面向國土空間規劃的昆明市生態保護重要性評價

方一舒 祖 健 艾 東* 陳 杰 梁秋月

(1.中國農業大學 土地科學與技術學院，北京 100193;2.中國農業大學 信息與電氣工程學院，北京 100083;3.北京舜土規劃顧問有限公司，北京 100071)

在我國快速城市化進程下，人類活動對生態系統的強烈干擾逐漸成為21世紀區域生態安全和社會生態系統可持續發展的新挑戰[1]。國土空間規劃是國家空間發展的指南、可持續發展的空間藍圖，生態文明建設的重要內容，也是空間治理體系現代化的基礎。在以創新、協調、綠色、開放、共享“五大發展理念”為指導，以優化國土空間開發、資源節約集約利用、生態環境保護為要求的基礎上，有序引導國土空間資源要素重新配置，構建穩定、協調的國土空間秩序。國土空間規劃的首要工作是通過科學分析區域資源環境稟賦，查清不同空間存在問題和風險，在此基礎上合理劃定“三區三線”，進行空間用途規劃與管制[2]。而生態保護紅線和生態空間劃定是“三區三線”中踐行“生態先行”理念的空間載體，因此合理劃定生態保護區域是劃定其他空間的前提。國外一些國家在制定自然資源保護政策時提出了不同的策略與措施，提出了自然保護地[3]、生態保護地[4]、生態保育區、特殊保護地等概念，建成了如美國的國家公園體系[5]和綠道網絡(American Greenway Network)、歐洲的綠帶計劃(The European Green Belt)和以物種多樣性保護為基礎的歐盟自然保護區網絡(Natura2000)。國內，隨著我國土空間規劃體系的建立和生態保護紅線劃定方法的不斷探索，已有研究主要通過生態適宜性評價指標體系來確定紅線區，如王雅竹[6]、張雪飛[7]、黃心怡[8]等分別從生態系統功能服務性和生態脆弱性等方面開展了生態保護重要區評價；研究區域主要針對特定景觀區域的生態保護重要性和脆弱性，開展如流域[9]、石漠化地區[10]、沙漠化地區和礦區塌陷區[11]等區域的生態保護格局研究；評價尺度從鄉鎮級到省級均有涉及。同時，在識別生態保護紅線區還采用景觀“源-匯”理論的視角，通過最小阻力模型[12]、景觀格局指數[13]、生態足跡[14]和空間疊置分析法[15]等，識別需保護的生態源地和戰略點，并構建生態保護廊道，從而提出適宜當地的生態保護分布格局。

昆明市是云南省省會，也是長江經濟帶上游地區重要的生態保護屏障。其具有西南地區典型的地形地貌和生態環境特征，生態系統類型和生物多樣性豐富，自然資源稟賦充足，同時作為長江經濟帶的上游地區，在推動長江經濟帶環境保護治理和生態修復過程中發揮著重要作用。然而，昆明市作為省會城市，經濟活動較為頻繁，在“環滇發展”過程中造成了沿滇池周邊生態環境極大的破壞，同時石林縣石漠化脆弱性高，北部山區水土流失脆弱性高[16]。然而當前針對昆明市全域開展的生態保護重要性研究工作并不足以支撐國土空間規劃中生態保護紅線的劃定和落地, 因此為研究在生態與資源緊約束下開展經濟活動，并充分化解生態保護與國土空間開發過程中的矛盾，本研究擬以昆明市生態保護重要性為研究對象，采用要素空間疊置制圖和極大值法對昆明市2017年生態保護重要性進行分類定量評價及分等定級，以期為實現昆明市“生態-生產-生活”空間的協調可持續利用提供依據[16]。

1 研究區概況與數據預處理

1.1 研究區概況

昆明市位于滇中地區(102°10′～103°40′ E，24°23′～26°22′ N)，也是滇中城市群發展的核心區，行政區劃面積為21 012.53 km2，轄7個市轄區、1個縣級市和6個縣。昆明市分屬長江、珠江、紅河3大水系，屬北亞熱帶低緯度高原山地濕潤季風氣候，代表性植被為半濕潤常綠闊葉林，年降水量1 035 mm，降水主要集中在雨季6—9月，年平均氣溫15 ℃，年均日照2 200 h左右。昆明地處云貴高原中部，地勢總體北高南低(圖1(a))，相對高差3 500 余米，因此具有典型立體氣候特征。地帶性土壤為紅壤，從土體構造來說，大范圍分布松散沉積層，均為晚新生代地層，為水土流失等系列生態環境問題和自然災害的發生提供了基礎條件。同時，昆明市中部及東南部碳酸鹽地層廣泛分布，大面積喀斯特區域內鑲嵌著非碳酸鹽巖景觀，容易發生水土流失，國土空間開發適宜區與石漠化惡劣區相間排列。

