粵港澳大灣區生態網絡構建及廊道優化

王海云,匡耀求,文薪薦,宋兆璞,劉德華

粵港澳大灣區生態網絡構建及廊道優化

王海云1,2,3,匡耀求4*,文薪薦2,宋兆璞2,劉德華2

(1.中國科學院廣州地球化學研究所,廣東 廣州 510640；2.廣東省國土資源測繪院,廣東 廣州 510500；3.中國科學院大學,北京 100049；4.暨南大學環境學院,廣東 廣州 511443)

以粵港澳大灣區為研究對象,利用MSPA-InVEST模型和連通性評價識別生態源地,進而在構建生態阻力面基礎上,運用MCR和重力模型提取潛在生態廊道,并利用產業集聚特征構建規劃廊道,提出兼具生態保護和經濟發展的生態網絡構建方案.結果表明:生態源地共35處,總面積約17165.85km2;基礎生態廊道42條,長度2085.34km;源地及廊道存在明顯空間分布差異,呈現出"中心空洞型"分布特征;通過增加12個生態-產業戰略節點和28條規劃廊道,生態網絡閉合度、連接度和連通率可提升150%、26.83%和28.57%,生態網絡結構向"蜂巢狀"轉變;結合河流及海岸等天然廊道構建的綜合生態網絡連接了大灣區288個生態保護區,構成了山體、水體、濕地綜合生態保護格局.總體來看,兼顧生態保護和經濟發展視角構建的生態網絡體系具有一定的適應性,可為粵港澳大灣區生態格局的建設和優化提供參考.

生態源地；生態廊道；生態網絡；規劃廊道；粵港澳大灣區

人類生存環境依賴于生物多樣性和生態系統服務[1].近年來,頻繁的人類活動及高強度的土地開發導致生態空間孤島化、破碎化[2-3],重要生態源地逐漸退化,源地之間聯系減弱,生物多樣性和區域生態系統調控能力大幅下降,直接影響了區域生態安全和可持續發展[4-6].生態網絡作為聯系各生態斑塊的空間組織體系[7],能夠促進生態系統物質、能量流動[8],減少景觀破碎化對殘余生態斑塊的負面影響.因此,構建生態網絡成為恢復、維持生態系統連通性的重要策略,以便保障生態服務供給,實現區域生態平衡[9].

20世紀90年代以來,生態網絡與地理、規劃等多學科融合,在生物多樣性保護、生境恢復、景觀規劃[10-12]等方面取得了較多進展,并形成"識別生態源地-構建阻力面-提取生態廊道"的典型構建范式[13].

生態源地通常直接選擇大型自然斑塊[14]或利用生態系統服務[15]、生境質量[16-17]、形態學空間格局分析(MSPA)[18-19]等評估方法提取.阻力面構建主要通過景觀類型賦值得到,也有學者進一步利用地形因素、夜間燈光指數、不透水面[20-22]等對阻力值進行修正.生態廊道的構建方法包括最小阻力模型(MCR)[23]、電流理論[24]、圖論模型[25]、通風效益模型[26]等.總體來看,有關生態網絡構建的研究日益成熟,各尺度的案例研究不斷積累,但如何合理地劃分源地和判斷廊道重要性,維持重要生態過程和景觀的連通性仍然面臨著挑戰[27].此外,由于人類經濟活動對生態環境的影響往往被簡化為一個阻力因子,導致經濟活動空間難以加入既有生態網絡構建分析框架中[28],造成生態網絡不完整,從而影響生態源地對建設密集區環境負效應的緩解效果.

