多元分析技術介入的國土生態空間規劃探究
——以湖北省襄陽市為例

韓依紋 胡詩琪 萬明暄 萬 敏

1 概述

1.1 生態空間內涵解讀

當前，優化國土空間開發格局是推進中國生態文明建設的重點任務。生態空間作為改善生態系統服務功能、構建生態安全格局從而遏制環境惡化的主要載體，其內涵在我國歷經了十幾年的發展而逐漸明晰。2010年發布的《國務院關于印發全國主體功能區規劃的通知》(國發〔2010〕46號)中將國土空間分為優化開發、重點開發、限制開發和禁止開發4類區域，并首次提出了以生態功能為主導的“重點生態功能區”概念。隨后，生態空間在2017年發布的《自然生態空間用途管制辦法(試行)》中被正式定義，指具有自然屬性、以提供生態服務或生態產品為主體功能的國土空間[1]。鑒于先前對生態空間缺乏具體的規劃管控而導致的諸多環境問題，2019年《關于建立國土空間規劃體系并監督實施的若干意見》強調了生態空間在科學布局“三生空間”中的重要地位[2]，并明確了生態空間規劃應作為國土空間規劃體系(以下簡稱“國空體系”)的相關專項規劃范疇，至此邁入了全新階段——從傳統城鄉規劃體系的“補丁”躍遷為當今國空體系的重要先行系統[3]。

1.2 生態空間規劃面臨的挑戰

自國空體系提出以來，各地陸續出臺了相關規劃成果，可見當前城市生態空間劃定未有統一標準，根據其生態本底特征各有拓展。例如，上海市率先頒布《上海市生態空間專項規劃(2021—2035)》，將永久基本農田劃入三、四類生態空間范疇；深圳市和武漢市將自然生態空間以外的城市綠地納入生態空間[4-5]。因此，明晰目標區域生態本底特征是生態空間劃定和評估的重要依據。然而，鑒于傳統城鄉規劃對生態空間特征識別多以定性為主，當前面臨了國空體系下分析思路的轉換挑戰，大數據、新方法和新技術的引入促使生態空間本底評價過程與結果應更具科學性。

1.3 多元技術介入生態空間規劃過程的必要性

國土空間信息平臺的“一張圖”體系不但為生態空間本底特征評價增添了多元評價技術實施的可能性，也為生態安全格局構建和管控規劃的制定提供了更科學的實施路徑[6]。生態安全格局構建多采用“源地識別-阻力面構建-生態廊道提取”的研究范式[7]。生態源地的識別通常基于景觀形態格局分析得到的核心區[8]、生態系統服務功能評估或生態敏感性分析等單一結果確定[9-10]，選取的源地特性并不全面。隨后，運用最小阻力模型(MCR)、斑塊重力模型、蟻群模型或電路(Circuit)理論模型等方法構建或優化生態廊道[11-12]。其中，電路理論能通過源地間電流強度反映生態斑塊和廊道的相對重要性，鑒于模擬電流隨機游走的特性，在一定程度上更符合生物體的行為特征而被廣泛使用[13-14]。

多元分析技術介入的生態空間規劃路徑是合理了解生態空間本底特征，以及制定規劃管控的科學保障，仍有待多方探索和驗證。相關研究已陸續開展，例如，何舸等基于生態敏感性和生態安全評價，結合重要結構性生態空間構建了南寧市生態安全格局，并指導制定了分級管控策略[15]；陳志端等基于生態系統服務功能評估提出了“生態價值和生態安全”的雙評價體系，為濰坊九山鎮生態安全格局構建和分區管控奠定了基礎[16]。因此，將多元分析技術融入決策過程從而實現生態空間規劃從定性到定量的轉變，打破傳統的“經驗式”規劃思路刻不容緩。

綜上，本文旨在以襄陽市生態空間規劃實踐為抓手，集合生態敏感性分析、生態系統服務功能評估、最小阻力模型、電路理論廊道模擬等多元技術，遵循“本底評價-格局優化-分級管控”的路徑逐級開展規劃探索，深入論述襄陽市生態空間本底特征、生態安全格局構建和規劃管控等內容，以期對新時代國空體系下的生態空間規劃實踐有示范和引領作用。

