張曉琳,金曉斌,3,*,吳心怡,梁鑫源,韓 博,孫 瑞,周寅康,3

1 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院,南京 210023 2 自然資源部海岸帶開發(fā)與保護重點實驗室,南京 210023 3 江蘇省土地開發(fā)整理技術(shù)工程中心,南京 210023

隨著城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴張和人類活動強度增加,全球范圍內(nèi)生物多樣性和關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)不斷減少,加劇了對地球生命系統(tǒng)的威脅[1]。為遏制經(jīng)濟發(fā)展對生態(tài)環(huán)境帶來破壞,1987年世界環(huán)境與發(fā)展委員會在《我們共同的未來》首次提出“可持續(xù)發(fā)展”概念,強調(diào)人與自然和諧共生的新發(fā)展路徑[2]。2015年,聯(lián)合國提出17項可持續(xù)發(fā)展目標(biāo),希望到2030年實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展、社會包容、環(huán)境協(xié)調(diào)的全球可持續(xù)發(fā)展[2]。作為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要手段,可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)中第15項提出“保護恢復(fù)和促進可持續(xù)利用陸地生態(tài)系統(tǒng)”,對生態(tài)保護提出更高要求。在實踐中,生態(tài)保護的落實方式主要是通過建立不同類別的保護區(qū),實施關(guān)鍵區(qū)域用途管制。世界自然保護聯(lián)盟(International Union for Conservation of Nature,IUCN)將保護區(qū)定義為“具有相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和文化價值的自然地理空間”[1],按保護等級劃分為嚴(yán)格自然保護區(qū)/荒野地保護區(qū)、國家公園、自然紀(jì)念物保護區(qū)、生境和物種管理保護區(qū)、陸地和海洋景觀保護區(qū)、資源管理保護區(qū)6類[3]。自1956年建立第一個國家級自然保護區(qū)以來,我國逐漸形成以自然保護地體系和生態(tài)保護紅線為主的生態(tài)保護空間管控格局[4]。其中以國家公園為主體的自然保護地體系強調(diào)重要自然生態(tài)系統(tǒng)保護和生態(tài)產(chǎn)品供給能力提升,進一步劃分為國家公園、自然保護區(qū)、自然公園3種類型[5]。以生態(tài)功能極重要區(qū)和生態(tài)環(huán)境極敏感區(qū)為保護對象的生態(tài)保護紅線,表征生態(tài)保護最小面積和生態(tài)安全的底線,體現(xiàn)了生態(tài)保護的剛性約束要求[6]。隨著山水林田湖草生命共同體理念提出,近年來國家發(fā)布了《省級國土空間規(guī)劃編制指南》(試行)、《山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)工程指南》(試行)、《全國重要生態(tài)系統(tǒng)保護和修復(fù)重大工程總體規(guī)劃(2021—2035年)》等重要文件,旨在提升自然生態(tài)系統(tǒng)與農(nóng)田、城市人工生態(tài)系統(tǒng)之間的協(xié)同性,構(gòu)建山水林田湖草一體化保護修復(fù)格局。立足可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略框架和國家戰(zhàn)略需求,廣義的生態(tài)保護不應(yīng)只關(guān)注自然生態(tài)空間的保護,還應(yīng)關(guān)注農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)空間中半自然生境的生態(tài)保護,以維持區(qū)域整體生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展[7]?；诖?總結(jié)國內(nèi)外生態(tài)保護存在的問題：①在生態(tài)保護對象上,由于不同保護體系概念內(nèi)涵和管理目標(biāo)差異,保護對象和范圍尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),造成保護區(qū)空間重疊、多頭管理等問題[5]；②在生態(tài)保護目標(biāo)上,較多側(cè)重生物多樣性保護目標(biāo)下自然生境保護,對可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的保護關(guān)注較少；③在生態(tài)保護內(nèi)涵上,均側(cè)重基于現(xiàn)狀的生態(tài)問題治理和保護,對未來生態(tài)保護的彈性空間考慮較少；④在生態(tài)保護方式上,保護等級主要呈現(xiàn)剛性約束現(xiàn)象,缺少半自然生境的保護和管理[6,8]。厘清生態(tài)保護內(nèi)在要求,明晰彈性生態(tài)保護空間概念定義和劃定過程,對協(xié)調(diào)各類保護區(qū)建設(shè)沖突,實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

