基于生態(tài)功能重要性和敏感性的安徽省生態(tài)安全格局構(gòu)建

宋偉東

(1.安徽師范大學 地理與旅游學院，安徽 蕪湖 241002；2.江淮流域地表過程與區(qū)域響應安徽省重點實驗室，安徽 蕪湖 241002)

隨著社會經(jīng)濟和人口數(shù)量的快速增長，生態(tài)環(huán)境惡化的情況逐漸加劇，水土流失、生物多樣性減弱和土地沙漠化等問題頻發(fā)，已經(jīng)嚴重威脅區(qū)域生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展，生態(tài)安全問題已經(jīng)成為關(guān)系人民福祉和民族未來的大事，如何保障生態(tài)系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定已經(jīng)成為目前社會各界關(guān)注的熱點[1-3]。生態(tài)安全格局是指以景觀生態(tài)學為理論基礎(chǔ)，針對不同的生態(tài)問題，考慮生態(tài)用地與生態(tài)過程、功能之間的關(guān)系，通過生態(tài)用地數(shù)量、位置以及形態(tài)對關(guān)鍵生態(tài)功能的影響，識別關(guān)鍵的生態(tài)源地和生態(tài)廊道，改善和保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題，為生態(tài)環(huán)境和城市發(fā)展提供空間保障[4-5]。

俞孔堅較早結(jié)合景觀生態(tài)學和生物保護學之間特點，揭示了景觀結(jié)構(gòu)間的關(guān)系[6-7]。不同學者通過生態(tài)用地[8-9]、形態(tài)學[10]、生態(tài)安全因子[11]和景觀功能[12]等方面來進行生態(tài)安全格局的構(gòu)建。近年來，生態(tài)安全格局構(gòu)建的方法愈發(fā)成熟，國內(nèi)外對于生態(tài)安全格局的構(gòu)建也由單一的指標疊加逐漸轉(zhuǎn)向利用“生態(tài)源地識別-生態(tài)阻力面構(gòu)建-生態(tài)廊道提取”的框架[13-16]。但大部分研究集中于市域或者更小尺度的研究[17-20]，多數(shù)學者運用的方法集中于灰色聚類法等指標體系的模型，并且研究對象針對單一地類，基于生態(tài)源地和廊道相關(guān)研究尚不多見[21-26]。而生態(tài)安全問題的產(chǎn)生和發(fā)展并不完全受行政邊界制約，自然空間的連續(xù)性、生態(tài)系統(tǒng)服務的空間流動性，都決定了生態(tài)安全格局的構(gòu)建需要考慮更大地域空間范圍。另外，對于指標體系模型中，評價指標的選取也存在不同[27]。

近年來，安徽省經(jīng)濟增長的同時生態(tài)環(huán)境問題卻日漸顯著。因此，對安徽省構(gòu)建生態(tài)安全格局具有重要意義。目前對安徽省生態(tài)安全格局僅僅從生態(tài)功能區(qū)進行構(gòu)建[28-29]。因此，本研究基于生態(tài)功能重要性和生態(tài)敏感性兩方面的評價方法[30]，對安徽省生態(tài)源地和生態(tài)廊道進行識別，針對不同類型的生態(tài)源地提出相應的保護措施，來構(gòu)建安徽省生態(tài)安全格局。

1 研究區(qū)域概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

安徽省地屬華東地區(qū)，東臨長三角，西接中部?？玳L江、淮河和錢塘江三大流域，地形由平原、山地和丘陵相間排列。氣候?qū)儆谂瘻貛騺啛釒У倪^渡型氣候。2015年底，安徽省戶籍人口達到6 949萬人，全省GDP為22 005.63億元，2000-2015年間，GDP年平均增長率為12%。

1.2 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心，分辨率為100 m；降雨、氣溫和風速數(shù)據(jù)來自安徽省氣象局和中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(2000-2015年)；NPP選用2000-2015年的MOD17A3數(shù)據(jù)，分辨率為1 km；NDVI數(shù)據(jù)為2000-2015年的MYD13A1；數(shù)字高程模型選用來源于地理空間數(shù)據(jù)云的SRTMDEM，空間分辨率為90 m。土壤數(shù)據(jù)來自于南京土壤所土壤調(diào)查數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分辨率為1 km。最終圖像分辨率統(tǒng)一為1 km。

2 研究方法

2.1 生態(tài)安全格局要素評價方法

生態(tài)系統(tǒng)服務是指“生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成和維持的人類賴以生存的自然生態(tài)環(huán)境條件與效用”，是人類通過生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能直接或間接得到的生命支持產(chǎn)品和服務[31-32]。一個區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務功能的高低關(guān)系到這個地區(qū)的生態(tài)安全、生態(tài)產(chǎn)品供給和生態(tài)抵抗退化的能力。本研究通過水源涵養(yǎng)、水土保持和生物多樣性三方面對安徽省生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性進行評價。計算方法如表1所示。

