珠江三角洲城市群生態(tài)安全保障技術(shù)研究

黃國和,安春江,范玉瑞,徐琳瑜,李永平,蔡宴朋,李延峰,李 鋒

1 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875 2 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085

珠江三角洲城市群生態(tài)安全保障技術(shù)研究

黃國和1,*,安春江1,范玉瑞1,徐琳瑜1,李永平1,蔡宴朋1,李延峰1,李 鋒2

1 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875 2 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085

近年來,在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化迅速推進(jìn)和人口急劇增長的同時(shí),珠三角城市群正面臨嚴(yán)重的現(xiàn)代城市生態(tài)問題。生態(tài)安全問題已成為珠三角地區(qū)率先全面建成小康社會(huì)的重大制約瓶頸,對(duì)該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅?！爸榻侵蕹鞘腥荷鷳B(tài)安全保障技術(shù)”項(xiàng)目將圍繞脆弱生態(tài)修復(fù)與保護(hù)這一科技需求,對(duì)珠三角城市群復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行綜合研究。項(xiàng)目將針對(duì)內(nèi)部互動(dòng)復(fù)雜、空間組織緊湊、經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)密切的城市群復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),開展城市群生態(tài)基底核算與健康診斷、城市群代謝模擬與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)、城市群生態(tài)安全格局網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及生態(tài)安全保障技術(shù)、城市群生態(tài)景觀重建與生態(tài)空間修復(fù)技術(shù)、瀕海城市群受損生境修復(fù)與生態(tài)安全保障技術(shù)以及城市群生態(tài)安全調(diào)控技術(shù)集成及協(xié)同監(jiān)管平臺(tái)構(gòu)建與示范等六方面的研究。項(xiàng)目將為珠三角城市群生態(tài)問題的識(shí)別、評(píng)估與調(diào)控提供有效的理論基礎(chǔ)、方法體系及技術(shù)示范,由之將為保障該城市群的生態(tài)安全提供科學(xué)支持,并帶來顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)效益。

生態(tài)安全; 城市群; 珠江三角洲

城市群是在地域上以大城市為中心,以區(qū)域網(wǎng)絡(luò)化組織為紐帶,由若干不同等級(jí)城市及其腹地通過空間相互作用而形成的多核心、多層次城市集群。十六屆五中全會(huì)把推動(dòng)城市群發(fā)展作為提升我國國際競爭力、統(tǒng)籌區(qū)域發(fā)展和優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu)的有效途徑；國家《“十一五”規(guī)劃綱要》、《“十二五”規(guī)劃綱要》也明確規(guī)定城市群為推進(jìn)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的主體形態(tài)。珠三角城市群是以廣州、深圳為核心,包括珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門、肇慶而形成的特大集群。該城市群毗鄰港澳,“泛珠三角”的大區(qū)地緣優(yōu)勢(shì)明顯。2015年,珠三角9個(gè)僅占全國面積0.57%的城市,創(chuàng)造了全國9.2%的GDP,生產(chǎn)總值達(dá)62267.45億元。近年來,在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化迅速推進(jìn)和人口急劇增長的同時(shí),珠三角城市群正面臨嚴(yán)重的現(xiàn)代城市生態(tài)問題,如土地退化、植被破壞、環(huán)境污染、生物多樣性銳減、生態(tài)失調(diào)等。生態(tài)安全問題已成為珠三角地區(qū)率先全面建成小康社會(huì)的重大制約瓶頸,對(duì)該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。

