基于生態系統服務功能和生態敏感性的自然生態空間管制分區研究

黃心怡,趙小敏,*,郭 熙,江葉楓,賴夏華

1 江西農業大學國土資源與環境學院,南昌 330045 2 江西農業大學鄱陽湖流域農業資源與生態重點實驗室,南昌 330045

生態空間是人類賴以生存、生產和生活的重要物質基礎。隨著社會經濟發展對自然資源需求不斷增長,城市過快擴張造成生態用地占用,生態空間與建設需求的矛盾愈發突顯,生態結構破壞、功能退化、環境惡劣等一系列生態安全問題頻發[1]。自然生態空間保護作為世紀可持續發展的新目標,是國內外相關學術領域關注的熱點和趨勢之一。國外許多國家通過空間規劃的編制來實現對生態空間的合理分區,如德國于20世紀初率先將國土空間劃分為不同區域并進行空間規劃[2],歐洲、美洲和亞洲的各個國家緊隨其后,如美國在20世紀初采用土地使用分區制度,其后針對不同時期的土地問題進行相應的措施制定[3- 7],到21世紀頒布了《21世紀海洋藍圖》、《美國海洋行動計劃》等法令,對自然生態空間的保護重心向海洋資源傾斜,促進了海洋資源的保護和可持續開發利用[8- 9]。在歐洲,關于生態空間分區的研究逐漸趨向定量化,如荷蘭學者Janne Soininen[10]通過社會空間結構的分析對生態空間進行定量化研究；法國學者Govaert Lynn[11]以生態和進化對人口和社區的重要性作為生態進化分區的指標。我國對自然生態空間的分區研究始于對耕地的保護,為提高耕地質量和促進土地資源可持續利用,我國將土地分為農用地、建設用地和未利用地三種類型[12- 13],之后在對森林資源[14]、水資源[15- 16]以及海洋資源[17]的保護中進行更加細致的分類管理。2017年《自然生態空間用途管制辦法(試行)》(國土資發[2017]33號)的頒布,為自然生態空間用途管制工作提供了科學的依據。自然生態空間合理的管制是我國生態文明建設的重要內容[18],目前國內對其研究的內容主要集中在生態空間的識別與結構優化[19- 22]、生態空間的失衡與重構[23- 24]、生態空間的演變與規劃[25- 26]等方面,已有的研究為自然生態空間的管理提供有力的理論基礎和技術支持,能為后續的研究提供較好的借鑒,但大多處于宏觀層面的考量,較少考慮空間內部生態功能重要性和生態環境敏感性的空間特點。在合理判斷自然生態空間生態系統服務功能和生態環境敏感的空間分布差異,劃分空間管制區域,是實現區域生態社會可持續發展,維護生態系統環境穩定發展的有效手段。

近年來,隨著快速城市化和工業化的發展,江西省出現建設用地過快擴張、植被資源破壞、水資源質量下降和生態系統退化等生態問題,生態環境受到威脅,嚴重制約區域經濟社會的可持續發展。江西省是我國第一批自然生態空間管制試點區域,合理劃分江西省自然生態空間格局,是迫切解決當前經濟發展與生態保護矛盾的有力保障。基于地理學空間分區方法[27],以江西省為研究對象,基于江西省自然生態空間有效管理的現實需求,在實地考量研究區生態維護現狀情況的基礎上[28],以生態系統服務功能重要性評價和生態敏感性評價為手段,進行自然生態空間管制分區研究,并提出管制建議,試圖解決生態保護與空間開發的合理分配,以期為自然生態空間管制方案和相應管理措施的制定提供理論依據和技術支持。

1 研究區概況

江西省位于中國東南偏中部長江中下游南岸,24°29′—30°04′N、113°34′—118°28′E,與浙江、福建、廣東、湖南、湖北、安徽毗鄰,區域總面積為16.69萬km2,轄管11個區市。江西省東、西、南面環山,中北部地勢平坦,形成一個狹長向北開口的盆地。研究區屬亞熱帶季風性氣候,水熱資源豐富,多年平均降雨量1638 mm,河流以鄱陽湖流域水系為主,森林覆蓋率高,生物資源類型豐富。江西省作為全國生態大省,于2017年開展自然生態空間用途管制試點工作。

