生态最好的空间

第26卷第2期自然资源学报Vol26No22011年2月JOURNALOFNATURALRESOURCESFeb.
,2011收稿日期:2010-08-07;修订日期:2010-11-03.
基金项目:国家自然科学基金重点项目(40830741);国家科技支撑项目(2008BAH31B01).
第一作者简介:李平星(1982-),男,山东泰安人,博士研究生,主要从事区域发展与生态规划研究.
Emai:llipx.
08b@igsnrr.
ac.
cn*通信作者简介:樊杰(1961-),男,陕西西安人,博士生导师,研究员,主要从事中国区域发展问题研究.
Emai:lfan@jigsnrraccn基于最小费用距离模型的生态可占用性分析以广西西江经济带为例李平星1,2,陈东1,2,樊杰1,2*(1中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101;2中国科学院区域可持续发展分析与模拟重点实验室,北京100101)摘要:生态可占用性是指从生态学角度出发,生态系统或者生态空间可以被开发利用的程度,是生态系统本身的属性.
论文提出生态可占用性的概念和研究目的,并利用最小费用距离模型,分析了广西西江经济带景观单元的可占用性,提出分区方案.
研究表明,可占用性低值区、较低值区、中值区、较高值区和高值区分别占区域总面积的1217%、1875%、3855%、2869%和184%.
大部分建设用地分布在较高值区内,其余建设用地中,城镇用地主要分布在高值区,而农村居民点和工矿用地则主要分布在中值区.
文章认为,研究能够揭示不同类型建设用地的分布规律和区域生态空间布局;虽然受到源的分布、尺度和空间范围等因素的影响,但所得结论对于引导区域开发、构建生态安全格局具有重要指导意义.
关键词:区域规划;生态可占用性;最小费用距离;西江经济带中图分类号:F0622文献标志码:A文章编号:1000-3037(2011)02-0227-10随着工业化和城镇化进程的逐步推进,人类生产、生活空间不断扩大.
统计表明,19862006年,我国建设用地从1337104km2增加到2875104km2,是原先的215倍.
生产、生活空间的扩张很大一部分是通过对生态空间的占用进行的,引发了生态空间面积不断减少、景观日趋破碎化、自然系统的连续性和完整性受到破坏等问题,严重影响到区域和国家的可持续发展[12].
虽然生产、生活空间对生态空间的占用是不可避免的,但是对具有重要生态价值的核心生态空间的占用将势必影响到区域的可持续发展.
因此,确定生态系统的可占用性,保证重要的生态系统和生态空间得到保护和建设,已经成为生产、生活空间对生态空间占用过程中首先需要解决的问题.
生态可占用性是一个全新的概念,尚未形成明确的定义.
笔者认为,生态可占用性是指从生态学角度出发,生态系统或者生态空间可以被开发利用的程度或方式,是生态系统本身所具有的属性.
生态可占用性跟土地生态适宜性有一定联系.
所谓土地生态适宜性,是指由土地内在自然属性所决定的对特定用途的适宜或限制程度[3].
土地利用生态适宜性评价是把生态规划的思想和方法运用于适宜性评价,通过生态要素对给定土地利用方式的适宜性程度进行评价[45].
在实际工作中,土地适宜性评价大部分用于根据人类要求、意愿或228自然资源学报26卷一些未来活动的预测而确定土地利用最适合的方式或者区域最佳的空间格局[67].
土地生态适宜性评价的目的是确定生态系统或生态空间是否适宜于人类生产、生活活动的开展,没有解决这种占用是否会对整个生态系统的结构和功能产生负面影响、是否会对人类生产及生活产生负反馈的问题.
因此,本文提出了生态可占用性分析的概念,从景观单元是否适宜于生态建设的角度进行适宜性分析,得出可占用性.
人类活动进入自然生态系统,对于生态系统本身而言,是一种空间的占用,进而引起功能的改变.
人类生存、发展的空间需求是刚性的,因而生产、生活空间对生态空间的占用就难以避免.
占用必然会影响整个生态系统的结构和功能,而占用不同的生态空间所产生的影响存在差异.
生态可占用性体现的正是这种差异,是从生态本身的结构、功能等各方面需求出发,对生态空间是否可以被占用、以及可以采用哪种方式加以利用的描述.
如果对某生态空间的占用对生态系统的结构、功能影响较小,表示该生态空间可占用性较高;如果对生态系统的结构、功能影响较大,则可占用性较低.
从生态角度识别区域的可占用性,从而对开发利用进行约束,对于区域生态安全格局的建立具有重要的意义.
