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【规划设计】流域生态空间保护规划方法与实践——以梁子湖流域生态空间保护与利用规划为例
规划师杂志社   2024-03-10 22:50:13
 

摘 要

针对当前国内流域生态空间保护规划存在的问题,以梁子湖流域生态空间保护与利用规划为例,探究基于生态系统服务价值时空演变特征与驱动因子探测的流域生态空间保护规划方法。量化评估梁子湖流域的生态系统服务价值,分析其时空演变特征,在此基础上构建生态空间保护格局并划定分区,同时利用地理探测器识别生态系统服务价值时空演变的驱动因子,提出基于驱动因子探测的规划引导措施,以期为生态空间保护规划提供新的思路。

[关键词] 生态系统服务价值;地理探测器;生态空间;生态空间保护格局;分区管控

[文章编号] 1006-0022(2023)08-0125-07

[中图分类号] TU984

[文献标识码] B

[引文格式] 周燕,曹贝,熊媛,等.流域生态空间保护规划方法与实践:以梁子湖流域生态空间保护与利用规划为例[J].规划师,2023(8):125-131.

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0 引言


生态空间是生态系统保护和恢复的基础,在确定生态系统保护模式、保护生物多样性和维系生态系统安全方面发挥着重要作用。城市化是人类社会发展的一个必然阶段,在我国经济快速发展的背景下,城市化带来了巨大的经济价值,但也对自然生态空间产生了巨大冲击,对城市生态环境的可持续发展产生了严重影响。自然资源部办公厅、财政部办公厅、生态环境部办公厅于2020年8月联合印发的《山水林田湖草生态保护修复工程指南(试行)》提出了整体性、系统性开展生态修复的工作原则;湖北省自然资源厅于2022年1月印发实施的《湖北省国土空间生态修复规划(2021—2035年)》强调全面提升山、水、林、田、湖、草、沙各类生态系统的质量,提高生物多样性水平。在国土空间规划背景下,为了加强生态空间的保护修复,提升生态产品的价值,推进多要素、全局系统化的生态空间管控引导极有必要。然而,目前生态空间保护规划在流域尺度上缺乏科学系统的规划支撑方法,流域开发治理在很大程度上忽视了生态系统在提供生态服务方面的作用,导致生态系统服务功能的退化和生态产品价值的降低或丧失,流域生态安全的恶化严重影响了流域的经济和社会发展。生态系统服务价值(ESV)评估是科学制定生态政策和改善区域生态环境质量的先决条件,对区域可持续发展和人类福祉至关重要。

本次研究以梁子湖流域为例,在探究流域生态系统服务价值时空演变特征的基础上,利用地理探测器研究生态系统服务价值时空演变的驱动因子,在此基础上探索流域生态空间保护规划方法,以期为流域生态空间的保护与生态产品价值的实现提供可行的规划管控技术流程,并为今后同类型地区制定科学合理的流域生态保护决策提供参考。


1 当前国内流域生态空间保护规划存在的问题


当前,国内生态空间保护修复的实践研究多聚焦于高密度人类活动空间,以协调、平衡人与自然和谐共生为切入点探究城市尺度的生态空间破碎化修复路径和对策,在对自然生态空间的保护研究方面,则多侧重识别要素和划定边界的方法与指标体系,在管控落实上存在不足。近年来,基于学科交叉发展,生态空间保护修复的实践研究引入了数学模型及生态系统服务量化等方法,这为自然生态空间的科学有效保护修复提供了依据,但实际中对这些方法的应用较少。尤其是对于生态系统服务价值的研究,既有研究主要针对行政单元,鲜见针对自然单元特别是湖泊流域。总结来看,当前国内流域生态空间保护规划主要存在以下3个方面的问题。

首先,目前流域生态空间保护规划以单要素管理为主,根据生态资源类型由不同部门进行事权管理,往往出现单一生态要素保护修复分散、难以覆盖全局的管控局面,生态空间的整体统筹与系统性保护修复有待加强。同时,传统流域规划治理多以事权划分为依据,涉及多个行政单元的规划统筹,导致流域治理缺乏全局观念,往往难以协调多方利益,治理效果不佳。

