基于生态系统服务功能及生态敏感性的遵化市生态空间划定研究

王煦然，邹琴英，师学义*

（1.国家林业与草原局产业发展规划院，北京 100010；2.中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京 100083）

0 引言

改革开放以来，城市化和工业化的快速发展导致生态系统服务退化，生态空间与经济需求矛盾加剧，因此，生态空间规划和修复提上了各级政府的日程［1］。2013年中央城镇化工作会议“一张蓝图干到底”和2014年启动市县“多规合一”改革，要求建立国土空间规划体系［2］；2015年《关于加快推进生态文明建设的意见》中明确提出“健全空间规划体系，划定“三生空间”［3］；2017年《省级空间规划试点方案》明确了国土空间规划编制体系，要求划定“三区三线”，转变国土空间开发模式和理念［4］。

如何推进“三区三线”的划分，需要探索国土空间体系的构成和划分。按照“生态先行”理念，应优先划定生态空间。许多学者结合国土空间试点区开展了划定生态空间工作，主要集中在生态空间研究、生态空间识别、结构优化与用途管制、生态空间格局构建、生态敏感性和生态系统服务功能上［5］，但大多处于宏观层面，缺乏统一的指标体系与指标阈值，存在基础数据来源广和精度不一，土地分类结果不一等问题，易造成具有重要生态连接功能的潜在生态空间被忽略。20世纪90年代以来，为了从根本上实现生态安全，减少生态问题，提高生态保护有效性，加强管理生态系统空间，协调三生空间布局，使得生态空间格局成为研究热点［6］，但尚未形成统一的评价体系和相关准则。

遵化市在自然生态空间管制过程中，存在划设不尽合理，部分保护区域空间重叠，导致生态区管制不明晰等问题。因此，本文从生态系统服务功能和生态敏感性出发，以遵化市为研究对象，选取斑块、生态廊道、生态环境重点治理区域、生态工程和生态布局重点修正指标，融合生态空间划分的技术与方法，科学分析生态功能重要性和生态环境敏感的空间分布差异，划分生态空间和识别生态修复空间，以期为县级国土空间生态空间划定及安全格局构建提供参考，促进区域可持续发展和生态稳定。

1 研究区概况

遵化市位于河北省东北部，地理坐标：39°54'56"～40°22'18"N，117°93'45"～118°14'00"E，总面积1 513.87 km2。地形以丘陵和山地为主，平原穿插其间，素有“三山两川”之称，海拔300 m～500 m。气候类型属于暖温带季风半湿润区大陆性气候，雨热同期，年平均降水量766 mm，自西北向东南逐渐递减。地处华北和东北两大植物区系的交界处，植被类型包括森林、灌丛和草原植被。河流主要有黎河和沙河水系。土壤类型以棕壤土和褐土为主，还有小面积潮土分布。地层岩性多样，多由太古界变质岩构成，构造复杂。遵化是典型的矿产资源开发城市，随着掠夺式的矿产资源开采、城镇化建设和农业开垦，生态绿地不断减少，生境质量不断下降，生态系统服务功能退化，生态环境问题突出。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

研究数据主要包括气象数据、土地利用现状数据、地形地貌数据、植被数据、土壤数据、行政区划数据、旅游资源数据、林业资源数据和生态数据。月均/年均降水气象数据来自于中国气象数据网中国地面气候资料日值数据集。遵化市土地利用现状数据来自于国土三调数据。地形地貌DEM数据和植被数据中使用的2019年landsat8影像来自于地理空间数据云。部分土壤数据来源于世界土壤数据库中国土壤数据集（Harmonized World Soil Database version 1.1）（HWSD），其余土壤数据来源于中国科学院土壤研究所。行政区划和生态项目数据来源于遵化市自然资源局。旅游资源数据源于遵化市旅游局。将全部数据采用高斯克吕格西安80坐标系，空间分辨率为30 m。

