國(guó)土空間視角下生態(tài)安全格局構(gòu)建方法綜述*

孫欣欣 董麗娜 劉 暢

(1 南京大學(xué)金陵學(xué)院 南京 210089； 2 南京市中山陵園管理局 南京 210014； 3 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)科技信息研究所 北京 100091)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了強(qiáng)烈干擾，生態(tài)安全問(wèn)題引起越來(lái)越多學(xué)者的重視。生態(tài)安全概念最早提出是在1940年土地健康的概念形成之后，1989年國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所首次定義了生態(tài)安全的概念[1]。生態(tài)安全是指在具體的時(shí)空范圍內(nèi)，生態(tài)系統(tǒng)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展壓力下，其結(jié)構(gòu)和功能能夠?yàn)樯鐣?huì)可持續(xù)發(fā)展提供生態(tài)服務(wù)，并且保障人的生產(chǎn)和生活不受威脅的一種狀態(tài)[2]。

生態(tài)安全格局(Ecological Security Pattern，ESP)是指對(duì)于維護(hù)、控制特定地段的生態(tài)安全有著重要意義的關(guān)鍵生態(tài)要素，如廊道、節(jié)點(diǎn)、斑塊，以及生態(tài)網(wǎng)絡(luò)等生態(tài)空間的布局[3]。國(guó)外的生態(tài)安全格局研究主要是圍繞土地優(yōu)化配置[4]、綠色基礎(chǔ)設(shè)施[5]、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)[6]、景觀生態(tài)學(xué)[7]等方面，已經(jīng)形成較為完善的保護(hù)體系和網(wǎng)絡(luò)。早期的研究注重生物多樣性的保護(hù)，隨著社會(huì)的發(fā)展，生態(tài)安全格局的研究逐步開(kāi)始轉(zhuǎn)向生態(tài)安全保護(hù)體系的建設(shè)，提出了自然保護(hù)地[8]、生態(tài)保護(hù)地[9]、國(guó)家公園體系[10]等概念。國(guó)內(nèi)的生態(tài)安全格局研究最早是從20世紀(jì)90年代景觀生態(tài)格局[11]研究開(kāi)始的，研究領(lǐng)域包括林業(yè)生態(tài)安全[8]、土地生態(tài)安全[5]、水生態(tài)安全[7]等，技術(shù)方法有最小阻力模型(MCR)[9，12]、電路理論研究[13]等。

目前，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入到國(guó)土空間規(guī)劃引領(lǐng)“多規(guī)合一”的空間治理新時(shí)代[4]。國(guó)土空間規(guī)劃中生態(tài)安全評(píng)價(jià)、生態(tài)紅線劃定、生態(tài)修復(fù)專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃等內(nèi)容都與生態(tài)安全格局的構(gòu)建息息相關(guān)。在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行生態(tài)安全格局的構(gòu)建，可以為城市開(kāi)發(fā)邊界控制和生態(tài)保護(hù)紅線的劃定提供重要的參考和依據(jù)。本文將對(duì)生態(tài)安全格局的構(gòu)建依據(jù)、評(píng)價(jià)方法和構(gòu)建方法進(jìn)行綜述，以期為國(guó)土空間規(guī)劃中生態(tài)安全格局的構(gòu)建提供參考，為生態(tài)文明體系建設(shè)和生態(tài)安全保障提供理論依據(jù)。

1 生態(tài)安全格局構(gòu)建依據(jù)及評(píng)價(jià)方法

構(gòu)建生態(tài)安全格局，首先要對(duì)研究區(qū)域的本底進(jìn)行評(píng)價(jià)。國(guó)際上對(duì)于生態(tài)安全格局的評(píng)價(jià)還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，較為常用的評(píng)價(jià)方法包括生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)、生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)，以及將兩者結(jié)合的生態(tài)保護(hù)重要性評(píng)價(jià)法[14]等。通過(guò)本底評(píng)價(jià)識(shí)別當(dāng)前研究區(qū)中生態(tài)保護(hù)相對(duì)比較重要的區(qū)域，可作為后續(xù)生態(tài)安全格局構(gòu)建的基礎(chǔ)。此外，生態(tài)安全格局構(gòu)建后，對(duì)區(qū)域生態(tài)安全產(chǎn)生的影響也需再進(jìn)行評(píng)價(jià)，通常采用生態(tài)安全評(píng)價(jià)法[15]，以此反映區(qū)域生態(tài)安全情況。對(duì)研究區(qū)域準(zhǔn)確、合理的生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果能夠反映生態(tài)環(huán)境所存在的安全問(wèn)題及隱患，是生態(tài)安全格局構(gòu)建的重要組成部分。

