自工业革命以来, 高强度人类活动产生的影响已经远远超过了地球自然变化本身^[1], 足以开创“人类世”地质新年代^[2]。“人类世”的到来意味着国土空间受人类活动影响的范围越来越广, 程度也越来越深^[3]。然而, 如果不能对发展产生的各种生态环境问题进行修复, 则“人类世”也可能会很快终结^[4]。生态修复命题由来已久^[5], 只不过在大开发时期没有受到足够重视^[6]。当前, 生态修复已成为全球共识^[7], 也是空间规划领域关注的热点和焦点问题之一^[8]。实际上, 中国很早就推动了生态修复工作, 如1979年开展的“三北防护林”建设, 1998年实行的“退耕还林”等等。2012年以来, 对山水林田湖草海生态系统实施整体性和系统性修复已成为新时代国土空间治理的一项重要任务^[9-10]。

目前, 国际上已形成了一些比较先进的生态修复理论和技术^[11], 我国在一些典型生态环境要素治理, 如矿山废弃^[12]、湿地退化^[13]、土壤污染^[14]、土地沙化^[15]等方面也积累了丰富的理论成果和实践经验。然而, 聚焦单个点状(如矿山等)或线性(如河流等)的工程型修复易忽视大尺度生态系统与人类活动的耦合集成, 生态修复成效可能存在空间不均衡^[16-17]。因此, 谋划国土空间生态修复分区以统筹协调各类生态修复工程则变得十分重要。只有将生态修复工程“点”和“线”与国土空间生态修复分区政策“面”有机结合和优化调配, 才能从根本上推动国土空间山水林田湖草的整体保护、系统修复和综合治理^[18-19]。

国土空间生态修复分区本质上是一种空间政策表达, 其目的在于维护国土空间生态系统健康和安全, 最终实现区域可持续发展^[20], 即如何布局生态修复取决于国土空间生态安全格局的塑造需求^[21]。因此, 从生态安全格局构建和实现角度进行国土空间生态修复分区是当前主流技术模式^[22-25]。然而, 现有研究大多采用现状土地利用景观作为模型输入, 尚未考虑高强度人类活动对景观格局变化的潜在影响, 难以更好地适应城市群尺度国土空间生态修复的施政需求。为此, 以人地系统耦合的国土空间重塑理论为基础^[26], 采用景观生态学过程耦合与空间集成的科学模式^[27], 以粤港澳大湾区城市群为案例, 论证基于生态安全格局塑造情景模拟的国土空间生态修复分区方案可行性, 进一步深化生态安全格局理论在国土空间生态修复分区应用上的认知。

1 数据与方法 1.1 研究区概况

粤港澳大湾区(简称“大湾区”)由广东省广州、深圳、珠海、佛山、惠州、东莞、中山、江门、肇庆九市和香港、澳门两个特别行政区组成(图 1), 陆地总面积约56000 km²。2019年末, 区内总人口达7000万人, GDP逾10万亿元, 是中国开放程度最高、经济活力最强的区域之一, 也是继美国纽约、旧金山和日本东京湾后的世界第四大湾区, 在国家社会经济发展大局中具有十分重要的地位。大湾区作为中国改革开放的前沿阵地, 在过去40多年里取得了飞速发展, 城市群建设规模急剧增长, 但也产生了一系列生态环境问题^[28]。面向“两个百年”的高质量与高水平发展目标, 积极开展生态修复对大湾区可持续发展意义重大。

1.2 数据来源及预处理

研究涉及到的数据主要包括1995年和2015年大湾区Landsat卫星影像, 以及数字高程、交通网络和行政区划等地理数据。卫星影像和数字高程数据来自地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn/)；交通网络则采用Open Street Map共享数据(https://www.openstreetmap.org/)。卫星影像按耕地、林草、水域和建设4种主要景观类型进行计算机解译和人工目视局部修正, 总体分类精度约在87%左右, 满足国土空间景观变化模拟需求。

