基于景观安全格局分析的生态用地研究

文献来源：俞孔坚.基于景观安全格局分析的生态用地研究[J].应用生态学报,2009.20(8).1932-1939

自然生态系统及其生态过程可为人类提供赖以生存的自然环境条件和效用，维持与保育生态系统服务是实现区域可持续发展的基础[[1-2]。自然生态系统服务具有调节功能、生命支持功能、生产功能和审美启智功能等[3-4]，但长时间以来，生态系统功能并未引起人们足够的重视，并因此导致了一系列的生态问题，尤其是在当今中国的快速城市化过程中，自然生态系统提供服务的能力面临着严重损害。 在此背景下，一个很中国化的概念———“ 生态用地”被提出（在国际学术语境中，“ 生态用地”一词本身并没有多大意义，因为没有一种用地是没有生态意义的。 但因为在中国语境下，“ 生态”已被用来作为土地规划的一种特殊用地提出来，而且成为官方文件的术语，因此有必要给予界定和澄清，以便在规划实践中能得到准确应用），之后，众多学者从不同的专业背景和不同研究目的入手，对其展开了大量研究，并认为区域和城市中保留一定的生态用地对于维持生态系统平衡、改善城市人居环境、促进人类社会可持续发展具有重要作用[5-6] 。但迄今为止，相关研究中对生态用地的概念还存在较大分歧，生态用地的相关研究方法也并不成熟! 为此，本文在生态用地概念辨析的基础上，从景观生态学的途径探讨了生态用地的定量分析方法，以期为相关研究提供思路和方法上的借鉴。 

1生态用地研究框架的建立 

2000年，国务院发布的《全国生态环境保护纲要（国发［2000］38 号）》中首次提到了“生态用地”，原文中没有给生态用地明确的定义，但从土地资源开发和生态环境保护的角度提出生态用地是具有重要生态功能的草地、林地和湿地等，并指出“ 大中城市要确保一定比例的公共绿地和生态用地”。此后，众多学者在此基础上从不同的专业背景和研究目的出发，发展了生态用地的概念和内涵[7-11]。其中，关于生态用地的区分主要有2种观点：一种观点主张从土地类型上来区分，认为提供自然生态系统服务价值的土地都可以被视为生态用地，包括农田、林地、草地、水域和沼泽等在内的、地表无人工铺装的、具有透水性的地面都可以算做生态用地的范畴；另一种观点主张从土地的主体功能来区分，对于以经济产出为核心目的的农业生产用地（ 如耕地、养殖水面等）不作为生态用地[12]。 

本研究认为，对于第1种观点，即使在中国语境中，生态用地的概念也过于宽泛，如此则无法突出生态用地的重要性，不利于研究成果在土地管理和生态保护等实际工作中的应用。因此，本文赞同第2种观点，即以土地的主体功能来定义生态用地，但目前此定义还存在严重不足，即它强调土地功能与土地类型有关，而忽略了空间位置对土地生态功能的影响。 

本文立足于土地管理和生态保护的目标，从景观生态学“空间格局对于过程具有重要影响” [13]的基本原理出发，将生态用地定义为：在不同空间尺度上，对维护关键生态过程具有重要意义的生态系统（土地单元）及空间部位。其涵义可从以下方面去理解：

1）生态用地对提供生态系统服务具有关键的、不可替代的作用! 全球陆地生态系统主要包括森林、草地、湿地、荒漠、苔原和冰川等类型。 其中，自然型生态系统及半人工型生态系统在提供生物资源、维护生物多样性、调节气候、文化服务等多个方面发挥着重要的生态系统服务价值[14]。理论上讲，地球上任何一块土地都有其生态系统服务价值，但在土地资源短缺与城市发展扩张之间的矛盾日益突出的背景下，生态用地指土地规划分类中有别于农业、工业和城市建设等其他用地的土地类型，它是区域或城市中一个网络状的空间体系! 其特殊之处在于生态用地对提供某种生态系统服务具有关键的、不可替代的作用。

2）生态用地具备“垂直”和“水平”两重属性。“垂直”属性即地表属性，指生态用地的功能在很大程度上取决于土地类型，一般以具有较高自然功能的土地为主，如湿地、林地、草地等，但并不排斥耕地及其他人类影响下的土地类型。“水平”属性即土地的空间属性，根据景观生态学中过程和格局相互作用的基本原理，生态用地要想提供高效的生态系统服务，应该具备完整的、优化的景观空间格局。因此，生态用地研究决不仅是“ 量”的问题，更重要的是空间格局和“质”的问题。

