基于生态系统服务功能的滇池流域关键性生态用地识别

刘 林，雷冬梅※，冉玉菊，张 渊,2

（1.云南财经大学城市与环境学院，昆明 650221；2.昭通学院地理科学与旅游学院，昭通 657000）

0 引 言

土地是人类生存和发展的物质载体，在各种土地利用类型中，生态用地发挥着保护地区生态安全、维护区域生态平衡的作用，并提供生态系统服务[1-4]。生态用地提供的生态系统服务功能是人类生存发展的保障[5]。自推进城镇化建设与经济发展以来，大量生态用地被占用、开发、破坏，导致生态环境不断恶化、生态安全问题凸显，使得生态系统面临严峻威胁[1-2,6-7]。关键性生态用地是保护生态环境、维持生态系统服务功能良性循环，为社会提供必需生态空间的底线型生态用地[1-3]，对维护区域生态系统稳定不可或缺。与非关键性生态用地相比，关键性生态用地在水源涵养、生物多样性保护等主要生态系统服务功能方面发挥极其重要的作用[1-2,4,6]。因此，识别与确定提供区域主要生态系统服务功能的关键性生态用地，对合理利用和规划生态用地、维护区域的可持续发展具有重要的现实意义。

现有研究对生态用地无统一界定，国外学者主要从土地生态价值角度进行生态用地的界定[8-12]，国内学者主要从生态系统服务功能角度对生态用地进行概念界定[1,13-14]。

目前，生态用地研究主要集中在生态用地类型划分及功能区划[6,14]，生态用地时空演变规律及区域环境效应、生态系统服务价值变化等方面[15-17]。而生态用地识别研究主要聚焦于识别方法的探讨、重要等级的划分[3-4,18-19]，但对关键性生态用地的识别与范围划定研究较少[1-2]，且已有的研究中研究对象多为某单一生态系统或城市群[2,4,6]，研究区域主要集中于平原地区[1-2,4,16]，涉及高原湖滨区域的生态用地识别研究极为薄弱。区域关键性生态用地识别，要根据生态系统服务功能与自然地貌的连续性[1-4]，统筹考虑土地利用现状进行科学界定。而高原湖滨区域生态用地识别与保护问题非常突出，选取生态脆弱高原湖滨区域滇池流域为研究区开展关键性生态用地识别研究具有典型性。

作为典型的高原湖滨区域，滇池流域地处长江、珠江和红河三大水系分水岭地带，生态环境极为脆弱，水源涵养、生物多样性保护、水土保持及景观休闲是该区最主要的生态系统服务类型[20]，生态用地对流域生态稳定起着重要作用。但随着城镇化的不断加速，滇池流域生态用地受到严重的侵占和破坏，生态系统服务功能下降，为平衡城镇化发展与生态保护，急需识别对维护流域生态安全具有重要意义的关键性生态用地。本研究以滇池流域为例，基于 ArcGIS10.2，采用最小累积阻力模型（MCR），基于研究区重要的生态系统服务功能及土地利用现状，识别流域关键性生态用地，以期为高原湖滨区域生态用地规划利用方面提供科学、有效的指导，为区域生态空间优化提供参考依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

滇池流域位于 102°30'－103°02'E，24°28'—25°23'N，居云贵高原中部，属于亚热带季风湿润性气候，年温度为15 ℃，年平均降雨量935 mm，是典型的高原流域。滇池流域处于昆明市域内，面积约2 900 km2，约占市域14%，主要包括昆明市五华区、盘龙区、西山区、官渡区、呈贡区、晋宁区、嵩明县等行政区（图1），整个流域的经济发展与昆明主城甚至整个昆明市的经济发展联系密切[20]。近十年来，昆明市城镇化率从 64%提高到 73%，城市化进程不断加速。作为云南省城镇化水平最高的区域，滇池流域着重强调生态保护与经济发展平衡；维持良好的生态环境，保护关键性生态用地成为滇池流域城镇化背景下的重要命题。

1.2 数据来源

本研究所需数据源主要包括Landsat 8 OLI_TIRS 卫星影像数据（2019年）、航空影像图（2019年）、DEM（30 m×30 m）、坡度等空间数据。首先，应用ENVI5.3 对影像图进行几何校正、裁剪以及监督分类，从而获取研究区土地利用类型图，其Kappa指数为0.89；其次，通过ArcGIS10.2对已有的土地利用类型图进行矢量转化，并利用航空影像图进行校核，进而获取研究区2019年矢量格式的土地利用空间分布信息。本研究中栅格大小均为30 m，所有图层数据投影均为Transverse_Mercator，投影坐标系WGS_1984_UTM_Zone_48N。土地利用分类参照《土地利用现状分类（GB/ T21010- 2017）》，结合研究区实际情况，将研究区划分为林地、草地、水域、农用地、其他用地和建设用地 6类，从而建立研究区土地利用信息数据库。

