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基于生态系统健康的国土空间生态修复分区——以长江中游城市群为例

  • 曾晨 , 1, 2 ,
  • 程轶皎 3 ,
  • 吕天宇 1, 2
展开
  • 1.华中农业大学公共管理学院,武汉 430070
  • 2.华中农业大学国土空间治理与绿色发展研究中心,武汉 430070
  • 3.西安交通大学公共政策与管理学院,西安 710049

曾晨(1986- ),女,湖北武汉人,博士,教授,博士生导师,研究方向为土地利用与可持续发展。E-mail:

收稿日期: 2021-05-24

  修回日期: 2022-07-06

  网络出版日期: 2022-12-28

基金资助

国家自然科学基金项目(42171262)

华中农业大学自主创新基金项目(2662021JC002)

Research on land-space ecological restoration zoning based on ecosystem health: A case study of the urban agglomeration in the middle reaches along the Yangtze River

  • ZENG Chen , 1, 2 ,
  • CHENG Yi-jiao 3 ,
  • LYU Tian-yu 1, 2
Expand
  • 1. School of Public Administration, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China
  • 2. Research Center for Territorial Spatial Governance and Green Development, Wuhan 430070, China
  • 3. School of Public Policy and Administration, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China

Received date: 2021-05-24

  Revised date: 2022-07-06

  Online published: 2022-12-28

摘要

高强度社会经济活动造成了河湖湿地萎缩、景观破碎化与生物多样性减少等生态问题,实施国土空间生态修复成为生态环境治理的必然途径。以长江中游城市群为研究区,基于网格单元构建“生态系统活力—生态系统组织力—生态系统弹性—生态系统服务力”(VORS)模型,评价2010年和2020年的生态系统健康水平。通过自然断点法和智能化修正等方法,自下而上地开展国土空间生态修复分区,并提出相应的生态修复措施。研究结果表明:2010—2020年长江中游城市群耕地面积有所减少,建设用地扩张明显;生态系统健康状况较为稳定,但是存在明显的空间差异;生态系统活力和服务力提升明显,生态系统组织力和生态系统弹性呈下降趋势。根据分区结果,将研究区划分为生态系统保育区、生态系统提升区、生态系统缓冲圈、生态系统改良圈和生态系统重塑圈“两区三圈”的修复区域,并提出生态修复对策。

本文引用格式

曾晨 , 程轶皎 , 吕天宇 . 基于生态系统健康的国土空间生态修复分区——以长江中游城市群为例[J]. 自然资源学报, 2022 , 37(12) : 3118 -3135 . DOI: 10.31497/zrzyxb.20221207

Abstract

High-intensity social and economic activities have caused ecological problems such as shrinking rivers, lakes and wetlands, landscape fragmentation and biodiversity loss. Therefore, the implementation of territorial space ecological restoration has become an inevitable way to realizing eco-environmental governance. In this study, we have established grid-based "Vigor-Organization-Resilience-Service" (VORS) model to evaluate ecosystem health in the middle reaches along the Yangtze River in 2010 and 2020. Based on the natural breakpoint method and intelligent correction approach, the bottom-up territorial space ecological restoration zoning was carried out, and the corresponding ecological restoration measures were proposed. The results have shown that from 2010 to 2020, the cultivated land area in the urban agglomeration in the middle reaches along the Yangtze River decreased, whereas the built-up land expanded greatly. The ecosystem health status was relatively stable, but there was obvious spatial heterogeneity. The vigor and service values improved greatly, whereas the organization and resilience values showed a downward trend. Based on the assessment result, the study area was divided into "two areas and three circles", namely, the ecosystem conservation area, the ecosystem improvement area, the ecosystem buffer circle, the ecosystem improvement circle and ecosystem remolding circle. The ecological restoration countermeasures for each area and circle were proposed.

