汪 丹

(湖北省地質科學研究院(湖北省富硒產業(yè)研究院),湖北武漢 430034)

城鎮(zhèn)內部生態(tài)空間在維持城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)和諧穩(wěn)定運轉的過程中扮演著極其重要的角色[1],然而主流學界對于生態(tài)系統(tǒng)服務一般聚焦在城鎮(zhèn)以外的非人工生態(tài)系統(tǒng)[2-3],往往將城鎮(zhèn)地區(qū)簡化為生態(tài)系統(tǒng)服務的消費者[4],在定量分析中受到了不應有的忽視。即便是關注到城鎮(zhèn)內部生態(tài)空間提供的可觀生態(tài)系統(tǒng)服務,研究視角也主要聚焦于與城鎮(zhèn)居民的關系[5],缺少對城鎮(zhèn)建設用地與生態(tài)空間交互協調機制的探討。

生境質量這一指標考慮了生態(tài)空間同時為人類和動植物提供棲息場所的重要特征[6],其評價方法一般根據研究的對象和尺度來源確定:小尺度特定物種或群落選取密切相關的環(huán)境因子進行實地調查和綜合評價[7],大尺度一般性研究一般使用遙感數據提取相關環(huán)境因子,如采用對植被覆蓋[8]和土地利用變化[9]等要素的遙感識別來實現。這些方法通常對于輸入數據有既定要求,在應用推廣上存在普適性較低的問題[10]。近年來,由美國斯坦福大學、WWF(世界自然基金)和TNC(大自然保護協會)協作開發(fā)的InVEST(Integrate Valuation of Ecosystem Service and Tradeoffs Tool)模型的生境質量(Habitat Quality)模塊,具有變量參數自定義程度高,與主流GIS平臺銜接良好的優(yōu)勢,被更加廣泛應用[11-12]。

作為中國中部新的經濟增長極,武漢市城鎮(zhèn)擴張迅速,生態(tài)空間萎縮帶來的人居環(huán)境惡化等問題日益突出[13],而東湖作為武漢市內承載了大量生態(tài)服務責任的AAAAA級旅游景區(qū),其生境質量的改善或惡化不僅關系到人居環(huán)境[14],還是影響土地價格變化的重要因素[15],應當受到更密切的關注。鑒于此,筆者以東湖生態(tài)旅游風景區(qū)為例,分別對1990、2005、2020年的生境質量進行評價,基于圈層梯度劃分方法[16]刻畫生境質量對生態(tài)空間布局演化的時空響應,探討更高效的生態(tài)空間布局方式,為城鎮(zhèn)生態(tài)空間的規(guī)劃和管控提供重要參考。

1 InVEST模型生境質量評估方法

生境質量關系到人類居住環(huán)境的舒適度和生物多樣性,在InVEST模型中由生境適宜度和退化度共同決定:生境適宜度是評價單元作為生境的適宜程度;生境退化度體現人類活動對生境產生的影響[17]。對生境退化度產生影響的因素包括5個:威脅源強度(ry)、威脅源權重(ωr)、威脅源對生境的干擾(irxy)、生境的抗干擾能力(βx)和不同生境對各種威脅源的相對敏感程度(Sjr)。生境類型中位置x上的退化度計算公式為:

(1)

式中:rt為位置y上的威脅源;dxy為位置x上的生境與威脅源ry的歐氏距離;drmax為威脅源ry的最大干擾半徑。

生境質量計算公式如下:

(2)

式中:Hj為生境類型j的生境適宜度;Dxj為生境類型j中位置x上的生境退化度;k為半飽和常數,即最大退化度的一半;z為歸一化常量,一般取值為2.5以上各參數的具體計算方法可參考相關文獻[18]。

