城市高速發展對高品質生境威脅的同時，合理引導低ESs地區建設用地的緊湊布局。因此，以ESs-CER協同模擬結果作為理想情景，最終劃定澳門國土空間生態修復關鍵區域（圖6），明確各區生態功能定位并制定生態保護修復目標。

6 澳門空間生態修復關鍵區域劃定結果Delimitation results of key ecological restoration areas of territorial space in Macao

1）“ESs高- CER高”區域劃定為重點保護區，以保護現有高ESs空間為首要任務，提升現狀受損生態斑塊的服務水平，適當協調生態保護與經濟發展需求，清理零碎的建設斑塊并劃定限建區，通過建設用地的騰退、減量和增綠實現性質轉換。對處于高密度老舊城區內部且具有較高調節、文化服務價值的生態斑塊，尤其是東望洋區、大三巴區等重要的城市開敞空間，應持續發揮其生態保育、微氣候調節及游憩功能，采用嚴格保護政策避免生態用地被居住、產業用地侵占。

2）“ESs高- CER低”區域劃定為重點修復區，以發揮高質量生態涵養空間的綜合效益為原則，嚴格保護高價值生態環境，維護生態空間的系統穩定。適宜選取區域內較大范圍的生態斑塊進行地形修復和岸線維護，如將澳門半島中區的南西灣硬質岸線逐步修復為柔性生態岸線，明確水資源承載底線并加強水域陸域修復協調性，強化與珠海灣仔生態廊道的連通性。

3）“ESs低- CER低”區域劃定為生態提升區，多為水域、綠地（如南灣湖填海區），屬兼具生態、景觀、游憩功能的自然生態要素，具備優質的供給服務與文化服務價值。通過對支持-調節服務、供給-文化服務的適度協同，如加強城市綠地、濕地等生態用地建設與環境品質提升等，有機融合城市環境與生態空間，實現經濟價值和生態價值雙增長。

4）“ESs低- CER高”區域劃定為集中建設區，以東側填海區與澳門大學新校區為主，前者擁有平坦的地勢條件與沿海臨接港珠澳大橋口岸的優勢，后者已具備完善的校園建設格局。對此，應特別注重區分2類區域的未來發展模式：科學規劃填海區土地利用結構，將零碎用地集中歸并到臨近區域，填充內部細小的空隙，保留大中型生態要素，推動自然資源的保護管理和區域經濟的集約高效；在加強大灣區科技合作的背景下，澳門大學新校區已初步實現高效綠色的建設目標，應進一步拓展生態修復深度，探索校區水資源、可再生能源的循環利用新模式，加強生態文明教育并促進集約內涵式發展。

5 結論

既往研究較少考量不同用地類型ESs的空間異質性，以及與社會經濟效益的互饋關系。本研究提出了基于ESs的國土空間修復關鍵區識別方法：1）明確ESs價值當量，以Pearson相關分析確定ESs的協同權衡關系；2）確定生態廊道連通性并合理推測CER；3）生成ESs優先、CER優先、ESs-CER協同3類情景下的城市空間自組織發展模擬結果。研究發現：ESs-CER協同情景下的用地擴張呈較明顯的城區外拓趨勢，符合澳門土地利用規劃對建設用地類型劃定規律。本研究通過澳門的實例證明，ESs-CER協同修復情景有助于促進生態效益與社會效益系統發展雙贏，并可由此劃定生態修復關鍵區與城市集中建設區，利于發揮優質生境抵抗城市擴張壓力的潛質，實現打造集約高效生產空間、宜居舒適生活空間與智慧韌性生態空間的規劃目標。

相較于以往研究，將ESs與CER耦合研究彌補了原有空間識別技術對ESs多樣要素的研究局限，實現了生產、生活空間的科學調控，生態空間的增值提效。本研究成果可為國土空間用途管控下的生態修復區域識別提供科學的技術支撐，但在不同的研究區域，需針對特定需求進行更深入的研究，以尋求生態保護和經濟成本的平衡閾值。

注釋(Notes)：

① 根據謝高地等（詳見參考文獻[10]）的研究，ESs價值最高的地區分布于我國東南、西南沿海地區，與中國主要森林空間分布規律一致。澳門屬東南沿海區域，由實地調研發現該區域林地空間占比低于水域空間占比，可推測整體ESs的高價值主要依靠水域和草地，這一推測也從側面驗證表1水文調節服務價值當量的合理性。依據《城市用地分類與規劃建設用地標準》GB 50137—2011劃分，林地指以喬木、竹類、灌木、沿海紅樹林為主的土地，綠地包括公園綠地、防護綠地、居住區綠地等。以研究區域為例，大氹山、東望洋山、大潭山、小潭山等劃分至林地，城市公園（宋玉生公園、何賢公園）、居住區綠地、附屬綠地等劃分至綠地。

② 本研究所選擇景觀類型阻力值，是基于大量專家研究與作者實地調研經驗，在合理范圍內得出的結果。

③ 根據龍瀛等（詳見參考文獻[19]）研究與研究范圍的實際情況，將土地利用現狀中的林地、草地、裸地作為可建設用地。

圖表來源(Sources of Figures and Tables)：

文中圖片均由作者繪制，其中圖3、6底圖來源于《澳門特別行政區城市總體規劃（2020—2040）》；表1整理自參考文獻[10]；表2整理自參考文獻[13-14]；表3～7由作者繪制。