粵港澳大灣區是我國開放程度最高、經濟活力最強的區域之一,生態源地受建設開發蠶食現象明顯,建成區已基本不存在連續的生態廊道,城市內澇、熱島效應、生物多樣性喪失等系列生態問題凸出[29],對其生態網絡構建的研究極具重要性和緊迫性,對其他城市群或建設密集區的生態格局研究也有一定的借鑒作用.鑒于此,本文運用MSPA-InVEST模型提取高質量核心區斑塊,結合生態保護區范圍,通過景觀連通性評估識別生態源地;運用MCR和重力模型構建生態網絡,再結合產業集聚特征增加生態-產業節點和規劃廊道,形成了兼具生態保護和經濟發展的生態網絡,以期達到粵港澳大灣區生態服務供給和社會經濟活動協調發展、融合共生的目的,為大灣區跨境生態安全格局構建提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

粵港澳大灣區位于北緯21°～25°,東經111°～ 116°之間,包括香港、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(以下稱珠三角)9個城市,總面積5.6萬km2,屬南亞熱帶海洋性季風氣候,多年平均降水量為1929.8mm,平均氣溫為21.9℃,地貌以低山、丘陵和三角洲平原為主.河岸、海濱、森林、農田等生態空間多樣,人口與經濟要素密集,城市空間一體化趨勢明顯[30],探索區域尺度下的生態網絡成為大灣區落實可持續發展戰略的重點.

1.2 數據來源

研究采用的主要數據包括:粵港澳大灣區2019年優于2m的GF-1、GF-2影像,香港2019土地利用圖,用于提取景觀類型數據和評估生境質量.經檢驗,數據精度滿足分析要求;分辨率30m的DEM數據,來源于地理空間數據云,用于坡度數據提取;2019年的夜間燈光數據來源于全球NPP-VIIRS合成數據集(https://doi.org/10.7910/DVN/YGIVCD),用于修正基本阻力面;香港郊野公園、地質公園及海岸公園等數據來源于香港農漁自然護理署,澳門郊野公園、濕地公園數據來源于《澳門特別行政區城市總體規劃(2020-2040)》,珠三角自然保護區、森林公園、濕地公園等數據來源于廣東省林業局,飲用水水源地數據來源于廣東省生態環境廳,以上重點生態功能區統稱生態保護區,用于生態源地提取;珠三角開發園區、村鎮工業集聚區范圍來源于廣東省自然資源廳,用于產業集聚區識別.

1.3 研究方法

1.3.1 生態源地 生態源地是構建生態網絡的基礎.利用MSPA景觀要素分析[31]與InVEST模型[32]生境質量評價結果,提取高質量核心區斑塊,再結合各類生態保護區范圍,提取生態源地,避免單獨采用某一種方法可能導致的源地錯選或漏選.本文將林地、草地和水域(河流、湖泊、水庫和坑塘)作為前景要素,其余地類為背景,生成二值圖像,利用Guidos Toolbox 軟件,采用八鄰域分析法進行景觀要素識別.運用InVEST模型的生境質量評估模塊,將耕地、園地、城鎮、鄉村、工礦用地、鐵路、公路設定為影響區域生境質量的威脅源,根據威脅源和響應狀態評估生境質量.模型中相關參數參照InVEST模型用戶手冊、已有研究[33-35]和專家意見后設置,具體設置如表1和表2所示.由于有效斑塊的大小不限于斑塊本身,而在于功能相連的整體斑塊,連通性強的斑塊擁有更多的生物群落[36],基于Conefor軟件評價各景觀斑塊之間的連通性[37]強弱.

1.3.2 阻力面構建 不同自然條件和人類活動對物種遷移的影響程度不同.已有研究表明:不同景觀類型和地形地貌特征會影響物質能量及信息交流;距離道路越近,城鎮擴張引力越大,物種遷移越困難;破碎度越高,人類活動越頻繁,越不利于生態源地擴展.本文選取景觀類型、坡度、起伏度、距道路距離和破碎度作為阻力因子指標.參考相關研究[38-40],結合景觀類型和地形地貌特征導致的生境適宜性差異、距離衰減性原理等對各阻力因子賦值.通過對5位生態規劃專家的訪談獲取對各指標相對重要性的對比,構建阻力因子判別矩陣.使用yaahp軟件對判斷矩陣進行一致性檢驗,并計算得到各因子權重如表3所示.