昆明市土地利用類型中以自然和半自然生態系統為主，農用地面積最大，占總面積的87.43%，其中耕地所占比例20.29%，園地所占比例2.41%，林地所占比例48.37%，草地所占比例11.18%，而人工生態系統比例較低，建設用地僅占7.9%(圖1(b))。復雜多樣的地貌，立體的氣候等自然條件造就了昆明市復雜的生態環境，具有不少特有物種。

圖1 昆明市高程圖(a)及土地利用現狀圖(b)

1.2 數據來源及預處理

本研究使用的數據包括土地利用現狀數據、DEM數據、土壤數據、氣象數據、生態系統類型數據和NDVI數據等。其中：土地利用現狀數據來源于昆明市自然資源和規劃局；DEM數據為GDEM地形數據，空間分辨率為30 m，數據來自中國科學院地理空間數據云；土壤質地數據來源于第2次全國1∶100 萬土壤調查成果，在數據加載后通過ArcGIS軟件中的柵格重采樣工具，將其空間分辨率轉換為30 m×30 m;氣象數據來自昆明市氣象局12 個國家級氣象站點2017 年的年度氣象站點觀測數據，包括氣溫、降水量等數據，通過ArcGIS軟件中IDW反距離權重空間插值工具，將其由站點數據轉換為空間分辨率為30 m×30 m的柵格數據；生態系統類型數據采用從土地利用變更調查數據中提取林地、草地、濕地和其他影響生態系統變化的地類；NDVI數據通過中國科學院地理空間數據云下載MODIS月合成數據(空間分辨率為500 m)，通過最大值合成法(MVC)計算2017年年值，并通過ArcGIS軟件中的柵格重采樣工具，將柵格分辨率轉換為30 m×30 m；國家級、省級自然保護區、國家森林公園、濕地公園和地質公園等數據來源于昆明市自然資源和規劃局地理國情普查成果數據；國家級和省級生態公益林等數據來源于昆明市林業和草原局。由于不同部門之間的調查標準和圖斑劃定不相同，因此在進行評價過程中，當數據之間存在差異性時，通過地理國情普查數據進行校核。

2 研究方法

根據《資源環境承載力和國土空間開發適宜性評價技術指南(試行)》、《云南省生態保護紅線劃定指南》和《自然生態空間用途管制辦法(試行)》，基于昆明市生態環境現狀，確定從生態系統服務功能重要性和生態脆弱性2 個方面來進行生態保護重要性評價[17]。其中，昆明市主導生態系統服務功能為生物多樣性保護功能重要性、水源涵養功能和水土保持功能，主導生態脆弱性類型為水土流失脆弱性、石漠化脆弱性和沙化脆弱性。生態系統服務功能重要性越強，脆弱性越高，說明空間生態保護的意義越大，對空間開發的約束性越強。本研究在ArcGIS系統下疊加考量生態系統服務功能重要性和生態脆弱性，作為昆明市生態保護重要性等級的結果，最后將評價結果分為高、較高、中等、較低和低5 個等級，計算公式如下：

Si=Max(Mi，Ni)

(1)

式中：Si為單元空間內的生態重要性等級；Mi為生態系統服務功能重要性等級；Ni為生態脆弱性等級。i為各類生態系統服務功能重要性和生態脆弱性。

基于斑塊集中度，再對綜合結果進行修正，將相應等級的柵格轉為矢量，并對矢量數據進行聚合面操作(ArcGIS軟件Cartography Tools-Generalization-Aggregate polygons工具)，根據聚合地塊的規模確定斑塊集中度等級(表1)。對初判結果為高和較高等級圖斑進行聚合操作，作為高、較高等級的集中度評價結果；對初判結果為中等及以上等級圖斑進行聚合操作，作為中等等級的集中度評價結果；對初判結果為較低和低等級圖斑，不進行該項修正。根據昆明坡度較大的特征，取最小聚合距離50 m。

