吳健生,羅可雨,馬洪坤,王振宇,*

1 北京大學深圳研究生院城市規(guī)劃與設計學院,城市人居環(huán)境科學與技術重點實驗室, 深圳 518055

2 北京大學城市與環(huán)境學院,地表過程分析與模擬教育部重點實驗室, 北京 100871

隨著生態(tài)文明建設上升為國家戰(zhàn)略,生態(tài)安全與保護修復格局的構建成為國土安全和國民安全的重要戰(zhàn)略內容[1]。因地制宜識別生態(tài)安全關鍵區(qū)域并加強生態(tài)保護、識別生態(tài)系統(tǒng)保護關鍵區(qū)域并推進修復和綜合治理,將為國土空間的針對性生態(tài)保護修復與自然資源管理提供重要理論與技術方法[2]。目前,以“山水林田湖草為生命共同體”為理念的生態(tài)保護修復工作已經在全國布局了25個保護修復試點工程,涉及到草原、沙漠、高原、山區(qū)森林、流域濕地和喀斯特地區(qū)等多種地貌類型,包括生物多樣性、熱帶雨林、水土保持、水源補給和沙漠化防治等多種國家生態(tài)功能區(qū)[1]。然而,當前研究在尺度上重局部而輕宏觀,較少以生態(tài)系統(tǒng)整體性和連通性的視角對宏觀尺度的生態(tài)保護修復進行研究。另外,研究對象上側重于重要自然生態(tài)功能區(qū)和已破壞生態(tài)系統(tǒng),而以城市圈及周圍自然區(qū)域為整體的自然—人類社會復合系統(tǒng)的生態(tài)安全和保護修復格局研究、及相應精細化生態(tài)管理則處于相對滯后的階段。但是,伴隨著我國的快速城鎮(zhèn)化過程,大型城市群日益涌現(xiàn),區(qū)域的協(xié)調性不斷增強,城市及周邊區(qū)域尺度的生態(tài)安全與修復研究越來越緊迫。

城市及其周邊區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)安全格局的內涵,從自然生態(tài)系統(tǒng)自身的穩(wěn)定[3-4]擴展延伸到了人類社會系統(tǒng)的生態(tài)需求的穩(wěn)定供給[5]。該關鍵性空間格局不僅能保持區(qū)域健康協(xié)調發(fā)展[6],也能為城市及其居民享受生態(tài)系統(tǒng)服務提供基本保障[7]。當前生態(tài)安全格局研究中,基于景觀理論的“源地—節(jié)點—廊道”研究范式遵循綜合性、整體性、區(qū)域性和最優(yōu)原則[8],對于指導生態(tài)保護和生態(tài)修復具有重要參考意義。但是,現(xiàn)有的生態(tài)安全格局的研究多側重于生態(tài)組分的識別與空間組合,而對于其關聯(lián)關系及相對重要性的研究涉及較少。另外,在土地資源緊張的情況下,當前城市化進程中的生態(tài)修復問題應當納入生態(tài)安全格局構建之中。而對生態(tài)廊道重要性的劃分,有利于合理取舍城鎮(zhèn)化用地和重點修復區(qū)域,并維護區(qū)域生態(tài)安全的整體性。

引力模型對于地理要素在空間中的集聚特征[9]和關聯(lián)關系[10]的探究能夠很好地表征事物聯(lián)系的規(guī)律；也可以量化個體層次上的群體特征,如人口和棲息地生物的流動[11]。引力模型無論是在個體層次上、還是在宏觀視角上,都能夠模擬和表征地理要素在空間上的流動特征以及不同要素之間的相互作用。因此,本文借用該模型模擬生態(tài)流在不同生態(tài)源地之間的流動所產生的關聯(lián)關系,定量表征承載這種關聯(lián)關系的廊道的重要性。

隨著粵港澳大灣區(qū)重要戰(zhàn)略的頒布與實施,珠三角區(qū)域一體化的推進和區(qū)域合作的加強,環(huán)境問題向周邊地區(qū)轉移擴散,業(yè)已超出了城市所管轄的行政邊界,區(qū)域尺度下的生態(tài)問題日益突出[12]。構建區(qū)域生態(tài)安全格局、識別重要生態(tài)修復區(qū),不僅對于緩解區(qū)域社會經濟發(fā)展的生態(tài)約束、有效應對城市化帶來的環(huán)境問題有重要意義,也對落實區(qū)域綠色、協(xié)調發(fā)展理念、可持續(xù)發(fā)展提供生態(tài)基礎和空間支撐。因此,為了構建有利于經濟發(fā)展和生態(tài)保護協(xié)調共贏的生態(tài)安全和修復格局,本文以珠江三角洲區(qū)域作為研究區(qū)開展如下研究：(1)根據(jù)該區(qū)域生態(tài)基底的關鍵生態(tài)系統(tǒng)服務,進行綜合生態(tài)系統(tǒng)服務重要性分析,使用SOFM網(wǎng)絡模型識別出對區(qū)域具有重要作用的生態(tài)源地；(2)綜合景觀連通性分析、土地覆被類型和人類活動強度構建生態(tài)阻力面,通過最小阻力路徑模型識別生態(tài)流流動廊道；(3)以生態(tài)系統(tǒng)服務總量和阻力系數(shù)表征質量和引力,用引力模型模擬不同生態(tài)源地之間聯(lián)系,從而劃分不同生態(tài)分區(qū)和生態(tài)廊道的重要性；(4)識別珠三角區(qū)域的生態(tài)障礙點并劃分為三級生態(tài)修復區(qū)。本文探索我國快速城市化地區(qū)的生態(tài)安全格局構建途徑,為跨越行政邊界限制的生態(tài)安全格局構建與生態(tài)保護修復的精細化管理提供科學建議。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

