洞庭湖生態經濟區典型城市生態空間識別研究

常君雪，帥 紅

(湖南師范大學資源與環境科學學院，湖南 長沙 410081)

工業化和城鎮化的快速發展推動了城鎮和農業生產空間的快速擴張，進而導致生態空間被擠壓，生態功能失衡，由此引發的生產、生活空間與生態空間的矛盾不斷增多，區域生態安全問題日益突顯。黨的十八大就明確提出，“把生態空間放在突出地位，促進生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀的總要求”。《關于建立國土空間規劃體系并監督實施的若干意見》也明確提出，“綜合考慮人口分布、經濟布局、國土利用、生態環境保護等要素，科學布局生產、生活和生態空間”。因此，生態空間不僅是國土空間的重要組成部分，也是國土空間生態安全的重要保障。生態空間的科學識別則是促進人、資源、環境及空間協調發展的重要手段。

生態空間一般被認為是以提供生態服務或生態產品為主要目標的國土空間，包括森林、濕地、海洋、冰川等一切生態功能明顯的國土空間。生態空間識別過程與生態學、土地學，地理學緊密相關，其研究內容多集中于三生空間的識別與劃分[1，2]、生態用地識別[3-5]以及生態安全格局構建與管理[6]、城市生態空間識別與變化[7，8]及生態空間保護規劃與管控[9，10]等領域。生態空間作為提供生態系統服務功能、維持生態環境穩定以及生物生存繁衍的環境載體。生態空間的平衡性和穩定性關系著其生態產品供給和抗干擾的能力。因而，從生態系統服務功能和生態環境敏感性兩方面開展生態空間識別對于穩定生態系統服務功能供給，降低生態環境敏感程度，維護區域生態平衡性發揮著重要作用。目前，生態系統服務功能的研究主要集中于重要生態功能區劃分[11，12]、生態服務功能的評估方法[13-15]、土地利用與生態服務功能價值[16，17]以及生物多樣性與生態系統的服務功能協同[18，19]等。而生態環境敏感性研究則多集中于特定環境問題評估及環境敏感分區劃分[20，21]。綜上，生態空間識別與生態服務功能及生態敏感性的結合，可以更為全面的考慮環境和社會本底，使研究更具實用價值。

2014年洞庭湖生態經濟區建設正式上升為國家發展戰略。洞庭湖是我國第二大淡水湖，是重要的內陸濕地保護區和優質種質資源基因庫，在調節長江徑流、維護生態安全方面發揮巨大作用。近年來，隨著三峽水庫運行及高強度的經濟活動，出現了水資源短缺、水污染加劇以及濕地生態功能下降等突出生態問題。益陽市作為洞庭湖經濟區的重要城市之一，與其同屬的岳陽、常德等市相比，其自然稟賦較好，但是經濟發展水平相對滯后，由此導致經濟發展與環境保護的矛盾沖突更為凸顯。從這個角度來看，生態空間識別和生態保護紅線劃定對于益陽市乃至洞庭湖生態經濟區的可持續發展尤顯重要。因此，文章以益陽市作為研究對象，選取對其生態安全起著關鍵作用的水源涵養、水土保持、生物多樣性、洪水調蓄、水土流失、石漠化和地質災害等7個影響因子，借助GIS平臺開展生態系統服務功能重要性和生態環境敏感性評估，構建生態空間識別方法，為研究區生態環境保護及綠色發展提供依據。

1 研究區概況

益陽市位于湘中偏北，是長江中游城市群重要成員、洞庭湖生態經濟區典型城市,下轄安化縣、桃江縣為國家重點生態功能區(見圖1)，總面積為12 332.36 km2，轄3縣、1市和3區。2018年，研究區生產總值1 758.38億元，常住人口441.38萬人。域內雨熱充沛，氣候溫和，植被覆蓋程度高，西南部為雪峰山余脈和湘中丘陵，東北部處于洞庭湖平原地帶，地形西南高東北低。資水、湘江及洞庭湖等大小溪河眾多。目前，隨著人類活動對生態環境的不斷影響，益陽市東北部洞庭湖平原區面臨著湖庫淤積、濕地萎縮、生物多樣性下降、洪水調蓄功能降低以及飲水安全的問題，而西南部山地丘陵區是主要的石漠化、滑坡、水土流失等地質災害多發區。

