基于生態(tài)安全的寧波四明山區(qū)景觀格局調(diào)控

尹昌霞，馬仁鋒，費佳寧

（1. 寶略科技（浙江）有限公司，浙江·寧波 315194；2. 寧波大學(xué)地理與空間信息技術(shù)系，浙江·寧波 315211）

“生態(tài)用地”一詞最早由董雅文等人提出，定位為具有生態(tài)防護功能的空間要素[1]?，F(xiàn)階段將其歸納為基礎(chǔ)性生態(tài)用地（全局土地覆蓋類型中的林地、草地等）和保全性生態(tài)用地（鹽堿地、裸土地等）[2]。生態(tài)用地是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，既能發(fā)揮保持水土、凈化環(huán)境等生態(tài)功能，還能創(chuàng)造社會經(jīng)濟價值[3]。然而，快速的城市化、工業(yè)化促進城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)模的無序擴張，衍生出土地無限需求與生態(tài)用地有限供給之間的矛盾，進一步制約區(qū)域可持續(xù)發(fā)展[4]。

生態(tài)安全作為保障國家安全的前提和載體，反映于生態(tài)用地的優(yōu)化布局中，多立足于國家安全和“反規(guī)劃”視角，以實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展為目標[5]。由此，探索生態(tài)安全格局的景觀布局戰(zhàn)略逐漸成為地理學(xué)、城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)與景觀生態(tài)學(xué)的研究熱點?；谕恋刂黧w服務(wù)功能視角，研究集中評測時空序列的區(qū)域生態(tài)風險和生態(tài)脆弱性。如：從景觀結(jié)構(gòu)變異度視角評價流域和經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的生態(tài)風險分異程度[6-7]；抑或從多時相自然條件的基質(zhì)承載力、綜合自然環(huán)境承載力和人類活動干擾度乃至從自然條件基礎(chǔ)狀態(tài)和社會經(jīng)濟的環(huán)境壓力及響應(yīng)等維度分別評價自然災(zāi)區(qū)、高寒區(qū)和水庫區(qū)的生態(tài)脆弱性[8-10]。隨著研究向生態(tài)安全評測聚焦，形成了從自然環(huán)境效應(yīng)、綜合自然和社會經(jīng)濟的生態(tài)效應(yīng)等角度的市際、縣際生態(tài)安全評測研究[11-13]。近期研究則以生態(tài)系統(tǒng)的重要性、人類活動引起的生態(tài)敏感性構(gòu)建指標體系，著重于探索生態(tài)安全空間的生態(tài)用地規(guī)劃與部署[14]，卻難以度量社會經(jīng)濟指標的空間趨勢。伴隨土地利用規(guī)劃從土地經(jīng)濟型向環(huán)境友好型過渡，探索由多元因素影響的生態(tài)安全程度和受生態(tài)安全格局約束的景觀規(guī)劃戰(zhàn)略成為必然。文中擇取寧波四明山區(qū)這一典型樣區(qū)，引入200 m×200 m網(wǎng)格度量社會經(jīng)濟指標的空間趨勢，利用空間主成分分析法、最小阻力模型，從生態(tài)重要性、生態(tài)敏感性、社會經(jīng)濟抑制性多層面測度生態(tài)安全趨勢和識別生態(tài)源地的空間廊道，審度基于區(qū)域生態(tài)安全格局的土地利用優(yōu)化布局與策略，期望為環(huán)境友好型土地利用規(guī)劃提供科學(xué)決策方法和理論依據(jù)。

1 生態(tài)安全評價指標體系構(gòu)建

1.1 研究區(qū)概況

寧波四明山區(qū)地處寧波市中段的西部（圖1），研究區(qū)范圍涉及海曙區(qū)、奉化區(qū)和余姚市的13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。四明山區(qū)擁有充裕的生態(tài)用地資源，境內(nèi)生態(tài)用地面積逾1.09×105hm2，約占區(qū)域面積的77.47%。其中以林地、水域為主的基礎(chǔ)性生態(tài)用地面積占區(qū)域面積的比例為77.35%，廣泛地布局于研究區(qū)的中部與南部；其余為127.43 hm2的保全性生態(tài)用地，零星地布局于各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積占比僅為0.12%。研究區(qū)高程約960 m，擁有山地、丘陵等地貌。區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)以高山特色農(nóng)業(yè)主導(dǎo)，輔以發(fā)展特色工業(yè)與旅游業(yè)。四明山區(qū)是重要生態(tài)用地區(qū)，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟較為發(fā)達，又地處寧波城鄉(xiāng)建設(shè)擴張邊緣，近年其生態(tài)用地供給與土地無限需求的矛盾愈發(fā)尖銳，故迫切需要探究生態(tài)安全格局的景觀規(guī)劃策略。