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

本研究生態系統服務功能重要性和生態敏感性評價所使用的評價指標數據主要包括植被凈初級生產力(Net Primary Production,NPP)數據、歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)數據、DEM數據、氣象數據、土地利用類型數據、地質災害數據、土壤類型數據等。其中,DEM數據來源于地理空間數據云(http：//www.gscloud.cn/),空間分辨率為30 m；2015年NDVI數據來源于資源環境數據云平臺(http://www.resdc.cn/)；氣象數據為1981—2010年中國地面累年值數據集,主要包括累年降雨量、累年氣溫數據,來源于中國氣象科學數據共享服務網；江西省2015年土地利用類型數據、2015年NPP數據與土壤類型數據來源于江西省自然資源廳。對空間數據進行統一的坐標投影,并重采樣至250 m×250 m分辨率的柵格。

數據具體處理方法如下：(1)通過對NPP元數據進行提取、統一坐標、柵格計算等處理,得到NPPmean值空間分布圖。(2)通過對江西省87個氣象站點的平均氣溫與平均降水數據進行空間克里格插值處理,并將結果數據歸一化得到Fpre的空間分布圖,通過公式計算得到R值。(3)通過ArcGIS 10.2空間分析工具對DEM數據進行坡度、地形起伏度、海拔運算并進行歸一化處理,得到Fslo、LS的空間分布圖。(4)對土壤質地數據進行提取、分類,進行歸一化處理得到Fsic值,并在查詢相關文獻[29]和資料的基礎上,對土壤進行可蝕性賦值,得到K值。(5)對NDVI數據進行處理并歸一化得到植被覆蓋因子C的空間分布圖。(6)在謝高地等[30]制定的生物多樣性服務當量的基礎上,結合研究區實際情況,得到江西省耕地、園地、林地、草地、水域、濕地等地類的生物多樣性服務當量。通過已有研究結果可知,NDVI與生態系統服務存在著較好的正相關性[31],因此根據NDVI數據對生物多樣性服務當量予以修正,即計算不同景觀類型的生物多樣性服務當量和全年NDVI均值的乘積與不同景觀類型NDVI的比值,作為該用地類型的生境重要性指數SH,計算得到SH的取值范圍為0—4.51。(7)通過運用Conefor Sensinode 2.2、Conefor Inputs for ArcGIS 10.x以及ArcGIS 10.2軟件計算得到研究區湖泊河流景觀連通性指數SR。

2.2 研究方法

2.2.1研究技術路線

本研究的具體思路如圖1所示。(1)通過對研究區的實地考量,收集相應的資料,并運用ArcGIS等軟件對數據進行處理,建立空間屬性數據庫。為更加精確的表達研究區的空間差異性,以250 m×250 m的柵格為基本評價單元,進行生態系統服務功能重要性評價和生態環境敏感性評價,根據評價結果進行級別分區。(2)根據土地利用類型數據進行自然生態空間識別,按照《自然生態空間用途管制辦法(試行)》(國土資發[2017]33號)中對自然生態空間的有關定義,提取具有自然屬性的土地利用類型,得到研究區自然生態空間。(3)通過對自然生態空間中生態系統服務功能重要性和生態敏感性空間分布規律的識別分析,構建二維關聯判斷矩陣,得到自然生態空間管制分區結果。

圖1 分區技術路線Fig.1 Technological roadmap of zoning

2.2.2評價方法與指標選取

根據《江西省主體功能區規劃》、《江西省生態功能區劃》、《自然生態空間用途管制辦法(試行)》(國土資發[2017]33號)、《生態保護紅線劃定技術指南》,確定江西省主導生態系統服務功能為水源涵養功能、水土保持功能和生物多樣性保護功能,主要的生態環境敏感性類型為水土流失敏感和地質災害敏感,生態重要性程度越高,敏感性越強,對空間開發的約束能力就越強,越有利于生態空間的保護與管制。

