基于生态安全的宁波四明山区景观格局调控

尹昌霞，马仁锋，费佳宁

（1. 宝略科技（浙江）有限公司，浙江·宁波 315194；2. 宁波大学地理与空间信息技术系，浙江·宁波 315211）

“生态用地”一词最早由董雅文等人提出，定位为具有生态防护功能的空间要素[1]。现阶段将其归纳为基础性生态用地（全局土地覆盖类型中的林地、草地等）和保全性生态用地（盐碱地、裸土地等）[2]。生态用地是生态系统的重要组成部分，既能发挥保持水土、净化环境等生态功能，还能创造社会经济价值[3]。然而，快速的城市化、工业化促进城乡建设规模的无序扩张，衍生出土地无限需求与生态用地有限供给之间的矛盾，进一步制约区域可持续发展[4]。

生态安全作为保障国家安全的前提和载体，反映于生态用地的优化布局中，多立足于国家安全和“反规划”视角，以实现区域可持续发展为目标[5]。由此，探索生态安全格局的景观布局战略逐渐成为地理学、城乡规划学与景观生态学的研究热点。基于土地主体服务功能视角，研究集中评测时空序列的区域生态风险和生态脆弱性。如：从景观结构变异度视角评价流域和经济发达地区的生态风险分异程度[6-7]；抑或从多时相自然条件的基质承载力、综合自然环境承载力和人类活动干扰度乃至从自然条件基础状态和社会经济的环境压力及响应等维度分别评价自然灾区、高寒区和水库区的生态脆弱性[8-10]。随着研究向生态安全评测聚焦，形成了从自然环境效应、综合自然和社会经济的生态效应等角度的市际、县际生态安全评测研究[11-13]。近期研究则以生态系统的重要性、人类活动引起的生态敏感性构建指标体系，着重于探索生态安全空间的生态用地规划与部署[14]，却难以度量社会经济指标的空间趋势。伴随土地利用规划从土地经济型向环境友好型过渡，探索由多元因素影响的生态安全程度和受生态安全格局约束的景观规划战略成为必然。文中择取宁波四明山区这一典型样区，引入200 m×200 m网格度量社会经济指标的空间趋势，利用空间主成分分析法、最小阻力模型，从生态重要性、生态敏感性、社会经济抑制性多层面测度生态安全趋势和识别生态源地的空间廊道，审度基于区域生态安全格局的土地利用优化布局与策略，期望为环境友好型土地利用规划提供科学决策方法和理论依据。

1 生态安全评价指标体系构建

1.1 研究区概况

宁波四明山区地处宁波市中段的西部（图1），研究区范围涉及海曙区、奉化区和余姚市的13个乡镇。四明山区拥有充裕的生态用地资源，境内生态用地面积逾1.09×105hm2，约占区域面积的77.47%。其中以林地、水域为主的基础性生态用地面积占区域面积的比例为77.35%，广泛地布局于研究区的中部与南部；其余为127.43 hm2的保全性生态用地，零星地布局于各个乡镇，面积占比仅为0.12%。研究区高程约960 m，拥有山地、丘陵等地貌。区域内经济产业以高山特色农业主导，辅以发展特色工业与旅游业。四明山区是重要生态用地区，农业经济较为发达，又地处宁波城乡建设扩张边缘，近年其生态用地供给与土地无限需求的矛盾愈发尖锐，故迫切需要探究生态安全格局的景观规划策略。

图1 研究区区位及土地利用/覆盖现状Fig.1 The location and land use/cover of study area

1.2 指标遴选逻辑及其测量方法

生态重要性。生态系统服务综合概述人类在生态系统中直接或间接的受益情况，囊括生态进程中为人类提供的环境、物质等福祉，此类福祉均被视为生态安全评价的关节点[3]，表现为生态系统服务的重要性特质。拥有充裕的林木、水域等资源的四明山区呈现低山丘陵或山地地貌，以黄壤、红壤为主，年降水量超过800 mm，进而孕育了独具特色的生态系统。据其地貌、土壤和降水等自然禀赋优势，从地形指数、水源涵养、土壤保持、植被覆盖度层面刻画其生态系统服务性的重要性。

生态敏感性。生态敏感性综合反映生态系统发生生态环境破坏的频度和程度。受自然灾害侵蚀、嵌入式景观结构侵扰的生态系统，呈现出生态系统服务功能的削弱，即为生态系统敏感性。四明山区降水富足，但以红壤、黄壤为主的土壤易受侵蚀，使得研究区易发生滑坡、泥石流等地质灾害；随着城乡建设扩张，地表景观的结构也呈现嵌入式变异。因此，主要从地质灾害、地质承载力、土地破碎度层面考量生态系统敏感性。

社会经济抑制性。反映社会经济发展程度对生态环境的胁迫程度。处于经济增速的社会经济状态下，社会经济发展与生态系统服务关系由依赖性向胁迫性发展[15]。位于中国东南沿海经济发达区，人口稠密，游憩业繁荣，适合发展休闲度假、农家体验和红色旅游等系列产业，此类日益剧烈的社会经济活动必然会威胁区域的生态安全。于此，摘取人类活动强度、经济密度、人口密度等指标测度社会经济形态对生态系统的抑制程度。经上述要素分析，完成四明山区生态安全评价体系的构建（表1）。