2.2 研究思路

根据《河北省生态功能区划》，遵化市生态功能区类型包括水源涵养和土壤保持功能，加之遵化市植被资源丰富，为此选择水源涵养、土壤保持和生物多样性维护保护功能作为生态系统服务功能重要性评价指标；遵化市作为资源型开发城市，矿区周围存在大面积的水土流失现象，因此，选择水土流失敏感性作为生态敏感性评价的指标。生态空划定的技术路线见图1。根据生态系统服务功能重要性与生态敏感性等级采用最大值法叠加得出生态保护等级高（V）、较高（IV）、中等（III）、较低（II）和低（I）等5个等级。从斑块间的连通性、生态群落的聚集和分散性、生态系统的相似性和相异性出发，采用斑块指标修正。从生态总体格局出发，考虑生态廊道体系。考虑人为因素对生态保护的影响，采用重大生态工程、生态布局重点和生态环境治理区域指标进行修正，得到生态保护重要性等级，即优先保护序列评价。各类禁止开发区的核心区域是具有代表性的自然生态分布地和文化遗产的所在地，将评价的最高等级和各类禁止开发区的核心区域直接划入生态保护优先区和生态保护红线内，生态保护重要性等级较高和中等划分为生态保护次优先区，较低和低等级划分为一般区域。

图1 生态空间划定技术路线图Fig.1 Technical route to locate the boundary of the ecological space

2.3 评价方法

2.3.1 生态保护等级评价方法

（1）生境质量模型。根据InVEST模型、相关文献和遵化市生态条件，参照景观类型分类标准，确定乔木园地、乔木绿地、草本湿地、草丛等景观类型为生境；选取采矿场、工业用地、裸地、交通用地、居住地、旱地和水田为威胁源；根据相关文献和指南，确定各项模型参数。生境质量值计算公式如下：

其中Qxj表示地类j中的栅格单元x的生境质量；z和k是比例因子Dxj为土地利用/覆被类型j中的栅格单元x受到的总威胁水平值。

（2）产水量模型。依据水循环原理，通过降水和地表蒸散差计算获得产水量，采用地形指数、土壤饱和导水率和流速系数对产水量进行修正获得水源涵养量。产水量模型具体计算方法如下：

其中，Yxj为土地利用类型j，栅格x的产水量（mm）；Px是栅格x的多年平均降水量（mm）；AETxj为土地利用类型j，栅格x的多年平均蒸发量（mm）；R是水源涵养量（mm）；Ksat为土壤导水率（cm/d）［7］；V 是流速系数；TI为地形指数。

（3）土壤保持服务。采用RUSLE模型［8］对生态系统土壤保持功能进行计算。计算公式如下：

其中，SC 为土壤保持量（t·hm-2·a-1）；Ap为潜在土壤侵蚀量（t·hm-2·a-1）；Ar为实际土壤侵蚀量（t·hm-2·a-1）。R为降水侵蚀力因子（MJ·mm·hm-2·h-1·a-1））；K为土壤可蚀性因子（t·ha·h·ha-1·MJ-1·mm）；LS为地形起伏度（m）；C为植被覆盖因子；P为水土保持措施因子。

（4）水土流失敏感性。根据“技术指南”《资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价技术指南》，水土流失敏感性采取以下公式计算：

其中A为水土流失敏感性值；R为降雨侵蚀力因子；K为土壤可蚀性因子；LS为地形起伏度因子；C为植被覆盖因子。各因子值见表1。

表1 评价因子分级赋值Table1 Grading and assignment of evaluation factors

2.3.2 生态保护重要性集成评价及指标

集成评价需要对因子进行分等定级，将生境质量、产水量、水土保持和水土流失敏感性的计算结果采用自然间断分隔法划分成低、较低、中等、较高和高等5级。按最大值法集成生态系统服务功能重要性和生态敏感性，根据生态系统服务功能重要性和生态敏感性等级最大值法集成生态保护等级。生态保护等级是基础的生态本底评价，未能考虑区域内斑块间的连通性、生态群落的聚集和分散性、生态系统的相似性和相异性，故在生态保护等级上采用斑块集中度、生态廊道和修边指标修正得到生态保护重要性等级。考虑到生态工程的延续性，在生态保护分级采用生态环境重点治理区域、重大生态工程和生态布局重点指标进行修正。