圖1 益陽市地理位置Fig. 1 Location of Yiyang city

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文使用的NDVI數據和NPP數據來源于地理國情監測云定制數據，NDVI數據為2018年植被覆蓋度，NPP數據為2013—2017年5年植被凈初級生產力平均值，均為30 m空間柵格數據。氣象數據來自于中國氣象科學數據共享服務網中的中國地面累年值年值數據集(1981—2010)，選取氣溫和降水數據。土壤數據來自于黑河計劃數據管理中心、寒區旱區科學數據中心，使用第二次全國土壤調查南京土壤所提供的1∶100萬土壤數據。高程數據來源于地理空間數據云，時間為2017年。益陽市土地利用數據來源于益陽市土地利用總體規劃(2016—2020)調整完善數據庫。

2.2 研究方法

不同的生態系統與地理環境以及社會經濟發展階段不同，便具有不同的生態功能，而其所面臨的環境脅迫也不同[22]。通過分析益陽市的環境基礎及可持續發展現狀，依據《全國主體功能區劃》《湖南省主體功能區規劃》《益陽市主體功能區劃》《益陽市水土保持規劃》等相關規劃文件中所涉及的重點生態功能區域，結合益陽市的社會發展現狀及存在的生態問題，在本文研究基礎上識別生態空間的分布范圍。生態空間識別采用生態功能重要性和生態環境敏感性評估，其中生態系統服務重要性評估是依據典型生態系統，評估其生態功能或價值大小，并分析其生態服務的特征及空間分異規律[23]。生態環境敏感性是自然生態系統在人類活動和環境演化的干擾下，產生生態環境問題的可能性[24]。根據益陽市區域特征和生態環境現狀，參照《生態保護紅線劃定指南》[25]提供的指標和方法進行適當的取舍或增補。生態系統服務功能評估最終選為水源涵養、水土保持、洪水調蓄、生物多樣性維護功能，而生態敏感性評估最終選為水土流失、石漠化以及地質災害。

2.2.1 生態系統服務功能重要性單因子評估

(1)水源涵養

水源涵養具有養護水源的功能，植被、濕地、林草地等生態系統結構能夠與湖泊河流等水源相互影響，并蓄積、截流大氣降水，通過蒸散發調控水循環[26]。采用NPP定量指標評估法，評估生態系統水源涵養服務能力指數，公式如下[25]：

WR=NPPmean×Fsic×Fpre×(1-Fslo)，

(1)

式中，WR為生態系統水源涵養服務能力指數，NPPmean為區域植被凈初級生產力平均值，Fsic為土壤滲流因子，Fpre為多年平均降水量因子，Fslo為坡度因子。

(2)水土保持

水土資源在人類生存和發展中具有基礎地位，不僅有助于自然植被的降水節流、保水蓄水以及徑流調節[27]，同時是山區生態和經濟社會可持續發展的重要途徑。其與土壤、地形地貌以及植被密切相關，采用NPP定量指標評估法，評估生態系統水土保持服務能力指數，公式如下[25]：

Spro=NPPmean×(1-K)×(1-Fslo)，

(2)

式中：Spro為水土保持服務能力指數，NPPmean為區域植被凈初級生產力平均值，Fslo和K分別為坡度、土壤可蝕性因子。

(3)生物多樣性維護

生物多樣性是指生物及生存環境所組成的各類復雜生態過程，有利于物種、基因、生態系統平衡的保護。益陽市屬典型的亞熱帶植被區并分布著多種珍稀瀕危物種。由于物種數據的獲取難度，因此采用NPP定量指標評估法，評估生物多樣性維護服務能力指數。公式如下[25]：

