國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)與保護(hù)空間識(shí)別
——以北京市為例

王文靜,逯 非,歐陽志云

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085

2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)與保護(hù)可以有效實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的系統(tǒng)修復(fù)和整體保護(hù),是協(xié)助保護(hù)生態(tài)重點(diǎn)功能區(qū)以維持生態(tài)產(chǎn)品和功能的持續(xù)供給,并將受損的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到原有狀態(tài)和功能的過程[1—3]。長(zhǎng)期以來,經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人口壓力帶來的高強(qiáng)度國(guó)土空間開發(fā)和粗放的資源利用方式,引起了土地退化、森林破壞、生物多樣性銳減等一系列嚴(yán)重的生態(tài)系統(tǒng)退化問題[4—6]。為了維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全,解決生態(tài)系統(tǒng)問題,改善和提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和質(zhì)量,需要自然或者人為干預(yù)開展生態(tài)修復(fù)與保護(hù),各級(jí)管理者積極進(jìn)行生態(tài)修復(fù)與保護(hù)重點(diǎn)區(qū)域識(shí)別,修復(fù)受損和退化的生態(tài)系統(tǒng),同時(shí)保護(hù)高質(zhì)量的生態(tài)空間[7]。為促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展,新時(shí)期生態(tài)文明建設(shè)中需要充分考慮到國(guó)土空間的系統(tǒng)性和完整性,以系統(tǒng)修復(fù)和整體保護(hù)的框架和途徑指導(dǎo)生態(tài)修復(fù)與保護(hù)[8]。

科學(xué)識(shí)別重點(diǎn)生態(tài)修復(fù)區(qū)和重要生態(tài)保護(hù)區(qū)是國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)與保護(hù)的關(guān)鍵[9],核心是識(shí)別重要生態(tài)功能區(qū)、生態(tài)系統(tǒng)受損區(qū)和生態(tài)問題區(qū),構(gòu)建國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)與保護(hù)格局[10]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類通過生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)品和服務(wù),獲得的直接或間接生態(tài)效益[11]。生態(tài)修復(fù)與保護(hù)主要的目標(biāo)是保護(hù)與提升現(xiàn)有的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[12—13]。因此,現(xiàn)有研究中,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論廣泛應(yīng)用于國(guó)土空間系統(tǒng)修復(fù)保護(hù)分區(qū)框架,識(shí)別生態(tài)修復(fù)與保護(hù)的優(yōu)先區(qū)域[14—15]。我國(guó)現(xiàn)有的生態(tài)保護(hù)空間識(shí)別主要參考已發(fā)布的《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》,該指南將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要功能區(qū)劃入生態(tài)保護(hù)紅線范圍[16]。

生態(tài)修復(fù)的定義為協(xié)助已遭受退化、損傷或破壞的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的過程[17],現(xiàn)有研究中生態(tài)修復(fù)主要集中在單要素修復(fù)或單功能修復(fù)[18—19]。國(guó)內(nèi)外開展了一系列針對(duì)森林[20]、草地[21]、礦山、農(nóng)田等單要素的生態(tài)修復(fù)研究和實(shí)踐[22],其中最常被修復(fù)的要素為森林、灌叢和草地,林灌草的優(yōu)劣程度以生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量來表征,是指示生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的重要指標(biāo),林灌草的低質(zhì)量區(qū)成為生態(tài)修復(fù)的重點(diǎn)區(qū)域[23]。生物多樣性維護(hù)是生態(tài)修復(fù)的重要研究?jī)?nèi)容[24],大量研究從自然保護(hù)地體系、棲息地退化角度開展生態(tài)修復(fù)保護(hù)研究[25—26]。此外,在部分研究中,生態(tài)敏感性被納入生態(tài)修復(fù)體系[27],主要是基于水土流失、土地沙化等生態(tài)問題評(píng)估開展單功能的生態(tài)修復(fù)[28—29]。然而,當(dāng)前研究均是基于單要素或單功能的修復(fù),并未考慮國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)的系統(tǒng)性和完整性,導(dǎo)致對(duì)區(qū)域整體生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和服務(wù)的提高并不顯著[12]。

