国土空间生态修复与保护可以有效实现生态系统的系统修复和整体保护, 是协助保护生态重点功能区以维持生态产品和功能的持续供给, 并将受损的生态系统恢复到原有状态和功能的过程^[1—3]。长期以来, 经济的高速发展和人口压力带来的高强度国土空间开发和粗放的资源利用方式, 引起了土地退化、森林破坏、生物多样性锐减等一系列严重的生态系统退化问题^[4—6]。为了维护区域生态安全, 解决生态系统问题, 改善和提升生态系统服务和质量, 需要自然或者人为干预开展生态修复与保护, 各级管理者积极进行生态修复与保护重点区域识别, 修复受损和退化的生态系统, 同时保护高质量的生态空间^[7]。为促进社会经济和生态协调发展, 新时期生态文明建设中需要充分考虑到国土空间的系统性和完整性, 以系统修复和整体保护的框架和途径指导生态修复与保护^[8]。

科学识别重点生态修复区和重要生态保护区是国土空间生态修复与保护的关键^[9], 核心是识别重要生态功能区、生态系统受损区和生态问题区, 构建国土空间生态修复与保护格局^[10]。生态系统服务是指人类通过生态系统的产品和服务, 获得的直接或间接生态效益^[11]。生态修复与保护主要的目标是保护与提升现有的生态系统服务^[12—13]。因此, 现有研究中, 生态系统服务理论广泛应用于国土空间系统修复保护分区框架, 识别生态修复与保护的优先区域^[14—15]。我国现有的生态保护空间识别主要参考已发布的《生态保护红线划定指南》, 该指南将生态系统服务重要功能区划入生态保护红线范围^[16]。

生态修复的定义为协助已遭受退化、损伤或破坏的生态系统恢复的过程^[17], 现有研究中生态修复主要集中在单要素修复或单功能修复^[18—19]。国内外开展了一系列针对森林^[20]、草地^[21]、矿山、农田等单要素的生态修复研究和实践^[22], 其中最常被修复的要素为森林、灌丛和草地, 林灌草的优劣程度以生态系统质量来表征, 是指示生态系统健康状况的重要指标, 林灌草的低质量区成为生态修复的重点区域^[23]。生物多样性维护是生态修复的重要研究内容^[24], 大量研究从自然保护地体系、栖息地退化角度开展生态修复保护研究^[25—26]。此外, 在部分研究中, 生态敏感性被纳入生态修复体系^[27], 主要是基于水土流失、土地沙化等生态问题评估开展单功能的生态修复^[28—29]。然而, 当前研究均是基于单要素或单功能的修复, 并未考虑国土空间生态修复的系统性和完整性, 导致对区域整体生态系统质量和服务的提高并不显著^[12]。

近年来, 学者们针对生态修复的理论体系开展了进一步研究, 在基于山水林田湖草的生态修复研究方面取得一定的进展^[30], 例如, 宇振荣等在河南省南太行山地区开展了基于矿山、水环境、土地整治和污染物整治、生物多样性等综合性的生态修复, 体现了生态修复的系统性和完整性^[31]；宋伟等的研究更进一步, 不仅考虑了现状的矿山、气候以及社会经济现状问题, 还综合了森林和草地的植被指数变化进行生态修复分区^[29]。虽然部分学者开展了系统的生态修复重点区域识别, 但多基于现状生态问题^[28—29]、生态系统脆弱性^[28]和植被指数^[29]等识别生态修复区, 尚未将长时间序列的生态系统退化纳入生态修复研究。

综上, 国土空间生态修复与保护空间识别往往从单一的生态系统服务、生态敏感性或生态系统质量进行分析^[32—33], 少数研究基于山水林田湖草的现状生态问题和生态敏感性开展生态修复的研究^[30]。然而由于气象因素和地理条件的影响, 生态系统服务、敏感性和质量的重点保护区和退化区并未完全重合, 而且长时间序列的生态系统退化并未受到关注。因此, 如何在考虑生态系统整体生态效益和生态系统演变的基础上, 开展生态修复与保护空间识别, 提高国土空间生态修复的系统性和完整性, 是亟需解决的问题^[17]。本研究以生态系统服务、生态系统质量和生态问题为切入点, 建立了国土空间生态修复与保护识别方法, 探索国土空间系统修复和整体保护路径, 识别重点生态修复区和关键生态保护区, 对维护区域生态安全、改善和提升区域生态系统服务和质量、减轻生态问题具有重要意义。