（1） 斑块集中度

生态保护等级斑块是指不同于周围背景和相对均质的非线性区域。各种生态系统等级都普遍存在着空间的斑块化。斑块的连通性和聚集性都映射着生态系统间的相似性和相异性，其中，斑块聚集度指数是重要指标之一。斑块聚集度指数是同等生态保护等级斑块的聚集与分散状态，值越大，同等级斑块的分布越集中，整体景观破碎化程度越低［9］。因此，对生态保护等级初判结果为中等、较高和高等级的图斑，进行聚合操作，聚合距离采用30 m。按生态斑块面积大小进行分级，<0.25 km²、0.25 km²～0.50 km²、0.50 km²～1.00 km²、1.00 km²～2.00 km²和>2.00 km²分别为生态斑块集中度高（V）、较高（IV）、中等（III）、较低（II）和低（I）等级。依据表2进行生态保护等级修正。

表2 生态斑块集中度评价判别矩阵Table 2 Evaluation matrix of ecological patch concentration

（2） 生态廊道

生态廊道指具有维护生物多样性、过滤污染物、维系地上地下水量平衡和防风固沙等生态系统服务功能的廊道类型［10］。通过构建生态廊道连接的核心斑块，对物种保护、区域生态环境维护与提升具有重要意义［11］。

研究区河流网络密集，选取具有源汇、灌溉、通道和栖息地生态功能的河流作为生态廊道。构建以黎河、沙河、娘娘庄河、党峪河、淋河、魏进河和清水河为骨架，其他河流为支脉的水生生态廊道。将黎河和沙河两条主干河流生态保护重要性初判结果为较高等级的图斑调整为高等级、一般等级的图斑调整为较高等级。

（3） 修边

研究区的河流地貌和景观（公益林线、河流和山脉）等自然边界存在斑块破碎现象，为确保生态系统的完整性，依据自然地理地形地貌和生态系统界线，对生态保护重要性高和较高等级的区域进行边界修正。

（4） 生态环境重点治理区域、重大生态工程和生态布局重点

遵化市采矿业产业链完整，采石场集中在南部，采铁矿集中在北部。长期矿产资源的开发造成一系列的矿山地质环境问题，治理任务繁重。依据河北省委省政府制定的《露天矿山污染持续整治三年作战计划（2018—2020年）》和《唐山市国土绿化三年行动方案》，结合遵化市山水林田湖草生命共同体项目，将宏达采石场、朱山、鱼山和大发石渣场等12处作为生态环境重点治理区域，生态治理区域的生态保护重要性等级为高，较高等级的图斑调为一般等级，一般等级的图斑调为较低等级。

根据遵化市林业普查数据，林业工程（国家级重点公益林）是研究区主要生态工程，面积143.36 km²，占总面积的9.47%。区域内国家级重点公益林的林业保护等级均为二级，均作为重大生态工程，国家级重点公益林的生态保护重要性初判结果调整为高等级。

东陵国家森林公园、鹫峰山省级森林公园、沙河和黎河为生态布局重点，沙河和黎河是遵化建设生态型小流域的试点，东陵和鹫峰山森林公园是动植物栖息地和森林氧吧。

2.3.3 禁止开发区

根据生态保护重要性等级评价已确定生态保护优先区（生态保护红线）和生态保护次优先区空间，为了与现行生态保护政策与主体功能区对接，叠加禁止开发区的核心区作为生态保护优先区的补充。

根据遵化市实际情况和2010年《全国主体功能区规划》中“禁止开发区”的概念［12］，将东陵国家森林公园、鹫峰山省级森林公园、世界文化遗产清东陵、明长城、万佛园、凤凰岭、禅林寺、卧龙山、龙门湖、上关湖和丘庄水库等风景名胜以及教厂水源地、堡子店水源地和上关水源地核心区作为禁止开发区。

3 结果与分析

3.1 生态保护等级评价

生态系统服务功能重要性与敏感性空间格局见图2a、2c和2d。生物多样性等级高的区域主要分布在长城狩猎场-鹫峰山-禅林寺古银杏风景园、上关湖-万佛园-清东陵、卧龙山-南山常乐谷周边和黎河沙河两岸（图2a）。水源涵养等级高的区域主要集中鹫峰山、上关湖、清东陵、金凤湖和龙门湖区域。水土保持等级高的区域主要分散在低山及丘陵地带（图2c）。根据最大值法集成出遵化市生态系统服务功能区，其中高值区主要分布在河流湖泊、水库、南山区和中道山一带，其他地区的水土保持功能整体偏低（图2d）。