近年來,學(xué)者們針對(duì)生態(tài)修復(fù)的理論體系開展了進(jìn)一步研究,在基于山水林田湖草的生態(tài)修復(fù)研究方面取得一定的進(jìn)展[30],例如,宇振榮等在河南省南太行山地區(qū)開展了基于礦山、水環(huán)境、土地整治和污染物整治、生物多樣性等綜合性的生態(tài)修復(fù),體現(xiàn)了生態(tài)修復(fù)的系統(tǒng)性和完整性[31]；宋偉等的研究更進(jìn)一步,不僅考慮了現(xiàn)狀的礦山、氣候以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀問題,還綜合了森林和草地的植被指數(shù)變化進(jìn)行生態(tài)修復(fù)分區(qū)[29]。雖然部分學(xué)者開展了系統(tǒng)的生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)區(qū)域識(shí)別,但多基于現(xiàn)狀生態(tài)問題[28—29]、生態(tài)系統(tǒng)脆弱性[28]和植被指數(shù)[29]等識(shí)別生態(tài)修復(fù)區(qū),尚未將長(zhǎng)時(shí)間序列的生態(tài)系統(tǒng)退化納入生態(tài)修復(fù)研究。

綜上,國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)與保護(hù)空間識(shí)別往往從單一的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、生態(tài)敏感性或生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量進(jìn)行分析[32—33],少數(shù)研究基于山水林田湖草的現(xiàn)狀生態(tài)問題和生態(tài)敏感性開展生態(tài)修復(fù)的研究[30]。然而由于氣象因素和地理?xiàng)l件的影響,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、敏感性和質(zhì)量的重點(diǎn)保護(hù)區(qū)和退化區(qū)并未完全重合,而且長(zhǎng)時(shí)間序列的生態(tài)系統(tǒng)退化并未受到關(guān)注。因此,如何在考慮生態(tài)系統(tǒng)整體生態(tài)效益和生態(tài)系統(tǒng)演變的基礎(chǔ)上,開展生態(tài)修復(fù)與保護(hù)空間識(shí)別,提高國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)的系統(tǒng)性和完整性,是亟需解決的問題[17]。本研究以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和生態(tài)問題為切入點(diǎn),建立了國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)與保護(hù)識(shí)別方法,探索國(guó)土空間系統(tǒng)修復(fù)和整體保護(hù)路徑,識(shí)別重點(diǎn)生態(tài)修復(fù)區(qū)和關(guān)鍵生態(tài)保護(hù)區(qū),對(duì)維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全、改善和提升區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和質(zhì)量、減輕生態(tài)問題具有重要意義。

北京市作為我國(guó)首都和快速城市化的典型代表城市,城市建設(shè)用地的擴(kuò)張對(duì)城區(qū)周邊的耕地和生態(tài)用地的侵占造成局部生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)退化嚴(yán)重[34]?！侗本┏鞘锌傮w規(guī)劃(2016年—2035年)》中提出統(tǒng)籌山水林田湖等生態(tài)資源,開展系統(tǒng)修復(fù)和整體保護(hù)。本研究對(duì)北京市生態(tài)修復(fù)與保護(hù)區(qū)域的識(shí)別,對(duì)北京市政府未來開展具體的生態(tài)修復(fù)與保護(hù)重大工程具有借鑒意義。本文首先提出了國(guó)土空間修復(fù)與保護(hù)框架,建立了生態(tài)修復(fù)與保護(hù)空間識(shí)別方法,然后以北京市為對(duì)象,基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和生態(tài)問題綜合評(píng)估,識(shí)別生態(tài)嚴(yán)重退化區(qū)和受損區(qū)作為生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)區(qū)域,并確定重要生態(tài)保護(hù)區(qū),為北京市國(guó)土空間修復(fù)保護(hù)提供可借鑒的思路和途徑,同時(shí)可以基于該結(jié)果劃定城市空間發(fā)展和土地利用的生態(tài)底線。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

北京市位于華北平原西北部,總面積約1.64萬km2。北京市山地主要分布在西部、北部和東北部,東南方向主要是平原。北京市屬于北溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,植被類型以暖溫帶落葉闊葉林和溫性針葉林為主。北京市年平均氣溫為12.3℃,年降雨量約572 mm,年蒸發(fā)量約1712 mm。北京市土壤類型在山區(qū)主要以棕壤、山地褐土為主,平原區(qū)以普通褐土、潮土為主。

