基于GIS的国家重点生态功能区生态空间识别研究——以湖北长阳县为例

潘方杰，王宏志，宋明洁，陈 安，王璐瑶

(1.武汉工程大学管理学院，武汉 430025；2.地理过程分析与模拟湖北省重点实验室，华中师范大学城市与环境科学学院,武汉 430079；3.华中师范大学公共管理学院，武汉 430079；4.宜昌市环境保护研究所，湖北 宜昌 443000)

国土空间是生态文明建设的重要载体.近年来，伴随着城镇化、工业化进程的加速推进，我国在经济社会发展中取得巨大成就的同时，资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化的形势越来越严峻，其态势已经严重制约着经济的稳定增长和社会的可持续发展[1-2].这些问题的存在势必会影响资源的有效利用、加剧地方经济社会发展与生态保护之间的矛盾，对我国实现新常态下经济发展速度维持在7%左右的目标会形成一定的阻力.面对不断加剧的环境污染和生态破坏威胁，为了更好地保护我国生态环境、处理好开发与保护的关系，我国提出了划定生态保护红线的国家重要战略任务，生态空间识别及生态保护红线的划分备受瞩目[3-4].生态空间是以提供生态服务或生态产品为主体功能的国土空间范围，其数量规模和空间格局很大程度上能够对区域国土空间生态安全产生重要影响[5].生态空间科学合理识别能够为现阶段生态保护红线划分与优化调整以及生态空间分类管控提供依据，也是现阶段生态保护和生态文明建设的重要任务[6].

近年来众多学者对生态空间及其识别进行了大量相关研究，主要集中在以下几个方面：以城市、生态经济区、河流流域为研究对象进行生态空间划定或识别研究[7-9]，但以国家重点生态功能区为对象的生态空间识别研究尚未出现；研究尺度呈现出多样化，既有针对大尺度地区如国家尺度、省域尺度、流域尺度、城市群尺度(京津冀地区、长株潭城市群)等的生态空间识别研究[5，9-12]，又有关于中小尺度地区如市域尺度、乡镇尺度等的生态空间划定探讨[7，13-14]，而关于县域尺度生态空间识别的研究相对比较缺乏[15]；从研究方法来看，从最初以定性分析为主的清单法，逐渐过渡到以定量分析为主的叠置分析法划定生态空间范围，并不断尝试新的模型与方法进行生态空间预测和识别[5，16-17]，而基于生态功能重要性和生态敏感性评价的生态空间识别方法的研究相对不足[13].因此，本研究以国家重点生态功能区中三峡库区水土保持生态功能区——长阳土家族自治县为案例区，以RS和GIS为技术手段，基于生态系统服务功能重要性和生态敏感性评价方法，因地制宜地选取了评价指标，进行县域单元微观尺度的生态空间识别研究，并简要提出了分区分级的生态空间管控思路，以期为区域生态保护红线的划定与优化调整以及国土空间规划提供一定的参考和借鉴.

1 研究区概况

长阳土家族自治县(110°22′E～111°21′E，30°12′N～30°46′N)(简称“长阳县”)位于鄂西南武陵山区、清江中下游，属宜昌“1+5”都市区规划和半小时经济圈范畴；全县国土总面积约3 420 km2，辖8镇3乡、154个行政村和8个社区，总人口约40万，县政府驻龙舟坪镇；2017年全县完成地区生产总值135.34亿元，三次产业结构为30.53∶28.55∶40.92.县域境内群山巍峨，沟壑交错，除清江及其支流的河谷地带有局部平原外，其余均在海拔600～2 300 m之间，素有“八山半水一分半田”之称(图1).长阳县土壤为近代河流冲积物，第四纪粘土沉积物，泥质岩类风化残、坡积物等多种成土母质类型，全县共涉及7个土类、16个亚类、43个土种；土类包括黄壤、黄棕壤、棕壤三个地带性土类，石灰土、紫色土两个岩层土类，潮土、水稻土两个人工熟化土类.长阳县矿产资源丰富，已探明矿产地70余处，矿种30余种，占湖北省发现矿种的57%.长阳县境内植物资源十分丰富，自然植被以森林为主，从河谷到高山植被分布具有明显的垂直分带性，大致可分为亚热带和温带两种植被类型.长阳县属于国家重点生态功能区三峡库区水土保持生态功能区，生态功能地位极其重要，生态空间保护格局初步形成，现阶段已建成国家级自然保护区1个，省级自然保护小区1个，市级和县级自然保护区各1个，总面积约258.40 km2，占县域面积的7.50%.

