基于生态系统服务供需的雄安新区生态网络构建与优化

荣月静,严 岩,王辰星,章 文,4,朱婕缘,3,卢慧婷,郑天晨

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 中国科学院大学资源与环境学院, 北京 100049 3 中国科学院城市环境研究所,城市环境与健康重点实验室, 厦门 361021 4 武汉理工大学资源环境工程学院, 武汉 430070

雄安新区是推动京津冀一体化协同发展是我国党中央作出的重大历史性战略决策,坚持生态优先、绿色先行则是雄安新区稳步、持续发展的关键[1- 2]。新区的建设是一个快速城市化的过程,由于城市生态系统复杂性,快速城市化过程会对城市生态环境与城市生物多样性丧失产生强烈的影响,严重威胁城市与区域的可持续发展[3-4],人类对生态环境保护的关注、维护生态安全不仅有助于实现生态系统自身运转良性循环,也是实现人类社会可持续发展的必经之路[5]。因此如何在快速城市化进程中,保障城市生态安全是亟待解决的一个问题。

国内外学者通过优化城市景观结构、构建绿色廊道、形成城市生态网络,已成为应对城市化栖息地破碎化、热岛效应以及自然水文土壤等环境问题、保障城市生态安全的重要共识[6- 8]。1996年,欧洲理事会制定生态网络路线,主要包括核心地区、走廊和缓冲区,旨在设计和发展欧洲国家之间的生态网络,建立跨尺度的景观尺度生态过程,增加自我恢复能力,并引导发展布局[9]。比利时的Flanders生态网络,西班牙的加泰罗尼亚自然保护区网络等主要关注生物多样性及文化娱乐价值保护[10]。东京绿地计划等城市尺度生态网络,主要集中于“生态基础设施”、“绿色基础设施”领域,来优化城市生态与建设空间布局,提供宜居绿色的生活环境[11- 15]。我国在国家尺度建立生态系统研究网络,覆盖全国典型的农田、森林、草原、沙漠、沼泽、湖泊、海洋和城市生态系统,反映生态系统的结构和功能、模式和过程,对生态系统恢复与生态系统管理提供指导[16]。针对区域生态网络构建研究,国内主要集中在 “生态斑块识别”、 “生态安全评估”、 “生态安全格局”、“通风廊道”等方面,并从山水林田林田湖生态修复工程、生态保护红线和保护区巡查等方面进行生态环境治理[17]。

在生态网络研究尺度方面,已有研究多集中在对大区域尺度上,如流域、省、市行政区域[18- 23],对于城市与城区中微尺度的生态网络优化研究较少,因此亟需在城市尺度研究如何合理的构建生态网络,优化生态系统结构与布局,解决快速城市化过程中改善城市生态环境、提高人居环境质量的途径。国内外生态网络研究方法,包括基于GIS技术的适宜性评价法[18]、生态指标评价法[19],以及基于景观生态学“斑块-廊道-基质”理论[20]等,其中基于最小累积阻力(Minimum Cumulative Resistance,MCR)模型计算累积阻力差,构建缓冲区与生态廊道的方法应用最为广泛,为城市生态网络构建提供必要的基础[21- 23]。

雄安新区现状城区较为集聚,整体生态用地面积较小,生态网络空间连接度较低,目前对新区研究与规划中,主要有生态保护红线的划定,白洋淀流域生态环境规划等,对于新区地块生态重要性的识别具有重要指导意义,但在地块功能连通层面存在一定的缺陷。本研究基于依据“源地-缓冲区-廊道-节点”的框架,以雄安新区生态系统服务供给、需求为基础,得到生态源地与城镇源地,基于最小累积阻力差分级,构建生态空间、农业空间与城镇空间。运用最短路径及结合新区规划设计,搭建生境斑块之间、生境斑块与城镇源地之间的廊道,建立重要的生态节点,提出雄安新区未来生态网络优化方向,作为对新区城市总体规划生态保护与修复的有效补充。

1 研究区域

雄安新区地处北京、天津、保定腹地,规划范围涉及河北省雄县、容城、安新三县及周边部分区域。新区属于暖温带半湿润大陆季风性气候,四季分明;新区位于太行山麓平原向冲积平原过渡地带,地形开阔平坦,西北部稍高,南部及东南部地势较低。土地利用以耕地为主,位于东南部的白洋淀是华北平原上最大的淡水湖,具有重要的防洪调蓄功能,被誉为“华北之肾”,见图1。