表1 威脅源及其最大影響距離、權重及衰減類型

表2 生境適宜性及其對不同威脅源的相對敏感程度賦值

夜間燈光數據[41]是對人類活動強度的綜合表征,因此本文利用夜間燈光數據對阻力面進行修正[42],以提升廊道模擬的準確性和合理性.公式如下:

1.3.3 生態廊道提取 生態廊道是低阻力生態通道,能夠連通破碎的生境斑塊,對保持區域內生態流、生態過程的連續性和流通性起重要作用.利用MCR和ArcGIS的成本路徑工具,提取生態源地之間最小累計阻力值最低的柵格連接而成的長廊,作為潛在生態廊道,并通過重力模型[43]定量評價源地斑塊間的相互作用強度,判定潛在生態廊道的相對重要性.

表3 阻力因素賦值

2 結果與分析

2.1 生態源地

2.1.1 基于MSPA的景觀分析 MSPA將二值圖像分為核心區、孤島、環道、橋接區、孔隙、邊緣區、支線7類互斥景觀類型.以林地、草地和水域為前景進行MSPA分析,結果表明:在7種景觀類型中,核心區面積最大,占比62.9%,以林地為主,主要分布在大灣區北部的肇慶、惠州和西部的江門,在大灣區南部的核心區斑塊數量和規模小,呈點狀組團分布;邊緣區面積僅次于核心區,占比10.7%,是核心區與非生態景觀之間的過渡,具有邊緣效應;橋接區圍繞核心區分布,占比9.9%,主要為道路兩側林草斑塊;環道和支線占比分別為4.1%和4.6%,對廊道連接起一定的輔助作用;孤島占比低,僅2.7%,為城鎮中心孤立的綠地景觀.綜上,大灣區盡管存在大面積核心區斑塊,但空間分布不均,邊緣區占比較大,城市擴張對生態景觀的擠壓效應明顯,且橋接區比例有限,環道和支線占比較低,孔隙類景觀多,導致生物遷移能力減弱,此外,孤島占比低說明可作為生態要素流動的臨時棲息地少,生態斑塊整體連通性差.

2.1.2 生境質量 通過InVEST模型得到粵港澳大灣區生境質量,按照ArcGIS自然斷點法分為高質量生境(0.78～1)、中質量生境(0.36～0.78)和低質量生境(0～0.36).空間上,大灣區生境質量呈現出中部低、四周高的格局,高質量生境占比59.66%,分布在大灣區外圍邊緣地帶;低質量生境區具有明顯的集聚性,主要分布在以廣州、深圳為核心的中心城市群、緊鄰廣深的佛山、東莞、中山以及開發強度高的澳門,這些區域經濟發展快、人類活動頻繁,建設用地密集,導致原有生態系統破壞嚴重;中質量生境分布在高質量生境和低質量生境斑塊之間,占比6.7%,隨著建設開發活動不斷擴張,這些區域存在生境質量退化風險;此外,高低生境之間缺乏合理的景觀過渡,局部地區出現了高質量生境破碎化現象,如肇慶北部的高質量生境斑塊中零星出現低質量生境斑塊,存在破碎化加劇的風險.

2.1.3 生態源地識別與評價 綜合MSPA-InVEST模型評估結果,91.81%的核心區與高質量生境斑塊重疊,說明大部分核心區斑塊具有較高的生境質量,具備作為生物棲息地的條件.考慮到生態保護區和生態源地在功能上的相似性以及棲息地有效連通的重要性,將高質量生境-核心區斑塊和生態保護區斑塊融合,統一開展連通重要性計算.參考已有研究[44-45],將連通重要性指數大于0.2的斑塊確定為生態源地,并按照自然斷點法將大于25、(1,25)、(0.2,1)依次劃為核心源地、重要源地、一般源地.總體來看,各類生態源地涵蓋了大灣區213個生態保護區(表4),包括了大灣區內絕大多數的生物棲息地,但空間分布上,42.96%和26.56%的源地分布在肇慶和惠州,其次是江門,占15.79%,其余地區分布較少,大灣區東西兩岸源地之間相隔較遠,生態要素流動性不足.