3）生态用地研究的目标是维护不同尺度上的生态安全! 保留一定的生态用地对于维护国土、区域或城市自身生态系统健康、改善城市居民生活质量、促进区域可持续发展具有重要意义[10]。 根据生态安全的涵义[15]，生态用地至少要实现2个层次的目标：维护现有景观过程的完整性，保证生态系统服务的可持续性；防止生态系统退化带来的各种生态问题，避免因此阻碍人类经济社会的可持续发展。 

1.2 生态用地的界定和评价方法

根据研究角度不同，生态用地的研究方法可分为两类：

1）从土地供给的角度，研究现状土地所能提供的生态系统服务；

2）从生态需求的角度，研究特定目标下对生态用地的需求! 本研究采用后者，即针对特定的生态服务需求和生态保护目标，探讨生态用地的数量和空间格局。 

1.2.1方法论：“最小,最大约束途径”与最小生态用地

如何确定生态用地的规模和数量是生态用地研究的关键，也是生态规划中的一个重要内容。对于生态用地的规模，一般有2种途径：“ 最大－最优化途径”，即寻求生态最优化；“最小－最大约束途径”，即防止最坏生态事件或最高损失的发生[16]。生态用地研究面向于区域可持续发展，致力于促进自然和社会经济的协调发展，因此生态用地研究绝非环境决定论，不可能用生态最优化途径去分析。本文基于“最小$最大约束途径”，通过生态用地的保留，在一定安全水平上最大限度地避免可能发生的生态问题，该途径强调最低限度的生态结构对于整体生态系统服务的贡献。

为此，相关研究需强调生态用地的“ 最小”概念，即通过最少保护实现最大功效，以便在有限的土地上尽可能地为城市发展留足空间，同时提高相关研究的现实意义，更好地为土地管理、城市规划和生态保护服务。需要注意的是，最小生态用地的数量和格局并不是唯一固定的，而是根据区域生态特征和城市发展需求等多方面因素综合确定在不同的安全标准和不同的发展目标下，最小生态用地可以有不同的数量和格局。

1.2.2理论基础：景观安全格局% 景观安全格局

（Landscape security patten, SP）是景观生态学中一个重要的理论和方法，它强调格局与过程的关系，指出景观中存在着一个由关键性的景观元素、位置和空间联系组成的潜在空间格局，该格局对于控制某种生态过程具有重要意义[17-19]。通过对生态过程潜在的空间分析，可以判别和设计景观安全格局，从而实现对生态过程的有效控制，景观安全格局及其空间分析方法为生态用地研究提供了理论和技术支持[17-19]。据此，本文将在一定程度上满足特定景观过程所需要的土地及其空间格局作为针对该过程的生态用地，通过保护格局来维护生态过程的完整性，保障生态系统服务的发挥。

1.2.3研究框架

基于景观安全格局分析的生态用地的研究框架主要包括8 部分（ 图1）.1）关键生态过程的识别。 在生态现状调查的基础上，识别区域内关键生态过程# 一般而言，土地主要的生态过程包括地表水文过程、生物物种空间运动、风的流动和灾害扩散过程等，这些关键的生态过程是生态用地研究的子目标.2）景观安全格局分析# 针对具体目标，如防洪排涝、水源涵养和生物保护等，逐一进行景观安全格局分析。目前，景观安全格局研究中已形成了较完善的基于RS/GIS的空间分析方法和技术体系，研究结果同时包含土地的数量和格局2个属性.3）生态用地的规划。综合分析基于各种生态需求的景观安全格局，并根据社会经济发展需求，确定最小生态用地的数量和空间分布# 同时，生态用地规划还要强调对生态系统结构和功能的恢复[20]，在原生生态系统的基础上，逐步恢复退化的生态系统，尤其是与人类关系密切的生态系统。

Fig.1  Framework of ecological land research based on landscape security pattern

2研究地区及数据来源

2.1 研究区概况

北京市东三乡（ 朝阳区的金盏乡、崔各庄乡和孙河乡）地处北京市朝阳区东北部，位于北京市第二道绿化隔离带范围内，总面积116 km2。该区一方面担负着城市中心区与顺义新城之间生态屏障的重要作用，同时也是温榆河生态文化的重要载体；另一方面，作为城乡过渡地区，东三乡受到未来北京市中心城区向外扩张的强烈影响，将导致本区内未来的人口增加，土地结构和区域生态功能也必然会发生较大的改变。