快速工业化和城镇化对包括生态系统结构和功能在内的生态系统健康持续施加负面影响,进而对实施国土空间生态修复提出了更高更迫切的要求。河湖湿地萎缩、景观破碎化与生物多样性减少等生态问题威胁生态系统长期稳定,影响生态功能和服务的供给,生态系统的长期超负荷又给社会经济的高质量和可持续发展带来巨大挑战,生态环境的治理成为全球共同面临的时代命题[1,2]。在这一时代背景下,为了强化生态系统修复的整体性与系统性,遵循山水林田湖草沙生命共同体的理念,国土空间生态修复作为对区域生态系统格局、结构和功能进行修复[3,4]、优化与提升的空间政策表达[5,6],全流域、全要素、全方位地开展国土空间生态修复已成为我国新时代强化国土空间生态系统健康和安全,推进生态文明建设的重要途径。因此,面向保障国土空间生态系统健康和安全开展国土空间生态修复分区的研究,有助于从整体性和系统性视角推动自然生态系统和社会经济系统的整体保护与协同治理[6,7],对响应生态文明战略,推动国土空间生态修复具有较强的理论和实践参考价值。
作为新兴的国家战略工程,国土空间生态修复逐渐受到地理学和生态学等诸多领域的关注。国土空间生态修复作为生态修复在新时代背景下的外延拓展和内涵提升,体现了修复理念的优化与完善,具体表现为修复对象由原来的单一要素向全要素的综合治理转变,修复手段从末端修复向源头治理、过程耦合、物化生技术结合发展,修复尺度不再聚焦于点状局部的微观尺度,更加强调生态系统或景观尺度下的宏观把握、整体效能以及多尺度之间的连接效应,修复方法强调以自然修复为主,人工修复为辅,逐渐从“开刀治病”的“工程思维”转向“健康管理”的“生态思维”。国土空间生态修复的研究范畴以内涵剖析和理论架构为基础,逐步由小微尺度下涵盖湿地公园[8]、废弃矿山[9]、污染土壤[10]、石漠化[11]和荒漠化土地[12]等单一要素受损生态系统的精准化修复[7],向涵盖全域、全过程、全要素等大尺度开展国土空间生态修复分区及对策研究[7]拓展。国土空间生态修复分区作为整体性和系统性视角下统筹协调各类生态修复工程并实现其有机结合,进而从根本上推动国土山水林田湖草沙全要素整体保护与治理的重要手段,近年来受到学术界的广泛研究。现有国土空间生态修复分区研究主要从构建生态安全格局、生态系统服务评价以及综合性指标体系评价三方面展开,而综合指标体系评价因其灵活性与综合性,成为实现国土空间生态修复分区的重要方法之一。如丹宇卓等[6]基于“压力—状态—响应”模型框架,综合考虑生态系统以及社会经济系统的特征,开展珠江三角洲的国土空间生态修复分区工作。
同时随着不同尺度下生态环境问题的多样性和复杂性的进一步深化,对生态系统健康的诊断及其与国土空间生态修复的关联机制也日益得到学者们的重视。一方面生态系统健康状态的诊断在一定程度上促进了生态修复理念的提出,是实现国土空间生态修复的前提条件。通过对生态系统健康进行监测、调查、评价,可以诊断出区域内存在的诸如生态系统功能退化、结构紊乱等健康问题,从而针对性开展和实施生态修复项目,弱化或消除生态环境问题的负面影响,而国土空间生态修复则是在此基础上,在全域视角下解决生态环境问题的有力手段。另一方面,国土空间生态修复是解决生态系统健康问题的基础路径,也是提升生态系统健康水平的重要手段。通过弃耕还林、植树造林、矿山治理和生态搬迁等生态修复工程,可以明显提高植被覆盖率,增加生物活力,遏制生态退化现象,恢复区域生态系统健康[7]。总体来看,生态系统健康和国土空间生态修复之间类似于“病因诊断—对症下药—恢复健康”的过程,具有互馈的效应,是相辅相成、紧密联系的。
总体来说,过去在国土空间生态修复理论及分区实证方面的研究成果较为丰富,但是在生态问题导向下的生态修复模式方面有待进一步探索,因此本文主要聚焦以下两个科学问题:(1)以城市群生态系统的结构、功能和服务为基础的生态系统健康评价及其与国土空间生态修复的关联机制;(2)顾及空间连续的生态系统特征下的国土空间生态修复分区模式及其对应的管控措施。本文在梳理生态系统健康与国土空间生态修复分区逻辑关系的基础上,以长江中游城市群为研究区,基于“生态系统活力—生态系统组织力—生态系统弹性—生态系统服务力”(VORS)模型测算和分析城市群的生态系统健康状况,并纳入跨行政区边界整合性分区理念对孤立网格单元进行智能化修正,从而开展国土空间生态修复的分区划定,提出差异化分区的国土空间生态修复策略,为国土空间生态修复靶向施策和生态系统健康水平提升提供理论支撑和实践参考。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

长江中游城市群地处长江流域中部,是我国重要的国家级城市群。参考国务院2015年批复的《长江中游城市群发展规划》中划定的行政区划范围(图1a),长江中游城市群是以湖北省的武汉城市圈、湖南省的长株潭城市群和江西省的环鄱阳湖城市群为主体,涵盖湖北省的武汉市、孝感市、荆门市、荆州市、黄冈市、黄石市、鄂州市、咸宁市、仙桃市、天门市、潜江市、襄阳市、宜昌市,湖南省的长沙市、株洲市、湘潭市、岳阳市、益阳市、常德市、衡阳市、娄底市,江西省的南昌市、九江市、景德镇市、鹰潭市、新余市、宜春市、萍乡市、上饶市、抚州市、吉安市的新干县,总面积约为32万km2。2020年长江中游城市群人口约为1.22亿人,国内生产总值达9.39万亿元[13]。长江中游城市群地域广阔,呈现西部高、北部低的总体地势,东、西、南三面群山环绕,中、北部沿长江平原坦荡;地形较为复杂且空间差异显著,平原、山地、丘陵分布不均,河流水系纵横交错(图1b)。该区域雨量丰富、日照充足,属于亚热带季风性气候,生物多样性丰富,生态系统类型较为齐全,耕地、林地、水域占土地利用的主体地位,是我国的重要生态关键区。
图1 研究区域

