基于“安全格局-生态健康”框架的滇中城市群国土空间生态修复分区

Ecological restoration zoning of territorial space in central Yunnan urban agglomeration based on “security pattern-ecosystem health” framework

摘要

目的 滇中城市群是云南省经济增长和生态文明建设的重点区域，明确其国土空间生态修复分区是协调生态保护与经济发展，实现可持续发展的重要前提。 方法 以滇中城市群49个区县为评价单元，构建“安全格局-生态健康”理论框架，选择指标体系，分别评价其生态安全格局和生态系统健康状况，采用综合指数方法进行国土空间生态修复分区。 结果 （1） 生态安全格局指数（I_S ）平均值为0.66，总体呈“西高东低”的空间分布格局，其中高值区面积占比为52.66%，低值区占比为11.53%；（2） 生态系统健康指数（I_H ）平均值为0.62，总体呈现出“四周高中部低”的空间分布格局，其中高值区面积占比为42.77%，低值区占比为3.22%；（3） 生态修复综合指数（CEI）平均值为0.53，总体呈“中部高四周低”的空间分布特征。根据分区结果，将研究区划分为生态系统重点修复区、生态安全优先修复区、生态健康优先修复区、生态系统优先提升区、生态系统一般修复区，面积占比分别为1.71%，6.92%，46.72%，25.90%和18.75%，并提出差异化的分区生态修复策略。 结论 基于“安全格局-生态健康”的生态修复分区方法，能准确识别出区域生态安全水平和生态系统健康状态，实现“空间优化+精准修复”的生态修复分区目标。

Abstract

Objective The central Yunnan urban agglomeration is a key region for economic growth and ecological civilization construction in Yunnan Province. Clarifying its territorial spatial ecological restoration zones is an important prerequisite for coordinating ecological protection with economic development and achieving sustainable development. Methods Using 49 districts and counties in the central Yunnan urban agglomeration as evaluation units， a “security pattern-ecological health” theoretical framework was constructed. An indicator system was selected to evaluate the ecological security pattern and ecosystem health status， and a comprehensive index method was employed for ecological restoration zoning of territorial space. Results （1） The average value of ecological security pattern index （I_S ） was 0.66， showing an overall spatial distribution pattern of “high in the west and low in the east”. High-value zones accounted for 52.66% of the total area， while low-value zones accounted for 11.53%. （2） The ecosystem health index （I_H ） averaged 0.62， with a spatial distribution pattern of “high in the periphery and low in the center”. High-value zones accounted for 42.77% of the area， while low-value zones accounted for 3.22%. （3） The ecological restoration composite index （CEI） averaged 0.53， demonstrating an overall spatial distribution pattern of “high in the center and low in the periphery”. Based on the zoning results， the study area was divided into five categories： key ecosystem restoration zone， ecological security priority restoration zone， ecosystem health priority restoration zone， ecosystem enhancement priority zone， and general ecological restoration zone. These zones accounted for 1.71%， 6.92%， 46.72%， 25.90%， and 18.75% of the total area， respectively. Differential restoration strategies were subsequently proposed for each zone. Conclusion The ecological restoration zoning method based on the “security pattern-ecological health” framework can accurately identify the regional ecological security levels and ecosystem health status， achieving the ecological restoration zoning goal of “spatial optimization + precise restoration”.

Graphical abstract

关键词

生态修复分区 / 生态安全格局 / 生态系统健康 / 滇中城市群

Key words

ecological restoration zoning / ecological security pattern / ecosystem health / central Yunnan urban agglomeration

国土空间生态修复是通过自然或人工手段恢复受损的生态系统，促使生态系统功能走向良性循环，是新时期推进生态文明建设、保障国家生态安全的重要举措^［1-2］，分区则是落实国土空间差异化修复策略和高效开展生态修复的重要前提^［3］。党的十八大以来，国土空间生态修复分区工作被赋予新的职责，在实现国土空间治理、提升国土空间资源承载力，促进人与自然和谐共生方面发挥重要作用^［4］。因此，国土空间生态修复分区研究已成为相关领域的研究热点。

