蔡永龍，陳 琪

(1北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875；2遵義市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，貴州 遵義 563000)

生態(tài)安全作為一個(gè)全球性問(wèn)題成為了學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[1]。城市作為區(qū)域的重要組成部分，與區(qū)域生態(tài)安全有著密切的關(guān)系，研究城市的生態(tài)安全格局對(duì)于區(qū)域的生態(tài)安全十分關(guān)鍵[2]，城市生態(tài)安全格局是城市自然生命支持系統(tǒng)的關(guān)鍵性格局。維護(hù)城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與城市生態(tài)安全是實(shí)現(xiàn)城市保護(hù)與精明增長(zhǎng)的剛性格局，也是城市及其居民持續(xù)地獲得綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的基本保障[3-4]。

關(guān)于區(qū)域生態(tài)安全格局的研究，呈現(xiàn)明顯的地理尺度特征，全球尺度、國(guó)家尺度、省域尺度和市域尺度往往成為審視生態(tài)安全的地理標(biāo)尺[5]。全球尺度下，南半球的社會(huì)與生態(tài)格局的過(guò)程及機(jī)理得到了充分解析[6]；國(guó)家尺度下，多要素構(gòu)建的國(guó)土生態(tài)安全格局的研究成果頗豐[7]，例如按功能分區(qū)的中國(guó)主體功能區(qū)劃研究[8]、中國(guó)生態(tài)環(huán)境區(qū)域劃分研究[9]、中國(guó)典型草原地區(qū)的生態(tài)安全探討[10]、從政策視角對(duì)瑞士生態(tài)恢復(fù)問(wèn)題的探討[11]等；省域尺度下，單要素的研究則較為集中，例如浙江省水稻產(chǎn)量與生態(tài)安全的關(guān)系探討[12]和湖北省土地資源生態(tài)評(píng)價(jià)[13]；市域尺度下，單要素與多要素的研究均有呈現(xiàn)，例如關(guān)于蘭州市[14]、深圳市[15]、北京市[16]、廣州市[17]、棗莊市[18]等城市的土地和景觀生態(tài)的評(píng)價(jià)。總體上，以往研究大多集中于從單一要素出發(fā)分析區(qū)域的生態(tài)安全，對(duì)于多要素集合的研究較少。

珠三角地區(qū)作為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展高地，城市化與工業(yè)化的持續(xù)推進(jìn)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，城市發(fā)展與生態(tài)安全的矛盾日益突顯。從數(shù)據(jù)的可獲得性與案例的地域性?xún)煞矫婵紤]，選擇位于珠三角地區(qū)的佛山市作為生態(tài)安全研究的案例地，對(duì)于把脈城市生態(tài)安全現(xiàn)狀具有現(xiàn)實(shí)意義以及對(duì)其他城市生態(tài)安全評(píng)估具有參考價(jià)值。具體是通過(guò)構(gòu)建水文、植被、土地等單要素的生態(tài)安全格局和構(gòu)建綜合生態(tài)安全格局予以解答。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)

佛山市地處廣東省中南部，珠江三角洲的西北部，全市東、西長(zhǎng)約103 km，南、北相距約110 km，形狀呈“入”字型空間形態(tài)，由禪城區(qū)、南海區(qū)、順德區(qū)、高明區(qū)和三水區(qū)組成，總面積3813.64 km2，東鄰廣州，西接肇慶，南臨江門(mén)、中山、珠海，北通清遠(yuǎn)(圖1)。佛山市與廣州市共同組成繁榮的廣佛都市圈，是我國(guó)重要的工業(yè)基地和廣東省重要的經(jīng)濟(jì)中心之一。

圖1 佛山市的地理區(qū)位

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

2013年的TM遙感影像、Landuse數(shù)據(jù)集和廣東省DEM。通過(guò)對(duì)佛山市行政區(qū)劃圖配準(zhǔn)(Georeferencing)后，疊加至廣東省2013NDVI植被底圖，運(yùn)用Extract by mask得到佛山市2013年的NDVI數(shù)據(jù)。