但是,由于生态系统本身功能的多样性和生态过程的复杂性,从生态学的角度对生态可占用性进行分析具有一定的难度.
本文从西江经济带重要生态功能区的空间分布出发,对不同类型空间的生态适宜性进行分析,利用最小费用距离模型模拟了生态空间扩张过程,通过适宜性分析确定生态空间的可占用性,进行可占用性分区,对区域的开发建设进行指导.
1研究区域广西西江经济带位于我国大陆西南部,在10426~11135E、2204~2605N之间,包括广西的南宁、柳州、梧州、贵港、来宾、崇左、百色7个地级市(图1、图2).
区域国土面积1308104km2,占广西壮族自治区国土总面积的5547%.
经济带地处低纬度地区,跨越北热带、南亚热带和中亚热带3个气候亚带;季风性气候明显,气候温暖、热量丰富,降水丰沛、干湿分明.
河流众多,大多沿着地势呈倾斜面,从西北流向东南,形成了以红水河西江为主干流、支流分布于两侧的树枝状水系.
区域土地利用类型以林地为主,整体生态质量较好.
经济带地处西江流域上游,是下游珠江三角洲地区重要的生态屏障.
图1研究区位置及行政区划Fig1Locationandadministrativedivisionofthestudyarea2期李平星等:基于最小费用距离模型的生态可占用性分析229图2西江经济带土地利用/覆被类型图(2005年)Fig.
2Mapoflanduse/covertypeofXijiangRiverEconomicBelt(EREB)(2005)虽然经济带生态系统质量良好,生态空间占较大比重,但仍存在一定的问题:一方面是景观格局不太合理、生态系统稳定性较差,另一方面是作为国家重点开发区域,面临着大规模开发利用对生态系统占用而造成的巨大压力.
鉴于经济带重要的生态功能,在未来开发建设过程中,如何保证人类生产、生活空间在对生态空间的占用过程中避免破坏到关键的、优质的生态系统,是需要慎重考虑的问题.
这就需要从生态学角度进行可占用性分析,明确哪些生态空间是可以占用的、哪些是绝对不能占用的、哪些可以进行适当的开发利用.
2研究方法最小费用距离是指从源经过不同阻力的景观所耗费的费用或者克服阻力所作的功[810].
最小费用距离的计算是通过景观单元的成本因子修正直线距离,获得每一单元到距离最近、成本最低源的最小累积成本[9,11].
最小累积阻力是反映最小费用距离的重要概念,反映了物种在从源到目的地运动过程中所需耗费的最小代价[10,12].
在生物保护方面,阻力值就是物种在穿越异质性景观时所克服的累积阻力;从生态扩张的角度来讲,阻力值反映的是对不同景观单元对于生态空间扩张的阻力或适宜程度.
可以根据阻力面构建土地功能分区和生态格局组分,优化土地资源空间格局[1214].
典型的有:彭晋福首次将该模型应用于土地利用格局研究,模拟了城镇用地和生态保护用地的扩展趋势,并以江苏省扬中市为案例区,提出了区域土地利用的相关建议[15];陈燕飞等识别南宁市域内可用于进行城市建设的土地资源和生态敏感、脆弱、必须重点保护的区域[16];刘孝富等建立了城市土地适宜性的评价方法,将厦门市划分为禁止开发、限制开发、重点开发、优化开发4个适宜性分区[17];等等.
最小累积阻力模型最早由Knaapen于1992年提出[10],经俞孔坚等[12]、陈利顶等[18]的修改用下式表示:MCR=fmini=mj=nDijRi式中,MCR是最小累积阻力值,Dij表示物种从源j到景观单元i的空间距离,Ri表示景观单元i对某物种运动(或者说生态空间扩张)的阻力系数,表示单元i与源j之间穿越所有单元的距离和阻力的累积,min表示被评价的斑块对于不同的源取累积阻力最小值;f表示230自然资源学报26卷最小累积阻力与生态过程的正相关关系,是一个单调递增函数.
最小累积阻力值反映了物种运动的潜在可能性及趋势,通过单元最小累积阻力的大小可判断该单元与源单元的连通性和相似性.
本文借助最小费用距离分析模拟了生态空间从生态源向周围空间扩展的过程,最小累积阻力小的地方适宜于生态空间扩展,而最小累积阻力大的地方相对而言不适宜于生态.
一般来讲,源斑块对于生态过程是最适宜的、也是最不能被占用的;最小累积阻力值越高的区域,越不适宜于生态扩张,可占用性越高[17,19].
