基于生态系统服务功能和生态敏感性的生态空间划定研究——以南宁市为例

熊善高,秦昌波,于 雷,路 路,关 杨,万 军,李 新

环境保护部环境规划院, 北京 100012

改革开放以来,随着经济社会发展对生产、生活空间需求的不断增长,城镇空间、农业空间和生态空间的矛盾进一步加剧,导致生态空间不断被挤压,生态功能破坏、生态系统退化、生态环境恶化等区域生态安全问题日益突出[1- 2]。《生态文明体制改革总体方案》明确提出,“划定生产空间、生活空间、生态空间,建立空间规划体系,健全国土空间用途管制制度。”[3]。党的十九大报告指出,“必须坚持节约优先、保护优先、自然恢复为主的方针,形成节约自然和保护环境的空间格局、产业结构、生产方式、生活方式”,这标志着生态空间管制已成为我国国土空间管制的重要内容和构建空间治理体系的重要组成部分。合理划定生态空间,对保障区域生态安全需求,提高区域生态环境承载力,促进人与自然和谐发展具有重要的理论和现实意义[4- 6]。

一般认为,生态空间是指具有重要生态功能、以提供生态产品和生态服务为主的区域,在保障国家或区域生态安全中发挥重要作用[7]。随着《生态文明体制改革总体方案》逐步实施,关于生态空间的学术问题已逐渐成为研究的重点,其研究内容主要集中在生态用地需求规模量化研究[8- 9]、生态空间的现状及演化特征分析[10- 12]、生态空间规划与管控等内容[13- 15]。由于目前学术界对生态空间的理解和认知还存在差异,其划定的技术方法还处于不断探索过程中[16- 18],就生态空间划定的相关研究报道较少。如何划定生态空间？这已成为现阶段生态环境保护与管理需要解决的主要问题之一。

生态空间作为一种为人类生存和经济社会发展持续提供生态服务的重要空间形态,其数量规模和空间格局将直接影响到区域国土空间的生态安全[19]。因此,从保障区域生态系统健康的角度出发,探索研究区域内生态空间划定方法,可为保护国土空间生态安全提供决策依据。生态系统服务功能和生态敏感性是揭示生态系统健康的主要指标。生态系统服务功能维系与支持着地球生命系统和环境的动态平衡,为人类生存和社会发展提供了基本保障。生态敏感性反映了生态系统对自然环境变化和人类活动干扰的反应程度,可反映区域生态环境问题的难易程度和可能性大小[20]。基于生态系统服务功能和生态敏感性的生态系统保护和决策管理,能够协调生态系统与土地利用间的冲突,利于恢复或维持区域生态系统整体性和可持续性[20]。

目前,国内外学者对生态系统服务功能研究主要集中在生态系统服务功能度量、生态系统服务功能与人类福祉的关系、多种生态系统服务功能权衡、生态系统服务功能保护规划和基于生态系统服务功能的生态补偿机制研究等方面[21-25]。生态敏感性评价的研究主要集中在敏感机制的分析和特定生态过程的敏感性评价[20]。怎样将生态系统服务功能与生态敏感性研究应用到生态系统管理和决策方面已成为现阶段生态学领域研究的热点,包括空间规划、三生空间划定、生态安全保障技术研究、自然资源资产政策研究等内容[26-28]。

基于此,本文针对空间规划中划定生态空间的专业需求,以生态系统服务功能和生态敏感性技术评价方法为手段,以广西壮族自治区南宁市为研究对象,开展基于生态系统服务功能和生态敏感性的生态空间划定方法研究,以期为国土空间管控方案的制定和生态系统管理决策提供理论依据和技术支持。

