基于生態(tài)系統(tǒng)服務評價與最小阻力模型的生態(tài)安全格局構建
——以臨滄市為例

劉 芳，張星梓，任 靜，劉岳雄，王萬賓

(云南省生態(tài)環(huán)境科學研究院，云南 昆明 650034)

0 引言

近年來生態(tài)安全從國家安全、全球安全, 維護人類自身安全等方面都愈發(fā)突出其重要性(肖篤寧等，2002；鄒長新等，2003)，生態(tài)安全的研究方向也從概念及過程探討漸漸轉向了應用分析(Liu,2015)，同時有學者將景觀生態(tài)學的格局與過程相互作用理念引入生態(tài)安全的研究(彭建等，2017)，不同學者基于景觀生態(tài)學的理論框架對區(qū)域生態(tài)安全格局進行構建(俞孔堅，2009；蒙吉軍等，2012；王讓虎等，2014)。 區(qū)域生態(tài)安全格局(ecological security)，是指針對區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題，在干擾排除的基礎上，能夠保護和恢復生物多樣性、維持生態(tài)系統(tǒng)結構和過程的完整性、實現(xiàn)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題有效控制和持續(xù)改善的區(qū)域性空間格局(馬克明等，2004)。MCR模型的優(yōu)勢在于它綜合考慮了景觀單元間的水平聯(lián)系，而非景觀單元內(nèi)部的垂直過程，因此，能夠較好地反映生態(tài)安全格局的內(nèi)在有機聯(lián)系，在生態(tài)安全格局優(yōu)化方面具有良好的適用性和擴展性(李晶等，2013)。

本文以臨滄市為研究區(qū)域，以最小累積阻力模型構建臨滄市生態(tài)安全格局體系。首先通過生態(tài)系統(tǒng)服務重要性和生態(tài)敏感性評價，將臨滄市極重要和極敏感區(qū)域作為MCR生態(tài)安全格局構建的源地，綜合考慮距離居民點、道路、水系的距離，土地利用、植被覆蓋、地形因素等因子來構建生態(tài)源地擴張的阻力面，通過層次分析法確定各阻力面權重，計算臨滄市生態(tài)源地擴張綜合阻力面。通過綜合阻力面分析臨滄市生態(tài)安全水平、生態(tài)廊道、戰(zhàn)略節(jié)點。為優(yōu)化區(qū)域國土空間布局和生態(tài)安全管理提供科學參考。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

臨滄市地處云南省西南部，位于東經(jīng)98°40′～100°32′，北緯23°05′～25°03′，北回歸線橫穿轄區(qū)南部，瀾滄江、怒江流經(jīng)轄區(qū)東、西兩側，東鄰普洱市，北連大理州，西接保山市，西南與緬甸交界。國境線長290.79km。國土面積2.4萬km2。市政府駐地距省會昆明598km。臨滄市地處橫斷山系怒山山脈南延部分，屬滇西縱谷區(qū)。全境重巒疊嶂，群峰縱橫。境內(nèi)最高點為海拔3429m的永德大雪山，最低點為海拔450m的孟定清水河，相對高差達2979m。地勢中間高，四周低，并由東北向西南逐漸傾斜。臨滄市屬亞熱帶低緯高原山地季風氣候，地形地勢復雜，是一個多種氣候類型的地區(qū)。主要受印度洋暖濕氣流和西南季風的影響，四季區(qū)分不明顯，但干雨季分明，雨水較多，日照時間長，年平均日照數(shù)在2000h以上，霜期較短，部分地區(qū)終年無霜；立體氣候明顯，平均氣溫山區(qū)年為13～15℃，中海拔壩區(qū)為16～18℃，低海拔河谷地區(qū)在19℃以上。臨滄市野生動物中有獸類121種、鳥類413種、爬行類55種、兩棲類35種、魚類85種，有重點保護野生動物97種，其中國家一級重點保護野生動物19種、國家二級重點保護野生動物73種、省級重點保護野生動物5種。滄源南滾河流域是中國亞洲象的第二分布區(qū)，豚鹿、黑長臂猿滇西亞種、白掌長臂猿在中國僅分布于臨滄。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

研究中用到的數(shù)據(jù)有：歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)、植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)數(shù)據(jù)、土壤屬性數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)(氣溫、降水)、道路圖、水系圖等。

