生態安全格局評價和生態紅線劃定研究——基于破碎化分析

趙殿紅

(上海同濟城市規劃設計研究院 上海 200092)

生態安全格局評價和生態紅線劃定研究——基于破碎化分析

趙殿紅

(上海同濟城市規劃設計研究院 上海 200092)

基于景觀破碎化理論和GIS空間技術，構建了包括宏觀生態區位分析、中觀生態格局與過程特征、微觀生態要素組成及其評價的三層次生態安全格局評價研究框架，判斷是否生態安全格局已呈現網絡化狀態。再結合從微觀視角出發，構建了包括土壤侵蝕、石漠化、地質災害、水環境和生境單一生態過程的敏感性評價，并整合疊加形成不同生態安全水平的綜合生態敏感性分析，進而形成可用于土地、城鎮規劃以及景觀生態建設參考的生態紅線劃定研究框架。最后，通過項目實踐，劃定出核心生態紅線、彈性生態紅線和一般生態紅線，并對每個紅線的適建范圍進行闡述。

破碎化；生態安全格局；生態紅線；敏感性；雨補水庫

1 景觀破碎化

破碎化源于景觀生態學理論，是指景觀格局因自然、人文因素的干擾，由單一、均質、連續的整體趨向于復雜、異質、不連續的斑塊鑲嵌體。在此過程中，頻繁的社會經濟活動對景觀格局的影響超出了自然因素的干擾，成為景觀破碎化的主導因素[1-2]。景觀破碎化對生態系統具有重要的引導功能，嚴重影響生物多樣性的穩定和生態系統功能的發揮。同時，也反映了人類活動對景觀生態環境所造成影響的強弱程度。因此，景觀破碎化是顯存景觀格局的重要特征，成為景觀格局研究的重要內容之一[3]。FN為研究范圍內的景觀斑塊數破碎化指數，取值范圍在0～1之間，0表示無破碎化存在，1則代表已完全破碎。FS是斑塊形狀破碎化指數，指數越高，破碎都程度越大；SI(i)為斑塊i的形狀指數；N為該斑塊類型的斑塊數。FI指數是某一景觀類型的生境破碎程度,表現為景觀內大面積連續分布的斑塊體逐漸破碎、萎縮變小,破碎化指數越大說明景觀破壞程度越嚴重。

斑塊數破碎化指數(FN)

FN=(NP-1)/NC

(1)

斑塊形狀破碎化指數(FS)

(2)

斑塊內部生境面積破碎化指數(FI)

FI=1-LPI

(3)

斑塊個數(NP)：在類型級別上等于景觀中某一斑塊類型的斑塊總個數，與景觀的破碎度也有很好的正相關性。斑塊平均形狀指數(MSI)：度量空間格局復雜性的重要指標，最大斑塊占總面積比例(LPI)：有助于確定景觀的優勢類型等。其值的大小決定著景觀中的優勢種、內部種的豐度等生態特征[4]。

2 生態安全格局評價與生態紅線劃定的研究框架

2.1生態安全格局的評價

在景觀生態學中，景觀格局分析主要是定量研究斑塊在景觀中的分布規律，分析景觀格局有助于探討景觀格局與生態過程的關系[5]。區別于一般的生態安全研究，景觀生態安全格局是能夠維持生態系統穩定，景觀要素之間生態過程暢通有序，生態功能持續高效的一種潛在的空間格局，其側重于景觀結構與功能關系的機制研究[6]。具體來講,區域生態系統中一些生態斑塊或生態節點對維持景觀整體穩定健康具有關鍵作用,它們構成的空間格局被稱為景觀生態安全格局,它們對維護和控制某種生態過程或區域內生態系統的穩定性有著關鍵性的作用[7]。其中，NDVI(歸一化植被指數)，常用來反映綠色植被的生長情況、植被覆蓋情況。

NIR和R分別為近紅外波段和紅波段處的反射率值;NDVI取值在-1～1之間。負值表明地面覆蓋為云、水、雪等；0表示有巖石或裸土；正值表示有植被覆蓋，且隨覆蓋度增大而增大。

