洞庭湖生态经济区典型城市生态空间识别研究

常君雪，帅 红

(湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南 长沙 410081)

工业化和城镇化的快速发展推动了城镇和农业生产空间的快速扩张，进而导致生态空间被挤压，生态功能失衡，由此引发的生产、生活空间与生态空间的矛盾不断增多，区域生态安全问题日益突显。党的十八大就明确提出，“把生态空间放在突出地位，促进生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀的总要求”。《关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》也明确提出，“综合考虑人口分布、经济布局、国土利用、生态环境保护等要素，科学布局生产、生活和生态空间”。因此，生态空间不仅是国土空间的重要组成部分，也是国土空间生态安全的重要保障。生态空间的科学识别则是促进人、资源、环境及空间协调发展的重要手段。

生态空间一般被认为是以提供生态服务或生态产品为主要目标的国土空间，包括森林、湿地、海洋、冰川等一切生态功能明显的国土空间。生态空间识别过程与生态学、土地学，地理学紧密相关，其研究内容多集中于三生空间的识别与划分[1，2]、生态用地识别[3-5]以及生态安全格局构建与管理[6]、城市生态空间识别与变化[7，8]及生态空间保护规划与管控[9，10]等领域。生态空间作为提供生态系统服务功能、维持生态环境稳定以及生物生存繁衍的环境载体。生态空间的平衡性和稳定性关系着其生态产品供给和抗干扰的能力。因而，从生态系统服务功能和生态环境敏感性两方面开展生态空间识别对于稳定生态系统服务功能供给，降低生态环境敏感程度，维护区域生态平衡性发挥着重要作用。目前，生态系统服务功能的研究主要集中于重要生态功能区划分[11，12]、生态服务功能的评估方法[13-15]、土地利用与生态服务功能价值[16，17]以及生物多样性与生态系统的服务功能协同[18，19]等。而生态环境敏感性研究则多集中于特定环境问题评估及环境敏感分区划分[20，21]。综上，生态空间识别与生态服务功能及生态敏感性的结合，可以更为全面的考虑环境和社会本底，使研究更具实用价值。

2014年洞庭湖生态经济区建设正式上升为国家发展战略。洞庭湖是我国第二大淡水湖，是重要的内陆湿地保护区和优质种质资源基因库，在调节长江径流、维护生态安全方面发挥巨大作用。近年来，随着三峡水库运行及高强度的经济活动，出现了水资源短缺、水污染加剧以及湿地生态功能下降等突出生态问题。益阳市作为洞庭湖经济区的重要城市之一，与其同属的岳阳、常德等市相比，其自然禀赋较好，但是经济发展水平相对滞后，由此导致经济发展与环境保护的矛盾冲突更为凸显。从这个角度来看，生态空间识别和生态保护红线划定对于益阳市乃至洞庭湖生态经济区的可持续发展尤显重要。因此，文章以益阳市作为研究对象，选取对其生态安全起着关键作用的水源涵养、水土保持、生物多样性、洪水调蓄、水土流失、石漠化和地质灾害等7个影响因子，借助GIS平台开展生态系统服务功能重要性和生态环境敏感性评估，构建生态空间识别方法，为研究区生态环境保护及绿色发展提供依据。

1 研究区概况

益阳市位于湘中偏北，是长江中游城市群重要成员、洞庭湖生态经济区典型城市,下辖安化县、桃江县为国家重点生态功能区(见图1)，总面积为12 332.36 km2，辖3县、1市和3区。2018年，研究区生产总值1 758.38亿元，常住人口441.38万人。域内雨热充沛，气候温和，植被覆盖程度高，西南部为雪峰山余脉和湘中丘陵，东北部处于洞庭湖平原地带，地形西南高东北低。资水、湘江及洞庭湖等大小溪河众多。目前，随着人类活动对生态环境的不断影响，益阳市东北部洞庭湖平原区面临着湖库淤积、湿地萎缩、生物多样性下降、洪水调蓄功能降低以及饮水安全的问题，而西南部山地丘陵区是主要的石漠化、滑坡、水土流失等地质灾害多发区。

图1 益阳市地理位置Fig. 1 Location of Yiyang city

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文使用的NDVI数据和NPP数据来源于地理国情监测云定制数据，NDVI数据为2018年植被覆盖度，NPP数据为2013—2017年5年植被净初级生产力平均值，均为30 m空间栅格数据。气象数据来自于中国气象科学数据共享服务网中的中国地面累年值年值数据集(1981—2010)，选取气温和降水数据。土壤数据来自于黑河计划数据管理中心、寒区旱区科学数据中心，使用第二次全国土壤调查南京土壤所提供的1∶100万土壤数据。高程数据来源于地理空间数据云，时间为2017年。益阳市土地利用数据来源于益阳市土地利用总体规划(2016—2020)调整完善数据库。

