廈門杏林灣生態修復效果評估和保護對策

莊乾,余興光,林志蘭,溫瑞,張繼偉,龍鄒霞

(自然資源部第三海洋研究所 廈門 361005)

0 引言

海岸帶是重要的生態功能區,提供凈化污染物、維持生物多樣性、調洪蓄水、文化娛樂、科學教育和消浪護岸等生態系統服務[1]。海岸帶也是生態敏感區和生態脆弱區,快速城市化、圍海造地、海平面上升和全球氣候變暖等因素都在威脅海岸帶生態系統[2-5]。保護海岸帶生態系統服務功能,開展退化或受損生態系統的生態修復工程,是生態文明建設的重要舉措[6-7]。

杏林灣所處的集美新城是廈門海岸帶較早開發的區域,城市建設發展迅速。為滿足周邊區域的環境需求,避免筼筜湖魚蝦絕跡和飛鳥難尋的歷史在杏林灣重演,自2005年園博園建設以來,杏林灣及其周邊區域開展了一系列生態修復工程。目前相關研究主要集中在環境質量評價、生態風險評估、景觀設計和生物多樣性等方面[8-12],對于生態修復工程對杏林灣生態功能產生的影響研究相對缺乏,以至于無法了解杏林灣經過十數年生態修復后取得的成效。本研究從生態系統服務功能的角度,定量評估廈門杏林灣生態修復效果,為杏林灣的生態建設和環境保護提供科學依據。

1 研究區域

杏林灣位于廈門市北部集美區內,位于118°2'—118°5'E、24°34'—24°37'N,集水面積為142 km2,水域面積約為6 km2,平均水深約為2.5 m,最大水深為5.5 m[13-14]。杏林灣北部有后溪注入,南部為集杏海堤,東部以教育科研區為主,西部為杏林村。杏林灣原屬海灣灘涂堆積地貌,1956年集杏海堤修筑后成為封閉水庫,北部由于上游水庫和降水注入為淡水,南部呈表層淡水、底層海水的特征[10]。

自集杏海堤修建以來,杏林灣內的景觀格局以灘涂濕地為主,岸線由于圍墾和清淤等活動長期處于動態變化中。環灣主要道路向水方向變化較大,而向陸方向變化不大,且杏林灣水庫以人工道路(集杏海堤)為邊界與海域分隔。因此,本研究的研究區域以環杏林灣水域的道路為邊界,北至海翔大道與集美大道交界點,東至集美大道與田集連接線交界點,南至集灌路(即集杏海堤),西至海翔大道與杏錦路交界點(圖1)。

圖1 研究范圍

2 研究方法

2.1 數據來源與處理

根據杏林灣和所掌握數據資料的實際情況,本研究選取園博園建設前(2005年)和2018年作為評估生態修復效果的2個階段。研究數據來自2005年杏林灣生態環境調查資料[15]以及相關政府網站、統計年鑒、統計公報和遙感影像。

本研究采用的生態修復效果評估方法涉及不同用地類型的數據,主要通過文獻資料、遙感數據和處理軟件獲得。園博園建設前(2005年)的用地情況[15-16]通過ArcGIS 10.2軟件矢量化后,計算得到土地利用類型和面積;2018年的土地利用數據根據Landsat 8 OLI_TIRS遙感影像資料經人工目視解譯得到,參照《土地利用現狀分類》(GB/T 21010—2017)劃分土地利用類型;遙感影像數據來自地理空間數據云(www.gscloud.cn),衛星產品拍攝于2018年3月11日,分辨率為30 m,云量為2.98%,都已經過系統輻射校正和幾何校正。為保證影像解譯質量,采用Google Earth高分辨率影像、相關規劃區劃資料和網絡全景地圖為輔助。人工目視解譯方法首先利用ENVI 5.1軟件選取訓練樣本,再利用監督分類方法進行影像分類,分類器選擇支持向量機。采用混淆矩陣進行精度驗證,總體精度為96.116 5%,Kappa系數為0.950 1,滿足研究需求。

