南方丘陵地區生態系統服務變化對國土空間規劃的指示意義

邵宇婷,肖 軼,桑衛國

中央民族大學生命與環境科學學院,北京 100081

2019年《關于建立國土空間規劃體系并監督實施的若干意見》的發布標志著我國國土空間規劃體系的初步形成[1]。然而,目前大部分土地利用規劃方案注重經濟發展,忽視生態建設,現有土地利用規劃也存在較多盲目性問題,難以實現可持續發展[2]。2020年實施的《市級國土空間總體規劃編制指南(試行)》強調,在規劃過程中要保證生態功能的系統性和完整性,城鎮開發邊界要避讓重要生態功能區[3]。國土空間規劃與生態文明建設的聯系逐漸緊密,因此,基于生態環境狀態進行合理的國土空間規劃,以提升環境承載力,對人與自然和諧發展的目標具有重要的現實意義[4]

評估生態環境狀態應當從生態系統服務和生態敏感性兩個角度全面考慮[5]。生態系統服務是指人類直接或間接地從生態系統中所獲得的惠益[6]。生態系統服務評估有多種方法,功能量的評估主要基于人類活動過程和生態系統的動態性[7],綜合考慮植被[8]、地形[9]等自然因素及人口[10]、GDP[11]等人為因素,能夠全面地反映生態系統服務功能[12]；生態敏感性是指生態系統對區域內自然和人類活動干擾的敏感程度[13],通過對敏感機制的分析與評價反映影響生態系統服務的主要因素。因此,生態系統服務與生態敏感性的定量計算為國土空間規劃提供了具有客觀性的依據[14]。

國土空間規劃是統籌國土空間開發、利用與保護資源優化配置的方案[15]。楊帆[16]通過分級評價生態系統服務功能及生態敏感性,為蘭州市國土空間規劃指標體系的確定提出合理依據。熊善高等[17]依據生態系統服務功能重要性區域與生態環境敏感性區域的空間疊加結果,劃定南寧市生態空間分布。申佳可等[18]提出的景觀生態網絡規劃體系準確地篩選出區域內生態系統供給與需求不匹配的具體位置,進一步闡述了生態系統服務在國土空間規劃中的指導意義。目前我國的空間規劃方案多傾向于城鄉基礎設施建設或沿海經濟發達地區的戰略布局[19],主要涉及到城市[20]、水體[21]及農田[22]等生態系統。規劃方案多以行政區域為單位[23],針對內陸山地區域及森林生態系統的關注仍然較少[24],因此本文通過分析不同時空條件下的生態系統服務,以便于進行生態指標在資源配置過程中體系構建的研究。

南方丘陵地區占我國國土面積的13%,處于珠江和長江兩大流域之內,分布有湘江、烏江、洞庭湖、鄱陽湖等水體[25],主要包含國家主體生態功能區劃 “兩屏三帶”中的南方丘陵山地帶,是國家生態安全格局的重要組成部分[26]。本文的研究以南方丘陵地區為研究區域,對生態系統服務與生態敏感性進行量化評估并進行疊加分析,最終劃定生態功能區。本研究對于實現各種資源的合理利用以及可持續發展具有重要的現實意義,同時也為南方丘陵地區國土空間規劃提供理論依據。

1 研究區域概況

南方丘陵地區位于秦嶺-淮河以南、青藏高原以東的山地和丘陵分布區(圖1),涉及南方多個省,地理位置在東經103°45′—120°13′E,北緯24°25′—35°38′N之間[27]。全區總面積約為1209808.33 km2,整體地勢具有明顯的空間差異,西部高東部低,西部以高原為主,擁有中國四大高原之一的云貴高原；東部地區則以丘陵為主,占比超過區域總面積的47%。區域內森林資源豐富,常綠闊葉林最多,占研究區域總面積的45%以上,常綠針葉林其次。南方丘陵地區氣候溫暖、水熱資源條件好,屬于亞熱帶季風氣候,溫度在14—22℃之間,降水量在1000—1400 mm之間。