学者们对生态修复分区进行了大量理论与实践的探索，研究涉及区域^［5］、市（县）域、城市群^［6］、省域^［7］及功能区不同空间尺度^［8］。随着国土空间生态修复概念的持续深化，已逐步从微观单元内针对污染土壤、石漠化土地、废弃矿山等单一要素受损生态系统的靶向修复，向涵盖全域、全过程、全要素等大尺度开展国土空间生态修复分区及对策研究拓展。研究方法上，现有国土空间生态修复分区研究主要从生态安全格局建构^［9］、生态系统服务主导功能辨识^［10］、生态系统健康状态诊断^［11］以及综合性指标体系评价等方面展开。其中，面向保障国土空间生态系统健康和安全开展国土空间生态修复分区的研究，有助于从系统性和整体性视角推动自然生态系统和社会经济系统的整体保护与协同治理^［12］；综合指标体系评价因其灵活性与综合性，也成为实现国土空间生态修复分区的重要方法之一^［13］。然而，目前针对城市群国土空间生态修复分区研究仍显不足，现有方法多局限于单一维度，或主要基于生态安全格局的空间辨识^［14］，或侧重于生态系统健康的状态评估来划分分区^［11］，尚未形成“安全格局-生态健康”协同耦合的一体化分区框架与实践。相较于其他区域生态系统，城市群生态系统内的人类社会经济活动影响更为显著，城市化进程导致景观破碎化，生态安全格局空间连通性下降和重要生态功能区被侵占、生态系统健康状态持续恶化等问题更突出^［15］，其国土空间生态修复分区探索具有紧迫性和必要性。

滇中城市群作为国家“两横三纵”城镇化战略格局重要组成部分，是典型的高原山地城市群。高原山地固有的复杂地形、高资源约束性强与高生态敏感性等特点，加之城市群发展带来的巨大资源消耗压力，导致人地关系矛盾突出^［16］。近年来，随着城镇化进程的加快，生态系统发生不同程度的退化，使得滇中城市群生态系统安全和健康受到严重影响^［17］，国土空间面临着发展与保护矛盾激化的风险^［18］，亟需开展生态修复分区研究^［6］。因此，本文从生态系统完整性视角出发，构建“安全格局-生态健康”的理论框架，选择指标体系，分别评价滇中城市群的生态安全格局和生态系统健康状况，采用综合指数方法进行国土空间生态修复分区，并进一步提出分区修复策略。旨在为区域生态安全格局完善、生态系统健康水平提升和生态修复政策实施提供理论支撑和实践指导。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

滇中城市群位于云贵高原中部（22°59′34″—27°3′19″N，100°43′7″—104°49′40″E），包括昆明市、曲靖市、玉溪市、楚雄彝族自治州及红河哈尼族彝族自治州北部的蒙自市等区域，下辖49个区县市，面积约13.55万km²，约占云南省总面积的29%（图1）。地势由北向南逐渐降低，海拔125~4 311m，属高原湖盆岩溶地貌，以山地和盆地为主，土地利用类型以耕地、林地和草地为主^［15］。属亚热带低纬度高原山地季风气候，年平均气温约为15 ℃，年平均降雨量约为950 mm。境内河流湖泊众多，分布有南盘江、金沙江及元江等三大河流和滇池、抚仙湖及阳宗海等六大高原湖泊。自2020年以来，随着城镇化水平的提高，城镇与蓝绿系统空间格局失衡，生态系统服务功能下降，现有生态修复措施实施效果欠佳，有必要进一步探究生态修复分区，实现精准修复。

1.2 研究方法

1.2.1 基于“安全格局-生态健康”的理论框架

综合已有研究，本文认为国土空间生态修复分区应以生态系统的健康状态和生态安全格局为基础^［19］。此外，与一般城市群不同，滇中城市群作为山地城市群，因高度生态脆弱性和高海拔资源梯度特殊性，其国土空间生态修复分区要更加关注区域经济与生态均衡发展的需求，确保生态系统的健康状态和区域生态安全。因此，提出基于“安全格局-生态健康”的生态修复分区理论框架（图2）。首先，生态安全格局的构建需要有效识别区域生态修复保护的关键位置^［20］，其主要由生态源地、廊道、阻力面构成。其次，生态系统健康状态评估则需明晰区域生态系统服务功能退化、结构紊乱等问题，可以从生态系统活力、生态系统组织力、生态系统恢复力和生态系统服务力等方面进行评估^［21］。该理论框架认为维持区域生态安全格局的重要程度越高，生态系统越不健康，生态修复重要性与优先级越高，通过评价能明晰生态系统特征与生态修复重要性等级，从而实现“空间优化+精准修复”的生态修复分区目标。