Sbio=NPPmean×Fpre×Ftem×(1-Falt)，

(3)

式中：Sbio為生物多樣性維護服務能力指數，NPPmean為區域植被凈初級生產力平均值 ，Fpre和Ftem分別為多年平均降水量和氣溫因子，而Falt為海拔因子。

(4)洪水調蓄

湖泊水庫具有明顯的調蓄洪水、減少洪災損失的作用[28]。根據相關洪水調蓄評估研究[29，30]，依據益陽市洪澇災害特征以及河流湖泊的蓄容量，識別出益陽市蓄容量大的河流湖泊及水庫，其他區域則結合植被覆蓋程度和土地利用現狀進行識別(表1)。

表1 洪水調蓄分級標準

2.2.2 生態環境敏感性單因子評估

(1)水土流失

益陽市水土流失以水力侵蝕為主。其與降雨、土壤性質、地貌起伏及植被稀疏情況緊密相關，同時也受到人類活動的影響[31]。益陽市水系眾多，河網密布，過境水豐富，因此選取水土流失進行敏感性評估。依據通用水土流失方程原理及《指南》[25]，其通常選取降雨侵蝕力、地形起伏度等指標，公式如下[32]：

(4)

式中，SSi為研究區水土流失敏感性指數，Ri為降雨侵蝕力因子，Ki為土壤可蝕性因子，LSi為地形起伏度，Ci為地表植被覆蓋度，水土流失評估因子分級標準見表2。

表2 水土流失評估因子分級標準

(2)石漠化

石漠化敏感性是針對外界干擾時產生的響應程度[33]。石漠化的形成與人類活動息息相關，過度開發和亂砍濫發都極易造成石漠化，同時石漠化也與碳酸鹽巖特性、山多坡陡的地形地貌以及植被稀疏程度有關，采用敏感性指數開展益陽市石漠化評估。公式如下[25]：

(5)

式中：Si為研究區石漠化敏感性指數，Di為碳酸巖出露面積百分比，Pi為坡度，Ci為地表植被覆蓋度，石漠化。

表3 石漠化評估因子分級標準

(3)地質災害

益陽市地質災害主要為滑坡、泥石流、地面塌陷等，多發生在地勢較高、坡度較大的區域。地質災害的發生與海拔高度、植被覆蓋、地形坡度、起伏度以及人類活動干擾等密切相關[34，35]。依據相關地質災害因子影響程度，評估益陽市地質災害敏感性，公式如下[36]：

(6)

GSi為益陽市地質災害敏感性指數;Hi為海拔高度因子，Pi為坡度，LSi為地形起伏度，Ci為植被覆蓋度，Ii為人類活動干擾程度，地質災害評估因子分級標準見表4。

2.2.3 綜合評估

(1)生態系統服務功能重要性綜合評估

開展生態系統功能單因子評估只能反映出研究區單一的生態功能效用，在此基礎上進行生態系統服務功能重要性綜合評估，能夠更全面反映生態系統服務水平。依據前節評估結果，采用析取運算開展生態系統服務功能重要性綜合評估，公式如下[37]：

ESI=Max{WR,Spro,Sbio,Fr}，

(7)

式中，ESI為生態系統服務功能重要性綜合評估，WR為水源涵養功能重要性結果，Spro為水土保持重要性，Sbio為生物多樣維護功能重要性，Fr為洪水調蓄功能重要性。

(2)生態環境敏感性綜合評估

開展生態環境敏感綜合評估，可以明確生態環境中易受干擾的區域，從整體上了解區域產生環境問題的可能性。依托GIS平臺，依據前節評估結果，采用析取運算開展生態敏感性綜合評估，公式如下[26]：

