銅陵市生態(tài)安全格局構(gòu)建與優(yōu)化分析

張明爽 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，安徽 合肥 230031）

銅陵市位于安徽省南部，長江下游，是安徽省長江大保護(hù)重要的節(jié)點城市。然而，近年來隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，銅陵市對建設(shè)用地的需求日益增加，城市建設(shè)用地和生態(tài)、農(nóng)業(yè)用地之間的矛盾日益突出，這使得銅陵市面臨著區(qū)域性生態(tài)退化的風(fēng)險。因此，提高銅陵市生態(tài)安全格局的穩(wěn)定性對于銅陵市經(jīng)濟社會的發(fā)展具有重要影響。為此，需要積極探索整體性和系統(tǒng)性的方法來識別國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域，并明確國土空間生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的管控要求。

目前，關(guān)于生態(tài)安全格局的研究已逐步形成了“識別源地-構(gòu)建阻力面-提取生態(tài)廊道和節(jié)點”的研究范式。然而，生態(tài)安全格局的研究仍在不斷探索中，許多關(guān)鍵性問題的科學(xué)性仍有待論證。例如，生態(tài)源地識別仍存在爭議，阻力因子的權(quán)重確定主觀性較大，生態(tài)廊道的實用性無法得到有效保證，如何合理確定廊道范圍寬度等。此外，在不同尺度、不同生態(tài)類型、不同地理條件的研究范圍下，如何構(gòu)建科學(xué)合理的生態(tài)安全格局也有待進(jìn)一步研究。因此，需要進(jìn)一步深入探討生態(tài)安全格局，尤其是生態(tài)源地識別、阻力因子權(quán)重確定、生態(tài)廊道的實用性和廊道范圍寬度的合理確定等問題，以提高銅陵市生態(tài)安全格局的穩(wěn)定性，促進(jìn)銅陵市經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

本次的研究范圍為銅陵市域，暫不包括銅陵市的兩塊飛地（安慶礦區(qū)辦事處和銅山鎮(zhèn)）。銅陵市位于安徽省中南部、長江下游，與合肥、蕪湖、安慶、池州4 個地級市接壤。南北最長約56km，東西最寬約103.9km，總面積約為3008 km2，本次的研究范圍總面積約為2922.91km2。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所需的數(shù)據(jù)包括DEM 數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、NDVI數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、降雨量數(shù)據(jù)、蒸散量數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟發(fā)展數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)。其中，土地利用數(shù)據(jù)為2019 年土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)；DEM 數(shù)據(jù)主要用于計算高程、坡度和起伏度，數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站，空間分辨率為90×90m；影像數(shù)據(jù)主要由圖形地球APP 提供；NDVI 數(shù)據(jù)、蒸散量數(shù)據(jù)主要來自美國航空航天局的（NASA）提供的MODIS數(shù)據(jù)集，其中蒸散量數(shù)據(jù)來自MODIS 中的MOD13A1，NDVI 數(shù)據(jù)來自MOD16A2；降雨量數(shù)據(jù)來源于中國氣象局官網(wǎng)；社會經(jīng)濟發(fā)展數(shù)據(jù)來源于各層級的統(tǒng)計局官網(wǎng)和安徽省黨史方志官網(wǎng)，主要包括《銅陵市2021 年統(tǒng)計年鑒》《銅陵市2021 年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展公報》《銅陵市志（1986-2010）》《樅陽縣志（1978-2005）》。

1.3 源地識別

1.3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價主要包含三個子系統(tǒng)，即生物多樣性功能評價、水涵養(yǎng)功能重要性評價、水土保持功能重要性評價。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性的評價結(jié)果將作為生態(tài)源地選取和生態(tài)分區(qū)的重要依據(jù)。