生態(tài)敏感性是指生態(tài)系統(tǒng)抵抗人類活動干擾和環(huán)境變化的響應程度和在發(fā)生生態(tài)退化時自我修復的能力，敏感性的高低反映了該區(qū)域在受到外界影響時，發(fā)生生態(tài)問題的可能性大小[22]。通過對安徽省水土流失、土地沙漠化和石漠化三方面的評價。計算方法如表2所示。

表1 生態(tài)重要性評價因子計算公式

表2 生態(tài)敏感性評價因子計算公式

2.2 生態(tài)源地識別

生態(tài)源地一般由生態(tài)系統(tǒng)服務功能較重要、生態(tài)敏感性較高的斑塊組成[11]。本文根據(jù)安徽省自身的地理環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性與敏感性的計算方法，來判別生態(tài)源地，對研究區(qū)的各生態(tài)重要性評價因子和生態(tài)敏感性評價因子歸一化后相加，將其相加結(jié)果分成極重要、重要、中等重要、一般重要和不重要五個等級，并將中等重要及其以上三個等級的區(qū)域合并，代表生態(tài)源地，并剔除面積小于10 km2，分布零碎的斑塊。

2.2 生態(tài)阻力面構(gòu)建

生態(tài)源地之間的物種和能量的聯(lián)通和聯(lián)系，會受到周圍環(huán)境和人類活動的干擾，干擾程度的大小主要受所經(jīng)過的土地利用類型的不同而影響[13]。參考安徽省生態(tài)環(huán)境和相關(guān)研究成果[8]，本文將安徽省各類土地利用類型的基本生態(tài)阻力系數(shù)設(shè)定為：林地 1，草地 20，耕地 30，水域 50，未利用土地400，建筑用地500。

2.3 生態(tài)廊道識別

生態(tài)廊道是與兩側(cè)基質(zhì)不同的線狀或帶狀的要素，是連接重要生態(tài)源地和物種遷移擴散的重要路徑[34]。識別生態(tài)廊道并加以保護對研究區(qū)維護生態(tài)穩(wěn)定性和生態(tài)要素的流動至關(guān)重要。確定生態(tài)廊道的方法基于Knaapen提出的最小阻力模型[35]，基本公式如下：

式中，MCR為最小累計阻力值，Dij為物種從源地j到目標地i的空間距離，Ri為景觀單元i對于物種移動的阻力系數(shù)，f表示最小累積阻力和生態(tài)過程的正相關(guān)關(guān)系。

根據(jù)最小累計阻力模型的基于圖層方式，可以提取出每個區(qū)到剩余n-1(n為生態(tài)源地個數(shù))個生態(tài)源地的最小耗費路徑，此時，只有一個源與一個相應的目標點相連接，作為生態(tài)源地間的關(guān)鍵廊道；再依次提取單個生態(tài)源地到其他所有源的最小耗費路徑作為潛在生態(tài)廊道。

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)重要性要素評價

由表1與2中的公式，得到生態(tài)重要性要素評價結(jié)果如圖1和2。在水源涵養(yǎng)功能方面，極重要區(qū)域更多分布在南部高海拔地區(qū)，其原因是南部地區(qū)較西部大別山地區(qū)降水更為充足，植被凈初級生產(chǎn)力較高，致使水源涵養(yǎng)能力高于大別山地區(qū)，整體水源涵養(yǎng)能力較弱，中等重要及其以上區(qū)域只占全省總面積的30.25%，且分布集中，主要原因是降水較多，但是對于降水的截流、滲透等能力較弱，導致降水過多地累積在地表，這也和經(jīng)常發(fā)生洪澇災害現(xiàn)象相關(guān)。水土保持功能重要性方面，重要和極重要地區(qū)主要分布在地勢較高的南部的黃山地區(qū)和西部的大別山地區(qū)，此外還零散地分布在來安縣、滁州市和全椒縣等地，這些地區(qū)的海拔較高、地形起伏較大、土壤可蝕性較高，易發(fā)生土壤侵蝕和水土流失等問題。生物多樣性重要性分布呈現(xiàn)出明顯的帶狀特征，由北往南，重要性逐漸增加，主要原因是南部降水較多、氣溫較高，對生物生長和棲息環(huán)境有利；在相同緯度的情況下，地勢較高的地區(qū)重要性更高，土地利用類型以林地為主，是生物物種聚集和棲息的重要地帶。

