康洁铭,刘 雨,朱晓伟,金昌东,孙 硕,张宝雷①
(1.山东师范大学地理与环境学院,山东 济南 250358;2.山东省土地储备中心,山东 济南 250014)
国土生态安全是民族生存和国家持续发展的基础,是和谐社会的根本保障[1]。十八大报告中提出着力构建我国国土空间三大战略格局,而生态安全格局就是三大战略格局之一。国土空间开发格局的构建与优化首次提升到国家战略高度,其意义不言而喻[2]。然而,基于生态学的研究内容与土地利用总体规划、城乡规划的成果之间存在严重脱节,生态安全格局与生态空间优化之间衔接不足,导致生态安全格局构建未对空间优化和管理起到指导作用[3]。因此,设计和优化生态空间、生活空间、生产空间复杂耦合系统的组织结构和功能定位,形成结构完整、功能完备、分布连续的生态空间布局形态,是新一轮国土空间规划的基础和前提[4-5],对践行生态保护、推进生态文明建设和保障国土空间永续发展意义重大[6-7]。
从20世纪末开始,国内外学者对生态安全格局开展了广泛的研究,包括理论探索、指标制定、方法实现等,取得了一系列重要成果[8-10],其应用范围包括物种保护[11]、土地管理[12]、城市规划[13]和物种栖息地保护[14]等。目前,识别源地-构建阻力面-提取廊道的研究框架已成为构建区域生态安全格局的标准范式[15]。生态源地是担负区域主要辐射功能的大型生态斑块,对实现区域生态系统功能作用重大。生态源地的确定是构建生态安全格局的基础。然而,目前多数研究主要选取大型生境斑块、自然保护区和风景区[16-17],忽视了区域及生态源地本身的生态环境状况[18],对生态安全格局的构建严谨性不足,也有学者通过生态脆弱区[19]、适应性评价[20]、生态红线[21]等角度识别源地。生态源阻力面的构建是生态廊道准确提取的前提,阻力面则用来反映物种迁移或生态过程的空间迁移困难程度[22]。已有研究大多基于土地利用类型、坡度、高程等与生态因素相关的阻力系数[23],再根据专家的经验进行赋值,但是此方法主观性较强,忽略了相同地表覆盖类型下的内部差异,也未考虑人类活动强度对生态阻力系数的影响[24]。生态廊道一般以线状景观要素存在于生态系统中,具有生态、文化、社会等多种功能[25],是保障生态源地核心斑块之间物质流、能量流等顺畅流动的关键载体。因此,识别区域内现有组团廊道并予以重点保护,合理增设景观廊道以实现廊道组团网络化,对实现生态系统功能的完整性具有重要意义。廊道的提取方法中最早的是KNAAPEN等[26]提出的基于GIS的建模方法,此方法较为繁琐。俞孔坚[27]根据最小累积阻力模型(minimum cumulative resistance,MCR)改进了提取廊道的方法。最小累积阻力模型可以模拟物种在空间的移动趋势与景观格局变化之间的动态关系,在廊道识别和生态安全格局的构建中得到了广泛应用。
胶东半岛三面环海,交通发达、设施完善、区位优势显著,是环渤海经济圈的重要组成,拥有全省主要优势资源和先进生产力,是全省发展水平最高、潜力最大、活力最强的区域[28]。然而,随着社会经济的高速发展,城市化与工业化进程不断加快,胶东半岛区域生态环境与经济发展的矛盾日益突显。在城市开发建设过程中大量生态空间被开发利用,城市绿色空间减少,经济利益驱使下又出现大规模的填海造地,滨海湿地不断萎缩,导致部分原始生态功能丧失、生态环境承载力下降,直接影响区域的可持续发展。2019年10月12日山东省委下发《关于加快胶东半岛经济圈一体化发展的指导意见》,意见中提到要全面推进胶东半岛一体化发展,建立健全分工协作利益共享机制,充分发挥各市比较优势,实现优势互补、错位协同、合作共赢,努力建设世界知名半岛城市群。在此背景下,该研究以构建生态安全格局为基础,对格局组分要素优化与重组,制定区域发展战略,着重优化区域国土空间,保护核心生态用地,为推进胶东区域一体化协调发展提供技术思路。
