基于生態系統服務功能的滇池流域關鍵性生態用地識別

劉 林，雷冬梅※，冉玉菊，張 淵,2

（1.云南財經大學城市與環境學院，昆明 650221；2.昭通學院地理科學與旅游學院，昭通 657000）

0 引 言

土地是人類生存和發展的物質載體，在各種土地利用類型中，生態用地發揮著保護地區生態安全、維護區域生態平衡的作用，并提供生態系統服務[1-4]。生態用地提供的生態系統服務功能是人類生存發展的保障[5]。自推進城鎮化建設與經濟發展以來，大量生態用地被占用、開發、破壞，導致生態環境不斷惡化、生態安全問題凸顯，使得生態系統面臨嚴峻威脅[1-2,6-7]。關鍵性生態用地是保護生態環境、維持生態系統服務功能良性循環，為社會提供必需生態空間的底線型生態用地[1-3]，對維護區域生態系統穩定不可或缺。與非關鍵性生態用地相比，關鍵性生態用地在水源涵養、生物多樣性保護等主要生態系統服務功能方面發揮極其重要的作用[1-2,4,6]。因此，識別與確定提供區域主要生態系統服務功能的關鍵性生態用地，對合理利用和規劃生態用地、維護區域的可持續發展具有重要的現實意義。

現有研究對生態用地無統一界定，國外學者主要從土地生態價值角度進行生態用地的界定[8-12]，國內學者主要從生態系統服務功能角度對生態用地進行概念界定[1,13-14]。

目前，生態用地研究主要集中在生態用地類型劃分及功能區劃[6,14]，生態用地時空演變規律及區域環境效應、生態系統服務價值變化等方面[15-17]。而生態用地識別研究主要聚焦于識別方法的探討、重要等級的劃分[3-4,18-19]，但對關鍵性生態用地的識別與范圍劃定研究較少[1-2]，且已有的研究中研究對象多為某單一生態系統或城市群[2,4,6]，研究區域主要集中于平原地區[1-2,4,16]，涉及高原湖濱區域的生態用地識別研究極為薄弱。區域關鍵性生態用地識別，要根據生態系統服務功能與自然地貌的連續性[1-4]，統籌考慮土地利用現狀進行科學界定。而高原湖濱區域生態用地識別與保護問題非常突出，選取生態脆弱高原湖濱區域滇池流域為研究區開展關鍵性生態用地識別研究具有典型性。

作為典型的高原湖濱區域，滇池流域地處長江、珠江和紅河三大水系分水嶺地帶，生態環境極為脆弱，水源涵養、生物多樣性保護、水土保持及景觀休閑是該區最主要的生態系統服務類型[20]，生態用地對流域生態穩定起著重要作用。但隨著城鎮化的不斷加速，滇池流域生態用地受到嚴重的侵占和破壞，生態系統服務功能下降，為平衡城鎮化發展與生態保護，急需識別對維護流域生態安全具有重要意義的關鍵性生態用地。本研究以滇池流域為例，基于 ArcGIS10.2，采用最小累積阻力模型（MCR），基于研究區重要的生態系統服務功能及土地利用現狀，識別流域關鍵性生態用地，以期為高原湖濱區域生態用地規劃利用方面提供科學、有效的指導，為區域生態空間優化提供參考依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

滇池流域位于 102°30'－103°02'E，24°28'—25°23'N，居云貴高原中部，屬于亞熱帶季風濕潤性氣候，年溫度為15 ℃，年平均降雨量935 mm，是典型的高原流域。滇池流域處于昆明市域內，面積約2 900 km2，約占市域14%，主要包括昆明市五華區、盤龍區、西山區、官渡區、呈貢區、晉寧區、嵩明縣等行政區（圖1），整個流域的經濟發展與昆明主城甚至整個昆明市的經濟發展聯系密切[20]。近十年來，昆明市城鎮化率從 64%提高到 73%，城市化進程不斷加速。作為云南省城鎮化水平最高的區域，滇池流域著重強調生態保護與經濟發展平衡；維持良好的生態環境，保護關鍵性生態用地成為滇池流域城鎮化背景下的重要命題。

