生态安全格局评价和生态红线划定研究——基于破碎化分析

赵殿红

(上海同济城市规划设计研究院 上海 200092)

生态安全格局评价和生态红线划定研究——基于破碎化分析

赵殿红

(上海同济城市规划设计研究院 上海 200092)

基于景观破碎化理论和GIS空间技术，构建了包括宏观生态区位分析、中观生态格局与过程特征、微观生态要素组成及其评价的三层次生态安全格局评价研究框架，判断是否生态安全格局已呈现网络化状态。再结合从微观视角出发，构建了包括土壤侵蚀、石漠化、地质灾害、水环境和生境单一生态过程的敏感性评价，并整合叠加形成不同生态安全水平的综合生态敏感性分析，进而形成可用于土地、城镇规划以及景观生态建设参考的生态红线划定研究框架。最后，通过项目实践，划定出核心生态红线、弹性生态红线和一般生态红线，并对每个红线的适建范围进行阐述。

破碎化；生态安全格局；生态红线；敏感性；雨补水库

1 景观破碎化

破碎化源于景观生态学理论，是指景观格局因自然、人文因素的干扰，由单一、均质、连续的整体趋向于复杂、异质、不连续的斑块镶嵌体。在此过程中，频繁的社会经济活动对景观格局的影响超出了自然因素的干扰，成为景观破碎化的主导因素[1-2]。景观破碎化对生态系统具有重要的引导功能，严重影响生物多样性的稳定和生态系统功能的发挥。同时，也反映了人类活动对景观生态环境所造成影响的强弱程度。因此，景观破碎化是显存景观格局的重要特征，成为景观格局研究的重要内容之一[3]。FN为研究范围内的景观斑块数破碎化指数，取值范围在0～1之间，0表示无破碎化存在，1则代表已完全破碎。FS是斑块形状破碎化指数，指数越高，破碎都程度越大；SI(i)为斑块i的形状指数；N为该斑块类型的斑块数。FI指数是某一景观类型的生境破碎程度,表现为景观内大面积连续分布的斑块体逐渐破碎、萎缩变小,破碎化指数越大说明景观破坏程度越严重。

斑块数破碎化指数(FN)

FN=(NP-1)/NC

(1)

斑块形状破碎化指数(FS)

(2)

斑块内部生境面积破碎化指数(FI)

FI=1-LPI

(3)

斑块个数(NP)：在类型级别上等于景观中某一斑块类型的斑块总个数，与景观的破碎度也有很好的正相关性。斑块平均形状指数(MSI)：度量空间格局复杂性的重要指标，最大斑块占总面积比例(LPI)：有助于确定景观的优势类型等。其值的大小决定着景观中的优势种、内部种的丰度等生态特征[4]。

2 生态安全格局评价与生态红线划定的研究框架

2.1生态安全格局的评价

在景观生态学中，景观格局分析主要是定量研究斑块在景观中的分布规律，分析景观格局有助于探讨景观格局与生态过程的关系[5]。区别于一般的生态安全研究，景观生态安全格局是能够维持生态系统稳定，景观要素之间生态过程畅通有序，生态功能持续高效的一种潜在的空间格局，其侧重于景观结构与功能关系的机制研究[6]。具体来讲,区域生态系统中一些生态斑块或生态节点对维持景观整体稳定健康具有关键作用,它们构成的空间格局被称为景观生态安全格局,它们对维护和控制某种生态过程或区域内生态系统的稳定性有着关键性的作用[7]。其中，NDVI(归一化植被指数)，常用来反映绿色植被的生长情况、植被覆盖情况。

NIR和R分别为近红外波段和红波段处的反射率值;NDVI取值在-1～1之间。负值表明地面覆盖为云、水、雪等；0表示有岩石或裸土；正值表示有植被覆盖，且随覆盖度增大而增大。

