基于生境質量的旅游景區生態空間布局優化研究

汪 丹

(湖北省地質科學研究院(湖北省富硒產業研究院),湖北武漢 430034)

城鎮內部生態空間在維持城鎮生態系統和諧穩定運轉的過程中扮演著極其重要的角色[1],然而主流學界對于生態系統服務一般聚焦在城鎮以外的非人工生態系統[2-3],往往將城鎮地區簡化為生態系統服務的消費者[4],在定量分析中受到了不應有的忽視。即便是關注到城鎮內部生態空間提供的可觀生態系統服務,研究視角也主要聚焦于與城鎮居民的關系[5],缺少對城鎮建設用地與生態空間交互協調機制的探討。

生境質量這一指標考慮了生態空間同時為人類和動植物提供棲息場所的重要特征[6],其評價方法一般根據研究的對象和尺度來源確定:小尺度特定物種或群落選取密切相關的環境因子進行實地調查和綜合評價[7],大尺度一般性研究一般使用遙感數據提取相關環境因子,如采用對植被覆蓋[8]和土地利用變化[9]等要素的遙感識別來實現。這些方法通常對于輸入數據有既定要求,在應用推廣上存在普適性較低的問題[10]。近年來,由美國斯坦福大學、WWF(世界自然基金)和TNC(大自然保護協會)協作開發的InVEST(Integrate Valuation of Ecosystem Service and Tradeoffs Tool)模型的生境質量(Habitat Quality)模塊,具有變量參數自定義程度高,與主流GIS平臺銜接良好的優勢,被更加廣泛應用[11-12]。

作為中國中部新的經濟增長極,武漢市城鎮擴張迅速,生態空間萎縮帶來的人居環境惡化等問題日益突出[13],而東湖作為武漢市內承載了大量生態服務責任的AAAAA級旅游景區,其生境質量的改善或惡化不僅關系到人居環境[14],還是影響土地價格變化的重要因素[15],應當受到更密切的關注。鑒于此,筆者以東湖生態旅游風景區為例,分別對1990、2005、2020年的生境質量進行評價,基于圈層梯度劃分方法[16]刻畫生境質量對生態空間布局演化的時空響應,探討更高效的生態空間布局方式,為城鎮生態空間的規劃和管控提供重要參考。

1 InVEST模型生境質量評估方法

生境質量關系到人類居住環境的舒適度和生物多樣性,在InVEST模型中由生境適宜度和退化度共同決定:生境適宜度是評價單元作為生境的適宜程度;生境退化度體現人類活動對生境產生的影響[17]。對生境退化度產生影響的因素包括5個:威脅源強度(ry)、威脅源權重(ωr)、威脅源對生境的干擾(irxy)、生境的抗干擾能力(βx)和不同生境對各種威脅源的相對敏感程度(Sjr)。生境類型中位置x上的退化度計算公式為:

(1)

式中:rt為位置y上的威脅源;dxy為位置x上的生境與威脅源ry的歐氏距離;drmax為威脅源ry的最大干擾半徑。

生境質量計算公式如下:

(2)

式中:Hj為生境類型j的生境適宜度;Dxj為生境類型j中位置x上的生境退化度;k為半飽和常數,即最大退化度的一半;z為歸一化常量,一般取值為2.5以上各參數的具體計算方法可參考相關文獻[18]。

2 研究區概況和數據來源

2.1 研究區概況武漢東湖生態旅游風景區(以下簡稱東湖風景區),位于湖北省武漢市中心城區東部,是為數不多位于中心城區的國家AAAAA級旅游景區,由聽濤、磨山、落雁、吹笛、白馬和珞洪6個片區組成,面積共計4 948.02 hm2。有武漢大學、華中科技大學、中國地質大學(武漢)等知名高校環繞湖畔,自然景觀和人文景觀兼具[19]。東湖是江漢湖群中的一個人工控制型半封閉淺水雍塞湖,港汊湖岸交錯,曾是亞洲最大城中湖,但隨著城鎮土地資源的日益稀缺,水域和周邊附屬的林地、草地等綠色空間逐漸被建設用地蠶食,在武漢市內已成為次于湯遜湖的面積第二城中湖,東湖風景生境質量受到嚴重干擾[20]。為精確識別東湖風景區及周邊地區生境質量的演化過程,為未來城鎮生態空間的規劃保護提供依據,本文以風景區邊界為基礎,分別向內外構建了10個間隔為250 m的緩沖區圈層,將研究區細分為20個評價單元(圖1)。

圖1 東湖風景區圈層劃分及周邊生態空間分布Fig.1 Concentric rings partition and ecological spaces distribution of East Lake and surrounding areas