1.2.2 评价指标体系构建

遵循全面性、客观性、可获得性和可操作性等原则，结合研究区自然环境、经济发展和人类活动的实际情况，选取生态源地、生态阻力面、生态廊道等7个指标，构建研究区国土空间生态修复分区评价指标体系（表1）。

1.2.3 指标标准化处理

鉴于各指标之间存在量纲差异，需对其进行标准化处理。采用极差标准化方法将指标转换为无量纲形式，取值范围为0~1。计算公式为：

正向指标

y_{ij}=\frac{x_{ij}-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(x_j\right)}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\left(x_j\right)-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(x_j\right)}（1）

负向指标

y_{ij}=\frac{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\left(x_j\right)-x_{ij}}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\left(x_j\right)-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(x_j\right)}（2）

式中：y_ij 为第i个变量中第j个指标归一化后的数值；x_ij 为第i个变量中第j个指标实际值；max（x_j ）和min（x_j ）为x_ij 的最大值和最小值。

1.2.4 指标权重确定

为避免主观因素对评价指标权重赋值产生的影响，本文采用熵值法计算各指标权重值（表1）。熵值法反映信息量的变化程度，如果评价指标变化度越大，则所含信息量越大，指标所占权重就越大^［25］。计算公式为：

M_j=-\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{l}\mathrm{n}t}{\displaystyle \sum _{t=\mathrm{1}}^t}\frac{y_{ij}}{{\displaystyle \sum _{t=\mathrm{1}}^t}{y}_{ij}}\times \mathrm{l}\mathrm{n}\frac{y_{ij}}{{\displaystyle \sum _{t=\mathrm{1}}^t}{y}_{ij}}（3）

W_j=\frac{\mathrm{1}-M_j}{{\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^n}\left(\mathrm{1}-M_j\right)}（4）

式中：M_j 为信息熵值；t为指标剖分研究区的各个单元；y_ij 为第i个变量中第j个指标归一化后的数值；W_j 为指标权重值；n为评价指标个数。

1.2.5 生态修复综合指数模型

基于综合指数法对研究区生态修复综合指数进行计算。通过对生态安全格局和生态系统健康的评价指数加权求和，构建分区综合指数CEI，计算公式如下：

\mathrm{C}\mathrm{E}\mathrm{I}=\left(I_S{W}_S+I_H{W}_H\right)（5）

式中：I_S 为安全格局指数值；W_S 为安全格局权重值；I_H 为健康状态指数值；W_H 为健康状态权重值。

安全格局指数值I_S，计算公式如下：

I_S={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{W}_i{N}_i（6）

健康状态指数值I_H，计算公式如下：

I_H={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{W}_i{N}_i（7）

式中：W_i 为安全格局和健康状态子系统的指标权重；N_i 为标准化后的指标值。

当前国土空间生态修复分区评价分级没有统一的划分标准，参考相关研究^［21］，本研究将评价结果CEI分为Ⅰ—Ⅴ 5个等级，等级越高，生态修复重要性和优先级越低（表2）。此外，采用自然断点法，将安全格局指数值I_S 和健康状态指数值I_H 也划分为Ⅰ—Ⅴ 5个等级，其中，Ⅰ级区，即低值区，是指数区间值最低区域；Ⅴ级区，即高值区，是指数区间值最高区域。

1.3 数据来源

基础数据包括：（1） 生态安全格局图。基于本项目组前期研究，从生态源地、阻力面及关键夹点等方面，评价获得研究区生态安全格局图^［26］（图3）。（2） 生态系统健康评价涉及的土地利用数据、气象数据与NDVI数据。均来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（http：∥www.resdc.cn/），前者空间分辨率为30 m，时间年限为2020年，后者数据精度为1 000 m。（3） DEM数据。来源于地理空间数据云（http：∥www.gscloud.cn/），空间分辨率为30 m。（4） 土壤数据，来源于国家冰川冻土沙漠科学数据中心（https：∥www.ncdc.ac.cn/）。为消除不同数据精度带来的计算偏差，通过ArcGIS 10.5重采样工具将栅格精度统一为30 m，采用WGS_1 984_Mercator投影坐标。

