程 勇,张晓琳
(1.江苏省地质调查研究院,江苏 南京 210023;2.南京大学地理与海洋科学学院,江苏 南京 210023;3.自然资源部海岸带开发与保护重点实验室,江苏 南京 210023)
作为将自然过程与人类活动联系起来的桥梁和纽带,生态系统服务功能是人类直接或间接地从生态系统中获得的利益,是生态系统所形成和维持人类赖以生存的自然环境条件与效用[1]。然而,联合国千年生态系统评估计划报告表明全球60%以上的生态系统服务功能已经退化或不可持续利用[2],特别是在快速城镇化过程中,建设用地无序扩张和土地不合理开发利用,导致自然生态系统退化及生态系统服务功能丧失[3]。国土空间生态保护修复是解决区域生态问题的一项重要规划实践工具,通过设立自然保护区、实施国土综合整治和修复退化土地等综合措施,以实现国土空间整体保护、系统修复和综合治理的目的[4]。中共十九大报告将国土空间用途管制和生态保护修复上升到国家战略高度[5]。立足新时期国土空间生态保护修复的需求,从生态系统服务功能综合解析视角,如何有序开展国土空间生态保护修复、保护区域重要生态系统服务功能以及遏制生态系统服务功能退化,值得进一步探讨。
有效识别国土空间生态保护修复关键区域,制定差异化的国土空间生态保护修复策略,是开展国土空间保护修复的前提。如岳文泽等[6]基于InVEST模型、耦合协调度模型对乡镇尺度的区域生态系统服务供应量和需求量开展评价,从供需平衡视角提出差异化生态修复路径。姜莉欣[7]通过InVEST模型对吉林省西部草地碳储存、土壤保持、水源供给、生境质量等生态系统服务时空变化进行评估,提出“政策+技术+产业” 一体化的草地生态修复策略。吴健生等[8]基于InVEST模型评价区域关键生态系统服务,并利用神经网络模型、最小阻力路径模型分别识别重要生态源地和关键生态廊道,构建了珠三角区域生态安全和修复格局。总结相关研究,以InVEST模型为主的评价方法已成为分析区域重要生态服务功能的有效手段,该模型为开展综合生态系统服务功能解析提供了有利基础。然而,相关研究仍以单目标维度构建生态保护修复格局,如对区域重要生态系统服务功能进行评价与保护[9-10],或者对生态系统服务功能退化的区域进行识别与修复[7]。并且,相关研究侧重对生态系统服务功能变化过程进行分析,而缺乏对生态系统服务功能退化风险的认知评价[11]。遵循“概率×损失”研究范式,以“景观干扰度-景观脆弱度”为核心研究指标的景观生态风险评价模型是开展区域尺度生态风险分析的有效方法[12]。将生态系统服务功能引入景观生态风险评价体系,可为生态系统服务功能退化的风险认知提供科学支撑[12]。综上所述,基于“问题-风险”认知的国土空间生态保护修复格局亟待构建。
长江下游平原区拥有得天独厚的自然条件和地理环境,境内湖泊众多,水网密集,植被茂盛,整体生态环境质量较优[13]。与此同时,该地区经济高度发达,快速的人口集聚和城市化扩张,导致该区域部分生态系统服务功能发生严重退化[14],并且面临较高的生态风险[15]。综上,笔者研究立足区域重要生态系统服务功能,以快速城镇化地区的江苏省江阴市为案例区,采用InVEST模型开展生态系统服务功能评价,确定生态系统服务功能的重点保护区和功能退化修复区;采用基于“概率×损失”研究范式的景观生态风险评价方法,识别生态系统服务功能退化风险,最终构建县域尺度国土空间生态保护修复格局,并制定差异化生态保护修复策略,为生态保护区划定、生态修复试点工程布局和生态修复政策制定提供案例支撑。
1.1.1研究区概况