在实际工作中,最小累积阻力模型的操作步骤为:首先,确定源,即扩张的起点;其次,确定阻力表面,为每一个景观单元赋以相应的阻力值;最后,计算每一个景观单元到源的最小累积阻力值.
在本研究中,选择西江经济带内的自然保护区作为源,根据土地利用/土地覆被类型确定阻力表面(表1).
景观阻力评价单元为90m90m的栅格,最小累积阻力计算利用ArcGIS空间分析中的Costdistance模块实现.
表1不同土地利用/土地覆被类型栅格阻力值设计Table1DesignofrasterresistancebasedonLUCC一级类型二级类型阻力值一级类型二级类型阻力值水域林地河渠湖泊水库坑塘滩涂滩地永久性冰川雪地有林地灌木林疏林地其他林地111150151010草地建设用地耕地其它地类高覆盖度草地中覆盖度草地低覆盖度草地城镇用地农村居民点工矿用地等水田旱地裸土地、石漠化土地等1030505003003001002001003研究结果31景观单元阻力值空间分布西江经济带土地利用数据根据中国科学院遥感应用研究所2005年1100000土地利用遥感影像解译图获得.
利用表1设计的阻力值标准和经济带土地利用类型分布,得到了图3所示的阻力值空间分布.
区域低阻力区占主导类型,高阻力区除在南宁中部、贵港南部、柳州中部、来宾中部、右江走廊分布相对集中外,其余地区呈小斑块散布.
32最小累积阻力值分布以自然保护区为源,依据图3所示阻力表面,利用ArcGIS空间分析中的Costdistance模型,得到了如图4所示的最小累积阻力分布.
33生态可占用性分区根据最小累积阻力计算结果,利用ArcGIS空间分析中的再分类(Reclassfy)工具,选择其中的几何周期(GeometricalIntervals)分类模型,将最小累积阻力值划分为5个等级.
阻力值反映了生态空间扩展的空间阻力,阻力值越高的地方,生态空间越难以扩展,越不适宜于生态建设,可占用性越高.
根据最小累积阻力值分区结果,将西江经济带划分为可占用性低值区、较低值区、中值区、较高值区、高值区5种类型(图5).
2期李平星等:基于最小费用距离模型的生态可占用性分析231图3基于土地利用/覆被类型的阻力值空间分布Fig.
3Spatialdistributionofresidencebasedonlanduse/covertype图4以自然保护区为源的最小累积阻力分布Fig.
4MCRdistributionusingnaturereserveassource图5西江经济带生态可占用性分区Fig.
5ZoningbasedonecologicaloccupiabilityofXREB232自然资源学报26卷4分析与讨论415种类型区的空间分布可占用性低值区、较低值区、中值区、较高值区和高值区分别占西江经济带区域总面积的1217%、1875%、3855%、2869%和184%.
从图5中可以看出,可占用性低值区主要分布在百色、崇左两市,以及其他地市的部分地区.
低值区主要以自然保护区为主,其余为保护区周围生态本底较好的区域.
低值区是经济带内生态系统最为完整、生态环境质量最好的区域,承担着区域生态屏障和生物多样性保护的重要作用.
尤其是百色和崇左两市,可占用性低值区所占比重大、分布相对集中,对于水源涵养、水土保持、生物多样性保护等起着不可替代的作用.
从生态可占用性上来讲,低值区属于不可占用区,对低值区的占用会对整个区域的生态安全造成较大的破坏.
在低值区的外围,分布着一定范围的较低值区.
这些区域在低值区的周围形成较宽的缓冲区;在个别地方,较低值区依托优质林地、河流、湖泊、水库等向外延伸,形成带状的生态廊道.
缓冲区的存在保护了核心区免受直接的干扰,廊道的存在提高了核心区的景观连接度.
较低值区是生态廊道分布的主要区域,需要避免破坏、加大保护,藉此完善生态网络.
其中,依托西江主干流及周围一定范围的缓冲区形成的廊道是区域最主要、最具特色的生态廊道,贯通了流域上下游.
较低值区具有一定的可占用性,但是人类生产、生活活动对生态空间的占用要避免对重要生态功能区和生态过程的破坏.
如柳江下游和黔江上游是国家一级保护动物中华鲟的产卵区,这样的区域应该禁止开发[20].
可占用性中值区是经济带内所占比重最高的分区类型,其生态可占用性已经明显增强,可以进行较大规模的开发利用.
作为保护导向为主的区域(低值区和较低值区)和开发导向为主的区域(高值区和较高值区)之间的过渡地带,中值区的存在对于限制开发空间的无序蔓延具有重要的意义,大规模的开发建设活动可以在本区域靠近较高值区的部分进行,但是要防止向较低值区域的蔓延.
