生态敏感区评价的几个问题

生态敏感区评价的几个问题

随着城市经济的发展和人口的增加，城市化生态环境恶化的加剧，直接影响到城市的健康发展。城市生态敏感区是城市生态服务功能的重要载体,也是城市发展的生态本底,对城市生态敏感区进行评价并据此进行空间划定,是对其进行有力保护的基础,在当前城市化高速发展时期具有重要意义。国内外诸多学者针对生态敏感区展开了一系列的研究和探索。生态敏感区在国外大多被称为环境敏感区(environmentallysensitiveareas),最初出现于英美等较早进入城市化快速发展时期的国家,是针对突出的城市化和环境问题,为消除或减少不当土地利用造成的环境负效应而提出的。VictoriaJ.Haigh对英国环境敏感区计划的建立、范围及评价内容进行了介绍,包括该计划对景观质量影响的评价和对景观管理提出的建议;R.K.Turner和J.Brooke针对英国诺福克郡Broadland湿地环境敏感区,根据其唯一性和不可替代性,采用机会成本估计法间接地评价其价值量;C.Kosmas等对地中海的沙漠化地区的环境敏感区进行了评价分析,发现沙漠化地区环境敏感区的类型不同,其粮食生产、植物生长、畜牧能力和土壤腐蚀比率差异也很明显;IanHodge和SandraMcNally从环境政策制定与实施的角度,探讨了政策导向下的环境敏感区评估方法,认为需要建立一个更为现实的与政策发展紧密结合的评价体系;我国学者汪军英等对上海市航头镇生态敏感区的类型进行了划分,并针对不同类型提出了保护与利用措施;王利平等从气候条件、地下水位变化、土壤水分变化、天然牧草及农作物的营养成分及生长状况对赤峰市生态敏感区的生态环境进行了评价房庆方等在珠三角经济区城市群规划中将生态敏感区作为城市群规划四种用地发展模式之一;徐福留等以青岛市城阳区为例,对主要的生态敏感因子和生态敏感区进行了识别与评价;杨志峰等应用生态因子评分方法和GIS技术对广州市城市生态系统进行敏感性区划;汪敏等根据景观生态规划的原则,通过对自然、经济和社会条件的分析,绘制了扬州市域范围内的生态敏感地区分布图。目前,生态敏感区相关研究或是专注于特定环境下的生态敏感区影响因素分析,或是局限于对区域生态敏感性的评价,未注重生态敏感区评价的广泛性和系统性;笔者提出以生态敏感性为基础,结合价值度和空间协调度,全面把握生态敏感区主体与客体的关系,对生态敏感区进行综合评价的思路和方法,期望拓展城市生态敏感区评价的路径。1城市生态敏感区评价与控制线的关系研究生态敏感区是整个城市区域具有生态环境意义的生态要素或实体,抗外界干扰能力和自我恢复能力较差,且对城市生态环境产生重要影响,需要加以控制或保护的区域。笔者认为城市生态敏感区的评价应从城市生态要素的自身禀赋和外部关系两个方面入手:一方面,在对城市生态敏感区的评价中把握主体(生态本体)与客体(外部环境)的关系,认为“生态敏感区”之所以敏感是因为受到外部影响因素的干扰,因此要考虑到生态敏感区“被敏感”的关键要素,弄清“生态敏感性”是由什么引起的以及是如何“被敏感”的,从而找到问题的关键,对城市生态敏感区进行针对性的控制;另一方面,要明确对城市生态敏感区评价的目的,即是为生态敏感区的具体控制范围提供理论依据,因此,生态敏感区评价与生态敏感区控制线划分紧密相连,后者是前者的目的和成果。基于对城市生态“敏感性”内涵的理解,本研究对城市生态敏感区评价构建的逻辑框架见图1。如图1所示,生态敏感区的自身禀赋属性包括价值度和稳定度2个方面;外部关联属性包括其恢复度和空间协调度2个方面,这4个方面构成了城市生态敏感区评价及其控制线划分的依据;其中稳定度和恢复度结合对生态环境的敏感程度进行表征,可将两者统称为生态敏感度,即一般意义上“生态敏感性”的概念。生态敏感度是生态敏感区评价的基础。2评价方法和评价模型的建立生态环境问题的形成和发展往往是多因子综合作用的结果。生态环境问题的出现或发生概率常取决于影响生态环境问题形成的各个因子的强度、分布状况和多个因子的组合。因此,在生态敏感区评价时,可采用多因子的综合方法。一般采用综合指标法,综合指标的计算方法主要有3种:直接叠加法、因子加权平均法、生态因子组合法。