基于三生空間耦合的生態(tài)安全格局構(gòu)建與優(yōu)化
——以揚州市為例

郭天威，陸春鋒，王君櫹，劉瑞程，周生路*

(1.南京大學(xué)地理與海洋學(xué)院，江蘇 南京 210093；2.江蘇第二師范學(xué)院城市與資源環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210013)

近年來，城市化的不斷推進使得生態(tài)系統(tǒng)面臨巨大壓力并誘發(fā)越來越多的生物多樣性喪失、水污染等生態(tài)問題，嚴(yán)重威脅經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。如何緩解經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護之間的矛盾及保障區(qū)域生態(tài)安全，成為學(xué)術(shù)界重點關(guān)注的問題[3]。生態(tài)安全格局的構(gòu)建和優(yōu)化是緩解生態(tài)保護與經(jīng)濟發(fā)展之間矛盾的重要途徑之一[4-5]，可為快速城鎮(zhèn)化背景下尋求與區(qū)域契合的生態(tài)保護提供有力支撐[1]。經(jīng)過長時間發(fā)展，目前生態(tài)安全格局構(gòu)建已經(jīng)形成“生態(tài)源地選取-生態(tài)阻力面構(gòu)建修正-生態(tài)廊道模擬評價提取”的模式[6]，而生態(tài)安全格局優(yōu)化主要從數(shù)學(xué)模型、景觀生態(tài)、土地利用配置等角度出發(fā)，如俞孔堅[7]在Knaapen提出的最小耗費距離模型基礎(chǔ)上，對其進行修正并運用于生態(tài)安全格局優(yōu)化；Reshmidevi等[8]從土地利用優(yōu)化配置角度對生態(tài)安全格局優(yōu)化作了研究；Szabó等[9]對景觀生態(tài)規(guī)劃通過建立景觀測量指標(biāo)和景觀聚集敏感性進行了評價。

縱觀當(dāng)前研究，城市與自然空間格局的不和諧、城鎮(zhèn)的盲目擴張破壞生態(tài)安全格局[10]是優(yōu)化生態(tài)安全格局的關(guān)鍵性問題。然而當(dāng)前生態(tài)安全格局優(yōu)化對生態(tài)、生產(chǎn)和生活(三生)空間的相互作用及聯(lián)系考慮較少，缺乏對三生耦合優(yōu)化模式的考量，不利于快速城鎮(zhèn)化背景下生態(tài)格局的保護。基于此，需將生態(tài)保護置于生態(tài)-生產(chǎn)-生活相協(xié)調(diào)的格局下，從三生耦合的角度對生態(tài)安全格局進行優(yōu)化，才能與時俱進地促進區(qū)域生態(tài)安全格局的建設(shè)。本研究選取揚州市為研究區(qū)，利用環(huán)形梯度分析和多情景沖突協(xié)調(diào)評價的方法，在三生空間規(guī)律梯度分析的基礎(chǔ)上引入彈性系數(shù)[11]進行分區(qū)，充分考慮了生活空間對于生態(tài)空間未來侵占的可能性風(fēng)險，對揚州市2020—2030年城鎮(zhèn)擴張進行模擬預(yù)測，對其生態(tài)安全格局進行優(yōu)化并提出相應(yīng)的管控建議，旨在為生態(tài)安全格局的優(yōu)化提供新思路，為揚州市在保護生態(tài)安全前提下優(yōu)化空間開發(fā)格局提供決策參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

揚州市(119°01′～119°54′E，32°15′～33°25′N)地處江蘇省中部，江淮平原南端、長江北岸，主城區(qū)位于長江與京杭大運河交匯處。區(qū)內(nèi)存在多處大型湖泊，包括高郵湖、邵伯湖、寶應(yīng)湖、白馬湖等；水網(wǎng)密集，河流總長累計593.6 km，多年平均徑流總量約為17×108m3。揚州市內(nèi)生態(tài)資源稟賦豐富，生態(tài)保護地類型組合與空間規(guī)模配置多樣，為生態(tài)安全格局構(gòu)建提供了豐富的備選源地。

數(shù)據(jù)來源包括：國土部門提供的2010年、2015年揚州市1∶5 000土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)；環(huán)保部門提供的揚州市生態(tài)紅線區(qū)域總圖(2013年)、江淮生態(tài)大走廊(揚州)總圖；美國地質(zhì)勘察局(USGS)公布的SRTM地形數(shù)據(jù)與Landsat 7 ETM+影像；MODIS歸一化植被指數(shù)(NDVI)產(chǎn)品；國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(http://data.cma.cn/)提供的蒸發(fā)與降水?dāng)?shù)據(jù)；多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)土壤樣品中重金屬含量實測值；Tropospheric Emission Monitoring Internet Service(http://www.temis.nl/index.php)提供的NO2數(shù)據(jù)；基于應(yīng)用程序編程接口(Application Programming Interface)從空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)站(http://pm25.in/)抓取的PM2.5數(shù)據(jù)等。