对于这样一个具有重要生态功能、用地矛盾突出、发展势头强大的区域进行生态用地规划，具有引导城市建设空间发展、维护区域生态安全、促进可持续发展等方面具有重要的现实意义，对进行中的中国新一轮土地利用规划也具有示范作用和理论意义。

2.2数据来源与处理

本研究采用的数据主要包括研究区的Spot影像图（ 2006 年）、地形图（1:1000 ）、土地利用图（2006年）、温榆河河道断面图以及相关的社会统计数据.所有地理信息系统的空间数据均通过投影变换、格式转换等数据预处理，统一采用!" Gauss_Kruger投影和GCS_Beijing_1954地理坐标系统，格式为Grid，栅格大小为30 m×30 m。

3结果与分析

3.1基于单一生态过程安全格局的生态用地分析

根据北京市东三乡地理区位、社会经济和生态保护的要求，该区生态用地应重点提供防洪排涝、维持生物多样性、涵养地下水源和保护乡土景观等生态系统服务9 本文仅以雨洪管理和生物保护的生态需求为例，对研究区进行生态用地的定量分析。 

3.1.1 基于雨洪管理需求的生态用地分析: 

1）分析思路。同我国绝大多数地区一样，东三乡地区主要采用河道渠化和堤岸固化等方法进行雨洪控制。但这种雨洪管理方式存在一些问题：第一，忽视了洪水作为一种特殊水资源的属性，而视洪水为灾害，将其纳入人工管道或固化河道后，直接排入下游，使人们在面对洪水威胁的同时，还要面对水资源日益短缺的问题；第二，固化、渠化的河道正逐步演变为人工管理下的工程化系统，河流、湖泊及其沿岸的湿地等自然生态系统逐渐丧失了泄洪蓄洪、生物栖息地等生态系统功能；第三，固化后的河堤给生活在水边的人们一种安全的假象，过分信赖水泥防洪堤的能力，使城市建设和其他生产生活活动在空间上日益逼近水体，以至于在发生决堤决坝导致的洪水灾难时，造成更大的生命和财产损失[21]。

针对以上问题，本研究中雨洪管理的思路是从流域管理的角度建立符合自然水过程的滞洪系统，通过对滞洪系统在空间和功能上的维护，给洪水一定的自然宣泄空间、最大化就地滞留和就地下渗雨洪水，从而解决城市沥涝、水资源紧缺和地表水污染等问题[22-23]。

2）分析过程。如何确定涵滞湿地的位置、面积以及河道缓冲区宽度是基于雨洪管理的生态用地分析的关键9 本文借助ArcGIS9.0和HEC-RAS软件，对自然雨洪的发生发展过程进行模拟，包括径流、雨水淹没和洪水淹没的模拟9 通过分析判别对雨洪过程至关重要的土地单元和空间位置（它们是维护雨水过程的安全格局），如可供调、滞、蓄洪水的湿地等，可构成用于相互贯通的滞洪湿地系统，在土地类型上即体现为用于雨洪管理的生态用地。具体技术流程见图2。

Fig.2 Technical process of storm water simulation analysis.

雨水过程分析：首先进行基于DEM的流域分析，将东三乡划分为3 个小流域，采用GIS中“ 无源淹没” [24]方法，模拟该区在不同降雨强度下的受淹范围.其中，降雨强度等级按照国家相关的划分标准，暴雨、大暴雨和特大暴雨指;24h降雨量分别为50~100 mm、100~200 mm 和〉200 mm，本研究采用标准分级的下限值。 同时，本研究模拟了该区历史上24h 最大累积降雨量（314mm）的淹没区域.模拟结果显示，不同强度降雨所产生的积水主要集中在清河与温榆河交汇处、孙河东、皮村北、北小河与坝河的交汇处以及坝河与温榆河的交汇处，受积水影响的面积与降水强度呈正比（图3a）。