珠江三角洲地區(qū)(21.71°—24.39°N,111.36°—115.42°E)區(qū)域位于廣東省南部(圖1),包括九個地級市,分別是廣州市、深圳市、肇慶市、中山市、佛山市、珠海市、東莞市、惠州市、江門市,總面積約5.6萬km2。珠三角地區(qū)為我國經濟最具活力地區(qū)之一,也是粵港澳大灣區(qū)戰(zhàn)略的主要組成部分,是我國改革開放的最前沿地區(qū)。該區(qū)域系珠江兩大支流經過河流沖刷沉積形成的河流三角洲區(qū)域,三面環(huán)山,一面向海。屬亞熱帶季風氣候,夏季多雨濕熱,冬季溫和濕潤,全年均溫22—23℃。從地域系統(tǒng)的角度來看,在地質地貌、氣候和生物群落特征上都呈現(xiàn)出整體性。

圖1 珠三角地區(qū)位置及土地利用Fig.1 Location and land use in the Pearl River delta region

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用數(shù)據(jù)包括：(1)2015年中國土地利用現(xiàn)狀柵格數(shù)據(jù)(中科院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺),空間分辨率為1 km。該數(shù)據(jù)集將土地覆被類型分為六個一級類型,分別為耕地、林地、草地、水體、建設用地、未利用地。(2)DEM數(shù)據(jù)(地理空間數(shù)據(jù)云)為STRM數(shù)字高程模型數(shù)據(jù),空間分辨率為30 m。(3)2004—2015年氣象數(shù)據(jù)(中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng),http://data.cma.cn),包括風速、氣溫、降水數(shù)據(jù)等(4)2015年NPP_VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)(https://www.noaa.gov/),空間分辨率500 m。(5)2015年MODIS MCD15A2植被葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)(地理空間數(shù)據(jù)云),空間分辨率為1 km。(6)珠三角地區(qū)道路交通等基礎矢量數(shù)據(jù)(www.openstreetmap.org)。

2 研究方法

2.1 生態(tài)源地識別2.1.1 生態(tài)系統(tǒng)服務模擬

生態(tài)系統(tǒng)服務是生態(tài)系統(tǒng)提供給人類的惠益[13]。生態(tài)系統(tǒng)服務既能表征自然生態(tài)系統(tǒng)的供給,又能指向人類社會的生態(tài)需求,故能夠反映復合系統(tǒng)在空間上的優(yōu)先保護次序。本研究生態(tài)源地的識別依據(jù)多種生態(tài)系統(tǒng)服務及其服務總量的綜合分析。依據(jù)聯(lián)合國千年生態(tài)系統(tǒng)評估(Millennium Ecosystem Assessment,MA)[14]的生態(tài)系統(tǒng)服務分類方案,選擇基本涵蓋了與水文、土壤、氣候、生物地理要素相關的人類需求的6種關鍵服務(表1),以揭示研究區(qū)域關鍵生態(tài)系統(tǒng)服務的空間格局。

表1 關鍵生態(tài)系統(tǒng)服務與計算方法Table 1 Key ecosystem services and calculation methods

其一,供給服務選取產水服務。區(qū)域的水資源安全對于區(qū)域內的人類社會系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)揮著重要的作用[6]。水資源在時間和空間上的穩(wěn)定供給不僅保證生產生活的安定有序進行,更維系生態(tài)系統(tǒng)自身生態(tài)活動的正常運行。其二,調節(jié)服務包括碳固定、水質凈化和植被滯塵。珠三角作為一個完整的地域系統(tǒng),其內部存在著相對完善且獨立的物質循環(huán)系統(tǒng)[15]。區(qū)域的固碳能力影響區(qū)域參與全球碳循環(huán)進而影響該區(qū)域的整體生態(tài)系統(tǒng)服務效益[27],因此對固碳能力的有效識別和觀測對區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務具有重要作用。生態(tài)系統(tǒng)的自我凈化能力對于一個區(qū)域的整體生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要作用,例如水質凈化生態(tài)系統(tǒng)服務可以截留與降解污染物生態(tài)系統(tǒng),植被通過吸納滯留懸浮顆粒物提供重要生態(tài)系統(tǒng)服務[28]。其三,支持服務分為生境支持和土壤保持。生境是人類社會系統(tǒng)和自然生態(tài)系統(tǒng)交互作用的結果[29],自然生態(tài)系統(tǒng)本身的生境質量高低與其所處空間位置距離威脅源遠近有關[30]。珠三角區(qū)域降水豐沛集中,土壤侵蝕流失嚴重破壞景觀質量的穩(wěn)定性,同時還導致下游河道的泥沙淤積和水質惡化[31]。土壤狀態(tài)的穩(wěn)定對維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定具有基礎性作用,土壤保持能夠較好的刻畫生態(tài)系統(tǒng)對自身水土穩(wěn)定的保持能力。具體模擬與計算過程采用InVEST綜合分析工具中的相應生態(tài)模型[32]。

