基于生態(tài)安全格局理論的國土空間生態(tài)修復(fù)分區(qū)模擬——以粵港澳大灣區(qū)為例

馬世發(fā),勞春華,江海燕

1 廣東工業(yè)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院, 廣州 510090 2 廣東工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院, 廣州 510520

自工業(yè)革命以來,高強(qiáng)度人類活動(dòng)產(chǎn)生的影響已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了地球自然變化本身[1],足以開創(chuàng)“人類世”地質(zhì)新年代[2]?！叭祟愂馈钡牡絹硪馕吨鴩量臻g受人類活動(dòng)影響的范圍越來越廣,程度也越來越深[3]。然而,如果不能對發(fā)展產(chǎn)生的各種生態(tài)環(huán)境問題進(jìn)行修復(fù),則“人類世”也可能會(huì)很快終結(jié)[4]。生態(tài)修復(fù)命題由來已久[5],只不過在大開發(fā)時(shí)期沒有受到足夠重視[6]。當(dāng)前,生態(tài)修復(fù)已成為全球共識(shí)[7],也是空間規(guī)劃領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)問題之一[8]。實(shí)際上,中國很早就推動(dòng)了生態(tài)修復(fù)工作,如1979年開展的“三北防護(hù)林”建設(shè),1998年實(shí)行的“退耕還林”等等。2012年以來,對山水林田湖草海生態(tài)系統(tǒng)實(shí)施整體性和系統(tǒng)性修復(fù)已成為新時(shí)代國土空間治理的一項(xiàng)重要任務(wù)[9- 10]。

目前,國際上已形成了一些比較先進(jìn)的生態(tài)修復(fù)理論和技術(shù)[11],我國在一些典型生態(tài)環(huán)境要素治理,如礦山廢棄[12]、濕地退化[13]、土壤污染[14]、土地沙化[15]等方面也積累了豐富的理論成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。然而,聚焦單個(gè)點(diǎn)狀(如礦山等)或線性(如河流等)的工程型修復(fù)易忽視大尺度生態(tài)系統(tǒng)與人類活動(dòng)的耦合集成,生態(tài)修復(fù)成效可能存在空間不均衡[16- 17]。因此,謀劃國土空間生態(tài)修復(fù)分區(qū)以統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各類生態(tài)修復(fù)工程則變得十分重要。只有將生態(tài)修復(fù)工程“點(diǎn)”和“線”與國土空間生態(tài)修復(fù)分區(qū)政策“面”有機(jī)結(jié)合和優(yōu)化調(diào)配,才能從根本上推動(dòng)國土空間山水林田湖草的整體保護(hù)、系統(tǒng)修復(fù)和綜合治理[18- 19]。

國土空間生態(tài)修復(fù)分區(qū)本質(zhì)上是一種空間政策表達(dá),其目的在于維護(hù)國土空間生態(tài)系統(tǒng)健康和安全,最終實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展[20],即如何布局生態(tài)修復(fù)取決于國土空間生態(tài)安全格局的塑造需求[21]。因此,從生態(tài)安全格局構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)角度進(jìn)行國土空間生態(tài)修復(fù)分區(qū)是當(dāng)前主流技術(shù)模式[22- 25]。然而,現(xiàn)有研究大多采用現(xiàn)狀土地利用景觀作為模型輸入,尚未考慮高強(qiáng)度人類活動(dòng)對景觀格局變化的潛在影響,難以更好地適應(yīng)城市群尺度國土空間生態(tài)修復(fù)的施政需求。為此,以人地系統(tǒng)耦合的國土空間重塑理論為基礎(chǔ)[26],采用景觀生態(tài)學(xué)過程耦合與空間集成的科學(xué)模式[27],以粵港澳大灣區(qū)城市群為案例,論證基于生態(tài)安全格局塑造情景模擬的國土空間生態(tài)修復(fù)分區(qū)方案可行性,進(jìn)一步深化生態(tài)安全格局理論在國土空間生態(tài)修復(fù)分區(qū)應(yīng)用上的認(rèn)知。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