2.2 研究方法

不同的生态系统与地理环境以及社会经济发展阶段不同，便具有不同的生态功能，而其所面临的环境胁迫也不同[22]。通过分析益阳市的环境基础及可持续发展现状，依据《全国主体功能区划》《湖南省主体功能区规划》《益阳市主体功能区划》《益阳市水土保持规划》等相关规划文件中所涉及的重点生态功能区域，结合益阳市的社会发展现状及存在的生态问题，在本文研究基础上识别生态空间的分布范围。生态空间识别采用生态功能重要性和生态环境敏感性评估，其中生态系统服务重要性评估是依据典型生态系统，评估其生态功能或价值大小，并分析其生态服务的特征及空间分异规律[23]。生态环境敏感性是自然生态系统在人类活动和环境演化的干扰下，产生生态环境问题的可能性[24]。根据益阳市区域特征和生态环境现状，参照《生态保护红线划定指南》[25]提供的指标和方法进行适当的取舍或增补。生态系统服务功能评估最终选为水源涵养、水土保持、洪水调蓄、生物多样性维护功能，而生态敏感性评估最终选为水土流失、石漠化以及地质灾害。

2.2.1 生态系统服务功能重要性单因子评估

(1)水源涵养

水源涵养具有养护水源的功能，植被、湿地、林草地等生态系统结构能够与湖泊河流等水源相互影响，并蓄积、截流大气降水，通过蒸散发调控水循环[26]。采用NPP定量指标评估法，评估生态系统水源涵养服务能力指数，公式如下[25]：

WR=NPPmean×Fsic×Fpre×(1-Fslo)，

(1)

式中，WR为生态系统水源涵养服务能力指数，NPPmean为区域植被净初级生产力平均值，Fsic为土壤渗流因子，Fpre为多年平均降水量因子，Fslo为坡度因子。

(2)水土保持

水土资源在人类生存和发展中具有基础地位，不仅有助于自然植被的降水节流、保水蓄水以及径流调节[27]，同时是山区生态和经济社会可持续发展的重要途径。其与土壤、地形地貌以及植被密切相关，采用NPP定量指标评估法，评估生态系统水土保持服务能力指数，公式如下[25]：

Spro=NPPmean×(1-K)×(1-Fslo)，

(2)

式中：Spro为水土保持服务能力指数，NPPmean为区域植被净初级生产力平均值，Fslo和K分别为坡度、土壤可蚀性因子。

(3)生物多样性维护

生物多样性是指生物及生存环境所组成的各类复杂生态过程，有利于物种、基因、生态系统平衡的保护。益阳市属典型的亚热带植被区并分布着多种珍稀濒危物种。由于物种数据的获取难度，因此采用NPP定量指标评估法，评估生物多样性维护服务能力指数。公式如下[25]：

Sbio=NPPmean×Fpre×Ftem×(1-Falt)，

(3)

式中：Sbio为生物多样性维护服务能力指数，NPPmean为区域植被净初级生产力平均值 ，Fpre和Ftem分别为多年平均降水量和气温因子，而Falt为海拔因子。

(4)洪水调蓄

湖泊水库具有明显的调蓄洪水、减少洪灾损失的作用[28]。根据相关洪水调蓄评估研究[29，30]，依据益阳市洪涝灾害特征以及河流湖泊的蓄容量，识别出益阳市蓄容量大的河流湖泊及水库，其他区域则结合植被覆盖程度和土地利用现状进行识别(表1)。

表1 洪水调蓄分级标准

2.2.2 生态环境敏感性单因子评估

(1)水土流失

益阳市水土流失以水力侵蚀为主。其与降雨、土壤性质、地貌起伏及植被稀疏情况紧密相关，同时也受到人类活动的影响[31]。益阳市水系众多，河网密布，过境水丰富，因此选取水土流失进行敏感性评估。依据通用水土流失方程原理及《指南》[25]，其通常选取降雨侵蚀力、地形起伏度等指标，公式如下[32]：

(4)