北京市作为我国首都和快速城市化的典型代表城市, 城市建设用地的扩张对城区周边的耕地和生态用地的侵占造成局部生态系统服务退化严重^[34]。《北京城市总体规划(2016年—2035年)》中提出统筹山水林田湖等生态资源, 开展系统修复和整体保护。本研究对北京市生态修复与保护区域的识别, 对北京市政府未来开展具体的生态修复与保护重大工程具有借鉴意义。本文首先提出了国土空间修复与保护框架, 建立了生态修复与保护空间识别方法, 然后以北京市为对象, 基于生态系统服务、生态系统质量和生态问题综合评估, 识别生态严重退化区和受损区作为生态修复重点区域, 并确定重要生态保护区, 为北京市国土空间修复保护提供可借鉴的思路和途径, 同时可以基于该结果划定城市空间发展和土地利用的生态底线。

1 研究区域与方法 1.1 研究区域

北京市位于华北平原西北部, 总面积约1.64万km²。北京市山地主要分布在西部、北部和东北部, 东南方向主要是平原。北京市属于北温带半湿润大陆性季风气候, 夏季高温多雨, 冬季寒冷干燥, 植被类型以暖温带落叶阔叶林和温性针叶林为主。北京市年平均气温为12.3℃, 年降雨量约572 mm, 年蒸发量约1712 mm。北京市土壤类型在山区主要以棕壤、山地褐土为主, 平原区以普通褐土、潮土为主。

2015年, 北京市森林、灌丛、草地、湿地、农田和城镇分别占比28.72%、22.27%、5.16%、1.89%、21.41%、20.32%(图 1)。北京是一个综合型的超大城市, 从生态系统格局上看, 自2000年以来, 建设用地以“摊大饼”的方式向外蔓延^[35], 并保持较快的增长速度, 特别是六环内, 2000—2011年间, 建设用地比例增加近10%^[36], 城镇用地的扩张对周边农田和生态空间造成了不同程度的破坏, 会导致生态系统服务供给的下降, 并增加区域生态风险。

1.2 研究方法 1.2.1 研究框架

国土空间修复保护识别的基本框架是基于生态系统服务重要性、生态系统质量和生态问题, 确定生态修复区和生态保护区, 旨在控制生态系统退化, 保护重要生态系统服务(图 2)。首先, 为了控制生态系统退化, 修复受损空间, 本研究基于生态系统服务和质量退化、生态系统质量低下和水土流失严重区, 识别生态系统严重退化区和受损区作为重点修复空间。本研究将2000—2015年生态系统服务与生态质量重度退化(本研究判定退化超过25%为重度退化)区域识别为生态修复区；生态系统质量现状中“差”、“劣”等级判定为受损区需要进行生态修复；生态问题中选取水土流失问题, 并将水土流失等级中“强度”和“剧烈”等级判定为生态修复区(表 1)。其次, 为了保护区域重要生态功能区, 本研究在评估生态系统服务重要区和生态系统高质量区格局的基础上, 识别生态保护区。生态系统服务重要区主要是基于水源涵养、土壤保持、洪水调蓄和生物多样性保护服务中, 累计功能量占前50%的栅格作为生态系统服务保护区；并将生态系统质量评估结果中的“优”、“良”等级识别为生态系统高质量区(表 1)。

1.2.2 生态系统服务评估

根据北京市人民政府发布的《北京市人民政府关于发布北京市生态保护红线的通知》, 北京市主导生态功能包括水源涵养、土壤保持和生物多样性；北京市雨热同期的气候特点, 导致强对流天气经常出现, 并易造成暴雨洪涝等灾害^[37], 而自然生态系统的洪水调蓄服务可以有效吸纳大量的降水和过境水, 缓解洪涝风险。因此, 本研究基于北京市3个主导服务功能和洪水调蓄服务, 开展生态系统服务评估。

