面向多重生态保护目标的广东省生态系统服务退化风险情景模拟

张子墨,姜 虹,徐子涵,丹宇卓,叶玉瑶,彭 建,,*

1 北京大学城市与环境学院,地表过程分析与模拟教育部重点实验室,北京 100871 2 北京大学深圳研究生院城市规划与设计学院,城市人居环境科学与技术重点实验室,深圳 518055 3 广东省科学院广州地理研究所广东省地理空间信息技术与应用公共实验室,广州 510070

生态系统服务是指生态系统和生态过程所形成的人类赖以生存的环境条件和效用[1],作为连接人类福祉和生态系统的关键纽带,其维持和改善是维持区域自然生命系统、保障区域生态安全的基础[2]。然而,由于生态环境变化和人类需求增加,生态系统提供生态系统服务的能力正以前所未有的速度发生变化[3—4]。政府间生物多样性和生态系统服务平台2019年发布的《生物多样性和生态系统服务全球评估报告》指出,多种人类因素已使得75%的陆地表面发生显著变化,自然生态环境正在全球范围内恶化,全球生物多样性与生态系统服务水平呈现迅速下降趋势[5]。生态系统所受的人为与自然干扰加剧了生态系统服务退化风险,即区域无法维持稳定、协调、可持续的生态系统服务供给[6]。因此,有必要对生态系统服务未来演化趋势进行模拟,有效规避、主动适应及综合管理生态系统服务退化风险,揭示区域生态安全和可持续提升路径,提升人类福祉。

目前生态系统服务退化风险研究主要基于两种途径：一是将生态系统服务纳入生态风险评估框架。生态风险是生态系统及其组分在自然或人类活动的干扰下所承受的风险[7],主要基于风险源/汇和景观格局两类框架进行评估[8—10]。例如,李俊翰等[11]基于评价小区格网化核算生态系统服务价值和生态风险指数,分析二者动态变化特征及时空关联；曹祺文等[12]提出了基于生态系统服务的景观生态风险评价框架；Liao等[13]将重要生态系统服务区作为风险受体,评价、预测城市综合生态风险。二是以生态系统服务退化表征生态风险。例如,Dong等[14]提出了基于生态系统服务的区域生态风险预警框架,根据2000—2015年生态系统服务变化评估生态风险状态,识别出无风险、轻度、中度、高度和极高风险5个等级；Xu等[15]构建了生态系统服务生态风险评估模型,将生态系统服务与土地利用变化模型相结合,量化1985—2020年生态系统服务退化风险；王壮壮等[16]提出了区域尺度的生态系统服务供需风险研究框架,揭示产水服务供需风险时空格局变化特征。综合来看,在评估生态系统服务退化风险时,现有研究多直接叠加所有生态系统服务,未能面向区域生态问题或生态需求对不同类型生态系统服务进行整合；在情景模拟方面,现有研究的情景选择比较单一,较少选择不同发展情景进行对比。

广东省是我国城市化发展最快速的地区之一,但随着社会经济的发展,自然生态系统显著受损,生态环境问题日益凸显,如生物多样性丧失、水质恶化、自然灾害频发等[17—18]。在未来持续的人类活动影响下,广东省面临生态系统服务退化加剧的严峻挑战。本研究评估生态系统服务在未来不同发展情景下的退化风险,面向生物多样性保育、水资源安全与自然灾害防范三类生态保护目标评估生态系统服务退化风险,为广东省国土空间格局优化提供决策依据。

1 研究区与数据源

广东省位于我国华南地区,分为珠三角、粤东、粤西与粤北四个区域(图1)。全省气候温暖湿润,年平均气温约21.8℃,多年平均降雨量达1789mm；地势北高南低,地形破碎,平原少,多山地丘陵,其中,山地占全省土地总面积的33.7%、平原占21.7%。广东省是我国改革开放后社会经济发展最快速的省份之一,是第一经济大省；在以珠江三角洲城市群为核心的经济引擎推动下,2020年全省GDP总量达110760.94亿元,连续32年位居全国首位。在城市化水平长期高速提升以及全球气候变化趋势背景下,广东省未来因土地利用变化与气候变化引起的生态系统服务退化风险需引起重点关注。