1.3 研究方法 1.3.1 总体思路与框架

高强度人类活动可迫使区域景观格局发生剧烈变化, 直接表现则是建设用地增长迅速和自然生态用地流失严重^[29]。因此, 模拟城镇化发展可准确把握人类活动边界, 有利于设计出更加优化的国土空间生态安全格局, 同时也有利于国土空间生态安全格局塑造目标的实现^[30]。总体技术框架如图 2所示: 首先, 从发展现状(当前城镇化所处阶段)、发展潜力(资源环境承载约束)和发展动力(社会经济发展需求)3个维度综合分析未来大湾区各个城市建设用地规模^[31]；然后, 在生态红线保护和永久基本农田保护等政策管控约束下利用土地利用变化模型模拟城市群未来空间形态^[32]；最后, 以城市群土地利用变化模拟结果作为景观输入, 利用“生态源地-生态廊道-生态网络”模式设计国土空间生态安全格局基本骨架^[33], 并通过生态阻力模型识别出国土空间生态修复优先度, 进而划分出相应的政策区以引导生态工程修复低品质国土空间。

1.3.2 城市群空间演变模拟

城镇化发展是驱动土地利用变化最为核心的动力, 也是改变区域景观格局最为直接的人地系统耦合方式^[34]。城市群的发展是一种非常复杂的地理过程, 需要多模型耦合才能进行有效地模拟^[35]。本文拟采用空间马尔科夫链(Spatial Markov Chain, SMC)与地理加权回归元胞自动机(Geographic Weighted Regression based Cellular Automata, GWR-CA)耦合模型模拟大湾区的发展, 其原理如下:

(1)

(2)

其中: 式(1)为城市群各城市建设用地规模需求预测的SMC模型, 式(2)为空间格局协同演变模拟的GWR-CA模型。Q_n^t+1为t+1时刻城市n的建设用地规模, 其与该城市上一时段的转移量Q_n^t-Q_n^t-1相关, 但城市群还需考虑群体间的相互作用, 即周边城市n对预测城市n的辐射带动效用, 辐射系数βⁿ可以根据t-1到t时刻城市n(n≠n)的增长规模反距离加权后与城市n的增长规模进行比值确定；Q_n^t+1的预测除了考虑自身发展惯性和群体辐射带动外, 还需要考虑城镇化发展规律如S型城镇化过程的约束, 即越接近城镇化末期, 城镇增量应越小, 即α(α∈[0, 1])的取值应越小。例如, 深圳、东莞目前已逼近可开发空间极限, 后续大规模增长几无可能, 但可以将这种增长需求辐射到周边区域加以体现(如深汕合作区、南沙新区等)；总体来看, 任何城市的发展都不能超过其最大潜力规模Q_n^max, 如不得侵占永久基本农田和生态保护红线范围内的区域。U_nc^t+1为判断t+1时刻城市n的空间单元c是否被城镇化, 其由函数f根据一系列作用因子迭代而成；S_c是空间单元c的适宜性, 需综合考虑地形地貌、交通状况和离城市中心距离等条件, 可以根据历史变化过程用GWR模型回归得到；Ω_c^t+1是空间单元c在CA模型迭代过程中的邻域相互作用(如Moore邻域等)；Δt是CA模型的迭代时间或次数；Ψ_c是开发政策限定或激励性条件, 如生态保护区域不能被开发, 海岸带优先开发等。

1.3.3 生态源地、生态廊道及生态阻力面分析

从空间结构来看, 生态源地是维持国土空间生态安全的核心区域, 生态廊道则是为促进生态系统物质与能量流动的连通性通道, 而生态网络则是“源”和“廊”在空间上的集结。根据国土空间生态安全格局塑造需求, 本文将大湾区具有特定生态功能或生态脆弱或生态特殊区域纳入生态源地。具体而言, 就是将相对高差达到100m的山体和面积大于1km²的大型水体全部纳入生态源地。然后, 将珠江流域各主要干流和支流(如东江流域、北江流域和西江流域等)及其缓冲区(支流200m, 干流1000m)作为大湾区天然重要生态廊道。