2.1.2SOFM網(wǎng)絡聚類

神經網(wǎng)絡是一種以網(wǎng)絡拓撲知識為原理的運算模型,憑借其智能化的自適應學習能力和高度非線性的邏輯操作而廣泛應用于各學科領域,例如生態(tài)和土地利用規(guī)劃等[33]。自組織特征映射網(wǎng)(Self-Organization Feature Map,SOFM)是一種無外部教師或評判指令下、僅以輸入數(shù)據(jù)學習的無監(jiān)督分類分類。SOFM網(wǎng)絡共有兩層,即輸入層和競爭層。競爭層的每一個網(wǎng)格節(jié)點都是輸出節(jié)點,它們之和相鄰的其他節(jié)點相連,每個神經元的外部輸入一致[34]。由輸入層到輸出層的映射,不僅僅是單純的數(shù)據(jù)壓縮,更是一種規(guī)律發(fā)現(xiàn)。

生態(tài)源地是區(qū)域內綜合生態(tài)系統(tǒng)服務較高,斑塊面積較大,對維持區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定以及為人類社會提供生態(tài)系統(tǒng)服務的主要區(qū)域。本研究在模擬得到各生態(tài)系統(tǒng)服務的基礎上,使用MATLA 2019a進行SOFM網(wǎng)絡聚類,提取具有較高生態(tài)系統(tǒng)服務的重要生態(tài)源地。與傳統(tǒng)的自然斷點法提取生態(tài)源地相比,使用神經網(wǎng)絡的方法能將高維屬性特征有序地映射在兩維輸出平面上,使得相似的樣本柵格在SOFM網(wǎng)輸出平面上位置相近?？紤]到生態(tài)安全格局的主要景觀要素具有一定的規(guī)模性和空間連片特征,且零碎小斑塊的對生態(tài)安全格局影響小、對生態(tài)流流動的聯(lián)通作用差,因此本文剔除了不具規(guī)模的零碎小斑塊,合并了空間聚集的斑塊[35]。

2.2 生態(tài)廊道識別

生態(tài)廊道作為連接不同生態(tài)源地之間的橋梁與紐帶,在促進源地間物質、能量和信息流動中發(fā)揮了不可替代的作用[36-37]。廊道具有較高的生境質量,相較狹長[38]。生態(tài)流的通過阻礙受到三個方面的影響：第一,像元在該點的土地覆被類型為根本因素,參考其他研究[6-7]對不同土地利用類型的生態(tài)阻力賦值；第二,景觀連通性指標從景觀結構的角度豐富對土地類型的考量,可以在空間連通結構和生態(tài)流傳輸功能上對不同的土地覆被類型的阻力值進行修正；第三,人類活動強度反應去自然化的程度,使得生態(tài)阻力面的構建更符合現(xiàn)實人類活動干擾下的生態(tài)流的流動的實際情況[39]。因此,本文綜合土地覆被類型、景觀連通性以及人類活動強度,構建生態(tài)耗費阻力表面。

以生態(tài)源地的幾何中心為生態(tài)源點,基于生態(tài)阻力面,以生態(tài)源點作為生態(tài)流的“源”和“匯”,利用最小累計阻力模型識別生態(tài)廊道的基本走向和空間位置。為了便于模擬,參考Forman對廊道的分類[22],將其簡化為線狀廊道。現(xiàn)實廊道的走向是規(guī)避人類活動及人類脅迫的結果,因此存在一定程度的彎曲,這種彎曲度用阻力系數(shù)表示。在本研究中用廊道間的實際長度比上該廊道所連接的兩源地的直線距離的比值作為生態(tài)流在兩源地間流動的阻力系數(shù),計算方法如下：

r=d/l

(1)

式中,r代表阻力系數(shù)；d為兩源地間廊道實際長度；l為兩源地源點的直線距離。阻力系數(shù)越大,說明兩個源地之間在最短距離上進行生態(tài)聯(lián)系所要克服的空間障礙就越大。

