社会-生态综合视角下海岸带生态监管框架与应用-以深圳为例.docx

    社会-生态综合视角下海岸带生态监管框架与应用以深圳为例    李佳雨,钱雨果,周伟奇,3,4,*,郑 重,3,靖传宝,易绍庭,叶匡旻1 中国科学院生态环境研究中心,城市与区域生态国家重点实验室,北京 1000852 中国科学院大学,北京 1000493 中国科学院生态环境研究中心,北京京津冀区域生态环境变化与综合治理野外科学观测研究站,北京 1000854 雄安创新研究院,雄安新区 0710005 深圳市环境科学研究院,深圳 518022海岸带是海洋与陆地两大生态系统的连接与桥梁,是海岸动力与沿岸陆地相互作用、具有海陆过渡特点的独立环境体系[1—2]该区域是地表最为活跃与敏感的区域[3—4],集中了全球60%的人口和1/3人口在一百万以上的大城市[5]我国拥有1.8万多公里的大陆岸线与1.4万多公里的岛屿岸线,仅占陆地国土面积13%的大陆11个沿海省、直辖市和自治区集中了50%以上的大城市、42%的人口和60%以上的国内生产总值[6]随着人类社会经济发展,海岸带正出现围填海无序增长、红树林与珊瑚礁生态系统功能受损[7—8]、近海水域富营养化[9—10]等生态环境问题,此外,气候变化带来的海平面上升[11]、沿海洪涝[12]、风暴潮[13]等一系列沿海灾害也严重危害了沿海居民的生命财产安全[14—15]。

因此,国家在《关于加快推进生态文明建设的意见》与“十四五”规划中多次做出了陆海统筹的战略部署,即根据海陆一体化的战略,统筹沿海陆地区域和海洋区域的国土开发规划,坚持区域经济协调发展[16]陆海统筹已成为深入我国政策、方针与制度的政治需求随着研究者可以通过遥感技术更加高效地监测并获取土地利用现状和时空动态变化信息[17—18],海岸带的土地利用时空变化及驱动因素、对人类活动强度的响应状态及生态风险评价成为全球研究的重要内容[19—22]已有研究多在国家或城市等大空间尺度分析十年以上长时间序列海岸带景观类型的空间分布规律、动态特征变化以及背后的驱动因素,研究结果揭示了城市化等人类社会活动致使海岸带的自然用地减少、景观异质性降低、填海造陆速度变快等[23—30]然而对于复杂的海岸带生态环境问题,包括农业面源污染、工业工厂水质与水温污染以及围填海等陆地对海洋的环境影响,以及海平面上升、沿海洪涝、风暴潮等海洋对陆地的生态风险,已有的研究缺乏深入的探究和科学认知,难以为其防治与管控提供足够的科技支撑这是因为:(1)已有研究的分类体系主要关注建设用地对滨海农田、湿地、森林的侵占,缺乏对建设用地内部的社会功能的表征,如工业区、住宅区、游憩区等。

因此,难以定量解析海岸带的生活污水、工业废水、核电站排水等对海洋的影响[31];(2)用于分类的遥感影像数据分辨率不足,常用于分类的30 m空间分辨率Landsat影像难以准确量化海岸带精细的景观格局和演变特征[32],使得分析结果不准确,难以支撑海岸带科学的生态管控[33];(3)缺乏反映人类活动的社会经济数据,忽略了社会系统与生态系统的交互作用,使研究结果不具有目标靶向性,无法识别污染排放、围填海等人类社会活动带来的海岸带生态环境问题;(4)研究结果大多落脚在海岸带生态风险的评价上[34—36],未给出具有针对性的管控建议,使得海岸带生态环境问题与风险管控脱节,不利于后续管控措施的具体落实与陆海统筹战略的制定针对复杂的海岸带生态环境问题,本研究构建了“问题识别-格局量化-地面调查-生态监管”的综合框架,通过明确生态环境问题,量化社会-生态格局,开展实地调查,为海岸带的生态监管制定目标和策略该框架通过融合高分影像、兴趣点、道路等多源异构遥感数据与地面调查数据,准确识别影响生态环境的社会-生态格局因子,实现精细的、空间显性的生态监管,在城市化进程加快、全球气候变暖的大背景下为海岸带区域的综合管理提供科学支撑[37]。