图1 广东省地理位置与土地利用格局Fig.1 Geographical location and land use pattern of Guangdong Province

本研究主要使用的数据为：(1)中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/)的中国土地利用现状遥感监测数据(2018年, 1km×1km),土地利用类型分为耕地、林地、草地、水体、建设用地以及未利用地；(2)全球土地利用变化模拟数据集(https://geosimulation.cn/China_PFT_SSP-RCP.html)的土地利用模拟数据(2035年, RCP 4.5和RCP 8.5, 1km×1km),土地利用类型分为耕地、林地、草地、水体、建设用地以及未利用地；(3)中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)的气象站点数据(2018年, txt)；(4)CMIP5气候预估降尺度数据集(https://link.springer.com/article/10.1007/s10584-012-0464-y#Abs1)的气象站点模拟数据(2035年, RCP 4.5和RCP 8.5, met)；(5)中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/)的NDVI空间分布数据(2018年, 1km×1km)；(6)世界土壤数据库(http://www.fao.org/soils-portal/soil-survey/soil-maps-and-databases/)的土壤质地数据(1km×1km)。

2 研究方法

2.1 研究框架

本研究提出面向多重生态保护目标的生态系统服务退化风险情景模拟框架(图2)。在此框架中,2018年为初始年,基于“典型浓度路径”(Representative Concentration Pathways, RCPs)RCP 4.5和RCP 8.5情景,以流域为基本单元模拟不同RCP情景下2018—2035年广东省生态系统服务退化风险格局。首先,关注广东省重要生态保护目标并选取代表性生态系统服务类型进行评估,即生物多样性保育(生境维持)、水资源安全(水源涵养、水质净化)与自然灾害防范(土壤保持、洪水缓解、热带气旋缓解)；其次,对比不同RCP情景下2018—2035年生态系统服务退化程度,采用“单一生态系统服务退化风险-面向生态保护目标的生态系统服务退化风险-综合生态系统服务退化风险”的递进框架评估广东省生态系统服务退化风险；最后,基于风险分析结果提出广东省生态系统服务退化风险应对策略。

图2 面向多重生态保护目标的生态系统服务退化风险情景模拟框架Fig.2 A framework for ecosystem service degradation risk scenario simulation for multiple ecological conservation objectives RCP: 典型浓度路径Representative concentration pathways

2.2 生态系统服务情景模拟

联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)于2013年发布第五次评估报告,该报告中未来气候变化的预估主要基于全球耦合模型比较计划第五阶段(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5, CMIP5)的地球系统模型结果[19]。CMIP5模式数据采用“典型浓度路径”(Representative Concentration Pathways, RCPs)情景,包括RCP 2.6(人为温室气体低排放情景)、RCP 4.5(中排放情景)、RCP 6.0(中高排放情景)以及RCP 8.5(高排放情景)四种情景[20—21]。其中,RCP 4.5是一种稳定情景,该情景下政府采取气候变化相关政策进行干预,全球人口总数达90亿后将减少,经济持续增长,并适当重视生态保护；RCP 8.5是无气候变化政策干预时的情景,该情景下全球人口与城市需求将不断增长,社会更多地关注发展而不是生态保护[21—22]。本研究选取RCP 4.5和RCP 8.5情景进行模拟对比,以体现未来发展模式的差异。

面向广东省生物多样性保育目标,关注生境维持服务；面向广东省水资源安全目标,关注水源涵养和水质净化服务；面向广东省自然灾害防范目标,关注土壤保持、洪水缓解和热带气旋缓解服务。本研究分别评估了广东省2018、2035年RCP 4.5和RCP 8.5两种情景下的六种生态系统服务,其中2035年采用土地利用与气候模拟数据进行评估。生态系统服务评估方法如表1所示。

表1 生态系统服务评估方法

2.3 生态系统服务退化风险评估

本研究采用“单一生态系统服务退化风险-面向生态保护目标的生态系统服务退化风险-综合生态系统服务退化风险”的递进框架对广东省生态系统服务退化风险进行情景模拟与评估。首先,将2035年生态系统服务模拟结果与2018年初始状态相比较,分别计算RCP 4.5和RCP 8.5情景下生态系统服务变化量与变化率：

ΔESi=ESi2-ESi1

(1)

(2)

