基于MSPA-MCR模型的浮梁縣生態(tài)安全格局構(gòu)建研究

陳元慧，雷雨晴 ，邢媛麗 ，趙 明

（1.福建農(nóng)林大學(xué)風(fēng)景園林與藝術(shù)學(xué)院，福建 福州 350108；2.閩江學(xué)院，福建 福州 350108）

生態(tài)安全格局早先定義為生態(tài)系統(tǒng)空間格局，由所定區(qū)域中關(guān)鍵的景觀要素及其空間分布組成[1]，是評判區(qū)域生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定的重要指標。目前我國生態(tài)安全格局的構(gòu)建方法主要有圖論[2]、電路理論[3]、耦合機制[4]、InVEST生境質(zhì)量模型[5]、最小累積阻力模型[6]等，其中最小累積阻力模型的適用性相對較強，更能清晰反映各類景觀的相互聯(lián)系、生態(tài)空間特征和格局變化，廣泛應(yīng)用于區(qū)域生態(tài)安全格局研究。俞孔堅[7]針對人地關(guān)系矛盾首次提出“景觀生態(tài)安全格局”概念，明確其識別步驟主要為“源的確定，阻力面建立，緩沖區(qū)劃分，源間聯(lián)結(jié)、輻射道和戰(zhàn)略點提取”，被廣泛應(yīng)用于國土生態(tài)安全格局規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境評價及優(yōu)化等相關(guān)領(lǐng)域；彭保發(fā)等人[8]運用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)安全格局的潛在關(guān)系，結(jié)合人與自然的相互作用，提出基于驅(qū)動（Driver）-壓力（Pressure）-狀態(tài)（State）-影響（Impact）-響應(yīng)（Response）的生態(tài)安全格局研究框架；翟瑞強等人[9]利用MCR模型構(gòu)建及優(yōu)化景觀生態(tài)格局，總結(jié)出瀏陽市中心城區(qū)景觀綠地系統(tǒng)規(guī)劃方法。基于相關(guān)文獻研究，本文采用形態(tài)學(xué)空間格局分析（MSPA）和最小累積阻力模型（MCR模型）識別源地、阻力面、廊道、節(jié)點，構(gòu)建浮梁縣生態(tài)安全格局，并提出景觀規(guī)劃建議，對于保護生態(tài)環(huán)境、優(yōu)化城市發(fā)展模式、推動城鎮(zhèn)環(huán)境與自然環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

浮梁縣位于江西省北部，介于東經(jīng) 117 °01'—117 °42'，北緯 29°09'—29°56'之間[10]，地處浙贛皖交界的“金三角”區(qū)域。轄區(qū)內(nèi)雨量充沛，光照充足，氣候溫和，森林覆蓋率高達81.53%，擁有豐富的生物資源、水資源與礦產(chǎn)資源[11]。平原穿插于山地和丘陵之間，地形呈“北高南低”格局。浮梁縣是江西省生態(tài)建設(shè)發(fā)展的核心區(qū)域，具有明顯的生態(tài)優(yōu)勢。針對浮梁縣區(qū)域建設(shè)的持續(xù)進步，如何緩解經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境二者發(fā)展的矛盾沖突是目前亟需解決的關(guān)鍵問題。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

本研究的浮梁縣土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來源于2020年Globeland30柵格數(shù)據(jù)，分辨率為10m*10m；該研究區(qū)的行政邊界數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、水系分布數(shù)據(jù)、路網(wǎng)數(shù)據(jù)、居民點分布數(shù)據(jù)、植被覆蓋度（NDVI）數(shù)據(jù)均來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)，空間分辨率為30m*30m。根據(jù)行政邊界數(shù)據(jù)，運用ArcGIS軟件對以上柵格數(shù)據(jù)進行按掩膜提取等預(yù)處理工作，并對DEM數(shù)據(jù)進行表面分析，獲取坡度和坡向數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 生態(tài)源地識別