生态安全格局评价从宏观、中观和微观三层次进行：①宏观生态安全格局由归一化植被指数分析生态源地之间的连通度，以此作为判断土地资源整体的生态功能性(NDVI(归一化植被指数)，常用来反映绿色植被的生长情况、植被覆盖情况)。②中观生态安全格局依据福曼(Forman)提出的“理想景观生态格局”通过增加或改造部分景观元素，增加斑块连通度，将主要的景观元素有机链接起来，从而构建“理想景观生态格局”(植被覆盖度(fg) 指植被冠层的垂直投影面积与土壤总面积之比，以等密度模型进行计算)。 ③微观生态安全格局中，首先通过生物量推算某一时刻单位面积内实存生活的有机物质的干重(生物量概念是许多林业问题和生态问题的研究基础)。地区的生物量多少与植被的胸径、树高、冠幅有密切关系，生物量的多寡反映生物种群的丰富程度。生物量增加反映朝向顶级群落发展，生物量减少，反映群落的衰退。其次通过坡长因子判断水土流失情况。最后，通过landsat8热红外波段地表温度(LST)反演所提出的算法有Jiménez-Muoz等(2014)的单通道算法计算地表温度，以TIRS 10波段为主要数据源，对照计算地表介质。

2.2生态红线的划定

生态保护红线体系包括生态功能保障基线、环境质量安全底线和自然资源利用上线(简称为生态功能红线、环境质量红线和资源利用红线)，其中以生态功能红线为依托的空间保护是整个生态红线体系的基本组成。因此，将微观生态安全格局的组成要素进行详细空间界定后，再叠加上生态敏感性评价所反馈的组成空间，形成既可以反应景观生态格局与过程特征又能兼顾管理区划要求的生态功能红线范围成果，该空间区划成果可以通过城乡规划主管部门落实到生态功能区划上，如图1所示。

图1 研究框架

3 云南省弥勒市雨补水库地区生态安全格局评价

3.1项目背景

雨补水库片区地处云南省弥勒、泸西、石林三县市交界，距弥勒市区12km，泸西县城25km，石林县城35km。雨补水库位于白马河下游，修建于2003年2月，径流面积654.2km2，为中型水库，是维持区域生态体系稳定的战略性生态功能空间。雨补水库总库容5750万m3，设计灌溉面积60.2km2，水库死水位1515.5m，常水位1541m。雨补水库现状年供水任务主要是农业灌溉，其中工业供水量383万m3，农业供水量5385万m3，灌溉面积56.67km2。

3.2生态安全格局评价

3.2.1市域生态安全格局

由归一化植被指数(NDVI)分析结果可以看出弥勒市域西侧和东侧有两条较为完整的生态廊道，西侧廊道北入石林县和泸西县交界处逐渐破碎。东侧廊道与丘北县生态廊道形成一体。生态源地之间的连通度是维护土地资源整体生态功能的有效策略。弥勒北部片区植被覆盖情况良好，加强弥勒市整体的生态连续性，将有助于维护弥勒市内生态流之间的高效通道和重要联系途径。雨补、洗洒和太平三大水库位于东、西廊道向中部过渡的位置上，呈环抱的态势包围着主城区北侧区域，成为城市主城区北侧重要的生态屏障。

3.2.2北部片区生态安全格局

综合斑块个数、斑块类型面积和斑块平均形状指数(MSI)3个指数分析，北部片区植被斑块破碎度较低，斑块间联系紧密，植物生态环境较好。斑块形状破碎指数相对较高，植被受地形起伏和水系分布影响较大，如表1～表2所示。

表1 北部片区植被斑块类型相关数据1

表2 北部片区植被斑块类型相关数据2

斑块个数(NP)：在类型级别上等于景观中某一斑块类型的斑块总个数，与景观的破碎度也有很好的正相关性。分维系数(FRAC)：反映形状的复杂程度，表明生态的稳定性；斑块类型面积(CA)：表示某斑块类型的总面积。其值与此类型斑块作为聚居地(Habitation)的物种的丰度、数量、食物链及其次生种的繁殖能力正相[8]。斑块平均形状指数(MSI)：度量空间格局复杂性的重要指标。最大斑块占总面积比例(LPI)：有助于确定景观的优势类型等。其值的大小决定着景观中的优势种、内部种的丰度等生态特征。