2 生態(tài)安全格局構(gòu)建

以基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，針對(duì)佛山市的主要生態(tài)問(wèn)題，選擇飲用水源、植被系統(tǒng)和洪水調(diào)蓄作為生態(tài)安全分析的指標(biāo)[19-20]。首先，對(duì)單一生態(tài)過(guò)程展開(kāi)分析與評(píng)價(jià)，識(shí)別對(duì)保護(hù)生態(tài)過(guò)程具有關(guān)鍵作用的區(qū)域；其次，依據(jù)生態(tài)安全格局劃分標(biāo)準(zhǔn)[25]，將生態(tài)安全格局劃分為理想格局、滿意格局與底線格局，從而構(gòu)建佛山市的生態(tài)安全格局。構(gòu)建的具體步驟如下：

運(yùn)用地理空間分析技術(shù)，針對(duì)某一生態(tài)過(guò)程和安全格局的劃分標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建單一生態(tài)要素安全格局，并進(jìn)行疊加分析，形成佛山市綜合生態(tài)安全格局。依據(jù)單一要素安全格局的作用，劃分為低、中、高三種不同等級(jí)的生態(tài)安全水平，而后分析單一要素與全部要素的生態(tài)安全格局。

2.1 水源保護(hù)安全格局

水源保護(hù)安全格局的構(gòu)建旨在保護(hù)佛山市的飲用水水源地。首先，提取佛山市主要水源地的地理區(qū)位(經(jīng)緯度范圍)；其次，參考《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范(HJ T338—2007)》劃分Ⅰ級(jí)保護(hù)區(qū)、Ⅱ級(jí)保護(hù)區(qū)和Ⅲ保護(hù)區(qū)；第三，構(gòu)建低、中、高的水源保護(hù)安全格局(表1)[21]；最后，通過(guò)地理空間分析技術(shù)可視化水源保護(hù)安全格局(圖2(a))。

2.2 植被保護(hù)安全格局

以廣東省NDVI植被圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。首先，應(yīng)用ArcGIS軟件中Spatial Analyst下的Feature to Raster、Extraction、Raster Calculator等工具提取佛山市的植被圖(NDVI)；其次，計(jì)算植被覆蓋率(“([ndvigd]-0.0360)/(0.86-0.036)”)；第三，運(yùn)用自然斷裂點(diǎn)法將植被覆蓋率分為三類(lèi)(表1)；最后，構(gòu)建植被保護(hù)安全格局(圖2(b))。

表1 單一要素安全格局劃分標(biāo)準(zhǔn)

圖2 單一要素生態(tài)安全格局

2.3 洪水調(diào)蓄安全格局

洪水發(fā)生的頻率一般指5年、10年、20年、50年、100年一遇及其特大洪水等，洪水發(fā)生的頻率越小，災(zāi)害性越大，相應(yīng)的淹沒(méi)范圍也越大。法律規(guī)定20年一遇的淹沒(méi)區(qū)為行洪區(qū)，嚴(yán)格限制開(kāi)發(fā)利用。根據(jù)英國(guó)的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖三分法，分為嚴(yán)禁區(qū)(5年一遇洪水淹沒(méi)范圍)、限制區(qū)(5～25年一遇洪水淹沒(méi)范圍)和允許開(kāi)發(fā)區(qū)等(25年一遇洪水淹沒(méi)范圍)[22-23]。根據(jù)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖三分法將洪水調(diào)蓄的安全格局分為低、中與高三個(gè)等級(jí)(表1)。假定區(qū)域內(nèi)水是自由流動(dòng)的，以25年一遇洪水水位增加1.2米為水深的淹沒(méi)范圍，推算洪水的淹沒(méi)范圍(圖2c)。再將矢量的洪水淹沒(méi)等級(jí)圖轉(zhuǎn)換柵格，用以計(jì)算不同等級(jí)安全水平的洪水淹沒(méi)面積。