圖1 研究區(qū)區(qū)位及土地利用/覆蓋現(xiàn)狀Fig.1 The location and land use/cover of study area

1.2 指標遴選邏輯及其測量方法

生態(tài)重要性。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合概述人類在生態(tài)系統(tǒng)中直接或間接的受益情況，囊括生態(tài)進程中為人類提供的環(huán)境、物質(zhì)等福祉，此類福祉均被視為生態(tài)安全評價的關(guān)節(jié)點[3]，表現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要性特質(zhì)。擁有充裕的林木、水域等資源的四明山區(qū)呈現(xiàn)低山丘陵或山地地貌，以黃壤、紅壤為主，年降水量超過800 mm，進而孕育了獨具特色的生態(tài)系統(tǒng)。據(jù)其地貌、土壤和降水等自然稟賦優(yōu)勢，從地形指數(shù)、水源涵養(yǎng)、土壤保持、植被覆蓋度層面刻畫其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)性的重要性。

生態(tài)敏感性。生態(tài)敏感性綜合反映生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生生態(tài)環(huán)境破壞的頻度和程度。受自然災(zāi)害侵蝕、嵌入式景觀結(jié)構(gòu)侵擾的生態(tài)系統(tǒng)，呈現(xiàn)出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的削弱，即為生態(tài)系統(tǒng)敏感性。四明山區(qū)降水富足，但以紅壤、黃壤為主的土壤易受侵蝕，使得研究區(qū)易發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害；隨著城鄉(xiāng)建設(shè)擴張，地表景觀的結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)嵌入式變異。因此，主要從地質(zhì)災(zāi)害、地質(zhì)承載力、土地破碎度層面考量生態(tài)系統(tǒng)敏感性。

社會經(jīng)濟抑制性。反映社會經(jīng)濟發(fā)展程度對生態(tài)環(huán)境的脅迫程度。處于經(jīng)濟增速的社會經(jīng)濟狀態(tài)下，社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系由依賴性向脅迫性發(fā)展[15]。位于中國東南沿海經(jīng)濟發(fā)達區(qū)，人口稠密，游憩業(yè)繁榮，適合發(fā)展休閑度假、農(nóng)家體驗和紅色旅游等系列產(chǎn)業(yè)，此類日益劇烈的社會經(jīng)濟活動必然會威脅區(qū)域的生態(tài)安全。于此，摘取人類活動強度、經(jīng)濟密度、人口密度等指標測度社會經(jīng)濟形態(tài)對生態(tài)系統(tǒng)的抑制程度。經(jīng)上述要素分析，完成四明山區(qū)生態(tài)安全評價體系的構(gòu)建（表1）。

1.3 數(shù)據(jù)源

四明山區(qū)的第二次土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)庫由寧波市海曙區(qū)、奉化區(qū)、余姚市國土部門提供，是本研究的核心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。從美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）獲取研究區(qū)2015年5月的TM影像、DEM數(shù)據(jù)；地質(zhì)災(zāi)害分布與易發(fā)區(qū)圖、年降水等值線圖、年等深線圖、季度降水等值線圖分別源于《2016年寧波市地質(zhì)災(zāi)害防治方案》、《2015年寧波市水資源公報》；社會經(jīng)濟類指標主要查詢《奉化統(tǒng)計年鑒（2016年）》、《鄞州年鑒（2016年）》（據(jù)寧波市區(qū)劃調(diào)整前的權(quán)屬范疇進行查詢）、《余姚統(tǒng)計年鑒（2016年）》，部分數(shù)據(jù)根據(jù)地方市志、地方區(qū)志、年度公報等資料進行綜合核算。

表1 區(qū)域生態(tài)安全評價指標體系Table 1 Evaluation index system of regional ecological security