式中，SSi为研究区水土流失敏感性指数，Ri为降雨侵蚀力因子，Ki为土壤可蚀性因子，LSi为地形起伏度，Ci为地表植被覆盖度，水土流失评估因子分级标准见表2。

表2 水土流失评估因子分级标准

(2)石漠化

石漠化敏感性是针对外界干扰时产生的响应程度[33]。石漠化的形成与人类活动息息相关，过度开发和乱砍滥发都极易造成石漠化，同时石漠化也与碳酸盐岩特性、山多坡陡的地形地貌以及植被稀疏程度有关，采用敏感性指数开展益阳市石漠化评估。公式如下[25]：

(5)

式中：Si为研究区石漠化敏感性指数，Di为碳酸岩出露面积百分比，Pi为坡度，Ci为地表植被覆盖度，石漠化。

表3 石漠化评估因子分级标准

(3)地质灾害

益阳市地质灾害主要为滑坡、泥石流、地面塌陷等，多发生在地势较高、坡度较大的区域。地质灾害的发生与海拔高度、植被覆盖、地形坡度、起伏度以及人类活动干扰等密切相关[34，35]。依据相关地质灾害因子影响程度，评估益阳市地质灾害敏感性，公式如下[36]：

(6)

GSi为益阳市地质灾害敏感性指数;Hi为海拔高度因子，Pi为坡度，LSi为地形起伏度，Ci为植被覆盖度，Ii为人类活动干扰程度，地质灾害评估因子分级标准见表4。

2.2.3 综合评估

(1)生态系统服务功能重要性综合评估

开展生态系统功能单因子评估只能反映出研究区单一的生态功能效用，在此基础上进行生态系统服务功能重要性综合评估，能够更全面反映生态系统服务水平。依据前节评估结果，采用析取运算开展生态系统服务功能重要性综合评估，公式如下[37]：

ESI=Max{WR,Spro,Sbio,Fr}，

(7)

式中，ESI为生态系统服务功能重要性综合评估，WR为水源涵养功能重要性结果，Spro为水土保持重要性，Sbio为生物多样维护功能重要性，Fr为洪水调蓄功能重要性。

(2)生态环境敏感性综合评估

开展生态环境敏感综合评估，可以明确生态环境中易受干扰的区域，从整体上了解区域产生环境问题的可能性。依托GIS平台，依据前节评估结果，采用析取运算开展生态敏感性综合评估，公式如下[26]：

ES=Max{SSi，Si，GSi}，

(8)

式中，ES为生态敏感性综合评估结果，SSi为水土流失敏感性，Si石漠化敏感性，GSi地质灾害敏感性。

表4 地质灾害评估因子分级标准

2.3 分级标准

2.3.1 生态系统服务功能重要性分级 单因子生态系统服务功能重要性分级依据《生态保护红线划定指南》[25](表5)，利用GIS栅格计算器，得到归一化后的生态系统服务值。将记录栅格像元的生态系统服务值的属性表导出，并按从高到低的顺序排列，计算累加服务功能值。依据分级标准，利用重分类工具，将单因子生态服务功能重要性分为一般重要、重要和极重要3级结果。

生态系统服务功能综合评估采用自然断点法，将生态系统服务功能综合评估分为一般重要、重要和极重要3级结果。

表5 单因子生态功能评估分级

2.3.2 生态环境敏感性分级 水土流失、石漠化、地质灾害敏感性单因子评估及生态环境敏感性综合评估均采用自然断点法，利用重分类工具将生态环境敏感性单因子和综合评估结果分为一般敏感、敏感和极敏感3级。

3 结果与分析

3.1 生态系统服务功能重要性评估

(1)水源涵养功能重要性

水源涵养极重要区面积为37.71 km2，占总面积的0.31%；重要区面积为503.69 km2，占总面积的4.22%(图2)。主要分布在安化县北部和东南部，桃江县西南浮邱山区域，资水流域及重要支流的中上游区域。本区位于雪峰山余脉，地形多为丘陵、岗地和低山，植被覆盖程度高且降水集中，蒸发散热能力强，水流、河流的调控作用较强。

(2)水土保持功能重要性

水土保持极重要区面积为3.46 km2，占总面积的0.03%；重要区面积为369.04 km2，占总面积的3.02%(图3)。主要分布在南洞庭湖流域、雪峰湖国家湿地公园、来仪湖国家湿地公园。本区地势低平，光热充足，土壤多为水稻土和潮土，质地湿润，灌溉条件优良。但是，由于过境水丰富，携带大量泥沙且暴雨频繁，极易产生洪涝灾害，导致土地生产力下降。同时，人类活动频繁，为我国重要的农业生产基地，存在较多河道、湿地公园、饮用水源等重要生态功能区域。

