沿海高密度城市国土空间生态修复关键区域识别方法——以澳门特别行政区为例

王佳煜 陈天

识别国土空间生态修复关键区域并辨析城市适宜发展区域，是建构生态健康的国土空间体系、提升国土空间开发利用效率的重要途径，对贯彻生态文明建设具有重要意义。精准识别国土空间生态修复区域，首先需要在技术上构建一套生态修复区域的评价标准。既往研究多关注景观生态学理论垂直叠加与水平生态过程的空间分析[1]，对国土空间生态修复的研究内容集中于土地功能[2]、生态安全格局[3]、流域生态价值[4]等特定方面；在研究方法上，生态系统服务（ecosystem services, ESs）虽已介入生态修复区域识别领域，但仅停留在借助其技术手段构建生态源地的初级阶段；在研究结果上，多根据ESs价值测算结果定性提出生态修复策略，尚无研究从生态系统的复杂性视角出发，度量同一类型用地表达的生态功能多样性及差异性，进而探索生态保护与城市发展双赢目标下划分国土空间修复关键区域的技术方法。

ESs是联结生态系统与人工环境的桥梁，能够作为突破上述研究限制的切入点。从宏观角度来看，ESs指人类直接或间接从生态系统中获得的各种益处[5]；从生态系统-城市环境的耦合关系来看，建设用地的扩张不断蚕食生态廊道，自然资源的高度保护又致使城市用地碎片化、松散化，其相互作用的本质与ESs的概念内涵不谋而合[6]。因此，将传统生态修复关键区域识别方法与ESs相结合，在理念上借鉴了生态城市规划的发展思想；在空间上有助于精准划定生态修复关键区域，形成国土空间规划体系下的生态环境与城市形态耦合格局；在实施上积极响应城市集约发展的诉求，促进生态效益与社会效益系统发展双赢。

基于此，本研究拟引介ESs理念中生态-城市互馈作用机制，着重解决“如何将ESs嵌入传统国土空间生态修复关键区域划定理念与技术方法”这一关键问题，创新性地纳入ESs多层级服务并耦合生态修复成本（cost of ecological restoration, CER），可以更好地实现生态修复关键区域识别精准化与实施修复效益最大化。同时，本研究基于《澳门特别行政区城市总体规划（2020—2040）》（以下简称《规划》）提出的“持续推动绿色低碳及可持续的城市发展目标”，旨在提升沿海高密度城市生态环境修复与城市建设效率。

1 研究数据与数据来源

1.1 案例背景及研究区域

澳门特别行政区（以下简称澳门）是世界上人口最密集的地区之一。1999年澳门回归后，人口数量以年均近4%的幅度快速增长，人口和资本向土地资源有限的城市快速聚集。澳门作为中国“一国两制”方针的范本和世界旅游休闲中心，城市化率已达100%，但同时也面临着严峻的城市问题。

1.1.1 海陆空间割裂——海洋系统与陆域系统的矛盾

2009年11月国务院正式批复同意澳门特区政府填海造陆约361.65 hm2，建设澳门新城区。至2018年，澳门特区土地面积由1912年的11.6 km2增长到32.8 km2，海岸线长度自2000年的41 km增长至76.7 km[7]。大规模围填海工程建设激化了海陆生态系统的矛盾，威胁着滨海地区的可持续发展。

1.1.2 空间赤字严重——土地资源与城市发展的矛盾

澳门是高密度填海造陆城市发展的典型代表。时至今日，澳门填海面积已超过最初的总用地面积，填海活动盛行导致人口总量快速上升且分布不均。人口密度由2011年的1.84万人/km2上升至2015年的2.11万人/km2，澳门半岛仅占据全澳门30.7%的土地，却集中了超过80.6%的人口。高密度建设模式引发的一系列微气候失衡、高温、热岛效应等气候问题[8]，已成为制约城市发展与宜居城市塑造的主要阻力。

1.1.3 生态监管缺失——生态系统与建设活动的矛盾

长期以来，中国城市建设活动都以人工环境为主导，自然环境仅作为建设活动前期勘测的一项考察依据，后期则被迫沦为填充城市发展空白的破碎景观资源。澳门城市建设发展迅猛，但绿地资源并未随之同步增长，人均绿地面积由2011年的15.5 m2下降至2014年的14 m2[9]。尤其在澳门半岛等人类活动较频繁的空间，由于极高的建筑密度与丰厚的城市历史文脉，只能采用见缝插针式的绿地布局，导致城市景观破碎化程度日益加剧，对整体景观生态安全格局造成负面影响。