立足生態(tài)保護內(nèi)涵要求,采取有效分析方法劃定生態(tài)保護空間具有重要實踐指導(dǎo)意義。常見保護區(qū)劃定方法包括綜合指標(biāo)評價法[9]、形態(tài)學(xué)空間格局分析(MSPA)[10-11]、系統(tǒng)保護規(guī)劃(如MARXAN模型)[12-14]等。綜合指標(biāo)評價法多通過選取表征生態(tài)保護要求的評價指標(biāo),采用空間加權(quán)疊加評價指標(biāo)方式劃定保護區(qū)。其中在評價指標(biāo)選取方面,學(xué)者側(cè)重從水源涵養(yǎng)、土壤保持、生物多樣性維護等生態(tài)功能進行評價[15],而以農(nóng)田等半自然生境的糧食供給功能評價較少納入分析體系[16-17]。在空間疊加劃定方面,有學(xué)者將單項功能前25%區(qū)域取交集作為生態(tài)保護空間[18],也有學(xué)者將評價結(jié)果的前20%區(qū)域作為重要生態(tài)源地[12]。該方法為保護區(qū)劃定提供了簡便路徑,但評價指標(biāo)選擇和指標(biāo)權(quán)重計算多樣,忽略了斑塊在空間結(jié)構(gòu)中重要性及其與周圍環(huán)境間的關(guān)系[19]。MSPA分析法是基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理測度結(jié)構(gòu)連接性的方法,可與指標(biāo)評價方法相結(jié)合劃定保護區(qū)[10-11]。受社會經(jīng)濟因素影響,保護區(qū)通常建立在機會成本較低的地方[20-21],僅考慮結(jié)構(gòu)連接性的MSPA分析法略顯不足。系統(tǒng)保護規(guī)劃是Margules和Pressey在2000年提出的針對生物多樣性保護的方法,目前以MARXAN模型應(yīng)用最為廣泛,該模型綜合考慮保護區(qū)的面積大小、邊界長度、連通性以及社會經(jīng)濟成本等因素,通過模擬退火算法迭代運算得到區(qū)域最佳保護空間,實現(xiàn)以最少成本達到最有效保護的目的[12-14]?，F(xiàn)有MARXAN模型多基于目標(biāo)物種分布開展保護區(qū)選址研究[22-24],然而物種分類復(fù)雜多樣,相關(guān)物種分布范圍存在較大不確定性,基于目標(biāo)物種空間分布研究保護區(qū)劃定面臨諸多局限。利用改進傳統(tǒng)MARXAN模型開展生態(tài)保護空間劃定,可彌補傳統(tǒng)評價方法的缺陷,相關(guān)研究亟需實踐。

沿海地區(qū)生態(tài)要素復(fù)雜多樣,是生態(tài)保護關(guān)鍵區(qū)域[25]。茂名市位于粵港澳大灣區(qū)、北部灣城市群和海南自貿(mào)區(qū)三大國家級經(jīng)濟區(qū)的交會處,區(qū)域資源類型豐富多樣,擁有“山水林田湖草海”等多種生態(tài)要素,生態(tài)保護與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之間矛盾突出。利用傳統(tǒng)生態(tài)保護紅線劃定方法可能導(dǎo)致紅線劃定范圍偏大,保護區(qū)內(nèi)部存在大量的基本農(nóng)田沖突問題[6]。如何協(xié)調(diào)基本農(nóng)田保護區(qū)、生態(tài)保護紅線以及其他保護區(qū)沖突,處理好剛性約束與彈性管控之間關(guān)系,亟需建立規(guī)范、統(tǒng)一的生態(tài)保護空間?；诖?本文以沿海地區(qū)特色發(fā)展區(qū)——廣東省茂名市為例,通過系統(tǒng)解析生態(tài)保護空間內(nèi)在特征,構(gòu)建彈性生態(tài)保護空間指標(biāo)評價體系,利用改進的MARXAN模型開展多種約束條件下的彈性生態(tài)保護空間劃定,以期為國土空間山水林田湖草系統(tǒng)保護提供參考。

