基于最小阻力模型的山西省國土空間生態(tài)安全格局研究

原 野，任迎香，高國卿，高 嫄，趙藝芳

（1.山西財經(jīng)大學(xué)公共管理學(xué)院，山西 太原 030006;2.山西財經(jīng)大學(xué)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)研究中心，山西 太原 030006）

新時期國土空間生態(tài)修復(fù)的核心是整體保護與系統(tǒng)治理，強調(diào)生態(tài)保護修復(fù)與社會經(jīng)濟發(fā)展耦合關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)性、協(xié)同性。彭建等（2020）提出了國土空間生態(tài)保護修復(fù)的“格局與過程耦合—時空尺度—生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)—景觀可持續(xù)性”的研究路徑。王軍等（2020）分析了當前國土整治與生態(tài)修復(fù)工作中存在的不足，并提出了新時代國土整治與生態(tài)修復(fù)轉(zhuǎn)型的路徑和策略?？傊?，目前學(xué)術(shù)界對國土整治與生態(tài)修復(fù)展開了一定研究，但針對國土綜合整治與生態(tài)修復(fù)的核心問題，譬如如何構(gòu)建國土空間生態(tài)安全格局、如何進行國土空間綜合整治分區(qū)等問題則尚處于探索中。山西省是華北地區(qū)重要的生態(tài)屏障，在經(jīng)濟建設(shè)過程中，山西省出現(xiàn)了生物多樣性破壞、空氣質(zhì)量差等一系列問題，山西省生態(tài)安全面臨巨大挑戰(zhàn)。鑒于此，本研究以山西省為研究區(qū)，基于生態(tài)安全格局理念，從生態(tài)本底與人類需求角度出發(fā)，結(jié)合研究區(qū)特點，利用最小累積阻力模型提取生態(tài)廊道，研究適合于山西省情的生態(tài)安全格局，以期為山西省生態(tài)安全保護提供理論依據(jù)。

1.研究區(qū)概況

1.1 區(qū)域選擇

山西省位于中國內(nèi)陸地區(qū)，總面積15.67×100 km2。地勢以山地、丘陵為主，大部分地區(qū)海拔在1000 m 以上，山地丘陵面積占陸地國土空間的80%，高原、盆地等平川河谷占比20%。境內(nèi)河流水系發(fā)育，多以季節(jié)性河流為主。屬溫帶大陸性氣候，四季分明，光照水熱條件好，生物資源多樣性豐富，適宜人類生產(chǎn)生活。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究采用的數(shù)據(jù)主要包括社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、DEM 高程數(shù)據(jù)、NPP 植被凈初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)等。土地利用和植被覆蓋數(shù)據(jù)來源于地面監(jiān)測和地理空間數(shù)據(jù)云的Landsat-8影像數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m。DEM 高程數(shù)據(jù)下載自地理空間數(shù)據(jù)云，空間分辨率為30 m。利用該數(shù)據(jù)在ARCGIS 計算研究區(qū)坡度、坡向等地形地貌因子，參與土地利用分類。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于《山西省統(tǒng)計年鑒》。

1.3 研究方法

本研究主要通過源地提取、阻力系數(shù)確定、識別生態(tài)廊道，最后運用MCR 模型構(gòu)建生態(tài)安全格局。最小累積阻力指擴展主體從源經(jīng)過不同阻力的景觀阻抗到達目的地所消耗的費用或克服阻力所作的功。基本公式如下:

式中，D 為距離，R 為阻力系數(shù)。

2.山西省主要生態(tài)環(huán)境問題

2.1 生物多樣性破壞

山西省自然環(huán)境資源復(fù)雜多樣，造就了生物種類多樣性。山西省森林資源貧乏，以人工林為主。森林的不適度砍伐對生物多樣性造成了巨大破壞，森林過度開采還會造成嚴重的水土流失。山西省水土流失面積占全省總土地面積的69%，很大程度影響了山西省境內(nèi)的生物多樣性。此外，又因為人類生產(chǎn)生活進行的不合理開墾、放牧等，草地植被破壞極其嚴重，生物多樣性富集的功能極大地消退。

2.2 環(huán)境空氣質(zhì)量差

山西省空氣質(zhì)量狀況極差，SO2平均濃度的絕對值在全國排前列，環(huán)境改善壓力大。2018 年，11 個地級市重污染天數(shù)平均為14 d，占全年有效監(jiān)測天數(shù)的3.9%，比2017 年下降1.4個百分點，但仍未達國家二級標準。

2.3 水生態(tài)破壞

山西省是京津冀地域重要的水源涵養(yǎng)地和生態(tài)安全保護屏障，面臨巨大的水生態(tài)環(huán)境改善壓力。我省各主要河流中下游水質(zhì)相對較差，流經(jīng)城鎮(zhèn)和工業(yè)發(fā)達地區(qū)的河段污染相對嚴重，水質(zhì)污染導(dǎo)致可用的水資源減少，又很大程度地加劇了水資源供需矛盾。

2.4 礦山環(huán)境破壞

山西省是我國第一產(chǎn)煤、運煤和進出口大省及能源動力重化工基地。山西省煤炭儲量居全國之首，是世界六大煤炭基地之一，礦產(chǎn)資源極其豐富。山西省煤炭開采區(qū)面積接近1000 km2，采空區(qū)面積高達5000 km2，引發(fā)了嚴重的地質(zhì)災(zāi)害，給居民的生產(chǎn)生活帶來極其不利的影響。