北部片区总体植被覆盖度良好，以中等覆盖片区为主。东南侧地势平坦地区受人类开发活动影响相对较大，植被覆盖率相对较低，如图2所示。与西侧生态廊道形成有效联系的有雨补片区(雨补北侧低覆盖斑块主要受云雾影响)和洗洒水库片区。

雨补水库生态斑块与北部生态廊道相交角度较大，具有较高的被物种再殖民的可能性。对于维护和扩大北部生态廊道的范围具有较为重要的作用。因此，优化雨补片区生态格局，一方面要雨补水库片区整理内部斑块，另一方面加强与弥勒北部片区生态廊道的联系。

图2 植被覆盖率分析图

3.2.3雨补水库生态安全格局

(1)水土流失

雨补水库地区周边存在一定数量的冲沟，尤其末端有剧烈水土流失风险，建议采用技术措施处理水土流失风险。

(2)植被覆盖度

通过斑块类型面积(CA)、最大斑块占总面积比例(LPI)两个指数的校核，雨补水库片区占优势地位的植被类型为低矮植被，其生态系统的群落结构较为简单，稳定性较差，如表3所示。

表3 雨补水库地区植被覆盖度分析

(3)破碎化指数

雨补水库地区散布与并列指数(IJI)较低，植被呈圈层结构，属于山地植被典型特征。中覆盖片区IJI值较低，结合归一化植被指数和地形图分析，中覆盖片区受水体或人类开发活动影响较大。通过对斑块数破碎化指数、斑块形状破碎化指数和内部生境面积破碎化指数的校核，雨补片区植被覆盖的斑块破碎度高于北部片区，抗干扰能力较低，如表4～表5所示。

表4 雨补水库地区破碎化指数分析1

表5 雨补水库地区破碎化指数分析2

(4)生物量

生物量的准确测定一般采用实测数据与回归分析相结合，因条件有限，本次研究借鉴国内外针对生物量的现有回归研究计算片区的生物量情况。从图3中可以看出，越靠近水域，生物量数值越大。

Biomass=49.5×exp(3.69×NDVI) 相关系数0.9(颜色由红色到绿色表示生物量逐渐增加)。

图3 雨补水库生物量估算图

(5)小结

首先，雨补水库片区靠近水域两侧的生态廊道需要重点维护。其次，水系西侧山脉存在需重点修复的南北向带状空间，以保障弥勒北部片区生态系统的完整性和有效性。

4 云南省弥勒市雨补水库地区生态红线划定

4.1生态敏感性分析

本生态敏感性评价基于雨补水库的生态本底现状，从土壤侵蚀性、石漠化敏感性、生境敏感性、地质灾害已发生程度和水环境敏感性评价5个方面综合考虑降水侵蚀力、地表覆盖、地形坡度、喀斯特地貌、植被覆盖等因子，并依据重要性加权叠加，借助GIS技术对空间数据进行管理、对矢量化图层进行计算叠加，形成雨补水库的生态敏感性空间分布，如图4所示[9-10]。

(1)土壤侵蚀敏感性分析

从降水侵蚀力分析结果可以看出，雨补水库片区为中度敏感区；地表覆盖以轻度敏感和中度敏感为主，在沿河地区和村庄少量分布高度敏感区；地形坡度分析以8°～25°为主，规划区东侧坡度较大。

(2)石漠化敏感性分析

弥勒市北部片区为喀斯特地貌；弥勒东西部山区属于卡斯特熔岩残丘地貌，水资源短缺；北部地形起伏平缓，石灰岩广布，岩溶发育，高原面较完整。雨补水库范围内同样石灰岩广布，且有溶洞；北侧植被覆盖度高，与基地西北侧生态廊道联系较好。