評價指標因子的選取需要考慮指標的可獲取性、穩定性和客觀性,并能充分突顯出研究區生態系統服務功能和敏感特點的空間差異性。生態系統服務功能重要性評價通常采用模型評價法[32],但由于模型參數數量較多、要求精度較高且不適合大中尺度區域研究,因此結合研究區域的生態環境實際情況和前人研究結果[33],確定水源涵養、水土保持功能適宜采用NPP定量指標評價法[34],生物多樣性保護功能在參考已有研究的基礎上[35],采用生物多樣性保護綜合指數法,即以植被覆蓋指數、生境重要性指數、河流湖泊景觀連通性指數為指標進行綜合評價。生態系統服務能力指數計算法具有數據參數較少,且較易獲取,能夠更加客觀、科學的進行評價的優點。生態敏感性評價主要從水土流失敏感和地質災害敏感方面,選用降雨侵蝕因子、土壤可蝕性K值、地形起伏因子、植被覆蓋因子、坡度因子以及地質災害易發性等指標,通過水土流失方程模型和多因素綜合評價法進行相應評價。

由于無法比較3種主導服務功能和兩種敏感指數對總體服務功能和生態環境綜合敏感度的貢獻比重,因此不涉及具體的權重偏側,為保持研究的客觀性、中立性,本研究3種服務功能指數和兩種敏感指數的權重一樣。指標因子空間分布圖(圖2)與評價方法(表1)如下所示。

圖2 指標因子空間分布Fig.2 Spatial distribution of index factors

2.2.3二維關聯矩陣判斷分析

通過對研究區進行生態系統服務功能重要性評價和生態環境敏感性評價,進行聚類歸并和趨同性分析,將生態系統服務功能按其功能指數劃分為極重要、重要、中等重要和一般重要4種類型,生態環境敏感性則劃分為極敏感、敏感、中度敏感和一般敏感4種類型。在對自然生態空間進行生態系統服務功能重要性和生態敏感性識別的基礎上,以此等級類型為基礎,按其高低順序,構建二維關聯判斷矩陣表(表2)。在分析的過程中,為了更好地進行研究區自然生態空間分區管制,維護區域自然生態系統健康,分區結果遵守“短板效應”原理,將極重要、重要區域和極敏感、敏感區域確定為高重要區和高敏感區。

3 結果與分析

3.1 生態系統服務功能重要性

3.1.1水源涵養功能重要性

水源涵養功能是指陸地生態系統如森林、草地、濕地等對水資源調節和供給功能,主要表現為對地表徑流的緩和、補充地下水、減緩河流季節波動等方面,水源涵養功能是生態系統水文服務的核心[36]。水源涵養功能重要性指數越高,對生態系統服務功能的要求和價值就越高,對建設開發的約束強度就越大。水源涵養功能重要性結果基本呈東部高、西部低的空間分布趨勢(圖3),其中,高值區主要分布在景德鎮市北部、上饒市西北部、鷹潭市東南部和撫州市東部等地區,面積較小,約為5341.33 km2,約占研究區總面積的3.20%,這是由于該區域降雨量高、植被覆蓋程度高,水熱均衡條件較好,對水資源的調節和控制起著重要作用。低值區面積最大,約為80152.00 km2,約占研究區總面積的48.02%,主要分布在南昌市西部、九江市北部、吉安市南部和贛州市的大部分地區,這是由于該區域經濟建設活動較為頻繁或由于地勢較為險峻,不利于涵養水源。

