基于多源數據的廣州市南沙區生態空間識別

肖紅，蘇雪云，蔣昌晶*，孫端

（1.廣東省測繪工程有限公司，廣東 廣州 510700；2.廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510700；3.自然資源部華南熱帶亞熱帶自然資源監測重點實驗室，廣東 廣州 510700；4.廣東省自然資源科技協同創新中心，廣東 廣州 510700）

隨著廣州市南沙區工業化和城市化進程的加速推進，城市生態空間不斷遭受到生活和生產空間的擠壓，區域生態功能逐漸失衡，生態安全問題也日益顯露[1]。《生態文明體制改革總體方案》[2]指出，要合理規劃生產、生活和生態空間，構建國土空間規劃管理體系，完善土地利用管制制度?！蛾P于建立國土空間規劃體系并監督實施的若干意見》[3]也明示，需兼顧社會經濟、生態環境和國土空間等要素，嚴格布控生產、生活和生態空間。由此可見，生態空間是構成國土空間的重要部分，其科學識別也是維護區域生態安全、促進區域經濟發展和生態保護平衡的有效途徑之一。

生態空間泛指為人類社會提供相關生態功能的具備自然屬性的空間范疇。近年來，國內外學者紛紛對生態空間及其識別展開了探索研究。從研究對象來看，主要包括城市、生態功能區、生態經濟區以及河流流域[4-7]，而以國家級新區為研究對象的生態空間識別研究較少[8]；從研究方法來看，涵蓋以定性分析為主的列表法、以定量分析為主的疊加法以及不斷創新的模型方法等[9-13]，而基于生態功能重要性和生態環境敏感性評價方法來識別生態空間的研究相對不足[14]。生態功能重要性評價可體現區域生命系統和環境的平衡狀況，生態環境敏感性評價則可反映地區發生生態環境問題的概率大小[15]。因此，基于生態服務功能重要性和生態環境敏感性兩個方面展開生態空間識別，可更全面地考慮環境和社會本底因素，有利于協調生態系統與土地利用之間的矛盾，促進區域生態系統的完整性和持續性[15]。

近年來，南沙區的發展戰略地位持續提升，形成了“三區一中心”的新局面，廣州市也明確將舉全市之力推進南沙區建設。隨著區域經濟的快速發展，南沙區濕地和農用地縮減、生物多樣性降低、地表沉降、水土流失等生態問題逐漸顯露。為緩和社會經濟發展與生態環境保護之間的沖突，南沙區生態空間的科學識別尤為重要。因此，本文以廣州市南沙區為研究對象，利用RS和GIS技術，從生態系統服務功能和生態環境敏感程度兩個方面對南沙區生態空間展開微觀尺度的識別分析，以期為研究區生態文明建設和綠色發展提供參考依據。

1 研究區概況

南沙區地處廣州市最南端、珠江虎門水道西側，深居粵港澳大灣區腹地，交通區位十分優越，于2012年被批為國家級新區。全區規劃總面積為803 km2，下轄6鎮3街，常住人口約為100萬人。2019年南沙區經濟初步呈現高質量發展態勢，全年地區生產總值達到1 683.23億元，較上年提高10.5個百分點。全區為亞熱帶季風氣候，溫暖潮濕，年均氣溫為22.6℃，年均降水量為1 673.1 mm。區內水資源豐富，海岸線全長106.73 km，海域面積為351.57 km2，占廣州市海域總面積的87.91%。由于中部山丘較多、四周多為平原和海涂，南沙區地形呈中間高四周低的態勢。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文采用的MODIS數據從NASA官網下載，時間為2018年，分辨率為250 m。經過數據格式轉換、投影信息轉換等預處理，提取NDVI波段數據，并在此基礎上利用像元二分法得到植被覆蓋度。降雨量和蒸散發量監測數據由廣東省氣象局提供，時間為2009—2019年。森林生態系統數據來源于廣東省林業廳提供的第四次森林調查二類調查成果數據庫，根據樹種結構將森林生態系統劃分為常綠闊葉林、常綠針葉林和針闊混交林3類。土壤數據來源于南京土壤所發布的全國土壤二調1∶100萬土壤數據。DEM高程數據通過“地理空間數據云”網站獲取，分辨率為30 m，時間為2019年。Sentinel-1A影像 從EarthData官網下載，距離向和方位向分辨率分別為5 m和20 m，時間為2018—2019年。上述數據均在ArcGIS軟件中進行處理，數據像元大小統一為20 m×20 m柵格。

