基于多源数据的广州市南沙区生态空间识别

肖红，苏雪云，蒋昌晶*，孙端

（1.广东省测绘工程有限公司，广东 广州 510700；2.广东省国土资源测绘院，广东 广州 510700；3.自然资源部华南热带亚热带自然资源监测重点实验室，广东 广州 510700；4.广东省自然资源科技协同创新中心，广东 广州 510700）

随着广州市南沙区工业化和城市化进程的加速推进，城市生态空间不断遭受到生活和生产空间的挤压，区域生态功能逐渐失衡，生态安全问题也日益显露[1]。《生态文明体制改革总体方案》[2]指出，要合理规划生产、生活和生态空间，构建国土空间规划管理体系，完善土地利用管制制度。《关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》[3]也明示，需兼顾社会经济、生态环境和国土空间等要素，严格布控生产、生活和生态空间。由此可见，生态空间是构成国土空间的重要部分，其科学识别也是维护区域生态安全、促进区域经济发展和生态保护平衡的有效途径之一。

生态空间泛指为人类社会提供相关生态功能的具备自然属性的空间范畴。近年来，国内外学者纷纷对生态空间及其识别展开了探索研究。从研究对象来看，主要包括城市、生态功能区、生态经济区以及河流流域[4-7]，而以国家级新区为研究对象的生态空间识别研究较少[8]；从研究方法来看，涵盖以定性分析为主的列表法、以定量分析为主的叠加法以及不断创新的模型方法等[9-13]，而基于生态功能重要性和生态环境敏感性评价方法来识别生态空间的研究相对不足[14]。生态功能重要性评价可体现区域生命系统和环境的平衡状况，生态环境敏感性评价则可反映地区发生生态环境问题的概率大小[15]。因此，基于生态服务功能重要性和生态环境敏感性两个方面展开生态空间识别，可更全面地考虑环境和社会本底因素，有利于协调生态系统与土地利用之间的矛盾，促进区域生态系统的完整性和持续性[15]。

近年来，南沙区的发展战略地位持续提升，形成了“三区一中心”的新局面，广州市也明确将举全市之力推进南沙区建设。随着区域经济的快速发展，南沙区湿地和农用地缩减、生物多样性降低、地表沉降、水土流失等生态问题逐渐显露。为缓和社会经济发展与生态环境保护之间的冲突，南沙区生态空间的科学识别尤为重要。因此，本文以广州市南沙区为研究对象，利用RS和GIS技术，从生态系统服务功能和生态环境敏感程度两个方面对南沙区生态空间展开微观尺度的识别分析，以期为研究区生态文明建设和绿色发展提供参考依据。

1 研究区概况

南沙区地处广州市最南端、珠江虎门水道西侧，深居粤港澳大湾区腹地，交通区位十分优越，于2012年被批为国家级新区。全区规划总面积为803 km2，下辖6镇3街，常住人口约为100万人。2019年南沙区经济初步呈现高质量发展态势，全年地区生产总值达到1 683.23亿元，较上年提高10.5个百分点。全区为亚热带季风气候，温暖潮湿，年均气温为22.6℃，年均降水量为1 673.1 mm。区内水资源丰富，海岸线全长106.73 km，海域面积为351.57 km2，占广州市海域总面积的87.91%。由于中部山丘较多、四周多为平原和海涂，南沙区地形呈中间高四周低的态势。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文采用的MODIS数据从NASA官网下载，时间为2018年，分辨率为250 m。经过数据格式转换、投影信息转换等预处理，提取NDVI波段数据，并在此基础上利用像元二分法得到植被覆盖度。降雨量和蒸散发量监测数据由广东省气象局提供，时间为2009—2019年。森林生态系统数据来源于广东省林业厅提供的第四次森林调查二类调查成果数据库，根据树种结构将森林生态系统划分为常绿阔叶林、常绿针叶林和针阔混交林3类。土壤数据来源于南京土壤所发布的全国土壤二调1∶100万土壤数据。DEM高程数据通过“地理空间数据云”网站获取，分辨率为30 m，时间为2019年。Sentinel-1A影像 从EarthData官网下载，距离向和方位向分辨率分别为5 m和20 m，时间为2018—2019年。上述数据均在ArcGIS软件中进行处理，数据像元大小统一为20 m×20 m栅格。

2.2 研究方法

依据《生态保护红线划定指南》[16]，结合南沙区实际情况，本文选取生态系统服务功能重要性和生态环境敏感性两个评价方法，并对原有指标进行相应的补充或删减，最终确定参与生态系统服务功能评价的指标包括水源涵养、水土保持和生物多样性维护因子，参与生态环境敏感性评价的指标为水土流失和地质灾害因子。