江阴市是江苏省省辖县级市,由无锡市代管。该市地处江苏省南部,属于长江下游平原区,位于31°40′34″ N~31°57′36″ N、119°59′ E~120°34′30″ E之间。该市北枕长江,南近太湖,东邻苏州,西连常州。该市属亚热带季风气候区,地处江尾海头、长江咽喉,历代为江防要塞,是长江南北的重要交通枢纽和江海联运的天然良港城市。研究区土地利用覆被类型以耕地和建设用地为主,其次是水域和森林。江阴市地处太湖水网平原北侧、长江南部冲积平原地带。境内地势平缓,平均海拔约为6 m,西南边缘地势偏低,中部、东部和北部有零星低丘散布其间。江阴市经济较为发达,城镇化率较高。2020年江阴市国民经济和社会发展统计公报显示,江阴市人均地区生产总值达24.88万元,第三产业占GDP比例为48.2%。长期社会经济的快速发展对研究区生态系统造成一定破坏,自然栖息地面积发生萎缩,部分生态系统服务功能发生明显退化。面对“现代化滨江花园城市”的规划愿景,江阴市在生态保护修复规划布局及其应对策略方面面临严峻挑战。
1.1.2数据来源
所使用的基础数据及其说明见表1[16-17]。其中,所用土地利用数据为武汉大学制作的中国土地利用覆被数据集[16]。该数据集精度为30 m,总体精度优于MCD12Q1、ESACCI _ LC、 FROM _ GLC 和 GlobaLand30等数据产品;生态保护红线和城镇开发边界数据来自所在地自然资源管理部门。所有数据均统一行政区边界与坐标投影(高斯-克吕格投影,1980年西安坐标系)。
表1 数据来源及说明[16-17]
纵观世界范围内区域生态保护修复活动,大致可分为3种类型:(1)针对区域重要的生态资源进行保护[18],以避免遭受人类活动破坏和干扰,如保护生物多样性[19]、生态系统服务功能[20-21]和景观多样性[22];(2)针对受损或退化的生态系统进行恢复,以遏制不可持续的利用,如全球森林恢复[23]、土壤微生物修复[24]和河流恢复[25];(3)针对气候变化等不确定风险进行生态系统适应性管理,以促进生态系统弹性,如碳减排[26]。这些保护修复行动计划是人类主动参与的生态系统维护和管理活动,既包括对区域生态环境问题的综合治理,又包括对产生区域生态环境问题的风险因素和风险源进行监测评估与防控管理。然而,由于存在生态风险源多样和不易量化的问题,生态风险在国土空间生态保护修复活动中往往容易被忽略。缺乏风险应对管理措施的生态保护修复活动,可能会降低未来保护区规划的效率和生态修复的综合成效。
作为自然生态系统与社会经济系统的潜在关联者,生态系统服务功能对促进区域可持续发展起着关键作用。立足生态系统服务功能视角,国土空间生态环境问题包括:(1)重要生态系统服务功能的保护欠缺问题,通过设立自然保护区、国家公园等形式进行保护区规划和管理,限制保护区内部人类活动强度[27];(2)受损或退化生态系统服务功能的修复问题,通过基于自然解决方案[28]或者人工干预措施[29]修复生态系统,遏制生态系统退化状况。此外,仍需要增强针对生态系统服务功能退化问题的风险认知,通过降低生态风险以应对各项社会挑战,增强生态系统韧性。因此,“问题-风险”认知体系是指通过解析区域生态环境问题及其潜在生态风险,采取综合治理和风险管控手段,开展国土空间生态保护修复体系的研究。该体系可为解决生态系统服务功能保护欠缺和退化问题以及减小生态系统服务功能供给下降风险提供指导。
为共同维护区域生态系统服务功能,基于“问题-风险”认知体系的国土空间生态保护修复格局是指通过保护区域重要生态系统服务功能,修复退化生态系统服务功能,以及降低服务功能退化风险等方式,立足保护区规划、生态修复工程和生态风险管理等措施,促进生态系统服务功能有效发挥,保障区域生态系统服务功能可持续供给能力的国土空间生态安全格局的整体布局和系统谋划(图1)。
图1 基于“问题-风险”认知体系的国土空间生态保护修复
具体地,可分为以下3个步骤:(1)在研究时段内,对处于持续高值区的生态系统服务功能进行保护,制定保护区规划策略以限制人类活动强度,维持区域重要的生态系统服务功能;(2)在研究时段内,对出现明显生态系统服务功能退化的区域进行修复,通过自然或人工修复措施使得退化或丧失的生态系统服务功能得以恢复;(3)在研究时段内,对生态系统服务功能退化风险区域进行重点管理,通过预测风险变化趋势采取相应管控措施。考虑江阴市社会经济发展过程以及生态修复实施的可能性,将研究时段定为2000—2019年,并选取2000和2019年作为研究时点。