1.2 研究方法

基于三生用地分類體系的生態(tài)安全格局優(yōu)化路徑見圖1。

圖1 生態(tài)安全格局的分區(qū)協(xié)調(diào)優(yōu)化思路Fig.1 Framework of the regional coordination and optimization of ecological security pattern

生態(tài)安全格局的構(gòu)建與優(yōu)化以生態(tài)安全格局構(gòu)建的基本范式為主，考慮三生空間的綜合影響，以生態(tài)空間的提取為前提選取生態(tài)源地，構(gòu)建并修正阻力面，將生產(chǎn)主體空間的耕地作為廊道組分及保護緩沖區(qū)，以此構(gòu)建揚州市生態(tài)安全格局?；谖磥沓擎?zhèn)擴展模擬侵占結(jié)果，利用環(huán)形梯度分析探究三生功能演變規(guī)律，從三生耦合角度開展多情景基礎(chǔ)方案沖突協(xié)調(diào)評價，進行生態(tài)安全格局的分區(qū)協(xié)調(diào)優(yōu)化。

1.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評價

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評價是以研究區(qū)的特定生態(tài)環(huán)境背景、資源稟賦特征為切入點，針對性地分析主導(dǎo)生態(tài)服務(wù)組合配置、空間分異規(guī)律，識別空間集中范圍以劃定關(guān)鍵保護區(qū)域。參考文獻[12-13]，結(jié)合揚州市生態(tài)環(huán)境特色，主要選取了對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境較為關(guān)鍵的水源涵養(yǎng)、水土保持、固碳釋氧和生物量維持4個方面進行評價。采用德爾菲法[13]獲取權(quán)重并考慮到揚州市降水豐富且水網(wǎng)密布，水源涵養(yǎng)與水土保持功能重要性更為凸顯，因此以0.3、0.3、0.2、0.2 的權(quán)重疊加，綜合評價生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性。

1)水源涵養(yǎng)?；谒科胶饽Ｐ停瑢φ舭l(fā)與降水?dāng)?shù)據(jù)進行測算，獲取多年平均降水量與平均蒸散量的差值，模擬表達水源涵養(yǎng)量的空間分異[14]：

W=P-E。

(1)

式中：W為平均涵養(yǎng)水量，mm；P為平均降雨量，mm；E為平均蒸發(fā)量，mm。

2)水土保持。以Landsat 7 ETM+影像為基礎(chǔ)，結(jié)合氣象、NDVI產(chǎn)品、SRTM地形等數(shù)據(jù)，生成降雨、坡長、坡度等各項侵蝕因子，基于RUSLE模型[15]計算水土保持量。

A=R×K×LS×P×C。

(2)

式中：A為預(yù)測土壤侵蝕量；R為降雨侵蝕力；K為土壤可侵蝕性(標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)條件下)；L為坡長因子；S為坡度因子；P為水土保持因子；C為覆蓋及管理因子。

3)固碳釋氧?；贑ASA模型[16]，應(yīng)用MODIS的NDVI產(chǎn)品，運用光能利用率原理對凈初級生產(chǎn)力進行測算：

λNPP(i,t)=θPAR(i,t)×ωi,t。

(3)

式中：λ、θ、ω分別為t時段內(nèi)空間單元i上的植被凈初級生產(chǎn)力、光合有效輻射、光能轉(zhuǎn)化率。

4)生物量維持。采用MODIS歸一化植被指數(shù)產(chǎn)品(NDVI)反映研究區(qū)生物量豐裕程度：

NNDVI=(αNIR-βR)/(αNIR+βR)。

(4)

式中：N表示研究區(qū)歸一化植被指數(shù)，α、β分別表示近紅外、可見光紅色參數(shù)。

1.2.2 生態(tài)敏感性評價

生態(tài)敏感性指自然要素驅(qū)動及人為干擾脅迫下生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)程度，反映了區(qū)域內(nèi)發(fā)生生態(tài)質(zhì)量退化、組分結(jié)構(gòu)破壞等生態(tài)環(huán)境問題的趨向性和可能性[6]，說明發(fā)生區(qū)域性生態(tài)環(huán)境問題的難易程度和可能性大小。根據(jù)揚州生態(tài)現(xiàn)狀，選取水體、土壤、大氣污染敏感性和生境破碎化進行敏感性評價，并以等權(quán)重疊加，以獲取綜合生態(tài)敏感性。

1)水體污染敏感性。將研究區(qū)內(nèi)的湖泊、河流水系、大型水庫等水域作為核心區(qū)，依據(jù)陳昕等[6]的研究結(jié)果每隔100 m等間距設(shè)置緩沖區(qū)，共設(shè)5級，以此差異化表征水體遭受污染致敏的風(fēng)險高低。

