2019年《关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》的发布标志着我国国土空间规划体系的初步形成^[1]。然而, 目前大部分土地利用规划方案注重经济发展, 忽视生态建设, 现有土地利用规划也存在较多盲目性问题, 难以实现可持续发展^[2]。2020年实施的《市级国土空间总体规划编制指南(试行)》强调, 在规划过程中要保证生态功能的系统性和完整性, 城镇开发边界要避让重要生态功能区^[3]。国土空间规划与生态文明建设的联系逐渐紧密, 因此, 基于生态环境状态进行合理的国土空间规划, 以提升环境承载力, 对人与自然和谐发展的目标具有重要的现实意义^[4]

评估生态环境状态应当从生态系统服务和生态敏感性两个角度全面考虑^[5]。生态系统服务是指人类直接或间接地从生态系统中所获得的惠益^[6]。生态系统服务评估有多种方法, 功能量的评估主要基于人类活动过程和生态系统的动态性^[7], 综合考虑植被^[8]、地形^[9]等自然因素及人口^[10]、GDP^[11]等人为因素, 能够全面地反映生态系统服务功能^[12]；生态敏感性是指生态系统对区域内自然和人类活动干扰的敏感程度^[13], 通过对敏感机制的分析与评价反映影响生态系统服务的主要因素。因此, 生态系统服务与生态敏感性的定量计算为国土空间规划提供了具有客观性的依据^[14]。

国土空间规划是统筹国土空间开发、利用与保护资源优化配置的方案^[15]。杨帆^[16]通过分级评价生态系统服务功能及生态敏感性, 为兰州市国土空间规划指标体系的确定提出合理依据。熊善高等^[17]依据生态系统服务功能重要性区域与生态环境敏感性区域的空间叠加结果, 划定南宁市生态空间分布。申佳可等^[18]提出的景观生态网络规划体系准确地筛选出区域内生态系统供给与需求不匹配的具体位置, 进一步阐述了生态系统服务在国土空间规划中的指导意义。目前我国的空间规划方案多倾向于城乡基础设施建设或沿海经济发达地区的战略布局^[19], 主要涉及到城市^[20]、水体^[21]及农田^[22]等生态系统。规划方案多以行政区域为单位^[23], 针对内陆山地区域及森林生态系统的关注仍然较少^[24], 因此本文通过分析不同时空条件下的生态系统服务, 以便于进行生态指标在资源配置过程中体系构建的研究。

南方丘陵地区占我国国土面积的13%, 处于珠江和长江两大流域之内, 分布有湘江、乌江、洞庭湖、鄱阳湖等水体^[25], 主要包含国家主体生态功能区划“两屏三带”中的南方丘陵山地带, 是国家生态安全格局的重要组成部分^[26]。本文的研究以南方丘陵地区为研究区域, 对生态系统服务与生态敏感性进行量化评估并进行叠加分析, 最终划定生态功能区。本研究对于实现各种资源的合理利用以及可持续发展具有重要的现实意义, 同时也为南方丘陵地区国土空间规划提供理论依据。

1 研究区域概况

南方丘陵地区位于秦岭-淮河以南、青藏高原以东的山地和丘陵分布区(图 1), 涉及南方多个省, 地理位置在东经103°45′—120°13′E, 北纬24°25′—35°38′N之间^[27]。全区总面积约为1209808.33 km², 整体地势具有明显的空间差异, 西部高东部低, 西部以高原为主, 拥有中国四大高原之一的云贵高原；东部地区则以丘陵为主, 占比超过区域总面积的47%。区域内森林资源丰富, 常绿阔叶林最多, 占研究区域总面积的45%以上, 常绿针叶林其次。南方丘陵地区气候温暖、水热资源条件好, 属于亚热带季风气候, 温度在14—22℃之间, 降水量在1000—1400 mm之间。