其次,传统生态空间保护规划多延续上位规划的刚弹指标来划定边界,在定量分析上缺乏技术支撑,在管控范围的划定方面,科学性、合理性有待提升。流域生态空间诸多要素相互影响并且处于动态演变发展中,传统的保护方式难以针对各类空间实现精细化管控,同时流域生态空间具有复杂属性和跨多个行政区域的特质,这就需要一套系统科学的方法对其进行保护修复。

最后,目前流域生态空间保护规划因缺乏精细化驱动因子探测,无法精确指引各类生态空间的实际管控。生态空间保护的前提在于摸清本底、探明规律和趋势,尽管已有不同学科领域的学者提出利用各种方法与模型对生态空间要素及其价值进行评估量化,但仍欠缺实际落地的引导。如何测度流域生态系统服务价值变化的规律并探究其驱动因子,进而将其转化为推动规划实施的精细化管控策略,仍有待探索。


2 流域生态空间保护规划的思路转变


2.1 从局部到全域,秉持全局观念

生态空间是一个具有多要素和复杂内在驱动力的巨系统,流域范畴的生态空间覆盖范围包括了不同地域,涉及不同的生态资源和本土文化,流域内的水串联着各种生态要素,一个复杂生态系统得以形成。因此,流域生态空间保护规划应秉持全局观念,考虑流域生态空间的要素复杂性和多元性,统筹生态空间整体要素,构建保护、利用和修复治理的管控体系,从局部修补的传统思维转向预见性、系统性的全域统筹思维,强化保护格局的整体性和协同性。


2.2 从保护到利用,提升生态系统服务价值

流域生态空间所具有的生态系统服务价值包含它所提供的直接价值及其衍生的间接价值,前者指具有不可替代价值的生态空间,后者指衍生的生态产品,应最大限度地提高流域生态系统的稳定性,增加生态产品的价值,实现生态空间的可持续发展。我国的生态空间保护规划原本更注重对直接生态系统服务价值的保护,但随着生态环境的恶化,如今也开始转向对综合生态系统服务价值的保护和利用,在实现保护的同时最大限度地利用生态空间的直接和间接价值,达到综合价值效益最大化的目的。因此,流域生态空间保护规划也应从保护直接价值向兼顾保护和利用综合价值的视角转变。


2.3 从粗放到精细,明确管控边界

“一刀切”的粗放式管控已无法满足生态文明建设背景下对生态空间的规划引导。流域生态空间的范围广、要素杂,需明确管控边界,转变管控思维,以保护为先,以利用为辅,通过合理的分区控制和治理实现生态系统保护、资源利用等多重目标,获得生态空间内的多重生态和经济效益,并为生态空间内生态产品价值的实现创造条件。在规划各环节应贯彻精细治理思维,采取差异化的整治与保护措施,走出一条适用于流域生态空间的保护新路径。


3 基于生态系统服务价值时空演变特征与驱动因子探测的流域生态空间保护规划路径


基于对流域生态修复目标、规划核心理念及现状分析结果的综合考虑,厘清生态景观格局态势、自然环境要素,采用科学模型量化评估流域生态系统服务价值及其生态稳健性。考虑到生态空间多要素随时间推移的复杂影响效应,需根据流域生态系统服务功能多年份价值量评估结果探索其生态系统服务价值的时空演变特征,结合冷热点分析证实评估结果的准确性,从而构建流域生态空间保护格局。同时,利用地理探测器识别关键驱动因子,探究影响流域生态系统服务价值时空演变的自然环境因子和社会环境因子,制定分区分级的精细化利用与管控措施,探索生态空间功能准入原则。在此基础上,从规划实施传导及各部门协同响应等角度制定管控落实的规划引导措施,提升生态空间各要素的生态价值。