胶东半岛(35°35′~38°23′ N,119°30′~122°42′ E)是胶莱河以东地区的简称,地处山东省东部沿海地区,濒临渤海、黄海。胶东半岛是山东省的经济核心地区,是带动全省发展的龙头区域,辖青岛、烟台、威海3市,共26个区(县),土地总面积为30 645.95 km2。胶东半岛的地形多为起伏平缓的丘陵地带,形成了以山地、丘陵为骨架,平原盆地交错环列其间的地貌大势,有崂山、昆嵛山、牙山等少数中低山突出于群丘之上,构成胶东半岛的中脊。胶东半岛三面环海,受海洋性气候的影响,与同纬度的内陆地区相比有温度适中、雨量充沛、空气湿润等特点,属温带季风气候区,四季分明,年均气温为11~14 ℃,年均降水量为650~850 mm。胶东半岛属温带落叶阔叶林生态区,该区兼有涵养水源、保持水土、保护生物多样性和粮食生产等多种生态功能,其主要生态环境问题是经济开发活动强度大,工农业争水矛盾较大,局部地区水土流失严重,近海区域生态系统功能有退化趋势。因胶东半岛区域内包含若干海上岛屿,如长岛、刘公岛、鸡鸣岛等,海上岛屿人类活动强度小,生境良好,故该研究中生态安全格局的构建与优化仅考虑胶东半岛陆域范围。
数据主要包括土地利用数据、净初级生产力(NPP)、数字高程模型(DEM)、归一化差分植被指数(NDVI)、土壤数据、夜间灯光数据(VIIRS/DNB)、气象数据等,数据来源、精度及用途见表1。
表1 数据来源、精度及用途
基于识别源地-构建阻力面-提取廊道的框架确定技术路线(图1)。
图1 技术路线
首先,根据综合评价确定初步生态源地,将自然保护区数据与初步生态源地空间叠加,验证所评价源地合理性后进一步整合至生态源地;其次,利用夜间灯光数据模拟人类活动强度,校正基于不同地类赋值得到的生态阻力面;最后,应用最小累积阻力模型识别生态廊道、生态源地缓冲区,完成生态安全格局的构建后分析其空间布局并提出具体优化方案。
2.2.1识别生态源地
“源”是指物种维持或扩散的原点,具有向自身集聚或向周围扩散的能力。生态源地一般由生态系统服务较重要、生态环境较敏感的大型自然斑块构成,对维护区域生态安全意义重大。结合研究区主要生态系统服务功能与自然地理现状,选取相关因子进行生态重要性评价,确定初步生态源地。
胶东半岛三面环海,受海洋性气候的调节作用,有着不完全同于内陆的生态系统环境。空气湿润、雨量充沛、温度适中等特点使这里自然条件优越,境内有崂山、昆嵛山、罗山等多个国家级森林公园。这些区域植被覆盖率极高,有涵养水分、保持水土、防风固沙等众多生态功能。同时这些区域内生境质量优越,各类野生动植物资源极为丰富,生物多样性高。因此选取水源涵养、水土保持、防风固沙、生物多样性保护作为生态服务功能重要性评价因子,均通过植被净初级生产力(NPP)定量指标法完成评估,各项因子详细提取方法或计算方法见文献[29],此方法以NPP数据为主,相关评价参数易获取且易操作。公式中各项参数原始数据分辨率有30、250和1 000 m,将各因子数据统一重采样至250 m分辨率,归一化处理后进行计算。生态服务功能重要性评价公式为
Rw=Pm×Fs×Fp×(1-Fl)。
(1)
式(1)中,Rw为水源涵养服务能力指数;Pm为植被净初级生产力年均值因子;Fs为土壤渗流因子;Fp为年均降水量因子;Fl为坡度因子。
Sp=Pm×(1-K)×(1-Fl)。
(2)
式(2)中,Sp为水土保持服务能力指数;K为土壤可蚀性因子。
Sb=Pm×Fp×Ft×(1-Fa)。
(3)
式(3)中,Sb为生物多样性维护服务能力指数;Ft为年均气温因子;Fa为海拔因子。
Sw=Pm×K×Fq×D。
(4)
式(4)中,Sw为防风固沙服务能力指数;Fq为年均气候侵蚀力因子;D为地表粗糙度因子。