注:本图基于自然资源部标准地图服务系统下载的标准地图制作,底图无修改。

Fig. 1 Location of the study area

近年来,快速的城镇发展及自然资源的过度利用导致长江中游城市群的土地利用发生了较大转变。2010—2020年长江中游城市群耕地面积由38.70%下降到37.22%(表1),林地、草地和未利用土地面积均小幅下降(分别变化0.49%、0.16%和0.06%),建设用地扩张明显,由2.76%上升到4.64%,水域面积小幅上升(0.31%)。生态资源遭到破坏,生态系统的结构和功能有所损坏,亟待开展国土空间生态系统修复保护工作。因此,以长江中游城市群为例开展国土空间生态修复分区具有十分重要的现实意义。
表1 2010—2020年土地利用变化情况

Table 1 Land use changes from 2010 to 2020

地类 耕地 林地 草地
面积/104 km2 占比/% 面积/104 km2 占比/% 面积/104 km2 占比/%
2010年 12.60 38.70 15.87 48.74 0.78 2.40
2020年 12.11 37.22 15.70 48.25 0.73 2.24
变化 -0.49 -1.48 -0.17 -0.49 -0.05 -0.16
地类 水域 建设用地 未利用地
面积/104 km2 占比/% 面积/104 km2 占比/% 面积/104 km2 占比/%
2010年 2.20 6.76 0.90 2.76 0.21 0.64
2020年 2.30 7.07 1.51 4.64 0.19 0.58
变化 0.10 0.31 0.61 1.88 -0.02 -0.06

注:建设用地包括城镇用地、农村居民点、其他建设用地。

1.2 数据来源及处理

考虑到“十三五”与“十四五”国土空间生态修复工作的衔接,以及为长江中游城市群“十四五”国土空间生态修复工作提供参考,本文选择2010年和2020年两期时间截面数据开展实证研究,所用数据主要包括长江中游城市群的土地利用数据、归一化植被指数(NDVI)数据、一级河流数据和相应的行政区划数据。以上数据均来源于中国科学院资源环境科学数据中心。土地利用数据空间分辨率为30 m×30 m;归一化植被指数(NDVI)数据涉及2010年和2020年,空间分辨率为1 km×1 km。
为了反映区域内生态系统健康的空间差异情况,同时考虑土地利用数据的精度以及网格内斑块数量和网格数量,在反复实验的基础上,确定以10 km×10 km的网格大小划分研究区域,最终得到3458个网格单元。通过提取每个单元网格中的所有像元NDVI的均值得到每个网格的NDVI值;将土地利用数据重分类为耕地、林地、草地、水域、建设用地以及未利用土地6个一级地类,在此基础上统计各地类的面积占比从而算出生态弹性度,利用Fragstats软件计算分析得到相关景观格局指数。

1.3 研究方法

通过建立“生态系统活力—生态系统组织力—生态系统弹性—生态系统服务力”(VORS)模型构建生态系统健康评价指标体系,测算生态系统健康值来判断每个网格中的生态系统是否需要修复以及修复的程度和方向。然后利用自然断点法对生态系统健康值断点,从而得到初步分区结果,进行适当的边缘润滑处理,自下而上地通过聚类方法形成国土空间生态修复的分区结果。

1.3.1 生态系统健康评价指标体系构建

本文从生态系统活力、生态系统组织力、生态系统弹性与生态系统服务力4个方面构建生态系统健康评价的指标体系(表2)。生态系统活力、组织力和弹性是反映生态系统健康的最基本内容,侧重于生态系统自身完整性和可持续性的评价,从近几年的研究结果来看,维持生态系统服务力已成为评价生态系统健康的一个重要指标[22,23]
表2 生态系统健康评价指标体系

Table 2 Ecosystem health evaluation index system

目标层 准则层 指标层 说明
生态系统健康评价 生态系统活力 NDVI NDVI∈ [-1, 1]。生态系统活力V指根据营养循环和生产力所提供的能量,以归一化植被指数(NDVI)计算。NDVI可以准确反映地表植被覆盖状况[14-16]
生态系统
组织力
SHDI SHDI≥ 0。香农多样性指数,反映景观异质性,对景观各拼块类型非均衡分布状况较为敏感。值增大,说明各斑块类型在景观中呈均衡化趋势分布[17,18]
AI AI∈ (0, 100]。聚集度指数,考察每一种景观类型斑块间的连通性。值越小,景观越离散[1,19]
IJI IJI∈ (0, 100]。散布与并列指数,IJI值越大,表明不同斑块交替出现的规律越明显,集聚度较低[20]
CONTAG CONTAG∈ (0, 100]。蔓延度指数,描述景观里不同斑块类型的团聚程度或延展趋势。值越大,表明景观中的某种优势拼块类型形成了良好的连接[14,21]
PAFRAC PAFRAC∈ [1, 2]。周长—面积分形维数,反映不同空间尺度性状的复杂性。越接近1,代表越有规律,受到人为干扰严重;越接近2,代表形状越复杂,受到人为干扰越小[20]
生态系统弹性 生态弹性度 根据不同土地利用类型对生态恢复力的贡献和作用,赋以不同级别的生态弹性值,用各类型占比和相应弹性值综合计算区域的生态系统恢复力[14,21]
生态系统
服务力
供给服务价值 人类从生态系统和自然资产中直接或间接享受的的食物供给、水资源供给等供给类功能的价值
调节服务价值 人类从生态系统和自然资产中直接或间接享受的的气体调节、气候调节、水文调节、土壤调节等调节类功能的价值
文化服务价值 人类从生态系统和自然资产中直接或间接享受的的文化与娱乐、景观美学、自然遗产和生物多样性等文化服务类功能的价值
生态系统活力是维持系统本身生命力不被削弱的能力,通常以归一化植被指数(NDVI)表征[14],可以准确反映地表植被覆盖状况及其时空变化。生态系统组织力反映生态系统结构的复杂性,通常以景观格局指数表征,其变化与生态系统健康密切相关[24]。在已有理论和实证研究的基础上,本文选取香农多样性指数、聚集度指数等景观指数,通过熵权法客观确定权重计算生态系统组织力。生态系统弹性指生态系统在胁迫条件下维持其原有结构和功能的能力,即胁迫消失时,系统克服压力及反弹恢复的容量[25],多用“生态弹性度”计算(表3),生态系统越简单,其弹性越强。
表3 不同土地利用类型的生态弹性值

