錢雨果,周偉奇,*,王 佳,胡瀟方,韓立建,虞文娟,王偉民

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站, 北京 100125 4 深圳市環(huán)境監(jiān)測中心站, 深圳 518049

生態(tài)管理是基于生態(tài)系統(tǒng)原理,優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-過程-功能的耦合關(guān)聯(lián),協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)的社會價(jià)值、生態(tài)潛力和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的整合性管理方法。旨在平衡長期和短期目標(biāo),維持生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)的可持續(xù)性[1- 5]。生態(tài)監(jiān)管強(qiáng)調(diào)明確的生態(tài)學(xué)邊界,清晰的管理目標(biāo)、管理者間的合作、監(jiān)測管理結(jié)果、國家政策領(lǐng)導(dǎo)和社會參與等6個方面[5-6]。十八大以來國家高度重視生態(tài)文明建設(shè),并在十九大提出要實(shí)行最嚴(yán)格的生態(tài)環(huán)境保護(hù)制度。實(shí)施科學(xué)有效的生態(tài)監(jiān)管是建設(shè)我國生態(tài)文明,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)管包括了生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測和管理兩個部分。目前,從全球、國家到城市各個尺度都有大量生態(tài)環(huán)境要素的監(jiān)測。在全球和國家尺度,已建立了多個觀測及研究網(wǎng)絡(luò),圍繞共同的生態(tài)環(huán)境問題,開展了大量跨國家、區(qū)域的合作觀測、實(shí)驗(yàn)及研究。如全球環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)淡水監(jiān)測(Global Environment Monitoring System for Water,GEMS/Water)、全球海洋觀測系統(tǒng)(Global Ocean Observing System, GOOS)、全球氣候觀測系統(tǒng)(Global Climate Observing System,GCOS)、全球陸地觀測系統(tǒng) (Global Terrestrial Observing System,GTOS) (表1)。此外,從生態(tài)系統(tǒng)的角度,全球也建立了國際長期生態(tài)研究網(wǎng)絡(luò)(International Long Term Ecological Research Network,ILTER)[7],有50多個國家和地區(qū)建立了自己的長期生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。已有監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中,森林生態(tài)系統(tǒng)受到了極大重視,是重點(diǎn)監(jiān)測的生態(tài)系統(tǒng)。在1997年,美國的Baltimore Ecosystem Study(BES)以及Central Arizona-Phoenix LTER(CAP-LTER)首先建立了城市生態(tài)系統(tǒng)研究站,開始了城市生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測。2001年以來,北京、深圳等城市也建設(shè)了城市生態(tài)系統(tǒng)研究站,啟動了城市生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測與研究。

表1 全球生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

針對不同尺度、不同生態(tài)系統(tǒng)類型,也有大量生態(tài)系統(tǒng)的管理實(shí)踐。在全球尺度,有《巴黎協(xié)定》控制全球碳排放。在國家層面,有國家主體功能區(qū)劃[8]、國家生態(tài)功能區(qū)劃[9]、"兩屏三帶"、國家公園[10]等生態(tài)安全戰(zhàn)略[11]。在城市和區(qū)域尺度,有三區(qū)三線的劃定[12]、海綿城市的建設(shè)[13]、城市見縫插綠[14]、留白增綠措施[15]、空氣治理的“一微克”行動計(jì)劃、自然保護(hù)區(qū)“綠盾”專項(xiàng)行動[16]等。此外,針對森林生態(tài)系統(tǒng),有天然林資源保護(hù)工程[17]、三北防護(hù)林建設(shè)、退耕還林工程、自然保護(hù)區(qū)建設(shè)[18]等；針對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),有永久基本農(nóng)田保護(hù)紅線[19]、耕地占補(bǔ)平衡[20]等；針對濕地生態(tài)系統(tǒng),有流域生態(tài)功能區(qū)劃[21],長江十年禁漁等[22]。在制度方面,生態(tài)補(bǔ)償[23]、生態(tài)負(fù)載表[24]、三線一單[25]、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)(EI)、生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)總值(GEP)等管理策略已經(jīng)為城市的生態(tài)監(jiān)管提供抓手[26],來平衡城市發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

