福州市生態用地保護格局的優化途徑

李國煜, 林麗群, 羅棟燊, 王 強

(1.浙江大學 公共管理學院, 浙江 杭州 310058; 2.龍巖學院 清潔能源協同創新中心,福建 龍巖 360000; 3.福建師范大學 地理科學學院, 福建 福州 350007)

在快速工業化和城市化背景下，由于人類對自然資源的過度消耗和對生態環境的大肆破壞，導致生物多樣性下降、生態系統服務功能退化等問題日趨嚴重[1]。生態用地作為承擔有重要的生態功能的土地利用類型，能夠為人類社會提供關鍵性的生態系統服務，對維持區域的生態平衡、保障生態安全具有重要意義[2]。在我國生態保護、管理和科學研究過程中，生態用地保護的理念也在逐漸發展并且已上升至國家發展戰略層面。2016年國土資源部印發的《全國土地利用總體規劃綱要(2006—2020年)調整方案》中要求合理安排生產、生活、生態用地空間，不得將各類生態用地劃入基本農田，嚴禁隨意侵占或破壞林地、草地等生態用地。許多學者從地理學、生態學等學科的視角對生態用地進行了多層次、多維度的研究，在理論發展的初期，與生態用地保護相關的研究大多基于土地利用優化[3]、生態功能分區[4]、生態保護紅線劃定[5]等視角，其核心思想是對生態用地進行定性規劃以及定量規模分析，主要包括經驗判定法、趨勢預測法[6]、碳—氧平衡法[7-8]、生態足跡模型[9]等計算城市生態用地的規模需求，并以此作為未來生態用地規劃的依據。生態安全格局是近年來較為熱門的研究方法，以景觀生態學理論為基礎[10]，通過分析生態用地數量、位置、形狀對關鍵生態功能的影響，識別出承擔這些生態功能的核心生態用地、源點、廊道，進一步構建區域生態安全格局，實現點、線、面上多類別、多層次的空間要素布局優化，達到對生態過程的有效調控[11]。盡管學術界圍繞生態用地這一主題的研究已取得了豐富的成果，但是在其內涵界定和劃分、分類保護制度等核心問題上尚未達成共識。生態用地的合理保護和管理是統籌解決城市化進程人工建設擴展與自然生態保護矛盾的重要途徑。隨著相關理論及實證研究的不斷深入，也產生了較多各有優勢的生態用地規劃保護途徑和方法，但是對于不同方法所得出的劃定結果進行對比分析卻鮮有報道，進而缺乏不同手段和途徑的橫向比較和綜合優化。基于此，本研究以福州市為例，以生態系統功能重要性為出發點識別并提取研究區核心生態用地，運用構建生態安全格局的方法劃定生態用地保護分區，并將本研究確定的方案與環保管理部門現行的生態保護紅線方案進行生態效應上的比較分析，尋求對于生態用地保護空間格局更為科學合理的途徑，以期為未來我國土地管理中的生態用地規劃和保護工作提供一定的理論依據和案例參考。

1 研究方法

1.1 研究思路與框架

結合福州市自然資源稟賦和土地利用特點，本研究將生態用地劃分為林地、園地、水域、草地和未利用地，而農業生產用地如耕地、坑塘水面極易受社會經濟活動和人為干擾影響則不納入生態用地范疇。以福州市域內的生態用地為研究對象，分別從生物多樣性、水源涵養、土壤保持、游憩休閑進行生態重要性綜合評價，以該結果為基礎提取核心生態用地，將其作為建立生態用地保護安全格局的“源”，依據不同土地利用類型和優勢樹種分布構建物種擴散和運動的阻力面，運用最小累積阻力模型劃定生態用地保護分區。最后將本研究確定的方案與環保部門現行的生態保護紅線進行比較分析，為生態用地保護布局的優化提供借鑒和思路(圖1)。

1.2 生態重要性評價方法

生態用地重要性評價重點關注區域系統結構、過程、功能的變化對于生態系統的影響，本文以生態服務功能重要性評價研究主線，從調節服務、支持服務、文化服務三個角度出發，分別從生物多樣性、水源涵養、土壤保持、游憩休閑4個主要的生態系統服務功能對福州市的生態用地進行評價(表1)。按照自然間斷點分級法對評價結果劃分為5個等級，取柵格單元內四者中最高重要性等級即可作為該柵格對應的生態重要性綜合評價等級，將生態重要性綜合評價結果中最重要的柵格單元提取為福州市核心生態用地。