Table 3 Ecological elasticity value of different land use types

土地利用类型 耕地 林地 草地 水域 建设用地 未利用地
生态弹性度 0.5 0.9 0.6 0.8 0.4 0.3

注:生态弹性度参考徐明德等[26]和Peng等[27]的研究。

生态系统服务力主要指生态系统为人类社会提供商品和服务的能力。生态系统服务包括供给、支持、调节和文化服务,是随着生态系统结构、功能及其生态过程深入研究而逐渐提出并不断发展的[28,29]。本文参考Li等[30]依据长江中游地区实际情况修正的当量因子表,测算生态系统的供给服务价值、调节服务价值、文化服务价值,反映了人类生态系统和自然资产中直接或间接获得的利益。生态系统服务价值越大,可以认为生态系统服务力越强。
最后本文利用TOPSIS法综合计算生态系统健康指数(EHI),取值范围为 [01]。EHI越大,表示生态系统越接近最健康的状态,相应的健康等级就越高;反之,则越需要进行生态修复的相应措施来改善生态环境。

1.3.2 基于EHI的智能化国土空间生态修复分区

本文融合自然断点法和智能化修正算法,在生态系统健康评价的基础上,对国土空间生态修复进行分区。由于各网格单元所处的地理位置、地形地势以及自身生态基底等情况的不同,生态系统的退化情况和健康程度存在差异,在健康指数的数量关系上不可避免地会出现数值断裂情况,在空间上无法呈现相对聚集的分区结果。本文首先采用自然断点法,运用聚类的思维,使一些相似性大的网格单元组合成一个区域整体,把生态空间分成不同的修复区域。
考虑修复空间的连续性和修复措施的可行性,在自然断点法初步分区基础上,进行智能化修正,形成空间上较为集聚的修复分区。修正过程中首先识别判定孤立点,对初步分区结果中较为混乱、集聚效果差的网格单元进行分析,若一个网格单元的分区结果与其四周网格单元的分区结果不尽相同,则被判定为孤立点。其次分析孤立点紧邻四周及外围网格的分区情况,并结合空间聚类特征,对孤立点的分区结果进行修正,将其归纳合并为周围占比最多的分区结果。最后对整个分区结果进行核算检验,即某一区域某一类型的分区结果中,孤立点的占比不超过20%。基于以上诊断方法,本文简单归纳出4种孤立点的修正分区情景(图2),一种颜色代表一种分区结果,一个网格四周不满8个网格时表示处于城市群的边缘。
图2 孤立点分区修正示意图

注:蓝色为a类型修复区;红色为b类型修复区;黄色为c类型修复区;绿色为d类型修复区。

Fig. 2 Schematic diagram of isolated point zone correction

情景一:孤立点处于城市群的边缘,四周的网格单元里仅有一种颜色,则将该孤立点的颜色归为蓝色;
情景二:孤立点处于城市群的边缘,且该区域孤立点较密集,但具体每个孤立点四周的网格单元里仅有一种颜色,则将这些孤立点的颜色归为红色;
情景三:孤立点处于中间,四周8个网格里有红、蓝两种颜色,且占比一样,考虑周边更多网格情况,将该孤立点的颜色改为周围占比最多的蓝色;
情景四:各个孤立点所处位置不同,首先对占比最多的蓝色网格周围的黄色和红色孤立点进行修正,将两个孤立点的颜色改为其四周最多的蓝色,其次对绿色孤立点进行修正,将其归为四周仅有的红色结果。

