雄安新区生态系统服务需求空间分布格局预测

冯运双,石龙宇,*

1 福建农林大学生命科学学院, 福州 350002 2 中国科学院城市环境研究所 城市环境与健康重点实验室, 厦门 361021

生态系统服务是指生态系统与生态过程所形成及维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用,包括对人类生存及生活质量有贡献的有形产品和无形服务[1- 2]。综合考虑人类基本生活对生态系统服务的消耗和偏好需求,生态系统服务需求是指被人类社会消耗(能够获得的)或者渴望得到的生态系统服务的数量和质量[3],与土地开发的强度或人类活动的干扰程度密切相关。相关研究表明,不同区域的自然和社会经济状况不同,影响其生态系统服务供给和需求,生态系统服务供需存在空间异质性和不平衡的问题[4- 5],明晰区域的生态系统服务需求可为保护规划、土地利用规划和管理提供支持[6]。2017年4月1日,雄安新区被中共中央、国务院设立为国家级新区,包括雄县、容城县、安新县3个县及周边部分区域,着重强调了新区规划要突出生态优先、绿色发展,作为未来生态城市标杆,雄安新区在疏解北京非首都功能和推进京津冀生态建设中战略地位重要[7]。然而新城的建设过程中必然伴随着高强度人为建设活动对自然生态环境的干扰,容易造成生态系统脆弱,威胁区域生态系统服务的供需平衡,甚至导致生态环境问题。同时,由于城市人口的聚集和经济的发展,雄安新区对粮食供给、水资源供给、空气净化、水源涵养和文化休闲等生态系统服务的需求将不断提高,且具有空间分异特征。因此,在城市发展初期,分析预测生态系统服务需求空间特征和未来变化趋势,可为后期的生态系统服务供给、生态基础设施建设和城市规划布局等提供指导[8],建设高标准生态城市。

目前测算生态系统服务需求的研究方法有生态系统服务供需关系矩阵法[9- 11]、生态足迹法、问卷调查法和公众参与法、模型计算法、货币价值法等[12]。应用较多的是基于土地利用/土地覆被变化(LUCC)的生态系统服务供需关系矩阵法,即以土地利用图为基础,利用专家经验制定土地利用类型和生态系统服务供需程度的矩阵,对生态系统服务供需进行对比分析,分析结果的精确度与土地利用数据精确度密切相关,而雄安新区的发展和建设由于受政策影响较大,其土地利用变化机制与普通自然增长的城市不同,无法使用常见的CA-Markov模型进行预测,因此生态系统服务需求预测不能使用依赖于土地利用状况的供需矩阵法。生态足迹法是从物质文化、生态安全和环境质量三个方面参考可持续发展城市的标准,把人类对生态系统服务的各种需求反映在所需要的生物生产性面积上[13- 14],测算生态系统需求,但无法反映区域内部生态系统服务需求的空间异质性。公众参与法和问卷调查法是基于利益相关者的认知、支付意愿和偏好来研究生态服务需求和供给,有利于反映不同利益相关者的需求,但容易存在认知和理解偏差[2]。货币价值法能提高人们对生态系统退化所涉及的经济风险的认识,有利于提高可比性和经济权衡评估[6],但对于无形的服务,由于不可衡量性和对人们感知的依赖,货币价值法难以测算。目前已有的生态系统服务研究,大部分是根据现状自然和社会经济数据开展的单一时间维度的研究[15- 18],缺乏对生态系统服务时空变异性的关注。因此,本文根据研究区域特征和数据的可获取性,参考彭建等人[19- 21]的研究方法,选取社会经济指标中的土地利用开发程度、人口密度和经济密度三个指标表征生态系统服务需求,对雄安新区未来时间节点的生态系统服务需求时空分布进行预测。

由于生态系统服务需求受到社会经济条件、行为规范、人口结构的变化和技术创新等因素的影响[3],未来时间节点的生态系统服务需求预测需要结合未来的土地利用状况和社会经济数据,因此根据雄安新区规划资料预估2035年和2050年两个关键节点的土地利用空间分布格局,使用地区类比法和综合增长率法预测2035年和2050年的人口和经济密度空间分布格局,然后空间叠加分析,预测雄安新区生态系统服务需求空间分布状况,探讨新兴城市发展过程中,人口社会经济等因素影响下的城市内部生态系统服务需求变化的空间规律,得到不同区域的生态系统服务需求的空间差异,指导未来城市规划和生态基础设施建设,以满足人们对生态系统服务的需求。