生態安全格局評價從宏觀、中觀和微觀三層次進行：①宏觀生態安全格局由歸一化植被指數分析生態源地之間的連通度，以此作為判斷土地資源整體的生態功能性(NDVI(歸一化植被指數)，常用來反映綠色植被的生長情況、植被覆蓋情況)。②中觀生態安全格局依據福曼(Forman)提出的“理想景觀生態格局”通過增加或改造部分景觀元素，增加斑塊連通度，將主要的景觀元素有機鏈接起來，從而構建“理想景觀生態格局”(植被覆蓋度(fg) 指植被冠層的垂直投影面積與土壤總面積之比，以等密度模型進行計算)。 ③微觀生態安全格局中，首先通過生物量推算某一時刻單位面積內實存生活的有機物質的干重(生物量概念是許多林業問題和生態問題的研究基礎)。地區的生物量多少與植被的胸徑、樹高、冠幅有密切關系，生物量的多寡反映生物種群的豐富程度。生物量增加反映朝向頂級群落發展，生物量減少，反映群落的衰退。其次通過坡長因子判斷水土流失情況。最后，通過landsat8熱紅外波段地表溫度(LST)反演所提出的算法有Jiménez-Muoz等(2014)的單通道算法計算地表溫度，以TIRS 10波段為主要數據源，對照計算地表介質。

2.2生態紅線的劃定

生態保護紅線體系包括生態功能保障基線、環境質量安全底線和自然資源利用上線(簡稱為生態功能紅線、環境質量紅線和資源利用紅線)，其中以生態功能紅線為依托的空間保護是整個生態紅線體系的基本組成。因此，將微觀生態安全格局的組成要素進行詳細空間界定后，再疊加上生態敏感性評價所反饋的組成空間，形成既可以反應景觀生態格局與過程特征又能兼顧管理區劃要求的生態功能紅線范圍成果，該空間區劃成果可以通過城鄉規劃主管部門落實到生態功能區劃上，如圖1所示。

圖1 研究框架

3 云南省彌勒市雨補水庫地區生態安全格局評價

3.1項目背景

雨補水庫片區地處云南省彌勒、瀘西、石林三縣市交界，距彌勒市區12km，瀘西縣城25km，石林縣城35km。雨補水庫位于白馬河下游，修建于2003年2月，徑流面積654.2km2，為中型水庫，是維持區域生態體系穩定的戰略性生態功能空間。雨補水庫總庫容5750萬m3，設計灌溉面積60.2km2，水庫死水位1515.5m，常水位1541m。雨補水庫現狀年供水任務主要是農業灌溉，其中工業供水量383萬m3，農業供水量5385萬m3，灌溉面積56.67km2。

3.2生態安全格局評價

3.2.1市域生態安全格局

由歸一化植被指數(NDVI)分析結果可以看出彌勒市域西側和東側有兩條較為完整的生態廊道，西側廊道北入石林縣和瀘西縣交界處逐漸破碎。東側廊道與丘北縣生態廊道形成一體。生態源地之間的連通度是維護土地資源整體生態功能的有效策略。彌勒北部片區植被覆蓋情況良好，加強彌勒市整體的生態連續性，將有助于維護彌勒市內生態流之間的高效通道和重要聯系途徑。雨補、洗灑和太平三大水庫位于東、西廊道向中部過渡的位置上，呈環抱的態勢包圍著主城區北側區域，成為城市主城區北側重要的生態屏障。

3.2.2北部片區生態安全格局

綜合斑塊個數、斑塊類型面積和斑塊平均形狀指數(MSI)3個指數分析，北部片區植被斑塊破碎度較低，斑塊間聯系緊密，植物生態環境較好。斑塊形狀破碎指數相對較高，植被受地形起伏和水系分布影響較大，如表1～表2所示。

表1 北部片區植被斑塊類型相關數據1

表2 北部片區植被斑塊類型相關數據2

斑塊個數(NP)：在類型級別上等于景觀中某一斑塊類型的斑塊總個數，與景觀的破碎度也有很好的正相關性。分維系數(FRAC)：反映形狀的復雜程度，表明生態的穩定性；斑塊類型面積(CA)：表示某斑塊類型的總面積。其值與此類型斑塊作為聚居地(Habitation)的物種的豐度、數量、食物鏈及其次生種的繁殖能力正相[8]。斑塊平均形狀指數(MSI)：度量空間格局復雜性的重要指標。最大斑塊占總面積比例(LPI)：有助于確定景觀的優勢類型等。其值的大小決定著景觀中的優勢種、內部種的豐度等生態特征。