1.1 生態(tài)保護(hù)重要性評(píng)價(jià)

生態(tài)保護(hù)重要性評(píng)價(jià)包括生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)、生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)2個(gè)部分。其中，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)是指評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于保障區(qū)域生態(tài)安全、防止生態(tài)環(huán)境惡化或者退化的程度，生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)是評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)外界干擾的時(shí)候發(fā)生生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的可能性大小[16-17]。國(guó)內(nèi)最早是徐衛(wèi)華等[16]在汶川地震重災(zāi)區(qū)的生態(tài)保護(hù)研究中提出。國(guó)家對(duì)國(guó)土范圍內(nèi)的生態(tài)保護(hù)重要性評(píng)價(jià)非常重視，先后出臺(tái)了一系列相應(yīng)的行業(yè)規(guī)范，如《生態(tài)功能分區(qū)技術(shù)規(guī)范》《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》《資源環(huán)境承載能力和國(guó)土空間開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)價(jià)指南(試行)》《全國(guó)生態(tài)狀況調(diào)查評(píng)估技術(shù)規(guī)范—生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估》(2021)等，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)、生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)的方法和內(nèi)容做出了規(guī)定。

1.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)

目前，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系主要包括水源涵養(yǎng)、生物多樣性、水土保持、防風(fēng)固沙、固碳釋氧、海岸防護(hù)、養(yǎng)分固持、產(chǎn)品供給、凈化環(huán)境等因子，針對(duì)不同的研究區(qū)域選擇合適的因子。劉永杰等[18]在神農(nóng)架森林生態(tài)系統(tǒng)研究中選取的是涵養(yǎng)水源、保持水土、凈化環(huán)境、養(yǎng)分固持等因子；毛誠(chéng)瑞等[19]在遼河流域的研究中選取的是固碳釋氧、水土保持、產(chǎn)品供給、水源涵養(yǎng)因子；周浪、方一舒、王浩等[13，20-21]分別在針對(duì)重慶、昆明、廣東的研究中，選取了水源涵養(yǎng)、水土保持、生物多樣性、固碳釋氧等因子。由此可以看出，在自然生態(tài)系統(tǒng)較好的區(qū)域選取的評(píng)價(jià)因子一般更注重生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的供給功能，而對(duì)行政轄區(qū)則更注重生態(tài)系統(tǒng)在環(huán)境保護(hù)功能方面的評(píng)價(jià)因子。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)的方法主要有2類(lèi)。第1類(lèi)是模型法，如Invest模型、Aries模型、Sol VES模型等。Invest模型允許用戶(hù)輸入研究區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)，目前在全球范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，其局限是由于一些算法的簡(jiǎn)化，使得計(jì)算的精度降低。例如，王曉玉、鄭群明等[22-23]采用Invest模型研究了江蘇省、普達(dá)措國(guó)家公園的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。Aries模型精度較高，但目前僅適用于美國(guó)的部分區(qū)域，其全球化的模型還未開(kāi)發(fā)，目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。 Sol VES模型注重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的社會(huì)價(jià)值轉(zhuǎn)化，用于評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的社會(huì)價(jià)值與自然資源之間的關(guān)系。第2類(lèi)是NPP定量指標(biāo)評(píng)估法。例如，郭天威等[24]采用NPP法研究了揚(yáng)州市的固碳釋氧因子，林雪兒等[25]采用NPP法對(duì)武夷山的生物多樣性進(jìn)行了研究，李輝等[26]采用NPP法對(duì)重慶市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，NPP法多用于研究固碳釋氧因子[24]，其評(píng)價(jià)結(jié)果受海拔和坡度影響較大，對(duì)于海拔較高、坡度較大的地方評(píng)價(jià)較為準(zhǔn)確，而對(duì)于平原地區(qū)評(píng)價(jià)不準(zhǔn)確。

