市域生态保护重要性初步评价与应用研究——以武汉市为例
■ 南锡康/王伊杰/时 晨
（中国自然资源经济研究院，北京 101149）
生态保护重要性评价是资源环境承载力和国土空间适宜性评价（以下简称“双评价”）过程中用以识别重要生态单元的基础评价，其评价结果是明晰区域生态系统作用和功能重要程度的判断依据，是国土空间规划中划定生态保护生态红线和圈定生态空间的重要参考，直接关系到“三区三线”划定的准确度与合理性。
与生态保护红线划定过程相似，生态保护重要性评价通常包括生态系统服务功能重要性评价和生态脆弱性评价两部分，涉及水源涵养、水土保持、生物多样性维护等功能分析，以及水土流失、土地沙化等敏感性分析。与生态保护红线划定过程不同的是，生态保护重要性评价中参数确定和计算结果分级处理过程相对更简洁，评价方法多采用简化模型法，规避了数据要求高、过程复杂的模型法和应用范围有限的净初级生产力定量指标法，评价结果通常划分为生态保护极重要区和重要区两类，在为国土空间规划服务上体现出更强的目的性。自然资源部2020年发布的《资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价指南（试行）》为省、市、县级不同尺度生态保护重要性评价提供了技术路线参考，地市作为中等尺度评价单元，其评价过程和成果应用对省级和县级“双评价”研究具有重要的参考价值。
1.1 研究进展述评
1.1.1 生态系统服务功能评价
生态系统服务功能评价方法主要有模型法和净初级生产力（NPP）定量指标法，两种方法具有不同的应用范围和应用方向，在使用时需依据具体评价需求进行选择。现对两种方法的基本原理、评价指标和应用情况进行梳理。
模型法按学界公认的基础计算逻辑分别推算各项指标实际数值，计算过程复杂，数据需求量大，评价尺度约束性不强，准确度较高，最先为国家发展和改革委员会资源环境承载力评价规程所认可。模型法中，水源涵养功能重要性多采用水量平衡法计算。2015年《生态保护红线划定技术指南》提出，多年平均降水量与蒸散量之差为水源涵养量。2017年更新版指南将地表径流量纳入，即降水量扣除蒸散量和地表径流量为水源涵养量，并给出各类生态系统地表径流系数，在生态保护重要性评价中需按当地植被情况匹配土地利用类型与生态系统类型以确定径流系数；
水土保持功能重要性多采用修正通用水土流失方程计算水土保持量，即潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量之差；
防风固沙功能重要性以固沙量进行测度，即潜在风力侵蚀量与实际风力侵蚀量之差；
生物多样性维护功能重要性则依据关键物种分布信息进行空间量化。已有研究中，模型法即可用于市域重要生态空间识别和保护格局优化[1-2]，又可用于大尺度生态保护红线划定[3]。
NPP定量指标法主要基于植物光能利用情况推断评价单元生态保护必要性，通常以净初级生产力遥感数据为主，参数较少，操作较为简单，但评价尺度约束性强。NPP定量指标法中，各项生态系统功能重要性用服务能力指数表示，水源涵养功能重要性评价参数包括多年NPP平均值，坡度、土壤渗流能力、降水量归一化值；
水土保持功能重要性评价参数包括多年NPP平均值、土壤可蚀性因子和坡度归一化值；
防风固沙功能重要性评价参数包括多年NPP平均值、土壤可蚀性因子、气候侵蚀力、地表粗糙度等；
生物多样性维护功能重要性评价参数包括多年NPP平均值、降水量、气温、海拔归一化值。已有研究中，NPP定量指标法在福建省生态空间相关评价中应用效果良好[4-5]。
与模型法相比，NPP定量指标法的约束性体现在两方面：一是使用范围具有地域性，其评价结果可比较地域范围内部生态重要性程度，与地域范围之外的其他地区可比性较低，通常用于省域、流域范围的大尺度评价；
二是存在一定应用门槛，该方法在植被茂盛、雨热良好的地区评价结果较为准确，在植被覆盖不佳的地区则不适用。其主要缺陷在于评价过程中过度依赖于植被生长情况，具体表现在生物多样性维护功能重要性评价结果不准确。如侯笑云等通过河南省鹤壁市生物多样性维护重要性评价研究发现，在市级尺度上NPP定量指标法与实际情况不符，而模型法与实地调查更为一致[6]。此外，NPP定量指标法在评价生物多样性维护功能重要性时，无法囊括河流、湖泊、水库等水域，而珍稀水生动植物的生境识别是生态保护重要性评价的主要内容之一，因此NPP定量指标法需要后期大量的补充和修正。综上，市域生态系统服务功能重要性评价应优先使用模型法，参考“双评价”指南中提出的简化模型，结合生态保护红线划定技术方法，确定各项评价指标具体计算思路。