1.3 数据源

四明山区的第二次土地利用调查数据库由宁波市海曙区、奉化区、余姚市国土部门提供，是本研究的核心基础数据。从美国地质调查局（USGS）获取研究区2015年5月的TM影像、DEM数据；地质灾害分布与易发区图、年降水等值线图、年等深线图、季度降水等值线图分别源于《2016年宁波市地质灾害防治方案》、《2015年宁波市水资源公报》；社会经济类指标主要查询《奉化统计年鉴（2016年）》、《鄞州年鉴（2016年）》（据宁波市区划调整前的权属范畴进行查询）、《余姚统计年鉴（2016年）》，部分数据根据地方市志、地方区志、年度公报等资料进行综合核算。

表1 区域生态安全评价指标体系Table 1 Evaluation index system of regional ecological security

2 指标处理与生态安全评价方法

鉴于自然条件和社会经济类指标的统计形式存在异质性，前者为栅格数据，后者为乡镇统计数据，在空间叠加分析中难以体现后者代表的空间趋势，采用 的矢量网格（取近似于平均斑块面积的整百、整千等值）计量社会经济形态于相关景观格局的分布趋势，制成栅格数据。为统一栅格数据的处理标准，主要采用自然断点分级法、唯一值法对栅格数据进行分级处理（表2）。随着安全等级递增，寓意各指标的安全水平从不安全、低度安全、中等安全向高度安全转变。

表2 指标赋值区间Table 2 Index assignment interval

空间主成分分析法属多元统计分析法，可以有效消除指标间的量纲差异及空间信息缺失的干扰[21]，故文中选用空间主成分分析法测度研究区的生态安全度。据生态安全评价指标体系和指标赋值区间，利用ArcGIS10.2的空间分析工具计量各指标的空间分布态势，即形成三维矩阵。将研究区内各指标空间值域进行线性转换，提取累计贡献率大于等于85%的K个主成分，可得矩阵最优解。其中Wn为第n个主成分的空间贡献率，λ为某主成分。然后运用式（2）核算各主成分值Fi，式中Pij是第i栅格评价单元第 评价指标的系数。最后，运用式（3）测度各栅格评价单元的生态安全指数ESIi。

在构建景观生态安全格局中，常运用最小累积阻力模型[22]，分析生态用地中源地向外部空间扩张的阻碍程度，并借鉴水文分析理念，辨识生态阻力面的生态廊道[23]。主要模型如式（4）所示，式中MCR是从生态用地的源j扩展到空间景观i的最小累积阻力，Dij表示目标生态源地j与空间景观i间的距离，Ri表示目标生态源地j与空间景观的扩展阻力系数，f表征MCR与各目标生态源地扩展进程的正相关关系。

3 生态安全评价结果

将重分类指标导入ArcGIS10.2，运用空间分析中空间主成分分析法进行空间分析（表3），以累计贡献率大于85%为前提条件，提取到6个主成分值及主成分贡献率；运用栅格计算器度量研究区的生态安全指数（图2a），其结果均用自然断点分级法进行4级划分。

表3 主成分的特征值和方差贡献率Table 3 Eigenvalue and variance contribution rate of principal components

3.1 四明山区生态安全驱动因子

据空间主成分分析法输出的载荷表可知：第一主成分反映以经济密度为主的经济强度，其贡献率达26.29%，是区域生态安全的主要影响因子；第二主成分是由地形指数、人类活动强度表征的地貌变异度，贡献率为21.70%；第三主成分为农药负荷量、降水侵蚀表征的环境侵蚀度，贡献率为15.27%；第四主成分为植被覆盖度反映的环境优势度，贡献率占9.19%；第五主成分、第六主成份分别是由水源涵养导向的水资源保持度、土地破碎度表征的景观分离度，贡献率分别为8.25%、6.09%。

3.2 四明山区生态安全格局和土地生态安全结构

四明山区的生态安全等级大体呈现中部、南部多为中度安全乃至高度安全，北部、东部和西北部为低度安全、不安全的空间格局，表明该区域的生态系统大体较安全（图2a、表4）。处于中等安全水平以上的区域面积达到9.74×104hm2，占比达69.41%。其中30.59%的高度安全区域主要占据四明山镇、章水镇、龙观乡大部和溪口镇西部地区，形成南部核心组团；中度安全区域的分布范围最广，其占研究区总面积的35.43%，除涉及溪口镇东部地区外，还集中分布于鹿亭乡大部、陆埠镇和梨洲街道的南部以及横街镇的西部地区，形成中心组团。处于低度安全和不安全等级的区域面积分别为2.78×104hm2、1.99×104hm2，占比总和为33.98%，主要分布于研究区北部、东部和西北部的大部地区，呈现倒U型布局形态。