表4 生態源地內保護區數量和重要生態保護區名稱

2.2 阻力面評價

按照表3計算阻力因子得到基礎阻力面(圖1a),并通過夜間燈光修正形成生態阻力面,按照自然斷點法分為高阻力(60～100),較高阻力(35～60),較低阻力(20～35),低阻力(1～20)(圖1b).對比修正前后,生態阻力面在相同景觀類型的內部空間差異更加明顯,說明夜間燈光數據的修正使人類活動對生態過程的影響得到更充分的考慮,對物種遷移的干擾強度表達更為精確.結果顯示,大灣區阻力評級高和較高的區域占總面積的18.23%,集中分布在佛山東部、廣州西南部、東莞北西部、深圳中西部.這些區域建設開發集中,人類活動擠壓了生態源地擴展空間,對生態流擴張產生較大阻力.低阻力區占比66.85%,分布在山地較多、森林覆蓋度高的區域.較低阻力區占比14.93%,主要沿路網分布,道路的阻隔導致生態源地之間的互通互聯程度下降.高阻力區與低阻力區之間的實際過渡區域較小.

2.3 生態網絡構建

利用MCR模型提取潛在廊道595條,各廊道之間交錯縱橫,緊密分布,存在大量路徑重合或相似的情況,廊道的冗余性較高,因此,需要結合廊道的重要性和可替代性對冗余廊道進行刪減.本研究通過重力模型評價,最終選擇重力值大于1,廊道間重合率低的廊道作為基礎生態廊道,共42條(圖2),全長2085.34km.

重要廊道是保障區域生態安全的核心,使核心源地與其他源地之間形成最基本的生物遷徙通道,長度688.02km,呈鏈狀模式分布.其中,1號核心源地通過4條重要生態廊道,與南嶺山脈的懷集三岳自然保護區以及西江下游的爛柯山、羚羊山等重要生態景觀連接.2號核心源地通過4條重要廊道,分別與廣州東北部和惠州北部的重要生態景觀連接,廊道途經廣州的流溪河以及惠州的象頭山國家級自然保護區,通過白沙河水庫與大灣區毗鄰的萬綠湖國家濕地公園相接.3號核心源地則通過2條重要廊道,連接惠州北部和東部的重要生態斑塊,并經象頭山自然保護區與2號核心源地相連.

一般廊道共32條,連接重要源地和一般源地,在大灣區東西兩岸均有分布.西岸一般廊道全長1018.52km,主要分布在江門,呈環狀連接江門的古兜山、曹峰山、七星坑、梁金山等自然保護區,石貓、潛龍灣等森林公園以及大隆洞、孔雀湖等濕地公園,并向外延伸連接至中山香山、佛山金沙島、肇慶爛柯山等重要生態景觀.東岸一般廊道長度僅378.80km,主要分布在惠州,以象頭山為中心,往北連接至白沙河水庫和2號核心源地,往南連接東莞銀瓶嘴保護區、深圳鐵崗石巖濕地公園、大鵬半島-田頭山保護區,并延伸至香港八仙嶺、船灣、大帽山等郊野公園,形成大灣區東部跨境生態廊道.

整體來看,兩級生態廊道構成了大灣區基礎生態網絡,連接了238個生態保護區,形成了源地之間互聯的通道,但各城市廊道分布存在顯著差異, 83.3%的重要廊道分布在惠州和肇慶,56.25%的一般廊道分布在大灣區西岸的江門、肇慶,大灣區外圍生態源地密集區與中部經濟生產集聚區之間的廊道十分有限,造成外圍和中心生態景觀連通性較差,加上河口對東西兩岸的阻隔,整體生態網絡不夠完善.因此從生態系統穩定性角度出發,應綜合考慮景觀特征和經濟發展需求,在大灣區中部以及沿海區域構建新的廊道來優化生態網絡,從而促進生態空間與經濟空間的相互融合,統籌提升區域生態服務功能.