国土空间生态安全格局理论通过点、线、网模式形成基本生态骨架, 显然网中的薄弱环节就是推动生态修复的关键所在。根据物种生存基本法则, 其在“源”之间迁移一般都会选择生境最适宜的方向扩散, 换言之即迁徙阻力最小的方向。因此, 越是生态累积阻力越小的区域理应得到优先修复。只有对这些区域优先开展生态修复, 才能更好的推动国土空间生态安全格局塑造目标的实现。本研究采用最小累计阻力模型(Minimal Cumulative Resistance, MCR)分析生态网中各个区域的生态阻力^[36], 并根据阻力大小识别生态修复次序, 其原理如下:

(3)

其中: MCR为最小累积阻力值；D_cs表示空间单元c(c=1, 2, …, C)到源s(s=1, 2, …, S)的距离；R_c表示空间单元对生态过程扩散的阻力系数, 通常为景观类型阻力K_c和调节因子T_c的合成, 如平原耕地和山坡耕地的阻力系数自然不一样；f表示最小累积阻力与生态过程的正相关关系。参考方莹等研究成果^[23], 将耕地、林草、水域和建设用地景观阻力系数经验值分别设置为100, 0, 50和1000, 再与地理调节因子(如0-1标准化的地形起伏度)合成后作为MCR模型的景观阻力系数。

2 结果与分析 2.1 城市群空间演变模拟

利用SMC预测的大湾区2050年城市群规模结构如表 1所示。从该表可以看出, 大湾区今后35年的建设用地规模增速最多只与过去20年历史时期相当, 说明大湾区今后不会再走大规模扩张式道路, 但就每个城市而言情况各不相同。例如, 东部湾区的深圳、东莞、香港等城市按经典马尔科夫(MC)方案预测开发强度(为开发规模/潜力规模的比值)几乎接近1, 但空间马尔科夫(SMC)用辐射将发展需求传递到其他城市后, 其开发强度只维持在0.9左右；西部湾区如广州、中山和珠海等海岸带均设有开发区, 城市增长规模还有进一步加强的态势, 但也只在0.6左右, 远低于东部湾区的0.9；边缘城市如惠州、江门、肇庆等尽管空间开发潜力较大, 但因社会经济发展需求动力不足, 开发强度预期在0.2左右。总体来看, 空间马尔科夫模型预测结果符合大湾区发展预期, 可作为有效参数输入到GWR-CA模型。

利用GWR-CA模型模拟得到大湾区2050年土地利用景观格局如图 3所示。从图中可以看出, 2050年大湾区并没有出现整体连片开发情形, 反之, 各城市之间依然保留了大量的农田和生态用地；新增建设用地主要出现在西部湾区和湾区边缘一些欠发达城市。由于规划目标调控完全可以重构城市已有的空间发展规律(如广州南沙新区开发等), 故CA常规的模拟一段历史变化过程的精度检验方式必然存在局限性, 不能很好地评估GWR-CA模型对大湾区2050年模拟格局的可信度。鉴于此, 主要采用2019年现状遥感影并结合当前各市城市总体规划进行定性分析。根据《粤港澳大湾区发展规划纲要》以及各城市的空间发展战略, 伶仃洋海岸带沿线是今后大湾区融合发展的热点区域, 如深圳前海、东莞长安、广州南沙、中山翠亨、珠海横琴等开发区均环绕分布, 本文的模拟结果则很好的体现了这一趋势。此外, 随着湾区一体化发展的强势推动, 外围边缘城市应是今后城市扩张的热点。例如, 肇庆东北部区域当前已经开始大规模基础设施建设, 城市道路网骨架基本成型(可参看谷歌地球提供的最新高分辨率影像), 而模拟结果也基本吻合这一发展态势。总体来看, 大湾区2050年土地利用景观变化模拟情景具有较高的可信度, 可为国土空间生态安全格局塑造情景模拟提供可靠的景观变化输入。

