功能-敏感性視角下市域生態承載力評價及規劃策略研究
——以蘭州市為例

鄒游,梁浩峰,李桂媛

(湖北工業大學 土木建筑與環境學院, 湖北 武漢 430068)

自然生態系統是人類賴以生存和發展的基本條件,但伴隨著人類對自然的不斷索取和城鄉用地空間范圍的拓展,生態系統正不斷遭受影響和破壞,與生態環境承載有關的研究亦成為持續性的熱點話題[1-2]。作為資源環境承載力的一個重要方面,生態環境承載力可以反映生態系統的自我調節能力、容納能力,對保護生態環境、維護生態系統平衡有著重要作用。2017年9月,中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發的《關于建立資源環境承載能力監測預警長效機制的若干意見》中,提出推動落實資源環境承載力監測預警的規范化、常態化及制度化,強調經濟社會的發展應嚴格按照資源環境承載能力進行合理謀劃,為生態承載力評價指明了方向[3]。

上世紀90年代,國內對生態承載力的研究進入起步階段,經諸多學者30余年的研究推進,已逐步形成從單一要素研究轉向多元要素研究、從靜態分析轉向動態分析,并向模擬預測方向發展的研究模式。但目前關于生態承載力的研究仍未形成完整的研究體系,常用的研究方法主要包括生態足跡法、狀態空間法、系統模型法、瓶頸限制因子法及指標體系法等[4-9]。由于研究領域存在差異,各領域學者對生態承載力的定義也不盡相同,目前的主流觀點認為,生態承載力是指在一定時空范圍內,生態系統在自我調控范圍內所能夠最大限度地容納人口與人類社會經濟活動的強度[10]。因此,以往研究在對生態承載力進行評價時,往往會從“社會經濟”及“自然環境”2個方面進行較為綜合的研究和評價分析,更多側重于評價指標的更新和對結果的解釋,較少從空間分異及空間規劃的角度切入。

鑒于此,本研究以中國西北地區經濟發展與生態環境矛盾較為突出的省會城市蘭州為例,采用指標體系法,結合蘭州市自然本底,從生態系統本身的敏感性(接受度)和服務價值(貢獻度)建立評價指標體系,分別對蘭州市社會經濟及自然環境2個方面條件進行更精準和細致的定量評價,運用GIS空間分析技術對蘭州市生態環境承載力的空間分異特征進行研究與分析,并在此基礎上落位于國土空間,以期為蘭州市生態環境保護、國土空間規劃以及區域發展提供建議。

1 研究區概況

關于蘭州市基本地理概況見圖1。蘭州位于我國西北部(E 103°40′, N 36°03′),是甘肅省政治、文化、經濟和科教中心,下轄“三縣五區”,總面積約為1.31萬km2。蘭州地勢西部和南部高,東北低,黃河自西南流向東北,橫穿全境,切穿山嶺,形成峽谷與盆地相間的串珠形河谷,詳細地理信息如圖1所示。

圖1 蘭州市地理環境信息圖(a-e)Figure 1 Geographical environment information map in Lanzhou City (a-e)

2012年,國務院在建設蘭州新區的批復文件中,明確將其作為深入實施西部大開發戰略的重要舉措,并于2020年將蘭州發展為西北地區現代化大都市。2017年,《蘭州—西寧城市群發展規劃》明確把蘭州—西寧城市群培育發展成為支撐國土安全和生態安全格局、維護西北地區繁榮穩定的重要城市群。

作為西北五省的交通樞紐,自“十二五”以來,蘭州市以提升其國家綜合運輸樞紐地位以及完善城市功能為導向進行了一系列建設,但蘭州的經濟支撐仍是以石油化工和重工業為主,加之特殊的地理環境和干旱氣候,生態環境相較西北其他4省省會城市更為脆弱。

綜上,蘭州的生態保護和建設對西北地區及本省的生態安全有重要意義,是建設西北中心城市、宜居城市和構建城鄉協調可持續發展的支撐基礎。

2 數據與方法

2.1 數據來源及處理

本研究的數據來源于地理空間數據云、中國氣象科學數據共享服務網等官方網站。

數字高程模型數據下載于地理空間數據云網站;NDVI數據是經提取NASA的LAADS DAAC網站下載的MODIS數據得到;夜光遙感是近年來遙感領域發展活躍的一個分支,其獲取的是夜間、無云條件下地表發射的可見光信息,這些信息大部分均由地表人類活動產生,夜間燈光數據由武漢大學珞珈一號夜光遙感衛星拍攝得到[11];土地利用數據是在Zenodo下載的2020年中國土地覆被數據(30 m)。

