多元分析技术介入的国土生态空间规划探究——以湖北省襄阳市为例

韩依纹 胡诗琪 万明暄 万 敏

1 概述

1.1 生态空间内涵解读

当前，优化国土空间开发格局是推进中国生态文明建设的重点任务。生态空间作为改善生态系统服务功能、构建生态安全格局从而遏制环境恶化的主要载体，其内涵在我国历经了十几年的发展而逐渐明晰。2010年发布的《国务院关于印发全国主体功能区规划的通知》(国发〔2010〕46号)中将国土空间分为优化开发、重点开发、限制开发和禁止开发4类区域，并首次提出了以生态功能为主导的“重点生态功能区”概念。随后，生态空间在2017年发布的《自然生态空间用途管制办法(试行)》中被正式定义，指具有自然属性、以提供生态服务或生态产品为主体功能的国土空间[1]。鉴于先前对生态空间缺乏具体的规划管控而导致的诸多环境问题，2019年《关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》强调了生态空间在科学布局“三生空间”中的重要地位[2]，并明确了生态空间规划应作为国土空间规划体系(以下简称“国空体系”)的相关专项规划范畴，至此迈入了全新阶段——从传统城乡规划体系的“补丁”跃迁为当今国空体系的重要先行系统[3]。

1.2 生态空间规划面临的挑战

自国空体系提出以来，各地陆续出台了相关规划成果，可见当前城市生态空间划定未有统一标准，根据其生态本底特征各有拓展。例如，上海市率先颁布《上海市生态空间专项规划(2021—2035)》，将永久基本农田划入三、四类生态空间范畴；深圳市和武汉市将自然生态空间以外的城市绿地纳入生态空间[4-5]。因此，明晰目标区域生态本底特征是生态空间划定和评估的重要依据。然而，鉴于传统城乡规划对生态空间特征识别多以定性为主，当前面临了国空体系下分析思路的转换挑战，大数据、新方法和新技术的引入促使生态空间本底评价过程与结果应更具科学性。

1.3 多元技术介入生态空间规划过程的必要性

国土空间信息平台的“一张图”体系不但为生态空间本底特征评价增添了多元评价技术实施的可能性，也为生态安全格局构建和管控规划的制定提供了更科学的实施路径[6]。生态安全格局构建多采用“源地识别-阻力面构建-生态廊道提取”的研究范式[7]。生态源地的识别通常基于景观形态格局分析得到的核心区[8]、生态系统服务功能评估或生态敏感性分析等单一结果确定[9-10]，选取的源地特性并不全面。随后，运用最小阻力模型(MCR)、斑块重力模型、蚁群模型或电路(Circuit)理论模型等方法构建或优化生态廊道[11-12]。其中，电路理论能通过源地间电流强度反映生态斑块和廊道的相对重要性，鉴于模拟电流随机游走的特性，在一定程度上更符合生物体的行为特征而被广泛使用[13-14]。

多元分析技术介入的生态空间规划路径是合理了解生态空间本底特征，以及制定规划管控的科学保障，仍有待多方探索和验证。相关研究已陆续开展，例如，何舸等基于生态敏感性和生态安全评价，结合重要结构性生态空间构建了南宁市生态安全格局，并指导制定了分级管控策略[15]；陈志端等基于生态系统服务功能评估提出了“生态价值和生态安全”的双评价体系，为潍坊九山镇生态安全格局构建和分区管控奠定了基础[16]。因此，将多元分析技术融入决策过程从而实现生态空间规划从定性到定量的转变，打破传统的“经验式”规划思路刻不容缓。

综上，本文旨在以襄阳市生态空间规划实践为抓手，集合生态敏感性分析、生态系统服务功能评估、最小阻力模型、电路理论廊道模拟等多元技术，遵循“本底评价-格局优化-分级管控”的路径逐级开展规划探索，深入论述襄阳市生态空间本底特征、生态安全格局构建和规划管控等内容，以期对新时代国空体系下的生态空间规划实践有示范和引领作用。