ES=Max{SSi，Si，GSi}，

(8)

式中，ES為生態敏感性綜合評估結果，SSi為水土流失敏感性，Si石漠化敏感性，GSi地質災害敏感性。

表4 地質災害評估因子分級標準

2.3 分級標準

2.3.1 生態系統服務功能重要性分級 單因子生態系統服務功能重要性分級依據《生態保護紅線劃定指南》[25](表5)，利用GIS柵格計算器，得到歸一化后的生態系統服務值。將記錄柵格像元的生態系統服務值的屬性表導出，并按從高到低的順序排列，計算累加服務功能值。依據分級標準，利用重分類工具，將單因子生態服務功能重要性分為一般重要、重要和極重要3級結果。

生態系統服務功能綜合評估采用自然斷點法，將生態系統服務功能綜合評估分為一般重要、重要和極重要3級結果。

表5 單因子生態功能評估分級

2.3.2 生態環境敏感性分級 水土流失、石漠化、地質災害敏感性單因子評估及生態環境敏感性綜合評估均采用自然斷點法，利用重分類工具將生態環境敏感性單因子和綜合評估結果分為一般敏感、敏感和極敏感3級。

3 結果與分析

3.1 生態系統服務功能重要性評估

(1)水源涵養功能重要性

水源涵養極重要區面積為37.71 km2，占總面積的0.31%；重要區面積為503.69 km2，占總面積的4.22%(圖2)。主要分布在安化縣北部和東南部，桃江縣西南浮邱山區域，資水流域及重要支流的中上游區域。本區位于雪峰山余脈，地形多為丘陵、崗地和低山，植被覆蓋程度高且降水集中，蒸發散熱能力強，水流、河流的調控作用較強。

(2)水土保持功能重要性

水土保持極重要區面積為3.46 km2，占總面積的0.03%；重要區面積為369.04 km2，占總面積的3.02%(圖3)。主要分布在南洞庭湖流域、雪峰湖國家濕地公園、來儀湖國家濕地公園。本區地勢低平，光熱充足，土壤多為水稻土和潮土，質地濕潤，灌溉條件優良。但是，由于過境水豐富，攜帶大量泥沙且暴雨頻繁，極易產生洪澇災害，導致土地生產力下降。同時，人類活動頻繁，為我國重要的農業生產基地，存在較多河道、濕地公園、飲用水源等重要生態功能區域。

(3)生物多樣性維護功能重要性

生物多樣性極重要區面積為18.12 km2，占總面積的0.15%；重要區面積為422.69 km2，占總面積的3.51%(圖4)。主要分布在安化縣東南部和北部，桃江縣西南部以及赫山區西南部。本區降水量大，多為山地、丘陵，海拔高，植被旺盛，人類活動干擾較少，適宜物種生存。

(4)洪水調蓄功能重要性

洪水調蓄功能極重要區面積為817.17 km2，占總面積的6.63%(圖5)。主要分布在洞庭湖、大通湖和資水流域。本區地勢低平，水網密集且與江河聯系密切。

圖2 水源涵養重要性評估Fig. 2 Evaluation results of water conservation

圖3 水土保持重要性評估結果Fig. 3 Evaluation results of soil and water conservation

(5)生態系統服務功能重要性綜合評估

在以上評估結果基礎上進行空間疊加合并，得到生態系統服務功能綜合評估結果(圖6)和表6。生態系統服務功能極重要區面積為737.27 km2，占總面積5.98%，集中分布在安化縣以及洞庭湖流域、資水等流域。這些區域地勢高、植被豐富、雨熱充足，且水域調蓄作用明顯。重要區面積為1 087.36 km2，占總面積8.82%。主要分布在安化縣東南和桃江縣西南部，該區多為山地，降雨量大，生物多樣性較豐富；而一般重要區面積為10 496.99 km2，占總面積85.19%，相對分布于地勢平坦地區，是城市開發建設主要區域。