2.2 研究方法

依據《生態保護紅線劃定指南》[16]，結合南沙區實際情況，本文選取生態系統服務功能重要性和生態環境敏感性兩個評價方法，并對原有指標進行相應的補充或刪減，最終確定參與生態系統服務功能評價的指標包括水源涵養、水土保持和生物多樣性維護因子，參與生態環境敏感性評價的指標為水土流失和地質災害因子。

2.2.1 生態系統服務功能重要性評價

1）水源涵養一般是指生態系統通過截取、滲透、存儲和蒸發等方式來調控降水的能力。本文通過水量平衡方程求取南沙區水源涵養能力，計算公式為[17]：

式中，TQ為區域總水源涵養量；Pi為年均降雨量；Ri為地表徑流量；ETi為年均蒸散發量；Ai為第i類生態系統面積；i為生態系統類型；j為研究區生態系統類型數量。

2）水土保持一般是指生態系統調控水土流失平衡的能力。本文采用修正水土流失方程求取南沙區水土保持能力，計算公式為[18]：

式中，A為區域水土保持量；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；LS為地形起伏度因子；C為植被覆蓋因子。

3）生物多樣性維護。生物多樣性包括生態系統、基因和物種3個方面，是維護生態和糧食安全的必要保障。本文選擇InVEST模型的Habitat Quality（生境質量）模塊對其展開評價，包括區域生境退化程度和區域生境適宜性兩個部分。區域生境退化程度的計算公式為[19]：

式中，Dxj為生境退化程度；r為脅迫因子；R為脅迫因子數量；Yr為脅迫因子柵格總數；Wr為脅迫因子所占比重；ry為各柵格的脅迫因子數量；irxy為各柵格的脅迫水平；βx為理想狀態下柵格的可達程度；Sjr為土地類型的敏感度。

區域生境適宜性的計算公式為[19]：

式中，Qxj為柵格內的生境質量；Hj為土地覆蓋類型對物種的生境適宜性；Dxj為柵格內的生境退化程度；k為半飽和常數。

4）生態系統服務功能重要性評價，首先利用ArcGIS柵格計算器工具計算各單項因子歸一化后的生態系統服務值，并通過累加服務值法確定等級劃分標準（表1）；然后按照分級標準，將各單項因子生態系統服務功能重要性劃分為極重要、重要和一般重要3個等級；最后采用析取運算展開生態系統服務功能重要性的綜合評價[20]，以反映區域生態系統服務水平。其計算公式為：

表1 生態系統服務功能各評價因子分級標準

式中，ESI為區域生態系統服務功能重要性；Q為生物多樣性維護功能重要性；TQ為水源涵養功能重要性；A為水土保持功能重要性。

2.2.2 生態環境敏感性評價

1）水土流失。南沙區水土流失類型以水力侵蝕為主。本文采用通用水土流失方程求取南沙區水土流失敏感程度，計算公式為[21]：

各因子的賦值方法如表2所示，水土流失敏感性評價分級標準如表3所示。

表2水土流失敏感性各評價因子和分級標準

表3 水土流失敏感性評價分級標準

2）地質災害。由于南沙區軟土資源較豐富，且開發力度較大，地表沉降已成為該區典型的地質災害問題。InSAR技術作為城市地表監測的重要手段之一，其監測結果具有精度高、監測范圍大、受氣候影響小等優勢[22]。本文利用InSAR技術，經過DEM轉換、SAR數據轉換、遙感影像拼接等數據預處理，對南沙區的15景Sentinel-1A數據進行時序分析，得到南沙區近年來的地表形變量；再針對形變結果進行總體形變分析和局部重點分析，并通過精度評定、PS交叉驗證等方式完成結果驗證，得到最終的地質災害數據。地質災害因子分級標準如表4所示。

