鄢廣奎,趙 兵

(雅安市環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 雅安 625000)

1 引 言

近年來，隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進程的不斷加快，一系列生態(tài)環(huán)境問題不斷凸顯，例如水土流失、土壤鹽堿化、牧草地退化、生物多樣性銳減等[1]。因此，為探尋一種能從空間上有效平衡經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護矛盾關(guān)系的區(qū)域生態(tài)安全格局，切實避免生態(tài)保護進入低效保護和盲目保護誤區(qū)，加強區(qū)域景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建的理論研究顯得尤為重要。研究區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建對保護和恢復丘陵地區(qū)生物多樣性、維護其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的完整性都具有重要意義。

目前，區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建的方法有多準則數(shù)量優(yōu)化法[2]、人工智能優(yōu)化法[3]、情景分析法[4]和綜合優(yōu)化法[5]等，這些方法都主要用于土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，而對于生態(tài)安全格局構(gòu)建的研究則較多采用空間分析法，如李晶等[6]采用最小阻力模型(MCR)對位于農(nóng)牧交錯帶的鄂爾多斯市準格爾旗土地利用生態(tài)安全格局進行了構(gòu)建研究；孫立和李俊清[7]在景觀格局分析的基礎上形成北京市自然保護區(qū)分布格局“三區(qū)二帶”的規(guī)劃理念。最小累積阻力模型(MCR)作為空間分析方法中較為常用的模型之一，其最早是由Knaapen[8]提出，用于研究物種擴散過程，由于該模型能夠?qū)崿F(xiàn)空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的一體化處理，因此在之后的研究中被廣泛應用到多種自然生態(tài)或人文過程的研究，現(xiàn)已發(fā)展到區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建、土地利用規(guī)劃等多個領(lǐng)域[9]。西南丘陵區(qū)作為我國重要的生態(tài)屏障區(qū)，21世紀以來，因城市蔓延擴張和人口數(shù)量不斷增加，致使該區(qū)域生態(tài)安全形勢日益嚴峻；基于此，本文以生態(tài)環(huán)境保護為目標，選取廣安市小井鄉(xiāng)為研究區(qū)，在識別生態(tài)源的基礎上，運用最小累積阻力模型(MCR)構(gòu)建阻力面，并提取生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點、劃分生態(tài)功能區(qū)，最后提出相應的生態(tài)安全管控措施，以期能為區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建和制定生態(tài)風險防控措施提供依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

小井鄉(xiāng)位于四川省廣安市前鋒區(qū)，地處華鎣山中段，長江二級支流渠江東岸，地理位置為30°31′40″～30°35′30″N，106°51′10″～106°57′0″E(如圖1)；幅員面積36.18km2。地勢由東向西傾斜，地貌類型主要為山地和丘陵。小井鄉(xiāng)屬于亞熱帶濕潤氣候，氣候溫和，雨量充沛，資源豐富，可供開發(fā)的土地面積達277.17km2，其中耕地14.97km2。

圖1 地理位置示意圖Fig.1 Geographical map of studied area

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

研究數(shù)據(jù)包括土地利用類型、DEM數(shù)據(jù)、距水域距離、距建設用地距離、距交通用地距離、海拔、坡度等。土地利用類型數(shù)據(jù)采用美國地質(zhì)勘探局(USGS)15m空間分辨率的Landsat8 OLI— TRIS遙感數(shù)據(jù)進行人機交互式室內(nèi)遙感解譯得到，遙感影像軌道號為128/39；DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)，分辨率為30m×30m，主要用來提取所需海拔和坡度數(shù)據(jù)；距水域、建設用地和交通用地距離等數(shù)據(jù)可從土地利用類型矢量數(shù)據(jù)中提取。本區(qū)域矢量數(shù)據(jù)由廣安市前鋒區(qū)生態(tài)環(huán)境局、自然資源和規(guī)劃局提供。輔助數(shù)據(jù)包括地形圖、社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)等，均來自于廣安市前鋒區(qū)統(tǒng)計局、人民政府等部門的相關(guān)數(shù)據(jù)資料。

2.3 研究方法

2.3.1 識別生態(tài)源

根據(jù)“源—匯”原理，生態(tài)源景觀主要是由具有高生態(tài)服務功能的景觀類型組成，是促進生態(tài)過程發(fā)展的景觀類型，具有定的空間拓展性和連續(xù)性，常由林地、水域和草地構(gòu)成，可選取土地利用方式典型和相對穩(wěn)定的景觀單元作為生態(tài)“源”[10]。生態(tài)源是本地現(xiàn)存生物種群的集合，其中的物種量與面積密切相關(guān)[11]，生態(tài)源地是構(gòu)建生態(tài)安全格局的基礎。在參考大量文獻資料、結(jié)合研究區(qū)森林資源和水域分布特征的基礎上，選取區(qū)域內(nèi)面積大于30hm2且空間上具有連續(xù)性的天然林地和重要水域作為生態(tài)源地。

