国土空间是承载人类活动的物质载体,由生态系统与人类社会相互作用形成[1]。随着社会生产力的不断发展,人类活动对地球表层生态系统的影响在不断扩大和深化,生产和生活空间不同程度地挤占具有重要生态系统服务供给能力的生态空间,实施国土空间生态修复已成为生态环境治理的必然途径[2-3]。深入探索国土空间生态保护与修复,不仅对于维护国家生态安全格局具有重要意义,还能促进区域管理工作的精准施策,有效减轻对生态系统的负面影响,提升生态系统整体健康状况[4]。因此,推动国土空间生态保护修复分区研究的深入发展,不仅在理论上能够丰富相关学科体系,更在实践中为政策制定与实际操作提供了宝贵的参考与指导。
近年来,国内外学术界在生态保护修复及其成效评估领域展开了广泛而深入的理论与实践探索。归纳起来,生态修复分区主要采用以下3种方法:1)以生态系统的格局指标(如景观优势度、破碎度、连通性等)构建评价体系,依据评价结果确定进一步的保护修复分区[5-7];2)对能反映生态系统的过程指标(如归一化植被指数、净初级生产力等)进行变化分析,以这些指标的正负向变化率来确定保护修复空间[8-10];3)基于生态系统服务功能重要性等级,结合生态脆弱性,识别生态保护修复的重要空间区域[11-13]。第3种方法应用最为广泛,中国的生态红线划定、生态功能区划、国家公园遴选等工作,都采用了生态系统服务功能评价结果。
以上研究为生态系统保护修复的分区研究奠定了良好基础,但未从综合、系统视角来审视生态系统,这可能会造成对一些保护修复区重要等级的误判,甚至出现保护修复空缺。本研究以生态系统健康为切入点,以“组织力-恢复力-贡献力”这3个指标作为生态系统健康评价的内容,分别对应“格局-过程-功能”这一生态系统研究范式,且在“功能”评价中,除了考虑生态系统的供给外,还重点结合了人类社会对生态系统服务的需求,将以自然生态保护修复为目标的生态管理,拓展到保护修复支持经济社会发展层面。
研究以长株潭“3+5”城市群为研究对象,以研究区内的区县为分区单元,基于“格局-过程-功能”生态系统研究范式,构建“组织力-恢复力-贡献力”生态系统健康评价模型,对2000年和2020年的长株潭“3+5”城市群生态系统健康进行评价,并划分健康类型和分析变化趋势,提出针对不同区县特征的差异化国土空间生态保护和修复策略及管控措施。研究结果对于维持区域生态平衡,推动实现“建成具有国际品质的现代生态型城市群”这一目标具有重要的指导价值。
1 数据来源与研究方法
1.1 研究区概况与数据来源
长株潭“3+5”城市群(图1)以长沙、株洲、湘潭为中心,环绕长株潭分别发展岳阳、衡阳、益阳、常德、娄底5个次级城市圈(带),共48个县(区)。研究区总面积约9.96万km2,人口4 000余万人,GDP占全省的79%。研究区自2000年以来城镇化发展迅速、用地矛盾突出,人类活动干扰的加剧导致了破碎度增大、生态系统服务功能下降、生境质量降低等诸多生态问题,对“建设生态型城市群”这一发展目标带来挑战。
本研究使用的基础数据与来源如下:2000年和2020年土地利用数据、DEM数据等来源于中国科学院资源环境科学与数据中心;降水、蒸散发数据来源于国家地球系统科学数据中心;碳排放量来源于中国碳核算数据库;社会经济数据来源于《湖南省统计年鉴》《湖南水资源公报》;土壤数据采用基于世界土壤数据库(HWSD)的中国土壤数据集;归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)与净初级生产力(net primary productivity, NPP)数据来源于GEE数据平台。以上数据均统一重采样至1 km×1 km。
1.2 研究方法
1.2.1 生态系统组织力
生态系统组织力反映生态系统结构的稳定性,具体由景观异质性和景观连通性决定。采用Fragstats软件计算生态系统组织力的相关指标[16]。