城市生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng),涉及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境等多個(gè)子系統(tǒng),且每個(gè)子系統(tǒng)均包含多個(gè)隨時(shí)間不斷演進(jìn)變化的層次與組分,具有顯著的不確定性、多功能性、多目標(biāo)性和動(dòng)態(tài)性。珠三角城市群包含九大城市。它們?cè)诎l(fā)展過程中相互影響,相互作用,導(dǎo)致原有的城市系統(tǒng)復(fù)雜性在城市群多層式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中被高度放大,由之產(chǎn)生了更多、更顯著且更復(fù)雜的區(qū)域性生態(tài)問題,如城界黑臭水體泛濫、自然生態(tài)空間減少和破碎化、生態(tài)系統(tǒng)功能破壞嚴(yán)重、區(qū)域生物多樣性急劇下降、資源配置矛盾突出、感潮河段生態(tài)問題凸顯以及城市自然景觀退化等。這些復(fù)雜性常表現(xiàn)為城市生態(tài)系統(tǒng)單元及其相互之間不同層次、不同組分間大量錯(cuò)綜復(fù)雜的矛盾組合,如線性與非線性、平衡與非平衡、連續(xù)與離散、無序與有序等。如此的諸多系統(tǒng)復(fù)雜性,給區(qū)域生態(tài)安全保障帶來了極大挑戰(zhàn)。

1 城市群生態(tài)安全研究方法

城市生態(tài)系統(tǒng)的評(píng)估、模擬、修復(fù)和調(diào)控早為各國所重視。過去幾十年來,各國學(xué)者從不同層次、不同角度及不同時(shí)空尺度對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)開展了一系列研究。Pickett等[1]研究了大都市的生態(tài)、物質(zhì)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)成分的特征與聯(lián)系。從城市生態(tài)系統(tǒng)各成分的尺度特征角度,Ernstson[2]等分析了城市生態(tài)過程和社會(huì)發(fā)展過程的尺度差異,并提出了斯德哥爾摩城市綠地規(guī)劃方案。從城市生態(tài)系統(tǒng)多成分之間相互影響的角度,Lyytim?ki和Sipil?[3]研究了不同生態(tài)危害對(duì)城市綠地規(guī)劃的影響。Stott[4]等研究了閑置土地對(duì)城市生態(tài)功能的影響。Su等[5]使用了集對(duì)分析對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評(píng)估。Zhao和Chai[6]基于最大信息熵法開發(fā)了城市生態(tài)系統(tǒng)的健康評(píng)估等。Wolman[7]提出城市代謝(Urban Metabolism)概念,定義城市代謝為物質(zhì)、能量輸入城市以及產(chǎn)品、廢物輸出城市的完整過程,用以指明物質(zhì)、能量流動(dòng)的基本方式,揭示城市對(duì)外環(huán)境的影響。Kennedy等[8]對(duì)城市代謝內(nèi)涵進(jìn)行延伸,將其看作是城市中一切技術(shù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)過程的總和。Pandit等[9]提出了一個(gè)基于基礎(chǔ)設(shè)施生態(tài)學(xué)的城市可持續(xù)發(fā)展范例。Sophiya等[10]構(gòu)建了一套瀕海城市生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)模型,并研究了海水倒灌對(duì)印度西部瀕海城市生境的影響,提出了相應(yīng)的修復(fù)建議。整體而言,國際上對(duì)于城市生態(tài)系統(tǒng)研究的總體現(xiàn)狀可以歸結(jié)為：對(duì)于單個(gè)城市生態(tài)系統(tǒng)的研究較為深入,但對(duì)城市群生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和聯(lián)動(dòng)性研究不足。