1.3 生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)

生態(tài)敏感性的評(píng)價(jià)因子主要包括水土流失敏感性、土地沙化敏感性、石漠化敏感性、鹽漬化敏感性、地質(zhì)災(zāi)害敏感性等。評(píng)價(jià)的方法有替代法[27]、模型法[20,28]、因子疊加法[21-22,29]等。替代法一般是針對(duì)特定的某種敏感性和單一敏感性，使用范圍較小。模型法是較為常用的方法，針對(duì)單一敏感因子，選取評(píng)估模型進(jìn)行計(jì)算，最終采用自然分界法與專(zhuān)家知識(shí)確定分級(jí)賦值的標(biāo)準(zhǔn)，從而劃分出單一敏感因子的等級(jí)，再對(duì)幾種敏感因子分級(jí)賦值，從而獲得綜合敏感性評(píng)價(jià)的等級(jí)。這種評(píng)價(jià)方法存在一定的局限性，數(shù)據(jù)的精度以及2次分級(jí)的賦值大大降低了評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。近年來(lái)，因子疊加法成為主流的評(píng)價(jià)方法，其不對(duì)單一敏感因子進(jìn)行評(píng)價(jià)，而是對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的高程、坡度、坡向、NDVI、土地利用類(lèi)型等敏感度因子分別賦予權(quán)重進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從而獲得區(qū)域的生態(tài)敏感性分級(jí)。

1.4 生態(tài)安全評(píng)價(jià)

當(dāng)前，國(guó)際上較為常用的生態(tài)安全評(píng)價(jià)方法是壓力—狀態(tài)—響應(yīng)評(píng)價(jià)法(Press-State-Response, PSR)，是由聯(lián)合國(guó)經(jīng)濟(jì)合作開(kāi)發(fā)署(OECD)和聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署于1993年提出的一種生態(tài)評(píng)價(jià)模型[30]，廣泛應(yīng)用于環(huán)境、生態(tài)安全等領(lǐng)域[31]。這種評(píng)價(jià)方法強(qiáng)調(diào)人類(lèi)與環(huán)境之間的作用關(guān)系，多用于評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成一定影響區(qū)域的生態(tài)安全。例如，周介元等[33]對(duì)浙江省生態(tài)安全時(shí)空演變特征、咼亞玲等[15]對(duì)洞庭湖區(qū)的生態(tài)安全、李沖等[32]對(duì)京津冀生態(tài)屏障區(qū)均進(jìn)行了研究。這類(lèi)評(píng)價(jià)方法多用于受到人類(lèi)干擾產(chǎn)生一定影響的區(qū)域，如經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)區(qū)域，或者生態(tài)環(huán)境較敏感區(qū)域。

PSR模型較為簡(jiǎn)單，也存在一些局限性。因此，出現(xiàn)了基于PSR模型的改進(jìn)方法，包括DPSIR[6,33](Driving Force-Press-State-Impact-Response)、DPSER(Driving-forces-Pressure-State-Exposure-Response),SDR(State-Danger-Response)等。DPSIR方法在PSR方法的基礎(chǔ)上增加了驅(qū)動(dòng)力因子，在評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)與環(huán)境之間的因果關(guān)系方面具有一定優(yōu)勢(shì)。DPSER模型更注重影響后的結(jié)果，包括正面、負(fù)面的結(jié)果，協(xié)調(diào)人類(lèi)需求與生態(tài)環(huán)境接觸影響的關(guān)系。SDR模型在PSR模型的基礎(chǔ)上增加了自然災(zāi)害的因素，更加強(qiáng)調(diào)生態(tài)安全動(dòng)態(tài)演變過(guò)程[34]。例如，秦趣、朱蓮蓮等[6，33]采用DPSIR法對(duì)高原濕地生態(tài)安全及湖南省生態(tài)安全進(jìn)行了研究，將社會(huì)經(jīng)濟(jì)GDP增長(zhǎng)、城鎮(zhèn)化發(fā)展等作為驅(qū)動(dòng)力，研究其對(duì)生態(tài)安全的影響；葉善椿等[35]采用DPSER模型從人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的積極和消極影響2個(gè)方面對(duì)珠三角的生態(tài)港口進(jìn)行了研究。這些方法在PSR評(píng)價(jià)法的基礎(chǔ)上增加了其他因子，能夠更全面地反應(yīng)生態(tài)安全情況以推進(jìn)深入研究。