表1 生態斑塊集中度評價分級閾值

按照判別矩陣(表2)，對生態保護重要性等級初判結果進行修正。

表2 生態保護重要性等級判別矩陣

2.1 生態系統服務功能重要性評價

生態系統服務功能是指人類直接或間接從生態系統中獲取的利益[18],在分析生態系統結構、過程與生態系統服務功能關系的基礎上，分析生態系統服務功能特征，按其對全國和區域生態安全的重要性程度劃分重要性等級。本研究以昆明市氣候、植被、土壤、地形等數據為基礎，選擇生物多樣性維護[19]、水源涵養[20]、水土保持[21]等3個評價指標進行生態系統服務功能重要性評價。

其中，由于物種生物多樣性主要通過《云南省生物物種紅色名錄》進行管護，對于物種空間分布位置不夠明確，相關調查和研究工作也較少，因此本研究在進行生物多樣性評價主要是通過各類自然保護區的分類實現，參考《湖南省資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價技術指南(試行)》，對國家級、省級、市級自然生態區域根據表4分別賦予不同的分值，分值越高則重要性等級越強，并且將滇池保護區1、2、3級分別按照重要性賦值為極度重要、高度重要、中等重要3個等級，從而評估市域生物多樣性重要性保護格局。水源涵養功能重要性評價則以昆明市不同生態系統類型的水源涵養能力為依據，通過降水量、不同生態系統類型等因素設定指標因子，通過水量平衡方程來衡量昆明市生態系統的水源涵養能力。水土保持功能評價以水土保持量(潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量的差值)作為評價指標，采用修正的水土流失方程(RUSLE)進行計算，從而確定識別現狀和未來承擔水土保持功能的重點區域。

最后通過ArcGIS疊加分析以上3個單層服務功能性評價指標，得到昆明市生態系統服務功能重要性評價結果。對各個單層及綜合層結果均進行分級賦值，評價結果均由高到低劃分為高、較高、中等、較低和低5 個等級。計算公式如下：

Mi=Max(A1i,A2i,…,Ani)

(2)

式中：Mi為第i單元空間上的生態系統服務功能重要性等級；A1i,A2i,…，Ani為第i單元空間上的單因素生態系統服務功能重要性等級。不同生態區域類型重要等級及賦值見表3。

為保證昆明市豐富的生物物種多樣性得到充分保護，將生物多樣性維護功能重要性的分級賦值標準進行細化(表4)。

表3 生態系統服務功能重要性評價指標體系

表4 生物多樣性維護功能重要性分級賦值表

2.2 生態脆弱性評價

生態脆弱性是指生態系統對區域內自然和人類活動干擾的脆弱程度, 他反映區域生態系統在遇到干擾時,發生生態環境問題的難易程度和可能性的大小,并用來表征外界干擾可能造成的后果[23-24]。即在同樣干擾強度或外力作用下, 用來表征生態失衡與生態環境問題的可能性大小。本研究根據昆明市的生態特征和面臨的生態問題，選取的評估指標為水土流失脆弱性[25]、石漠化脆弱性[10]、沙化脆弱性[26]等3個評價指標來綜合評價昆明市的生態脆弱性。

水土流失脆弱性選取降雨、地形、土壤、植被覆蓋等作為評價因子，以通用水土流失方程為基礎，運用公式對昆明市水土流失脆弱區進行評價。石漠化脆弱性選取生態系統類型、地形坡度、植被覆蓋等因子進行評價。沙化脆弱性利用干燥度、起風沙天數、土壤質地和植被覆蓋度等因子對昆明市土地石漠化脆弱性進行評價。通過ArcGIS疊加分析以上3個單層脆弱性評價指標，得到昆明市生態脆弱性評價結果。對各個單層及綜合層結果均進行分級賦值，評價結果均由高到低劃分為高、較高、中等、較低和低5個等級。計算公式如下：

Ni=Max(B1i,B2i,…,Bni)

(3)