3种方法各有优点和适用条件,应根据研究需要进行选择:①直接叠加法直接明了,但要求各生态因子对土地的特定利用方式的影响程度基本相近且彼此独立;②因子加权求和法则适用于各生态因子对土地的特定利用方式的影响程度相差较明显的状况;③生态因子组合法则是将各个因子归类组合分析生态敏感性。笔者将生态因子组合法及多因子加权求和法相结合,建立生态敏感区评价体系,通过多因子加权求和法对城市范围内生态敏感区的敏感程度进行分级;通过生态因子组合法进行生态敏感区综合评价,并在空间上确定各不同等级生态敏感区的分布格局。生态敏感区评价具体计算模型公式如下:S为生态敏感综合评价值,Ki为第i个评价因子的权重,Xi为第i个评价因子的描述性等级的数量化值,n为评价因素的个数(n=l,2,3...)。借助ArcGIS软件,矢量化相关图层,获取评价单元及其属性数据,并进行空间数据管理及分析。在计算机软、硬件支持下将各生态因子的斑块分别赋予相应的等级指数,制作单因子评价图。同时,将各单因子评价结果进行叠加分析,根据最终的综合指数划分级别,实现评价结果的输出。生态敏感区GIS分析的技术路径如图2所示。3.1生态敏感度的概念影响生态敏感度的因子很多,如海拔、植被、土壤、地质等,不同区域影响因子不同,作用于不同生态过程的生态因子亦不同。生态敏感度是反映生态系统在承受各种外界压力与变化时,保持自身相对稳定的自我维持和自我调节能力,是人类生存与活动的基础条件之一。具体来讲,生态系统的敏感度为人类的生存与发展奠定了基础,系统的敏感度低,表明人类的活动余地就越大,可选择的机会就越多,可承受的人为或自然的灾害就高。为了更好地对指标进行筛选,首先应明确生态敏感性的内涵。生态敏感度应包括两层含义,一是生态系统的稳定度,二是生态系统的恢复度。稳定度是指系统自身的稳固程度,反映其刚性特征;恢复度是指系统收到外界干扰时,在系统失稳前,能够变化的范围,反映其弹性特征。就好比分别用橡胶和木材做成的板,当板受到外界力压迫时,橡胶板很容易发生形变,而且形变会比较大,但是一旦外界力消失,橡胶板马上恢复原来状态;而木板在受到外界一定压力时,其形变很小,但是当压力达到一定程度,木板将会破碎,并且在相同压力值状态下,橡胶板虽然形变比较大,但不至于破碎,当外界压力取消或变弱,则可以很快恢复。说明橡胶板的恢复度比木板大,而稳定度则不及木板。与之类似,生态系统稳定度反映的是生态系统的“质”,而生态系统恢复度反映的是生态系统的“量”。3.1.1生态敏感性指标对生态系统稳定度指标的选取应考虑反映其生态系统自身的刚性指标。生态系统的稳定度越高,其生态敏感度越低。笔者采取5级评价标准,地形、用地、气候、土壤类型、地质灾害的具体评价内容见表1-表5。3.1.2各地理区域的网络联系度及网络环通度对生态系统恢复度指标的选取考虑了生态系统自身的弹性指标。生态系统的恢复度越高,其生态敏感度越低。笔者采取5级评价标准,具体评价内容如表6-表8。采用Simpson指数公式法,用概率统计的数学方法测度用地类型的丰富程度。Pi为第i种斑块类型所占的比例,即Pi=Si/S。Si为i种斑块类型地块的面积,S为所有斑块类型地块的总面积。D值越大,物种丰度越高。网络联系度的计算公式如下:A网络联通度公式:网络联通度是指网络中所有节点被连接的程度,其中,L为实际存在的通道数,V为结点数。γ指数的变化范围为0-1,、γ=0时,表示没有结点相连;γ=1时,表示每个结点都彼此相连。联通度越大,多样性越高。B网络环通度公式:网络环通度指数是指网络中实际存在的环路数量和最大可能存在的环路数量之比。L为实际存在的通道数,V为结点数。α指数的变化范围为0-1,α=0时,表示没有环路;α=1时,表示具有最大可能的环路数。环通度越大,多样性越高。(2)土壤侵蚀因素对研究的回归分析土壤脆弱度是指在自然状况下发生土壤侵蚀或破坏的可能性的大小。土壤脆弱度评价是根据区域土壤侵蚀的形成机制,评价土壤受外界影响而消失或变质的敏感性程度及其区域分布规律。对土壤脆弱度的评价分别从自然因素和人工因素两方面进行考量(表7)。对采掘场影响的测度,根据主要采掘点分布情况,将主要采掘点落实到空间上。