圖2 基礎生態廊道

2.4 生態網絡優化

粵港澳大灣區是我國城鎮化率最高的城市群,也是典型的產業和人口集聚區,同時還分布著工業化早期形成的村鎮工業集聚區,形成了密集的建設空間,景觀破碎嚴重,亟需配套建設環境基礎設施,優化區域生態網絡.通過ArcGIS核密度分析法分析大灣區工業園區空間分布(圖3),發現高密度聚集區主要位于東莞和佛山,東莞工業園區面積最大,數量最多,2km2以上的連片工業園區面積達到167.42km2,占東莞市陸域總面積的6.81%,空間上分布密集且均勻,形成以各村鎮為中心的團塊星座型結構(圖3b),佛山連片工業園區面積僅次于東莞,呈現"大分散、小集聚"的分布特征,具有一定規模集聚效應,功能分區明顯,形成東部禪城-南海產業連片區,并向南延伸至順德北滘和大良(圖3a);中密度集聚區位于深圳北部、廣州西部、中山北部以及香港北部,在城市群交界區域呈現集聚特征,如深圳的光明、龍崗分別與承接產業轉移的東莞和惠州緊密連接,廣州在鄰近佛山的白云、番禺形成集聚區;低密度集聚區廣泛分布在大灣區中部,占大灣區總面積的44.61%,包括珠海唐家灣和金灣組團,澳門青州跨境工業區、路環聯生工業區和九澳工業區組團,江門東北部以及肇慶東南部組團等.

在產業高密度集聚區與最小成本路徑存在空間沖突(相交或相切)處設立生態-產業戰略節點,剔除距離相近的點后,最終保留節點12個,并按照最小累計阻力模型補充規劃廊道,共28條(圖4),長度827.53km.規劃廊道主要分布在產業密集的佛山、東莞和廣州,連接了區域內重要的城市生態景觀,如佛山西江外灘和鯉魚沙濕地公園、廣州海珠濕地公園、東莞華陽湖濕地公園等,并與6、11、17、18、22、27、29號等源地連接.對比布局戰略節點前后,生態網絡覆蓋的生態保護區數量提升至257個,生態網絡閉合度、連接度和連通率[36]較之前的生態網絡有了大幅提升(表5),生態網絡回路數量和節點的平均連線數均明顯增加,網絡結構由樹狀向“蜂巢狀”轉變.可見,規劃廊道對原有生態網絡形成了有效補充,從而保證了"外圍—中心"生態要素流的流通,優化了生態安全空間格局.

圖3 工業集聚區范圍

圖4 規劃廊道

表5 優化前后網絡指數

2.5 綜合生態網絡

河流網絡本身即為物種、種群的生態走廊[46],海岸及近海濕地是鳥類重要棲息地.利用河流及海岸的自然連通作用[47],將珠江流域主要干流和部分能夠連通源地的支系河流以及海岸作為天然廊道加以保護,共識別天然廊道總長1920.96km,疊加天然廊道形成的綜合網絡連通率達到0.58,說明網絡結構進一步完善,以原本廊道空缺的珠海和澳門為例,珠海平崗泵站、竹銀水庫等飲用水水源地、竹篙嶺等森林公園通過磨刀門入海口沿西江往北連接至1號核心源地,澳門南部的路氹城生態保護區則通過海岸與珠海橫琴濱海濕地相連,并西連金灣金湖濕地、鎮海灣紅樹林保護區,東至中山翠亨國家濕地公園、廣州南沙濕地公園、深圳西灣紅樹林濕地公園、深圳灣濕地公園、內伶仃島-福田紅樹林國家級自然保護區、香港米埔自然保護區、惠州大亞灣和惠東海龜國家級自然保護區,構成了大灣區山體、水體、濕地綜合生態網絡整體保護格局.

3 討論

基于生態網絡構建結果,提出以下生態格局優化建議:(1)針對生態源地零星分布低生境質量斑塊和具有生境退化風險的現象,建議通過相關生態功能區規劃,加強對棲息地內部生態基質和廊道的保護,嚴格控制低質量斑塊擴散;(2)針對大灣區路網密度大,建議加強道路防護林綠化,利用碧道、綠道建設成果,改善道路對物種遷移的阻隔效應,并在關鍵節點設立涵洞、高架橋等生物通道;(3)針對大灣區建設密集的特點,城區綠化建設以及關鍵生態節點的培育至關重要,尤其對生態障礙點應優先實施生態修復,從而提升整體生態連通性.

本文構建的生態網絡未考慮城鎮內部小面積的公園綠地,下一步將通過構建支廊道,增加踏腳石,進一步提高生態網絡連通性,促進源地的生態效益輻散到城市中心.此外,本文側重于陸域生態網絡構建,未涉及河流水質、岸線類型、沿岸植被寬度等因素對物種遷移、傳播及水生生物棲息繁衍的影響,下一步研究致力于探索陸海統籌的生態網絡疊加耦合方法,對水陸交融的重要節點開展深入分析,并細化討論生態廊道寬度,使研究結果更科學、精準.