图1 雄安新区地理位置图Fig.1 Geographical location of Xiong′an New Area

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文所采用的数据包括雄安新区土地利用数据、土壤属性数据、DEM数据、气象数据(气温、降水)、道路图、水系图等。其中土地利用类型数据、NDVI数据、人口和GDP数据来源自中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn),人口和GDP数据分辨率是1 km×1 km;土壤数据来源于第二次全国土壤调查南京土壤所提供的1:100万土壤数据,分辨率为1 km×1 km;数字高程模型(DEM)采用中国科学院地理空间数据云平台提供的分辨率30m×30 m数据(http://www.gscloud.cn/);气象数据来自中国气象科学数据共享服务网的中国地面气候资料年值数据集。

2.2 研究方法

本研究通过雄安新区生态系统服务供给、需求两个层面识别生态源地与城镇源地。依据雄安新区阻力评价体系,基于生态源地与城镇源地的驱动因子,运用最小累积阻力模型,计算累积阻力及其差值,生成缓冲区。然后在阻力面的基础上,根据成本距离分析和路径分析,生成最小累积成本路径,作为源地与源地之间的生态廊道。在生态廊道之间交汇处且具有生态重要的生态功能或者生态脆弱的区域,识别生态节点。综上,运用生态源地、缓冲区、生态廊道和生态节点等要素共同构成雄安新区生态网络。

(1)生态系统服务供给与需求评价模型

本研究生态供给评价采用生态系统服务重要性评价方法进行评价。其中,生态系统服务重要性评价包含水源涵养功能、水土保持功能、生物多样性维护功能评价;水源涵养量计算采用水量平衡法[24],通过降水量、蒸发散量及土壤涵养能力等关系来推算,蒸散发量用等价的径流系数来表达;水土保持量采用通用水土流失方程[25],是潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量的差值,作为生态系统水土保持功能的评价指标;生物多样性重要性评价均采用InVEST模型[26]生境质量评估模型进行评价。

依据Villamagna等[27]学者的观点,生态系统服务需求是指人类社会获得的生态系统服务总量。本文依据张豆等[28]对于生态需求评价的方法,用生态稀缺度指标综合表征生态需求程度。并考虑到通过价值法计算的生态系统服务价值(ESV,Ecosystem Service Value)由于市场机制,得出生态系统服务价值具有不确定性,因此生态稀缺度使用人均生态系统服务总量(ES,Ecosystem System)来表示,人均ES越低,生态需求越高。具体见表1：

表1 生态系统服务重要性、生态稀缺性评价方法

(2)累积百分比保护目标分级法

参考生态环境部2017年发布《生态保护红线划定技术指南》中,运用某一生态系统服务累积保护百分比,来界定其指标对应的栅格值,从而定量化的对生态系统服务进行分级,这种界定阈值方法比自裂法、分位法等更能突显政府决策管理中以保护生态系统服务高值区域为目标的意愿。

具体流程为首先对生态系统服务归一化处理,将归一化值从高到低降序排列,计算累加服务值与累积面积百分比,为使极重要区域的功能占比最高,本文按照各生态系统服务极重要、较重要、一般重要、不重要4个等级以累积百分比为40%、70%、90%进行分级设定,使极重要区域功能占比最高,占到总量的40%;重要区域占到30%,能够有效地保护生态系统服务高值区域,同时满足生态保护管理的需求(见表2)。其中生态系统服务栅格值归一化的公式为：

Y=Int(x/xmax×100)

式中,Y为归一化后生态系统服务栅格值;x为某一生态系统服务的栅格数值;xmax为某一生态系统服务的最大值。

(3)最小累积阻力面模型[29- 30]

不同地理条件和社会经济作用对生态源地扩张具有不同的影响。依据不同目标选择与生态源地与城镇源地扩张过程相关程度高的影响因子,依据各评价因子的影响程度大小采用层次分析法确定其权重,从而建立雄安新区阻力评价体系(表3)。依据阻力评价体系,将各个评价因子的原始数据进行标准化处理后对阻力进行赋值,将各评价因子进行加权求和计算,从而得到生态源地与城镇源地扩张过程阻力面。