2 指標處理與生態(tài)安全評價方法

鑒于自然條件和社會經(jīng)濟類指標的統(tǒng)計形式存在異質(zhì)性，前者為柵格數(shù)據(jù)，后者為鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在空間疊加分析中難以體現(xiàn)后者代表的空間趨勢，采用 的矢量網(wǎng)格（取近似于平均斑塊面積的整百、整千等值）計量社會經(jīng)濟形態(tài)于相關(guān)景觀格局的分布趨勢，制成柵格數(shù)據(jù)。為統(tǒng)一柵格數(shù)據(jù)的處理標準，主要采用自然斷點分級法、唯一值法對柵格數(shù)據(jù)進行分級處理（表2）。隨著安全等級遞增，寓意各指標的安全水平從不安全、低度安全、中等安全向高度安全轉(zhuǎn)變。

表2 指標賦值區(qū)間Table 2 Index assignment interval

空間主成分分析法屬多元統(tǒng)計分析法，可以有效消除指標間的量綱差異及空間信息缺失的干擾[21]，故文中選用空間主成分分析法測度研究區(qū)的生態(tài)安全度。據(jù)生態(tài)安全評價指標體系和指標賦值區(qū)間，利用ArcGIS10.2的空間分析工具計量各指標的空間分布態(tài)勢，即形成三維矩陣。將研究區(qū)內(nèi)各指標空間值域進行線性轉(zhuǎn)換，提取累計貢獻率大于等于85%的K個主成分，可得矩陣最優(yōu)解。其中Wn為第n個主成分的空間貢獻率，λ為某主成分。然后運用式（2）核算各主成分值Fi，式中Pij是第i柵格評價單元第 評價指標的系數(shù)。最后，運用式（3）測度各柵格評價單元的生態(tài)安全指數(shù)ESIi。

在構(gòu)建景觀生態(tài)安全格局中，常運用最小累積阻力模型[22]，分析生態(tài)用地中源地向外部空間擴張的阻礙程度，并借鑒水文分析理念，辨識生態(tài)阻力面的生態(tài)廊道[23]。主要模型如式（4）所示，式中MCR是從生態(tài)用地的源j擴展到空間景觀i的最小累積阻力，Dij表示目標生態(tài)源地j與空間景觀i間的距離，Ri表示目標生態(tài)源地j與空間景觀的擴展阻力系數(shù)，f表征MCR與各目標生態(tài)源地擴展進程的正相關(guān)關(guān)系。

3 生態(tài)安全評價結(jié)果

將重分類指標導(dǎo)入ArcGIS10.2，運用空間分析中空間主成分分析法進行空間分析（表3），以累計貢獻率大于85%為前提條件，提取到6個主成分值及主成分貢獻率；運用柵格計算器度量研究區(qū)的生態(tài)安全指數(shù)（圖2a），其結(jié)果均用自然斷點分級法進行4級劃分。

表3 主成分的特征值和方差貢獻率Table 3 Eigenvalue and variance contribution rate of principal components

3.1 四明山區(qū)生態(tài)安全驅(qū)動因子

據(jù)空間主成分分析法輸出的載荷表可知：第一主成分反映以經(jīng)濟密度為主的經(jīng)濟強度，其貢獻率達26.29%，是區(qū)域生態(tài)安全的主要影響因子；第二主成分是由地形指數(shù)、人類活動強度表征的地貌變異度，貢獻率為21.70%；第三主成分為農(nóng)藥負荷量、降水侵蝕表征的環(huán)境侵蝕度，貢獻率為15.27%；第四主成分為植被覆蓋度反映的環(huán)境優(yōu)勢度，貢獻率占9.19%；第五主成分、第六主成份分別是由水源涵養(yǎng)導(dǎo)向的水資源保持度、土地破碎度表征的景觀分離度，貢獻率分別為8.25%、6.09%。

3.2 四明山區(qū)生態(tài)安全格局和土地生態(tài)安全結(jié)構(gòu)