1.1.2 生态脆弱性评价
生态脆弱性评价主要识别稳定性不强、抵抗外界干扰能力较差的生态系统。2008年发布的《全国生态脆弱区保护规划纲要》提出我国八个生态脆弱类型，据此刘军会等针对土地沙化、水土流失和石漠化等典型生态问题，在全国划定18个重点生态脆弱区[7]。从内涵上来说，敏感性评价可分为脆弱框架下与非脆弱性框架下两种[8]，在生态保护重要性评价应用中通常将敏感性纳入脆弱性评价中以识别生态脆弱区。整体上，生态脆弱性评价方法较为成熟，计算公式明确，争议较少。
1.2 评价指标与计算方法
1.2.1 生态系统服务功能重要性
1.2.1.1 水源涵养功能重要性
水源涵养是林草生态系统通过植物根系、土壤团粒等对自然降水进行截留、渗透、蓄积的过程，可减小地表径流量并补充地下水，可在一定程度上减小雨季涝灾和旱季旱灾发生概率，同时净化水质。以水源涵养量评估评价单元水源涵养功能重要性，可采用水量平衡方程来计算水源涵养量，计算公式为：
式中：TQ为总水源涵养量（m3），Pi为降雨量（mm），Ri为地表径流量（mm），ETi为蒸散（mm），Ai为i类生态系统面积（km2），i为研究区第i类生态系统类型，j为研究区生态系统类型数。
由于武汉市降雪和冰雹天气少，降雨量因子采用多年平均降水量数据，蒸散发因子采用多年平均蒸散发数据，地表径流因子为多年平均降雨量与地表径流系数的乘积，相关参数参考《生态保护红线划定指南（2017）》，乔木林地、竹林地匹配森林生态系统，灌木林地匹配灌丛生态系统。统筹考虑森林、灌丛、湿地、草地等植被覆盖较高的空间，将累积水源涵养量最高的前50%确定为水源极重要区域。
1.2.1.2 水土保持功能重要性
水土保持是林草生态系统通过其植被层次、植物根系与土壤系统的相互作用，形成水蚀缓冲结构以减轻土壤侵蚀作用的过程。评价单元的水土保持性能与当地气候条件、地形地貌、植被构成和土壤类型有关。通常森林、灌丛等植被覆盖度高的区域，土壤保持功能重要性高。利用30m分辨率DEM高程图提取坡度信息，依据《生态保护红线划定指南》，将坡度不小于25°且植被覆盖度不小于80%的森林、灌丛、草地确定为水土保持极重要区，将坡度不小于15°且植被覆盖度不小于60%的森林、灌丛和草地确定为水土保持重要区。
1.2.1.3 生物多样性维护功能重要性
生物多样性维护功能与珍稀濒危和特有动植物的分布丰富程度密切相关，通常从以下三个层次进行评价：在生态系统层次，将原真性好、完整性高、需要优先保护的生态系统评定为极重要区；
在物种层次，将极危、濒危物种的集中分布区域和极小种群野生动植物的主要分布区域确定为极重要区；
在遗传资源层次，将重要水产种质资源分布区确定为极重要区。
1.2.2 生态脆弱性
1.2.2.1 水土流失敏感性
水力侵蚀为水土流失敏感性评价的主要内容。根据通用水土流失方程基本原理，选取降雨侵蚀力、土壤可蚀性、坡度坡长和地表植被覆盖等指标进行评价，计算公式如下：
式中，A为水土流失敏感指数，R为降雨侵蚀力指标，K为土壤可蚀性因子，LS为地形起伏度因子，C为地表植被覆盖因子。各因子赋值方法见表1[9-10]。
表1 水土流失敏感性因子赋值对照表
水土流失敏感指数综合分值划分为5级：高（＞7.0）、较高（6.01～7.0）、中等（5.01～6.0）、较低（3.01～5.0）、低（1.0～3.0）。
1.2.2.2 其他
此外，生态脆弱性评价还包括土地沙化敏感性评价、土地石漠化敏感性评价。土地沙化敏感性与区域干燥程度、起沙风天数、土壤质地、植被覆盖度等因素相关。依据关于干燥度已有研究成果[11]，武汉市干燥度指数处于0.3～1范围内，起沙风天数趋零，不构成土地沙化敏感性。土地石漠化敏感性评估是为了识别容易产生石漠化的区域，评估石漠化对人类活动的敏感程度，湖北省石漠化敏感地区主要分布在鄂西南，且武汉市碳酸盐岩广泛为厚20～30m的第四系松散堆积层所覆盖，形成覆盖型岩溶，仅局部地点有零星出露[12]，不构成土地石漠化敏感性。