2.4 綜合生態(tài)安全格局構(gòu)建

構(gòu)建水源、植被和洪水調(diào)蓄3類(lèi)要素的生態(tài)安全格局對(duì)城市可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要，其中植被系統(tǒng)和飲用水源是重要的生態(tài)功能區(qū)。洪水調(diào)蓄地區(qū)是洪水威脅最大的地區(qū)，做到防治減小對(duì)區(qū)域的損害最為關(guān)鍵[24-25]。區(qū)域生態(tài)安全格局研究的出發(fā)點(diǎn)是維護(hù)生態(tài)安全和健康的空間格局。因此，佛山市生態(tài)安全格局的構(gòu)建主要從自然環(huán)境與人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展角度予以考慮，即根據(jù)水源保護(hù)、植被系統(tǒng)和洪水調(diào)蓄的綜合安全格局予以綜合確定。

構(gòu)建的具體步驟：首先，通過(guò)對(duì)水源保護(hù)、植被和洪水調(diào)蓄3類(lèi)要素的安全格局進(jìn)行空間疊加，得到佛山市的生態(tài)安全格局；其次，對(duì)單一要素的生態(tài)安全格局賦值，低、中、高水平分別賦值1、2、3；第三，將其矢量圖轉(zhuǎn)換柵格圖；最后，得出佛山水3種生態(tài)安全格局的等級(jí)水平[26]。計(jì)算公式如下：

ISP=Max(SPI)I=1，2，3

(1)

式中：ISP(Integrated Security Pattern)表示綜合生態(tài)安全格局；SPI表示I要素的生態(tài)安全格局，分低、中、高3級(jí)，分別賦值3、2、1。

佛山市綜合生態(tài)安全格局劃分為低、中、高3種等級(jí)的安全水平，分別代表不同的保護(hù)重要程度。其中：

SPI=1表示低安全水平的生態(tài)格局，是維護(hù)主要生態(tài)過(guò)程的外圍區(qū)域，是未來(lái)需維護(hù)和保護(hù)的區(qū)域。

SPI=2表示中安全水平的生態(tài)格局，是維護(hù)主要生態(tài)過(guò)程的地區(qū)，是在現(xiàn)實(shí)條件允許的情況下，為再造秀美佛山盡可能爭(zhēng)取的生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)的區(qū)域。

SPI=3表示高安全水平的生態(tài)格局，是佛山市維護(hù)生態(tài)過(guò)程最為關(guān)鍵的生態(tài)性區(qū)域，是最需要維護(hù)的區(qū)域。

最后，以水源保護(hù)、植被保護(hù)、洪水調(diào)蓄3種過(guò)程的安全格局進(jìn)行疊加得到佛山市綜合生態(tài)安全格局，各等級(jí)安全水平的面積以柵格計(jì)算，最后根據(jù)柵格單元大小轉(zhuǎn)換為矢量的生態(tài)安全格局。根據(jù)生態(tài)保護(hù)要求將其劃分為3個(gè)水平：理想格局、滿意格局和底線格局[27]。

3 結(jié)果分析

水源保護(hù)安全格局構(gòu)建的結(jié)果表明：①位于正常水位以下，尤其是飲用水源覆蓋的地區(qū)為禁止開(kāi)發(fā)區(qū)；②正常水位下，飲用水源所在地區(qū)及其1 km緩沖區(qū)的范圍為重點(diǎn)保護(hù)區(qū)(中安全水平)；③正常水位以下，飲用水源所在地區(qū)及其2 km緩沖區(qū)的范圍為生態(tài)紅線禁止開(kāi)發(fā)區(qū)(高安全水平)。

因?yàn)橹脖幌到y(tǒng)作為維持生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的支撐要素，所以植被保護(hù)安全格局的構(gòu)建對(duì)植被系統(tǒng)的健康恢復(fù)至關(guān)重要。結(jié)果表明：①植被覆蓋率介于0%～30%的低水平植被保護(hù)安全格局面積為1322.41 km2，占全市總面積的34.67%；②植被覆蓋率介于30%～80%的中水平植被保護(hù)安全格局面積為1984.98 km2，占全市總面積的52.05%；③介于80%～100%的高水平植被保護(hù)安全格局面積為506.25 km2，僅占全市總面積的13.28%(表2)。其中，位列低安全水平的區(qū)域占比超過(guò)全市面積的三分之一，處于高安全水平以下占比超過(guò)85%，而高安全水平僅占低于15%，表明佛山市的植被系統(tǒng)破壞程度處于高危狀態(tài)，對(duì)植被系統(tǒng)的恢復(fù)和保護(hù)迫在眉睫，尤其是對(duì)于超過(guò)50%的中安全水平的植被系統(tǒng)應(yīng)加大恢復(fù)力度，并且對(duì)高安全水平格局區(qū)域的植被系統(tǒng)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)管力度。