1.2.1重要生态系统服务功能评价
选取与生态保护修复关系密切的生态系统服务功能开展评价。相关研究指出与中国生态保护与恢复关系密切的生态系统服务功能,分别是植被碳固定、土壤保持、水源涵养与提供及栖息地提供[30]。根据《江苏省县级国土空间生态保护和修复规划编制指南(试行)》以及区域自然环境特征分析,最终选取固碳释氧、水土保持、生境维持和水源涵养4类生态系统服务功能,分别采用InVEST模型中固碳量、土壤保持、生境质量和产水量模块进行评价[31]。根据各项服务功能评价结果,采用极差标准化方法对各服务值进行标准化处理,以消除度量单位的影响。将各项服务标准化结果进行叠加运算,得到综合生态系统服务功能。基于标准化结果,参照文献[32],采用自然断点法对各项服务功能进行分级。
(1)生境维持服务
选取生境质量模块表征生境维持服务。生境质量实际上是指生态系统能够提供给物种生存繁衍所需条件的潜力。InVEST模型假设生境质量好的地区,其生物多样性也高。采用生境质量指数来反映生境质量,其计算公式为
(1)
式(1)中,Qxj为土地利用覆被(生境类型)j中栅格x的生境质量;Dxj为土地利用覆被j中栅格x所受胁迫水平;k为半饱和常数,通常取Dxj最大值的一半;Hj为土地利用覆被j的生境适宜性;z为归一化常量,通常取值2.5;k为比例因子(常数)。
InVEST模型中生境质量是4个变量的函数,即各期土地利用/覆被、各期胁迫因子图层数据、胁迫因子表(包括胁迫强度、最大胁迫距离等)。将建设用地、耕地作为胁迫因子,各胁迫因子最大胁迫距离、权重以及不同生境类型对胁迫因子敏感性的设置结合InVEST模型实例,参照相似区域特征的研究结果[17]进行综合赋值。
(2)水源涵养服务
InVEST模型产水量是一种基于水量平衡的估算方法,以栅格为单元的降雨量减去实际蒸散发量后的水量即为产水量。产水量通过地形、土壤饱和导水率等因素进行校正后即获得区域水源涵养量,两者空间分布相似。基于此,采用产水量表征水源涵养服务。产水量计算公式为
(2)
式(2)中,Yxj为第j类土地覆被栅格x的产水量,mm;TAExj为第j类土地覆被栅格x的实际蒸散发量,mm;Px为栅格x的降水量,mm。其中,
(3)
(4)
(5)
CAWx=min(DSx,DRx)CPAWx。
(6)
式(3)~(6)中,ωx为表征流域特征的非物理参数;Rxj为潜在蒸散发量与降水量的比值,也称为干旱系数;TE0为潜在蒸散发量,或称为参考蒸散发量,mm;k为某种植被类型的蒸散系数;Z为Zhang系数,表示降水分布和深度的参数;CAWx为植被有效利用含水量,mm;DSx为最大土壤深度,mm;DRx为最大根系限制深度,mm;CPAWx为植物可利用水含量,mm。
(3)水土保持服务
土壤保持反映地表植被对水土流失量的降低状况,也反映对研究区上游泥沙的拦截状况。在InVEST模型中考虑了地块拦截上游沉积物的能力,土壤保持量为土壤侵蚀减少量和泥沙持流量之和。土壤侵蚀减少量为潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量之差,其中,潜在土壤侵蚀量为无植被覆盖和水土保持措施下的土壤侵蚀量,实际土壤侵蚀量为考虑地表植被覆盖和水土保持措施下的土壤侵蚀量。模型的主要公式为
TSEDREx=RxKxSLx(1-CxPx)+RSEDx,
(7)
(8)
EUSLx=RxKxSLxCxPx。
(9)