3.1 评估生态系统服务价值,构建生态空间保护格局

以生态系统服务功能可持续性发展为核心,打破单要素保护及生态本底局限性的固有思路,以全域视角审视生态空间,以生态系统服务功能效益最大化为保护开发的前提,基于流域环境的特性、服务对象、功能演变构建生态空间保护格局。具体而言,根据流域生态空间本底条件,建立包括供给、调节、支持、文化等4大类功能的生态系统服务价值评价体系,通过生态系统服务价值当量表评估流域生态系统服务价值,并分析多年份生态系统服务功能价值演变转移矩阵,探究生态系统服务价值时空动态演变特征,从而构建流域生态空间保护格局。


3.2 划定生态空间保护格局分区,进行差异化引导

现有的生态空间保护规划多遵循固有的分区标准,难以实现地域特色的差异化管控。对于流域生态空间,应基于其生态本底条件,根据生态系统服务价值定量化研究结果,精细划定生态空间保护格局分区,精准调控保护边界,实现对生态空间的差异化引导。生态空间保护格局分区可结合流域生态系统服务价值的全局莫兰指数(Moran's I)、LISA集聚空间自相关分析结果与生态系统服务价值时空演变特征进行拟合判别和划定,确保划定的科学与精细。


3.3 厘清关键管控,提升生态系统服务价值

流域生态空间保护规划编制与管控应充分衔接国土空间规划体系,并不断完善自身的规划体系。生态空间保护规划是国土空间总体规划下的细分部分和重要支撑,关键管控应做到精细化传导,落实顶层设计、明确规划策略。可利用地理探测器探测流域生态系统服务价值时空演变的关键驱动因子,从自然环境和社会环境两个维度进行判别,识别影响生态系统服务价值空间分布差异的关键生态因子,探究影响生态系统服务价值的关键要素,充分评估各功能分区的生态本底与威胁因素,结合驱动因子对生态空间保护格局分区提出因地制宜的精细化管控措施,以提升生态空间的环境韧性与生态价值。


4 梁子湖流域生态空间保护规划实践


4.1 研究对象与数据

梁子湖为我国“十大名湖”之一,是湖北省第二大湖泊及重要水源地。梁子湖湿地是湖北省重要的生态节点,以及长江中游的典型湿地,具有高度的生物多样性,是世界上湿地资源最全、物种最丰富的湿地之一,承担区域诸多生态系统服务功能,具有重要的生态价值和保护意义。但伴随着快速城镇化,梁子湖流域也面临生态系统服务能力退化的问题。我国河湖水系众多,流域治理是打通生态廊道和提高区域生态空间稳定性的重要抓手,也是促进社会经济平稳发展的基石。梁子湖流域所具有的生态价值和面临的环境危机也是目前多数湖泊流域所存在的,因此选取梁子湖流域为研究对象具有重要的现实意义。

根据梁子湖流域生态系统和自然地理格局的空间连续性、生态系统服务的空间流动性,确定本次研究区范围包括武汉市江夏区、鄂州市华容区、鄂州市鄂城区、鄂州市梁子湖区、黄石市大冶市、咸宁市咸安区,研究区总面积约为6236.44 km2(图1)。本次研究采用的数据包括梁子湖流域的土地利用数据、地形地貌及水系现状数据、区域降水及蒸发量数据、人口经济数据等(表1)。

图1 研究区范围图


表 1 研究内容及数据一览


4.2 基于生态系统服务价值时空演变特征的生态空间保护格局构建与分区划定

从全域全要素视角提出梁子湖流域生态空间全局保护修复目标,量化评估流域生态系统服务价值,探究其时空演变特征,构建基本生态空间保护格局。在验证生态系统服务价值评估结果准确性的基础上,拟合空间自相关分析结果得出生态系统服务价值聚集分区,最终划定流域生态空间保护格局分区。

4.2.1 生态系统服务价值时空演变特征分析

生态系统服务价值时空演变特征及规律是生态空间保护格局构建的重要依据。研究基于土地利用/土地覆盖变化(Land Use/Cover Change)建立生态系统服务价值评价体系,结合梁子湖流域历年土地利用变化图,分析得出土地生态系统服务价值转移的动态规律。根据区域生态系统服务价值的网格化冷热点分析结果,拟合生态系统服务价值集聚效应评估图,用自然断点法分为四级,进行生态空间保护格局分区,对生态问题进行归纳和分析。

