雄安新区多尺度生态安全格局构建框架

卢慧婷,严 岩,赵春黎,吴 钢

1 中国科学院生态环境研究中心,城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085 2 中国科学院大学,北京 100049

随着我国城市化进程加快,城市内涝、水污染、空气污染、热岛效应、水资源紧缺等城市生态环境问题层出不穷,城市生态安全问题引起越来越多学者的重视[1]。然而城市生态安全不仅是城市本身的问题,还涉及到城市所处的流域、区域、国家等多个不同的空间尺度,具体由支撑城市及其发展的关键生态系统服务所涉及的生态过程所决定。如城市内涝问题主要是由于排水管网系统不完善和不透水地表的不合理空间配置导致[2],可通过完善城市排水管网系统和优化城市内部景观格局等途径来解决;而空气污染问题往往受到区域大气传输的影响[3],需进行区域环境综合治理。当前城市和区域生态安全研究主要关注生态安全状态评估、土地利用变化和景观格局配置、生态系统服务变化等[4- 7]。然而城市生态安全对生态系统服务的具体需求、城市生态安全格局的尺度特征、城市与区域生态安全格局的关联与影响等研究还较少。

雄安新区位于河北省保定市境内,规划范围涵盖河北省雄县、容城、安新3县及周边部分区域。尽管新区区位条件优越,但是其水环境、水资源和大气环境相对较为敏感,生态环境本底脆弱。新区范围内土地利用类型以农田为主,植被和景观结构单一,农业和生活污染源负荷较重。新区南部毗邻的白洋淀由拒马河、萍河、瀑河、漕河、府河、唐河、孝义河、潴龙河、白沟引河共9条支流汇入,后经赵王新河汇入大清河,在流域内具有重要的防洪调蓄功能,被誉为“华北之肾”,但是也存在水资源超载、水污染、湿地退化、景观破碎、洪涝风险等一系列生态环境问题。随着新区的建设,新区及周边城市化进程将显著加快,人类活动影响加剧,新区及周边区域的生态安全形势将面临严峻的挑战。如何在新区建设过程中对其生态安全格局进行优化和调整,避免潜在生态环境问题和风险的产生,是亟待解决的问题。

本文对生态安全格局相关概念及研究进展进行了梳理,从生存需求、可持续发展需求和人居环境改善需求3个层面,对雄安新区的关键生态系统服务需求进行了分析,并依据这些生态服务及其生态过程的空间尺度特征,从新区城市尺度、大清河流域尺度和京津冀生态支撑区三个尺度构建了雄安新区的生态安全格局研究框架,并提出了相应的保障对策和建议,以期为雄安新区的生态环境保护和城市生态建设提供理论支撑。

1 生态安全格局相关概念与研究进展

自1941年土地健康的概念被提出后,生态系统健康与生态环境风险研究分别在全球范围内得到发展[8]。20世纪80年代,世界环境与发展委员会与国际应用系统分析研究所正式提出生态安全问题及监测系统[8]。生态安全是指生态系统在保持自身结构和功能稳定的前提下,生态环境条件与生态系统服务可以持续支撑经济发展和社会安定、保障人民生活和健康不受生态破坏损害的状态与能力[4,9- 12]。生态安全格局即是对维持区域和城市生态安全具有重要意义的空间格局,包括对维持某个生态过程具有关键作用的斑块、廊道、区域等[10,13]。随着景观生态学、生态系统服务供需格局等相关研究的发展,生态安全格局已成为生态安全面向应用与管理的热点研究领域。近年来,我国也陆续开展了生态区划、生态功能区、主体功能区、生态红线等研究和制度划定,为我国生态环境的保护发展与管理提供了指导。

生态安全和生态安全格局与其他相关概念的区别与联系梳理如下：(1)生态风险。生态风险是生态安全的逆向测度或反函数[14-15],也有部分学者认为生态安全研究是从生态风险分析发展而来的[11]。但生态风险侧重对现状和潜在生态风险的评估,对生态系统支撑社会经济发展和提供人类福祉方面的刻画较为薄弱。(2)可持续发展。生态安全与可持续发展的目标和内涵具有一致性,但是可持续发展更侧重社会经济发展与环境的关系,弱化了生态系统的基础支撑作用,因此生态安全可以说是对可持续发展概念的补充和完善[16-17]。(3)生态保护红线(简称生态红线)。生态红线是为维护国家或区域的生态安全和可持续发展,根据生态系统完整性和连通性的保护需求,划定的需实施特殊保护的区域[18]。生态红线具有精准的空间边界和严格的管理制度,是生态安全格局的重要组成部分。综上,生态安全和生态安全格局均是较为宏观的概念,它们与生态风险、可持续发展和生态保护红线等在内涵上部分重叠,但又各有侧重。

