基于生態安全的寧波四明山區景觀格局調控

尹昌霞，馬仁鋒，費佳寧

（1. 寶略科技（浙江）有限公司，浙江·寧波 315194；2. 寧波大學地理與空間信息技術系，浙江·寧波 315211）

“生態用地”一詞最早由董雅文等人提出，定位為具有生態防護功能的空間要素[1]。現階段將其歸納為基礎性生態用地（全局土地覆蓋類型中的林地、草地等）和保全性生態用地（鹽堿地、裸土地等）[2]。生態用地是生態系統的重要組成部分，既能發揮保持水土、凈化環境等生態功能，還能創造社會經濟價值[3]。然而，快速的城市化、工業化促進城鄉建設規模的無序擴張，衍生出土地無限需求與生態用地有限供給之間的矛盾，進一步制約區域可持續發展[4]。

生態安全作為保障國家安全的前提和載體，反映于生態用地的優化布局中，多立足于國家安全和“反規劃”視角，以實現區域可持續發展為目標[5]。由此，探索生態安全格局的景觀布局戰略逐漸成為地理學、城鄉規劃學與景觀生態學的研究熱點。基于土地主體服務功能視角，研究集中評測時空序列的區域生態風險和生態脆弱性。如：從景觀結構變異度視角評價流域和經濟發達地區的生態風險分異程度[6-7]；抑或從多時相自然條件的基質承載力、綜合自然環境承載力和人類活動干擾度乃至從自然條件基礎狀態和社會經濟的環境壓力及響應等維度分別評價自然災區、高寒區和水庫區的生態脆弱性[8-10]。隨著研究向生態安全評測聚焦，形成了從自然環境效應、綜合自然和社會經濟的生態效應等角度的市際、縣際生態安全評測研究[11-13]。近期研究則以生態系統的重要性、人類活動引起的生態敏感性構建指標體系，著重于探索生態安全空間的生態用地規劃與部署[14]，卻難以度量社會經濟指標的空間趨勢。伴隨土地利用規劃從土地經濟型向環境友好型過渡，探索由多元因素影響的生態安全程度和受生態安全格局約束的景觀規劃戰略成為必然。文中擇取寧波四明山區這一典型樣區，引入200 m×200 m網格度量社會經濟指標的空間趨勢，利用空間主成分分析法、最小阻力模型，從生態重要性、生態敏感性、社會經濟抑制性多層面測度生態安全趨勢和識別生態源地的空間廊道，審度基于區域生態安全格局的土地利用優化布局與策略，期望為環境友好型土地利用規劃提供科學決策方法和理論依據。

1 生態安全評價指標體系構建

1.1 研究區概況

寧波四明山區地處寧波市中段的西部（圖1），研究區范圍涉及海曙區、奉化區和余姚市的13個鄉鎮。四明山區擁有充裕的生態用地資源，境內生態用地面積逾1.09×105hm2，約占區域面積的77.47%。其中以林地、水域為主的基礎性生態用地面積占區域面積的比例為77.35%，廣泛地布局于研究區的中部與南部；其余為127.43 hm2的保全性生態用地，零星地布局于各個鄉鎮，面積占比僅為0.12%。研究區高程約960 m，擁有山地、丘陵等地貌。區域內經濟產業以高山特色農業主導，輔以發展特色工業與旅游業。四明山區是重要生態用地區，農業經濟較為發達，又地處寧波城鄉建設擴張邊緣，近年其生態用地供給與土地無限需求的矛盾愈發尖銳，故迫切需要探究生態安全格局的景觀規劃策略。