四明山區(qū)的生態(tài)安全等級大體呈現(xiàn)中部、南部多為中度安全乃至高度安全，北部、東部和西北部為低度安全、不安全的空間格局，表明該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)大體較安全（圖2a、表4）。處于中等安全水平以上的區(qū)域面積達到9.74×104hm2，占比達69.41%。其中30.59%的高度安全區(qū)域主要占據(jù)四明山鎮(zhèn)、章水鎮(zhèn)、龍觀鄉(xiāng)大部和溪口鎮(zhèn)西部地區(qū)，形成南部核心組團；中度安全區(qū)域的分布范圍最廣，其占研究區(qū)總面積的35.43%，除涉及溪口鎮(zhèn)東部地區(qū)外，還集中分布于鹿亭鄉(xiāng)大部、陸埠鎮(zhèn)和梨洲街道的南部以及橫街鎮(zhèn)的西部地區(qū)，形成中心組團。處于低度安全和不安全等級的區(qū)域面積分別為2.78×104hm2、1.99×104hm2，占比總和為33.98%，主要分布于研究區(qū)北部、東部和西北部的大部地區(qū)，呈現(xiàn)倒U型布局形態(tài)。

表4 生態(tài)安全等級及面積占比Table 4 Ecological security level division and the area ratio

按土地利用現(xiàn)狀分類的一級類別分析各類用地的生態(tài)安全結(jié)構(gòu)（圖3）。隨著生態(tài)安全等級的遞增，研究區(qū)的土地利用性質(zhì)主要呈現(xiàn)由住宅用地、交通運輸用地等城鄉(xiāng)建設(shè)服務(wù)型向園地、林地等生態(tài)服務(wù)性承接的特征。高度、中度安全區(qū)域中，園地、林地、草地和其他土地占據(jù)主體地位，綜合占比均超過65%，呈現(xiàn)生態(tài)用地的生態(tài)服務(wù)功能；低度乃至不安全區(qū)域中，除耕地面積占據(jù)57.29%的比例，住宅用地、交通運輸用地、公共管理與公共服務(wù)用地和工礦倉儲用地占主導(dǎo)地位，綜合占比均逾80%，凸顯城鄉(xiāng)建設(shè)、耕地等非生態(tài)用地的生態(tài)脅迫性。此外，屬于生態(tài)用地類型的水域及水利設(shè)施用地占據(jù)76.61%的比例，較大程度地呈現(xiàn)低度安全和不安全水平，其極可能受到環(huán)境侵蝕或人類活動干擾。

圖2 四明山區(qū)生態(tài)安全和生態(tài)廊道分級Fig.2 Ecological safety and ecological corridor grading in Siming mountain

3.3 生態(tài)安全格局優(yōu)化

將保障生態(tài)安全視為土地利用優(yōu)化的前提，以構(gòu)建生態(tài)景觀作為切入點，依據(jù)生態(tài)安全指數(shù)的空間趨勢辨識生態(tài)源的擴散阻力面及區(qū)域生態(tài)廊道。將高度安全且為生態(tài)用地的地區(qū)作為生態(tài)源地，建立生態(tài)源地于生態(tài)安全空間趨勢的最小累積阻力面，以之呈現(xiàn)生態(tài)源地散布服務(wù)功能的受阻趨勢。在此基礎(chǔ)上，借助水文分析工具，以匯流累計量為廊道分級依據(jù)，分析生態(tài)源地到其他空間的擴散路徑及生態(tài)節(jié)點（圖2b）。

生態(tài)阻力面的累計阻力大致呈現(xiàn)由南部向北遞增趨勢，表征其生態(tài)源地服務(wù)功能呈現(xiàn)由南部向北部逐步削弱的態(tài)勢（圖2b）。其中四明山鎮(zhèn)、溪口鎮(zhèn)、章水鎮(zhèn)和龍觀鄉(xiāng)的受阻程度最低，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)則反之。生態(tài)廊道、生態(tài)關(guān)節(jié)點主要布局于四明山鎮(zhèn)、溪口鎮(zhèn)、章水鎮(zhèn)和龍觀鄉(xiāng)，表明其鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間存在較強的生態(tài)聯(lián)系。廊道布局中，一級、二級廊道貫通四明山鎮(zhèn)、章水鎮(zhèn)兩鎮(zhèn)，連接著向北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)延伸的三級、四級廊道，表明生態(tài)源地具有較顯著的生態(tài)服務(wù)功能發(fā)散性；處于蓄力擴散階段的溪口鎮(zhèn)亦有多條三級、四級廊道出現(xiàn)。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