胶东半岛区域地形以低山丘陵为主,区内常有强降雨与大风天气,易引发水土流失,沿海地区有土地沙化趋势。因此选取水土流失、土地沙化作为生态环境敏感性评价因子,其中土地沙化敏感性结合已有研究选取干燥度指数、起沙风天数、土壤质地、植被覆盖度4类指标进行评估[30],水土流失敏感性评价基于修正的通用水土流失方程基本原理进行评估[21],生态环境敏感性评价公式为
(5)
式(5)中,D为土地沙化敏感性指数;I为评估区域干燥度因子;W为起沙风天数因子;C为地表植被覆盖因子。
(6)
式(6)中,SS为水土流失敏感性指数;R为降雨侵蚀力因子;LS为坡长坡度因子。
将上述4类生态系统服务功能重要性因子评价结果使用ArcGIS 10.5软件中的Raster Calculator工具等权叠加计算,得到生态系统服务总值。将属性表中生态系统服务值按降序排列后进行累加计算,累加值占总值的前50%与80%作为生态系统服务功能重要性评价分级的断点,使用ArcGIS 10.5软件中的Reclassify工具分成极重要、重要、一般重要3个等级;参照《生态功能区划暂行规程》的分级标准,使用自然断点法将土地沙化、水土流失敏感性评价的叠加结果划分为极敏感、敏感、一般敏感3个等级。提取研究区生态系统服务功能极重要区域和生态环境极敏感区域后转矢量图层,通过剔除细碎图斑、非生态用地等操作得到初步的生态源地。
自然保护区被视为生态系统的天然环境本底,在涵养水源、固碳释氧、提供动物栖息地、维持生态系统平衡等方面作用重大。若仅考虑将研究区范围内的自然保护区纳入生态源地范围,会忽视区域内其他生态系服务功能价值高的区域,因此将生态重要性评价结果与自然保护区数据叠加,一方面是取两者交集来验证评价所得初步生态源地的准确度,另一方面是取两者并集作为生态源地,保证后续系列研究结果的科学性与严谨性。
2.2.2生态阻力面
参考胶东半岛的生态环境现状和已有研究对土地利用类型赋予的阻力值[25,31],将土地类型合并为林地、草地、园地、耕地、水域、交通用地、建设用地、其他土地8种类型,分别赋予1、10、20、30、50、500、800、300的阻力值。生态阻力面的设置是否科学会影响后续一系列评价结果,仅对土地利用类型进行生态阻力的赋值会忽视相同地表类型下生态阻力的差异,未能考虑人类活动强度的影响。有研究表明,夜间灯光数据能在一定程度上反映人口密度、经济发展状况、城市化水平等人类活动因素[24],因此,使用VIIRS/DNB夜间灯光数据模拟人类活动强度对生态阻力面进行校正。
(7)
式(7)中,Zx为栅格x由夜间灯光系数校正后的阻力值;Gx为栅格x的夜间灯光指数;Ga为x所属景观类型a的平均灯光指数;Z为栅格x初始生态阻力值。
2.2.3生态廊道与生态缓冲区
生态廊道具有多种生态功能,如物质交换、能量流动、动物迁徙、生物多样性保护等[32]。最小累积阻力模型可以测算物种从源至目标单元的累积距离以及每个要素流在逐渐向外扩张过程中需要的最小阻力值,根据阻力值的大小可判断目标单元与生态源地间景观的连通性与可达性[33]。根据该模型提取生态廊道,计算公式为
(8)
式(8)中,R为最小累积阻力值;Dij为源j至目标单元i的距离;Ri为目标单元i对源j的阻力;f为生态过程中的一个正相关系数。
基于MCR模型,生态源地以生态阻力面为成本栅格逐步扩张得到最小累积阻力面,通过分析最小阻力面的阻力值与栅格面积变化曲线,利用ArcGIS 10.5进行重分类后采用Natural Break(Jenks)断点法基于阈值限定将生态源地以外的区域划分为高、中、低3种不同安全级别,分别对应生态缓冲区、生态过渡区与开发建设区。
3.1.1生态源地识别与验证
生态重要性的评估结果见图2和表2。其中生态服务功能极重要区面积为7 036.38 km2,生态环境极敏感区面积为2 310.25 km2,分别占研究区面积的23.06%和7.57%。提取极重要极敏感区,得到初步确定的生态源地区域。
