基于“源地-廊道”生態安全格局構建邏輯范式的建設用地減量化研究

劉壯壯,吳 未,2,*,劉文鋒,申立冰

1 南京農業大學公共管理學院, 南京 2100952 農村土地資源利用與整治國家地方聯合工程研究中心, 南京 210095

近年來快速城市化導致我國土地利用覆被發生劇烈變化[1- 3],造成大量生境喪失、破碎化及分離[4- 5],嚴重阻礙區域內物質循環、能量流動及信息傳遞等生態學過程。同時,生態安全環境問題逐漸替代土地資本成為制約經濟發展的硬性約束[6]。面對經濟增長與生態保護間的權衡,政府部門試圖通過一系列制度變革指導城市建設用地的發展軌跡。2014年國土資源部正式提出實施建設用地總量控制和減量化戰略,2015年中共中央國務院將該戰略提升至國家層面,并且在2016年中央城市工作會議中明確要求轉變城市發展方式。建設用地減量化已成為新時期土地利用規劃管理新常態,為維護區域生態安全格局提供了新思路。

建設用地減量化是新型城鎮化和城鄉一體化發展的必然選擇,是實現高質量發展和高品質國土的重要路徑[7]。減量化研究雖然剛起步,但針對“怎樣減？減哪里？減多少？”的問題,已取得不少成果：(1)在土地利用類型上,針對集中建成區以外低效建設用地,如工業用地[8],農村宅基地[9],生境內干擾地類[10]等,通過采用建設用地開發平衡度[11]、工業用地效益提升可能性[9, 12- 13]、居民點整理潛力[9, 14]等方法可以實現減量化。以上做法,依據各地實際情況雖然實現了減量化目的,但忽略了土地利用覆被變化對景觀格局動態變化的影響,缺乏科學有效的減量化路徑規劃[8, 15]。(2)將建設用地減量化與耕地保護和占補平衡相結合。為獲取一些新增建設用地指標,通過對原有建設用地進行復墾,總量上實現了建設用地減量化。這種做法,忽視了建設用地周圍環境,也無法有效優化區域景觀格局[8, 10]。(3)通過產業結構調整與升級、農村居民點整理、郊野公園建設及新型城鎮化等[9, 13- 14, 16]方式,對建設用地減量化處理。這些措施雖然提升了土地經濟效率,但在生態效益提升方面收效漸微[6]。上述成果,雖然實現了建設用地減量化目標,但系統性不強,對區域生態過程及生態安全問題關注不足。此外，隨著減量化工作的推進,低成本地塊越來越少、后續成本持續增加、財政難以為繼,建設用地減量化難度逐年上升[16]。迫切需要從區域生態安全格局整體性視角出發,探討建設用地減量化的系統性方法,以期拓展區域土地利用格局優化思路。

本文以土地資源緊缺、快速城市化地區蘇錫常為研究區域、2015年土地利用現狀數據為基礎、地區優勢物種白鷺生境為源地、“源地-廊道”生態安全格局構建邏輯范式為重要性評價依據,識別篩選出對維護、控制目標物種生態過程具有重要意義、可增強區域生境整體性和連通性的構成要素及其緩沖區,并對緩沖區內建設用地減量化處理,探討建設用地減量化的系統性方法。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

蘇錫常地區(119°08′—121°15′E,30°46′—32°4′N)位于江蘇南部太湖之濱,是長江最大的經濟集中地帶,總面積1.75萬 km2。境內物種豐富,鳥類、獸類、兩棲爬行類200多種,其中鳥類達170余種。地區水網密布,地表水資源豐富,為優勢濕地鳥類提供了大量棲息地。主要分布有白鷺、夜鷺、池鷺和牛背鷺4種鷺鳥,其中白鷺被推薦為太湖地區環境污染指示生物物種。選擇白鷺生境為關鍵生態用地“源地”,很好的反映了地區生態環境本底。

地區以占全省16.31%的土地及27.37%的人口實現了約40.35%的GDP和地方財政收入。2000—2015年期間,地區建設用地占比從14.71%增至26.26%。目前面臨著土地供應不足和建設用地利用效率低下共存的問題。探討地區建設用地減量化問題,有益于平衡生態保護與經濟增長間的矛盾,踐行“綠水青山就是金山銀山”發展理念。

1.2 數據來源

主要包括中國科學院國際科學數據服務平臺2015年TM遙感數據、1∶5萬數字高程 DEM數據(30 m × 30 m)、中國觀鳥記錄中心(http://www.birdtalker.net/)觀測數據、2015年蘇錫常各區縣(市)行政區劃圖及3市《土地利用總體規劃(2006—2020)》。

