基于最小累計阻力模型的南京市生態(tài)安全格局構(gòu)建

譚華清， 張金亭， 周希勝

(1.江蘇省城市規(guī)劃設計研究院， 江蘇 南京 210023； 2.武漢大學 資源與環(huán)境科學學院， 湖北 武漢 430079)

隨著城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，人類對建設用地的需求日益增加，城鎮(zhèn)開發(fā)邊界也不斷向外擴張。然而在這一迅速擴張過程中，由于人類一味追求社會經(jīng)濟利益，忽視自然生態(tài)系統(tǒng)的服務效益，導致生態(tài)用地空間被大量侵占。長此以往，不僅生物物種的生存和棲息環(huán)境遭到破壞，同時也會使人類的生產(chǎn)和生活喪失物質(zhì)和能量的基本來源和保障，最終危及人類自身的可持續(xù)生存和發(fā)展[1-3]。因此，構(gòu)建和優(yōu)化區(qū)域生態(tài)安全格局對保障生態(tài)空間安全、緩解資源環(huán)境壓力具有重要基礎作用[4]。

從研究方法來看，目前多采用最小累計阻力模型[5-8]、圖論[9-10]、電路理論[11-12]等方法構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局，其中最小累計阻力模型能較好地反映景觀格局變化和生態(tài)過程演變的相互作用關系，被廣泛應用于區(qū)域生態(tài)安全格局的構(gòu)建與優(yōu)化[13]。生態(tài)源地確定和阻力面設定是構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局的關鍵[14]。源地確定方面，安東等[15]結(jié)合榆林市用地現(xiàn)狀，建立生態(tài)敏感性評估模型，對生態(tài)脆弱區(qū)的關鍵生態(tài)地段進行研究。黃隆楊等[16]注重生態(tài)用地退化風險和人類生態(tài)需求，基于“質(zhì)量—風險—需求” 目標框架計算生態(tài)用地綜合價值，進而識別源地。Zagas等[17]從防護水土流失角度出發(fā)，基于通用流失方程，對山區(qū)內(nèi)具有特殊保護功能的森林進行空間識別與分析。目前，根據(jù)研究區(qū)域地理特征，從不同角度對生態(tài)用地進行定量評價是識別生態(tài)源地的常用方法。阻力面建立方面，佘宇晨等[18]根據(jù)不同景觀類型的單位面積生態(tài)功能服務價值，采用專家打分法設立基礎阻力面。黃鑫等[19]選取景觀自身因子和鄰近景觀干擾因子模擬景觀生態(tài)流的空間運動過程并設定生態(tài)阻力面。王玉瑩等[20]采用夜間燈光數(shù)據(jù)對景觀阻力面進行修正，以反映不同土地利用強度對生態(tài)過程作用的阻力大小。

大氣環(huán)境污染是影響物種多樣性的主要環(huán)境問題，對其進行有效的控制和預防對提升區(qū)域生態(tài)安全格局的穩(wěn)定性具有重要意義?，F(xiàn)有研究中對阻力面建立時的生態(tài)環(huán)境約束表征不足，傳統(tǒng)阻力面的建立僅考慮景觀類型分布和利用強度的差異，忽視了大氣環(huán)境污染對物種遷徙的影響，無法真實反映物種水平空間的運動過程。因此，本文結(jié)合江蘇省南京市生態(tài)資源自身特點和數(shù)據(jù)的可獲得性，從生物多樣性保護、水資源安全、地質(zhì)災害規(guī)避3個角度對南京市生態(tài)用地重要性進行評價并識別生態(tài)源地，并利用PM2.5濃度、夜間燈光遙感數(shù)據(jù)對基礎阻力面進行修正，構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局，以期為生態(tài)文明建設背景下統(tǒng)籌推進市域國土空間可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

