基于GIS與Fragstats的安徽省生態(tài)安全格局研究

白星亮　任沖　李景宜　徐云環(huán)　馬曉武　馬力

摘要 從區(qū)域生態(tài)安全重要性和敏感性角度出發(fā)，結(jié)合景觀生態(tài)指數(shù)，構(gòu)建安徽省生態(tài)安全格局評(píng)估指標(biāo)體系，繪制安徽省生態(tài)安全格局圖。結(jié)果表明：安徽省生態(tài)安全格局總面積為41 083.46 km2，占全省面積的29.53%，主體部分以大別山生態(tài)屏障和黃山生態(tài)屏障為支撐，總面積為30 883.63 km2，長(zhǎng)江干流水生態(tài)廊道為屏障鏈接，巢湖等其他湖泊濕地為生態(tài)格局重要組成成分，總面積為1 130.74 km2。

關(guān)鍵詞 生態(tài)安全格局;生態(tài)重要性;生態(tài)敏感性;景觀生態(tài)指數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào) X826文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2020）13-0070-08

Abstract Combined with the landscape ecological index， the assessment index system of ecological security pattern in Anhui Province was constructed from the perspective of ecological safety importance and sensitivity. On the basis of the above research， the ecological security pattern map of Anhui Province was drawn. The results show that the total area of ecological security pattern in Anhui Province is 41 083.46 km2， accounting for 29.53% of the provinces total area. The main part is supported by the Dabie Mountain Ecological Barrier and the Huangshan Ecological Barrier， with a total area of 30 883.63 km2. The barrier link is the Yangtze River mainstream water ecological corridor， and the important components of the ecological pattern are others lakes and wetlands such as Chaohu， with the total area is 1 130.74 km2.

Key words Ecological security pattern;Ecological importance;Ecological sensitivity;Landscape ecological index

生態(tài)安全是人類(lèi)賴(lài)以生存的環(huán)境安全狀況。近年來(lái)，人類(lèi)對(duì)自然生態(tài)環(huán)境施加了前所未有的影響，環(huán)境污染、土地退化、森林減少、生物多樣性喪失等一系列嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題嚴(yán)重威脅了國(guó)家和區(qū)域生態(tài)安全。區(qū)域生態(tài)安全格局研究已成為生態(tài)安全領(lǐng)域前沿研究方向之一[1]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究者在區(qū)域生態(tài)安全領(lǐng)域開(kāi)展了大量系統(tǒng)及精細(xì)的研究。研究重點(diǎn)主要集中在概念及理論探討、指標(biāo)體系設(shè)計(jì)、綜合模型構(gòu)建、評(píng)價(jià)方法研究等領(lǐng)域。其中，我國(guó)學(xué)者基于生態(tài)安全重要性和敏感性理論構(gòu)建生態(tài)安全格局已成為當(dāng)前研究領(lǐng)域的最重要方法[2-7]。與此同時(shí)，隨著景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展，景觀生態(tài)與生態(tài)保護(hù)研究也在逐步展開(kāi)[8-9]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)城市面臨的多種問(wèn)題都與景觀的組成分布格局有關(guān)[8]。城市化改變景觀格局和生態(tài)功能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（ESS）下降[9]。移動(dòng)窗口法等方法用于景觀分布格局的研究[10-12]。景觀破碎化程度影響生物多樣性程度[13]，連通性指數(shù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的退化程度也有重要影響[14]。

為構(gòu)建完整生態(tài)預(yù)警機(jī)制，保障生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，安徽省依據(jù)生態(tài)環(huán)境部頒布的《生態(tài)保護(hù)紅線劃定技術(shù)指南》發(fā)布了全省生態(tài)保護(hù)紅線[15-16]。然而，由于安徽地理位置特殊性和經(jīng)濟(jì)地位重要性，生態(tài)保護(hù)紅線的劃定與全國(guó)其他地區(qū)略有差異[17-18]。若以全國(guó)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建安徽生態(tài)紅線，則會(huì)出現(xiàn)生態(tài)保護(hù)與生態(tài)安全格局的協(xié)調(diào)和差異問(wèn)題[19-21]，生態(tài)保護(hù)紅線方案的實(shí)際效益和補(bǔ)償價(jià)值將有所折損[22-24]。另外，已有研究表明安徽省生態(tài)安全現(xiàn)狀與格局分布有發(fā)生改變的跡象[2]，具體表現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性和敏感性出現(xiàn)南北分布差異，生態(tài)廊道集中于長(zhǎng)江沿岸，生態(tài)源地向皖南地區(qū)集中[25]，以西部大別山和南部黃山生態(tài)屏障為重要保障的安徽省生態(tài)安全格局逐步顯現(xiàn)。