首先,采用当量因子法对研究区的生态系统服务价值进行估算,通过统计得到研究区不同土地利用类型的单位面积生态系统服务价值当量(表2)。根据统计结果,水域的单位面积生态系统服务价值极高,远超其他土地利用类型,林地、灌木、草地的单位面积生态系统服务价值中等,耕地、建设用地、裸地的单位面积生态系统服务价值较低。


表2 研究区不同土地利用类型的单位面积生态系统服务价值当量(单位:元/hm²)

其次,根据自然资源部国土卫星遥感应用中心的土地利用类型数据,分析研究区2000年、2010年、2020年的土地利用类型变化特征(图2)。2000—2020年,研究区覆盖最广泛的地类是耕地和林地,裸地的覆盖率最低;建设用地和林地的规模均显著增长,其中建设用地的增幅最为明显,耕地有较大规模的减小,其他地类变化不显著。究其原因,近年来退耕还林、经济发展是梁子湖研究区土地利用变化的主导原因。

图2 2000年、2010年、2020年研究区土地利用类型分析图

转移矩阵被广泛应用于土地利用类型变化的相关研究中。运用MATLAB对研究区2000—2010年、2010—2020年、2000—2020年的土地利用类型进行转移矩阵计算,揭示土地转移的空间分布特征以及生态系统服务价值时空演变特征。2000—2010年,研究区的土地利用类型转移主要是由耕地转出为林地、水域、建设用地,以及由林地转为耕地和由水域转为耕地。此阶段建设用地扩张显著,侵占了大量耕地以及少量林地和水域。2010—2020年,研究区的土地利用类型转移同样主要是由耕地转出为林地、水域、建设用地,以及由林地转为耕地和由水域转为耕地。此阶段建设用地扩张显著,侵占了大量耕地以及少量林地及水域,同时退耕还林的情况显著。2000—2020年,研究区整体的土地利用类型转移主要是由耕地转出为林地、水域、建设用地以及林地转为耕地和水域转为耕地,随着时间推移,建设用地扩张显著,耕地以及水域和林地面积减少。

2000—2020年,研究区总体生态系统服务价值逐渐降低,生态系统服务价值的空间分布格局较为稳定(图3)。以梁子湖水域为中心,呈现出中部生态系统服务价值水平较高、四周生态系统服务价值水平较低的基本格局。这些生态系统服务价值时空演变特征为构建梁子湖流域生态空间保护格局奠定了研究基础。

图3 2000—2020年研究区生态系统服务价值分布图

4.2.2 生态空间保护格局构建与分区划定

地理学中事物的地理条件越相似,相关度越高。空间自相关分析衡量的是空间变量的分布是否具有聚合性。为了验证研究区生态系统服务价值评估结果的准确性,研究采用全局莫兰指数(Moran's I)和LISA集聚进行生态系统服务价值的空间自相关分析(图4,图5),发现高值聚类和低值聚类的空间分布格局呈现一致结论:研究区出现明显的高值集聚、低值邻近的特点,且在20年间低值区集聚越发明显。

图4 2000—2020年研究区生态系统服务价值的冷热点空间分布图

图5 2000—2020年研究区生态系统服务价值的LISA集聚图

根据上述空间自相关分析结果,构建生态空间保护格局,并采用自然断点法进行生态空间保护格局分区分级(图6),将低价值高集聚空间划为生态重塑区,将低价值低集聚空间划为生态引导区,将高价值低集聚空间划为生态控制区,将高价值高集聚空间划为生态保育区,为下一步分区保护和开发规划指引奠定了基础。

图6 研究区生态空间保护格局图


4.3 基于地理探测器的驱动因子识别

地理探测器是一套统计学方法,用于探测空间分化并解释其背后的驱动关系,该方法能够探测定量和定性数据,弥补了传统研究方法的缺陷。通过计算和比较每个因子的q值和重叠后两个因子的q值,地理探测器可以确定两个因子之间是否有相互作用,相互作用是强还是弱,以及方向是线性的还是非线性的。