2 研究區(qū)概況和數據來源

2.1 研究區(qū)概況武漢東湖生態(tài)旅游風景區(qū)(以下簡稱東湖風景區(qū)),位于湖北省武漢市中心城區(qū)東部,是為數不多位于中心城區(qū)的國家AAAAA級旅游景區(qū),由聽濤、磨山、落雁、吹笛、白馬和珞洪6個片區(qū)組成,面積共計4 948.02 hm2。有武漢大學、華中科技大學、中國地質大學(武漢)等知名高校環(huán)繞湖畔,自然景觀和人文景觀兼具[19]。東湖是江漢湖群中的一個人工控制型半封閉淺水雍塞湖,港汊湖岸交錯,曾是亞洲最大城中湖,但隨著城鎮(zhèn)土地資源的日益稀缺,水域和周邊附屬的林地、草地等綠色空間逐漸被建設用地蠶食,在武漢市內已成為次于湯遜湖的面積第二城中湖,東湖風景生境質量受到嚴重干擾[20]。為精確識別東湖風景區(qū)及周邊地區(qū)生境質量的演化過程,為未來城鎮(zhèn)生態(tài)空間的規(guī)劃保護提供依據,本文以風景區(qū)邊界為基礎,分別向內外構建了10個間隔為250 m的緩沖區(qū)圈層,將研究區(qū)細分為20個評價單元(圖1)。

圖1 東湖風景區(qū)圈層劃分及周邊生態(tài)空間分布Fig.1 Concentric rings partition and ecological spaces distribution of East Lake and surrounding areas

2.2 數據來源及處理該研究收集了武漢東湖風景區(qū)所在行政區(qū)(武昌區(qū)、洪山區(qū)、青山區(qū))1990、2005及2020年土地利用覆被變化(LUCC)、路網數據、東湖風景區(qū)邊界數據等。其中, LUCC數據由地理國情監(jiān)測云平臺(http://www.dsac.cn/)提供,原始數據包括6個一級類、25個二級類,其中耕地和不透水面的平均解譯精度在85%以上[21]。東湖風景區(qū)邊界數據和主干道路網數據使用網絡爬蟲從百度地圖下載,經過地理配準后進行矢量化獲取。在綜合考慮模型計算量和研究粒度要求后,將所有數據柵格化并重采樣至30 m×30 m分辨率。

3 結果與分析

3.1 生態(tài)空間布局演變東湖風景區(qū)內部生態(tài)空間以水域濕地為主,占比67%以上;林地占14%以上,主要分布于東湖南岸;沒有草地分布。另外有15%左右耕地分布于東岸,以及少量建設用地和未利用地散布(表1)。從年際變化來看,水域濕地先減少后增加,占比從1990年的67.47%跌至2005年的67.07%,最后在2020年恢復到68.08%,面積保持在3 300 hm2以上;林地在1990—2005年期間較為穩(wěn)定,保持在700 hm2以上,之后雖然有緩慢減少的趨勢,但始終保持在14%以上。耕地在1990—2005年期間曾增加到近800 hm2,但到2020年減少到700 hm2以下,其中絕大部分是之前被填為耕地的湖泊重新恢復為水域濕地,主要分布在東湖東岸。建設用地在2005年以前一直保持在2%(100 hm2)以下,但隨著武漢市城鎮(zhèn)建設用地近10年來的快速擴張,占比已經達到3.22%,增幅超過2/3,且主要分布在東湖的東南岸三環(huán)線以外的區(qū)域。未利用地變化不明顯,常年維持在0.5%左右。從周邊地區(qū)土地利用空間布局來看,建設用地主要分布于西南側,是武昌中心城區(qū),但2005年以后東側建設用地擴張迅速,尤其在光谷和青山片區(qū)已形成大面積連片建成區(qū),對景區(qū)內東南側和北側生態(tài)系統(tǒng)構成了較大壓力。

總體而言,東湖風景區(qū)生態(tài)空間布局演變在邊界內外區(qū)別分明,內部近年來已經表現為持續(xù)優(yōu)化的趨勢(圖2)。東岸的聽濤、珞洪景區(qū)緊鄰武昌中心城區(qū),土地利用變化較小,

表1 1990—2020年東湖風景區(qū)各地類面積變化 Table 1 Quantitative changes of land use in East Lake eco-tourism scenic area in 1990-2020 單位: hm2

生態(tài)空間穩(wěn)定;白馬、吹笛景區(qū)雖然內部土地利用變化不明顯,但外圍北側青山區(qū)和東南側洪山區(qū)是城鎮(zhèn)擴張的主要陣地;磨山、落雁景區(qū)是生態(tài)空間優(yōu)化的重點區(qū)域,同時周邊知名高校集中分布,土地利用變化較小,對景區(qū)生態(tài)空間形成了一道有效的保護屏障,全長101.98 km,寬6 m的東湖綠道,新建部分主要位于該區(qū)域[22]。