2015年,北京市森林、灌叢、草地、濕地、農(nóng)田和城鎮(zhèn)分別占比28.72%、22.27%、5.16%、1.89%、21.41%、20.32%(圖1)。北京是一個(gè)綜合型的超大城市,從生態(tài)系統(tǒng)格局上看,自2000年以來,建設(shè)用地以“攤大餅”的方式向外蔓延[35],并保持較快的增長(zhǎng)速度,特別是六環(huán)內(nèi),2000—2011年間,建設(shè)用地比例增加近10%[36],城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)張對(duì)周邊農(nóng)田和生態(tài)空間造成了不同程度的破壞,會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的下降,并增加區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 2015年北京生態(tài)系統(tǒng)空間分布圖

1.2 研究方法

1.2.1研究框架

國(guó)土空間修復(fù)保護(hù)識(shí)別的基本框架是基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和生態(tài)問題,確定生態(tài)修復(fù)區(qū)和生態(tài)保護(hù)區(qū),旨在控制生態(tài)系統(tǒng)退化,保護(hù)重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(圖2)。首先,為了控制生態(tài)系統(tǒng)退化,修復(fù)受損空間,本研究基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和質(zhì)量退化、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量低下和水土流失嚴(yán)重區(qū),識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化區(qū)和受損區(qū)作為重點(diǎn)修復(fù)空間。本研究將2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)質(zhì)量重度退化(本研究判定退化超過25%為重度退化)區(qū)域識(shí)別為生態(tài)修復(fù)區(qū)；生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量現(xiàn)狀中“差”、“劣”等級(jí)判定為受損區(qū)需要進(jìn)行生態(tài)修復(fù)；生態(tài)問題中選取水土流失問題,并將水土流失等級(jí)中“強(qiáng)度”和“劇烈”等級(jí)判定為生態(tài)修復(fù)區(qū)(表1)。其次,為了保護(hù)區(qū)域重要生態(tài)功能區(qū),本研究在評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要區(qū)和生態(tài)系統(tǒng)高質(zhì)量區(qū)格局的基礎(chǔ)上,識(shí)別生態(tài)保護(hù)區(qū)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要區(qū)主要是基于水源涵養(yǎng)、土壤保持、洪水調(diào)蓄和生物多樣性保護(hù)服務(wù)中,累計(jì)功能量占前50%的柵格作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護(hù)區(qū)；并將生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估結(jié)果中的“優(yōu)”、“良”等級(jí)識(shí)別為生態(tài)系統(tǒng)高質(zhì)量區(qū)(表1)。

圖2 國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)與保護(hù)空間識(shí)別體系

表1 生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與保護(hù)空間識(shí)別指標(biāo)體系

1.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估

根據(jù)北京市人民政府發(fā)布的《北京市人民政府關(guān)于發(fā)布北京市生態(tài)保護(hù)紅線的通知》,北京市主導(dǎo)生態(tài)功能包括水源涵養(yǎng)、土壤保持和生物多樣性；北京市雨熱同期的氣候特點(diǎn),導(dǎo)致強(qiáng)對(duì)流天氣經(jīng)常出現(xiàn),并易造成暴雨洪澇等災(zāi)害[37],而自然生態(tài)系統(tǒng)的洪水調(diào)蓄服務(wù)可以有效吸納大量的降水和過境水,緩解洪澇風(fēng)險(xiǎn)。因此,本研究基于北京市3個(gè)主導(dǎo)服務(wù)功能和洪水調(diào)蓄服務(wù),開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估。

水源涵養(yǎng)是生態(tài)系統(tǒng)通過攔截滯蓄降水,增強(qiáng)土壤下滲、蓄積,涵養(yǎng)土壤水分、緩和地表徑流和補(bǔ)充地下水,增加可利用水資源的功能,本文采用水量平衡方程計(jì)算水源涵養(yǎng)量[38],如公式(1):

(1)

式中,Q為水源涵養(yǎng)量(m3)；Pi為降雨量(mm)；ETi為蒸散發(fā)量(mm);Rfi為實(shí)際地表徑流量(mm)；Ai為i類生態(tài)系統(tǒng)的面積；i為研究區(qū)第i類生態(tài)系統(tǒng)類型；j為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)。地表徑流量是基于地表徑流系數(shù)得到[39]。