1 研究区概况

南宁市地处广西壮族自治区西南部(图1),是中国西南地区出海通道的枢纽城市,地理范围介于107°45′—108°51′ E与22°13′—23°32′ N之间。区域为低山丘陵环绕的椭圆形盆地,地形以平原和丘陵为主,邕江蜿蜒曲折流经盆地中央穿过。研究区地处亚热带,属于湿润的亚热带季风气候,气候温润,降雨丰沛,年平均气温约为21.6℃,年均降雨量为1304.2 mm,平均相对湿度为79%,境内河流属于珠江流域西江水系。研究区总面积约为22112 km2,辖青秀区、兴宁区、江南区、良庆区、邕宁区、西乡塘区、武鸣区等7区,横县、隆安县、马山县、上林县、宾阳县等5县。2016年,研究区常住人口约为706.22万人,全年地区生产总值约为3703.39亿元。区域内上林县、马山县为国家重点生态功能县,属于桂黔滇喀斯特石漠化防治生态功能区。

图1 研究区地理位置Fig.1 Location of the study area

2 数据与方法

2.1 研究数据

本文使用的植被净初级生产力数据为2000—2014年的MOD17A3NPP产品,空间分辨率为0.0083℃,该产品由美国蒙大拿大数字地球动态模拟研究发布(http://www.ntsg.umt.edu/project/mod17),通过ArcGIS 10.1软件进行重采样为100 m空间分辨率数据。气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网中的中国地面气候资料数据集(包括降雨量、气温、蒸散发等),时间为1984—2014年,通过ArcGIS 10.1软件进行空间插值生成100 m空间分辨率数据。土地利用数据来源于地理国情监测云平台(www.dsac.cn),时间为2015年。植被覆盖数据来源于国家综合地球观测数据共享平台(http://www.chinageoss.org/)。高程数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/),数据分辨率为30 m。土壤数据来源于全球土壤属性数据库中的中国土壤数据集(Harmonized World Soil Database v1.2),为第二次全国土地调查南京土壤所提供的1∶100万土壤数据,通过ArcGIS 10.1软件进行重采样为100 m空间分辨率数据。

2.2 研究思路

本文研究思路具体分为(图2)：①识别区域主导的生态系统服务功能和生态敏感性特征,针对主导生态系统服务功能和生态环境敏感性特征开展生态重要性和生态敏感性的科学评估,将生态功能重要性划分为一般重要、重要和极重要3个等级。将生态敏感性划分为一般敏感、敏感和极敏感3个等级。②根据2015年南宁市土地利用数据,按照《土地利用现状分类》(GB/T21010—2007),提取南宁市生态用地[13],主要包括林地(有林地、灌木林地、其他林地)、草地(天然牧草地、人工牧草地、其他草地)、水域(河流水面、湖泊水面、水库水面、坑塘水面、内陆滩涂、沟渠、沼泽地)和其他土地(沙地、裸地),总面积约为12174.84 km2,约占研究区国土面积的55.09%。③在生态用地的国土空间范围内,利用ArcGIS软件,经过相交叠加分析,提取生态用地范围内生态系统服务功能综合重要性(极重要和重要)和生态敏感综合性(极敏感和敏感)区域,经过边界处理,形成生态空间范围。

图2 生态空间划定技术路线图Fig.2 The technical route to locate the boundary of the ecological space

2.3 评价方法

2.3.1 评价方法

根据《广西壮族自治区主体功能区规划》、《广西壮族自治区生态功能区划》、《广西壮族自治区生物多样性保护战略与行动计划(2013—2030年)》、《南宁市生态功能区划》,得出研究区主导的生态系统服务功能为水源涵养、水土保持、生物多样性维护,主要的生态环境敏感特征为水土流失和石漠化。根据《生态保护红线划定指南》[29]中推荐的方法,结合南宁市生态环境实际情况,水源涵养功能重要性评估采用水量平衡方程模型评估法,水土保持功能重要性评估采用修正通用的水土流失方程模型评估法,生物多样性维护功能采用净初级生产力(NPP)定量指标评估法。水土流失敏感性评估选取降水侵蚀力、土壤可蚀性、坡长坡度、地表植被覆盖等指标构成的评估模型。石漠化评估选取碳酸岩面积百分比、地形坡度、植被覆盖度因子等指标构成的评估模型(表1和图3)。