構(gòu)建防洪安全格局的目的是減少洪水災(zāi)害發(fā)生時(shí)造成的經(jīng)濟(jì)損失。結(jié)果表明：①五年一遇洪水水位以下的低水平防洪安全格局面積為890.25 km2，占全市總面積的23.34%；②20年一遇的洪水水位以下的低水平防洪安全格局面積為280.11 km2，占全市總面積的7.34%；③100年一遇的洪水水位以下的低水平防洪安全格局面積為2643.28 km2，占全市總面積的69.32%(表2)。對(duì)低安全水平格局地區(qū)的土地利用方式應(yīng)加以嚴(yán)格監(jiān)控。20年一遇的防洪安全格局總面積為280.11 km2，占全市總面積的7.34%，此類(lèi)區(qū)域的用地屬性應(yīng)給予科學(xué)考究，方能建設(shè)。可以看出，洪水安全格局的構(gòu)建對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)具有指導(dǎo)性作用。

表2 單一要素的生態(tài)安全格局量化結(jié)果

根據(jù)空間統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，3個(gè)等級(jí)的綜合生態(tài)安全格局占地面積不同，低安全水平格局的面積為455.451 km2(占全市總面積的11.94%)，中安全水平格局的面積為2905.68 km2(占全市總面積的76.19%)；高安全水平格局的面積為452.51 km2(僅占全市總面積的11.87%)。其中，介于中安全水平的面積占比超過(guò)75%，低、高安全水平均低于15%(表3)。因此，應(yīng)加強(qiáng)中安全水平區(qū)域的生態(tài)恢復(fù)，劃定高安全水平區(qū)域?yàn)榻归_(kāi)發(fā)區(qū)域。

表3 不同等級(jí)綜合生態(tài)安全格局的面積

從生態(tài)保護(hù)的要求及空間分析結(jié)果可知，理想格局、滿意格局和底線格局的區(qū)域范圍存在地域差異。①理想格局包括高安全水平疊加的地區(qū)，占佛山市域的較小部分，即高明區(qū)大部、三水區(qū)北部部分地區(qū)和南海區(qū)東部的西樵山地區(qū)，這些地區(qū)是生態(tài)保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域，需采取相應(yīng)措施保護(hù)該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)，免遭破壞，為再造佛山秀美山川的國(guó)土生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)空間戰(zhàn)略中、長(zhǎng)遠(yuǎn)的理性生態(tài)安全格局提供科學(xué)支撐；②滿意格局包括高安全水平和中安全水平疊加的地區(qū)，主要分布于三水區(qū)中部、南海區(qū)西部與中部部分地區(qū)、高明區(qū)東部及西部部分地區(qū)、順德區(qū)西南部與北部部分地區(qū)，這些區(qū)域是應(yīng)增加的保護(hù)區(qū)域，為恢復(fù)佛山市生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)具有關(guān)鍵性作用；③底線格局包括低安全水平疊加的地區(qū)，主要分布于南海區(qū)東南部與西部部分地區(qū)、順德區(qū)零星分布的部分區(qū)域，此類(lèi)區(qū)域的生態(tài)安全比較脆弱，是生態(tài)保護(hù)的限制區(qū)域，應(yīng)該成為佛山城市建設(shè)不可逾越的紅線地區(qū)，需進(jìn)行嚴(yán)格保護(hù)和重點(diǎn)生態(tài)恢復(fù)。