圖6 生態系統服務功能重要性綜合評估Fig. 6 Integrat edevaluation of the functional importance of ecosystem services

表6 益陽市生態系統服務功能重要性評估統計結果

3.2 生態環境敏感性評估

(1)水土流失敏感性

水土流失極敏感區面積為162.18 km2，占總面積的1.35%；敏感區面積為144.45 km2，占總面積的1.20%(圖7)。主要分布在安化縣的西北和東南部，桃江縣西南山地，該區山多坡陡，降雨集中且量大，徑流量和土壤沖刷量強，不利于水土保持，另外該區土壤以黃壤和紅壤為主，土質易板結，滲透力較差，土壤抗蝕性弱。

(2)石漠化敏感性

石漠化極敏感區面積為1 973.31 km2，占總面積的16.02%；敏感區面積為3 968.45 km2，占總面積的32.22%(圖8)。主要分布在安化縣、桃江縣西南部、零星分布在沅江市及南縣，該區存在巖溶地貌，陡坡地多，植被豐富，降雨量大且集中，給石漠化形成提供了侵蝕動力，另外該區人口活動密集，不合理的土地開發活動和城市建設導致土地自我修復能力下降。

圖7 水土流失敏感性評估結果Fig. 7 Evaluation results of soil and water loss

圖8 石漠化敏感性評估結果Fig. 8 Evaluation results of stony desertification

(3)地質災害敏感性

地質災害極敏感區面積為822.01 km2，占總面積的6.72%；敏感區面積為2 343.25 km2，占總面積的19.15%(圖9)。主要分布在安化縣與桃江縣西南，赫山區中部。該區多山地丘陵，地勢坡度大且表層巖石較破碎，降雨豐富且集中，生態環境脆弱，極易受到人類活動干擾影響，地質災害發生的風險高。

(4)生態環境敏感性綜合評估

在以上敏感性評估基礎上開展空間疊加，得到生態環境敏感性綜合評估結果(圖10和表7)。益陽市生態環境極敏感區面積為2 622.44 km2，占總面積21.02%，主要分布在安化縣和桃江縣南部，該區海拔高，地形起伏大，降雨充沛，生物多樣性較豐富。生態環境敏感區面積為4 041.94 km2，占總面積32.40%，主要集中于安化縣、桃江縣、零星分布在洞庭湖流域。該區植被豐富，土地生產力高，人類活動開發力度較強。而一般敏感區面積為5 810.52 km2，占總面積46.58%，主要分布在人類活動頻繁，地勢平坦的區域。

3.3 生態空間識別

利用GIS提取生態系統服務功能綜合評估中的重要及以上區域、生態敏感綜合評估中的敏感及以上區域，在此基礎上進行空間疊加。由于生態系統具有生態完整性和連續性特征，因此刪除科學評估過程中出現的細小斑塊(<1 km2)[38]，減少破碎化影響，得到生態空間初步范圍。增補各類禁止開發區及公益林地，確保生態空間涵蓋益陽市各類自然空間要素及其他有必要嚴格保護的保護地，如各級各類自然保護區、風景名勝區、濕地公園、地質公園、森林公園、蓄滯洪區、重要飲用水源地等[25]。

圖9 地質災害敏感性評估結果Fig. 9 Evaluation results of geologic hazard

圖10 生態環境敏感性綜合評估結果Fig. 10 Integrated evaluation of the ecological sensitivity

表7 益陽市生態環境敏感性統計結果

圖11 生態空間分布范圍Fig. 11 Ecological spatial distribution

為保障生態空間與生活、生產空間的協調性與合理性，利用高分辨率遙感影像和土地利用規劃數據，剔除不適宜生態空間范圍的城鎮空間和農業空間，劃分出益陽市生態空間范圍(圖11和表8)。