(3)生物多样性维护功能重要性

生物多样性极重要区面积为18.12 km2，占总面积的0.15%；重要区面积为422.69 km2，占总面积的3.51%(图4)。主要分布在安化县东南部和北部，桃江县西南部以及赫山区西南部。本区降水量大，多为山地、丘陵，海拔高，植被旺盛，人类活动干扰较少，适宜物种生存。

(4)洪水调蓄功能重要性

洪水调蓄功能极重要区面积为817.17 km2，占总面积的6.63%(图5)。主要分布在洞庭湖、大通湖和资水流域。本区地势低平，水网密集且与江河联系密切。

图2 水源涵养重要性评估Fig. 2 Evaluation results of water conservation

图3 水土保持重要性评估结果Fig. 3 Evaluation results of soil and water conservation

(5)生态系统服务功能重要性综合评估

在以上评估结果基础上进行空间叠加合并，得到生态系统服务功能综合评估结果(图6)和表6。生态系统服务功能极重要区面积为737.27 km2，占总面积5.98%，集中分布在安化县以及洞庭湖流域、资水等流域。这些区域地势高、植被丰富、雨热充足，且水域调蓄作用明显。重要区面积为1 087.36 km2，占总面积8.82%。主要分布在安化县东南和桃江县西南部，该区多为山地，降雨量大，生物多样性较丰富；而一般重要区面积为10 496.99 km2，占总面积85.19%，相对分布于地势平坦地区，是城市开发建设主要区域。

图6 生态系统服务功能重要性综合评估Fig. 6 Integrat edevaluation of the functional importance of ecosystem services

表6 益阳市生态系统服务功能重要性评估统计结果

3.2 生态环境敏感性评估

(1)水土流失敏感性

水土流失极敏感区面积为162.18 km2，占总面积的1.35%；敏感区面积为144.45 km2，占总面积的1.20%(图7)。主要分布在安化县的西北和东南部，桃江县西南山地，该区山多坡陡，降雨集中且量大，径流量和土壤冲刷量强，不利于水土保持，另外该区土壤以黄壤和红壤为主，土质易板结，渗透力较差，土壤抗蚀性弱。

(2)石漠化敏感性

石漠化极敏感区面积为1 973.31 km2，占总面积的16.02%；敏感区面积为3 968.45 km2，占总面积的32.22%(图8)。主要分布在安化县、桃江县西南部、零星分布在沅江市及南县，该区存在岩溶地貌，陡坡地多，植被丰富，降雨量大且集中，给石漠化形成提供了侵蚀动力，另外该区人口活动密集，不合理的土地开发活动和城市建设导致土地自我修复能力下降。

图7 水土流失敏感性评估结果Fig. 7 Evaluation results of soil and water loss

图8 石漠化敏感性评估结果Fig. 8 Evaluation results of stony desertification

(3)地质灾害敏感性

地质灾害极敏感区面积为822.01 km2，占总面积的6.72%；敏感区面积为2 343.25 km2，占总面积的19.15%(图9)。主要分布在安化县与桃江县西南，赫山区中部。该区多山地丘陵，地势坡度大且表层岩石较破碎，降雨丰富且集中，生态环境脆弱，极易受到人类活动干扰影响，地质灾害发生的风险高。

(4)生态环境敏感性综合评估

在以上敏感性评估基础上开展空间叠加，得到生态环境敏感性综合评估结果(图10和表7)。益阳市生态环境极敏感区面积为2 622.44 km2，占总面积21.02%，主要分布在安化县和桃江县南部，该区海拔高，地形起伏大，降雨充沛，生物多样性较丰富。生态环境敏感区面积为4 041.94 km2，占总面积32.40%，主要集中于安化县、桃江县、零星分布在洞庭湖流域。该区植被丰富，土地生产力高，人类活动开发力度较强。而一般敏感区面积为5 810.52 km2，占总面积46.58%，主要分布在人类活动频繁，地势平坦的区域。

3.3 生态空间识别

利用GIS提取生态系统服务功能综合评估中的重要及以上区域、生态敏感综合评估中的敏感及以上区域，在此基础上进行空间叠加。由于生态系统具有生态完整性和连续性特征，因此删除科学评估过程中出现的细小斑块(<1 km2)[38]，减少破碎化影响，得到生态空间初步范围。增补各类禁止开发区及公益林地，确保生态空间涵盖益阳市各类自然空间要素及其他有必要严格保护的保护地，如各级各类自然保护区、风景名胜区、湿地公园、地质公园、森林公园、蓄滞洪区、重要饮用水源地等[25]。