2.2.1 生态系统服务功能重要性评价

1）水源涵养一般是指生态系统通过截取、渗透、存储和蒸发等方式来调控降水的能力。本文通过水量平衡方程求取南沙区水源涵养能力，计算公式为[17]：

式中，TQ为区域总水源涵养量；Pi为年均降雨量；Ri为地表径流量；ETi为年均蒸散发量；Ai为第i类生态系统面积；i为生态系统类型；j为研究区生态系统类型数量。

2）水土保持一般是指生态系统调控水土流失平衡的能力。本文采用修正水土流失方程求取南沙区水土保持能力，计算公式为[18]：

式中，A为区域水土保持量；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。

3）生物多样性维护。生物多样性包括生态系统、基因和物种3个方面，是维护生态和粮食安全的必要保障。本文选择InVEST模型的Habitat Quality（生境质量）模块对其展开评价，包括区域生境退化程度和区域生境适宜性两个部分。区域生境退化程度的计算公式为[19]：

式中，Dxj为生境退化程度；r为胁迫因子；R为胁迫因子数量；Yr为胁迫因子栅格总数；Wr为胁迫因子所占比重；ry为各栅格的胁迫因子数量；irxy为各栅格的胁迫水平；βx为理想状态下栅格的可达程度；Sjr为土地类型的敏感度。

区域生境适宜性的计算公式为[19]：

式中，Qxj为栅格内的生境质量；Hj为土地覆盖类型对物种的生境适宜性；Dxj为栅格内的生境退化程度；k为半饱和常数。

4）生态系统服务功能重要性评价，首先利用ArcGIS栅格计算器工具计算各单项因子归一化后的生态系统服务值，并通过累加服务值法确定等级划分标准（表1）；然后按照分级标准，将各单项因子生态系统服务功能重要性划分为极重要、重要和一般重要3个等级；最后采用析取运算展开生态系统服务功能重要性的综合评价[20]，以反映区域生态系统服务水平。其计算公式为：

表1 生态系统服务功能各评价因子分级标准

式中，ESI为区域生态系统服务功能重要性；Q为生物多样性维护功能重要性；TQ为水源涵养功能重要性；A为水土保持功能重要性。

2.2.2 生态环境敏感性评价

1）水土流失。南沙区水土流失类型以水力侵蚀为主。本文采用通用水土流失方程求取南沙区水土流失敏感程度，计算公式为[21]：

各因子的赋值方法如表2所示，水土流失敏感性评价分级标准如表3所示。

表2水土流失敏感性各评价因子和分级标准

表3 水土流失敏感性评价分级标准

2）地质灾害。由于南沙区软土资源较丰富，且开发力度较大，地表沉降已成为该区典型的地质灾害问题。InSAR技术作为城市地表监测的重要手段之一，其监测结果具有精度高、监测范围大、受气候影响小等优势[22]。本文利用InSAR技术，经过DEM转换、SAR数据转换、遥感影像拼接等数据预处理，对南沙区的15景Sentinel-1A数据进行时序分析，得到南沙区近年来的地表形变量；再针对形变结果进行总体形变分析和局部重点分析，并通过精度评定、PS交叉验证等方式完成结果验证，得到最终的地质灾害数据。地质灾害因子分级标准如表4所示。

表4 地质灾害敏感性评价因子与分级标准/（mm/yr）

3）生态环境敏感性评价采用析取运算来综合评价南沙区的生态环境敏感程度，计算公式为：

式中，ES为生态环境敏感性；SSi为水土流失敏感性；GSi为地质灾害敏感性。

3 研究结果与分析

3.1 生态系统服务功能重要性评价结果

1）水源涵养功能重要性。南沙区水源涵养功能重要性评价结果如图1所示，可以看出，重要的水源涵养区主要分布在十八罗汉山森林公园、大山乸森林公园、黄山鲁森林公园和南沙湿地公园区域，该区域地形主要为丘陵和低山，植被丰富、降水量大，蒸发散热能力相对较强。

图1 水源涵养功能重要性评价

2）水土保持功能重要性。南沙区水土保持功能重要性评价结果如图2所示，可以看出，重要的水土保持区主要分布在黄山鲁森林公园、大山乸森林公园、十八罗汉山森林公园以及河涌流域，该区域主要为低山与河涌，光热充足、雨量充沛，土壤类型多为壤土，质地湿润、保水保肥性能较好，具备良好的耕作条件。

图2 水土保持功能重要性评价

3）生物多样性维护功能重要性。南沙区生物多样性维护功能重要性评价结果如图3所示，可以看出，重要的生物多样性维护区主要分布在珠江口流域、黄山鲁森林公园、南沙湿地公园和十八罗汉山森林公园区域，该区地形多为河流和低山，植被丰富、水系众多，适宜物种生存。

图3 生物多样性维护功能重要性评价

4）生态系统服务功能重要性评价。单因子评价结果往往只能反映某一类型因子的影响过程，为综合辨识区域的生态系统服务功能重要性，本文采用析取方法，在ArcGIS软件中利用像元统计数据（CellStatistics）工具计算南沙区生态系统服务功能重要性（图4、表5），并统计各街（镇）的分布情况，以揭示其空间分布规律。结果表明，极重要的生态系统服务功能区面积为182.54 km2，占总面积的22.73%，主要分布在珠江口流域、南沙街道中部和大岗镇西北部，这些区域多为河流和森林，植被覆盖度高，雨量丰沛、光线充足，水域调节功能和蓄水能力均较强。重要的生态系统服务功能区面积为231.25 km2，面积占比为28.80%，主要分布在万顷沙镇东南部和龙穴街道西北部，该区域包括南沙湿地公园、百万葵园和南沙水鸟世界生态园等，降雨量较大，生物多样性丰富。一般重要的生态系统服务功能区面积为389.21 km2，面积占比为48.47%，主要分布于城市建设开发区域等地势平坦地带。