2.1 研究区概况
武汉市属亚热带季风气候，雨量丰沛、热量充足、雨热同季。长江及其最大支流汉水横贯武汉市中央，水域面积占全市市区面积的1/4，中心七城区、江夏区水域面积占各自区域面积的比重分别达到30%左右。武汉市常住人口超千万人，为经济增长提供了重要的人力资源。全市呈现出三级阶地结构，分为剥蚀丘陵区、剥蚀堆积垅岗区、堆积平原区。丘陵平原相间的地形对城镇空间发展影响较大，现状城镇多分布于水土条件相对优越的中部滨水平原地区，规模较大且分布密集，而北部山区及东部岗丘地区城镇数目较少且规模较小。
2.2 数据来源
本研究使用的数据主要包括DEM高程数据、土壤类型数据、多年平均降水量数据、多年平均蒸散发数据、重要物种分布数据、自然保护区空间分布数据等。武汉市DEM数据、植被覆盖数据来源于地理空间数据云网站（https://www.gscloud.cn），空间分辨率30m；
土壤类型数据来自《武汉市土壤志》；
多年平均降水量数据（1971—2000年）和多年平均蒸散发空间数据（1981—2015年）来源于国家科技基础条件平台——国家生态科学数据中心( http://www.nesdc.org.cn），空间分辨率为1km×1km；
《湖北省生态保护红线》来自湖北省人民政府官网（http://www.hubei.gov.cn）；
重要物种分布数据、自然保护区空间分布数据来源于生态环境部门网站（https://www.mee.gov.cn）公布的《湖北省自然保护区名录》《湖北省森林公园名录》《湖北省国家湿地公园名单》等。以上数据经过地理配准、裁剪、投影变换等预处理，统一空间坐标系后导入生态保护重要性评价数据库。
3.1 生态系统服务功能重要性评价结果与分析
3.1.1 水源涵养功能重要性
武汉市水源涵养极重要区面积为891.63km2，重要区面积为857.61km2。其中，黄陂区和江夏区森林、灌丛、湿地生态系统面积较大，水源涵养极重要区集中连片分布；
蔡甸区、新洲区、洪山区也有部分连通性较好的水源涵养极重要区呈规模化分布；
江汉区、江岸区、汉阳区、青山区、武昌区、硚口区水源涵养极重要区面积较少。
3.1.2 水土保持功能重要性
武汉市水土保持极重要区面积为48.11km2，重要区面积为159.75km2。极重要区集中分布于黄陂区，蔡甸区、江夏区、新洲区有少量分布；
一般重要区主要分布在黄陂区、蔡甸区、江夏区，洪山区、武昌区、汉阳区有零星分布。
3.1.3 生物多样性维护功能重要性
武汉市拥有众多喜湿珍稀、濒危野生动植物物种天然集中生存区域，以及常年或者季节性积水地域和具有较强生态调节功能的森林生态系统，对照《湖北省自然保护区名录》《湖北省森林公园名录》《湖北省国家湿地公园名单》，确定武汉市重要生态系统（表2）：6个自然保护区，6个森林公园，6个国家湿地公园。此外，天兴洲四面环长江，由长江泥沙自然冲积而成，是长江河床和航道经过数千年演变、变迁的结果，是珍贵的原生态江岛，因而将其纳入重要生态系统范围。
表2 武汉市重要生态系统梳理
武汉市重要物种和遗传资源较为丰富，有多个国家级重要物种和水产种质资源保护区分布。府河湿地为国家一级保护动物青头潜鸭最南端的繁殖地，国家一级保护动物黑鹳连续7年在天兴洲过冬，涨渡湖为红嘴鸥越冬区；
其他如梁子湖武昌鱼国家级水产种质资源保护区、武湖黄颡鱼国家级水产种质资源保护区、鲁湖鳜鲌类国家级水产种质资源保护区等[13-15]。将以上保护区归为生物多样性维护功能重要区，划为生态极重要区。
3.2 生态脆弱性评价结果与分析
生态脆弱性评价主要包括水土流失敏感性、土地沙化敏感性、石漠化敏感性、盐渍化敏感性评估，武汉市生态脆弱性主要体现在水土流失敏感性方面。
经评价，武汉市水土流失敏感性指数最大值为6.29，最小值为2.14，平均值为4.11。结合武汉市水土流失敏感性实际情况，将敏感性指数6.01～7.0划为极敏感区，敏感性指数5.01～6.0划为敏感区，作为生态脆弱性分级结果。极敏感区主要分布在北部黄陂区地表起伏度较大的山地，面积为66.84km2；
敏感区主要分布在黄陂区、新洲区、江夏区，面积为1007.92km2。