(3)生境敏感性、地质灾害易发程度与水环境敏感性评价

规划范围内有白鹭栖息，白鹭为濒危野生动物保护物种，所以将规划区生境均划为极度敏感区。雨补水库片区大部分区域属于地质灾害重点防治区，地质灾害易发频率较高，同时险情等级为中型。因此，该地区应以保护为主，避免大量开发建设。

(4)生态敏感性综合评价

从生态敏感性评价结果可以看出，雨补水库大多处于极、高、中敏感区。其中极、高敏感区主要包括水域、近水域的白鹭栖息地及水源保护地；中敏感区主要包括矿区、公益林和地质灾害易发区；低敏感与不敏感区主要包括村庄、裸地等。总体上看，低敏感与不敏感区大多位于西侧的小冲冲和南侧乡村地域，且呈现由南向北逐渐减少、零碎化趋势，如图4和表6所示。

表6 各单要素敏感性分级评价结果及面积、比重

图4 雨补水库生态敏感性分析图

4.2雨补水库生态红线划定

结合雨补水库地区生态安全格局评价及破碎化分析的成果，通过3种类型生态红线将规划区域内的生态空间加以划分，结合城乡空间管制为城乡规划主管部门的管理提供依据，并作为环境主管部门生态环境进对雨补水库及其周边区域行管理的重要依据。

(1)核心生态红线范围

核心生态红线范围主要为极度敏感和高度敏感区，包括雨补水库水域、陆域极度敏感区和高度敏感区。该范围的生态空间是构成雨补水库地区生态稳定的核心组成，是保障区域生态安全的战略性空间组成。该区域内除重大基础设施以外，禁止一切形式的新增及扩建建设活动。

(2)弹性生态红线范围

弹性生态红线范围为中度敏感区，该范围的生态空间是环雨补水库区域的弹性生态储备空间，当建设开发量需求不大的情况下，对其进行适当严格保护。在规划远期，可根据需要对弹性生态红线范围内部进行散点式、非结构性空间开发与利用。

(3)一般生态红线范围

一般红线范围为轻度敏感和不敏感地区，其范围内的空间具有较好的生态环境基础，规划以“大集中、小份散”为基本原则，以“低密度”为空间利用的基本特征。同时规划要求一般生态红线范围内的建设空间比重不得高于40%，如图5所示。

图5 雨补水库生态红线划分图

5 结语

生态安全格局一直是景观生态学研究的核心问题，本文在定量地分析了破碎化分析数据的基础上，通过对景观格局做出判断，以此将分析结果作为土地、城镇规划以及景观生态建设的参考。与此同时，结合生态敏感性分析判断出生态红线的范围。再者，对区域景观格局及其生态过程多视角的研究还有待加深，特别是对景观格局动态的作用机制有待进一步挖掘。

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Evaluationofecologicalsecuritypatternandecologicalredlinedrawnresearch——Basedonanalysisoffragmentation

ZHAODianhong

(Shanghai Tongji urban planning & design institute，Shanghai 200092)

In this paper, based on the theory of landscape fragmentation and GIS space technology, build the including macro ecological location analysis, medium ecological pattern and process characteristics, microscopic ecological elements and the evaluation of ecological security pattern evaluation research framework, determine whether ecological security pattern is presented the network state;Combining from microscopic perspective, to build the including soil erosion, desertification, geological disasters, and habitat in the process of single ecological sensitivity assessment of water environment, and integrate the superposition formed different ecological security level of comprehensive ecological sensitivity analysis;In this way, the ecological red line can be used for land, town planning and reference of landscape ecological construction.Finally, through the project practice, the core ecological red line, the elastic ecological red line and the general ecological red line are drawn, and the appropriate scope of each red line is described.

Fragmentation；Ecological security pattern；Ecological red line；Sensibility；Yubu reservoir

TU984.1

B

1004-6135(2017)11-0015-07

赵殿红(1982.4- )，女，工程师。

E-mail:402774164@qq.com

2017-08-23