图1 研究区行政区范围及DEMFig.1 The administrative area and DEM of study area

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

长阳县DEM数据从地理空间数据云网站(http://www.gscloud.cn)下载；长阳县年均降雨量数据、年均气温数据、NDVI(归一化植被指数)数据和NPP(生态系统净初级生产力)数据等来自中国科学院资源环境科学数据中心；长阳县行政区划图、土壤类型图、第二次土地利用调查更新数据(2017年)等矢量数据来源于长阳县自然资源和规划局；长阳县集中式饮用水水源地数据、各类自然保护地数据(国家级森林公园、地质公园、湿地公园，省级自然保护区、风景名胜区等)来源于长阳县生态环境局；长阳县林业保护规划、省级及以上生态公益林等数据来源于宜昌市林业和园林局.以上所有数据均在ArcGIS10.3软件中进行整理和预处理，参与运算的空间数据均统一至250 m×250 m栅格作为基本评价单元，坐标统一到Xian 1980 3 Degree GK Zone 37投影坐标系统.

2.2 研究方法

2.2.1 生态系统服务功能重要性评估 本研究借助于GIS技术手段，在参考已有研究基础上[13，18]，分别选取研究区域较为重要的4个类型生态系统服务功能，进行生态系统服务功能重要性评价，计算公式如下[4]．

1) 水源涵养功能重要性：WR=NPPmean×Fsic×Fpre×(1-Fslo)，式中，WR为水源涵养服务能力指数，NPPmean为多年净初级生产力均值，Fsic为土壤渗流能力因子，Fpre为多年平均降雨量归一化值，Fslo为坡度归一化值.

2)土壤保持功能重要性：Spro=NPPmean×(1-K)×(1-Fslo)，式中，Spro为水土保持服务能力指数，K为土壤可蚀性因子，NPPmean和Fslo含义同上.3)生物多样性维护功能重要性：Sbio=NPPmean×Fpre×Ftem×(1-Falt)，式中，Sbio为生物多样性保护服务能力指数，Ftem为多年平均气温归一化值，Falt为海拔归一化值，NPPmean和Fpre含义同上.

4)洪水调蓄功能重要性.洪水调蓄功能重要性指数Q=max(河流缓冲区距离，湖库洪水调蓄量，洪水调蓄等级，洪水淹没区范围).在借鉴前人研究的基础上[10，19]，通过选取能够最大程度表征区域洪水调蓄能力的评价指标，制定了洪水调蓄功能重要性评价因子及分级标准(表1).

表1 洪水调蓄功能重要性评价因子及分级标准Tab.1 Evaluation factors and classification criteria of flood regulation

5)生态系统服务功能重要性综合评估.本研究采用生态功能重要性综合指数进行重要性综合评估，公式如下[20-21]：

式中，EFIj为j空间单元生态功能重要性综合指数；Cij为第i类因子j空间单元生态功能重要性等级值；Wi为第i类因子权重值；n为研究区域所选择的评价因子个数.

2.2.2 生态敏感性评估

1)水土流失敏感性.本研究以通用水土流失方程为理论基础，将反应各因子对水土流失敏感性的图层数据相乘进行评估，公式如下[21-22]：

式中，SSj为水土流失敏感性指数，Rj为降水侵蚀力敏感性等级，Kj为土壤可蚀性敏感性等级，LSj为坡度坡长敏感性等级，Cj为地表植被覆盖敏感性等级.

2)地质灾害敏感性.本研究通过构建地质灾害敏感性指数进行地质灾害敏感性评价，公式如下[14，23]：

式中，GSj为第j个空间单元的地质灾害敏感性指数；Gij为第j个空间单元第i个评价因子的敏感性等级赋值；n为研究区域所选择的评价因子个数.

3)生境敏感性评价.生境敏感性是区域生态敏感性研究的重要组成部分，本研究通过采用生境敏感性指数进行生境敏感性评价，公式如下[23-24]：

式中，ESj为j空间单元生境敏感性指数；Fij为第i类因子j空间单元生境敏感性等级值；Wi为第i类因子权重值；n为所选择的评价因子个数.