表1 生态系统服务重要性评价和生态环境敏感性评价方法

图3 参数空间分布图Fig.3 Spatial distributions of indexes

2.3.2 分级标准

生态系统服务功能重要性评价分级和生态敏感性分级标准采用《生态保护红线划定指南》[29]中分级标准：

(1)生态系统服务功能重要性评价分级

通过模型计算,得到不同类型生态系统服务功能值栅格图。在ArcGIS中,运用栅格计算器,输入公式“Int([某一功能的栅格数据]/[某一功能栅格数据的最大值]×100)”,得到归一化后的生态系统服务功能值栅格图。导出栅格数据属性表,属性表记录了每一个栅格像元的生态系统服务功能值,将服务功能值按从高到低的顺序排列,计算累加服务功能值。将累加服务功能值占生态系统服务功能总值比例的50%与80%所对应的栅格值,作为生态系统服务功能评估分级的分界点,利用ArcGIS软件的重分类工具,将生态系统服务功能重要性分为3级,即极重要、重要和一般重要(表2)。

表2 生态系统服务功能评估分级

(2)生态环境敏感性评价分级

利用ArcGIS的重分类模块,将生态环境敏感性评估结果分为3级,即一般敏感、敏感和极敏感,具体分级赋值及标准见表3。

表3 生态环境敏感性评估分级

2.3.3 综合评价

(1)生态系统综合服务功能重要性评价

根据前节对水源涵养、水土保持、生物多样性维护功能进行的评价分级,采用析取运算进行生态系统综合服务功能重要性评价[30],计算公式为：

ESI=Max{ESIw,ESIs,ESIb}

式中,ESI代表生态系统综合服务功能重要性评价结果,ESIw代表水源涵养功能重要性评价结果,ESIs代表水土保持功能重要性评价结果,ESIb代表生物多样性维护功能重要性评价结果。

(2)生态环境综合敏感性评价

根据前节对水土流失、石漠化的评价分级,采用析取运算进行生态环境综合敏感性评价,计算公式为：

ES=Max{ESs,ESr}

式中,ES代表生态环境综合敏感性评价结果,ESs代表水土流失敏感性评价结果,ESr代表石漠化评价结果。

3 结果与分析

3.1 生态系统服务功能重要性评价

(1)水源涵养功能重要性

水源涵养是指森林、灌丛、草地、湿地等生态系统通过其特有的结构与水相互作用,对降水进行截留、蓄积,并通过蒸散发实现对水流、水循环的调控。因此,本文重点针对研究区内森林、灌丛、草地、湿地生态系统,评价水源涵养能力。结果表明(图4),研究区水源涵养功能重要性类型以一般重要为主,面积约为10005.6 km2,约占总评估面积的89.12%,主要分布在研究区的武鸣区、宾阳县、兴宁区、隆安县、横县等东部、西部和南部地区。其次为极重要地区,面积约为662.29 km2,约占总评估面积的5.9%,主要分布在马山县东北部地区和上林县北部的局部地区,主要原因为区域内降雨量相对较高,植被覆盖度较高,蒸散发能力相对适中。水源涵养重要区域面积较小,约为559.11 km2,约占总评估面积的4.98%,主要分布在极重要区域周边外围地带。

(2)水土保持功能重要性

水土保持是生态系统通过结构与过程作用来减少由于水蚀所导致的土壤侵蚀的功能。结果表明(图5),研究区内水土保持功能重要性类型以一般重要为主,面积约为14478.85 km2,约占研究区总面积的65.50%,主要分布在南部的良庆区、江南区、邕宁区、横县等。其次为水土保持功能重要区域,面积约为4399.78 km2,约占研究区总面积的19.92%,主要分布在研究区北部和中部地区。水土保持功能极重要区域面积约为3223.17 km2,约占研究区总面积的14.58%,主要分布在马山东北部岩溶山地区域、大明山区域、隆安西部区域、研究区中部的高峰岭-白花山-三状岭等山地区域。