盡管各類生態(tài)系統(tǒng)、各種生態(tài)要素都有各自的監(jiān)測體系和管控手段,但長期以來,不同生態(tài)系統(tǒng)、不同生態(tài)要素、不同行政單元割裂的監(jiān)管方式導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)管的整體性、系統(tǒng)性不足。此外,不同尺度的生態(tài)監(jiān)管缺乏有機(jī)融合,尺度間內(nèi)在聯(lián)系缺乏有效整合。如何基于生態(tài)系統(tǒng)整體的、多層次的分析評價(jià),識別和區(qū)分生態(tài)系統(tǒng)的常規(guī)監(jiān)管區(qū)域和重點(diǎn)監(jiān)管區(qū)域,進(jìn)而合理設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量、監(jiān)測頻率、監(jiān)測要素和監(jiān)測手段,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的、高效的監(jiān)測還亟需科學(xué)方法來提供支撐。因此,本研究提出了多等級生態(tài)功能網(wǎng)格框架以耦合不同尺度、不同維度的生態(tài)環(huán)境要素,為生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)監(jiān)管提供理論和技術(shù)支撐。

1 多等級生態(tài)功能網(wǎng)格的理論基礎(chǔ)與概念內(nèi)涵

1.1 理論基礎(chǔ)

多等級生態(tài)功能網(wǎng)格分析框架是對已有相關(guān)理論的發(fā)展和創(chuàng)新,主要借鑒了等級斑塊動態(tài)、城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)、多功能景觀等理論。等級斑塊動態(tài)范式認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)是一個由若干層次斑塊組成的巢式等級系統(tǒng)[27-28]。不同層次上生態(tài)學(xué)過程變化速率的差異、以及同一層次不同斑塊內(nèi)部及其之間相互作用強(qiáng)弱的差異使得等級系統(tǒng)具有可分解性[29],因此不同層次上斑塊個體水平以及斑塊鑲嵌體水平的動態(tài)變化共同形成了生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能的總體動態(tài)特征[30- 33]。

復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論[34-35],包括與之類似的人類與自然耦合系統(tǒng)理論[36]、城鄉(xiāng)連續(xù)體理論[37]、人類生態(tài)系統(tǒng)理論[38-39]、星球城市化理論[40]等都論述了人類社會經(jīng)濟(jì)活動對自然產(chǎn)生廣泛影響,強(qiáng)調(diào)了景觀都是自然環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)活動共同作用融合而成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),任何景觀都具有自然屬性(如水、土、氣、生等)和社會經(jīng)濟(jì)屬性(如文化、制度、經(jīng)濟(jì)價(jià)值)等,只是不同景觀的自然和社會經(jīng)濟(jì)屬性的復(fù)合程度與方式不同。

多功能景觀概念則是以復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論為基礎(chǔ),強(qiáng)調(diào)景觀同時具有生態(tài)功能、經(jīng)濟(jì)功能、社會文化、歷史和美學(xué)等多重功能[41]。根據(jù)研究對象、研究尺度、研究目標(biāo)的不同,相同的景觀可以劃分為不同空間形態(tài)的斑塊,發(fā)揮不同的功能。通過對景觀各類功能間的協(xié)同、沖突及兼容作用的權(quán)衡分析,可優(yōu)化生態(tài)監(jiān)管的策略,提升生態(tài)系統(tǒng)的綜合效益。

1.2 概念內(nèi)涵

本文結(jié)合等級斑塊動態(tài)理論、復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論以及多功能景觀的核心思想,構(gòu)建了多等級生態(tài)功能網(wǎng)格理論框架。等級斑塊動態(tài)范式提供了生態(tài)系統(tǒng)認(rèn)知的框架,可基于異質(zhì)性將完整的系統(tǒng)依據(jù)不同的尺度分解為不同類型、不同等級的斑塊,然后通過斑塊間的水平關(guān)系以及上下等級斑塊間的垂直作用來開展生態(tài)研究和管理(圖1)。復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論則賦予了等級斑塊不同維度的內(nèi)涵。比如從行政管理的維度,可以按城市群-城市-區(qū)縣-鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道來劃分等級斑塊[42]；從景觀結(jié)構(gòu)的維度,可按森林景觀-內(nèi)部干擾斑塊-土地覆蓋類型來劃分等級斑塊[43]；從社會經(jīng)濟(jì)的維度,可按城市類型-城市功能區(qū)-土地利用單元來劃分等級斑塊[44]；從熱環(huán)境的維度,可按照全球變暖-城內(nèi)熱島-局地氣候區(qū)來劃分等級斑塊[45]。在此基礎(chǔ)上,多功能景觀則刻畫了各個維度的功能特征。比如森林斑塊具有防風(fēng)固沙、水源涵養(yǎng)、生物多樣性保持、木材供給等功能；社區(qū)斑塊具有管理、服務(wù)、保障、教育等社會功能。將復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的多維度和景觀的多功能屬性融入等級斑塊的范式,構(gòu)建了多等級生態(tài)功能網(wǎng)格框架(圖1)。