此外,本区域要加强对于关键节点的保护,通过对点的保护起到连点成线的作用,优化廊道结构,提升功能.
可占用性较高值区主要分布在柳州来宾一线,在南宁、贵港、梧州和百色也有较大面积的斑块存在,在崇左则呈现出有零星分布的状态.
由于缺乏源,且城镇、农村居民点及耕地相对集中,柳州来宾一线成为较高值区的最主要分布区.
从生态的角度来讲,较高值区具有较高的可占用性,人类活动对空间的占用对区域的生态安全不会造成太大的破坏,但是由于很大一部分是耕地,因此,开发利用要尽量避免对优质耕地尤其是基本农田的占用,即使占用也要在确保占补平衡的基础上进行.
本区域将是未来西江经济带内工业化和城镇化推进的主要区域,起到集聚人口、产业的重要作用.
可占用性高值区在经济带内分布相对较少.
高值区的形成有两个原因:其一,大面积、高阻力值的城镇建设用地加大了与周围自然保护区的隔离程度,从而使得城市市域范围成为高值区,典型的如南宁、柳州;其二,由于与源自然保护区间隔较远,同时路径中分布着城镇、农田等高阻力区域而形成的高值区,典型的如南宁与来宾交界地带、贵港的南部地区.
本类型区的可占用性最高,可以进行大规模的开发利用.
但是,如果是由于缺乏源而形成的高值区,要对区域生态本底进行调查,对于本底较好、关系到重要生态过程的区域,反而应该建立保护区域,给予适当的保护.
2期李平星等:基于最小费用距离模型的生态可占用性分析23342已有建设用地与可占用性分区的关系从可占用性分区与已有建设用地空间耦合结果可以看出,已有建设用地主要分布在可占用性较高值区内,约占建设用地总量的58%;中值区约占26%;高值区虽然仅占区域总面积的184%,却也承担了建设用地面积的13%,是建设用地分布最为密集的类型区(图6,表2).
此外,在低值区和较低值区,也有零星建设用地分布.
在低值区分布的建设用地中,除部分分布在自然保护区外围的低值区外,约113%的建设用地分布在自然保护区内部,以农村居民点为主,伴有少量的工矿用地(主要是矿产开采区).
这一方面体现了自然保护区得到了较好的保护,避免了大规模人类活动的干扰;另一方面也说明未来要推进保护区内农村居民点搬迁及矿产开发活动限制等方面的工作,使保护区得到进一步保护.
图6西江经济带生态可占用性分区与自然保护区、建设用地空间分布Fig.
6Spatialrelationshipofnaturereserves,constructionlandsandzoningofXREB表2建设用地在类型区中的分布Table2Distributionofconstructionlandsindifferenttypesofzones类型区城镇用地农村居民点工矿用地合计面积/km2比重/%面积/km2比重/%面积/km2比重/%面积/km2比重/%低值区00000028971600410352938120其中:保护区00000027891510380332827115较低值区24804845492513052675102209中值区5408104554081298229552578624442554较高值区2861755291064835873732063861424205824高值区17484337813304734841734316291291总计517571000018131410000114621000024453310000从不同等级可占用区内建设用地类型来看,低值区和较低值区主要是以农村居民点为主;中值区内农村居民点和工矿用地分布较多,分别占相应类型用地面积的30%和26%,此外有一定比例的城镇用地分布;较高值区是各种类型建设用地分布最多的区域,3种类型用地在该区域的分布都超过了相应类型总面积的55%,尤其是工矿用地,约2/3分布在该区域;高值区内以城镇用地为主,并有一定数量的农村居民点和少量的工矿用地.
建设用地主要分布在较高值区和高值区,在低值区内没有分布;农村居民点和工矿用地分布格局类似,在5种类型区域内都有分布,但以中值区和较高值区为主,分别约占总量的89%234自然资源学报26卷和90%(表2).
从发展趋势来看,随着低值区和较低值区密集的百色、崇左二市矿产资源开发的不断推进,未来可能会出现矿业用地在较低值区、甚至是低值区出现的现象.
鉴于低值区和较低值区的不同功能,未来矿业开发的过程中,对低值区和中低值区要区别对待:低值区内严格禁止各种类型的开发活动,中低值区内矿产开发要做好环评工作,积极开展生态修复,将生态破坏降到最小.
高值区已经具有较高的开发利用强度,优化产业结构和空间布局是其主要任务.
较高值区是未来工业化和城镇化的主要区域,而中值区可进行适度的人口和产业集聚,发展生态环境友好型产业.