设定其最大作用范围为2km,以NaturalBreak法1进行分级赋值。(3)生物多样性服务功能生境敏感性因素评价表见表8。濒危物种被喻为环境的指示剂,对各种环境影响表现最为敏感。濒危物种指数反映濒危物种的生存状态,由于生境的类型和土地利用相关,一般而言,生态系统生物多样性服务功能高的地域都能为濒危物种提供良好生境,因此可通过生物多样性服务功能2大小予以间接表征,生物多样性服务功能越大,表明其濒危物种的生境敏感性越高。生物多样性服务功能大小计算可根据土地类型和谢高地等人制定的生物多样性服务当量,计算出林地、耕地、湿地等不同用地类型的生物多样性平均服务价值,单位为万元。计算式如下:S=Σl×n/m。式中,1为各土地利用类型面积,n为生物多样性服务当量,m为各土地利用类型总面积。3.2生态系统服务功能价值评价科学、全面地对城市生态敏感区生态价值度的评价可以与经济、社会信息一起,为生态敏感区的保护和开发提供可靠的依据,确保生态敏感区的持续利用。因此,价值度评价是生态敏感区评价的重要方面,并直接影响生态控制线的划分。所谓价值度即是生态服务功能的价值。生态系统服务功能指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用,它不仅提供给人类食品、医药等生产生活原料,还创造与维持了地球生命支持系统,并满足人类的精神生活需求,是人类生存与发展的基础。关于生态系统服务功能价值的评价,美国生态学家Costanza等人的研究影响深远,Costanza将全球生态系统划分为:海洋、森林、草原、湿地、城镇等16大类,将生态系统服务功能划分为气候调节、水分调节、养分循环、生物控制、食物生产、娱乐及文化价值等17种类型,综合应用多种评估技术方法对每种生物群落单位面积提供的生态系统服务价值进行估算,然后乘以该生物群落在地球上的总面积,相加后得到地球上所有生态系统服务价值总和。这一研究成果为后续研究提供了重要的理论参考和研究空间。之后我国诸多学者采用或改进Costanza的方法,对我国一些地区的生态系统服务功能价值进行评价。对生态敏感区价值度评价的具体计算模型公式如下:ESA是生态敏感区总价值度(元),Ki为单位面积上土地利用类型i的生态系统服务功能价值(元/hm2),Xi为研究区内土地利用类型i的面积(hm2),n为评价因素的个数(n=1,2,3...)。根据评价结果,设定价值度的等级,在空间上确定各个生态敏感价值度等级的分布格局。参考国内外相关研究,本研究拟对生态敏感区价值度的评价从生态价值度、景观价值度、经济价值度、社会价值度四个维度进行,确定城市生态系统服务功能的类型及内容,并确定不同陆地生态系统单位面积生态服务价值体系,具体内容见表9。3.3基于景观格局异质性视角的土地利用空间格局对生态敏感区空间协调度的评价将空间要素作为敏感区评价的主要方面,是对生态敏感区评价体系的重要补充。其目的是揭示生态敏感区与外围环境之间的关系,可以为生态敏感区控制线空间范围的划定提供直接的理论依据。空间协调度是指空间要素与周围环境的协调程度,包括自然环境和人工环境。对空间协调度的测度是基于生态学中的重要理论——景观格局理论。景观格局是景观空间异质性的具体表现,同时也是各种生态过程在不同尺度上作用的结果。空间协调度的评价是基于土地利用或土地覆盖图的景观格局指数;其中景观格局协调度指数是对景观格局稳定性的表达,当景观格局达到稳定态时,其内部的信息流、能量流与物质流达到最佳状态,物种多样性最高,生态敏感性也达到最大值。景观格局协调度指数的计算以遥感影像或土地利用现状图为基础数据源,确定土地利用分类后再利用专业软件对其进行计算。依据ArcInfo数据转换工具,根据“地类”字段对原土地利用类型进行归并,形成7种景观类型:耕地、园地、林地、草地、建设用地、水域和未利用地。景观格局是景观空间异质性的具体表现,同时也是各种生态过程在不同尺度上作用的结果。景观格局协调度指数是对景观格局稳定性的表达,景观空间格局协调度是影响景观格局稳定性的关键因素。当景观格局达到稳定态时,其内部的信息流、能量流与物质流达到最佳状态,物种多样性最高,生态敏感性也达到最大值。