2.2 數據來源及處理該研究收集了武漢東湖風景區所在行政區(武昌區、洪山區、青山區)1990、2005及2020年土地利用覆被變化(LUCC)、路網數據、東湖風景區邊界數據等。其中, LUCC數據由地理國情監測云平臺(http://www.dsac.cn/)提供,原始數據包括6個一級類、25個二級類,其中耕地和不透水面的平均解譯精度在85%以上[21]。東湖風景區邊界數據和主干道路網數據使用網絡爬蟲從百度地圖下載,經過地理配準后進行矢量化獲取。在綜合考慮模型計算量和研究粒度要求后,將所有數據柵格化并重采樣至30 m×30 m分辨率。

3 結果與分析

3.1 生態空間布局演變東湖風景區內部生態空間以水域濕地為主,占比67%以上;林地占14%以上,主要分布于東湖南岸;沒有草地分布。另外有15%左右耕地分布于東岸,以及少量建設用地和未利用地散布(表1)。從年際變化來看,水域濕地先減少后增加,占比從1990年的67.47%跌至2005年的67.07%,最后在2020年恢復到68.08%,面積保持在3 300 hm2以上;林地在1990—2005年期間較為穩定,保持在700 hm2以上,之后雖然有緩慢減少的趨勢,但始終保持在14%以上。耕地在1990—2005年期間曾增加到近800 hm2,但到2020年減少到700 hm2以下,其中絕大部分是之前被填為耕地的湖泊重新恢復為水域濕地,主要分布在東湖東岸。建設用地在2005年以前一直保持在2%(100 hm2)以下,但隨著武漢市城鎮建設用地近10年來的快速擴張,占比已經達到3.22%,增幅超過2/3,且主要分布在東湖的東南岸三環線以外的區域。未利用地變化不明顯,常年維持在0.5%左右。從周邊地區土地利用空間布局來看,建設用地主要分布于西南側,是武昌中心城區,但2005年以后東側建設用地擴張迅速,尤其在光谷和青山片區已形成大面積連片建成區,對景區內東南側和北側生態系統構成了較大壓力。

總體而言,東湖風景區生態空間布局演變在邊界內外區別分明,內部近年來已經表現為持續優化的趨勢(圖2)。東岸的聽濤、珞洪景區緊鄰武昌中心城區,土地利用變化較小,

表1 1990—2020年東湖風景區各地類面積變化 Table 1 Quantitative changes of land use in East Lake eco-tourism scenic area in 1990-2020 單位: hm2

生態空間穩定;白馬、吹笛景區雖然內部土地利用變化不明顯,但外圍北側青山區和東南側洪山區是城鎮擴張的主要陣地;磨山、落雁景區是生態空間優化的重點區域,同時周邊知名高校集中分布,土地利用變化較小,對景區生態空間形成了一道有效的保護屏障,全長101.98 km,寬6 m的東湖綠道,新建部分主要位于該區域[22]。

從生態空間布局演化的圈層特征來看,1990—2020年期間,風景區內部表現出增加的趨勢,主要集中于岸線附近;而外部則有不同程度的減少,且隨著與風景區邊界距離的增加,減少幅度明顯加大(圖3)。1990—2005年期間,風景區內部生態空間較為穩定,外部鄰近地區的城鎮擴張強度較小,但從6號緩沖區(1 500 m)開始,生態空間大幅萎縮,到10號緩沖區(2 500 m)減幅已經從4.66%擴大到8.85%,主要原因是白馬景區向北至長江南岸區間的建設用地高速擴張,占用了大量耕地,而生態空間則在耕地保護的壓力下被蠶食。2005—2020年期間,從2號緩沖區(500 m)至10號緩沖區(2 500 m)均有4.00%左右的生態空間轉變為耕地或建設用地,且減幅與風景區邊界距離的正相關特征消失,說明東湖周邊武昌城區建設用地已進入全面均衡增長的階段,與武漢市在此期間的高速城鎮擴張相吻合;但值得關注的是,風景區內部的-3號緩沖區(-750 m)至-5號緩沖區(-1 250 m)出現生態空間占比2%左右的顯著增加,表明當地政府部門已經高度關注東湖風景區生態空間的保護和優化,并且由武漢東湖生態旅游風景區管理委員會切實落實了相關舉措,并產生了明顯成效。

圖2 1990—2020年東湖風景區及周邊土地利用變化Fig.2 Land use change in East Lake and surrounding areas in 1990-2020

3.2 生境質量演變東湖風景區生境質量在邊界內外差別分明,內部高于外部2倍以上,但退化幅度相近,在1990—2020年期間均達到0.11(圖4)。風景區內部生境質量在1990年大致分布在[0.40,0.45]區間,到2005年退化到[0.35,0.40]區間,到2020年進一步退化到[0.30,0.35]區間,3期平均值分別為0.41、0.36、0.30;外部生境質量退化進程與內部近似,于1990年、2005年、2020年分別位于[0.15,0.25]、[0.10,0.20]、[0.05,0.15]區間,3期平均值分別為0.22、0.17、0.11。從空間分布上看,西北側和東南側是發生生境退化的主要區域,與徐東商圈和光谷商圈的快速發育高度關聯;東北側和西南側由于建設用地擴張相對較慢,生境退化幅度明顯弱于另外兩側。