2 生態(tài)安全格局構(gòu)建方法

生態(tài)安全格局的構(gòu)建方法當(dāng)前已經(jīng)比較成熟，形成了“源地識(shí)別—阻力面構(gòu)建—廊道提取”的基本研究框架。

2.1 生態(tài)源識(shí)別

生態(tài)源地是物種生存和擴(kuò)散的起點(diǎn)[9]，是區(qū)域中生態(tài)敏感性較高或提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、保障區(qū)域生態(tài)安全的重要斑塊[36]。當(dāng)前，源地的識(shí)別方法主要有2種方法：一種是直接識(shí)別，即將自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、生態(tài)保護(hù)紅線、大面積林地等區(qū)域直接作為生態(tài)源地，但這種方法缺乏對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況的評(píng)估，且容易忽視相同地類(lèi)內(nèi)部的差異；另一種方法則是通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)、生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)或生態(tài)保護(hù)重要性評(píng)價(jià)等評(píng)價(jià)方法，獲取到區(qū)域中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能較好或生態(tài)敏感性較高的區(qū)域，以此作為生態(tài)源地。這類(lèi)方法當(dāng)前應(yīng)用較多，但會(huì)出現(xiàn)多次數(shù)據(jù)加權(quán)疊加，容易忽略對(duì)某一種生態(tài)服務(wù)功能有突出貢獻(xiàn)的區(qū)域[37]。

2.2 阻力面構(gòu)建

生態(tài)阻力面是對(duì)區(qū)域環(huán)境中物種遷移難易程度進(jìn)行模擬的模擬面，主要受到土地利用覆被和人為干擾的影響[37]。在大多數(shù)研究中，阻力面的構(gòu)建是依據(jù)土地利用直接賦值[37]。這種方法數(shù)據(jù)獲取相對(duì)容易，且方法簡(jiǎn)單，但忽略了土地利用類(lèi)型內(nèi)部的阻力差異，不能有效反應(yīng)實(shí)際的阻力情況。例如，趙偉等[11]在成渝地區(qū)的生態(tài)安全格局研究中，引入了地形地貌因子作為阻力；于成龍[38]在研究中加入了植被覆蓋度、交通數(shù)據(jù)、夜間燈光等指標(biāo)來(lái)修正阻力面；還有學(xué)者運(yùn)用不透水表面指數(shù)[39]、連通度指數(shù)[40]、地表濕潤(rùn)度指數(shù)等來(lái)修正阻力面。這些修正方法有效提升了阻力面的實(shí)際性和準(zhǔn)確性，使得修正后的阻力面更加科學(xué)合理?？傊?，阻力面的構(gòu)建應(yīng)建立在多種數(shù)據(jù)疊加的基礎(chǔ)上，對(duì)自然要素和人為干擾要素進(jìn)行評(píng)估，從而獲得更接近于實(shí)際情況的阻力面。