表1 生態重要性評價模型與原理

1.3 生態安全格局構建

將核心生態用地作為建立生態用地保護安全格局的“源”，由于面積過小的生態用地斑塊輻射作用較弱，對于維持景觀格局的連續性和完整性的影響甚微，且空間分布分散、面積過小的零碎斑塊不利于后期的規劃管理[12]，將斑塊面積閾值設置為1 km2，選取大于該閾值的斑塊作為“源”。依據土地利用類型建立基礎阻力面，并根據不同優勢樹種下的生物群落特征和物種豐度差異對于生態過程的影響程度不同，對阻力值進一步細分(表2)。

利用最小累積阻力模型進一步構建生態用地保護空間格局，該模型可量化物種從生態“源點”到達目標景觀單元所克服的所有阻力的總和，可反映物種運動的趨勢以及利用生態環境的可能性[13]。

計算公式為：

式中：MCR——最小累積阻力值；Dij——源地j到景觀i的空間距離；Ri——景觀i對某物種運動的阻力系數；f——單調遞增函數，表示最小累積阻力與生態過程的正相關關系。

1.4 景觀格局指標評價方法

1.4.1 景觀格局指數 景觀格局指數能從整個景觀鑲嵌體層次較好反映區域生態用地的結構組分特征、空間排列方式及配置關系，進而揭示出景觀格局變化的潛在規律性[14]。考慮空間尺度和研究范圍，從景觀水平層面上選取多樣性指數和聚集度指數以對比分析生態用地核心區與生態保護紅線的景觀格局特征差異，本文基于Fragstats 4.1完成景觀格局指數的運算。

1.4.2 景觀連通性 生態用地的空間組合和優化配置對于提升區域整體景觀連通性具有重要意義，整體連通性指數(IIC)能夠計算各斑塊對景觀連通性的重要性，是景觀連通性分析中的重要指標[15]，計算公式如下：

式中：n——斑塊總數；ai，aj——斑塊i和斑塊j的面積；nlij——斑塊i和斑塊j在最短路徑下的連接數；AL——景觀總面積。斑塊重要值(dI)——斑塊對景觀保持連通的重要性，通過計算移除該斑塊后區域整體景觀連通性的變化量求得：

式中：I——景觀中所有斑塊的整體指數值，Iremove——去除單個斑塊后剩余斑塊的整體指數值。dI值越高，表示該斑塊在維持區域整體景觀連通性的作用越大，核心地位越突出。

根據計算整體連通性指數的原理，本文選取研究區內國家級、省級自然保護區與對于生物多樣性保護具有關鍵意義的斑塊作為物種運動的起點，將生態用地核心區情景下及生態紅線所劃定的范圍作為背景斑塊，通過評價不同基質景觀背景下重要生境斑塊相互之間的連通程度以判定兩種規劃方案的生態效應差異，借助Conefor Sensinode 2.6完成上述計算過程。

1.5 數據來源

本研究所采用的數據包括：由相關職能部門提供的福州市2015年土地利用變更調查數據庫、福州市2015年林業基本圖、福州市現已劃分森林公園、自然保護區、城市公園綠地和風景名勝區的矢量數據、福建省1∶50萬土壤類型分布圖、福州市DEM數據；Landsat 8 OLI_TRIS衛星影像圖來自于地理空間數據云網站(http:∥www.gscloud.cn/)；MODIS蒸散量柵格數據來源于NASA-USGS平臺(https:∥lpdaac.usgs.gov/)。其他數據主要有福建省主體功能區規劃、福州市國民經濟和社會發展“十三五”規劃、福州市統計年鑒等相關規劃數據和文字資料，以及由中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn/)提供的2001—2015年福州市轄區內各氣象站點逐日觀測的氣象資料。

2 研究區概況

福州市位于東經118°22′45″—120°31′00″，北緯25°18′25″—26°38′36″，地處福建省東部的閩江下游，地處戴云山、鷲峰山脈的東翼，地勢由西北向東南傾斜，南部為福州盆地的大部分，北部為山地，西部為中低山地，東部為丘陵、平原相間，平原面積較少，河網密布，水系發達，海岸曲折、多港灣、多島嶼。近年來福州市在大力開展生態文明建設的同時，一些生態問題和挑戰的日益突出已對福州市的生態安全和可持續發展構成嚴重威脅，主要有：以單一樹種的針葉林為主的人工造林導致的林地地力衰退，森林生態系統穩定性降低，水源涵養、生物多樣性維護等生態功能的發揮受到影響；由坡地開發茶果園、工程建設、礦產資源無序開發與利用造成的水土流失；大量圍海、圍墾開發濕地，導致濕地面積不斷減少，濕地生態環境不斷惡化。如何實現對區域內生態用地保護格局的優化，對福州市加快融入生態文明先行示范區建設具有重要的現實意義。