2 研究方法 2.1 数据来源与处理

本研究选取中国科学院遥感与数字地球研究所1995年、2000年、2005年、2010年和2015年五期30 m精度的Landsat TM/ETM/OLI遥感影像为基础影像数据。依据中科院土地覆被分类系统及实际研究需要, 运用ENVI软件对图像进行校正、配准、波段选择与融合等相关处理, 将南方丘陵地区生态系统分为：常绿针叶林、常绿阔叶林、落叶阔叶林、灌丛、草地、湿地、耕地、城镇和建设用地、裸地和水体10种生态系统类型, 精确率达到85%以上。1995—2015年南方丘陵地区的气象数据(包括降雨量、气温、蒸散发等)来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/), 1∶100万土壤质地数据来源于中国科学院南京土壤研究所的中国土壤数据库(http://vdb3.soil.csdb.cn/)。行政区矢量数据、高程数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所。社会经济数据来自区域内各省、市1995—2015年的统计年鉴。运用ArcGIS 10.4.1软件, 将空间数据重采样为250 m×250 m的栅格单元, 基于栅格单元进行计算, 以便于分析区域生态系统服务及土地资源利用的时空变化特征, 最后提出国土空间优化建议。

2.2 生态系统服务功能量评估

根据《2018年中国水土保持公报》、《2019年中国国土绿化状况公报》等文件, 得出研究区主导的生态系统服务功能为水源涵养、土壤保持和固碳服务^[28]。水源涵养功能量评估采用区域水量平衡法^[29], 土壤保持功能量评估采用InVEST模型中修正通用的水土流失方程模块^[30], 固碳服务采用CASA^[31] (Carnegie-Ames-Stanford Approach) 模型对净初级生产力(NPP)进行量化评估, 具体计算公式如表 1所示。

2.3 生态系统服务功能重要性评价

以2015年的生态系统服务功能量为基础, 计算生态系统服务功能重要性指数^[32], 公式如下：

(10)

(11)

式中, WS_n代表生态系统服务类型n的功能重要性指数, ES_{n, j}代表在栅格j内生态系统服务类型n的功能量。WSI为综合生态系统服务功能重要性指数。

依据2016年12月, 中共中央办公厅、国务院办公厅联合印发《省级空间规划试点方案》并结合研究区域现状, 分别选取生态系统服务功能重要性指数为0.4、0.6和0.8对应的栅格值作为分界点, 将研究区的生态系统服务功能重要性分为4个等级：不重要、一般重要、重要、极重要。

2.4 生态系统服务影响因素分析

本研究参考其他学者已有研究并结合数据的可获取性, 选取降水、温度、植被覆盖度3种自然因素及人口密度、GDP 2种社会经济因素进行多元线性回归统计^[33], 分析不同影响因素对生态系统服务功能的作用效应, 公式如下。

(12)

式中, E_ni为单位面积生态系统类型i提供的服务n的功能量, K为偏回归系数, X_pr为年降水量(mm), X_tem为月平均温度(℃), X_L为植被覆盖度(0—1), X_GDP为GDP(元), X_pop为人口密度(人/km²)。

2.5 生态敏感性评价

本研究选取生态系统服务的主要影响因素(温度、降水、植被覆盖度、GDP和人口密度)及地形因素(坡度)为生态系统敏感性评估指标, 运用SPSS 26软件进行主成分分析以确定各指标的影响权重, 并计算生态敏感性指数^[34], 公式如下：

(13)

式中, SS为评价指标敏感性指数, W_i为i指标权重, C_i为i指标敏感性等级赋值, i为生态敏感性评估指标。依据ArcGIS软件中自然间断点分级法将单因素敏感性划分为5个等级(表 2)并结合权重计算出研究区域总生态敏感度。

2.6 生态用地规划标准

本研究利用ArcGIS 10.4.1软件对2015年生态系统服务功能重要性与生态敏感性结果进行空间叠加分析, 结合《资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价指南(试行)》等文件, 将南方丘陵生态用地划分为重点保护区、服务供给区、适度开发区和城镇建设区4个生态功能区^[35], 具体规划标准如表 3所示。