其中NDVI數(shù)據(jù)為MODIS植被指數(shù)16d合成產(chǎn)品MOD13Q1，來源于地理空間數(shù)據(jù)云，空間分辨率500m。土地利用數(shù)據(jù)來源于全國地理信息資源目錄服務系統(tǒng)中的全球地表覆蓋數(shù)據(jù)，為2010年，空間分辨率30m，主要地表覆蓋類型有耕地、森林、草地、灌木地、濕地、水體、人造地表、裸地。DEM為ASTER GDEM數(shù)據(jù)，空間分辨率30m，來源于地理空間數(shù)據(jù)云。土壤數(shù)據(jù)基于世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)的中國土壤數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)來源于“黑河計劃數(shù)據(jù)管理中心”(http://westdc.westgis.ac.cn)，空間分辨率1km。道路、水系數(shù)據(jù)來源于全國地理信息資源目錄服務系統(tǒng)中的1∶100萬全國基礎地理數(shù)據(jù)庫。

研究中將所有數(shù)據(jù)都統(tǒng)一空間分辨率為500m，統(tǒng)一使用WGS84橢球體，UTM投影，帶號N47。

2 研究方法

生態(tài)安全是可持續(xù)發(fā)展的保障，而生態(tài)系統(tǒng)服務是生態(tài)安全的表征(王曉峰等，2012)。本次研究中對臨滄市生態(tài)系統(tǒng)服務評價主要包括重要性和敏感性評價兩方面，生態(tài)系統(tǒng)服務重要性評價包括生物多樣性保護和水源涵養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)服務重要性評價，生態(tài)敏感性評價則包括水土流失敏感性評價(楊姍姍等，2016)?；谏鷳B(tài)系統(tǒng)服務評價結果選取生態(tài)源地，并建立阻力面。基于最小累積阻力模型，利用地理信息系統(tǒng)軟件的的空間分析模塊計算生態(tài)源地和阻力面的最小累積阻力。最后確定緩沖區(qū)、生態(tài)廊道、輻射通道、生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點組分的空間分布，構建區(qū)域綜合生態(tài)安全格局(潘竟虎等,2015；劉孝富等，2010)。

最小累積阻力模型MCR：最小累積阻力(即最小費用距離)是指從“源”斑塊到達最近目標斑塊的過程中穿過不同阻力的景觀時克服阻力所做的功或耗費的費用，亦即累積費用距離。其基本計算公式如下：

式中：MCR是最小累積阻力值；Dij表示物種從源j到景觀單元i的空間距離；Ri表示景觀單元i對某物種運動(或者說生態(tài)空間擴張)的阻力系數(shù)；∑表示單元i與源j之間穿越所有單元的距離和阻力的累積；min表示被評價的斑塊對于不同的源取累積阻力最小值；f表示最小累積阻力與生態(tài)過程的正相關關系，是一個單調(diào)遞增函數(shù)。

最小累積阻力值反映了物種運動的潛在可能性及趨勢，通過單元最小累積阻力的大小可判斷該單元與源單元的連通性和相似性(俞孔堅， 1999)。

2.1 確定源地

生態(tài)評估方法生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性包括水源涵養(yǎng)重要性和生物多樣性保護重要性，通過NPP指標法進行評估。敏感性評估基于通用水土流失方程(RULSE)進行。將重要性評估和敏感性結果中極重要和極敏感區(qū)作為臨滄市生態(tài)源地(周銳等,2015；吳健生等,2013)。

2.2 阻力面構建及權重確定

最小累積阻力模型建立生態(tài)源地與城鎮(zhèn)擴張用地這兩個生態(tài)變化過程的最小累積阻力面，以最小累積阻力差值結果作為構建臨滄市生態(tài)安全格局的基礎數(shù)據(jù)。

生態(tài)源地擴張阻力時主要考慮的因子有距離居民點、道路、水系的距離，土地利用、水土流失、植被覆蓋、地形因素，這些阻力因子和阻力值分級，通過相關文獻中的統(tǒng)計和經(jīng)驗標準，并結合研究區(qū)實際情況制定各因子阻力分級表(蒙吉軍等，2016；周銳等，2013)。本文將阻力因子分為5個等級，分別用5，4，3，2，1表示，詳見表1。

