基于最小累積阻力模型的福建省南平市延平區(qū)生態(tài)安全格局構(gòu)建

韓世豪， 梅艷國， 葉持躍， 張 珂， 尹秀秀

(1.寧波大學 地理與空間信息技術(shù)系， 浙江 寧波 315211； 2.青島市環(huán)境保護科學研究院， 山東 青島 266003)

20世紀以來，快速的城市化進程已成為人類社會發(fā)展最顯著的特征[1]，高強度的城市化進程往往伴隨著高強度的土地開發(fā)及土地利用方式的快速轉(zhuǎn)變，使原本脆弱的生態(tài)環(huán)境趨于惡化，生態(tài)系統(tǒng)受到的威脅日益嚴重，進而威脅區(qū)域生態(tài)安全，生態(tài)安全問題正越來越多的受到國內(nèi)外學者和組織的關(guān)注[2-5]。在我國，黨中央、國務(wù)院高度重視生態(tài)環(huán)境保護，生態(tài)安全格局被認為是實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)安全、緩解生態(tài)保護與經(jīng)濟發(fā)展之間矛盾的基本保障和重要空間途徑之一[6-8]。黨的十八大報告明確要求“構(gòu)建科學合理的國土生態(tài)安全格局”，習近平總書記也強調(diào)“構(gòu)建科學合理的城鎮(zhèn)化推進格局、農(nóng)業(yè)發(fā)展格局、生態(tài)安全格局，保障國家和區(qū)域生態(tài)安全，提高生態(tài)服務(wù)功能”[9]。生態(tài)安全格局理論依據(jù)格局與過程的互饋作用，通過構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局，達到對生態(tài)過程的有效調(diào)控，從而保障生態(tài)功能的充分發(fā)揮，實現(xiàn)區(qū)域自然資源和綠色基礎(chǔ)設(shè)施的有效合理配置，確保必要的自然資源的生態(tài)和物質(zhì)福利，最終實現(xiàn)生態(tài)安全[10-11]。目前生態(tài)安全格局構(gòu)建已經(jīng)得到比較深入的研究，俞孔堅[12-13]提出了構(gòu)建生態(tài)安全格局三步驟的方法框架：首先，確定物種擴散源的現(xiàn)有自然棲息地(即生態(tài)源地)；其次，建立阻力面；最后，根據(jù)阻力面來判別安全格局。此方法在國內(nèi)得到較為廣泛應(yīng)用，研究對象主要涉及土地利用[14]、水體[15]、生態(tài)用地[16]等，研究區(qū)域涵蓋自然保護區(qū)和風景名勝區(qū)[17]、流域[18]、城市化區(qū)域[19-20]、農(nóng)牧交錯帶[21]等生態(tài)系統(tǒng)特征具有顯著差異的區(qū)域。南平市是福建省生態(tài)保護的綠色屏障，也是全省經(jīng)濟最落后的城市，作為一個山區(qū)城市，南平市人口密度最高的地帶集中在延平區(qū)，延平市區(qū)人口密集度和北京市核心區(qū)人口密度相當[22]，土地利用率高達94.26%，其山地多而陡峭、平地少的特點極大地限制了城市形態(tài)結(jié)構(gòu)的發(fā)展。面對經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護的雙重需求，延平區(qū)生態(tài)安全格局構(gòu)建可以為城市生態(tài)規(guī)劃等提供科學參考，對保障省域生態(tài)安全具有重要意義。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

南平市延平區(qū)位于福建省中部偏北，建溪、西溪匯合處，為閩江干流的源頭，介于26°15′—26°52′N，117°50′—118°40′E，是閩北政治、經(jīng)濟、文化中心之一，總面積2 659.7 km2。地處閩中大谷地最低處，地貌以低山丘陵為主。屬中亞熱帶海洋季風氣候，具有夏長冬短、雨季明顯、云霧多、濕度大等氣候特點，年均氣溫19.3 ℃，年降水量1 669 mm。水資源十分豐富，境內(nèi)有一江三溪(閩江、建溪、沙溪、富屯溪)，七十二支流縱橫交織，水電理論蘊藏量居福建省首位。土壤類型有粗骨土、紅壤、黃壤、水稻土、紫色土等5種，以紅壤、水稻土為主。植被以針葉林為主，杉木速生豐產(chǎn)指標居全國之冠，素有“綠色金庫”、“森林之窗，本甲全閩”之稱，是中國南方三大杉木產(chǎn)區(qū)之一，該區(qū)森林面積1.89×105hm2，森林覆蓋率達73.6%，森林蓄積量為1.79×107m3。