2.3.2 構(gòu)建阻力面

阻力面的建立是生態(tài)安全格局構(gòu)建的核心，阻力因子和阻力值的確定是關(guān)鍵[12]。因子的選取不僅要考慮自然和社會經(jīng)濟等因素的影響，還需結(jié)合當?shù)貙嶋H情況的基礎上進行選取，本研究共選取海拔、坡度、土地利用類型、距水域距離、距建設用地距離、距交通運輸用地距離等6個阻力因子，因子的分級賦值，參考學者蒙吉軍[13]、謝花林[14]、劉孝富[15]、李玉平[16]等研究成果的基礎上確定指標權(quán)重(如表1所示)，用值4、3、2、1來界定各評價因子的安全等級，分值越低代表阻力越小，“源”越容易向外擴散。

目前，MCR模型在生態(tài)安全研究中被廣泛應用，該模型是用來計算物種在從源到目的地運動過程中所需耗費的代價[17]，最小累積阻力是指從“源”出發(fā)，不同類型的景觀所需克服的最小阻力或消耗的最小費用，反映從目標斑塊到最近源斑塊的累積距離[18]，其計算公式如下：

式中：f是反映空間任一點的最小阻力與其到所有源的距離和景觀基面特征的正相關(guān)關(guān)系，是MCR與Dij×Ri之間正比關(guān)系的變量函數(shù)[19-20]。Dij代表從空間中某景觀單元i到源j的實地距離。Ri是某一景觀i的阻力值。(Dij×Ri)的累計值被認為是從源到空間某一點的相對易達性[21]，其中從所有源到某點阻力的最小值被用來衡量該點的易達性。

表1 區(qū)域阻力因子及權(quán)重Tab.1 Area resistance factors and weights

2.3.3 提取生態(tài)廊道和節(jié)點

生態(tài)廊道是生態(tài)源地之間物種遷徙的通道，是兩源地之間的流動通道和聯(lián)系途徑[22]。普遍認為在一定的范圍內(nèi)廊道越多越好，多一條廊道就更有利于促進物種之間的信息交流[23-24]，但相對來說，每兩個“源”之間至少應有一條廊道相連接[25]。生態(tài)廊道的提取可以根據(jù)阻力面和已識別出來的生態(tài)源地，運用GIS成本距離分析模塊得到最小累積耗費距離，再利用成本路徑模塊即可得到。

生態(tài)節(jié)點一般位于連接生態(tài)源地之間的生態(tài)廊道上，分布在生態(tài)功能最薄弱的地方[26]。生態(tài)節(jié)點作為連通“源”之間的橋梁，對生態(tài)流的運行意義重大?；谝勋@得的生態(tài)廊道和最小累積耗費距離，運用GIS中水文分析模型得到最小累積耗費距離的“山脊線”，即最大累積阻力，“山脊線”與生態(tài)廊道的交點即為生態(tài)節(jié)點。生態(tài)節(jié)點的建立可以對景觀流的運行起到促進作用，通過對這些景觀生態(tài)節(jié)點的保護或改變，可以有效地維護生態(tài)系統(tǒng)健康和安全。

2.3.4 劃分生態(tài)功能區(qū)

以最小累積阻力面為基礎，獲得阻力面中各阻力等級的格點頻率分布圖。根據(jù)阻力值頻率變化特點、生態(tài)服務功能與實地調(diào)研將研究區(qū)域劃分為4個生態(tài)功能區(qū)，即生態(tài)核心區(qū)、生態(tài)緩沖區(qū)、農(nóng)業(yè)耕作區(qū)、人類活動區(qū)，每個功能區(qū)具有不同的生態(tài)功能和保護重點，從而形成區(qū)域生態(tài)安全的總體格局。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)安全格局構(gòu)建過程分析