1.2 數據來源

本研究所需數據源主要包括Landsat 8 OLI_TIRS 衛星影像數據（2019年）、航空影像圖（2019年）、DEM（30 m×30 m）、坡度等空間數據。首先，應用ENVI5.3 對影像圖進行幾何校正、裁剪以及監督分類，從而獲取研究區土地利用類型圖，其Kappa指數為0.89；其次，通過ArcGIS10.2對已有的土地利用類型圖進行矢量轉化，并利用航空影像圖進行校核，進而獲取研究區2019年矢量格式的土地利用空間分布信息。本研究中柵格大小均為30 m，所有圖層數據投影均為Transverse_Mercator，投影坐標系WGS_1984_UTM_Zone_48N。土地利用分類參照《土地利用現狀分類（GB/ T21010- 2017）》，結合研究區實際情況，將研究區劃分為林地、草地、水域、農用地、其他用地和建設用地 6類，從而建立研究區土地利用信息數據庫。

2 研究方法

首先，基于生態系統服務內涵與滇池流域特征，選取水源涵養、生物多樣性保護、水土保持以及景觀休閑等生態系統服務功能，通過定性賦值，開展生態用地重要性單因子評價；其次，對各單因子分析結果進行綜合疊加，得到生態用地重要性綜合評價結果；最后，以重要性綜合評價結果中面積大于10 km2的極重要等級生態用地作為“源”，以土地利用類型構建阻力面，基于最小累積阻力模型識別出研究區關鍵性生態用地。

2.1 基于生態系統服務功能的生態用地重要性評價

2.1.1 單因子評價

滇池流域是典型的高原湖濱區，以滇池為主的大面積蓄水區域發揮涵養水源、維持水環境穩定的作用，同時以西山為代表的自然保護區等擁有豐富的林種，為生物生存與活動提供了棲息場所，也在水土流失、滑坡防治等方面起著重要作用，同時滇池流域也發揮著游憩休閑的作用[18]。因此，參考相關研究并結合流域特征[13,21-23]，從水源涵養、生物多樣性保護、水土保持以及景觀休閑等 4個方面分別構建指標進行生態用地重要性單因子評價，形成的評價指標及分級標準如表1所示，劃分成極重要、很重要、重要、一般重要和非重要 5級，分別賦值 10、8、5、3、1 等[2-4]。

1）水源涵養重要性

水源涵養功能有利于流域內水循環系統與生態系統交相呼應，促進生態系統穩定，保有流域水資源儲蓄量[24-25]。選擇距水源距離、土地覆蓋類型、DEM對研究區生態用地水源涵養重要性進行綜合評價。其中，距水源距離指標，基于滇池流域水域分布狀況，通過ArcGIS10.2中多環緩沖區工具獲得；土地覆蓋類型指標，對2019年土地利用類型圖進行賦值并劃分重要等級[4]；DEM 指標，通過標準差法進行等級劃分并賦值。根據相關研究[2-4,6]，通過自然間斷點分級法，獲取3個指標的劃分準則，結果見表1。對選取的3個指標因子進行疊加分析時，取其最高值[2]，計算公式如下：

表1 生態功能重要性評價指標及分級標準Table 1 Evaluation factors and classification criterion of different ecosystem function importance

式中W為水源涵養指數；W1為距水源距離，m；W2為土地覆蓋類型；W3為DEM，m。

2）生物多樣性保護重要性

生物多樣性保護功能在物種的數量、種類以及各子系統穩定方面發揮重要作用[24-25]。選取生境敏感性、植被覆蓋度、人類活動影響強度進行生態用地生物多樣性保護重要性評價。

生境敏感性指標，參考相關文獻[1,4]，計算公式如下：

式中B1為生境敏感性；l為土地利用類型；P為生物多樣性服務當量；m為修正值，其中有林地、疏林地修正值為 1.75，自然景觀區、綜合公園、專業公園修正值為1.5，人工景觀區修正值為1.25，其余為1[1-2]。

植被覆蓋度指標，以滇池流域 NDVI值作為評價指標，通過ArcGIS10.2中地圖代數工具進行計算。計算公式如下：

式中B2為植被NDVI值，Bandn為n波段的遙感影像圖，Bandn-1為n-1波段的遙感影像圖，借助自然間斷點分級法將NDVI值劃分為5類，本研究選取波段4與波段5進行計算。

人類活動影響強度指標，根據人類活動對生態用地擴張的影響大小計算。

根據表1，對劃分結果進行幾何平均疊加[4]，生物多樣性保護指數計算公式如下：

式中B為生物多樣性保護指數；B3為人類活動影響強度。

3）水土保持重要性

水土保持功能通過自身結構弱化外力對土壤的侵蝕破壞以及維護土壤保水能力[24-25]。選取坡度、地表植被根系的水土作用、地形位等級對生態用地水土保持重要性進行評價。坡度指標，借助 ArcGIS10.2，采用標準差分類法將坡度進行重分類并賦值；地表植被根系的水土作用指標，表示植被根系對植物生長、吸收和保持水分養分具有重要作用[26]，依據地表植被水土保持功能大小進行重要性劃分[4]；地形位等級指標，表示地形對區域的水土保持具有的作用[27]，計算式如下：