2 研究方法

首先，基于生态系统服务内涵与滇池流域特征，选取水源涵养、生物多样性保护、水土保持以及景观休闲等生态系统服务功能，通过定性赋值，开展生态用地重要性单因子评价；其次，对各单因子分析结果进行综合叠加，得到生态用地重要性综合评价结果；最后，以重要性综合评价结果中面积大于10 km2的极重要等级生态用地作为“源”，以土地利用类型构建阻力面，基于最小累积阻力模型识别出研究区关键性生态用地。

2.1 基于生态系统服务功能的生态用地重要性评价

2.1.1 单因子评价

滇池流域是典型的高原湖滨区，以滇池为主的大面积蓄水区域发挥涵养水源、维持水环境稳定的作用，同时以西山为代表的自然保护区等拥有丰富的林种，为生物生存与活动提供了栖息场所，也在水土流失、滑坡防治等方面起着重要作用，同时滇池流域也发挥着游憩休闲的作用[18]。因此，参考相关研究并结合流域特征[13,21-23]，从水源涵养、生物多样性保护、水土保持以及景观休闲等 4个方面分别构建指标进行生态用地重要性单因子评价，形成的评价指标及分级标准如表1所示，划分成极重要、很重要、重要、一般重要和非重要 5级，分别赋值 10、8、5、3、1 等[2-4]。

1）水源涵养重要性

水源涵养功能有利于流域内水循环系统与生态系统交相呼应，促进生态系统稳定，保有流域水资源储蓄量[24-25]。选择距水源距离、土地覆盖类型、DEM对研究区生态用地水源涵养重要性进行综合评价。其中，距水源距离指标，基于滇池流域水域分布状况，通过ArcGIS10.2中多环缓冲区工具获得；土地覆盖类型指标，对2019年土地利用类型图进行赋值并划分重要等级[4]；DEM 指标，通过标准差法进行等级划分并赋值。根据相关研究[2-4,6]，通过自然间断点分级法，获取3个指标的划分准则，结果见表1。对选取的3个指标因子进行叠加分析时，取其最高值[2]，计算公式如下：

表1 生态功能重要性评价指标及分级标准Table 1 Evaluation factors and classification criterion of different ecosystem function importance

式中W为水源涵养指数；W1为距水源距离，m；W2为土地覆盖类型；W3为DEM，m。

2）生物多样性保护重要性

生物多样性保护功能在物种的数量、种类以及各子系统稳定方面发挥重要作用[24-25]。选取生境敏感性、植被覆盖度、人类活动影响强度进行生态用地生物多样性保护重要性评价。

生境敏感性指标，参考相关文献[1,4]，计算公式如下：

式中B1为生境敏感性；l为土地利用类型；P为生物多样性服务当量；m为修正值，其中有林地、疏林地修正值为 1.75，自然景观区、综合公园、专业公园修正值为1.5，人工景观区修正值为1.25，其余为1[1-2]。

植被覆盖度指标，以滇池流域 NDVI值作为评价指标，通过ArcGIS10.2中地图代数工具进行计算。计算公式如下：

式中B2为植被NDVI值，Bandn为n波段的遥感影像图，Bandn-1为n-1波段的遥感影像图，借助自然间断点分级法将NDVI值划分为5类，本研究选取波段4与波段5进行计算。

人类活动影响强度指标，根据人类活动对生态用地扩张的影响大小计算。

根据表1，对划分结果进行几何平均叠加[4]，生物多样性保护指数计算公式如下：

式中B为生物多样性保护指数；B3为人类活动影响强度。

3）水土保持重要性

水土保持功能通过自身结构弱化外力对土壤的侵蚀破坏以及维护土壤保水能力[24-25]。选取坡度、地表植被根系的水土作用、地形位等级对生态用地水土保持重要性进行评价。坡度指标，借助 ArcGIS10.2，采用标准差分类法将坡度进行重分类并赋值；地表植被根系的水土作用指标，表示植被根系对植物生长、吸收和保持水分养分具有重要作用[26]，依据地表植被水土保持功能大小进行重要性划分[4]；地形位等级指标，表示地形对区域的水土保持具有的作用[27]，计算式如下：