圖1 多等級生態(tài)功能網(wǎng)格框架的構(gòu)建 Fig.1 The framework of the hierarchical patches with ecological functions

2 多等級生態(tài)功能網(wǎng)格的劃分-評價(jià)-監(jiān)管框架

多等級生態(tài)功能網(wǎng)格的劃分-評價(jià)-監(jiān)管框架由3個部分組成：(1)多等級生態(tài)功能網(wǎng)格識別與劃分；(2)多等級生態(tài)功能網(wǎng)格評價(jià)；以及(3)差異化監(jiān)管策略制定(圖2)。多等級生態(tài)功能網(wǎng)格識別與劃分的目標(biāo)是明確監(jiān)管單元的空間范圍,為評價(jià)和監(jiān)管提供空間顯性的監(jiān)管對象。多等級生態(tài)功能網(wǎng)格評價(jià)的目標(biāo)是為生態(tài)監(jiān)管提供科學(xué)依據(jù),通過翔實(shí)的分析和評價(jià)來支撐差異化的管理。差異化監(jiān)管以多等級生態(tài)功能網(wǎng)格為對象,以評價(jià)結(jié)果為基礎(chǔ),針對不同斑塊的特征定制相應(yīng)監(jiān)管策略。網(wǎng)格劃分、評價(jià)、和監(jiān)管三個部分是有機(jī)聯(lián)系、相互支撐的。其中,多等級生態(tài)網(wǎng)格是城市差異化監(jiān)管的基本分析單元,評價(jià)指標(biāo)體系一方面為網(wǎng)格單元賦予生態(tài)屬性,另一方面也為差異化的監(jiān)測提供依據(jù)。根據(jù)實(shí)際監(jiān)測的結(jié)果,可以進(jìn)一步修正多等級的網(wǎng)格單元的邊界及屬性,實(shí)現(xiàn)自我迭代的網(wǎng)格邊界和監(jiān)管方案優(yōu)化。

多等級生態(tài)功能網(wǎng)格識別與劃分主要依據(jù)等級斑塊動態(tài)范式的異質(zhì)性和等級性理論,并結(jié)合社會-經(jīng)濟(jì)-自然的復(fù)合性特征。多等級生態(tài)功能網(wǎng)格的評價(jià)則需要全盤考慮等級斑塊的整體結(jié)構(gòu),包括斑塊間的水平空間關(guān)系和垂直隸屬關(guān)系,實(shí)現(xiàn)空間全覆蓋的評價(jià)體系。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)維度的服務(wù)供給和社會維度的人類需求,評價(jià)斑塊的供需特征,構(gòu)建生態(tài)公平的網(wǎng)格體系。此外,對斑塊的各類特征,如格局、構(gòu)成、功能等,還需要開展動態(tài)度評價(jià),以預(yù)測斑塊的可持續(xù)性,確定監(jiān)管的優(yōu)先級。差異化生態(tài)監(jiān)管策略制定的基礎(chǔ)是綜合了多維屬性和評價(jià)結(jié)果的斑塊網(wǎng)格,策略制定的方法是通過各類生態(tài)功能、社會需求間的博弈權(quán)衡,最終落地是基于斑塊的社會權(quán)屬特征(圖2)。

圖2 總體研究思路圖 Fig.2 The overall workflow

2.1 多等級生態(tài)功能網(wǎng)格識別

基于地表生物物理屬性的空間異質(zhì)性可劃分出山、水、林、田、湖、草、城等景觀類型作為第一等級斑塊。以京津冀為例,依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的完整性和連續(xù)性,可劃分出京津冀的森林景觀、草地景觀、濕地景觀、農(nóng)田景觀、城市景觀等。在各類第一級斑塊中,可依據(jù)其內(nèi)部的生物物理異質(zhì)性細(xì)分出二級斑塊(圖3)。比如在城市景觀中可根據(jù)城市形態(tài)劃分出棚戶區(qū)、別墅區(qū)、風(fēng)景區(qū)等；在森林景觀中可根據(jù)土地覆蓋劃分出工礦裸地、居民點(diǎn)、林地等；在農(nóng)田景觀中可根據(jù)土地覆蓋和利用類型劃分出農(nóng)村居住點(diǎn)、種植養(yǎng)殖區(qū)、農(nóng)產(chǎn)品加工區(qū)、農(nóng)用設(shè)施、農(nóng)用水渠等。此外,在二級斑塊中還能進(jìn)一步劃分出如建筑、道路、針葉林、闊葉林等三級斑塊。一般來說,城市綠地和自然森林的結(jié)構(gòu)、過程、功能、服務(wù)都有較大差異。多等級斑塊的劃分能夠有效區(qū)分不同類型林地,并基于等級網(wǎng)格的隸屬關(guān)系支撐差異化的生態(tài)監(jiān)管。