杏林灣土地利用變化如表1所示。

表1 杏林灣土地利用變化 km2

2.2 評估方法

為使生態修復效果評估具有合理性和科學性,在參考相關研究成果[17]的基礎上,本研究基于供給服務(B1)、調節服務(B2)、文化服務(B3)和支持服務(B4)四大生態系統服務功能,考慮數據的掌握情況和可操作性,選取食物生產(C1)、原材料生產(C2)、廢物處理(C3)、氣候調節(C4)、調洪蓄水(C5)、水土保持(C6)、休閑旅游(C7)、景觀美學(C8)、教育(C9)、初級生產(C10)和維持生物多樣性(C11)11個指標,構建杏林灣生態修復效果評估指標體系,采用成果參照法、影子工程法、旅行費用法和替代成本法估算指標值。結合運用層次分析法和專家咨詢法確定各指標的權重,采用1~9標度法將不同因素兩兩比較,將對應于判斷矩陣最大特征根的特征向量歸一化后,得到該指標的權重(表2)。

表2 杏林灣生態修復效果評估指標體系和指標權重

定義一致性比率為:

式中:CR為一致性比率;CI為一致性指標;RI為隨機一致性指標;λ為矩陣的最大特征根;n為矩陣的階數。

當CI=0時具有完全一致性,CI接近于0則具有滿意的一致性,CI越大則不一致越嚴重;引入RI的目的是衡量CI的大小(表3)。

表3 隨機一致性指標

當CR＜0.1時,不一致程度在容許范圍內,即通過一致性檢驗,反之則須重新調整比較矩陣。本研究涉及一致性檢驗的有A-B、B2-C和B3-C,其一致性比率分別為0.063 239、0.089 581和0.046 329,均通過一致性檢驗。

3 評估結果

3.1 生態系統服務價值估算

3.1.1 供給服務

(1)食物生產。杏林灣食物生產服務價值主要來自海水養殖和農田。采用成果參照法估算,參照福建海水養殖生產服務價值為2.56元/m2/年[18],2005年杏林灣海水養殖生產服務價值為1 996.80萬元;由于自2007年起廈門禁止海水養殖,2018年杏林灣海水養殖生產服務價值為0萬元。參照杏林灣農田生產服務價值為449.1元/hm2/年[19],此外2018年杏林灣所有農田景觀都已轉為交通或公用建設用地,2005年和2018年杏林灣農田生產服務價值分別為6.83萬元和0萬元。綜上,2005年和2018年杏林灣食物生產服務價值分別為2 003.63萬元和0萬元。

(2)原材料生產。原材料包括為人類提供的生活、醫藥和工業生產等原料,杏林灣原材料生產服務價值主要來自林地、草地和濕地。采用成果參照法估算,參照杏林灣林地、草地和濕地原材料生產服務價值分別為1 338.32元/hm2/年、161.68元/hm2/年和107.78元/hm2/年,2005年和2018年杏林灣原材料生產服務價值分別為28.36萬元和15.04萬元。

3.1.2 調節服務

(1)廢物處理。杏林灣在去除周邊和上游流域帶來的多余養分和化合物的分解方面具有重要作用,廢物處理服務價值主要來自林地、草地和湖泊。采用成果參照法估算,參照杏林灣林地、草地和湖泊廢物處理服務價值分別為772.45元/hm2/年、592.81元/hm2/年和6 669.14元/hm2/年,2005年和2018年杏林灣廢物處理服務價值分別為213.27萬元和387.50萬元。

(2)氣候調節。杏林灣氣候調節服務價值主要來自林地、草地和湖泊。采用成果參照法估算,參照杏林灣林地、草地和湖泊氣候調節服務價值分別為1 827.84元/hm2/年、700.60元/hm2/年 和925.15元/hm2/年,2005年和2018年杏林灣氣候調節服務價值分別為82.57萬元和48.31萬元。

