基于生态系统服务功能的东江流域关键性生态空间识别

李恒凯，李淑芳,，郑春燕，邓昊键

（1. 江西理工大学土木与测绘工程学院，赣州 341000；2. 嘉应学院地理科学与旅游学院，梅州 514015）

0 引 言

国土空间生态安全是经济建设的基础，党的第十八次全国代表大会指出，“要大力开展生态文明建设，以形成科学的、合理的农业-城市-生态安全的发展格局，以实现国土空间开发格局的优化”。党的第十九届五中全会中指出，“要维护生态安全底线，包括生态系统服务功能、山水林田湖草空间，以及生态系统的自然环境承载能力”。关键性生态空间（Critical Ecological Space，CES）是指在生态空间范围内，对实现生态系统服务功能、维持生态敏感性因子稳定具有支撑、保障作用，维系生态安全格局、保障社会经济可持续发展的基础性空间，其识别能够为确定国家永久基本农田的范围、生态保护红线的边界、城镇开发的界线提供科学参考依据，可以更好地保障国土空间生态安全，也是现阶段生态保护的首要工作。

目前，国内外学者在CES识别的研究主要集中在生态系统服务功能重要性、生态敏感性、城市绿地空间及生态安全格局的构建等方面，如：Zarandian等基于InVEST模型评估了生态系统服务功能并对伊朗北部的Sarvelat和Javaherdasht保护区进行了空间规划；刘林等基于生态系统服务功能并利用MCR模型对滇池流域进行了关键性生态用地的识别；朱立晨等采用NPP（Net Primary Productivity）定量评价法对闽三角区域生态系统服务重要性评价，证实了该方法适用于大中尺度的研究；Kebede等利用RUSLE模型，进行了上贝莱斯流域的水土流失空间识别，取得了良好的效果；Vasu等基于GIS与RS技术评估孟买城市绿地在街区间的分布，便捷有效地识别出城市绿地空间；彭建等从地质灾害敏感性方面构建了云南省玉溪市的山地生态安全格局；Zong等从生态敏感性与生态系统服务功能重要性建立了生态安全重要性指标体系，进而划定了生态安全空间。当前CES的识别多局限于生态环境自身状况或服务重要性的辨识，而综合考虑生态系统服务功能重要性与生态敏感性的研究相对较少。从研究方法看，CES的划定主要有以下两种方法：一是以遥感影像为基础，根据有关资料，将生态用地、自然保护区等核心区直接划为CES；二是依据《生态红线划定指南》，从生态系统服务功能、生态敏感性，构建符合区域特征的综合指标体系进而划分CES。前者相对简单易操作，但评价指标的选取主观性较强，准确度难以把握，后者可根据地域分异特征，从多方面选取指标，更加全面、灵活，准确度较高，更适合区域CES的识别评价。本文考虑到研究区地处典型的南方红壤生态脆弱区，故在指标选取时，使用符合该研究区的地域特征的评价模型并综合考虑其各生态过程。即本文在构建各单因子评价过程中，使用南方山区日降雨模型获取降雨侵蚀力因子，并且根据具有相同地域特征的相关研究，确定水土保持因子等，以获取各项评价因子。在NPP定量评价法的基础上，进一步构建符合当地的评价指标体系，以使得关键性生态空间辨识结果更加精准。同时，也能够为具有相同地域特征的区域CES识别提供一定的参考依据。

东江流域地跨粤、赣两省，是广东及香港地区的重点水质保护区及重要饮用水源地。该流域属于中国典型的南方低山丘陵区、南方生态脆弱红壤区，水土流失频繁，生态环境相对脆弱。近年来，该流域经济高速发展，生态环境问题日益突出，因此亟需辨识其关键性生态空间，以维护流域生态安全与可持续发展。本文综合考虑其重要的水源涵养功能、水土保持功能、生物多样性功能3种服务功能及流域内典型的水土流失敏感性、地质灾害敏感性2种生态敏感问题，对东江流域进行区域CES识别，以期为东江流域有效实施分区管控、制定生态保护策略等提供科学依据。