3.山西省國土空間生態(tài)安全格局構(gòu)建

3.1 阻力系數(shù)確定

參考規(guī)劃《山西省國土空間規(guī)劃》等系列文件，以及研究區(qū)區(qū)域現(xiàn)狀，確定本阻力系數(shù)。

3.2 生態(tài)源地識別

生態(tài)源地是區(qū)域內(nèi)生境質(zhì)量較好的地區(qū)。本研究生態(tài)源地通過疊加生態(tài)敏感性評價和生態(tài)服務(wù)重要性評價來識別。

3.2.1 生態(tài)敏感性評價

參考相關(guān)研究成果并結(jié)合山西省自然環(huán)境因素，選擇土地利用類型、高程、坡度、坡向等 4 類指標作為評價因子，構(gòu)建本研究的生態(tài)環(huán)境敏感性評價指標體系。借助ARCGIS 軟件，對山西省進行了生態(tài)敏感性單因子評價和綜合評價?；诒狙芯繕?gòu)建的評價指標體系，利用ARCGIS 軟件計算得出生態(tài)敏感性空間分布總體評價圖。

3.2.2 生態(tài)服務(wù)重要性評價

基于研究區(qū)自然條件和生態(tài)狀況分析，本研究選取固碳服務(wù)、生境質(zhì)量對山西省生態(tài)服務(wù)重要性進行評價，并用自然斷點法將生態(tài)用地分五個等級。

固碳釋氧能力用NPP 表示，除了河流濕地湖泊等水資源分布區(qū)域，固碳服務(wù)能力整體從東南向西北遞減。生境質(zhì)量通過InVEST 模型的Habitat Quality 進行測算。通過等權(quán)疊加固碳服務(wù)評價結(jié)果與生境質(zhì)量評價結(jié)果，得到山西省生態(tài)服務(wù)重要性總體評價圖。

表1 生態(tài)敏感性評價指標體系

3.2.3 生態(tài)源地識別

根據(jù)生態(tài)敏感性與生態(tài)服務(wù)重要性評價結(jié)果，對山西省生態(tài)服務(wù)重要性評價結(jié)果與生態(tài)敏感性結(jié)果進行等權(quán)疊加，形成生態(tài)保護重要性空間格局。本研究生態(tài)源地的確立遵循系列規(guī)劃文件，結(jié)合山西省生態(tài)保護及自然保護區(qū)的狀況，確定生態(tài)源地為面積較大的水系及林地中，以及生態(tài)保護極重要地區(qū)。

3.3 生態(tài)廊道提取

生態(tài)廊道是保證區(qū)域間生態(tài)流、物質(zhì)流、能量流的關(guān)鍵生態(tài)用地，體現(xiàn)了源地的持續(xù)性和可達性。本研究選用最小累積阻力模型識別生態(tài)廊道。

基于創(chuàng)建的生態(tài)源地，提取各生態(tài)源地之間的低阻力通道作為生態(tài)廊道。識別出的研究區(qū)生態(tài)廊道共28 條，全長3044 km，呈南北向平行分布在研究區(qū)。研究區(qū)確立的廊道主要分布在河流水系沿岸及自然保護區(qū)周邊，這些區(qū)域林地資源極豐富，生物資源豐富多樣，生態(tài)環(huán)境良好，適宜生物生存發(fā)展。

3.4 生態(tài)安全格局構(gòu)建

經(jīng)過對生態(tài)源地的確認與生態(tài)廊道的提取，形成了研究區(qū)最基本的生態(tài)安全格局。以各級生態(tài)源地作為基本控制源點，生態(tài)廊道的空間銜接與分布為重要依據(jù)，對各生態(tài)要素進行空間結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化，形成研究區(qū)點-線-面的生態(tài)安全格局。

圖1 生態(tài)安全格局

4.結(jié)論

本研究針對山西省生態(tài)系統(tǒng)特征，構(gòu)建了山西省生態(tài)安全格局，形成了以生態(tài)源地為重心，生態(tài)廊道為連接的“點-線-面”三位一體生態(tài)安全格局，整體呈現(xiàn)“兩橫多縱”態(tài)勢。經(jīng)過建立整體生態(tài)保護體系、生態(tài)修復(fù)體系和廊道體系，實現(xiàn)山西省整體生態(tài)性能的提高，加快山西省生態(tài)安全格局體系構(gòu)建工作。山西省生態(tài)保護體系建設(shè)應(yīng)重點完善省內(nèi)現(xiàn)有的生態(tài)保護重要區(qū)為主，生態(tài)修復(fù)體系應(yīng)重點增強汾河流域綜合整治和生態(tài)修復(fù)力度，加強上游水源涵養(yǎng)建設(shè)，注重加強林地管理體系，推進低質(zhì)低效林改造，降低水土流失面積。本研究結(jié)合山西省現(xiàn)有的生態(tài)保護體系，構(gòu)建了山西省生態(tài)安全格局，為城市未來發(fā)展格局規(guī)劃提供了理論基礎(chǔ)。本研究僅采用一般的MCR 模型進行廊道識別及生態(tài)安全格局構(gòu)建，缺乏一定的科學(xué)創(chuàng)新。由于技術(shù)有限，本研究所采用的數(shù)據(jù)為2015 年山西省土地利用圖，數(shù)據(jù)較陳舊，對研究結(jié)果有一定影響。