面向国土空间规划的昆明市生态保护重要性评价

方一舒 祖 健 艾 东* 陈 杰 梁秋月

(1.中国农业大学 土地科学与技术学院，北京 100193;2.中国农业大学 信息与电气工程学院，北京 100083;3.北京舜土规划顾问有限公司，北京 100071)

在我国快速城市化进程下，人类活动对生态系统的强烈干扰逐渐成为21世纪区域生态安全和社会生态系统可持续发展的新挑战[1]。国土空间规划是国家空间发展的指南、可持续发展的空间蓝图，生态文明建设的重要内容，也是空间治理体系现代化的基础。在以创新、协调、绿色、开放、共享“五大发展理念”为指导，以优化国土空间开发、资源节约集约利用、生态环境保护为要求的基础上，有序引导国土空间资源要素重新配置，构建稳定、协调的国土空间秩序。国土空间规划的首要工作是通过科学分析区域资源环境禀赋，查清不同空间存在问题和风险，在此基础上合理划定“三区三线”，进行空间用途规划与管制[2]。而生态保护红线和生态空间划定是“三区三线”中践行“生态先行”理念的空间载体，因此合理划定生态保护区域是划定其他空间的前提。国外一些国家在制定自然资源保护政策时提出了不同的策略与措施，提出了自然保护地[3]、生态保护地[4]、生态保育区、特殊保护地等概念，建成了如美国的国家公园体系[5]和绿道网络(American Greenway Network)、欧洲的绿带计划(The European Green Belt)和以物种多样性保护为基础的欧盟自然保护区网络(Natura2000)。国内，随着我国土空间规划体系的建立和生态保护红线划定方法的不断探索，已有研究主要通过生态适宜性评价指标体系来确定红线区，如王雅竹[6]、张雪飞[7]、黄心怡[8]等分别从生态系统功能服务性和生态脆弱性等方面开展了生态保护重要区评价；研究区域主要针对特定景观区域的生态保护重要性和脆弱性，开展如流域[9]、石漠化地区[10]、沙漠化地区和矿区塌陷区[11]等区域的生态保护格局研究；评价尺度从乡镇级到省级均有涉及。同时，在识别生态保护红线区还采用景观“源-汇”理论的视角，通过最小阻力模型[12]、景观格局指数[13]、生态足迹[14]和空间叠置分析法[15]等，识别需保护的生态源地和战略点，并构建生态保护廊道，从而提出适宜当地的生态保护分布格局。

昆明市是云南省省会，也是长江经济带上游地区重要的生态保护屏障。其具有西南地区典型的地形地貌和生态环境特征，生态系统类型和生物多样性丰富，自然资源禀赋充足，同时作为长江经济带的上游地区，在推动长江经济带环境保护治理和生态修复过程中发挥着重要作用。然而，昆明市作为省会城市，经济活动较为频繁，在“环滇发展”过程中造成了沿滇池周边生态环境极大的破坏，同时石林县石漠化脆弱性高，北部山区水土流失脆弱性高[16]。然而当前针对昆明市全域开展的生态保护重要性研究工作并不足以支撑国土空间规划中生态保护红线的划定和落地, 因此为研究在生态与资源紧约束下开展经济活动，并充分化解生态保护与国土空间开发过程中的矛盾，本研究拟以昆明市生态保护重要性为研究对象，采用要素空间叠置制图和极大值法对昆明市2017年生态保护重要性进行分类定量评价及分等定级，以期为实现昆明市“生态-生产-生活”空间的协调可持续利用提供依据[16]。

1 研究区概况与数据预处理

1.1 研究区概况

昆明市位于滇中地区(102°10′～103°40′ E，24°23′～26°22′ N)，也是滇中城市群发展的核心区，行政区划面积为21 012.53 km2，辖7个市辖区、1个县级市和6个县。昆明市分属长江、珠江、红河3大水系，属北亚热带低纬度高原山地湿润季风气候，代表性植被为半湿润常绿阔叶林，年降水量1 035 mm，降水主要集中在雨季6—9月，年平均气温15 ℃，年均日照2 200 h左右。昆明地处云贵高原中部，地势总体北高南低(图1(a))，相对高差3 500 余米，因此具有典型立体气候特征。地带性土壤为红壤，从土体构造来说，大范围分布松散沉积层，均为晚新生代地层，为水土流失等系列生态环境问题和自然灾害的发生提供了基础条件。同时，昆明市中部及东南部碳酸盐地层广泛分布，大面积喀斯特区域内镶嵌着非碳酸盐岩景观，容易发生水土流失，国土空间开发适宜区与石漠化恶劣区相间排列。