坐標統一至WGS 1984坐標系,保證現有指標數據的準確性。使用Arc GIS軟件對每一個圖元賦值,并按照下文確定的等級標準進行分級后對評價結果進行分析。

2.2 指標體系構建

考慮數據的可獲取性,通過對“生態敏感性”和“生態系統服務功能價值”的分析研究反映研究區域的生態承載力分級狀況的需求,結合既往研究,對蘭州市生態承載力的指標體系進行構建[12-14]。詳細評價因子如表1所示。

表1 蘭州市生態承載力指標體系表Table 1 Ecological carrying capacity index system in Lanzhou City

2.3 生態敏感性

生態敏感性是反映自然因素和人類活動對自然生態影響的重要指標。蘭州作為山水城市,兩山一河的獨特地貌條件造就了復雜的生態環境。另一方面,作為甘肅省會,蘭州市社會經濟活動活躍,自然生態極易受到人類生活生產帶來的影響,其地表覆蓋類型也對生態敏感性有著決定性的影響?；诖?本研究將選取自然環境、人類活動2個方面要素,共7個評價因子構建指標體系。

2.3.1 評價因子敏感等級劃分 為進行定量的生態環境敏感性綜合評價,參考多位學者現有研究成果以及相關研究文獻資料,以4個等級對各單項因子進行劃分,對其分別賦值為1、2、3、4便于指標的量化[15-24]。具體分類標準如表2所示。

2.3.2 評價因子權重確定 各單項因子的權重取決于其對敏感性的影響程度,且呈正相關的關系,通過層次分析法(AHP)比較各單項因子的重要性,以確定各因子權重,建立判斷矩陣見表3。

表3 判斷矩陣及各因子權重[27-31]Table 3 Judgment matrix and the weight of each factor

如表3所示,綜合相關文獻的評價方法,使用Yaahp軟件對各項敏感性因子以9分制進行打分[30-31]。同樣重要賦值1;稍微重要賦值3,相反賦值1/3;比較重要賦值5,相反賦值1/5;十分重要賦值7,相反賦值1/7;絕對重要賦值9,相反賦值1/9。得到7×7的判斷矩陣,其一致性結果0.051 2<0.1,矩陣一致性檢驗通過,權重值Wi有效。

2.4 生態系統服務價值

生態系統服務是指通過生態系統的結構、過程和功能直接或間接獲得的產品和服務。生態系統服務價值的空間分布數據集基于國家陸地生態系統類型遙感分類,參考謝高地等生態服務價值當量因子法,其定義1個標準當量因子的生態服務價值,即1 hm2全國平均產量的農田每年自然糧食產量的經濟價值,在數值上相當于全國平均糧食市場價值的1/7[32]。鑒于當量因子法直觀易用,數據需求較小,適用范圍廣等特點,本研究依據謝高地等的單位面積生態系統服務價值基礎當量表,結合蘭州市自然本底和生態系統類型進行調整,刪除水田生態系統指標(面積為0),加權計算后合并針葉、針闊混交及闊葉指標為喬木,建立適用于蘭州市的單位面積生態系統服務價值基礎當量如表4所示。

表4 蘭州市單位面積生態系統服務價值基礎當量因子Table 4 Basic equivalent factor of ecosystem service value per unit area in Lanzhou City

農田生態系統的糧食產量價值主要依據稻谷、小麥和玉米三大糧食主產物計算[32]。根據《全國農產品成本收益資料匯編2020》計算,2019年全國水稻、小麥、玉米三大糧食作物的平均單產是7 234.5 kg/hm2,糧食市場銷售價格是2.188 8元/kg,算出2019年單位面積糧食市場產值是15 834.87元/hm2。再由中國統計年鑒2021可查得2019年和2020年農產品的價格指數分別是100.8和102.8,由此可以求出2020年全國三大糧食作物平均單位面積市場產值是16 149.06元/hm2,其市場產值的1/7是2 307.01 元,即2020年蘭州市1個當量因子的生態服務價值是2 307.01元/hm2[33]。