圖3 多等級生態(tài)功能網(wǎng)格示意圖Fig.3 The example of hierarchical patches

基于社會經(jīng)濟(jì)異質(zhì)性的等級斑塊劃分一方面依據(jù)現(xiàn)有的省、市、縣、街道等行政單元邊界,比如以省為第一級斑塊時,市則為第二級斑塊,縣則為第三級斑塊,不同等級的斑塊具有行政維度的隸屬關(guān)系；另一方面也可依據(jù)不同尺度的社會經(jīng)濟(jì)政策和規(guī)劃。比如基于國家城市群的發(fā)展計(jì)劃可以將城市群作為一級斑塊[46],將其內(nèi)部協(xié)同發(fā)展的城市作為二級斑塊?；谥卮髧覒?zhàn)略發(fā)展可以將長江經(jīng)濟(jì)帶作為第一級斑塊[47],內(nèi)部的城市作為二級斑塊。在城市內(nèi)部,依據(jù)不同的定位或規(guī)劃的差異也可以劃分為核心區(qū),發(fā)展新區(qū),生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)等[44]。

其他維度的等級斑塊劃分也基于類似的方法。對于生態(tài)功能,基于全國主體生態(tài)功能區(qū)劃可劃分出一級斑塊[48],如防風(fēng)固沙斑塊。在斑塊內(nèi)部再基于生態(tài)功能的差異劃分出二級斑塊,如生物多樣性保持、水源涵養(yǎng)、木材供給等。對于水的生態(tài)過程,可以依據(jù)流域特征劃分出一級斑塊,然后在其內(nèi)部劃分出二級子流域斑塊。對于熱的生態(tài)過程,可以依據(jù)局地氣候區(qū)特征劃分一級斑塊[45],然后根據(jù)其內(nèi)部下墊面的溫度差異劃分二級斑塊[49]。

面向?qū)ο蟮膱D像分析技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多等級生態(tài)網(wǎng)格的快速、自動劃分[50]。該技術(shù)基于柵格圖像的像素值進(jìn)行影像分割,通過異質(zhì)性閾值的設(shè)定劃分出斑塊邊界。設(shè)置較大的閾值可劃分出大尺度的一級斑塊,然后在一級斑塊中設(shè)置較小的閾值可劃分出下一等級的小尺度斑塊,形成多等級斑塊。面向?qū)ο蟮姆椒ú粌H廣泛適用于各類遙感影像,也適用于各類生態(tài)過程、功能等的反演和評價(jià)產(chǎn)品,如地表溫度、氣溶膠光學(xué)厚度,植被凈初級生產(chǎn)力等。為實(shí)現(xiàn)各類斑塊的分類,可充分利用機(jī)器學(xué)習(xí)的優(yōu)勢,如決策樹、支撐向量機(jī)、深度學(xué)習(xí)算法等,將多等級斑塊的劃分原理轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)的算法、規(guī)則、和流程,結(jié)合多源數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)多等級生態(tài)功能網(wǎng)格的自動劃分。

2.2 多等級生態(tài)功能網(wǎng)格評價(jià)

在多等級生態(tài)功能網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上,自上而下的開展系統(tǒng)的、整體的生態(tài)評價(jià)。以等級斑塊為載體,可全盤考慮區(qū)域的整體結(jié)構(gòu),包括斑塊間的水平空間關(guān)系和垂直隸屬特征,實(shí)現(xiàn)空間全覆蓋的評價(jià)。評價(jià)內(nèi)容包括格局、過程、功能的分項(xiàng)評價(jià),以及生態(tài)重要性、脆弱性、敏感性等綜合評價(jià)[51]。例如各類型斑塊面積的此消彼長,相互轉(zhuǎn)化；不同層次斑塊的景觀格局指數(shù),如綠地破碎度的特征和變化[52]；各類型斑塊相鄰關(guān)系特征、斑塊間的近程和遠(yuǎn)程耦合等。在系統(tǒng)、整體的基礎(chǔ)上,通過斑塊垂直結(jié)構(gòu)的分解,可實(shí)現(xiàn)多等級的、有針對性的評價(jià)分析。比如在第一等級的重要森林景觀內(nèi)部評價(jià)人類活動斑塊的變化；在城市景觀內(nèi)部評價(jià)棚戶區(qū)改造的變化。

