基于生态系统服务重要性和生态敏感性的广东省生态安全格局构建

王 浩,马 星,杜 勇

广东省城乡规划设计研究院,广州 510220

生态安全是人类社会可持续发展的重要前提,也是当前地理学与生态学乃至城乡规划学研究的热点[1-4]。20世纪80年代以来,我国经历了快速的城镇化过程,过度的开发活动对生态安全产生了巨大的影响,植被覆盖率降低、水污染问题突出、水土流失频发、生物多样性降低等一系列的生态环境问题威胁着山水林田湖草生命共同体的和谐与共生。在我国生态文明的国家战略背景下,生态安全问题越来越受到关注,如何解决生态安全问题已经不仅仅是学术界关注的焦点,也成为了国家和社会重点关注和亟待解决的问题,“统一行使所有国土空间用途管制和生态保护修复职责,统筹山水林田湖草系统治理”的国家战略,要求从国土空间的范畴上形成统一治理的生态安全保障体系[5]。

构建城市生态安全格局是系统解决生态安全问题、推动可持续发展的重要手段。近十年来,众多学者围绕生态安全格局构建的问题进行了大量的理论和实证研究,并逐渐形成了一套包含源地、节点、廊道的生态安全格局构建方法体系。俞孔坚等[6]在2009年对北京市生态安全格局的研究为近十年的相关研究奠定了基础,他提出的“源-空间联系-优化策略”的技术路线被不断丰富和优化。在研究尺度方面,形成了全国[7]、省域[8-9]、城市群[10-12]、市域[13-14]和县域[15]的多尺度生态安全格局构建方法；此外,不同类型区域的生态安全格局构建方法存在差异,山地型城市[16-18]、山水型城市[19]、平原地区[20]、农牧交错带地区[21]、海岛型城市[22]等；在研究方法上,逐渐产生了基于生态系统服务供需[23]、基于生态保护红线[24]、基于生态重要性和敏感性[25]、基于源-汇理论[26]等多种生态安全格局构建方法。当前的生态安全格局研究无论是在理论还是在实践上都产生了较多成果,形成了系统的生态安全格局构建理论体系和技术体系,但是较少提出对生态安全格局落地以及优化的政策建议。

作为改革开放的先行地,20世纪90年代以来,广东省经历了快速的城镇化过程,在大幅提升社会经济发展水平的和人民生活水平的同时,生态环境问题也在逐渐凸显,存在着水源水质安全受到威胁、水源涵养能力不足、野生动植物保护力度不够、海域生态系统遭到严重破坏、水土流失和地质灾害加剧、风暴潮灾害、洪涝灾害危害以及城市生态环境恶化等问题。在国土空间规划背景下,急需识别生态环境问题,优化生态保护空间格局,为促进生态文明、绿色发展以及更好地统筹“山水林田湖草”提供科学依据。本文在借鉴已有相关研究的基础上,使用生态系统服务重要性、敏感性评价以及最小阻力模型等方法构建广东省生态安全格局,为广东省国土空间保护格局的落地以及生态空间优化提供参考和借鉴。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域

广东省地处珠江下游,北倚南岭,南邻南海,下辖21个地市,国土面积17.97 km2(图1)。广东省整体地形呈北高南低,北依南岭山脉邻接湖南,东有莲花山脉与福建相接,西有云开大山与广西相邻,平均海拔208 m,年均降水量1560 mm,属于亚热带季风气候。2017年常住人口近1.1亿人,国民生产总值89705.23亿元,城镇化率69.85%,经济发展水平居全国前列,尤其是珠三角地区作为粤港澳大湾区的主要组成部分,是我国开放程度最高、经济活力最强的区域之一。为促进区域协调发展,广东省正在构建“一核一带一区”发展新格局,旨在实现高质量发展的同时,实现生态环境的保护与恢复。

图1 广东省地形地貌Fig.1 The topographic of Guangdong province

1.2 数据来源

研究所需要的数据主要包括土地利用变更调查数据、气象数据、遥感数据产品、自然保护地数据、地形数据、道路数据、土壤数据等(表1)。其中土地利用变更调查数据、基础地理数据和自然保护地数据都来自广东省自然资源厅,气象数据来自广东省气象局；交通路网数据来自广东省交通厅；MODIS NDVI数据来自NASA官网,DEM(Digital Elevation Model)数据来自地理空间数据云,土壤数据下载自中科院资源环境科学数据中心。

表1 数据来源

2 研究方法

2.1 生态系统服务重要性评价

参考《广东省生态红线划定指南》和与相关研究,选取广东省较为重要的水源涵养、水土保持、固碳释氧和生物多样性四种生态系统服务功能,分别采用综合蓄水法模型、改进的土壤流失模型RUSLE模型、CASA模型和InVest模型进行估算,得到不同生态系统服务类型结果。最后通过自然断点法将四种生态系统服务功能进行分类和等权叠加,得到生态系统服务重要性结果。