图1 雄安新区2017年土地利用图Fig.1 The land use map of Xiong′an New Area in 2017

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

雄安新区于2017年4月1日被中共中央、国务院设立为国家级新区,包括雄县、容城县、安新县3个县及周边部分区域(图1),土地规划总面积1770 km2,根据2018年公布的《河北雄安新区规划纲要》,新区远景开发强度控制在30%,建设用地总规模约530 km2,人口规模控制在1万人/km2；规划先行启动建设起步区,起步区面积约198 km2,在起步区适当区域规划建设启动区。建设目标为到2035年,基本建成绿色低碳、信息智能、宜居宜业、具有较强竞争力和影响力、人与自然和谐共生的高水平社会主义现代化城市。到21世纪中叶,全面建成高质量高水平的社会主义现代化城市,成为京津冀世界级城市群的重要一极,集中承接北京非首都功能成效显著,为解决“大城市病”问题提供中国方案,新区各项经济社会发展指标达到国际领先水平。

生态系统服务需求预测区域：雄安新区规划范围,面积共1770 km2；先行开发的起步区,面积约198 km2；

预测时间节点：根据城市建设发展规律,综合考虑城市规划目标等因素,确定预测时间节点为2035年、2050年。

1.2 数据来源

本文人口统计口径均为年末常住人口,雄安新区人口数据来自《保定经济统计年鉴》,深圳人口数据来自《深圳统计年鉴》,北京经济技术开发区数据来自《北京市统计年鉴》。土地利用数据是基于Sentinel- 2数据获得的10 m空间分辨率的2017年全球土地覆被图(FROM-GLC10)[22],人口空间分布公里网格数据和GDP空间分布公里网格数据来自中国科学院资源环境科学数据中心[23- 25]。

2 研究方法

2.1 生态系统服务需求预测

综合生态系统服务变化驱动因子以及数据可获取性,本文参考彭建等人[19,26- 28]的研究方法,选取社会经济指标中与生态系统服务的需求呈现正相关关系的土地利用开发程度、人口密度、经济密度3个指标,综合计算反映生态系统服务需求的空间分异格局。其中,土地利用开发程度为建设用地面积占区域土地总面积的百分比,人口密度为每km2范围的人口数量,经济密度为每km2范围的国内生产总值,即地均GDP。为了消除不同县市的人口密度和经济密度的较大差异,人口密度和经济密度在统计上采用对数法[19],预测生态系统服务需求的计算公式如下：

X=lgPi×lgEi×Di

(1)

式中,X代表评价单元生态系统服务需求,Pi代表人口密度；Ei代表经济密度；Di代表土地利用开发程度。

2.2 土地利用开发程度预测

基于雄安新区土地利用现状,结合《河北雄安新区规划纲要》、《河北雄安新区启动区控制性详细规划》和《河北雄安新区起步区控制性规划》等重要权威批复性文件以及相应规划示意图,将国土空间分为生态空间、城镇空间和农业空间,对雄安新区2035年、2050年国土空间结构进行初步预估(图2),在国土空间结构图的基础上,利用Arcmap软件进行空间分析,计算得到1 km2网格内,建设用地面积所占的比例。

图2 预估雄安新区国土空间结构Fig.2 Estimated land use structure of Xiong′an New Area

2.3 人口密度预测

2.3.1雄安新区2035年人口密度预测

人口增长包括自然增长和机械增长,在雄安新区的快速发展和建设过程中,雄安新区的功能定位是以疏解北京的非首都功能为主,起步区是先行启动建设的主城区,重点承接北京非首都功能疏解,由于政策原因而导致的政策内迁入人口[29]将主要集中在起步区,人口的机械增长是影响人口规模的主要因素,非起步区人口增长在发展初期受政策影响相对较小,人口的自然增长是影响人口规模的主要因素,因此雄安新区2035年的常住人口预测由两部分组成。