式中,MCR代表最小累积阻力,fmin是一个正相关的函数,评价单元对不同景观源的阻力值取最小值,Dij为源j到汇i的距离,Ri为阻力系数。

表2 生态系统服务评估分级

依据生态源地与城镇源地两类扩张的最小累积阻力相减,得到最小累积阻力差值：

MCR差值=MCR生态-MCR建设

当MCR差值<0,表明生态源地比城镇源地更容易扩张,则此栅格适宜作为生态用地;当MCR差值>0,表明城镇源地比生态源地更容易扩张,则此栅格适宜作为建设用地;当MCR差值=0,则为从生态源地与城镇源地的临界线。

表3 雄安新区阻力评价体系

3 结果与分析

3.1 基于生态重要性评价的生态供给空间识别

鉴于新区生态供给最重要的服务主要是生态调节与生态休闲,本研究选用水源涵养、水土保持、生物多样性等的生态调节服务,同时加以用规划的绿地与湿地斑块来表征生态休闲服务,共同识别雄安新区生态供给空间。

依据生态重要性的评价方法,得出雄安新区水源涵养、水土保持、生物多样性维持生态系统服务评价结果(图2)。生物多样性维护功能极重要区域,主要分布于白洋淀区、河流湿地与林地区域;水源涵养功能极重要的区域。主要分布在白洋淀湿地水域、唐河、赵王新河以及白沟引河等河道周边;水土保持功能极重要的区域,主要零星分布于容城以及白洋淀区。在此基础上,补充雄安新区规划绿地面积与白洋淀水域面积,并扣除起步区与规划中占用的居住用地以及小于1km2的小斑块,得到新区生态系统服务供给总面积为728 km2,主要分布在白洋淀水域、新区规划的绿地斑块与绿带廊道区域以及周边地区。

图2 雄安新区生态系统供给评价过程与结果图Fig.2 The evaluation process and result of ecosystem supply in Xiong′an New Area

3.2 基于生态稀缺性评价的生态需求空间识别

依据雄安新区总体规划[1],未来建设区人口密度控制在1万人/km2,对雄安新区现状人口分布数据进行修正,得到雄安新区规划人口图(图3)。依据水源涵养、生物多样性维护、水土保持等生态系统服务归一化后得到生态系统综合服务值与雄安新区人口的比值,按照自然断裂点进行空间分级, 得到新区生态稀缺性指数分级图。雄安新区人均ES在不同区域人均生态系统服务有较大差异,人均ES高值区域面积为152 km2,主要分布在新区南部白洋淀辐射范围;低值区即生态高需求区面积为166 km2,主要分布在新区东部容城县与雄县城区以及一些零星的农村居民点区域。

图3 雄安新区生态需求评价过程与结果图Fig.3 The Process and result chart of ecological demand assessment in Xiong′an New Area

图4 雄安新区生态扩张阻力与城镇扩张阻力图Fig.4 The ecological expansion resistance and urban expansion resistance in Xiong′an new area

3.3 基于“源地-缓冲区-廊道-节点”的生态网络构建与优化

基于雄安新区阻力评价体系,运用最小累积阻力模型生成雄安新区生态扩张阻力和城镇扩张阻力(图4)。依据生态系统服务供给区与需求区的分析,得到新区未来的生态源地主要分为水域生态源和林地生态源两类生态源,面积总共728.12 km2。其中水域生态源是新区白洋淀湿地、水体区域,面积为343.32 km2,绿地和林地生态源是新区已有的和新规划的森林与公园绿地等,面积为384.80 km2;在容城县、安新县,雄县均有分布,部分斑块形状较为规整,部分较为复杂。新区的城镇源地主要分布在容城县与雄县的城区居住用地,面积为166.00 km2。采用GIS分析的成本距离,以生态源地和城镇源地分别作为成本路径的“源”,进而生成生态源地最小累积阻力面(图5)和城镇源地最小累积阻力面(图6)。

