厦门杏林湾生态修复效果评估和保护对策

庄乾,余兴光,林志兰,温瑞,张继伟,龙邹霞

(自然资源部第三海洋研究所 厦门 361005)

0 引言

海岸带是重要的生态功能区,提供净化污染物、维持生物多样性、调洪蓄水、文化娱乐、科学教育和消浪护岸等生态系统服务[1]。海岸带也是生态敏感区和生态脆弱区,快速城市化、围海造地、海平面上升和全球气候变暖等因素都在威胁海岸带生态系统[2-5]。保护海岸带生态系统服务功能,开展退化或受损生态系统的生态修复工程,是生态文明建设的重要举措[6-7]。

杏林湾所处的集美新城是厦门海岸带较早开发的区域,城市建设发展迅速。为满足周边区域的环境需求,避免筼筜湖鱼虾绝迹和飞鸟难寻的历史在杏林湾重演,自2005年园博园建设以来,杏林湾及其周边区域开展了一系列生态修复工程。目前相关研究主要集中在环境质量评价、生态风险评估、景观设计和生物多样性等方面[8-12],对于生态修复工程对杏林湾生态功能产生的影响研究相对缺乏,以至于无法了解杏林湾经过十数年生态修复后取得的成效。本研究从生态系统服务功能的角度,定量评估厦门杏林湾生态修复效果,为杏林湾的生态建设和环境保护提供科学依据。

1 研究区域

杏林湾位于厦门市北部集美区内,位于118°2'—118°5'E、24°34'—24°37'N,集水面积为142 km2,水域面积约为6 km2,平均水深约为2.5 m,最大水深为5.5 m[13-14]。杏林湾北部有后溪注入,南部为集杏海堤,东部以教育科研区为主,西部为杏林村。杏林湾原属海湾滩涂堆积地貌,1956年集杏海堤修筑后成为封闭水库,北部由于上游水库和降水注入为淡水,南部呈表层淡水、底层海水的特征[10]。

自集杏海堤修建以来,杏林湾内的景观格局以滩涂湿地为主,岸线由于围垦和清淤等活动长期处于动态变化中。环湾主要道路向水方向变化较大,而向陆方向变化不大,且杏林湾水库以人工道路(集杏海堤)为边界与海域分隔。因此,本研究的研究区域以环杏林湾水域的道路为边界,北至海翔大道与集美大道交界点,东至集美大道与田集连接线交界点,南至集灌路(即集杏海堤),西至海翔大道与杏锦路交界点(图1)。

图1 研究范围

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

根据杏林湾和所掌握数据资料的实际情况,本研究选取园博园建设前(2005年)和2018年作为评估生态修复效果的2个阶段。研究数据来自2005年杏林湾生态环境调查资料[15]以及相关政府网站、统计年鉴、统计公报和遥感影像。

本研究采用的生态修复效果评估方法涉及不同用地类型的数据,主要通过文献资料、遥感数据和处理软件获得。园博园建设前(2005年)的用地情况[15-16]通过ArcGIS 10.2软件矢量化后,计算得到土地利用类型和面积;2018年的土地利用数据根据Landsat 8 OLI_TIRS遥感影像资料经人工目视解译得到,参照《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2017)划分土地利用类型;遥感影像数据来自地理空间数据云(www.gscloud.cn),卫星产品拍摄于2018年3月11日,分辨率为30 m,云量为2.98%,都已经过系统辐射校正和几何校正。为保证影像解译质量,采用Google Earth高分辨率影像、相关规划区划资料和网络全景地图为辅助。人工目视解译方法首先利用ENVI 5.1软件选取训练样本,再利用监督分类方法进行影像分类,分类器选择支持向量机。采用混淆矩阵进行精度验证,总体精度为96.116 5%,Kappa系数为0.950 1,满足研究需求。