图4 水源涵养功能评估结果图Fig.4 Result of water conservation evaluation function

图5 水土保持功能评估结果图Fig.5 Result of soil and water conservation function

(3)生物多样性维护功能重要性

生物多样性维护功能是生态系统在维持基因、物种、生态系统多样性发挥的作用。结果表明(图6),研究区域生物多样性维护功能重要性类型以一般重要为主,面积约为10991.23 km2,约占研究区总面积的49.73%,主要分布在研究区中西部的西乡塘区、隆安县、江南区等。极重要区域和重要区域面积大小基本相当,分别为5569.65 km2和5540.92 km2,占研究区面积的25.2%和25.07%。极重要区域和重要区域主要分布在研究区北部的马山县、东南部的横县等地区。该区域生物多样性维护功能相对较高,涵盖了大明山国家级自然保护区、上林龙山自治区级自然保护区、三十六弄-陇均自治区级自然保护区、九龙瀑布群国家森林公园。

(4)生态系统综合服务功能综合性评价

研究表明(表4),研究区内主要的生态系统服务功能为生物多样性维护功能和水土保持功能,二者极重要区和重要区分别占研究区国土面积的50.27%和34.5%。其次为水源涵养功能。将水源涵养功能、水土保持功能、生物多样性维护功能进行空间叠加综合评价(图7),发现研究区内生态系统综合服务功能重要性类型以一般重要为主,面积约为9353.98 km2,约占研究区总面积的42.32%,主要分布在研究区的中西部地区,区域内地势较为平缓,是研究区内人类开发建设活动的主要分布区域。重要区域面积约为6471.57 km2,约占研究区总面积的29.28%,主要分布在研究区东部地区,该地区的横县、宾阳等是未来人口开发建设活动的重点区域。极重要区域面积约为6276.25 km2,约占研究区总面积的28.40%,主要分布在研究区的北部和东部地区,该区域内海拔较高,山地众多,林、灌、草植被生态系统较为丰富,对维护桂西南石山区、右江流域以及左江流域的生态安全都具有重要作用,同时也是桂西南岩溶地区重要物种贮存库。

图6 生物多样性维护功能评估结果图Fig.6 Result of biodiversity maintenance function

图7 生态系统综合服务功能重要性评价图 Fig.7 Evaluation of the importance of comprehensive ecosystem service

服务功能Ecosystem services重要性分级Importance level面积/km2Area占总面积百分比/%Percentage of total area累积百分比/%Cumulative percentage水源涵养极重要662.295.905.90Water conservation重要559.114.9810.88一般重要10005.6089.12100水土保持极重要3223.1714.5814.58Soil and water conservation重要4399.7819.9234.50一般重要14478.8565.50100生物多样性维护极重要5569.6525.2025.20Biodiversity maintenance重要5540.9225.0750.27一般重要10991.2349.73100综合服务功能极重要6276.2528.4028.40Comprehensive services重要6471.5729.2857.68一般重要9353.9842.32100

3.2 生态环境敏感性评价

(1)水土流失敏感性评价

结果表明(图8),研究区水土流失敏感性类型主要以敏感类型为主,面积约为19065.01 km2,约占研究区总面积的86.26%,主要分布在马山县、上林县、宾阳县、兴宁区、隆安县、青秀区等区域,主要为坡耕地相对集中和崩岗相对密集区域。其次以一般敏感为主,面积约为3005.8 km2,约占研究区总面积的13.6%,主要分布在武鸣区、西乡塘区、横县、江南区、邕宁区、良庆区等。水土流失极敏感区域面积较少,总面积约为30.9 km2,约占研究区总面积的0.14%,主要以零星点状的形式分布在马山县、上林县、宾阳县等地区。