北部片區總體植被覆蓋度良好，以中等覆蓋片區為主。東南側地勢平坦地區受人類開發活動影響相對較大，植被覆蓋率相對較低，如圖2所示。與西側生態廊道形成有效聯系的有雨補片區(雨補北側低覆蓋斑塊主要受云霧影響)和洗灑水庫片區。

雨補水庫生態斑塊與北部生態廊道相交角度較大，具有較高的被物種再殖民的可能性。對于維護和擴大北部生態廊道的范圍具有較為重要的作用。因此，優化雨補片區生態格局，一方面要雨補水庫片區整理內部斑塊，另一方面加強與彌勒北部片區生態廊道的聯系。

圖2 植被覆蓋率分析圖

3.2.3雨補水庫生態安全格局

(1)水土流失

雨補水庫地區周邊存在一定數量的沖溝，尤其末端有劇烈水土流失風險，建議采用技術措施處理水土流失風險。

(2)植被覆蓋度

通過斑塊類型面積(CA)、最大斑塊占總面積比例(LPI)兩個指數的校核，雨補水庫片區占優勢地位的植被類型為低矮植被，其生態系統的群落結構較為簡單，穩定性較差，如表3所示。

表3 雨補水庫地區植被覆蓋度分析

(3)破碎化指數

雨補水庫地區散布與并列指數(IJI)較低，植被呈圈層結構，屬于山地植被典型特征。中覆蓋片區IJI值較低，結合歸一化植被指數和地形圖分析，中覆蓋片區受水體或人類開發活動影響較大。通過對斑塊數破碎化指數、斑塊形狀破碎化指數和內部生境面積破碎化指數的校核，雨補片區植被覆蓋的斑塊破碎度高于北部片區，抗干擾能力較低，如表4～表5所示。

表4 雨補水庫地區破碎化指數分析1

表5 雨補水庫地區破碎化指數分析2

(4)生物量

生物量的準確測定一般采用實測數據與回歸分析相結合，因條件有限，本次研究借鑒國內外針對生物量的現有回歸研究計算片區的生物量情況。從圖3中可以看出，越靠近水域，生物量數值越大。

Biomass=49.5×exp(3.69×NDVI) 相關系數0.9(顏色由紅色到綠色表示生物量逐漸增加)。

圖3 雨補水庫生物量估算圖

(5)小結

首先，雨補水庫片區靠近水域兩側的生態廊道需要重點維護。其次，水系西側山脈存在需重點修復的南北向帶狀空間，以保障彌勒北部片區生態系統的完整性和有效性。

4 云南省彌勒市雨補水庫地區生態紅線劃定

4.1生態敏感性分析

本生態敏感性評價基于雨補水庫的生態本底現狀，從土壤侵蝕性、石漠化敏感性、生境敏感性、地質災害已發生程度和水環境敏感性評價5個方面綜合考慮降水侵蝕力、地表覆蓋、地形坡度、喀斯特地貌、植被覆蓋等因子，并依據重要性加權疊加，借助GIS技術對空間數據進行管理、對矢量化圖層進行計算疊加，形成雨補水庫的生態敏感性空間分布，如圖4所示[9-10]。

(1)土壤侵蝕敏感性分析

從降水侵蝕力分析結果可以看出，雨補水庫片區為中度敏感區；地表覆蓋以輕度敏感和中度敏感為主，在沿河地區和村莊少量分布高度敏感區；地形坡度分析以8°～25°為主，規劃區東側坡度較大。

(2)石漠化敏感性分析

彌勒市北部片區為喀斯特地貌；彌勒東西部山區屬于卡斯特熔巖殘丘地貌，水資源短缺；北部地形起伏平緩，石灰巖廣布，巖溶發育，高原面較完整。雨補水庫范圍內同樣石灰巖廣布，且有溶洞；北側植被覆蓋度高，與基地西北側生態廊道聯系較好。