3 结果与分析 3.1 土地利用动态变化分析

南方丘陵地区1995—2015年间土地利用变化如表 4所示, 区域内常绿阔叶林的面积逐年增加, 从574590.34 km²增加到601368.83 km², 主要由常绿针叶林、灌丛转化而来。常绿针叶林面积逐渐减少, 从252376.25 km²减少到210545.00 km², 主要转化为常绿阔叶林和农田, 分别发生在研究区域的东部和西部。如图 2所示, 研究时间段内, 农田面积所占比例均保持在区域总面积的20%以上并持续升高, 主要由森林生态系统及草地生态系统转入, 同时转出为城镇和建设用地, 主要发生在研究区西部重庆市周边和研究区东北部大城市周边。城镇和建设用地在1995—2015年迅速扩张, 其面积从3697.29 km²增加到11664.92 km², 广泛分布于研究区域内。同1995年相比, 2015年南方丘陵山地屏障带的自然生态系统总面积略有减小, 农田、城镇和建设用地总面积明显增加, 这与近年来我国城市化进程加快, 大面积破坏生态系统进行经济建设密切相关。

3.2 南方丘陵地区生态系统服务评估 3.2.1 生态系统服务功能量评估

如表 5所示, 1995—2015年, 南方丘陵地区生态系统服务功能量呈先下降后上升的趋势, 各生态系统服务总量由1995年迅速降低至2000年, 2005年后再缓慢回升。历年间各生态系统类型提供功能量的比例结构不变, 从高到低依次为：常绿阔叶林、常绿针叶林、灌丛、落叶阔叶林、草地和湿地。20年间常绿林阔叶林提供的水源涵养功能量占总区域的70%以上, 土壤保持功能量占比约为68%, 固碳服务功能量占比约为65%。草地和湿地两者对水源涵养功能的贡献率之和约为0.5%, 对土壤保持服务的贡献率之和约为1%, 对固碳服务的贡献率之和不足2%, 主要原因是两者在区域内的面积占比过低。

3.2.2 生态系统服务功能重要性评价

南方丘陵地区生态系统服务功能重要性如图 3所示, 水源涵养功能的极重要、重要、一般重要区域均为研究区总面积的30%左右, 不重要类型约占1%, 可忽略不计, 极重要区域分布于东部、南部的森林生态系统分布区, 同时沿海城市较多使年降水量偏高, 导致水源涵养功能较强。中部以重要类型为主, 西北部以一般重要类型为主。土壤保持功能则以不重要类型为主, 占研究区域总面积的84.21%, 一般重要性区域与重要区域分别占据11.44%和4.02%, 而极重要区域不足1%, 这主要由于区域内山地、丘陵众多, 地形地貌不利于土壤理化性质的保持。固碳服务功能以重要类型为主, 占总面积的73.17%, 极重要类型占比15.23%, 主要分布在南部广东省等气候温和的地域, 一般重要类型占比10.62%, 主要位于农田及城镇分布区域。研究区内综合生态系统服务极重要、重要、一般重要、不重要区域分别占比41.22%、52.58%、5.99%、0.21%, 总体来看南方丘陵地区生态系统服务功能处于较高水平。

3.2.3 生态系统服务功能影响因素分析

如表 6所示, 各生态系统服务功能总量与降水、温度、植被覆盖度呈正相关关系, 年降水量对各生态系统类型的服务功能量影响系数均在0.2左右, 温度、植被覆盖度对森林生态系统的影响系数较高分别约为0.3、0.4, 对灌丛、草地、湿地的影响系数分别为0.2、0.3。社会经济因素与生态系统服务量呈负相关, 大部分影响系数约为0.1。其中, 灌丛的生态系统服务受GDP和人口密度的影响作用最小, 影响系数分别为0.06与0.08。常绿针叶林生态系统和湿地生态系统受人口密度的影响作用较大, 影响系数分别为0.19、0.17。植被覆盖度与人口密度是影响生态系统服务的主要因素, 相较于其它生态系统类型, 森林生态系统服务受自然及社会经济因素的作用较明显。