1.2 數(shù)據(jù)來源

文中涉及的主要數(shù)據(jù)包括延平區(qū)主要水文數(shù)據(jù)、自然保護區(qū)、森林公園、生態(tài)公益林等矢量數(shù)據(jù)。除此之外，還包括下載于中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http:∥www.gscloud.cn)的DEM(2009年，分辨率30 m)和2016年植被數(shù)據(jù)(NDVI)。土地利用分類參照全國《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，結(jié)合延平區(qū)實際，在ArcGIS中將土地利用歸類為林地、耕地、草地、水域、未利用地和建設(shè)用地等6種類型，最終建立研究區(qū)土地利用2012年屬性數(shù)據(jù)庫。

2 研究方法

2.1 最小累積阻力模型

本文的生態(tài)阻力面構(gòu)建是通過最小累積阻力模型(MCR)計算所得。最小累積阻力模型指物種在從源到目的地運動過程中所需耗費代價的模型，由荷蘭生態(tài)學家Knappen[23]于1992年提出，最早應(yīng)用于對物種擴散過程的研究，后被廣泛應(yīng)用于物種保護和景觀格局分析等生態(tài)領(lǐng)域[24]，經(jīng)國內(nèi)俞孔堅等[12,25-26]修改用下式表示：

式中：MCR——最小累積阻力面值；f——一個未知的負函數(shù)，表示最小累積阻力與生態(tài)適宜性的負相關(guān)關(guān)系； min——某景觀單元對不同的生態(tài)源取累積阻力最小值；Dij——從源j到景觀單元i的空間距離；Ri——景觀單元i對運動過程的阻力系數(shù)。該模型考慮了3個方面的因素，即源、距離和基面阻力特征，反映了物種運動的潛在可能與趨勢，通過最小累積阻力的大小可以判定源向外擴張的可能性，反映了空間單元與源的聯(lián)通性。

2.2 生態(tài)源地選擇

生態(tài)源地是整個生態(tài)安全格局構(gòu)建的基礎(chǔ)，其準確性和全面性對格局整體構(gòu)建至關(guān)重要。目前，多數(shù)研究將自然保護區(qū)和風景名勝區(qū)的核心區(qū)等直接識別為生態(tài)源地，還有學者選用區(qū)域內(nèi)一定面積的林地、耕地、水體等生態(tài)斑塊作為生態(tài)源地[14,17]，這些方法具有一定的便捷性，但也有其固有的缺陷[1]。生態(tài)保護紅線在生態(tài)空間中具有特殊重要的生態(tài)功能，必須受到強制性的嚴格保護。它既是生態(tài)空間中最重要、最核心的部分，也是國土空間的優(yōu)先控制線、保障生態(tài)安全的底線和生命線，因而構(gòu)成生態(tài)安全格局的基本框架。生態(tài)保護紅線可以視為生態(tài)安全的底線格局，但未必是最優(yōu)格局，以生態(tài)保護紅線為基本構(gòu)架，結(jié)合最小累積阻力模型，是生態(tài)安全格局構(gòu)建的一種新思路。同時，生態(tài)保護紅線具有明顯的地理邊界，合理整合了多部門的生態(tài)保護成果，更加全面地關(guān)注了多種生態(tài)過程，為生態(tài)安全格局的構(gòu)建提供了基礎(chǔ)[27]。根據(jù)生態(tài)安全的涵義，生態(tài)源地需要實現(xiàn)維護現(xiàn)有景觀過程的完整性、保證生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)性和防止生態(tài)系統(tǒng)退化帶來的各種生態(tài)問題等至少三個層次的目標[20]。生態(tài)保護紅線完整納入了區(qū)域內(nèi)對生態(tài)過程、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能以及對外界干擾敏感的生態(tài)斑塊。在生態(tài)保護紅線的基礎(chǔ)上選擇生態(tài)源地，能夠更多地關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程與功能，集中解決區(qū)域重要生態(tài)功能的保護與恢復等生態(tài)環(huán)境問題，從而構(gòu)建更加全面系統(tǒng)的生態(tài)安全格局[28]。本文以延平區(qū)生態(tài)保護紅線(福建省新一輪生態(tài)保護紅線劃定工作尚未完成,這里參考此前劃定的生態(tài)保護紅線一級管控區(qū))為基礎(chǔ)，選取生態(tài)保護紅線中集中連片、具有一定面積的生態(tài)公益林、水源涵養(yǎng)區(qū)和茫蕩山國家級自然保護區(qū)、沙溪口水庫、水口水庫(即延平湖)作為生態(tài)源地，同時考慮到森林對整個閩江流域水環(huán)境安全有著重要意義，故將延平區(qū)內(nèi)4個森林公園(即南平鳳山森林公園、南平大峰山森林公園、峽陽屏山森林公園和南平市郊森林公園)和“一江三溪”納入到生態(tài)源地中。最終劃定的生態(tài)源地如圖1所示。