式中L3代表研究區內某一空間單元的地形位等級指數，E和分別代表此空間單位的高程值和整個區域的高程均值，m；S和分別此空間單位的坡度值和整個區域的坡度均值，(°)。

將3個指標進行加權疊加（權重分別為0.3、0.4、0.3）[14,27]，計算式如下：

式中L為水土保持指數；L1為坡度（°）；L2為地表植被根系的水土作用；L3為地形位等級。

4）景觀休閑重要性

景觀休閑功能是指生態系統的休憩、觀賞作用[25]。選取自然游憩休閑適宜性進行景觀休閑重要性評價。自然游憩休閑適宜性指數計算式如下：

式中J為自然游憩適宜性指數；l為土地利用類型；M為娛樂文化服務當量；n為修正值，其中公園修正值為1.75，自然、人工景觀區修正值為1.5，有林地、疏林地修正值為1.25，其余為1[1-2]。

2.1.2 綜合評價

已有研究多采用加權疊加或綜合取高進行指標疊加計算[1,3,6]，此方法存在指標疊加結果客觀性不足、忽略較低生態系統服務功能疊加效應等問題[4]。本研究采用“累計修正求和法”進行生態用地重要性綜合評價分析[4]，可較好解決此問題，公式如下：

式中X、W、B、L、J分別代表生態用地綜合評價指數、水源涵養單因子指數、生物多樣性保護單因子指數、水土保持單因子指數、景觀休閑單因子指數；如表2所示，按照累計修正求和法將生態用地單因子評價結果圖進行疊加，將疊加結果按照劃分標準劃分成極重要、很重要、重要、一般重要、和非重要5級，分別賦值10、8、5、3、1等[2,4]，從而獲取滇池流域生態用地重要性綜合評價結果。

表2 生態用地綜合評價標準Table2 Classification criterion of comprehensive assessment of ecological land

2.2 基于MCR模型的關鍵性生態用地的識別

MCR模型是一種有效的估算物種從“源”到目的地的移動過程中所需能量、物質、時間等所消耗代價的研究方法[28]。本研究中，以“源”（即面積大于10 km2的“極重要等級”生態用地）擴張面臨的阻力值代表其生態系統服務功能提供能力，阻力值越大表明該生態用地的生態系統服務功能越弱，對整個流域的生態穩定的貢獻就越小，反之亦然。因此，根據MCR模型確定的最小累積阻力值低的生態用地發揮著極其重要的生態系統服務功能，該生態用地即為關鍵性生態用地。本研究將對獲取的最小累積阻力值進行劃分，與 GIS相結合[28-29]，從而識別出關鍵性生態用地。MCR模型計算公式如下：

式中MCR指最小累積阻力值，Dij指生態用地從源i到j的空間距離，Ri表示源i對生態用地空間擴張的阻力系數，∫表示最小累積阻力與生態過程的正相關關系。該模型可通過ArcGIS 10.2軟件的COST-DISTANCE模塊實現。

1）“源”的確定

“源”是起點，具有同質及向外擴張或吸引外部的能力，是維護生態系統穩定和景觀格局完整性的重要區域，是區域生態系統服務功能不被破壞的基本保障。研究區具有較高的生態系統服務功能價值，而發揮這些功能的生態用地不僅僅是水域和林地，還有其他的生態用地，因此本研究綜合考慮研究區主要的生態系統服務功能，基于生態用地重要性綜合評價結果，提取面積大于10 km2的極重要等級生態用的范圍為“源”。

2）“阻力面”的構建

“源”地擴張的阻力面構建，本質上是物種水平空間運動的生態過程以及生態功能的流動與傳遞，主要受土地覆被狀態和人為干擾程度的影響[2,4]。基于此，本研究以土地利用類型為阻力因子，構建研究區關鍵性生態用地識別“阻力面”，阻力值為1~500，值越大代表阻力越大，“源”的擴張成本也越大；不同的土地利用類型，如林地、草地、農用地、水域、其他用地及建設用地，分別賦予1、15、40、50、300及500的阻力值[2,4,30-31]。

3 結果與分析

3.1 生態用地重要性評價

根據構建的基于生態系統服務功能的生態用地重要性評價指標體系及劃分標準，對研究區生態用地重要性進行單因子評價和綜合評價，評價結果見表3、圖2。從表3可以看出，本研究選取林地、草地、農用地、水域及其他用地為生態用地，總面積為2 267.55 km2，約占整個研究區總面積77.66%。