從生態(tài)空間布局演化的圈層特征來看,1990—2020年期間,風景區(qū)內部表現出增加的趨勢,主要集中于岸線附近;而外部則有不同程度的減少,且隨著與風景區(qū)邊界距離的增加,減少幅度明顯加大(圖3)。1990—2005年期間,風景區(qū)內部生態(tài)空間較為穩(wěn)定,外部鄰近地區(qū)的城鎮(zhèn)擴張強度較小,但從6號緩沖區(qū)(1 500 m)開始,生態(tài)空間大幅萎縮,到10號緩沖區(qū)(2 500 m)減幅已經從4.66%擴大到8.85%,主要原因是白馬景區(qū)向北至長江南岸區(qū)間的建設用地高速擴張,占用了大量耕地,而生態(tài)空間則在耕地保護的壓力下被蠶食。2005—2020年期間,從2號緩沖區(qū)(500 m)至10號緩沖區(qū)(2 500 m)均有4.00%左右的生態(tài)空間轉變?yōu)楦鼗蚪ㄔO用地,且減幅與風景區(qū)邊界距離的正相關特征消失,說明東湖周邊武昌城區(qū)建設用地已進入全面均衡增長的階段,與武漢市在此期間的高速城鎮(zhèn)擴張相吻合;但值得關注的是,風景區(qū)內部的-3號緩沖區(qū)(-750 m)至-5號緩沖區(qū)(-1 250 m)出現生態(tài)空間占比2%左右的顯著增加,表明當地政府部門已經高度關注東湖風景區(qū)生態(tài)空間的保護和優(yōu)化,并且由武漢東湖生態(tài)旅游風景區(qū)管理委員會切實落實了相關舉措,并產生了明顯成效。

圖2 1990—2020年東湖風景區(qū)及周邊土地利用變化Fig.2 Land use change in East Lake and surrounding areas in 1990-2020

3.2 生境質量演變東湖風景區(qū)生境質量在邊界內外差別分明,內部高于外部2倍以上,但退化幅度相近,在1990—2020年期間均達到0.11(圖4)。風景區(qū)內部生境質量在1990年大致分布在[0.40,0.45]區(qū)間,到2005年退化到[0.35,0.40]區(qū)間,到2020年進一步退化到[0.30,0.35]區(qū)間,3期平均值分別為0.41、0.36、0.30;外部生境質量退化進程與內部近似,于1990年、2005年、2020年分別位于[0.15,0.25]、[0.10,0.20]、[0.05,0.15]區(qū)間,3期平均值分別為0.22、0.17、0.11。從空間分布上看,西北側和東南側是發(fā)生生境退化的主要區(qū)域,與徐東商圈和光谷商圈的快速發(fā)育高度關聯;東北側和西南側由于建設用地擴張相對較慢,生境退化幅度明顯弱于另外兩側。

圖3 1990—2020年東湖風景區(qū)及周邊生態(tài)空間分布變化的圈層特征Fig.3 Quantitative changes of ecological spaces on different concentric rings in East Lake and surrounding areas in 1990-2020

盡管生境質量演化的圈層特征與生態(tài)空間布局高度相關,在局部峰值和低值位置存在重合,但鄰近建設用地擴張規(guī)模的大小才是決定性因素。1990—2020年期間,無論風景區(qū)內部或外部都出現了明顯的生境退化(圖5)。1990—2005年期間,由于基數高,風景區(qū)內部生境退化甚至大于外部1～7號緩沖區(qū)(250～1 750 m),但從8號緩沖區(qū)(2 000 m)開始,生境退化快速加劇,到10號緩沖區(qū)(2 500 m)減幅已經從0.04變化到0.08,擴大了1倍,白馬景區(qū)以北建設用地擴張除了數量規(guī)模大,與東湖附屬零星水體的交錯程度也較高,是造成該區(qū)間生境退化幅度顯著增加的主要原因。2005—2020年期間東湖風景區(qū)及周邊生境退化幅度超過上1個15年,尤其需要警惕的是,2～4號緩沖區(qū)(500～1 000 m)生境質量下滑接近0.1,成為退化最為劇烈的區(qū)間,是風景區(qū)與中心城區(qū)交互最為密切的區(qū)域,生境在高強度干擾下凸顯出脆弱性較高的特征,到5號緩沖區(qū)開始恢復到與風景區(qū)內部相近的-0.06左右的退化程度。