土壤保持是指生態(tài)系統(tǒng)通過其結(jié)構(gòu)與過程消減降雨侵蝕力,增加土壤抗蝕性,減少土壤流失,保持土壤的功能,本文采用修正通用水土流失方程(RUSLE)計(jì)算土壤保持功能[38]:

SC=R×K×LS×(1-C)

(2)

式中,C為土壤保持量(t hm-2a-1);R為降水侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1a-1)；K為土壤可蝕性因子(t hm2h hm-2MJ-1mm-1)；LS為地形因子；C為植被覆蓋度因子。

洪水調(diào)蓄是指自然生態(tài)系統(tǒng)吸收大量的降雨,蓄積洪峰水量,削減并滯后洪峰,以緩解汛期洪峰造成的威脅和損失的功能,洪水調(diào)蓄量與暴雨降雨量(>50 mm)、地表徑流量和生態(tài)系統(tǒng)類型密切相關(guān)[40],如公式(3):

(3)

式中,FQ為洪水調(diào)蓄量(m3)；Pri為暴雨降雨量(mm)；Rri為暴雨徑流量(mm)；Ai為i類生態(tài)系統(tǒng)的面積；i為研究區(qū)第i類生態(tài)系統(tǒng)類型；j為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)。

生物多樣性保護(hù)功能是通過物種豐富度指標(biāo)反映,主要以國(guó)家一、二級(jí)保護(hù)物種和其他具有重要保護(hù)價(jià)值的物種(含旗艦物種)作為生物多樣性保護(hù)功能的評(píng)估指標(biāo),并基于物種的分布范圍、海拔和生境類型,對(duì)物種潛在棲息地進(jìn)行校正[41]。

1.2.3生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估

本文選取森林、灌叢和草地三類生態(tài)系統(tǒng)類型評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量,采用相對(duì)生物量密度指數(shù)評(píng)價(jià)研究區(qū)森林、灌叢生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量,采用相對(duì)植被覆蓋度密度指數(shù)評(píng)價(jià)研究區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量[42—43]:

(4)

式中,RBDi為像元i的相對(duì)生物量密度或相對(duì)植被覆蓋度指數(shù),Qi為像元i的生物量密度(g/m3)或植被覆蓋度(%),Qcci為像元i所在同一自然地理帶中頂級(jí)群落或未退化生態(tài)系統(tǒng)的生物量密度(g/m3)或植被覆蓋度(%)。參考生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量分級(jí)方法[42],將研究區(qū)森林、灌叢和草地的生態(tài)質(zhì)量分為5個(gè)等級(jí),分別為優(yōu)(RBDi≥85)、良(70≤RBDi<85)、中(50≤RBDi<70)、差(25≤RBDi<50)、劣(RBDi<25)。

1.2.4生態(tài)問題評(píng)估

生態(tài)問題主要是指在人類活動(dòng)作用下引起的自然生態(tài)系統(tǒng)退化,并由此引發(fā)的水土流失、沙漠化和石漠化等一系列不良的生態(tài)環(huán)境效益。根據(jù)全國(guó)生態(tài)系統(tǒng)調(diào)查和北京市生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀,北京市目前面臨的主要生態(tài)問題為山區(qū)水土流失嚴(yán)重[44—45],由于北京市特殊的降雨分布特征和地質(zhì)地貌條件,水土流失曾占全市總面積的40%以上[46—47]。因此,本研究將水土流失作為生態(tài)修復(fù)區(qū)域識(shí)別的重要指標(biāo)。本研究采用通用水土流失方程評(píng)估土壤侵蝕量[38],并基于土壤侵蝕量指標(biāo)評(píng)價(jià)水土流失強(qiáng)度,分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參考水利部發(fā)布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) SL190—2007》,將水土流失強(qiáng)度分為輕度、中度、強(qiáng)度、劇烈四類[48]。