2 结果分析

2.1 生态系统健康评价结果与分析

总体来看,2010—2020年长江中游城市群的生态系统健康整体维持较为稳定的状态。2010年、2020年的EHI平均值分别为0.6788、0.6787,表明研究时段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较为稳定。2010—2020年城市群健康状况处于“良好”和“差”等级的网格数占比在上升,其余等级网格数占比均在下降(图3)。其中,“良好”等级网格数占比增加最为明显,由2010年22.53%增长到2020年的26.98%;“较好”等级网格数占比减少最为明显,由2010年22.87%降低至2020年的19.29%。2020年“良好”等级网格数占比最多,“差”等级次之,表明当前长江中游城市群的生态系统健康状况两极分化严重,并且两极基数大,但是这10年来生态系统“良好”区域范围显著提升,整体基本保持在一种稳定状态。
图3 2010年、2020年长江中游城市群生态系统健康状况描述性统计

注:内侧为2010年各等级占比,外侧为2020年各等级占比。

Fig. 3 Descriptive statistics of the ecosystem health status of the urban agglomeration in the middle reaches of the Yangtze River in 2010 and 2020

从空间格局上看,长江中游城市群的生态系统健康状况存在明显差异(图4)。2010年和2020年生态系统健康的空间格局总体均呈现出西北、中西部、中部、东北和东南优(良好、较好),其余区域劣(一般、较差、差)的状态。具体而言,健康状况优的区域主要涉及到了城市群西北的大巴山脉、西部的武陵山和雪峰山脉、中部的幕阜山脉、东北的大别山以及东南的武夷山脉和怀玉山脉,这些区域的生态环境基底好,生物多样性丰富,而且有国家设定的自然保护区、森林公园等有计划地对其生态进行保护,控制环境污染程度,防止生态破坏行为,有利于生态系统的稳定,因此生态系统健康状况较好。而健康状况差的地方则主要是长江中游城市群3个省会城市周围,究其原因在于这些区域资源产业密集,城镇化水平高,人口密度大且活动频繁,居住生活区域会产生大量生活垃圾,对生态环境造成严重影响;工厂的生产活动会产生大量废气废水等污染物,对生态环境造成污染和破坏,负面影响较大。
图4 2010年、2020年长江中游城市群生态系统健康

Fig. 4 Ecosystem health of the urban agglomeration in the middle reaches of the Yangtze River in 2010 and 2020

2010—2020年间,城市群的生态系统活力变化明显(图5)。2010年活力“差”的区域占比最少(1.30%),主要分布在三省省会城市;2020年活力“差”的区域向外扩展,网格数占比上升至2.23%。同时活力“一般”的区域显著增多,反映了城镇化的推进对周边地区的生态环境造成了一定影响,中心城市周边大量农田转化为建设用地,导致生态活力降低。2020年的活力“良好”区域占比最大(34.30%),较2010年增长了16.8%,主要分布在有山脉等生态绿化优良的自然保护区。生态系统组织力变化较大,明显呈下降趋势(图5)。“差”“较差”和“一般”等级网格数占比增加了28.34%,表明城市建设在一定程度上导致了区域生态系统结构的不合理,人类活动干扰较大造成了生态景观的破碎,导致组织力降低,对生态健康造成消极影响。
图5 2010年、2020年长江中游城市群生态系统活力、组织力、弹性、服务力

Fig. 5 Ecosystem vigor, organization, resilience, and service capabilities of the urban agglomeration in the middle reaches of the Yangtze River in 2010 and 2020

2010—2020年城市群的生态系统弹性整体上变化不大,基本保持稳定(图5)。从空间格局来看,含有山脉等生态绿化优良的自然保护区恢复力处于较高等级,受自然因素干扰的恢复速度很快,抵抗力强;中部四周的城市发展速度较快,建设用地占比大且生态弹性度较低,一经破坏则需要大量的人力物力和资源进行修复,因此该区域的生态系统弹性最低。生态系统服务力整体趋势变好(图5)。在城镇用地不断扩张和人类活动密度加大的情况下,低生态系统服务价值的未利用地面积减少了24.91%,同时高生态系统服务价值的水域和林地得到了扩张。如此一来,“差”等级网格数量明显减少;西北部和中部“良好”等级的网格数量明显增加,聚集效果突出。
综上,长江中游城市群2010—2020年生态系统健康维持在较为稳定的状态,生态系统组织力和生态系统弹性呈下降或基本稳定状态,但生态系统活力和生态系统服务力显著提升,表示生态系统活力和服务力成为提升生态系统健康的主要因素[20,31]。同时也表明我国十年来长江防护林建设、天然林资源保护等重大生态工程建设的成效显著,以及长江中游城市群对集聚湖泊、众多水系保护力度的加强。