2.3 生態(tài)節(jié)點和生態(tài)障礙點識別

在本研究中,將生態(tài)節(jié)點和生態(tài)障礙點識別為生態(tài)修復區(qū)。首先,生態(tài)節(jié)點作為生態(tài)安全格局的交通樞紐,可以節(jié)省生態(tài)流流動所受的阻力、促進生態(tài)流向多方向流動、對接區(qū)域和城市綠地同生態(tài)源地。生態(tài)節(jié)點的空間位置和作用決定了在生態(tài)安全格局構建中的關鍵地位,其對提高局部特別是建成區(qū)等阻力較大片區(qū)的生態(tài)連通性尤為重要,然而該部位規(guī)模小且薄弱、對外在干擾的恢復力弱、面臨較大的生態(tài)退化風險[40-41]。節(jié)點的損失會極大地損害景觀連通性和生態(tài)流流動,因而需要加以保護和修復。將生態(tài)節(jié)點納入生態(tài)修復的優(yōu)先選擇,有利于促進針對性生態(tài)保護。

其次,生態(tài)障礙點是生態(tài)系統(tǒng)中對于提高生態(tài)源地之間的邊際連接效果具有關鍵作用的部位,該部位可以嚴重影響區(qū)域生態(tài)源地連通性,因此具有優(yōu)先保護和修復的重要性。具體方法是通過設置移動窗口搜索半徑,基于生態(tài)阻力面對窗口內阻力值重新賦值,采用新阻力面重新計算最小成本距離。然后通過對比生態(tài)修復前后的最小成本距離改進百分比,來代表區(qū)域生態(tài)修復后對源地連通性的提升效果,提升效果越大,則對區(qū)域采取生態(tài)修復措施的優(yōu)先級就越高。該過程使用ArcGIS和Linkage Mapper工具識別。

2.4 引力模型

當前人類社會與自然生態(tài)系統(tǒng)的互動產生諸多生態(tài)安全問題,例如侵占生態(tài)廊道等,應將當前城市化進程中的生態(tài)修復問題納入生態(tài)安全格局構建之中。生態(tài)廊道的重要性是對生態(tài)功能重要性、連接的網(wǎng)絡中心的重要性、自身條件(物種多樣性、土地利用結構、生態(tài)阻力)、開發(fā)風險(周邊人類活動的干擾或保護)等方面的綜合評價[42]。在前文阻力面和景觀要素基礎上,利用引力模型著重補充生態(tài)廊道的生態(tài)功能和網(wǎng)絡連接重要性。具體來說,第一,生態(tài)廊道作為承載源地之間交流的通道存在空間上的重疊,即承擔越多生態(tài)流的流動廊道路徑其重要性越高；第二,較大源地之間的生態(tài)廊道所承載的生態(tài)流的量越大,其重要性越高。由此,基于引力模型計算生態(tài)源地間的相互作用,以此確定聯(lián)系比較緊密的生態(tài)源地和重要生態(tài)廊道。兩源地間的引力越大說明連接兩源地的生態(tài)廊道所承載的生態(tài)流的流動量越多、其重要性也越高。在本研究中,引力模型計算公式如下：

(2)

式中,F表示源地之間的引力大??；Mi、Mj表示等權重疊加后源地i、j的生態(tài)系統(tǒng)服務總量；d為兩源地間的直線距離；l為生態(tài)流在兩源地間的實際流動的最小距離,即廊道的長度；r為阻力系數(shù),上文已求得；G為常數(shù)。本研究中應用及相關變量的計算方法如表2所示,基于以上數(shù)據(jù)處理計算源地間關聯(lián)關系。