綜上，已有研究?jī)?nèi)容多數(shù)傾向于生態(tài)安全重要性與敏感性的單獨(dú)探討，尚未能從景觀生態(tài)學(xué)角度對(duì)生態(tài)安全進(jìn)行全面綜合的考量，使得生態(tài)安全格局與景觀生態(tài)分布之間的聯(lián)系略有不足。該研究將從生態(tài)安全重要性、生態(tài)安全敏感性角度出發(fā)，依托景觀生態(tài)指數(shù)，構(gòu)建安徽省生態(tài)安全格局，進(jìn)一步豐富省域生態(tài)安全評(píng)價(jià)實(shí)證研究和分析，為區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)和政府制定相關(guān)政策提供技術(shù)支撐和決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

1.1 研究區(qū)概況

安徽省位于114°54′～119°37′E，29°41′～34°38′N(xiāo)，地處長(zhǎng)江下游，跨長(zhǎng)江、淮河和錢(qián)塘江三大流域，面積1.401×105 km2，約占全國(guó)總面積1.45%（圖1）。秦嶺-淮河地理分界線橫貫全省，全省自北向南可分為淮北平原、江淮丘陵、大別山區(qū)、沿江平原和皖南山區(qū)五大自然區(qū)域。氣候?qū)賮啛釒蚺瘻貛н^(guò)渡型，年均氣溫14～17 ℃，平均日照1 800～2 500 h，無(wú)霜期200～250 d，平均降水量800～1 800 mm。全省森林覆蓋率28.65%。下轄16個(gè)省轄市，8個(gè)縣級(jí)市，53個(gè)縣，44個(gè)市轄區(qū)，是長(zhǎng)三角的重要組成部分，處于全國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略要沖和國(guó)內(nèi)幾大經(jīng)濟(jì)板塊的對(duì)接地帶。《2016年生態(tài)文明建設(shè)年度評(píng)價(jià)結(jié)果公報(bào)》顯示，安徽省綠色發(fā)展指數(shù)不足全國(guó)平均水平，為79.02，居于19位;全省人均耕地面積為全國(guó)平均水平的97.1%，人均濕地面積為全國(guó)均值的43.4%;全省輕度污染湖泊水庫(kù)有29座，輕度污染河流有101條;空氣優(yōu)良天數(shù)比例為74.3%。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《安徽統(tǒng)計(jì)年鑒（2010—2016）》，高程數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站GDEMV2 30 m分辨率數(shù)字高程模型，蒸散發(fā)數(shù)據(jù)來(lái)源于NASA網(wǎng)站（https：∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov），NPP數(shù)據(jù)來(lái)源于全國(guó)生態(tài)狀況遙感調(diào)查與評(píng)估成果NPP數(shù)據(jù)集，氣溫和降水資料來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，土壤數(shù)據(jù)來(lái)源于全國(guó)生態(tài)環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)，土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于清華大學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)站分辨率為10 m土地利用圖（http：∥data.ess.tsinghua.edu.cn/）。

1.3 研究方法

以構(gòu)建安徽省生態(tài)安全格局為目標(biāo)，綜合定性判定和定量評(píng)估2種分析方法，開(kāi)展生態(tài)保護(hù)功能評(píng)估，以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性、生態(tài)環(huán)境敏感性為評(píng)估指標(biāo)，結(jié)合景觀生態(tài)指數(shù)，合理劃定識(shí)別生態(tài)安全格局重要區(qū)域。