生態(tài)用地指生態(tài)要素的空間定位，兼具涵養(yǎng)水源、保護土壤、防風(fēng)固沙、調(diào)節(jié)氣候等多重生態(tài)功能[12]。在生態(tài)保護成效方面，生態(tài)源地是維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)能夠處于穩(wěn)定狀態(tài)的核心生態(tài)用地，識別方法如下：

2.1.1 基于MSPA的景觀格局分析

形態(tài)學(xué)空間格局分析（MSPA）是采用腐蝕、膨脹、開啟、閉合等數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理運算、識別與分類柵格數(shù)據(jù)的圖像處理方法[13,14]。根據(jù)浮梁縣土地利用數(shù)據(jù)，將林地和水域作為前景數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算得出核心區(qū)(Core)、孤島(Islet)、孔隙(Perforation)、邊緣區(qū)(Edge)、橋接區(qū)(Bridge)、環(huán)島區(qū)(Loop)、分支(Branch)7 種景觀類型。該方法強調(diào)柵格單元的結(jié)構(gòu)性連接，能更好表現(xiàn)斑塊的生態(tài)作用，有利于識別生態(tài)源地。

2.1.2 景觀連接度評價

景觀連接度最早由Merriam于1984年提出，是指景觀結(jié)構(gòu)特征與物種運動之間的交互作用[15]。目前景觀生態(tài)學(xué)領(lǐng)域主要采用Taylor等人的景觀連接度定義，認為景觀連接度是景觀影響某種生態(tài)過程在源斑塊間的運動程度，反映了同類或異類斑塊的景觀要素在功能和生態(tài)過程雙重層面的有機聯(lián)系，這種聯(lián)系包括物種交流和景觀之間物質(zhì)與能量的交換和遷移[16-18]，為景觀空間格局分析和生態(tài)源地選取提供理論依據(jù)和實踐方法。根據(jù)相關(guān)文獻參考[19]，本文采用可能連通性指數(shù)（PC）和斑塊重要性指數(shù)（dPC）作為評價指標，以此提取生態(tài)源地。計算公式如下：

兩式中n代表斑塊數(shù)量；i≠j；P*ij為斑塊i和j之間擴散路徑的最大可能性；ai和aj指斑塊i和斑塊j的面積；A2L為景觀總面積；PCremove代表除生態(tài)源地之外的景觀類型的景觀連接度指數(shù)?？赡苓B通性指數(shù)（PC）取值范圍為[0,1]，PC值和dPC值越大，說明斑塊的連接程度和重要程度越高。根據(jù)相關(guān)文獻研究[20,21]，在Conefor 2.6軟件中將柵格數(shù)據(jù)的連通概率設(shè)為0.5，距離閾值設(shè)為2500m，選擇可能連通性指數(shù)（PC）和斑塊重要性指數(shù)（dPC）作為評價指標進行景觀連接度分析，最終選取斑塊重要性指數(shù)（dPC）≥2的斑塊作為研究區(qū)的生態(tài)源地。

2.2 阻力面建立

2.2.1 綜合阻力面

阻力面反映生態(tài)流在生態(tài)功能區(qū)之間運行時受到阻力強度的空間分布，是構(gòu)建生態(tài)安全格局的重要依據(jù)[22]。本研究選取高程、坡度、坡向、植被覆蓋度、水體、道路、居民點、土地利用類型8項指標作為生態(tài)源地擴張的阻力因素，以1、3、5、7、9五個數(shù)值進行分級賦值，采用層次分析法確定權(quán)重。為確保結(jié)果的科學(xué)合理，需根據(jù)結(jié)果計算出最大特征根λmax、一致性指標CI和一致性比率CR。經(jīng)運算得出λmax=8.9011，由于λmax＞4，則需進行一致性檢驗。根據(jù)CI=(λmax-n)/(n-1)可得出，當(dāng)n=8時，CI=0.1287，并通過RI表查得知RI=1.404。再根據(jù)CR=CI/RI可得出CR=0.0917。當(dāng)CR<0.1時，一致性檢驗合格（表1）。最后運用ArcGIS10.6軟件對單一因子阻力面進行逐一加權(quán)疊加計算，得到綜合阻力面。