景观异质性指在一个景观系统中,景观要素类型、组合及属性在空间或时间上的变异性,具体可利用香农多样性指数(Shannon's diversity index, 式中记为IShd)对其进行量化。景观连通性表示景观促进或阻碍一些生物或某种生态过程在源与汇地块之间转移的程度,具体采用蔓延度(contagion, 式中记为Dcon)和斑块凝聚度(Dcoh)指数量化景观的连通性。在权重设定上,考虑到整体景观的异质性和连通性对于生态系统健康状况的影响都比较高,且功能不能相互替代,因此权重相等,归一化处理后相乘,将结果开三次方根。
Ow= 。
1.2.2 生态系统恢复力
Ra=Rj× / 。
式中:Ra表示第a个栅格的恢复力系数; 表示第a个栅格的NDVI值; 表示第a个栅格所在土地利用类型j的NDVI平均值;Rj表示地类j的恢复力系数。
1.2.3 生态系统贡献力
Ci= 。
式中:Ci为i县生态系统贡献力系数;E1i~E5i对应i县的5项生态系统服务供需比。
1)粮食生产服务。通过查询《湖南省统计年鉴》的统计数据计算粮食生产服务供给量,需求量由人口密度和人均粮食需求量水平确定[21]。
= /MC×PNE,
PNE=ca×PNP× / 。
式中: 为陆地生态系统固碳量; /MC=44/12,为C转化为CO2的系数;PNE为净生态系统生产力;ca为PNE和PNP的转换系数; / =72/162,为干物质转化为C的系数。
3)水源涵养服务。基于水量平衡方程核算水源涵养服务供给量;采用水定额法来评估区域产水需求量,将用水量分为农业用水、工业用水、居民生活用水以及生态用水4部分,由于生态用水量仅占总用水量的很少一部分,故在本研究中不予考虑[24]。
SWR=PR-ET-RO,
WWR=ARG×x+PC×y+POP×z。
式中:SWR为水源涵养服务供给量;PR为降雨量;ET为蒸散发量;RO为地表径流量;WWR水源涵养服务需求量;ARG表示耕地的面积;x表示单位面积灌溉用水量;PC表示县内生产总值;y表示每万元生产总值所需的用水量;POP表示县内人口数量;z表示人均用水量。
4)土壤保持服务。利用InVEST模型中的sediment delivery ratio模块进行评估,将潜在土壤侵蚀量减去实际土壤侵蚀量即为土壤保持量;实际土壤侵蚀反映土壤侵蚀的位置和程度,将土壤侵蚀量作为土壤保持服务的需求量[25]:
SC=SCp-SCr=R×K×L×S×(1-C×PWS),
SD=R×K×L×S×C×PWS。
式中:SC表示研究区土壤保持供给量;SCp和SCr分别表示研究区的潜在土壤侵蚀量和实际土壤侵蚀量;L、S分别表示坡度、坡长因子;C、PWS分别表示植被覆盖管理因子和水土保持措施因子,无量纲;K表示研究区的土壤可蚀性因子;R表示降雨侵蚀力因子;SD表示单位面积的土壤保持需求量。
5)生境质量服务。利用InVEST模型中habitat quality模块计算生境质量服务的供给量,假设研究区生物生境保护方面是自给自足的,根据已计算出的研究区供给量的平均值作为生境质量服务需求标准值,而各区县生境质量的实际需求量为各区县生境质量供给量的平均值减去标准值[23]:
DHQ(s)= SHQ(i),
DHQ(i)=
式中:DHQ(s)为生境质量服务需求标准值;SHQ(i)为i县的平均生境质量指数;N为研究区县个数;DHQ(i)为i县的生境质量服务需求量。
1.2.4 区域生态系统健康指数模型与分区
2 研究结果
2.1 生态系统健康评价结果
在2000—2020年,生态系统组织力整体呈现显著的下降趋势,其平均值从0.688 8降至0.548 2。“良好”与“较好”类别的区县数量显著减少。大型生态斑块不断被切割,导致景观破碎化程度加剧,景观连通性则相应减弱。生态系统恢复力整体呈下降趋势,其平均值从0.629 6降至0.555 1。城市群生态系统贡献力整体比较稳定,平均值分别维持在0.405 6~0.437 6的水平。从整体格局分布上来看(图2),“良好”“较好”等级的区县中多分布有森林公园和国家自然保护区,而“差”“较差”等级的区县建设用地占比较大。