水源涵养服务主要通过植被的林冠截留、枯落物层截留和土壤截留作用来实现,本研究采用综合蓄水法来估算水源涵养服务能力[27],计算公式见公式(1)。

Q=Q1+Q2+Q3

(1)

其中Q为单位面积的保水量,Q1是植被冠层的截留量,Q2是估值落叶层的吸水截留量,Q3是土壤层的截留量。

土壤保持服务能力使用改进的水土流失模型RUSLE模型进行估算,该模型主要包含两个部分,一部分是潜在土壤侵蚀量,一部分是现实土壤侵蚀量,两者之差为土壤保持量[28],计算方法见公式(2)。

Ap=R×K×L×S
Ar=R×K×L×S×C×P
Ac=R×K×L×S×(1-C×P)

(2)

式中,Ap是潜在土壤侵蚀量,Ar是现实土壤侵蚀量,Ac是土壤保持量,R是降雨量侵蚀因子,K是土壤可蚀性因子,L是坡长因子,S是坡度因子,C为植被覆盖因子,P为水土保持措施因子。

生境质量反映某种环境下物种发展生存的能力,一般用来评估生物多样性。本文使用InVEST模型评估生境质量,计算方法见公式(3)。

(3)

式中Qxj为土地利用类型j中的斑块x的生境质量；Hj是土地利用类型j的生境适宜性；Dxj是土地利用类型j种斑块x受威胁水平,z为常数[29-30]。

固碳能力即大自然的碳封存的能力,指的植物通过光合作用的固碳过程[31]。本文使用CASA模型计算植被净初级生产力(NPP)来代表植被的固碳释氧服务能力。计算公式见公式(4)。

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(4)

式中,式中,NPP(x,t)是栅格单元x在月份t的净初级生产力(gC/km2),APAR(x,t)表示象元x在月份t的光和有效辐射(MJ/km2)；ε(x,t)是象元x在月份t的实际光能利用率(gC/MJ)[32]。

2.2 生态敏感性评价

参考相关研究成果并结合广东省自然环境因素[33-34],选取植被覆盖度、高程、坡度、土地利用类型及土壤侵蚀强度等5类指标作为评价因子(表2)。其中,土壤侵蚀强度用来表示研究区生态环境最为突出的水土流失敏感性,其值基于修正的通用土壤流失方程计算并分级得到。基于层次分析法确定的权重,对上述5类因子敏感性赋值结果进行加权运算,并使用自然断点法划分为不敏感、轻度敏感、中等敏感、高度敏感和极度敏感5个等级,获得生态环境敏感性评价结果。

表2 生态敏感性评价因子

2.3 最小阻力模型构建

基于最小阻力模型,计算生态源点与生态源点之间的最小耗费距离,以测算其向外扩张过程中各种景观要素流、生态扩散的最小阻力值,判断源地之间的连通性和可达性。通过参照相关研究[35-36],选取土地利用类型、海拔、坡度、植被覆盖度、距河流道路等线性空间的距离等阻力因子,使用层次分析法确定各个因子权重,叠加生成阻力面(表3)。其计算公式为：

(5)

式中,MCR为最小累计阻力值；Dij为物种从源地j到景观单元i的空间距离；Ri为景观单元i的生态阻力系数；f表示最小累积阻力与生态过程的正相关关系。

表3 阻力面影响因子

3 结果分析

3.1 广东省生态系统服务重要性

广东省不同的生态系统服务功能具有不同的空间格局,对于生态安全格局也有着不同的作用(图2)。土壤保持服务较高的区域主要集中在粤北和粤东地区,包括云开山脉、南岭、莲花山脉等重要山脉。水源涵养服务高值区主要集中在环珠三角区域,该区域年均降雨量大,植被覆盖率较高,容易涵养水源。生物多样性的高值区主要分布在人类活动影响较小的山区,珠三角核心区的集中建成区还有主要的交通干线两侧生物多样性较低。

图2 广东省生态系统服务功能评估结果Fig.2 The evaluation result of ecological service in Guangdong Province

从空间格局上来看,生态系统服务的高值区主要集中在珠三角核心区的外围和粤北区域,尤其是在珠三角的东西两侧形成了集中连片的具有重要生态系统服务能力的区域；珠三角核心区、粤西地势平坦的湛江大部分区域和茂名西南生态服务功能较低(图3)。经统计,生态系统服务极重要区面积为57211.90 km2,占广东省国土面积的31.82%,其中珠三角核心区有14347.46 km2,沿海经济带生态系统服务极重要区有16987.07 km2,北部生态发展区面积为25877.36 km2,是“一核一带一区”中生态系统服务极重要面积最大的,占总面积的45.23%,表明北部生态发展区整体生态系统服务能力较强,可为珠三角核心区提供较多的生态功能(表4)。