1.3.1 區(qū)域生態(tài)安全重要性。

區(qū)域生態(tài)安全重要性評(píng)估使用NPP定量指標(biāo)評(píng)估方法[15]，結(jié)合安徽省地域氣候特征，不考慮防風(fēng)固沙重要性評(píng)估，選擇水源涵養(yǎng)、水土保持和生物多樣性保護(hù)3項(xiàng)指標(biāo)為生態(tài)功能重要性評(píng)估對(duì)象，分別建立評(píng)估模型，針對(duì)安徽省地域生態(tài)現(xiàn)狀，選擇不同的等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。各評(píng)估對(duì)象的模型公式如下。

式（7）含義為景觀中各斑塊類(lèi)型所占景觀面積乘以各斑塊類(lèi)型之間相鄰的格網(wǎng)單元數(shù)目占總相鄰的格網(wǎng)單元數(shù)目的比例，乘以該值的自然對(duì)數(shù)之后的各斑塊類(lèi)型之和，除以2倍的斑塊類(lèi)型總數(shù)的自然對(duì)數(shù)，其值加1后再轉(zhuǎn)化為百分比的形式。其中，Pi為斑塊類(lèi)型占用的景觀比例i;gik為基于重復(fù)計(jì)數(shù)方法的斑塊類(lèi)型i和k的像素之間的鄰接或連接數(shù);m為景觀中存在的斑塊類(lèi)型數(shù)量。CONTAG值越小，表明景觀中存在越多小斑塊，越接近100表明景觀中有連通度高的優(yōu)勢(shì)斑塊類(lèi)型存在。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)安全重要性

運(yùn)用ArcGIS軟件綜合計(jì)算安徽省水源涵養(yǎng)服務(wù)功能、水土保持服務(wù)功能和生物多樣性服務(wù)功能空間分布（圖2）。

安徽省水源涵養(yǎng)能力高值出現(xiàn)在六安市南部和安慶市北部的大別山區(qū)，池州市東南部和黃山市大部的黃山山脈群，以及中部北部主要江河湖地帶，最大值為280 826，低值出現(xiàn)在北部平原區(qū)域，最低值為6 821，極差為274 005。全省平均值為45 136，整體分布態(tài)勢(shì)為南多北少，西多東少，山地水源涵養(yǎng)能力高于平原地區(qū)，個(gè)別低值區(qū)集中出現(xiàn)在長(zhǎng)江兩岸灘涂地帶。

安徽省水土保持能力總體良好，分布狀況和水源涵養(yǎng)功能分布類(lèi)似，高值區(qū)出現(xiàn)在西部大別山區(qū)和東南部黃山區(qū)，主要包括六安市、安慶市、池州市和黃山市，最高值為759，平均值為391。北部平原地帶水土保持能力較好，中東部滁州市山區(qū)丘陵地帶有較完整的水土保持能力集中區(qū)，總體呈南多北少，東南多西北少分布。

安徽省生物多樣性分布集中于山區(qū)丘陵地帶，以南部黃山市黃山區(qū)為代表，以及宣城市黃山余脈地帶、安慶市中部平原山地交匯地帶等，呈現(xiàn)南多北少的分布狀況。

2.1.1 水源涵養(yǎng)功能重要性分析。

式（1）計(jì)算出水源涵養(yǎng)功能空間分布后，在ArcGIS柵格計(jì)算器（Spatial Analyst → Raster Calculator）中將安徽省水源涵養(yǎng)功能空間分布柵格圖采用最大最小值法將數(shù)據(jù)歸一化到0～1，導(dǎo)出柵格數(shù)據(jù)屬性表，屬性表記錄了每一個(gè)柵格像元的水源涵養(yǎng)服務(wù)值，將該組服務(wù)值求和，計(jì)算累加服務(wù)值[15]。將水源涵養(yǎng)服務(wù)值按從高到低的順序排列，經(jīng)詳細(xì)試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)將累加服務(wù)值占水源涵養(yǎng)服務(wù)值比例的 90%與 80%所對(duì)應(yīng)的柵格值作為水源涵養(yǎng)服務(wù)功能評(píng)估分級(jí)的分界點(diǎn)，最能體現(xiàn)分級(jí)特征。利用ArcGIS重分類(lèi)工具，將水源涵養(yǎng)功能重要性分為三級(jí)，即極重要、重要和一般重要[15]。提取極重要區(qū)域并剔除面積不足1 km2區(qū)域作為安徽省水源涵養(yǎng)能力生態(tài)安全格局分布。