研究发现,研究区的生态系统服务价值空间分布差异受自然环境和社会经济驱动因子的协同作用。q统计量显示:人类活动强度的贡献力为78.7%,是影响研究区生态系统服务价值空间分异的主导因子;归一化植被指数(NDVI)的贡献力为48.3%,位居第二,这说明生态系统和NDVI有密切关系,在一定程度上影响研究区生态系统服务价值的空间分异。任意两个因子的相互作用均大于单一因子对生态系统服务价值的空间分化的影响,其中人类活动强度与NDVI的交互作用对研究区生态系统服务价值空间分异的影响最强(图7),q值高达0.89,两两因子比单一因子对生态系统服务价值空间分异的影响贡献度高。

图7 影响生态系统服务价值空间分异的因子探测结果示意图


4.4 基于驱动因子探测的规划引导措施

基于地理探测器识别关键驱动因子分析得出人类活动强度和NDVI是影响生态系统服务价值空间分布差异的关键驱动因子。在此基础上,充分评估生态保育区、生态控制区、生态引导区、生态重塑区等4类生态空间保护格局功能分区的生态系统基础与保护修复困境,结合驱动因子对4类功能分区提出不同的保护侧重点与规划引导措施。一是强化区域重点场地的生态控制及生态保育措施,在一定程度上限制人为活动对生态环境的影响。二是优化底线管控措施,在生态保护格局构建基础上,限制城市开发建设扩张,制定负面清单。三是关注植被修复与保育、植树造林的重点生态环境工程,在生态环境工程与景观项目建设过程中重点关注微气候、微生态系统的营造。

生态保育区作为生态高值聚集区,生态本底条件较为优越,以水域及周边湿地等高生态系统服务价值集聚区域为主,需要集中重点保护。由于大量工业污染未得到遏制,农业、旅游业负面效应导致生态系统局部碎化,针对以上现实困境,对生态保育区应采取强化污染治理手段,提高产业技术水平,推动产业转型,优化产业结构,控制人类活动强度,限制建设开发。

生态控制区发挥了较重要的生态系统服务功能,以林地、草地和边缘湿地、水域为主,不宜作为建设用地开发。“三生”空间过度开发与不可持续的利用是降低生态系统服务价值的潜在诱因,生态控制区应完善优化区域内的生态系统,加强对城市保护地的建设,对生态系统服务高值区进行管理与保护,对传统产业做减法,对新兴产业做加法。

生态引导区多为耕地及少量建设用地,生态系统服务价值较低,集聚效应较低,可在引导下开发建设。对于生态引导区,应加强新型节能环保,采用节水灌溉技术,发展循环利用、综合开发、变废为宝的生态循环经济产业,提高农业废弃物综合利用效率,明确区域农业资源特色,弱化人类活动对农业的控制。

生态重塑区多为建设用地和荒地,人类活动强度高,生态系统服务价值较低,有较强的集聚效应,可进行较大强度的开发利用。对于生态重塑区,坚持开发与保护并举的理念,进行引导性开发,有效控制人类活动,注重区域生态环境安全,选取“四荒地”或疏残林地进行新的开发建设,不占用优质基本农田和公益林地。


5 结束语


在流域生态空间保护过程中,如何统筹考虑各生态要素的服务功能并精细化确定生态空间保护范围和进行规划指引,是流域生态空间保护过程中需要探讨解决的难题。基于生态系统服务价值评估结果的生态空间保护格局划定和针对性保护管控措施落地,是国土空间规划改革背景下生态空间规划作为专项规划需要强化的重点。生态空间保护规划首先要确定保护的对象及范围,找出影响生态空间的潜在诱因,统筹生态系统服务功能的综合效应,最大化提升区域的生态系统服务价值,实现保护与发展并进。本次研究以保障梁子湖流域生态安全和提升生态系统服务价值为目标,根据生态系统服务价值时空演变特征构建分级保护的生态空间保护格局,利用地理探测器识别关键驱动因子,研判影响生态空间可持续发展的关键要素,并提出可实施性、针对性强的规划引导措施,构建生态空间保护规划的方法路径框架,以期为同类型地域空间的生态保护规划编制与实施工作提供方法路径参考。





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