3.3 生态敏感性分析 3.3.1 单因子生态敏感性评价

南方丘陵地区的生态敏感性评价结果如图 4显示, 坡度的生态敏感性处于中低水平, 研究区域内一般敏感区和轻度敏感区面积之和占比66.88%。随着全球变暖的影响, 温度越高生态系统敏感性越高, 中度敏感与重度敏感区面积之和约占60%, 分布在中部及西北部, 极度敏感区占比15.34%, 集中于南部经济发达的省市。降水的敏感性由东南到西北逐渐提升, 每个敏感区的面积约占比20%。植被覆盖度以一般敏感性为主, 占比72.57%, 轻度敏感区占比21.28%。大面积森林生态系统分布区域内GDP和人口密度指标的敏感程度为一般敏感, 占比分别超过60%与40%, 极度敏感区占比分别为6.94%、10.70%, 主要以农田及城镇建设区域为主。

3.3.2 综合生态敏感性评价

南方丘陵地区生态敏感度以中度敏感为主, 占比65.33%, 在研究区域内广泛分布。一般敏感与极度敏感区占比较低, 这使得南方丘陵地区生态敏感性的空间差异较小, 有利于进一步的国土空间规划。轻度敏感区占22.42%, 主要分布于中南部及东北部。重度敏感区占11.77%, 该区域大部分位于重庆市及湖南省境内, 由于城市化进程加快, 对生态系统造成破坏使敏感度升高。总体来看, 坡度、植被覆盖度等自然因素综合影响区域生态系统敏感性, 社会经济因素敏感性的空间分布与人类活动较强的区域吻合度较高, 并明显体现在综合生态系统敏感性的空间分布。

3.4 南方丘陵地区国土空间优化结果

本文将南方丘陵地区的国土空间优化方案与行政规划图进行空间叠加, 具体结果如图 5所示。重点保护区占研究区总面积的33.89%, 多为森林生态系统分布但敏感度较高的区域, 主要分布在广东省、广西壮族自治区以及研究区东部的长三角地区。服务供给区的主要生态系统类型为常绿阔叶林, 其生态系统服务重要性较高但敏感度较低, 适宜为南方丘陵地区提供适当的生态系统服务, 占研究区域总面积的52.85%, 广泛分布于湖南省、贵州省及湖北省。适度开发区多为农田生态系统, 位于贵州省南部以及四川省边缘地带, 该区域生态系统服务功能重要性及敏感性都处于较低水平, 占研究区总面积的9.67%。城镇建设区的生态系统服务功能重要性及生态敏感性都处于极低水平, 主要分布于贵州省北部, 四川省及重庆境内, 同时该区域的人口密度及GDP生态敏感性较高, 是目前大部分城镇聚集地, 占研究区域总面积的5.84%。

目前南方丘陵地区已规划6个重点生态功能区, 南岭山地森林及生物多样性生态功能区以及川滇森林及生物多样性生态功能区的生态系统服务能力较高, 两个重点生态功能区内主要划分为重点保护区及服务供给区。其余生态功能区内均存在大面积的适度开发区与城镇建设区, 主要分布在重庆市、湖北省等经济发达地区以及贵州省典型的喀斯特地貌区域, 说明该重点生态功能区内已收到不同程度的人类活动干扰。

4 讨论与结论 4.1 讨论

南方丘陵地区拥有丰富的森林资源, 具有物产资源提供、提高区域生态环境质量、发展经济和保护生态安全的重要功能。近年来城市化进程加快导致生态系统逐渐敏感, 本研究采用分级评价的方法评估了生态系统服务功能与生态敏感性, 并结合两者优化国土空间分布。研究结果表明, 在1995—2000年间, 人口向城市区域集中导致自然生态系统向建筑用地转化, 从而使生态系统服务水平降低。在2000—2015年间, 南方长江中游地区通过实施植树造林工程以及退耕还林工程使生态系统服务功能逐渐恢复。森林生态系统在生态系统服务过程中贡献最大, 主要原因如下：(1) 森林生态系统具有宽阔的林冠层, 可对降水进行拦截和再分配, 有效地降低降水对植被和土壤的冲击。(2) 森林生态系统根系群较为庞大可以有效固定土壤同时稳定土壤的理化性质。(3) 森林生态系统内部结构复杂, 生物多样性高, 循环代谢过程加快从而提高固碳服务能力^[36]。