2.3 阻力面構(gòu)建

物種在不同景觀單元之間進行遷移時會受到阻礙[29]，構(gòu)建阻力面是計算其在需要克服阻力情況下擴散路徑的基礎(chǔ)。生態(tài)阻力系數(shù)Ri的確定依賴于基本生態(tài)阻力面的構(gòu)建。由于基面特性差異，生態(tài)源地在擴展過程中所受到的阻力是不同的。本文從地形坡度、土地覆蓋和植被覆蓋3個方面構(gòu)建生態(tài)阻力的評價指標體系(表1)。地形坡度由地形起伏度和坡度兩方面體現(xiàn)，土地覆蓋用土地利用類型體現(xiàn)，植被覆蓋用植被覆蓋指數(shù)(NDVI)體現(xiàn)。首先，參照葉玉瑤等人的分級標準[30]，將各項生態(tài)阻力因素劃分為5個等級，在ArcGIS中對不同等級分別用1，3，5，7，9賦值，各因素權(quán)重通過專家打分的方式確定；然后，將賦值后的地形坡度、土地覆蓋和植被覆蓋轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，通過柵格計算器分別按照0.3，0.4，0.3的比重將其合并到1個圖層(圖2)；最后，在上述阻力分級評價基礎(chǔ)上，基于基面阻力評價結(jié)果，進一步考慮生態(tài)源地和距離因素的影響，采用MCR模型算法，運用ArcGIS中cost-distance模塊，便可得到一個基于生態(tài)源地的綜合阻力面，即延平區(qū)生態(tài)阻力面。

圖1 福建省南平市延平區(qū)生態(tài)源地布局

2.4 生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點

構(gòu)建生態(tài)廊道和生物多樣性保護網(wǎng)絡(luò)，是優(yōu)化生態(tài)安全屏障體系的重要保障。生態(tài)廊道是具有生物多樣性維護、涵養(yǎng)水源、土壤保持、調(diào)蓄洪水等多項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的廊道類型[31]，是生態(tài)源地相互聯(lián)系、進行物質(zhì)和能量交流的直接通道，是保持生態(tài)流、生態(tài)過程、生態(tài)功能在區(qū)域內(nèi)連通的關(guān)鍵生態(tài)組分，能增強生態(tài)系統(tǒng)整體連通性。提取關(guān)鍵生態(tài)廊道，對于保障生態(tài)源地之間的物質(zhì)和能量流動的暢通，實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能的完整性具有重要意義[32]。在ArcGIS中，通過生態(tài)源地確定生態(tài)質(zhì)心，以綜合生態(tài)阻力面為權(quán)重，利用MCR模型可以生成生態(tài)廊道，即生態(tài)質(zhì)心之間的最小成本路徑。生態(tài)節(jié)點是指分布在生態(tài)空間中，連接鄰近生態(tài)源地，并對生態(tài)流起關(guān)鍵作用的生態(tài)組分[33]，是生態(tài)安全格局中易受外界干擾的生態(tài)脆弱點，是連接生態(tài)源地的跳板，對維護區(qū)域景觀生態(tài)結(jié)構(gòu)的整體性、連續(xù)性和生態(tài)功能的發(fā)揮具有戰(zhàn)略意義[34]。將綜合生態(tài)阻力面作為DEM數(shù)字高程模型，利用ArcGIS中的水文分析模塊確定生態(tài)阻力面最大成本路徑，其與生態(tài)廊道的交叉點即為生態(tài)節(jié)點。

圖2 福建省南平市延平區(qū)生態(tài)阻力評價結(jié)果

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)阻力面生成

據(jù)前所述，基于延平區(qū)生態(tài)保護紅線選擇的生態(tài)源地，結(jié)合延平區(qū)生態(tài)阻力評價結(jié)果，在ArcGIS中通過最小累積阻力模型的計算，得到了延平區(qū)生態(tài)安全格局的生態(tài)阻力面(圖3)。

