生態(tài)安全格局評(píng)價(jià)和生態(tài)紅線劃定研究——基于破碎化分析

趙殿紅

(上海同濟(jì)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 上海 200092)

生態(tài)安全格局評(píng)價(jià)和生態(tài)紅線劃定研究——基于破碎化分析

趙殿紅

(上海同濟(jì)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 上海 200092)

基于景觀破碎化理論和GIS空間技術(shù)，構(gòu)建了包括宏觀生態(tài)區(qū)位分析、中觀生態(tài)格局與過(guò)程特征、微觀生態(tài)要素組成及其評(píng)價(jià)的三層次生態(tài)安全格局評(píng)價(jià)研究框架，判斷是否生態(tài)安全格局已呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化狀態(tài)。再結(jié)合從微觀視角出發(fā)，構(gòu)建了包括土壤侵蝕、石漠化、地質(zhì)災(zāi)害、水環(huán)境和生境單一生態(tài)過(guò)程的敏感性評(píng)價(jià)，并整合疊加形成不同生態(tài)安全水平的綜合生態(tài)敏感性分析，進(jìn)而形成可用于土地、城鎮(zhèn)規(guī)劃以及景觀生態(tài)建設(shè)參考的生態(tài)紅線劃定研究框架。最后，通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐，劃定出核心生態(tài)紅線、彈性生態(tài)紅線和一般生態(tài)紅線，并對(duì)每個(gè)紅線的適建范圍進(jìn)行闡述。

破碎化；生態(tài)安全格局；生態(tài)紅線；敏感性；雨補(bǔ)水庫(kù)

1 景觀破碎化

破碎化源于景觀生態(tài)學(xué)理論，是指景觀格局因自然、人文因素的干擾，由單一、均質(zhì)、連續(xù)的整體趨向于復(fù)雜、異質(zhì)、不連續(xù)的斑塊鑲嵌體。在此過(guò)程中，頻繁的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)景觀格局的影響超出了自然因素的干擾，成為景觀破碎化的主導(dǎo)因素[1-2]。景觀破碎化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)具有重要的引導(dǎo)功能，嚴(yán)重影響生物多樣性的穩(wěn)定和生態(tài)系統(tǒng)功能的發(fā)揮。同時(shí)，也反映了人類活動(dòng)對(duì)景觀生態(tài)環(huán)境所造成影響的強(qiáng)弱程度。因此，景觀破碎化是顯存景觀格局的重要特征，成為景觀格局研究的重要內(nèi)容之一[3]。FN為研究范圍內(nèi)的景觀斑塊數(shù)破碎化指數(shù)，取值范圍在0～1之間，0表示無(wú)破碎化存在，1則代表已完全破碎。FS是斑塊形狀破碎化指數(shù)，指數(shù)越高，破碎都程度越大；SI(i)為斑塊i的形狀指數(shù)；N為該斑塊類型的斑塊數(shù)。FI指數(shù)是某一景觀類型的生境破碎程度,表現(xiàn)為景觀內(nèi)大面積連續(xù)分布的斑塊體逐漸破碎、萎縮變小,破碎化指數(shù)越大說(shuō)明景觀破壞程度越嚴(yán)重。

斑塊數(shù)破碎化指數(shù)(FN)

FN=(NP-1)/NC

(1)

斑塊形狀破碎化指數(shù)(FS)

(2)

斑塊內(nèi)部生境面積破碎化指數(shù)(FI)

FI=1-LPI

(3)

斑塊個(gè)數(shù)(NP)：在類型級(jí)別上等于景觀中某一斑塊類型的斑塊總個(gè)數(shù)，與景觀的破碎度也有很好的正相關(guān)性。斑塊平均形狀指數(shù)(MSI)：度量空間格局復(fù)雜性的重要指標(biāo)，最大斑塊占總面積比例(LPI)：有助于確定景觀的優(yōu)勢(shì)類型等。其值的大小決定著景觀中的優(yōu)勢(shì)種、內(nèi)部種的豐度等生態(tài)特征[4]。

2 生態(tài)安全格局評(píng)價(jià)與生態(tài)紅線劃定的研究框架

2.1生態(tài)安全格局的評(píng)價(jià)