1 研究区域概况与数据来源

1.1 研究区概况

东江流域坐落于广东省东北部、江西省南部，南部邻接香港，介于113°～116°E，22°～26°N之间，主要涉及赣州、河源、韶关、增城、东莞、惠州、深圳等城市（图1）。地处亚热带季风气候区，年平均气温相对适宜，流域内变化较小，地区差异较为明显；年平均降雨量丰沛，主要集中在4月份至9月份，南部降雨量普遍高于北部；地势西北高、东南低，地形较为破碎，各种自然资源丰富，上游主要种植脐橙、百香果，为东江源地，下游地势较为平坦，为经济发达城市。

图1 东江流域示意图Fig.1 Overview of the Dongjiang River Basin

1.2 数据来源

本文所用数据包括：NPP（植被净初级生产力）、NDVI（归一化植被指数）、气象数据、DEM（数字高程模型）、土壤数据、土地利用数据及部分市县国土空间规划数据，具体数据参数如表1所示。将空间数据都重采样至250m的空间分辨率，并转换为WGS-1984坐标系。

表1 数据说明Table 1 Data specification

2 研究方法

本文依据生态红线划定指南的内涵，借助GIS空间分析平台进行关键性生态空间辨识。首先构建东江流域生态系统水源涵养功能、水土保持功能、生物多样性功能服务能力指数，以及水土流失、地质灾害敏感性指数；其次，计算上述各指数并进行分级赋值，完成单因子生态系统服务功能或生态敏感性的识别；最后对各单因子进行空间叠加分析，完成综合关键性生态空间识别。

2.1 生态系统服务功能重要性评价

NPP定量评价法对于大中尺度、地域特征明显地区更具有适用性，在辨别区域生态系统主要功能的基础上，获取的评估结果更具可靠性。因此，本文采用NPP定量评价法，对生态系统服务功能进行评价，评价结果用自然间断法（Jenks）进行分级赋值，如表2所示。

表2 生态系统服务功能重要性量化分级Table 2 Quantitative classification of ecosystem service function importance

2.1.1 水源涵养功能

水源涵养功能用生态系统水源涵养服务能力指数评估，计算公式如下：

式中NPP为多年（21a）植被净初级生产力平均值（g/cm）；F为土壤渗流因子，F=/13，其中为USDA土壤质地分类；F为多年（21a）平均降雨量（mm），经普通克里格插值并进行归一化；F为坡度（°），由DEM计算并进行归一化。

2.1.2 水土保持功能

水土保持功能用水土保持服务能力指数S评估，计算公式如下

式中为土壤可蚀性因子，经普通克里格插值并进行归一化。

2.1.3 生物多样性功能

生物多样性功能用生物多样性保护服务能力指数S评估，计算公式如下：

式中F为多年（21a）平均气温（℃），经普通克里格插值并进行归一化；F为海拔，由DEM计算并进行归一化。

2.1.4 生态系统综合服务功能

采用析取算法，计算生态系统综合服务功能重要性指数ESI。

2.2 生态系统敏感性评价

2.2.1 水土流失敏感性

东江流域水土流失敏感性用水土流失敏感性指数SS评估。将各评价因子进行标准化，并进行空间叠置分析，其评价结果用自然间断法分级赋值，计算公式如下：

式中为降雨侵蚀力因子；为坡度坡长因子，=·，无量纲；为植被覆盖与管理因子；为水土保持措施因子，为坡度因子。

：采用南方山区日降雨侵蚀模型。

式中D为第天的日降雨量（D≥12 mm），否则记为0；和为模型参数；P为日平均降雨量，mm；P为年平均降雨量，mm。

：根据已有研究，采用目前应用较为广泛的EPIC模型。

式中为修正前的；为土壤砂粒质量分数，%；为粉粒质量分数，%；为黏粒质量分数，%；为常数，=1-/100；TOC为有机碳质量分数，%。

：根据已有研究，不同的坡段的计算可使用Moore等提出坡长因子的算法。

式中为坡长；为坡度坡长指数；表示坡度，%。

：缓坡、陡坡分别使用Liu等的公式计算。

式中为度数表示坡度，(°)。

植被覆盖度对植被覆盖与管理因子有重要的影响，以MODIS的NDVI为数据源，参照文献[3,28]，计算公式：

式中VFC为植被覆盖度；、为常数（其中=2，=1）。

：水土保持措施因子，是指有水土保持措施的土壤流失量与未采取该措施的土壤流失量之比，目前，多根据土地利用类型对进行赋值，如表3所示。

表3 水土保持措施因子赋值Table 3 Factor assignment of soil and water conservation

2.2.2 地质灾害敏感性

研究区常见的地质灾害类型为崩塌、滑坡、泥石流等重力型地质灾害与势能有关，而势能与海拔、植被覆盖度、地形起伏度、人类活动干扰度等密切相关。使用地质灾害敏感性指数GS进行地质灾害敏感性评估，计算公式如下：