(3)調洪蓄水。采用影子工程法估算,即以修建水庫的費用作為調洪蓄水服務價值。參照廈門蓮花水庫工程,其總庫容為3 286萬m3,概算總投資為86 365萬元,工程等別為Ⅲ等,工程規模為中型。根據《水利水電工程合理使用年限及耐久性設計規范》(SL 654—2014),蓮花水庫工程的使用年限為50年。經計算,蓮花水庫的工程造價為1.05萬元/萬m3/年,計算公式為:

式中:I p為單位體積庫容的工程造價;I為工程總投資;V為總庫容;n為工程使用年限;2%為每年的維護成本占比。

參照2005年和2018年杏林灣水庫的有效庫容分別為643萬m3和1 306.8萬m3[20-21],2005年和2018年杏林灣調洪蓄水服務價值分別為675.99萬元和1 373.85萬元。

(4)水土保持。杏林灣濱海岸線的植被覆蓋率較高,水土流失狀況不明顯。杏林灣水土保持服務價值主要來自林地和草地。采用成果參照法估算,參照杏林灣林地和草地水土保持服務價值分別為1 805.38元/hm2/年和1 005.98元/hm2/年,2005年和2018年杏林灣水土保持服務價值分別為35.93萬元和49.95萬元。

3.1.3 文化服務

(1)休閑旅游。園博園于2007年建成后成為杏林灣的主要旅游景點,因此2005年杏林灣暫無休閑旅游服務價值。采用旅行費用法估算,由于目前相關數據僅統計至2017年[22],參照2017年園博園接待游客71.80萬人次,其中單人次票價為60元,2018年杏林灣休閑旅游服務價值為4 308萬元。

(2)景觀美學。杏林灣的山地次生林、荷塘和黃槿林帶均是重要的生態景觀資源[15]。采用成果參照法估算,參照杏林灣景觀美學服務價值為35 000元/hm2/年[23-24],2005年和2018年杏林灣景觀美學服務價值分別為1 902.61萬元和3 441.38萬元。

(3)教育。園博園的中華教育島是杏林灣研學旅行勝地,因此在2005年園博園建成前杏林灣暫無教育服務價值。采用替代成本法估算,園博園的規劃面積為676 hm2,總投資為28億元,以中華教育島的面積占比2.99%作為投資占比,可得其總投資為8 372萬元;由于此類建筑使用年限較長,按照《建筑結構可靠性設計統一標準》(GB 50068—2018)中的最長設計使用年限即100年計算,2018年杏林灣教育服務價值為83.72萬元。

3.1.4 支持服務

(1)初級生產。采用成果參照法估算,參照Whittaker[25]的研究成果,先計算杏林灣內景觀類型的凈初級生產量,再加上生物量得到有機質總量,采用碳稅法計算初級生產服務價值,計算公式為:

式中:V p為初級生產服務價值;NPPA為單位面積的凈初級生產量;A i為第i種景觀的斑塊面積;B i為第i種景觀中的生物量;264/162為CO2與有機質總量的換算比;ECO2為生物釋放CO2的量;PCO2為碳稅價格。

杏林灣林地、草地、農田、濕地和湖泊的凈初級生產量分別為700 g/m2/年、600 g/m2/年、650 g/m2/年、2 000 g/m2/年和250 g/m2/年,生物量分別為6 kg/m2、1.6 kg/m2、1 kg/m2、15 kg/m2和0 kg/m2,生物釋放CO2的量取327 t/km2[26],碳稅價格取20元/t C[27]。經計算,2005年和2018年杏林灣初級生產服務價值分別為470.74萬元和39.57萬元。

(2)維持生物多樣性。杏林灣擁有鳥類93種和游泳動物38種[15],林地、濱水灌叢、魚塘濕地和湖泊等對于維持其生物多樣性具有重要作用。采用成果參照法估算,參照廈門海域白鷺的生態服務價值為0.68元/m2/年[23-24],2005年和2018年杏林灣維持生物多樣性服務價值分別為899.93萬元和668.61萬元。