表3 滇池流域生態用地單因子評價結果Table 3 Single factor evaluation results of different ecological land in Dianchi watershed

基于水源涵養的單因子評價結果表明（圖2a），極重要水源涵養生態用地面積1 450.13 km2，占研究區總面積49.66%，主要以大面積水域、林地為中心，呈現連片趨勢，重要性向四周逐漸減弱，面積大小也隨著重要性的降低而減小；涵蓋滇池、松華水庫等水域，三尖山、小灣山等林地，空間上呈現大面積連片，能發揮良好的涵養水源的作用。

基于生物多樣性保護的單因子評價結果表明（圖2b），極重要生物多樣性保護生態用地面積227.36 km2，占研究區總面積7.79%，包括水域、林地等，如滇池、八家村水庫、壩口山、大凹山至小背籮箐頭等區域。各重要性等級的生態用地面積較為平均，且較為均勻的分散于整個研究區，人類活動強度影響著生態用地重要性等級，如活動強度較大的農用設施用地等區域重要性等級低，多為非重要等級與一般重要等級，人類活動較少區域的生物多樣性保護功能較為完善，即極重要等級生態用地，發揮著保護生物、維護生態穩定的作用。

基于水土保持的單因子評價結果表明（圖2c），極重要水土保持生態用地面積546.14 km2，占研究區總面積18.70%，主要位于研究區北部嵩明縣滇源鎮、阿子營街道的林地，包括五龍山、石鼓山、法界寺森林公園等，呈貢區、官渡區以及晉寧區的中部。這些區域呈不規則條帶狀，分布于整個研究區，整體上呈現小面積集聚，無大面積成片特征。

基于景觀休閑的單因子評價結果表明（圖2d），極重要景觀休閑生態用地面積37.61 km2，僅占研究區總面積1.29%，主要分布于交通與水域通達、城鎮邊緣的區域，如滇池邊緣、城市中心區邊緣等，這些區域的特點為以小面積斑塊集聚，各斑塊之間相互獨立，依附水域、遠離城市經濟中心，發揮著景觀與休閑功能。

將各單因子評價結果疊加分析，得到生態用地重要性綜合評價結果（圖2e）。極重要生態用地面積1 238.36 km2，占流域總面積42.41%，地類多為林地、水域，主要分布在研究區北部、西南部和南部，包括滇池、松華水庫、西山保護區等區域；很重要生態用地面積231.69 km2，占流域總面積的7.93%；重要生態用地面積315.86 km2，占比10.82%，主要分布于整個流域南部與東南部，如晉寧區與呈貢區中部，零散分布，斑塊面積較小；一般重要生態用地面積286.24 km2，占比9.80%，零散分布于整個研究區；非重要生態用地面積195.39 km2，占滇池流域6.69%，集中分布于北部，一般重要與非重要綜合生態用地緊密相鄰。

3.2 關鍵性生態用地識別分析

3.2.1 “源”分析

基于研究區生態用地重要性綜合評價結果，提取面積大于10 km2的極重要等級生態用地的范圍為“源”（圖3a），面積約為 984.40 km2，占流域生態用地面積43.41%，占流域總面積33.71%。主要包括滇池、松華水庫等大面積水域，晉寧區內的砌石磨山至石官坡埡口、蘇家大山至偏頭山等，盤龍區金剛山、莽梁山等區域。這些區域對研究區生態系統服務功能的發揮具有最重要的作用，能滿足較高的生態需求。

3.2.2 “阻力面”分析

借助ArcGIS10.2軟件，通過對研究區遙感影像圖解譯，獲取研究區2019年土地利用類型圖（圖3b），基于此構建研究區“阻力面”（圖3c）。高、中與低阻力區面積分別為769.12、960.06、1 190.82 km2。高阻力區主要分布于研究區中西部，是昆明市市中心所在地，經濟發展與人類活動強度較高的區域。高阻力區在“源”地的擴張過程起著明顯的阻礙作用，中阻力區是高、低兩阻力區的緩沖地區，低阻力區對生態“源”地的擴張阻力較小，為遠離城鎮等人類活動強度大的區域。