式中L3代表研究区内某一空间单元的地形位等级指数，E和分别代表此空间单位的高程值和整个区域的高程均值，m；S和分别此空间单位的坡度值和整个区域的坡度均值，(°)。

将3个指标进行加权叠加（权重分别为0.3、0.4、0.3）[14,27]，计算式如下：

式中L为水土保持指数；L1为坡度（°）；L2为地表植被根系的水土作用；L3为地形位等级。

4）景观休闲重要性

景观休闲功能是指生态系统的休憩、观赏作用[25]。选取自然游憩休闲适宜性进行景观休闲重要性评价。自然游憩休闲适宜性指数计算式如下：

式中J为自然游憩适宜性指数；l为土地利用类型；M为娱乐文化服务当量；n为修正值，其中公园修正值为1.75，自然、人工景观区修正值为1.5，有林地、疏林地修正值为1.25，其余为1[1-2]。

2.1.2 综合评价

已有研究多采用加权叠加或综合取高进行指标叠加计算[1,3,6]，此方法存在指标叠加结果客观性不足、忽略较低生态系统服务功能叠加效应等问题[4]。本研究采用“累计修正求和法”进行生态用地重要性综合评价分析[4]，可较好解决此问题，公式如下：

式中X、W、B、L、J分别代表生态用地综合评价指数、水源涵养单因子指数、生物多样性保护单因子指数、水土保持单因子指数、景观休闲单因子指数；如表2所示，按照累计修正求和法将生态用地单因子评价结果图进行叠加，将叠加结果按照划分标准划分成极重要、很重要、重要、一般重要、和非重要5级，分别赋值10、8、5、3、1等[2,4]，从而获取滇池流域生态用地重要性综合评价结果。

表2 生态用地综合评价标准Table2 Classification criterion of comprehensive assessment of ecological land

2.2 基于MCR模型的关键性生态用地的识别

MCR模型是一种有效的估算物种从“源”到目的地的移动过程中所需能量、物质、时间等所消耗代价的研究方法[28]。本研究中，以“源”（即面积大于10 km2的“极重要等级”生态用地）扩张面临的阻力值代表其生态系统服务功能提供能力，阻力值越大表明该生态用地的生态系统服务功能越弱，对整个流域的生态稳定的贡献就越小，反之亦然。因此，根据MCR模型确定的最小累积阻力值低的生态用地发挥着极其重要的生态系统服务功能，该生态用地即为关键性生态用地。本研究将对获取的最小累积阻力值进行划分，与 GIS相结合[28-29]，从而识别出关键性生态用地。MCR模型计算公式如下：

式中MCR指最小累积阻力值，Dij指生态用地从源i到j的空间距离，Ri表示源i对生态用地空间扩张的阻力系数，∫表示最小累积阻力与生态过程的正相关关系。该模型可通过ArcGIS 10.2软件的COST-DISTANCE模块实现。

1）“源”的确定

“源”是起点，具有同质及向外扩张或吸引外部的能力，是维护生态系统稳定和景观格局完整性的重要区域，是区域生态系统服务功能不被破坏的基本保障。研究区具有较高的生态系统服务功能价值，而发挥这些功能的生态用地不仅仅是水域和林地，还有其他的生态用地，因此本研究综合考虑研究区主要的生态系统服务功能，基于生态用地重要性综合评价结果，提取面积大于10 km2的极重要等级生态用的范围为“源”。

2）“阻力面”的构建

“源”地扩张的阻力面构建，本质上是物种水平空间运动的生态过程以及生态功能的流动与传递，主要受土地覆被状态和人为干扰程度的影响[2,4]。基于此，本研究以土地利用类型为阻力因子，构建研究区关键性生态用地识别“阻力面”，阻力值为1~500，值越大代表阻力越大，“源”的扩张成本也越大；不同的土地利用类型，如林地、草地、农用地、水域、其他用地及建设用地，分别赋予1、15、40、50、300及500的阻力值[2,4,30-31]。

3 结果与分析

3.1 生态用地重要性评价

根据构建的基于生态系统服务功能的生态用地重要性评价指标体系及划分标准，对研究区生态用地重要性进行单因子评价和综合评价，评价结果见表3、图2。从表3可以看出，本研究选取林地、草地、农用地、水域及其他用地为生态用地，总面积为2 267.55 km2，约占整个研究区总面积77.66%。