图4 生态系统服务功能重要性评价

表5 南沙区生态系统服务功能重要性评价统计结果

3.2 生态环境敏感性评价结果

1）水土流失敏感性。南沙区水土流失敏感性评价结果如图5所示，可以看出，水土流失敏感区主要分布在南沙区西北部和中部，该区域降雨量较多，地表土壤冲刷力度较强，不利于水土保持。

图5 水土流失敏感性评价

2）地质灾害敏感性。南沙区地质灾害敏感性评价结果如图6所示，可以看出，地表沉降速率最大的区域位于珠江街道，沉降区域最多的是大岗镇，主要沿江分布，局部区域年均沉降速率超过110 mm/yr，其余区域均有零星沉降点分布。总的来看，沉降区域主要分布在江河沿岸、施工以及围垦区域，生态环境较为敏感，且受人类活动影响较大，地质灾害风险相对较高。

图6 地质灾害敏感性评价

3）生态环境敏感性评价。对上述敏感性评价单项因子进行叠加分析，计算得到生态环境敏感性评价结果（图7、表6）。结果表明，生态环境极敏感区面积为86.16 km2，面积占比为10.73%，主要分布于榄核镇西部、东涌镇中部和黄阁镇中部地区；生态环境敏感区面积为324.25 km2，面积占比为40.38%，主要分布于东涌镇、榄核镇和大岗镇中部，该区域植被丰富，土地产能高，人类活动较集中，土地开发强度较大；生态环境一般敏感区面积为286.73 km2，面积占比为35.71%，主要分布于珠江口流域和南沙湿地公园等区域。

图7 生态环境敏感评价

3.3 生态空间识别

本文利用ArcGIS平台的按属性提取工具，将生态系统服务功能重要及以上的区域和生态环境敏感及以上的区域提取出来，并进行叠加分析，得到南沙区生态空间识别初步结果。在此基础上，依据广东省生态保护红线划定数据，增补南沙区重要饮用水源地和自然保护区等须严加保护的区域。此外，为维护生态、生产和生活空间三者的协调关系，本文以分辨率较高的遥感影像数据和土地利用数据为参考，剔减不属于生态空间的城市建设用地和农用地，最终得到南沙区生态空间识别结果如图8、表7所示。结果表明，南沙区生态空间面积为410.41 km2，占总面积的51.11%，主要分布在万顷沙镇、大岗镇、东涌镇以及珠江口水域。生态系统服务功能下重要的水源涵养功能区主要呈斑块状分布于南沙街道中部、黄阁镇西南部和大岗镇西北部；重要的水土保持功能区主要分布于南沙街道中部、黄阁镇西南部和河涌流域；重要的生物多样性维护功能区主要呈带状分布于珠江口流域。生态环境敏感性下的水土流失敏感区主要分布于东涌镇、榄核镇和大岗镇；地质灾害敏感区则呈散点状分布在大岗镇南部、黄阁镇西南部、南沙街道北部以及横沥镇中部。上述区域均为生态环境相对脆弱的地区，地方在后续土地利用时须加强生态保护，科学规划管理，以提高区域生态系统的稳定性，维护区域生态系统安全。

表6南沙区生态环境敏感性评价统计结果

表7各街（镇）生态空间统计

图8 生态空间分布范围

4 结语

本文以广州市南沙区为研究区，基于生态系统服务功能重要性和生态环境敏感性评价方法构建了生态空间识别体系；采用RS和GIS技术提取了生态系统服务功能重要区和生态环境敏感区，同时补充了各类需加以保护的区域，剔除了城市生产和生活用地，从而综合识别南沙区生态空间范围。最终识别得到南沙区的生态空间面积为410.41 km2，占全区行政面积的51.11%，主要包括珠江口流域、森林公园、湿地公园以及河涌等区域，这些区域对地区生态系统平衡和生态安全具有重要的维护作用。

生态空间是维护国土空间规划秩序，提升国土管制水平的重要部分[23]。本文对南沙区生态空间进行识别分析旨在使人们清楚认识南沙区自然生态系统的重要性和敏感性，不仅有利于维护区域生态系统平衡，而且能为后续相关研究提供一定的参考。当然，本文也存在一定的不足，由于指标评价过程所需基础数据来源丰富，主要通过各部门和数据网站获取，存在部分数据精度、比例尺、格式不统一的情况，在数据转换与融合过程中，难免产生一定的误差；且在指标综合评价时，主要参考的是《生态保护红线划定指南》[16]，该标准的评价方法可能更适用于大尺度地区，用以评价20 m×20 m微观尺度，结果可能存在一定的误差。因此，如何提高评价精度，进一步科学识别生态空间还有待深入研究。