杏林湾土地利用变化如表1所示。

表1 杏林湾土地利用变化 km2

2.2 评估方法

为使生态修复效果评估具有合理性和科学性,在参考相关研究成果[17]的基础上,本研究基于供给服务(B1)、调节服务(B2)、文化服务(B3)和支持服务(B4)四大生态系统服务功能,考虑数据的掌握情况和可操作性,选取食物生产(C1)、原材料生产(C2)、废物处理(C3)、气候调节(C4)、调洪蓄水(C5)、水土保持(C6)、休闲旅游(C7)、景观美学(C8)、教育(C9)、初级生产(C10)和维持生物多样性(C11)11个指标,构建杏林湾生态修复效果评估指标体系,采用成果参照法、影子工程法、旅行费用法和替代成本法估算指标值。结合运用层次分析法和专家咨询法确定各指标的权重,采用1~9标度法将不同因素两两比较,将对应于判断矩阵最大特征根的特征向量归一化后,得到该指标的权重(表2)。

表2 杏林湾生态修复效果评估指标体系和指标权重

定义一致性比率为:

式中:CR为一致性比率;CI为一致性指标;RI为随机一致性指标;λ为矩阵的最大特征根;n为矩阵的阶数。

当CI=0时具有完全一致性,CI接近于0则具有满意的一致性,CI越大则不一致越严重;引入RI的目的是衡量CI的大小(表3)。

表3 随机一致性指标

当CR＜0.1时,不一致程度在容许范围内,即通过一致性检验,反之则须重新调整比较矩阵。本研究涉及一致性检验的有A-B、B2-C和B3-C,其一致性比率分别为0.063 239、0.089 581和0.046 329,均通过一致性检验。

3 评估结果

3.1 生态系统服务价值估算

3.1.1 供给服务

(1)食物生产。杏林湾食物生产服务价值主要来自海水养殖和农田。采用成果参照法估算,参照福建海水养殖生产服务价值为2.56元/m2/年[18],2005年杏林湾海水养殖生产服务价值为1 996.80万元;由于自2007年起厦门禁止海水养殖,2018年杏林湾海水养殖生产服务价值为0万元。参照杏林湾农田生产服务价值为449.1元/hm2/年[19],此外2018年杏林湾所有农田景观都已转为交通或公用建设用地,2005年和2018年杏林湾农田生产服务价值分别为6.83万元和0万元。综上,2005年和2018年杏林湾食物生产服务价值分别为2 003.63万元和0万元。

(2)原材料生产。原材料包括为人类提供的生活、医药和工业生产等原料,杏林湾原材料生产服务价值主要来自林地、草地和湿地。采用成果参照法估算,参照杏林湾林地、草地和湿地原材料生产服务价值分别为1 338.32元/hm2/年、161.68元/hm2/年和107.78元/hm2/年,2005年和2018年杏林湾原材料生产服务价值分别为28.36万元和15.04万元。

3.1.2 调节服务

(1)废物处理。杏林湾在去除周边和上游流域带来的多余养分和化合物的分解方面具有重要作用,废物处理服务价值主要来自林地、草地和湖泊。采用成果参照法估算,参照杏林湾林地、草地和湖泊废物处理服务价值分别为772.45元/hm2/年、592.81元/hm2/年和6 669.14元/hm2/年,2005年和2018年杏林湾废物处理服务价值分别为213.27万元和387.50万元。

(2)气候调节。杏林湾气候调节服务价值主要来自林地、草地和湖泊。采用成果参照法估算,参照杏林湾林地、草地和湖泊气候调节服务价值分别为1 827.84元/hm2/年、700.60元/hm2/年 和925.15元/hm2/年,2005年和2018年杏林湾气候调节服务价值分别为82.57万元和48.31万元。

(3)调洪蓄水。采用影子工程法估算,即以修建水库的费用作为调洪蓄水服务价值。参照厦门莲花水库工程,其总库容为3 286万m3,概算总投资为86 365万元,工程等别为Ⅲ等,工程规模为中型。根据《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》(SL 654—2014),莲花水库工程的使用年限为50年。经计算,莲花水库的工程造价为1.05万元/万m3/年,计算公式为:

式中:I p为单位体积库容的工程造价;I为工程总投资;V为总库容;n为工程使用年限;2%为每年的维护成本占比。

参照2005年和2018年杏林湾水库的有效库容分别为643万m3和1 306.8万m3[20-21],2005年和2018年杏林湾调洪蓄水服务价值分别为675.99万元和1 373.85万元。

(4)水土保持。杏林湾滨海岸线的植被覆盖率较高,水土流失状况不明显。杏林湾水土保持服务价值主要来自林地和草地。采用成果参照法估算,参照杏林湾林地和草地水土保持服务价值分别为1 805.38元/hm2/年和1 005.98元/hm2/年,2005年和2018年杏林湾水土保持服务价值分别为35.93万元和49.95万元。

3.1.3 文化服务

(1)休闲旅游。园博园于2007年建成后成为杏林湾的主要旅游景点,因此2005年杏林湾暂无休闲旅游服务价值。采用旅行费用法估算,由于目前相关数据仅统计至2017年[22],参照2017年园博园接待游客71.80万人次,其中单人次票价为60元,2018年杏林湾休闲旅游服务价值为4 308万元。

(2)景观美学。杏林湾的山地次生林、荷塘和黄槿林带均是重要的生态景观资源[15]。采用成果参照法估算,参照杏林湾景观美学服务价值为35 000元/hm2/年[23-24],2005年和2018年杏林湾景观美学服务价值分别为1 902.61万元和3 441.38万元。

(3)教育。园博园的中华教育岛是杏林湾研学旅行胜地,因此在2005年园博园建成前杏林湾暂无教育服务价值。采用替代成本法估算,园博园的规划面积为676 hm2,总投资为28亿元,以中华教育岛的面积占比2.99%作为投资占比,可得其总投资为8 372万元;由于此类建筑使用年限较长,按照《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 50068—2018)中的最长设计使用年限即100年计算,2018年杏林湾教育服务价值为83.72万元。

3.1.4 支持服务

(1)初级生产。采用成果参照法估算,参照Whittaker[25]的研究成果,先计算杏林湾内景观类型的净初级生产量,再加上生物量得到有机质总量,采用碳税法计算初级生产服务价值,计算公式为:

式中:V p为初级生产服务价值;NPPA为单位面积的净初级生产量;A i为第i种景观的斑块面积;B i为第i种景观中的生物量;264/162为CO2与有机质总量的换算比;ECO2为生物释放CO2的量;PCO2为碳税价格。

杏林湾林地、草地、农田、湿地和湖泊的净初级生产量分别为700 g/m2/年、600 g/m2/年、650 g/m2/年、2 000 g/m2/年和250 g/m2/年,生物量分别为6 kg/m2、1.6 kg/m2、1 kg/m2、15 kg/m2和0 kg/m2,生物释放CO2的量取327 t/km2[26],碳税价格取20元/t C[27]。经计算,2005年和2018年杏林湾初级生产服务价值分别为470.74万元和39.57万元。

(2)维持生物多样性。杏林湾拥有鸟类93种和游泳动物38种[15],林地、滨水灌丛、鱼塘湿地和湖泊等对于维持其生物多样性具有重要作用。采用成果参照法估算,参照厦门海域白鹭的生态服务价值为0.68元/m2/年[23-24],2005年和2018年杏林湾维持生物多样性服务价值分别为899.93万元和668.61万元。

3.2 生态修复效果评估

经计算,2005年和2018年杏林湾生态系统服务价值如表4所示。

表4 杏林湾生态系统服务价值 万元

由表4可以看出:与2005年相比,2018年生态系统服务价值增长4 102.90万元,增长率为64.99%;供给服务、调节服务、文化服务和支持服务的价值占比,2005年分别为32%、16%、30%和22%,2018年分别为0%、75%、18%和7%;与2005年相比,2018年实现价值增长的生态系统服务为调节服务和文化服务,分别增长851.85万元和5 930.49万元,增长率分别为84.53%和311.70%;价值降低的生态系统服务为供给服务和支持服务,分别下降2 016.95万元和662.49万元。