粵港澳大灣區(qū)(簡稱“大灣區(qū)”)由廣東省廣州、深圳、珠海、佛山、惠州、東莞、中山、江門、肇慶九市和香港、澳門兩個(gè)特別行政區(qū)組成(圖1),陸地總面積約56000 km2。2019年末,區(qū)內(nèi)總?cè)丝谶_(dá)7000萬人,GDP逾10萬億元,是中國開放程度最高、經(jīng)濟(jì)活力最強(qiáng)的區(qū)域之一,也是繼美國紐約、舊金山和日本東京灣后的世界第四大灣區(qū),在國家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展大局中具有十分重要的地位。大灣區(qū)作為中國改革開放的前沿陣地,在過去40多年里取得了飛速發(fā)展,城市群建設(shè)規(guī)模急劇增長,但也產(chǎn)生了一系列生態(tài)環(huán)境問題[28]。面向“兩個(gè)百年”的高質(zhì)量與高水平發(fā)展目標(biāo),積極開展生態(tài)修復(fù)對大灣區(qū)可持續(xù)發(fā)展意義重大。

圖1 粵港澳大灣區(qū)地形、行政區(qū)劃及城市群空間格局 Fig.1 Landform, administrative division and urban agglomeration pattern of GBA in 2015

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

研究涉及到的數(shù)據(jù)主要包括1995年和2015年大灣區(qū)Landsat衛(wèi)星影像,以及數(shù)字高程、交通網(wǎng)絡(luò)和行政區(qū)劃等地理數(shù)據(jù)。衛(wèi)星影像和數(shù)字高程數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn/)；交通網(wǎng)絡(luò)則采用Open Street Map共享數(shù)據(jù)(https://www.openstreetmap.org/)。衛(wèi)星影像按耕地、林草、水域和建設(shè)4種主要景觀類型進(jìn)行計(jì)算機(jī)解譯和人工目視局部修正,總體分類精度約在87%左右,滿足國土空間景觀變化模擬需求。

1.3 研究方法

1.3.1總體思路與框架

高強(qiáng)度人類活動(dòng)可迫使區(qū)域景觀格局發(fā)生劇烈變化,直接表現(xiàn)則是建設(shè)用地增長迅速和自然生態(tài)用地流失嚴(yán)重[29]。因此,模擬城鎮(zhèn)化發(fā)展可準(zhǔn)確把握人類活動(dòng)邊界,有利于設(shè)計(jì)出更加優(yōu)化的國土空間生態(tài)安全格局,同時(shí)也有利于國土空間生態(tài)安全格局塑造目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[30]?？傮w技術(shù)框架如圖2所示:首先,從發(fā)展現(xiàn)狀(當(dāng)前城鎮(zhèn)化所處階段)、發(fā)展?jié)摿?資源環(huán)境承載約束)和發(fā)展動(dòng)力(社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求)3個(gè)維度綜合分析未來大灣區(qū)各個(gè)城市建設(shè)用地規(guī)模[31]；然后,在生態(tài)紅線保護(hù)和永久基本農(nóng)田保護(hù)等政策管控約束下利用土地利用變化模型模擬城市群未來空間形態(tài)[32]；最后,以城市群土地利用變化模擬結(jié)果作為景觀輸入,利用“生態(tài)源地-生態(tài)廊道-生態(tài)網(wǎng)絡(luò)”模式設(shè)計(jì)國土空間生態(tài)安全格局基本骨架[33],并通過生態(tài)阻力模型識(shí)別出國土空間生態(tài)修復(fù)優(yōu)先度,進(jìn)而劃分出相應(yīng)的政策區(qū)以引導(dǎo)生態(tài)工程修復(fù)低品質(zhì)國土空間。

圖2 總體思路與技術(shù)框架Fig.2 Flowchart of ecological restoration zoning

1.3.2城市群空間演變模擬

城鎮(zhèn)化發(fā)展是驅(qū)動(dòng)土地利用變化最為核心的動(dòng)力,也是改變區(qū)域景觀格局最為直接的人地系統(tǒng)耦合方式[34]。城市群的發(fā)展是一種非常復(fù)雜的地理過程,需要多模型耦合才能進(jìn)行有效地模擬[35]。本文擬采用空間馬爾科夫鏈(Spatial Markov Chain, SMC)與地理加權(quán)回歸元胞自動(dòng)機(jī)(Geographic Weighted Regression based Cellular Automata, GWR-CA)耦合模型模擬大灣區(qū)的發(fā)展,其原理如下:

(1)

(2)