(1)起步区人口预测

雄安新区的定位首先是疏解北京非首都功能集中承载地,起步区主要负责承接来自北京的批发零售业、制造业、医疗卫生教育及行政管理等方面的单位机构和人口,这些人口集中于第二产业和第三产业,根据北京市的统计数据,2017年底北京市第二产业和第三产业的从业人数分别为192.8万人和1005.2万人。在非首都功能疏解过程中,由于新区的基础设施建设需要,且基础设施等配套条件改善,对人才的吸引力及需求增加,吸引大量第二产业和第三产业从业人员迁入起步区。以2017年北京市从业人口规模为基数,假设由于政策原因迁入雄安新区的第二产业和第三产业人口占比分别为30%和10%[29]。

(2)非起步区人口预测

建设初期非核心区的其他区域承接非首都功能较少,受政策影响相对较小,常住人口预测主要与现状人口空间分布情况相关,因此使用综合增长率法[30],以预测基准年上溯5年的历史平均增长率为基础,预测规划目标年城市人口,计算公式为：

Pn=P0×(1+k)n

(2)

式中,P0表示基年人口总数,Pn表示预测年人口数,k表示人口规模综合增长率,n表示年数。

2.3.2雄安新区2050年人口密度预测

地区类比法是借鉴战略地位、行政级别和土地面积等发展背景相似地区的发展经验,根据参照地区的经济社会指标变化趋势规律,对相关指标进行预测[31]。雄安新区的成立和建设被称为“千年大计、国家大事”,改革开放以来,我国陆续成立了多个经济特区及国家级新区,综合多方面发展背景特征,选取深圳为雄安新区的参照城市,参考深圳1997年至2012年的人口年平均增长率,预测雄安新区2035年至2050年期间15年的人口年平均增长率为4.76%,以雄安新区2035年人口密度分布图为基础,在Arcmap软件中使用栅格计算器,根据公式2计算得到2050年雄安新区人口密度分布图。

2.4 经济密度预测

2.4.1雄安新区2035年经济密度预测

创新驱动发展引领区和开放发展先行区是雄安新区发展定位的组成部分,先行启动建设的起步区重点承接北京非首都功能疏解,重点发展尖端技术产业基地,因此起步区与非起步区的经济发展状况具有空间分异特征,将雄安新区的经济密度预测主要分为两部分。

(1)起步区经济密度预测

采用地区类比法,根据起步区产业布局为重点承接北京疏解的事业单位、总部企业、金融机构、高等院校、科研院所等功能,重点发展人工智能、信息安全、量子技术、超级计算等尖端技术产业基地,建设国家医疗中心的规划定位,参考成立于1992年的北京经济技术开发区发展至2015年GDP数据,预测雄安新区2035年建设用地地均GDP值 292270万元/km2,结合每个面积为1 km2的正方形网格中建设用地所占比例,利用栅格计算器工具计算得到2035年起步区的经济密度空间分布数据。

(2)非起步区经济密度预测

采用平均增长率法,以2017年为基期,根据雄县、容县和安新县的2012—2017年的GDP年平均增长率,预测2035年非起步区的地均GDP空间分布情况,计算公式为：

En=E0×(1+k)n

(3)

式中,E0表示基年地均GDP,En表示预测年地均GDP,k表示GDP年平均增长率,n表示年数。

以雄安新区2015年的GDP空间公里网格数据为基础(注：本文预测以2017年为基准年,但由于2017年的人口和GDP空间数据无法获取,以2015年数据代替),利用Arcmap中的栅格计算器工具,根据公式3进行运算,得到2035年非起步区GDP空间分布数据。

2.4.2雄安新区2050年经济密度预测

将地区类比法和综合增长率法相结合,参考北京经济技术开发区2013—2017年的GDP年平均增长率,预测雄安新区2035年至2050年的GDP年平均增长率为10.57%,以雄安新区2035年经济密度数据为基础,利用Arcmap中的栅格计算器工具,根据公式3计算得到2050年雄安新区经济密度空间分布数据。