昆明市土地利用类型中以自然和半自然生态系统为主，农用地面积最大，占总面积的87.43%，其中耕地所占比例20.29%，园地所占比例2.41%，林地所占比例48.37%，草地所占比例11.18%，而人工生态系统比例较低，建设用地仅占7.9%(图1(b))。复杂多样的地貌，立体的气候等自然条件造就了昆明市复杂的生态环境，具有不少特有物种。

图1 昆明市高程图(a)及土地利用现状图(b)

1.2 数据来源及预处理

本研究使用的数据包括土地利用现状数据、DEM数据、土壤数据、气象数据、生态系统类型数据和NDVI数据等。其中：土地利用现状数据来源于昆明市自然资源和规划局；DEM数据为GDEM地形数据，空间分辨率为30 m，数据来自中国科学院地理空间数据云；土壤质地数据来源于第2次全国1∶100 万土壤调查成果，在数据加载后通过ArcGIS软件中的栅格重采样工具，将其空间分辨率转换为30 m×30 m;气象数据来自昆明市气象局12 个国家级气象站点2017 年的年度气象站点观测数据，包括气温、降水量等数据，通过ArcGIS软件中IDW反距离权重空间插值工具，将其由站点数据转换为空间分辨率为30 m×30 m的栅格数据；生态系统类型数据采用从土地利用变更调查数据中提取林地、草地、湿地和其他影响生态系统变化的地类；NDVI数据通过中国科学院地理空间数据云下载MODIS月合成数据(空间分辨率为500 m)，通过最大值合成法(MVC)计算2017年年值，并通过ArcGIS软件中的栅格重采样工具，将栅格分辨率转换为30 m×30 m；国家级、省级自然保护区、国家森林公园、湿地公园和地质公园等数据来源于昆明市自然资源和规划局地理国情普查成果数据；国家级和省级生态公益林等数据来源于昆明市林业和草原局。由于不同部门之间的调查标准和图斑划定不相同，因此在进行评价过程中，当数据之间存在差异性时，通过地理国情普查数据进行校核。

2 研究方法

根据《资源环境承载力和国土空间开发适宜性评价技术指南(试行)》、《云南省生态保护红线划定指南》和《自然生态空间用途管制办法(试行)》，基于昆明市生态环境现状，确定从生态系统服务功能重要性和生态脆弱性2 个方面来进行生态保护重要性评价[17]。其中，昆明市主导生态系统服务功能为生物多样性保护功能重要性、水源涵养功能和水土保持功能，主导生态脆弱性类型为水土流失脆弱性、石漠化脆弱性和沙化脆弱性。生态系统服务功能重要性越强，脆弱性越高，说明空间生态保护的意义越大，对空间开发的约束性越强。本研究在ArcGIS系统下叠加考量生态系统服务功能重要性和生态脆弱性，作为昆明市生态保护重要性等级的结果，最后将评价结果分为高、较高、中等、较低和低5 个等级，计算公式如下：

Si=Max(Mi，Ni)

(1)

式中：Si为单元空间内的生态重要性等级；Mi为生态系统服务功能重要性等级；Ni为生态脆弱性等级。i为各类生态系统服务功能重要性和生态脆弱性。

基于斑块集中度，再对综合结果进行修正，将相应等级的栅格转为矢量，并对矢量数据进行聚合面操作(ArcGIS软件Cartography Tools-Generalization-Aggregate polygons工具)，根据聚合地块的规模确定斑块集中度等级(表1)。对初判结果为高和较高等级图斑进行聚合操作，作为高、较高等级的集中度评价结果；对初判结果为中等及以上等级图斑进行聚合操作，作为中等等级的集中度评价结果；对初判结果为较低和低等级图斑，不进行该项修正。根据昆明坡度较大的特征，取最小聚合距离50 m。