圖3 福建省南平市延平區(qū)生態(tài)安全格局生態(tài)阻力面

根據(jù)延平區(qū)生態(tài)阻力面的空間特征可以判別延平區(qū)生態(tài)安全格局。從圖3可以看出，以生態(tài)源地為中心，生態(tài)阻力值呈現(xiàn)出遞增的效果，有一個緩沖區(qū)存在。圍繞在生態(tài)源地的周圍區(qū)域生態(tài)阻力面值都較小，是生態(tài)源地往外擴散的低阻力區(qū)，可以構(gòu)成中等安全水平的生態(tài)安全格局。除已確定的生態(tài)源地外，生態(tài)安全格局的其它各組分都可以根據(jù)生態(tài)阻力面的空間特征來判別。根據(jù)前人[12]研究成果，生態(tài)阻力面緩沖區(qū)存在一些有效邊界，隨著緩沖區(qū)邊界向外圍的擴展，生態(tài)源地對擴展的阻力隨之增加，但這種增加并不是線性的，有時非常平緩而有時則非常陡峭。根據(jù)生成的生態(tài)阻力面可以構(gòu)建一種曲線：生態(tài)阻力值與面積(柵格數(shù))的關(guān)系曲線(圖4)，通過這種曲線可以得到某些階段性的門檻值，根據(jù)這些門檻值，在生態(tài)阻力面的空間格局上可以確定緩沖區(qū)的有效邊界，實現(xiàn)緩沖區(qū)劃分的有效性。

從生態(tài)阻力面積與生態(tài)阻力值直方圖分布趨勢中可以直觀地看出面積與生態(tài)阻力值之間存在一些可識別的門檻值，即在這些點附近隨著緩沖區(qū)范圍的擴大或減少，生態(tài)阻力值發(fā)生急劇性變化。如果將緩沖范圍擴展到一定邊界之后，所增加的面積的可利用性及其保護意義會急劇下降，則這樣的一些門檻值可作為緩沖區(qū)劃分的依據(jù)。在圖4中的a點和b點附近生態(tài)阻力值發(fā)生了較為明顯的變化，都發(fā)生了從增大到減小的轉(zhuǎn)變，這兩點可以作為緩沖區(qū)劃分的門檻值。圖4中a點和b點分布對應(yīng)的生態(tài)阻力值為2 983，9 268，將這兩個值作為有效邊界劃分生態(tài)阻力面緩沖區(qū)可以得到延平區(qū)中等安全水平和高安全水平的生態(tài)安全格局(圖5)。從圖5中可以看出，延平區(qū)中等安全水平的生態(tài)安全格局和高安全水平的生態(tài)安全格局都是距離生態(tài)源地一定距離的緩沖區(qū)，面積分別達到了771.17 km2，1 592.79 km2，占到延平區(qū)國土面積的29.00%和59.89%。

表1 福建省南平市延平區(qū)生態(tài)阻力評價指標體系

圖4 生態(tài)阻力值與柵格數(shù)目的關(guān)系

基于生態(tài)保護紅線確立的生態(tài)源地面積為534.51 km2，占到延平區(qū)國土面積的20.10%，構(gòu)成了生態(tài)安全格局的基本骨架，是保障生態(tài)安全的生命線和底線。高安全水平生態(tài)安全格局用地占延平區(qū)的59.89%，主要分布在生態(tài)源地一定距離的緩沖區(qū)內(nèi)，延平區(qū)地貌為以低山丘陵為主，呈現(xiàn)出“八山一水一分田”的空間格局，森林覆蓋率達到了73.6%，高安全水平生態(tài)安全格局是維護延平區(qū)生態(tài)安全的理想生態(tài)安全格局，可以最大限度地保護生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施和提供生態(tài)服務(wù)。中等安全水平生態(tài)安全格局用地面積介于底線型生態(tài)安全格局和理想型生態(tài)安全格局之間，占到延平區(qū)的29.00%，完整包括了延平區(qū)內(nèi)所有關(guān)鍵性生態(tài)用地，并在此基礎(chǔ)上進行了適當擴充，可以作為延平區(qū)緩沖型生態(tài)安全格局，它們對于維護區(qū)域內(nèi)關(guān)鍵生態(tài)工程具有重要意義。緩沖型生態(tài)安全格局既保障了延平區(qū)生態(tài)安全所需的最小生態(tài)用地，也對未來城市發(fā)展可能帶來的環(huán)境影響預(yù)留了緩沖區(qū)域，可以作為延平區(qū)“滿意生態(tài)安全格局”，是同時實現(xiàn)城市空間精明保護與精明增長的基礎(chǔ)(圖5)。