在景觀生態(tài)學(xué)中，景觀格局分析主要是定量研究斑塊在景觀中的分布規(guī)律，分析景觀格局有助于探討景觀格局與生態(tài)過(guò)程的關(guān)系[5]。區(qū)別于一般的生態(tài)安全研究，景觀生態(tài)安全格局是能夠維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，景觀要素之間生態(tài)過(guò)程暢通有序，生態(tài)功能持續(xù)高效的一種潛在的空間格局，其側(cè)重于景觀結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的機(jī)制研究[6]。具體來(lái)講,區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)中一些生態(tài)斑塊或生態(tài)節(jié)點(diǎn)對(duì)維持景觀整體穩(wěn)定健康具有關(guān)鍵作用,它們構(gòu)成的空間格局被稱為景觀生態(tài)安全格局,它們對(duì)維護(hù)和控制某種生態(tài)過(guò)程或區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著關(guān)鍵性的作用[7]。其中，NDVI(歸一化植被指數(shù))，常用來(lái)反映綠色植被的生長(zhǎng)情況、植被覆蓋情況。

NIR和R分別為近紅外波段和紅波段處的反射率值;NDVI取值在-1～1之間。負(fù)值表明地面覆蓋為云、水、雪等；0表示有巖石或裸土；正值表示有植被覆蓋，且隨覆蓋度增大而增大。

生態(tài)安全格局評(píng)價(jià)從宏觀、中觀和微觀三層次進(jìn)行：①宏觀生態(tài)安全格局由歸一化植被指數(shù)分析生態(tài)源地之間的連通度，以此作為判斷土地資源整體的生態(tài)功能性(NDVI(歸一化植被指數(shù))，常用來(lái)反映綠色植被的生長(zhǎng)情況、植被覆蓋情況)。②中觀生態(tài)安全格局依據(jù)福曼(Forman)提出的“理想景觀生態(tài)格局”通過(guò)增加或改造部分景觀元素，增加斑塊連通度，將主要的景觀元素有機(jī)鏈接起來(lái)，從而構(gòu)建“理想景觀生態(tài)格局”(植被覆蓋度(fg) 指植被冠層的垂直投影面積與土壤總面積之比，以等密度模型進(jìn)行計(jì)算)。 ③微觀生態(tài)安全格局中，首先通過(guò)生物量推算某一時(shí)刻單位面積內(nèi)實(shí)存生活的有機(jī)物質(zhì)的干重(生物量概念是許多林業(yè)問(wèn)題和生態(tài)問(wèn)題的研究基礎(chǔ))。地區(qū)的生物量多少與植被的胸徑、樹(shù)高、冠幅有密切關(guān)系，生物量的多寡反映生物種群的豐富程度。生物量增加反映朝向頂級(jí)群落發(fā)展，生物量減少，反映群落的衰退。其次通過(guò)坡長(zhǎng)因子判斷水土流失情況。最后，通過(guò)landsat8熱紅外波段地表溫度(LST)反演所提出的算法有Jiménez-Muoz等(2014)的單通道算法計(jì)算地表溫度，以TIRS 10波段為主要數(shù)據(jù)源，對(duì)照計(jì)算地表介質(zhì)。

2.2生態(tài)紅線的劃定

生態(tài)保護(hù)紅線體系包括生態(tài)功能保障基線、環(huán)境質(zhì)量安全底線和自然資源利用上線(簡(jiǎn)稱為生態(tài)功能紅線、環(huán)境質(zhì)量紅線和資源利用紅線)，其中以生態(tài)功能紅線為依托的空間保護(hù)是整個(gè)生態(tài)紅線體系的基本組成。因此，將微觀生態(tài)安全格局的組成要素進(jìn)行詳細(xì)空間界定后，再疊加上生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)所反饋的組成空間，形成既可以反應(yīng)景觀生態(tài)格局與過(guò)程特征又能兼顧管理區(qū)劃要求的生態(tài)功能紅線范圍成果，該空間區(qū)劃成果可以通過(guò)城鄉(xiāng)規(guī)劃主管部門落實(shí)到生態(tài)功能區(qū)劃上，如圖1所示。

圖1 研究框架

3 云南省彌勒市雨補(bǔ)水庫(kù)地區(qū)生態(tài)安全格局評(píng)價(jià)

3.1項(xiàng)目背景

雨補(bǔ)水庫(kù)片區(qū)地處云南省彌勒、瀘西、石林三縣市交界，距彌勒市區(qū)12km，瀘西縣城25km，石林縣城35km。雨補(bǔ)水庫(kù)位于白馬河下游，修建于2003年2月，徑流面積654.2km2，為中型水庫(kù)，是維持區(qū)域生態(tài)體系穩(wěn)定的戰(zhàn)略性生態(tài)功能空間。雨補(bǔ)水庫(kù)總庫(kù)容5750萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)灌溉面積60.2km2，水庫(kù)死水位1515.5m，常水位1541m。雨補(bǔ)水庫(kù)現(xiàn)狀年供水任務(wù)主要是農(nóng)業(yè)灌溉，其中工業(yè)供水量383萬(wàn)m3，農(nóng)業(yè)供水量5385萬(wàn)m3，灌溉面積56.67km2。