表1 阻力因子與等級劃分標準Table 1 Resistance factors and grade classification standards

2.2.2 最小累積阻力模型

Knaapen等人將累積阻力可視化，運用最小累積阻力模型計算物種從源出發(fā)到目的地的過程中，經(jīng)過不同景觀單元所耗費的總阻力值，反映出物種運動的趨勢，體現(xiàn)源地之間、源地與景觀基質(zhì)之間的相互聯(lián)系[23]，其公式經(jīng)演變?nèi)缦滤荆?/p>

式中，MCR為最小累積阻力值，Dij表示物種從源地i到源地j經(jīng)過的單元距離；Ri為源地i對生態(tài)過程發(fā)生的阻力系數(shù)；f表示MCR與生態(tài)過程之間的正相關(guān)函數(shù)關(guān)系。運用最小累積阻力模型計算得出研究區(qū)的最小累積阻力面，以此作為生態(tài)安全格局水平分級根據(jù)。

2.3 生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點提取

生態(tài)廊道是指生態(tài)環(huán)境中不同于兩側(cè)基質(zhì)的狹長地帶[24]，具有連接較為孤立或分散的生態(tài)單元的作用的生態(tài)系統(tǒng)類型，滿足物種進行擴散、遷移和能量交換的通道。生態(tài)節(jié)點指生態(tài)廊道的交點或轉(zhuǎn)折點，一般為植被覆蓋、水源涵養(yǎng)、物種保護的關(guān)鍵點[25]，生境質(zhì)量優(yōu)質(zhì)，防護能力脆弱?；谧钚±鄯e阻力模型（MCR模型），通過Cost distance功能生成每一源地到其他源地的最小累積成本距離，去除重復(fù)路徑后得到源地之間的生態(tài)廊道。生態(tài)節(jié)點的確定方法是提取生態(tài)廊道之間的交點，刪除重復(fù)節(jié)點，對于兩生態(tài)節(jié)點間距離小于1 km的鄰近點，則保留所在生態(tài)廊道較長的節(jié)點[25]。

3 結(jié)果與分析

3.1 源地識別結(jié)果

3.1.1 MSPA分析

本研究以林地和水域作為前景數(shù)據(jù)進行MSPA分析，得到浮梁縣MSPA景觀類型分布情況（如圖1）和MSPA景觀要素分類統(tǒng)計結(jié)果（如表2）。

表2 浮梁縣MSPA景觀要素分類統(tǒng)計Table 2 Classification statistics of MSPA landscape elements in Fuliang County

圖1 浮梁縣MSPA景觀類型分布圖Figure 1 Distribution of MSPA landscape types in Fuliang County

由此可見，核心區(qū)面積約為219634.47 hm2，約占總面積的77.04%，主要分布在西北區(qū)域和東南區(qū)域，表明浮梁縣生態(tài)資源豐富，可提供較大面積的棲息地，為物種生存、物質(zhì)交換、能量流動提供有力條件。分支面積約為445.77 hm2，約占總面積的0.16%，起到景觀連接作用。橋接區(qū)和環(huán)島區(qū)的總面積僅有150.21 hm2，表明斑塊之間的內(nèi)外聯(lián)系極為薄弱，物種的擴散與發(fā)展受到較大限制?？紫逗瓦吘墔^(qū)的總面積約為15399.99 hm2，約占總面積的5.40%，主要集中于耕地和水系周圍，表明生境斑塊的群落結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，具有一定邊緣效應(yīng)，這些區(qū)域的生態(tài)效益和環(huán)境保護功能一般較弱。孤島面積僅有27.90 hm2，說明生境完整性和連通性較強，孤立、破碎的自然斑塊較少。