通過ArcGIS軟件對蘭州市地表覆蓋類型屬性表進行提取和計算得到蘭州市生態系統各類型面積如表5所示。

表5 蘭州市各類型生態系統面積Table 5 Areas of various types of ecosystems in Lanzhou City

將蘭州市生態系統服務價值基礎當量、蘭州市生態系統單位當量因子的生態服務價值、蘭州市生態系統各類型面積三者連乘即可得到蘭州市生態系統各類型服務價值。關于蘭州市各類型生態系統服務功能價值的研究結果見表6。

表6 2020年蘭州市各類型生態系統服務功能價值Table 6 Value of various types of ecosystem services in Lanzhou City in 2020 億元

由表6可知,從生態系統服務功能價值的構成上看,氣體調節、氣候調節、水文調節、土壤保持及維持生物多樣性是蘭州市生態系統服務最主要的5項功能,其服務價值合計貢獻率為77.74%;從生態系統分類上看,草地是蘭州市各類生態系統中對服務功能價值貢獻最大的,其貢獻率為74.29%,遠超其他生態系統貢獻率。

2.5 生態承載力評價方法

生態敏感性評價得分與生態承載力呈負相關關系,而生態服務功能的評價得分則與生態承載力呈正相關關系,為計算研究區域內各柵格范圍最大生態承載力,可根據生態系統服務功能和生態敏感性評價所得結果,經歸一化處理,生態承載力集成應遵循的基本準則如下所示。

[生態承載力]=max([生態系統服務功能],[生態不敏感性])[34]

(1)

3 結果與分析

3.1 生態敏感性評價與分析

3.1.1 單因子敏感性評價與分析 按照前文構建的生態敏感性評價指標體系和分類標準,首先使用包含自然環境、人類活動兩方面要素的7個評價因子和相關基礎地理信息數據,對蘭州市域空間范圍進行單因子敏感性計算。而后應用Arc GIS軟件對各類因子敏感性計算結果進行重分類,得到分類可視化結果,見圖2。

圖2 單因子敏感性等級分布(a-g)Figure 2 Distribution map of single factor sensitivity rank (a-g)

由圖2可知,蘭州市植被覆蓋高度敏感區主要分布在皋蘭縣北部及永登縣南部,同時,城鎮及周邊區域植被敏感度也較高。高程因子與敏感性呈正相關,蘭州市為典型的狹長帶狀分布城市,南北兩山生態敏感性明顯高于中部城市建設區。坡度因子中、高度敏感區位于蘭州市南山陰坡及北山陽坡,占全市總面積的78.2%。該地區更易受到土壤侵蝕,植被破壞后難以自主恢復,抗干擾能力較弱。水環境因子敏感性評價中,中、高度敏感區主要分布在黃河、湟水及莊浪河等河流2 km以下緩沖區范圍內,占全市總面積的57.6%,低度敏感和不敏感區則主要分布在蘭州市南北兩山及丘陵地區。而基于蘭州市的人口密度指數分布,不敏感區和低度敏感區包括中心主城區及蘭州新區;中度敏感區主要集中于榆中縣、永登縣及主城區和蘭州新區的邊緣地區;高度敏感區則分布在山地、丘陵、林地等人跡罕至的區域。此外,不同地表覆蓋類型對生態敏感性的影響程度也有所不同,其中建設用地(不透水)的生態系統結構相對穩定,而自然環境則更容易受到影響。

3.1.2 多因子生態環境敏感性綜合評價與分析 通過計算和分析得到各單因子權重及空間分布數據后,采用加權疊加的方式對蘭州市綜合生態敏感性進行評價分析。依照上文得出的各項單因子權重對區域內各單項生態敏感性因子在Arc GIS軟件中進行柵格計算,分類后得到關于蘭州市綜合生態敏感性等級分布的可視化研究結果,見圖3、表7。

圖3 綜合生態敏感性等級分布Figure 3 Distribution map of comprehensive ecological sensitivity grades

表7 蘭州市生態敏感性綜合評價Table 7 Comprehensive evaluation results of ecological sensitivity in Lanzhou City