表1 臨滄市阻力因子賦值表

將各個評價因子的原始數(shù)據(jù)進行標準化處理后對阻力進行賦值，依據(jù)各評價因子的影響程度大小采用層次分析法(AHP)確定其權重。層次分析法通過調(diào)查問卷確定評價各影響因素之間的相對權重，對任意兩個方案對于某一準則的相對重要性得到定量描述，即對同一層次的影響因素相對重要性進行兩兩比較。構建判斷矩陣，最終獲取各組分的權重(郭金玉等，2008)。

2.3 生態(tài)安全水平劃分

基于最小阻力的生態(tài)源地擴張阻力分析，根據(jù)層次分析法計算獲得各因子權重，按其權重計算綜合最小累積(費用)阻力面。本文采用自然斷裂法對生態(tài)源地空間阻力運動的綜合最小累積(費用)阻力面進行空間聚類，據(jù)此劃分出3種安全水平下的生態(tài)用地：高、中、低水平生態(tài)安全用地。

2.4 生態(tài)廊道與生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點識別

生態(tài)安全格局組分主要包括生態(tài)源地、緩沖區(qū)、生態(tài)廊道、輻射通道、生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點。通過這些組分的空間分布組合，綜合構建區(qū)域生態(tài)安全格局。

生態(tài)廊道可以連通彼此隔離的景觀元素，達到保護和恢復生物多樣性、維護和傳遞生態(tài)功能的重要作用(鄭好等，2019)。是景觀中與兩側基質(zhì)有顯著區(qū)別的狹帶狀地，它一方面作為障礙物隔開景觀的不同部分；另一方面作為通道將景觀中不同部分連接起來，有利于物種在“源”間及基質(zhì)間的流動，其結構特征對一個景觀的生態(tài)過程有強烈影響。生態(tài)廊道一般由植被、水體等生態(tài)要素構成，具有維持物種多樣性、保持水土、防風固沙、涵養(yǎng)水源等功能。

生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點：鞍部戰(zhàn)略點，它們是相鄰源等阻線的相切點，起到源間“跳板”的作用。生態(tài)節(jié)點一般位于生態(tài)廊道上生態(tài)功能最薄弱處，即最小路徑與最大路徑的交點或最小路徑的匯集處，它將零散的斑塊連接起來，并對生態(tài)流的運行起關鍵作用。其生態(tài)地位關鍵，外界的干擾會對其產(chǎn)生較大影響。部分節(jié)點起著基石作用。

3 結果與分析

3.1 生態(tài)源地確定

生態(tài)系統(tǒng)服務評估包括水源涵養(yǎng)重要性、生物多樣性保護重要性和水土流失敏感性評價，據(jù)臨滄市MODIS影像計算的植被凈初級生產(chǎn)力NPP，采用NPP定量指標評估方法對臨滄市生態(tài)系統(tǒng)服務重要性進行評估，對評估結果分為一般重要、重要、極重要三級。敏感性評估基于通用水土流失方程(RULSE)進行。臨滄市水源涵養(yǎng)重要性評估和生物多樣性保護重要性結果見圖1(a、b)，水土流失敏感性評估結果見圖1(c)，將臨滄市重要性評估和敏感性結果中極重要和極敏感區(qū)作為臨滄市生態(tài)源地，臨滄市生態(tài)源地見圖1(d)。

圖1 臨滄市生態(tài)系統(tǒng)服務評價結果及生態(tài)源地圖

3.2 生態(tài)源地確定及綜合和阻力面構建

本研究通過建立臨滄市生態(tài)源地擴張阻力面AHP專家問卷邀請專家打分，在yaahp層次分析法軟件中輸入專家打分結果，獲得各阻力面的權重?；趯哟畏治龇ǖ淖枇γ鏅嘀匾姳?，按其權重計算綜合最小累積(費用)阻力面，各阻力面見圖2(a～g)，綜合阻力面見圖2(h)。

圖2 臨滄市各要素阻力面及綜合阻力面

表2 臨滄市阻力面權重表

3.3 臨滄市生態(tài)安全格局構建

本文基于自然斷裂法對生態(tài)源地空間阻力運動的綜合最小累積(費用)阻力面進行空間聚類，劃分出臨滄市3種安全水平下的生態(tài)用地。低安全水平的生態(tài)用地面積為2014.25km2，占區(qū)域總面積的8.57%。中安全水平的生態(tài)用地面積為 7610.41km2，占區(qū)域總面積的32.22%。高安全水平的生態(tài)用地面積為13985.49km2，占區(qū)域總面積的59.21%。臨滄市安全水平見圖3(a)。