遙感數據在ENVI軟件支持下完成了幾何校正、圖像配準等處理,并與2015年土地利用現狀圖校對、ArcGIS 10.2預處理,解譯得到土地利用覆被數據。結合白鷺生境特點、數據精度及土地資源管理工作實踐[10],將土地劃分為水田、旱地、園地、喬木林地、灌木林地、草地、城鎮用地、農村居民點、交通用地、灘涂沼澤、湖泊水庫、河流、溝渠/運河和其他未利用地14類。

2 研究方法

生態安全格局構建是緩解生態保護與經濟增長間矛盾的重要空間途徑,也是生態治理由末端走向前端的必然選擇[17]。它的構建,就是通過對已存在或潛在的對于維護、控制特定地段某種生態過程有著重要意義的關鍵生態要素如節點、斑塊、廊道乃至整個生境的空間識別、恢復與重建,從而達到特定生態過程的有效調控、景觀格局改善以及生態效益的顯著提升。結合蘇錫常地區實際情況,以白鷺生境為重要源地,依據“源地-廊道”生態安全格局構建邏輯范式,建設用地減量化系統性方法操作步驟,主要如下：(1)依據土地利用現狀數據和前期白鷺生境斑塊約束條件模型成果[18],識別重要生態源地及其對應廊道；(2)采用景觀分組指數(NC)、綜合連接度指數(IIC)以及連接度概率指數(PC)評價生態源地重要性；采用重力模型方法評價生態廊道重要性,構建“源地-廊道”邏輯范式的生態安全格局；(3)分析地區生境、生境網絡等構成要素,采用增補墊腳石、劃定緩沖區等方法完成關鍵生態要素的恢復與優化,對人類干擾性較強的建設用地進行減量化處理。

2.1 生態源地識別及生態廊道模擬

依據生境斑塊約束條件模型[18],識別白鷺生境適宜性斑塊地類作為生態源地；依據中國觀鳥記錄中心2003—2014年數據,選擇次均觀測到白鷺數量在20只以上的觀測點為重要生態源地。其中,生態源地劃分為筑巢地和覓食地。依據前期土地利用覆被類型對白鷺遷移影響成果[19],對不同地類設定相應阻力值(表1),運用最小阻力模型,借助ArcGIS中Cost Distance和Coat Path工具實現生態廊道的模擬。

2.2 生態源地及生態廊道重要性評價

利用Conefor Input 10.0導出生態源地Node.txt和Distance.txt文件,根據前期成果[20],設置10 km為白鷺最大飛行半徑,借助Sensinode分別計算景觀分組指數NC、綜合連接度指數IIC以及連接度概率指數PC。其中,IIC用于測算景觀格局中生態源地整體性；PC從概率角度分析景觀空間連接度；dI是通過計算移除單個斑塊后指標變化值。計算公式為：

表1 不同土地利用類型對白鷺遷移的阻力值

式中,n為景觀中生態源地總數,ai和aj分別表示源地i和源地j的面積,nlij表示源地i和源地j間的路徑數,AL為整個景觀面積,Pij*為源地i和j間連通概率,參照相關成果[21],Pij*設定為0.5。

生態源地重要性評價,綜合考慮連接度概率指數和綜合連接度指數,依據定義及專家意見,分別賦予dIIC和dPC的權重值為0.7和0.3,計算生態源地重要性。計算公式為：

dI=0.7dIIC+0.3dPC

根據生態源地評價結果,選取筑巢地重要性指數大于5和覓食地重要性指數大于1的生境斑塊為重要生態源地,其余為一般生態源地。

采用重力模型,計算生態源地中筑巢地與覓食地間的相互作用關系,定量評價區域內源地間生態廊道對白鷺遷移的重要性程度[22],計算公式為：

式中,Gab為生態源地間的相互作用強度,Pa為源地a的阻力值,Sa為源地a的面積,Lab為源地a與b間生態廊道的累積阻力值,Lmax為研究區中所有廊道累計阻力最大值。

根據生態廊道評價結果,選取重要性指數大于10的為重要生態廊道,5—10之間為較為重要生態廊道,其余為一般生態廊道。

2.3 生態安全格局視角下的建設用地減量化

按照“源地-廊道”邏輯范式構建地區生態安全格局,從生境整體性、關鍵生態要素間連通性等現狀中的問題,通過增補墊腳石、設置緩沖區等方法,提升區域生境質量及生境間的聯系,以達到地區生態安全格局優化。