1.3.3生態(tài)源地、生態(tài)廊道及生態(tài)阻力面分析

從空間結(jié)構(gòu)來看,生態(tài)源地是維持國土空間生態(tài)安全的核心區(qū)域,生態(tài)廊道則是為促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)與能量流動(dòng)的連通性通道,而生態(tài)網(wǎng)絡(luò)則是“源”和“廊”在空間上的集結(jié)。根據(jù)國土空間生態(tài)安全格局塑造需求,本文將大灣區(qū)具有特定生態(tài)功能或生態(tài)脆弱或生態(tài)特殊區(qū)域納入生態(tài)源地。具體而言,就是將相對高差達(dá)到100m的山體和面積大于1km2的大型水體全部納入生態(tài)源地。然后,將珠江流域各主要干流和支流(如東江流域、北江流域和西江流域等)及其緩沖區(qū)(支流200m,干流1000m)作為大灣區(qū)天然重要生態(tài)廊道。

國土空間生態(tài)安全格局理論通過點(diǎn)、線、網(wǎng)模式形成基本生態(tài)骨架,顯然網(wǎng)中的薄弱環(huán)節(jié)就是推動(dòng)生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵所在。根據(jù)物種生存基本法則,其在“源”之間遷移一般都會(huì)選擇生境最適宜的方向擴(kuò)散,換言之即遷徙阻力最小的方向。因此,越是生態(tài)累積阻力越小的區(qū)域理應(yīng)得到優(yōu)先修復(fù)。只有對這些區(qū)域優(yōu)先開展生態(tài)修復(fù),才能更好的推動(dòng)國土空間生態(tài)安全格局塑造目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。本研究采用最小累計(jì)阻力模型(Minimal Cumulative Resistance,MCR)分析生態(tài)網(wǎng)中各個(gè)區(qū)域的生態(tài)阻力[36],并根據(jù)阻力大小識(shí)別生態(tài)修復(fù)次序,其原理如下:

(3)

其中:MCR為最小累積阻力值；Dcs表示空間單元c(c=1,2,…,C)到源s(s=1,2,…,S)的距離；Rc表示空間單元對生態(tài)過程擴(kuò)散的阻力系數(shù),通常為景觀類型阻力Kc和調(diào)節(jié)因子Tc的合成,如平原耕地和山坡耕地的阻力系數(shù)自然不一樣；f表示最小累積阻力與生態(tài)過程的正相關(guān)關(guān)系。參考方瑩等研究成果[23],將耕地、林草、水域和建設(shè)用地景觀阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值分別設(shè)置為100,0,50和1000,再與地理調(diào)節(jié)因子(如0-1標(biāo)準(zhǔn)化的地形起伏度)合成后作為MCR模型的景觀阻力系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 城市群空間演變模擬

利用SMC預(yù)測的大灣區(qū)2050年城市群規(guī)模結(jié)構(gòu)如表1所示。從該表可以看出,大灣區(qū)今后35年的建設(shè)用地規(guī)模增速最多只與過去20年歷史時(shí)期相當(dāng),說明大灣區(qū)今后不會(huì)再走大規(guī)模擴(kuò)張式道路,但就每個(gè)城市而言情況各不相同。例如,東部灣區(qū)的深圳、東莞、香港等城市按經(jīng)典馬爾科夫(MC)方案預(yù)測開發(fā)強(qiáng)度(為開發(fā)規(guī)模/潛力規(guī)模的比值)幾乎接近1,但空間馬爾科夫(SMC)用輻射將發(fā)展需求傳遞到其他城市后,其開發(fā)強(qiáng)度只維持在0.9左右；西部灣區(qū)如廣州、中山和珠海等海岸帶均設(shè)有開發(fā)區(qū),城市增長規(guī)模還有進(jìn)一步加強(qiáng)的態(tài)勢,但也只在0.6左右,遠(yuǎn)低于東部灣區(qū)的0.9；邊緣城市如惠州、江門、肇慶等盡管空間開發(fā)潛力較大,但因社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求動(dòng)力不足,開發(fā)強(qiáng)度預(yù)期在0.2左右。總體來看,空間馬爾科夫模型預(yù)測結(jié)果符合大灣區(qū)發(fā)展預(yù)期,可作為有效參數(shù)輸入到GWR-CA模型。