在整體性和系統(tǒng)性的基礎(chǔ)上,需要結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)維度的服務(wù)供給和社會維度的人類需求,評價(jià)斑塊的供需特征[53-54],確定監(jiān)管的優(yōu)先級。進(jìn)而構(gòu)建生態(tài)公平的、可持續(xù)的等級斑塊體系。以城市熱島為例,夏季城市低溫區(qū)域的網(wǎng)格內(nèi)部人為活動很少,則溫度調(diào)節(jié)服務(wù)的供應(yīng)多而需求少,溫度調(diào)節(jié)服務(wù)的供需比很大,不需要太多的生態(tài)監(jiān)管；相反,如果在城市高溫區(qū)域的網(wǎng)格內(nèi)部人為活動的強(qiáng)度很高,并且主要以脆弱人群為主,如老人和病人。那么該網(wǎng)格的溫度調(diào)節(jié)服務(wù)的供需比很小,甚至為赤字,需要嚴(yán)格的生態(tài)監(jiān)管。

生態(tài)評價(jià)的另一個重要因子則是網(wǎng)格單元的動態(tài)度。格局、功能、服務(wù)等都具有動態(tài)度特征[55-56],生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部格局的改變會導(dǎo)致該網(wǎng)格單元功能、服務(wù)的變化。因此,等級斑塊重點(diǎn)關(guān)注的景觀格局動態(tài)度。生態(tài)系統(tǒng)格局的變化大體有兩種情況,一種是自然的演替,包括植被的自然生長、土地的退化等；另一種是干擾,包括由城市化引起的人為干擾,如耕地轉(zhuǎn)化為城市、由退耕還林政策引起的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?以及由自然現(xiàn)象造成的干擾,如閃電、臺風(fēng)等[57]。自然演替的變化是連續(xù)的、緩慢的、具有自我恢復(fù)力的；而人為干擾引起的變化往往是突變的、快速的、有著傾向性的。動態(tài)度的評價(jià)需要明確生態(tài)網(wǎng)格的變化類型(如自然演替或人為干擾)、變化方向(如森林變成城市或裸地變成草地),和變化速度(如每年都變化或是多年變化一次)。動態(tài)度評價(jià)結(jié)果可為監(jiān)測和管理的頻率設(shè)定提供依據(jù)。

為明確每個生態(tài)網(wǎng)格在整體中的主導(dǎo)功能和需求,需要耦合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)、生態(tài)供需的綜合評價(jià)技術(shù),以及動態(tài)變化檢測技術(shù)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價(jià)可識別提供重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的網(wǎng)格,生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)可識別生態(tài)系統(tǒng)亟需修復(fù)和監(jiān)管的脆弱和敏感網(wǎng)格,生態(tài)供需服務(wù)可揭示生態(tài)產(chǎn)品和服務(wù)是否滿足了人們的需求,網(wǎng)格是否存在生態(tài)問題和風(fēng)險(xiǎn)。動態(tài)變化反映了斑塊的穩(wěn)定性,以明確有無重點(diǎn)監(jiān)管的必要性。利用層次分析法、千層餅?zāi)Ｐ偷确椒╗58],可耦合網(wǎng)格的生態(tài)服務(wù)、風(fēng)險(xiǎn)、供需、動態(tài)等特征,可為差異化的監(jiān)管策略提供科學(xué)依據(jù)。

2.3 差異化監(jiān)管策略制定

差異化是生態(tài)監(jiān)管策略的核心與關(guān)鍵。該策略以多等級生態(tài)網(wǎng)格體系為監(jiān)管對象,以斑塊網(wǎng)格單元的評價(jià)結(jié)果為監(jiān)管依據(jù)(圖4)。首先明確網(wǎng)格的監(jiān)管目標(biāo)是發(fā)展還是保護(hù),然后綜合分析網(wǎng)格的生態(tài)功能、生態(tài)重要性、動態(tài)度、生態(tài)供需、面積大小、行政權(quán)屬等特征?；诰W(wǎng)格的監(jiān)管目標(biāo)和復(fù)合屬性來設(shè)置其差異化的生態(tài)監(jiān)管策略,明確網(wǎng)格監(jiān)測的優(yōu)先級別、監(jiān)測頻率、監(jiān)測要素、監(jiān)管范圍、監(jiān)管技術(shù)、監(jiān)管主體等(圖4)。此外,網(wǎng)格的監(jiān)管還受其上級網(wǎng)格監(jiān)管策略的約束,進(jìn)而平衡局部與整體的關(guān)系,正確認(rèn)識網(wǎng)格單元的主導(dǎo)功能,確保生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)管向可持續(xù)的方向推進(jìn)。