图9 地质灾害敏感性评估结果Fig. 9 Evaluation results of geologic hazard

图10 生态环境敏感性综合评估结果Fig. 10 Integrated evaluation of the ecological sensitivity

表7 益阳市生态环境敏感性统计结果

图11 生态空间分布范围Fig. 11 Ecological spatial distribution

为保障生态空间与生活、生产空间的协调性与合理性，利用高分辨率遥感影像和土地利用规划数据，剔除不适宜生态空间范围的城镇空间和农业空间，划分出益阳市生态空间范围(图11和表8)。

结果可知，益阳市生态空间面积为6 297.09 km2，占土地面积的51.06%。主要分布在市域西南安化县、桃江县，赫山区西部以及洞庭湖、大通湖水域。生态系统服务功能中水源涵养功能重要区呈斑块状分布在市域西南安化、桃江县。水土保持功能重要区主要分布在洞庭湖流域。生物多样性功能重要区呈带状分布在中部丘岗地区及雪峰山脉北麓。而洪水调蓄功能重要区则主要以湖泊水域及淹没区为主。生态环境敏感性中水土流失敏感区呈斑块状分布在安化县、桃江县河流湖泊附近。石漠化敏感区占到了研究区面积的64.27%，呈片状分布在雪峰余脉山区，涵盖安化县、桃江县，零星分布在赫山区。而地质灾害敏感区则呈块状分布在西南山地及中部丘岗地区，主要涵盖安化县北部、中南及东南部，桃江县西南部，零散分布在赫山区鱼形山街道及岳家桥镇一带。以上分布区域多为生态环境较脆弱区域，在利用时需注重生态保护，合理规划，以促进生态系统的稳定性。

表8 各区县生态空间统计

另外，将识别的生态空间范围与土地利用类型重叠分析，可知益阳市生态空间用地中65.43%为林地，17.19%为湿地(湖泊水面、水库水面、滩涂等)，其他土地占17.38%。由此来看，其识别结果符合生态空间用地属性要求，是社会和经济可持续发展的基础，在保障生态环境安全中发挥重要作用。

4 结论与讨论

生态空间承担着维护区域生态安全和实现区域绿色发展的使命。本文从维护生态健康和生态功能的角度出发构建生态空间识别体系，通过提取生态功能重要区和生态环境敏感区，增补各类需严格保护的区域，剔减城市建设和生活用地，借用GIS平台识别了生态空间范围。研究区主导的单因子生态系统服务功能是洪水调蓄和水源涵养，其次为生物多样性和水土保持，识别生态服务功能综合重要区1 824.63 km2，占总面积的14.81%；单因子生态敏感性以石漠化为主，其次为地质灾害和水土流失，并识别生态环境综合敏感区6 714.38 km2，占总面积的53.42%。益阳市生态空间面积6 297.09 km2，占土地总面积51.06%，涵盖了主要的生态功能重要区和易受干扰区，是维护区域生态系统平衡和生态安全的重点保护区域。

生态空间识别是落实国土空间管控，建设生态文明的重要方式。从研究结果来看，生态空间分布范围与益阳市环境胁迫分布区相吻合，较全面地反映了生态空间分布特征。这表明生态空间识别对明确区域开发利用自然资源的限制性条件、生态治理与保护的重点区域，以及对研究区开展生态修复、生态空间管控和国土综合整治有较大参考意义。另外，本文从湖区城市出发，基于生态服务功能和生态敏感性两方面探究大湖流域生态空间识别，不仅有利于保护洞庭湖生态系统平衡，促进洞庭湖区山水林田湖草生态保护修复，实现湖区经济、社会和生态效益相统一的现实意义，也可以为其他地区提供理论和指标参考。

评估过程采用的指标参数均通过高分辨率遥感影像和数据集加工所得，可能会导致评估结果出现误差，另外有关数据的获取也有难度，如洪水调蓄评估主要依据江河湖泊的调蓄功能进行重要性识别，未能获取湖泊、水库等相关数据。因此，如何丰富数据源，提高数据精度，进一步完善生态空间识别方法还需深入研究。同时，生态空间识别过程涉及城市开发建设以及农业生产活动，与水、土地等多个空间要素紧密结合，未来仍需继续强化生态空间与城镇、农业空间的统筹协调发展。最后，也可基于时间序列分析，从动态更新的角度探讨生态空间的演变和管控措施。