1.1.4 规划理性不足——城市形态与规划结构的矛盾

澳门城市建设格局关注绿地景观的结构性塑造，但强制性划分绿地空间作为其他用地的补充与细化的做法，违背了生态物质信息流动的自然规律。如位于路环岛的大潭山与小潭山，在规划时未能考虑山体之间的景观廊道联系，导致城市建设用地扩张，不断蚕食山体间珍贵的生态与文脉联系，逐渐成为被建筑包围、缺少联系的孤山[10]。

澳门低生态约束的中、高速扩张模式与脆弱敏感的环境本底间的现实矛盾突出，以此作为研究对象具有一定代表性与研究意义。根据澳门城市规划目标以及填海造陆工程放缓等驱动影响，预计至2030年城市空间发展仍将高位运行。因此，模拟城市扩张发展趋势并识别国土空间生态修复关键区域，将有助于实现生态空间结构的刚性保护与存量自然资源的弹性释放[6]。

1.2 数据来源

研究范围限定在澳门半岛、氹仔岛、路环岛、路氹填海区以及横琴岛澳门大学新校区，研究依据澳门地图绘制暨地籍局、建设发展办公室提供的2019年10月18日Landsat TM/ETM影像（分辨率为30 m×30 m）、研究行政界线空间数据、地理空间特征及数字高程（digital elevation model, DEM）数据、研究范围土地利用与城市总体规划和经济社会统计数据等相关资料，划定国土空间生态修复关键区域。

2 研究思路与方法

2.1 生态系统服务评价方法

ESs作为管理生态资源的技术手段，以兼顾生态需求与社会发展为目标，借助用地功能的空间异质性契机，引导形成面向宏观区域的健康生态空间。构建ESs评价体系是评估生态系统服务价值的基础，本研究旨在形成一套可转化、可操作的分级体系，具体方法阐述如下。

1）定义ESs类型：世界范围内尚未形成一套科学统一的ESs价值核算方法，本研究以国内外学者的大量探索性研究为依据，基于单位面积价值当量因子方法，明确ESs产品的标准功能单元，参考中国陆地ESs单位面积服务价值当量表[11]，定义4类ESs一级服务，以及气体调节、土壤支持与水资源供给等10种二级服务，确定其在不同土地利用类型下的价值当量系数（表1）①[12]。

表1 ESs价值当量系数[11]Tab. 1 Value equivalent coefficient of ESs[11]

2）提取ESs空间异质影响因子：仅以土地利用类型测算ESs时，则会忽略不同用地类型的空间异质性[13]。因此，依据既有研究[6]与专家建议，进一步细化二级服务的时空分异影响因子，以表达的直观性、简洁性及独立性为原则，形成10项ESs评价指标（表2）。

表2 ESs类型与数据获取途径[6,14-15]Tab. 2 Types of ESs and methods of data acquisition[6,14-15]

3）确定ESs的协同权衡关系：掌握ESs权衡与协同关系的类型是进行可持续ESs管理的基础和前提[16]。本研究通过SPSS22.0软件分析4类一级服务的Pearson相关性，明确ESs中兼容的协同作用与不兼容的权衡作用，为生态修复关键区的自然和人文双轮驱动提供科学依据。

2.2 生态廊道的识别与构建

无论是城市规划视角下绿地系统的“点-线-面”形态，还是景观生态学视角下的“斑-廊-基”结构，生态修复的重点都在于重塑生态物质信息的流动通路，以实现生物多样性保护、物种迁徙与休闲游憩等ESs[17]。因此，以识别生态廊道为基础，预测生态修复成本（cost of ecological restoration, CER）是实现经济效益与生态效益双赢的关键一环。

本研究借鉴“生态源地-阻力面-生态廊道”的研究范式预测CER：1）依据《规划》提取林地、水域等生态保护区作为生态源地；2）结合澳门高密度城市特征与景观类型赋予相应的阻力值（取值范围设定为1～100）[18]，量化经由不同生态景观斑块所消耗的费用②（表3）；3）采用最小累积阻力模型（minimal cumulative resistance, MCR）模 拟 物 种 扩 散过程与生态流动过程的难易程度[19]，基于Circuitscape插件中的Linkage Mapper模块构建生态廊道，计算公式如下：