式中G为第个评价指标的敏感性等级值，具体评价指标及赋值如表4所示。

表4 地质灾害敏感性评价指标及赋值Table 4 Evaluation index and assignment of geological hazard sensitivity

2.2.3 生态系统综合敏感性

采用析取算法，计算生态系统敏感性指数，公式如下：

2.3 关键性生态空间辨识方法

上述各单因子评价结果仅可体现某一类因子对生态系统的作用过程，要综合识别出东江流域的CES，需要整合上述5类指数的重要性进行分级赋值，计算各个栅格的综合生态用地指数，获取区域综合生态空间类型等级分布图，进而识别出CES范围。本文利用析取算法计算，公式如下

3 结果与分析

3.1 生态系统服务功能重要性评价

根据上述建立的方法，东江流域的水源涵养功能、水土保持功能、生物多样性功能各服务功能重要性及生态系统综合服务功能重要性评价结果如图2、图3所示。在生态系统综合服务功能重要性分级评价中，从面积占比来看，一般重要、中等重要、高度重要、极重要面积占比相对均衡，分别为23.40%、26.41%、25.40%、19.16%，流域的生态系统服务功能整体较强；从分布上来看，东江流域的中游、上游中部的生态系统服务功能重要性较高，下游较低。其重要性面积占比、分布都与水土保持功能较为一致，表明了东江流域的水土保持功能是生态系统综合服务功能的主导因子，而水源涵养功能、生物多样性功能主导力相对较弱，生态系统综合服务功能总体上呈现出下游＜上游＜中游。

图2 生态系统各重要性等级面积占比Fig.2 Area ratio of each importance level of ecosystem

图3 生态系统各功能重要性分级评价Fig.3 Grading evaluation of importance of ecosystem functions

在水土保持功能重要性分级评价中，极重要、高度重要区域面积占比分别为15.81%、22.29%，即水土保持能力较高的区域主要分布在东江流域上游的三百山风景区、中游的河源市的万绿湖风景区周边区域及下游的惠东的莲花山脉周边区域，土壤多为黏土壤土、壤土等质地，土壤可侵蚀性较低，因此该地区的土壤保水能高强且不易流失。从地形条件因素来看，海拔高、坡度陡峭的山区，人为扰动也相对较小。此外，NPP与植被分布有着密切的联系，这些NPP较大的区域，其植被覆盖较高，能够有效的减少地表径流流失、稳固土壤，水土保持能力较好。

在生物多样性功能重要性分级评价中，极重要、高度重要区域面积占比相对较小，分别为5.67%、1.29%，主要分布在象牙山、罗浮山、南昆山等自然保护区或风景区中。这些区域海拔较高，人为扰动小，原有的地表植被保留相对完整，因此，野生动物、植物的存活率较高。此外，东江流域中游、下游区域相对于上游降雨较丰沛，气温相对适宜，生物保护多样性保护功能较高。

3.2 生态系统敏感性评价

根据上述建立的评价方法，东江流域的生态系统敏感性评价结果如图4所示。

图4 生态系统各敏感性分级评价Fig.4 Grading evaluation of sensitivity of ecosystem

在生态系统综合敏感性分级评价中，以较敏感为主，面积占比为43.32%，均匀分布于流域各区，而极敏感与高度敏感的面积占比相对较小，总和仅为8.92%，主要分布在下游的东莞、惠州市市辖区及惠阳市、宝安等较为发达的粤港澳大湾区城市以及上游的寻乌，该地段的人类经济活动较为频繁，对生态环境的干扰较大，生态环境较为敏感；中游以不敏感和较敏感为主；上游以较敏感和高度敏感为主；相比较于上游，中游植被覆盖度较高、降雨较为丰沛、自然状况较好，且该区域地形起伏变化也较大，人为扰动相对较小；上游的生态敏感性较高，原因是当地主要种植脐橙、百香果，植被类型以果树为主，林分结构较为单一，加之其稀土资源丰富，过度开采、盗采情况较为严重，因此生态系统稳定性较于中游地区稍差。随着粤港澳经济不断发展，部分环境压力转移到上游，使其生态环境遭受破坏，水土流失、地质灾害风险增加。即生态系统综合敏感性呈现出中游＜上游＜下游。

