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作者武汉市规划研究院副院长胡 飞,武汉市规划研究院余亦奇,武汉市规划研究院郑玥,武汉市规划研究院土地利用规划所所长杨昔在《规划师》2018年第5期撰文,划定生态保护红线是应对城市空间无序增长、维护区域生态安全的重要手段。现有生态保护红线的划定方法忽视了生态要素在生态系统中流动和相互作用的重要性,造成生态保护存在“只重资源、不重系统”和“只重保护、不重修复”的问题。研究借鉴生态安全格局理论,提出“源地+廊道+缓冲区”的生态保护红线划定体系,构建了基于叠加分析法的源地识别方法和基于最小累积阻力模型的廊道与缓冲区划定方法,并以武汉市为例进行模拟,从认知层面、理论层面和操作层面为生态保护红线的划定提供了经验借鉴。
[关键词]生态保护红线;水平生态过程;生态安全格局;最小累积阻力模型;武汉
[文章编号]1006-0022(2018)05-0108-07
[中图分类号]TU984.11 + 9
[文献标识码]B
[引文格式]胡飞,余亦奇,郑玥,等.生态保护红线划定方法研究[J].规划师,2018(5):108-114.
一
现有生态保护红线划定研究的进展和问题
(一)生态保护红线的内涵
生态保护红线并不是一个全新的概念,其与国外的绿道、绿带、公园体系,国内的生态红线、生态底线与基本生态控制线等概念一脉相承、相互联系,它们的核心问题都是探讨如何通过规划控制生态空间来营造一个和谐、可持续的人居环境。尽管如此,相较于其他相关概念,生态保护红线的内涵具有以下4 个特征:①保护范围的关键性,红线内是支撑生态安全的关键区域;②空间的不可替代性,保护对象和边界相对固定;③管理的严格性,实施最严格的准入和管理制度;④目标的多元性,既为经济社会可持续发展提供支撑,也为生态安全奠定基础框架。综上所述,本研究认为生态保护红线是按照一定程序划定,实施特殊保护的区域,是支撑区域生态安全和可持续发展,保障生态产品与服务持续供给的最小空间。
(二)生态保护红线划定方法
如何在空间上辨识具有生态保护价值的区域,并通过一定的政策和技术途径将城市空间增长限定在此区域之外,是生态保护红线功能得以发挥的关键,也是红线划定技术方法的核心。既有文献显示,目前生态保护红线的划定方法包含 3 类:①清单法,即在生态保护区域识别的过程中,直接选取特定的具有生态价值的区域列入保护名录,该方法简单直接,在地方实践中广为应用。②叠加分析法。通过选取相关因子,建立评价指标体系对区域进行生态适宜性分析,是目前最为常用,也是成果最为丰富的方法之一,如生态敏感性分析、生态服务价值分析与生境质量分析。③形态学空间分析法。基于生态斑块的几何形态和离散度、生态网络的结构和连通度来判断生态环境的稳定性与健康性,如景观分离度分析、景观破碎度分析等。
(三)现有生态红线划定方法的不足
(1)具体技术方法有待进一步提高。
既有的技术方法在生态保护红线划定的实践中取得了广泛的应用,但仍存在一些问题和瑕疵。清单法大多过于简单粗放,采用拿来主义直接将现有的一些自然保护区、风景区与水源地等作为生态保护红线的划定依据,存在较大的主观性和随意性,并难以把握清单外具有战略意义的生态区。叠加分析法强调人类活动及土地利用之间的垂直生态过程和联系,这一方法发展到了高峰被称为“千层饼”模式,大多基于线性适宜性指数模型,较少考虑水平生态过程,难以反映地域单元生态属性和生态保护红线之间复杂的关系。形态学空间分析法是基于生态斑块和生态网络的几何属性,包括生态斑块的大小、破碎度,生态网络的闭合度、环通度,并未考虑区域的生态功能和生态过程,因此并不能独立使用。
(2)观念上忽视了生态的水平过程。
生态系统中生态包含了垂直和水平两类生态过程,前者发生在某一地域单元内,后者发生在地域单元之间。生态保护红线的有关理论和技术在逐步完善的过程中却忽视了生态的水平过程,体现在以下两个方面:①只重资源,不重系统。现有生态保护红线的划定方法往往只关注在某一地域单元内的生态资源的分布,如地质、水文、植被和动物群落,将生态功能重要性的评价局限于地域单元自身的各种属性。所谓“不谋全局者,不足谋一域”,这种做法没有认识到生态要素在空间中的流动和互动作用,如物种的迁徙、干扰和灾害的扩散,忽视了生态空间的系统性。②只重保护,不重修复。目前生态保护红线的划定中,通常是对现有的生态功能进行评价,将重要的生态功能空间隔离起来进行保护,这种做法一开始就陷入了静态保护的误区,即把生态空间作为一种稳定、不会发生改变的物体去保护,就像对待建筑保护一样。事实上,在生态系统之间的各种功能联系断裂或连接性不足的情况下,区域生态功能会出现退化,而连通的生态系统则会随着生态要素的流动出现生态功能的改善和提升。