1 生態(tài)保護空間的彈性思維

為減少棲息地喪失和生物多樣性下降,由聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署發(fā)起的《生物多樣性公約》提出,到2020年全球至少保護17%的陸地區(qū)域[26]。歐盟委員會制定了生物多樣性保護戰(zhàn)略,計劃到2030年保護其30%的陸地和海洋生物多樣性。雖然IUCN將具有重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和文化價值的自然地理空間劃定為保護區(qū),但實際生態(tài)保護過多關(guān)注生物多樣性保護,忽略重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[1]?；趪夜珗@和生態(tài)保護紅線制度,我國的生態(tài)保護主要基于不同生態(tài)系統(tǒng)類型,對重要生態(tài)功能、生態(tài)敏感和脆弱區(qū)域加以保護。以生態(tài)系統(tǒng)自身特性為保護對象的生態(tài)保護方式,側(cè)重完全自然空間生態(tài)系統(tǒng)保護,構(gòu)成了“狹義生態(tài)保護空間”。隨著山水林田湖草生命共同體理念提出,系統(tǒng)保護理念研究愈加重要。區(qū)別于各類重點保護區(qū)和綠地系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)[27-28]等生態(tài)保護方式,系統(tǒng)保護理念可定義為通過生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部多要素保護以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提升,維護生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完整性和其功能的可持續(xù)性,以期實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)保護理念,反映了山水林田湖草各生態(tài)系統(tǒng)之間的系統(tǒng)性和有機聯(lián)系。在結(jié)構(gòu)完整性上,系統(tǒng)保護理念以完整生態(tài)系統(tǒng)為基本保護單元,以自然要素區(qū)域為保護范圍；在功能可持續(xù)性上,系統(tǒng)保護理念強調(diào)物種多樣性保護,維持生態(tài)系統(tǒng)各項功能。系統(tǒng)保護理念的整體性與功能性是內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部系統(tǒng)環(huán)境綜合作用的結(jié)果,體現(xiàn)了山水林田湖草生命共同體理念?；谙到y(tǒng)保護理念的生態(tài)保護,兼顧了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間、城鎮(zhèn)生態(tài)空間等半自然生境保護,成為“廣義生態(tài)保護空間”的重要組成部分。正確認(rèn)識狹義、廣義生態(tài)保護空間在國土空間規(guī)劃中表現(xiàn)方式及所發(fā)揮作用,對生態(tài)系統(tǒng)有效保護具有重要實踐意義。

從管控強度上看,廣義生態(tài)保護空間具有剛性約束和彈性管控特性。廣義生態(tài)保護空間包括了基于現(xiàn)狀評價的生態(tài)功能重要區(qū)、生態(tài)敏感區(qū)、生物多樣性重點保護區(qū)等狹義生態(tài)保護空間,通過建立生態(tài)紅線或各類自然保護區(qū)制度,對關(guān)鍵的自然生態(tài)空間進行嚴(yán)格保護,具有剛性約束特點。另一方面,廣義生態(tài)保護空間也具有一定“彈性”。在微觀尺度,生態(tài)系統(tǒng)具有一定彈性,表現(xiàn)在偏離平衡狀態(tài)后恢復(fù)到原始狀態(tài)的自我調(diào)節(jié)能力[29]。在宏觀尺度,基于多目標(biāo)規(guī)劃優(yōu)化土地資源配置的彈性規(guī)劃,為未來的可持續(xù)發(fā)展預(yù)留足夠空間,是實現(xiàn)資源管理可持續(xù)性重要手段[30]。區(qū)別于剛性生態(tài)保護空間,彈性生態(tài)保護空間具有四個基本特征：①空間范圍上,剛性生態(tài)保護空間針對自然生境的保護,彈性生態(tài)保護空間具有更廣空間范圍,包括半自然生境的保護范疇；②時間維度上,剛性生態(tài)保護空間基于現(xiàn)狀區(qū)域生態(tài)問題進行保護治理,彈性生態(tài)保護空間針對未來發(fā)展前景,對現(xiàn)有廣義生態(tài)保護空間進行規(guī)劃管控；③管控強度上,剛性生態(tài)保護空間具有排斥人類活動的嚴(yán)格保護特性,彈性生態(tài)保護空間針對不同生態(tài)系統(tǒng)類型采取多樣化管控路徑,既有針對生態(tài)重要區(qū)的嚴(yán)格保護,也有針對半自然生境生態(tài)建設(shè),通過高自然價值農(nóng)田、綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)建設(shè),保持生態(tài)系統(tǒng)完整性以及提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。關(guān)于剛性、彈性生態(tài)保護空間的概念辨析,詳見表1。

表1 剛性與彈性生態(tài)保護空間概念辨析Table 1 Discrimination on the concept of rigid and flexible ecological protection space

聯(lián)合國千年生態(tài)系統(tǒng)評估是在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略框架下,通過綜合評價生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),分析世界資源利用、發(fā)展趨勢等情況[31]。借鑒千年生態(tài)系統(tǒng)評估框架,彈性生態(tài)保護空間至少具備：①功能屬性上,彈性生態(tài)保護空間是國土空間中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的高值集聚區(qū)域；②空間屬性上,彈性生態(tài)保護空間應(yīng)維護不同保護區(qū)間連通性,即具備滿足較高的生態(tài)系統(tǒng)彈性恢復(fù)力和生態(tài)連通性等其他空間屬性要求[32-33]；③效用屬性上,在實踐操作上彈性生態(tài)保護空間應(yīng)具有較高保護效用,盡可能提升生態(tài)保護價值,降低保護成本,為生態(tài)保護和社會經(jīng)濟發(fā)展提供生態(tài)支撐?；诖?彈性生態(tài)保護空間是以自然或半自然屬性為基礎(chǔ),以功能屬性為依據(jù),以空間屬性為優(yōu)化,以效用屬性為輔助的國土空間,以實現(xiàn)多因素綜合考慮下的保護區(qū)最優(yōu)選址目的。系統(tǒng)保護規(guī)劃是一種選址優(yōu)化算法,從保護成本與保護目標(biāo)兩方面出發(fā),對研究區(qū)域內(nèi)有限的保護資源進行優(yōu)化配置,達到多目標(biāo)集成、多條件限制下保護區(qū)最佳選址目的[12-14]。基于彈性生態(tài)保護空間特性,耦合系統(tǒng)保護規(guī)劃的彈性生態(tài)保護空間應(yīng)滿足以功能屬性為評價對象和準(zhǔn)則,以自然或半自然屬性為基本限制條件,以效用屬性為最終保護目標(biāo),達到空間屬性優(yōu)化目的(圖1)。