2.2 国土空间生态修复分区结果与分析

2.2.1 基于生态系统健康状况的国土空间生态修复分区

国土空间生态修复应坚持“自然恢复为主、人工修复为辅”的基本原则,根据各生态系统的自然本底特征和健康状况,因地制宜地选择不同层级的生态修复模式,实施差别化修复,最终实现生态系统的健康稳定及人类对生态资源的可持续利用[32]。而处于不同健康状况的生态系统,在用地结构和生态功能上存在显著差异,这在一定程度上为实现生态系统健康指明了修复方向。本文依据长江中游城市群生态系统健康值的数据特征,采用自然断点法,将生态系统健康水平由高到低依次划分为生态系统健康良好、较好、一般、较差和差5个等级[20,33,34]。在山水林田湖草沙生命共同体理念下,继而将国土空间生态修复分为生态系统保育、生态系统提升、生态系统缓冲、生态系统改良和生态系统重塑五个区[3,32,35]
生态系统健康良好的地区主要集中在长江中游城市群的秦巴山脉、武陵山和武夷山脉,森林资源丰富、物种多样性高,原有生态系统结构和生态功能完善,只需约束人类活动,让其自由做功以维持生态系统健康即可。因此,将生态系统健康良好的地区划分为生态系统保育区。生态系统保育是指通过约束人类活动让生态系统进行自然更新演替[32],其对象是生态系统结构完整,生态功能稳定,具有特殊重要生态功能的地区。
生态系统健康较好的地区主要集中在长江中游城市群的大别山附近,以林业用地为主,穿插着零星分布的耕地,生态功能轻度退化,需以自然恢复为主,改善其生态发展环境条件以提升生态系统健康。因此,将生态系统健康较好的地区划分为生态系统提升区。生态系统提升是指充分发挥生态系统的自然恢复力进行自我修复,其对象是受人类负面活动干预较小,生态系统轻度退化的地区。
长江中游城市群内生态系统健康一般的地区主要以林业用地为主,间有耕地和建设用地分布,生态系统结构不够稳定,生态系统较为脆弱,需要通过生态设计工程,构筑生态屏障。因此,将生态系统健康一般的地区划分为生态系统缓冲圈。生态系统缓冲是指辅以生态设计工程,为生态系统自然恢复创造条件,其对象是生态系统结构不太稳定,易发生严重生态恶化的生态脆弱地区。
生态系统健康较差的地区主要集中在长江中游城市群内3个省会城市周边、水域及其岸带,土地利用较为粗放,生态用地被大量占用,城市绿色基础设施较少,生态系统退化较为严重。因此,将生态系统健康较差的地区划分为生态系统改良圈。生态系统改良是指以生态改良为主,提高植被覆盖率,促进节约用地和集约发展[36],其对象是生态系统退化较为严重的地区。
生态系统健康差的地区主要位于长江中游城市群的3个省会城市,主要用地类型为建设用地和耕地,土地利用程度较高,生物多样性匮乏,原有生态系统结构和生态功能已严重退化或损坏,亟需通过主动积极的人为干预来恢复生态系统健康。因此,将生态系统健康差的地区划分为生态系统重塑圈。生态系统重塑是指进行直接而主动的人为干预及积极的生态建设,其对象是在强烈的人类活动或自然干扰下已经受到严重损害的生态系统[3]
因此,本文基于2020年长江中游城市群不同生态系统健康值下的国土空间适宜修复方向,从生态修复治理和区域发展提升角度,将研究区对应划分为5类修复区域,分别是生态系统保育区、生态系统提升区、生态系统缓冲圈、生态系统改良圈、生态系统重塑圈(表4)。
表4 生态系统健康状况与修复方向

Table 4 Ecosystem health status and restoration direction

修复区
(网格数占比/%)
健康状况 生态系统特征 建议修复方向
生态系统重塑圈
(22.96)
生态系统损害和破坏严重、已丧失自我恢复能力 直接进行主动积极的人为干预,生态系统重建或重塑[3]
生态系统改良圈
(15.42)
较差 生态用地被占用、生态系统退化或损害较严重 辅以必要的人工措施,侧重生态改良或重构[36]
生态系统缓冲圈
(14.83)
一般 生态系统不太稳定、较为脆弱 辅以生态设计、设置生态缓冲区保护与修复区,给自然恢复创造环境[3,32]
生态系统提升区
(17.16)
较好 有一定生态要素基础、生态系统轻度退化 发挥生态系统的自然恢复力,优化生态空间格局[5]
生态系统保育区
(28.64)
良好 生态基底丰厚、生态系统现状良好 自然做功为主,让生态系统自我演化发展,约束人类对生态空间的负面干扰[37,38]

2.2.2 “两区三圈”的国土空间生态修复分区

本文将研究区划分为生态系统保育区、生态系统提升区、生态系统缓冲圈、生态系统改良圈、生态系统重塑圈这5类国土空间生态修复区域(表4),在空间上呈现出“两区三圈”的格局(图6)。
图6 国土空间生态修复区域