洪水过程分析：在HEC-RAS软件中，根据温榆河河道断面图的参数，生成河道3D 模型；辅以GIS的空间表面分析技术，模拟研究区在发生不同强度洪水时的淹没区域9 按照北运河水旱灾害资料，10、20和50 年一遇洪水流量分别为510~1038 m3•s-1、850~1155 m3•s-1和1155~1770 m3•s-1。本研究采用分级的下限值9 模拟结果显示，发生10 年一遇洪水时，由于现有温榆河大堤的防护，一般不会发生洪水决堤的情况；发生20 年一遇洪水时，洪水从清河入温榆河口至京顺路桥一段将溢出，并沿大堤内侧向东南方向流动，在金盏乡东部和南部将形成一定范围的积水区；发生50 年一遇洪水时，洪水将影响到包括老河湾在内的更大范围（图3b）。

3）基于雨洪过程安全的生态用地分析9 根据不同雨洪淹没的危险等级，划分出不同雨洪管理安全水平下的生态用地（表1）。其中，低安全水平的生态用地主要指暴雨、大暴雨和10年一遇洪水的淹没范围，包括温榆河、北小河、坝河以及温榆河下游主要的人工坑塘；中安全水平的生态用地是在低安全水平生态用地范围的基础上，增加了特大暴雨和20年一遇洪水的淹没范围；高安全水平的生态用地是在中安全水平用地范围的基础上，增加了历史最大一天降水和50年一遇洪水淹没范围，主要包括温榆河老河湾以下至温榆河、坝河交汇的洪泛区（图4） 

Fig.3  Simulation of rainfall（a）and flood（b）submerged are-a in the study area.

3.1.2基于生物过程安全的生态用地分析

1）分析思路。将生物保护从物种就地保护扩展为生态系统整体保护，将特定生物物种生存、生活及其空间运动所需空间作为满足生物保护的最小生态用地。首先选取区域的指示物种进行栖息地适宜性分析，然后根据物种的空间运动规律，通过模拟生物在景观中克服阻力运动的过程，来判别核心栖息地以外的景观安全格局元素，获得不同安全水平的物种保护安全格局。

2）分析过程。a）选择指示物种。由于温榆河湿地较好地保留了自然原生形态，加上区域内分布有芦苇型湿地和林地，加上区域内分布有芦苇（Phragmites communis）型湿地和林地，东三乡成为京城近郊最大的野生鸟类繁殖和栖息地。本文在生物物种和栖息地调查的基础上，选取大白鹭（Egretta alba）和绿头鸭（Anasplatyrhychos Linnaeus）作为研究区生物保护分析的指示物种。下文仅以大白鹭为例，详细介绍了基于生物保护的生态用地分析过程。b）栖息地适宜性评价。根据大白鹭的生物学特性，进行生物栖息地适宜性评价，具体评价因子见表2。根据评价结果选择最佳栖息地作为生物过程分析的“源”。c）确定阻力因子和阻力系数，建立物种空间运动的阻力面。在大白鹭从“源”向外扩散过程中，不同的土地类型会产生不同的阻力。根据大白鹭的生存栖息地类型，确定阻力因子和阻力系数（表3），并在GIS中建立生物空间水平运动的阻力面。需要指出的是，文中阻力系数值和权重是由研究人员根据专家意见和有关资料得出的相对值，反映了不同土地利用类型相对的阻力大小，而不是绝对的阻力值。由于阻力面计算的目的主要是反映相对趋势，所以相对意义上的阻力系数和因子的权重仍然具有意义。d）根据生物运动的空间阻力趋势分析，判别生物保护的景观安全格局。根据“源”和阻力面，通过GIS中的费用距离分析（cost distance），对指示物种的运动阻力进行空间分析，根据阻力分析结果来判别核心栖息地以外的景观安全格局元素，如栖息地缓冲区、潜在生物廊道和生物“踏板（stepping stone）”等。 

3）基于生物保护的生态用地分析。本文采用自然断裂法(natural break)对生物物种空间阻力运动的分析结果进行空间聚类，据此划分出3种安全水平下的生态用地（图6）。其中，低安全水平下的生态用地格局是保护大白鹭这一物种所必需的最小面积，土地利用类型主要以河流、沟渠、林地和水田为主。研究一般会选取多个指示物种，需要将不同物种的生态用地进行叠加，得到综合的基于生物保护的生态用地。   