表3 阻力面类型与阻力值Tab. 3 Resistance surface types and resistance values

式中：MCR为生态源斑块j扩散至某点的最小累积阻力值；Dij为物种从生态源地j到空间某一点所穿越的基面i空间距离；Ri为斑块i对生态过程或物种运动的基本阻力。

2.3 ESs-CER耦合识别生态修复关键区

2.3.1 耦合理念与路径

沿海高密度城市存在海陆生态系统保护与社会经济发展的矛盾，亟须寻求统筹生态服务功能与经济效益的发展模式。笔者选择ESs与CER分别作为上述两者的评价基础（图1）：在ESs理念的引导下，生态修复关键区域识别成为关注城市生态脆弱区域与生态环境大格局的规划方法，最终可精准识别海陆ESs高价值生态资源区域；CER是基于生态廊道表征得出的生境连通性，合理推测修复破碎景观斑块的难易程度，即生态修复可能消耗的综合成本。区域内生境连通性越强，表明生物迁徙阻力越小且可选择路径越多，所耗费的修复成本较小，反之亦然。集成2种分析理念，采用元胞自动机（cellular automata, CA）模拟城市自组织发展趋势，通过生境退化与城市紧凑度评测自然-人工环境耦合发展综合效能，并根据结果划定国土空间生态修复关键区域，为实现生态效益与经济效益双高目标的国土空间规划提供一定决策依据。

1 基于ESs的国土空间生态修复关键区域识别研究框架Research framework of key area identification for ecological restoration of territoral space based on ESs

2.3.2 模拟情景设定

基于以上理念与路径，设定ESs优先、CER优先与ESs-CER协同优先3类修复情景，分别表征严格保护高ESs区域、仅保护并修复高CER区域、保护并兼顾ESs-CER这3类修复区域划定情景（表4）。

表4 修复情景设定[6]Tab. 4 Restoration scenario setting[6]

2.3.3 城市自组织发展模拟条件设定

基于ArcGIS Model Builder平台构建简单的CA技术模型，操作过程如下：1）设定发展引导约束条件规则，选择“与建成区的距离”“与交通基础设施的距离”分别表征区域内核心增长极与交通区位优势；2）设定空间控制约束条件规则，分别以上述3类情景作为空间控制约束条件；3）生成邻域建设用地适宜性概率图像，建设用地转换概率根据预先设定的发展引导约束条件与空间控制约束条件共同作用[20]；4）构建CA模型运算法则，根据重分类的现状建设用地栅格图层与可建设用地栅格图层③，将邻域建设用地适宜性概率图像与可建设用地相乘，划定可建设用地栅格单元范围，每类情景进行50次迭代运算后输出最终城市自组织发展结果。公式如下：

式中：Pi为最终转换概率，conf(Si=construction)为条件函数，若Si为建设用地，赋1，否为0；5×5为邻域用地范围；Ps,(i)为情景条件下的城市自组织发展结果。

2.3.4 自然-人工环境耦合发展综合效能测度方法

1）生境质量评价方法。生态修复关键区划分应实现稀缺敏感生境的保育，降低城市发展对邻域生境造成的影响。借助InVEST软件平台的生境质量（habitat quality, HQ）模块测度生境保护效能，以2019年澳门城市用地现状作为起始状态，分别与上述3类城市自组织发展空间格局对比，合理推断出符合目标的优质情景[21]。HQ模块计算公式如下[22]：

式中：Qxj为地类j中栅格x的生境质量指数；Hj为地类j的生境适宜度；k为半饱和常数，通常取Dxj最大值；z为模型默认参数；Dxj为地类j中栅格x的生境退化度。

2）城市紧凑度评价方法。紧凑集约的用地格局应兼具完整的几何形态与连续的用地边界。澳门城市空间形态受限于土地资源，更应将城市紧凑度作为衡量城市开发效率的重要指标。采用景观格局指数表征城市形态紧凑度已是较为成熟的技术方法[6]。研究基于Fragstats 4.2平台量化城市空间结构，测度城市自组织发展结果的土地资源利用紧凑程度（表5）。

表5 景观格局指数列表与选取意义Tab. 5 Landscape pattern index list and selection significance

3 研究结果及分析

3.1 研究结果

首先，获取2019年澳门特区ESs价值当量（表6）与ESs价值评价及空间制图结果（图2）。其中，林地、水域的4类ESs价值都较为突出，具有促进区域集约高效发展的潜力。由《规划》可知，路环区内的林地已被划定为不可都市化地区，未来可在保证其“调节-供给服务”的基础上进一步发挥文化服务价值，结合步行系统串联山体（竹湾顶）、水体（黑沙水库郊野公园）以及文化旅游节点（妈祖文化村），形成具有自然生态和游憩文化双重内涵的高质量韧性生态廊道。