式(7)~(9)中,TSEDREx和RSEDx分别为栅格x的土壤保持量(t)和泥沙持流量(t);EUSLx和EUSLy分别为栅格x及其上坡栅格y的实际土壤侵蚀量,t;ESx为泥沙持留效率;Rx为降水侵蚀力因子,基于月降水量和年降水量计算[33];Kx为土壤可蚀性因子,利用WILLIAMS等[34]建立的公式计算;SLx为坡度坡长因子,无量纲;Cx和Px分别为植被与经营管理因子和水土保持措施因子,借鉴相关研究成果[35-36],对Cx、Px因子赋值。
(4)固碳释氧服务
选用InVEST 模型的碳存储模块估算研究区碳储量。该模块将陆地生态系统碳存储分为4大基本碳库,分别为地上生物量(土壤以上所有存活的植物材料)中所含碳、地下生物量(植物活的根系)中所含碳、土壤碳库(矿质土壤有机碳)和死亡的有机物质(凋落物和已死亡的树木)中所含碳[31]。将不同土地利用类型的4大碳库相加,即可得到该区域碳储总量,其计算公式为
(10)
式(10)中,Cx为区域x碳储量,t;Axj为区域x中土地覆被类型j面积,hm2;Caj、Cbj、Csj和Cdj分别为土地覆被类型j的地上碳密度、地下碳密度、土壤碳密度和死亡有机物碳密度,t·hm2。参考具有相似自然气候、地形和地貌条件的太湖流域相关参数设置[36],确定该研究区每种土地利用类型碳储量。
1.2.2景观生态风险评价
景观生态风险评价模型是关于景观干扰度和景观脆弱度的函数,具体评价模型为
(11)
式(11)中,RLEk为风险评价单元k的景观生态风险;N为景观类型数;Rki为风险评价单元k中景观类型i的景观干扰度;Aki为风险评价单元k中景观类型i面积,hm2;Ak为景观生态风险评价单元k总面积,hm2;Vk为风险评价单元k的景观脆弱度。
景观干扰度指数(Rki)反映了景观格局变化造成的生态损失风险,其计算公式[22]为
Hki=aCki+bNki+cDki,
(12)
(13)
式(12)~(13)中,Hki为风险评价单元k中景观类型i的景观干扰度;Cki、Nki和Dki分别为风险评价单元k中景观类型i的景观破碎度、景观分离度和景观优势度;a、b、c分别为各个景观格局指数的权重。
景观脆弱度指数用于表示不同生态系统的易损程度,在以往研究中多采用土地利用类型专家打分法确定[37],但是该方法忽略了相同土地利用类型内部差异。笔者研究改进了仅基于景观格局指数评价的景观生态风险模型,采用4种标准化的生态系统服务功能评价结果量化景观脆弱度,用以表征由于景观格局变化所带来的生态系统服务功能损失的风险。结合相关研究[12]和城市景观变化特点,将风险小区定为500 m×500 m格网。景观破碎度指数、景观分离度指数和景观优势度指数的权重分别赋值为0.6、0.3和0.1。基于景观生态风险评价结果,将风险等级按照自然断点法进行划分[38]。按照风险等级不同,生态风险区需重点关注风险持续增加区和持续高风险区两种类型。
从2019年江阴市生态系统服务功能现状评价结果(图2)来看,研究区生境维持服务大部分处于最低和较低等级,说明研究区生境维持服务的重要性程度较低。部分区域如长江沿线、南部连片的河荡湿地以及中部丘陵林地提供了区域重要的生境维持服务。研究区水源涵养服务空间分布与生境维持服务类似。江阴市水源涵养服务最高值主要分布在长江河道,涵盖研究区主要的水源保护地,较高值区域则分布在中部若干山体,是重要的备用水源地。对于固碳释氧服务,大部分区域处于较低和最低水平,只有中部零散山体、丘陵的固碳释氧服务较高。因此,江阴市固碳释氧服务极重要区主要分布在观山、秦望山、花山、定山和砂山等森林覆盖区域。此外,得益于以平原为主的地形地貌,江阴市大部分区域水土保持服务值均较高。综合生态系统服务功能值较高和最高区域分布在中部山体和长江沿线,最低区域分布在城镇建设区,其余大面积区域处于生态系统服务功能的中等水平。与2000年相比,部分区域生态系统服务功能均发生明显退化。退化范围主要集中在城镇开发区周边,这在一定程度上说明城市化对生态系统服务功能供给产生了显著的负面效应。
图2 2000和2019年研究区重要生态系统服务功能的评价结果