二
重构基于生态安全格局的生态保护红线
生态安全格局(Security Patterns,简称“SP”) 是指景观中某些潜在的空间格局,它们是由景观中包括源、缓冲区与源间廊道在内的一些关键性局部、位置、空间联系所构成,对于生态要素在生态系统中的流动和相互作用至关重要。生态安全格局理论强调水平生态过程,其认为生态要素的空间扩散需要通过克服自然环境中的阻力表面得以实现。因此,生态安全格局理论的重点在于通过“源地+廊道+缓冲区”的构建,使得生态系统形成一个高效的空间格局,来减少阻力表面对于水平生态过程的干扰作用。俞孔坚等人认为,生态安全格局是以最低限度的景观格局来满足区域生态服务功能,是维持生态安全的底线,这与生态保护红线的理念不谋而合。因此,本研究借鉴生态安全格局理论,构建“源地+廊道+缓冲区”的生态保护红线划定体系。该理论不仅较好地弥补了现有生态保护红线划定方法中的不足,更是在以下两个方面具有新意。
(一)基于网络性原则的“源地+廊道”构建
根据生态安全格局理论,源是各种物种的栖息地,包括生态保护地、公园、森林与湿地等,廊道是源之间的生物连接通道,包括景观连接、绿道、岸线等,两者共同构成了一个实体连接的网络。研究表明,位于生态网络中的斑块通常会具有更丰富的生物多样性和更低的本地灭绝速率,因为网络中某个部分生态功能的下降可以通过网络中其他部分生态功能的提高进行补偿。因此,如同给排水管网、电力系统等市政基础设施,生态安全格局通过规划和发展生态廊道来维持和增加源间连接,使生态系统不仅成为维护生存环境的一种生态资产,同时也成为支撑经济社会增长的“基础设施”的一部分。部分已有的生态保护红线划定中虽也融入了网络化的思想,但对于源和廊道的划定都是基于生态功能的重要性评价,并没有认识到廊道对于生态要素流动的特殊作用。基于水平生态过程,生态安全格局认为廊道是阻力表面上相邻两个源之间的最低阻力路径,对该路径进行保护有利于生态流之间的高效连通。因此,基于生态安全格局的生态保护红线划定由消极防守转为主动出击,通过“源地+廊道”的构建,维护生态系统的完整性和连通性,促进生态系统功能的修复和改善。
(二)基于韧性机制的“缓冲区”设定
生态保护红线并非一成不变的刚性约束,而是需要建立空间增长同生态保护之间的韧性机制,使得生态系统的多功能服务效应在经济社会的发展中逐步释放出来。对生态保护空间进行分级管控,划分“核心区”和“缓冲区”是目前生态保护红线划定工作中的常见做法。然而,过大的缓冲区设定会抑制城市的合理增长,而过小的缓冲区设定则难以满足生态维护的需求。因此,合理设定缓冲区范围对于其韧性作用的发挥至关重要。已有实践对于“两区”的划定都是基于生态功能的重要性评价,差别仅仅体现在重要程度的高低,对缓冲区范围的判定存在较强的主观性。生态安全格局理论认为,缓冲区是围绕源周边地区的低阻力区域,为其划定提供了一条新路径。在水平生态过程的阻力表面上,随着生态要素由源向外扩散,景观阻力随之增加,但这种增加并不是均匀的,会出现阶段性门槛。这意味着生态要素的水平扩散在特定的范围内是高效的,超出这个范围对生态进行保护不仅边际收益较低,而且削弱了缓冲区对于空间增长的引导作用。因此,缓冲区的有效边界可以依据阻力表面的门槛值来确定。
三
构建SP-MCR生态保护红线划定模型
基于水平生态过程的空间分析方法得益于GIS的应用和景观生态学的发展。生态学家和地理学家构建了众多用以描述水平生态过程的模型,如引力模型和潜在模型等,这些模型通过等值线的方式表达了生态要素空间运动的可达性表面。尽管上述模型都以研究生态格局与水平生态流之间的关系为目的,但研究对象或多或少局限在了生态格局中的某一单一元素 ( 源、廊道等 )。最小累积阻力模型(Minimal Cumulative Resistance,简称“MCR”)是少数例外之一,其建立了生态要素空间运动的潜在趋势与源、缓冲区、廊道之间的模型关系,为生态安全格局的构建提供了技术支撑。综上所述,根据前文提出的生态安全格局的理论框架,结合最小累积阻力模型,本研究构建SP-MCR生态红线划定方法,尝试实现“生态保护与修复并行”“刚性约束与弹性引导协调”这些空间管控的核心理念在具体技术层面的落实。根据已有生态安全格局和最小累积阻力模型的应用研究,SP-MCR 模型对于生态保护红线的构建应包含3个步骤:①源地的划定;②阻力表面的构建;③廊道和缓冲区的识别。