图2 生态重要性与生态源地评价结果
将评价得到的初步生态源地与自然保护区数据进一步整合后,通过边界处理、现状和规划衔接等操作,得到最终确定的胶东半岛生态源地,总面积为3 296.85 km2,占胶东半岛陆域面积的10.71%。从空间分布看,胶东半岛陆域生态源地东西方向上在烟台威海腹地范围内分布较集中,根据这些生态源地主要为大型水库、山脉和自然保护区等,为区域内的人口和整个生态系统提供了重要的生命保障,在维持区域生态功能稳定、促进区域可持续发展方面发挥着重要作用,必须严禁任何开发建设等活动。分析生态源地内各地类组成,林地占生态源地总面积比重最大,为68.47%,其次为水域与湿地、耕地、园地、草地,面积占比分别为8.52%、7.98%、6.80%和4.90%,建设用地占比为2.21%,有少数开发建设活动已延伸至源地范围内,需严格管控;此外,交通用地、其他用地面积占比均不足1%(表3)。
3.1.2生态缓冲区
基于MCR模型,生态源地以生态阻力面为成本栅格逐步扩张得到最小累积阻力面〔图4(a)〕。胶东半岛的中偏下部平度市、莱西市、即墨区一带最小累积阻力值最高。烟台南部沿海与青岛主城区累积阻力值也较高,这些区域地势相对平缓,人类活动强度大,建设开发利用率高,所以最小累积阻力值也在这些区域达到峰值。烟威腹地龙口、栖霞、牟平、文登一带沟壑纵横,山地、大型水库与自然保护区互相环绕,人类活动难以延伸至此,对自然生态影响较弱,生态源地的扩张阻力也较低。
表2 生态重要性评价结果
基于最小累积阻力面,利用ArcGIS 10.5软件进行重分类后采用Natural Break(Jenks)断点法根据突变点将阻力面划分为3个不同安全级别〔图4(b)〕。其中,围绕生态源地的低阻力缓冲地带定义为生态缓冲区,面积9 917.52 km2,占比32.21%。生态缓冲区是围绕生态源地范围容易被物种扩散利用的生态空间,也是生态源地的安全屏障,可保护内部自然生态过程,应禁止开发建设。生态安全缓冲区以外由于人类活动干扰等因素的影响,累积阻力值较高,已不适合生态源地的发展与扩散,定义为生态过渡区,面积为9 303.98 km2,占比30.22%。作为生态源地保护与城市建设开发之间的过渡地带,生态过渡区可用于建设城郊生态园、果蔬种植等不干扰生态环境的开发活动。剩余区域定义为开发建设区,面积为8 268.20 km2,占比为26.86%,可作为城市的开发建设备选区域。
1—崂山自然保护区;2—烟台沿海防护林自然保护区;3—牙山自然保护区;4—昆嵛山保护区;5—之莱山自然保护区;6—艾山自然保护区;7—大泽山自然保护区;8—罗山自然保护区;9—大基山自然保护区;10—招虎山自然保护区;11—银湖湿地自然保护区;12—老寨山自然保护区;13—大飘山自然保护区;14—围子山自然保护区;15—五龙河湿地自然保护区;16—山自然保护区;17—黄水河湿地自然保护区;18—艾山地质遗迹自然保护区;19—马山自然保护区;20—荣成大天鹅自然保护区。
表3 生态源地内各地类占比
3.1.3生态廊道
根据最终确定胶东半岛陆域生态源地的位置分布特征把胶东半岛陆域生态源地整合为14个生态斑块,以每个斑块的质心点作为生态结点。基于最小累积阻力模型,以每个结点为汇,以相邻生态结点为源,通过ArcGIS 10.5软件的成本路径工具计算最小耗费路径(Best-Single)。观察发现得到的蓝色廊道未连成完整生态网络,而是分成4个组团,将其定义为组团廊道[34],这些蓝色组团廊道的功能主要是实现组团内部生态源地斑块间的连通性和生态系统的完整性(图5)。
为使胶东半岛陆域范围内所有生态源地斑块间互相连接,需要计算4个组团之间的最小耗费路径。