南京市位于江蘇省南部(118°22′—119°14′E，31°14′—32°37′N)，境內(nèi)地勢較為平緩，地形多以崗地為主。南京市屬于亞熱帶季風氣候，生物資源豐富、種類繁多。林木覆蓋率29.6%，人均公共綠地面積13.7 m2，是中國四大園林城市之一，有“綠都”之稱。如圖1所示，2013年南京市共11個轄區(qū)，行政區(qū)總面積6 595 km2，其中建成區(qū)面積923.8 km2。

圖1 南京市區(qū)位示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)字高程模型(DEM)來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心 (地理空間數(shù)據(jù)云平臺，http:∥www.gscloud.cn)，空間分辨率為30 m；土地利用數(shù)據(jù)來源于國家科技基礎條件平臺—國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享平臺—長三角科學數(shù)據(jù)中心(http:∥nnu.geodata.cn:8008/)；歸一化植被指數(shù)(NDVI)來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心(地理空間數(shù)據(jù)云平臺，http:∥www.gscloud.cn) MOD13Q1數(shù)據(jù)集，采集時間為2013年1月至2013年12月，空間分辨率為250 m，依據(jù)12個月份NDVI產(chǎn)品求算年平均值；夜間燈光數(shù)據(jù)來源于美國國家海洋大氣管理局NOAA國家環(huán)境信息中心(https:∥www.ngdc.noaa.gov/ngdc.html)，類型為穩(wěn)定燈光影像，空間分辨率為1 km×1 km；地質(zhì)災害隱患點、危險點數(shù)據(jù)來源于《南京市2013年度地質(zhì)災害防治方案》，經(jīng)矢量數(shù)字化處理得到；PM2.5數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站(http:∥www.cnemc.cn/)，采集時間為2013年1月至2013年12月，依據(jù)南京市9個國控空氣質(zhì)量監(jiān)測點(草場門、中華門、瑞金路、玄武湖、邁皋橋、山西路、仙林大學城、奧體中心和浦口)的日均PM2.5濃度值，計算得出月均濃度值，進而匯總得出9個監(jiān)測點的年均PM2.5濃度值。

以上數(shù)據(jù)經(jīng)過投影變換、裁剪、重采樣等一系列數(shù)據(jù)預處理工作后，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為100 m×100 m的柵格數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 生態(tài)用地重要性評價

基于南京市自然環(huán)境條件和生態(tài)安全影響因素分析，從生物多樣性保護、水資源安全、地質(zhì)災害規(guī)避等3個角度對南京市生態(tài)用地重要性進行定量評價，并利用Natural Break方法將研究區(qū)內(nèi)生態(tài)用地劃分為極重要、中等重要、一般重要、不重要4個等級，依次賦值為4，3，2，1。

(1) 生物多樣性保護評價。生境作為生物的重要棲息空間，影響著生物物種生長和發(fā)育的全過程。生境質(zhì)量好的區(qū)域其生物多樣性也較為豐富[1]。由于生境質(zhì)量和土地利用類型密切相關，不同地類維持生物資源的能力不同，因此可采用不同景觀生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性服務價值當量的大小來間接表征生境敏感性等級的高低[21]。

根據(jù)南京市土地覆蓋和謝高地等[22]制定的生物多樣性服務價值當量表，計算得出林地、耕地、園地、水系等不同景觀生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性服務當量(見表1)?？紤]到同一景觀生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)植被覆蓋度的差異，本文利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)對生物多樣性服務當量(DL0)進行修正[6]。具體計算公式如下：

表1 南京市基本生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性服務價值當量(DL0)

S=n×DL

(1)

(2)

式中：S為生境敏感性指數(shù)；n為柵格單元i所對應的土地覆蓋類型； DL為基于NDVI修正的生物多樣性服務當量； NDVIi為柵格單元i對應的NDVI均值； NDVIt為柵格單元i所對應土地覆蓋類型n的NDVI均值的平均值； DL0為柵格單元i所對應土地覆蓋類型n的基本生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性服務當量。