2.2 国土空间生态修复分区

根据大湾区2050年土地利用变化情景, 利用MCR模型计算得到生态阻力值, 然后利用几何间隔法进行初分级, 并对分级结果进行人工微调直到每个分区在空间上呈现连片特征。通过定量与定性相结合, 最终划分出生态修复核心区、关键区、调节区和双修区等类型(图 4)。其中, 核心区主要包括生态源地和生态廊道, 是国土空间生态安全网络的基本骨架, 其修复应以保护和保育为主, 重点实施提质性生态修复工程；关键区则是生态源地之间维持物种生存和迁徙的重点地带。如果该区域内国土空间生态品质较低则应优先修复, 修复方式以山、水、林、草、海生态复原为主；调节区是城市群与生态源之间的过渡性地带, 往往以农业生产为主, 可结合农业现代化建设开展综合性整治修复；双修区则是城市群及其发展的前沿地带, 宜纳入到城市双修(指生态修复、城市修补)模式中统筹开展。

3 讨论

国土空间生态修复的核心目标是保障生态安全格局塑造目标的实现。因此, 以国土空间生态安全格局构建为切入点进行生态修复分区是一种可行的技术方案。国土空间生态安全格局构建通常采用MCR模型分析国土空间生态迁移阻力, 生态源地之间最小累积阻力形成的连通性通道可以视为潜在的生态廊道, 而进一步结合阻力大小可识别出生态修复的优先次序。MCR模型的核心参数是土地利用景观格局, 显然直接根据土地利用现状景观分析最小累积阻力面必然存在一定的局限性, 因为高强度人类活动可能会导致土地利用景观发生显著变化。如果依旧采用现状景观作为输入, 其构建的生态安全格局在塑造过程中可能易受高强度人类活动扰动而难以实现。为论证土地利用景观变化对生态安全格局塑造的重要性, 本文对现状和模拟景观产生的生态阻力面进行了对比。从图 5可知, 不同景观输入产生了不同生态阻力面, 高阻力面和低阻阻力面变化最为显著。具体而言, 高、中、低生态阻力面积占比分别从2015年的17.43%, 20.59%和61.98%变为2050年的27.43%, 21.91和50.66%。由此可见, 城市群尺度的国土空间生态安全格局塑造必须要考虑高强度人类活动的扰动, 利用情景模拟设计具有前瞻性的国土空间生态修复分区方案十分必要。

国土空间生态修复是一个系统性的工程, 既要针对关键“点(如矿山等)”和“线(如河流等)”实施工程性修复, 又要在国土空间“面”上进行统筹协调。“点-线-面”相结合的生态修复治理体系是科学开展国土空间生态修复的重要策略。本文主要分析了从国土空间生态安全格局塑造情景角度进行生态修复分区的可行性和必要性, 但面向国土空间规划应用依然还存在以下几个方面的不足: 一是还需要结合低品质国土生态空间问题诊断来验证本文分区方案的合理性, 如实际生态修复的“点、线”工程分布是否与分区政策导向相匹配；二是MCR模型采用经验系数不能分析精细化的生态阻力面, 如何结合多源地理空间大数据探索更加精细化的生态阻力过程还需要进一步探讨。

4 结论

国土空间生态安全格局描绘了一幅优化的生态管控网, 科学的界定了高强度人类活动与自然生态保护的空间关系。土地利用变化作为高强度人类活动的直接表现形式, 其直接影响着国土空间生态安全格局塑造目标的实现。为了弥补传统国土空间生态修复分区对土地利用景观变化考虑的不足, 本文提出了一种基于生态安全格局塑造情景模拟的国土空间生态修复分区技术方案, 并以粤港澳大湾区城市群为案例进行了应用验证。结果表明: (1)土地利用景观变化对生态修复分区方案影响较大, 不同土地利用景观输入导致的分区差异可达国土空间10%左右；(2)国土空间生态修复分区需要充分考虑高强度人类活动的扰动, 进而使得生态修复分区更有利于国土空间生态安全格局塑造目标的实现。