以组团廊道两端的生态结点为起点,将相邻生态组团作为目的地求最小耗费路径,得到3条红色廊道,它们的作用在于实现景观生态网络化,称为景观廊道。
经统计,胶东半岛陆域范围共有13条生态廊道,总长度约为624.5 km,其中10条组团廊道总长度为452.4 km,3条景观廊道总长度约为172.1 km。组团廊道是组团内部连通生态结点间的最小阻力路径,一般受人类活动的干扰较小;景观廊道是基于MCR模型再次识别的组团之间的最小耗费路径廊道,其目的是使生态廊道之间互相连接,实现廊道组团网络化。景观廊道可能会从组团廊道之间的城镇穿过,因此受人类活动的干扰较大,面临的生态压力也更大。重点建设景观廊道对实现廊道组团网络化进而发挥区域生态系统服务功能至关重要。
3.2.1核心生态用地管控
随着城市化进程不断加快,城市建设用地的无序扩张给生态环境保护带来了巨大压力。城市开发过程中大量生态土地性质发生变化,重要敏感型生态斑块日趋破碎化、岛屿化,区域生态安全难以得到保障。在分析生态源地区域内地类组成时发现有少数建设用地已延伸至生态源地范围内,生态源地对维系区域生态功能稳固意义重大,应严禁各类开发建设活动。基于研究区土地利用现状,提取城市建设用地与生态源地、生态缓冲区(以下称生态用地)叠加分析,识别生态用地与城市扩张的冲突区域(图6),经统计冲突区域为990.38 km2,占生态用地的7.49%,说明当前城市的无序扩张已对生态环境造成了一定的干扰。受到城市扩张干扰较大的地区主要有青岛市崂山区的崂山自然保护区(25.7 km2)、黄岛区的珠山风景区与小珠山水库(59.12 km2)、胶州市与即墨区接壤的大沽河(69.07 km2);烟台市的莱州市大泽山风景名胜区(54.57 km2)、龙口市大飘山自然保护区(47.24 km2);威海市的环翠区崮山水库、仙姑顶风景区(69.71 km2)等,这些冲突区域有的属历史遗留问题,需现场勘察和进一步科学评估,避免“一刀切”,对于不属历史遗留问题的违法建设应全面拆除,优先在这些已受损生态区域开展生态修复工作。周围应建设防护林隔离带,降低外界土地覆被变化对核心生态用地产生的干扰。
3.2.2构建“一廊、一带、四区、四组团”格局,优化生态空间结构布局
根据胶东半岛区域自然地理特征、土地利用现状、生态基质要素,对区域内生态安全格局各组分要素进行优化重组,依托自然水系、丘陵、山地,构建整体以“一廊、一带、四区、四组团”(表4)为核心的布局体系,内部以生态廊道组团网络化作为重点优化方向,实现胶东半岛区域全方位、复合型、网络化的生态空间结构模式,如图7所示。
(1)“一廊一带”天然山水格局
以大沽河、胶莱河为南北主轴打造天然生态水廊,连通以落药河、猪拱河、小沽河、界河、黄水河等为轴线的自然水系。作为胶东半岛的重要饮用水水源地,需合理把控生态水廊沿线开发强度,建设周边防护林绿化带。同时,大沽河作为汛期洪水下泄的重要通道,河槽易占满,使得下游排水困难,引发内涝等灾害,可适当增设下游支流,引水入渠,灌溉农田。以昆嵛山、之莱山为东西主轴线打造天然生态绿带,连通以围子山、艾山、牙山、大飘山等为轴线的自然常绿山林。自然生态绿带横跨烟台、威海城市腹地,可有效缓解城市热岛效应。其作为“天然氧吧”的同时具有多种生态效益,需加强对其沿线山体的保护。
(2)“四区四组团”协同共生
在分析半岛内生态廊道分布与组成时得到4组廊道,同时建议新增3条人工景观廊道以实现组团廊道间互相连接,保证景观网络的整体连通性。基于廊道组团区的自然生态基质,以生态廊道组团区为基本区划单元,将胶东半岛区域划分为4个生态主体功能分区。人工景观廊道可使4个生态功能区协同共生,构筑“四区、四组团”的新生态格局。其中胶东半岛的东部地区的土地类型主要以耕地为主,生态源地较少,宜发展生态农业,为区域提供基本粮食保障的同时可提升经济效益;西部地区以产芝水库、大沽河饮用水水源保护区等众多水源地为核心,为研究区域提供水源涵养、水资源供给等生态系统服务,应重点保护好其水源不受污染;南部地区以青岛市为核心,依托现有产业集群,打造城市内部发展组团,并依靠大城市的辐射作用拓宽城市化发展水平,带动莱西市、莱阳市等地的发展;中部地区地形以山地丘陵为主,沟壑纵横交错,大量生态源地集中于此,拥有丰富的林地生态资源,为大量野生动植物提供栖息地,在维持生物多样性、净化空气、调节气候等方面作用重大,需进行重点保护。