2 研究路径与框架

基于襄阳市地域特征，结合襄阳市自然资源局提供的国土空间总体规划成果和生态保护红线规定内容，建立遵循以“本底评价-格局优化-分级管控”为主导的生态空间规划路径(图1)。首先，划定生态空间并运用生态系统服务功能评估、生态敏感性评价、景观形态格局分析等多元技术进行生态本底评价，选取评价中具有重要生态价值的斑块，通过连通性分析识别生态源地；其次，基于电路理论模型模拟生态廊道，识别断裂点、障碍点；最后，在确定生态空间规划策略、构建生态安全格局的同时制定生态修复清单。

图1 研究框架

3 研究区域与数据来源

3.1 襄阳市概况

襄阳市(东经110°45′～113°06′、北纬31°13′～32°37′)位于湖北省西北部，总面积为19 700km2，包括枣阳市、宜城市、老河口市、襄州区、樊城区、襄城区、南漳县、谷城县、保康县(图2)。该市地属北亚热带季风气候，四季分明，全年平均气温为15.2～16.0℃，雨热同季，年降水量为820～1 100mm。襄阳位于中国地势第二阶梯向第三阶梯过渡地带，地势西高东低，最高点海拔1 968m，最低点高程44m，分为西部山地、中部岗地平原及东部低山丘陵3个地形区。动植物珍稀物种较为丰富，包含维管束植物1 698种，陆生脊椎野生动物268种；市内大小河流985条，汉水由北向南将市域划分为东、西两部分；周边4座大型山脉秦巴山、伏牛山、大洪山、桐柏山分别从西北、东北、正南、东南方向中部楔入，构筑出由汉江、唐白河冲积而成的三川平原，基于“西林、东丘、北原、河网”的生态本底资源形成了“西屏东楔、三川分隔”的大开大合的山水格局。然而，襄阳市的生态空间正面临诸多环境问题，如全域水土流失和石漠化严重、废弃矿山有待治理等。

图2 研究区域

3.2 数据来源

基于多源数据运用多元评价分析对规划区域进行空间定量模拟，所用数据包括：1)土地利用数据源于襄阳市自然资源局提供的第三次国土调查数据库(以下简称“三调数据”)，共包含48个用地类型；2)数字高度模型源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)，通过掩膜提取可得到襄阳市高程信息；3)“双评价”(资源环境承载能力及国土空间开发适应性评价)、石漠化分区和鄂北防护林栅格数据及生态保护红线矢量数据源于襄阳市自然资源局，根据本研究需要采用最邻近采样法对所有数据归并，统一空间分辨率为30m×30m；4)主要参考的上位规划文件包括《襄阳市国土空间总体规划(2020—2035年)》(阶段版)及《襄阳市生态建设规划纲要(2016—2030)》《鄂北防护林(襄阳段)总体规划(2019—2023年)》《襄阳市林业发展“十四五”规划(2021—2025)》等。

4 襄阳市生态空间分析与评价

4.1 生态空间划定

以襄阳市三调数据为基础，运用ArcGIS平台将48个土地利用类型进行重新整合与再分类，以生态保护红线区域为核心，辅以生态保护红线外的山林地、园地、河湖水域，以及其他未利用自然地等对襄阳市生态系统有重要影响的区域，共同形成以“山、水、林、园、草”为主导生态要素的襄阳市生态空间(图3-1)，包括乔木林地、竹林地、灌木林地、其他林地、河流水面、水库水面、坑塘水面、园地、沼泽草甸、人工草地、其他草地、工矿用地、铁路用地、公路用地、空地、建设用地16类用地类型，总面积为11 115.44km2，占襄阳市总面积的56.33%。其中，生态保护红线区域总面积1 757.33km2，占襄阳市生态空间总面积的15.81%。生态保护红线内分布了30个自然保护地、9个水源地。其中，自然保护地由10个国家公园、3个自然保护区、17个省级自然公园三大类构成，公园主要类型为森林公园、湿地公园和地质公园。