3 結果分析

3.1 生態重要性評價結果

各單項生態系統服務功能在整體生態系統運行過程中是同等重要且不可替代的，不同生態功能重要性的空間格局對于整體生態安全格局的影響各異(圖2)。福州市生物多樣性保護重要性呈現出“西北高，東南低”的空間格局，其分布特點是集中分布于植被覆蓋度較高的山區，沿山脈走向分布，由于其所承受非生境類型用地的脅迫也較小，有利于物種的繁衍生息，且該區域森林撫育保育程度好，固持水土的能力也較強；在城鎮化率較高的沿海經濟發達地區，高土地利用強度和人類干擾對生態環境造成負面影響，影響區域生物多樣性水平。北部及中部地區降水量充足，有林地廣泛分布，是全市重要的水源涵養區；水源涵養能力較弱的區域位于龍高半島和平潭島，降水量相對較少，風力較大，且以砂質土壤為主，保水蓄水能力弱。土壤保持能力較差的地區多分布于閩江中下游支流的中、上游山地陡坡面上，由于坡陡谷深，土層淺薄，多為土壤侵蝕和地質災害敏感和高度敏感區。

注：1 福州國家森林公園； 2 旗山國家森林公園； 3 靈石山國家森林公園； 4 五虎山國家森林公園； 5 長樂國家森林公園； 6 閩江河口國家濕地公園； 7 石竹山風景名勝區； 8 鼓山風景名勝區； 9 西溪溫泉森林公園； 10 貴安森林公園； 11 青芝山風景名勝區； 12 長龍森林公園； 13 呂洞森林公園； 14 白沙森林公園； 15 北鳳森林公園； 16白云山森林公園； 17 美菰林森林公園； 18 十八重溪風景名勝區； 19 壁舟里森林公園； 20 青云山風景名勝區； 21 大鶴海濱森林公園。

圖2 福州市生態重要性空間格局

福州市核心生態用地空間分布呈現出沿海—內陸分異的格局(圖3)，陸地部分主要分布于北部與西部，沿戴云山、鷲峰山脈的山脈走向分布，該區域生態用地的多種生態重要性水平均屬于全市最重要等級，不僅能夠為生物提供質量優良的棲息地，也能為人類社會發揮提供最優的生態系統服務；水域部分主要包括市內閩江上游、山仔水庫、東張水庫等重要水源涵養地、飲用水源保護地，以及羅源、連江、福清沿海的濕地灘涂，該區域是境內干流閩江、龍江等水系的入海口所在地，在維持生態平衡與水文調節方面具有不可替代的作用，是國家級海洋生態系統與物種保護類型的自然保護區、國際主要候鳥遷徙中轉站和越冬地，對于海洋生物多樣性資源與遺傳基因庫的保護具有十分重要的意義。

3.2 生態用地保護格局優化

3.2.1 基于MCR模型的生態用地保護分區 景觀單元柵格中的累積阻力值越大，則將目標柵格規劃為生態用地的可實現程度也越大。將運用MCR模型計算得到的阻力值按每一類間隔1/4標準方差進行重分類(圖4)，篩選頻數序列發生突變時的最小累積阻力作為閾值，可對生態用地規劃保護的優先度進行分級排序，進而對不同保護等級的生態用地進行分區管制(圖3)。累積阻力值區間為(0，2 995]的柵格比重為45.21%，將該分類中為生態用地核心區，生態用地核心區是區域生態安全的底線，需實施最嚴格的管控措施；累積阻力值區間為(2 995，15 163]的柵格比重為27.93%，空間上主要分布于人工、半人工景觀與自然景觀之間，因此將該分類規劃為生態用地過渡區，生態過渡區則以生態恢復為主；其余類別的柵格數量平均且變化幅度小，分布在高度城市化地區及周邊人類活動的密集地區，將此部分統一劃為生態安全控制區，管制目的以防止該區域生態系統功能退化為主。

圖3 核心生態用地空間分布及生態用地保護分區

圖4 生態用地保護累積阻力值統計

3.2.2 不同生態用地保護情景對比 生態用地核心區的保護意義是在于以最小面積的生態用地保護來滿足城市發展的生態需求，通過落實國土空間上的保護維護區域生態安全。《生態保護紅線劃定技術指南》中指出，劃定生態保護紅線應在空間上確定嚴格保護的區域，但空間落地并不是最終目標，對紅線區域內的生態環境實施長期有效保護與嚴格監管則更為關鍵。從具體內涵、功能作用和保護目標來看，生態用地核心區與福州市現行管理的生態保護紅線最為類似。選取景觀格局指數和景觀連通性兩項指標對二者進行對比分析，可從景觀格局的視角下得出兩種保護情景發揮生態效應的差異。