4)生态敏感性综合评估.在单因子评估基础上，本研究采用生态敏感性综合指数进行敏感性综合评估，公式如下[18，25]：

式中，SIj为j空间单元生态敏感性综合指数；Sij为第i类因子j空间单元生态敏感性等级值，Wi为第i类因子权重值，n为研究区域所选择的评价因子个数.本文在借鉴前人研究的基础上[8，14，21]，分别综合已有研究成果中各因子对水土流失、地质灾害和生境的影响程度及其敏感性，并征询专家意见，结合当地实际制定了长阳县生态敏感性各评价因子指标体系及分级标准(表2).

表2 生态敏感性各评价因子指标体系及分级标准Tab.2 Evaluation factors and classification criteria of ecological sensitivity

2.2.3 生态空间综合识别方法

本研究根据生态功能重要性和生态敏感性评价结果划分等级，通过构建综合生态用地指数，采用析取算法进行生态空间综合识别，计算公式如下[8]：

EFSIj=Max(EFIj，SIj，…)，

式中，EFSIj为综合生态用地指数；EFIj为生态系统服务功能重要性综合评价等级；SIj为生态环境敏感性综合评价等级.

3 结果与分析

3.1 生态系统服务功能重要性评价结果

本研究利用ArcGIS 10.3软件中栅格计算器(raster calculator)工具，对各单因子功能重要性进行评价，得到长阳县各单因子评价结果.而单因子评价结果仅仅反映了某一类型因子的作用过程，要综合辨识出区域生态功能重要性程度，则需要在对各因子权重确定的基础上对生态功能重要性进行综合评估，即采用层次分析法对水源涵养、土壤保持、生物多样性维护和洪水调蓄进行权重赋值，计算得到4项因子的权重分别为0.18、0.40、0.32和0.10，并且通过了一致性检验，然后将各因子栅格图层进行加权叠加分析，进而得到生态系统服务功能重要性综合评价结果，并采用自然断点法(Jenks)对评价结果进行划分，定量揭示长阳县生态系统服务功能重要性程度及其空间分布规律(详见图2和表3).

水源涵养功能重要性评价结果显示，极重要、高度重要、中等重要和一般重要四个等级面积分别为686.83 km2、1 047.55 km2、1 319.48 km2和336.07 km2，分别占长阳县总面积的20.08%、30.63%、38.58%和10.70%，高度重要区面积最大，而一般重要区面积最小；其中极重要区呈明显的块状分布，龙舟坪镇面积最大，榔坪镇面积次之，资丘镇和高家堰镇面积也较大，而火烧坪乡面积最小.土壤保持功能重要性评价结果显示，四个重要性等级面积分别为366.31 km2、777.81 km2、1 163.75 km2和1 112.06 km2，分别占长阳县总面积的10.71%、22.74%、34.03%和32.52%，中等重要区面积最大，而极重要区面积最小，同时极重要区分布相对比较零散，主要分布于鸭子口乡、资丘镇、榔坪镇等地区.生物多样性维护功能重要性评价结果显示，四个重要性等级区面积分别为412.34 km2、802.22 km2、1 162.38 km2和1 043.00 km2，分别占长阳县总面积的12.06%、23.46%、33.99%和30.50%，中等重要区面积最大，而极重要区面积最小；其中极重要区主要分布在县域南部的都镇湾镇、渔峡口镇和资丘镇，三者合计占极重要区总面积的75.56%，构成了生物多样性维护功能极重要区分布的主体区域.洪水调蓄功能重要性评价结果显示，四个重要性等级区面积分别为144.11 km2、41.20 km2、79.15 km2和3 155.48 km2，分别占长阳县总面积的4.21%、1.20%、2.32%和92.27%，一般重要区面积最大，占绝对主体地位，其次为极重要区，高度重要区面积最小；其中洪水调蓄功能极重要区主要分布在清江河道及其支流，隔河岩水库和招徕河电站水库面积及库容较大，对于该区域洪水调蓄功能极为重要，而湖泊、坑塘由于面积较小，洪水调蓄能力相对有限.生态功能重要性综合评价结果显示，四个等级面积分别为427.31 km2、1 029.38 km2、1 213.00 km2和750.25 km2，分别占长阳县总面积的12.49%、30.10%、35.47%和21.94%；中等重要区面积最大，成片状分布于县域西北部和东南部；而极重要区面积最小，呈块状集中分布于县域南部和中部.