圖1 系統(tǒng)保護規(guī)劃下的彈性生態(tài)保護空間理論解析圖Fig.1 The theoretical analysis diagram of flexible ecological protection space under system conservation planning

2 研究區(qū)與研究方法

2.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

2.1.1研究區(qū)概況

茂名市位于廣東省西南部,東經(jīng)110°20′—114°40′,北緯21°25′—22°43′之間,東與陽江市毗鄰,西與湛江市接壤,北連云浮市和廣西壯族自治區(qū),南鄰南海。茂名市轄信宜市、高州市、化州市、茂南區(qū)和電白區(qū),陸域面積為11458 km2,其中農(nóng)用地4429.62 km2、建設(shè)用地1288.2 km2、林草地4839.71 km2、水域694.87 km2(圖2)。全市資源豐富類型多樣,擁有“山水林田湖草?！钡榷喾N生態(tài)要素,農(nóng)業(yè)資源和水資源豐富,是粵西地區(qū)重要水源涵養(yǎng)區(qū)和廣東省重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地。全市產(chǎn)業(yè)發(fā)展特色明顯,是全國重要的石油化工基地和能源基地。根據(jù)2018年茂名市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報,茂名市人均地區(qū)生產(chǎn)總值49406元,三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)為16∶38.1∶45.9,高質(zhì)量發(fā)展態(tài)勢逐步顯現(xiàn)?？偨Y(jié)茂名市經(jīng)濟發(fā)展與資源保護利用問題：一方面面臨生態(tài)要素豐富但整體質(zhì)量不高,生態(tài)保護壓力逐年增大等現(xiàn)實問題；另一方面存在生態(tài)保護紅線劃定范圍偏大,與基本農(nóng)田控制線權(quán)衡管理問題[6]。

圖2 研究區(qū)區(qū)位與土地利用現(xiàn)狀(2018)Fig.2 Location of the study area and land use status (2018)

2.1.2數(shù)據(jù)來源與處理

本文的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括土地利用數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)等,所有數(shù)據(jù)均統(tǒng)一行政區(qū)邊界與坐標(biāo)投影(2018年,高斯-克呂格投影,1980年西安坐標(biāo)系),詳見表2。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)預(yù)處理包括以下方面：(1)為統(tǒng)一精度,將土地利用矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為30 m分辨率柵格數(shù)據(jù)。(2)為獲取與研究精度相一致的NDVI數(shù)據(jù),選取夏季少云的Landsat 8 OLI影像(2018年),利用ENVI 5.1軟件對影像進行大氣校正、幾何校正、圖像拼接等操作,提取相應(yīng)波段得到NDVI數(shù)據(jù)。(3)將土地利用數(shù)據(jù)與POI點數(shù)據(jù)進行空間關(guān)聯(lián)并轉(zhuǎn)換成30 m×30 m的柵格,代表基礎(chǔ)設(shè)施點密度數(shù)據(jù)。(4)從土地利用變更數(shù)據(jù)庫提取鐵路、公路、農(nóng)村道路等作為研究區(qū)道路圖層。

表2 數(shù)據(jù)來源及說明Table 2 Data sources and description

2.2 研究方法與改進

2.2.1MARXAN模型

MARXAN模型最初由昆士蘭大學(xué)的Watts.Matt研發(fā),是基于模擬退火算法的多目標(biāo)系統(tǒng)保護規(guī)劃軟件,可在一定保護成本限制下實現(xiàn)最有效保護目標(biāo)[12-14]。模型最早應(yīng)用于海洋保護體系規(guī)劃,隨著方法不斷完善,近年來廣泛應(yīng)用于陸地保護體系規(guī)劃,其核心是通過目標(biāo)物種分布情況確定保護區(qū)選址,達到生物多樣性保護目的[22-24]。MARXAN模型運算基本函數(shù)如下[12]：

Sc=∑Cost+∑SPF×Penalty+BLM∑Boundary

(1)