圖3 1990—2020年東湖風景區及周邊生態空間分布變化的圈層特征Fig.3 Quantitative changes of ecological spaces on different concentric rings in East Lake and surrounding areas in 1990-2020

盡管生境質量演化的圈層特征與生態空間布局高度相關,在局部峰值和低值位置存在重合,但鄰近建設用地擴張規模的大小才是決定性因素。1990—2020年期間,無論風景區內部或外部都出現了明顯的生境退化(圖5)。1990—2005年期間,由于基數高,風景區內部生境退化甚至大于外部1～7號緩沖區(250～1 750 m),但從8號緩沖區(2 000 m)開始,生境退化快速加劇,到10號緩沖區(2 500 m)減幅已經從0.04變化到0.08,擴大了1倍,白馬景區以北建設用地擴張除了數量規模大,與東湖附屬零星水體的交錯程度也較高,是造成該區間生境退化幅度顯著增加的主要原因。2005—2020年期間東湖風景區及周邊生境退化幅度超過上1個15年,尤其需要警惕的是,2～4號緩沖區(500～1 000 m)生境質量下滑接近0.1,成為退化最為劇烈的區間,是風景區與中心城區交互最為密切的區域,生境在高強度干擾下凸顯出脆弱性較高的特征,到5號緩沖區開始恢復到與風景區內部相近的-0.06左右的退化程度。

3.3 生態空間布局優化已有研究表明,大規模建設用地分散地擴張是導致城區生境快速退化的決定性因素[23],而生態空間趨于連片和規整的景觀格局,能夠最高效地保護生態空間的生境質量[24]。導致以上2種現象差異的本質原因在于新開發城鎮建設用地與原有建成區之間的空間關系,即不同的建設用地開發模式(邊緣增長或跳躍式開發,圖6)會在規模相同的情況下使周邊生境產生不同程度的退化。這2種趨勢在白馬景區和磨山景區有非常明顯的體現:白馬景區北側在1990—2005年期間跳躍式開發了大規模建設用地,生境大幅退化,而在2005—2020年期間新增建設用地主要以邊緣增長為主,在新增規模較大的情況下退化幅度仍有所減小;磨山景區則得益于周邊知名高校林立,土地使用權國有化程度高,建設用地跳躍式開發較少,因而生境質量在所有景區中保持最好。生境質量受城鎮開發模式影響的機制,決定了生態空間布局的優化工作應當以控制城鎮建設用地的數量規模和空間分布為切入口,在節約集約利用土地的過程中追求更加緊湊的建設用地空間形態,為保護東湖風景區生態空間的生境質量提供最有效的保障。在此基礎上,騰退低效利用的建設用地和耕地,提高生態空間的數量規模和連片程度,進一步恢復和提升生境質量。

圖6 城鎮開發模式示意圖[25]Fig.6 Spatial pattern of urban sprawl[25]

4 結論與討論

在國土空間規劃中注重城鎮開發的規模管控、空間管控和開發強度管控,不僅能夠有效提升建設用地使用效率[26],對城鎮內部及周邊生態空間的保護與優化同樣能夠起到巨大的積極作用。尤其是類似東湖風景區的重要城鎮內部生態空間,在為大量城鎮居民提供了生態服務的同時,承受來自城鎮建設用地高速擴張帶來的巨大沖擊。在城鎮空間和城鎮開發邊界的劃定中,不僅要考慮到生態紅線以內生態空間不被占用,其周邊生態空間作為重要的緩沖屏障也應盡量保護。對于東湖風景區而言,周邊建設用地空間布局正朝逐漸緊湊的方向推進,進一步完善以綠道為核心的綠色空間網絡,是優化生態空間布局、提升生境質量的重要可行路徑。

利用InVEST模型和土地利用覆被變化(LUCC)數據對1990—2020年期間東湖生態旅游風景區及周邊進行生境質量評估,在此基礎上通過構建環狀的緩沖區圈層,對既往東湖風景區生態空間經歷的沖擊和改善進行了微觀尺度的深入剖析,研究結果如下:①東湖風景區生態空間呈現出邊界內部增加,外部減少的趨勢;②東湖風景區邊界內外生境質量內優外劣的兩極分化極為明顯,并呈擴大趨勢;③控制城鎮建設用地數量規模,緊湊城鎮空間布局,能夠有效保護和優化生態空間布局,提升生境質量。