从时序上看,部分区域景观破碎度、景观分离度和景观优势度发生明显变化,而景观干扰度格局特征变化相对不显著(图3)。2000—2019年研究区景观破碎度高值区明显增加,空间分布趋于破碎化;景观分离度逐渐增强,尤其是在研究区西部和中部部分区域,说明该区域景观在地域分布上较为分散,破碎化程度较高;景观优势度高值区发生明显缩减,说明优势景观类型面积在减少;景观干扰度高值区分布零散,主要集中在人类活动较强的城市化区域。
图3 2000和2019年研究区景观生态风险测算结果与等级划分
就景观生态风险而言,2019年江阴市大部分区域处于较低和低风险区(图3),这与自身自然环境条件密切相关。较高和高风险区面积占区域总面积的7.38%,低风险区面积占比为38.14%,较低风险区面积占比为53.45%。较高和高风险区主要分布在长江沿线以及南部河流水系和河荡湿地。从时序变化上来看,2000—2019年研究区景观生态风险明显降低。低风险区面积占比增加126.53个百分点,较低风险区面积占比减少27.76个百分点。较高和高风险区面积占比与空间分布变化差异不大。风险发生明显降低的区域主要分布在城市建成区及城郊建设用地区、农业景观分布区。高风险区域分布在湿地、森林和河流等自然生境景观中。
2.3.1生态保护修复总体格局
依据“问题-风险”的不同研究层级,按照“生态系统问题或者风险特征+保护修复方式”的命名原则,将研究区国土空间生态保护修复格局划分为重要生态系统功能保护区、综合生态系统服务功能修复区、生态风险重点管控区和生态风险一般管控区4大类型(图4)。(1)重要生态系统功能保护区在研究时段一直处于综合生态系统服务功能最高和较高等级,代表着区域重要的生态系统服务功能集中分布区,在未来国土空间规划中应注重保护,避免人类活动对生态系统服务功能供给造成影响。该区域主要分布在长江、中部的山区森林景观,其面积占区域总面积的6.68%。(2)综合生态系统服务功能修复区是指在研究时段综合生态系统服务功能发生显著退化,包括由高生态系统服务功能变为较低生态系统服务功能或者较低生态系统服务功能变为最低生态系统服务功能等情况。该区域人类活动对生态系统服务功能供给造成明显的负面效应,在未来国土空间规划中应加强自然或人工措施,恢复自然生态系统功能,增强整体生态系统服务功能供给。该区域主要分布在各城镇中心外围区域,以建设用地为主,其面积占区域总面积的23.92%。(3)生态风险重点管控区是指在研究时段内生态风险等级一直处于较高和高等级区域,表明该区域面临较高生态风险。未来生态系统服务功能退化可能性较高,这些区域需制定综合风险管控措施,如加强生态系统监测监管,在关键自然生态系统内建设保护区,尽可能地降低生态系统服务功能退化风险。该区域主要分布在长江沿线、锡澄运河和徐霞客镇南部支流,其面积占区域总面积的5.34%。(4)生态风险一般管控区是指在研究时段生态风险等级处于增加状态的区域,这些区域生态系统服务功能退化风险持续增加。在未来应制定完善的风险预警机制,对风险等级状态持续跟踪监测,必要时启动重点风险管控措施进行生态保护修复综合治理。该区域空间分布细碎零散,较大斑块分布在绮山应急备用水源保护区、江阴敔山湾湖,土地利用类型以水域为主,其面积占区域总面积的4.63%。
图4 研究区生态保护修复总体格局与对策分析
2.3.2生态保护修复对策
针对生态保护修复重点区域采取差异化生态保护修复策略(表2),以实现区域生态系统服务功能可持续利用。由于风险增加区、持续高风险区可能与保护区和退化修复区发生空间重叠,应统筹考虑不同类型生态保护修复对策,综合安排保护修复时序,避免具体对策之间的冲突。遵循以“保护优先,自然修复”为主的原则,对多重属性的生态保护修复区域进行综合解析,提出相应的治理对策。在重要生态系统功能保护区增加水域和森林生态系统的保护,将保护空缺区域(如定山、绮山、凤凰山、观西第一林场、华西世界公园和五峰顶等区域)纳入现有的保护区规划体系,并加强监管以维护生态系统服务功能。