由表3可知，生態紅線情景和生態用地核心區情景中的生態用地分別占國土總面積的36.74%和43.21%，且兩種保護情景的空間范圍與研究區內省級以上自然保護區的重合度分別為98.34%和93.66%，表明在生態用地核心區的保護情景下，能夠滿足管理部門對現行省級以上自然保護區的空間管制要求。生態紅線的景觀多樣性指數高于生態用地核心區，表明生態紅線中的土地利用類型相比于生態用地核心區更多，景觀破碎程度也相對較高；而生態用地核心區的景觀聚集度指數大于生態紅線，表明在生態用地核心區中以較大型斑塊的集中分布為主，單一生態用地景觀聚集的程度較高，景觀破碎化程度也較低。由于低景觀多樣性指數和高景觀聚集度指數均有利于減少其他景觀對于生態用地的干擾，對于維持生物多樣性具有積極的意義，從景觀格局水平看，生態用地核心區的保護方案要優于生態紅線方案。

表3 不同保護方案景觀格局指數對比

景觀斑塊連通性與生態用地的規模相關，生境面積越小的斑塊連通值越低，對于生態用地整體景觀的影響也越小。由表4可知，閩清雄江黃楮林、永泰藤山自然保護區的斑塊重要性均為最高，凸顯了其在研究區內整體生態用地中的核心地位。通過比較兩種保護方案下各重要生境斑塊dIIC值，生態用地核心區中的景觀連通性基本低于生態紅線中斑塊的對應值。在相同的閾值下，斑塊重要性取決于與斑塊相鄰或可能與其發生連接的周邊斑塊的大小和個數，在進行對比的兩種方案中，自然保護區本身的斑塊面積是不變的，因此當dIIC值下降時，說明與之相互連接的其他生態用地斑塊規模增大且更加均一化。在生態用地管理保護實踐中，均質化的生態用地景觀格局有利于生態過程的運行[16]。由圖5可以看出，生態紅線方案中的重要生境斑塊周邊較多分布有細碎化的生態用地，保護性質大多為水土流失敏感區或者生態公益林，使得重點自然保護區的斑塊重要性值相對較高；而生態用地核心區大部分由具有空間連續性的大規模林地斑塊組成，同時將城鎮用地及農業用地附近的生態用地劃為生態用地過渡區，能夠盡可能減小人類社會的經濟活動對于生態保護核心區的影響，同時能擴大重點自然保護區的生態輻射效應，維持整體生態安全格局的穩定性和連通性。

圖5 研究區生態用地保護情景對比

表4 不同保護方案景觀連通性對比

4 結論與討論

4.1 結 論

(1) 核心生態用地是維持城市生態安全水平的底線型生態用地，多種生態功能集合的綜合評價結果更能體現出核心生態用地的作用與地位。福州市核心生態用地空間分布呈現出沿海—內陸分異的格局，分布面積最廣的生態用地類型主要為林地和水域，所提取的結果符合研究區的實際情況，也較好地體現出了生物多樣性、水源涵養、土壤保持、游憩休閑多重生態系統服務功能在空間上的集聚特征。

(2) 生態用地核心區與環保部門現行的生態保護紅線在空間范圍上與省級以上自然保護區的重合度較為一致，同時生態用地核心區的景觀破碎化程度更低且景觀聚集度指數更高，有利于提升整體景觀格局的連通性，促進生態系統中的物質循環和能量流動，最大化發揮生態用地的功能和效應。因此，基于構建生態安全格局的思路方法對于落實區域關鍵性生態用地的保護更加科學合理，可對現有的生態紅線劃定形成有效的補充與完善，是優化生態用地保護格局、實現生態用地保護目標的有效途徑。

4.2 討 論

(1) 核心生態用地的空間格局是集成多種生態過程的結果，單一生態功能的機理解析及多過程耦合方法的差異，對于生態用地保護分區的劃定和空間范圍的結果有直接影響，如何解析不同生態過程內部的耦合關聯機制并且尋求出能夠反映出這一復雜機制的模型方法，是相關學科將持續重點關注的議題。

(2) 尺度轉換是相關研究尚未解決的難題，本文所強調的是整體市域內的生態安全，但在縣域尺度上尤其是經濟發達、人類活動密集的沿海城鎮，也存在有小尺度上可發揮重要的生態空間未能在結果中得到體現。生態用地的保護需要考慮經濟、社會、生態系統的綜合協調發展，不同尺度、跨行政界線的生態用地動態研究是未來生態用地保護的重點內容。