(2) 水資源安全評價。地表水源是維系地表徑流，養(yǎng)護水資源安全的基本保障。本文選取地表水源安全作為評價因子[23]，基于ArcGIS10.2平臺通過歐氏距離計算每個柵格單元到重要水系的距離，進而對研究區(qū)水資源安全進行評價，其重要性等級見表2。

表2 南京市水資源安全及地質(zhì)災害評價因子及劃分標準

(3) 地質(zhì)災害規(guī)避評價。地質(zhì)災害破壞生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進而影響系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)和能量流動，導致生態(tài)功能發(fā)揮受到一定制約[24]。本文結(jié)合研究區(qū)內(nèi)地形條件、人類活動強度等指標和李桂媛等[25]的研究，以研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害隱患點、危險點為中心點進行緩沖區(qū)分析，從而劃定地質(zhì)災害規(guī)避范圍與等級，具體結(jié)果見表2。

(4) 生態(tài)用地重要性綜合評價。對某一生態(tài)用地而言，在地理區(qū)位、土地覆蓋類型等因素的作用下，其斑塊表現(xiàn)為多重生態(tài)系統(tǒng)功能效益的集聚，即其綜合生態(tài)安全重要性的大小取決于疊置在其上的各類單因子重要性的最高值[26]。根據(jù)“最小單元生態(tài)用地發(fā)揮最大生態(tài)功能”的原則，本文利用最大值法對不同層面的生態(tài)用地重要性進行綜合評價。

2.2 生態(tài)阻力面建立

不同生態(tài)斑塊上物種間的相互聯(lián)系表現(xiàn)為各自對地理空間水平方向上的競爭性控制和覆蓋，這一過程需通過克服阻力來實現(xiàn)[23]。人為活動干擾和環(huán)境空氣質(zhì)量是影響物種擴張和遷徙的重要阻力。本文根據(jù)不同景觀類型受人類活動的影響程度確定其相對阻力系數(shù)[27]建立基礎阻力面(見表3)，并基于夜間燈光指數(shù)、PM2.5濃度數(shù)據(jù)對基礎阻力面進行修正?？紤]到空氣污染物的擴散，采用Kriging插值模擬PM2.5濃度的空間分布。具體公式如下：

表3 物種空間運動的基礎阻力因子和相對阻力系數(shù)(修正前)

(3)

式中：Ri為修正后的生態(tài)阻力系數(shù)； NLi為柵格單元i的夜間燈光指數(shù)； NLn為柵格單元i所對應土地覆蓋類型n的夜間燈光指數(shù)平均值； AQi為柵格單元i的PM2.5濃度值； AQn為柵格單元i所對應土地覆蓋類型n的PM2.5濃度平均值；R0為修正前的相對阻力系數(shù)。

2.3 生態(tài)安全格局構(gòu)建

借助ArcGIS10.2平臺的Cost-Distance工具建立最小累積阻力模型，識別出生態(tài)安全格局中的生態(tài)節(jié)點、緩沖區(qū)、廊道等重要組分。具體公式如下：

(4)

式中：MCR為最小累計阻力值；Dij為某物種從源斑塊j至空間中某一點所穿越的景觀基面i的空間距離；Ri為修正后的生態(tài)阻力系數(shù)；f為正相關關系函數(shù)，表征源斑塊至空間中某一點路徑的相對易達性。

生態(tài)安全格局的核心組分包括源地、節(jié)點、緩沖區(qū)和廊道。

(1) 生態(tài)源地。源地既是生態(tài)景觀要素擴張和流動的基礎，也是維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的核心區(qū)，本文選取生態(tài)用地重要性評價中的極重要生態(tài)斑塊作為生態(tài)源地。

(2) 生態(tài)節(jié)點。生態(tài)節(jié)點是維持源地之間生態(tài)要素交換和聯(lián)系的關鍵戰(zhàn)略節(jié)點，提取主要生態(tài)源地斑塊的中心點作為生態(tài)節(jié)點。