圖4 差異化監(jiān)管框架Fig.4 The framework of targeted ecological management

差異化的監(jiān)管要綜合權(quán)衡多等級網(wǎng)格的屬性來制定相應(yīng)的監(jiān)測策略。比如生態(tài)重要性高、穩(wěn)定性低的區(qū)域需要設(shè)置較高的監(jiān)管優(yōu)先級別,較為嚴(yán)格的管控策略。相反,生態(tài)重要性低,穩(wěn)定性高的區(qū)域則可設(shè)置較低的優(yōu)先級,頻率較低的監(jiān)管。大面積、可達(dá)性差的網(wǎng)格可采用遙感的監(jiān)管手段,而小面積、可達(dá)性好的網(wǎng)格可采用實(shí)地調(diào)查的監(jiān)管方法。差異化的監(jiān)管可以根據(jù)生態(tài)功能網(wǎng)格單元的特征,科學(xué)合理的設(shè)置監(jiān)管策略,更加高效的利用有限的監(jiān)管資源,提高監(jiān)管效率。

從監(jiān)管的主體看,由于同一個網(wǎng)格單元中往往包含著多類生態(tài)要素(比如土壤、植物、動物、空氣、微生物)和生態(tài)功能(如食物生產(chǎn)、生物多樣性保持、水源涵養(yǎng)、文化服務(wù)),同一個生態(tài)功能網(wǎng)格的監(jiān)管往往是涉及到多個管理部門。因此,需要綜合考慮各個要素,統(tǒng)籌協(xié)調(diào)多個部門來制定監(jiān)管策略,組織實(shí)施監(jiān)管方案。比如對各類生態(tài)要素的共性指標(biāo)開展聯(lián)合監(jiān)管,多部門共享數(shù)據(jù),避免重復(fù)建設(shè)；對于復(fù)合性的生態(tài)問題開展多部門聯(lián)合會診,對接有生態(tài)監(jiān)管體制、技術(shù)和設(shè)備,提高監(jiān)管的效率,避免重復(fù)建設(shè)和浪費(fèi)。

多等級生態(tài)功能網(wǎng)格及其多維屬性可為多部門聯(lián)合監(jiān)管提供科學(xué)支撐。一方面生態(tài)網(wǎng)格可為監(jiān)管提供明確的管理單元,進(jìn)而支撐其長期的監(jiān)測與管理；另一方面多維度評價(jià)分析結(jié)果可為決策制定提供大量空間信息。具體來說,每一個生態(tài)網(wǎng)格都具有多維屬性(圖5),包括生態(tài)格局、生態(tài)質(zhì)量、干擾脅迫、生態(tài)服務(wù)、動態(tài)度、社會特征、下級特征、上級特征、以及綜合評價(jià)等維度的屬性。其中,網(wǎng)格本身的屬性如生態(tài)格局、生態(tài)質(zhì)量、社會特征等可支撐不同部門的權(quán)衡博弈,網(wǎng)格上下等級的屬性則體現(xiàn)了決策的整體性和系統(tǒng)性。根據(jù)不同的管理目標(biāo)可對網(wǎng)格進(jìn)行分級分類,進(jìn)而選擇相應(yīng)的監(jiān)測指標(biāo)、數(shù)據(jù)、方法,以及管理的對策和方案。

圖5 生態(tài)網(wǎng)格的多維度屬性示意圖Fig.5 The example of an ecological patch with multiple attributes

基于多等級生態(tài)功能網(wǎng)格的監(jiān)管可以服務(wù)于面向生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和面向生態(tài)問題的監(jiān)管(圖6)。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是指可能發(fā)生,但是還沒有發(fā)生的事故或?yàn)?zāi)害；而生態(tài)問題是已經(jīng)發(fā)生的事故或?yàn)?zāi)害。多等級生態(tài)網(wǎng)格一方面具有生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的作用,另一方面具有生態(tài)問題分析的功能。比如對于生態(tài)紅線的監(jiān)管,可采取自上而下的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)管。首先劃分第一等級生態(tài)紅線網(wǎng)格,然而識別紅線內(nèi)部的高動態(tài)度和高人為活動強(qiáng)度的二級網(wǎng)格,針對這些具有較高的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的二級網(wǎng)格,制定高頻率、高強(qiáng)度的監(jiān)管策略。針對出現(xiàn)生態(tài)問題的區(qū)域,如生態(tài)紅線內(nèi)部的違規(guī)砍伐,可通過明確該網(wǎng)格及其上級網(wǎng)格的生態(tài)功能、生態(tài)重要性、管理主體等特征,明確生態(tài)問題的監(jiān)管主體和監(jiān)管方式。