表4 生态系统服务重要性分区统计

3.2 广东省生态敏感性

通过对生态敏感性评价因子的叠加,得到生态敏感性评估结果,使用自然断点法将生态敏感性分成低、中等、较高和高四类。生态敏感性空间分布较为分散,生态敏感性高的地区主要分布在粤西茂名的西南部和湛江的东北部的平坦区域、韶关的滑石山山脉以及河源的九连山山脉等区域(图4),这些区域或是地势平坦且地表覆盖缺少林草,容易产生水土流的区域,或是生态环境良好,以林地为主但地势起伏度较大,容易产生地质灾害而遭到破坏的区域。

广东省生态极敏感区域共有24712.67 km2,其中珠三角地区有5636.13 km2,沿海经济带生态极敏感区面积最大,共有11505.11 km2,全省极敏感区的46.56%,表明该地区的生态本底更易受到破坏,在发展经济的同时,应该充分考虑生态敏感性问题,注意过度开发带来的生态环境破坏。北部生态发展区生态敏感性极高的区域面积为7571.43 km2,占北部生态发展区总面积的9.86%,是3个分区里面占比最小的,但是敏感及以上的区域占比达到64.25%,生态敏感性的问题不容忽视(表5)。

表5 广东省生态敏感性分区面积统计/km2

图3 广东省生态系统服务重要性空间格局 Fig.3 Spatial patterns of ecosystem services′ importance in Guangdong Province

图4 广东省生态敏感性空间格局 Fig.4 Spatial patterns of ecosystem sensitivity in Guangdong Province

3.3 广东省生态源地

在生态系统服务重要性和生态敏感性评估结果的基础上,通过叠加分析得到生态重要性。取生态系统服务高值区和生态敏感性的高值区作为生态重要区,及生态源地(图5)。将文中通过生态系统服务重要性和生态敏感性评价得到的生态源地与广东省生态保护红线和自然保护地进行叠加,发现生态保护红线和自然保护地绝大部分区域都在生态源地内,表明文中生态源地的划定方法科学可行,具有较高合理性和准确性。对生态源地面积进行统计,全省共有生态源地44636.77 km2,占国土面积的25.04%。其中珠三角核心区有18134.50 km2,沿海经济带有25059.61 km2,北部生态发展区生态源地面积最大,共有31442.66 km2,占生态源地总面积的42.13%。

表6 广东省分区生态源地面积统计

结合生态源地与广东省自然保护地,选取重要的战略节点,通过参照相关文献,选取国家级自然保护区、湿地公园和森林公园,面积大于100 km2的非国家级自然保护地以及具有重要的区域性生态系统服务功能区的几何中心作为重要生态节点(图5)。重要生态节点共有87个,其中国家级自然保护区有6个,国家级森林公园有21个,国家级湿地公园有23个,面积大于100 km2的非国家级自然保护地有14个,具有重要区域性生态系统服务功能的生态节点有23个。

3.4 广东省生态安全格局

通过对8种阻力因子的加权叠加,得到生态节点的扩张阻力面(图6)。阻力面的高值区主要集中在广州、深圳、东莞等密集建成区以及重要的交通廊道,该类型区域人类活动较为密集,对生态要素的流动限制性较高,此外,南岭、大东山等生态敏感性较高的地方阻力值也比较高,尤其是不利于动物的迁徙活动。与此相比,在远离城市以及重要河流沿岸的区域,生态环境良好且受人类活动影响较小,因此生态扩张阻力较小。

图5 广东省生态源地与主要生态节点 Fig.5 The ecological sources and main ecological nodes in Guangdong Province

图6 广东省生态扩张阻力面Fig.6 The resistance surface of Guangdong Province

图7 广东省生态安全格局 Fig.7 Constructing ecological security patterns of Guangdong Province

在识别生态源地、生态节点和最小阻力面的基础上,通过ArcGIS的cost-distance模块,共识别出151条生态廊道,总长度为7400 km(图7)。受生态源地和重要生态节点的影响,生态廊道在环珠三角的区域分布较为密集,由于粤西生态源地和重要生态节点较少,因此生态廊道数量较少。此外,珠三角核心区内部的生态廊道也较少,该地区生态节点较少,且生态扩张阻力较大。