2)土壤污染敏感性?；诮K省土壤元素地球化學(xué)基準(zhǔn)值[17]，結(jié)合多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查結(jié)果數(shù)據(jù)，對土壤污染敏感性進行評價。主要以重金屬污染元素(Cd、Pb、Cr、Cu、Zn等)值進行Kriging空間插值，表征研究區(qū)土壤污染敏感性。

3)大氣環(huán)境敏感性?；趹?yīng)用程序端口抓取環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)，進行Kriging空間插值，以此表征研究區(qū)大氣污染的敏感性。

4)生境破碎化敏感性。依據(jù)相關(guān)研究成果[18],道路景觀對自然生境生物流等具有阻隔作用，道路密度越高，對景觀的阻隔作用越明顯，生境破碎化敏感性越高。因此道路密度常作為度量生境破碎化的指標(biāo)。本研究將研究區(qū)網(wǎng)格化，計算單位網(wǎng)格道路密度，并采用自然斷點法分5級賦值，以表示生境破碎化敏感程度。則單位網(wǎng)格道路密度=單位網(wǎng)格道路面積/單位網(wǎng)格面積。

1.2.3 三生空間耦合機制基礎(chǔ)構(gòu)建

三生主體空間選取可為生態(tài)安全格局規(guī)劃用地和生產(chǎn)、生活功能用地間沖突識別提供基礎(chǔ)。因此，本研究聚焦三生主體空間選取，為精準(zhǔn)且簡便地識別未來發(fā)展中潛在用地沖突及開展三生耦合研究提供基礎(chǔ)支撐。

1)生產(chǎn)主體空間識別。識別生產(chǎn)主體空間是為生態(tài)安全格局構(gòu)建與優(yōu)化提供緩沖性用地的基礎(chǔ)。由于揚州市耕地資源豐富且分布范圍廣，通過自然等指數(shù)計算和耕地立地條件評價，選取優(yōu)質(zhì)、集中和侵占風(fēng)險小的耕地作為生產(chǎn)主體空間，以降低耦合成本，有利于生態(tài)緩沖區(qū)的構(gòu)建和管護。

耕地自然質(zhì)量評價借鑒奉婷等[19]對耕地質(zhì)量評價的指標(biāo)體系和戴文舉等[20]的方法，并參考《耕地質(zhì)量等級》(GB/T 33469—2016)對耕地質(zhì)量指數(shù)進行計算和分等。

耕地立地條件評價從連片性和侵占風(fēng)險正負兩方面對影響耕地立地因素進行探討。耕地連片性也可被視作空間上的相鄰程度，即兩個耕地斑塊之間距離越短，其連片性越高[21]。因此可用GIS對連片性進行空間分析，以此表征耕地連片性的空間差異。

隨著研究區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展，城鄉(xiāng)公路網(wǎng)逐漸密集，道路周邊的耕地存在著被侵占的風(fēng)險，參考文獻[21]，以公路密度為切入點識別高密度路網(wǎng)區(qū)，以此對耕地侵占風(fēng)險進行評價。具體公式如下：

(5)

式中：k為核函數(shù)；n為樣本數(shù)；h為帶寬；(x-xi)為估計值點x到測量點xi的距離，核密度程度由核函數(shù)和帶寬共同決定。

2) 生活主體空間識別。由于快速城鎮(zhèn)化背景下生產(chǎn)、生態(tài)用地被侵占風(fēng)險逐漸增加，因此，除了對現(xiàn)有的生活用地進行識別提取，還需對生活空間的未來發(fā)展情況進行模擬預(yù)測，這將有助于識別未來可能遭受侵占的生態(tài)保護用地。元胞自動機是通過局部運算逐步推演模擬全局時空演變現(xiàn)象的運算模型，根據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則來模擬元胞間的相互作用進而反饋整個系統(tǒng)的動態(tài)演化；而隨機森林具有非線性、高精度、收斂速度適中等諸多優(yōu)點[22]。因此，采用隨機森林對元胞自動機轉(zhuǎn)換規(guī)則進行智能學(xué)習(xí)提取，模擬2020—2030年城鎮(zhèn)擴展邊界，并以2030年模擬結(jié)果為生活主體空間。

1.2.4 基于三生耦合的生態(tài)安全格局構(gòu)建

生態(tài)源地的選取充分考慮生產(chǎn)空間緩沖作用的影響，在生態(tài)空間提取的基礎(chǔ)上，結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性和生態(tài)敏感性評價結(jié)果，依據(jù)德爾菲法確定指標(biāo)權(quán)重，將生態(tài)空間、生態(tài)緩沖用地、重要生態(tài)服務(wù)功能區(qū)與重要生態(tài)敏感區(qū)疊加，選取綜合重要性高的斑塊作為生態(tài)源地。