3 结果与分析

3.1 土地利用开发程度预测

根据雄安新区土地利用2017年数据、2035年和2050年预估国土空间结构数据得到雄安新区2017年、2035年和2050年土地利用开发程度图(图3)。2017年土地利用开发程度高值区分布在雄县、容城县和安新县的县城,中值区分布在农村居民点范围,低值区分布在农田和白洋淀水域范围；2035年土地开发利用程度格局发生变化,起步区范围内建设用地增加,导致土地利用开发程度最高；2050年土地利用开发程度高值区集中在起步区和周边几个组团范围,同时白洋淀水域面积扩大导致其周围土地利用开发程度降低。

图3 土地利用开发程度Fig.3 Land development degree

3.2 人口密度预测

雄安新区2035年起步区范围政策内迁入人口数量约为158万人,使用综合增长率法计算2035年非起步区人口总量约为121万人,雄安新区总人口为279万人。将地区类比法和综合增长率法相结合,预测2050年雄安新区人口总量约为560万,《河北雄安新区规划纲要》中规定新区远景开发强度控制在30%,建设用地总规模约530 km2,新区规划建设区人口密度控制在1万人/km2,预测所得2050年人口总量基本符合规划的人口总量要求。

人口总量根据每平方公里内建设用地所占比例分布,在2015年人口密度基础上得到雄安新区2035年和2050年人口密度图(图4)。雄安新区现状人口密度整体较小,相对密度较高值区分布在雄县、容城县和安新县的县城；2035年人口密度空间格局变化较大,高值区集中在起步区建设用地内；2050年人口在起步区基础上,周围组团人口密度也相对增加。

图4 人口密度Fig.4 Population density

3.3 经济密度预测

利用地区类比法和综合增长率法,参考北京经济技术开发区的2015年的GDP年平均增长率,预测起步区范围2035年GDP总量为2922亿元,非起步区GDP总量约为552亿元,总量为3475亿元,雄安新区2050年GDP总量预测约为15677亿元。GDP总量根据每平方公里内建设用地所占比例分布,在2015年经济密度基础上得到雄安新区2035年和2050年经济密度图(图5)。2015年经济密度整体较低,较高值区集中在雄县、容城县和安新县的县城；2035年新区整体经济密度增加,高值区集中在起步区,起步区与非起步区差距变大；2050年新区整体经济密度进一步增加,起步区地均GDP远远高于其他区域,人均GDP达到28万元/人,经济发展水平最高。

图5 经济密度Fig.5 Eeconomic density

3.4 生态系统服务需求预测

基于雄安新区三个时间节点的土地利用开发程度、人口密度和经济密度的空间分布数据,得到雄安新区2017年、2035年和2050年的生态系统服务需求图(图6),评价结果根据生态系统服务需求从低到高颜色渐变。

图6 生态系统服务需求Fig.6 Ecosystem services demand

由于雄安新区自然地理条件与经济发展存在差异,2017年人口密度和经济发展水平空间分异明显,雄县、容城县和安新县县城相比其下辖的乡镇,人口密度和经济密度较大；三县相比,安新县的人口密度和经济发展水平均最低；现有农田和白洋淀水域范围的土地利用开发程度较低,白洋淀区域由于水体和湿地的存在,人口密度小,其生态系统服务需求水平也最低。

雄安新区成立后,先行建设起步区,起步区的建设用地比例将大幅度增加,土地利用开发程度变高,大量企业、高校和科研院所迁移入驻,在人口大量流入的同时也将极大提高起步区的经济发展水平,由于承载人口工作和生活的空间多集中于建设用地,因此2035年的人口密度较高值区和经济密度较高值区均集中在起步区的建设用地范围,且起步区与非起步区的差异明显,直接影响生态系统服务需求的空间异质性,需求高值区将集中分布在起步区建设用地范围,因原容城县和雄县的人口和GDP基数较大,需求较高值区分布于起步区周围的雄县和容城县的县城等外围组团区域,需求最低值区分布在未开发建设的农田和白洋淀区域。

展望本世纪中叶,新区将全面建成高质量高水平的社会主义现代化城市,成为京津冀世界级城市群的重要一级,人口和经济发展也将成为与北京和天津相协调的重要城市,人口总量增长迅速,逐步达到稳定水平,新区各项经济社会发展指标达到国际领先水平。新区的人口密度和经济发展的绝对值大幅度提高,生态系统服务需求高值区主要集中在“一主、五辅”城区范围,与城乡空间布局相呼应。新区规划实施白洋淀生态湿地修复,淀泊水面增加,淀区恢复至360 km2左右,土地利用格局变化较大,需求低值区与淀区和耕地的分布范围密切相关,生态用地面积增加,有效平衡生态系统服务供需矛盾。