圖1 2015年南方丘陵地區生態系統類型及區劃示意圖

2 研究方法

2.1 數據來源與處理

本研究選取中國科學院遙感與數字地球研究所1995年、2000年、2005年、2010年和2015年五期30 m精度的Landsat TM/ETM/OLI遙感影像為基礎影像數據。依據中科院土地覆被分類系統及實際研究需要, 運用ENVI軟件對圖像進行校正、配準、波段選擇與融合等相關處理,將南方丘陵地區生態系統分為：常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉闊葉林、灌叢、草地、濕地、耕地、城鎮和建設用地、裸地和水體10種生態系統類型,精確率達到85%以上。1995—2015年南方丘陵地區的氣象數據(包括降雨量、氣溫、蒸散發等)來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn/),1∶100萬土壤質地數據來源于中國科學院南京土壤研究所的中國土壤數據庫(http://vdb3.soil.csdb.cn/)。行政區矢量數據、高程數據來源于中國科學院地理科學與資源研究所。社會經濟數據來自區域內各省、市1995—2015年的統計年鑒。運用ArcGIS 10.4.1軟件,將空間數據重采樣為250 m×250 m的柵格單元,基于柵格單元進行計算,以便于分析區域生態系統服務及土地資源利用的時空變化特征,最后提出國土空間優化建議。

2.2 生態系統服務功能量評估

根據《2018年中國水土保持公報》、《2019年中國國土綠化狀況公報》等文件,得出研究區主導的生態系統服務功能為水源涵養、土壤保持和固碳服務[28]。水源涵養功能量評估采用區域水量平衡法[29],土壤保持功能量評估采用InVEST模型中修正通用的水土流失方程模塊[30],固碳服務采用CASA[31](Carnegie-Ames-Stanford Approach) 模型對凈初級生產力(NPP)進行量化評估,具體計算公式如表1所示。

表1 生態系統服務功能分析指標與評價方法

2.3 生態系統服務功能重要性評價

以2015年的生態系統服務功能量為基礎,計算生態系統服務功能重要性指數[32],公式如下：

(10)

WSI=Max{WSn}

(11)

式中,WSn代表生態系統服務類型n的功能重要性指數,ESn,j代表在柵格j內生態系統服務類型n的功能量。WSI為綜合生態系統服務功能重要性指數。

依據2016年12月,中共中央辦公廳、國務院辦公廳聯合印發《省級空間規劃試點方案》并結合研究區域現狀,分別選取生態系統服務功能重要性指數為0.4、0.6和0.8對應的柵格值作為分界點,將研究區的生態系統服務功能重要性分為4個等級：不重要、一般重要、重要、極重要。

2.4 生態系統服務影響因素分析

本研究參考其他學者已有研究并結合數據的可獲取性,選取降水、溫度、植被覆蓋度3種自然因素及人口密度、GDP 2種社會經濟因素進行多元線性回歸統計[33],分析不同影響因素對生態系統服務功能的作用效應,公式如下。

Eni=X+K1Xpr+K2Xtem+K3XL+K4XGDP+K5XPOP

(12)

式中,Eni為單位面積生態系統類型i提供的服務n的功能量,K為偏回歸系數,Xpr為年降水量(mm),Xtem為月平均溫度(℃),XL為植被覆蓋度(0—1),XGDP為GDP(元),Xpop為人口密度(人/km2)。

2.5 生態敏感性評價

本研究選取生態系統服務的主要影響因素(溫度、降水、植被覆蓋度、GDP和人口密度)及地形因素(坡度)為生態系統敏感性評估指標,運用SPSS 26軟件進行主成分分析以確定各指標的影響權重,并計算生態敏感性指數[34],公式如下：

(13)

式中,SS為評價指標敏感性指數,Wi為i指標權重,Ci為i指標敏感性等級賦值,i為生態敏感性評估指標。依據ArcGIS軟件中自然間斷點分級法將單因素敏感性劃分為5個等級(表2)并結合權重計算出研究區域總生態敏感度。

表2 生態系統服務因子敏感性等級劃分表

2.6 生態用地規劃標準

本研究利用 ArcGIS 10.4.1軟件對2015年生態系統服務功能重要性與生態敏感性結果進行空間疊加分析,結合《資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價指南(試行)》等文件,將南方丘陵生態用地劃分為重點保護區、服務供給區、適度開發區和城鎮建設區4個生態功能區[35],具體規劃標準如表3所示。