注:a. 涉及武陵山区生物多样性保护的区域;b. 涉及鄱阳湖洞庭湖等河湖湿地保护和修复的区域;c. 涉及长江上中游岩溶地区石漠化综合治理的区域。

Fig. 6 Territorial space ecological restoration area

生态系统保育区的网格数有1016个,占总网格数的28.64%,该区域主要分布在西北、中西部、中部以及东部地方。这些区域拥有秦巴山脉、武陵山和武夷山脉等大面积的天然林地、自然保护区等,是长江中游城市群重要的生态屏障和生态资源地。该区域的生态系统活力、生态系统弹性和生态系统服务力均明显高于其他地方,这与其生态本底质量高,生物多样性丰富等生态资源有关,且地势高地形复杂,人类开发建设城市的活动难度较大,对生态系统的影响较小。该区域的生态修复方向主要是保护、维持现有的自然生态环境。禁止大规模的经济活动开发,约束人类对生态空间的负面干扰,避免对生态造成威胁;以自然恢复自然做功为主,通过森林抚育等提高森林质量,形成多维度生态廊道,维护生物多样性,充分发挥重要生态屏障的作用。
生态系统提升区的网格数有609个,占总网格数的17.16%,该区域主要分布在东北部的大别山附近,生态系统保育区或生态系统缓冲圈周边。该区域的生态系统活力、服务力较高、组织力和生态系统弹性中等偏上,物种较丰富、受外界压迫后的自我恢复力较强,受人类负面活动的干扰较小,基本可发挥正常的生态功能。该区域的生态修复方向主要是保持现有的生态健康水平,避免生态系统健康状况的进一步恶化,争取更好的生态发展环境条件。一是充分发挥生态系统的自然恢复力进行自我修复,通过封山育林、森林抚育等提升生态效益、优化生态空间格局,增加的景观多样性和生物多样性又可以实现系统自我恢复能力的提升;二是提高生态产品的生产力,在不破坏原有的生态系统环境情况下,合理开发绿色资源,加快开展美丽乡村建设活动,改善生态环境,合理进行局部或轻微强度的建设活动。
生态系统缓冲圈的网格数有492个,占总网格数的14.83%,这些区域主要分布在长江中游城市群西南和东南方向。该区域生态系统健康各维度均处于一般水平,生态系统结构不太稳定,在自然灾害或者人类活动的扰动下会发生较为严重的生态恶化。因此这类地区的生态修复方向是缓解人类活动对生态系统的压力,为生态环境“留白”。具体需要从自然生态系统的保护视角出发,辅以生态设计等工程,丰富景观类型,增加自然或半自然的生境比例,提高生态系统的完整性和稳定性;在重要的生态斑块与生态廊道周边设置生态缓冲区,积极构筑生态屏障,推进生态资源的有序保护和利用。
生态系统改良圈的网格数有547个,占总网格数的15.42%,该区域主要在生态系统重塑圈的外围以及南部地区零星分布。这些区域生态系统活力水平一般,生态系统组织力、生态系统弹性和服务力均处于较低水平,因此该部分区域应适度控制城镇用地的扩张现象,尽可能地利用闲置地、空闲地和废弃地。所以这些区域的生态修复一方面要通过退耕还林还草、生物措施与人类工程技术等方式进行国土整治,增加林地等生态用地的覆盖面积,扩大绿色生态空间;另一方面需要充分利用社会经济发展积累的资金来加大生态修复工作的力度,逐步引导粗放型的土地利用方式向集约型的转变,完善城市的绿色基础设施,改良或重构生态系统的结构和功能。
生态系统重塑圈的网格数有794个,占总网格数的22.96%,这些区域主要分布在长江中游城市群3个省会城市及其连接扩展区域,基本呈环状。该区域内主要为城镇化发展的快速区,植被稀少且种类较为单一,生物多样性匮乏,除生态系统活力水平较低外其余各个维度均处于低水平。因此该区域的生态系统修复主要方向是对生态系统进行重新塑造,加强生态基底的修复,直接进行主动积极的人为干预活动,加大人工造林种草的力度,辅以景观生态设计,调整城市的绿地景观格局,加强对城市内的森林、绿地、湿地、公园等生态体系的保护与建设。其次,该区域的生态修复还应该把生态文明的理念融入城市的国土综合整治中,通过盘活存量、做优增量,提高单位土地投入产出水平;科学配置自然和人工措施,协调好人地关系,进行生态系统重塑。

3 结论与讨论

3.1 结论

面向联合国《2021—2030联合国生态系统恢复十年》决议和中国国土空间治理现代化与生态文明发展的需求,如何准确诊断城市群生态系统的健康状况,并在此基础上实现国土空间生态修复理论和实践的优化是本文的重点问题。本文以长江中游城市群为研究区,突破行政界线壁垒,以单一网格为评价单元,结合土地利用数据,运用VORS模型,遵循“微观单元评价—宏观区域管理”的研究思路对长江中游城市群生态系统健康状况开展研究;以2020年长江中游城市群生态系统健康为基础,采用自下而上的分区方法,从研究的单个评价单元出发,逐步向上开展归类合并,最终得到5种国土空间生态修复分区类型,并提出相应的分区修复措施。研究结论如下:(1)随着社会经济的快速发展,2010年和2020年长江中游城市群耕地面积减少,建设用地扩张明显。2010年和2020年的生态系统健康平均值分别为0.6788和0.6787,表明10年来城市群的生态系统健康状况较为稳定;具体而言生态系统各维度中活力和服务力提升明显,组织力和生态系统弹性呈下降趋势。在空间格局上,各维度也存在着明显的空间差异。(2)根据评价结果可以将研究区划分为5类修复区域,在空间上呈现出“两区三圈”的格局,分别是生态系统保育区、生态系统提升区、生态系统缓冲圈、生态系统改良圈、生态系统重塑圈,各区域分别占比28.64%、17.16%、14.83%、15.42%、22.96%,同时提出以森林抚育、提高森林覆盖率和景观类型为主的各区域生态修复措施。