表4 生态安全等级及面积占比Table 4 Ecological security level division and the area ratio

按土地利用现状分类的一级类别分析各类用地的生态安全结构（图3）。随着生态安全等级的递增，研究区的土地利用性质主要呈现由住宅用地、交通运输用地等城乡建设服务型向园地、林地等生态服务性承接的特征。高度、中度安全区域中，园地、林地、草地和其他土地占据主体地位，综合占比均超过65%，呈现生态用地的生态服务功能；低度乃至不安全区域中，除耕地面积占据57.29%的比例，住宅用地、交通运输用地、公共管理与公共服务用地和工矿仓储用地占主导地位，综合占比均逾80%，凸显城乡建设、耕地等非生态用地的生态胁迫性。此外，属于生态用地类型的水域及水利设施用地占据76.61%的比例，较大程度地呈现低度安全和不安全水平，其极可能受到环境侵蚀或人类活动干扰。

图2 四明山区生态安全和生态廊道分级Fig.2 Ecological safety and ecological corridor grading in Siming mountain

3.3 生态安全格局优化

将保障生态安全视为土地利用优化的前提，以构建生态景观作为切入点，依据生态安全指数的空间趋势辨识生态源的扩散阻力面及区域生态廊道。将高度安全且为生态用地的地区作为生态源地，建立生态源地于生态安全空间趋势的最小累积阻力面，以之呈现生态源地散布服务功能的受阻趋势。在此基础上，借助水文分析工具，以汇流累计量为廊道分级依据，分析生态源地到其他空间的扩散路径及生态节点（图2b）。

生态阻力面的累计阻力大致呈现由南部向北递增趋势，表征其生态源地服务功能呈现由南部向北部逐步削弱的态势（图2b）。其中四明山镇、溪口镇、章水镇和龙观乡的受阻程度最低，其余乡镇则反之。生态廊道、生态关节点主要布局于四明山镇、溪口镇、章水镇和龙观乡，表明其乡镇之间存在较强的生态联系。廊道布局中，一级、二级廊道贯通四明山镇、章水镇两镇，连接着向北部乡镇延伸的三级、四级廊道，表明生态源地具有较显著的生态服务功能发散性；处于蓄力扩散阶段的溪口镇亦有多条三级、四级廊道出现。

4 结论与讨论

4.1 结论

研究显示：（1）受经济强度、地貌变异度、环境优势度、环境侵蚀度、水资源保持度和景观分离度这六个主因子的约束，研究区的生态系统大体呈现中度乃至高度安全状态。（2）区域生态安全指数的空间格局则大体呈现南中北式递减的分异特征，主要形成了南部高度安全区、中部中度安全区及北部倒U型非安全区的分异格局。（3）生态安全等级的地类结构中，除水域及水利设施用地外，林地、园地等生态用地呈现较强的生态服务功能，耕地和住宅、交通运输等城乡建设用地呈现出生态胁迫性。此外，生态阻力面趋势几近于生态安全趋势。

图3 各土地利用类型的生态安全结构Fig.3 The structure of different land use type in ecological security area

综合生态安全指数分布趋势，构建研究区的生态景观（图4）：（1）主要采取不同生态安全等级的差异化管制的措施，分别将南部高度安全区建立为禁止建设区、中部中度安全区设置为限制建设区以及北部倒U型非安全区建立成适宜建设区。（2）以最小耗散路径寻求最佳生态效应，主要将生态源地划定为重点生态保护区，构建发迹于溪口镇、四明山镇、章水镇的主要生态廊道及向北部乡镇延伸次要廊道，并在章水镇西南部、中部、东北部的主要廊道与次要廊道连接处布置生态关节点，将有助于最大化发挥生态服务功能和强化地区间的生态联系。

图4 四明山区生态安全格局的景观规划Fig.4 The landscape planning of ecological safety pattern in Siming Mountain

4.2 讨论

研究采用矢量网格离散乡镇级社会经济指标，形成与自然条件指标相匹配的单元。将ArcGIS10.2中空间分析工具的空间主成分分析法应用于生态安全评价中，可以有效消除量纲差异的干扰，避免人工赋权主观性的弊端，甚至排除了空间信息空白的干预。研究结果显示：四明山区生态安全受到经济强度、地貌变异度和环境优势度等影响，呈现出南中北逐步减弱的趋势，其空间分布及驱动因子均与实际情况相符；土地利用类型的生态安全结构中，生态型用地和非生态用地均体现较强的服务分异性，与已有研究中生态用地的界定大体相符。

生态安全格局的景观构建中，结合生态安全评价结果，划定以四明山镇、溪口镇河章水镇为主的重点生态保护区，充分发挥区域生态服务功能；加之建立联系南北乡镇的生态廊道和节点，进一步提升生态服务质量。因此，生态景观布局科学地考虑了研究区生态系统的优势和服务走向。除却研究土地利用规划中生态安全格局的管制分区、生态景观优化，还可研究多时相的生态安全格局或景观优化布局，以实现生态安全动态过程的全局土地优化调控及寻求生态廊道建设的最佳策略。