圖1 生態(tài)重要性評價因子結(jié)果分布圖

圖2 生態(tài)重要性評價因子面積

3.2 生態(tài)敏感性要素評價

生態(tài)敏感性要素評價結(jié)果如圖3和4，其中水土流失中極敏感、敏感和中等敏感區(qū)域三種等級的區(qū)域主要分布在坡度較高和地表植被較多地區(qū)，其中極敏感區(qū)域主要分布在研究區(qū)黃山山脈和大別山地區(qū)，這些地區(qū)降雨充足、地形坡度較高，土壤可蝕性高，致使降雨侵蝕力高，是水土流失的高發(fā)地帶。在土地沙漠化敏感性評價方面，極重要地區(qū)主要分布在大別山南部、黃山地區(qū)的中部和安徽省的西北部，對于山區(qū)來說，主要是由于植被覆蓋度比重高、坡度較高，而且沙風天數(shù)較多，北部的極敏感地區(qū)則是因為天氣干燥導致。在土地石漠化敏感性評價方面總體來看，安徽省的土地沙漠化敏感性普遍偏低，60%的地區(qū)屬于不重要地區(qū)。而對于前三敏感的地區(qū)來說，主要都是分布在高海拔和植被高覆蓋地區(qū)。

圖3 生態(tài)敏感性評價因子結(jié)果分布圖

圖4 生態(tài)敏感性性評價因子面積

3.3 生態(tài)安全格局構(gòu)建

生態(tài)源地分布如圖5所示。整體來看，生態(tài)源地的面積達到了62 150.34 km2，占整個安徽省面積的44.7%。生態(tài)源地分布相對集中在安徽省南部和東部地區(qū)，還有一些生態(tài)源地零散地分布在北邊的蒙城縣、泗縣和太和縣等，北部其他縣市雖然也有分布，但是面積相對較少。

將生態(tài)源地分成生態(tài)源地過渡區(qū)、緩沖區(qū)和核心區(qū)三個等級[36]，其分布和土地利用占比如圖6和表3所示?？梢钥闯觯焊卦谌可鷳B(tài)源地中占比最大，達到了52.68%；核心區(qū)只有12.6%；占比最多的為林地；過渡區(qū)到核心區(qū)耕地占比逐漸減少，林地占比逐漸增加，在核心區(qū)林地占比達到了75.16%。這表明林地對于生態(tài)安全的維護具有重要作用。生態(tài)源地核心區(qū)是生態(tài)源地最重要區(qū)域，除禁止建筑用地和耕地的擴張外，還需要制定相關(guān)的規(guī)定來對此區(qū)域進行必要的保護，采取退耕還草、封山育林等保護措施；針對緩沖區(qū)，大多分布在平原與丘陵、山地相交地帶，林地與耕地交錯，需要適當劃分好耕地和林地區(qū)域，適當實施退耕還林的措施，保護林地和草地區(qū)域，控制建筑用地的擴張；對于生態(tài)源地過渡區(qū)，大多分布在平原地區(qū)，耕地占比較大，相關(guān)部門需要加強對于耕地的保護，這一區(qū)域建筑用地占比較多，除了適當控制建筑用地的擴張之外，還需要對已有建筑用地的地區(qū)提出禁止污染，提高土地利用效率等要求，注重不同土地利用之間的兼顧和依存關(guān)系，讓耕地、林地和建筑用地實現(xiàn)動態(tài)平衡。

表3 生態(tài)源地分級土地利用類型

圖5 生態(tài)源地分布

根據(jù)生態(tài)廊道的24個目標地，提取生態(tài)廊道，結(jié)果如圖7所示。在24個生態(tài)源地得到共19條關(guān)鍵生態(tài)廊道和93條潛在生態(tài)廊道。安徽省潛在生態(tài)廊道長度總長為5 072.32 km，關(guān)鍵生態(tài)廊道長度為246.63 km，關(guān)鍵生態(tài)廊道長度僅占全部廊道長度的4.8%，關(guān)鍵生態(tài)廊道不僅可以保證生態(tài)過程的進行，還可很好地發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)服務功能，滿足生物物種溝通和能量傳輸?shù)男枰?，維持了生態(tài)功能的連續(xù)性[12]。空間分布上，關(guān)鍵生態(tài)廊道并沒有完全將所有生態(tài)源地相連，主要依靠潛在生態(tài)廊道保持所有生態(tài)源地之間的連通性，而關(guān)鍵廊道其主要分為四塊區(qū)域，安徽省北部的蕭縣-泗縣關(guān)鍵廊道和太和縣-蒙城縣-長豐縣之間的關(guān)鍵廊道；安徽省東部的滁州市關(guān)鍵廊道，還有南部丘陵地區(qū)和大別山地區(qū)之間關(guān)鍵廊道。潛在生態(tài)廊道在大別山地區(qū)、滁州市、合肥市和馬鞍山市交界處還有合肥市、蒙城縣和鳳陽縣這三塊區(qū)域聯(lián)系較為緊密，這也與關(guān)鍵生態(tài)廊道分布相似。