由圖3、表7可知,蘭州市中、低敏感區所占比重較大,主要分布于主城區、新區及其周邊地區。分析其成因,主要由于蘭州市地形較為復雜,河流支流密布于山脈、峽谷之中,且土壤質量不佳,致使各河流水系周圍敏感程度較高,故整體生態敏感性由河流向山地呈現逐漸遞減的趨勢。從整個研究區域看,中、高程度敏感區域占全市總面積超過一半,整個研究區域總體呈現生態較敏感的狀況,應積極采取針對性措施降低區域生態敏感程度,幫助改善蘭州市自然生態環境。

3.2 生態系統服務功能價值評價與分析

按照前文構建的生態系統服務價值指標體系,分別從地形因子、調節服務、支持服務和文化服務4個2級指標、11個3級指標對蘭州市域范圍內的空間生態服務價值進行柵格計算。而后采用自然斷點法將各單項評價結果分為4個等級,由低到高依次為價值低、價值較低、價值較高、價值高并進行可視化,以便進行后續分析[35]。各項服務功能價值等級分布研究結果如圖4—7所示。

圖4 供給服務功能價值等級分布(a-c)Figure 4 Distribution map of supply service function value grades(a-c)

由圖4可知,在供給服務方面,食物生產、原料生產、水資源供給價值高的區域均集中在林地和耕地,歸一化植被指數較高的市域南北兩側,即榆中縣南部、永登縣等地,基本位于適宜進行農業生產的低密度人口地帶,與基礎地理數據相吻合。

由圖5可知,在調節服務方面,總體上蘭州市域提供的服務功能價值偏低。價值偏高區域依然集中在植被指數較高地區。值得注意的是,凈化環境價值與其它3類價值間的空間分布格局差異較大。這與蘭州市域范圍內各類林草地類別及其空間分布及計算結果的分類方法有關。但由于凈化環境價值在總體生態服務功能中的占比有限,對最終結果影響不大。

圖5 調節服務功能價值等級分布(a-d)Figure 5 Distribution map of adjustment service function value grades (a-d)

由圖6可知,在支持服務功能價值方面,土壤保持、維持養分循環、生物多樣性3類價值等級分布存在一定差異,這與用地分布和服務價值計算結果的自然斷點法分類有關。由圖7可知,文化服務功能價值等級整體較低,亦與植被覆蓋類型和坡度有關,但由于文化服務功能在整體生態功能中所占的比重較低,故對最終總服務價值的影響較小。

圖6 支持服務功能價值等級分布(a-c)Figure 6 Distribution map of support service function value grades (a-c)

圖7 文化服務功能價值等級分布Figure 7 Distribution map of cultural service function value grades

在確定各評價單因子空間分布數據之后,采用疊加法對蘭州市生態系統服務總價值進行評價分析。對區域內4大項11小項生態系統服務價值因子進行計算后,在Arc GIS 軟件中將生態系統服務價值綜合評價數據進行重分類,得到市域生態系統服務總價值計算結果見圖8、表8。

圖8 生態系統服務總價值等級分布Figure 8 Distribution map of the total value grades of ecosystem services

表8 生態系統服務總價值評價Table 8 Evaluation results of the total value of ecosystem services

由圖8、表8可知,受制于相關自然條件及快速城市化的影響,在蘭州市生態系統服務綜合價值評價中,研究區域近90%面積為低或較低價值,高或較高價值地區生態系統服務價值主要來自于興隆山森林公園及莊浪河兩岸帶狀耕地的貢獻,其余地區也有零散分布,但全市整體生態系統服務功能價值偏低。這也側面印證蘭州市整體生態系統穩定性處于較低水平,其生態安全面臨著嚴峻挑戰,亟需提出和施行相關措施以消除或降低人類活動對生態系統服務功能的負面影響,提升與恢復其生態系統服務功能。

4 空間規劃策略探討

4.1 蘭州市生態承載力評價結果與分析

根據蘭州市生態敏感性評價及蘭州市生態系統服務價值2項評價結果,經歸一化處理后,使用Arc GIS 軟件依式 (1) 對數據進行重分類及可視化處理,將蘭州市生態承載力評價結果劃分為低、較低、較高、高4個等級。關于蘭州市生態承載力評價的研究結果,如圖9所示。

