京津冀地区生态空间识别研究

迟妍妍, 许开鹏, 王晶晶, 张丽苹

环境保护部环境规划院, 北京 100012

土地利用规划和生态空间管控应致力于实现经济社会发展和生态环境保护双重目标,任何只注重单一目标的发展都是不可持续的,这是全球千年生态计划的核心思想[1]。目前最为通行的方法是对资源与环境进行生态空间识别并划分生态红线,该方法是对稀缺资源和退化环境采取保育或生态修复措施,以便提升该地区生态系统服务功能,达到生态环境保护的目的[2-3]。生态空间管控可促使土地管理者修改土地利用规划方案、减轻甚至避免生态环境风险问题出现。生态空间识别只有和土地利用规划相互协调,并实现生态系统服务功能提升,才能给人类社会提供资源价值,体现其自身的存在意义[4]。Costanza在1997年对全球生态系统服务价值进行了定量评估,在生态系统服务基础上的空间识别已经成为生态学、生态经济学等学科研究的热点和前沿[5-6]。一些学者将生态系统服务的概念、内涵和价值评价方法与生态空间识别相结合,探讨生态系统服务与可持续发展研究的关系问题。

生态空间是指用于自然保护、山林保护、生态防护等功能的地域[7]。通常来讲,对于生态系统和生物生境保护具有重要作用的地区都可视为生态空间。长期以来,由于人们对生态空间的重要性认识不够,对生态资源总是采取掠夺式的开采或粗放式的管理,这样的结果只能导致生态系统各项服务功能减弱[8-9]。随着生态学研究的深入,人们逐渐意识到生态服务功能的重要性,保育和提升生态系统服务功能是实现人类可持续发展的前提之一[10-11]。由于对生态系统服务的大部分功能缺乏深入的生态学解释,致使能够为决策者提供依据的生态学信息非常少,这直接影响自然生态系统服务功能的保育和管理,因此,生态空间识别是一种切实解决生态服务功能退化的有效手段之一。

1 研究区简介

京津冀地处内蒙高原、太行山脉向华北平原的过渡地带,是华北平原的关键区域,在华北平原生态安全格局中具有重要地位。京津冀北部是华北平原的主要生态屏障,其水源涵养、土壤保持和防风固沙功能直接影响京津冀地区甚至华北平原生态系统安全[12]。该区长期以来的资源不合理开发利用造成草原生态系统严重退化,当地土地沙化特别严重、沙漠化敏感性程度极高,该地区是北京市乃至华北地区主要沙尘暴源区。京津冀水资源短缺,全域均出现河流断流和湿地萎缩问题,全年存在断流现象的河流比例约为70%,永定河、潮白河、小白河、新洋河、滹沱河、民主渠、永金渠等主要河渠存在全年断流现象。同时,随着城市化的快速发展及雄安新区建设,京津冀城镇人口数量激增,带来环境污染加剧、生态承载力降低等一系列生态环境问题[13-14]。雄安新区内的白洋淀湿地生态系统稳定性趋向脆弱,湿地洪水调蓄、生物多样性保护等功能呈退化趋势。因此,京津冀区域生态空间识别对维护区域生态安全具有重要意义。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究采用野外调查和遥感影像处理相结合方式进行数据处理。植被覆盖度采用美国国家航空航天局(NASA) 数据信息服务中心(DISC)提供MODIS 数据产品,空间分辨率为250 m×250 m。图像处理过程包括大气校正、辐射校正、格式和投影转换等。利用最大合成法(MVC)将16 d的NDVI数据合成为月均值,生成逐月数据集[15]。植被覆盖度和NDVI 之间存在线性关系,通过建立二者之间的转换关系,提取植被覆盖度信息[16]。基于像元二分模型设计的遥感估算方法,以NDVI 值为参数,计算植被覆盖度[17]。