我國對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)研究起步稍晚,近年來也取得了諸多的研究成果[11,12]。例如,黃國和等[13]針對(duì)現(xiàn)代城市生態(tài)系統(tǒng)所存在的問題,將之比作城市的“病癥”,并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了綜合辨識(shí),提出了調(diào)控規(guī)劃方案。徐琳瑜等[14]計(jì)算了廣州市城市生態(tài)系統(tǒng)承載力與壓力,獲得二者的動(dòng)態(tài)關(guān)系。曾光明等[15]分析了城市生態(tài)系統(tǒng)規(guī)劃的不確定性。張妍和楊志峰[16]從城市物質(zhì)代謝通量及其生態(tài)效率出發(fā),構(gòu)建了城市物質(zhì)代謝生態(tài)效率的度量模型,并將其應(yīng)用于深圳的城市管理研究中。吳玉琴等[17]從城市生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā),建立城市系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬模型并模擬了廣州市的生態(tài)環(huán)境變遷情況。劉耕源等[18]基于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的概念模擬了大連市的城市代謝結(jié)構(gòu)。安佑志[19]采用多風(fēng)險(xiǎn)源、多風(fēng)險(xiǎn)受體的區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法對(duì)上海市進(jìn)行了城市生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。龔建周[20]等采用空間統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)廣州生態(tài)安全進(jìn)行分析,識(shí)別其形成與發(fā)生變化機(jī)制,并探討區(qū)域生態(tài)安全的主要影響因子。李鋒等[21]從城市濕地生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施、綠地生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施和城市地表硬化的生態(tài)工程改造三個(gè)方面對(duì)國內(nèi)多個(gè)城市的生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行評(píng)估。李媛等[22]構(gòu)建了生態(tài)城市規(guī)劃決策支持系統(tǒng)框架,并以中新天津生態(tài)城為例進(jìn)行了實(shí)證研究。相較而言,我國大多數(shù)相關(guān)城市生態(tài)系統(tǒng)的研究仍處于對(duì)國外理論的引進(jìn)和消化階段,研究工作大多局限于對(duì)單個(gè)城市生態(tài)系統(tǒng)的定量分析或?qū)Τ鞘腥合到y(tǒng)的定性分析,缺乏對(duì)城市群復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的多方位定量識(shí)別與綜合調(diào)控研究,未能從全方位的角度對(duì)復(fù)雜的城市群生態(tài)安全問題進(jìn)行多層次的辨識(shí)、評(píng)價(jià)、模擬、優(yōu)化和協(xié)同監(jiān)管研究

2 珠江三角洲城市群生態(tài)安全保障技術(shù)框架

如何開展珠江三角洲城市群生態(tài)安全保障技術(shù)研究涉及到很多關(guān)鍵科學(xué)問題,例如：如此諸多的城市群生態(tài)問題是如何產(chǎn)生的？這需要對(duì)城市群生態(tài)系統(tǒng)多層式復(fù)雜結(jié)構(gòu)下各組分的內(nèi)在演變規(guī)律及其間的互動(dòng)機(jī)制進(jìn)行科學(xué)的剖析。這些生態(tài)問題可能帶來什么樣的環(huán)境、社會(huì)與經(jīng)濟(jì)后果？這需要對(duì)城市群生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性進(jìn)行深入分析,以揭示其內(nèi)在機(jī)制及其中蘊(yùn)含的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)問題與效應(yīng)。解決上述問題的關(guān)鍵所在是如何基于對(duì)城市群特有的多層式生態(tài)系統(tǒng)的解構(gòu)和整合,開發(fā)有效的評(píng)估、監(jiān)管、修復(fù)、保障和調(diào)控技術(shù),并為區(qū)域生態(tài)安全一體化保障提供決策支持。

本項(xiàng)目將圍繞脆弱生態(tài)修復(fù)與保護(hù)這一科技需求,對(duì)珠三角城市群復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行綜合研究。本研究將提出城市群復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)多層式結(jié)構(gòu)的概念(圖1),旨在對(duì)系統(tǒng)中繁多的組分進(jìn)行細(xì)致的解構(gòu)分析,并在剖析多層次、多組分間互動(dòng)關(guān)系的基礎(chǔ)上,對(duì)此復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行整合研究。這一解構(gòu)與整合分析體系將有助于研究珠三角城市群的生態(tài)安全一體化保障問題。項(xiàng)目總體目標(biāo)包括：(1)初步建立一個(gè)珠三角城市群復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)安全保障技術(shù)體系；(2)促進(jìn)珠三角城市群發(fā)展過程中一系列生態(tài)安全問題的解決；(3)提高我國城市生態(tài)科學(xué)與技術(shù)的整體研究水平。本項(xiàng)目擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題包括：(1)如此諸多的城市群生態(tài)問題是如何產(chǎn)生的？這需要對(duì)城市群生態(tài)系統(tǒng)多層式復(fù)雜結(jié)構(gòu)下各組分的內(nèi)在演變規(guī)律及其間的互動(dòng)機(jī)制進(jìn)行科學(xué)的剖析。

圖1 多層式城市群復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)Fig.1 Compound ecosystem of multilevel urban agglomeration area