生態(tài)阻力面構(gòu)建參考吳榛等[23]對不同土地利用類型的景觀阻力(Ri)賦值，從人為干擾程度和景觀屬性兩個方面設(shè)置阻力值，構(gòu)建基本阻力面?？紤]到區(qū)域內(nèi)大型水體分布對生物遷移的影響，參考文獻[23]以200 hm2為閾值分別設(shè)置阻力為10、50。由于揚州市快速城鎮(zhèn)化發(fā)展使得阻力面構(gòu)建人為干擾頻繁，借鑒陳昕等[6]的方法，利用夜間燈光數(shù)據(jù)進行修正，修正公式如下：

(6)

式中：NLi為第i個柵格單元的燈光指數(shù)；NLa為第i個柵格單元所屬的景觀類型a對應(yīng)的燈光指數(shù)均值；R0為第i個柵格單元的基本阻力賦值。

生態(tài)廊道是區(qū)域內(nèi)能量和物質(zhì)流動的載體，是保持生態(tài)過程、生態(tài)功能在區(qū)域內(nèi)連通的關(guān)鍵生態(tài)組分[24]。在構(gòu)建源地體系的基礎(chǔ)上，通過累計最小阻力模型識別生態(tài)廊道得到了廣泛應(yīng)用[25]。計算公式為：

(7)

式中：M為最小累積阻力值；fmin表示生態(tài)過程與最小阻力為正相關(guān)關(guān)系；m、n表示任意兩個源地的編號，分別指代i、j，i≠j;Dij為源地j到達景觀單元i的距離；Ri為景觀單元對生態(tài)過程的阻力值。

1.2.5 基于三生耦合的生態(tài)安全格局優(yōu)化

基于構(gòu)建底線式生態(tài)保護性空間的核心理念，考慮生產(chǎn)空間的生態(tài)緩沖作用和未來城鎮(zhèn)擴展帶來的地類轉(zhuǎn)型風(fēng)險，以此識別生態(tài)安全格局與生產(chǎn)、生活空間之間存在的用地沖突。開展多情景耦合協(xié)調(diào)研究，有助于優(yōu)化區(qū)域生態(tài)安全格局。

1)多情景沖突協(xié)調(diào)基礎(chǔ)方案評價。多情景基礎(chǔ)方案評價是理解和構(gòu)建三生耦合情景優(yōu)化的基礎(chǔ)。參考相關(guān)規(guī)劃與研究[26-27]構(gòu)建三生主體空間功能水平量化體系(表1)，對三生空間功能進行賦分。依據(jù)生產(chǎn)、生活空間對于生態(tài)空間的不同屬性特點[28]，分別將疊加斑塊設(shè)為功能疊置斑塊與功能沖突斑塊，為基礎(chǔ)情景評價提供依據(jù)。

表1 三生主體空間功能水平量化體系Table 1 Quantitative system of function level of ecological-production-living principal space

首先設(shè)置生態(tài)保護優(yōu)先、融合發(fā)展、優(yōu)先發(fā)展3種基礎(chǔ)情景類型。情景構(gòu)建過程中，以生態(tài)主體空間功能水平(fe)與生活主體空間功能水平(fu)為依據(jù)，根據(jù)如下原則設(shè)置情景：①分值優(yōu)先原則，當(dāng)fe>fu時，需予以差異化保護；②當(dāng)fe=fu時，根據(jù)不同情景設(shè)置保護優(yōu)先度。情景如圖3所示：a. 生態(tài)保護優(yōu)先情景中，當(dāng) 2

a.生態(tài)優(yōu)先情景ecological priority scenario；b.融合發(fā)展情景integrated development scenario；c.優(yōu)先發(fā)展情景development priority scenario。圖2 多情景耦合方案Fig.2 Multi-scenario coupling scheme

2)環(huán)形梯度分析。環(huán)形梯度分析是將研究區(qū)劃分為多分環(huán)形條帶測算參數(shù)以揭示梯度規(guī)律[29]。基于城鎮(zhèn)模擬過程中的驅(qū)動力影響分析中，將揚州市行政駐地(點)作為核心點位，并且依據(jù)行政鎮(zhèn)平均面積及柵格數(shù)據(jù)30 m空間分辨率，確定增量半徑為7 800 m，形成14個圈層的環(huán)形梯度。最后以空間序列變化中彈性系數(shù)的突變點作為三生空間相互關(guān)系發(fā)生變化的轉(zhuǎn)折節(jié)點，對三生功能組合類型進行分區(qū)，具體如圖3所示。