表1 生态斑块集中度评价分级阈值

按照判别矩阵(表2)，对生态保护重要性等级初判结果进行修正。

表2 生态保护重要性等级判别矩阵

2.1 生态系统服务功能重要性评价

生态系统服务功能是指人类直接或间接从生态系统中获取的利益[18],在分析生态系统结构、过程与生态系统服务功能关系的基础上，分析生态系统服务功能特征，按其对全国和区域生态安全的重要性程度划分重要性等级。本研究以昆明市气候、植被、土壤、地形等数据为基础，选择生物多样性维护[19]、水源涵养[20]、水土保持[21]等3个评价指标进行生态系统服务功能重要性评价。

其中，由于物种生物多样性主要通过《云南省生物物种红色名录》进行管护，对于物种空间分布位置不够明确，相关调查和研究工作也较少，因此本研究在进行生物多样性评价主要是通过各类自然保护区的分类实现，参考《湖南省资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价技术指南(试行)》，对国家级、省级、市级自然生态区域根据表4分别赋予不同的分值，分值越高则重要性等级越强，并且将滇池保护区1、2、3级分别按照重要性赋值为极度重要、高度重要、中等重要3个等级，从而评估市域生物多样性重要性保护格局。水源涵养功能重要性评价则以昆明市不同生态系统类型的水源涵养能力为依据，通过降水量、不同生态系统类型等因素设定指标因子，通过水量平衡方程来衡量昆明市生态系统的水源涵养能力。水土保持功能评价以水土保持量(潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量的差值)作为评价指标，采用修正的水土流失方程(RUSLE)进行计算，从而确定识别现状和未来承担水土保持功能的重点区域。

最后通过ArcGIS叠加分析以上3个单层服务功能性评价指标，得到昆明市生态系统服务功能重要性评价结果。对各个单层及综合层结果均进行分级赋值，评价结果均由高到低划分为高、较高、中等、较低和低5 个等级。计算公式如下：

Mi=Max(A1i,A2i,…,Ani)

(2)

式中：Mi为第i单元空间上的生态系统服务功能重要性等级；A1i,A2i,…，Ani为第i单元空间上的单因素生态系统服务功能重要性等级。不同生态区域类型重要等级及赋值见表3。

为保证昆明市丰富的生物物种多样性得到充分保护，将生物多样性维护功能重要性的分级赋值标准进行细化(表4)。

表3 生态系统服务功能重要性评价指标体系

表4 生物多样性维护功能重要性分级赋值表

2.2 生态脆弱性评价

生态脆弱性是指生态系统对区域内自然和人类活动干扰的脆弱程度, 他反映区域生态系统在遇到干扰时,发生生态环境问题的难易程度和可能性的大小,并用来表征外界干扰可能造成的后果[23-24]。即在同样干扰强度或外力作用下, 用来表征生态失衡与生态环境问题的可能性大小。本研究根据昆明市的生态特征和面临的生态问题，选取的评估指标为水土流失脆弱性[25]、石漠化脆弱性[10]、沙化脆弱性[26]等3个评价指标来综合评价昆明市的生态脆弱性。

水土流失脆弱性选取降雨、地形、土壤、植被覆盖等作为评价因子，以通用水土流失方程为基础，运用公式对昆明市水土流失脆弱区进行评价。石漠化脆弱性选取生态系统类型、地形坡度、植被覆盖等因子进行评价。沙化脆弱性利用干燥度、起风沙天数、土壤质地和植被覆盖度等因子对昆明市土地石漠化脆弱性进行评价。通过ArcGIS叠加分析以上3个单层脆弱性评价指标，得到昆明市生态脆弱性评价结果。对各个单层及综合层结果均进行分级赋值，评价结果均由高到低划分为高、较高、中等、较低和低5个等级。计算公式如下：

Ni=Max(B1i,B2i,…,Bni)

(3)