1.1 生态安全格局研究方法与进展

目前生态安全格局领域的研究方法主要有指标体系法、“源地—廊道”法、生态系统服务供需法、情景分析法、生态风险评估法等。(1)指标体系法。指标体系法包括利用DPSIR模型[19]、生态系统健康“活力—组织力—恢复力”框架[20]等,选取生态环境指标和社会经济指标作为评价因子,对研究区生态安全状态进行综合评价并划分生态安全等级[21]。(2)“源地—廊道”法。“源地—廊道”法主要是通过生境重要性评估、生态红线等途径识别生态源地,并利用最小累积阻力模型和电路理论等方法进行生态廊道识别和生态安全格局划定[13,22-23]。如Peng等[23]利用生态系统服务评估和基于电路理论的方法,构建了由66个生态源地、186个生态廊道、24个生态节点和10个障碍点构成的云南省生态安全格局。(3)生态系统服务供需法。生态系统服务供需法是指通过定量评估生态系统服务供需及其转移和流动,以供需关系表征生态安全格局的方法[4,24]。生态系统服务供需法可以在一定程度上体现出生态过程对格局的影响,同时耦合了社会经济发展对生态系统的需求,目前已成为生态安全格局研究的热点。如景永才等[4]提出了基于生态系统服务供需的城市群生态安全格局研究框架;Li等[24]通过对水资源供给服务流的过程进行水文分析和空间建模,评估了京津冀地区的水资源安全格局,并根据水资源供给是否充足和是否受到上游影响将研究区分为了5个类型。(4)情景分析法。情景分析法即针对区域或城市的不同发展目标或不同干扰情景,对生态安全格局进行预测和比较分析[7,25]。如俞孔坚等在北京市生态安全综合格局研究基础上,提出无生态安全格局、底线生态安全格局、满意生态安全格局、理想生态安全格局4种城镇空间发展预景[5]。(5)生态风险评估法。生态风险是生态安全的逆向测度或反函数[14-15],防范和规避生态风险是保障区域和城市生态安全的重要前提。在区域生态安全研究中,通过生态风险评估来预测和估算风险源对生态系统造成损害的概率和程度,对区域生态安全建设、生态风险防范和管理具有重要的指示意义[26-27]。如吴艳霞等[28]选取了9项生态风险免疫能力指标构建了资源型城市生态安全预警指标体系;黄隆杨等[29]从生态用地质量、生态退化风险以及生态需求3方面识别生态源地,基于“质量—风险—需求”框架构建了武汉市生态安全格局。此外,还有学者利用生态承载力法[30]、系统分析法[31]等进行生态安全格局研究。

1.2 现有研究的问题和不足

首先,当前生态安全格局研究尚未形成主流的研究方法,各个学者的研究各有侧重。在生态安全评价方面,评价方法和指标体系的构建缺乏公认的准则和阈值[32],导致评价结果主观性较大;在生态安全格局构建方面,尽管“源地—廊道”法具有较好的空间格局显示,方法也已较为成熟,但是其廊道仅能代表物种迁徙的途径而无法反映其他生态过程,还有廊道宽度如何确定等问题尚未解决。其次,目前的生态安全研究大多是静态的,基于生态过程的生态安全动态评价和预警研究不足,如人类活动和气候变化对生态安全格局的影响与预测[9]。此外,目前生态安全和生态安全格局研究方法和尺度较为单一,多尺度生态安全格局研究还较少,尤其是城市尺度与区域尺度的生态安全的研究未能有效衔接。

2 雄安新区生态安全目标解析及其生态系统服务需求

生态系统服务是指人类从生态系统直接或间接获得的益处,包括有形的物质产品供给与无形的服务提供[33-34]。生态系统服务建立了社会经济子系统和生态环境子系统的桥梁,一个城市或区域生态系统服务供给和需求的平衡状态决定了其是否生态安全,而供需失衡会加剧生态风险[4]。随着生态系统服务评估及其供需研究的发展,生态系统服务已成为耦合社会经济发展与生态系统结构和功能的纽带[35],并且也是人类感知和辨识生态安全状态的重要途径[36]。维护城市生态安全需要不同层次的生态系统服务来支撑,参照心理学的马斯洛需求层次理论,将生态安全的生态系统服务需求从低到高划分为生存需求层次、可持续发展需求层次和人居环境改善需求3个层次,如图1所示。