2 研究路徑與框架

基于襄陽市地域特征，結合襄陽市自然資源局提供的國土空間總體規劃成果和生態保護紅線規定內容，建立遵循以“本底評價-格局優化-分級管控”為主導的生態空間規劃路徑(圖1)。首先，劃定生態空間并運用生態系統服務功能評估、生態敏感性評價、景觀形態格局分析等多元技術進行生態本底評價，選取評價中具有重要生態價值的斑塊，通過連通性分析識別生態源地；其次，基于電路理論模型模擬生態廊道，識別斷裂點、障礙點；最后，在確定生態空間規劃策略、構建生態安全格局的同時制定生態修復清單。

圖1 研究框架

3 研究區域與數據來源

3.1 襄陽市概況

襄陽市(東經110°45′～113°06′、北緯31°13′～32°37′)位于湖北省西北部，總面積為19 700km2，包括棗陽市、宜城市、老河口市、襄州區、樊城區、襄城區、南漳縣、谷城縣、保康縣(圖2)。該市地屬北亞熱帶季風氣候，四季分明，全年平均氣溫為15.2～16.0℃，雨熱同季，年降水量為820～1 100mm。襄陽位于中國地勢第二階梯向第三階梯過渡地帶，地勢西高東低，最高點海拔1 968m，最低點高程44m，分為西部山地、中部崗地平原及東部低山丘陵3個地形區。動植物珍稀物種較為豐富，包含維管束植物1 698種，陸生脊椎野生動物268種；市內大小河流985條，漢水由北向南將市域劃分為東、西兩部分；周邊4座大型山脈秦巴山、伏牛山、大洪山、桐柏山分別從西北、東北、正南、東南方向中部楔入，構筑出由漢江、唐白河沖積而成的三川平原，基于“西林、東丘、北原、河網”的生態本底資源形成了“西屏東楔、三川分隔”的大開大合的山水格局。然而，襄陽市的生態空間正面臨諸多環境問題，如全域水土流失和石漠化嚴重、廢棄礦山有待治理等。

圖2 研究區域

3.2 數據來源

基于多源數據運用多元評價分析對規劃區域進行空間定量模擬，所用數據包括：1)土地利用數據源于襄陽市自然資源局提供的第三次國土調查數據庫(以下簡稱“三調數據”)，共包含48個用地類型；2)數字高度模型源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)，通過掩膜提取可得到襄陽市高程信息；3)“雙評價”(資源環境承載能力及國土空間開發適應性評價)、石漠化分區和鄂北防護林柵格數據及生態保護紅線矢量數據源于襄陽市自然資源局，根據本研究需要采用最鄰近采樣法對所有數據歸并，統一空間分辨率為30m×30m；4)主要參考的上位規劃文件包括《襄陽市國土空間總體規劃(2020—2035年)》(階段版)及《襄陽市生態建設規劃綱要(2016—2030)》《鄂北防護林(襄陽段)總體規劃(2019—2023年)》《襄陽市林業發展“十四五”規劃(2021—2025)》等。

4 襄陽市生態空間分析與評價

4.1 生態空間劃定

以襄陽市三調數據為基礎，運用ArcGIS平臺將48個土地利用類型進行重新整合與再分類，以生態保護紅線區域為核心，輔以生態保護紅線外的山林地、園地、河湖水域，以及其他未利用自然地等對襄陽市生態系統有重要影響的區域，共同形成以“山、水、林、園、草”為主導生態要素的襄陽市生態空間(圖3-1)，包括喬木林地、竹林地、灌木林地、其他林地、河流水面、水庫水面、坑塘水面、園地、沼澤草甸、人工草地、其他草地、工礦用地、鐵路用地、公路用地、空地、建設用地16類用地類型，總面積為11 115.44km2，占襄陽市總面積的56.33%。其中，生態保護紅線區域總面積1 757.33km2，占襄陽市生態空間總面積的15.81%。生態保護紅線內分布了30個自然保護地、9個水源地。其中，自然保護地由10個國家公園、3個自然保護區、17個省級自然公園三大類構成，公園主要類型為森林公園、濕地公園和地質公園。