式中：Ni为第i单元空间上的生态脆弱性等级；B1i,B2i,…,Bni为第i单元空间上的单因素生态脆弱性等级。

依据表5公式计算各类评价因子，其中单层分级赋值情况详见表6。

表5 生态脆弱性评价指标体系

表6 生态脆弱性各指标层分级赋值表

3 结果与分析

3.1 生态保护重要性的单层评价成果

由生态保护重要性单层评价结果可知：昆明市生物多样性维护功能重要性等级高和较高区域面积为3 109.85 km2，占市域面积的14.80%，包括西山国家森林公园、石林自然保护区和阳宗海自然保护区等，主要分布于石林县、东川区和寻甸县等(图2(a))；水土保持等级高和较高区域面积为1 313.52 km2，占市域面积的6.24%，主要分布在东川区、禄劝县、寻甸县、嵩明县北部等北部山区及滇池附近区域(图2(b))；水源涵养等级高和较高区域面积484.62 km2，占市域面积的2.31%，主要分布在盘龙区北部、嵩明县西部、晋宁区南部，在滇池流域也有一定分布(图2(c))；水土流失脆弱性等级高和较高区域面积为551.04 km2，占市域面积的2.63%，主要分布在主城5区和寻甸县、嵩明县等。由于这些地区的植被覆盖度较低，并且土壤侵蚀性较高，故易发生水土流失(图2(d))；石漠化脆弱性等级高和较高区域面积为1 878.65 km2，占市域面积的8.98%，主要分布在东川区、寻甸县、禄劝县，晋宁区、西山区也有少量分布(图2(e))；由于昆明市拥有丰富的林业资源和广阔的植被覆盖，其沙化脆弱性评价结果均在中等及以下(图2(f))。

图2 昆明市各类生态服务功能重要性和生态脆弱性等级图

3.2 综合评价结果

将上述单层评价结果按照极大值法进行集成之后，得到昆明市生态系统服务功能重要性和生态脆弱性的评价结果。由图可见：昆明市生态系统服务功能等级高和较高区域面积为4 515.76 km2，占市域面积的21.51%，集中在东川区、禄劝县、寻甸县中部、石林县中部以及嵩明县西部地区(图3(a))；生态脆弱性等级高和较高区域面积为7 364.59 km2，占市域面积的35.05%，主要分布在东川区、禄劝县和寻甸县等，并且在主城区也有一定的分布(图3(b))。说明昆明城市周边区域的生态脆弱性较高，建议在进行城市建设时及时采取有效措施，预防生态脆弱区受到破坏。

图3 昆明市生态系统服务功能重要性等级图和生态脆弱性等级图

将生态系统服务功能重要性和生态脆弱性评价结果进行综合，得出昆明市生态保护重要性评价(图4)。由图4可见：极重要和重要区域面积为6 324.96 km2，占市域面积的30.1%，主要分布在东川区、禄劝县、寻甸县、石林县和晋宁区南部等，此区域生态系统服务价值显著，可作为生态保护红线的参考范围；一般重要区域面积为9 962.04 km2，占市域面积的47.41%，主要分布于安宁市、宜良县、禄劝县和主城区部分地区，此部分区域生态系统服务价值一般，可作为划定生态保护空间的备选区；较低重要区域面积为4 690.00 km2，占市域面积的22.32%，主要分布于安宁市、宜良县、石林县和晋宁区等，此部分区域生态系统服务价值较低，可作为进行生态修复和国土综合整治的备选区。

各区县均呈现出生态保护重要性评价高和较高所占比例较少，大部分评价结果为中等和较低的趋势。各区县生态保护重要性占昆明市总面积比例如图5所示。由图5可知：分区县看，生态重要性高的区域主要集中于禄劝县、寻甸县、东川区等北部地区和石林县；生态重要性较高的区域主要分布于禄劝县、寻甸县、东川区等北部3个山区县和晋宁区；生态重要性中等的区域分布相对广泛，在各县均有分布；生态重要性较低的区域主要分布于安宁市、石林县和宜良县等。因此，北部3个山区县作为生态保护的核心区域，在昆明市生态重要性保护中占据重要角色，在进行分区域保护时，应针对此区域建立更完善的生态环境保护政策和机制。