图1 城市生态安全的生态系统服务需求层次Fig.1 The hierarchy of ecosystem service demand for urban ecological security

2.1 生存需求

支撑人类在城市生存最基础的需求包括清洁的空气、水和食物等。根据联合国第三次住房和城市可持续发展大会提出的《新城市议程》[37],城市应逐步实现人人普遍享有安全和负担得起的饮用水和卫生设施,以及人人平等获得粮食安全和营养、卫生、基础设施、能源、空气质量等公共产品和服务的目标。因此,城市发展最基本的生态系统服务需求包括水资源供给、食物生产、固碳释氧、水质净化、空气净化等。为承接北京的非首都功能,雄安新区将面临大量的人口迁入,而华北地区原本水资源就已高度紧张,满足大量新增人口及社会经济发展的水资源供给将是雄安新区亟待解决的生态服务需求之一。

2.2 可持续发展需求

根据《2030年可持续发展议程》[38],建设包容、安全、有抵御灾害能力和可持续的城市和人类住区是联合国17项可持续发展目标之一,具体包括保护、养护、恢复和促进城市和人类住区内的生态系统、水、自然生境和生物多样性,最大限度地减少它们对环境的影响,并转向可持续的消费和生产模式。雄安新区位于生态环境本底脆弱、人类活动强度剧烈的华北平原和大清河流域腹地,新区的可持续发展离不开区域和流域所提供和维持的各项生态系统服务,尤其是来自上游的土壤保持、水源涵养、水质净化,以及区域的防风固沙、生物多样性维持等。

2.3 人居环境改善需求

为建设具有“世界眼光、国际标准”的生态宜居新城,雄安新区应以人文关怀精神为指导,运用景感生态学原理,以人为本,全面考虑新区社会、经济、文化活动对城市生态系统的需求。在新区的建设过程中,不仅需要保证一定的蓝绿空间比,还应构建科学、合理、美观的绿色基础设施网络体系,以最大化满足居民生产、生活活动需求为目标,充分发挥城市绿色基础设施的生态休闲、微气候调节、降尘减噪等生态服务,提升居民福祉。

2.4 生态系统服务的尺度特征

生态系统服务是基于特定的生态系统结构、过程和功能产生的,不同的生态系统服务涉及到不同尺度的生态过程,也因此具有不同的空间尺度特征。不同尺度的生态安全格局并非独立存在,而是彼此联系、互相影响。需要注意的是,某些生态系统服务的尺度特征边界较为模糊,如粮食生产：一个城市的粮食供给来源不仅包括流域和区域内的农村、城郊,还可能包括城市内部的阳台农业、立体农业等,甚至包括国外进口部分。一般而言,生存需求层次的生态系统服务涉及到的尺度相对教大,人居环境改善需求层次的生态系统服务涉及的尺度相对较小,主要集中在城市尺度;而可持续发展需求层次的生态系统服务主要集中在流域和区域尺度。雄安新区关键生态系统服务的尺度特征如图2所示。

图2 雄安新区关键生态系统服务的尺度特征Fig.2 Scale characteristics of the key ecosystem services in Xiongan New Area

3 雄安新区生态安全格局构建框架

由于各生态系统服务具有不同的尺度特征,而维护城市生态安全需要考虑不同尺度的生态系统服务需求,因此在构建城市生态安全格局时也应从多尺度进行考虑。根据雄安新区的自然地理特征和社会经济发展格局,本研究从城市、流域和区域三个尺度提出雄安新区的生态安全格局构建框架(图3)。

图3 雄安新区生态安全格局构建框架Fig.3 The framework of constructing ecological security pattern in Xiongan New Area