圖3 圈層梯度分析示意圖Fig.3 Circle gradient analysis

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)源地選取結(jié)果

通過生態(tài)敏感性評價和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評價，得到生態(tài)敏感性評價圖和生態(tài)服務(wù)功能評價圖(圖4)。從圖4可知，揚州市整體生態(tài)敏感程度較高，以中部高郵湖及邵伯湖核心區(qū)、東南部水網(wǎng)密集區(qū)、南部揚州段長江為主要敏感地，這些地區(qū)自然資源豐富，環(huán)境較好，遭到破壞后需要很大程度的修復(fù)，因而敏感性較高，需要保護。經(jīng)統(tǒng)計，重要生態(tài)敏感區(qū)面積占全域面積的7.10%。

從圖4還可知，在生態(tài)主體空間提取中，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能高值區(qū)主要集中在西側(cè)的水源涵養(yǎng)地與種質(zhì)保育區(qū)等功能用地、東側(cè)林草地等小規(guī)模生境。低值區(qū)主要集中在揚州市中心區(qū)，該區(qū)域大多是建筑用地，因此分數(shù)較低。而高郵湖等大型水域的綜合得分較低，主要是由于NPP與NDVI揭示水域的生產(chǎn)力、生物量的能力相對局限。因此鑒于揚州市水網(wǎng)密集的特點，根據(jù)《江蘇省生態(tài)紅線區(qū)域保護規(guī)劃(2013)》(http://www.jiangsu.gov.cn/art/2013/10/15/art_46714_2589682.html)，水源涵養(yǎng)服務(wù)功能是極重要且需保護維持的生態(tài)功能之一，故也將其納入生態(tài)主體空間。

A.生態(tài)服務(wù)功能綜合評價 comprehensive evaluation of ecological service function；B.生態(tài)敏感性評價 ecological sensitivity assessment； C.生態(tài)源地 ecological source area。審圖號：蘇S(2019)014。下同。The same below.圖4 揚州市生態(tài)源地選取結(jié)果圖Fig.4 Results of ecological source selection of Yangzhou City

綜合考慮生產(chǎn)空間對生態(tài)源地緩沖作用的影響，結(jié)合上述評價和生態(tài)空間提取結(jié)果，對生態(tài)源地進行選取。經(jīng)統(tǒng)計，生態(tài)源地面積為1 263.59 km2，占全域面積的19.14%，從空間上看，生態(tài)源地主要分布在高郵湖等大型水域、西側(cè)的水源涵養(yǎng)地等功能用地、東側(cè)林草地等區(qū)域，具體如圖4C、圖5A所示。

A.阻力面修正賦值 resistance surface correction assignment；B.生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模擬圖 ecological network simulation map；C.生態(tài)安全格局構(gòu)建 construction of ecological security pattern。圖5 揚州市生態(tài)安全格局構(gòu)建結(jié)果示意圖Fig.5 The results of the ecological security pattern construction of Yangzhou City

2.2 生態(tài)阻力面及生態(tài)廊道分析

根據(jù)阻力面構(gòu)建與修正情況分析，生態(tài)阻力水平整體較低，均值為168.72，主要原因是區(qū)域內(nèi)農(nóng)用地、水域覆蓋面積廣而建設(shè)用地占全域面積的20.21%；高值區(qū)主要集中在各區(qū)行政駐點，最大值為1 000,隨著向外圍擴散逐漸縮小。經(jīng)修正，阻力高值連片區(qū)的空間分布規(guī)律與修正前較接近，但阻力均值增至202.55，最大值增至3 105.00，方差由243.93增至387.66，更加突出了揚州市不同景觀類型的阻力變化，并細化了同類型景觀在經(jīng)濟社會活動影響下生態(tài)遷移適宜程度的差異(圖5A)。

生態(tài)廊道布設(shè)南密北疏，且南部連通距離整體較短(圖5B)，主要是受源地空間分布特征的影響。源地呈北少南多的分布格局(圖5C)：以寶應(yīng)自然保護區(qū)、高郵湖與邵伯湖生境斑塊為核心連通南北；以高郵湖-邵伯湖為界，東側(cè)江都區(qū)內(nèi)水源地、森林公園、林草地等源地聚合，西部儀征市內(nèi)水源地、種質(zhì)資源保護地等聚合。此外，城鎮(zhèn)附近廊道規(guī)模較小，可提供的生態(tài)服務(wù)功能相對局限，也從側(cè)面印證了揚州快速城鎮(zhèn)化帶來的景觀破碎化。

2.3 基于三生耦合的生態(tài)安全格局優(yōu)化

2.3.1 多情景沖突協(xié)調(diào)基礎(chǔ)方案評價

結(jié)合三生空間功能賦分情況，多情景耦合結(jié)果如表2所示，生態(tài)保護優(yōu)先、優(yōu)先發(fā)展、融合發(fā)展3種基礎(chǔ)情景下沖突斑塊中需保護的面積分別為44.02、41.87、43.86 km2。

表2 多情景沖突圖斑耦合面積及占比Table 2 Coupling area and proportion of conflict patches under multiple scenarios