圖1 研究區區位及土地利用/覆蓋現狀Fig.1 The location and land use/cover of study area

1.2 指標遴選邏輯及其測量方法

生態重要性。生態系統服務綜合概述人類在生態系統中直接或間接的受益情況，囊括生態進程中為人類提供的環境、物質等福祉，此類福祉均被視為生態安全評價的關節點[3]，表現為生態系統服務的重要性特質。擁有充裕的林木、水域等資源的四明山區呈現低山丘陵或山地地貌，以黃壤、紅壤為主，年降水量超過800 mm，進而孕育了獨具特色的生態系統。據其地貌、土壤和降水等自然稟賦優勢，從地形指數、水源涵養、土壤保持、植被覆蓋度層面刻畫其生態系統服務性的重要性。

生態敏感性。生態敏感性綜合反映生態系統發生生態環境破壞的頻度和程度。受自然災害侵蝕、嵌入式景觀結構侵擾的生態系統，呈現出生態系統服務功能的削弱，即為生態系統敏感性。四明山區降水富足，但以紅壤、黃壤為主的土壤易受侵蝕，使得研究區易發生滑坡、泥石流等地質災害；隨著城鄉建設擴張，地表景觀的結構也呈現嵌入式變異。因此，主要從地質災害、地質承載力、土地破碎度層面考量生態系統敏感性。

社會經濟抑制性。反映社會經濟發展程度對生態環境的脅迫程度。處于經濟增速的社會經濟狀態下，社會經濟發展與生態系統服務關系由依賴性向脅迫性發展[15]。位于中國東南沿海經濟發達區，人口稠密，游憩業繁榮，適合發展休閑度假、農家體驗和紅色旅游等系列產業，此類日益劇烈的社會經濟活動必然會威脅區域的生態安全。于此，摘取人類活動強度、經濟密度、人口密度等指標測度社會經濟形態對生態系統的抑制程度。經上述要素分析，完成四明山區生態安全評價體系的構建（表1）。

1.3 數據源

四明山區的第二次土地利用調查數據庫由寧波市海曙區、奉化區、余姚市國土部門提供，是本研究的核心基礎數據。從美國地質調查局（USGS）獲取研究區2015年5月的TM影像、DEM數據；地質災害分布與易發區圖、年降水等值線圖、年等深線圖、季度降水等值線圖分別源于《2016年寧波市地質災害防治方案》、《2015年寧波市水資源公報》；社會經濟類指標主要查詢《奉化統計年鑒（2016年）》、《鄞州年鑒（2016年）》（據寧波市區劃調整前的權屬范疇進行查詢）、《余姚統計年鑒（2016年）》，部分數據根據地方市志、地方區志、年度公報等資料進行綜合核算。

表1 區域生態安全評價指標體系Table 1 Evaluation index system of regional ecological security

2 指標處理與生態安全評價方法

鑒于自然條件和社會經濟類指標的統計形式存在異質性，前者為柵格數據，后者為鄉鎮統計數據，在空間疊加分析中難以體現后者代表的空間趨勢，采用 的矢量網格（取近似于平均斑塊面積的整百、整千等值）計量社會經濟形態于相關景觀格局的分布趨勢，制成柵格數據。為統一柵格數據的處理標準，主要采用自然斷點分級法、唯一值法對柵格數據進行分級處理（表2）。隨著安全等級遞增，寓意各指標的安全水平從不安全、低度安全、中等安全向高度安全轉變。

表2 指標賦值區間Table 2 Index assignment interval

空間主成分分析法屬多元統計分析法，可以有效消除指標間的量綱差異及空間信息缺失的干擾[21]，故文中選用空間主成分分析法測度研究區的生態安全度。據生態安全評價指標體系和指標賦值區間，利用ArcGIS10.2的空間分析工具計量各指標的空間分布態勢，即形成三維矩陣。將研究區內各指標空間值域進行線性轉換，提取累計貢獻率大于等于85%的K個主成分，可得矩陣最優解。其中Wn為第n個主成分的空間貢獻率，λ為某主成分。然后運用式（2）核算各主成分值Fi，式中Pij是第i柵格評價單元第 評價指標的系數。最后，運用式（3）測度各柵格評價單元的生態安全指數ESIi。