(一)源地识别
源地的识别是整个生态安全格局构建过程中的基础,其准确与否至关重要。根据生态安全格局的定义,源地是自然过程中物质、能量、物种流动的来源和目的地,因此其必然是区域中生态功能较高的区域。鉴于此,本研究采用叠加分析法来划定源地,具体而言,利用生态系统服务价值评价识别具有较高生态功能的区域,根据坡度和高程分析识别生态系统中敏感度较高的区域,利用生境质量分析来判别生态系统中受周围环境威胁较小的区域。
1.生态系统服务价值性评价
生态系统服务是人类从生态系统中获得的产品和服务,是维持人类赖以生存的自然效用,合理评价生态系统的服务价值可以为生态的保护和开发提供可靠依据。不同类型的生态用地由于保持生物资源的能力不同,在调解服务、供给服务和支持服务上的作用也是不同的,其服务价值的大小可以通过单位面积生态服务价值当量来表达。本研究结合相关文献,选取耕地、林地、草地、园地和水域5类常见的生态用地作为评价对象,建立各生态用地的相对生态系统服务价值(表1)。
2.生态敏感性评价
生态敏感程度反映了生态系统在承受外界压力时保持自身稳定能力的大小。具体而言,生态系统敏感度越高,人类活动的余地就越小,可承受的人为自然灾害就越低。坡度和高程是影响生态系统敏感度的刚性指标之一,生态敏感性随着坡度和高程的升高而增高。本研究基于前人研究成果,建立坡度和高程对生态敏感度的评价参数(表2)。
3.生境质量评价
生境质量取决于土地的利用方式对于生态系统威胁性的大小。一般而言,生境质量会随着土地使用强度的增加而降低。生境质量的评价可以通过分析评价单元所处环境中受到各种威胁的综合影响来进行,主要考虑四方面因素:不同威胁源的相对影响,威胁源与评价单元的距离,每种生态要素对每种威胁源的相对敏感性,以及土地受到法律的保护程度。鉴于我国严格的土地管理制度,最后一点在本研究中不予考虑。根据相关研究,选取公路、铁路、城镇建设用地、工矿用地与裸地作为威胁源,选用耕地、林地、草地、园地和水域作为评价对象,采用专家打分法获得各威胁源的相对权重和影响范围,以及5 类生态用地对 5 类威胁源的相对敏感性 ( 表 3,表4)。
4.综合评价
在分别得到 3 个维度的评价结果后,通过空间叠加分析得到综合评价结果,用自然断点法分为5个等级,等级最高的生态斑块即为生态安全格局中的源地。本研究认为上述3个维度的评价结果在衡量生态斑块的重要性时具有相等的地位,所以采用等权叠加的方法。
(二)阻力表面的构建
(三)廊道和缓冲区的识别
阻力表面由多组等值阻力线表达而成,阻力表面在源地处下陷,在最不易达到的地区突起,类似地形表面,反映了生态要素水平流动的可达性,是廊道和缓冲区识别的基础。
1.廊道识别
廊道是阻力表面上两个相邻源地间的阻力低谷,每一个源地和其他任意源地都有一条或多条低积累阻力谷线,但其中只有一条是最小累积阻力谷线。根据不同安全层次的需求,每个源地既可以与多个相邻源地建立廊道,又可以只和具有最小累积阻力谷线的源地建立廊道。由于在高度安全需求下的廊道网络化程度过高,对空间的分割较为严重,不利于土地的有效利用,因此本研究选择只在具有最小累积阻力谷线的两源地间建立廊道,在支撑水平生态过程的同时,满足城市空间增长的合理需求。
2.缓冲区识别
基于阻力表面可以获得 MCR值与栅格数目的关系曲线,一系列相关研究表明,随着 MCR 值的增高,栅格数目的变化并不是均匀的,而是存在某些阶段性拐点,意味着拐点所在单元的阻碍作用发生骤然变化,对于水平生态过程的边际收益具有较大的影响。因此,这些拐点可以作为缓冲区划定的依据。
四
应用:武汉市生态保护红线划定
(一)案例背景及数据来源
武汉市位于江汉平原东部,属北亚热带季风湿润气候。2016年常住人口接近1100万,城镇化率超过80%,处于工业化中后期向后工业化转型阶段。全市总面积为 8569km2,山、水、农林等非建设用地占全市面积的80%以上,其中,长江和汉水等10条河流、166个湖泊形成的水域面积达到2142km2,耕地、园地、林地和牧草等农林用地面积达 4760 km2,生态资源分布总量具有相当规模(图1)。本研究的数据来源包括研究区域范围内 2015 年遥感卫星影像数据、1∶10000数字高程模型数据、2014 年土地利用变更调查数据、武汉市城市总体规划(2006—2020)、全域生态框架保护规划等。