從各劃入優(yōu)先級的面積配比看，生態(tài)保護優(yōu)先情景中優(yōu)先劃入的配額最高，融合發(fā)展情景中優(yōu)先劃入的保護量與之相近，原因是分值均為3的生態(tài)用地與城鎮(zhèn)建設(shè)用地沖突面積較?。粌?yōu)先發(fā)展情景中，應(yīng)當(dāng)劃入保護區(qū)的面積最大，原因為該情景下更加側(cè)重為城鎮(zhèn)建設(shè)發(fā)展提供空間，將大量沖突斑塊納入應(yīng)當(dāng)保護的范圍；融合發(fā)展情景中，建議劃入保護的斑塊面積最大，而應(yīng)當(dāng)劃入保護面積僅為3.80 km2，該情景中處于生態(tài)及生活功能分值均處于2的沖突斑塊納入了建議保護中?？傮w來看，上述3種基礎(chǔ)情景中，生態(tài)優(yōu)先情景的保護成本壓力較大，而融合發(fā)展情景中結(jié)構(gòu)需進一步優(yōu)化，發(fā)展優(yōu)先情景中對生態(tài)保護的重要性凸顯仍不足。

2.3.2 三生功能環(huán)形梯度規(guī)律分析

研究區(qū)生態(tài)主體空間功能水平整體較低，維持在0.5～1.5分值區(qū)間內(nèi)，空間分布呈現(xiàn)南高北低的特征。在前8個圈層內(nèi)由于高郵湖等大型水域的生態(tài)保護重要性突出，功能水平基本維持在0.91以上(圖6)，此外的圈層具有重要生態(tài)服務(wù)功能的規(guī)劃保護地分布較少，功能水平平均為0.52，僅在11號圈層內(nèi)因?qū)殤?yīng)運西自然保護區(qū)而小幅提升至0.94。由此可見，區(qū)域內(nèi)大型水域是維持生態(tài)主體空間格局的基本骨架，北部寶應(yīng)運西自然保護區(qū)作為關(guān)鍵生境節(jié)點，對協(xié)調(diào)圈層間的生態(tài)服務(wù)功能具有重要支撐作用。

圖6 三生主體空間功能水平圈層梯度圖Fig.6 Circle gradient of ecological-production-living principal space function level

生活主體空間功能水平曲線整體呈“L”形，表現(xiàn)為在0～2圈層內(nèi)由2.485驟降至0.738，此后維持在該水平波動。揚州市城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布集中，受行政點驅(qū)動較強，建設(shè)用地主要集中0～2圈層并且建設(shè)適宜性與擴張能力強，生活-生產(chǎn)功能水平高。但隨著圈層向外擴張，保護性水域面積增大，建設(shè)適宜性降低。3～8圈層分值維持在較低水平，小幅減少；9～12圈層，隨著水域面積的減少，可供建設(shè)開發(fā)空間增多，分值略有上升。

生產(chǎn)主體空間功能水平整體較高，分值主要在1.5～3.0范圍波動，經(jīng)歷0～2圈層上升、3～8圈層維持、9～14圈層小幅下降的倒“U”形變化。在內(nèi)部圈層中由于建設(shè)用地為優(yōu)勢地類，耕地較少；隨著圈層向外，道路侵占風(fēng)險逐漸減小，耕地總量上升，且連片性和自然等別有所提升；9號后連片性和自然等別下降是生產(chǎn)功能減弱的主要驅(qū)動因素。

2.3.3 生態(tài)安全格局的優(yōu)化

根據(jù)環(huán)形梯度分析結(jié)果將14個圈層分為功能制衡區(qū)(0～2號)、功能平衡型(3～10號)、功能失衡型(11～14號)?；谌黧w功能梯度變化趨勢，設(shè)定符合情景，以實現(xiàn)分區(qū)協(xié)調(diào)優(yōu)化。功能制衡區(qū)位于行政中心核心圈層，以生活功能為主，城鎮(zhèn)建設(shè)用地占優(yōu)勢地位，因此設(shè)定“發(fā)展優(yōu)先”情景，側(cè)重城鎮(zhèn)建設(shè)發(fā)展；功能平衡區(qū)，生產(chǎn)、生態(tài)、生活主體空間功能分值波動不大，資源配置結(jié)果維持動態(tài)平衡，因此設(shè)定“融合發(fā)展”情景，兼顧發(fā)展；功能失衡區(qū)三生綜合功能水平均分下降，生態(tài)-生產(chǎn)彈性系數(shù)陡增，與前后圈層的分值比失衡，表明生態(tài)資源稟賦相對不足，因此設(shè)定“生態(tài)優(yōu)先”情景。