(2)石漠化敏感性评价

南宁属于滇桂黔石漠化区,特别是马山县、上林县、隆安县为岩溶峰丛山地,土地石漠化较为明显。研究结果表明(图9),研究区石漠化敏感性类型主要以石漠化一般敏感为主,面积约为14363.96 km2,占研究区面积的64.99%,主要分布在研究区内的马山县、上林县、隆安县、大明山区域。其次是敏感区域,面积约为7689.22 km2,占研究区面积的34.79%,主要分布在南部地区的良庆区、邕宁区、江南区、横县等。极敏感区域较少,约为48.62 km2,约占研究区面积的0.22%,以零星的形式分布在研究区北部的马山县、上林县、隆安县等地区。

图8 水土流失敏感性评价图Fig.8 Result of soil and water loss

图9 石漠化敏感性评价图Fig.9 Result of stony desertification

图10 生态环境敏感性综合评价图Fig.10 Evaluation of comprehensive ecological sensitivity

(3)生态环境综合敏感性评价

研究表明(表5),研究区生态敏感性以水土流失敏感性为主,其次为石漠化敏感类型。将水土流失和石漠化空间分布进行叠加综合评价(图10),结果表明研究区域内生态环境综合敏感类型以敏感为主,面积约为18884.46 km2,约占总面积的85.44%,主要分布在马山县、上林县、宾阳县、兴宁区、隆安县、青秀区等区域。其次为一般敏感区,面积约为3150.89 km2,约占总面积的14.26%,主要分布在武鸣区、西乡塘区、横县、邕宁区。极敏感区域较少,面积约为66.45 km2,约占总面积的0.30%,主要分布在马山县、上林县、隆安县等岩溶山地区域,其空间分布较为破碎。

3.3 生态空间划定

表5 生态环境敏感性评价结果

图11 研究区生态用地、综合服务功能、综合敏感性叠加图 Fig.11 Result of ecological land, comprehensive service function, comprehensive sensitivity

图12 生态空间分布结果图Fig.12 Result of ecological space

利用ArcGIS 10.1软件将研究区生态系统综合服务功能重要性和生态环境综合敏感性评估数据转换为shape格式数据,对生态系统综合服务功能极重要区和重要区、生态环境综合极敏感区和敏感区进行空间叠加分析,按照生态系统完整性和连续性保护的原则,删除评估时产生的破碎及细小斑块(以1 km2为细小斑块阈值)[31],消除细小斑块的影响。在此基础上,与从土地利用数据中提取的生态用地进行相交分析(图11),得出在生态用地空间范围内具有生态系统综合服务功能(极重要和重要)和生态综合敏感性(极敏感和敏感)的区域。然后,与高精度遥感影像、土地规划等资料进行校核,按照保护需要和开发利用现状,依据地形地貌或生态系统完整性确定的自然边界,通过边界处理划定生态空间范围[31](图12和表6)。结果表明,研究区生态空间总面积约9325.27 km2,占研究区总面积的42.19%,主要分布在马山县、上林县、隆安县、武鸣区、宾阳县、兴宁区、横县等区域。生态空间范围内土地利用类型以林地为主,面积约为7800.60 km2,约占生态空间面积的83.65%,其次为其他土地和湿地。分析发现,划定的生态空间范围占研究区内生态用地面积的76.59%,其中林地占研究区生态用地内林地总面积的80.19%,草地占研究区生态用地内草地总面积的41.11%,湿地占生态用地内湿地总面积的53.69%。表明划定的生态空间范围涵盖了绝大部分生态用地,其面积规模能够发挥一定的生态效益,支撑和维护研究区内生态安全。