表2 引力模型相關變量Table 2 Correlation variables of gravity model

2.5 技術路線

依照本文主要研究內容,結合對應的技術方法,設定本論文的技術路線如圖2所示。

圖2 技術路線Fig.2 Technical route

3 結果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務空間布局

通過生態(tài)系統(tǒng)服務的模擬與計算,并經過歸一化處理,得到不同生態(tài)系統(tǒng)服務的空間布局,以及珠三角地區(qū)的綜合生態(tài)系統(tǒng)服務空間分布(圖3)。珠三角地區(qū)的綜合生態(tài)系統(tǒng)服務高值區(qū)域主要分布在以林地、草地為主的區(qū)域,建成區(qū)的綜合生態(tài)系統(tǒng)服務值普遍偏低。具體空間分布特征包含以下幾點：(1)珠三角區(qū)域整體生境質量較好,生境質量高值區(qū)域和林地分布呈現(xiàn)一致性。生境質量較高的區(qū)域所占面積超過50%,分布在西北和東北部區(qū)域,這些區(qū)域坐落在惠州、肇慶市；低值區(qū)域主要聚集分布于珠三角近入?？谔幍某鞘薪ǔ扇?。(2)珠三角地區(qū)的水質凈化服務總體較好,其中珠三角外圍圈層尤甚,包括肇慶、惠州、江門、廣州、深圳六市。城市化地區(qū)的氨氮輸出量較、水質凈化服務較低,主要分布在珠三角中部地區(qū)(包括東莞、佛山、中山)；水質凈化服務以林地主要地類的區(qū)域,氨氮總量輸出量整體貢獻最低、水質凈化能力越高；耕地和草地對氨氮等營養(yǎng)負荷的截留效果次之。(3)碳儲存服務在總量上的空間分布上呈現(xiàn)兩極分化趨勢,灘涂濕地和林地的碳儲存量較高。部分山區(qū)城鎮(zhèn)居民點的分布使得高值區(qū)域的整體性降低。低值區(qū)域的分布基本位于城市建成區(qū)。(4)植被滯塵服務植被滯塵服務較好的區(qū)域主要分布在植被覆蓋度較好的山區(qū),例如莞交界山區(qū)以及深圳大鵬半島地區(qū)、中山珠海交界山區(qū)；植被滯塵服務較差的區(qū)域主要為中部平原三角洲人口較為稠密地區(qū),包括東莞、中山、佛山、珠海、深圳等。(5)土壤保持整服務整體狀況不佳,空間分布上有明顯的高低分異,低值區(qū)域主要分布在土地覆被狀況較差的中部城市建成區(qū)。西北和東北(肇慶市、惠州市)的水土保持服務能力低值區(qū)域的面積均在30%左右,其他區(qū)域有超過各50%以上的土壤具有低和較低級別的水土保持生態(tài)系統(tǒng)服務,特別是中部城市(東莞、佛山)70%的土壤水土保持服務位于較低及以下水平。(6)東北部和西北部(肇慶和惠州市),該區(qū)域具有較好的降水截留和滲透作用,水源涵養(yǎng)服務能力較高,產水量功能也較強。中部區(qū)域(東莞和中山)整體處于河流下游,產水量較低,水源涵養(yǎng)功能較差,面臨自然降水蓄積的嚴重不足的考驗。

圖3 綜合生態(tài)系統(tǒng)服務空間分布Fig. 3 Spatial distribution of integrated ecosystem services

3.2 景觀要素識別

所識別的生態(tài)要素如圖4所示：(1)通過SOFM神經網(wǎng)絡聚類,本研究將約15968.14 km2的綜合生態(tài)系統(tǒng)服務較高的區(qū)域劃分為36個生態(tài)源地,約占珠三角區(qū)域總面積的29.56%。生態(tài)源地97.3%為林地,2.1%為林地和草地。從空間分布上來看,面積較大的生態(tài)源地主要分布在珠三角西北、東北和西南區(qū)域；東南沿海區(qū)域和莞深交界處,分布有面積較小的生態(tài)源地。(2)通過構建阻力面和最小阻力路徑法,計算識別生態(tài)廊道141條,總長度為1900 km；主要分布在生境質量較高、阻力系數(shù)較低西北、北部、東北、西南的非建成區(qū)。(3)生態(tài)節(jié)點既屬于生態(tài)源地,又是生態(tài)流流動起承接作用的廊道交點；綜合考慮生態(tài)節(jié)點所具備的結構和功能特征,本研究識別生態(tài)節(jié)點共10個。這些生態(tài)節(jié)點均位于生態(tài)源地內部,區(qū)域內北部、西南和東部分別分布2、3、5個生態(tài)節(jié)點,呈現(xiàn)三角形頂點空間部分形態(tài)。

圖4 生態(tài)要素的空間分布Fig.4 Spatial distribution of ecological elements

3.3 基于引力模型的生態(tài)安全格局3.3.1 生態(tài)分區(qū)

本研究根據(jù)引力大小判定重要生態(tài)源地的輻射區(qū)域,以此來進行生態(tài)分區(qū)的劃分。對于重要生態(tài)源地的選取原則,首先是區(qū)域內規(guī)模較大的生態(tài)源地；其次,選取的重要生態(tài)源地之間須有較大的建成區(qū)隔離以保證輻射范圍界限。根據(jù)以上兩個選取原則,共選取5個重要生態(tài)源地,并根據(jù)引力模型計算結果劃分生態(tài)分區(qū)(表3)。重要生態(tài)源地包含1、9、13、28、31五個,連同輻射生態(tài)源地分別組成西北、東北、東南、西南和南部生態(tài)功能區(qū)。例如,由于1號生態(tài)源地對3、6、8、14、15號生態(tài)源地有較強的關聯(lián)作用而劃分為西北部生態(tài)功能區(qū)。從圖5可知,西北部和東北部生態(tài)功能區(qū)的團聚程度和規(guī)模較優(yōu),重要源地與輻射源地之間的關聯(lián)作用可以用于保護生態(tài)功能區(qū)連接的完整性；東南部、西部和南部生態(tài)功能區(qū)團聚程度和規(guī)模均較差,需對連接同一生態(tài)功能區(qū)中受損的生態(tài)廊道進行生態(tài)修復,以維護生態(tài)功能區(qū)的互聯(lián)互通。