4 讨论

4.1 生态系统服务需求空间分布规律

在城市发展的不同阶段,生态系统服务需求与土地开发的强度或人类活动的干扰程度密切相关。生态系统服务需求的时空分布受到土地利用格局的影响,由于建设用地集中承载大量的人口和经济活动,因此生态系统服务需求的空间分布格局与建设用地的分布基本吻合。研究结果表明2035年和2050年生态系统服务需求高值区分别集中在起步区和“一主、五辅”城市组团等建设用地密集的城镇空间,生态系统服务需求低值区则集中在土地开发程度较低区域,如各县域的农业空间和白洋淀水域等生态空间。对比现有资料,《河北雄安新区规划纲要》中规划实施白洋淀生态湿地修复,淀泊水面增加,淀区恢复至360 km2左右,表明白洋淀的修复和保护至关重要,与本文观点一致,生态用地面积的增加,可有效平衡生态系统服务供需矛盾,在维持生态服务供需平衡方面具有重要意义。

基于此,本文建议优化土地利用结构,平衡新区的建设用地和生态用地比例,留有充足的生态空间,加强森林管护和城市绿地建设,以满足新区的水源涵养和空气净化等生态系统服务需求；同时,加强白洋淀的修复与保护,恢复淀区水量,保护淀区水质,加大湿地保护力度,增加野生动物栖息地,满足需求新区及其周边区域水源涵养和文化休闲等生态需求；建设宏观-中观-微观多尺度生态基础设施,建设流域-城市-场地多尺度的生态基础设施,通过保护河流生态廊道和合理布局城市绿地等措施平衡不同时间和不同空间尺度的生态系统服务需求。

4.2 研究优势与不足

以往研究在测算生态系统服务需求时,通常是基于现状数据对当前生态系统服务需求的分析,较少对未来时间节点生态系统服务需求进行预测,尤其缺少对新城的未来发展过程中生态系统服务供需的关注。本文基于雄安新区土地利用现状数据、相关重要权威批复性文件及其图件和各地的年鉴数据等,利用综合增长率法和地区类比法分别预测未来2035年和2050年雄安新区的土地利用开发程度、人口密度和经济密度的数值和空间分布格局,进而预测雄安新区2035年和2050年生态系统服务需求空间分布格局和时间变化趋势。

然而,本文是在综合新区自然条件、社会经济发展现状和未来规划目标的一种趋势和方向的预估,以表征生态系统服务需求的空间分布格局情况,未对生态系统服务的内容和类型进行区分,也无法表明实际生态系统服务需求具体的价值,目前国内外相关研究还没有比较成熟和完善的定量预测生态系统服务需求的方法,如何定量预测新城的生态系统服务需求仍需要更多学者的探讨。

由于数据获取困难,本文是基于雄安新区土地利用现状数据,结合重要权威批复性文件以及相应规划示意图,利用ArcGIS软件数字化对新区未来国土空间结构进行的预估,土地利用数据的质量对预测结果的精确度有较大的影响,而因此更加准确和权威的土地利用数据有助于进一步完善预测结果。

5 结论

本文基于雄安新区土地利用现状数据、相关重要权威批复性文件及其图件和各地的年鉴数据等,利用综合增长率法和地区类比法分别预测未来2035年和2050年雄安新区的土地利用开发程度、人口密度和经济密度的数值和空间分布结构,根据模型分析得到雄安新区现状、2035年和2050年生态系统服务需求空间分布格局和时间变化趋势。研究结果表明,雄安新区的生态系统服务需求随着城市的快速发展而增加,其人口变化、经济增长和土地开发程度与政策规划密切相关,由于规划先行开发建设起步区,建设用地面积增加,预测2035年起步区人口密度和经济密度将大幅增加,进而带动生态系统服务需求的增加；预测本世纪中叶,新区人口密度和经济发展的绝对值大幅度提高,生态系统服务需求高值区主要集中在“一主、五辅”城区范围,与城乡空间布局相呼应。