1.3 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的2000年和2015年的生態(tài)系統(tǒng)類型、植被覆蓋度和生物量數(shù)據(jù)來源于中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估與生態(tài)安全數(shù)據(jù)庫(http:www.ecosystem.csdb.cn),其中生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)空間分辨率為90 m,植被覆蓋度和生物量數(shù)據(jù)分辨率為250 m；蒸散發(fā)數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所,分辨率為250 m；土壤數(shù)據(jù)來源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://westdc.westgis.ac.cn),空間分辨率為1 km；數(shù)字高程模型(DEM)來自地理空間數(shù)據(jù)云,空間分辨率為250 m；氣象數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象局,為站點(diǎn)數(shù)據(jù)。由于不同數(shù)據(jù)類型的分辨率有差異,本研究基于ArcGIS的重采樣功能,將不同分辨率的原始數(shù)據(jù)以最鄰近法重采樣為250 m分辨率后開展后續(xù)研究。

2 結(jié)果與分析

2.1 北京生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、質(zhì)量和問題現(xiàn)狀

2015年北京市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量高值區(qū)主要分布在北部和西南部山區(qū),平原區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和質(zhì)量較低(圖3)。2015年北京市土壤保持量約3.75億噸,主要集中在西南部山區(qū),北部山區(qū)也有部分土壤保持服務(wù)；2015年北京市水源涵養(yǎng)量約9.61億m3,主要分布在北部和西南山區(qū),其中密云水庫周邊和永定河平原段的水源涵養(yǎng)量較高；生物多樣性主要分布在北部山區(qū),其中東北部的平谷區(qū)、北部懷柔區(qū),以及延慶西北部的松山等地的生物多樣性最高；2015年北京市洪水調(diào)蓄量約7.35億m3,洪水調(diào)蓄量主要分布在山區(qū),東北山區(qū)洪水調(diào)蓄量最高,西部地區(qū)洪水調(diào)蓄量較低。生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量等級(jí)中,“優(yōu)”、“良”等級(jí)面積分別為837.3 km2和1013 km2,主要分布在西南部和西北部山區(qū),“中”、“差”和“劣”等級(jí)面積分別為2389 km2、3118 km2和1807 km2,主要分布在淺山區(qū)。北京市水土流失以輕度侵蝕為主,中度侵蝕、強(qiáng)度侵蝕和強(qiáng)烈侵蝕零星分布在西南部山區(qū)和北部山區(qū)。

圖3 2015年北京生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、質(zhì)量和問題空間分布

2.2 北京生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和質(zhì)量變化

2000—2015年,北京生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與質(zhì)量變化情況如表2和圖4所示,北京市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與質(zhì)量均呈上升趨勢(shì),其中生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量上升最快,森林、灌叢和草地生態(tài)質(zhì)量平均上升39%,水源涵養(yǎng)、土壤保持和洪水調(diào)蓄服務(wù)分別上升了11%、3%和10%。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化中,洪水調(diào)蓄和水源涵養(yǎng)在平原區(qū)部分呈輕度退化和重度退化趨勢(shì),在山區(qū)主要以維持為主,這兩個(gè)服務(wù)改善主要分布在平原區(qū),也有部分零星分布在西南部山區(qū)和北部山區(qū)；土壤保持服務(wù)變化主要集中在東南部平原區(qū)和延慶平原區(qū),以改善為主,部分地區(qū)發(fā)生了輕度退化和重度退化。生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化主要集中在山區(qū),以改善為主,退化區(qū)主要分布在淺山區(qū)。

表2 2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與質(zhì)量變化/km2

圖4 2000—2015年間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化

2.3 生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)空間格局

基于北京市2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和質(zhì)量退化、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量低下、水土流失進(jìn)行生態(tài)修復(fù)識(shí)別(圖5)。生態(tài)修復(fù)區(qū)總面積為5606 km2,占北京市總面積的34.16%,生態(tài)修復(fù)對(duì)象面積及生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成如表3所示。其中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和質(zhì)量退化面積760.4 km2,約占北京市國(guó)土面積的4.63%,主要分布在平原區(qū)和密云水庫北部；生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量低下的面積約4925 km2,約占北京國(guó)土面積的30.01%,主要分布西南部山區(qū)和東北部山區(qū)；水土流失區(qū)面積約130.1 km2,約占國(guó)土面積的0.79%,零星分布在山區(qū)。