表3 生態(tài)功能分區(qū)表Table 3 Ecological function partition table

3.3.2生態(tài)廊道的重要性探究

本研究以廊道過境次數(shù)和廊道承載能力來綜合表征珠三角區(qū)域的生態(tài)廊道的重要性(圖4),首先,較為重要的廊道主要分布在珠三角北部地區(qū),其重要性在于連接了西北和東北部量大重要生態(tài)源地和生態(tài)區(qū),對于維系珠三角區(qū)域東西向生態(tài)流的流動具有重要作用；其次,次重要廊道作為重要廊道的延伸,連接西北部和西南部生態(tài)源地、東北部和東南部生態(tài)源地,其在空間上的延伸有利于東南部和西南部生態(tài)源地同保存較好、生境較高的西北和東北部生態(tài)源地的聯(lián)系,進而維護區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)的整體性。另外,分布在珠三角區(qū)域東南部和西南部之間的生態(tài)源地間的阻力系數(shù)較大,珠江入?？诘目臻g阻隔使得兩地間的生態(tài)聯(lián)系較低。生態(tài)廊道作為源地間生態(tài)流流動的基本載體,其形狀和彎曲程度對于生態(tài)流流動具有一定的影響。也因此說明,在珠三角東南部區(qū)域的生態(tài)源地同珠三角西南部的生態(tài)源地之間,進行生態(tài)流流動需要克服巨大的阻力才能實現(xiàn)關聯(lián)。

3.3.3生態(tài)安全和生態(tài)保護修復

圖5顯示了基于引力模型構建的“源地—廊道—節(jié)點”生態(tài)安全格局。在關鍵生態(tài)要素識別的基礎上,對生態(tài)源地進行提取和定量表征；利用最小阻力路徑模型識別珠三角生態(tài)廊道共141條；根據(jù)廊道的交點確定的生態(tài)節(jié)點共有10個。這些關鍵生態(tài)要素廣泛分布在東北、西北、南部的山區(qū),構成了生態(tài)安全的基本骨架和生態(tài)主軸。該生態(tài)主軸在空間上的分布,呈現(xiàn)對建設用地的半包圍態(tài)勢。從整體上來看,這種景觀生態(tài)要素的空間分布能夠較好的保持珠三角區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)整體性以及生態(tài)結構的穩(wěn)定,一方面,這種分布態(tài)勢可以較好的阻隔域外的不利環(huán)境因素對珠三角區(qū)域的破壞和干擾,起到較好的屏障作用；另一方面,該區(qū)域內的負面生態(tài)環(huán)境問題能夠較好的穩(wěn)定控制在本區(qū)域內,因而不能擴散到區(qū)域以外。

圖5 珠三角生態(tài)安全格局Fig.5 Ecological security pattern in the pearl river delta

圖6呈現(xiàn)了通過Barrier Map識別出的優(yōu)先生態(tài)修復區(qū),面積總共36059 km2,其中高優(yōu)先級區(qū)域占7.7%,中優(yōu)先級區(qū)域占26.0%,低優(yōu)先級占20.3%。深圳市、東莞市和惠州市有高優(yōu)先級生態(tài)保護與修復區(qū)珠三角區(qū)域東部7處,在珠三角北部分佛山市、廣州市和肇慶市有4處,在西南部的江門、珠海和中山市有5處。這些優(yōu)先修復區(qū)均處于高阻力值與低阻力值之間的過渡處,成為生態(tài)源地與城市用地之間的橋梁和樞紐。從土地利用來看,待修復區(qū)域主要為耕地和建設用地,可以實施部分低質量耕地退耕還林,在城市建設用地增強公共綠地、風景林地、防護綠地、行道樹及干道綠化帶的綠化。此外,加強對重要生態(tài)廊道、生態(tài)節(jié)點和高優(yōu)先級生態(tài)修復區(qū)的保護和修復,進而提高珠三角的生態(tài)穩(wěn)定性和抗干擾力,有利于發(fā)揮該區(qū)域不受外部環(huán)境負面干擾的屏障作用,同時也保證了珠三角區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務穩(wěn)定供給。

圖6 生態(tài)修復區(qū)Fig.6 Ecological restoration area

4 討論

4.1 珠三角生態(tài)系統(tǒng)服務的空間差異性

由結果分析部分可知,珠三角的不同生態(tài)系統(tǒng)服務以及綜合疊加結果,均顯示具有明顯的空間差異性。造成這種結果的主要原因在于,首先是人類活動的影響,農村居民點對生態(tài)源地造成空間分割,高值生境斑塊呈現(xiàn)破碎化趨勢;城鎮(zhèn)居民點對生境的負面影響相對較大,城鎮(zhèn)區(qū)域擴大將會使整體生境質量進一步降低。其次,西北部和東北部山區(qū)生境質量優(yōu)于中部建成區(qū),具有較優(yōu)的植被滯塵和水質凈化生態(tài)系統(tǒng)服務。這種分布主要是由于山區(qū)既能有效降低空氣中的顆粒物含量、也可以起到阻隔跨區(qū)域的污染物,維持珠三角區(qū)域的空氣質量穩(wěn)定。另外上游產水量經過地表徑流匯集保證了下游城市地區(qū)的水源供給,但河流上游地區(qū)的山谷和城鎮(zhèn)地區(qū)氨氮輸出總量較大,水質凈化能力較低,對水質安全有較大負面影響。再者,大量不透水面降低了水流滲透和蓄積作用[43],導致城市建成區(qū)土壤保持和水源含量功能較差,水土流失相關的生態(tài)問題較為廣泛,提升水土保持生態(tài)系統(tǒng)服務應得到各地市的普遍重視?？傮w而言,珠三角區(qū)域人類活動強度與生態(tài)系統(tǒng)服務功能強度呈現(xiàn)負向關系,未開發(fā)地區(qū)提供區(qū)域內部主要的生態(tài)系統(tǒng)服務。