水源涵养是生态系统通过拦截滞蓄降水, 增强土壤下渗、蓄积, 涵养土壤水分、缓和地表径流和补充地下水, 增加可利用水资源的功能, 本文采用水量平衡方程计算水源涵养量^[38], 如公式(1):

(1)

式中, Q为水源涵养量(m³)；P_i为降雨量(mm)；ET_i为蒸散发量(mm); R_fi为实际地表径流量(mm)；A_i为i类生态系统的面积；i为研究区第i类生态系统类型；j为研究区生态系统类型数。地表径流量是基于地表径流系数得到^[39]。

土壤保持是指生态系统通过其结构与过程消减降雨侵蚀力, 增加土壤抗蚀性, 减少土壤流失, 保持土壤的功能, 本文采用修正通用水土流失方程(RUSLE)计算土壤保持功能^[38]:

(2)

式中, C为土壤保持量(t hm^-2 a^-1); R为降水侵蚀力因子(MJ mm hm^-2 h^-1 a^-1)；K为土壤可蚀性因子(t hm² h hm^-2 MJ^-1 mm^-1)；LS为地形因子；C为植被覆盖度因子。

洪水调蓄是指自然生态系统吸收大量的降雨, 蓄积洪峰水量, 削减并滞后洪峰, 以缓解汛期洪峰造成的威胁和损失的功能, 洪水调蓄量与暴雨降雨量(>50 mm)、地表径流量和生态系统类型密切相关^[40], 如公式(3):

(3)

式中, FQ为洪水调蓄量(m³)；P_ri为暴雨降雨量(mm)；R_ri为暴雨径流量(mm)；A_i为i类生态系统的面积；i为研究区第i类生态系统类型；j为研究区生态系统类型数。

生物多样性保护功能是通过物种丰富度指标反映, 主要以国家一、二级保护物种和其他具有重要保护价值的物种(含旗舰物种)作为生物多样性保护功能的评估指标, 并基于物种的分布范围、海拔和生境类型, 对物种潜在栖息地进行校正^[41]。

1.2.3 生态系统质量评估

本文选取森林、灌丛和草地三类生态系统类型评估生态系统质量, 采用相对生物量密度指数评价研究区森林、灌丛生态系统质量, 采用相对植被覆盖度密度指数评价研究区草地生态系统质量^[42—43]:

(4)

式中, RBD_i为像元i的相对生物量密度或相对植被覆盖度指数, Q_i为像元i的生物量密度(g/m³)或植被覆盖度(%), Q_cci为像元i所在同一自然地理带中顶级群落或未退化生态系统的生物量密度(g/m³)或植被覆盖度(%)。参考生态系统质量分级方法^[42], 将研究区森林、灌丛和草地的生态质量分为5个等级, 分别为优(RBD_i≥85)、良(70≤RBD_i < 85)、中(50≤RBD_i < 70)、差(25≤RBD_i < 50)、劣(RBD_i < 25)。

1.2.4 生态问题评估

生态问题主要是指在人类活动作用下引起的自然生态系统退化, 并由此引发的水土流失、沙漠化和石漠化等一系列不良的生态环境效益。根据全国生态系统调查和北京市生态系统现状, 北京市目前面临的主要生态问题为山区水土流失严重^[44—45], 由于北京市特殊的降雨分布特征和地质地貌条件, 水土流失曾占全市总面积的40%以上^[46—47]。因此, 本研究将水土流失作为生态修复区域识别的重要指标。本研究采用通用水土流失方程评估土壤侵蚀量^[38], 并基于土壤侵蚀量指标评价水土流失强度, 分级标准参考水利部发布的《土壤侵蚀分类分级标准SL190—2007》, 将水土流失强度分为轻度、中度、强度、剧烈四类^[48]。