2 结果与分析

2.1 生态安全格局指数

研究区生态安全格局各评价指标和综合指数I_S 的评价结果见图4和表3。从图4可以看出，研究区49个区县中生态廊道、生态源地、生态阻力面及综合指数的空间分布特征不同。图4A显示，生态廊道数量>4条的最高等级区域主要分布于元江干热河谷及六大高原湖泊地带，呈现中部集聚的分布特征；图4B显示，生态源地占比指数高值区域，主要分布在哀牢山、无量山等生态良好的主要横断山脉及国家森林公园等区域，生态源地占比指数低值区域主要分布于昆明市、曲靖市等地，总体呈现西南高东北低的分布格局；图4C显示，生态阻力面分布呈现东高西低的空间格局；图4D显示，I_S 平均值为0.66，呈现出西高东低的空间分布格局。

采用自然断点法将I_S 分为5个等级，结果见表3。从表3可以看出，Ⅰ级区（即低值区）主要分布在会泽县、宣威市、官渡区和开远市，面积占比为11.53%，该区域对维持生态安全格局的重要性很低；Ⅴ级区（即高值区）面积占比为52.66%，主要分布在西部的大姚县、永仁县和楚雄市等23个区县中，该区域对维持生态安全格局空间结构和功能稳定极其重要。

2.2 生态系统健康指数

研究区生态系统健康各评价指标和综合指数I_H 的评价结果见图5和表3。从图5可以看出，研究区生态系统健康状况及不同指标等级空间格局差异明显。图5A显示，活力指数高值区域主要分布于除元谋县和呈贡区外的研究区西部，呈现西高东低的分布格局；图5B显示，组织力指数高值区域主要分布于研究区中部，空间上呈中部和南部高、西部和北部低的特征；图5C和图5D中，恢复力与生态系统服务价值指标空间分布特征相似，整体呈现中部低四周高的特征；图5E显示，I_H 平均值为0.62，空间格局总体呈现出四周高中部低的分布特征。

基于自然断点法的I_H 分级结果显示（表3），Ⅰ级区（低值区）主要分布在峨山、石林等4个区县，面积占比为3.22%，生态系统健康呈病态；Ⅴ级区（高值区）主要分布于研究区北部的宣威市和西部的大姚县、楚雄市等12个区县，面积占比为42.77%，生态系统很健康。

2.3 生态修复分区

在上述生态安全格局和生态系统健康评价的基础上，采用综合指数法，计算研究区生态修复综合指数（CEI），并将综合指数的5个等级（表2），对应5类生态修复分区：生态系统重点修复区、生态安全优先修复区、生态健康优先修复区、生态系统优先提升区、生态系统一般修复区，得到研究区生态修复分区结果并提出差异化修复策略（图5F和表4）。结果显示，研究区CEI平均值为0.53，呈中部高四周低的空间分布特征，5个分区的面积占比高低顺序为生态健康优先修复区>生态系统优先提升区>生态系统一般修复区>生态安全优先修复区>生态系统重点修复区（表4）。

（1） 生态系统重点修复区。该区位于研究区中部的峨山彝族自治县，面积2 320.48km²，占总面积的1.71%，是5类分区中面积最小的区域。该区对维持生态安全格局极其重要，生态系统健康呈病态。

（2） 生态安全优先修复区。该区涉及石林彝族自治县、元谋县和牟定县等5个区县，面积9 372.35 km²，占总面积的6.92%。该区对维持生态安全格局比较重要，生态系统不健康。

（3） 生态健康优先修复区。该区涉及大姚县、建水县和石屏县等20个区县，面积63 311.84 km²，占总面积的46.72%。该区是分区中面积占比最大的区域，空间分布较为分散，生态安全格局重要性一般，生态系统亚健康。

（4） 生态系统优先提升区。该区主要位于五华区、西山区和澄江市等的16个区县，面积35 098.91 km²，占总面积的25.90%。该区对维持生态安全格局不太重要，生态系统健康状况良好。

（5） 生态系统一般修复区。该区位于会泽县、弥勒市和宣威市等7个区县，面积25 408.07 km²，占总面积18.75%。作为生态修复重要性和优先级最低区域，该区对维持生态安全格局的重要性极低，生态系统健康状况极好。