3.2生態(tài)安全格局評(píng)價(jià)

3.2.1市域生態(tài)安全格局

由歸一化植被指數(shù)(NDVI)分析結(jié)果可以看出彌勒市域西側(cè)和東側(cè)有兩條較為完整的生態(tài)廊道，西側(cè)廊道北入石林縣和瀘西縣交界處逐漸破碎。東側(cè)廊道與丘北縣生態(tài)廊道形成一體。生態(tài)源地之間的連通度是維護(hù)土地資源整體生態(tài)功能的有效策略。彌勒北部片區(qū)植被覆蓋情況良好，加強(qiáng)彌勒市整體的生態(tài)連續(xù)性，將有助于維護(hù)彌勒市內(nèi)生態(tài)流之間的高效通道和重要聯(lián)系途徑。雨補(bǔ)、洗灑和太平三大水庫(kù)位于東、西廊道向中部過(guò)渡的位置上，呈環(huán)抱的態(tài)勢(shì)包圍著主城區(qū)北側(cè)區(qū)域，成為城市主城區(qū)北側(cè)重要的生態(tài)屏障。

3.2.2北部片區(qū)生態(tài)安全格局

綜合斑塊個(gè)數(shù)、斑塊類型面積和斑塊平均形狀指數(shù)(MSI)3個(gè)指數(shù)分析，北部片區(qū)植被斑塊破碎度較低，斑塊間聯(lián)系緊密，植物生態(tài)環(huán)境較好。斑塊形狀破碎指數(shù)相對(duì)較高，植被受地形起伏和水系分布影響較大，如表1～表2所示。

表1 北部片區(qū)植被斑塊類型相關(guān)數(shù)據(jù)1

表2 北部片區(qū)植被斑塊類型相關(guān)數(shù)據(jù)2

斑塊個(gè)數(shù)(NP)：在類型級(jí)別上等于景觀中某一斑塊類型的斑塊總個(gè)數(shù)，與景觀的破碎度也有很好的正相關(guān)性。分維系數(shù)(FRAC)：反映形狀的復(fù)雜程度，表明生態(tài)的穩(wěn)定性；斑塊類型面積(CA)：表示某斑塊類型的總面積。其值與此類型斑塊作為聚居地(Habitation)的物種的豐度、數(shù)量、食物鏈及其次生種的繁殖能力正相[8]。斑塊平均形狀指數(shù)(MSI)：度量空間格局復(fù)雜性的重要指標(biāo)。最大斑塊占總面積比例(LPI)：有助于確定景觀的優(yōu)勢(shì)類型等。其值的大小決定著景觀中的優(yōu)勢(shì)種、內(nèi)部種的豐度等生態(tài)特征。

北部片區(qū)總體植被覆蓋度良好，以中等覆蓋片區(qū)為主。東南側(cè)地勢(shì)平坦地區(qū)受人類開(kāi)發(fā)活動(dòng)影響相對(duì)較大，植被覆蓋率相對(duì)較低，如圖2所示。與西側(cè)生態(tài)廊道形成有效聯(lián)系的有雨補(bǔ)片區(qū)(雨補(bǔ)北側(cè)低覆蓋斑塊主要受云霧影響)和洗灑水庫(kù)片區(qū)。

雨補(bǔ)水庫(kù)生態(tài)斑塊與北部生態(tài)廊道相交角度較大，具有較高的被物種再殖民的可能性。對(duì)于維護(hù)和擴(kuò)大北部生態(tài)廊道的范圍具有較為重要的作用。因此，優(yōu)化雨補(bǔ)片區(qū)生態(tài)格局，一方面要雨補(bǔ)水庫(kù)片區(qū)整理內(nèi)部斑塊，另一方面加強(qiáng)與彌勒北部片區(qū)生態(tài)廊道的聯(lián)系。

圖2 植被覆蓋率分析圖

3.2.3雨補(bǔ)水庫(kù)生態(tài)安全格局

(1)水土流失

雨補(bǔ)水庫(kù)地區(qū)周邊存在一定數(shù)量的沖溝，尤其末端有劇烈水土流失風(fēng)險(xiǎn)，建議采用技術(shù)措施處理水土流失風(fēng)險(xiǎn)。