表1 大灣區(qū)2050年建設(shè)用地規(guī)模

利用GWR-CA模型模擬得到大灣區(qū)2050年土地利用景觀格局如圖3所示。從圖中可以看出,2050年大灣區(qū)并沒有出現(xiàn)整體連片開發(fā)情形,反之,各城市之間依然保留了大量的農(nóng)田和生態(tài)用地；新增建設(shè)用地主要出現(xiàn)在西部灣區(qū)和灣區(qū)邊緣一些欠發(fā)達(dá)城市。由于規(guī)劃目標(biāo)調(diào)控完全可以重構(gòu)城市已有的空間發(fā)展規(guī)律(如廣州南沙新區(qū)開發(fā)等),故CA常規(guī)的模擬一段歷史變化過程的精度檢驗(yàn)方式必然存在局限性,不能很好地評(píng)估GWR-CA模型對大灣區(qū)2050年模擬格局的可信度。鑒于此,主要采用2019年現(xiàn)狀遙感影并結(jié)合當(dāng)前各市城市總體規(guī)劃進(jìn)行定性分析。根據(jù)《粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》以及各城市的空間發(fā)展戰(zhàn)略,伶仃洋海岸帶沿線是今后大灣區(qū)融合發(fā)展的熱點(diǎn)區(qū)域,如深圳前海、東莞長安、廣州南沙、中山翠亨、珠海橫琴等開發(fā)區(qū)均環(huán)繞分布,本文的模擬結(jié)果則很好的體現(xiàn)了這一趨勢。此外,隨著灣區(qū)一體化發(fā)展的強(qiáng)勢推動(dòng),外圍邊緣城市應(yīng)是今后城市擴(kuò)張的熱點(diǎn)。例如,肇慶東北部區(qū)域當(dāng)前已經(jīng)開始大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè),城市道路網(wǎng)骨架基本成型(可參看谷歌地球提供的最新高分辨率影像),而模擬結(jié)果也基本吻合這一發(fā)展態(tài)勢?？傮w來看,大灣區(qū)2050年土地利用景觀變化模擬情景具有較高的可信度,可為國土空間生態(tài)安全格局塑造情景模擬提供可靠的景觀變化輸入。

圖3 2015—2050年大灣區(qū)城市群空間格局演變模擬Fig.3 urban growth simulation of GBA from 2015 to 2050

2.2 國土空間生態(tài)修復(fù)分區(qū)

根據(jù)大灣區(qū)2050年土地利用變化情景,利用MCR模型計(jì)算得到生態(tài)阻力值,然后利用幾何間隔法進(jìn)行初分級(jí),并對分級(jí)結(jié)果進(jìn)行人工微調(diào)直到每個(gè)分區(qū)在空間上呈現(xiàn)連片特征。通過定量與定性相結(jié)合,最終劃分出生態(tài)修復(fù)核心區(qū)、關(guān)鍵區(qū)、調(diào)節(jié)區(qū)和雙修區(qū)等類型(圖4)。其中,核心區(qū)主要包括生態(tài)源地和生態(tài)廊道,是國土空間生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)的基本骨架,其修復(fù)應(yīng)以保護(hù)和保育為主,重點(diǎn)實(shí)施提質(zhì)性生態(tài)修復(fù)工程；關(guān)鍵區(qū)則是生態(tài)源地之間維持物種生存和遷徙的重點(diǎn)地帶。如果該區(qū)域內(nèi)國土空間生態(tài)品質(zhì)較低則應(yīng)優(yōu)先修復(fù),修復(fù)方式以山、水、林、草、海生態(tài)復(fù)原為主；調(diào)節(jié)區(qū)是城市群與生態(tài)源之間的過渡性地帶,往往以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主,可結(jié)合農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)開展綜合性整治修復(fù)；雙修區(qū)則是城市群及其發(fā)展的前沿地帶,宜納入到城市雙修(指生態(tài)修復(fù)、城市修補(bǔ))模式中統(tǒng)籌開展。