图4 最小累积阻力面与不同生态安全级别划分
图5 生态廊道
图6 生态用地与城市扩张冲突
表4 “一廊、一带、四区、四组团”内涵解析
在以往相关研究中,围绕生态安全格局的思考多是基于土地利用现状建立相关评价体系,进行重要生态斑块识别后应用MCR模型识别廊道、生态缓冲区等,构建的结果仅存在生态优先保护空间,缺少对区域生态空间格局结构优化的具体落实,研究区多局限在市域或县域等小范围内,缺少区域、城市间协作产生的耦合效应研究,从更大范围统筹考虑自然资源共享、生态共建,以实现自然资源的合理配置,建立区域生态平衡[35-36]。该研究在全力推进胶东半岛一体化发展、打造世界知名半岛城市群的背景下,基于区域生态安全格局分析,为胶东半岛定制“一廊、一带、四区、四组团”的生态蓝图。根据研究结果,对胶东半岛提出以下几点建议:一是核心生态用地的管控。目前已知生态用地与建设用地冲突区域面积为990.38 km2,出现这种问题的根源在于长期以来保护区界限不明,应尽快建立和完善相关生态补偿机制,强化自然保护区的管理体制与运行机制的顶层设计,使各级政府、部门之间职责明确,形成有效的运作体系,促进生态保护与土地开发的良性发展;二是加强对生态廊道沿线周边的绿化建设工作,使廊道成为生态源地核心斑块之间物质交换、能量流动、物种迁徙等的关键载体,这对促成景观网络化有重要作用;三是“一廊一带”的建设工作因横跨范围大,各市域间应做好相互协调与合作。“一廊一带”可充分发挥胶东半岛的自然条件优势,保持其自然山水生态格局与城市形态平衡,提高区域生态环境承载能力,促进城市群健康持续发展,从而在胶东半岛区域形成生态创新、紧凑高效、互利共赢、高度一体化的模范城市群。
图7 胶东半岛陆域生态安全格局优化方案
该研究可为胶东半岛相关政府部门在产业布局、生态保护与城市建设规划中提供坚实的理论依据与决策支持。然而,研究也存在一定的局限性:针对笔者提出重点建设的3条人工景观廊道,由于廊道本身的结构与承载功能都较为复杂,很难确定廊道的最适宜宽度,廊道生态功能的发挥与其宽度密切相关,如果廊道宽度设置不合适,不但不能保护区域内生态要素流,可能会有其他物种入侵造成生境被破坏等后果。生态廊道对生物多样性保护有重要意义,生态格局也往往会因廊道宽度的设置不同而变化,研究中考虑到胶东半岛生态系统的多样性,未深入研究廊道的具体宽度,如何确定生态廊道的最适宜宽度,是接下来生态安全格局的构建与优化布局中需要重点研究的方向。
胶东半岛陆域生态源地为3 296.85 km2,占研究区总面积的10.78%,共整合为14个生态斑块;除生态源地外生态缓冲区、生态过渡区和开发建设区分别占比32.21%、30.22%和26.86%;识别生态廊道共13条,总长度为624.5 km;城镇建设用地与生态用地之间存在冲突区域,面积为990.38 km2,占生态用地总面积的7.49%。
依据互利共生、协同进化等理论,对生态安全格局组分要素进行优化与重组,将胶东区域划分4个生态功能区,又设3条人工廊道,使各生态功能区紧密联系。同时将研究区南北方向与东西方向上的延伸的自然生态水廊与天然生态绿带一并纳入格局体系中进行重点建设与保护,构建以“一廊、一带、四区、四组团”为核心的整体布局结构,内部以生态廊道组团网络化作为重点优化方向,实现胶东半岛区域全方位、复合型、网络化的生态空间结构模式。