對關鍵生態用地內的建設用地減量化。為減少人類干擾對重要生態源地的影響,參照生態源地保護成果[23],設置600 m緩沖區,對區內建設用地減量化；為保證生態廊道安全,參照鳥類廊道保護相關成果[24],設置200 m緩沖區,對區內建設用地減量化。

3 結果與分析

3.1 生態源地、生態廊道及其重要性

研究區生態源地中的筑巢地(Z表示)主要由喬木林地和灌木林地組成,覓食地(M表示)主要由湖泊水庫、溝渠/運河等組成(圖1)。在1248處生境適宜性斑塊中,重要性指數值大于5的筑巢地有7處,重要性指數值大于1的覓食地斑塊有9處,共計16處(表2)。在63條生態廊道中,重要性數值大于10的生態廊道23條,數值在5—10之間的生態廊道13條,共計36條(表3)。

圖1 白鷺重要生態源地和重要生態廊道構建的蘇錫常地區生態安全格局Fig.1 The regional ecological security pattern identified using core habitats and migrating corridors of the little egret in the Su-Xi-Chang area Za, 白鷺筑巢地a the nesting plaques；Mb, 覓食地b the feeding plaques；a和b分別為筑巢地和覓食地的編號

表2 蘇錫常地區白鷺生境中的重要生態源地

3.2 “源地-廊道”范式下的生態安全格局構建

圖1示意了重要生態源地及重要生態廊道共同構建出的地區生態安全格局。依據重要源地及其對應廊道的分布情況,大致呈 “一核三片多點”的特征。其中,一核是指太湖區域；三片分別指無錫濱湖片區、吳中片區、宜興-溧陽片區；多點是指散布于各片區附近的生態源地,如陽澄湖、滆湖等。

從整體性方面看,太湖北部無錫境內缺乏重要的筑巢地、覓食地M423附近無筑巢地分布被孤立、筑巢地Z22最大飛行半徑范圍內無重要覓食地。從連通性方面看,覓食地M406與筑巢地Z22、Z2、Z4等之間白鷺遷移過程受到明顯阻礙。其原因主要是太湖北部缺乏重要筑巢地,無法形成閉合回路,需考慮增加重要性較高的筑巢地Z12為墊腳石,增強北部地區白鷺生境間的連通性(圖2)。

表3 蘇錫常白鷺生境中的重要生態廊道

圖2 白鷺重要生態源地和重要生態廊道構建的蘇錫常地區生態安全格局優化方案Fig.2 The optimized regional ecological security pattern identified using core habitats and corridors of the little egret in the Su-Xi-Chang area

3.3 關鍵生態用地內建設用地減量化

對重要生態源地600 m緩沖區內的人類強干擾性地類(包括城鎮用地、農村居民點、交通用地3類)進行減量化,結果為城鎮用地5401.13 hm2、農村居民點3688.73 hm2、交通用地610.97 hm2,合計9700.83 hm2(表4)。對重要生態廊道200 m緩沖區內建設用地減量化(除去部分廊道重合面積)結果為城鎮用地7.25 hm2、農村居民點419.23 hm2、交通用地43.13 hm2,合計469.61 hm2(表5)。研究區關鍵生態用地緩沖區內需減量化建設用地總計10170.44 hm2。

表4 重要生態源地的建設用地減量化

表5 重要生態廊道的建設用地減量化

重要生態源地緩沖區中,減量化的建設用地中城鎮用地最多,主要原因是Z3和Z4臨近建成區(表4)。其中,Z4地處蘇州吳中片區,被零散城鎮用地分割為兩部分；Z3毗鄰宜興市區,四周出現大量零散城鎮用地與農村居民點。重要生態廊道緩沖區中,減量化農村居民點最多,主要是農村居民點多且分散。總體上,城鎮用地擴張對重要生態源地產生的影響顯著,農村居民點對重要生態源地及生態廊道產生的影響相對較小,交通用地的影響最小。

4 結論與討論

4.1 結論

從“源地-廊道”生態安全格局構建邏輯范式出發,以優勢物種白鷺的生境和遷移廊道為依據,通過提高生境網絡整體性及其連通性對緩沖區內建設用地進行減量化,提出了建設用地減量化的系統性方法,結果表明：對關鍵生態用地(重要生態源地及對應廊道緩沖區)內建設用地減量化10170.44 hm2,其中城鎮用地5408.38 hm2,農村居民點4107.96 hm2,交通用地654.10 hm2,實現了預期目標。為保證減量化工作能夠有序有效推進,建議如下：一是將識別的關鍵生態用地劃入區域生態紅線范圍內,有效防止新增建設用地集中連片出現,減緩生境破碎化進程。二是加強監督管理機制,提高透明度,廣泛接受公眾監督和違法舉報,對問題地塊依法審查并處理。三是確立利益相關者參與基本原則和合作式管理理念,尊重當地居民合理利益訴求,通過社區共管等方法將當地居民及企業納入管理過程中,最大限度排除人為因素對生態保護的干擾,同時降低建設用地減量化的難度及其成本。