表1 生態系統服務功能重要性評價模型和生態敏感性評價模型

表2 分區結果

3.1.2水土保持功能重要性

水土保持功能是指生態系統過程中,通過其自身結構和過程的相互作用得以減少水流侵蝕導致的土壤侵蝕的功能[37]。從評價結果可以看出,高值區域分布較為零散,面積約為16377.74 km2,約占研究區域總面積的9.81%,主要分布在研究區的東北部、中部和東南部,基本與高坡度走勢一致,坡度越大,水土流失敏感性越明顯。低值區面積約為51372.10 km2,約占研究區域總面積的30.78%,主要分布在上饒市南部、吉安市東部和贛州市北部等地勢較為平緩的區域(圖3)。

3.1.3生物多樣性保護功能重要性

生物多樣性保護功能反映生態系統在維護物種、生態系統多樣性等方面的能力,生物多樣性保護功能重要性評價是指研究區對生態系統和物種保護重要性的評價[38]。從總體空間上看,高值區分布面積最廣,約為86361.58 km2,約占研究區總面積的51.74%,這是由于高值區域內多森林、湖泊分布,植被覆蓋指數的大小可以有效反映出生物量大小和植被種植特點。一般來說,植被覆蓋度指數越高,生物活動越頻繁,生物多樣性程度越高,而湖泊作為自然生態空間中的重要景觀,能為生物提供良好的生存環境,有利于動植物的遷徙、繁衍以及生物物質和能量的轉換,在生物多樣性保護中具有不可替代的作用。低值區域面積最小,約為12608.08 km2,約占研究區總面積的7.55%,主要為經濟建設活動頻繁的城區、鎮區或靠近人口聚集程度較高的地區(圖3)。

通過將水源涵養功能重要性指數、水土保持功能重要性指數和生物多樣性保護功能重要性指數進行空間疊加,得到研究區生態系統服務功能綜合指數,然后采用聚類分析的方法按其指數的高低劃分為極重要、重要、中等重要和一般重要4個等級。總體上,鄱陽湖核心湖體、景德鎮市北部、上饒市北部、鷹潭市南部、撫州市、贛州市東南部等地區生態服務功能指數最高,因此,極重要區域分布面積最廣。此外,吉安市、萍鄉市、新余市、宜春市和九江市的部分地區也有分布(圖3)。

圖3 生態系統服務功能重要性評價Fig.3 Evaluation of the importance of ecosystem services

3.2 生態環境敏感性

3.2.1水土流失敏感性

反映研究區水土流失的敏感程度和空間分布特征,采用水土流失方程模型進行綜合評價,結果表明：敏感性高值區主要分布在景德鎮市、上饒市、鷹潭市、撫州市,吉安市、宜春市和九江市有少量分布(圖4),高值區面積約為16300.19 km2,約占研究區總面積的9.77%。敏感性低值區主要分布在研究區中西部地勢較為平坦區域,以南昌市中部、新余市東部、吉安市東部和贛州市西北部等區域為主,面積約為55711.6 km2,約占研究區總面積的33.38%。

3.2.2地質災害敏感性

研究區地形多為丘陵區,土壤以紅壤為主,土層較薄,加之處于亞熱帶季風氣候區,易發生洪水、滑坡、泥石流等地質災害。從地質災害敏感性空間分布結果可以看出,敏感性高值區分布較廣(圖4),主要分布在易發生洪澇災害的鄱陽湖核心湖體區和其他坡度較大,易發生地質災害風險的地區,高值區域面積約為71849.97 km2,約占研究區總面積的43.05%。敏感性低值區主要集中在研究區中北部鄱陽湖平原一帶和吉安市、贛州市部分區域,這些區域多為平原,地勢平緩且地質結構穩定,多為無地質災害風險區。

通過對水土流失敏感性和地質災害敏感性的空間疊加分析,得到生態環境綜合敏感性評價結果,按其生態敏感綜合指數的高低劃分為極敏感、敏感、中度敏感和一般敏感4個等級。從生態敏感性空間分布結果可以看出,研究區除中部鄱陽湖平原和南部部分平原的敏感性較低,極敏感地區基本集中在研究區四周地勢起伏較大的區域,其余地區則呈過渡狀分布(圖4)。