式中,ESi1为第i种生态系统服务的初始值,即2018年;ESi2为第i种生态系统服务的模拟值,即2035年;ΔESi为第i种生态系统服务的变化量;RCi为第i种生态系统服务的变化率。根据变化率,每种生态系统服务发生退化的风险分为5个等级[15]：高(RCi≤-20%)、较高(-20%20%),退化风险等级数(RL)分别设为5、4、3、2、1。

其次,综合考虑RCP 4.5和RCP 8.5两种情景下生态系统服务退化风险等级,将同一种服n务两种情景下的退化风险等级数相加,识别两种情景下均发生高度退化的高级风险区,对单一生态系统服务退化风险进行综合分级：

EWi=RLi1+RLi2

(3)

式中,RLi1为第i种生态系统服务第1种情景下(RCP 4.5)的退化风险等级数;RLi2为第i种生态系统服务第2种情景下(RCP 8.5)的退化风险等级数;EWi为第i种生态系统服务在两种情景下的退化风险等级加和,据此对单一生态系统服务退化风险进行综合分级：低(EWi=2, 3, 4)、中(EWi=5, 6)、高(EWi=7, 8)、极高(EWi=9, 10),单一生态系统服务退化风险等级数(WL)分别设为1、2、3、4。

进一步,面向生物多样性保育(生境维持)、水资源安全(水源涵养、水质净化)与自然灾害防范(土壤保持、洪水缓解、热带气旋缓解)生态保护目标评估广东省生态系统服务退化风险。将同一生态保护目标下的多种生态系统服务退化风险等级数相加,对面向某一生态保护目标的生态系统服务退化风险进行分级：

ERj=∑WLi

(4)

式中,WLi为同一目标下第i种生态系统服务退化风险等级数;ERj为面向第j种生态保护目标的生态系统服务退化风险等级数总和。据此进行每种生态保护目标下生态系统服务退化风险分级：低、中、高、极高,风险等级数(EL)分别设为1、2、3、4。

最后,综合考虑生物多样性保育、水资源安全与自然灾害防范,将多目标下的生态系统服务退化风险等级数相加,评估面向多重生态保护目标的综合生态系统服务退化风险：

IER=∑ELj

(5)

式中,ELj为第j种生态保护目标的生态系统服务退化风险等级数;IER为多重生态保护目标下的生态系统服务退化风险等级数总和,据此进行综合生态系统服务退化风险分级：低(IER=3)、中(IER=4, 5, 6)、高(IER=7, 8, 9)、极高(IER=10, 11, 12)。

3 结果分析

3.1 生态系统服务时空演变

2018—2035年广东省生态系统服务空间格局基本稳定,每种生态系统服务空间异质性明显,2035年生态系统服务相比2018年有所退化(图3)。具体而言,生境维持服务高值位于粤北山区林地,众多林地适宜生物栖息,低值位于珠三角、汕头市、茂名市。其中,RCP 4.5情景下生境维持服务平均值为0.723,RCP 8.5情景下平均值为0.717,相比于2018年的0.78均发生明显退化。水源涵养服务高值位于清远市、茂名市、湛江市及揭阳市山区,植被冠层、落叶以及根系对降水有良好拦蓄作用,低值位于珠三角城市群建设用地,水源涵养能力弱。RCP 4.5情景下水源涵养服务平均值较RCP 8.5情景高,分别为49.64mm和46.88mm,但相比于2018年的71.57mm均显著退化。水质净化服务高值位于梅州市、清远市、河源市的林地,低值位于佛山市、中山市及茂名市,水质净化能力弱。土壤保持服务高值位于粤北山区以及珠三角东西两翼沿海,低值位于珠三角以及雷州半岛。洪水缓解与热带气旋缓解服务高值位于粤北山地地区,该区域植被覆盖度较高,洪水缓解与热带气旋缓解能力较强；低值位于珠三角城市群,特别是佛山市和深圳市,该区人类活动强,不透水表面覆盖度高,导致灾害缓解能力较弱。

图3 2018—2035年广东省生态系统服务空间分布Fig.3 Spatial distribution of ecosystem services in Guangdong Province from 2018 to 2035