優(yōu)化結(jié)果整體上在總量保護、結(jié)構(gòu)配比、區(qū)域特色等方面具有優(yōu)勢?？偭糠矫妫Ｗo斑塊面積為43.87 km2，占沖突斑塊總面積比為67.83%，與融合情景相近。根據(jù)《江蘇省生態(tài)紅線區(qū)域保護規(guī)劃(2013)》以及《江淮生態(tài)大走廊(揚州)規(guī)劃》(http://www.yangzhou.gov.cn)，總規(guī)劃保護面積占全域面積的29.8%。在保護關(guān)鍵生境的前提下，以協(xié)調(diào)保護面積總量有助于在耦合協(xié)調(diào)中適當(dāng)舒緩生態(tài)保護壓力的結(jié)構(gòu)配比，則優(yōu)先劃入、應(yīng)當(dāng)劃入、建議劃入三者結(jié)構(gòu)比為18.55∶10.08∶15.23，可滿足差異化保護力度與近遠期規(guī)劃管理的實際需求。區(qū)域特色方面，根據(jù)對揚州市三生空間環(huán)形梯度規(guī)律的分析，分區(qū)情景協(xié)調(diào)可以使管控措施與區(qū)域三生主體空間功能梯度規(guī)律相適應(yīng)。

局域上在生態(tài)提升、生態(tài)緩沖等方面也具一定優(yōu)勢。在生態(tài)提升方面，源地、廊道優(yōu)化補充以高質(zhì)量農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、部分生態(tài)空間功能水平高的水體為主。從區(qū)域尺度看，持續(xù)的人為活動投入管理會促使農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)維持穩(wěn)定的土壤理化性質(zhì)，具有較強的固碳釋氧作用[30]，結(jié)合高生態(tài)功能水平水體，有利于增強生態(tài)源地功能重要性，有效降低生態(tài)廊道阻力，如圖7所示。生態(tài)緩沖方面，基于生態(tài)保護紅線的底線思維，結(jié)合《揚州主體功能區(qū)實施規(guī)劃(2015)》(http://stkjxc.yangzhou.gov.cn)，選取禁止開發(fā)區(qū)內(nèi)較高功能水平生態(tài)緩沖用地，有利于與城市規(guī)劃相適應(yīng)，以緩解未來城鎮(zhèn)擴張侵占壓力，保護主要生態(tài)廊道(圖7A、7B)。因此，分區(qū)協(xié)調(diào)情景為沖突斑塊協(xié)調(diào)的最優(yōu)解。

參考三生耦合優(yōu)化結(jié)果，將環(huán)保部門生態(tài)紅線規(guī)劃、生態(tài)保護區(qū)域生態(tài)大走廊規(guī)劃保護區(qū)的重疊部分作為Ⅰ類保護區(qū)，將生態(tài)保護區(qū)與生態(tài)大走廊規(guī)劃保護區(qū)各自獨有的剩余部分作為Ⅱ類保護區(qū)，將生態(tài)廊道規(guī)劃結(jié)果作為Ⅲ類保護區(qū)，最終Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 類保護區(qū)占全域面積比分別為23.16%、12.01%、1.68%。其中Ⅰ類保護區(qū)為生態(tài)保護底線用地，對維持區(qū)域生態(tài)安全格局發(fā)揮重要作用，Ⅱ類保護區(qū)為生態(tài)保護緩沖用地，為區(qū)域生態(tài)建設(shè)活動提供支持，Ⅲ類保護區(qū)為生態(tài)連通輔助用地，保障物種流、信息流等生態(tài)過程(圖7C)。

A.生態(tài)安全格局 ecological security pattern；B.優(yōu)化結(jié)果 optimized result；C.三生耦合優(yōu)化重要性分級 importance classification of three coupling optimization. a、c、e分別為A圖部分放大，b、d、f分別為B圖部分放大。Figure a,c and e are partial enlargements of figure A respectively; figure b,d and f are partial enlargements of figure B respectively.圖7 生態(tài)安全格局優(yōu)化結(jié)果Fig.7 Results of ecological security pattern optimization

3 討 論

本研究從三生耦合的角度出發(fā)，結(jié)合多情景沖突協(xié)調(diào)和環(huán)形梯度分析方法，探討三生空間的相互作用，提出了“三生主體功能量化-多情景基礎(chǔ)方案沖突協(xié)調(diào)評價-基于三生規(guī)律分析分區(qū)協(xié)調(diào)情景評價”的三生耦合優(yōu)化框架，為當(dāng)前快速城鎮(zhèn)化背景下生態(tài)安全格局的優(yōu)化提供新思路和新方法，具有重要的理論與實踐價值。以往研究在構(gòu)建優(yōu)化生態(tài)安全格局時，通常較多關(guān)注生態(tài)功能強的主要生態(tài)源地保護，而較少關(guān)注生態(tài)水平較高的生產(chǎn)空間與受城鎮(zhèn)擴張影響較大的生態(tài)區(qū)域?；谌詈系纳鷳B(tài)安全格局構(gòu)建結(jié)果可知，部分生態(tài)源地以及多條生態(tài)廊道較易受到城鎮(zhèn)擴張而破壞；而根據(jù)未來城鎮(zhèn)擴張模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，未來城鎮(zhèn)擴張以水體和耕地為主要轉(zhuǎn)換類型，且城鎮(zhèn)逐漸規(guī)則化將會影響周邊主要生態(tài)區(qū)域的聚合。因此，距離城鎮(zhèn)較近的主要生態(tài)區(qū)域，一方面要注重源地與廊道周邊高連片性及高質(zhì)量農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)保護，形成生態(tài)緩沖區(qū)以降低城鎮(zhèn)擴張影響；另一方面，要對城市周邊高生態(tài)功能區(qū)域進行保護，提高生態(tài)穩(wěn)定性。