1.3 数据来源

本研究采用的2000年和2015年的生态系统类型、植被覆盖度和生物量数据来源于中国生态系统评估与生态安全数据库(http:www.ecosystem.csdb.cn), 其中生态系统类型数据空间分辨率为90 m, 植被覆盖度和生物量数据分辨率为250 m；蒸散发数据来源于中国科学院遥感与数字地球研究所, 分辨率为250 m；土壤数据来源于寒区旱区科学数据中心(http://westdc.westgis.ac.cn), 空间分辨率为1 km；数字高程模型(DEM)来自地理空间数据云, 空间分辨率为250 m；气象数据来源于中国气象局, 为站点数据。由于不同数据类型的分辨率有差异, 本研究基于ArcGIS的重采样功能, 将不同分辨率的原始数据以最邻近法重采样为250 m分辨率后开展后续研究。

2 结果与分析 2.1 北京生态系统服务、质量和问题现状

2015年北京市生态系统服务与生态系统质量高值区主要分布在北部和西南部山区, 平原区的生态系统服务和质量较低(图 3)。2015年北京市土壤保持量约3.75亿吨, 主要集中在西南部山区, 北部山区也有部分土壤保持服务；2015年北京市水源涵养量约9.61亿m³, 主要分布在北部和西南山区, 其中密云水库周边和永定河平原段的水源涵养量较高；生物多样性主要分布在北部山区, 其中东北部的平谷区、北部怀柔区, 以及延庆西北部的松山等地的生物多样性最高；2015年北京市洪水调蓄量约7.35亿m³, 洪水调蓄量主要分布在山区, 东北山区洪水调蓄量最高, 西部地区洪水调蓄量较低。生态系统质量等级中, “优”、“良”等级面积分别为837.3 km²和1013 km², 主要分布在西南部和西北部山区, “中”、“差”和“劣”等级面积分别为2389 km²、3118 km²和1807 km², 主要分布在浅山区。北京市水土流失以轻度侵蚀为主, 中度侵蚀、强度侵蚀和强烈侵蚀零星分布在西南部山区和北部山区。

2.2 北京生态系统服务和质量变化

2000—2015年, 北京生态系统服务与质量变化情况如表 2和图 4所示, 北京市生态系统服务与质量均呈上升趋势, 其中生态系统质量上升最快, 森林、灌丛和草地生态质量平均上升39%, 水源涵养、土壤保持和洪水调蓄服务分别上升了11%、3%和10%。生态系统服务变化中, 洪水调蓄和水源涵养在平原区部分呈轻度退化和重度退化趋势, 在山区主要以维持为主, 这两个服务改善主要分布在平原区, 也有部分零星分布在西南部山区和北部山区；土壤保持服务变化主要集中在东南部平原区和延庆平原区, 以改善为主, 部分地区发生了轻度退化和重度退化。生态系统质量变化主要集中在山区, 以改善为主, 退化区主要分布在浅山区。

2.3 生态系统修复空间格局

基于北京市2000—2015年生态系统服务和质量退化、生态系统质量低下、水土流失进行生态修复识别(图 5)。生态修复区总面积为5606 km², 占北京市总面积的34.16%, 生态修复对象面积及生态系统构成如表 3所示。其中生态系统服务和质量退化面积760.4 km², 约占北京市国土面积的4.63%, 主要分布在平原区和密云水库北部；生态系统质量低下的面积约4925 km², 约占北京国土面积的30.01%, 主要分布西南部山区和东北部山区；水土流失区面积约130.1 km², 约占国土面积的0.79%, 零星分布在山区。

2.4 生态系统保护空间格局

本研究识别和建议的北京生态保护区主要分布在山区(图 6), 生态保护区内森林、灌丛、草地和湿地所提供的生态系统服务比例见表 4, 生态保护区面积为6391 km², 占北京市国土面积的38.95%, 其中森林占54.81%, 灌丛占34.38%, 草地占6.53%, 湿地占4.27%, 保护了74.97%的土壤保持功能, 79.63%的水源涵养功能, 58.79%的洪水调蓄功能, 60.3%的自然栖息地。