4 結論

4.1 粵港澳大灣區的生態源地面積約17165.85km2,占總面積的31.07%,類型以林地為主,說明林地在大灣區生態格局中至關重要;生態源地主要分布在大灣區北部、東部和西南部的山地、丘陵地帶,中南部分布稀疏,東西兩岸生態源地連通性弱;大灣區生態阻力低值區面積較大,但阻力高值區與低值區之間過渡區域少,“中心-外圍”兩極分化,道路對生態源地的分割效應明顯.

4.2 粵港澳大灣區產業集聚密度從內而外逐級遞減,低密度集聚區分布廣泛,高密度集聚區主要分布在東莞和佛山,其中東莞產業集聚區密集且分布均勻,呈星座型空間格局,佛山則呈聚集離散型分布特征,具有規模集聚效應;中密度集聚區分布在深圳、廣州、中山和香港,具有跨區域集聚特征,尤其在深莞、廣佛城市交界處集聚特征更顯著.

4.3 基于MCR模型和重力模型提取生態廊道42條,全長2085.34km,重要廊道主要分布在惠州和肇慶,一般廊道主要分布在大灣區西岸,生態源地與產業集聚區之間的生態廊道十分有限,呈“中心空洞型”分布;根據產業集聚區與最小成本路徑的空間沖突,補充12個生態-產業戰略節點和28條規劃廊道后,生態網絡向“蜂巢狀”轉變,網絡閉合度、連接度和連通率均有大幅提升;由生態源地和四類廊道構成的綜合生態網絡連通率達到0.58,覆蓋了粵港澳大灣區288個生態保護區,說明加入規劃廊道和連通天然廊道后,物種擴散的路徑明顯增多,整體生態網絡的穩定性更強.

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Ecological network construction and corridor optimization in Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area.

WANG Hai-yun1,2,3, KUANG Yao-qiu4*, WEN Xin-jian2, SONG Zhao-pu2, LIU De-hua2

(1.Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China；2.Institute of Land Resource Surveying and Mapping of Guangdong Province, Guangzhou 510500, China；3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；4.School of Environment, Jinan University, Guangzhou 511443, China)., 2022,42(5)：2289～2298

Taking the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area (GBA) as the interested area, the MSPA-InVEST model and connectivity evaluation were applied to identify ecological sources, and then on the basis of constructing the ecological resistance surface, the MCR and gravity models were used to extract potential ecological corridors, and the characteristics of industrial agglomeration were considered to construct planned ecological corridors. An ecological network construction scheme that combines ecological protection and economic development was formulated. It is concluded that: There are 35 ecological sources with a total area of about 17165.85km2; 42 basic ecological corridors with a length of 2085.34 km; there are obvious spatial differences between sources and corridors, showing a "central hollowing" spatial pattern; By adding 12 eco-industrial strategic nodes and 28 planned corridors, the closure, connectivity and connectivity rate of the ecological network can be increased by 150%, 26.83% and 28.57%, and the ecological network structure will be transformed into a "cellular" pattern; The comprehensive ecological network constructed by combining natural corridors such as rivers and coasts connects 288 natural reserves in the GBA, forming a comprehensive reservation pattern consisting of mountains, water bodies and wetlands. Overall, the ecological network system constructed from the perspectives of ecological protection and economic development showed good adaptability, which provides a reference for the construction and optimization of the ecological pattern in the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area.

ecological sources；ecological corridors；ecological network；planned corridors；GBA

X171

A

1000-6923(2022)05-2289-10

王海云(1990-),女,內蒙古四子王旗人,中國科學院廣州地球化學研究所博士研究生,主要從事自然資源調查監測評價、區域可持續發展研究.發表論文10余篇.

2021-10-14

廣東省科技項目(2018B020207002);廣東省科技計劃項目(2021B1212100003);廣東省普通高校創新團隊項目(2020KCXTD005)

* 責任作者, 教授, kuangyaoqiu@jnu.edu.cn