式中：Ni為第i單元空間上的生態脆弱性等級；B1i,B2i,…,Bni為第i單元空間上的單因素生態脆弱性等級。

依據表5公式計算各類評價因子，其中單層分級賦值情況詳見表6。

表5 生態脆弱性評價指標體系

表6 生態脆弱性各指標層分級賦值表

3 結果與分析

3.1 生態保護重要性的單層評價成果

由生態保護重要性單層評價結果可知：昆明市生物多樣性維護功能重要性等級高和較高區域面積為3 109.85 km2，占市域面積的14.80%，包括西山國家森林公園、石林自然保護區和陽宗海自然保護區等，主要分布于石林縣、東川區和尋甸縣等(圖2(a))；水土保持等級高和較高區域面積為1 313.52 km2，占市域面積的6.24%，主要分布在東川區、祿勸縣、尋甸縣、嵩明縣北部等北部山區及滇池附近區域(圖2(b))；水源涵養等級高和較高區域面積484.62 km2，占市域面積的2.31%，主要分布在盤龍區北部、嵩明縣西部、晉寧區南部，在滇池流域也有一定分布(圖2(c))；水土流失脆弱性等級高和較高區域面積為551.04 km2，占市域面積的2.63%，主要分布在主城5區和尋甸縣、嵩明縣等。由于這些地區的植被覆蓋度較低，并且土壤侵蝕性較高，故易發生水土流失(圖2(d))；石漠化脆弱性等級高和較高區域面積為1 878.65 km2，占市域面積的8.98%，主要分布在東川區、尋甸縣、祿勸縣，晉寧區、西山區也有少量分布(圖2(e))；由于昆明市擁有豐富的林業資源和廣闊的植被覆蓋，其沙化脆弱性評價結果均在中等及以下(圖2(f))。

圖2 昆明市各類生態服務功能重要性和生態脆弱性等級圖

3.2 綜合評價結果

將上述單層評價結果按照極大值法進行集成之后，得到昆明市生態系統服務功能重要性和生態脆弱性的評價結果。由圖可見：昆明市生態系統服務功能等級高和較高區域面積為4 515.76 km2，占市域面積的21.51%，集中在東川區、祿勸縣、尋甸縣中部、石林縣中部以及嵩明縣西部地區(圖3(a))；生態脆弱性等級高和較高區域面積為7 364.59 km2，占市域面積的35.05%，主要分布在東川區、祿勸縣和尋甸縣等，并且在主城區也有一定的分布(圖3(b))。說明昆明城市周邊區域的生態脆弱性較高，建議在進行城市建設時及時采取有效措施，預防生態脆弱區受到破壞。

圖3 昆明市生態系統服務功能重要性等級圖和生態脆弱性等級圖

將生態系統服務功能重要性和生態脆弱性評價結果進行綜合，得出昆明市生態保護重要性評價(圖4)。由圖4可見：極重要和重要區域面積為6 324.96 km2，占市域面積的30.1%，主要分布在東川區、祿勸縣、尋甸縣、石林縣和晉寧區南部等，此區域生態系統服務價值顯著，可作為生態保護紅線的參考范圍；一般重要區域面積為9 962.04 km2，占市域面積的47.41%，主要分布于安寧市、宜良縣、祿勸縣和主城區部分地區，此部分區域生態系統服務價值一般，可作為劃定生態保護空間的備選區；較低重要區域面積為4 690.00 km2，占市域面積的22.32%，主要分布于安寧市、宜良縣、石林縣和晉寧區等，此部分區域生態系統服務價值較低，可作為進行生態修復和國土綜合整治的備選區。

各區縣均呈現出生態保護重要性評價高和較高所占比例較少，大部分評價結果為中等和較低的趨勢。各區縣生態保護重要性占昆明市總面積比例如圖5所示。由圖5可知：分區縣看，生態重要性高的區域主要集中于祿勸縣、尋甸縣、東川區等北部地區和石林縣；生態重要性較高的區域主要分布于祿勸縣、尋甸縣、東川區等北部3個山區縣和晉寧區；生態重要性中等的區域分布相對廣泛，在各縣均有分布；生態重要性較低的區域主要分布于安寧市、石林縣和宜良縣等。因此，北部3個山區縣作為生態保護的核心區域，在昆明市生態重要性保護中占據重要角色，在進行分區域保護時，應針對此區域建立更完善的生態環境保護政策和機制。