水土流失敏感性较高等级在植被低的丘陵和谷底，呈块状分布（图2e），大致呈现“南北高，中部低”的特征。另外，在中道山地区敏感性也较高，其分布特征与该地区山地丘陵分布有一定关系。

生态保护等级评价结果如图2f所示，其中，生态保护为高级的土地面积234.53 km²，占总面积的15.99%；较高级的土地面积为583.18 km²，占总面积的39.75%；中级的土地面积为132.77 km²，占总面积的9.05%；较低级的土地面积为490.70 km²，占总面积的33.45%；低级的土地面积为72.60 km²，占总面积的4.95%。遵化市生态保护能力较高的地区主要分布在南部山地丘陵、东北和西北部一部分丘陵地带；而黎河和沙河干流两侧，与一部分支流两侧的平原地带生态保护等级较低。

图2 生态保护等级评价：（a）生物多样性等级；（b）水源涵养功能；（c）水土保持功能；（d）生态系统服务功能重要性；（e）水土流失敏感性；（f）生态保护等级Fig.2 Evaluation of ecological protection level：（a）Biodiversity grade；（b）Water conservation function；（c）Soil and water conservation function；（d）Ecosystem service function importance；（e）Sensitivity of soil erosion；（f）Ecological protection grade

3.2 生态保护重要性等级及生态空间的划定

通过斑块集中度、生态廊道、修边、生态环境重点治理区域、重大生态工程和生态布局指标修正生态保护等级得到生态保护重要性等级（图3c）。生态保护重要性等级如图3c所示，不适宜、较不适宜和一般适宜等级的面积分别为65.18 km²、561.75 km²、165.94 km²，占总面积的4.31%、37.11%、10.96%，集中分布在北川和南川平原地带，人类活动的频繁区；较适宜等级的面积为459.72 km²，占比30.37%，主要分布在丘陵和山谷地带；适宜等级的面积为261.28 km²，占比17.26%，是生态系统服务功能最好的核心区，包括国家自然公园和水源地集中地，需要加强管制性保护，减少人为干扰。因此，将生态保护重要性等级为高的划为生态保护优先区（生态保护红线），将等级为较高和中等的划为生态保护次优先区，较低和低等级的生态保护重要性划为一般区域。

图3 生态保护优先序评价及空间分布。（a）禁止开发区；（b）重点生态区域；（c）生态保护重要性；（d）优先序区域Fig.3 Priority evaluation and spatial distribution of ecological protection.（a）Prohibited development zone；（b）Key ecological area；（c）The importance of ecological protection；（d）Priority area

将生态保护优先序区域与遵化市三调土地利用类型相叠加得到表3，其中园地占比最高，林地和草地次之，耕地、水域、建设用地和裸地最低。在生态保护次优先区内，园地面积最大，占29.04%，其次是草地和林地，这与遵化市的农业经济结构有关，遵化市林业大多为经济林以板栗和桃树为主，草地覆被少，因此在生态保护次优先区内要注意优化林业结构，降低人类对自然的干预，保护生物多样性；在生态保护优先区中林地面积最大，其中以重大生态工程为主，存在少量的耕地和园地，主要分布在水域周围和禁止开发区内。生态保护优先区是以自然生态功能为主划分的区域，是遵化市最重要的生物栖息地和水源涵养区，应减少人类活动，提高准入门槛，淘汰污染性产业和相关企业。

表3 生态优先序区域土地利用分类统计Table 3 Land use classification statistics of ecological priority areas