圖3 襄陽市生態空間圖3-1 生態空間分布圖3-2 各區縣生態空間用地占比

生態要素的分布呈現區縣不均和東西不均2個特點(圖3-2)。各類生態用地占比從大到小依次為林地(45.78%)、水域(7.30%)、園地(2.4%)、草地(0.39%)、綠地(0.07%)和其他未利用地(0.06%)。林地主要分布在西部的南漳、保康、谷城，呈現出西南密集成塊成片、東部稀疏散布、北部缺失的態勢。水域主要分布在東部的棗陽、襄州、宜城，東北部依托崗丘、庫塘密布；西南部總體順谷地線狀分布，水庫依峽谷攔蓄而成，坑塘分布稀疏。園地主要分布在東部的棗陽、宜城，總體依托崗地布局。草地散布在棗陽、宜城、南漳地區和漢江沿岸。

4.2 生態本底評價

4.2.1 生態系統服務功能評估

生態系統服務是人類從生態系統直接或間接得到的福祉，是生態本底的重要表征[17]。從供給功能、調節功能、文化功能和支持功能中運用InVEST模型模擬和當量因子法分別評價生境質量、碳儲存、水土保持、食物生產、原料生產、凈化環境、土壤保持和景觀美學8項指標。其中，生境質量和碳儲存功能由InVEST模型中的Habitat Quality和Carbon Model模塊分別測算(具體方法詳見參考文獻[18-19])，其中，Habitat Quality模型通過評估生境質量指數從而間接反映生物多樣性的持續性和恢復能力，其余指標采用了謝高地的價值等價法估算[20]。評估結果在ArcGIS平臺上采用自然斷裂法進行級別可視化操作，將分析結果劃分為非常低、低、中等、高、非常高5類。結果表明，襄陽市生態系統服務功能空間分布差異較大，呈西南向東北遞減趨勢(圖4-1)。其中，價值非常高的區域面積為8 652.08km2，占全市43.92%，主要集中在西部谷城、南漳、保康的山林地和水域。生態服務價值低和較低的區域主要分布在中心城區和漢江兩岸建設程度較高的區域。

4.2.2 生態敏感性分析

生態敏感性分析是評價區域生態系統穩定性的重要標準[21]。選取海拔、坡度、歸一化植被指數(NDVI)、水源緩沖區、土地利用為襄陽市生態敏感性分析的基礎因子[22-23]，根據分級和變異系數法疊加因子得到生態敏感性診斷結果。結果顯示，襄陽市非常高、高敏感區域主要集中于西南和東部的少量山地，總面積5 009.76km2，占全市25.39%，包含林地、水域、草地和園地(圖4-2)。

4.2.3 景觀形態空間格局分析

運用MSPA模型將生態空間作為前景并導入GUIDOS軟件，邊界設為1，進行幾何分析后識別出核心區、孤島、孔隙、邊緣區、連接橋、環島和支線7類互不重疊的景觀類型[24]。核心區面積為8 612.52km2，分布在西南地區，是由較大的生境斑塊組成，能為物種提供優質的棲息地或遷移地[25-26](圖4-3)。孤島(相對孤立、破碎、連接度較低且面積較小的斑塊)、具有邊緣效應的孔隙(核心區與其內部背景數據景觀之間的過渡)和邊緣區(核心區與外圍區域之間的過渡)共占生態空間的19.25%，散布在核心區以外的其他區域。

圖4 生態本底評價結果圖4-1 生態系統服務功能評價圖4-2 生態敏感性分析圖4-3 景觀形態格局分析

4.3 生態源地識別

生態源地是指維護區域生態安全和可持續發展而必須保護的區域[27-29]，將高生態敏感性區域、高生態系統服務區域和核心區作為初步生態源地，利用Conefor 2.6識別其中可提高生態連通性的優勢斑塊，以dPCs作為評價指標，計算公式如下：

式中，PC值大于或等于0，小于或等于1。當PC值增長時，斑塊的連接性也會得到改善。PCremove代表移除補丁后可能的連接指數。參照相關研究將斑塊連通距離閾值設為500m，連通的概率設為0.5，提取初步生態源地中dPC前10的斑塊作為下一步的生態源地[30-31]。

疊加襄陽市生態保護紅線區域與雙評價中的生態極重要區，以及重要河流[32]，形成35個最終生態源地(圖5)，總面積共6 096.11km2，占全市的30.90%，主要分布在西南部，北部缺失，包含林地、草地、園地和水域等生態要素。