2.2 生态空间识别方法

针对研究区的水源涵养、土壤保持、防风固沙功能，以及水土流失和土地沙化等生态问题,根据《生态保护红线划定技术指南》,在区域生态服务功能重要性评价、生态系统敏感性评价的基础上,参照《全国主体功能区规划》、三省(市)主体功能区规划、《全国生态功能区划(修编版)》、《中国生物多样性保护战略与行动计划》、《中国湿地保护行动计划》等文件中明确的重点关注区域,结合本文研究方法提出生态空间分布范围。对于生态空间识别,采用生态服务功能重要性和生态敏感性来进行评估,主要包括5个方面评估内容。

2.2.1 水源涵养

采用InVEST产水量模型,通过径流调节量的大小进行评估。其主要原理是基于Budyko曲线和年均降雨量,径流量等于降水量减去蒸散量,公式如下：

(1)

式中,AETxj是j类土地利用类型中像元x的年实际蒸散量,Px为像元x的年降雨量。AETxj/Px是Budyko曲线的一个近似值[18]。其中径流调节为潜在径流量与实际径流量之差。借助InVEST产水量模型,估算不同植被覆盖程度的流域年度产水量(径流量)及其空间分布特征[19-20]。

2.2.2 土壤保持

本研究采用通用水土流失方程USLE进行评价,包括自然和人类活动因子,降雨、坡度坡长、植被、土壤和土地管理等5个因素。

USELx=Rx×Kx×LSx×Cx×Px

(2)

式中,USLEx表示栅格x的土壤侵蚀量；Rx为降雨侵蚀力；Kx为土壤可蚀性；LSx为坡度-坡长因子；Cx为植被覆盖因子；Px为管理因子[21-22]。

2.2.3 防风固沙

以生态系统防风固沙服务能力指数作为评估指标,计算公式为：

sws=NPPmean×K×Fq×D

(3)

u2=u1(z2z1)17D=1/cos(q)

式中,Sws为防风固沙服务能力指数,NPPmean为多年植被净初级生产力平均值,K为土壤蚀性因子,Fq为多年平均气候侵蚀力,u为2 m高处的月平均风速,u1、u2分别表示在z1、z2高度处的风速,ETPi为月潜在蒸发量(mm),Pi为月降水量(mm),d为当月天数,i为月平均气温,ri为月平均相对湿度(%),D为地表粗糙度因子,θ为坡度(弧度)。

2.2.4 水土流失敏感性

按照土壤侵蚀发生的动力条件分类,水土流失包括水力侵蚀和风力侵蚀。以风力侵蚀为主带来的水土流失敏感性将在土地沙化敏感性中进行评估,本节主要对水动力为主的水土流失敏感性进行评估[23]。根据通用水土流失方程的基本原理,通常选取土壤可蚀性、地表植被覆盖、降水侵蚀力、坡度坡长等指标[24]。将反映各因子对水土流失敏感性的单因子进行评价,最后用地理信息系统技术进行乘积运算,公式如下：

(4)

式中,SSi为i空间单元水土流失敏感性指数,评估因子包括降雨侵蚀力(Ri)、土壤可蚀性(Ki)、坡长坡度(LSi)、地表植被覆盖(Ci)。

2.2.5 土地沙化敏感性

土地沙化会导致荒漠化的发生,因此本研究参照《生态功能区划暂行规程》,选取干燥度指数、起沙风天数、土壤质地、植被覆盖度等指标。本研究利用GIS系统的空间分析功能,先将单个因子的敏感性分布图罗列出,然后进行乘积运算,得到研究区的土地荒漠化敏感性等级分布图[25-26],公式如下：

(5)

式中,Di为单元评估区的土地沙化敏感性指数,Ii、Wi、Ki、Ci分别为评估区域干燥度指数、起沙风天数、土壤质地和植被覆盖的敏感性等级值(表1)。

3 区域生态空间重要性和敏感性评价

3.1 区域生态功能重要性评价

重要性评价的目的在于明确研究区各种类型的生态系统服务功能的重要程度,以及对该区域可持续发展的作用,并根据重要性进行等级划分,明确其空间分布[27-28]。结合京津冀实际,选用3个指标进行评价。

表1 土地沙化敏感性评估指标分级

3.1.1 水源涵养重要性评价

京津冀地区水源涵养重要性评价结果见图1,区域较重要的水源涵养区分布在密云水库上游潮白河流域、官厅水库上游的永定河流域、潘家口水库上游的滦河流域以及西大洋水库、王快水库、黄壁庄水库、岗南水库的汇水区域。