(3) 緩沖區(qū)。緩沖區(qū)是位于生態(tài)源地外圍一定范圍內(nèi)的低累積阻力表面。利用Natural Break方法將生態(tài)源地外圍的累積生態(tài)阻力表面劃分成三種不同類型的區(qū)域，分別為緩沖型生態(tài)區(qū)、理想型生態(tài)區(qū)和其他區(qū)域。

(4) 生態(tài)廊道。生態(tài)廊道是區(qū)域內(nèi)連接不同生態(tài)源地間物種遷徙的重要流動通道。借助ArcGIS10.2平臺的Cost-Distance工具，分別以各生態(tài)節(jié)點(n)為源點，以剩余生態(tài)節(jié)點(n-1)為目標點集，對應輸出各生態(tài)節(jié)點(n)的成本距離柵格、成本回溯鏈接柵格。再利用Cost-Path工具，對應輸出各生態(tài)節(jié)點(n)至目標點集的最小成本路徑。為了方便研究和制圖表達的需求，將最小成本路徑進行矢量化，從而識別出市域范圍內(nèi)的所有生態(tài)廊道。

3 結(jié)果與分析

3.1 重要性評價與源地識別

3.1.1 生態(tài)用地重要性評價結(jié)果分析 生物多樣性保護評價的識別結(jié)果(見圖2a)表明，極重要生態(tài)用地面積443.19 km2，面積占比為6.75%，主要分布在西北部老山，南部北想山、游子山，北部的止馬嶺、方山等群山分布的丘陵地區(qū)。這些地區(qū)光熱條件充足、景觀類型多樣，是重點保護生物多樣性的關鍵性區(qū)域。

水資源安全評價的識別結(jié)果(見圖2b)表明，極重要生態(tài)用地面積1 129.3 km2，面積占比為17.1%，大多為研究區(qū)內(nèi)的重要水系、大型水庫，主要包括長江、石臼湖、固城湖、金牛湖，三岔水庫、方便水庫、中山水庫以及上秦淮濕地等區(qū)域。該區(qū)域地表水量充足，是調(diào)蓄區(qū)域內(nèi)地表徑流，防止水、旱災害的重要水源涵養(yǎng)功能區(qū)。

地質(zhì)災害規(guī)避評價的識別結(jié)果(見圖2c)表明，極重要生態(tài)用地面積1.28 km2，主要分布在長江沿岸及秦淮河等周邊區(qū)域。這些區(qū)域大多呈點狀分布、面積較小，但突發(fā)性強，對自然生態(tài)環(huán)境干擾較大。

生態(tài)用地重要性的綜合評價結(jié)果(見圖2d)表明，極重要生態(tài)用地面積140.5 km2，面積占比為21.52%。該區(qū)域的土地利用類型以水體、耕地和林地為主，占極重要生態(tài)用地面積比例分別為42.73%，26.06%，17.15%，3種地類面積占比之和為85.94%(見圖3)。

圖2 南京市生態(tài)用地重要性評價結(jié)果

圖3 南京市不同生態(tài)用地重要性等級土地利用類型構(gòu)成

3.1.2 生態(tài)源地識別 選取極重要生態(tài)用地中面積大于5 km2且集中連片分布的生態(tài)斑塊作為生態(tài)源地，最終得到研究區(qū)內(nèi)生態(tài)源地斑塊28塊，面積490.3 km2，占全域土地總面積的7.54%。從地類構(gòu)成(見表4)來看，以水系為主，其次為林地和園地，面積占生態(tài)源地總面積的比例分別為70.84%，25.36%，2.54%。將生態(tài)源地與南京市國家級生態(tài)紅線中的保護地進行疊加(見圖4)，可以看出生態(tài)源地內(nèi)基本涵蓋國家級和省級自然保護地，識別結(jié)果比較合理。