圖4 昆明市生態保護重要性等級圖

圖5 昆明市各區縣生態保護重要性等級分布圖

3.3 重要指標分析

本研究在單層評價和綜合評價的基礎上，根據各生態重要性和脆弱性的因子的貢獻程度，發現生態保護重點區域(生態系統服務功能重要性和脆弱性等級為高和較高)的生物多樣性功能重要性、石漠化脆弱性和水土保持重要性所占比例最高，分別達到45%、24%和17%。說明生物多樣性功能重要性是構成昆明市生態重要性貢獻最大的因子，其次是石漠化脆弱性、水土保持功能重要性。因此得出昆明市生態保護紅線的主導功能和關鍵生態系統特征，昆明市在進行生態保護過程中，應從維護生物多樣性功能、防護石漠化和開展水土保持項目等視角出發，有針對性地加強生態環境治理體系和治理能力現代化水平。

圖6 生態保護重點區域各因子面積所占比例

4 討論與結論

4.1 討論

合理有序的生態空間格局對支撐自然生命系統、維系生態安全和實現空間有序合理配置發揮重要作用。目前我國尚未建立完整的生態空間保護制度，將生態保護紅線與生態保護空間優化調整工作落到實處，是進行國土空間規劃的重要前提。生態保護重要性和脆弱性分析有利于科學地劃定生態空間格局，為國土空間規劃中生態紅線和生態空間劃定提供依據。本研究針對生態保護重要性和脆弱性的單因子分析結果，可為制定“分類”的生態保護政策提供應用基礎，如：針對水土流失、石漠化脆弱性嚴重的地區，可在這些地區采取有針對性地國土綜合整治和生態修復措施；針對生物多樣性維護功能極重要的地區，可在這些地區加強生物多樣性物種調查與保護，通過建立以國家公園為核心的自然保護地體系，保持生態系統、物種和動植物基因多樣性的豐富度。因此，明晰生態保護重要性單因子重要性或脆弱性，分析其空間分布，可為下一步國土空間規劃中的綜合整治和生態修復提供參考。本研究可為昆明市劃定“分區”生態管控規則，細化完善生態保護紅線管理機制提供依據。其中：較高及以上重要性區域以生態保護為主導，實施嚴格的人員和產業準入清單；一般重要性區域可依托區域重要生態資源優勢，在合理維護、改善生態系統服務功能的同時，開展適當的生態-經濟活動；較低重要性區域允許在不破壞生態系統結構和功能的基礎上，適度開展一定規模的經濟開發活動，同時針對生態脆弱性較低的區域開展生態修復工作。

與其他區域相關研究不同，本研究探索了昆明市獨特的生物多樣性維護功能重要性保護訴求，提出分區分類的保護策略。云南省是我國生物多樣性最為豐富的省份，也是全球34個物種最豐富且受到威脅最大的生物多樣性熱點地區之一，然而，昆明的生物多樣性保護還沒有形成完整的體系，因此甄別生物多樣性維護功能極重要區域分布，將為生物多樣性修復和生態補償機制提供理論基礎。本研究的評價系統僅針對該區域特定時間節點進行的生態保護格局分析，未開展長時序的生態系統演變過程研究，進一步的研究可從“時—空”2 個角度對研究成果進行擴展。

4.2 結論

本研究依據昆明市實際情況，對昆明市自然資源環境稟賦和生態環境進行分析，選取了生態系統類型、植被覆蓋、土壤性質、地形地貌、自然保護區及各類國家公園等多源數據，構建了基于生態系統服務功能重要性和生態脆弱性兩方面的生態保護重要性評價體系，分別從生物多樣性、水源涵養、水土保持功能重要性及水土流失、石漠化、沙化脆弱性這6個單層來對昆明市生態功能進行逐級評價。主要結論如下：

1)通過要素空間疊置制圖和最大值法對昆明市生態保護重要性進行定量評價，可得出昆明市生態保護重要性等級高和較高的面積為6 324.96 km2，所占比例30.1%，主要分布于北部山區、滇池流域和石林石漠化地區，該區域可作為劃定生態保護紅線的主要區域；

2)從區域分布來看，祿勸縣、尋甸縣、石林縣和東川區等區縣的生態高重要性區所占比例最大，這些區域主要分布于北部地區，從空間上可判斷出這些區域是昆明市生態功能重要、生態脆弱性高、生態戰略地位重要的地區，因此針對此區域應建立更完善的生態環境保護政策和機制；

3)從評價因子來看，生物多樣性維護功能重要性是構成昆明市生態重要性貢獻最大的因子，說明昆明市在生物物種多樣性保護方面具有重要作用。通過對昆明市生態功能重要性的分類型判斷，可得出未來昆明市生態保護管護的主要功能導向和空間范圍，為分區分類的空間治理提供依據。