表3 生態功能區分類標準

3 結果與分析

3.1 土地利用動態變化分析

南方丘陵地區1995—2015年間土地利用變化如表4所示,區域內常綠闊葉林的面積逐年增加,從574590.34 km2增加到601368.83 km2,主要由常綠針葉林、灌叢轉化而來。常綠針葉林面積逐漸減少,從252376.25 km2減少到210545.00 km2,主要轉化為常綠闊葉林和農田,分別發生在研究區域的東部和西部。如圖2所示,研究時間段內,農田面積所占比例均保持在區域總面積的20%以上并持續升高,主要由森林生態系統及草地生態系統轉入,同時轉出為城鎮和建設用地,主要發生在研究區西部重慶市周邊和研究區東北部大城市周邊。城鎮和建設用地在1995—2015年迅速擴張,其面積從3697.29 km2增加到11664.92 km2,廣泛分布于研究區域內。同1995年相比,2015年南方丘陵山地屏障帶的自然生態系統總面積略有減小,農田、城鎮和建設用地總面積明顯增加,這與近年來我國城市化進程加快,大面積破壞生態系統進行經濟建設密切相關。

圖2 1995—2015年南方丘陵地區生態系統類型轉化

表4 1995—2015年南方丘陵地區生態系統類型轉移矩陣/km2

3.2 南方丘陵地區生態系統服務評估

3.2.1 生態系統服務功能量評估

如表5所示,1995—2015年,南方丘陵地區生態系統服務功能量呈先下降后上升的趨勢,各生態系統服務總量由1995年迅速降低至2000年,2005年后再緩慢回升。歷年間各生態系統類型提供功能量的比例結構不變,從高到低依次為：常綠闊葉林、常綠針葉林、灌叢、落葉闊葉林、草地和濕地。20年間常綠林闊葉林提供的水源涵養功能量占總區域的70%以上,土壤保持功能量占比約為68%,固碳服務功能量占比約為65%。草地和濕地兩者對水源涵養功能的貢獻率之和約為0.5%,對土壤保持服務的貢獻率之和約為1%,對固碳服務的貢獻率之和不足2%,主要原因是兩者在區域內的面積占比過低。

表5 南方丘陵地區各生態系統類型服務功能量

3.2.2 生態系統服務功能重要性評價

南方丘陵地區生態系統服務功能重要性如圖3所示,水源涵養功能的極重要、重要、一般重要區域均為研究區總面積的30%左右,不重要類型約占1%,可忽略不計,極重要區域分布于東部、南部的森林生態系統分布區,同時沿海城市較多使年降水量偏高,導致水源涵養功能較強。中部以重要類型為主,西北部以一般重要類型為主。土壤保持功能則以不重要類型為主,占研究區域總面積的84.21%,一般重要性區域與重要區域分別占據11.44%和4.02%,而極重要區域不足1%,這主要由于區域內山地、丘陵眾多,地形地貌不利于土壤理化性質的保持。固碳服務功能以重要類型為主,占總面積的73.17%,極重要類型占比15.23%,主要分布在南部廣東省等氣候溫和的地域,一般重要類型占比10.62%,主要位于農田及城鎮分布區域。研究區內綜合生態系統服務極重要、重要、一般重要、不重要區域分別占比 41.22%、52.58%、5.99%、0.21%,總體來看南方丘陵地區生態系統服務功能處于較高水平。

圖3 生態系統服務功能重要性

3.2.3 生態系統服務功能影響因素分析

如表6所示,各生態系統服務功能總量與降水、溫度、植被覆蓋度呈正相關關系,年降水量對各生態系統類型的服務功能量影響系數均在0.2左右,溫度、植被覆蓋度對森林生態系統的影響系數較高分別約為0.3、0.4,對灌叢、草地、濕地的影響系數分別為0.2、0.3。社會經濟因素與生態系統服務量呈負相關,大部分影響系數約為0.1。其中,灌叢的生態系統服務受GDP和人口密度的影響作用最小,影響系數分別為0.06與0.08。常綠針葉林生態系統和濕地生態系統受人口密度的影響作用較大,影響系數分別為0.19、0.17。植被覆蓋度與人口密度是影響生態系統服務的主要因素,相較于其它生態系統類型,森林生態系統服務受自然及社會經濟因素的作用較明顯。