笔者选择能反映景观格局稳定性的相关指标,作为景观格局协调度指数的组成因子。3.3.1景观结构的影响指景观类型中不同元素或斑块个体分布的分离程度。它在一定程度上反映了人类活动强度对景观结构的影响。分离度越大,表明景观类型在地域上越分散,其稳定性越差。景观类型i的分离度表达公式为:Fi=Di/Si式中,Di为景观类型i的距离指数:Ni是类型i的斑块总数,A为景观的总面积,Si是类型i的面积指数:Ai表示景观类型i的总面积。3.3.2空间斑块的几何形状周长面积比分维数反映了景观形状的复杂程度和景观的空间稳定程度。分维数一般处于1-2之间,取其倒数使其值小于1,分维数的倒数值愈趋于1,斑块的几何形状愈复杂,自然度越强,表明受干扰程度愈小。式中,P为空间斑块周长总合,A为面积总合。D值的理论范围为1.0-2.0,1.0代表形状最简单的正方形斑块,2.0表示等面积下周边最复杂的斑块。3.3.3景观格局协调度指数景观破碎度是某景观类型在特定时间里和特定性质上的破碎化程度,在一定程度上也反映了人类对景观的干扰程度。景观破碎度可用单位面积斑块数来表示,若景观内斑块数目增多,则斑块形状更趋复杂化和不规则化,空间形态更具多样化。景观破碎度的表达公式为:式中,ENi为景观中所有景观类型斑块的总个数,A为景观总面积。将土地利用分类变化后生成的7个景观在ArcInfo中转化为Grid格式,栅格像元大小根据分析对象尺度确定,然后利用Fragstats3.13软件计算分离度(DIVISION)、分维数(PAFRAC)、景观破碎度(PD)3个景观类型水平的景观格局指数。景观格局协调度指数与景观类型自然演替的状态和所处的环境有关。景观格局协调度指数是分离度、分维数倒数、景观破碎度三者平均值计算得到。4案例研究—案例研究——常州市宋剑湖地区生态敏感性评价4.1江苏省污水处理环境自然和生态服务利用重点宋剑湖地处常州市东郊,遥观镇东部,距常州市中心10km,距武进区中心6km,其北侧临近戚墅堰区,西南侧紧邻遥观镇行政中心和商业中心,水域面积达133余hm2,是常州市东部独特的自然湿地资源(图3)。对常州市区东部具有重要的生态服务和环境调节功能。随着常州经济的快速发展,城市化进程的加快,宋剑湖湿地面临着前所未有的压力。近几年,一些主要的工业企业在宋剑湖湿地周边聚集(图4),对宋剑湖地区的大气、土壤、水质、生物多样性等环境因素带来严重影响。由图4可见,常州郊区用地扩张迅速,尤其是工业用地增长较快,对宋剑湖湿地形成压迫之势,湖面面积从2001-2008年逐渐缩小,生态坏境的破环较严重。4.2评价技术流程根据前文的生态敏感区评价理论与方法,结合宋剑湖地区实际情况,对所需的各个指标要素来源、图纸生成以及要素处理的技术方法进行梳理,构建出具体的评价技术流程(图5)。4.3指标评价首先对宋剑湖地区卫星遥感图(2009年)进行解读,并结合地形勘测图,处理后如图6所示。对宋剑湖生态敏感区敏感度各项指标的分析采用等级分法:分为不敏感、轻度敏感、一般敏感、高度敏感、极度敏感五个等级,并对其赋予分值,不敏感为1分、轻度敏感为3分、一般敏感为5分、高度敏感7分、极度敏感为9分。考虑研究对象的发展动态、地质条件、地貌类型、气候特征等方面,采用专家打分法确定各敏感因子的指标权重如表10所示。对宋剑湖地区生态敏感度进行多因子叠加综合分析,评价结果如图7所示。对生态敏感区价值度各项指标的分析同样采用等级分法:分为低价值度、中低价值度、中等价值度、中高价值度、高价值度5个等级,并对其赋予分值,低价值度1分,中低价值度3分、中等价值度5分、中高价值度7分、高价值度9分。利用GIS技术,对常州市宋剑湖地区价值度进行评价,评价内容见表9,评价结果如图8所示。利用FRAGSTATSv3.3景观分析软件,对试点地区的景观格局协调度各项指标进行测算。首先在GIS中将用地矢量图转成栅格文件,栅格大小10×10m,然后将栅格文件导入FRAGSTATSv3.3景观分析软件中,统计各类斑块数量、面积和周长,以及各景观组分的总面积和周长,计算分离度、破碎度、斑块分维数等多种景观格局指数,对宋剑湖地区景观格局进行系统分析。结果如表11-14所示。将表14的