在構建景觀生態安全格局中，常運用最小累積阻力模型[22]，分析生態用地中源地向外部空間擴張的阻礙程度，并借鑒水文分析理念，辨識生態阻力面的生態廊道[23]。主要模型如式（4）所示，式中MCR是從生態用地的源j擴展到空間景觀i的最小累積阻力，Dij表示目標生態源地j與空間景觀i間的距離，Ri表示目標生態源地j與空間景觀的擴展阻力系數，f表征MCR與各目標生態源地擴展進程的正相關關系。

3 生態安全評價結果

將重分類指標導入ArcGIS10.2，運用空間分析中空間主成分分析法進行空間分析（表3），以累計貢獻率大于85%為前提條件，提取到6個主成分值及主成分貢獻率；運用柵格計算器度量研究區的生態安全指數（圖2a），其結果均用自然斷點分級法進行4級劃分。

表3 主成分的特征值和方差貢獻率Table 3 Eigenvalue and variance contribution rate of principal components

3.1 四明山區生態安全驅動因子

據空間主成分分析法輸出的載荷表可知：第一主成分反映以經濟密度為主的經濟強度，其貢獻率達26.29%，是區域生態安全的主要影響因子；第二主成分是由地形指數、人類活動強度表征的地貌變異度，貢獻率為21.70%；第三主成分為農藥負荷量、降水侵蝕表征的環境侵蝕度，貢獻率為15.27%；第四主成分為植被覆蓋度反映的環境優勢度，貢獻率占9.19%；第五主成分、第六主成份分別是由水源涵養導向的水資源保持度、土地破碎度表征的景觀分離度，貢獻率分別為8.25%、6.09%。

3.2 四明山區生態安全格局和土地生態安全結構

四明山區的生態安全等級大體呈現中部、南部多為中度安全乃至高度安全，北部、東部和西北部為低度安全、不安全的空間格局，表明該區域的生態系統大體較安全（圖2a、表4）。處于中等安全水平以上的區域面積達到9.74×104hm2，占比達69.41%。其中30.59%的高度安全區域主要占據四明山鎮、章水鎮、龍觀鄉大部和溪口鎮西部地區，形成南部核心組團；中度安全區域的分布范圍最廣，其占研究區總面積的35.43%，除涉及溪口鎮東部地區外，還集中分布于鹿亭鄉大部、陸埠鎮和梨洲街道的南部以及橫街鎮的西部地區，形成中心組團。處于低度安全和不安全等級的區域面積分別為2.78×104hm2、1.99×104hm2，占比總和為33.98%，主要分布于研究區北部、東部和西北部的大部地區，呈現倒U型布局形態。

表4 生態安全等級及面積占比Table 4 Ecological security level division and the area ratio

按土地利用現狀分類的一級類別分析各類用地的生態安全結構（圖3）。隨著生態安全等級的遞增，研究區的土地利用性質主要呈現由住宅用地、交通運輸用地等城鄉建設服務型向園地、林地等生態服務性承接的特征。高度、中度安全區域中，園地、林地、草地和其他土地占據主體地位，綜合占比均超過65%，呈現生態用地的生態服務功能；低度乃至不安全區域中，除耕地面積占據57.29%的比例，住宅用地、交通運輸用地、公共管理與公共服務用地和工礦倉儲用地占主導地位，綜合占比均逾80%，凸顯城鄉建設、耕地等非生態用地的生態脅迫性。此外，屬于生態用地類型的水域及水利設施用地占據76.61%的比例，較大程度地呈現低度安全和不安全水平，其極可能受到環境侵蝕或人類活動干擾。

圖2 四明山區生態安全和生態廊道分級Fig.2 Ecological safety and ecological corridor grading in Siming mountain

3.3 生態安全格局優化

將保障生態安全視為土地利用優化的前提，以構建生態景觀作為切入點，依據生態安全指數的空間趨勢辨識生態源的擴散阻力面及區域生態廊道。將高度安全且為生態用地的地區作為生態源地，建立生態源地于生態安全空間趨勢的最小累積阻力面，以之呈現生態源地散布服務功能的受阻趨勢。在此基礎上，借助水文分析工具，以匯流累計量為廊道分級依據，分析生態源地到其他空間的擴散路徑及生態節點（圖2b）。