水源涵養(yǎng)極重要區(qū)域主要集中在長(zhǎng)江沿線、皖西大別山區(qū)、皖南黃山區(qū)、巢湖以及中北部部分河流濕地，總體呈現(xiàn)南多北少的分布狀況（圖3）。長(zhǎng)江作為水生態(tài)安全控制點(diǎn)，是水源涵養(yǎng)極為重要的組成部分;大別山區(qū)和黃山區(qū)有充足的林木可以鎖住大量水分，是全省水源涵養(yǎng)能力的重點(diǎn)區(qū)域;巢湖以及其他河湖濕地對(duì)水源涵養(yǎng)有著較為明顯的調(diào)節(jié)作用。

2.1.2 水土保持功能重要性分析。

式（2）計(jì)算出水土保持功能分布后，數(shù)據(jù)歸一化導(dǎo)出服務(wù)值屬性表并按從大到小順序排列，經(jīng)試驗(yàn)分析確定將總值占水土保持服務(wù)總值比例的60%與40%所對(duì)應(yīng)的服務(wù)值作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估分級(jí)的分界點(diǎn)，并將其重分類(lèi)為三級(jí)重要性。提取極重要區(qū)域并剔除面積不足1 km2區(qū)域作為安徽省水土保持能力生態(tài)安全格局分布。

水土保持極重要區(qū)域集中在皖西大別山區(qū)、皖東南黃山區(qū)和皖東滁州市中部山區(qū)（圖4），該區(qū)域林木較多，尤其適宜喬木灌叢等植被生長(zhǎng)，植被對(duì)水土的依附性又可以保證水土不被流失。

2.1.3 生物多樣性保護(hù)重要性分析。

計(jì)算安徽省生物多樣性保護(hù)功能服務(wù)值，經(jīng)試驗(yàn)重要性分界點(diǎn)選擇80%和95%，重分類(lèi)后得出生物多樣性保護(hù)重要性分級(jí)。提取極重要區(qū)域并剔除斑塊面積不足1 km2區(qū)域，作為安徽省生物多樣性保護(hù)生態(tài)安全格局分布。

生物多樣性表現(xiàn)為動(dòng)植物種類(lèi)數(shù)量和集聚程度，安徽省從北向南依次為平原、丘陵、山地分級(jí)，平原地區(qū)生物多樣性明顯弱于南部山地，黃山區(qū)為全省生物多樣性高值區(qū)，總體呈現(xiàn)南多北少分布態(tài)勢(shì)，西部大別山南麓出現(xiàn)斑塊狀生物多樣性高值區(qū)（圖5）。山區(qū)林木茂盛，自然環(huán)境豐富多樣，適宜更多生物生長(zhǎng)繁殖。

2.2 水土流失敏感性分析

根據(jù)通用水土流失方程的基本原理，依據(jù)評(píng)估模型計(jì)算得水土流失敏感性指數(shù)，并對(duì)其歸一化處理，結(jié)合水土流失強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和專(zhuān)家知識(shí)[33-34]，將安徽省水土流失敏感性指數(shù)分級(jí)為一般敏感、敏感、極敏感，得出安徽省水土流失敏感性分級(jí)。提取極敏感區(qū)域并剔除斑塊面積不足1 km2區(qū)域作為安徽省生態(tài)敏感性格局。

綜合全省水土流失敏感性指數(shù)來(lái)看，極敏感區(qū)域主要集中在皖南黃山區(qū)，皖西大別山部分區(qū)域，以及大別山、黃山余脈延伸區(qū)，整體呈現(xiàn)東南多西北少的趨勢(shì)（圖6）。黃山和大別山作為重要旅游資源地，在旅游開(kāi)發(fā)過(guò)程中難免存在生態(tài)與發(fā)展間的矛盾，水土流失問(wèn)題雖不甚于我國(guó)西北地區(qū)，但從全省來(lái)看，兩大山區(qū)應(yīng)注重保持水土等相關(guān)舉措，嚴(yán)防水土流失敏感性問(wèn)題擴(kuò)大化。