表6 南方丘陵地區生態系統服務變化驅動因素回歸分析

3.3 生態敏感性分析

3.3.1 單因子生態敏感性評價

南方丘陵地區的生態敏感性評價結果如圖4顯示,坡度的生態敏感性處于中低水平,研究區域內一般敏感區和輕度敏感區面積之和占比66.88%。隨著全球變暖的影響,溫度越高生態系統敏感性越高,中度敏感與重度敏感區面積之和約占60%,分布在中部及西北部,極度敏感區占比15.34%,集中于南部經濟發達的省市。降水的敏感性由東南到西北逐漸提升,每個敏感區的面積約占比20%。植被覆蓋度以一般敏感性為主,占比72.57%,輕度敏感區占比21.28%。大面積森林生態系統分布區域內GDP和人口密度指標的敏感程度為一般敏感,占比分別超過60%與40%,極度敏感區占比分別為6.94%、10.70%,主要以農田及城鎮建設區域為主。

圖4 南方丘陵地區生態敏感性空間分布圖

3.3.2 綜合生態敏感性評價

南方丘陵地區生態敏感度以中度敏感為主,占比65.33%,在研究區域內廣泛分布。一般敏感與極度敏感區占比較低,這使得南方丘陵地區生態敏感性的空間差異較小,有利于進一步的國土空間規劃。輕度敏感區占22.42%,主要分布于中南部及東北部。重度敏感區占11.77%,該區域大部分位于重慶市及湖南省境內,由于城市化進程加快,對生態系統造成破壞使敏感度升高。總體來看,坡度、植被覆蓋度等自然因素綜合影響區域生態系統敏感性,社會經濟因素敏感性的空間分布與人類活動較強的區域吻合度較高,并明顯體現在綜合生態系統敏感性的空間分布。

3.4 南方丘陵地區國土空間優化結果

本文將南方丘陵地區的國土空間優化方案與行政規劃圖進行空間疊加,具體結果如圖5所示。重點保護區占研究區總面積的33.89%,多為森林生態系統分布但敏感度較高的區域,主要分布在廣東省、廣西壯族自治區以及研究區東部的長三角地區。服務供給區的主要生態系統類型為常綠闊葉林,其生態系統服務重要性較高但敏感度較低,適宜為南方丘陵地區提供適當的生態系統服務,占研究區域總面積的52.85%,廣泛分布于湖南省、貴州省及湖北省。適度開發區多為農田生態系統,位于貴州省南部以及四川省邊緣地帶,該區域生態系統服務功能重要性及敏感性都處于較低水平,占研究區總面積的9.67%。城鎮建設區的生態系統服務功能重要性及生態敏感性都處于極低水平,主要分布于貴州省北部,四川省及重慶境內,同時該區域的人口密度及GDP生態敏感性較高,是目前大部分城鎮聚集地,占研究區域總面積的5.84%。

圖5 南方丘陵地區生態功能區規劃示意圖

目前南方丘陵地區已規劃6個重點生態功能區,南嶺山地森林及生物多樣性生態功能區以及川滇森林及生物多樣性生態功能區的生態系統服務能力較高,兩個重點生態功能區內主要劃分為重點保護區及服務供給區。其余生態功能區內均存在大面積的適度開發區與城鎮建設區,主要分布在重慶市、湖北省等經濟發達地區以及貴州省典型的喀斯特地貌區域,說明該重點生態功能區內已收到不同程度的人類活動干擾。

4 討論與結論

4.1 討論

南方丘陵地區擁有豐富的森林資源,具有物產資源提供、提高區域生態環境質量、發展經濟和保護生態安全的重要功能。近年來城市化進程加快導致生態系統逐漸敏感,本研究采用分級評價的方法評估了生態系統服務功能與生態敏感性,并結合兩者優化國土空間分布。研究結果表明,在1995—2000年間,人口向城市區域集中導致自然生態系統向建筑用地轉化,從而使生態系統服務水平降低。在2000—2015年間,南方長江中游地區通過實施植樹造林工程以及退耕還林工程使生態系統服務功能逐漸恢復。森林生態系統在生態系統服務過程中貢獻最大,主要原因如下：(1) 森林生態系統具有寬闊的林冠層,可對降水進行攔截和再分配,有效地降低降水對植被和土壤的沖擊。(2) 森林生態系統根系群較為龐大可以有效固定土壤同時穩定土壤的理化性質。(3) 森林生態系統內部結構復雜,生物多樣性高,循環代謝過程加快從而提高固碳服務能力[36]。