3.2 单一生态系统服务退化风险

将2035年生态系统服务模拟结果(RCP 4.5、RCP 8.5情景)与2018年初始状态相比较,广东省生态系统服务退化风险如图4所示。生境维持服务高度退化区位于珠三角沿岸、茂名市、湛江市、揭阳市以及汕头市；与RCP 4.5相比,RCP 8.5情景下生境维持服务高度退化区发生扩张,主要发生在茂名市、江门市以及揭阳市,高度退化流域由228增加为253个。水源涵养服务高度退化区位于深圳市、江门市、阳江市和茂名市；RCP 4.5至RCP 8.5情景,水源涵养服务高度退化区扩张主要发生在珠三角沿岸与粤西沿岸,高度退化流域由182增加为259个。水质净化服务高度退化区位于湛江市、江门市、茂名市和揭阳市；RCP 4.5至RCP 8.5情景,水质净化服务高度退化流域由242增加为277个。土壤保持服务高度退化区位于阳江市、江门市、中山市和珠海市,从RCP 4.5到RCP 8.5情景,高度退化区主要以阳江市、江门市和珠海市为中心扩张,高度退化流域由132增加为278个。洪水缓解服务高度退化区位于湛江市、茂名市、佛山市以及揭阳市,从RCP 4.5到RCP 8.5情景,高度退化区主要以湛江市、茂名市和揭阳市为中心扩张,高度退化流域由272增加为284个。热带气旋缓解服务高度退化区位于深圳市、广州市、佛山市、潮州市以及汕头市,从RCP 4.5到RCP 8.5情景,高度退化区以珠三角和揭阳市为中心扩张、高度集中,高度退化流域由240增加为254个。

图4 2018—2035年广东省不同情景生态系统服务退化风险Fig.4 Ecosystem services degradation risk in Guangdong Province from 2018 to 2035 under the scenarios of RCP 4.5 and RCP 8.5

3.3 综合生态系统服务退化风险

综合考虑RCP 4.5与RCP 8.5两种情景下生态系统服务退化程度,对生态系统服务退化风险进行分级：极高、高、中与低(图5)。具体而言,生境维持服务高风险区位于珠三角沿岸城市群以及粤西和粤东区域的湛江市、茂名市和揭阳市。水源涵养服务高风险区位于粤西沿岸的茂名市、阳江市和江门市。水质净化服务高风险区位于粤西、粤东与粤北的东部,以湛江市、茂名市为主。土壤保持服务高风险区位于珠三角沿海地区。洪水缓解服务高风险区位于粤西沿岸与粤东沿岸的茂名市、湛江市、揭阳市以及汕头市。热带气旋缓解服务高风险区位于中山市、佛山市、东莞市、揭阳市与汕头市。

图5 2018—2035年广东省单一生态系统服务退化风险Fig.5 Ecosystem services degradation risk in Guangdong Province from 2018 to 2035

面向生物多样性保育(生境维持)、水资源安全(水源涵养、水质净化)以及自然灾害防范(土壤保持、洪水缓解、热带气旋缓解)多重生态保护目标对生态系统服务退化风险进行评估(图6)。研究结果表明,面向生物多样性保育目标的生态系统服务退化风险同生境维持服务退化风险；面向水资源安全目标的生态系统服务退化高风险区位于珠三角的深圳市、中山市和江门市,以及粤西与粤东地区的茂名市、揭阳市和江门市,土地利用以耕地与建设用地为主,难以有效截留降水,耕地由于过度施肥等人类活动易受到污染,在土地利用变化与气候变化影响下面临更大的水资源安全风险；面向自然灾害防范目标的生态系统服务退化高风险区位于珠三角的深圳市与江门市、粤西与粤东地区的茂名市、湛江市和揭阳市,不透水面占比高,下渗能力弱,面临更高的沿海灾害风险。对多重生态保护目标下的生态系统服务退化风险进行综合,可以发现极高风险区分布茂名市、江门市、深圳市与揭阳市,是广东省生态风险防范的关键区域。

图6 2018—2035年广东省面向生态保护目标的生态系统服务退化风险Fig.6 Ecosystem service degradation risk for ecological conservation objectives in Guangdong Province from 2018 to 2035