3.2 讨论

本文以生态系统健康评价的“问题诊断”和修复分区的“修复对策”为抓手,在系统剖析生态系统健康与国土空间生态修复关联性的基础上,通过划分国土空间生态修复分区模式及其对应的管控策略,从全局性、系统性视角实现规避“生态新账”和消除“生态旧账”的协同,从而扭转长江中游城市群的生态系统受损与不平衡的态势,实现生态与社会经济的均衡发展。从生态系统健康与国土空间生态修复的关联性看,对既存受损生态系统进行恢复与重建,并提升其应对未来扰动的能力是恢复生态学理论的核心观点[39],也是国土空间生态修复的重要理论基础。其中,以系统化的理念进行生态系统健康评价实现“病因诊断”,发现长江中游城市群生态系统健康呈现空间不均衡的特征,中心城市和大中小城镇生态系统健康水平相对较差,主要“病因”是城市扩张侵占了国土生态空间并降低了其生态功能,而像大巴山、武陵山等重要的生态功能区,生态系统健康水平较好,但仍要防范水土流失、土地沙化等“病因”的胁迫。因此,通过国土空间生态修复这一“治病”的抓手,依托分区差异化管控可以实现不同程度修复和保护的“对症下药”,最终促使生态系统实现“健康恢复”。这一过程既具有互馈互促的紧密联系,又具有实践上的可操作性,契合了《联合国生态系统恢复十年计划(2021—2030年)》旨在预防、制止并逆转对生态系统的破坏,助力生态系统健康和活力恢复的系统目标,符合我国生态文明和长江大保护的现实背景,为未来国土生态空间优化提供了新的经验范式。
从国土空间生态修复分区方法看,本文分区方法的核心思路是实现跨行政区国土空间生态修复,形成通过突破行政区界限的国土空间格局,更好地契合生态系统的完整性,从而可以针对性地提升生态保护与修复效果,形成安全和可持续发展的全域国土空间,这种思路方法已在一系列县域、市域、省域的研究中体现[17,40];对自然断点分区后形成的零碎孤立网格单元,适当的智能化修正有利于提升生态系统修复的连续性以及后期管护的效率,同时与中宏观尺度的修复工作紧密结合[35],为国土空间生态修复分区管控的落地与实践提供了可行思路。此外,本文分区结果显示,大别山、武陵山、三江源等自然基底较好的典型区域处在统一的分区区域,较好地保持了生态系统完整性,而长江沿岸,洞庭湖、鄱阳湖周边等经济发达的区域则需要实现整体重塑,并强化流域、湖泊湿地保护力度。因此,从思路、方法和结果上来看,本文分区方法具有一定的科学性和可靠性。通过分区情况看,尽管2010—2020年长江中游城市群生态系统健康水平处于相对稳定的状态,但高强度人类活动仍对生态系统健康造成了较强的负面胁迫效应,突出体现在长中游城市群社会经济活动强度较高的省会城市及其附近,并呈圈层式由“生态系统重塑圈—生态系统改良圈—生态系统缓冲圈”向外逐级拓展。需要特别注意的是,长江沿岸、鄱阳湖和洞庭湖周边被诊断为生态健康问题的“重灾区”,依据生态系统健康水平“差”的不可持续态势将其划定为以生态系统重塑区,亟需实施以“人地和谐”为核心,以“人工修复”为抓手的国土空间生态修复战略,强化农业面源污染治理、水土流失防治等修复举措,并通过江河湖水资源水环境水生态监测评估、湿地洪涝干旱等生态气象灾害监测预报等从前端提前防止河湖湿地萎缩,从整体谋划布局与局部针对性施策的层面实现生态恢复与重建。此外,尽管秦巴山脉、武陵山等区域生态系统目前从整体上呈现较为健康的态势,被划定为生态系统保育区,仍需以自然恢复为主导,防治水土流失、泥石流、石漠化等灾害,强化生物多样性的保护,从源头预防生态系统的破坏并实现生态功能的提升。本文通过差异化修复分区的管控和引导,在实现城市群生态系统健康的同时,进一步体现并强化了国土空间生态修复的系统性和整体性,突显新时期城市群国土空间生态修复“健康管理”的国土空间生态要义,进而实现人类生态福祉的提升与可持续发展。
本文更多的是从自然生态系统的角度进行健康评价,体现了生态系统原生性、自然性和功能性等特点,但4个评价维度中的指标量化均依赖于土地利用数据,如何纳入更多的数据源还有待进一步探索。因此,今后的研究可以在评价生态系统健康时考虑更多的数据源,用更全面的数据来评价生态系统健康状况及诊断存在的生态问题,更加科学地划定国土空间生态修复分区,并更有针对性、差别化地制定修复策略。此外,在生态系统健康评价的“生态系统弹性”这一维度中,生态弹性值的确定主要参考了中国学者本土化的经典文献结果,但文献年限较早,之后的研究设计将结合问卷调查法或德尔菲法等定性研究方法,基于更多的专家知识对生态弹性值进行本土化改进,从而科学全面地计算生态弹性度。
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