圖6 面向生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和面向生態(tài)問題的監(jiān)管Fig.6 Management towards ecological risk and ecological problem

3 討論

3.1 多等級生態(tài)網(wǎng)格監(jiān)管的應(yīng)用潛力

復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論將復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)層層剝離解析,為認(rèn)識和理解生態(tài)系統(tǒng)的整體性和系統(tǒng)性提供了指導(dǎo)思想。多等級生態(tài)功能網(wǎng)格從空間的角度,將復(fù)雜的生態(tài)格局、過程、功能、服務(wù)等組合到一起,將不同尺度的生態(tài)監(jiān)管融合到一起,形成具有復(fù)合屬性的管理單元,為復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論的落地提供方法和工具。多等級生態(tài)網(wǎng)格打通了理論和實(shí)踐的橋梁,全覆蓋的等級斑塊體系可實(shí)現(xiàn)整體性、系統(tǒng)性監(jiān)管目標(biāo)；明確的空間邊界可連接網(wǎng)格化的管理方法；多維度的屬性可對接分層分類管理政策。

多等級生態(tài)網(wǎng)格的監(jiān)管能夠綜合多維度、多尺度的信息,實(shí)現(xiàn)差異化的生態(tài)監(jiān)管。以圖7中京津冀第一等級森林網(wǎng)格中的兩個二級網(wǎng)格為例說明。從土地的生物物理角度(第一等級),兩個網(wǎng)格均為森林覆蓋,需要進(jìn)行生態(tài)保護(hù),但是根據(jù)全國主體生態(tài)功能區(qū)劃,南邊的森林網(wǎng)格位于人居保障功能的大都市群區(qū),而北邊的森林位于生態(tài)調(diào)節(jié)功能的水源涵養(yǎng)區(qū),因此,南邊的森林斑塊可適當(dāng)考慮城市發(fā)展,設(shè)置相對北邊斑塊更為寬松生態(tài)保護(hù)政策。多個等級間的制約體現(xiàn)了整體性和系統(tǒng)性,生態(tài)功能與土地利用的博弈體現(xiàn)了不同維度的權(quán)衡,展示出該研究框架的先進(jìn)性。

圖7 京津冀等級網(wǎng)格的復(fù)合屬性示例Fig.7 Example of hierarchical patches with multiple attributes in Beijing-Tianjin-Hebei urban region

多等級生態(tài)監(jiān)管網(wǎng)格框架不僅能夠推進(jìn)生態(tài)監(jiān)管向著全盤統(tǒng)籌的方向發(fā)展,也能夠支撐不同尺度、不同目標(biāo)的生態(tài)監(jiān)管。比如針對區(qū)域尺度的生態(tài)安全格局構(gòu)建,該框架可通過多維度的綜合分析識別生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),明確重點(diǎn)監(jiān)管區(qū)域、監(jiān)管要素、以及相應(yīng)監(jiān)管主體；針對城市尺度的生態(tài)環(huán)境長期監(jiān)測,多等級生態(tài)功能網(wǎng)格可對研究區(qū)分層分類,使得監(jiān)測點(diǎn)位更具有典型性和代表性,提升監(jiān)測方案的科學(xué)性；針對街道和局地尺度的城市規(guī)劃設(shè)計(jì),多等級生態(tài)功能網(wǎng)格可提供全面的自然本底、生態(tài)供需等信息,使規(guī)劃設(shè)計(jì)更有效的改善人居環(huán)境。此外,針對業(yè)務(wù)化的生態(tài)環(huán)境保護(hù)督察,網(wǎng)格可分析監(jiān)管的優(yōu)先級,為監(jiān)管的有序開展提供支撐。

3.2 多等級生態(tài)網(wǎng)格監(jiān)管的應(yīng)用挑戰(zhàn)