式中,Sc為總保護成本；Cost為單個柵格保護成本；SPF為單個柵格沒有得到保護目標(biāo)的懲罰；Penalty為懲罰系數(shù)；Boundary為邊界長度調(diào)節(jié)因子,用以平衡邊界長度和成本支出,從而得到建設(shè)成本低且邊界長度短的解決方案。BLM值越小,邊界長度越短,代表保護區(qū)域形狀愈加緊湊和完整,有利于生態(tài)斑塊間內(nèi)部連通,同時提高了管理和保護效率。參考研究[34],將總規(guī)劃成本和運算結(jié)果中總懲罰值進行敏感性分析,進一步確定合適的SPF值；將邊界長度和總規(guī)劃成本進行敏感分析,從而確定最佳BLM值。

在模型運行過程中,研究區(qū)首先被劃分為一定數(shù)量的規(guī)劃單元,每一規(guī)劃單元包含不同保護對象的特定面積和柵格保護成本值[35]。既往研究的規(guī)劃單元劃分主要為三種類型：網(wǎng)格單元[36]、六邊形[37]、自然生態(tài)分區(qū)(如水文集水區(qū))[38]。規(guī)則的規(guī)劃單元形狀便于運算,但容易割裂生態(tài)連接性[34]。因此研究利用DEM數(shù)據(jù)生成集水區(qū),將水文集水區(qū)作為規(guī)劃單元。不同規(guī)劃單元可設(shè)定特定初始狀態(tài),具體為“初始時可能保留參考”、“初始時一定保留參考”、“一定鎖定結(jié)果”、“一定剔除結(jié)果”4種狀態(tài),分別用數(shù)字0、1、2、3進行設(shè)置。當(dāng)設(shè)定保護對象的目標(biāo)后,模型會隨機選擇一定數(shù)量規(guī)劃單元,通過不斷迭代運算最終得到滿足保護目標(biāo),成本最低、數(shù)量最少的規(guī)劃單元。以規(guī)劃單元視角,設(shè)規(guī)劃單元總數(shù)為m,保護對象類別總數(shù)為n,則有：

(2)

式中,i=1,…,m;j=1,…,n;aij表示保護對象j是否包含在規(guī)劃單元i。

(3)

式中,i=1,…,m;xi表示規(guī)劃單元是否被選入保護體系。

(4)

式中,tj代表保護對象j的目標(biāo)百分比,即保護對象目標(biāo)值。保護目標(biāo)設(shè)置太高將難以達到目標(biāo)值而懲罰值過高,設(shè)置太低將失去保護意義[34]。結(jié)合以往研究[34,36],保護目標(biāo)值設(shè)定為20%—50%可以達到較好保護區(qū)劃定效果。根據(jù)《茂名市國家森林城市建設(shè)總體規(guī)劃(2017—2030年)》,到2023年茂名市順利榮獲并通過“國家森林城市”稱號復(fù)查。其中國家森林城市建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為年降水量800 mm以上的地區(qū)城市森林覆蓋率達到35%以上,城區(qū)綠化覆蓋率達到40%以上。基于茂名市自然環(huán)境特點,綜合設(shè)定保護對象目標(biāo)為30%。

2.2.2模型方法改進

(1)保護對象模塊改進

基于彈性生態(tài)保護空間特性,以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為系統(tǒng)保護規(guī)劃對象。依據(jù)廣東省主體功能區(qū)規(guī)劃(2010—2020年)、粵西地區(qū)環(huán)境保護規(guī)劃(2011—2020年),綜合確定研究區(qū)重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。氣候調(diào)節(jié)功能、生物保護功能、水源涵養(yǎng)功能、土壤保持功能利用InVEST模型[39]的固碳量、生境質(zhì)量、產(chǎn)水量、土壤保持模塊進行計估算；糧食供給功能基于分縣區(qū)的糧食產(chǎn)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)利用NDVI修正耕地柵格數(shù)據(jù),通過空間分配方式將糧食產(chǎn)量落到柵格單元[6]。進一步確定系統(tǒng)保護對象空間分布,需要對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價結(jié)果進行二值化處理。具體地,對各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價結(jié)果進行0—1標(biāo)準(zhǔn)化處理,將功能值大于平均值的區(qū)域作為保護對象潛在分布范圍。

(2)保護成本模塊改進

受各種限制因素制約,直接計算保護經(jīng)濟成本非常困難[34]。由于保護成本主要受人為活動影響[40-41],人類活動越密集的地方保護成本越高[36],本文將生態(tài)阻力面作為保護成本進行分析。將土地利用數(shù)據(jù)按不同類型賦以不同土地利用阻力值,利用研究區(qū)道路數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)設(shè)施點密度、DEM數(shù)據(jù)、NDVI數(shù)據(jù)等共同修正土地利用阻力值,得到最終生態(tài)阻力面[28]。