3.2 综合生态用地规划与管控策略 

将基于不同生态过程的生态用地进行空间叠加，可得到研究区综合的生态用地。由于雨洪管理和生物保护对于研究区同等重要，因此本文采取等权叠加；在叠加判别时，采取“两两取高”的算法，即某一过程的高安全水平生态用地与另一过程的中安全生态用地叠加在一起的时候，其结果为高安全生态用地。 

东三乡生态用地的总体特点表现为：以区域东部和南部的温榆河、北小河、坝河以及沿河附近的林地、坑塘、农田等作为重要的生态斑块，以沟渠、道路及其两侧的防护林等线性景观要素建立生态廊道，呈现为由具有重要生态意义的斑块和廊道构成的网络状空间结构（图6）。

 
研究区低安全水平的生态用地面积为23.7 km2，占区域总面积的20.4%（表4）。低安全水平的生态用地为北京市温榆河生态走廊的核心区域（图6），是为保障自然生态系统服务所保留的最小土地底线，也是城市开发建设不可逾越的底线。本区内的土地利用应以严格的生态保护为主，原则上，任何形式的城市建设行为不得侵占这类生态用地。同时，本区内应积极进行生态恢复，如选用乡土物种进行生物栖息地的生态恢复与保育、保持河流湿地的自然形态以及重点恢复多样性的鸟类栖息地系统等。

 
研究区中安全水平的生态用地面积为36.1 km2，占区域总面积的31.1%（表4）。中安全水平的生态用地区域为温榆河生态走廊的核心区域的缓冲区（图6）。本区应以自然型土地利用为主，创造自然生态系统充分发挥自然力的条件，以满足温榆河生态走廊的综合功能需求。

 
研究区高安全水平的生态用地面积为56.6 km2，占区域总面积的48.6%（表4）。高安全水平的生态用地是城市人工生态系统与自然生态系统之间的缓冲区，本区生态保护的重点是控制城市建设活动对生态用地的干扰程度，同时应积极地对已被破坏或强度人工化的关键位置进行生态修复，通过土地利用方式的调整和植被恢复，保证生态过程的完整性、满足生态隔离带的需求、做好与城市边缘集团的生态隔离等。

 表４  不同安全水平生态用地的土地利用现状，2006

Tab.４The structure of ecological landuse at different security level ，2006

4讨论

尽管在国际学术语境中，“生态用地”不是一个规范术语，也没有生态学上的意义，但在中国当前土地利用规划和官方土地管理语境下，生态用地已经有其存在的必要性，并日益成为不可或缺的一种土地分类，其内涵和外延的界定非常具有紧迫性。一旦界定清楚，并能与现行土地规划和管理体系相结合，对中国的国土生态安全和生态保护具有重要意义。相反，如果对这一看似“不学术”的概念默然置之，任其模糊不清，并泛滥于规划文本和官方文件中，必将祸害匪浅，所谓生态规划和生态保护便成为空洞的口号。

本文明确了生态用地的含义实际应该是“最小生态用地”，也就是维护生态系统服务的最关键、最高效的、不可替代的生态系统或土地单元，这些“最小生态用地”体现在空间上也就是景观安全格局。这一界定可避免在土地利用规划中为谋求指标而将所有未利用地都划为生态用地，实际上却不能发挥有效的生态服务。正如“基本农田”概念，生态用地实际上是“基本生态用地”，是不可替代的最低生态保护底线，是一些占地最少、却具有关键生态系统功能的区域和空间联系。在此定义下，将景观安全格局途径应用于生态用地规划就变得顺理成章。本文以北京东三乡为研究区，以雨洪管理和生物保护的需求为例，分析了基于生态过程的生态用地，这是不完全的，更多的生态服务需要进一步考虑。今后可据此方法，展开针对水源涵养、水土保持、气候调节等功能的生态用地的划分研究。但是，生态用地的划分应该强调关键的生态过程的保护，而非所有生态过程，这需要根据具体的研究区域而定。

参考文献
[24]  Liu Y-R(刘仁义),Liu N(刘  南). A GIS based model for calculating of flood area. Acta Geographica Sinica(地理学报), 2001, 56(1): 1-6 (in Chinese) 作者简介  俞孔坚，男，1963年生，博士，教授，博士生导师。主要从事土地、城市与区域规划、城市和景观设计、生态规划方面的理论研究与实践，出版著作16部，发表论文250余篇。E-mail: kj@turenscape.com
责任编辑  杨  弘