3.2 生態修復效果評估

經計算,2005年和2018年杏林灣生態系統服務價值如表4所示。

表4 杏林灣生態系統服務價值 萬元

由表4可以看出:與2005年相比,2018年生態系統服務價值增長4 102.90萬元,增長率為64.99%;供給服務、調節服務、文化服務和支持服務的價值占比,2005年分別為32%、16%、30%和22%,2018年分別為0%、75%、18%和7%;與2005年相比,2018年實現價值增長的生態系統服務為調節服務和文化服務,分別增長851.85萬元和5 930.49萬元,增長率分別為84.53%和311.70%;價值降低的生態系統服務為供給服務和支持服務,分別下降2 016.95萬元和662.49萬元。

4 討論

4.1 生態修復效果評估結果分析

從總體上看,杏林灣生態修復工程的實施較大地提升其生態系統服務價值,在調洪蓄水、休閑旅游、景觀美學和教育等調節和文化服務方面取得較好效果,但在食物生產、初級生產和維持生物多樣性等供給和支持服務方面損失較多,究其原因在于杏林灣功能定位的轉變。

自2002年廈門“跨島發展”戰略決策提出以來,島外產業園區和島外新城的規劃建設速度加快,杏林灣區域的發展方向由第一產業轉變為第三產業,逐漸關注提升景觀質量和增強湖庫水資源調節能力,但也導致水產品產出降低以及自然生境向人工生境轉變。在園博園建設前,杏林灣以農業和水產養殖業作為主要支柱產業,景觀類型多為山地次生林、荷塘濕地、魚塘、蝦池、農田和湖岸灌草等自然和半自然景觀[15];建設用地主要為農村居民地、海堤和道路等,面積約為0.8 km2,僅約占杏林灣陸域面積的6%。為滿足園博園的用地需求以及預留未來區域發展空間,杏林灣清除大量自然和半自然景觀,逐漸轉為以住宅、公共綠地、商業和旅館等人工景觀為主。2018年杏林灣建設用地面積約為5.1 km2,約占陸域面積的50%,相比2005年增加4.3 km2,增幅約500%。

與此同時,杏林灣生態系統服務功能也發生巨大轉變。在園博園建設前,杏林灣生態系統以供給服務為主,2005年供給服務價值為2 031.99萬元,占生態系統服務總價值的32%。隨著用地需求的增加,大量農業用地轉為建設用地,大規模的農田、養殖魚塘和蝦池被逐步清退,不再提供農產品和水產品,導致供給服務接近消失。杏林灣生態系統開始以文化服務為主,2018年文化服務價值為7 833.10萬元,與2005年相比增加5 930.49萬元,有力提升生態系統服務總價值。

4.2 現有生態修復策略存在的不足

4.2.1 建設用地增加,人工化增強,自然性降低

隨著園博園的開發建設,杏林灣城市化進程加快,區域內原有的自然和半自然生態系統保留較少。尤其是在園博園規劃范圍外修建大量人工建筑,導致區域自然性和生境價值降低。例如:杏林灣北部陸地上30~40 m高程的小山頭和相思林地轉為城市建設用地,部分農田景觀轉為交通或公用建設用地,部分荷塘濕地轉為居住用地和橋梁道路[15]。

生態修復的目的在于恢復生態平衡。根據本研究評估結果,杏林灣支持服務價值在2 005年為1 370.67萬元,至2018年僅為708.18萬元,降低近50%,表明杏林灣的公共綠地多為社區和道路的綠化用地,難以滿足野生生物的棲息條件。

4.2.2 水質未得到根本性改善

自2005年園博園建設帶來杏林灣歷史上首次大規模環境整治以來,2005—2018年杏林灣陸續開展一系列生態修復工程。

(1)2005—2007年園博園開發建設。范圍西起杏林北環路,東至杏林灣水域,南接集杏海堤,北至杏北路延伸段;目標為建成集居住和旅游于一體的海灣型新城;措施包括湖庫清淤、吹填造地、園博大道工程、北溪飲水渠蓋板工程和道路橋梁工程。

(2)2010—2012年集杏海堤開口改造。范圍為集杏海堤;目標為提高防洪排澇能力,改善杏林灣與廈門西海域的水體交換;措施包括開口建設總長為335 m的水閘。

(3)2015年6—10月環杏林灣截污整治。范圍為田集連接段、濱水西岸、新城核心區和集美大道;目標為解決杏林灣污水排放問題;措施包括建設截污管道、截流井、截流泵站和初雨調蓄池。