南方丘陵地区生态系统服务功能主要受自然因素与社会经济因素的共同作用, 空间分布上呈显著的差异, 自东南至西北逐渐降低, 与生态系统敏感度的空间分布趋势相同。从自然因素角度来说, 南方丘陵地区内降水、温度等环境因子是影响生态系统服务的重要指标, 江西省、浙江省、福建省属长江流域, 有钱塘江、渠江等大量河流以及洞庭湖分布, 同时部分城市隶属于长三角地区^[37]。该区域地势平坦, 降水丰沛, 具有良好的水源涵养功能。然而, 研究区西北部四川省、重庆市降水量明显减少, 地势较高, 分布大面积的山地、丘陵, 使森林生态系统的生命力减弱。贵州省西部为研究区域内海拔最高的部分, 再加上大面积分布的喀斯特地貌, 使该区域的生态系统服务功能明显偏低。从社会经济因素的角度来说, 人类活动对生态系统的破坏与修复都会很大程度地影响生态系统服务功能。一方面, 随着人口密度增加农田生态系统迅速扩张, 导致森林大面积减少。同时城镇及工厂的建设对区域自然环境条件也具有很大程度的破坏, 间接影响生态系统服务^[38]。另一方面, 人类活动可以通过宏观的政策调控和相关法律法规的约束来影响生态系统类型的变化。近年来, 国家实施了一系列的生态系统工程, 在生态恢复方面取得了良好的成效^[39]。

基于研究结果, 对南方丘陵地区的国土空间规划提出如下建议：(1) 针对重点保护区, 该区域生态系统服务能力与敏感性都处于高水平。生态系统一旦受到干扰, 将会很难进行自我恢复, 造成不可逆转的破坏, 建议制定相关的管理措施进行重点保护^[40]。(2) 针对服务供给区, 该区域生态系统服务能力很强, 但是敏感性较低, 在适当范围内具有一定的自我恢复能力, 建议规划为南方丘陵地区生态系统服务的重要供给区。(3) 针对适度开发区, 该区域多为农田, 生态系统服务功能较低, 建议以集约优化现有土地为主, 提高土地利用效率。(4) 针对城镇建设区, 该区域人口密度最高且生态系统服务功能最低, 适宜城镇建设, 建议继续深化内部功能分区, 科学规划区域内的产业结构, 以减少城市扩张的速度。

国土空间规划不仅仅是土地区域的划分, 同时注重经济目标、社会目标和环境目标以形成综合性的发展战略。本研究开展了3种生态系统调节服务的评估, 支持服务、供给服务、文化服务也是实现生态系统服务综合评估的重要因素。本研究依据生态系统服务能力对国土空间规划提供相应数据支持, 但是对于未来的生态系统服务动态变化与国土空间规划间的关联标准还不明确^[41]。建立相关模型, 通过监测生态系统服务动态变化及时对重点生态功能区划分结果产生反馈, 这一动态评估体系仍需要继续摸索和完善。

4.2 结论

本文基于南方丘陵地区土地利用格局变化, 运用InVEST和CASA模型计算生态系统服务功能量的时空变化特征, 结合南方丘陵地区生态敏感性空间分布, 将研究区内的土地利用划分为四种类型：重点保护区、服务供给区、适度开发区和城镇建设区, 为南方丘陵地区的国土空间优化提供了合理建议。依据研究结果得出如下结论：

(1) 南方丘陵地区的生态系统类型主要由林地转为耕地和城镇建设用地, 生态系统服务功能在1995—2000年间由于城镇扩张而降低, 在2000—2015年间逐渐恢复。

(2) 自然环境条件与社会经济条件是影响生态系统服务的两个主要因素, 生态敏感性与生态系统服务的空间分布具有相同趋势。西南沿海地区的水热条件良好, 其生态系统服务功能明显高于研究区东北部的高海拔地区。

(3) 重点保护区与服务供给区是南方丘陵地区主要的生态系统服务区域, 应建立严格的规章制度以确保其开发程度在合理范围内。适度开发区和城镇建设区多为经济迅速发展的地区, 在开发利用过程中应注意实现生态文明建设与经济建设协同发展的目标。明确的生态空间范围划分是国土空间规划的理论依据。