图4 昆明市生态保护重要性等级图

图5 昆明市各区县生态保护重要性等级分布图

3.3 重要指标分析

本研究在单层评价和综合评价的基础上，根据各生态重要性和脆弱性的因子的贡献程度，发现生态保护重点区域(生态系统服务功能重要性和脆弱性等级为高和较高)的生物多样性功能重要性、石漠化脆弱性和水土保持重要性所占比例最高，分别达到45%、24%和17%。说明生物多样性功能重要性是构成昆明市生态重要性贡献最大的因子，其次是石漠化脆弱性、水土保持功能重要性。因此得出昆明市生态保护红线的主导功能和关键生态系统特征，昆明市在进行生态保护过程中，应从维护生物多样性功能、防护石漠化和开展水土保持项目等视角出发，有针对性地加强生态环境治理体系和治理能力现代化水平。

图6 生态保护重点区域各因子面积所占比例

4 讨论与结论

4.1 讨论

合理有序的生态空间格局对支撑自然生命系统、维系生态安全和实现空间有序合理配置发挥重要作用。目前我国尚未建立完整的生态空间保护制度，将生态保护红线与生态保护空间优化调整工作落到实处，是进行国土空间规划的重要前提。生态保护重要性和脆弱性分析有利于科学地划定生态空间格局，为国土空间规划中生态红线和生态空间划定提供依据。本研究针对生态保护重要性和脆弱性的单因子分析结果，可为制定“分类”的生态保护政策提供应用基础，如：针对水土流失、石漠化脆弱性严重的地区，可在这些地区采取有针对性地国土综合整治和生态修复措施；针对生物多样性维护功能极重要的地区，可在这些地区加强生物多样性物种调查与保护，通过建立以国家公园为核心的自然保护地体系，保持生态系统、物种和动植物基因多样性的丰富度。因此，明晰生态保护重要性单因子重要性或脆弱性，分析其空间分布，可为下一步国土空间规划中的综合整治和生态修复提供参考。本研究可为昆明市划定“分区”生态管控规则，细化完善生态保护红线管理机制提供依据。其中：较高及以上重要性区域以生态保护为主导，实施严格的人员和产业准入清单；一般重要性区域可依托区域重要生态资源优势，在合理维护、改善生态系统服务功能的同时，开展适当的生态-经济活动；较低重要性区域允许在不破坏生态系统结构和功能的基础上，适度开展一定规模的经济开发活动，同时针对生态脆弱性较低的区域开展生态修复工作。

与其他区域相关研究不同，本研究探索了昆明市独特的生物多样性维护功能重要性保护诉求，提出分区分类的保护策略。云南省是我国生物多样性最为丰富的省份，也是全球34个物种最丰富且受到威胁最大的生物多样性热点地区之一，然而，昆明的生物多样性保护还没有形成完整的体系，因此甄别生物多样性维护功能极重要区域分布，将为生物多样性修复和生态补偿机制提供理论基础。本研究的评价系统仅针对该区域特定时间节点进行的生态保护格局分析，未开展长时序的生态系统演变过程研究，进一步的研究可从“时—空”2 个角度对研究成果进行扩展。

4.2 结论

本研究依据昆明市实际情况，对昆明市自然资源环境禀赋和生态环境进行分析，选取了生态系统类型、植被覆盖、土壤性质、地形地貌、自然保护区及各类国家公园等多源数据，构建了基于生态系统服务功能重要性和生态脆弱性两方面的生态保护重要性评价体系，分别从生物多样性、水源涵养、水土保持功能重要性及水土流失、石漠化、沙化脆弱性这6个单层来对昆明市生态功能进行逐级评价。主要结论如下：

1)通过要素空间叠置制图和最大值法对昆明市生态保护重要性进行定量评价，可得出昆明市生态保护重要性等级高和较高的面积为6 324.96 km2，所占比例30.1%，主要分布于北部山区、滇池流域和石林石漠化地区，该区域可作为划定生态保护红线的主要区域；

2)从区域分布来看，禄劝县、寻甸县、石林县和东川区等区县的生态高重要性区所占比例最大，这些区域主要分布于北部地区，从空间上可判断出这些区域是昆明市生态功能重要、生态脆弱性高、生态战略地位重要的地区，因此针对此区域应建立更完善的生态环境保护政策和机制；

3)从评价因子来看，生物多样性维护功能重要性是构成昆明市生态重要性贡献最大的因子，说明昆明市在生物物种多样性保护方面具有重要作用。通过对昆明市生态功能重要性的分类型判断，可得出未来昆明市生态保护管护的主要功能导向和空间范围，为分区分类的空间治理提供依据。