县域生态空间识别与保护研究

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  摘要 [目的]科学识别并保护生态空间。[方法]以湖南省安化县为例,运用 GIS平台,基于生态敏感性和生态系统服务功能,对国土空间生态功能进行综合评价,据此识别生态空间,并构建生态空间管控体系。[结果]安化县禁止开发建设的基础性生态保护空间面积7.19 km2,占全县总面积的14.55%,范围主要包括县域西北部、中部和资江沿岸的各类禁止开发区核心区及地灾高易发区。限制开发建设的重要生态保护空间面积27.51 km2,占全县总面积的55.63%,主要分布于县域东部和西南部。[结论]安化县的生态空间主要包含西北部山地区域和中部资江沿岸地区,该区域的生态敏感度较高,且具有较重要的生态服务价值,因此生态空间的划定有利于统筹引导区域生态保护与修复,为构建生态文明安全格局提供基础保障。
  关键词 生态空间;生态敏感性;生态系统服务功能;安化县
  中图分类号 S181文献标识码 A文章编号 0517-6611(2018)35-0063-05
  近年来,我国城镇化、工业化进程持续加快,但伴随而来的资源和生态环境问题已成为可持续发展的重要瓶颈[1-3]。党的十八大报告把生态文明建设放在突出地位,明确要求优化国土空间格局,促进生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀。党的十九大报告进一步要求加快生态文明体制改革,设立国有自然资源资产管理和自然生态监管机构,统一行使所有国土空间用途管制和生态保护修复职责,构建国土空间开发保护制度。国土空间是生态文明建设的基本载体,科学编制国土空间规划,统筹协调划定各类空间范围,加强国土空间用途管制是新时代生态文明建设的重要内容。生态空间是指具有自然属性、以提供生态服务或生态产品为主体功能的国土空间[4-5]。探究生态空间识别方法、建立生态空间管控体系是遏制生态系统退化、加强生态空间治理能力的重要手段,对保障区域国土安全、生态环境安全、资源安全具有重要意义。
  安化县是一个以山地为主的山区县,从生态功能角度来看,安化全县同时属于湖南省重点生态功能区中的洞庭湖-湘资沅澧“四水”水体湿地和生物多样性生态功能区、武陵山区生物多样性和水土保持生态功能区(含雪峰山区)2个片区,在全省乃至整个长江中游地区的生态安全格局中占据重要位置。笔者以湖南省安化县作为典型区,进行生态空间识别与保护研究,对区域生态建设及可持续发展有重要的指导意义。
  1 资料与方法
  1.1 研究区概况
  安化县位于湘中偏北、资江中游、雪峰山脉北段,隶属于湖南省益阳市,下辖18个镇、5个乡,总人口102.96万人,国土面积4 945.20 km2,是湖南省第三大县。安化县属亚热带季风性湿润气候,多年平均气温16.2 ℃,年降雨量在986~2 440 mm。全县地形地貌多样,地势从西向东倾斜,经过长期开发利用,目前已形成“八山半水半分田、一分道路加庄园”的土地利用格局,是典型的山区县、库区县,同时也是湖南有名的有色金属大县、水能资源大县、林业资源大县、茶叶生产大县和药材产业大县。
  1.2 研究方法
  1.2.1 总体技术框架。
  该研究以安化县2016年土地利用现状变更调查数据、DEM数据、遥感影像数据、河流水系图、土壤数据库等数据为基础,运用ArcGIS空间分析功能,提取出坡度、坡向、植被覆盖度、土壤类型、河流廊道连通性等空间数据,从生态敏感性评价和生态系统服务功能评价2个方面,依据安化县植被覆盖度高、地形起伏较大、石漠化分布较广等特点,分别筛选和构建生态空间识别的指标体系,逐一评价每个指标的重要性并进行赋值,得到生态敏感性评价和生态系统服务功能评价结果,最后运用布尔运算将两项评价结果进行综合分级叠加评价,完成安化县的生态空间综合识别划定结果图,并按照不同级别分析评价结果,构建安化县生态空间分级管控体系。
  1.2.2 生态敏感性评价。
  生态敏感性是指区域生态系统对区域中各种自然和人类活动的干扰的敏感程度和反映程度,即生态系统受干扰后生态失衡概率的大小[6]。通常选取土壤侵蚀量、石漠化面积、土壤质地、生境中的珍稀物种等易于量化的因素作为生态环境敏感性评价的指标。针对安化的实际情况,主要对水土流失和石漠化敏感性进行评价。通过生态敏感性评价,明晰安化县域内生态系统的脆弱性程度与分布情况,以利于制定差异化的保护与修复措施。
  1.2.2.1 水土流失敏感性评价。