表3 臨滄市不同安全水平的生態(tài)用地面積比例

低生態(tài)安全水平用地是為保障自然生態(tài)系統(tǒng)服務所保留的最小土地底線，也是城市開發(fā)建設不可逾越的底線，本區(qū)內(nèi)的土地利用應以嚴格的生態(tài)保護為主，原則上，任何形式的城市建設行為不得侵占這類生態(tài)用地。同時，本區(qū)內(nèi)應積極進行生態(tài)恢復，如選用鄉(xiāng)土物種進行生物棲息地的生態(tài)恢復與保育、保持河流濕地的自然形態(tài)以及重點恢復多樣性的鳥類棲息地系統(tǒng)等。中安全水平區(qū)應以自然型土地利用為主，創(chuàng)造自然生態(tài)系統(tǒng)，充分發(fā)揮自然力的條件，以滿足生態(tài)走廊的綜合功能需求。高安全水平區(qū)土地利用的重點是控制城市建設活動對生態(tài)用地的干擾程度，同時應積極地對已被破壞或強度人工化的關鍵位置進行生態(tài)修復，通過土地利用方式的調(diào)整和植被恢復，保證生態(tài)過程的完整性、滿足生態(tài)隔離帶的需求、做好與城市邊緣集團的生態(tài)隔離等[8]。

通過地理信息系統(tǒng)軟件分析生態(tài)源地與綜合阻力面，識別臨滄市生態(tài)廊道和生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點。臨滄市生態(tài)廊道及生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點見圖3(b)。通過臨滄市生態(tài)系統(tǒng)服務評估、生態(tài)源地識別、MCR綜合阻力面構建、生態(tài)廊道及生態(tài)源地識別，最終構建出臨滄市三屛一帶的生態(tài)安全格局。三屏為南滾河自然保護區(qū)天然屏障，主要位于滄源縣和耿馬縣境內(nèi)，主要為臨滄市生物多樣性保護提供屏障，位于中部的永德大雪山生態(tài)屏障區(qū)和位于西部的鎮(zhèn)康邊境生態(tài)保護屏障區(qū)。一帶為瀾滄江水源涵養(yǎng)保護帶，從北至南沿瀾滄江分布，主要為瀾滄江水域涵養(yǎng)區(qū)。

圖3 臨滄市生態(tài)安全格局構建結果圖

4 討論

雖然阻力因子的確定無礙于運用最小累積阻力模型開展城市土地生態(tài)適宜性評價研究，但由于阻力因子的選擇與賦值是影響最終結果的重要因素，因此本文所建立的阻力評價指標體系值得商榷。由于生態(tài)學本身缺乏標準，且相關土地生態(tài)重要性的研究還沒有達成統(tǒng)一的認識，因此本文選擇的阻力評價因子難免有遺漏，因子間也可能存在重復，其選擇的科學性和客觀性有待深入研究。本文采用5個等級來評價單項阻力，分別用1～5來表示，等級的劃分標準同樣采用專家咨詢的方式產(chǎn)生。由于這種賦值方式較為主觀和牽強，直接影響了評價結果的客觀性，因此，在今后的研究過程中還需逐步克服等級劃分非此即彼的主觀線性思路，適當考慮引入模糊數(shù)學及非線性數(shù)學的方法改進阻力賦值方式。

研究過程中發(fā)現(xiàn)，源地的選取對阻力面及后期廊道、生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點構建影響較大，后續(xù)研究應著重于如何科學選取生態(tài)源地，以使后期得到的成果更為可信。由于累積阻力從“源”開始，因此“源”的選取與分布十分關鍵，必須是典型、穩(wěn)定且具備一定面積的土地利用單元。“源”的分布也直接影響到整個阻力面的特征，若“源”相對集中，則阻力面較為完整，若“源”相對分散，則阻力面會呈斑塊狀形態(tài)。

本文最終構建的生態(tài)安全格局基于理論研究，下一步如何與實際管理結合，如何為管理者提供科學合理的決策將是未來的研究重點。