3.1 雄安新区城市尺度

建设绿色生态宜居新城区是雄安新区的目标,也是城市可持续发展、吸引人才和投资的基础。因此,在雄安新区城市尺度的生态安全格局构建中,应充分考虑其在景观绿化、污染净化、环境美化、防洪减灾、以及生态休闲等方面的生态需求,有效发挥城市生态系统的各项服务功能。具体包括,在新区总体规划方案的基础上构建由公园绿地、社区绿地、道路绿地、防护绿地和屋顶或墙面绿地结合的生态基础设施网络体系;优化植物群落配置,优先选用本地和适应性较强的物种,降低植物死亡风险和管理维护成本;减少不透水地表面积,铺设生态透水砖和设计下沉式雨水花园,建设海绵城市;设计水—岸—陆梯级河流、湖泊湿地,增加城市水体自净能力和水源涵养功能;利用城市冠层模型,通过对新区绿化空间比例、天空视角、形状因子、建筑密度、高度等因子进行分析,构建生态通风廊道,缓解城市热岛和大气污染等。

3.2 大清河流域尺度

流域是水文循环、氮磷循环、泥沙输送等诸多生态过程的基本单元,也是进行水资源管理的基本单位。雄安新区及白洋淀水质和水量与大清河流域中上游息息相关。然而由于上游水库蓄水以及径流减少的原因,大部分入淀河流均处于长期断流状态,仅在丰水期有水,且水质大多为V类和劣V类。在流域尺度的生态安全格局构建中,应加强上游植被保护与恢复,防治水土流失,提升水源涵养功能;合理规划流域上下游水资源调配和跨流域调水、补水工程,统筹流域管理、区域管理和河(湖)长制度;大力推广滴灌、雨水回收等节水措施,提高水资源利用效率;监督管理流域工业废水排放,加强入淀河流的水污染治理;控制流域农药和化肥使用量,削减流域和淀区农业面源和生活源水污染等。

3.3 京津冀生态支撑区尺度

雄安新区的建设初衷是以疏解北京非首都功能为“牛鼻子”推动京津冀协同发展,因此雄安新区的发展与京津冀紧密相关,相辅相成。在京津冀协同发展规划的指导下,京津冀将实现目标同向、措施一体、优势互补、互利共赢的协同发展新格局。尤其在生态环境领域,京津冀区域生态环境的治理成效将对雄安新区具有深远影响,是雄安新区发展的重要生态支撑区。以大气污染防治为例,只有通过调整京津冀地区的能源和产业结构、统一严格排放标准,建立区域大气污染联防联控体系,才能有效提升雄安新区的空气质量。此外,京津冀地区应完善生态红线划定和自然保护地体系建立工作,保护自然生态系统和区域生物多样性;强化燕山—太行山生态安全屏障、京津保湿地生态过渡带建设,构建衔接太行山—渤海湾的生态廊道;建立并完善碳交易、排污权交易和生态补偿制度等,通过经济手段调控区域污染排放和利益冲突等。

4 结论和建议

维持城市生存和发展所依赖的关键生态系统服务的供需平衡是保障城市生态安全的根本要求和基本前提。本文将城市生态安全涉及的关键生态系统服务需求分为三个层次：一是水资源供给、食物生产、水质净化等城市生存所依赖的基础资源与基本环境维持相关的生存需求服务,二是土壤保持、水源涵养、防风固沙、固碳释氧、生物多样性等生态系统稳定和可持续性维持相关的生态系统稳定和调节类服务,三是生态休闲、微气候调节、降尘减噪、文化审美等人居环境与文化类服务。由于各生态系统服务具有不同的尺度特征,因此在构建城市生态安全格局时也应从多尺度进行考虑。本文以雄安新区为研究对象,从不同需求层次分别对其生态安全保障的生态系统服务需求进行了分析,并结合其自然地理特征和新区建设的社会经济发展情景,从新区城市、大清河流域和京津冀区域三个尺度提出了雄安新区生态安全格局构建框架。

作为京津冀世界级城市群的重要一极和推动高质量发展的全国样板,雄安新区的建设和发展吸引着全国和全球包括学者和政府在内的各界关注。生态安全是一切发展的前提和基础,也是决定雄安新区发展成败的关键因素。在雄安新区的建设过程中应把生态环境问题摆在首位,从新区城市、大清河流域和京津冀区域多个尺度进行生态环境管理和调控,充分发挥雄安新区的平台优势,打破行政和地域边界限制,创新管理体制;关注雄安各尺度关键生态系统服务的过程,加强生态环境要素的监测和预警,科学解决生态环境问题;重视雄安新区在人居环境改善层次的生态系统服务需求,尤其是生态休闲服务,打造绿色宜居的社区环境,并充分发挥白洋淀的自然景观价值,吸引国内外游客和投资者,增加旅游和文化产业比重,从而实现化绿水青山为金山银山。