3.1.2 土壤保持重要性评价

京津冀地区土壤保持重要性评价结果见图2,区域重要的土壤保持区分布在张家口的坝上高原、永定河上游的山间盆地地区、官厅和密云水库上游河谷地区、滦河水系上游山川河谷地区以及保定、石家庄西部太行山山区等地区。

图1 京津冀地区水源涵养重要性评价 Fig.1 Evaluation of water conservation importance in Beijing-Tianjin-Hebei

图2 京津冀地区土壤保持重要性评价 Fig.2 Evaluation of soil conservation importance in Beijing-Tianjin-Hebei

3.1.3 防风固沙重要性评价

防风固沙重要性主要反映风沙对大城市等目标的影响程度,京津冀地区防风固沙重要性评价结果见图3。北部张承地区为防风固沙重要区域,东部和南部地区为防风固沙的一般区域。北京毗邻防风固沙重要区域。

3.2 区域生态系统敏感性评价

3.2.1 水土流失敏感性评价

京津冀地区水土流失敏感性评价结果见图4,水土流失极敏感地区分布在北部和西南部地区,而在北部的太行山东坡和燕山山地容易引发生态和贫困的恶性循环,并对北京的饮用水库行洪和供水的造成巨大压力。

图3 京津冀地区防风固沙重要性评价 Fig.3 Evaluation of the importance of wind and sand fixation in Beijing-Tianjin-Hebei

图4 京津冀地区水土流失敏感性评价 Fig.4 Sensitivity evaluation of soil and water loss in Beijing-Tianjin-Hebei

3.2.2 荒漠化敏感性评价

京津冀地区荒漠化敏感性评价结果见图5,区域荒漠化敏感性较高,重点地区在河北省北部张承地区,华北平原上较易发生荒漠化的土地为永定河、潮白河下游等干涸河道地区。

4 京津冀地区生态空间识别

4.1 生态功能极重要区和敏感区

根据区域土壤保持、水源涵养、防风固沙等生态系统服务功能重要性评价,土壤保持功能极重要和重要区分别占区域总面积的25.2%和36.9%,主要分布在承德、北京、唐山、秦皇岛和保定等地[29]。防风固沙功能极重要和重要区分别占区域总面积的2%和2.6%,主要在张家口与承德的坝上地区。水源涵养功能极重要和重要区分别占区域总面积的51%和20%,主要分布在承德、张家口、北京、唐山、秦皇岛和保定等地(图6)。

综合土壤保持、水源涵养、防风固沙等三项生态系统服务功能,京津冀地区生态服务功能“极重要-重要”区域面积约为6.35万km2(表2),面积比例约30%,主要分布在西部、北部山区[30]。

图5 京津冀地区荒漠化敏感性评价 Fig.5 Sensitivity assessment of desertification in Beijing-Tianjin-Hebei

图6 京津冀地区生态服务功能重要性布局Fig.6 Important ecosystem services in Beijing Tianjin Hebei

京津冀Beijing-Tianjin-Hebei土壤保持Soil conservation防风固沙Sandstorm prevention水源涵养Water conservation亿吨%亿吨%亿吨%极重要Very Important0.9625.132.471.99522.6951.48重要Important1.4136.913.192.58198.5619.56中等重要Medium Important0.9123.8210.728.66150.1814.79一般Common0.5414.14107.4786.77143.9114.17总量Total3.82123.851015.34

4.2 重点生态功能区

根据《全国主体功能区规划》,京津冀共有1处国家重点生态功能区,即浑善达克沙漠化防治生态功能区,河北省的坝上高原风沙防治区位于此区内。根据三省(市)主体功能区规划,共有2处省级重点生态功能区,包括冀北燕山山区和冀西太行山山区,总面积90786km2,关系到京津冀地区水资源和生态安全,是京津冀生态安全的重要屏障(图7)。