2 ESs价值评价及空间制图结果ESs value evaluation and spatial mapping results

表6 2019年澳门特别行政区价值当量Tab. 6 Value equivalent of Macao SAR in 2019单位：元/hm2

其次，澳门特区的ESs协同权衡机制符合当前国内外对ESs各类服务关系的普遍认知，即“调节-供给与支持-文化服务”间表现出相互增益的协同关系（表7）。澳门ESs以协同关系为主，相关性最强的是“调节-供给服务”，这得益于澳门老旧城区持续的绿化更新，并促进了生态服务调节与生态产品供给的协同提升。

表7 澳门ESs价值相关性分析Tab. 7 Value relevance analysis of Macao ESs

再次，生物迁徙呈纵向分布，澳门半岛东侧填海区域内生境连通性越弱，生物迁徙阻力较大，表征出较高的生态修复成本（图3）。

3 生态廊道识别与生态修复成本预测Identification of ecological corridors and prediction of CER

3类情景下的CA模拟结果有明显差异（图4），ESs优先的建设用地以内城填充的形态扩张，存在小规模、碎片状的建设模式（如新城A区、路氹区东侧），部分填海区域被割裂为多片孤立用地，与国土空间利用的紧凑高效目标相悖。CER优先则使建设用地逐渐扩散至东侧填海区。ESs-CER协同的用地扩张呈较明显的城区外拓趋势，以块状为主集中分布于新城A区、港珠澳大桥珠澳口岸人工岛等填海区，符合澳门对此区域的用地类型划定规律。

4 3类生态修复情景下的城市自组织发展模拟结果Simulation results of urban self-organized development for three scenarios

3.2 ESs-CER协同情景的有效性验证

为进一步检验ESs-CER耦合情景下生态修复关键区域划分的科学性与有效性，从生境保护效能与城市发展紧凑度2个方面评测各情景的综合修复效能。

3.2.1 生境保护效能分析

城市发展空间应避免高品质生境空间遭受不可逆转的退化，而定量比较生境保护效能是较为直观的验证方法。从空间分布来看，3类情景下的HQ模块均表现出明显的空间异质性，整体呈北高南低的分布态势（图5）。澳门半岛的水域斑块，如南湾湖持续稳定地提供ESs且不易受到城市用地扩张的影响；草地、林地等生境斑块的生境退化程度差异较大，是澳门生态保护与城市发展重点博弈的区域。通过进一步量化生境退化程度面积可知，ESs-CER协同情景下的中高度退化生境相对较低，生态斑块与廊道能够抵御建设用地扩张压力，防止稀缺的生态资源在高速城镇化进程中出现显著衰退。

5 3类情景模拟结果下的生境退化空间分布Spatial distribution of habitat degradation for three scenarios

3.2.2 城市发展紧凑度分析

虽然因澳门城市面积小而导致的城市发展紧凑度结果差异不明显，但ESs-CER协同在PD、ED、DIVISION指标上的表现略高于另两类情景，且斑块类型丰富，表现出用地的高效紧凑性及城市功能的混合趋势。相较而言，ESs优先的城市用地扩张会因严格避让自然资源，而导致用地格局碎片化；CER优先的土地转换可能会牺牲大量优质生态空间，发生大范围的城市蔓延。综合来看，各情景下的城市发展紧凑度均较高，但亟须重视土地扩张方式与转换效率，制定合理的政策遏制扩张趋势并注重存量更新。

4 国土空间生态修复关键区域划定

根据上述分析结果，综合判定ESs-CER协同的修复情景表现良好，在降低城市高速发展对高品质生境威胁的同时，合理引导低ESs地区建设用地的紧凑布局。因此，以ESs-CER协同模拟结果作为理想情景，最终划定澳门国土空间生态修复关键区域（图6），明确各区生态功能定位并制定生态保护修复目标。

6 澳门空间生态修复关键区域划定结果Delimitation results of key ecological restoration areas of territorial space in Macao

1）“ESs高- CER高”区域划定为重点保护区，以保护现有高ESs空间为首要任务，提升现状受损生态斑块的服务水平，适当协调生态保护与经济发展需求，清理零碎的建设斑块并划定限建区，通过建设用地的腾退、减量和增绿实现性质转换。对处于高密度老旧城区内部且具有较高调节、文化服务价值的生态斑块，尤其是东望洋区、大三巴区等重要的城市开敞空间，应持续发挥其生态保育、微气候调节及游憩功能，采用严格保护政策避免生态用地被居住、产业用地侵占。