4.2 討論

4.2.1“源地-廊道”生態安全格局構建與建設用地減量化

以已有成果[18- 19]為基礎,實現了特定“源地”及“對應廊道”的識別,然而在區域生態安全格局構建邏輯范式中[17](以下簡稱范式),“源地”是多源的,包括重要性、敏感性、連通性等；“對應廊道”因“源地”的多樣性而多元化。范式理論框架系統完整,需要的數據類型多、獲取難度大、耗費時間長,應用時多會被簡化。

信息獲取成本[25]規律認為,信息獲取成本與體驗高度負相關,或者說,人們在未知領域中獲得信息的成本要比在熟悉領域中獲得信息花費的成本更多。因此,簡化時可采用以下步驟,在信息獲取成本較低的同時,使得格局完整性和精確度達到最優成效：(1)針對區域生態環境本底特征,遴選最具代表性的“源地”為第一順位源。這種情形下,第一順位源信息(即領域內人們最熟悉的信息)獲取成本在各種“源地”信息獲取成本中最低。采用“源地-廊道”范式構建區域生態安全格局,得到的格局能夠反映出區域最基本的情況,達到成效最優。(2)采用信息特性互補思路,遴選第二順位源(即除第一順位源領域以外人們最熟悉的信息),獲取“源地”信息,構建并疊加識別出新的范式生態安全格局。第二順位源信息特征與第一順位源信息互補,從格局構建結果看,最有助于提升格局完整性和精確度；從信息獲取成本看,與第一順位源相比,由于信息熟悉程度較低,獲取成本較高；與其他源地相比,獲取信息成本(理論上)最低甚至接近,但是信息互補特性決定了第二順位源對格局完整性和精確度提升方面貢獻最大,因此產生的成效也最大。(3)重復步驟二,依次得到疊加新順位源后的生態安全格局,從而繼續提升區域生態安全格局的完整性和精確度。

以上步驟,實現了對不同類型關鍵生態用地緩沖區內建設用地的減量化,并在構建優化區域生態安全格局的同時,提出了建設用地減量化的系統性方法。按照關鍵生態用地類型重要程度,次序準確回答了“建設用地怎么減？減哪里？減多少？”的問題。該方法同樣可為區域存量和增量建設用地調整優化提供依據,具有較好的普適性。

與前期成果[10]相比,前者以目標物種生境網絡為生態用地“源”,在“格局-生態過程”中賦予了具體的內涵,是建設用地減量化的理論依據,但具有一定局限性,對區域生態安全格局構建的完整性考慮不足。本文將“源地-廊道”范式的生態安全格局構建作為建設用地減量化的理論依據,雖然“源地”類型相同,但遴選原則不同,不宜混為一談。另外,本文雖然沒有構建并識別第二順位“源地-廊道”下新的生態安全格局及新增減量化建設用地,但不影響以上討論及結論。

4.2.2建設用地減量化的實現與實踐

平衡經濟發展與生態保護的關系是一個世界性難題。美國田納西流域管理局訴希爾案[26]及商務部公布有關歐洲法院裁決西班牙高速鐵路違反歐盟鳥類保護法規案例[27]等實例表示,在較好的經濟基礎保障條件下,“天平”會傾斜于生態保護。為避免走彎路、重復建設,需要提早做好理論儲備。

原國土資源部提出的“實施城鄉建設用地增減掛鉤,通過建新拆舊和土地整理復墾等措施,實現區域內城鄉用地合理布局[28]”、中共中央國務院指出的“推進生態源地與生態廊道建設…強化源地保護、過程管控和退化修復及空間治理方式轉變[29]”等,明確了建設用地減量化符合國家發展戰略需求,迫切需要在現行建設用地減量化政策中納入對更多生態保護和生態安全格局構建等因素的考量。

建設用地減量化研究目前主要集中在上海、江蘇等經濟較發達地區[7- 8,12- 14]。《上海低效建設用地減量化透視》中介紹到,上海在第一輪三年(2015—2017年)期間,實現集建區外低效工業用地、零散宅基地等低效建設用地減量化累計28 km2。但是由于減量化推行成本高、觸動利益群體多、類型復雜,實施阻力較大,很多問題[7, 30- 31]迫切需要得到更多學者及廣大管理人員持續關注、深入探討。