3.3 生態(tài)空間布局優(yōu)化已有研究表明,大規(guī)模建設用地分散地擴張是導致城區(qū)生境快速退化的決定性因素[23],而生態(tài)空間趨于連片和規(guī)整的景觀格局,能夠最高效地保護生態(tài)空間的生境質量[24]。導致以上2種現象差異的本質原因在于新開發(fā)城鎮(zhèn)建設用地與原有建成區(qū)之間的空間關系,即不同的建設用地開發(fā)模式(邊緣增長或跳躍式開發(fā),圖6)會在規(guī)模相同的情況下使周邊生境產生不同程度的退化。這2種趨勢在白馬景區(qū)和磨山景區(qū)有非常明顯的體現:白馬景區(qū)北側在1990—2005年期間跳躍式開發(fā)了大規(guī)模建設用地,生境大幅退化,而在2005—2020年期間新增建設用地主要以邊緣增長為主,在新增規(guī)模較大的情況下退化幅度仍有所減小;磨山景區(qū)則得益于周邊知名高校林立,土地使用權國有化程度高,建設用地跳躍式開發(fā)較少,因而生境質量在所有景區(qū)中保持最好。生境質量受城鎮(zhèn)開發(fā)模式影響的機制,決定了生態(tài)空間布局的優(yōu)化工作應當以控制城鎮(zhèn)建設用地的數量規(guī)模和空間分布為切入口,在節(jié)約集約利用土地的過程中追求更加緊湊的建設用地空間形態(tài),為保護東湖風景區(qū)生態(tài)空間的生境質量提供最有效的保障。在此基礎上,騰退低效利用的建設用地和耕地,提高生態(tài)空間的數量規(guī)模和連片程度,進一步恢復和提升生境質量。

圖6 城鎮(zhèn)開發(fā)模式示意圖[25]Fig.6 Spatial pattern of urban sprawl[25]

4 結論與討論

在國土空間規(guī)劃中注重城鎮(zhèn)開發(fā)的規(guī)模管控、空間管控和開發(fā)強度管控,不僅能夠有效提升建設用地使用效率[26],對城鎮(zhèn)內部及周邊生態(tài)空間的保護與優(yōu)化同樣能夠起到巨大的積極作用。尤其是類似東湖風景區(qū)的重要城鎮(zhèn)內部生態(tài)空間,在為大量城鎮(zhèn)居民提供了生態(tài)服務的同時,承受來自城鎮(zhèn)建設用地高速擴張帶來的巨大沖擊。在城鎮(zhèn)空間和城鎮(zhèn)開發(fā)邊界的劃定中,不僅要考慮到生態(tài)紅線以內生態(tài)空間不被占用,其周邊生態(tài)空間作為重要的緩沖屏障也應盡量保護。對于東湖風景區(qū)而言,周邊建設用地空間布局正朝逐漸緊湊的方向推進,進一步完善以綠道為核心的綠色空間網絡,是優(yōu)化生態(tài)空間布局、提升生境質量的重要可行路徑。

利用InVEST模型和土地利用覆被變化(LUCC)數據對1990—2020年期間東湖生態(tài)旅游風景區(qū)及周邊進行生境質量評估,在此基礎上通過構建環(huán)狀的緩沖區(qū)圈層,對既往東湖風景區(qū)生態(tài)空間經歷的沖擊和改善進行了微觀尺度的深入剖析,研究結果如下:①東湖風景區(qū)生態(tài)空間呈現出邊界內部增加,外部減少的趨勢;②東湖風景區(qū)邊界內外生境質量內優(yōu)外劣的兩極分化極為明顯,并呈擴大趨勢;③控制城鎮(zhèn)建設用地數量規(guī)模,緊湊城鎮(zhèn)空間布局,能夠有效保護和優(yōu)化生態(tài)空間布局,提升生境質量。