城市群生态安全保障关键技术研究与集成示范——以长三角城市群为例

第1章 总论 生态安全是地球生命系统赖以生存的环境不被破坏与威胁的动态过程，包括自然生态安全、生态系统安全和国家（人类）生态安全。国外的探索和研究集中了交叉学科的优势，如全球著名的美国圣菲研究所、德国柏林工业大学、欧洲环境局等，国内过去的研究较多注重单一学科的作用，近年来在学科整合及研究深度上有较大发展。国内外开展的研究工作主要有：北美东部城市群和中国珠三角城市群土地利用 /覆被变化（LUCC）与环境关系研究（Seto et al.，2012；Seto and Satterthwaite，2010；Güneralp and Seto，2013），东南亚、北美洲和南美洲 LUCC和植被遥感研究（Abuelgasim et al.，1999；Olofsson et al.，2012；Zhu and Woodcock，2014），英国伦敦城市群防洪、热岛效应与基础设施应对（Hall et al.，2005；Dawson et al.，2005，2011），高分网格法与海平面上升对城市生态系统的影响研究（Timothy and philip，2005；Yin et al.，2011），欧洲城市环境与生态安全研究（Shaw et al.，2000；Olivier and David，2008）；我国陆地生态系统服务评估（欧阳志云等，1999），我国海峡西岸经济区生态系统健康评价（赵卫和沈渭寿，2011），生态系统服务制图和空间定量化研究（傅伯杰和张立伟，2014），区域生态安全格局（马克明等，2004），景观生态安全格局（俞孔坚，1999；俞孔坚等，2009），区域尺度生态系统健康评价方法（杨志峰等和隋欣，2005），全球变化与河口城市脆弱性评价（王祥荣和王原，2010），城市生态环境决策支持系统 CityWare（奥地利环境软件服务公司），斯德哥尔摩城市环境决策支持系统（Mehta，2010），中国生态系统研究网络（于贵瑞和于秀波，2013），物联网安全性研究（李海涛等，2012；刘乔佳，2017），崇明岛生态环境预警监测网络优化研究（汤琳等，2013），大数据在城市规划和管理中的应用（龙瀛，2014），以及美国、英国、德国、日本、中国提出的“生态工法”在城市生态修复中的应用和对关键物种栖息地生态保护研究等；在城市群层次上，生态服务、空间结构规划、经济地理研究已有一定基础，如长三角城市生态系统服务价值研究（Wang et al.，2008）、长株潭城市群空间结构研究（汤放华和苏薇，2010）等，典型城市群空间扩张及其对生态系统净初级生产力的影响（虞文娟，2017）。表1.1、表1.2列出了国内外从事相关研究的主要机构及其成果。 表1.1 国外从事相关研究的主要机构及其成果 表1.2 国内从事相关研究的主要机构及其成果 综上所述，国内外前期主要开展了针对特定区域和生态环境要素的评价技术、方法以及决策支持系统研究，但在长三角城市群生态安全保障技术研发及示范上，其研究尚不多见。因此，基于共轭生态原理，结合水、土、气、生、城市等一体化要素监测与数据融合处理，充分应用 3S技术、新一代信息技术如环境物联网与云智 TM技术、生态安全网络与健康诊断等，研发体现长三角城市群特点的生态安全保障创新技术体系与协同联动决策支持平台，仍是亟待解决的重大科学问题与现实需求。 1.1 总体研究目标、主要内容与技术路线 1.1.1 总体研究目标 针对我国典型城市群的代表——长三角城市群高强度城镇化的现实背景和生态安全保障需求，通过多学科融合和产学研协同研究，开展科技攻关以实现生态安全技术自主创新和集成创新，提升区域生态安全保障水平，促进长三角城市群的可持续发展，具体目标为： （1）阐明近四十年来长三角区域生态系统时空演变规律，揭示城市化对区域生态系统的 DPSIR（驱动力-压力-状态-影响-响应）多元共轭机理，探讨其生态支撑，研发长三角城市群生态系统评价、健康诊断与监管技术体系。 （2）综合应用 VSD（脆弱性评价整合模型）、CLUE-S（土地利用变化及效应模型）等生态与环境模型，研发区域生态安全快速诊断与识别技术、生态安全综合评估技术，对重点产业和城市灾害生态风险开展专项研究，建立长三角城市群生态风险预测预警技术平台。 （3）针对长三角城市群河网景观、环湖生态林、城乡交错带和重要水源地等关键生态景观，重点开展山体 -河岸带 -水体、源头 -过程-末端、“点-线-面”、个体-群落-景观-生态系统等多尺度相融合的功能物种筛选、结构优化配置等梯级生态景观重建技术研究，构建提升长三角重要生态景观服务功能的技术体系，为长三角城市群生态安全保障提供技术支撑。 （4）针对长三角城市群退化湿地、植被、棕地和关键生物栖息地等开展生态修复保育和服务功能提升技术攻关与示范，构建综合监测与评估数据库，量化城市受损生态空间修复与功能提升效应。 （5）研究基于空间优化决策模型构建布局合理、功能复合的长三角城市群生态安全格局，并提出生态安全战略空间管控要求及规划导引方案；开发多层次复合体系的生态网络设计技术，建立生态安全格局网络设计信息集成与平台，提出与区域生态资源支撑力相适应的长三角城市群 PREED耦合发展模式和调控策略，建立长三角城市群区域生态安全综合保障技术集成示范基地。 （6）研究长三角城市群生态安全协同联动机制与管控体系，开发云数据库与模型库，研究多元数据融合同化和群决策模型优化技术，建立城市群生态安全协同联动机制决策支持系统与示范平台，为长三角城市生态安全保障提供技术支撑。 1.1.2 主要研究内容 科技部在 2016年国家重点研发计划“典型脆弱生态修复与保护研究”重点专项中明确提出了“重要城市群生态安全保障技术”的研究任务，要求以典型城市群为对象，研发区域生态系统评价与监管技术和区域生态健康诊断、安全评估与生态风险预测预警技术；研发关键生态景观重建技术以及受损生态空间修复保育和服务功能提升技术，开发区域生态安全格局网络设计技术及生态安全保障技术，构建城市生态安全协同联动机制决策支持系统和平台。本书为国家重点研发计划（2016YFC0502700）的主要研究成果，从六大方面围绕长三角城市群开展了生态安全保障技术与示范的研究。 **部分“长三角区域生态系统评价、健康诊断与监管技术”和第二部分“长三角城市群生态安全评估与风险预测预警技术”契合指南研究内容——“研发区域生态系统评价与监管技术和区域生态健康诊断技术”的技术需求，主要研究阐明长三角区域生态系统在全球、全国的功能定位，分析该区域面临的重大生态安全问题；研发生态系统服务功能评价、健康诊断与监管技术体系；并应用 3S技术、生态安全与生态风险模型与大数据等，研究其长三角城市群生态安全响应、快速诊断与识别技术、城市群发展的生态风险、生态灾害评估技术及监控与预测预警关键技术，为长三角区域生态安全保障关键技术研究和集成示范提供科学基础和支撑。 第三部分“长三角城市群关键生态景观重建修复技术与示范”和第四部分“长三角城市群典型受损生态空间修复保育及功能提升技术与示范”契合指南任务内容“研发关键生态景观重建技术以及受损生态空间修复保育和服务功能提升技术”。项目研究中选择了长三角城市群平原河网景观、环湖生态林景观、城乡交错带生态景观及重要水源地等关键生态景观，研发关键生态景观的重建技术和方法体系；同时选择该城市群退化城市湿地、植被、棕地和生物栖息地等典型受损生态空间，开展景观重建技术和受损生态空间修复保育和服务功能提升研究，并基于环境物联网、“生态工程”等技术，对修复过程中的水土气生等环境因素进行监测和跟踪评价，旨在为区域的生态修复、重建和生物栖息地的保护提供关键技术支撑。 