水土流失敏感性分级评价中，以不敏感为主，面积占比为69.55%，主要分布于东江流域上游、中游；高度敏感、中等敏感、极敏感主要分布于下游的东莞市、惠州市市辖区、惠阳市、宝安区以及中游的增城市南部、博罗县南部地区，这些地区经济发达，活动频繁，对生态环境干扰力大，并且常年降雨丰沛，植被覆盖低，加之地形起伏较大，降雨侵蚀力强，极容易发生水土流失。

地质灾害敏感性分级评价中，不敏感、较敏感的面积占比分别为34.73%、44.17%，其中，东江流域中游地区以不敏感、较敏感、中等敏感为主，均匀分布于中游各区域；上游地区以较敏感和高度敏感为主，分布在安远、定南的中部区域、寻乌的西北部、中部及东南部地区沿山脊线呈不规则带状分布，极敏感则分布于较敏感和高度敏感区域的中心；下游以中等敏感、高度敏感为主，分布在东莞市及宝安区。常有崩塌、滑坡、泥石流等现象发生，可能是地区短时局部强降雨、地形起伏变化大等或人为开采稀土矿、切坡建房等诱发的。

3.3 关键性生态空间识别评价

将生态系统服务功能重要性、生态系统敏感性评价的极重要、极敏感区划为底线型生态空间，高度重要、高度敏感区划为危机型生态空间，中等重要、中等敏感划为缓冲型生态空间，较敏感、一般重要、不敏感、不重要划为适宜开发生态空间，如表5所示。

表5 东江流域关键性生态空间识别结果Table 5 Critical Ecological Spatial (CES) identification results of Dongjiang River Basin

底线型生态空间是维持现有生态系统功能最基本、不可突破的最低限制或临界区域，一旦破坏会导致生态功能不可恢复的极严重后果，它在生态环境中发挥着极为重要功能，但同时又是极为敏感区域。辨识结果与Google Earth影像进行叠加分析（图5a），可以发现这类空间基本涵盖了研究区的各类自然保护区，主要分布于东江流域中下游地区（西部：鲁古河自然保护区、南昆山国家森林公园、大封门森林公园、大金峰生态景区；中部：新丰江国家森林公园、万绿湖风景区、镜花缘生态旅游度假风景区；南部：罗浮山、象牙山国家级自然保护区；东南部：广东省惠东古田省级保护区），少部分分布在上游中部地区（三百山国家风景名胜区）。危机型生态空间是生态系统本身高敏感、高度重要生态系统服务功能的空间，若受到过多的人为干预，则容易导致生态系统功能的失调。因此将底线型生态空间与危机型生态空间划定为关键性生态空间，其总面积为16 734.48 km，所占比例为50.49%。危机型生态空间与底线型生态空间相比更接近于人类活动的区域，广泛的分布于下游地区以及底线型生态空间的周边地区，底线型生态空间则接近于国土空间规划中的生态红线划定空间。缓冲型生态空间面积为10 011.89 km，面积占比为30.21%，其分布相对均匀但相对破碎化。宜开发型生态空间面积为6 397.06 km，面积占比为19.30%，其分布广泛分布于危机型生态空间与缓冲型生态空间周边地区，分布也较为破碎。

CES辨别结果与部分市县国土空间规划图的生态保护红线比对较为一致（图5b）。底线型生态空间主要分布在惠州北部和东部，即罗浮山——南昆山生态屏障区、东江生态廊道、莲花山脉生态屏障区；增城市的北部和西部，位于增城市北部山地生态片区、西部山水生态片区，该区域主要为连绵起伏的生态山林；此外，还分布在河源市的北部和中部、安远县东部与寻乌县西部的交界处。