表4 南京市生態(tài)源地土地利用類型構(gòu)成

圖4 南京市生態(tài)源地分布及識別結(jié)果合理性驗證

3.2 阻力面建立

將基礎阻力面和經(jīng)夜間燈光指數(shù)、PM2.5濃度數(shù)據(jù)修正后的生態(tài)阻力面進行對比，可以看出修正前后的兩種阻力面均呈現(xiàn)出“四周低，中間高”的特點，即最小累積阻力值由生態(tài)源地向外逐漸增大，并在城鎮(zhèn)集中建設區(qū)內(nèi)達到峰值。

圖5為阻力面修正前后的對比結(jié)果。由圖5可以看出，修正后的生態(tài)阻力面在模擬區(qū)域生態(tài)過程差異方面表現(xiàn)得較好，阻力值范圍在0～43 854.6之間。阻力值較大的區(qū)域主要位于鼓樓區(qū)、秦淮區(qū)、建鄴區(qū)東部等長江南岸，該區(qū)域人類活動頻率較高，城鎮(zhèn)建設用地分布高度集中，生態(tài)流的擴散受到嚴重阻礙。浦口區(qū)中部、玄武區(qū)中部、江寧區(qū)東北部等區(qū)域阻力較小，該區(qū)域地形較為復雜，受人類活動影響較小。

圖5 南京市生態(tài)阻力面修正前后對比

3.3 生態(tài)安全格局分析

(1) 生態(tài)節(jié)點。研究區(qū)內(nèi)生態(tài)節(jié)點28個，大多位于長江以南的區(qū)域，且集中分布在江寧區(qū)、溧水區(qū)(見封3附圖15)。

(2) 緩沖區(qū)。如表5所示，緩沖型生態(tài)區(qū)面積788.74 km2，占研究區(qū)總面積比例12.13%，該區(qū)域在除高淳區(qū)的其他行政區(qū)范圍內(nèi)均有分布，其中鼓樓區(qū)、建鄴區(qū)、秦淮區(qū)較為集中。理想型生態(tài)區(qū)面積1 143.87 km2，占研究區(qū)總面積比例17.59%，大都零星分布在沿緩沖型生態(tài)區(qū)外圍一定距離范圍內(nèi)的邊緣地帶，該區(qū)域的景觀組分相對比較復雜，主要由園地、耕地和少量城鎮(zhèn)建設用地組成。其他區(qū)域面積4 080.41 km2，所占比例為62.74%，分布較為廣泛，在各行政區(qū)域內(nèi)均有分布(見封3附圖15)。

表5 南京市生態(tài)安全格局不同緩沖區(qū)類型面積統(tǒng)計

(3) 生態(tài)廊道。研究區(qū)內(nèi)生態(tài)廊道共62條，全長361.42 km。從區(qū)域分布特征來看，江寧區(qū)的東北部、西南部和溧水區(qū)的西部、南部較為集中，基本上以環(huán)狀形態(tài)圍繞在中心城區(qū)周邊的山地和水系地帶(見封3附圖15)，這些區(qū)域林地資源豐富，斑塊生境質(zhì)量高，可為物種生存與發(fā)展、生態(tài)物質(zhì)和能量流通與交換提供良好的生態(tài)介質(zhì)通道。

(4) 生態(tài)安全格局?？紤]到生態(tài)景觀系統(tǒng)的連通性和穩(wěn)定性，本文根據(jù)源地之間的聯(lián)系強度和廊道景觀組分對生態(tài)廊道重要性進行劃分[28]，最終提取出研究區(qū)內(nèi)關鍵廊道56條，一般廊道6條。將識別得到的生態(tài)源地、生態(tài)節(jié)點、緩沖區(qū)、關鍵廊道、一般廊道等核心組分進行疊加組合，構(gòu)建出南京市生態(tài)安全格局(見封3附圖15)。