3 讨论 3.1 基于生态系统服务、质量和问题的北京市生态修复与保护总体格局

2000—2015年, 北京生态系统服务和质量总体呈改善趋势。森林生态系统面积增长可能是北京生态系统服务和质量改善的重要原因, 2000—2015年北京市森林面积共增加了413.54 km², 主要来源于农田, 森林的增长和质量提升主要得益于《北京城市总体规划(2004—2020年)》中提出的生态修复与保护政策, 包括划定限制建设地区, 构建区域生态网络, 加强平原地区森林保护和建设等。2012年, 北京市实行百万亩造林工程项目, 进一步促进了森林覆盖度的提升和质量的改善^[49]。然而, 在城市化的过程中, 北京生态系统服务和质量在部分地区出现退化, 北京有4925 km²的生态系统质量处于差和劣等级, 而且部分山区水土流失严重。因此, 本研究根据生态系统服务、生态系统质量和生态问题, 构建了国土空间生态修复与保护体系, 基于该评价体系, 评估北京市生态系统演变和现状, 识别北京生态修复区和生态保护区。

北京生态修复区面积5606 km², 修复区识别主要是基于生态系统服务和质量下降、林灌草质量低下和水土流失综合评估的, 其中生态系统服务和质量退化面积763.13 km², 生态系统质量低下的面积约4925 km², 水土流失区面积约130.1 km²。

三种修复对象的空间分布和退化原因是存在差异的, 采用的修复对策也相应有所不同。(1)生态系统服务和质量重度退化主要分布在平原区, 还有一部分位于浅山区, 生态系统服务和质量退化中, 重点修复对象是农田和城镇生态系统, 主要由两类土地利用变化导致: 即水田转化为旱地, 以及自然生态系统转化为城镇和农田。其中水田转化为旱地面积约94 km², 主要导致土壤保持服务下降, 该用地变化是由于北京实行“稻改旱”政策, 该政策实行的目的是缓解农业生产与生态系统保护之间矛盾, 从源头上降低面源污染^[50—51], 减少水资源消耗, 并解放劳动力^[52]；自然生态系统退化为城镇和农田主要集中在平原区, 主要因为平原区人口密集, 人类活动频繁导致部分自然生态系统退化为农田或者被城镇扩张侵占, 因此应重点提高平原生态系统退化区的绿地总量和质量, 并构建乔灌草立体配置的森林生态系统。(2)生态系统质量“差”、“劣”等级区域主要分布在山区, 门头沟和房山的山区最为集中, 这部分地区的森林生物量密度较低, 但该区域是重要生态系统服务(土壤保持和生物多样性)供给区, 该区的生态修复策略为划定限制干扰区, 加强森林抚育和低效林改造, 提高林分质量, 保障其重要生态系统服务的供给。(3)水土流失严重区域零星分布在山区, 是坡度高和植被覆盖度低两个因素综合导致的, 重点修复对象是灌丛和农田生态系统, 应进一步实施退耕还林还草, 进行坡地林灌草绿化后封育等方式提高植被覆盖度；针对灌丛生态系统应划定限制干扰区, 促进灌丛的自然修复以实现植被覆盖度的提升。(4)三类生态修复对象中, 约212 km²的地区同时存在至少两个修复对象, 例如, 约80 km²的区域需要同时修复水土流失和生态系统服务退化两个对象, 复合生态修复是重点修复区域, 需要进行总体布局设计, 针对多个生态修复对象整合生成生态修复系列项目, 实现区域多要素的系统性修复；同时可以禁止开发建设活动和人类行为来降低人类干扰, 并提升自然生态系统质量, 扩大自然生态系统面积等方式提升生态系统服务供给, 减少生态问题。