2.3 提取生態(tài)廊道

生態(tài)廊道是區(qū)域內(nèi)能量和物質(zhì)流動(dòng)的載體，是區(qū)域內(nèi)物種遷移的重要通道，通常是聯(lián)系不同生態(tài)源之間的生態(tài)通道。生態(tài)廊道提取的方法主要有最小阻力模型[9]、斑塊重力模型[21]、電路模型[13]等，各個(gè)模型都各有優(yōu)缺點(diǎn)。最小阻力模型被廣泛應(yīng)用在生態(tài)安全格局構(gòu)建中，充分考慮了各個(gè)景觀單元之間的相互聯(lián)系，是物種遷徙和能量流動(dòng)的最優(yōu)路徑，適用于現(xiàn)實(shí)的物種遷徙的選擇。相比于傳統(tǒng)概念模型和數(shù)學(xué)模型，其能夠很好表達(dá)景觀格局與生態(tài)過(guò)程的相互關(guān)系[3]，且能夠兼容多種阻力面對(duì)基本阻力面的修正，可根據(jù)獲取數(shù)據(jù)的情況取舍，靈活性較好，但在識(shí)別生態(tài)廊道的寬度和生態(tài)節(jié)點(diǎn)方面不具備優(yōu)勢(shì)。斑塊重力模型可計(jì)算斑塊之間的作用強(qiáng)度，但不能識(shí)別廊道，只能用來(lái)判斷廊道的重要性。電路模型是基于電流的密度來(lái)計(jì)算物種多路徑擴(kuò)散的可能性，優(yōu)勢(shì)是可識(shí)別生態(tài)廊道的寬度和生態(tài)的節(jié)點(diǎn)，但電路理論是基于電流值的頻率分布，而長(zhǎng)期的物種遷徙具有趨利避害的天性，因此電路理論應(yīng)與實(shí)際的生態(tài)過(guò)程相結(jié)合，以更準(zhǔn)確地反應(yīng)實(shí)際情況。

3 研究展望

區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建是國(guó)土空間規(guī)劃背景下，解決當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)矛盾的重要途徑。為進(jìn)一步確?？臻g規(guī)劃中生態(tài)保護(hù)工作的實(shí)施，完善生態(tài)安全評(píng)價(jià)體系，優(yōu)化生態(tài)安全格局，為各地生態(tài)保護(hù)工作提供技術(shù)基礎(chǔ)，生態(tài)安全格局的構(gòu)建應(yīng)著重從3個(gè)方面開(kāi)展研究。

3.1 生態(tài)源地識(shí)別方法改進(jìn)與優(yōu)化

當(dāng)前關(guān)于生態(tài)源地識(shí)別的評(píng)估方法較多，且沒(méi)有固定的標(biāo)準(zhǔn)方法，各類(lèi)評(píng)估方法選取的參數(shù)和指標(biāo)、權(quán)重等方面也不盡相同，且不同地理環(huán)境所選取的評(píng)估方法也有一定差異。當(dāng)前的生態(tài)源地識(shí)別方法多是靜態(tài)和單一的方法，缺乏對(duì)過(guò)去生態(tài)環(huán)境變化的綜合考慮。未來(lái)生態(tài)源地的識(shí)別應(yīng)注重所選取指標(biāo)的準(zhǔn)確性和方法的改進(jìn)。

3.2 生態(tài)安全格局研究與生態(tài)政策相結(jié)合

當(dāng)前生態(tài)安全格局的研究多停留在理論階段，研究成果形成一種虛擬的空間形態(tài)，與實(shí)際落地政策相結(jié)合的研究較少。生態(tài)安全格局的構(gòu)建面臨著較多的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題與難題。已有生態(tài)安全格局多為指導(dǎo)生態(tài)保護(hù)紅線劃定以及生態(tài)修復(fù)區(qū)的識(shí)別等方面的研究。未來(lái)應(yīng)注重生態(tài)安全格局與更多當(dāng)前落地的生態(tài)政策相結(jié)合，如與國(guó)土空間規(guī)劃中生態(tài)管控區(qū)的政策相結(jié)合，力求使生態(tài)安全格局的研究成果應(yīng)用到生態(tài)管理實(shí)踐中。

3.3 注重生態(tài)安全格局有效性評(píng)價(jià)

關(guān)于生態(tài)安全格局的研究多為基于當(dāng)前的生態(tài)安全現(xiàn)狀，形成當(dāng)前靜態(tài)的生態(tài)安全格局，而對(duì)于區(qū)域未來(lái)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的有效性研究較少。應(yīng)進(jìn)一步對(duì)生態(tài)安全格局保護(hù)下區(qū)域生態(tài)環(huán)境提升方面進(jìn)行深入研究，綜合研究區(qū)域生態(tài)安全、生態(tài)廊道連通性、區(qū)域景觀破碎化等方面，形成對(duì)區(qū)域未來(lái)的國(guó)土空間規(guī)劃具有指導(dǎo)意義的研究成果。