2.3 景觀生態(tài)指數(shù)分析

2.3.1 景觀破碎度與景觀完整性分析。

景觀分裂指數(shù)（DIVISION）與斑塊密度指數(shù)（PD）類(lèi)似，所得均可顯示區(qū)域內(nèi)景觀種類(lèi)的復(fù)雜程度。通過(guò)對(duì)1 km、500 m、250 m的窗口調(diào)試分析，250 m窗口大小較能反映全省景觀的分布情況。在Fragstats軟件中得出全省DIVISION和PD的空間分布格局（圖7）。

全省范圍內(nèi)分裂指數(shù)和密度指數(shù)分布相似。高值區(qū)主要集中于淮河支流區(qū)域，西部大別山北麓和南麓，長(zhǎng)江沿線，以及馬鞍山市、蕪湖市、宣城市交匯地帶（圖7）。對(duì)照安徽省土地利用圖，發(fā)現(xiàn)北部高值區(qū)成因在于河流周?chē)鶠楦囟癸@;長(zhǎng)江沿線和大別山南北麓高值區(qū)內(nèi)土地利用類(lèi)型復(fù)雜多樣，河流、農(nóng)田、城鎮(zhèn)以及其他土地利用類(lèi)型均有分布，三市交匯地區(qū)土地利用更為復(fù)雜。剔除分布格局中土地利用類(lèi)型為建設(shè)用地和農(nóng)田的區(qū)域，按照從小到大順序排列其余指數(shù)值，計(jì)算累加指數(shù)值。由于景觀分裂指數(shù)與斑塊密度指數(shù)表達(dá)意義相反：分裂指數(shù)越高，區(qū)域內(nèi)景觀分布越離散，破碎度越高;密度指數(shù)越高，區(qū)域內(nèi)景觀種類(lèi)越多，景觀完整性越低。通過(guò)對(duì)指數(shù)值占累加值比例的40%、60%、80%作為分級(jí)關(guān)鍵點(diǎn)試驗(yàn)分析后，發(fā)現(xiàn)60%～100%區(qū)域內(nèi)指數(shù)值最能作為景觀破碎度高值區(qū)和景觀完整性低值區(qū)（圖8）。

剔除農(nóng)田和建設(shè)用地后，景觀破碎度高值區(qū)和景觀完整性低值區(qū)出現(xiàn)在大別山南麓，長(zhǎng)江沿線，馬鞍山、蕪湖、宣城三市交匯地帶（圖8），表明當(dāng)前區(qū)域內(nèi)林地河湖等土地利用類(lèi)型分布較為分散，景觀特征表現(xiàn)為區(qū)域內(nèi)同種土地利用類(lèi)型獨(dú)立分布，其中長(zhǎng)江沿線極值區(qū)成因與長(zhǎng)江沿線斑塊狀分布的沿江防護(hù)林有關(guān)。省內(nèi)其他地區(qū)的極值區(qū)與單獨(dú)出現(xiàn)的河湖濕地有關(guān)。

2.3.2 蔓延度分析。使用Fragstats計(jì)算出安徽省蔓延度，高值說(shuō)明景觀中某種優(yōu)勢(shì)斑塊類(lèi)型形成良好的連接性，反之則表明景觀是具有多種要素的分布格局。剔除城鎮(zhèn)農(nóng)田所在區(qū)域，經(jīng)試驗(yàn)將蔓延度值低于60%的區(qū)域選為低值區(qū)。

相比于DIVISION和PD指標(biāo)，蔓延度低值區(qū)有更廣的分布范圍，除大別山和黃山地區(qū)外，東部滁州市境內(nèi)山區(qū)也存在低蔓延度地區(qū)（圖9），表明該地區(qū)景觀類(lèi)型較為豐富，各斑塊間連接性較低。