表3 滇池流域生态用地单因子评价结果Table 3 Single factor evaluation results of different ecological land in Dianchi watershed

基于水源涵养的单因子评价结果表明（图2a），极重要水源涵养生态用地面积1 450.13 km2，占研究区总面积49.66%，主要以大面积水域、林地为中心，呈现连片趋势，重要性向四周逐渐减弱，面积大小也随着重要性的降低而减小；涵盖滇池、松华水库等水域，三尖山、小湾山等林地，空间上呈现大面积连片，能发挥良好的涵养水源的作用。

基于生物多样性保护的单因子评价结果表明（图2b），极重要生物多样性保护生态用地面积227.36 km2，占研究区总面积7.79%，包括水域、林地等，如滇池、八家村水库、坝口山、大凹山至小背箩箐头等区域。各重要性等级的生态用地面积较为平均，且较为均匀的分散于整个研究区，人类活动强度影响着生态用地重要性等级，如活动强度较大的农用设施用地等区域重要性等级低，多为非重要等级与一般重要等级，人类活动较少区域的生物多样性保护功能较为完善，即极重要等级生态用地，发挥着保护生物、维护生态稳定的作用。

基于水土保持的单因子评价结果表明（图2c），极重要水土保持生态用地面积546.14 km2，占研究区总面积18.70%，主要位于研究区北部嵩明县滇源镇、阿子营街道的林地，包括五龙山、石鼓山、法界寺森林公园等，呈贡区、官渡区以及晋宁区的中部。这些区域呈不规则条带状，分布于整个研究区，整体上呈现小面积集聚，无大面积成片特征。

基于景观休闲的单因子评价结果表明（图2d），极重要景观休闲生态用地面积37.61 km2，仅占研究区总面积1.29%，主要分布于交通与水域通达、城镇边缘的区域，如滇池边缘、城市中心区边缘等，这些区域的特点为以小面积斑块集聚，各斑块之间相互独立，依附水域、远离城市经济中心，发挥着景观与休闲功能。

将各单因子评价结果叠加分析，得到生态用地重要性综合评价结果（图2e）。极重要生态用地面积1 238.36 km2，占流域总面积42.41%，地类多为林地、水域，主要分布在研究区北部、西南部和南部，包括滇池、松华水库、西山保护区等区域；很重要生态用地面积231.69 km²，占流域总面积的7.93%；重要生态用地面积315.86 km2，占比10.82%，主要分布于整个流域南部与东南部，如晋宁区与呈贡区中部，零散分布，斑块面积较小；一般重要生态用地面积286.24 km2，占比9.80%，零散分布于整个研究区；非重要生态用地面积195.39 km2，占滇池流域6.69%，集中分布于北部，一般重要与非重要综合生态用地紧密相邻。

3.2 关键性生态用地识别分析

3.2.1 “源”分析

基于研究区生态用地重要性综合评价结果，提取面积大于10 km2的极重要等级生态用地的范围为“源”（图3a），面积约为 984.40 km2，占流域生态用地面积43.41%，占流域总面积33.71%。主要包括滇池、松华水库等大面积水域，晋宁区内的砌石磨山至石官坡垭口、苏家大山至偏头山等，盘龙区金刚山、莽梁山等区域。这些区域对研究区生态系统服务功能的发挥具有最重要的作用，能满足较高的生态需求。

3.2.2 “阻力面”分析

借助ArcGIS10.2软件，通过对研究区遥感影像图解译，获取研究区2019年土地利用类型图（图3b），基于此构建研究区“阻力面”（图3c）。高、中与低阻力区面积分别为769.12、960.06、1 190.82 km2。高阻力区主要分布于研究区中西部，是昆明市市中心所在地，经济发展与人类活动强度较高的区域。高阻力区在“源”地的扩张过程起着明显的阻碍作用，中阻力区是高、低两阻力区的缓冲地区，低阻力区对生态“源”地的扩张阻力较小，为远离城镇等人类活动强度大的区域。