  按照土壤侵蚀产生的动力因素,安化县水土流失主要属于水力侵蚀类型。参照原国家环境保护总局2003年发布的《生态功能区划暂行规程》,选取降水侵蚀力、土壤可蚀性、地表植被覆盖和坡度坡长等最能体现水动力为主的水土流失敏感度指标构建水土流失方程。依据安化县实际,对评价分级阈值做相应调整,以更好地体现区域分布差异。将以上4项水土流失敏感性单因子评价数据进行空间赋值处理,并运用GIS进行空间性乘积运算,公式如下:
  式中,SSi为i空间单元水土流失敏感性指数;Ri为降雨侵蚀力因子,在王万中等[7]计算的我国100多个城市R值的基础上,通过空间插值得到;LSi为坡度坡长因子,采用地形起伏度与土壤侵蚀敏感性的关系来估算;Ki为土壤质地因子,采用我国1∶100万土壤数据库中数据测算得到;Ci为植被覆盖因子,运用遥感影像数据直接提取得到。
  1.2.2.2 石漠化敏感性评价。
  石漠化敏感性評价是为有效识别石漠化高易发区域,评估石漠化对人类活动的影响敏感度[8]。 根据石漠化形成机理,利用林业部门安化县第二次石漠化调查的成果,选取碳酸岩出露面积百分比、地形坡度、植被覆盖度因子构建石漠化敏感性评估指标体系。利用GIS空间叠加功能,将各石漠化影响单因子敏感性空间数据进行乘积运算,得到县域石漠化敏感性分级图,公式如下:   式中,Si为i评价区域石漠化敏感性指数;Di为i评价单元范围内碳酸岩出露面积占评价单元总面积的百分比;Pi为i研究区地形坡度,运用GIS工具对研究区DEM数据进行处理和分级得到;Ci为i评价区域植被覆盖度。
  1.2.2.3 生态系统服务功能评价。
  生态系统服务功能评价是针对生态系统对区域生态环境的主要服务功能的重要性进行评价[9]。通过评价,明确研究区内重要生态系统的服务功能价值及其对区域生态安全格局的重要性影响程度,以及维持生态系统这种功能应采取的措施和方法,为国土生态保护提供科学依据。根据安化县生态环境特征,主要对水源涵养、生物多样性保护、水土保持等生态系统服务功能进行重要性评价。
  (1)水源涵养重要性评价。
  水源涵养是自然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、渗透、蓄积,并通过蒸散发实现对水流、水循环的调控,主要表现在缓和地表径流、补充地下水、减缓河流流量的季节波动、滞洪补枯、保证水质等方面。通常以生态系统水源涵养服务能力指数作为其评价指标,计算公式为:
  式中,WR为生态系统水源涵养服务能力指数;NPPmean为多年植被净初级生产力平均值,从MODIS数据产品(MOD17A3)中获得;Fsio为标准化到0~1的评价区域坡度数据(根据 DEM数据计算得出坡度后,将坡度栅格标准化到0~1得到;Fsic为土壤渗流因子,根据土壤质地类型由黏土到砂土分别在 0~1 均等赋值得到;Fpre由多年平均年降水量数据插值并标准化到0~1得到。
  (2)生物多样性保护功能重要性评价。
  生物多样性保护功能是森林、湿地等生态系统在维持基因、物种、生态系统多样性发挥的作用,是生态系统提供的最主要功能之一。该功能重要性评价以生物多样性保护服务能力指数为指标,测算公式为:
  式中,Sbio为生物多样性维护服务能力指数;NPPmean、Fpre参数的计算方法同上;Ftem为气温参数,由1987—2016年平均气温数据进行插值获得;Falt为海拔参数,由评价区海拔标准化0~1获得。
  (3)水土保持功能重要性评价。
  水土保持功能是生态系统(如森林、草地等)通过其结构与过程发挥的有利于保护水土资源、改善生态环境等方面的直接作用或效能,是生态系统提供的重要调节功能之一。该功能重要性评价以生态系统水土保持服务能力指数为指标,测算公式为:
  式中,Spro为水土保持服务能力指数;NPPmean和Fslo含义与计算方法同上;K为土壤可蚀性因子,根据Williams等[10]在EPIC(erosion productivity impact calculator)模型中使用的方法来计算得到。该方法强调地形因子、土壤结构因子和绿色植被在水土保持中的作用,较通用水土流失方程简单,可快速定量分析区域生态系统水土保持服务能力的空间分异特征。
  2 结果与分析
  2.1 生态空间识别
  2.1.1 生态敏感性评价。
  将水土流失敏感性和石漠化敏感性评价结果进行叠加,按照生态敏感性评价分值,将全县划分为轻度敏感、中度敏感、高度敏感和极度敏感4个等级(表1),得到安化县生态敏感性评价结果。从表1可以看出,安化县生态高度敏感和极度敏感的地区占全县总面积的48.15%。从空间分布上来看,高度敏感和极度敏感地区主要分布在县域西北部和中部的山地区及资江沿线,该区域坡度大,水土流失较严重,且由于人类活动散而广的分布特点,其对全区的生态环境安全与稳定具有重要影响。轻度生态敏感性区域主要分布于具有良好生产生活条件且坡度较平缓的地区,是全县主要的生产生活集聚区。