图7 京津冀地区重点生态功能区分布Fig.7 Key ecological functional areas in Beijing Tianjin Hebei

4.3 重要生态功能区

根据《全国生态功能区划(修编版)》,京津冀共有3处重要生态功能区,包括京津冀北部水源涵养重要区、太行山区水源涵养与土壤保持重要区以及浑善达克沙地防风固沙重要区[31]。京津冀北部水源涵养重要区包括北京市、天津市重要水源地的涵养区及滦河、潮河上游源头,该区的水源涵养对保障京津冀地区的供水安全具有重要作用。

太行山区水源涵养与土壤保持重要区位于河北省、山西省与河南省交界处,太行山是黄土高原与华北平原的分水岭,其水源涵养功能对保障区域生态安全极其重要。浑善达克沙地防风固沙重要区地处阴山北麓东部半干旱农牧交错带、燕山山地、坝上高原,该区是北京市乃至华北地区主要沙尘暴源区。

4.4 生物多样性保护优先区

根据《中国生物多样性保护战略与行动计划》,京津冀共有2个生物多样性保护优先区,包括内陆陆地和水域生物多样性保护优先区域中的太行山区、海洋与海岸生物多样性保护优先区域中的黄渤海保护区域(表3)。

北京市、天津市以及河北省部分地区包含在太行山区内,已建立国家级自然保护区18个,国家级水产种质资源保护区12个。河北省唐海、黄骅滨海湿地和天津市的汉沽、塘沽、大港盐田湿地包含在黄渤海保护区域内,该区海洋资源丰富,海洋沿岸湿地是鸟类的重要栖息地,也是海洋生物的产卵场、索饵场和越冬场,要加强对该区域内湿地的恢复与保护。

4.5 生态空间划分

本文识别的生态空间包括生态功能极重要区、生态环境极敏感/脆弱区、重点(要)生态功能区、生物多样性保护优先区、禁止开发区等。京津冀生态空间面积占区域面积的比例为51.7%,其中,北京市生态空间占其市域国土面积的比例为70.2%,天津市生态空间占其市域国土面积的比例为37.8%、河北省生态空间占其省域国土面积的比例为51.0%,这些区域是需要严格保护的地区。

表3 京津冀地区生物多样性保护优先区

表4 京津冀地区生态空间

5 结论与建议

本文采用GIS技术,结合京津冀国土空间范围内的资源环境承载能力和开发适宜性评价技术,开展生态功能重要性评价和生态环境敏感性评价,确定水源涵养、水土保持、防风固沙等生态功能极重要区域及极敏感区域,并建议将此地区纳入生态保护红线。本文对京津冀生态空间识别旨在使人们清楚认识到京津冀自然生态系统的重要性和敏感性,生态空间划分不仅有利于生态环境保护,也有助于相关职能部门制定决策时参考,促进经济和生态环境和谐发展。

生态空间识别成为区域生态保护和提升生态系统服务功能的重要措施,还需要开展如下几方面的工作:

1)以“尊重自然、顺应自然、保护自然”为基本理念,基于从山体到海洋的地理构成,构建京津冀地区生态安全格局、自然岸线格局,划定并严守生态保护红线,构建生态廊道和生物多样性保护网络。重要生态空间面积比例应占到区域面积51%以上。

2)坚持保护优先、自然恢复为主,实施山水林田湖草系统保护和修复工程,修复湿地、森林、草地等受损的自然生态系统,扭转河湖湿地等水生态系统持续恶化的态势,严格保护自然岸线,全面提升生态系统稳定性和服务功能。

3)基于山水林田湖草统一保护的理念,将生态建设、开发审批、执法监管、生态修复工程等建立统一的生态监管体制。研发生态环境监测预警、生态修复、生物多样性保护、生态保护红线评估管理、生态廊道构建等关键技术,建立一批生态保护与修复科技示范区。

4)加强跨界地区生态保护管理一体化。京津冀地区统筹制定空间规划,建立区域一体化的规划和生态保护建设体系,逐步打破行政边界,执行统一的生态环境空间管控和负面清单管理制度。切实落实生态空间管控制度,保障自然资本对经济社会发展的支撑作用,加强生态空间管控力度。