(2)植被覆蓋度

通過(guò)斑塊類型面積(CA)、最大斑塊占總面積比例(LPI)兩個(gè)指數(shù)的校核，雨補(bǔ)水庫(kù)片區(qū)占優(yōu)勢(shì)地位的植被類型為低矮植被，其生態(tài)系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性較差，如表3所示。

表3 雨補(bǔ)水庫(kù)地區(qū)植被覆蓋度分析

(3)破碎化指數(shù)

雨補(bǔ)水庫(kù)地區(qū)散布與并列指數(shù)(IJI)較低，植被呈圈層結(jié)構(gòu)，屬于山地植被典型特征。中覆蓋片區(qū)IJI值較低，結(jié)合歸一化植被指數(shù)和地形圖分析，中覆蓋片區(qū)受水體或人類開(kāi)發(fā)活動(dòng)影響較大。通過(guò)對(duì)斑塊數(shù)破碎化指數(shù)、斑塊形狀破碎化指數(shù)和內(nèi)部生境面積破碎化指數(shù)的校核，雨補(bǔ)片區(qū)植被覆蓋的斑塊破碎度高于北部片區(qū)，抗干擾能力較低，如表4～表5所示。

表4 雨補(bǔ)水庫(kù)地區(qū)破碎化指數(shù)分析1

表5 雨補(bǔ)水庫(kù)地區(qū)破碎化指數(shù)分析2

(4)生物量

生物量的準(zhǔn)確測(cè)定一般采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與回歸分析相結(jié)合，因條件有限，本次研究借鑒國(guó)內(nèi)外針對(duì)生物量的現(xiàn)有回歸研究計(jì)算片區(qū)的生物量情況。從圖3中可以看出，越靠近水域，生物量數(shù)值越大。

Biomass=49.5×exp(3.69×NDVI) 相關(guān)系數(shù)0.9(顏色由紅色到綠色表示生物量逐漸增加)。

圖3 雨補(bǔ)水庫(kù)生物量估算圖

(5)小結(jié)

首先，雨補(bǔ)水庫(kù)片區(qū)靠近水域兩側(cè)的生態(tài)廊道需要重點(diǎn)維護(hù)。其次，水系西側(cè)山脈存在需重點(diǎn)修復(fù)的南北向帶狀空間，以保障彌勒北部片區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的完整性和有效性。

4 云南省彌勒市雨補(bǔ)水庫(kù)地區(qū)生態(tài)紅線劃定

4.1生態(tài)敏感性分析

本生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)基于雨補(bǔ)水庫(kù)的生態(tài)本底現(xiàn)狀，從土壤侵蝕性、石漠化敏感性、生境敏感性、地質(zhì)災(zāi)害已發(fā)生程度和水環(huán)境敏感性評(píng)價(jià)5個(gè)方面綜合考慮降水侵蝕力、地表覆蓋、地形坡度、喀斯特地貌、植被覆蓋等因子，并依據(jù)重要性加權(quán)疊加，借助GIS技術(shù)對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、對(duì)矢量化圖層進(jìn)行計(jì)算疊加，形成雨補(bǔ)水庫(kù)的生態(tài)敏感性空間分布，如圖4所示[9-10]。

(1)土壤侵蝕敏感性分析

從降水侵蝕力分析結(jié)果可以看出，雨補(bǔ)水庫(kù)片區(qū)為中度敏感區(qū)；地表覆蓋以輕度敏感和中度敏感為主，在沿河地區(qū)和村莊少量分布高度敏感區(qū)；地形坡度分析以8°～25°為主，規(guī)劃區(qū)東側(cè)坡度較大。

(2)石漠化敏感性分析

彌勒市北部片區(qū)為喀斯特地貌；彌勒東西部山區(qū)屬于卡斯特熔巖殘丘地貌，水資源短缺；北部地形起伏平緩，石灰?guī)r廣布，巖溶發(fā)育，高原面較完整。雨補(bǔ)水庫(kù)范圍內(nèi)同樣石灰?guī)r廣布，且有溶洞；北側(cè)植被覆蓋度高，與基地西北側(cè)生態(tài)廊道聯(lián)系較好。

(3)生境敏感性、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度與水環(huán)境敏感性評(píng)價(jià)