1 海岸带生态监管框架的构建本研究基于陆海统筹的典型问题,从目标需求的角度出发构建海岸带“问题识别-格局量化-地面调查-生态监管”的综合研究框架该框架包括四大部分:(1)明确陆海交互的问题;(2)构建海岸带分类体系并开展分类;(3)开展针对性的地面调查;(4)制定海岸带生态监管策略其中,海岸带的典型问题决定了遥感分类需要刻画表征的要素,比如河口污染需要刻画海陆交互的排污口、自然岸线保有率低需要量化不同类型海岸线,红树林丧失需要刻画自然生态系统中的红树林斑块,围填海无序增长等带来的面源污染需要刻画城市不同的下垫面斑块;遥感分类结果明确了需要地面调查的区域,如遥感难以观测的区域、排放的污废水特征等;分类结果和地面调查结果共同决定了海岸带点线面状不同类型地物的管控目标与策略通过生态管控,可反馈典型问题的动态变化,进而调整和优化监测与管理的方案(图1)相比以往从土地覆盖的角度分析海岸带的景观格局和动态变化,该框架更加具有问题的针对性和管理的导向性图1 海岸带生态监管框架思路图Fig.1 Framework of coastal zone ecosystem supervision分类体系决定了需要量化表征的要素,是整个框架中最核心的纽带,一方面它衔接了海岸带需要改善的生态环境问题,另一方面也指向了生态监管的目标和策略。

因此,除了常规的土地覆盖,还需要定量表征社会-生态系统中与海岸带问题相关的如重点企业的空间位置、污染排放等特征本研究基于社会-生态特征的多等级分类框架来构建海岸带监管的三级分类体系[38],第一级利用长时间序列的Landsat数据将海岸带划分为城市生态系统和自然生态系统,该级在管理上对应了城市发展和生态保护的权衡策略;第二级在第一级的基础上进一步结合兴趣点 (Point of Interest,POI)数据,道路和建筑矢量数据,将城市生态系统划分为不同类型的功能区,将自然划分为不同类型的生态系统,该级对应了分级分类的防治与管控;第三级利用高分影像量化了城市的精细下垫面特征,用于城市精细的调控与管理(图2)图2 海岸带生态监管流程图Fig.2 Flow chart of coastal zone monitoring and ecological management地面调查一方面可以提升遥感分类的精度,另一方面也可以补充遥感难以准确识别的关键区域,如排污口、河口、岸线使用情况等生态监管不仅需要考虑土地斑块的分类结果,也需要充分考虑地面调查的关键点、线要素特征为了综合点、线、面状的社会-生态格局信息,并建立多部门通用的管理单元,本研究借鉴多等级网格的研究框架[39],通过结合行政管理边界(包括辖区尺度、街道尺度)和多等级分类边界划分三个等级生态监管网格(辖区、街道、地块),综合点、线、面要素的多维属性开展评价,进而制定海岸带全域监管单元的监管目标和策略(图2)。

2 案例分析2.1 研究区介绍本研究以广东省深圳市作为典型案例,开展实证研究深圳地处中国华南地区、广东南部、珠江口东岸,东临大亚湾和大鹏湾,西濒珠江口和伶仃洋,南隔深圳河与中国香港相连,其作为国家十四五编制试点与先行示范区,是粤港澳大湾区的龙头城市,在国家发展大局中有着重要的战略地位紧扣国家新一轮国土空间一体规划改革思路,其探索和实践经验也为国家加强对“山水林田湖草”等自然资源的统一管理和保护提供了深圳示范样本[40]本次研究范围以《深圳市海岸带综合保护与利用规划(2018—2035)》中界定的海岸带陆域范围为基准,划定依据结合了沙滩、珊瑚礁等自然环境因素及海岸带用地等的社会经济因素,最终规划海岸线长度261.2 km,海岸带区陆域315 km2(图3)图3 深圳市海岸带研究区示意图Fig.3 The spatial distribution of Shenzhen coastal zone2.2 海岸带主要生态环境问题与分类体系深圳海岸带面临着诸多生态环境问题与风险,如红树林大面积丧失[41]、珊瑚礁覆盖度降低[42]、自然岸线保有率降低[43]、核电站温排水导致的海洋热污染[44]、油港油库与工矿仓储用地的溢油风险[45]、围填海无序建设[46]、滩涂湿地被大面积侵占[47]、海滨浴场水质超标[48]、入海排污口的点源污染[49]、农业与交通的面源污染[50]等。