3.1.2 景觀連接度評價與生態(tài)源地確定

根據(jù)可能連通性指數(shù)（PC）和斑塊重要性指數(shù)（dPC）運算結(jié)果，選擇斑塊重要性指數(shù)（dPC）≥2的核心區(qū)生境斑塊作為生態(tài)源地，共識別出7塊生態(tài)源地（如圖2），作為衡量生態(tài)空間生態(tài)保護成效的重要指標。總面積約為96343.45 hm2，約占研究區(qū)總面積的33.79%，西北部分主要為西湖鄉(xiāng)、經(jīng)公橋鎮(zhèn)、黃壇鄉(xiāng)以及蛟潭鎮(zhèn)的局部區(qū)域；東部主要為興田鄉(xiāng)、瑤里鎮(zhèn)、鵝湖鎮(zhèn)以及莊灣鄉(xiāng)、湘湖鎮(zhèn)的局部區(qū)域。這些區(qū)域斑塊面積大且完整，森林覆蓋率高，物種豐度大，生態(tài)資源豐富，具有較高的生態(tài)服務(wù)價值。

圖2 浮梁縣生態(tài)源地分布圖Figure 2 Distribution of ecological sources in Fuliang County

3.2 阻力面建立結(jié)果

3.2.1 單因子阻力面

依據(jù)上述阻力因子等級劃分標準，重分類得到各單因子阻力面（如圖3）。

從圖3可看出，海拔較高、坡度較大的高山區(qū)域地形復(fù)雜，空氣稀薄，不適宜物種生存，生態(tài)阻力值較高。東部和西北部區(qū)域植被覆蓋度較高。水系沿岸區(qū)域阻力影響較小。道路分布密集，較大程度影響生態(tài)環(huán)境的完整性和連續(xù)性。居民點主要集中于南部和東北部，南部更為密集的區(qū)域阻力影響大。耕地和建設(shè)用地集中分布于南部，生態(tài)阻力值較高。

圖3 浮梁縣各單因子阻力面Figure 3 Each single factor resistance surface in Fuliang county

3.2.2 綜合阻力面與最小累積阻力面

運用ArcGIS10.6軟件將各因子阻力面和源地斑塊數(shù)據(jù)計算得到綜合阻力面與最小累積阻力面 （如圖4）。整體生態(tài)阻力值偏低，綜合阻力值高的區(qū)域呈網(wǎng)狀分布，主要集中于建設(shè)用地、耕地和水系沿岸區(qū)域。這些區(qū)域人為開發(fā)建設(shè)活動頻繁，生態(tài)環(huán)境遭到破壞，生態(tài)安全存在較大威脅和阻力。從最小累積阻力面中可看出，南部的耕地和建設(shè)用地對生態(tài)流的擴散有著嚴重阻礙影響。城鎮(zhèn)化建設(shè)較為密集，城市綠地分布較少，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量一般。因此應(yīng)著重發(fā)展城市綠地系統(tǒng)的優(yōu)化建設(shè)，提高綠地率，并合理規(guī)劃水環(huán)境，提升南部城鎮(zhèn)區(qū)域及水系沿岸區(qū)域的生態(tài)安全水平。

圖4 浮梁縣生態(tài)阻力面建立結(jié)果Figure 4 Establishment results of ecological resistance surface in Fuliang county

3.3 廊道與節(jié)點提取結(jié)果

以上述7塊生態(tài)源地作為成本源，綜合阻力面作為成本面，利用空間分析工具識別浮梁縣的生態(tài)廊道與生態(tài)節(jié)點，共提取出23條生態(tài)廊道，廊道總面積為8166.96 hm2，生態(tài)節(jié)點47處，從而生成浮梁縣生態(tài)網(wǎng)絡(luò)（如圖5）。