(3)保護方案模型優(yōu)化

按照規(guī)劃單元初始狀態(tài)不同,設(shè)置情景模擬進行不同保護方案優(yōu)化對比分析,采用鎖定生態(tài)保護紅線核心區(qū)、剔除建設(shè)用地以及不采取任何鎖定、剔除操作2種模擬方式。第一種情景下可保證紅線內(nèi)部核心區(qū)一定保留在模擬結(jié)果內(nèi),同時剔除建設(shè)用地選擇可能性；第二種情景主要依據(jù)保護成本和功能評價結(jié)果進行選擇,沒有初始狀態(tài)的限制。

3 結(jié)果分析

3.1 重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價結(jié)果

根據(jù)各項功能評價結(jié)果,采用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法對各功能值進行標(biāo)準(zhǔn)化處理,以消除度量單位的影響。將各項功能標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果進行疊加運算,得到綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。從各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價結(jié)果來看,茂名市氣候調(diào)節(jié)功能、生物保護功能、水源涵養(yǎng)功能高值主要分布在北部山區(qū),集中在北面的云開大山、東北面的大云霧山脈和西北面的勾漏山脈附近(圖3)。土壤保持功能高值主要分布在東北部山區(qū),說明西北部植被覆蓋度和土壤保持功能低于東北部。糧食供給功能高值主要分布在中南部區(qū)域,說明城市郊區(qū)內(nèi)部的基本農(nóng)田和耕地在糧食供給方面發(fā)揮重要作用。從綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價結(jié)果來看,高值區(qū)主要分布在北部山區(qū),低值區(qū)主要集中在城鎮(zhèn)建設(shè)內(nèi)部及其周邊區(qū)域,整體上綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布與單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價結(jié)果趨勢相似。綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)低值區(qū)一定程度上代表人類活動強度較大區(qū)域,同時該區(qū)域生態(tài)保護價值較低且保護成本較高。

圖3 重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價結(jié)果Fig.3 Evaluation results of important ecosystem services

3.2 彈性生態(tài)保護空間劃定結(jié)果

(1)不考慮初始狀態(tài)的情景模擬

不考慮生態(tài)保護紅線、建設(shè)用地等限制條件下,規(guī)劃單元的初始狀態(tài)均設(shè)置為“0”。通過總規(guī)劃成本和總懲罰值的敏感性分析,得到適宜的SPF值為1.05。通過不同邊界長度和總規(guī)劃成本的敏感分析,得到最佳BLM值為32?；趩雾椛鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價結(jié)果和保護成本數(shù)據(jù),進行MARXAN模型迭代運算,得到該情景下模擬最終結(jié)果。其中綠色區(qū)域為該情景下系統(tǒng)保護最佳結(jié)果,紅色區(qū)域為現(xiàn)狀生態(tài)保護紅線。為分析不同方法的優(yōu)劣,將綜合指標(biāo)評價分級法作為傳統(tǒng)分析方法,取綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)前30%的區(qū)域作為傳統(tǒng)方法劃定結(jié)果。

從圖4可以看出,情景模擬1的結(jié)果與傳統(tǒng)方法劃定結(jié)果空間分布趨勢一致,說明改進MARXAN模型在識別生態(tài)保護空間方面的適用性。與傳統(tǒng)結(jié)果不同,系統(tǒng)保護結(jié)果空間分布更加集聚和完整,而傳統(tǒng)結(jié)果空間分布零散,易受人為因素的干擾。通過生態(tài)保護紅線與系統(tǒng)保護結(jié)果的疊加分析,兩者空間分布差異明顯,不重疊部分主要分布在西北部山區(qū)。這主要因為兩者評價內(nèi)容和目標(biāo)不同,生態(tài)保護紅線劃定依據(jù)生態(tài)極重要和生態(tài)極敏感評價結(jié)果,系統(tǒng)保護規(guī)劃結(jié)果依據(jù)各項重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價,同時受各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護目標(biāo)的約束。結(jié)果在一定程度上說明西北部區(qū)域生態(tài)重要程度雖較低,但在區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給方面起著重要作用。

圖4 生態(tài)保護空間模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of ecological protection space

(2)考慮初始限制狀態(tài)的情景模擬

考慮生態(tài)保護紅線、建設(shè)用地等限制條件下,將生態(tài)保護紅線核心區(qū)內(nèi)的規(guī)劃單元設(shè)置為“2”,建設(shè)用地內(nèi)的規(guī)劃單元狀態(tài)設(shè)置為“3”,其余規(guī)劃單元的初始狀態(tài)設(shè)置為“0”。通過敏感性分析,得到適宜的SPF值為0.65,最佳BLM值為32。該情景模擬的最終結(jié)果詳見圖4,其中淺藍色區(qū)域為該情景下系統(tǒng)保護最佳結(jié)果,其他區(qū)域釋義可參照情景模擬1的分析。