圖4 生態敏感性評價Fig.4 Evaluation of ecological sensitivity

3.3 自然生態空間管制分區

根據《自然生態空間用途管制辦法(試行)》(國土資發[2017]33號)中對自然生態空間的相關定義,對土地利用數據中具有自然屬性的地類進行提取,主要為森林、草地、濕地、河流、湖泊、灘涂等自然生態空間類型,構成研究區自然生態空間(圖5),面積約為117924.67 km2,約占研究區總面積的70.66%。通過ArcGIS 10.2軟件中的Identify Task功能,得到自然生態空間的生態服務功能重要性和生態敏感性分布結果(圖5),并構建二維關聯矩陣進行分析,將自然生態空間劃分為高重要高敏感、中度重要敏感和低重要低敏感3種類型區。

3.3.1高重要高敏感區

指生態服務功能重要程度和生態敏感程度都極高的區域,各市均有所分布,主要集中在鄱陽湖核心湖體區以及研究區東部地區(圖5),區域總面積43570.38 km2,占自然生態空間總面積的36.95%。本區生態系統服務功能狀況極佳,水源涵養、水土保持和生物多樣性保護功能顯著,涵蓋大量國家級自然保護區、一級水源涵養區和重要濕地,且生態環境極其敏感,是維護生態安全的核心區域,因此,該區內應嚴禁一切人為因素對自然生態的干擾,禁止一切與生態保護和提升生態系統質量無關的人為活動[39],除保留必要的生態設施之外,嚴格禁止與生態保護不符的建設用地占用,嚴格控制農業產業活動,實現“零污染、零排放”,對區域內現有居民可實施生態移民工程,建立相應的生態補償機制,減少人類活動對該區域的影響。該區未來發展的重點應著眼于加強林地保護、水域保護、濕地保護、水源涵養、生物多樣性保護和實施嚴格的區域準入措施。

3.3.2中度重要敏感區

指生態服務功能重要程度和生態敏感程度總體處于中等水平的區域。主要集中在研究區中南部,以贛州市和吉安市為主(圖5),此外,基本圍繞高重要高敏感區分布,區域總面積為59316.3 km2,占自然生態空間總面積的50.30%。該區總體生態狀況較好,對高重要高敏感區生態系統起著不可替代的保障功能,因此,區域應以生態保護為主,嚴格控制建設用地的占用規模和開發強度,除必要的基礎設施、民生工程和生態保護項目建設之外,應禁止其他建設開發活動,對區域內現有的居民點,應明確生產、生活活動范圍,禁止居民點的開發再建。該區未來應以優化森林生態系統結構,提高林地生態系統功能,開展流域綜合治理、加強生態保護,依托區域現有生態資源優勢,合理開展以維護、改善生態系統服務功能為主要目的的生態經營活動。

3.3.3低重要低敏感區

指生態系統服務功能重要程度和生態敏感程度均較低的區域。該區主要分布在自然生態空間靠近建設空間的邊緣地帶(圖5),區域總面積為15037.99 km2,占自然生態空間總面積的12.75%。該區與人類活動區域聯系較為密切,受到經濟建設活動影響較大,原則上禁止建設工業項目和與生態保護相悖的建設項目,允許在生態系統結構和功能不受破壞的前提下,適度開展一定規模農業生產建設活動,減少污染排放,實現生態農業產業集約發展,增強區域生態功能。

圖5 自然生態空間管制分區Fig.5 Natural ecological space management zoning

4 討論與結論

4.1 討論

目前,關于自然生態空間涵義的認知主要是依據自然資源部下發的《自然生態空間用途管制辦法(試行)》(國土資發[2017]33號),認為自然生態空間是具有自然屬性,能夠提供生態產品或以生態功能為主導功能的空間[40]。實施自然生態空間管制的目的在于合理保護自然生態資源,改善生態環境,實現資源可持續利用,緩解建設空間過快擴張過程中與生態保護之間的矛盾,促進城市的可持續發展。因此,自然生態空間管制分區可以作為生態保護規劃、土地利用規劃和城市發展規劃的有力支撐,確保研究區在經濟轉型時期生態環境健康發展。