3.2.3 關鍵性生態用地分析

基于MCR模型，根據上述分析獲得的“源”與“阻力面”，識別出研究區關鍵性生態用地（圖3d）。關鍵性生態用地面積為1 216.30 km2，占流域總面積41.65%，主要分布于流域北部、中西部及東部邊界，空間上呈現大型斑塊為主，小型斑塊分布于各大型斑塊中的特征；主要包括滇池、大石頭水庫、松華水庫、天生壩水庫等大面積水域，棋盤山、金殿、龍川橋及東大等森林公園。關鍵性生態用地中面積最大的是林地與水域，其次為農用地、草地和其他用地；其中林地斑塊面積為774.53 km2，占研究區總面積26.52%，水域斑塊面積為306.39 km2，占研究區總面積10.49%；農用地、草地和其他用地斑塊面積分別為68.74、44.79、21.85 km2，分別占流域總面積2.35%、1.53%、0.75%，因此需重點保護林地及水域，例如滇池、棋盤山森林公園、長蟲山、西山等。關鍵性生態用地具有明顯的涵養水源、預防水土流失、保護生物多樣性，發揮景觀休閑等作用，是維護流域生態平衡、生態安全最重要的區域，在生態系統服務功能穩定中發揮不可或缺的作用。嚴禁任何的建設活動，不得肆意破壞，必須嚴加保護；對于城區內的關鍵性生態用地要緊密結合現有的公園及景區等，構建城市綠色生態網絡，達到保護與利用相結合，從而保證研究區生態系統服務功能的穩定。

4 討 論

國內外對生態用地識別的研究，針對不同尺度、不同地域的研究區，采用的方法不同，適用性也不同。本研究中，基于流域尺度，采用MCR模型對滇池流域關鍵性生態用地進行識別研究，發現關鍵性生態用地涵蓋了大面積水域、林地等土地利用類型，發揮著重要生態系統服務功能，能夠有效反映研究區生態系統的基本特征，表明MCR模型具有較強的適用性。這與謝花林等研究結果相類似[1-4]。在構建 MCR模型時，綜合考慮滇池流域主要生態系統服務功能，選取生態用地重要性綜合評價結果中面積大于10 km2的極重要等級生態用地為“源”，減少了因僅考慮面積大小，直接選取大面積水域、自然保護區而忽略其他具有重要生態系統服務功能的生態用地造成的誤差[3-4]。因此，MCR方法在聚焦生態用地自身生態系統服務功能基礎上，也可關注各用地之間生態過程的內在聯系，并具有數據獲取容易、運算便捷、結果直觀及實用性較強等特點[19]。

本研究基于生態系統服務功能識別出滇池流域的關鍵性生態用地，明確了關鍵性生態用地是維護區域生態系統服務的最關鍵、最高效、不可替代的土地單元[1,4,6]，為研究區生態用地的保護和合理利用提供了依據。將關鍵性生態用地與生態用地重要性綜合評價結果進行空間疊加，發現極重要等級生態用地83.19%在關鍵性生態用地范圍內，而很重要等級生態用地則不在此范圍內，主要原因是采用MCR模型時，僅提取面積大于10 km2的極重要等級生態用地為“源”地。為保護和合理利用生態用地，由于關鍵性生態用地中包含大面積水域和林地，需要建立相應的生態廊道來維持其面積、數量和質量；同時，可通過建設道路林、綠化帶以及整合濕地公園等方式，增加各大型斑塊之間的聯系，提高研究區景觀連通性以及各生態用地之間的物質、能量的流動，從而保障流域生態系統功能穩定。

本研究實踐證明，以生態系統服務功能為切入點，利用 MCR模型能識別出滇池流域中具有最重要生態功能的生態用地，可為快速城鎮化背景下區域生態用地空間保護和合理規劃提供參考依據。但是，本研究在生態用地重要性評價方面，基于高原湖濱區域本身的生態環境特點，城鎮化進程中建設用地需求等方面的考慮，僅選取了水源涵養、生物多樣性保護、水土保持、景觀休閑等 4個生態系統服務功能，今后的研究中可以把更多的生態系統服務功能納入進一步考慮。

5 結 論

1）本研究從水源涵養、生物多樣性保護、水土保持及景觀休閑 4個生態系統服務功能入手分析得到各單因子的生態用地，進而獲得滇池流域生態用地的綜合評價結果，并分為極重要、很重要、重要、一般重要、非重要 5種。其中，極重要等級生態用地占比最大，面積1 238.36 km2，占流域總面積42.41%。

2）基于MCR模型，以生態用地綜合評價結果中面積大于10 km2的極重要等級生態用地作為“源”地，以土地利用類型構建“阻力面”，識別出滇池流域關鍵性生態用地。關鍵性生態用地面積為1 216.30 km2，占流域總面積41.65%，地類包括林地、水域、草地、農用地及其他用地，面積分別占研究區總面積的26.52%、10.49%、1.53%、2.35%、0.75%。主要分布于滇池流域北部、中西部及東部邊界，是維持流域生態系統服務功能穩定的底線型生態用地。