图2 长阳县生态系统服务功能重要性评价结果空间分布图Fig.2 Spatial distribution of the evaluation results of the importance of ecological function in Changyang County

表3 长阳县生态系统服务功能重要性评价结果统计表Tab.3 Results of the evaluation of ecological function importance in Changyang County

3.2 生态敏感性评价结果

生态敏感性评价实质是对现状自然环境背景下潜在的生态问题进行明确的辨识，并将其落实到具体的空间区域，已经发展成为确定重点生态建设与保育区域的重要手段[26].本研究通过选取研究区域较为典型的水土流失、地质灾害和生境敏感性3个类型生态敏感性因子，根据各单因子评估模型，采用ArcGIS 10.3软件中栅格计算器(raster calculator)工具，进行生态敏感性单因子评价；进一步采用层次分析法计算得到3项因子的权重分别为0.43、0.39和0.18，并且通过了一致性检验；根据敏感性综合评估模型进行单因子栅格图层加权叠加分析，得到生态敏感性综合评价结果，并采用自然断裂点法将综合评价结果划分为极敏感、高度敏感、中等敏感和一般敏感四个等级，定量揭示长阳县生态敏感性程度及其空间分布规律(详见图3和表4).

图3 长阳县生态敏感性评价结果空间分布图Fig.3 Spatial distribution of the evaluation results of ecological sensitivity in Changyang County

水土流失敏感性是表征在人类活动强度或外力作用下生态系统出现水土流失问题的概率大小，其评价结果显示，极敏感、高度敏感、中等敏感和一般敏感四个等级面积分别为150.38 km2、951.63 km2、537.48 km2和1 780.44 km2，分别占长阳县总面积的4.40%、27.83%、15.72%和52.06%，一般敏感区面积最大，高度敏感区面积次之，而极敏感区面积最小；其中极敏感区呈条带状分布在渔峡口镇东北部、资丘镇北部和火烧坪乡西北部，榔坪镇和贺家坪镇北部呈块状分布，而高度敏感区呈块状分布于各乡镇.地质灾害敏感性是指区域生态系统在外部条件影响下发生地质灾害的可能性大小，其评价结果显示，四个等级面积分别为287.12 km2、1 290.38 km2、1 337.56 km2和504.88 km2，分别占长阳县总面积的8.40%、37.73%、39.11%和14.76%，中等敏感区面积最大，而极敏感区面积最小；其中极敏感区呈点状或条带状分布，空间集聚特征明显，主要分布于榔坪镇、贺家坪镇和都镇湾镇，受地形、地质构造、降雨等自然因素以及经济工程活动在内的人为因素影响，这些地区易发生地面塌陷、崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害.生境敏感性通常是指重要物种的栖息地对人类活动的敏感程度，其评价结果显示，四个等级面积分别为1 304.81 km2、1 105.94 km2、401.87 km2和607.31 km2，分别占长阳县总面积的38.15%、32.34%、11.75%和17.76%，极敏感区面积最大，高度敏感区面积次之，二者合计占长阳县总面积的70.49%；其中极敏感区呈块状或带状分布，总体上与各类型自然保护地空间分布态势相一致，高度敏感区呈片状集中分布于县域北部的榔坪镇、贺家坪镇和南部的都镇湾镇，中等敏感区和一般敏感区在县域东北部和东南部呈集中分布趋势.生态敏感性综合评价结果显示，四个等级面积分别为618.44 km2、847.13 km2、1262.81 km2和691.56 km2，分别占长阳县总面积的18.08%、24.77%、36.93%和20.22%，中等敏感区面积最大，而极敏感区面积最小；极敏感区主要分布在县域南部的资丘镇、都镇湾镇和西北部的榔坪镇，高度敏感区主要分布在县域北部的榔坪镇、贺家坪镇和南部的都镇湾镇，而一般敏感区集中分布趋势较为明显，县域东部的龙舟坪镇、磨市镇和大堰乡是其主要分布区域.