  2.1.2 生态系统服务功能评价。
  将水源涵养、生物多样性保护、水土保持服务功能评价结果进行叠加,按照生态系统服务功能评价分值,将全县划分为极不重要生态服务功能、不重要生态服务功能、重要生态服务功能和极重要生态服务功能4类(表2),得到安化县生态系统服务功能评价结果。从图4和表2可以看出,生态服务功能较重要的区域主要分布于山地、水系、湿地、林地区;总体来说,安化县土地生态服务功能处于中高等水平,重要和极重要生态服务功能区占县域总面积64.6%,主要集中在安化县西北部和中部山地区;不重要和极不重要生态服务功能区重点分布在全县各镇区、集镇区及其周边区域。
  2.1.3 生态空间识别与划定。
  依据生态敏感性分析、生态服务价值评价结果,将禁止开发区、生态敏感区和生态服务价值高的地区进行空间叠加,综合考虑城镇开发建设、基本农田保护用地需求,将位于生态高敏感区或者高生态服务价值区内的区域划定为生态空间。协调生态保护与城乡开发建设之间的关系,将生态保护空间划分为一级生态管控区(禁止开发型生态空间)和二级生态管控区(限制开发型生态空间),实施分级保护。
  实际操作中将生态敏感性极敏感区、高度敏感区与极高、高生态服务价值区进行叠加,得到禁止开发型生态保护空间(即刚性生态保护空间),该类空间是建设发展不可逾越的边界,区内应以生态保护和生态修复为主。禁止开发建设的基础性生态保护空间面积为71 953.29 hm2,占全县总面积的14.55%, 范围主要包括县域西北部、中部和资江沿岸的各类禁止开发区核心区及地灾高易发区,主要起防御水土流失和水源涵养作用。
  将中生态敏感区与一般生态服务价值区相叠加,得到限制开发型生态保护空间(即弹性生态保护空间)。与刚性生态保护空间不同,弹性生态保护空间可根据县域的社会经济发展阶段、生态环境保护与修復状况和生产建设需求规模进行适当调整,但是刚性空间是弹性空间坚守的底线。限制开发建设的重要生态保护空间面积为275 083.84 hm2,占全县总面积的55.63%,范围主要分布于县域西南部和东部。划定弹性生态保护空间,可对国土资源开发利用和生态保护进行协调引导,根据县域的发展需要可进行弹性调整,这样既可以维护生态安全,又不阻碍县域的整体发展进程。   2.2 生态空间差异化分级管控
  加快建立生态保护空间分级管控政策机制,形成差异化管控规则。禁止开发型生态保护区内除必要的科学研究、保护活动外,将禁止破坏生态保护红线区主导生态功能(水源涵养、生物多样性保护、水土保持)的建设项目,以及加剧现有生态问题(水土流失、石漠化)的建设项目;已经建设的,应当严控进一步扩大范围和规模,并应逐步迁出。一类管控区內原有居民生活、生产设施改造不受限制,但改造规模和范围应受严格控制,有条件的应逐步迁出。限制型生态保护区内应强化对水源涵养林区、生态公益林、珍稀动植物栖息地、天然林区等重要生态功能区的保护,维护水源涵养、水土保持、生物多样性维护等重要生态服务功能。除国家和省级大型交通、水利、能源等基础设施建设外,不得擅自进行大规模城镇化、工业化开发建设,适当降低人类活动强度和密度。在不破坏生态环境的前提下,区域内可以适度发展生态旅游、生态农业和生态林业等不损害区域生态服务功能的活动。交通、管线、旅游等基础设施项目的建设,从严落实生态环境保护要求。
  3 结论与讨论
  历经30多年的高速城镇化发展后,我国的生态环境矛盾日益突出,大力推进生态文明建设、推动形成人与自然和谐发展的现代化建设新格局是新时代中国特色社会主义的重要历史使命。该研究以安化县为案例,基于生态系统的综合评价,从生态敏感性、生态服务价值2个方面系统探讨了生态空间的识别方法,构建了生态保护空间分级管控体系,对维护区域生态安全格局具有重要的理论和实践意义。
  安化县的禁止开发型生态保护空间主要分布在县域西北部、中部和资江沿岸的各类禁止开发区核心区及地灾高易发区,主要起预防水土流失、维护水源涵养等作用。限制开发型生态保护空间与禁止开发型生态保护空间相比,地域范围有所扩大,还包括了县域西南部和东部的一些地区。由于安化县西北部和东南部山区有水土流失、石漠化等问题,生态系统较为脆弱,是生态环境较易遭受破坏的区域。但县域西北部森林覆盖率高且植被丰富,县域西南部分布有柘溪水库并处资江水系上游,均具有较高的生态服务价值,对增强生态系统的生物多样性和水源涵养功能有重要作用。因此,科学划定生态空间,可有效保护生态系统敏感区和生态服务功能价值较高的地区,为县域国土空间规划编制提供科学依据,保障区域生态安全与健康可持续发展。
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