(3)生境敏感性、地質災害易發程度與水環境敏感性評價

規劃范圍內有白鷺棲息，白鷺為瀕危野生動物保護物種，所以將規劃區生境均劃為極度敏感區。雨補水庫片區大部分區域屬于地質災害重點防治區，地質災害易發頻率較高，同時險情等級為中型。因此，該地區應以保護為主，避免大量開發建設。

(4)生態敏感性綜合評價

從生態敏感性評價結果可以看出，雨補水庫大多處于極、高、中敏感區。其中極、高敏感區主要包括水域、近水域的白鷺棲息地及水源保護地；中敏感區主要包括礦區、公益林和地質災害易發區；低敏感與不敏感區主要包括村莊、裸地等。總體上看，低敏感與不敏感區大多位于西側的小沖沖和南側鄉村地域，且呈現由南向北逐漸減少、零碎化趨勢，如圖4和表6所示。

表6 各單要素敏感性分級評價結果及面積、比重

圖4 雨補水庫生態敏感性分析圖

4.2雨補水庫生態紅線劃定

結合雨補水庫地區生態安全格局評價及破碎化分析的成果，通過3種類型生態紅線將規劃區域內的生態空間加以劃分，結合城鄉空間管制為城鄉規劃主管部門的管理提供依據，并作為環境主管部門生態環境進對雨補水庫及其周邊區域行管理的重要依據。

(1)核心生態紅線范圍

核心生態紅線范圍主要為極度敏感和高度敏感區，包括雨補水庫水域、陸域極度敏感區和高度敏感區。該范圍的生態空間是構成雨補水庫地區生態穩定的核心組成，是保障區域生態安全的戰略性空間組成。該區域內除重大基礎設施以外，禁止一切形式的新增及擴建建設活動。

(2)彈性生態紅線范圍

彈性生態紅線范圍為中度敏感區，該范圍的生態空間是環雨補水庫區域的彈性生態儲備空間，當建設開發量需求不大的情況下，對其進行適當嚴格保護。在規劃遠期，可根據需要對彈性生態紅線范圍內部進行散點式、非結構性空間開發與利用。

(3)一般生態紅線范圍

一般紅線范圍為輕度敏感和不敏感地區，其范圍內的空間具有較好的生態環境基礎，規劃以“大集中、小份散”為基本原則，以“低密度”為空間利用的基本特征。同時規劃要求一般生態紅線范圍內的建設空間比重不得高于40%，如圖5所示。

圖5 雨補水庫生態紅線劃分圖

5 結語

生態安全格局一直是景觀生態學研究的核心問題，本文在定量地分析了破碎化分析數據的基礎上，通過對景觀格局做出判斷，以此將分析結果作為土地、城鎮規劃以及景觀生態建設的參考。與此同時，結合生態敏感性分析判斷出生態紅線的范圍。再者，對區域景觀格局及其生態過程多視角的研究還有待加深，特別是對景觀格局動態的作用機制有待進一步挖掘。

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Evaluationofecologicalsecuritypatternandecologicalredlinedrawnresearch——Basedonanalysisoffragmentation

ZHAODianhong

(Shanghai Tongji urban planning & design institute，Shanghai 200092)

In this paper, based on the theory of landscape fragmentation and GIS space technology, build the including macro ecological location analysis, medium ecological pattern and process characteristics, microscopic ecological elements and the evaluation of ecological security pattern evaluation research framework, determine whether ecological security pattern is presented the network state;Combining from microscopic perspective, to build the including soil erosion, desertification, geological disasters, and habitat in the process of single ecological sensitivity assessment of water environment, and integrate the superposition formed different ecological security level of comprehensive ecological sensitivity analysis;In this way, the ecological red line can be used for land, town planning and reference of landscape ecological construction.Finally, through the project practice, the core ecological red line, the elastic ecological red line and the general ecological red line are drawn, and the appropriate scope of each red line is described.

Fragmentation；Ecological security pattern；Ecological red line；Sensibility；Yubu reservoir

TU984.1

B

1004-6135(2017)11-0015-07

趙殿紅(1982.4- )，女，工程師。

E-mail:402774164@qq.com

2017-08-23