生態(tài)系統(tǒng)服務空間模擬是景觀要素識別的基礎,其結果的準確性與可靠性對于所構建的生態(tài)安全格局至關重要,因此本研究所應用的方法均為學界較為常用的模擬手段。由于缺少實地的觀測和實驗室的模擬,因此基于經驗和模型的生態(tài)系統(tǒng)服務的空間模擬可能存在一定的誤差[44]。此外,在本研究中,對于多種生態(tài)系統(tǒng)服務的處理均采用同一種尺度,忽略了不同生態(tài)系統(tǒng)服務的尺度依存效應[45-45]。

4.2 珠三角生態(tài)安全和修復格局的重要性

在現(xiàn)有景觀生態(tài)安全格局中,以生態(tài)源地為核心、以生態(tài)廊道為主軸、以生態(tài)節(jié)點為承接點、以生態(tài)障礙點為修復區(qū),構成了珠三角區(qū)域內生態(tài)網(wǎng)絡。其中,生態(tài)源地主要分布在除中部建成區(qū)以外的西北部、東北部、東南部、西南部山地丘陵的地區(qū),由林地構成了維系珠三角區(qū)域生態(tài)安全的基礎。同時,生態(tài)廊道連接了生態(tài)源地之間生態(tài)流流動的最佳路徑,生態(tài)主軸將各景觀要素在空間分布和功能上整合,維持了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的整體性[38]。此外,生態(tài)節(jié)點可以節(jié)省生態(tài)流阻力并提高系統(tǒng)韌性,為生態(tài)流在該點向區(qū)域多方向流動提供了可能,故而任何一個節(jié)點受到破壞都不會影響生態(tài)源地之間建立聯(lián)系。進一步,生態(tài)障礙點的修復可以提升生態(tài)源地的連通性并獲得更加健康的生態(tài)流網(wǎng)絡。由此可知,以上關鍵生態(tài)要素維護著該地區(qū)生態(tài)穩(wěn)定和生態(tài)服務整體性,對域外生態(tài)威脅起到較好的屏蔽作用。因此,應以上述生態(tài)要素為抓手進行生態(tài)保護和修復,從而對生態(tài)格局的關鍵部位進行精細化管理和保護。

本文在前人研究基礎上有進一步的推進。其一,在生態(tài)要素的識別中提出使用SOFM神經網(wǎng)絡對區(qū)域關鍵生態(tài)系統(tǒng)服務聚類分析提取生態(tài)源地,既能夠避免傳統(tǒng)閾值選擇方法中的主觀劃分,也可以消除量綱影響,方法科學可行。其二,基于生態(tài)系統(tǒng)服務量和生態(tài)流阻力系數(shù)的定量表征,引力模型計算得到的廊道的重要性,反應兩個源地之間潛在的關聯(lián)性和互動程度的大小。由于生態(tài)廊道將各生態(tài)要素聯(lián)系成一個整體,在功能上促進了生態(tài)系統(tǒng)服務沿生態(tài)廊道在空間上的擴展便于人類利用,為區(qū)域的生態(tài)安全提供了空間支撐[26]。因此,將引力模型用于重要廊道的識別有利于維持生態(tài)源地間的聯(lián)系程度,通過連接城市內部以及城市邊緣的綠地維護整個區(qū)域生態(tài)結構和功能。進一步地,本文綜合人類需求和自然生態(tài)要求,從區(qū)域視角整合自然生態(tài)系統(tǒng)與人類社會生態(tài)系統(tǒng)、從生態(tài)穩(wěn)定視角聯(lián)系生態(tài)修復與生態(tài)安全格局,優(yōu)先保護和修復關鍵生態(tài)要素,有助于完善生態(tài)安全格局的現(xiàn)實應用價值,并加深人類對自然生態(tài)系統(tǒng)和人類社會生態(tài)系統(tǒng)互動關系的認識。

4.3 珠三角生態(tài)修復與管控建議

生態(tài)安全格局為“被動修復”向“主動適應”的國土空間修復提供了重要的空間優(yōu)化途徑[47],保護和修復所得關鍵生態(tài)要素和生態(tài)障礙點,可以提升區(qū)域整體的生態(tài)系統(tǒng)服務供給和流動能力。根據(jù)以上研究結論及珠三角實際情況,本研究提出相關生態(tài)修復和管控建議：