總體來看，依托研究區(qū)內(nèi)大型水系、低山丘陵，形成了以長江為中心向外延展的“一帶三區(qū)多軸”生態(tài)安全格局框架(見圖6)?！耙粠А笔侵秆亻L江岸線的生態(tài)帶，保障長江干流和附近支流的水資源生境?！叭齾^(qū)”是指北部的森林公園保護區(qū)(包括老山國家森林公園、龍王山、鳳凰山、佛手湖郊野公園等)、中部的丘陵崗地區(qū)(包括鐘山、牛首山等)、南部的水源涵養(yǎng)區(qū)(包括九龍湖濕地公園、石臼湖等)?！岸噍S”是指以林地、水系相互連接形成的生態(tài)防護軸帶。該生態(tài)安全格局框架與2017年公布實施的《南京市主體功能區(qū)實施規(guī)劃》中生態(tài)安全格局示意圖基本一致。

圖6 南京市生態(tài)安全格局示意圖

4 結(jié) 論

本文以南京市為研究區(qū)域，在構(gòu)建生態(tài)阻力面時，充分考慮到環(huán)境空氣質(zhì)量、人為干擾對生物物種遷移的影響，將空氣污染物PM2.5濃度、夜間燈光遙感數(shù)據(jù)引入生態(tài)阻力面修正，得到環(huán)境質(zhì)量約束下的生態(tài)安全格局，該方法行之有效，符合南京實際，能夠為南京市國土空間可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)，也可供同類區(qū)域研究提供借鑒。研究結(jié)果表明：南京市生態(tài)源地面積為490.3 km2，國家級生態(tài)紅線中的省級以上自然保護地基本落入源地范圍內(nèi)，證明了源地識別結(jié)果的合理性。緩沖型生態(tài)區(qū)面積為788.74 km2，理想型生態(tài)區(qū)面積為1 143.87 km2。生態(tài)廊道全長361.42 km，其中關鍵生態(tài)廊道56條，一般廊道6條，主要以環(huán)狀形態(tài)圍繞在中心城區(qū)周邊的山地和水系地帶。通過生態(tài)源地、緩沖區(qū)、生態(tài)廊道等核心組分，形成了“一帶三區(qū)多軸”的南京市生態(tài)安全格局框架。

影響物種遷徙的阻力因子較多，在建立阻力面的過程中，現(xiàn)有研究[18-20,29-31]僅限于從地形坡度、土地利用、景觀覆蓋、人類活動強度等角度出發(fā)，而未能考慮到大氣環(huán)境污染對生物物種遷徙的影響。僅考慮這些因素仍存在一定的局限性，難以真實地反映出生態(tài)過程的實際情況。目前生態(tài)安全格局構(gòu)建中針對大氣環(huán)境污染對生態(tài)變化過程的研究鮮有涉及。本文綜合考慮大氣污染和景觀利用類型、強度等因素，通過PM2.5濃度數(shù)據(jù)、夜間燈光遙感數(shù)據(jù)對傳統(tǒng)阻力面進行修正，修正后的生態(tài)阻力面可以較好地表征空氣環(huán)境質(zhì)量和人為活動干擾對物種遷徙的影響程度，據(jù)此構(gòu)建出的生態(tài)安全格局更為客觀和完整，為大氣環(huán)境質(zhì)量改善為目標導向的區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建提供了一種新思路。將研究得出的“一帶三區(qū)多軸”的南京市生態(tài)安全格局與2017年南京市政府公布實施的《南京市主體功能區(qū)實施規(guī)劃》中生態(tài)安全格局示意圖進行對比分析，兩者框架基本一致，說明該方法是切實可行的。

目前研究還存在一些不足之處，由于目前各地區(qū)PM2.5國控監(jiān)測點大多分布在主城區(qū)，未覆蓋至全域，未來的研究可考慮實地調(diào)研的方法，使生態(tài)阻力面的建立更具合理性。此外，本文在評價生態(tài)用地重要性時選取的評價因子主要是借鑒前人研究成果，其合理性有待進一步探究和完善。生態(tài)安全格局的構(gòu)建能夠為區(qū)域生態(tài)保護建設提供有力支撐，但未來應建立相應的動態(tài)監(jiān)測平臺和機制，以保障區(qū)域生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。