3.4 土地利用现状

将GlobeLand30的土地利用类型重新分为：草地、耕地、建设用地、林地（灌木地、森林）、水域（水体、湿地）、未利用地（裸地）共6大类。

3.4.1 生态系统服务功能重要性及土地利用现状

研究发现（图6），从水源涵养与生物多样性功能各重要性级别的土地利用占比来看，两者皆呈现出未利用地＜水域＜草地＜建设用地＜耕地＜林地；水土保持功能在不重要级别区域呈现出未利用地＜水域＜草地＜耕地＜建设用地＜林地，而在其他重要性级别区域则呈现出未利用地＜水域＜草地＜建设用地＜耕地＜林地。表明在林地面积较大的区域，植被覆盖度高，其对应的生态系统各服务能力也相应较高，而其他地类的影响相对较弱。随着重要性级别的提高，林地面积所占比例显著增加，而草地、耕地、建设用地和水域的面积所占比例均先增加后下降，未利用地所占比例呈现出平稳下降的趋势。表明生态系统服务功能增加发生在林地等植被覆盖区域，减少则在建设用地、未利用地等非生态用地区域。

3.4.2 生态系统敏感性及土地利用现状

研究发现（图7），从水土流失敏感性级别的土地利用占比来看，在不敏感和较敏感级别区域呈现出未利用地＜水域＜建设用地＜草地＜耕地＜林地，而在中等敏感呈现出未利用地＜水域＜草地＜建设用地＜林地＜耕地，在高度敏感和极敏感级别区域呈现出未利用地＜草地＜水域＜林地＜耕地＜建设用地；从地质灾害敏感性级别的土地利用占比来看，在不敏感级别区域呈现出未利用地＜水域＜建设用地＜耕地＜草地＜林地，在较敏感级别区域呈现出未利用地＜水域＜建设用地＜草地＜耕地＜林地，在中等敏感、极敏感级别区域呈现出未利用地＜草地＜水域＜林地＜耕地＜建设用地，在高度敏感级别区域呈现出未利用地＜水域＜草地＜林地＜耕地＜建设用地。表明在建设用地、耕地面积较大、林地面积较少的区域，人类活动干扰强度较高、植被覆盖度较低，其对应的生态系统变得更为敏感，而其他地类的影响相对较弱。随着敏感性级别的提高，建设用地面积所占比例出现明显的提升，而耕地、林地和草地的面积所占比例都有所减少，表现最明显为林地，原因是城镇化加速了对建设用地的需求增加，主要来自耕地、林地和草地。即当耕地被建设用地占用时，耕地的补充主要由生态用地转换而来。

图5 CES识别结果与生态保护红线对比Fig.5 Comparison between CES identification results and ecological protection red line

图6 不同生态系统各服务功能重要性级别的土地利用类型面积占比Fig.6 Area ratio of land use type in each service function importance level of different ecosystems

图7 不同生态系统各敏感性级别的土地利用类型面积占比Fig.7 Area ratio of land use type in each sensitivity level of different ecosystems

3.4.3 关键性生态空间及土地利用现状

从土地利用现状分析来看（表6），在CES中，有47.04%的建设用地占用CES，主要分布在危机型生态空间中，仅有4.47%分布在底线型生态空间中。相较于建设用地，耕地占用比较严重，有66.66%的耕地占用CES。在非CES中，有52.96%的建设用地占用非CES，适宜开发生态空间中仅占有11.25%，大部分占用了缓冲型生态空间，有33.34%的耕地占用非CES。草地、林地、水域、未利用地主要分布在CES中，占比分别为69.21%、42.76%、78.89%、72.74%，其中有大部分都位于危机型生态空间之中，表明该类生态空间中的土地利用度相对较高；在适宜开发生态空间之中，各地类分布在此类空间较少，表明该类生态空间的土地利用程度相对较低。

表6 土地利用现状分析Table 6 Analysis of the land use status%

从各生态空间内土地利用类型面积占比来看（图8），未利用地＜水域＜草地＜建设用地＜耕地＜林地，大部分建设用地与耕地分布在CES内，但从图10可知，两者分别为2.48%、17.35%，仅占底线型生态空间总面积的19.83%，分别占危机型生态空间总面积的11.41%和26.28%，原因是该区域大部分位于自然保护区及其周边，建设用地与耕地的规划布局相对集中。虽然建设用地主要集中在在危机型生态空间中，但积极建设绿化带，因此森林、草地覆盖较高，加之严格控制城镇开发边界，因此两者面积占比能得到有效控制。