4 讨论

4.1 生态修复效果评估结果分析

从总体上看,杏林湾生态修复工程的实施较大地提升其生态系统服务价值,在调洪蓄水、休闲旅游、景观美学和教育等调节和文化服务方面取得较好效果,但在食物生产、初级生产和维持生物多样性等供给和支持服务方面损失较多,究其原因在于杏林湾功能定位的转变。

自2002年厦门“跨岛发展”战略决策提出以来,岛外产业园区和岛外新城的规划建设速度加快,杏林湾区域的发展方向由第一产业转变为第三产业,逐渐关注提升景观质量和增强湖库水资源调节能力,但也导致水产品产出降低以及自然生境向人工生境转变。在园博园建设前,杏林湾以农业和水产养殖业作为主要支柱产业,景观类型多为山地次生林、荷塘湿地、鱼塘、虾池、农田和湖岸灌草等自然和半自然景观[15];建设用地主要为农村居民地、海堤和道路等,面积约为0.8 km2,仅约占杏林湾陆域面积的6%。为满足园博园的用地需求以及预留未来区域发展空间,杏林湾清除大量自然和半自然景观,逐渐转为以住宅、公共绿地、商业和旅馆等人工景观为主。2018年杏林湾建设用地面积约为5.1 km2,约占陆域面积的50%,相比2005年增加4.3 km2,增幅约500%。

与此同时,杏林湾生态系统服务功能也发生巨大转变。在园博园建设前,杏林湾生态系统以供给服务为主,2005年供给服务价值为2 031.99万元,占生态系统服务总价值的32%。随着用地需求的增加,大量农业用地转为建设用地,大规模的农田、养殖鱼塘和虾池被逐步清退,不再提供农产品和水产品,导致供给服务接近消失。杏林湾生态系统开始以文化服务为主,2018年文化服务价值为7 833.10万元,与2005年相比增加5 930.49万元,有力提升生态系统服务总价值。

4.2 现有生态修复策略存在的不足

4.2.1 建设用地增加,人工化增强,自然性降低

随着园博园的开发建设,杏林湾城市化进程加快,区域内原有的自然和半自然生态系统保留较少。尤其是在园博园规划范围外修建大量人工建筑,导致区域自然性和生境价值降低。例如:杏林湾北部陆地上30~40 m高程的小山头和相思林地转为城市建设用地,部分农田景观转为交通或公用建设用地,部分荷塘湿地转为居住用地和桥梁道路[15]。

生态修复的目的在于恢复生态平衡。根据本研究评估结果,杏林湾支持服务价值在2 005年为1 370.67万元,至2018年仅为708.18万元,降低近50%,表明杏林湾的公共绿地多为社区和道路的绿化用地,难以满足野生生物的栖息条件。

4.2.2 水质未得到根本性改善

自2005年园博园建设带来杏林湾历史上首次大规模环境整治以来,2005—2018年杏林湾陆续开展一系列生态修复工程。

(1)2005—2007年园博园开发建设。范围西起杏林北环路,东至杏林湾水域,南接集杏海堤,北至杏北路延伸段;目标为建成集居住和旅游于一体的海湾型新城;措施包括湖库清淤、吹填造地、园博大道工程、北溪饮水渠盖板工程和道路桥梁工程。

(2)2010—2012年集杏海堤开口改造。范围为集杏海堤;目标为提高防洪排涝能力,改善杏林湾与厦门西海域的水体交换;措施包括开口建设总长为335 m的水闸。

(3)2015年6—10月环杏林湾截污整治。范围为田集连接段、滨水西岸、新城核心区和集美大道;目标为解决杏林湾污水排放问题;措施包括建设截污管道、截流井、截流泵站和初雨调蓄池。