表4 长阳县生态敏感性评价结果统计表Tab.4 Results of the evaluation of ecological sensitivity in Changyang County

3.3 生态空间识别结果

本研究采用已构建的生态空间综合识别方法，计算得到长阳县综合生态用地指数，根据计算结果将全域划分为底线型生态空间、危机型生态空间、缓冲型生态空间和非生态空间4种类型，得到长阳县不同类型生态空间分布范围及统计结果(详见图4和表5).长阳县底线型生态空间面积为1 406.79 km2，占研究区总面积的41.14%，呈集中连片性分布，相对较为集中，主要分布在县域中部和南部的渔峡口镇、资丘镇、都镇湾镇和鸭子口乡；危机型生态空间面积为862.59 km2，占研究区总面积的25.22%，其分布较为零散，底线型生态空间周边范围是其主要分布区，各乡镇均有不同程度分布，县域北部的榔坪镇、贺家坪镇和高家堰镇面积相对较大；缓冲型生态空间面积为762.83 km2，占研究区总面积的22.31%，属于生态功能中等重要和生态环境中等敏感区，大堰乡、贺家坪镇和榔坪镇是其主要分布区；而非生态空间面积为387.72 km2，占研究区总面积的11.34%，集中分布于县域东部的龙舟坪镇和磨市镇，同时火烧坪乡面积也较大.综上可见，作为国家重点生态功能区的长阳县生态空间面积占绝对主体地位，生态空间共计占研究区总面积的88.66%，一定程度上表明研究区域生态环境本底状况较好，为生态空间合理有效管控提供了前提和基础.

生态空间识别基础上的各类型生态空间合理管控是解决区域生态环境问题的一种有效手段，能够从根本上为改善区域生态环境质量提供强有力保障，对于促进区域生态环境保护与经济增长共荣发展具有重要现实意义.因此，本研究在长阳县生态空间识别基础上简明扼要提出了分区分级管控生态空间的思路与措施.底线型生态空间是维护区域生态安全和景观格局完整性所需的核心区，该区域生态功能极重要、生态环境极敏感，人类开发活动对其影响反应极为剧烈，应加强生态环境保护和生态基础设施建设，保持生态平衡，确保底线型生态空间生态功能不降低、面积不减少、性质不改变，原则上按照禁止开发区要求进行管控，严禁不符合主体功能定位的各类开发活动.危机型生态空间生态重要性和敏感性仅次于底线型生态空间，主要分布于底线型生态空间周边范围，应严格控制大规模、高强度的人类开发活动.缓冲型生态空间属于生态功能中等重要和生态环境中等敏感区，虽然该区域生态功能重要性和敏感性程度不及底线型和危机型生态空间，但对于研究区域整体生态功能提升也发挥着不可忽视的重要作用，应坚持“点状开发、面上保护”，限制大规模高强度开发的同时，允许必要的小城镇建设和特色产业发展，实行更加严格的环境准入，加强生态治理和修复.非生态空间主要包括经评价识别出的生态功能一般重要和生态环境一般敏感区，整体上属于适宜生产生活的区域，区域内严格执行环境保护各项法规和标准要求，实施国土资源高效集约开发.

图4 长阳县不同类型生态空间分布范围Fig.4 Thescope of different ecological space in Changyang County

表5 长阳县生态空间识别结果Tab.5 Identification results of ecological space in Changyang County