北京生态保护区面积为6391 km², 其中森林占比最高, 达到54.81%, 其次是灌丛生态系统, 占比达34.38%。森林和灌丛是重点保护的生态系统, 主要分布在北京的北部和西南部山区, 是北京重要的生态防护屏障, 也是主要的生态系统服务供给区。湿地生态系统面积仅占保护区的4.27%, 但湿地是重要的水源涵养区和洪水调蓄区, 同时也是生物多样性关键区域, 特别是水鸟的重要生境区。生态保护区内的草地主要分布在北部的怀柔和密云, 是生物多样性重要生境区。

3.2 北京市生态修复和保护的总体效果预测 3.2.1 生态修复系统全面

近年来, 生态修复的研究往往是基于单要素或单功能的生态修复, 或从山水林田湖草综合修复的角度开展。然而, 现有的生态修复识别多基于生态系统现状开展研究, 并未将长时间序列的生态系统退化考虑在内。本研究在充分吸纳前人识别生态修复重点区域的思路和方法的基础上, 构建了国土空间生态修复与保护识别方法体系, 不仅考虑了生态问题和质量现状, 还考虑了长时间序列下生态系统服务和质量的退化, 系统和完整的识别区域重点修复区域, 为山水林田湖草生态修复提供了新的思路和方法, 对维持区域生态安全, 降低区域生态问题, 改善区域生态系统服务和质量具有重要意义。

3.2.2 生态保护效果提升

2018年北京市发布了《北京市人民政府关于发布北京市生态保护红线的通知》, 划定北京市生态红线面积为4290 km², 通过核算发现, 北京市现有红线仅可以保护38.45%的水源涵养、48.69%的土壤保持、40.72%的洪水调蓄和42.3%的自然栖息地。北京市现有红线对生态功能的保护具有局限性, 现有保护区对生态系统服务的保护尚未达到总服务供给量的一半, 会直接影响区域的生态安全。本文划定的生态保护区的面积约6391 km², 虽然比现有红线面积增加了2101 km², 保护面积约增长了49%, 但增加的区域是北京生态系统服务供给重点区, 对生态系统服务的保护力度大大增加, 水源涵养、土壤保持、洪水调蓄和自然栖息地的保护效果分别增加了95%、64%、44%和43%。严格保护划定的保护区, 不仅能够为人类生活和经济发展持续提供生态系统服务, 还对保障区域生态安全具有重要意义。该研究为识别国土空间重要生态保护区提供了可借鉴的指标方法, 为区域生态规划、保障区域生态安全格局和实现可持续发展提供了思路和途径。

4 结论与展望

本研究构建的国土空间修复保护体系综合了生态系统服务、生态系统质量和生态问题三方面内容, 基于生态系统退化和生态问题识别生态修复区, 同时将生态系统服务重要功能区识别为生态保护区。北京市生态修复区面积约5606 km², 其中, 重点修复的森林和灌丛主要分布在西南部山区和东北部山区, 而重点修复的农田区域主要分布在平原区和密云水库北部。生态保护区面积约6391 km², 主要分布在山区, 保护了79.63%的水源涵养功能, 74.97%的土壤保持功能, 58.79%的洪水调蓄功能, 60.3%的自然栖息地。本研究可以为研究区开展国土空间规划、生态修复、山水林田湖草综合治理等工作提供理论、基础方法和数据支撑, 同时对其他区域开展生态修复与保护识别研究具有借鉴意义。

同时, 本研究仍存在有待改进之处: (1)本研究中生态系统退化区均被识别为生态修复区, 未考虑生态系统的恢复力和区域总体发展规划等自然和社会的多方面因素, 在后续研究中应考虑到生态系统类型、北京市土地规划政策等因素, 评估生态修复可行性。(2)生态修复与保护的效益在本研究中未被考虑, 在以后的研究中, 可以进一步探索在保护保育和人工辅助修复等措施下, 生态系统服务或者生态系统服务价值的提升情况^[53]。(3)本研究中识别的生态修复区域约占北京市国土面积的34%, 但修复工作是需要时间和优先序的, 在未来的研究中应综合评估生态退化或生态问题的严重性, 以及生态修复的效益等因素, 进行生态修复排序, 可进一步支撑生态修复工程的顺利开展。