4 讨论

广东省素有“两屏一带”的生态保护格局的说法,但是该说法尚未得到相关研究的证实,从广东省生态重要性评估结果来看,环珠三角生态屏障的空间形态较为明显,但是外围的生态屏障并不明显且不连续。为综合评估区域生态安全格局,明晰广东省与周边省份的生态联系,选取广东以及邻省广西、湖南、江西、福建五省进行区域生态安全格局构建,使用和省域生态重要性评估相同的方法,评估区域生态重要性空间分布,评价尺度单元为250 m×250 m单元网格。

图8 五个省份的生态系统服务重要性与敏感性空间格局Fig.8 Spatial patterns of ecological service importance and ecological sensitivity in five provinces

区域的生态系统服务重要性分化明显,重要性高值多分布在重要山脉如大东山、莲花山、罗霄山脉、玳瑁山、武陵山,山林地区覆盖重要的生态区；低值主要分布在平原地区如泛珠三角平原、洞庭湖平原、广西盆地等城镇扩张明显地区。生态敏感性高值区在洞庭湖平原与鄱阳湖平原地区较为集中,其他区域呈破碎状分布,广东省较广西省、福建省等分布较为平均,生态敏感性集中区处于湛江以及与广西交界处(图8)。

图9 五个省份的生态重要性显示Fig.9 Ecological importance in five provinces

从区域生态重要性评估结果来看,较其他四省,广东省生态重要性高值区域集中明显,且区域连续程度较高,广西、江西、福建省域高值区域较为离散(图9)。凤凰山、九岭山脉、武夷山脉、罗霄山脉、云开大山、大桂山、莲花山等区域具有重要生态功能,其中云开大山、九连山脉、南岭和起微山连接了广东省与周边省份高值区域。从分析结果来看,广东省北部生态屏障并非是在省内孤立的存在,以南岭、莲花山脉、云开大山等种山脉为基底,广东省的北部生态屏障与其他省份共享,且共同属于南方丘陵地带生态屏障的一部分[37]。

此外,从评估结果来看,珠三角外围的生态屏障在空间上连续性要高于外围生态屏障,而且起到连接省内重要生态空间的作用。粤港澳大湾区规划刚要中明确提出要打造生态屏障,实施重要生态系统保护和修复重大工程,构建生态廊道和生物多样性保护网络。在大湾区的发展建设中,在保证高质量发展的同时,进一步加强生态系统的保护和修复力度,优化生态空间格局,保障环珠三角生态屏障的安全屏障作用和连通作用,可对广东省的生态安全格局产生积极影响。

在生态文明建设和山水林田湖草生命共同体理念的背景下,以系统思维治理生态问题愈发重要,而生态安全格局是系统解决生态问题的重要手段[38]。越来越多的学者尝试通过构建生态安全格局的方法解决生态空间管控优化以及国土空间生态修复问题[39-42],并且取得了一定的成果。在国土空间规划中,强调空间的精细化落地与管控,生态安全格局构建中所涉及到的重要生态源地、生态节点以及生态廊道,都可以通过精细化的空间识别,应用到国土空间保护格局中,作为一种生态空间管控措施,来丰富目前的生态保护红线和自然保护地所组成生态空间管控体系。

受研究区分布特征、数据获取的限制,在参考已有研究成果的基础上,本文只选择了几类主要的生态系统服务功能、地形因子来识别生态源地或建立阻力面,对其他指标因子的考虑有待进一步的研究。河流作为一种重要的生态廊道类型,本文中并没有对其进行单独的分析,在接下来的工作中还需要对河流生态廊道进行细分化研究。此外,在生态廊道的识别上,受限于生态源地的分布,并没有考虑到生态系统服务供需平衡关系和流动关系,没有对每一条生态廊的的具体意义进行识别,该方面的研究还需要进一步深化。

5 结论

以广东省为例,在“3S”技术的支持下,基于重要性-敏感性的生态评估方法识别广东省重要的生态源地,使用最小阻力模型识别重要生态廊道,构建生态安全格局,并对生态空间结构的调整和管控提出策略。结果表明：(1)重要的生态源地面积为54636.7 km2,占广东省国土面积的25.04%；(2)研究所识别的生态源地与广东省生态红线和自然保护地的重合程度较高,在自然保护地和生态源地的基础上共选出87处重要生态节点；(3)共识别出广东省生态廊道151条,总长度为7400 km,廊道周边用地主要以林地为主；(4)广东省北部山区生态屏障并非独立存在于省内,而是与湖南、江西、福建、广西等省份共享,是南方丘陵地带重要的生态空间。文章所构建的生态安全格局,可为当前国土空间规划和国土空间生态修复等工作提供一个有效的系统解决生态问题的手段,为广东省生态空间优化和管控措施制定提供参考。

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