利用InVEST 模型對銅陵市的生物多樣性保護(hù)服務(wù)進(jìn)行評價，其優(yōu)點是評估棲息地適宜性時考慮了棲息地對威脅源的敏感性。InVEST 生境質(zhì)量模型將土地利用/覆蓋度作為生境，從生境自然和外在威脅導(dǎo)致的生境退化度兩方面計算生境質(zhì)量得分。

根據(jù)自然資源部在2019 年6 月份頒布的《資源環(huán)境承載能力和國土空間開發(fā)適宜性評價技術(shù)指南（試行）》對水涵養(yǎng)功能重要性的定義和評價要求，水源涵養(yǎng)是指生態(tài)系統(tǒng)（如森林、草地等）通過其獨特的結(jié)構(gòu)和水相互作用攔截、滲透和積累降水，并通過蒸散實現(xiàn)對水流和水循環(huán)的調(diào)節(jié)。通過該指標(biāo)評價體系，可以識別現(xiàn)狀和未來可以承擔(dān)水涵養(yǎng)功能的重要區(qū)域。

水土保持的功能重要性是指生態(tài)系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)對水土流失造成的減少，通常用水土保持量來評價。水土保持功能主要與氣候、土壤、地形和植被有關(guān)，根據(jù)2020 年1 月份頒布的《資源環(huán)境承載能力和國土空間開發(fā)適宜性評價指南（試行）》（以下簡稱《指南》），一般認(rèn)為植被覆蓋度越高、坡度較陡的地區(qū)對水土保持功能更為重要。

圖1 銅陵市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價結(jié)果

根據(jù)生物多樣性維護(hù)重要性、水涵養(yǎng)功能重要性、水土保持功能重要性的評價結(jié)果，在ArcGIS 柵格計算器進(jìn)行加權(quán)疊加計算。疊加結(jié)果按照自然斷點法由低到高分為不重要區(qū)、較不重要區(qū)、一般區(qū)、重要區(qū)和極重要區(qū)5 個等級，得到銅陵市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價結(jié)果。

1.3.2 綜合評價識別生態(tài)源地

生態(tài)源地是物種遷徙、生態(tài)功能流動與傳遞等生態(tài)過程的“源”，生態(tài)源地是生態(tài)產(chǎn)品和服務(wù)的主要生產(chǎn)區(qū)，為物種提供棲息地。生態(tài)源地作為生態(tài)安全格局的重要組成，其作用是維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和景觀功能的完整性。生態(tài)源地的識別一般選取定性或定量的方式，定性的方式是直接選擇生態(tài)保護(hù)區(qū)或者生態(tài)紅線作為生態(tài)源地，定量的方法則一般采用生態(tài)質(zhì)量評估或生態(tài)功能評估，選取生境質(zhì)量良好同時集中連片的區(qū)域作為生態(tài)源地。通過定性直接選取的方式，往往存在主觀性較強、客觀性不足的特點。本文通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價的評價結(jié)果，提取出其中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能極重要區(qū)作為初步的生態(tài)源地，與現(xiàn)有生態(tài)保護(hù)紅線內(nèi)集中連片且不重復(fù)的區(qū)域取并集得到生態(tài)源地。為了避免生態(tài)源地過度碎片化，對面積小于2km2的生態(tài)源地進(jìn)行去除與合并處理。

1.4 阻力面構(gòu)建

受自然條件和人類活動的影響，不同生態(tài)要素或生物物種在遷徙的過程中會受到阻力，阻力值越大表示生態(tài)流在穿越斑塊時所需要克服的障礙越多，生態(tài)移動過程更加困難。阻力面的構(gòu)建對于生態(tài)安全格局構(gòu)建影響重大，它直接影響了生態(tài)廊道、生態(tài)“夾點”、生態(tài)障礙點識別的準(zhǔn)確性。因此建立科學(xué)、系統(tǒng)的阻力面指標(biāo)評價體系，對于研究區(qū)生態(tài)安全格局的構(gòu)建至關(guān)重要。相關(guān)文獻(xiàn)表明阻力值的大小與土地利用類型直接相關(guān)，同時還受到坡度與起伏度、植被覆蓋度、人類活動、自然災(zāi)害的影響。研究區(qū)域的地形地貌復(fù)雜，地形因素對生物交流造成較大影響。在參考相關(guān)文獻(xiàn)、咨詢當(dāng)?shù)貙＜业幕A(chǔ)上，綜合選取土地利用類型、地形、植被覆蓋度、人類活動四個方面作為一級指標(biāo)。