圖5 生態(tài)修復(fù)對(duì)象的空間格局

表3 生態(tài)修復(fù)區(qū)內(nèi)各生態(tài)系統(tǒng)面積/km2

2.4 生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)空間格局

本研究識(shí)別和建議的北京生態(tài)保護(hù)區(qū)主要分布在山區(qū)(圖6),生態(tài)保護(hù)區(qū)內(nèi)森林、灌叢、草地和濕地所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)比例見表4,生態(tài)保護(hù)區(qū)面積為6391 km2,占北京市國(guó)土面積的38.95%,其中森林占54.81%,灌叢占34.38%,草地占6.53%,濕地占4.27%,保護(hù)了74.97%的土壤保持功能,79.63%的水源涵養(yǎng)功能,58.79%的洪水調(diào)蓄功能,60.3%的自然棲息地。

圖6 生態(tài)保護(hù)空間格局

表4 生態(tài)保護(hù)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護(hù)比例

3 討論

3.1 基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、質(zhì)量和問題的北京市生態(tài)修復(fù)與保護(hù)總體格局

2000—2015年,北京生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和質(zhì)量總體呈改善趨勢(shì)。森林生態(tài)系統(tǒng)面積增長(zhǎng)可能是北京生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和質(zhì)量改善的重要原因,2000—2015年北京市森林面積共增加了413.54 km2,主要來源于農(nóng)田,森林的增長(zhǎng)和質(zhì)量提升主要得益于《北京城市總體規(guī)劃(2004—2020年)》中提出的生態(tài)修復(fù)與保護(hù)政策,包括劃定限制建設(shè)地區(qū),構(gòu)建區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò),加強(qiáng)平原地區(qū)森林保護(hù)和建設(shè)等。2012年,北京市實(shí)行百萬畝造林工程項(xiàng)目,進(jìn)一步促進(jìn)了森林覆蓋度的提升和質(zhì)量的改善[49]。然而,在城市化的過程中,北京生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和質(zhì)量在部分地區(qū)出現(xiàn)退化,北京有4925 km2的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量處于差和劣等級(jí),而且部分山區(qū)水土流失嚴(yán)重。因此,本研究根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和生態(tài)問題,構(gòu)建了國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)與保護(hù)體系,基于該評(píng)價(jià)體系,評(píng)估北京市生態(tài)系統(tǒng)演變和現(xiàn)狀,識(shí)別北京生態(tài)修復(fù)區(qū)和生態(tài)保護(hù)區(qū)。

北京生態(tài)修復(fù)區(qū)面積5606 km2,修復(fù)區(qū)識(shí)別主要是基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和質(zhì)量下降、林灌草質(zhì)量低下和水土流失綜合評(píng)估的,其中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和質(zhì)量退化面積763.13 km2,生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量低下的面積約4925 km2,水土流失區(qū)面積約130.1 km2。