第五部分“长三角城市群生态安全格局网络设计与综合保障技术”契合指南任务内容“开发区域生态安全格局网络设计技术及生态安全保障技术”。项目通过长三角城市群城市安全格局规划与分级调控技术、多尺度生态网络设计技术，PREED耦合模式开展城市群生态安全综合保障与调控技术研究，并开展生态系统评价、生态监测、生态安全评估和生态风险预测预警技术的集成示范，为生态安全保障技术的推广应用提供技术支撑。 第六部分“长三角城市群生态安全协同联动决策支持系统和平台构建及集成示范”契合指南任务内容“构建城市生态安全协同联动机制决策支持系统和平台”。项目通过构建长三角生态安全协同联动的机制和管控体系，建立大数据框架下的长三角城市群生态安全保障技术系统，研发长三角城市群生态安全保障决策支持系统和联动平台，实现长三角城市群生态安全保障的联动管理与决策支持。 1.1.3 技术路线 本书针对长三角城市群生态安全保障的重大科学问题与技术需求，提出了“注重时空尺度”（时间尺度：近四十年；空间：区域、城市群、城市、生态系统；空间尺度：35.8万 km2，含区域、城市群、城市、生态系统类型等尺度）、强化“ 1、5、1”技术抓手的整体研究思路与技术路线（图 1.1），即构建一个基础理论框架、研发五大技术与示范体系、创新一个协同联动决策支持系统和平台。 图1.1 长三角城市群生态安全关键技术研究与集成示范技术路线 1.2 研究方法 1.2.1 城市群发展与区域生态系统演变的耦合关系及多元共轭机理分析 基于自然-社会-经济耦合系统的长三角区域生态风险特殊规律及其成因研究，构建长三角城市群自然 -社会-经济系统耦合机制，探索长三角城市群人口与经济空间极化所导致的生态风险的演化规律。以 DPSIR（驱动力-压力-状态-影响-响应）模型为框架，从驱动力、压力、状态、影响和响应 5个方面，阐明社会经济对城市群生态系统的 DPSIR多元共轭机理，以及为适应、削弱和预防这些影响应采取的措施，为长三角城市群生态安全保障关键技术研究和集成示范提供科学基础和实践指导。 1.2.2 复合生态系统特征分析、承载力评估、健康分类诊断与安全保障监管 基于复合生态系统理论、协同理论、城市群理论，集成 3S技术、仿真模拟、 VR虚拟仿真等信息分析与处理技术，明确长三角区域的生态功能定位。基于复合生态系统理论，综合系统动力学、生态足迹、PSE（压力-敏感-弹性）等相关模型和方法，系统评估长三角区域的生态承载力；情景模拟不同生态承载力约束下的长三角区域发展模式与路径，研发长三角区域生态承载力提升的关键技术。基于 PSE模型、场景测试等技术，对长三角区域生态健康动态变化进行诊断分析，构建和选择区域经济社会发展与生态健康耦合状态测度和预测模型。通过 3S技术、环境物联网与地面监测相结合，传统定位监测与智能化数据库相融合的方式，创新生态系统安全监管集成技术体系，开发长三角区域生态系统监管关键技术。 1.2.3 生态安全评估、安全响应、快速诊断识别与重点产业生态风险调控 基于 CLUE-S等土地利用变化模型，预测长三角城市群未来一段时期的土地利用变化特征，采用情景分析法分析城市化的景观生态效应。基于 DPSIR（驱动力-压力-状态-影响-响应）模式研究，提出城市群生态脆弱性评价整合模型。基于 3S和大数据，针对长三角城市群生态系统类型及其生态系统服务在城镇化过程中的变化，鉴别与城市生态安全相关的关键生态系统及服务。基于城市群不同产业发展模式的情景分析，剖析长三角城市群产城协同发展的现状、发展阶段和发展态势。 1.2.4 长三角城市群极端气候灾害与生态风险预测预警 基于*新的长三角地区气候变化预估数据集，应用气候变化情景预估方法，开展长三角洲地区的未来气候变化风险预估。基于城市群多维生态环境与社会经济大数据，开展相关数据的挖掘与同化，以 LUCC为突破点，开发基于 SD模型与面向对象技术的 LUCC预测模型软件。基于 P2P