2）“ESs高- CER低”区域划定为重点修复区，以发挥高质量生态涵养空间的综合效益为原则，严格保护高价值生态环境，维护生态空间的系统稳定。适宜选取区域内较大范围的生态斑块进行地形修复和岸线维护，如将澳门半岛中区的南西湾硬质岸线逐步修复为柔性生态岸线，明确水资源承载底线并加强水域陆域修复协调性，强化与珠海湾仔生态廊道的连通性。

3）“ESs低- CER低”区域划定为生态提升区，多为水域、绿地（如南湾湖填海区），属兼具生态、景观、游憩功能的自然生态要素，具备优质的供给服务与文化服务价值。通过对支持-调节服务、供给-文化服务的适度协同，如加强城市绿地、湿地等生态用地建设与环境品质提升等，有机融合城市环境与生态空间，实现经济价值和生态价值双增长。

4）“ESs低- CER高”区域划定为集中建设区，以东侧填海区与澳门大学新校区为主，前者拥有平坦的地势条件与沿海临接港珠澳大桥口岸的优势，后者已具备完善的校园建设格局。对此，应特别注重区分2类区域的未来发展模式：科学规划填海区土地利用结构，将零碎用地集中归并到临近区域，填充内部细小的空隙，保留大中型生态要素，推动自然资源的保护管理和区域经济的集约高效；在加强大湾区科技合作的背景下，澳门大学新校区已初步实现高效绿色的建设目标，应进一步拓展生态修复深度，探索校区水资源、可再生能源的循环利用新模式，加强生态文明教育并促进集约内涵式发展。

5 结论

既往研究较少考量不同用地类型ESs的空间异质性，以及与社会经济效益的互馈关系。本研究提出了基于ESs的国土空间修复关键区识别方法：1）明确ESs价值当量，以Pearson相关分析确定ESs的协同权衡关系；2）确定生态廊道连通性并合理推测CER；3）生成ESs优先、CER优先、ESs-CER协同3类情景下的城市空间自组织发展模拟结果。研究发现：ESs-CER协同情景下的用地扩张呈较明显的城区外拓趋势，符合澳门土地利用规划对建设用地类型划定规律。本研究通过澳门的实例证明，ESs-CER协同修复情景有助于促进生态效益与社会效益系统发展双赢，并可由此划定生态修复关键区与城市集中建设区，利于发挥优质生境抵抗城市扩张压力的潜质，实现打造集约高效生产空间、宜居舒适生活空间与智慧韧性生态空间的规划目标。

相较于以往研究，将ESs与CER耦合研究弥补了原有空间识别技术对ESs多样要素的研究局限，实现了生产、生活空间的科学调控，生态空间的增值提效。本研究成果可为国土空间用途管控下的生态修复区域识别提供科学的技术支撑，但在不同的研究区域，需针对特定需求进行更深入的研究，以寻求生态保护和经济成本的平衡阈值。

注释(Notes)：

① 根据谢高地等（详见参考文献[10]）的研究，ESs价值最高的地区分布于我国东南、西南沿海地区，与中国主要森林空间分布规律一致。澳门属东南沿海区域，由实地调研发现该区域林地空间占比低于水域空间占比，可推测整体ESs的高价值主要依靠水域和草地，这一推测也从侧面验证表1水文调节服务价值当量的合理性。依据《城市用地分类与规划建设用地标准》GB 50137—2011划分，林地指以乔木、竹类、灌木、沿海红树林为主的土地，绿地包括公园绿地、防护绿地、居住区绿地等。以研究区域为例，大氹山、东望洋山、大潭山、小潭山等划分至林地，城市公园（宋玉生公园、何贤公园）、居住区绿地、附属绿地等划分至绿地。

② 本研究所选择景观类型阻力值，是基于大量专家研究与作者实地调研经验，在合理范围内得出的结果。

③ 根据龙瀛等（详见参考文献[19]）研究与研究范围的实际情况，将土地利用现状中的林地、草地、裸地作为可建设用地。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

文中图片均由作者绘制，其中图3、6底图来源于《澳门特别行政区城市总体规划（2020—2040）》；表1整理自参考文献[10]；表2整理自参考文献[13-14]；表3～7由作者绘制。