3.2.3 关键性生态用地分析

基于MCR模型，根据上述分析获得的“源”与“阻力面”，识别出研究区关键性生态用地（图3d）。关键性生态用地面积为1 216.30 km2，占流域总面积41.65%，主要分布于流域北部、中西部及东部边界，空间上呈现大型斑块为主，小型斑块分布于各大型斑块中的特征；主要包括滇池、大石头水库、松华水库、天生坝水库等大面积水域，棋盘山、金殿、龙川桥及东大等森林公园。关键性生态用地中面积最大的是林地与水域，其次为农用地、草地和其他用地；其中林地斑块面积为774.53 km2，占研究区总面积26.52%，水域斑块面积为306.39 km2，占研究区总面积10.49%；农用地、草地和其他用地斑块面积分别为68.74、44.79、21.85 km2，分别占流域总面积2.35%、1.53%、0.75%，因此需重点保护林地及水域，例如滇池、棋盘山森林公园、长虫山、西山等。关键性生态用地具有明显的涵养水源、预防水土流失、保护生物多样性，发挥景观休闲等作用，是维护流域生态平衡、生态安全最重要的区域，在生态系统服务功能稳定中发挥不可或缺的作用。严禁任何的建设活动，不得肆意破坏，必须严加保护；对于城区内的关键性生态用地要紧密结合现有的公园及景区等，构建城市绿色生态网络，达到保护与利用相结合，从而保证研究区生态系统服务功能的稳定。

4 讨 论

国内外对生态用地识别的研究，针对不同尺度、不同地域的研究区，采用的方法不同，适用性也不同。本研究中，基于流域尺度，采用MCR模型对滇池流域关键性生态用地进行识别研究，发现关键性生态用地涵盖了大面积水域、林地等土地利用类型，发挥着重要生态系统服务功能，能够有效反映研究区生态系统的基本特征，表明MCR模型具有较强的适用性。这与谢花林等研究结果相类似[1-4]。在构建 MCR模型时，综合考虑滇池流域主要生态系统服务功能，选取生态用地重要性综合评价结果中面积大于10 km2的极重要等级生态用地为“源”，减少了因仅考虑面积大小，直接选取大面积水域、自然保护区而忽略其他具有重要生态系统服务功能的生态用地造成的误差[3-4]。因此，MCR方法在聚焦生态用地自身生态系统服务功能基础上，也可关注各用地之间生态过程的内在联系，并具有数据获取容易、运算便捷、结果直观及实用性较强等特点[19]。

本研究基于生态系统服务功能识别出滇池流域的关键性生态用地，明确了关键性生态用地是维护区域生态系统服务的最关键、最高效、不可替代的土地单元[1,4,6]，为研究区生态用地的保护和合理利用提供了依据。将关键性生态用地与生态用地重要性综合评价结果进行空间叠加，发现极重要等级生态用地83.19%在关键性生态用地范围内，而很重要等级生态用地则不在此范围内，主要原因是采用MCR模型时，仅提取面积大于10 km2的极重要等级生态用地为“源”地。为保护和合理利用生态用地，由于关键性生态用地中包含大面积水域和林地，需要建立相应的生态廊道来维持其面积、数量和质量；同时，可通过建设道路林、绿化带以及整合湿地公园等方式，增加各大型斑块之间的联系，提高研究区景观连通性以及各生态用地之间的物质、能量的流动，从而保障流域生态系统功能稳定。

本研究实践证明，以生态系统服务功能为切入点，利用 MCR模型能识别出滇池流域中具有最重要生态功能的生态用地，可为快速城镇化背景下区域生态用地空间保护和合理规划提供参考依据。但是，本研究在生态用地重要性评价方面，基于高原湖滨区域本身的生态环境特点，城镇化进程中建设用地需求等方面的考虑，仅选取了水源涵养、生物多样性保护、水土保持、景观休闲等 4个生态系统服务功能，今后的研究中可以把更多的生态系统服务功能纳入进一步考虑。

5 结 论

1）本研究从水源涵养、生物多样性保护、水土保持及景观休闲 4个生态系统服务功能入手分析得到各单因子的生态用地，进而获得滇池流域生态用地的综合评价结果，并分为极重要、很重要、重要、一般重要、非重要 5种。其中，极重要等级生态用地占比最大，面积1 238.36 km2，占流域总面积42.41%。

2）基于MCR模型，以生态用地综合评价结果中面积大于10 km2的极重要等级生态用地作为“源”地，以土地利用类型构建“阻力面”，识别出滇池流域关键性生态用地。关键性生态用地面积为1 216.30 km2，占流域总面积41.65%，地类包括林地、水域、草地、农用地及其他用地，面积分别占研究区总面积的26.52%、10.49%、1.53%、2.35%、0.75%。主要分布于滇池流域北部、中西部及东部边界，是维持流域生态系统服务功能稳定的底线型生态用地。