(4)2018年集美新城杏林灣濕地一期工程。范圍為集美沈海高速公路以南,杏林灣路以北,后溪水閘口附近區域;目標為建成“海綿城市”的組成部分;措施包括建設梯田濕地、橋下濕地、疊水濕地和沿岸濕地以及提升垂直駁岸景觀、現狀綠道景觀和現狀河道景觀。

然而杏林灣水質并沒有得到太大改善,2005—2018年屬于四類至劣五類海水水質標準,并出現水體富營養化等問題。尤其是2012年集杏海堤開口以來,2013—2018年杏林灣水質均屬于劣五類海水水質標準,且大部分年份水體呈重度富營養狀態(表5)。

表5 2005—2018年杏林灣水質狀況

4.3 建議

4.3.1 劃定自然保護地,開展以自然恢復為主的生態修復

“再野化”是新興的生態修復方法,是指特定區域荒野程度的提升過程,尤其強調提升生態系統韌性和維持生物多樣性[28]。建議從再野化的角度開展杏林灣及其周邊區域的生態修復,以“山水林田湖草生命共同體”理念為指導思想,嚴格保護杏林灣及其周邊區域基本沒有受到人類干擾的荒野地,劃定自然保護地并明確范圍。

在園博園施工建設期間保留多處蘆葦叢和岸邊灌草等,目前已成為白鷺等多種鷺鳥的主要棲息場所,可在這類野生生物天然聚集地設置生態屏障(如在附近河岸栽種樹木和水草),減少人類干擾。在現有岸線的基礎上,可結合本土植物設計和搭配生態護岸,在不影響行洪的情況下,多堆填建造人工小島并在島上種植植物使其自然恢復,不僅可形成連通自然生境的生態廊道,而且可形成湖面、岸線、灘涂、灌叢、樹木和島嶼等多樣化和多層次景觀,在為人類提供良好自然體驗的同時,也為鳥類和水生生物提供足夠的棲息空間。由于可達性不足,園博園內的海洋島部分區域及其北部未開發荒島基本沒有受到人類干擾,經過多年的自然演替和恢復,頂級植物逐漸取代原始先鋒植物,吸引眾多鳥類在此棲息,并已形成較穩定的生態系統,建議采取嚴格措施加以保護。

4.3.2 陸海統籌,湖海共治,提升水環境質量

杏林灣水質與集美新城品質之間的矛盾已得到廣泛重視,集美區政府已成立杏林灣及其流域污水治理專項工作領導小組,并制定《杏林灣流域污水處理系統建設總體方案》,對環灣基礎設施建設、水面執法管理和流域綜合整治等工作做出具體部署,取得一定成效。隨著集杏海堤的開口,杏林灣與廈門西海域實現連通,具備水體交換的條件[29];而廈門西海域為輕中度污染海域,杏林灣水質可能會受到污染海水的影響。此外,杏林灣和馬鑾灣外成片的灘涂淤泥長期受自然侵蝕和人工侵占,盡管目前已清退海水養殖,但仍存在嚴重的污染問題,導致周邊環境惡化。因此,建議在杏林灣水污染處理過程中充分考慮海洋因素,建立陸海統籌的污染治理機制。

5 結語

本研究將生態系統服務價值提升作為生態修復的目標,結合區域實際情況和所掌握的數據資料,構建杏林灣生態修復效果評估指標體系,運用成果參照法、影子工程法、旅行費用法和替代成本法等方法,估算2005年和2018年杏林灣生態系統服務價值。本方法具有科學性、全面性和可操作性,可揭示杏林灣生態系統服務價值的主要變化特征,為生態修復效果評估提供基礎。杏林灣生態修復總體取得較好效果,但仍面臨快速城市化帶來的環境問題。杏林灣應基于“山水林田湖草生命共同體”和“陸海統籌”理念,加強生態保護修復,進一步提高生態系統服務價值。