圖5 福建省南平市延平區(qū)不同水平生態(tài)安全格局分布

3.2 生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點構(gòu)建

基于生態(tài)源地和構(gòu)建的生態(tài)阻力面，根據(jù)前文所述方法，共得到13條生態(tài)廊道和5個生態(tài)節(jié)點，生態(tài)廊道的長度共計54.84 km。生態(tài)廊道并不是生態(tài)源地間的最短路徑，是加權(quán)費用相對較小的路徑，且連接各生態(tài)源地形成幾個環(huán)狀廊道布局。結(jié)合構(gòu)建的延平區(qū)底線型、緩沖型和理想型生態(tài)安全格局，將其與生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點組合在一起，可以構(gòu)筑起延平區(qū)具有高中低三種安全水平的綜合生態(tài)安全格局(圖6)，這些生態(tài)安全格局的構(gòu)建將對延平區(qū)生態(tài)安全保障有著潛在的決定性作用。生態(tài)安全格局的構(gòu)建，有助于科學引導人類進行合理的開發(fā)建設(shè)活動，加強對關(guān)鍵生態(tài)敏感區(qū)域進行重點保護，為城市生態(tài)規(guī)劃和城市空間布局提供科學參考，解決城市擴張和生態(tài)環(huán)境破壞之間的矛盾，用最少的環(huán)境代價來實現(xiàn)最有效的發(fā)展，實現(xiàn)城市的精明發(fā)展，為發(fā)展留下盡可能大的空間。

圖6 福建省南平市延平區(qū)綜合生態(tài)安全格局

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

(1) 在生態(tài)保護紅線的基礎(chǔ)上，結(jié)合延平區(qū)山水型城市的特點，將延平區(qū)自然保護區(qū)、森林公園、生態(tài)公益林、水源涵養(yǎng)區(qū)、水庫、河流水系等6種生態(tài)用地類型選為生態(tài)源地，并將其作為延平區(qū)底線型生態(tài)安全格局，作為保障延平區(qū)基本生態(tài)安全所需的最小生態(tài)用地，面積為534.51 km2，占到延平區(qū)的20.10%。

(2) 基于選擇的生態(tài)源地，從地形坡度、土地覆蓋和植被覆蓋等3個方面構(gòu)建生態(tài)阻力的評價指標體系，基于最小累積阻力模型，生成延平區(qū)生態(tài)阻力面。然后根據(jù)生態(tài)阻力面直方圖分布趨勢得到2 983和9 268兩個門檻值，以此為有效邊界劃分生態(tài)阻力面緩沖區(qū)，得到延平區(qū)緩沖型和理想型生態(tài)安全格局，面積分別為771.17和1 592.79 km2，占到延平區(qū)面積的29.00%和59.89%，并將緩沖型生態(tài)安全格局作為延平區(qū)的“滿意生態(tài)安全格局”。

(3) 結(jié)合底線型、緩沖型和理想型生態(tài)安全格局的構(gòu)建，確定了不同安全水平的生態(tài)用地空間分布格局，進一步明確了生態(tài)源地間13條共計54.84 km的生態(tài)廊道和5個關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點，組合形成了延平區(qū)綜合生態(tài)安全格局。

4.2 討 論

(1) 作為山水型城市，山清水秀、環(huán)境優(yōu)美是延平最大的特色，最大優(yōu)勢在生態(tài)、責任在生態(tài)、出路也在生態(tài)。生態(tài)安全格局作為緩解城市發(fā)展和生態(tài)環(huán)境破壞以及耕地面積減少之間矛盾和保障區(qū)域生態(tài)安全的有效途徑之一，通過這個格局可以定義城市的發(fā)展空間，這也是“反規(guī)劃”的核心思想[10]。本文以生態(tài)保護紅線為基本構(gòu)架進行生態(tài)源地選擇，結(jié)合最小累積阻力模型，通過生態(tài)阻力值直方圖分布趨勢分析得到兩個突變點，以此為界構(gòu)筑了延平區(qū)不同安全水平的生態(tài)安全格局，對于延平區(qū)指導城鎮(zhèn)建設(shè)空間布局、合理配置區(qū)域自然資源和綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、充分發(fā)揮其生態(tài)優(yōu)勢具有重要作用。

(2) 本文基于的最小累積阻力模型是一種理想化的計算模型，而且在計算過程中只考慮了生態(tài)源地位置、距離和基面阻力特征，在構(gòu)建生態(tài)阻力評價指標體系時僅從地形坡度、土地覆蓋、植被覆蓋等三方面因素著手，在因子等級劃分和權(quán)重確定時主要通過借鑒前人研究和專家打分的方式獲得。但還有很多其他因素也會對生態(tài)阻力面結(jié)果造成影響，例如生態(tài)源地本身的組成和結(jié)果、驅(qū)動力因素的存在等等，都有待于完善和進一步深入研究。