雄安新区总体规划中,新区蓝绿空间稳定在70%,城镇用地面积占比30%,依据最小累积阻力差值结果,按照自定义比例的方法,将新区划分为生态空间、农业空间和城镇空间,构成新区生态安全格局分布图。 新区需要在生态源地之间、生态源地与城镇源地之间搭建稳定的生态廊道,提升彼此之间的连通性。依据源地与源地之间的最小累积阻力路径,结合新区规划绿带与河流治理工程,共同生成新区生态廊道。得出新区生态廊道分为两种类型,一类是河流生态廊道,由研究区内唐河、赵王新河以及白沟引河等河流水系构成;另一类是林地生态廊道,由白洋淀湿地及其滩涂周边绿带、重要高铁与高速交通干线两侧、城区周边自然或人工带状林地与草地等生态用地组成。同时在新区未来的建设中,要逐步完善新区河流廊道交汇点、河流廊道与城区的交汇处、交通道路与生态用地的交汇处等生态节点,是对新区生态网络的重要补充,更加有效保障城市生态安全(图7)。

图5 雄安新区生态源地与最小累积阻力图 Fig.5 The ecological source area and minimum cumulative resistance of ecological source in Xiong′an New Area

图6 雄安新区城镇源地与最小累积阻力图 Fig.6 The urban source area and minicmum cumulative resistance ofurban source in Xiong′an New Area

图7 基于“源地-廊道-节点”生态网络构建 Fig.7 The construction of ecological network based on “source -corridor- node” in Xiong′an New Area

4 讨论与结论

4.1 讨论

雄安新区是一个高度城市化的城市,潜在的生态源地、生态廊道及未来生态节点的规划,有效地保障新区未来的生态安全。通过雄安新区生态系统重要性与稀缺性的评估,识别生态系统供给和需求空间,得出新区生态源地与城镇源地空间分布。生态源地主要分布在安新县白洋淀区域,容城县与雄安县分布的公园、街头绿地和附属绿地等;城镇源地分布于容城县与雄县的城区居住用地。因而在新区生态建设与修复中,需重点建设生态效益较高的大型生态绿地和面状水域,保障新区充足的生态空间提供生态系统服务。

在此基础上,依据雄安新区完善的生态网络,新区需要建立绿地间的连接地带、绿化隔离带、河流水系绿带为主的多种生态廊道,提升新区各生态源地之间的连通性;如通过人工干预的手段,增加河湖滨绿带、道路附属绿地、带状公园、防护林等。建立多功能的集中绿地、水面等生态节点,既能丰富城市生态系统,又能改善城市局部小环境,还是市民休闲活动的重要场所;如在各类生态廊道的交汇点,建设森林公园、湿地公园等。同时鉴于雄安新区规划多条高铁、高速等交通干线,需要建造生物涵洞来提高生态系统连通性,降低线性工程对生态系统的干扰。

综上,本文提出城市的生态网络包含“源地-缓冲区-廊道-节点”等多要素结构,其闭合度越大,越有利于能量、物质、信息流在网络中循环和流通,能够有效实现快速城市化过程中城市生态环境改善、人居环境质量提升的目标。其中,源地结构是生态网路的基础,为城市人类提供产品供给、生态调节、生态休闲等生态系统服务,同时是城市动植物栖息地的主要来源。生态缓冲区包围城市开发边界,能够有效的防止城市的无序扩张,是生态网络的重要环节;廊道结构是整个生态网络的关键,对景观生态过程的影响很大,生态廊道结构越复杂,越有利于发挥廊道连接、分隔等作用;生态节点是生态网络的关键转折点,起着至关重要的战略作用,脆弱的生态节点直接导致不稳定的城市生态网络结构。

4.2 结论

城市生态网络构建需要与生态系统供需密切关联。基于生态系统服务供需关系,能够更加精准的进行城市空间规划。构建雄安新区“源地-缓冲区-廊道-节点”的多层次、多功能、点线面相结合的城市生态网络系统,能够有效保护整个城市生态系统、物种栖息地和重要景观,对城市生态保护与修复方向具有指导意义。

雄安新区面对快速城镇化与环境可持续发展的目标,可通过打造质量高的生态斑块、连通度高的生态廊道,以及森林湿地修复工程、跨界河流治理等生态措施来共同保障雄安新区生态安全。但是雄安新区生态安全问题不仅是新区内部结构的优化,同时关系到新区生态系统服务之间的权衡以及与外部区域进行物质能量流动交互等,因此从多尺度多目标的角度,将新区内外联通进行生态网络构建与优化,是保障雄安新区生态安全的研究方向。