5结论(1)从方法论层面上来讲,最小累积阻力模型主要用于为生物多样性保护尤其是野生动物的保护寻找阻力最小的通道,依此构建生态廊道[12,19,21].
在这个过程中,阻力最小的通道或者说最适宜的生态廊道,从生态的角度而言对于维护区域生态安全空间格局是重要的.
因此,也就引发出了对于生态安全而言重要区域的识别[1617,22].
越是生态重要的区域,可占用性越低.
本研究基于这一思路,从生态学的角度出发,通过最小累积阻力模型得出可占用性分区方案,对于区域开发建设过程中生产、生活空间对生态空间的占用具有一定的指导意义.
(2)源的选择对于得到的最小累积阻力值空间分布格局具有重要的影响,同时也就必然影响到可占用性分区结果.
因此,在源的选择过程中,一定是要从生态学的视角出发,选择对于生态过程影响最大的区域作为源[18,22].
在本研究中,自然保护区作为区域内生物多样性最丰富、生态系统服务功能最高的区域,被选定为源.
但是,由于源在空间分布上的合理性问题,得到的分区结果可能受到一定影响.
(3)尺度和空间范围对评价结果的影响.
尺度和范围被认为是影响到景观结构及功能的重要因素[21].
从尺度上来讲,本研究结果适合于对于整个区域的开发利用空间布局提出宏观性的指导意见,而非对于每个城市未来的空间布局进行明确限定;若要对每个城市的空间发展格局进行指导,还需要在更小的尺度上进行研究.
从范围上来讲,由于限定了是西江经济带,区域外的自然保护区未能作为源被纳入,影响了评价结果;实际上,生态过程并不会因为行政界线的存在而受到限制,若将梧州北部的贺州市的大桂山自然保护区和南部玉林市的大容山自然保护区等纳入到源的体系之中,梧州东部的评价结果可能会有变化.
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Thespaceisoflowoccupiabilityifthewholeecosystemwasdamagedfromtheperspectiveofstructureandfunctionfortheoccupation.
Thestructure,functionanditsconnectionswithsurroundingsareofgreatimportanceindeterminingtheecologicaloccupiability.
Theleastcostdistanceindicatedtheworkorcostfromthesourcetothedestinationthroughunitswithdifferentresistance.
Theresistancevalueindicatesthesuitabilityofcertainlandscapeunitsfordistributionofecologicalspace.
AdoptingXijiangRiverEconomicBelt(XREB)foracasestudy,wedesignedtheresistanceofdifferentrasterswithasizeof9090m2basedonlanduseofXREBandbuiltresistancesurface.
Usingnaturereserveassources,wecarriedoutcalculationonminimumcumulativeresistancefromsourcestodestinationthroughcostdistancemodelofArcGIS.
TheecologicaloccupiabilityoflandscapeunitandzoningofXREBwerecalculatedandestablishedaccordingly.
Resultsindicatedthatthelow,lowermiddle,middle,highermiddle,andhighvaluezonesofecologicaloccupiabilityaccountedfor1217%,1875%,3855%,2869%and184%ofthewholestudyarea,respectively.
Moreover,mostoftheconstructionlanddistributedathighermiddlevaluezone,accountedfor5529%,5873%and6386%oftheurban&townland,rurallandandindustrial&miningland.
Thedistributionsoftherestpartsofthethreetypesoftheconstructionlandweredifferen.
tMostoftherestoftheurban&townlandwaslocatedinhighvaluezones;whilemostoftherestoftheruralandindustrial&mininglandswaslocatedinmiddlevaluezones.
Minutequantityoftheruralandindustrial&mininglandswaslocatedinnaturereserve.
Thehighvaluezonehasbeenalreadydevelopedintensively,andtheoptimizationofspatialstructureandfunctionshouldbecarriedoutinthefuture.
Thehighermiddlevaluezoneshouldbethefocusforfutureurbanizationandindustrialization,whilethemiddlevaluezonecouldbedevelopedbuttoawithincertainintensity.
Ecologicalconstructionshouldbethemaintaskofthelowermiddleandlowvaluezones.
Weconcludedthattheanalysisofecologicaloccupiabilitybasedontheleastcostdistancemodelcouldexplainthedistributionofvarioustypesofconstructionlandsandspatialpatternofecologicalspace.
Althoughtheanalysisandcorrespondingzoningwereaffectedbythespatialdistributionofsource,extentandscale,itisofgreatsignificanceforguidingtheregionaldevelopmentandestablishmentofecologicalsecuritypattern.
Keywords:regionalplanning;ecologicaloccupiability;leastcostdistancemode;lXREB