圖5 生態源地識別

4.4 生態廊道構建與優化

“源地識別-阻力面構建-廊道提取-判定安全格局”是生態安全格局構建的基礎[33]。首先，參考相關研究擬定襄陽市土地利用類型和海拔高度的阻力系數并進行賦值，使用Linkage Mapper工具箱中的最小費用路徑模型模擬生物物種遷移與擴散的最佳生態廊道。其次，使用基于電流理論的Circuitscape 4.0軟件模擬潛在生態廊道。最后，共識別出73條最佳生態廊道，總長度為1 163.89km，平均長度為15.94km(圖6-1)。廊道密度較大的區域集中在山體、河流之間。東部唐白河與桐柏山之間，以及峴山、長北山和青龍山之間廊道連通性較好。然而，襄陽東北部最佳生態廊道較少，與現在當地林地建設不足的問題契合，鄂北崗地生態屏障有待形成。

圖6 生態廊道和節點識別圖6-1 現狀生態廊道構建圖6-2 基于生態流模擬識別的生態關鍵點

潛在生態廊道以電流值呈現(圖6-2)，可直觀地通過數值大小來判定物種遷移的可能性，采取“護綠、增綠、補綠”措施以指導后續生態安全格局的構建。運用Pinchpoint Mapper識別出20個夾點，實施“護綠”策略；根據電流值進行人機判定得出7處斷裂點，實施“增綠”策略；在Barrier Mapper模型中設定200m為半徑進行迭代運算，用自然斷裂法分為5類，選取最高一類共識別4處生態障礙點[34-35]，主要分布在襄陽西北部、中部和東部，采取“補綠”策略。共新增斑塊面積85.62km2，作為后續規劃內容中生態修復清單的重要組成部分，將其納入規劃期末的生態空間范疇。

5 襄陽市生態空間規劃策略

從立足國家、湖北省及區域的全局視角謀劃襄陽市國土空間發展，堅持生態優先下的底線思維和底線約束，確保生態安全、國土安全、糧食安全，遵循“本底評價-格局優化-分級管控”的規劃路徑，共識別出35個生態源地、73條最佳生態廊道、20個夾點和4個生態斷裂點，同時結合襄陽市“山、水、林、園、湖、草”主導下的生態空間本底特征制定了規劃成果，包含生態安全格局結構、分區分要素管控及生態修復等內容。

5.1 生態安全格局構建

以襄陽市山、水脈絡為骨架，基于生態源地識別和生態廊道模擬結果最終形成“一干七支、西屏北網、三楔四區多點”的生態安全格局結構(圖7-1)。“一干七支”指由貫穿襄陽的漢江干流和北河、南河、蠻河、小清河、唐白河、滾河、淳河七大支流，共同維護襄陽市生態基底，強化漢江生態經濟帶與各支流生態廊道的銜接。“西屏北網”指筑牢西南部秦巴山脈構織的生態屏障，連接秦巴-大洪山脈，延續桐柏氣脈，維護森林生態系統完整性和連貫性，加強桐柏山、峴山、鹿門山等區域性山體屏障保護，以支撐生態屏障建設的完整性；同時，東北部缺綠區域應構建具有韌性的生態網絡體系，借助生態連通功能加強生態功能區之間的生態流交換。“三楔四區多點”是以北部、東南部、東部向襄陽中心延伸的伏牛山、大洪山和桐柏山的生態楔，串聯自然保育區、生態產業區、休閑游憩區、安全防護區4類主體功能區(圖7-2)，集合自然保護地、水源區及通過護綠、增綠、補綠策略提升的生態夾點、斷裂點和障礙點構成了襄陽市域的重要生態節點，從而綜合“點、線、面”的形態要素營造集自然本底和人工優化于一體的襄陽市生態安全格局。