研究基于江蘇省協(xié)同理論對分區(qū)進行空間融合[31]，結(jié)合《揚州市主體功能區(qū)規(guī)劃(2015)》《江淮生態(tài)大走廊(揚州)規(guī)劃》等規(guī)劃，對三生主體空間功能水平進行量化，并進一步將規(guī)劃中高水平生態(tài)功能區(qū)、禁止開發(fā)區(qū)內(nèi)的部分生態(tài)功能區(qū)納入生態(tài)保護范圍，有助于在多情景協(xié)調(diào)中提高保護面積總量，在耦合協(xié)調(diào)中舒緩生態(tài)保護壓力，說明本次生態(tài)安全格局構(gòu)建優(yōu)化結(jié)果易于與城市規(guī)劃相適應(yīng)。其次，多情景模擬面向不同區(qū)域、不同決策者的多種目標(biāo)與需求，因此，不同區(qū)域的發(fā)展模式必須與區(qū)域特定的發(fā)展目標(biāo)以及需求相匹配。本研究基于多情景協(xié)調(diào)，結(jié)合梯度分析對三生空間功能水平變化的研究，提出“生態(tài)優(yōu)先、優(yōu)先發(fā)展、融合發(fā)展”3種情景，以滿足決策者的主觀目的。若區(qū)域以城鎮(zhèn)發(fā)展為目標(biāo)，側(cè)重生活水平的提高，則 “優(yōu)先發(fā)展”情景為最佳選擇，該情景在保障城鎮(zhèn)基本生態(tài)環(huán)境保護的同時，更利于城鎮(zhèn)發(fā)展建設(shè)；若區(qū)域三生空間水平均為穩(wěn)定均衡，則“融合發(fā)展”情景為最佳選擇，更適合維持資源配置的動態(tài)平衡；若區(qū)域以生態(tài)功能凸顯為目標(biāo)，選擇“生態(tài)優(yōu)先”情景，有助于生態(tài)資源稟賦的提升。

目前，三生耦合優(yōu)化研究尚處于初步階段，仍存在局限性，一方面，三生空間分類體系尚未統(tǒng)一，還需與研究目的相結(jié)合確定合理體系；另一方面，多情景耦合中，最優(yōu)方案的選擇方式仍以半定量為主。因此，如何確定統(tǒng)一的三生分類體系，定量化篩選耦合協(xié)調(diào)的最優(yōu)方案，完善三生耦合優(yōu)化框架，尚需進一步研究。

4 結(jié) 論

1)揚州市各區(qū)縣耕地自然等級均值為5.92～6.06，連片性均值水平處于0.91～63.16 km2，耕地侵占風(fēng)險均值為0.71～1.41，對生態(tài)空間具有一定的緩沖保護作用。到2030年，城鎮(zhèn)將新增建設(shè)用地354.11 km2，占全域面積的5.34%，其中水域和耕地是主要轉(zhuǎn)化地類，自然生境將趨于破碎，景觀連通度存在降低風(fēng)險。

2)基于環(huán)形梯度規(guī)律分析，進行分區(qū)情景沖突協(xié)調(diào)，為生態(tài)安全格局優(yōu)化提供有力支撐，優(yōu)化后生態(tài)格局用地面積共計2 444.63 km2，占全域的36.85%。揚州市生態(tài)安全格局由底線功能用地、緩沖功能用地、連通功能用地組成，占全域面積比分別為23.16%、12.01%和1.68%。

3)應(yīng)從景觀組分與生態(tài)網(wǎng)絡(luò)、生態(tài)安全格局、三生空間協(xié)同對揚州市生態(tài)空間進行多層級、系統(tǒng)化的綜合管護；應(yīng)依據(jù)生態(tài)服務(wù)功能、生態(tài)敏感性、景觀連通性等差異，對源地和廊道進行分級管理，把握三生空間時空演化規(guī)律及驅(qū)動機制，提高生態(tài)安全格局管控的預(yù)見性和可持續(xù)性。