1.5 生態(tài)廊道提取與修復(fù)關(guān)鍵區(qū)識別

本文利用LinkageMapper 工具識別潛在生態(tài)廊道，并提取最小成本路徑作為最優(yōu)生態(tài)廊道。本文通過設(shè)置6000、8000、10000、12000 阻力閾值，模擬不同閾值下廊道范圍的分布，最后根據(jù)銅陵市的實際情況，確定最終閾值提取生態(tài)廊道。生態(tài)“夾點”一般位于生態(tài)廊道中，即廊道內(nèi)電流強度較高的區(qū)域，高電流強度意味著阻力值較小，對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的連通性具有重要作用。而生態(tài)“夾點”周邊地區(qū)阻力值較高，故該區(qū)域面臨較高的退化風(fēng)險，生態(tài)“夾點”需要優(yōu)先進(jìn)行生態(tài)保護(hù)與修復(fù)。生態(tài)障礙點是指阻止物種在生態(tài)源之間移動的區(qū)域。改善或消除生態(tài)障礙點可以極大地改善生態(tài)源地之間的連通性，從而改善生態(tài)安全格局。本文利用Linkage Mapper 工具后臺，調(diào)用Circuitscape 軟件來實現(xiàn)運用電路理論提取生態(tài)“夾點”和生態(tài)障礙點。生態(tài)斷裂點是指由道路的切割使得連續(xù)的生態(tài)廊道產(chǎn)生間隙，不利于物種的交流與擴散。本文的研究區(qū)是典型的工礦城市，工礦用地同樣能產(chǎn)生和道路一樣的阻隔效果，使生態(tài)廊道產(chǎn)生間隙。所以本文在考慮道路對生態(tài)廊道的阻隔同時也考慮工礦用地對生態(tài)廊道的阻隔。

2 結(jié)果與分析

2.1 源地識別結(jié)果

經(jīng)過處理，最終識別生態(tài)源地14塊。最大的生態(tài)源地面積為109.94km2，最小的生態(tài)源地面積2.97km2，總面積為410.40km2，占研究區(qū)總面積的14.04%，平均面積為29.31km2。

圖2 銅陵市生態(tài)源地分布圖

2.2 阻力面構(gòu)建結(jié)果

根據(jù)不同阻力因子及阻力值，使用GIS 軟件中的重分類、歐氏距離等分析工具，運算獲取土地利用類型、起伏度、坡度、與交通運輸用地距離、與住宅用地距離、NDVI 的6 個因子阻力面，通過柵格計算器分別按照各因子阻力面權(quán)重進(jìn)行疊加，得到綜合阻力面。

2.3 生態(tài)廊道提取與修復(fù)關(guān)鍵區(qū)識別結(jié)果

圖3 銅陵市綜合阻力面

如圖4 為銅陵市最優(yōu)生態(tài)廊道分布圖，由最小成本路徑生成。共識別最優(yōu)生態(tài)廊道25 條，其中最短的生態(tài)廊道長度為2.7km，最長的為26.63km，平均值為6.09km，最優(yōu)生態(tài)廊道長度累計152.26km。生態(tài)廊道主要分布在樅陽縣，最主要的原因是樅陽縣的生態(tài)源地數(shù)量較多。銅陵市區(qū)僅僅只有4 條最優(yōu)生態(tài)廊道，且主要分布大通鎮(zhèn)區(qū)域周邊。