總體上,江西省自然生態空間整體生態服務功能重要程度與生態敏感程度較高,三類管制區中,森林占比最高(表3),因此,均不適宜大規模的開發建設,根據不同分區類型,因地制宜的制定相應的管理措施,同時加強生態修復和生態保護,維護自然生態系統結構完整性和功能穩定性。將江西省生態環境廳公布的16個國家級自然保護區與管制分區結果進行空間疊加,可以發現,自然保護區基本落入高重要高敏感區域范圍(圖6),由此可見,自然生態空間管制分區結果較為可靠。同時,《江西省土地利用總體規劃(2006—2020)》要求重點加強國家自然保護區的保護,加強對生態敏感脆弱區域的保護,自然生態空間管制分區與江西省土地利用總體規劃的相關布局相輔相成,也進一步驗證了自然生態空間分區管制的合理性。研究可為江西省實施生態規劃提供相應的理論基礎,有利于建設開發和生態保護之間的協調發展,也是省級尺度自然生態空間管制分區的有益探索,但從分區方法看,還存在許多不足,自然生態空間是一個復雜的綜合體,合理科學的分區與影響因素選擇息息相關,由于受知識體系和指標可獲取性的限制,評價指標體系有待完善,特別是在生態系統服務功能評價中還應考慮生態服務產品供給功能和文化服務功能的指標選取,使生態系統服務功能更加全面,此外,有關管制分區的方法還須進一步深入探索與完善。

表3 分區類型統計

圖6 江西省國家自然保護區分布Fig.6 Distribution of national nature reserves in Jiangxi province

4.2 結論

自然生態空間管制分區著眼于自然生態環境的改善和自然資源的合理利用,通過對區域進行級別分區,為區域生態系統服務和生態環境提供相應的保障。因此,對自然生態空間進行相應的生態服務功能重要性和生態敏感性評價,是實現管制分區的重要手段,但級別分區也并非僅僅是自然生態空間的一種管制方式,而是在分區的基礎上,關注不同類型區域生態環境問題的發生作用機制,以維護生態系統結構和功能穩定為原則,通過人為干預等手段來尋求區域生態環境可持續健康發展的空間途徑。

本研究以江西省為研究對象,運用GIS空間技術手段,以柵格為評價單元,進行生態系統服務功能重要性和生態敏感性識別下的自然生態空間管制分區研究。研究結果表明：江西省自然生態空間總面積為 117924.67 km2,約占全省總面積的70.66%,從空間上可劃分為高重要高敏感區、中度重要敏感區和低重要低敏感區3種類型區；其中,高重要高敏感區以生態保護和生態修復為主,實施嚴格的區域準入措施；中度重要敏感區可依托區域生態資源優勢,合理開展以維護、改善生態系統服務功能為主要目的的生態經營活動；低重要低敏感區允許在不破壞生態系統結構和功能的前提下,適度開展一定規模的生產建設活動,減少污染排放,增強區域生態功能。基于生態系統服務功能和生態敏感性評價的自然生態空間管制分區相較于傳統方法具有更強的客觀性和科學性,并且,江西省16個國家自然保護區基本落入高重要高敏感區域范圍內,也充分說明基于生態系統服務功能重要性與生態敏感性自然生態空間管制分區方法的適用性。自然生態空間管制分區是實現自然生態空間用途管制的新探索,然而,理論能否運用在實踐工作中,能否產生預期效應,還須經過實踐的驗證。分區管制的實現不僅需要有關部門進行組織、管理,還需要建立監督反饋機制,如何使分區管制得到有效的實施并產生預期的效果,是研究的重點。