针对上述问题,本研究基于多等级分类框架构建了海岸带三级分类体系来表征其社会-生态特征(表1)表1 海岸带三级分类体系Table 1 Three-level classification system for coastal zone本研究利用空间分辨率为30 m的Landsat、0.8 m的高分2号遥感影像,结合POI、道路和建筑等矢量数据开展了深圳三个等级的社会-生态格局分类,其中POI数据来源于百度地图,道路和建筑矢量数据来源于深圳市规划和自然资源局本研究采用了自上而下的方法开展三个等级的社会-生态格局分类,按照景观类型、社会功能区/生态系统类型、以及土地覆盖的顺序进行分类,其中上一等级的分类结果是下一等级的分类基础利用面向对象的图像分析技术来实现自上而下的多级分类,首先对Landsat遥感影像进行分割,生成第一级的大尺度斑块对象,然后使用阈值分类和目视解释开展斑块对象分类,得到第一级分类结果在此基础上,叠加道路矢量层来分割第二层,并利用建筑物属性和POI类别对第二级斑块对象进行决策树分类在第二级分类结果的基础上,利用高分2号影像开展分割,形成第三级小尺度斑块对象,并利用支持向量机对第三级斑块对象开展土地覆盖的监督分类[38]。

第一级分类区分了城市景观与自然景观,主要针对宏观问题,比如开发建设对生态空间的侵占,围填海建设时空演变等第二级分类一方面区分了对不同人类活动的影响,如与工业排放相关的工业区,与农业排放相关的种植养殖区,与交通排放相关的交通区,以及与一般生活排放相关的混合区等;另一方面细化了不同类型的自然景观,以对应相应的管控策略第三级区分了精细的土地覆盖特征,主要针对不同下垫面可能导致的面源污染风险深圳市海岸带区域总面积为315 km2,一级分类中城市景观面积193 km2,占比61.3%,多分布在海岸带西部;自然景观面积122 km2,占比38.7%,多分布在海岸带东部(图4)图4 深圳市海岸带一级分类结果图Fig.4 First-level classification results of Shenzhen coastal zone二级分类里城市景观中对海洋影响较大的工矿仓储用地、园地、养殖用地、耕地的面积分别为39.5 km2、6.4 km2、3.8 km2、3 km2,其中工矿仓储用地占陆域总面积比例高达12.5%,此外交通运输用地15.8 km2,占比5%,港口和码头用地11.8 km2,占比3.7%;而二级分类的自然景观中林地面积最大,为105.2 km2,占陆域总面积的33.4%,剩下的自然斑块种类中面积由大到小依次为沿海滩涂5.1 km2、草地4.2 km2、红树林0.8 km2(图5)。

图5 深圳市海岸带二级分类结果图Fig.5 Second-level classification results of Shenzhen coastal zone第三等级的土地覆盖主要类型分布情况如图6所示,其中林地占比最高,达52.36%,但空间分布集中在东部大鹏区的大鹏街道与南澳街道,以大片连续的天然林地为主;人工土地覆盖类型(包括建筑、道路、其他不透水地表)以及裸地占比总共超过40%,其中其他不透水地表占比20.02%,建筑占比11.98%,上述土地覆盖类型在深圳市中、西部分布更为集中各类型中,草地占比较低(1.73%),仅在西部地区有零星分布,耕地面积占比最少,仅为0.32%图6 深圳市海岸带三级分类结果图Fig.6 Third-level classification res。