4 讨论

4.1 多情景生态系统服务权衡

生态系统服务权衡源于生物物理系统与自然生态资源的约束,即增加一种生态系统服务可能导致其他生态系统服务的减少[32—33]。为了更清晰地表征不同生态系统服务间的权衡与协同关系,本研究将2018年与2035年RCP 4.5、RCP 8.5两种情景下的生态系统服务平均值进行z-score标准化[34]后绘制权衡关系玫瑰图(图7),明晰区域生态系统服务权衡特征。

2018年广东省生境维持服务、水源涵养服务和洪水缓解服务水平高,整体生态系统服务水平较高,权衡关系较弱。2035年RCP 4.5情景下,热带气旋缓解服务与水质净化服务水平有较大提升,生境维持服务、水源涵养服务和洪水缓解服务水平显著下降,土壤保持服务变化不大,生态系统服务之间的矛盾趋向严峻,权衡关系加强。2035年RCP 8.5情景下,广东省整体生态系统服务水平显著下降,生态系统服务之间权衡关系较弱,呈协同下降趋势。总体而言,2018年六种生态系统服务供给水平最为均衡,生物多样性保育、水资源安全与自然灾害防范目标得到保障；2035年,RCP 4.5相比于RCP 8.5情景提供了更高水平生态系统服务,RCP 8.5意味着未来更高强度的发展,社会经济水平发展的同时生态系统服务显著退化。为实现社会经济发展和生态保护的共赢,推动广东省实现生态系统服务退化风险最小化以及人类福祉最大化,应在科学开展风险评估的基础上对未来发展进行合理规划、加强风险防范。

图7 广东省不同情景生态系统服务权衡Fig.7 Ecosystem services trade-offs under different scenarios in Guangdong Province

4.2 生态系统服务退化风险应对

基于生态系统服务退化风险评估结果,本研究梳理了广东省存在的主要生态问题。首先,城市发展与生物多样性保育存在矛盾。生物多样性保育高风险区分布在珠三角城市群,沿海城市发展区人口密度与城镇开发建设强度高,未来发展情景下城市扩张强度大,且近岸海域生境质量易受到围填海工程、环境污染等影响,生境维持服务退化风险高[5]。其次,粤西水资源安全存在较高风险。该区域多属山地暴流性小河,受未来气候变化影响较大,因水土流失严重水源涵养能力退化明显,建设用地扩张与生态用地减少也使得水质净化能力下降[35]。同时,珠三角以及粤东、粤西沿海地区的灾害缓解能力风险高。随未来城市化进程和气候变化加剧,沿海区域水土流失区域有增大趋势,土壤保持能力可能持续退化。并且,随着河流淤泥沉积,洪水缓解能力也将受到影响。植被覆盖度的下降也将导致应对热带气旋等沿海灾害的能力减弱[36]。

因此,广东省生态系统服务退化风险应对策略包括：(1)面向生物多样性保育目标,应重视城市生态系统的生物多样性保护,加强绿色基础设施建设,提升城市群森林绿地体系建设的连通性和协同性,为生物提供栖息地与迁徙廊道；(2)面向水资源安全目标,应加强对重要水体的保护,将高风险区域目前的高质量生态用地、水源地及水源涵养区等纳入严格保护范围；(3)面向自然灾害防范目标,应加强沿海红树林等高风险区防护林的保护及恢复,提升自然灾害适应力；(4)基于生态系统服务退化风险等级进行分级管控与应对,因地制宜开展面向多重生态保护目标的生态保护与修复工程,切实提高风险应对能力；(5)积极采取气候变化相关干预政策,优选低资源消耗低生态影响的绿色可持续发展路径。

5 结论

本研究以广东省为例,提出面向多重生态保护目标的生态系统服务退化风险情景模拟框架,对广东省不同发展情景下的生态系统服务退化风险进行模拟。研究结果显示,2018—2035年广东省生态系统服务空间格局基本稳定,各类生态系统服务空间异质性明显,2035年生态系统服务相比2018年有所退化。对多重生态保护目标下的生态系统服务退化风险进行情景模拟,高风险区分布在珠三角城市群以及粤西、粤东沿海地区,尤其是茂名市、江门市、深圳市与揭阳市,是广东省生态系统服务退化风险预防的关键区域。面向多重生态保护目标,广东省需要因地制宜优选生态系统服务风险应对策略。