佛山市綜合生態(tài)安全高水平地區(qū)主要分布于植被系統(tǒng)較好區(qū)域(高明區(qū)、三水區(qū)北部)，沿江或沿河地區(qū)大多位于中安全水平，這與佛山市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的空間戰(zhàn)略有關(guān)系(例如工業(yè)相對(duì)比較發(fā)達(dá)的禪城區(qū)、順德區(qū)、南海區(qū)東部及中部地區(qū)的生態(tài)安全格局均處于中等水平)。高安全水平的生態(tài)保護(hù)區(qū)包括高明區(qū)大部分地區(qū)、三水區(qū)北部地區(qū)和南海區(qū)西部的西樵山周邊地區(qū)。

圖3 佛山市綜合生態(tài)安全格局

4 結(jié)論

以快速城市化的珠三角地區(qū)的典型城市佛山市為例，基于地理空間分析技術(shù)，構(gòu)建并分析了佛山市單一要素與綜合要素的生態(tài)安全格局。

依據(jù)區(qū)域生態(tài)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，正常水位以下且是飲用水源覆蓋的地區(qū)為禁止開(kāi)發(fā)區(qū)，飲用水源所在地區(qū)及其1 km緩沖區(qū)為重點(diǎn)保護(hù)區(qū)，飲用水源所在地區(qū)及其2 km緩沖區(qū)為生態(tài)紅線禁止開(kāi)發(fā)區(qū)。就植被系統(tǒng)而言，位于低安全水平、中安全水平、高安全水平的區(qū)域面積占比分別是34.67%、52.05%和13.28%。就洪水調(diào)蓄而言，5年、20年、100年一遇洪水對(duì)應(yīng)的低-中-高安全水平的區(qū)域面積占比分別是23.34%、7.34%和69.32%。綜合生態(tài)安全格局方面，位于低、中、高不同生態(tài)安全水平的區(qū)域面積占比分別是11.94%、76.19%和11.87%。

理想格局指高安全水平疊加的地區(qū)，占比面積較少，這是生態(tài)保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域，需采取相應(yīng)措施加強(qiáng)保護(hù)，免遭破壞，為再造佛山秀美山川的國(guó)土生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)空間戰(zhàn)略、長(zhǎng)遠(yuǎn)的理性生態(tài)安全格局提供科學(xué)支撐。滿意格局包括高安全水平和中安全水平疊加的地區(qū)，該區(qū)域是需增加的保護(hù)區(qū)域，對(duì)恢復(fù)佛山市生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)具有關(guān)鍵性作用。底線格局包括低安全水平疊加的地區(qū)，占佛山市區(qū)劃域面積較多，此類(lèi)區(qū)域的生態(tài)安全比較脆弱，是生態(tài)保護(hù)的最低限制區(qū)域，是佛山城市發(fā)展建設(shè)不可逾越的紅線，需進(jìn)行嚴(yán)格保護(hù)和重點(diǎn)生態(tài)恢復(fù)。

以佛山市為例量化城市生態(tài)安全的空間現(xiàn)狀對(duì)把脈佛山城市生態(tài)安全現(xiàn)狀具有現(xiàn)實(shí)意義以及對(duì)其他城市生態(tài)安全評(píng)估具有參考價(jià)值。通過(guò)構(gòu)建與分析水源保護(hù)安全格局有利于劃分不同等級(jí)的水源保護(hù)區(qū)；評(píng)估植被系統(tǒng)的安全格局級(jí)有助于了解植被系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀并提出相應(yīng)的保護(hù)措施。例如，佛山市處于高安全水平的植被面積占比不足15%，表明佛山市的植被系統(tǒng)破壞程度處于高危狀態(tài)，所以需要加強(qiáng)對(duì)植被系統(tǒng)的恢復(fù)和保護(hù)；構(gòu)建防洪安全格局的目的是減少洪水災(zāi)害發(fā)生時(shí)造成的經(jīng)濟(jì)損失。通過(guò)洪水安全格局的構(gòu)建與分析，就可以確定不同地區(qū)的土地用地屬性。例如，位于低安全水平的地區(qū)盡量不建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施和不進(jìn)行土地開(kāi)發(fā)。通過(guò)評(píng)估綜合生態(tài)安全，可以提出應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)恢復(fù)的中安全水平的區(qū)域范圍，同時(shí)劃定高安全水平區(qū)域?yàn)榻归_(kāi)發(fā)區(qū)域。