受生態(tài)保護紅線等限制條件影響,情景模擬2的結(jié)果與傳統(tǒng)方法劃定結(jié)果在空間分布上存在差異,主要集中在西北部、北部區(qū)域。與傳統(tǒng)結(jié)果相比,系統(tǒng)保護結(jié)果分布更加集聚和完整,更貼合生態(tài)保護紅線空間分布,易于后期管理和維護。系統(tǒng)保護規(guī)劃結(jié)果與生態(tài)保護紅線空間分布趨勢相似,且系統(tǒng)保護范圍大于生態(tài)保護紅線,超過的部分主要分布在中西部臺地平原區(qū),表明這些區(qū)域在未來國土空間規(guī)劃中需加強保護。

(3)兩種模擬結(jié)果對比分析

經(jīng)模型迭代運算,情景模擬1所得系統(tǒng)保護規(guī)劃面積為2770.9 km2,占區(qū)域總面積24.26%；情景模擬2系統(tǒng)保護規(guī)劃面積為3474.56 km2,占區(qū)域總面積30.41%。一方面,情景模擬2比模擬1考慮限制性因素更多,與生態(tài)保護紅線重疊面積更大,更符合現(xiàn)實管控需求；另一方面情景模擬2結(jié)果比模擬1結(jié)果受保護范圍更大,所付出保護成本更高(表3)。

表3 模擬結(jié)果對比分析Table 3 Comparative analysis of simulation results

4 討論

4.1 彈性生態(tài)保護空間劃定的合理性

為驗證生態(tài)保護空間劃定的合理性,將生態(tài)保護紅線核心區(qū)作為限制條件,選擇情景2的系統(tǒng)保護規(guī)劃結(jié)果與茂名市陸域生態(tài)保護紅線進行對比。2018年茂名市陸域生態(tài)保護紅線面積為1803.94 km2,系統(tǒng)保護結(jié)果面積為3474.56 km2,兩者相交部分面積為1505.02 km2,占生態(tài)保護紅線面積的83.43%,表明系統(tǒng)規(guī)劃結(jié)果涵蓋了大部分生態(tài)紅線區(qū)域。兩者的空間分布趨勢相似,相交部分主要集中在東北部山區(qū)(圖5)。

圖5 系統(tǒng)保護結(jié)果與生態(tài)紅線對比分析Fig.5 Comparative analysis of systematic conservation planning results and ecological red line

對兩者不重疊部分進行土地利用類型分析,系統(tǒng)規(guī)劃獨有的區(qū)域面積為1969.54 km2,其中林草地類、園地類、耕地類占比最高,分別為45.92%、19.71%、22.24%；生態(tài)保護紅線獨有的區(qū)域面積為298.91 km2,其中林草地類面積占比為83%,水域及其他用地類面積占比為7.56%,園地類面積占比為7.06%。生態(tài)保護紅線獨有的區(qū)域分布在生態(tài)紅線外圍,該區(qū)域受人類活動干擾程度較大,生態(tài)系統(tǒng)功能不穩(wěn)定。參考相關(guān)研究[42-43],利用景觀格局指數(shù)中邊緣密度、平均斑塊面積、歐式平均最鄰近距離、結(jié)合度指數(shù)、聚集指數(shù)分析兩者空間分布的差異性。從表4看出,系統(tǒng)規(guī)劃獨有的區(qū)域更加集聚連片,在空間布局上更具合理性。綜上,研究選址結(jié)果具有相對合理性。