圖5 浮梁縣生態(tài)網(wǎng)絡(luò)Figure 5 Ecological network in Fuliang county

從空間分布來看，生態(tài)廊道集中在中部區(qū)域。從景觀組成類型來看（如表3），轄區(qū)內(nèi)林地分布廣泛，具有提供生產(chǎn)資源和建立生態(tài)屏障的重要作用，在生態(tài)廊道中面積約為7480.44 hm2，占比約為91.59%。耕地與草地一定程度上促進生態(tài)系統(tǒng)的能量流動與物質(zhì)轉(zhuǎn)換，在生態(tài)廊道中面積約為613.08 hm2，占比約為7.51%。但南部耕地和建設(shè)用地密集區(qū)域基本無廊道分布，說明密集化城鎮(zhèn)建設(shè)與人口活動對生態(tài)過程的阻礙影響較為嚴重。因此在未來生態(tài)環(huán)境發(fā)展過程中，應(yīng)針對性退耕還林，合理增加城市綠地建設(shè)，緩解城鎮(zhèn)與耕地的生態(tài)空間緊張與環(huán)境質(zhì)量低下的問題，從而促進生態(tài)廊道的形成，增強生態(tài)環(huán)境的連通性。

表3 生態(tài)廊道景觀組成類型統(tǒng)計Table 3 Statistics of ecological corridor landscape com position types

3.4 生態(tài)安全格局構(gòu)建

本研究基于“源地-阻力-廊道-節(jié)點”的生態(tài)安全模式，結(jié)合最小累積阻力面建立結(jié)果，將低阻力值區(qū)域和生態(tài)源地劃分為高生態(tài)安全格局，較低、中、較高、高阻力值區(qū)域分別劃為較高、中、較低、低生態(tài)安全格局（如圖6）。

圖6 浮梁縣生態(tài)安全格局Figure 6 Ecological security pattern in Fuliang county

距離源地越近，生態(tài)安全水平越高。高生態(tài)安全格局面積最大，約占浮梁縣總面積的48.63%，生態(tài)服務(wù)價值較高，具有維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的重要作用，為生態(tài)核心區(qū)，應(yīng)禁止任何城鎮(zhèn)開發(fā)建設(shè)行為。較高水平緩沖區(qū)約占21.22%，為生態(tài)緩沖區(qū)，應(yīng)嚴格限制城鎮(zhèn)擴張和其他人為建設(shè)活動，以植被保護和優(yōu)化為主，強化其消除污染、凈化環(huán)境、緩解生態(tài)影響的重要作用。低、較低及中水平緩沖區(qū)約占30.15%，用地類型以建設(shè)用地和耕地為主，為綠色發(fā)展區(qū)，應(yīng)在不影響生態(tài)安全和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的前提下，合理確定開發(fā)模式、擴張范圍和開發(fā)強度，實現(xiàn)綠色建設(shè)。

4 結(jié)論與討論

綜合形態(tài)學(xué)空間格局分析（MSPA）和景觀連接度評價結(jié)果，共識別出7塊生態(tài)源地，主要分布在浮梁縣的西北部和東部的林地區(qū)域，為黃山余脈生態(tài)保護區(qū)和天目山余脈生態(tài)保護區(qū)，斑塊面積較大，森林覆蓋面積較廣，生態(tài)空間富足，生態(tài)功能完善，生境質(zhì)量高，生物多樣性強。浮梁縣整體生態(tài)阻力值偏低，建設(shè)用地、耕地以及水系沿岸區(qū)域阻力值較高，需重視城鎮(zhèn)環(huán)境及水環(huán)境的生態(tài)保護與修復(fù)?；贛CR模型識別出23條生態(tài)廊道，47處生態(tài)節(jié)點，廊道用地類型以林地為主，生態(tài)系統(tǒng)較為穩(wěn)定，但南部斑塊連通性較差，需優(yōu)化并串聯(lián)生態(tài)空間，增強廊道與斑塊的連通性。

根據(jù)“源地-阻力-廊道-節(jié)點”模式合理構(gòu)建浮梁縣的生態(tài)安全格局，結(jié)合源地與生態(tài)阻力的綜合分析而分為低、較低、中、較高、高五個等級，歸類于生態(tài)核心區(qū)、生態(tài)緩沖區(qū)、綠色發(fā)展區(qū)，并提出相應(yīng)的保護建議及開發(fā)措施。