圖9 蘭州市生態承載力評價等級分布Figure 9 Distribution map of ecological carrying capacity evaluation grades in Lanzhou City

由圖9可知,全市整體生態承載力中等偏低,呈現河流流域低、山地丘陵高的空間分布格局。在市域空間范圍內,蘭州生態承載力高的區域面積為1 876.74 km2,占比最小,僅為14.36%;承載力較高的區域面積為4 001.92 km2,占比30.62%,研究區全域均有一定分布;承載力較低的區域面積為4 399.07 km2,占比最大,為33.66%;承載力低的區域面積為2 789.77 km2,占比21.35%,多分布在河流水網周圍。生態承載力中等以上的區域約占總面積的44.98%。

基于蘭州市生態承載力的評價結果,從斑塊尺度和區縣單元2個方面對蘭州市的國土空間開發提出策略。前者消除了行政區劃對區域發展的限制,可幫助實現國土空間的精細化開發,有助于區域協調平衡的發展;而后者則更強調區域一體性,在大局把控、政策操控及落實能力等方面更具優勢。兩者之間存在一定的互補關系。

4.2 基于斑塊尺度的蘭州市國土空間開發策略

在國土空間開發策略提出上,首先進行斑塊尺度的蘭州市國土空間開發現狀分析,在充分認識蘭州市的自然條件以及存在問題和本次研究所得的生態承載力評價分析的基礎上,在市域范圍內選擇生態承載力低(a)、生態承載力較低(b)、生態承載力較高(c)、生態承載力高(d)4類典型地區,有針對性地提出改善生態功能、促進生態建設、遏制生態惡化、優化生態狀況的對策及建議。

圖10 蘭州市生態承載力空間分布問題及對策Figure 10 Problems and countermeasures of spatial distribution of ecological carrying capacity in Lanzhou City

(a)生態承載力低區域。在維護區域生態系統的工作中,保護生態承載力低的地區的生態環境尤為重要。該地區各種河流湖泊網絡密集,但植被覆蓋率低,抗人為干擾能力弱,極易受自然和人類活動的影響。主要位于黃河、湟水河、莊浪河、宛川河流經地區,遍布蘭州市三縣五區。以目前態勢來看,需要加緊對受損區域的生態恢復,促進良性循環。

(b)生態承載力較低區域。生態承載力較低的區域是重要的生態緩沖區,是4個等級中占比最大的部分。由于該地區的生態較為脆弱,極易受到干擾,因此,應限制此地區的開發建設活動,先規劃,后建設。避免過大的人為干擾,加強該地區生態環境的保護。

(c)生態承載力較高區域。此區域主要工作應是減少各種建設活動,保護自然生態環境。對區域產業結構和空間布局進行適當調整,優化農業布局,集中發展生態農業、生態旅游業等產業,降低資源消耗,以維護當地的生態安全。擴大南北兩山生態保育區的建設規模,將自然條件較好的區域納入生態保育區范圍,禁止一切破壞生態環境的建設性活動。

(d)生態承載力高區域。承載力高的區域主要集中在南北兩山植被覆蓋較為豐富的地區,面積為1 876.74 km2,占全市面積的14.36%?？梢酝ㄟ^控制生產生活規模、發展生態友好型產業等措施實現生態永續性的發展。強化生態保護,突出生態價值。打造南北兩山生態屏障,以蘭州市生態承載力評價值作為底線,優化底線,劃定生態保護紅線,優化生態空間布局。

4.3 基于區縣單元尺度的蘭州市國土空間開發策略

綜合蘭州市各行政區人口密度狀況及前文生態承載力研究結果,從區縣尺度提出空間開發對策。關于區縣單元尺度的蘭州市國土空間開發研究結果見圖11、圖12。

圖11 2020年蘭州市各區縣生態承載力與人口密度Figure 11 Ecological carrying capacity and population density of districts and counties in Lanzhou City in 2020

圖12 蘭州市各區縣國土開發分區對策Figure 12 Countermeasures for zoning of land development in each district and county in Lanzhou City