3.3 生态安全格局

依据生态保护重要性等级评价结果，结合斑块面积大小、动植物物种丰富度、地理格局和生态保护红线，选取重要的草地、林地和水体（共15处）为生态源地。以生态源地为源，结合水生生态廊道，在遵化北山、中道山和南山三大自然生态屏障的基础上，可以构建“3屏、7廊、15片区”生态安全格局（图4）。建设三大屏障，以长城狩猎场-鹫峰山-禅林寺古银杏风景园-上关湖-万佛园-清东陵北山生态保护红线为重点区域，提高北山的生物多样性和水源涵养功能；建设中道山区生态屏障，以生态保护红线为重点区域，提升中部生态水土保持功能，维持人地关系和谐；建设南山区生态屏障，以卧龙山-南山常乐谷周边低山及丘陵地带为主，提升南山区域的水土保持和生物多样性功能，保护以黎河和沙河两大河系的水生生态廊道，最大程度发挥其源汇作用，增强娘娘庄河、党峪河、淋河、魏进河和清水河生物栖息和通道功能。根据生态系统服务功能、生态敏感性和生态保护红线，分类建设15片生态保护区，分别为以生态保育功能为主的鹫峰山-禅林寺、中道山东部山地丘陵区和石头崖-鹰顶山等3个生态保护区；以生物多样性保护功能为主的北山东北部、清东陵-凤凰岭和卧龙山等3个生态保护区；以水源涵养功能为主的般若湖、龙门湖、上关水库和丘庄水库等4个生态保护区；以土壤侵蚀防治区和水土保持功能为主的中道山西部丘陵区、中道山中部山地丘陵区、上寺山-鸡冠崖-老虎顶、党峪河源头和中部东部等5个生态保护区。

图4 生态安全格局空间分布Fig.4 Spatial distribution of ecological security pattern

4 讨论

生物多样性维护服务功能和水源涵养功能使用了InVEST模型，弥补了传统NPP法采用多年平均数据识别生物栖息地和衡量生物多样性维护服务能力的缺陷。因为NPP法无法根据抽象的多年平均降雨量因子和多年植被净初级生产力平均值识别小区域内水域范围，In⁃VEST模型的产水量模块，经指标校正后得到的水源涵养量能够多尺度、综合、动态和可视化的评估［14］。通过InVEST模型可视化再现研究区生境质量与水源涵养能力的的空间差异性，为研究区划分生物多样性区域提供有效的依据与参考。

现有相关研究往往仅针对主体功能区中的限制开发区或者土地利用中的林地、草地、水域等做生态重要性和敏感性评价，而本研究除对遵化市开展生态保护重要性和敏感性评价以外，还增加了生态保护优先序列评价，能够识别出具有地带性指示意义、面积大且空间分布集中的生态系统，确保了生态系统及其服务功能的整体性和连贯性。

本研究评价方法还有需要完善的地方，一是采用的基础数据大部分经过数据加工得到，过程中存在的误差必然会影响分析结果的准确性；二是受理论、方法和数据获取所限，在生态敏感性评价时仅考虑高程、坡度、水体等，指标选取受到一定限制，致使评价体系的指标不够客观；三是将生态空间单独划定，未与生产、生活空间做好衔接和协调。

5 结论

本研究以国土空间规划的生态空间划定为目标，构建研究框架，基于遵化市生态本底条件，且叠加系列指标进行修正，识别国土生态空间的差异性限制因素和优势区域，结合遵化市现行生态工程与政策，划定国土生态空间区域范围和构建生态安全格局，主要结论如下：

（1）遵化市生态保护等级为高等级的土地面积为234.53 km²，占总面积的15.99%，主要分布在南部山地丘陵、东北和西北部一部分丘陵地带；黎河和沙河干流两侧，与一部分支流两侧的平原地带生态保护等级较低。

（2）研究区生态保护优先区的面积为261.28 km²，占总面积的17.26%，包含2个国家自然保护区，3个集中式饮用水源地，4个水源涵养湖泊，且主要分布在东北部和南山区域。该区域应该加强管控，减少人类活动，推动生态保护措施的落实与推进。

（3）根据研究区生态保护重要性等级评价结果，结合斑块面积大小、动植物物种丰富度、地理格局和生态保护红线选取15处生态源地，结合水生生态廊道，在北山、中道山和南山3大自然生态屏障的基础上，可以构建“3屏、7廊、15片区”生态安全格局，生态安全格局的构建调整了区域生态空间布局与结构，推进了生态安全体系的建立，有利于生态区域生物间的能量与物质流动，协调保护，统一监管。

本研究划定的遵化市生态空间的研究框架，叠加生态保护红线划定识别范围和方案确定生态保护红线和自然生态空间划定方法［13］，有利于国土空间规划与生态环境专项评估相衔接，增强了生态空间划定的科学性和可操作性。