三種修復(fù)對(duì)象的空間分布和退化原因是存在差異的,采用的修復(fù)對(duì)策也相應(yīng)有所不同。(1)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和質(zhì)量重度退化主要分布在平原區(qū),還有一部分位于淺山區(qū),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和質(zhì)量退化中,重點(diǎn)修復(fù)對(duì)象是農(nóng)田和城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng),主要由兩類土地利用變化導(dǎo)致:即水田轉(zhuǎn)化為旱地,以及自然生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)和農(nóng)田。其中水田轉(zhuǎn)化為旱地面積約94 km2,主要導(dǎo)致土壤保持服務(wù)下降,該用地變化是由于北京實(shí)行“稻改旱”政策,該政策實(shí)行的目的是緩解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)之間矛盾,從源頭上降低面源污染[50—51],減少水資源消耗,并解放勞動(dòng)力[52]；自然生態(tài)系統(tǒng)退化為城鎮(zhèn)和農(nóng)田主要集中在平原區(qū),主要因?yàn)槠皆瓍^(qū)人口密集,人類活動(dòng)頻繁導(dǎo)致部分自然生態(tài)系統(tǒng)退化為農(nóng)田或者被城鎮(zhèn)擴(kuò)張侵占,因此應(yīng)重點(diǎn)提高平原生態(tài)系統(tǒng)退化區(qū)的綠地總量和質(zhì)量,并構(gòu)建喬灌草立體配置的森林生態(tài)系統(tǒng)。(2)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量“差”、“劣”等級(jí)區(qū)域主要分布在山區(qū),門頭溝和房山的山區(qū)最為集中,這部分地區(qū)的森林生物量密度較低,但該區(qū)域是重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(土壤保持和生物多樣性)供給區(qū),該區(qū)的生態(tài)修復(fù)策略為劃定限制干擾區(qū),加強(qiáng)森林撫育和低效林改造,提高林分質(zhì)量,保障其重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給。(3)水土流失嚴(yán)重區(qū)域零星分布在山區(qū),是坡度高和植被覆蓋度低兩個(gè)因素綜合導(dǎo)致的,重點(diǎn)修復(fù)對(duì)象是灌叢和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),應(yīng)進(jìn)一步實(shí)施退耕還林還草,進(jìn)行坡地林灌草綠化后封育等方式提高植被覆蓋度；針對(duì)灌叢生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)劃定限制干擾區(qū),促進(jìn)灌叢的自然修復(fù)以實(shí)現(xiàn)植被覆蓋度的提升。(4)三類生態(tài)修復(fù)對(duì)象中,約212 km2的地區(qū)同時(shí)存在至少兩個(gè)修復(fù)對(duì)象,例如,約80 km2的區(qū)域需要同時(shí)修復(fù)水土流失和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)退化兩個(gè)對(duì)象,復(fù)合生態(tài)修復(fù)是重點(diǎn)修復(fù)區(qū)域,需要進(jìn)行總體布局設(shè)計(jì),針對(duì)多個(gè)生態(tài)修復(fù)對(duì)象整合生成生態(tài)修復(fù)系列項(xiàng)目,實(shí)現(xiàn)區(qū)域多要素的系統(tǒng)性修復(fù)；同時(shí)可以禁止開發(fā)建設(shè)活動(dòng)和人類行為來降低人類干擾,并提升自然生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量,擴(kuò)大自然生態(tài)系統(tǒng)面積等方式提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給,減少生態(tài)問題。

北京生態(tài)保護(hù)區(qū)面積為6391 km2,其中森林占比最高,達(dá)到54.81%,其次是灌叢生態(tài)系統(tǒng),占比達(dá)34.38%。森林和灌叢是重點(diǎn)保護(hù)的生態(tài)系統(tǒng),主要分布在北京的北部和西南部山區(qū),是北京重要的生態(tài)防護(hù)屏障,也是主要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給區(qū)。濕地生態(tài)系統(tǒng)面積僅占保護(hù)區(qū)的4.27%,但濕地是重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和洪水調(diào)蓄區(qū),同時(shí)也是生物多樣性關(guān)鍵區(qū)域,特別是水鳥的重要生境區(qū)。生態(tài)保護(hù)區(qū)內(nèi)的草地主要分布在北部的懷柔和密云,是生物多樣性重要生境區(qū)。

3.2 北京市生態(tài)修復(fù)和保護(hù)的總體效果預(yù)測(cè)

3.2.1生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)全面

近年來,生態(tài)修復(fù)的研究往往是基于單要素或單功能的生態(tài)修復(fù),或從山水林田湖草綜合修復(fù)的角度開展。然而,現(xiàn)有的生態(tài)修復(fù)識(shí)別多基于生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀開展研究,并未將長(zhǎng)時(shí)間序列的生態(tài)系統(tǒng)退化考慮在內(nèi)。本研究在充分吸納前人識(shí)別生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)區(qū)域的思路和方法的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)與保護(hù)識(shí)別方法體系,不僅考慮了生態(tài)問題和質(zhì)量現(xiàn)狀,還考慮了長(zhǎng)時(shí)間序列下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和質(zhì)量的退化,系統(tǒng)和完整的識(shí)別區(qū)域重點(diǎn)修復(fù)區(qū)域,為山水林田湖草生態(tài)修復(fù)提供了新的思路和方法,對(duì)維持區(qū)域生態(tài)安全,降低區(qū)域生態(tài)問題,改善區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和質(zhì)量具有重要意義。