图3 襄阳市生态空间图3-1 生态空间分布图3-2 各区县生态空间用地占比

生态要素的分布呈现区县不均和东西不均2个特点(图3-2)。各类生态用地占比从大到小依次为林地(45.78%)、水域(7.30%)、园地(2.4%)、草地(0.39%)、绿地(0.07%)和其他未利用地(0.06%)。林地主要分布在西部的南漳、保康、谷城，呈现出西南密集成块成片、东部稀疏散布、北部缺失的态势。水域主要分布在东部的枣阳、襄州、宜城，东北部依托岗丘、库塘密布；西南部总体顺谷地线状分布，水库依峡谷拦蓄而成，坑塘分布稀疏。园地主要分布在东部的枣阳、宜城，总体依托岗地布局。草地散布在枣阳、宜城、南漳地区和汉江沿岸。

4.2 生态本底评价

4.2.1 生态系统服务功能评估

生态系统服务是人类从生态系统直接或间接得到的福祉，是生态本底的重要表征[17]。从供给功能、调节功能、文化功能和支持功能中运用InVEST模型模拟和当量因子法分别评价生境质量、碳储存、水土保持、食物生产、原料生产、净化环境、土壤保持和景观美学8项指标。其中，生境质量和碳储存功能由InVEST模型中的Habitat Quality和Carbon Model模块分别测算(具体方法详见参考文献[18-19])，其中，Habitat Quality模型通过评估生境质量指数从而间接反映生物多样性的持续性和恢复能力，其余指标采用了谢高地的价值等价法估算[20]。评估结果在ArcGIS平台上采用自然断裂法进行级别可视化操作，将分析结果划分为非常低、低、中等、高、非常高5类。结果表明，襄阳市生态系统服务功能空间分布差异较大，呈西南向东北递减趋势(图4-1)。其中，价值非常高的区域面积为8 652.08km2，占全市43.92%，主要集中在西部谷城、南漳、保康的山林地和水域。生态服务价值低和较低的区域主要分布在中心城区和汉江两岸建设程度较高的区域。

4.2.2 生态敏感性分析

生态敏感性分析是评价区域生态系统稳定性的重要标准[21]。选取海拔、坡度、归一化植被指数(NDVI)、水源缓冲区、土地利用为襄阳市生态敏感性分析的基础因子[22-23]，根据分级和变异系数法叠加因子得到生态敏感性诊断结果。结果显示，襄阳市非常高、高敏感区域主要集中于西南和东部的少量山地，总面积5 009.76km2，占全市25.39%，包含林地、水域、草地和园地(图4-2)。

4.2.3 景观形态空间格局分析

运用MSPA模型将生态空间作为前景并导入GUIDOS软件，边界设为1，进行几何分析后识别出核心区、孤岛、孔隙、边缘区、连接桥、环岛和支线7类互不重叠的景观类型[24]。核心区面积为8 612.52km2，分布在西南地区，是由较大的生境斑块组成，能为物种提供优质的栖息地或迁移地[25-26](图4-3)。孤岛(相对孤立、破碎、连接度较低且面积较小的斑块)、具有边缘效应的孔隙(核心区与其内部背景数据景观之间的过渡)和边缘区(核心区与外围区域之间的过渡)共占生态空间的19.25%，散布在核心区以外的其他区域。

图4 生态本底评价结果图4-1 生态系统服务功能评价图4-2 生态敏感性分析图4-3 景观形态格局分析

4.3 生态源地识别

生态源地是指维护区域生态安全和可持续发展而必须保护的区域[27-29]，将高生态敏感性区域、高生态系统服务区域和核心区作为初步生态源地，利用Conefor 2.6识别其中可提高生态连通性的优势斑块，以dPCs作为评价指标，计算公式如下：

式中，PC值大于或等于0，小于或等于1。当PC值增长时，斑块的连接性也会得到改善。PCremove代表移除补丁后可能的连接指数。参照相关研究将斑块连通距离阈值设为500m，连通的概率设为0.5，提取初步生态源地中dPC前10的斑块作为下一步的生态源地[30-31]。

叠加襄阳市生态保护红线区域与双评价中的生态极重要区，以及重要河流[32]，形成35个最终生态源地(图5)，总面积共6 096.11km2，占全市的30.90%，主要分布在西南部，北部缺失，包含林地、草地、园地和水域等生态要素。