表4 地質災害敏感性評價因子與分級標準/（mm/yr）

3）生態環境敏感性評價采用析取運算來綜合評價南沙區的生態環境敏感程度，計算公式為：

式中，ES為生態環境敏感性；SSi為水土流失敏感性；GSi為地質災害敏感性。

3 研究結果與分析

3.1 生態系統服務功能重要性評價結果

1）水源涵養功能重要性。南沙區水源涵養功能重要性評價結果如圖1所示，可以看出，重要的水源涵養區主要分布在十八羅漢山森林公園、大山乸森林公園、黃山魯森林公園和南沙濕地公園區域，該區域地形主要為丘陵和低山，植被豐富、降水量大，蒸發散熱能力相對較強。

圖1 水源涵養功能重要性評價

2）水土保持功能重要性。南沙區水土保持功能重要性評價結果如圖2所示，可以看出，重要的水土保持區主要分布在黃山魯森林公園、大山乸森林公園、十八羅漢山森林公園以及河涌流域，該區域主要為低山與河涌，光熱充足、雨量充沛，土壤類型多為壤土，質地濕潤、保水保肥性能較好，具備良好的耕作條件。

圖2 水土保持功能重要性評價

3）生物多樣性維護功能重要性。南沙區生物多樣性維護功能重要性評價結果如圖3所示，可以看出，重要的生物多樣性維護區主要分布在珠江口流域、黃山魯森林公園、南沙濕地公園和十八羅漢山森林公園區域，該區地形多為河流和低山，植被豐富、水系眾多，適宜物種生存。

圖3 生物多樣性維護功能重要性評價

4）生態系統服務功能重要性評價。單因子評價結果往往只能反映某一類型因子的影響過程，為綜合辨識區域的生態系統服務功能重要性，本文采用析取方法，在ArcGIS軟件中利用像元統計數據（CellStatistics）工具計算南沙區生態系統服務功能重要性（圖4、表5），并統計各街（鎮）的分布情況，以揭示其空間分布規律。結果表明，極重要的生態系統服務功能區面積為182.54 km2，占總面積的22.73%，主要分布在珠江口流域、南沙街道中部和大崗鎮西北部，這些區域多為河流和森林，植被覆蓋度高，雨量豐沛、光線充足，水域調節功能和蓄水能力均較強。重要的生態系統服務功能區面積為231.25 km2，面積占比為28.80%，主要分布在萬頃沙鎮東南部和龍穴街道西北部，該區域包括南沙濕地公園、百萬葵園和南沙水鳥世界生態園等，降雨量較大，生物多樣性豐富。一般重要的生態系統服務功能區面積為389.21 km2，面積占比為48.47%，主要分布于城市建設開發區域等地勢平坦地帶。

圖4 生態系統服務功能重要性評價

表5 南沙區生態系統服務功能重要性評價統計結果

3.2 生態環境敏感性評價結果

1）水土流失敏感性。南沙區水土流失敏感性評價結果如圖5所示，可以看出，水土流失敏感區主要分布在南沙區西北部和中部，該區域降雨量較多，地表土壤沖刷力度較強，不利于水土保持。

圖5 水土流失敏感性評價

2）地質災害敏感性。南沙區地質災害敏感性評價結果如圖6所示，可以看出，地表沉降速率最大的區域位于珠江街道，沉降區域最多的是大崗鎮，主要沿江分布，局部區域年均沉降速率超過110 mm/yr，其余區域均有零星沉降點分布?？偟膩砜?，沉降區域主要分布在江河沿岸、施工以及圍墾區域，生態環境較為敏感，且受人類活動影響較大，地質災害風險相對較高。