3 讨 论

本文提出的“安全格局-生态健康”生态修复分区的双维度研究框架，体现出滇中城市群作为山地城市群在生态修复分区中对区域生态安全格局构建和生态系统健康状态的要求。具体而言，滇中城市群位于高原山地，其水文特征表现为以高原湖泊为核心，水系众多但水资源时空分布不均且总量相对不足，在快速城镇化发展需求下面临着水资源短缺与水生态脆弱问题^［16］；气候呈现干湿季极端分明的降水格局、强日照与高蒸发并存，以及垂直差异显著的山地气候特征，城市热岛效应加剧局地气候变化^［17］，导致区域生态安全格局呈现出“西高东低”的空间分布特征（图4D），生态系统健康状况呈现出“四周高中部低”的空间分布特征（图5E），因此，与一般城市群不同，其生态修复分区需要确保生态系统的健康状态和区域生态安全^［19］。

本文基于“安全格局-生态健康”框架，把滇中城市群的国土空间划分出5个不同等级的修复分区，研究结果证明该分区方法具有可行性，体现高原山地城市群的特殊性，即推进国土空间生态修复分区须将区域生态安全格局的系统性构建与生态系统健康水平的全面提升作为核心目标^［20］。此外，该分区方法总结以往生态修复分区研究思路^［27-28］，以生态安全格局与生态系统健康评估为基础，得到生态修复分区体现国土空间生态修复满足生态安全格局的塑造需求^［9］；同时体现国土空间生态修复是解决生态系统健康问题的基础路径，也是提升生态系统健康水平的重要手段^［11］。

本文生态修复分区结果也体现出较高的合理性和可靠性。首先，将分区结果与《云南省国土空间生态修复规划（2021—2035年）》《云南省国土空间规划（2021—2035年）》和《云南省国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》等现有规划文本对比，发现生态修复Ⅲ—Ⅴ级区，即生态健康优先修复区、生态系统优先提升区和生态系统一般修复区是未来生态保护与经济发展重点区域，证明分区结果与相关规划拥有较高的一致性，因此提出差异化分区修复策略能为不同地区提供针对性政策指导，进一步提升区域生态系统安全水平和健康状况。其次，以生态系统重点修复区—峨山县为例（表4），分区结果表明该区域生态安全格局重要性最高，生态系统健康状态极差，这与峨山县区位条件、社会经济发展水平、自然资源禀赋特征及工业发展导致的环境污染严重情况基本吻合^［15］；而与生态系统重点修复区相比，生态系统一般修复区生态安全格局重要性最低，生态系统很健康，该区的7个区县在城市扩张的过程中生态用地侵占较少，主要以农业和人文旅游业为主，较为合理的城市土地利用结构是导致该区域生态系统健康处于高水平的重要原因之一，这与相关研究结果一致^［29］，如高彬嫔等在探究滇中城市群城市扩张动态演变对生态系统健康的影响中得出2020年生态系统健康均值最高的为曲靖市，最低的为楚雄市^［29］。

4 结 论

（1） 滇中城市群I_S 平均值为0.66，总体呈西高东低分布；I_H 平均值为0.62，总体呈四周高中部低分布；CEI平均值为0.53，总体呈中部高四周低分布，各评价指标空间分布特征存在差异。

（2） 基于“安全格局-生态健康”框架，划分得到5个生态修复分区，即生态系统重点修复区、生态安全优先修复区、生态健康优先修复区、生态系统优先提升区、生态系统一般修复区，并提出差异化生态修复策略。其中，生态健康优先修复区面积占比最高，为46.72%，应对杞麓湖和异龙湖等高原湖泊和湿地进行保护和修复，提升生态系统健康水平。

本文的“安全格局-生态健康”双维度框架，不同于单维度视角只关注某一生态系统特征，而是围绕滇中城市群在生态安全格局构建和生态系统健康提升两方面的要求进行构建，并准确识别出5个修复分区，提出差异化生态修复策略，实现“空间优化+精准修复”的生态修复分区目标，能够为山地城市群等特殊区域生态修复提供空间指引与借鉴。但是，该双维度框架在其他城市群和区域的国土空间生态修复分区应用还需进一步实践。此外，本文是以行政区作为评价单元，鉴于滇中城市群内水系密布、流域众多的特点，建议今后从流域尺度出发，基于完整独立的地理单元进一步探究生态修复分区。

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基金资助

国家自然科学基金项目“稳态转换视角下高原湖泊流域生态系统服务演化过程与驱动机制研究”(42361049)