图5 生态源地识别

4.4 生态廊道构建与优化

“源地识别-阻力面构建-廊道提取-判定安全格局”是生态安全格局构建的基础[33]。首先，参考相关研究拟定襄阳市土地利用类型和海拔高度的阻力系数并进行赋值，使用Linkage Mapper工具箱中的最小费用路径模型模拟生物物种迁移与扩散的最佳生态廊道。其次，使用基于电流理论的Circuitscape 4.0软件模拟潜在生态廊道。最后，共识别出73条最佳生态廊道，总长度为1 163.89km，平均长度为15.94km(图6-1)。廊道密度较大的区域集中在山体、河流之间。东部唐白河与桐柏山之间，以及岘山、长北山和青龙山之间廊道连通性较好。然而，襄阳东北部最佳生态廊道较少，与现在当地林地建设不足的问题契合，鄂北岗地生态屏障有待形成。

图6 生态廊道和节点识别图6-1 现状生态廊道构建图6-2 基于生态流模拟识别的生态关键点

潜在生态廊道以电流值呈现(图6-2)，可直观地通过数值大小来判定物种迁移的可能性，采取“护绿、增绿、补绿”措施以指导后续生态安全格局的构建。运用Pinchpoint Mapper识别出20个夹点，实施“护绿”策略；根据电流值进行人机判定得出7处断裂点，实施“增绿”策略；在Barrier Mapper模型中设定200m为半径进行迭代运算，用自然断裂法分为5类，选取最高一类共识别4处生态障碍点[34-35]，主要分布在襄阳西北部、中部和东部，采取“补绿”策略。共新增斑块面积85.62km2，作为后续规划内容中生态修复清单的重要组成部分，将其纳入规划期末的生态空间范畴。

5 襄阳市生态空间规划策略

从立足国家、湖北省及区域的全局视角谋划襄阳市国土空间发展，坚持生态优先下的底线思维和底线约束，确保生态安全、国土安全、粮食安全，遵循“本底评价-格局优化-分级管控”的规划路径，共识别出35个生态源地、73条最佳生态廊道、20个夹点和4个生态断裂点，同时结合襄阳市“山、水、林、园、湖、草”主导下的生态空间本底特征制定了规划成果，包含生态安全格局结构、分区分要素管控及生态修复等内容。

5.1 生态安全格局构建

以襄阳市山、水脉络为骨架，基于生态源地识别和生态廊道模拟结果最终形成“一干七支、西屏北网、三楔四区多点”的生态安全格局结构(图7-1)。“一干七支”指由贯穿襄阳的汉江干流和北河、南河、蛮河、小清河、唐白河、滚河、淳河七大支流，共同维护襄阳市生态基底，强化汉江生态经济带与各支流生态廊道的衔接。“西屏北网”指筑牢西南部秦巴山脉构织的生态屏障，连接秦巴-大洪山脉，延续桐柏气脉，维护森林生态系统完整性和连贯性，加强桐柏山、岘山、鹿门山等区域性山体屏障保护，以支撑生态屏障建设的完整性；同时，东北部缺绿区域应构建具有韧性的生态网络体系，借助生态连通功能加强生态功能区之间的生态流交换。“三楔四区多点”是以北部、东南部、东部向襄阳中心延伸的伏牛山、大洪山和桐柏山的生态楔，串联自然保育区、生态产业区、休闲游憩区、安全防护区4类主体功能区(图7-2)，集合自然保护地、水源区及通过护绿、增绿、补绿策略提升的生态夹点、断裂点和障碍点构成了襄阳市域的重要生态节点，从而综合“点、线、面”的形态要素营造集自然本底和人工优化于一体的襄阳市生态安全格局。