(二)武汉市生态安全格局构建
1.源地构建
对生态系统服务价值评价、生态敏感性评价和生境质量评价的结果进行等权叠加,得到综合评价结果,按照评价值分为5个等级(图2)。为保证源地的整体性与功能的有效性,选取评价结果中等级最高的生态斑块,剔除其中面积较小且散状分布的生态斑块,保留剩下的生态斑块作为生态安全格局中的源地(图3)。
2.廊道构建
根据识别出的源地和不同地类的阻力系数,构建生成阻力表面。利用 GIS中的Cost Path工具,识别相邻源地之间的最小累积阻力路径。朱强等人通过总结国外相关研究,认为对于保护生物多样性而言,生物保护廊道适宜宽度是100~200m。同时,参照美国马里兰州生态廊道的划定经验,本研究以150m的宽度为范围,划定生态安全格局中的廊道(图4)。
3.缓冲区构建
如前所述,根据阻力表面得到MCR值与栅格数目的关系曲线 ( 图 5),对其进行函数拟合和二阶求导。结果表明,在 MCR 值等于 1800 的时候栅格数目的下降速率呈现出明显放缓。因此,以该拐点的 MCR 值为依据划定缓冲区 ( 图 6)。
(三)武汉市生态保护红线划定
生态保护红线的划定依托SP-MCR模型分析所得出的精准空间界定,分为两级进行划定管控(图7)。一级生态保护红线从维护基本生态系统服务最低安全格局的角度出发,落实生态安全格局中的源地与廊道的空间范围;二级生态保护红线从刚性约束与弹性引导的韧性协调的角度出发,落实生态安全格局中的缓冲区。与此同时,针对不同类型和不同级别的生态保护红线提出不同的发展与保护要求,建立生态保护的长效机制。
整体而言,武汉市一级生态保护红线面积为 1623.8km2,占全市总面积的 18.9%,二级生态保护红线面积为 2059km2,占全市面积的24%,比重较高,说明武汉市的生态本底条件较好。从构成上看,一级生态保护红线由山体、林地和湖泊构成了源地,长江、汉水和其他河道构成了廊道,所形成的生态网络较为完整,覆盖范围广,这也与武汉湖泊和森林较多的生态特征相吻合;二级生态红线主要由耕地和坑塘水面构成,体现了农用地生产功能和生态功能的复合性。尽管如此,通过阻力表面上的阻力峰值区域(图8)可以看到,源地之间的分割较为严重,这主要是由于集中建设区,以及外围的机场、高速公路、铁路等大型基础设施产生了极高的阻力值,如果没有生态安全格局所构建的廊道和缓冲区,部分源地只能维持孤立状态,难以支撑区域生态安全和可持续发展。
五
结语
生态保护红线的划定协调了城乡发展和环境保护之间的矛盾,从制度的层面限定了空间发展的边界。本研究基于生态安全格局理论,应用最小累积阻力模型,构建了 SP-MCR 生态保护红线划定模型,并从3个方面改进了传统方法。在认知层面上,本研究认识到水平生态过程的重要性,促进了生态保护红线的划定理念向资源与系统并重、保护与修复兼顾的方向转变。在理论层面上,本研究基于生态安全格局理论得出了生态廊道和缓冲区的划定新方法,构建了适宜生态要素流动的生态网络,增强了空间增长和生态保护间的韧性协调。在操作层面上,本研究借助 MCR 模型,优化了生态安全格局的评价划定指标体系,为源地、廊道和缓冲区的精准空间界定提供了科学依据。因此,本研究认为基于生态安全格局构建的生态保护红线具有一定的借鉴价值。
本研究中SP-MCR生态保护红线划定模型是针对武汉市生态特征和生态保护需求构建的,因此该模型在推广应用过程中应从3个方面加以完善:①因子的选择需要结合区域自然特征进行丰富或取舍,如生态敏感性分析中可以加入植被类型、地质灾害等其他因素;②基于保护需求构建不同目标导向的安全格局,如地质灾害安全格局、水资源安全格局和生物多样性保护安全格局等,综合得到生态安全格局;③阈值设定和因子权重需要结合安全格局的目标进一步细化,如应分别设定水安全格局和生物多样性保护安全格局中廊道的宽度与缓冲区的MCR值。
来源:2018年05期《规划师》杂志
新媒体编辑:肖莉
审核:刘芳
文章全文详见《规划师》2018年05期
《生态保护红线划定方法研究》
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