圖4 銅陵市最優(yōu)生態(tài)廊道分布圖

2.4 生態(tài)安全格局構(gòu)建與優(yōu)化

生態(tài)安全格局以景觀生態(tài)學(xué)為基礎(chǔ)，通過識別區(qū)域內(nèi)具有關(guān)鍵意義的景觀元素、空間位置與空間聯(lián)系，這種關(guān)鍵性元素、位置和聯(lián)系所形成的格局就是生態(tài)安全格局。對生態(tài)安全格局有利的部分需要加以保護(hù)，對生態(tài)格局有害的部分則需要對其進(jìn)行修復(fù)。生態(tài)安全格局是國土空間安全格局的重要組成部分，也是最重要的一個環(huán)節(jié)。根據(jù)本文的研究結(jié)果，銅陵市的生態(tài)源地主要包含3 個組成部分，即生態(tài)源地、最優(yōu)生態(tài)廊道和廊道范圍、生態(tài)保護(hù)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域（生態(tài)“夾點”、生態(tài)障礙點、生態(tài)斷裂點）。將各組成部分進(jìn)行疊加共同構(gòu)成了銅陵市生態(tài)安全格局（圖5），其中累計生態(tài)源地14 個、最優(yōu)生態(tài)廊道25 條、生態(tài)廊道范圍27 處、生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域93處。

圖5 銅陵市生態(tài)安全格局

3 結(jié)束語

本文以銅陵市為研究對象，依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價對銅陵市的生態(tài)情況進(jìn)行診斷。然后將評價結(jié)果同生態(tài)保護(hù)紅線相結(jié)合，篩選出生態(tài)源地?；贏rcGIS 平臺構(gòu)建綜合阻力面，在此基礎(chǔ)上運用累計阻力模型提取最優(yōu)生態(tài)廊道，基于電路理論連接度模型識別廊道范圍和潛在廊道并判別生態(tài)“夾點”和生態(tài)障礙點，通過疊加分析得到生態(tài)斷裂點，綜合以上各要素得到了銅陵市生態(tài)安全格局，主要的研究結(jié)論如下。

①生態(tài)安全格局的構(gòu)建能夠為國土空間生態(tài)保護(hù)與修復(fù)提供重要的理論和方法支撐。通過本文的研究，表明累積阻力模型中對最優(yōu)生態(tài)廊道的識別具有優(yōu)勢，但無法反映廊道的冗余度。而電路理論模型可以識別廊道和冗余廊道，能更好地識別生態(tài)廊道中生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵區(qū)域，從而提出更具有針對性的策略和建議。綜合運用不同的模型，有助于生態(tài)安全格局中多目標(biāo)的協(xié)同需求。研究表明在一定電流范圍內(nèi)改變電流閾值只能影響廊道的寬度，并不會對廊道的空間分布產(chǎn)生影響。因此本文結(jié)合銅陵市經(jīng)濟發(fā)展水平和生態(tài)保護(hù)要求，以8000 閾值確定廊道寬度，并識別潛在廊道。

②本文共識別生態(tài)源地14 個、最優(yōu)生態(tài)廊道25 條、潛在廊道27 處、生態(tài)保護(hù)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域93 處（其中生態(tài)“夾點”24 處、生態(tài)障礙點25 處、生態(tài)斷裂點44處）。其中各景觀要素主要分布在銅陵市西部，以白蕩湖周圍分布最為集中。生態(tài)保護(hù)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域集中分布在銅都森林公園周邊，該地區(qū)連接了3 處重要的生態(tài)源地，且用地情況復(fù)雜，在未來的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)當(dāng)中需要重點關(guān)注該區(qū)域。

③在國土空間規(guī)劃體系下，強調(diào)區(qū)域的協(xié)同治理和生態(tài)保護(hù)。景觀分布的要素在空間上具有連續(xù)性，但是以行政區(qū)為邊界會割裂生態(tài)安全格局。因此對于今后生態(tài)安全格局的構(gòu)建可以從更大的區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行考慮，探究跨行政區(qū)生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的策略研究。