图7 襄阳市生态空间结构规划图7-1 襄阳市生态安全格局结构图7-2 襄阳市4类主体功能分区

5.2 分区分要素管控

生态空间用途管控是对生态空间相对独立的区域范围及保护其生态属性不改变的总体管制[36]。鉴于襄阳市生态要素特征和多元技术分析的生态本底结果，以保护优先为原则进行分区分要素的综合管控，以维护区域生态安全，解决区域生态供需矛盾[37]。首先，由多元分析结果划定三级管控区域，依据生态保护重要程度从高到低依次为生态保护区、生态控制区和生态发展区；其次，为避免低级别管控区内存在生态要素的管控盲点，提出生态要素的管控策略予以补充(表1)。

表1 生态空间分级分要素管控

生态保护区是襄阳市生态空间中的生态保护红线区域，总面积约为1 757.33km2，占生态空间总面积的16.81%。此区按禁止开发的要求进行管理，应严守生态底线，确保生态功能不降低、面积不减少、性质不改变。生态控制区是除生态保护红线外，提供了重要生态系统服务功能且对全市生态系统的稳定性具有重要作用的源地区域，总面积为4 340.68km2，占生态空间总面积的38.55%。此区以生态保护为重点，不得开展有损主导生态功能的开发建设活动，应尽可能保留景观原貌和强化生态保育功能。生态发展区是除前两级管控分区外的生态质量一般的区域，面积为5 129.51km2，占生态空间总面积的45.55%。此区以生态系统服务功能优化为重点，结合城镇空间中的绿地系统规划，发展可持续化的生态建设工程，以满足襄阳市居民渐增的郊野游憩需求。

根据襄阳市三级生态空间管控分区的重要程度，实行差别化用途管控措施[38-40]。其中，生态保护区执行正面清单准入的最严格的管控措施，生态控制区执行正负面清单，生态发展区执行负面清单。建设项目准入清单主要包括生态保护设施、市政基础设施、公共管理与服务设施、农林服务设施、游憩设施、道路交通设施、工矿设施7类(表2)。

表2 襄阳市生态空间设施准入表项目

5.3 生态保护与修复

衔接襄阳市生态安全格局结构和管控策略，确定本次生态修复的目的为遵循襄阳市生态空间本底特征，保护区域生物多样性，在规划期内完成水土流失与石漠化整治、矿山修复和水体治理等生态建设工程。将生态修复空间分为重点修复单元、提升修复单元和一般修复单元3种类型(表3)，并制定近、远期生态修复清单。清单内容基于现有已批复或正在开展的生态建设项目，以及廊道分析后识别的断裂点、障碍点的重点修复项目。以期到规划期末襄阳市全域的生态连通性有大幅度提升，生态系统功能显著改善。

表3 襄阳市生态修复单元与修复项目

6 结语

生态空间是维持生态平衡、保障区域生态安全的基本空间，也是支撑生产空间和生活空间实现自身功能的前提[41]。本研究以襄阳市生态空间为例证区域，通过多元定量技术的介入，构建并证实了“本底评价-格局优化-分级管控”路径的可行性。襄阳市整体生态本底较好，但高生态敏感区、高生态系统服务区多集中在襄阳市西部山区，生态要素分布极度不均。基于此问题，共识别生态源地35个，结合生态廊道、节点的优化，构建了“一干七支、西屏北网、三楔四区多点”的襄阳市生态安全格局。同时，制定了生态空间分级分要素管控策略和用途管制的正负面清单，并提出“护绿、增绿、补绿”的生态修复策略，以增加生态空间韧性，促进三生空间和谐共生。

本研究可为当前我国生态空间规划提供技术支持，也为生态修复与整治提供进一步的规划思路。然而，多元技术的运用受限于数据精度和模型选取，尽管当前三调数据为各地生态空间评价提供了统一的数据平台，但其他多源数据的获取路径仍有限制，以导致评估结果精度有待提升。今后生态空间规划过程应当进一步完善官方数据库、制定可普及的技术指南及开展长期的绩效监测，以深入验证和优化规划成果，从而更为科学地构建全域生态安全格局。

注：文中图片均由胡诗琪和万明暄绘制。

致谢：感谢襄阳市自然资源和规划局、襄阳市城乡规划编制研究中心、襄阳市林业调查规划设计院的支持，以及武汉远景规划设计有限公司、武汉新楚景观旅游规划设计有限公司相关工作人员的帮助。