如圖11、圖12所示,由于地區的生態承載力與其人口有著密切的關系,本研究分別計算了蘭州市各區縣單元的平均生態承載力,按照蘭州市生態承載力和人口密度與其各自均值的關系,將生態承載力低于全市平均水平、人口密度高于全市平均水平的地區規定為優先提升區[36];將生態承載力、人口密度均高(或低)于全市平均水平的區域規定為優化引導區;將生態承載力高于全市平均水平、人口密度低于全市平均水平的區域規定為保護控制區,綜合上述相關研究,給出相應國土空間開發建議。

4.3.1 優先提升區的國土空間開發 安寧區在蘭州市各區縣中面積最小,但自2010年以來,安寧區常住人口從28.86萬人激增至2020年的44.21萬人,10年增長幅度高達53.19%,遠高于蘭州市的20.80%。這種情況下安寧區城市土地迅速擴張,加劇了該區域土地破碎化程度。因此,對于安寧區的國土空間開發應采取優先提升策略。一是要控制人口增長,嚴格落戶制度,限制土地開發強度,促進人口與環境相協調;二是要加強對生態環境的保護力度,開展國土治理、退耕還林、植樹造林等一系列措施,以提高生態系統的自我調節能力;三是要對國土空間進行嚴格的管控,劃定并嚴格落實“三區三線”。

4.3.2 優化引導區的國土空間開發 對于優化引導區而言,城關區、七里河區及西固區人口密度遠高于區縣平均水平。作為蘭州市中心城區,3區人口之和超過全市總人口半數,人口密度較大;其生態承載力得益于各項市政環境工程,則略高于全市平均水平。針對上述情況,筆者認為此區域應持續優化人口規模,調整產業布局及模式,并注意各項市政環境工程與人口和產業的協調性。

而紅古區、永登縣及皋蘭縣則相對特殊,人口密度較小,雖部分存在生態脆弱、承載力低于平均值的狀況,但總體面臨的生態壓力不大。此區域內地勢較為復雜,草地覆蓋率較高,且生物、礦產資源較為豐富,具有進一步發展的潛力。但由于其復雜的地形以及流水的侵蝕,致使上述區域易發生水土流失。筆者認為,該區域應當以環境保護和國土治理為首要任務,通過相關政策的引導,優化土地結構,提升耕地質量,合理限制國土資源開發強度,使環境保護和適度開發并行。

4.3.3 保護控制區的國土空間開發 榆中縣屬于人口密度較小而生態承載能力較高的區域。作為蘭州市東南部生態屏障,坐擁興隆山國家級自然森林保護區,動植物資源豐富,具有涵養水源、防風固沙以及保持水土等重要功能。該區域應持續開展生態文明建設,發揮區域特色,發展生態農業、旅游等特色產業,結合2020年蘭州市人民政府批準實施的 《榆中縣城市總體規劃(2020年修改)—中心城區(榆中生態創新城)規劃)》,在不破壞生態環境的前提下,實現社會經濟效益提升。

5 討論與結論

綜上,蘭州市整體生態承載力水平中等偏低,各等級承載力區域空間分布較為均勻,且與同等級敏感性區域空間分布一致性較高,可推斷蘭州市生態承載力受自然環境因素影響較大。長期以石油化工等污染較重產業為主導的發展模式對生態環境、社會經濟都產生了較大負面影響,限制了蘭州市的發展。為實現可持續發展,需因地制宜,在資源利用、環境綠化、污染治理等方面持續進行優化改造,以加強生態環境的自我調節和恢復能力;同時嚴格控制地區人口、合理規劃用地、調整產業結構,緩解各項人類活動為生態環境帶來的壓力。

相比以往研究,本研究選擇西北地區經濟發展與生態環境矛盾較突出的省會城市蘭州為研究對象,創新性地使用了生態敏感性及生態系統服務功能價值2項重要指標相結合的方法,從生態系統本身的敏感性(接受度)和服務價值(貢獻度)考慮,更精準和細致地評價生態承載力。此外,除提供評價結果的可視化,在策略提出時注重落位于國土空間,以求更好地服務空間規劃和區域發展,從而為類似地區的國土空間“雙評價”提供方法和路徑參考。然而,由于數據獲取、統計口徑等客觀條件所限,在數據動態變化及規劃預測效率方面依然存在一些不足,有待今后的研究繼續探索。