結果可知，益陽市生態空間面積為6 297.09 km2，占土地面積的51.06%。主要分布在市域西南安化縣、桃江縣，赫山區西部以及洞庭湖、大通湖水域。生態系統服務功能中水源涵養功能重要區呈斑塊狀分布在市域西南安化、桃江縣。水土保持功能重要區主要分布在洞庭湖流域。生物多樣性功能重要區呈帶狀分布在中部丘崗地區及雪峰山脈北麓。而洪水調蓄功能重要區則主要以湖泊水域及淹沒區為主。生態環境敏感性中水土流失敏感區呈斑塊狀分布在安化縣、桃江縣河流湖泊附近。石漠化敏感區占到了研究區面積的64.27%，呈片狀分布在雪峰余脈山區，涵蓋安化縣、桃江縣，零星分布在赫山區。而地質災害敏感區則呈塊狀分布在西南山地及中部丘崗地區，主要涵蓋安化縣北部、中南及東南部，桃江縣西南部，零散分布在赫山區魚形山街道及岳家橋鎮一帶。以上分布區域多為生態環境較脆弱區域，在利用時需注重生態保護，合理規劃，以促進生態系統的穩定性。

表8 各區縣生態空間統計

另外，將識別的生態空間范圍與土地利用類型重疊分析，可知益陽市生態空間用地中65.43%為林地，17.19%為濕地(湖泊水面、水庫水面、灘涂等)，其他土地占17.38%。由此來看，其識別結果符合生態空間用地屬性要求，是社會和經濟可持續發展的基礎，在保障生態環境安全中發揮重要作用。

4 結論與討論

生態空間承擔著維護區域生態安全和實現區域綠色發展的使命。本文從維護生態健康和生態功能的角度出發構建生態空間識別體系，通過提取生態功能重要區和生態環境敏感區，增補各類需嚴格保護的區域，剔減城市建設和生活用地，借用GIS平臺識別了生態空間范圍。研究區主導的單因子生態系統服務功能是洪水調蓄和水源涵養，其次為生物多樣性和水土保持，識別生態服務功能綜合重要區1 824.63 km2，占總面積的14.81%；單因子生態敏感性以石漠化為主，其次為地質災害和水土流失，并識別生態環境綜合敏感區6 714.38 km2，占總面積的53.42%。益陽市生態空間面積6 297.09 km2，占土地總面積51.06%，涵蓋了主要的生態功能重要區和易受干擾區，是維護區域生態系統平衡和生態安全的重點保護區域。

生態空間識別是落實國土空間管控，建設生態文明的重要方式。從研究結果來看，生態空間分布范圍與益陽市環境脅迫分布區相吻合，較全面地反映了生態空間分布特征。這表明生態空間識別對明確區域開發利用自然資源的限制性條件、生態治理與保護的重點區域，以及對研究區開展生態修復、生態空間管控和國土綜合整治有較大參考意義。另外，本文從湖區城市出發，基于生態服務功能和生態敏感性兩方面探究大湖流域生態空間識別，不僅有利于保護洞庭湖生態系統平衡，促進洞庭湖區山水林田湖草生態保護修復，實現湖區經濟、社會和生態效益相統一的現實意義，也可以為其他地區提供理論和指標參考。

評估過程采用的指標參數均通過高分辨率遙感影像和數據集加工所得，可能會導致評估結果出現誤差，另外有關數據的獲取也有難度，如洪水調蓄評估主要依據江河湖泊的調蓄功能進行重要性識別，未能獲取湖泊、水庫等相關數據。因此，如何豐富數據源，提高數據精度，進一步完善生態空間識別方法還需深入研究。同時，生態空間識別過程涉及城市開發建設以及農業生產活動，與水、土地等多個空間要素緊密結合，未來仍需繼續強化生態空間與城鎮、農業空間的統籌協調發展。最后，也可基于時間序列分析，從動態更新的角度探討生態空間的演變和管控措施。