(4)2018年集美新城杏林湾湿地一期工程。范围为集美沈海高速公路以南,杏林湾路以北,后溪水闸口附近区域;目标为建成“海绵城市”的组成部分;措施包括建设梯田湿地、桥下湿地、叠水湿地和沿岸湿地以及提升垂直驳岸景观、现状绿道景观和现状河道景观。

然而杏林湾水质并没有得到太大改善,2005—2018年属于四类至劣五类海水水质标准,并出现水体富营养化等问题。尤其是2012年集杏海堤开口以来,2013—2018年杏林湾水质均属于劣五类海水水质标准,且大部分年份水体呈重度富营养状态(表5)。

表5 2005—2018年杏林湾水质状况

4.3 建议

4.3.1 划定自然保护地,开展以自然恢复为主的生态修复

“再野化”是新兴的生态修复方法,是指特定区域荒野程度的提升过程,尤其强调提升生态系统韧性和维持生物多样性[28]。建议从再野化的角度开展杏林湾及其周边区域的生态修复,以“山水林田湖草生命共同体”理念为指导思想,严格保护杏林湾及其周边区域基本没有受到人类干扰的荒野地,划定自然保护地并明确范围。

在园博园施工建设期间保留多处芦苇丛和岸边灌草等,目前已成为白鹭等多种鹭鸟的主要栖息场所,可在这类野生生物天然聚集地设置生态屏障(如在附近河岸栽种树木和水草),减少人类干扰。在现有岸线的基础上,可结合本土植物设计和搭配生态护岸,在不影响行洪的情况下,多堆填建造人工小岛并在岛上种植植物使其自然恢复,不仅可形成连通自然生境的生态廊道,而且可形成湖面、岸线、滩涂、灌丛、树木和岛屿等多样化和多层次景观,在为人类提供良好自然体验的同时,也为鸟类和水生生物提供足够的栖息空间。由于可达性不足,园博园内的海洋岛部分区域及其北部未开发荒岛基本没有受到人类干扰,经过多年的自然演替和恢复,顶级植物逐渐取代原始先锋植物,吸引众多鸟类在此栖息,并已形成较稳定的生态系统,建议采取严格措施加以保护。

4.3.2 陆海统筹,湖海共治,提升水环境质量

杏林湾水质与集美新城品质之间的矛盾已得到广泛重视,集美区政府已成立杏林湾及其流域污水治理专项工作领导小组,并制定《杏林湾流域污水处理系统建设总体方案》,对环湾基础设施建设、水面执法管理和流域综合整治等工作做出具体部署,取得一定成效。随着集杏海堤的开口,杏林湾与厦门西海域实现连通,具备水体交换的条件[29];而厦门西海域为轻中度污染海域,杏林湾水质可能会受到污染海水的影响。此外,杏林湾和马銮湾外成片的滩涂淤泥长期受自然侵蚀和人工侵占,尽管目前已清退海水养殖,但仍存在严重的污染问题,导致周边环境恶化。因此,建议在杏林湾水污染处理过程中充分考虑海洋因素,建立陆海统筹的污染治理机制。

5 结语

本研究将生态系统服务价值提升作为生态修复的目标,结合区域实际情况和所掌握的数据资料,构建杏林湾生态修复效果评估指标体系,运用成果参照法、影子工程法、旅行费用法和替代成本法等方法,估算2005年和2018年杏林湾生态系统服务价值。本方法具有科学性、全面性和可操作性,可揭示杏林湾生态系统服务价值的主要变化特征,为生态修复效果评估提供基础。杏林湾生态修复总体取得较好效果,但仍面临快速城市化带来的环境问题。杏林湾应基于“山水林田湖草生命共同体”和“陆海统筹”理念,加强生态保护修复,进一步提高生态系统服务价值。