4 结论与讨论

生态空间是重构我国空间规划秩序,提高城市空间治理水平的重要组成部分[32]。其边界划定内容既属于学术研究问题,也是协调保护和发展的重要社会实践问题。在目前国内对生态空间划定技术方法还不够完善和存在争议的情况下,本文从保障区域生态系统健康的角度出发,基于生态系统服务功能和生态敏感性,探索和实践了生态空间的划定方法,有利于实现土地利用和区域生态系统保护之间的协调。其研究可为促进和完善生态空间划定提供方法借鉴。

表6 生态空间土地利用类型统计结果

研究结论表明：(1)研究区域内生态系统服务主导功能为生物多样性维护功能和水土保持功能,其次为水源涵养功能。生态系统综合服务功能重要性类型以一般重要为主,约占研究区总面积的42.32%。(2)研究区生态敏感性以水土流失敏感性为主,其次为石漠化敏感类型。生态环境综合敏感类型以敏感为主,约占总面积的85.44%。(3)研究区生态空间总面积约9325.27 km2,占研究区总面积的42.19%,占研究区内生态用地面积的76.59%,土地利用类型以林地为主,约占生态空间面积的83.65%。划定的生态空间范围涵盖了绝大部分生态用地。

目前,生态空间的界定主要基于生态用地论和生态功能论2种视角[18]。生态用地论强调生态空间是所有绿色植被覆盖或者水体占有的土地类型,包括林地、草地、湿地、未利用土地等[33]。生态功能论强调生态空间是指具有自然属性、以发挥生态系统服务功能为主的国土空间,包括森林、草原、湿地、河流等[34]。本研究借鉴以上概念,认为生态空间应是在生态用地范围内能够发挥重要和极重要的生态系统服务功能或者生态环境敏感和极敏感的区域组成的国土空间,所以认为生态空间的范围应小于生态用地的范围。如城市建成区内小型绿地属于生态用地,但是可能就不属于生态空间。因此本文对生态空间的理解,并基于此开展的划定方法研究在一定程度上丰富了生态空间的内涵。另外,生态空间包括了“地域空间”的含义,不同的空间尺度下,划定识别的结果会有较大差异。在流域、区域等大尺度下,生态空间一般为具备相对完整的生态系统或具有均质性生态系统服务功能或生态环境敏感特征的区域。在城市、区县等中小尺度上,特别是在地形地貌多样复杂的山区或者水陆、海陆地带,生态空间往往与城镇空间、农业空间错落交织,辨识度较低。所以,更为科学合理、符合实际的生态空间划分研究还有待深入[16]。

本文研究采用的基础数据大部分由遥感影像解译或者经过数据加工得到,数据处理存在的误差必然会影响分析结果的准确性。此外,在进行生态系统服务功能重要性和生态敏感性识别中涉及多种自然要素数据,数据标准化和分级标准绝大多数参考了《生态保护红线划定指南》[29]中相关参数标准化和分级要求,这些数据标准化分级可能更适宜于区域、流域、省域等大尺度区域,而针对中小尺度,数据分级标准和数据空间精度要求可能不太适宜,在一定程度上影响了分析结果的准确性。特别是水土流失和石漠化敏感性评价中土壤质地类型数据和碳酸盐分布数据是根据全国1∶100万土壤类型数据加工而成,数据精度较粗,导致水土流失和石漠化敏感性评估结果可能不够准确。因此,丰富数据来源,提供数据精度,进一步辨识区域生态系统服务功能和生态敏感性机制和能力还有待深入探讨。

城镇空间、农业空间、生态空间共同构成了国土开发格局的空间体系。《省级空间规划试点方案》提出了要求“划定城镇、农业、生态空间,建立健全统一衔接的空间规划体系,合理整合协调各部门空间管控手段,绘制形成空间规划底图,形成协调一致的空间管控分区”[35]。因此,生态空间的划定在一定程度应与城镇空间、农业空间划定同步开展,并在划定过程中不断衔接和协调,而不是其中某一个空间单独孤零的划定。因此,深入探究生态空间划定技术方法,仍需要与城镇空间、农业空间统筹结合,开展系统的综合研究。