总体来看,2000—2020年长株潭“3+5”城市群的生态系统健康状况整体呈下降趋势。2000年、2020年的生态系统健康指数平均值分别为0.569 4、0.481 0,表明这20年内城市群在经济高速发展的同时,整个生态系统的健康状况受到了一定影响。从空间分布格局上看,长株潭“3+5”城市群的生态系统健康总体呈中部劣(较差、很差),东西部优(良好、较好)的分布状态。结合土地利用加以分析,健康状况较好的区县中,石门县、炎陵县、桃源县、衡山县和安化县均设有国家划定的自然保护区和森林公园,这些区县在2000—2020年维持了生态系统的稳定与良好状态。相比之下,生态系统健康状况较差的区域主要集中在地级市市区,快速城镇化导致这些区域的建设用地迅速扩张,侵占了大量原有的生态用地(图3)。
综上所述,长株潭“3+5”城市群在2000—2020年的生态系统健康指数总体呈下降趋势。具体而言,各区县在生态系统恢复力和贡献力方面呈现小幅下降和基本稳定的态势,但生态系统组织力显著下降。
2.2 生态系统健康类型
表1 长株潭“3+5”城市群生态系统健康类型分析Tab.1 Analysis of the ecosystem health types of the Chang-Zhu-Tan “3+5” urban agglomeration |
| 年份 | 低组织力 | 低恢复力 | 低贡献力 | 低组织力- 贡献力 | 低恢复力- 贡献力 | 低组织力- 恢复力 | 低组织力-恢复力-贡献力 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2000年 | 株洲县 | 祁东县、南县 | 津市市、湘阴县 | 冷水江市 | 常德市市区、华容县、澧县、临澧县、汨罗市、双峰县、望城区、沅江市、长沙县、株洲市 | 衡南县 | 安乡县、汉寿县、衡阳市、娄底市、湘潭市市区、益阳市市区、益阳县、岳阳市市区、长沙市市区 |
| 2020年 | 安乡县、湘潭市市区 | 祁东县、衡南县、汨罗市 | 耒阳市 | 冷水江市 | 常德市市区、华容县、澧县、望城区、湘阴县、长沙县 | 临澧县、汉寿县 | 衡阳市、津市市、娄底市、益阳市市区、益阳县、岳阳市市区、长沙市市区、株洲市市区 |
2.3 国土空间生态保护修复分区结果
基于自然断点法将研究区内48个区县的生态系统健康指数划分为良好、较好、一般、较差和很差 5个等级,分别对应生态保育区县、绿色发展区县、生态缓冲区县、生态修复区县和生态重塑区县(图4)。
生态保育区县共有6个,包括石门县、桃源县、安化县、平江县、桃江县、临湘市,这些区县生态本底较好,经济发展水平和人口密度较低,是湖南省国家级自然保护区的主要聚集地,展现出较高的生态系统组织力、恢复力及贡献力。绿色发展区县共有9个,包括新化县、湘乡市、浏阳市、株洲县、醴陵市、衡山县、衡东县、炎陵县、茶陵县,这些区县展现出中上水平的组织力和恢复力,以及较高的生态系统贡献力。生态缓冲区县数量最多,共有15个,包括澧县、汉寿县、岳阳县、汨罗市、宁乡市、攸县、涟源市、双峰县、冷水江市、湘潭县、祁东县、衡南县、衡阳县、常宁市、耒阳市,这些区县生态系统健康状态处于一般水平,存在若干低于平均值的主导因素,主要环绕于保护区县周边,导致整体生态系统健康不稳定。生态修复区县一共有11个,包括南县、华容县、沅江市、常德市市区、益阳县、益阳市市区、望城区、湘阴县、长沙县、岳阳市市区、临澧县,该类区县生态系统健康各维度均处于一般水平或较差水平,主导因素普遍呈现低贡献力,导致生态系统服务能力低下且稳定性不足,易受外界自然与人为因素的干扰。生态重塑区县一共7个,包括衡阳市市区、津市市、娄底市、湘潭市市区、安乡县、长沙市市区、株洲市市区,该类区县生态系统健康各维度均处于很差水平,均由低组织力-恢复力-贡献力主导,生态系统结构单一,生物多样性减少。
3 讨论