生態(tài)核心區(qū)：首要責(zé)任就是堅持環(huán)境為先原則，堅持保護生態(tài)環(huán)境就是創(chuàng)造價值的原則。在組織與管理層面，應(yīng)制定森林保護規(guī)定，加強林業(yè)管理機制建設(shè)，實施林業(yè)生態(tài)工程計劃，禁止毀林開荒、亂砍亂伐，鼓勵封山育林，注重病蟲害防治；在開發(fā)與利用層面，應(yīng)嚴格采伐，合理有限地開展林業(yè)研究，禁止過度開發(fā)天然林資源，維持生境質(zhì)量與生態(tài)平衡，并加強瑤里古鎮(zhèn)風(fēng)景區(qū)、汪胡生態(tài)游覽區(qū)、高嶺國家礦山公園的保護與優(yōu)化建設(shè)；在環(huán)境教育層面，應(yīng)加大線上線下環(huán)境教育宣傳力度，改變民眾“靠山吃山”的落后思想，強化環(huán)境保護意識。

生態(tài)緩沖區(qū)：生態(tài)緩沖區(qū)作為城鎮(zhèn)與生態(tài)源地、高生態(tài)安全區(qū)域的緩沖交界地帶，在水環(huán)境治理方面，應(yīng)推廣“兩山銀行”與“濕地銀行”的建設(shè)準則，推動昌江生態(tài)廊道及百里風(fēng)光帶、玉田湖國家濕地公園、西河沿岸生態(tài)修復(fù)工程的改造與提升，提高水質(zhì)及水源涵養(yǎng)功能，維持生物多樣性；在生態(tài)隔離帶建設(shè)方面，應(yīng)實施防護林帶建設(shè)，建立生態(tài)屏障與森林生態(tài)廊道，加強生態(tài)源地保護，提高斑塊之間的聯(lián)系，促進人與自然和諧發(fā)展。

綠色發(fā)展區(qū)：應(yīng)營造農(nóng)田防護林，立足生態(tài)產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，重點發(fā)展綠色有機農(nóng)業(yè)及碳匯林，提升“浮梁茶”、“邊草綠有機米”等特色品牌質(zhì)量與知名度；對于土地條件嚴重惡化的區(qū)域?qū)嵤┩烁€林，減少水土流失，維持經(jīng)濟效益與生態(tài)效益的平衡。推進城市公園綠地、道路綠地、居住區(qū)綠地及防護綠地等建設(shè)，加強三賢湖省級濕地公園與古縣衙風(fēng)景區(qū)的保護與優(yōu)化建設(shè)，提高城市綠地率和綠化率，完善城市綠地系統(tǒng)，緩解生態(tài)壓力；遵循適地適樹原則，使用鄉(xiāng)土植物，營造季相景觀，優(yōu)化人居環(huán)境；加強西湖鄉(xiāng)、王港鄉(xiāng)、蛟潭鎮(zhèn)、瑤里鎮(zhèn)、勒功鄉(xiāng)的美麗鄉(xiāng)村建設(shè)，融入特色風(fēng)土人情，促進人居環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。推動農(nóng)業(yè)、產(chǎn)業(yè)與旅游業(yè)的協(xié)同發(fā)展，聯(lián)系瓷文化、茶文化、理學(xué)文化、古村落文化、紅色文化等，構(gòu)建生態(tài)文明教育基地和文化旅游點，加大生態(tài)文化宣傳。提倡綠色社區(qū)、綠色建筑、綠色消費與綠色出行，促進綠色發(fā)展。

本研究采用形態(tài)學(xué)空間格局分析（MSPA）和景觀連接度評價方法進行源地識別，僅從景觀類型及其分布情況考量生態(tài)用地的重要性，存在一定的局限性。維護區(qū)域生態(tài)安全是國家生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)，受到生物多樣性、水源涵養(yǎng)、水土保持、生態(tài)用地類型、生態(tài)服務(wù)價值等多種因素的影響。在構(gòu)建生態(tài)安全格局時，還需多維度分析生態(tài)環(huán)境特性與發(fā)展現(xiàn)狀，從而更為科學(xué)性地分析區(qū)域環(huán)境的生態(tài)源地、廊道與節(jié)點，更全面性評價與維護區(qū)域環(huán)境的生態(tài)安全。