在综合生态系统服务修复区应根据区域实际情况进行生态修复规划和试点工程部署,需重点关注绮山森林公园南侧的耕地景观生态修复工作。通过设立耕地功能修复试点,推广绿色高效农业种植模式,实施耕地污染防控与修复技术,营造多功能农业景观体系,提升耕地景观生态系统服务功能。对于生态系统退化严重的区域,应采取必要的工程修复措施,在遵循基于自然解决方案的原理基础上进行局地尺度的生态修复规划设计。同时,将生态风险因素纳入生态保护修复监察体系,加强重点区域(持续高生态风险区和生态风险等级持续增加区域)的生态风险等级监测与防控。对于生态风险重点管控区,需加强河流景观风险管理,在锡澄运河、徐霞客镇南部支流等地设立重要水源地保护区。对于生态风险一般管控区应构建生态风险预警机制,重点加强江阴敔山湾湖的水质监测和管护。
表2 生态保护修复区域与对策
既往国土空间生态保护修复格局研究多通过生态系统指标综合评价以及区域生态网络的构建,发掘保护欠缺和生态系统退化的问题区域,而对生态风险的认知往往缺乏考虑。生态风险作为区域生态问题研究的重要内容,应纳入国土空间生态保护修复分区体系。笔者通过构建“问题-风险”认知体系的国土空间生态保护修复研究框架,立足区域重要的生态系统服务功能,分析了生态系统服务功能退化、生态系统服务功能退化风险等问题,并兼顾区域重要生态系统服务功能的保护需求,较为全面地开展了生态保护修复的重点区域识别与策略研究,为快速城镇化地区的国土空间生态保护修复格局构建与对策制定提供指导。
笔者研究旨在构建快速城镇化地区的国土空间生态保护修复格局的识别体系,并为类似区域的生态保护修复工作提供案例基础。考虑江阴市近年来社会经济发展与生态修复可能性,笔者研究的评价基期是2000和2019年,并未对长时间、连续序列的生态系统服务功能退化情况进行分析。生态系统服务功能类型具有多样性,笔者选取与生态保护修复密切相关的4类重要生态系统服务功能,对粮食供给、景观文化等服务未纳入分析范围。此外,由于不同研究方法的差异,结果的分析精度也存在一定区别,生态系统服务功能评价结果精度为30 m,生态风险小区设定为500 m×500 m格网,不同研究精度对国土空间生态保护修复格局的影响仍需进一步研究。关于综合生态系统服务功能、景观干扰度计算过程的权重设置,仍需根据不同研究区的实际情况差异进行合理调整。
(1)研究区生态系统服务功能空间分布差异明显,部分区域发生显著退化。综合生态系统服务功能供给现状较高区域分布在中部森林和沿江景观,较低区域分布在城镇建设区,其余大面积区域处于生态系统服务功能供给的中等水平。2000—2019年,江阴市各项生态系统服务功能发生不同程度的退化,城市化对生态系统服务功能供给产生了显著的负面影响。
(2)研究区整体生态风险水平较低,部分区域风险等级明显降低。研究区2019年较高和高风险区面积占比为7.38%,低风险区面积占比为38.14%,较低风险区面积占比为53.45%。在研究期间,研究区较高和高风险区面积占比与空间分布差异变化不大。风险等级发生明显降低的区域主要分布在城市建成区及城郊建设用地区、农业景观分布区。
(3)针对生态保护修复的重点区域,采取差异化的整治修复策略。重要生态系统功能保护区主要分布在长江、中部的山区森林景观,其面积占区域总面积的6.68%,未来应增加水域和森林生态系统的保护,将保护空缺区域(如定山、绮山等区域)纳入现有的保护区规划体系。综合生态系统服务功能修复区主要分布在各城镇中心的外围区域,其面积占区域总面积的23.92%。在该区域可适度开展生态修复试点工程建设,重点关注绮山森林公园南侧的耕地景观生态修复。生态风险重点管控区主要分布在长江沿线、锡澄运河和徐霞客镇南部支流,其面积占区域总面积的5.34%,未来需加强河流景观风险管理和重要水源地的保护。生态风险一般管控区空间分布较为零散,其面积占区域总面积的4.63%,应构建河湖水系的生态风险预警机制,重点加强江阴敔山湾湖的水质监测和管护。