圖6 生態(tài)源地分級

通過潛在生態(tài)廊道，可以使生態(tài)源地間的連通性更加完整，和關(guān)鍵生態(tài)廊道一起構(gòu)成更高水平的生態(tài)安全格局，充分發(fā)揮生態(tài)源地的生態(tài)功能，保障安徽省生態(tài)源地的生態(tài)安全。生態(tài)廊道所經(jīng)過的土地利用類型的長度最多的三種類型為耕地、林地和草地。分布主要分布在人為活動較少、植被覆蓋較多的地帶；生態(tài)廊道要實現(xiàn)不同生態(tài)源地之間的連通，所以識別的生態(tài)廊道會出現(xiàn)穿過建設(shè)用地和未利用土地的情況。通過生態(tài)安全格局的構(gòu)建，可以對特定生態(tài)過程的有效調(diào)控，從而保障生態(tài)系統(tǒng)功能及服務的充分發(fā)揮[20]。由圖7可知，面積較多的土地利用類型為耕地和林地。這些區(qū)域動植物物種豐富，地表植被多，生態(tài)系統(tǒng)重要性和敏感性也較高，是全省優(yōu)先保護的重點區(qū)域。此外，在實施退耕還林、荒山造林等措施的同時，不可盲目造林，要考慮土地承載力和自身特性，還需要加強對土地質(zhì)量的保護，安徽省整體的海拔相差大、土壤質(zhì)地和氣候環(huán)境在南北分布極為不均，北方耕地較多，南邊林地比重大，而且安徽省山區(qū)水土流失嚴重、皖江流域也常年發(fā)生洪澇災害，需要因地制宜地開展相關(guān)生態(tài)保護措施。

生態(tài)廊道由關(guān)鍵生態(tài)廊道和潛在生態(tài)廊道組成。從總體來看可以將生態(tài)網(wǎng)絡分為“三軸一環(huán)一網(wǎng)”。“三軸”分別由蕭縣-泗縣、太和縣-長豐縣、和大別山山區(qū)-黃山丘陵三條關(guān)鍵廊道軸線組成，“一環(huán)”為滁州市及其地級縣構(gòu)成，“一網(wǎng)”則是由潛在生態(tài)廊道生成。蕭縣-泗縣、太和縣-長豐縣兩條關(guān)鍵生態(tài)廊道將北部零散的生態(tài)源地相連。前者位于宿州市，地貌要素的差異較大，大體上可分為丘陵、臺地、平原三大類型，而后者橫跨亳州市、淮南市和合肥市，地域差異大，城市人口多。滁州的關(guān)鍵生態(tài)廊道將滁州市及其地級縣相連接，這片區(qū)域不僅跨長江、淮河兩大流域，也有連接秦嶺—大別山脈的皖山山脈，是生態(tài)重要性和敏感性的重要區(qū)域，要加強生態(tài)保護和監(jiān)測，防止建筑用地破環(huán)生態(tài)廊道；大別山山區(qū)與黃山丘陵地帶的關(guān)鍵廊道將兩片海拔較高的地區(qū)的生態(tài)源地連接，實現(xiàn)了山區(qū)間生態(tài)過程的連續(xù)性和生態(tài)功能的完整性。“一網(wǎng)”則由潛在廊道構(gòu)成，基本覆蓋了整個研究區(qū)，將每個生態(tài)源地間相連接，實現(xiàn)了生態(tài)源地之間的互通。

面向省域構(gòu)建生態(tài)安全格局，需要從系統(tǒng)和整體的視角來審視生態(tài)空間的分布和保護，在維護生態(tài)安全的過程中，要保證生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過程不被破壞，基于省級管控模式，建立相應的保護制度；另外，除政府之外，企業(yè)和個人也應當承擔維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、保護生態(tài)環(huán)境的責任，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，進而推進生態(tài)保護和改善生態(tài)環(huán)境；其次，對于已經(jīng)破壞的生態(tài)資源，要完善生態(tài)修復和補償機制；最后，所構(gòu)建的安徽省生態(tài)格局要確保生態(tài)功能不降低、面積不減少、性質(zhì)不改變，維護生態(tài)安全，促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。

圖7 生態(tài)廊道分布

4 小結(jié)

本文基于生態(tài)功能重要區(qū)和敏感區(qū)，利用最小累計阻力模型，對安徽省生態(tài)源地和生態(tài)廊道進行識別，構(gòu)建了安徽省生態(tài)安全格局，得出以下結(jié)論：安徽省生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性空間分布從北向南重要性逐漸上升，在南部黃山地區(qū)達到最大值，安徽省生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性和敏感性區(qū)域分布不均；安徽省生態(tài)源地占安徽省總面積的44.7%，其面積達到了62 150.34 km2。