3.4 不同类型生态空间土地利用现状分析

本研究利用ArcGIS10.3软件，将长阳县生态空间栅格识别结果转换为矢量数据格式，进一步与长阳县2017年土地利用现状矢量数据进行叠置分析，分别统计出底线型、危机型、缓冲型和非生态空间范围内现状土地利用类型分布情况(详见表6).可见底线型生态空间中林地、草地、水域湿地和其他土地是该区域主要生态用地类型，生态用地类型总面积为1 147.49 km2，占底线型生态空间总面积的81.59%，而建设用地面积为26.08 km2，仅占1.85%；危机型生态空间中各类型生态用地总面积为666.58 km2，占该类型区总面积的77.28%，而耕地和建设用地两种人类活动剧烈的非生态用地面积分别为158.61 km2和18.41 km2，所占比例分别为18.39%和2.13%；缓冲型生态空间中生态用地总面积为560.50 km2，占该类型区总面积的73.58%，耕地和建设用地面积分别为162.02 km2和21.62 km2，所占比例分别为21.27%和2.84%.综上可见，生态功能重要性和生态敏感性评价是生态空间划分的必要前提与基础，通过在评价所识别的不同类型生态空间范围内，不可避免存在少量的建设用地和一定数量的耕地等人类开发利用活动剧烈的非生态用地类型，既在一定程度上对于切实维护区域生态安全难以起到积极作用，也不利于维护底线型和危机型等重要生态空间的稳定性.因此，为进一步提高生态空间划分结果的准确性和实际可操作性，在生态空间初步识别的基础上需要结合更高精度土地利用现状调查数据以及体现区域社会经济发展合理诉求的各类规划数据不断进行优化与调整，确保识别结果的科学性与合理性，为现阶段生态保护红线划分与优化调整以及生态空间分类管控提供科学的依据.

表6 不同类型生态空间土地利用现状类型统计表Tab.6 The results of current land use types in ecological space

4 结论与讨论

4.1 结论

国家重点生态功能区县域生态空间识别对于进一步加强县域范围内生态系统服务功能极重要区、生态极敏感区等的认识具有重要意义，以便将其纳入统一的空间范围，实现一体化管控.本研究探索以国家重点生态功能区中三峡库区水土保持生态功能区——长阳土家族自治县为案例区，借助于RS和GIS技术方法，基于生态功能重要性和生态敏感性评价，对国家重点生态功能区县域生态空间识别进行研究，并简要提出分区分级管控生态空间的思路，最后结合现状土地利用类型对不同类型生态空间土地利用冲突进行分析，探索了县域尺度下生态空间的划分方法和指标体系，具有一定的示范性.研究结果表明：1)长阳县生态空间总面积为3 032.21 km2，占研究区总面积的88.66%；其中底线型、危机型和缓冲型生态空间面积分别为1 406.79 km2、862.59 km2和762.83 km2，分别占研究区总面积的41.14%、25.22%和22.31%.2)在现状土地利用类型分析中，约有17.11%的耕地和0.23%的建设用地等非生态用地位于生态空间内，在一定程度上对区域自然环境和生态安全构成了威胁，因此需要结合更高精度的土地利用现状调查数据进行优化与调整，确保通过定量评价识别的区域生态空间精准落地.3)底线型生态空间是维护区域生态安全的核心区，应按照禁止开发区要求进行管理；危机型生态空间应严格控制高强度开发和改变区域生态系统原生状态的开发利用活动，实施强制性管控；缓冲型生态空间应坚持“点状开发、面上保护”，限制大规模高强度开发的同时，允许必要的小城镇建设和特色产业发展；非生态空间区域内严格执行环境保护各项法规和标准要求，实施国土资源高效集约开发.

4.2 讨论

生态保护红线是我国首创的生态文明建设实践保障制度，而生态空间的科学合理识别是生态保护红线划定的前提和基础.生态空间尤其是底线型生态空间承担着维护区域生命土地的安全和健康的重要使命，通过加强对重要生态空间的保护力度，禁止或限制对生态系统产生不利影响的经济社会活动.生态空间识别过程中，通常将底线型生态空间作为区域生态保护红线划定的基础，不同区域占有的面积及比例应因地而异，不能盲目追求面积大、比例高，既要守住区域生态安全的底线和生命线，又要为经济社会的协调发展留出必要的空间.同时，生态空间应该具有明确的空间边界，其划定结果最终要落实到每一块具体的国土空间地块上，但不同尺度下的划定结果精度存在较大差异，尤其是大中尺度下划定的生态空间边界模糊，边界精度较低，给其精准落地带来了困难.因此，需要在生态空间初步识别的基础上，结合更高精度土地利用现状调查数据及统筹区域合理发展诉求的各类规划数据不断的进行优化与调整，以便达到所识别生态空间精准落地和严格管控的要求，努力协调好区域生态环境保护与社会经济发展的关系，最终在确保区域乃至国家生态安全的前提下，推动生态与经济社会持续健康稳定发展，实现“金山银山”和“绿水青山”的有机统一，为推动生态文明建设做出重要贡献.