首先,控制城區(qū)合理擴張,摒棄一味的“攤大餅”的建設模式,重視城鎮(zhèn)及農村居民點周邊的環(huán)境保護,避免面積擴張所帶來的區(qū)域生境質量的整體性降低。其次,加強對重要生態(tài)源地為核心的生態(tài)功能區(qū)進行管理和保護。其中,破碎化程度較高、規(guī)模較小的南部、西部和東南部生態(tài)功能區(qū)(圖5)具有較高的生態(tài)退化風險,應著重加強生物多樣性功能保護區(qū)建設,并修復區(qū)內受損生態(tài)廊道以維持生態(tài)源地的互聯(lián)互通。對于完整性較好的西北部和東北部林地和山地可以作為綠心建設,采取生態(tài)空間圈層控制[2],保障自然保護區(qū)內居民經濟利益和正常生活。再者,嚴格保護承擔生態(tài)主軸角色的中、高等重要性生態(tài)廊道和關鍵生態(tài)節(jié)點(圖4),并提高區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)整體性。例如,進行入河排污綜合整治,以沿河綠道、南粵古驛道作為維持珠三角東西兩翼生態(tài)區(qū)的聯(lián)通與互動的紐帶。最后,從生態(tài)修復視角出發(fā),科學合理地依次對高、中、低三級生態(tài)修復區(qū)進行修復。實施部分低質量耕地退耕還林還湖、加強基本農田整治工程；在建設用地增強公共綠地、風景林地、防護綠地、行道樹及干道綠化帶的綠化；進行濕地修復、濕地綠化、清污截污、污水處理等水體的修復。通過修復生態(tài)障礙點可以提升周邊生態(tài)功能區(qū)的源地規(guī)模,并形成更有效的潛在生態(tài)廊道。同時,構建環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡、紅樹林保護區(qū)水鳥監(jiān)測體系,建設智慧生態(tài)城市,面向公眾服務并促進提供公眾生態(tài)環(huán)境保護意識。

總體上,通過加強對重要生態(tài)廊道、生態(tài)節(jié)點和高優(yōu)先級生態(tài)修復區(qū)的保護和修復進而提高珠三角的生態(tài)穩(wěn)定性和抗干擾力,有利于發(fā)揮該區(qū)域不受外部環(huán)境負面干擾的屏障作用,同時也保證了珠三角區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務穩(wěn)定供給。

5 結論

本研究以經歷快速城市化過程的珠三角為研究區(qū),圍繞“生態(tài)系統(tǒng)服務模擬—生態(tài)源地識別與綜合生態(tài)系統(tǒng)服務量計算—廊道識別與阻力系數(shù)計算—生態(tài)區(qū)劃分和廊道重要性探究—生態(tài)修復區(qū)”研究主線,構建基于“生態(tài)源地—生態(tài)廊道—生態(tài)節(jié)點—生態(tài)障礙點”的珠三角生態(tài)安全和修復格局。本文識別36個具有較高生態(tài)系統(tǒng)服務的生態(tài)源地、141生態(tài)廊道和10個重要生態(tài)節(jié)等關鍵景觀要素,以及2776 km2處于生態(tài)過渡地段的高優(yōu)先級生態(tài)保護修復區(qū)。通過引力模型劃分出重要生態(tài)源地的輻射區(qū)域,形成東北部生態(tài)區(qū)、西北部生態(tài)區(qū)、東南部生態(tài)區(qū)、西部生態(tài)區(qū)、南部生態(tài)區(qū)；并以廊道重要性判定關鍵生態(tài)廊道,構成了生態(tài)主軸的骨架,串聯(lián)珠三角主要的生態(tài)要素。由此,以生態(tài)源地為核心、以生態(tài)廊道為主軸、以生態(tài)節(jié)點為承接點、以生態(tài)障礙點為修復區(qū),構成了珠三角區(qū)域的生態(tài)網(wǎng)絡。本文從自然—人類復合區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)整體性和系統(tǒng)性入手,識別研究區(qū)內的突出的景觀生態(tài)問題,建立區(qū)域協(xié)調性的生態(tài)安全和修復格局,為粵港澳大灣區(qū)生態(tài)文明建設提供了提供了理論與方法,為大型城市群的精細化生態(tài)管理提供了科學思路。

同時,本研究仍存在部分有待改進之處。其一,盡管廊道的識別遵循了客觀的方法,但破除行政邊界的限制,在適宜尺度下或許存在更優(yōu)的路徑。其二,本文將廊道簡化為線狀要素,而廊道的現(xiàn)實存在可能會因景觀異質性出現(xiàn)形狀和寬度的改變,下一步研究中可以對廊道寬度的識別進行完善。其三,生態(tài)過程的復雜動態(tài)過程對分析結果產生不確定性,今后研究中可以構造模型對生態(tài)過程進行動態(tài)模擬和情景假設,以便于分析不同政策和生態(tài)修復手段下的生態(tài)狀況。