多等級生態(tài)網(wǎng)格需要融合不同行業(yè)、不同部門、不同城市的數(shù)據(jù)開展綜合的分析評價(jià)。然而,由于多種原因,不同行業(yè)、部門、城市間仍然存在數(shù)據(jù)的壁壘,數(shù)據(jù)交互的過程比較復(fù)雜、效率較低。數(shù)據(jù)的可獲取性決定了網(wǎng)格的維度,將直接影響分析的系統(tǒng)性和結(jié)果的可信度。此外,數(shù)據(jù)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)計(jì)口徑等也是分析評價(jià)的一大挑戰(zhàn)。比如人口統(tǒng)計(jì)口徑差異[59]、PM2.5監(jiān)測方法差異[60]、多源遙感數(shù)據(jù)的差異[52]、斷面監(jiān)測點(diǎn)位的布設(shè)差異[61]、統(tǒng)計(jì)單元的差異等,都會影響數(shù)據(jù)的可比性,進(jìn)而影響網(wǎng)格的差異化監(jiān)管策略,如監(jiān)管優(yōu)先級,監(jiān)管程度等。

針對城市內(nèi)部的生態(tài)網(wǎng)格分析評價(jià)也具有一定的挑戰(zhàn)。一方面城市的景觀格局破碎、空間異質(zhì)性高,需要利用高空間分辨率遙感影像來刻畫[62-63]；另一方面城市的社會經(jīng)濟(jì)過程復(fù)雜,需要綜合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)開展分析[64- 66]。多等級網(wǎng)格的劃分和評價(jià)往往都針對大區(qū)域、大尺度,當(dāng)利用高空間分辨率遙感影像,高時間密度數(shù)據(jù),社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等海量大數(shù)據(jù)開展評價(jià)分析時,數(shù)據(jù)的存儲、調(diào)用以及計(jì)算分析,如圖像分割、變化檢測、景觀格局指數(shù)計(jì)算等也存在一定的挑戰(zhàn)。然而,隨著生態(tài)環(huán)境調(diào)查評估的常規(guī)化和規(guī)范化[67],以及空間數(shù)據(jù)集成分析的快速發(fā)展如谷歌地球引擎(Google earth engine)平臺[68],多等級生態(tài)功能網(wǎng)格應(yīng)用在大尺度、大區(qū)域也是值得期待的。

4 結(jié)論

高質(zhì)量的生態(tài)文明的建設(shè)離不開科學(xué)的生態(tài)監(jiān)管。但已有的生態(tài)監(jiān)管尚缺乏整體性、系統(tǒng)性、等級性的科學(xué)架構(gòu)。因此,本研究整合了等級斑塊動態(tài)范式、復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論、多功能景觀理論,構(gòu)建了多等級生態(tài)功能網(wǎng)格框架。其中,等級斑塊動態(tài)范式提供了生態(tài)系統(tǒng)認(rèn)知的框架,復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論則賦予了等級斑塊不同維度的內(nèi)涵,多功能景觀則刻畫了各個維度的功能特征。多等級生態(tài)網(wǎng)格可打破空間上多行政區(qū)割裂的管理,縫合生態(tài)要素割裂的監(jiān)管,實(shí)現(xiàn)科學(xué)、有效的生態(tài)監(jiān)管,為生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)管和生態(tài)文明的建設(shè)提供有力抓手。

多等級生態(tài)功能網(wǎng)格的應(yīng)用包括網(wǎng)格劃分、評價(jià)、監(jiān)管三個部分。多等級生態(tài)功能網(wǎng)格識別與劃分能夠明確監(jiān)管單元的空間范圍,為評價(jià)和監(jiān)管提供空間顯性的監(jiān)管對象,為全覆蓋、多尺度的評價(jià)和監(jiān)管提供載體；多等級生態(tài)功能網(wǎng)格評價(jià)從多個維度評價(jià)網(wǎng)格的功能,通過翔實(shí)的分析和評價(jià)來支撐差異化的管理；多等級生態(tài)功能網(wǎng)格評價(jià)首先明確網(wǎng)格的監(jiān)管目標(biāo),然后綜合分析、權(quán)衡網(wǎng)格的生態(tài)功能、生態(tài)重要性、動態(tài)度、生態(tài)供需、面積大小、行政權(quán)屬等特征,進(jìn)而明確網(wǎng)格監(jiān)測的優(yōu)先級別、監(jiān)測頻率、監(jiān)測要素、監(jiān)管范圍、監(jiān)管技術(shù)、監(jiān)管主體等,實(shí)現(xiàn)面向生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警和面向生態(tài)問題的監(jiān)管。

致謝：感謝深圳快速城市化地區(qū)生態(tài)環(huán)境國家野外科學(xué)觀測研究站對研究提供的幫助 。