图8 各生态空间内不同土地利用类型面积占比Fig.8 Area ratio of different land use types in each ecological space

4 讨 论

每个空间单元的土地都承担着多种生态过程，其扮演着提供生态功能的角色同时又面临着各种生态危机。因此，本文综合地从生态系统服务功能重要性和生态系统敏感性两个方面出发，将区域多种关键性生态过程统一纳入辨识方法中，进而更加全面的对区域关键性生态空间进行识别评价，这对区域的土地利用规划、生态保护红线、永久基本农田和城镇开发边界的划定有重要的指导意义。目前国内外对于CES的识别，针对不同尺度、不同地域的研究，选用的评价方法、评价指标不同，其适用性也不同。

本文根据东江流域的地域特征、其提供的主要生态系统功能及面临的生态环境问题，构建该区域的评价指标，因地适宜地选取水源涵养、水土保持、生物多样性、水土流失、地质灾害，并使用具有灵活度更高的NPP定量评价法以及模型评价法，构建了区域生态空间综合用地指数及其关键性生态空间的识别方法。最终的CES识别结果与Google Earth影像进行了叠加分析，并且与各市县区域的国土空间规划进行了对比，证实其空间分布存在一致性，表明使用该方法进行区域CES识别是有效的。

本文对于大中尺度、典型的南方低山丘陵区、南方红壤脆弱区的CES识别也有一定的指导意义。但是，本文在CES的级别划分上，是根据各单项评价中的最高级别作为综合生态空间级别，而各单项评价的级别划分则是根据得分从到高到低进行划分，两者的划定方法存在不同进而可能会忽视某一生态过程的突出作用，因此在今后的研究工作中需要进行补充完善，从而更加精准的识别区域CES。此外，由于研究涉及的数据种类较多、精度各异，收集难度较大，且在进行数据空间化过程中部分数据的精度存在一定的损失，因此需要提高基础数据的精度及丰度，以便更好的支撑各单项因子的评价，从而进一步提高CES的辨识精度。

5 结 论

本文从生态系统服务功能以及生态系统敏感性两方面综合考虑，对东江流域进行了关键性生态空间辨别，并将识别结果与土地利用现状结合进行分析。得出的主要结论如下：

1）东江流域的生态系统综合服务功能各重要性占比相对均衡，服务功能整体较强。从空间分布上来看，东江流域的中游、上游中部的生态系统服务功能重要性较高，下游较低，其重要性面积占比、分布都与水土保持功能较为一致，即水土保持功能是生态系统综合服务功能的主导因子，而其他功能主导能力相对较弱，表现为下游＜上游＜中游。

2）东江流域的生态系统综合敏感性主要以较敏感为主，下游地区人类活动干扰度大，生态环境较为敏感；相比较于上游，中游植被覆盖度较高、降雨较为丰沛，人为扰动相对较小，因此敏感度较低，表现为中游＜上游＜下游。生态系统敏感性高低与植被覆盖、土壤质地、地形、降雨等有关，其敏感性的增加主要发生在建设用地、耕地等非生态用地区域，减少主要发生在林地面积增加的区域。

3）东江流域的关键性生态空间由底线型生态空间与危机型生态空间共同构成，总面积为16 734.48 km，面积占比为50.49%，空间上主要分布在东江流域中游、下游地区。其中底线型生态空间面积为5 481.21 km，空间上主要分布在各类自然保护区中、与国土空间规划中的生态保护红线划定空间较为一致；危机型生态空间面积为11 253.27 km，空间上主要分布在东江流域下游地区、底线型生态空间周边且较为接近人类活动区域。其中，有47.04%、66.66%的耕地占用关键性生态空间，相较于建设用地，耕地占比较为严重，且主要分布在危机型生态空间中，少部分分布在底线型生态空间中。但从危机型生态空间内的土地利用类型来看，建设用地与耕地仅占其总面积的19.83%，表明建设用地与耕地的规划布局较为集中，该区域的土地利用开发能够得到有效控制。