南方丘陵地區生態系統服務功能主要受自然因素與社會經濟因素的共同作用,空間分布上呈顯著的差異,自東南至西北逐漸降低,與生態系統敏感度的空間分布趨勢相同。從自然因素角度來說,南方丘陵地區內降水、溫度等環境因子是影響生態系統服務的重要指標,江西省、浙江省、福建省屬長江流域,有錢塘江、渠江等大量河流以及洞庭湖分布,同時部分城市隸屬于長三角地區[37]。該區域地勢平坦,降水豐沛,具有良好的水源涵養功能。然而,研究區西北部四川省、重慶市降水量明顯減少,地勢較高,分布大面積的山地、丘陵,使森林生態系統的生命力減弱。貴州省西部為研究區域內海拔最高的部分,再加上大面積分布的喀斯特地貌,使該區域的生態系統服務功能明顯偏低。從社會經濟因素的角度來說,人類活動對生態系統的破壞與修復都會很大程度地影響生態系統服務功能。一方面,隨著人口密度增加農田生態系統迅速擴張,導致森林大面積減少。同時城鎮及工廠的建設對區域自然環境條件也具有很大程度的破壞,間接影響生態系統服務[38]。另一方面,人類活動可以通過宏觀的政策調控和相關法律法規的約束來影響生態系統類型的變化。近年來,國家實施了一系列的生態系統工程,在生態恢復方面取得了良好的成效[39]。

基于研究結果,對南方丘陵地區的國土空間規劃提出如下建議：(1) 針對重點保護區,該區域生態系統服務能力與敏感性都處于高水平。生態系統一旦受到干擾,將會很難進行自我恢復,造成不可逆轉的破壞,建議制定相關的管理措施進行重點保護[40]。(2) 針對服務供給區,該區域生態系統服務能力很強,但是敏感性較低,在適當范圍內具有一定的自我恢復能力,建議規劃為南方丘陵地區生態系統服務的重要供給區。(3) 針對適度開發區,該區域多為農田,生態系統服務功能較低,建議以集約優化現有土地為主,提高土地利用效率。(4) 針對城鎮建設區,該區域人口密度最高且生態系統服務功能最低,適宜城鎮建設,建議繼續深化內部功能分區,科學規劃區域內的產業結構,以減少城市擴張的速度。

國土空間規劃不僅僅是土地區域的劃分,同時注重經濟目標、社會目標和環境目標以形成綜合性的發展戰略。本研究開展了3種生態系統調節服務的評估,支持服務、供給服務、文化服務也是實現生態系統服務綜合評估的重要因素。本研究依據生態系統服務能力對國土空間規劃提供相應數據支持,但是對于未來的生態系統服務動態變化與國土空間規劃間的關聯標準還不明確[41]。建立相關模型,通過監測生態系統服務動態變化及時對重點生態功能區劃分結果產生反饋,這一動態評估體系仍需要繼續摸索和完善。

4.2 結論

本文基于南方丘陵地區土地利用格局變化,運用InVEST和CASA模型計算生態系統服務功能量的時空變化特征,結合南方丘陵地區生態敏感性空間分布,將研究區內的土地利用劃分為四種類型：重點保護區、服務供給區、適度開發區和城鎮建設區,為南方丘陵地區的國土空間優化提供了合理建議。依據研究結果得出如下結論：

(1) 南方丘陵地區的生態系統類型主要由林地轉為耕地和城鎮建設用地,生態系統服務功能在1995—2000年間由于城鎮擴張而降低,在2000—2015年間逐漸恢復。

(2) 自然環境條件與社會經濟條件是影響生態系統服務的兩個主要因素,生態敏感性與生態系統服務的空間分布具有相同趨勢。西南沿海地區的水熱條件良好,其生態系統服務功能明顯高于研究區東北部的高海拔地區。

(3) 重點保護區與服務供給區是南方丘陵地區主要的生態系統服務區域,應建立嚴格的規章制度以確保其開發程度在合理范圍內。適度開發區和城鎮建設區多為經濟迅速發展的地區,在開發利用過程中應注意實現生態文明建設與經濟建設協同發展的目標。明確的生態空間范圍劃分是國土空間規劃的理論依據。