表4 空間布局對比分析Table 4 Comparative analysis of spatial layout

4.2 彈性生態(tài)保護空間與各類保護區(qū)銜接

區(qū)別于剛性生態(tài)保護空間的強管控約束,彈性生態(tài)保護空間是以功能屬性為依據(jù)的廣義生態(tài)保護空間,對實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重要作用。生態(tài)保護紅線是生態(tài)保護最小面積和生態(tài)安全的底線[6],基本農(nóng)田是保障糧食安全的底線和約束條件,各類自然公園和保護區(qū)是生態(tài)保護重要組成部分,協(xié)調(diào)各類保護區(qū)間關(guān)聯(lián)作用,開展彈性生態(tài)保護空間系統(tǒng)性建設(shè)具有重要研究意義。在劃定彈性生態(tài)保護空間過程中,將生態(tài)保護紅線等法定保護區(qū)域作為限制條件,研究結(jié)果更具有實踐操作性?；谙到y(tǒng)保護規(guī)劃的生態(tài)保護空間劃定,為解決保護區(qū)規(guī)劃沖突、保護空缺、生態(tài)連通性差問題,加強國土空間規(guī)劃生態(tài)空間用途管制提供新路徑。采取具體策略：(1)對于系統(tǒng)保護規(guī)劃內(nèi)生態(tài)紅線核心區(qū)應(yīng)加強保護,強調(diào)自然培育和恢復(fù),嚴(yán)禁人類開發(fā)建設(shè)活動,維持生態(tài)系統(tǒng)安全。(2)對于系統(tǒng)保護規(guī)劃內(nèi)一般保護區(qū)可開展一定程度保護和建設(shè)活動,強調(diào)“基于自然的解決方案”的生態(tài)保護修復(fù),增強不同要素間生態(tài)連通性的同時,拓展和提升各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。(3)對系統(tǒng)保護規(guī)劃內(nèi)基本農(nóng)田或耕地開展生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè),提升耕作便利條件和糧食產(chǎn)量的同時,實現(xiàn)農(nóng)田可持續(xù)利用。此外,建立生態(tài)系統(tǒng)綜合管理的政策保障機制,統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)性保護與利用,協(xié)調(diào)不同要素間保護沖突,促進生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有效恢復(fù)和提升。

4.3 研究不足與展望

本文利用改進的MARXAN模型劃定生態(tài)保護空間具有借鑒價值,但在規(guī)劃結(jié)果應(yīng)用、計算過程分析方面仍需進一步完善。受基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的限制,研究將生態(tài)阻力面作為保護成本具有一定可取性,但保護成本與生態(tài)阻力面關(guān)系仍需進一步分析,后續(xù)將區(qū)分不同阻力類型對保護成本影響進一步修正生態(tài)阻力值。研究利用InVEST生境質(zhì)量模塊評價結(jié)果作為生物保護功能,強調(diào)生境質(zhì)量對生物保護重要程度,但未從各類物種角度出發(fā)分析其空間分布范圍和強度。此外,在模型運算中保護對象目標(biāo)值均設(shè)定為30%,后續(xù)仍需根據(jù)研究區(qū)實際情況和未來規(guī)劃進行適當(dāng)調(diào)整,進一步區(qū)分不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型對保護目標(biāo)影響。研究通過單項功能二值化處理得到保護對象空間分布,后續(xù)將借鑒突變點檢測理論完善相應(yīng)計算方法,精準(zhǔn)識別重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布。借鑒生態(tài)系統(tǒng)“格局-過程-功能”研究,明確格局與功能互饋關(guān)系,以及生態(tài)系統(tǒng)演變過程,進一步指導(dǎo)彈性生態(tài)保護空間劃定。

5 結(jié)論

本文基于可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)下的生態(tài)保護內(nèi)在要求,對生態(tài)保護空間中剛性和彈性管控模式進行區(qū)分,以沿海地區(qū)茂名市為研究區(qū),從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)角度出發(fā),采用改進的MARXAN模型劃定生態(tài)保護空間,并結(jié)合傳統(tǒng)劃定結(jié)果和生態(tài)保護紅線數(shù)據(jù)進行了研究方法和結(jié)果有效性驗證,拓展了MARXAN模型的應(yīng)用范圍,為解決不同生態(tài)要素間規(guī)劃沖突問題以及未來國土空間用途管制提供指導(dǎo)。研究結(jié)果表明:(1)茂名市重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈北高南低態(tài)勢,空間分布不均衡。綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價結(jié)果在空間分布上趨勢相近,其中高值區(qū)主要分布在北部山區(qū),低值區(qū)主要集中在南部城鎮(zhèn)建設(shè)內(nèi)部及周邊區(qū)域。(2)與傳統(tǒng)劃定方法相比,考慮多種限制條件的系統(tǒng)保護結(jié)果在空間分布上更集聚,更符合現(xiàn)實管理需求。系統(tǒng)保護結(jié)果與生態(tài)保護紅線重疊面積1505.02 km2,占生態(tài)保護紅線面積的83.43%,不重疊區(qū)域主要由林草地類、園地類、耕地類組成,占比分別為45.92%、19.71%、22.24%,研究結(jié)果具有合理性。(3)在未來生態(tài)保護建設(shè)中,應(yīng)針對系統(tǒng)保護規(guī)劃內(nèi)不同區(qū)域采取多樣化整治策略。針對系統(tǒng)保護規(guī)劃內(nèi)生態(tài)紅線核心區(qū)域采取加強保護管理策略,對系統(tǒng)保護規(guī)劃內(nèi)一般保護區(qū)采取生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能系統(tǒng)提升策略,對系統(tǒng)保護規(guī)劃內(nèi)耕地采取生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)策略,達到山水林田湖草系統(tǒng)保護目的。