圖6 地質災害敏感性評價

3）生態環境敏感性評價。對上述敏感性評價單項因子進行疊加分析，計算得到生態環境敏感性評價結果（圖7、表6）。結果表明，生態環境極敏感區面積為86.16 km2，面積占比為10.73%，主要分布于欖核鎮西部、東涌鎮中部和黃閣鎮中部地區；生態環境敏感區面積為324.25 km2，面積占比為40.38%，主要分布于東涌鎮、欖核鎮和大崗鎮中部，該區域植被豐富，土地產能高，人類活動較集中，土地開發強度較大；生態環境一般敏感區面積為286.73 km2，面積占比為35.71%，主要分布于珠江口流域和南沙濕地公園等區域。

圖7 生態環境敏感評價

3.3 生態空間識別

本文利用ArcGIS平臺的按屬性提取工具，將生態系統服務功能重要及以上的區域和生態環境敏感及以上的區域提取出來，并進行疊加分析，得到南沙區生態空間識別初步結果。在此基礎上，依據廣東省生態保護紅線劃定數據，增補南沙區重要飲用水源地和自然保護區等須嚴加保護的區域。此外，為維護生態、生產和生活空間三者的協調關系，本文以分辨率較高的遙感影像數據和土地利用數據為參考，剔減不屬于生態空間的城市建設用地和農用地，最終得到南沙區生態空間識別結果如圖8、表7所示。結果表明，南沙區生態空間面積為410.41 km2，占總面積的51.11%，主要分布在萬頃沙鎮、大崗鎮、東涌鎮以及珠江口水域。生態系統服務功能下重要的水源涵養功能區主要呈斑塊狀分布于南沙街道中部、黃閣鎮西南部和大崗鎮西北部；重要的水土保持功能區主要分布于南沙街道中部、黃閣鎮西南部和河涌流域；重要的生物多樣性維護功能區主要呈帶狀分布于珠江口流域。生態環境敏感性下的水土流失敏感區主要分布于東涌鎮、欖核鎮和大崗鎮；地質災害敏感區則呈散點狀分布在大崗鎮南部、黃閣鎮西南部、南沙街道北部以及橫瀝鎮中部。上述區域均為生態環境相對脆弱的地區，地方在后續土地利用時須加強生態保護，科學規劃管理，以提高區域生態系統的穩定性，維護區域生態系統安全。

表6南沙區生態環境敏感性評價統計結果

表7各街（鎮）生態空間統計

圖8 生態空間分布范圍

4 結語

本文以廣州市南沙區為研究區，基于生態系統服務功能重要性和生態環境敏感性評價方法構建了生態空間識別體系；采用RS和GIS技術提取了生態系統服務功能重要區和生態環境敏感區，同時補充了各類需加以保護的區域，剔除了城市生產和生活用地，從而綜合識別南沙區生態空間范圍。最終識別得到南沙區的生態空間面積為410.41 km2，占全區行政面積的51.11%，主要包括珠江口流域、森林公園、濕地公園以及河涌等區域，這些區域對地區生態系統平衡和生態安全具有重要的維護作用。

生態空間是維護國土空間規劃秩序，提升國土管制水平的重要部分[23]。本文對南沙區生態空間進行識別分析旨在使人們清楚認識南沙區自然生態系統的重要性和敏感性，不僅有利于維護區域生態系統平衡，而且能為后續相關研究提供一定的參考。當然，本文也存在一定的不足，由于指標評價過程所需基礎數據來源豐富，主要通過各部門和數據網站獲取，存在部分數據精度、比例尺、格式不統一的情況，在數據轉換與融合過程中，難免產生一定的誤差；且在指標綜合評價時，主要參考的是《生態保護紅線劃定指南》[16]，該標準的評價方法可能更適用于大尺度地區，用以評價20 m×20 m微觀尺度，結果可能存在一定的誤差。因此，如何提高評價精度，進一步科學識別生態空間還有待深入研究。