(2)這些生態(tài)問題可能帶來什么樣的環(huán)境、社會(huì)與經(jīng)濟(jì)后果？這需要對(duì)城市群生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性進(jìn)行深入分析,以揭示其內(nèi)在機(jī)制及其中蘊(yùn)含的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)問題與效應(yīng)。項(xiàng)目將針對(duì)內(nèi)部互動(dòng)復(fù)雜、空間組織緊湊、經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)密切的城市群復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),開展城市群生態(tài)基底核算與健康診斷、城市群代謝模擬與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)、城市群生態(tài)安全格局網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及生態(tài)安全保障技術(shù)、城市群生態(tài)景觀重建與生態(tài)空間修復(fù)技術(shù)、瀕海城市群受損生境修復(fù)與生態(tài)安全保障技術(shù)以及城市群生態(tài)安全調(diào)控技術(shù)集成及協(xié)同監(jiān)管平臺(tái)構(gòu)建與示范等六方面的研究。本項(xiàng)目的技術(shù)路線見附圖。

具體而言,本項(xiàng)目將(1)提出并定義城市群復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的多層式結(jié)構(gòu),通過對(duì)城市群生態(tài)系統(tǒng)的解構(gòu)與整合分析,對(duì)其系統(tǒng)特征進(jìn)行辨識(shí),深入剖析各系統(tǒng)組分的特征以及它們之間的復(fù)雜互動(dòng)關(guān)系,并開發(fā)多個(gè)多層式生態(tài)系統(tǒng)健康診斷及安全評(píng)估的相關(guān)技術(shù)。(2)通過開發(fā)多層式隨機(jī)城市群代謝模擬技術(shù),揭示珠三角多城市與周圍環(huán)境之間以及珠三角內(nèi)部城市之間的物質(zhì)與能量流動(dòng)規(guī)律。通過開發(fā)多層式城市群生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)警平臺(tái),以評(píng)估珠三角城市群高密度產(chǎn)業(yè)的潛在影響,預(yù)測(cè)預(yù)警生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的跨界轉(zhuǎn)移與累積。通過耦合區(qū)域氣候變化、珠三角產(chǎn)業(yè)規(guī)劃與城市化進(jìn)程情景,揭示未來變化環(huán)境下的珠三角城市群生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空變化特征。(3)提出多層級(jí)、網(wǎng)絡(luò)化的生態(tài)安全格局設(shè)計(jì)思路,以多層多級(jí)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)反映城市群生態(tài)安全格局的功能與特性。遵循“理清經(jīng)絡(luò),打通穴脈,以點(diǎn)帶面,共振強(qiáng)化”的技術(shù)研發(fā)路線,開發(fā)一系列基于網(wǎng)絡(luò)分析、模擬與優(yōu)化技術(shù)的辨識(shí)、評(píng)價(jià)、規(guī)劃與調(diào)控技術(shù),旨在將珠三角城市群各市縣分散的生態(tài)安全“局域網(wǎng)”打造為強(qiáng)健的城市群生態(tài)安全“萬維網(wǎng)”,為珠三角城市群一體化生態(tài)安全格局網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及生態(tài)安全保障提供技術(shù)支持。(4)通過建立多層次復(fù)合受損生態(tài)空間診斷技術(shù),揭示珠三角城市群受損生態(tài)空間退化機(jī)理。評(píng)價(jià)珠三角城市群生態(tài)景觀與生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施,開發(fā)和集成受損生態(tài)空間修復(fù)技術(shù),構(gòu)建能綜合反映社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、生態(tài)等效益的復(fù)合生態(tài)空間修復(fù)技術(shù)評(píng)估體系,以識(shí)別優(yōu)化修復(fù)技術(shù)。(5)著重于珠三角瀕海城市群生態(tài)系統(tǒng)典型問題與特征,如海洋和內(nèi)陸對(duì)系統(tǒng)的夾擊影響,遵循系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化、定量化的研究思路,綜合辨識(shí)與評(píng)估生態(tài)修復(fù)技術(shù),進(jìn)而開展系統(tǒng)互動(dòng)與風(fēng)險(xiǎn)分析,以實(shí)現(xiàn)生態(tài)調(diào)控過程的有效管理。(6)通過技術(shù)集成(各個(gè)子課題)和數(shù)據(jù)收集與共享, 開發(fā)綜合優(yōu)化(多層迭代式綜合優(yōu)化模型),以及基于公眾調(diào)查與專家分析的多重后優(yōu)化技術(shù)。通過提出的城市群生態(tài)安全協(xié)同聯(lián)動(dòng)研究方法體系,對(duì)珠三角城市群以及廣州、深圳、東莞三個(gè)重點(diǎn)城市開展示范研究。