圖7 襄陽市生態空間結構規劃圖7-1 襄陽市生態安全格局結構圖7-2 襄陽市4類主體功能分區

5.2 分區分要素管控

生態空間用途管控是對生態空間相對獨立的區域范圍及保護其生態屬性不改變的總體管制[36]。鑒于襄陽市生態要素特征和多元技術分析的生態本底結果，以保護優先為原則進行分區分要素的綜合管控，以維護區域生態安全，解決區域生態供需矛盾[37]。首先，由多元分析結果劃定三級管控區域，依據生態保護重要程度從高到低依次為生態保護區、生態控制區和生態發展區；其次，為避免低級別管控區內存在生態要素的管控盲點，提出生態要素的管控策略予以補充(表1)。

表1 生態空間分級分要素管控

生態保護區是襄陽市生態空間中的生態保護紅線區域，總面積約為1 757.33km2，占生態空間總面積的16.81%。此區按禁止開發的要求進行管理，應嚴守生態底線，確保生態功能不降低、面積不減少、性質不改變。生態控制區是除生態保護紅線外，提供了重要生態系統服務功能且對全市生態系統的穩定性具有重要作用的源地區域，總面積為4 340.68km2，占生態空間總面積的38.55%。此區以生態保護為重點，不得開展有損主導生態功能的開發建設活動，應盡可能保留景觀原貌和強化生態保育功能。生態發展區是除前兩級管控分區外的生態質量一般的區域，面積為5 129.51km2，占生態空間總面積的45.55%。此區以生態系統服務功能優化為重點，結合城鎮空間中的綠地系統規劃，發展可持續化的生態建設工程，以滿足襄陽市居民漸增的郊野游憩需求。

根據襄陽市三級生態空間管控分區的重要程度，實行差別化用途管控措施[38-40]。其中，生態保護區執行正面清單準入的最嚴格的管控措施，生態控制區執行正負面清單，生態發展區執行負面清單。建設項目準入清單主要包括生態保護設施、市政基礎設施、公共管理與服務設施、農林服務設施、游憩設施、道路交通設施、工礦設施7類(表2)。

表2 襄陽市生態空間設施準入表項目

5.3 生態保護與修復

銜接襄陽市生態安全格局結構和管控策略，確定本次生態修復的目的為遵循襄陽市生態空間本底特征，保護區域生物多樣性，在規劃期內完成水土流失與石漠化整治、礦山修復和水體治理等生態建設工程。將生態修復空間分為重點修復單元、提升修復單元和一般修復單元3種類型(表3)，并制定近、遠期生態修復清單。清單內容基于現有已批復或正在開展的生態建設項目，以及廊道分析后識別的斷裂點、障礙點的重點修復項目。以期到規劃期末襄陽市全域的生態連通性有大幅度提升，生態系統功能顯著改善。

表3 襄陽市生態修復單元與修復項目

6 結語

生態空間是維持生態平衡、保障區域生態安全的基本空間，也是支撐生產空間和生活空間實現自身功能的前提[41]。本研究以襄陽市生態空間為例證區域，通過多元定量技術的介入，構建并證實了“本底評價-格局優化-分級管控”路徑的可行性。襄陽市整體生態本底較好，但高生態敏感區、高生態系統服務區多集中在襄陽市西部山區，生態要素分布極度不均。基于此問題，共識別生態源地35個，結合生態廊道、節點的優化，構建了“一干七支、西屏北網、三楔四區多點”的襄陽市生態安全格局。同時，制定了生態空間分級分要素管控策略和用途管制的正負面清單，并提出“護綠、增綠、補綠”的生態修復策略，以增加生態空間韌性，促進三生空間和諧共生。

本研究可為當前我國生態空間規劃提供技術支持，也為生態修復與整治提供進一步的規劃思路。然而，多元技術的運用受限于數據精度和模型選取，盡管當前三調數據為各地生態空間評價提供了統一的數據平臺，但其他多源數據的獲取路徑仍有限制，以導致評估結果精度有待提升。今后生態空間規劃過程應當進一步完善官方數據庫、制定可普及的技術指南及開展長期的績效監測，以深入驗證和優化規劃成果，從而更為科學地構建全域生態安全格局。

注：文中圖片均由胡詩琪和萬明暄繪制。

致謝：感謝襄陽市自然資源和規劃局、襄陽市城鄉規劃編制研究中心、襄陽市林業調查規劃設計院的支持，以及武漢遠景規劃設計有限公司、武漢新楚景觀旅游規劃設計有限公司相關工作人員的幫助。