3.2.2生態(tài)保護(hù)效果提升

2018年北京市發(fā)布了《北京市人民政府關(guān)于發(fā)布北京市生態(tài)保護(hù)紅線的通知》,劃定北京市生態(tài)紅線面積為4290 km2,通過核算發(fā)現(xiàn),北京市現(xiàn)有紅線僅可以保護(hù)38.45%的水源涵養(yǎng)、48.69%的土壤保持、40.72%的洪水調(diào)蓄和42.3%的自然棲息地。北京市現(xiàn)有紅線對(duì)生態(tài)功能的保護(hù)具有局限性,現(xiàn)有保護(hù)區(qū)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的保護(hù)尚未達(dá)到總服務(wù)供給量的一半,會(huì)直接影響區(qū)域的生態(tài)安全。本文劃定的生態(tài)保護(hù)區(qū)的面積約6391 km2,雖然比現(xiàn)有紅線面積增加了2101 km2,保護(hù)面積約增長(zhǎng)了49%,但增加的區(qū)域是北京生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給重點(diǎn)區(qū),對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的保護(hù)力度大大增加,水源涵養(yǎng)、土壤保持、洪水調(diào)蓄和自然棲息地的保護(hù)效果分別增加了95%、64%、44%和43%。嚴(yán)格保護(hù)劃定的保護(hù)區(qū),不僅能夠?yàn)槿祟惿詈徒?jīng)濟(jì)發(fā)展持續(xù)提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),還對(duì)保障區(qū)域生態(tài)安全具有重要意義。該研究為識(shí)別國(guó)土空間重要生態(tài)保護(hù)區(qū)提供了可借鑒的指標(biāo)方法,為區(qū)域生態(tài)規(guī)劃、保障區(qū)域生態(tài)安全格局和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供了思路和途徑。

4 結(jié)論與展望

本研究構(gòu)建的國(guó)土空間修復(fù)保護(hù)體系綜合了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和生態(tài)問題三方面內(nèi)容,基于生態(tài)系統(tǒng)退化和生態(tài)問題識(shí)別生態(tài)修復(fù)區(qū),同時(shí)將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要功能區(qū)識(shí)別為生態(tài)保護(hù)區(qū)。北京市生態(tài)修復(fù)區(qū)面積約5606 km2,其中,重點(diǎn)修復(fù)的森林和灌叢主要分布在西南部山區(qū)和東北部山區(qū),而重點(diǎn)修復(fù)的農(nóng)田區(qū)域主要分布在平原區(qū)和密云水庫北部。生態(tài)保護(hù)區(qū)面積約6391 km2,主要分布在山區(qū),保護(hù)了79.63%的水源涵養(yǎng)功能,74.97%的土壤保持功能,58.79%的洪水調(diào)蓄功能,60.3%的自然棲息地。本研究可以為研究區(qū)開展國(guó)土空間規(guī)劃、生態(tài)修復(fù)、山水林田湖草綜合治理等工作提供理論、基礎(chǔ)方法和數(shù)據(jù)支撐,同時(shí)對(duì)其他區(qū)域開展生態(tài)修復(fù)與保護(hù)識(shí)別研究具有借鑒意義。

同時(shí),本研究仍存在有待改進(jìn)之處:(1)本研究中生態(tài)系統(tǒng)退化區(qū)均被識(shí)別為生態(tài)修復(fù)區(qū),未考慮生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力和區(qū)域總體發(fā)展規(guī)劃等自然和社會(huì)的多方面因素,在后續(xù)研究中應(yīng)考慮到生態(tài)系統(tǒng)類型、北京市土地規(guī)劃政策等因素,評(píng)估生態(tài)修復(fù)可行性。(2)生態(tài)修復(fù)與保護(hù)的效益在本研究中未被考慮,在以后的研究中,可以進(jìn)一步探索在保護(hù)保育和人工輔助修復(fù)等措施下,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)或者生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的提升情況[53]。(3)本研究中識(shí)別的生態(tài)修復(fù)區(qū)域約占北京市國(guó)土面積的34%,但修復(fù)工作是需要時(shí)間和優(yōu)先序的,在未來的研究中應(yīng)綜合評(píng)估生態(tài)退化或生態(tài)問題的嚴(yán)重性,以及生態(tài)修復(fù)的效益等因素,進(jìn)行生態(tài)修復(fù)排序,可進(jìn)一步支撐生態(tài)修復(fù)工程的順利開展。