研究顯示：（1）受經(jīng)濟強度、地貌變異度、環(huán)境優(yōu)勢度、環(huán)境侵蝕度、水資源保持度和景觀分離度這六個主因子的約束，研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)大體呈現(xiàn)中度乃至高度安全狀態(tài)。（2）區(qū)域生態(tài)安全指數(shù)的空間格局則大體呈現(xiàn)南中北式遞減的分異特征，主要形成了南部高度安全區(qū)、中部中度安全區(qū)及北部倒U型非安全區(qū)的分異格局。（3）生態(tài)安全等級的地類結(jié)構(gòu)中，除水域及水利設(shè)施用地外，林地、園地等生態(tài)用地呈現(xiàn)較強的生態(tài)服務(wù)功能，耕地和住宅、交通運輸?shù)瘸青l(xiāng)建設(shè)用地呈現(xiàn)出生態(tài)脅迫性。此外，生態(tài)阻力面趨勢幾近于生態(tài)安全趨勢。

圖3 各土地利用類型的生態(tài)安全結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of different land use type in ecological security area

綜合生態(tài)安全指數(shù)分布趨勢，構(gòu)建研究區(qū)的生態(tài)景觀（圖4）：（1）主要采取不同生態(tài)安全等級的差異化管制的措施，分別將南部高度安全區(qū)建立為禁止建設(shè)區(qū)、中部中度安全區(qū)設(shè)置為限制建設(shè)區(qū)以及北部倒U型非安全區(qū)建立成適宜建設(shè)區(qū)。（2）以最小耗散路徑尋求最佳生態(tài)效應(yīng)，主要將生態(tài)源地劃定為重點生態(tài)保護區(qū)，構(gòu)建發(fā)跡于溪口鎮(zhèn)、四明山鎮(zhèn)、章水鎮(zhèn)的主要生態(tài)廊道及向北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)延伸次要廊道，并在章水鎮(zhèn)西南部、中部、東北部的主要廊道與次要廊道連接處布置生態(tài)關(guān)節(jié)點，將有助于最大化發(fā)揮生態(tài)服務(wù)功能和強化地區(qū)間的生態(tài)聯(lián)系。

圖4 四明山區(qū)生態(tài)安全格局的景觀規(guī)劃Fig.4 The landscape planning of ecological safety pattern in Siming Mountain

4.2 討論

研究采用矢量網(wǎng)格離散鄉(xiāng)鎮(zhèn)級社會經(jīng)濟指標，形成與自然條件指標相匹配的單元。將ArcGIS10.2中空間分析工具的空間主成分分析法應(yīng)用于生態(tài)安全評價中，可以有效消除量綱差異的干擾，避免人工賦權(quán)主觀性的弊端，甚至排除了空間信息空白的干預(yù)。研究結(jié)果顯示：四明山區(qū)生態(tài)安全受到經(jīng)濟強度、地貌變異度和環(huán)境優(yōu)勢度等影響，呈現(xiàn)出南中北逐步減弱的趨勢，其空間分布及驅(qū)動因子均與實際情況相符；土地利用類型的生態(tài)安全結(jié)構(gòu)中，生態(tài)型用地和非生態(tài)用地均體現(xiàn)較強的服務(wù)分異性，與已有研究中生態(tài)用地的界定大體相符。

生態(tài)安全格局的景觀構(gòu)建中，結(jié)合生態(tài)安全評價結(jié)果，劃定以四明山鎮(zhèn)、溪口鎮(zhèn)河章水鎮(zhèn)為主的重點生態(tài)保護區(qū)，充分發(fā)揮區(qū)域生態(tài)服務(wù)功能；加之建立聯(lián)系南北鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)廊道和節(jié)點，進一步提升生態(tài)服務(wù)質(zhì)量。因此，生態(tài)景觀布局科學(xué)地考慮了研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢和服務(wù)走向。除卻研究土地利用規(guī)劃中生態(tài)安全格局的管制分區(qū)、生態(tài)景觀優(yōu)化，還可研究多時相的生態(tài)安全格局或景觀優(yōu)化布局，以實現(xiàn)生態(tài)安全動態(tài)過程的全局土地優(yōu)化調(diào)控及尋求生態(tài)廊道建設(shè)的最佳策略。