規(guī)劃范圍內(nèi)有白鷺棲息，白鷺為瀕危野生動(dòng)物保護(hù)物種，所以將規(guī)劃區(qū)生境均劃為極度敏感區(qū)。雨補(bǔ)水庫(kù)片區(qū)大部分區(qū)域?qū)儆诘刭|(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)防治區(qū)，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)頻率較高，同時(shí)險(xiǎn)情等級(jí)為中型。因此，該地區(qū)應(yīng)以保護(hù)為主，避免大量開(kāi)發(fā)建設(shè)。

(4)生態(tài)敏感性綜合評(píng)價(jià)

從生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，雨補(bǔ)水庫(kù)大多處于極、高、中敏感區(qū)。其中極、高敏感區(qū)主要包括水域、近水域的白鷺棲息地及水源保護(hù)地；中敏感區(qū)主要包括礦區(qū)、公益林和地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)；低敏感與不敏感區(qū)主要包括村莊、裸地等?？傮w上看，低敏感與不敏感區(qū)大多位于西側(cè)的小沖沖和南側(cè)鄉(xiāng)村地域，且呈現(xiàn)由南向北逐漸減少、零碎化趨勢(shì)，如圖4和表6所示。

表6 各單要素敏感性分級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果及面積、比重

圖4 雨補(bǔ)水庫(kù)生態(tài)敏感性分析圖

4.2雨補(bǔ)水庫(kù)生態(tài)紅線劃定

結(jié)合雨補(bǔ)水庫(kù)地區(qū)生態(tài)安全格局評(píng)價(jià)及破碎化分析的成果，通過(guò)3種類型生態(tài)紅線將規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的生態(tài)空間加以劃分，結(jié)合城鄉(xiāng)空間管制為城鄉(xiāng)規(guī)劃主管部門的管理提供依據(jù)，并作為環(huán)境主管部門生態(tài)環(huán)境進(jìn)對(duì)雨補(bǔ)水庫(kù)及其周邊區(qū)域行管理的重要依據(jù)。

(1)核心生態(tài)紅線范圍

核心生態(tài)紅線范圍主要為極度敏感和高度敏感區(qū)，包括雨補(bǔ)水庫(kù)水域、陸域極度敏感區(qū)和高度敏感區(qū)。該范圍的生態(tài)空間是構(gòu)成雨補(bǔ)水庫(kù)地區(qū)生態(tài)穩(wěn)定的核心組成，是保障區(qū)域生態(tài)安全的戰(zhàn)略性空間組成。該區(qū)域內(nèi)除重大基礎(chǔ)設(shè)施以外，禁止一切形式的新增及擴(kuò)建建設(shè)活動(dòng)。

(2)彈性生態(tài)紅線范圍

彈性生態(tài)紅線范圍為中度敏感區(qū)，該范圍的生態(tài)空間是環(huán)雨補(bǔ)水庫(kù)區(qū)域的彈性生態(tài)儲(chǔ)備空間，當(dāng)建設(shè)開(kāi)發(fā)量需求不大的情況下，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)嚴(yán)格保護(hù)。在規(guī)劃遠(yuǎn)期，可根據(jù)需要對(duì)彈性生態(tài)紅線范圍內(nèi)部進(jìn)行散點(diǎn)式、非結(jié)構(gòu)性空間開(kāi)發(fā)與利用。

(3)一般生態(tài)紅線范圍

一般紅線范圍為輕度敏感和不敏感地區(qū)，其范圍內(nèi)的空間具有較好的生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)，規(guī)劃以“大集中、小份散”為基本原則，以“低密度”為空間利用的基本特征。同時(shí)規(guī)劃要求一般生態(tài)紅線范圍內(nèi)的建設(shè)空間比重不得高于40%，如圖5所示。

圖5 雨補(bǔ)水庫(kù)生態(tài)紅線劃分圖

5 結(jié)語(yǔ)

生態(tài)安全格局一直是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心問(wèn)題，本文在定量地分析了破碎化分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)景觀格局做出判斷，以此將分析結(jié)果作為土地、城鎮(zhèn)規(guī)劃以及景觀生態(tài)建設(shè)的參考。與此同時(shí)，結(jié)合生態(tài)敏感性分析判斷出生態(tài)紅線的范圍。再者，對(duì)區(qū)域景觀格局及其生態(tài)過(guò)程多視角的研究還有待加深，特別是對(duì)景觀格局動(dòng)態(tài)的作用機(jī)制有待進(jìn)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

趙殿紅(1982.4- )，女，工程師。

E-mail:402774164@qq.com

2017-08-23