圖4 大灣區(qū)國土空間生態(tài)修復(fù)分區(qū)方案Fig.4 Ecological restoration zoning of GBA

3 討論

國土空間生態(tài)修復(fù)的核心目標(biāo)是保障生態(tài)安全格局塑造目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此,以國土空間生態(tài)安全格局構(gòu)建為切入點(diǎn)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)分區(qū)是一種可行的技術(shù)方案。國土空間生態(tài)安全格局構(gòu)建通常采用MCR模型分析國土空間生態(tài)遷移阻力,生態(tài)源地之間最小累積阻力形成的連通性通道可以視為潛在的生態(tài)廊道,而進(jìn)一步結(jié)合阻力大小可識(shí)別出生態(tài)修復(fù)的優(yōu)先次序。MCR模型的核心參數(shù)是土地利用景觀格局,顯然直接根據(jù)土地利用現(xiàn)狀景觀分析最小累積阻力面必然存在一定的局限性,因?yàn)楦邚?qiáng)度人類活動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致土地利用景觀發(fā)生顯著變化。如果依舊采用現(xiàn)狀景觀作為輸入,其構(gòu)建的生態(tài)安全格局在塑造過程中可能易受高強(qiáng)度人類活動(dòng)擾動(dòng)而難以實(shí)現(xiàn)。為論證土地利用景觀變化對生態(tài)安全格局塑造的重要性,本文對現(xiàn)狀和模擬景觀產(chǎn)生的生態(tài)阻力面進(jìn)行了對比。從圖5可知,不同景觀輸入產(chǎn)生了不同生態(tài)阻力面,高阻力面和低阻阻力面變化最為顯著。具體而言,高、中、低生態(tài)阻力面積占比分別從2015年的17.43%,20.59%和61.98%變?yōu)?050年的27.43%,21.91和50.66%。由此可見,城市群尺度的國土空間生態(tài)安全格局塑造必須要考慮高強(qiáng)度人類活動(dòng)的擾動(dòng),利用情景模擬設(shè)計(jì)具有前瞻性的國土空間生態(tài)修復(fù)分區(qū)方案十分必要。

圖5 模擬景觀與現(xiàn)狀景觀生態(tài)阻力面比較Fig.5 Comparison of ecological resistance surface between simulated and current landscape

國土空間生態(tài)修復(fù)是一個(gè)系統(tǒng)性的工程,既要針對關(guān)鍵“點(diǎn)(如礦山等)”和“線(如河流等)”實(shí)施工程性修復(fù),又要在國土空間“面”上進(jìn)行統(tǒng)籌協(xié)調(diào)?！包c(diǎn)-線-面”相結(jié)合的生態(tài)修復(fù)治理體系是科學(xué)開展國土空間生態(tài)修復(fù)的重要策略。本文主要分析了從國土空間生態(tài)安全格局塑造情景角度進(jìn)行生態(tài)修復(fù)分區(qū)的可行性和必要性,但面向國土空間規(guī)劃應(yīng)用依然還存在以下幾個(gè)方面的不足:一是還需要結(jié)合低品質(zhì)國土生態(tài)空間問題診斷來驗(yàn)證本文分區(qū)方案的合理性,如實(shí)際生態(tài)修復(fù)的“點(diǎn)、線”工程分布是否與分區(qū)政策導(dǎo)向相匹配；二是MCR模型采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)不能分析精細(xì)化的生態(tài)阻力面,如何結(jié)合多源地理空間大數(shù)據(jù)探索更加精細(xì)化的生態(tài)阻力過程還需要進(jìn)一步探討。

4 結(jié)論

國土空間生態(tài)安全格局描繪了一幅優(yōu)化的生態(tài)管控網(wǎng),科學(xué)的界定了高強(qiáng)度人類活動(dòng)與自然生態(tài)保護(hù)的空間關(guān)系。土地利用變化作為高強(qiáng)度人類活動(dòng)的直接表現(xiàn)形式,其直接影響著國土空間生態(tài)安全格局塑造目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)國土空間生態(tài)修復(fù)分區(qū)對土地利用景觀變化考慮的不足,本文提出了一種基于生態(tài)安全格局塑造情景模擬的國土空間生態(tài)修復(fù)分區(qū)技術(shù)方案,并以粵港澳大灣區(qū)城市群為案例進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。結(jié)果表明:(1)土地利用景觀變化對生態(tài)修復(fù)分區(qū)方案影響較大,不同土地利用景觀輸入導(dǎo)致的分區(qū)差異可達(dá)國土空間10%左右；(2)國土空間生態(tài)修復(fù)分區(qū)需要充分考慮高強(qiáng)度人類活動(dòng)的擾動(dòng),進(jìn)而使得生態(tài)修復(fù)分區(qū)更有利于國土空間生態(tài)安全格局塑造目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。