3.3 生态保护重要性评价结果与分析
3.3.1 生态保护极重要区识别
生态保护极重要区包括生态系统服务功能极重要区、生态极脆弱区和其他极重要生态用地三部分。在识别生态系统服务功能极重要区、生态极脆弱区的基础上，需结合其他生态保护需求对结果进行补充和修正。对照《湖北省生态保护红线》《武汉市山体保护办法》《武汉市湖泊保护条例》等生态保护相关成果进行空间比照，识别其他极重要生态用地空间范围。整合三类图斑形成武汉市生态保护极重要区，主要包括黄陂区、新洲区的山地，江夏区、蔡甸区的水域，以及横贯市中央的长江水面，面积共约1705km2，另外识别生态保护重要区面积约1901km2。武汉市生态保护极重要区、重要区在各行政区面积分布情况见表3。
表3 武汉市生态保护重要性评价结果汇总表
3.3.2 生态保护与城乡建设和农业生产的空间冲突
在空间上，生态保护功能通常与城镇建设、农业生产功能存在一定冲突，合理权衡三者之间的关系成为新时代国土空间利用的关注点之一。在一般生态区，农用地利用强度和建设开发规模面临条件约束，其土地利用须进行必要性分析。但在生态保护极重要区内，城乡建设和农业生产避让重要生态区位已成为共识。通过生态保护重要性评价结果分析，识别生态保护极重要区内开发利用地类空间分布与数量，可为生态保护修复和全域土地综合整治工程项目选址提供基础信息。武汉市生态保护极重要区内开发利用地类主要是建设用地、耕地和园地（表4），总面积为2.59km2，包括黄陂区、新洲区1.04km2建设用地和0.23km2零星耕地，黄陂区、江夏区、汉南区1.32km2园地，其中建设用地类别主要为公路用地、农村道路、农村宅基地。
表4 生态保护极重要区内开发利用地类识别
3.3.3 生态保护红线划定建议
生态保护红线是保障和维护国家生态安全的底线和生命线，具有特殊重要性，必须强制性严格保护。生态保护红线通常包括具有重要水源涵养、生物多样性维护、水土保持、防风固沙、海岸生态稳定等功能的生态功能重要区域，以及水土流失、土地沙化、石漠化、盐渍化等生态环境敏感脆弱区域，分别以生态系统服务功能重要性评价和生产环境敏感性评价为依据。建议将武汉市生态保护重要性评价中的生态保护极重要区纳入生态保护红线主体范围，包括水源涵养极重要区、水土保持极重要区、重要生态系统、生态极脆弱区等重要生态单元，面积约1705km2。此外，以生态保护重要性评价结果为基础，将生态保护重要区划定为生态保护红线拓展范围，面积约196km2。
在市域生态系统服务功能评价方法选择方面，模型法优于NPP定量指标法。NPP定量指标法过度依赖于植被生长情况，使用范围具有地域性，其评价结果反映地域范围内部生态重要性程度比较，与地域范围之外的其他地区可比性较低，通常用于省域、流域范围的大尺度评价，且存在一定应用门槛，在植被茂盛、雨热良好的地区评价结果较为准确，在植被覆盖不佳的地区则难以应用，在应用时存在生物多样性维护功能重要性评价结果不准确的问题。
评价结果方面，通过生态系统服务功能重要性评价和生态脆弱性评价可识别武汉市生态保护极重要区，面积约1705km2，包括水源涵养极重要区、水土保持极重要区、重要生态系统、生态极脆弱区等重要生态单元。通过空间叠加，发现武汉市生态保护极重要区内含建设用地、耕地和园地等开发利用地类约2.59km2，生态保护与城乡建设和农业生产存在小范围空间冲突。此外，以生态保护重要性评价结果为基础，划定生态保护红线拓展范围，面积约196km2。市域生态保护重要性评价作为“双评价”重要内容，其评价过程与修正关系到其在国土空间规划实践中的应用，武汉市案例证实了《生态保护红线划定指南》中简化模型法具有较强的可行性，可有效识别重要生态单元，为生态保护红线的划定和调整提供参考[16-19]。
评价过程完善方面，市域生态保护重要性评价存在一定优化提升空间。由于生物多样性维护重要区、极危濒危物种集中分布区、极小种群野生动植物分布区、重要种质资源分布区等资料缺乏精确的空间数据，生物多样性维护功能重要性评价难度最高，在评价中难免面临多划、漏划等问题，其数据收集和处理有待进一步完善。
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