生態阻力面的累計阻力大致呈現由南部向北遞增趨勢，表征其生態源地服務功能呈現由南部向北部逐步削弱的態勢（圖2b）。其中四明山鎮、溪口鎮、章水鎮和龍觀鄉的受阻程度最低，其余鄉鎮則反之。生態廊道、生態關節點主要布局于四明山鎮、溪口鎮、章水鎮和龍觀鄉，表明其鄉鎮之間存在較強的生態聯系。廊道布局中，一級、二級廊道貫通四明山鎮、章水鎮兩鎮，連接著向北部鄉鎮延伸的三級、四級廊道，表明生態源地具有較顯著的生態服務功能發散性；處于蓄力擴散階段的溪口鎮亦有多條三級、四級廊道出現。

4 結論與討論

4.1 結論

研究顯示：（1）受經濟強度、地貌變異度、環境優勢度、環境侵蝕度、水資源保持度和景觀分離度這六個主因子的約束，研究區的生態系統大體呈現中度乃至高度安全狀態。（2）區域生態安全指數的空間格局則大體呈現南中北式遞減的分異特征，主要形成了南部高度安全區、中部中度安全區及北部倒U型非安全區的分異格局。（3）生態安全等級的地類結構中，除水域及水利設施用地外，林地、園地等生態用地呈現較強的生態服務功能，耕地和住宅、交通運輸等城鄉建設用地呈現出生態脅迫性。此外，生態阻力面趨勢幾近于生態安全趨勢。

圖3 各土地利用類型的生態安全結構Fig.3 The structure of different land use type in ecological security area

綜合生態安全指數分布趨勢，構建研究區的生態景觀（圖4）：（1）主要采取不同生態安全等級的差異化管制的措施，分別將南部高度安全區建立為禁止建設區、中部中度安全區設置為限制建設區以及北部倒U型非安全區建立成適宜建設區。（2）以最小耗散路徑尋求最佳生態效應，主要將生態源地劃定為重點生態保護區，構建發跡于溪口鎮、四明山鎮、章水鎮的主要生態廊道及向北部鄉鎮延伸次要廊道，并在章水鎮西南部、中部、東北部的主要廊道與次要廊道連接處布置生態關節點，將有助于最大化發揮生態服務功能和強化地區間的生態聯系。

圖4 四明山區生態安全格局的景觀規劃Fig.4 The landscape planning of ecological safety pattern in Siming Mountain

4.2 討論

研究采用矢量網格離散鄉鎮級社會經濟指標，形成與自然條件指標相匹配的單元。將ArcGIS10.2中空間分析工具的空間主成分分析法應用于生態安全評價中，可以有效消除量綱差異的干擾，避免人工賦權主觀性的弊端，甚至排除了空間信息空白的干預。研究結果顯示：四明山區生態安全受到經濟強度、地貌變異度和環境優勢度等影響，呈現出南中北逐步減弱的趨勢，其空間分布及驅動因子均與實際情況相符；土地利用類型的生態安全結構中，生態型用地和非生態用地均體現較強的服務分異性，與已有研究中生態用地的界定大體相符。

生態安全格局的景觀構建中，結合生態安全評價結果，劃定以四明山鎮、溪口鎮河章水鎮為主的重點生態保護區，充分發揮區域生態服務功能；加之建立聯系南北鄉鎮的生態廊道和節點，進一步提升生態服務質量。因此，生態景觀布局科學地考慮了研究區生態系統的優勢和服務走向。除卻研究土地利用規劃中生態安全格局的管制分區、生態景觀優化，還可研究多時相的生態安全格局或景觀優化布局，以實現生態安全動態過程的全局土地優化調控及尋求生態廊道建設的最佳策略。