本研究以环长株潭“3+5”城市群为研究区,以区县作为分区界线,基于“格局-过程-功能”这一生态系统研究范式,构建“组织力-恢复力-贡献力”生态系统健康评价模型,通过对比分析该区域2000—2020年生态系统健康的变化趋势及其主导因素,对各区县特征进行分类,最终确定了研究区的生态保护修复分区,并针对性地提出了各区县的保护修复管理策略。与以往的生态保护修复分区划分方法相比,本研究采用的方法更具综合性与系统性,评价指标贯穿了生态系统的“格局-过程-功能”全过程。另外,由于生态保护修复的终极目标是服务于人类社会的可持续发展[27-28],因此本研究创新性地采用生态系统服务供需作为贡献力的评价指标,以自然与社会双重视角确定保护修复分区,这更有利于保护修复工作获得更多的社会支持。在国土空间保护修复分区实践中,本研究采用区县行政区边界作为分区界线,相较于栅格网划分法[15],此方法更利于从宏观层面把握区域生态系统健康状况,为各区县制定针对性的生态保护与修复政策提供参考。
研究结果显示,环长株潭“3+5”城市群的组织力、恢复力与贡献力指数均有所降低,致使生态系统健康水平下滑。研究区景观的香农多样性指数、蔓延度及斑块聚集度指数分别降低了18%、36%、6%。研究区的土地利用变化动态度、基础设施建设(如道路等)、建设用地指标显示:2000—2020年人类活动频繁、干扰强度高,这导致城市群生态系统组织力下降,影响了生态系统的结构稳定性,以及生态用地面积减少、质量降低等。钟发明等[29]的研究也证实了这一点。格局结构的变化影响到生态系统服务功能的下降[30],如研究区的固碳、洪水调蓄等功能下降了13%,这最终导致研究区整体生态系统健康水平由2000年的0.569 4下降到2020年的0.481 0。然而,研究区内也有不少区县(如石门县等)仍然保持着较高的生态系统健康水平,这些区县内分布有国家级、省级自然保护区,对人类活动干扰的防控较好。
研究区内生态系统健康空间分异显著,结合评价和分区结果,提出以下生态保护修复分区管理策略:1)对于生态保育区,建议优先采取以自然修复为主导的生态保育策略,严格控制可能对生态环境造成重大影响的经济活动开发,通过制度建设有效遏制人类活动对生态空间的负面干扰。2)对于绿色发展区,为维持并提升当前的生态健康基准,进而创造更优越的生态发展条件,建议着重关注其景观连通性的优化,特别是加强林地与水体之间的自然联系。通过合理规划与绿色资源开发,持续改善生态环境质量,力求在不损害原有生态平衡的前提下,积极推动绿色环保经济蓬勃发展。3)对于生态缓冲区,修复策略应聚焦于自然灾害的预防和人类活动的合理管控。作为生态缓冲地带,需构建有效的生态屏障,强化对关键生态斑块与生态廊道的保护力度。4)对于生态修复区,亟需实施人为干预的生态修复措施。建议在区县内增设城镇与自然山林间的绿化防护带,确保经济发展与生态修复工作相辅相成,共同提升区域生态系统的稳定性和服务能力。5)对于生态重塑区,应聚焦于生态系统的全面重塑,采用以人为干预为主的修复手段,旨在通过辅助修复与生态重塑技术,重点增强生态韧性,加强生态廊道的保护与管理,防范人为破坏与干扰。
本研究系统性地对环长株潭“3+5”城市群生态系统健康进行了评价,基于评价结果确定了研究区的保护修复分区,完善了生态系统保护修复分区理论体系,但仍存在一些不足,后续需要与其他方法的结果进行比对并进行实地核验;同时也要完善评价指标,如纳入更多数据(如气候变化、经济活动等),以及结合区域未来生态系统变化趋势的分析,来提高研究结果的准确性。
4 结论
基于“格局-过程-功能”构建“组织力-恢复力-贡献力”这一生态系统健康评价模型,对长株潭“3+5”城市群的生态系统健康水平进行评价,并基于评价结果划分保护修复区。长株潭“3+5”城市群的生态系统健康水平指数在2000—2020年下滑了15.5%,其中,生态系统组织力水平下降了20.4%;生态系统恢复力下降了11.8%,生态系统贡献力相对稳定,维持在0.405 6~0.437 6。从空间格局上看,长株潭“3+5”城市群的生态系统健康水平总体呈中部劣(较差、很差),东西部优(良好、较好)的分布状态。基于评价结果,识别出5类区县:6个生态保育区县、9个绿色发展区县、15个生态缓冲区县、11个生态修复区县及7个生态重塑区县,针对每类区县的具体特征和变化趋势,提出了相应的发展策略与生态保护修复管理措施。研究可为区域生态系统的保护与修复提供科学指导,促进区域可持续发展。