3 結(jié)論

綜上所述,城市群的發(fā)展導(dǎo)致空前規(guī)模的資源開發(fā)和污染物排放,給我國生態(tài)環(huán)境帶來巨大損害,嚴(yán)重威脅我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展與人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。研究城市群生態(tài)安全與調(diào)控機(jī)理,并由之建立科學(xué)的決策支持體系,既是解決我國城市群生態(tài)問題的必由之路,更是實(shí)現(xiàn)我國城市群可持續(xù)發(fā)展的重大需求。本項(xiàng)目將為珠三角城市群生態(tài)問題的識(shí)別、評(píng)估與調(diào)控提供有效的理論基礎(chǔ)、方法體系及技術(shù)示范,由之將為保障該城市群的生態(tài)安全提供科學(xué)支持,并帶來顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)效益。相關(guān)成果還可推廣應(yīng)用到我國其它城市群,并有助推動(dòng)我國城市群生態(tài)系統(tǒng)管理模式的改善,從而對(duì)國家整體生態(tài)環(huán)境的改善及區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生積極影響。

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Development of ecological security protection techniques for the urban agglomeration area in the Great Pearl River Delta

HUANG Guohe1,*, AN Chunjiang1, FAN Yurui1, XU Linyu1, LI Yongping1, CAI Yanpeng1, LI Yanfeng1, LI Feng2

1SchoolofEnvironmentalScience,BeijingNormalUniversity,StateKeyJointLabtoryofEnvironmentalSimulationandPollutionControl,Beijing100875,China2StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China

Due to industrialization, urbanization and population explosion, there have been severe ecological problems for the urban agglomeration area in the Great Pearl River Delta. The ecological security issue becomes the major restricting factor for building a moderately prosperous society in the Great Pearl River Delta, jeopardizing the sustainable development of local socio-economic activities. The project of “Development of ecological security protection techniques for the urban agglomeration area in the Great Pearl River Delta” aims to meet the requirements of vulnerable ecosystem restoration and protection, and conduct comprehensive research for the integrated ecosystem in the urban agglomeration area of the Great Pearl River Delta. The study will be conducted based on the complex interactions, compact spatial organization, and intimate economic relationships for ecosystem in the urban agglomeration area. The topics include (1) ecological base accounting and health evaluation, (2) metropolitan metabolism simulation and ecological risk assessment, (3) network design for ecological security and protection of ecological security, (4) landscape reconstruction and ecological space restoration, (5) restoration of damaged habitats and protection of ecological security for coastal urban agglomeration area, (6) integration of ecological security protection techniques, development of supervisory platform and demonstration projects. This project can provide theory basis, technique system and demonstration for characterization, evaluation and regulation of ecological problems in the urban agglomeration area of the Great Pearl River Delta. The outcomes have significant socio-economic and ecological benefits.

ecological security; urban agglomeration area; Great Pearl River Delta

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0502800)

2016- 10- 17

10.5846/stxb201610172097

*通訊作者Corresponding author.E-mail: guohe.huang@outlook.com

黃國和,安春江,范玉瑞,徐琳瑜,李永平,蔡宴朋,李延峰,李鋒.珠江三角洲城市群生態(tài)安全保障技術(shù)研究.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(22):7119- 7124.

Huang G H, An C J, Fan Y R, Xu L Y, Li Y P, Cai Y P, Li Y F, Li F.Development of ecological security protection techniques for the urban agglomeration area in the Great Pearl River Delta.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7119- 7124.