3.1.1 生態(tài)源地識別分析

小井鄉(xiāng)共有9個生態(tài)源斑塊，其總面積為3.49km2，占區(qū)域總面積的8.95%，包括天然林地和水域2種景觀類型。生態(tài)源地主要分布于東部、西北部片區(qū)，而中部片區(qū)分布較少(如圖2)。其中最重要的斑塊I分布于小井鄉(xiāng)東部華鎣山區(qū)域，該區(qū)域是研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度較高和生態(tài)環(huán)境脆弱性最低的片區(qū)，也是面積最大的生態(tài)源地，對維護區(qū)域生態(tài)安全、生物多樣性及生態(tài)環(huán)境保護意義重大。除此之外，區(qū)域東北部片區(qū)有大量的天然林地，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量略低于華鎣山片區(qū)，有6個源地斑塊聚集于此，源地斑塊之間是大量耕地，連通性較好，研究區(qū)西部和南部片區(qū)還分布著兩個生態(tài)源地，是研究區(qū)內(nèi)僅有的兩個水域斑塊，分別是水庫和河流斑塊。該斑塊生物多樣性豐富，在生態(tài)環(huán)境保護建設中顯得尤為重要，加強對其生態(tài)環(huán)境保護，既能提高水質(zhì)，維持水域生物多樣性，又能維護水域生態(tài)系統(tǒng)安全，緩解水域退化。總之，生態(tài)源地作為整個生態(tài)系統(tǒng)的重要生命支撐，我們除了加強對源地的保護，防止其被建設用地侵占，還需盡可能的擴大源地面積，改善區(qū)域生態(tài)安全狀況。

圖2 小井鄉(xiāng)生態(tài)源、生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點分布圖Fig.2 Ecological sources ecological nodes and ecolgical corridors of Xiaojing township

3.1.2 阻力面構(gòu)建分析

通過MCR模型分析不同源景觀的阻力分布情況，得到小井鄉(xiāng)阻力面分布圖(如圖3)，其阻力值分布范圍為12～37，阻力高值區(qū)主要位于區(qū)域東北部和西南部，以及中部部分地區(qū)，主要有優(yōu)良村、吊鐘村、騎龍村、龍井村、紅官村、新華村、花盆村、兩橋村、優(yōu)勝村、橋灣村、長勝村和官家村12個村莊；低值區(qū)主要集中在區(qū)域西北部和東部，這兩個區(qū)域也是生態(tài)源所在地，主要涉及村莊有溫江村、雙流村、小良村、蓮花村、大良村、生龍村、珠石村、金寺村、小井村和倒石村。由圖3可知，距離生態(tài)源地越近，阻力值越大，反之則越小。

圖3 阻力面分布圖Fig.3 Resistance profile

3.1.3 生態(tài)廊道和節(jié)點提取分析

小井鄉(xiāng)共構(gòu)建了19條生態(tài)廊道和18個生態(tài)節(jié)點(如圖2)。研究區(qū)生態(tài)廊道總長度為43.25km，總體分布格局呈西部連續(xù)緊湊，東部分散破碎。東部地區(qū)源地較為集中連片，廊道通過的景觀以水田和零散的天然林地為主，生態(tài)廊道較短及累計阻力相對較小。西部地區(qū)僅有一塊源地，且該源地與其他源地之間距離較遠，中間分布著較多的建設用地，因此所經(jīng)過的阻力等級越多，累積阻力值較大。對于廊道的保護，應通過提升生態(tài)廊道的連通性、增加廊道的數(shù)量、強化廊道保護建設等措施來實現(xiàn)。

除此之外，小井鄉(xiāng)共識別生態(tài)節(jié)點18個，從節(jié)點的阻力值來看，大部分生態(tài)節(jié)點分布于阻力值較大處，如建設用地，交通用地；少部分生態(tài)節(jié)點位于阻力值較小處，如林地、草地等自然景觀，其余還有部分生態(tài)節(jié)點分布于農(nóng)田內(nèi)。根據(jù)生態(tài)節(jié)點的空間分布差異，可以采取不同的保護措施，對于分布在建設用地上的生態(tài)節(jié)點，可將其建設為綠地公園；而分布在農(nóng)田內(nèi)的生態(tài)節(jié)點，可采用退耕還林還草，保護植被等措施。

3.2 生態(tài)安全格局構(gòu)建結(jié)果分析

本研究將阻力閥值作為劃分生態(tài)功能區(qū)的主要依據(jù)[25]，以此劃分出在不同安全水平下的4個生態(tài)功能區(qū)，如圖4所示。

Ⅰ區(qū)：生態(tài)核心區(qū) 該區(qū)是維護區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡的核心地帶，對區(qū)域水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護、水土保持等具有重要作用[19]。從特定的空間分布來看，生態(tài)核心區(qū)包括所有生態(tài)源，同時還包括一部分與生態(tài)源地鄰接度較高的重要型生態(tài)用地；從土地利用類型來看，生態(tài)核心區(qū)主要由林地、水域、園地、草地構(gòu)成。生態(tài)核心區(qū)面積為7.91km2，占區(qū)域土地總面積的21.86%，其發(fā)揮著支撐區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)安全與穩(wěn)定的重要作用。可以通過將這部分區(qū)域劃入禁止開發(fā)區(qū)，并相應設置“生態(tài)功能保護區(qū)”、“自然林保護區(qū)”和“重要水源保護區(qū)”等措施來維持其穩(wěn)定發(fā)展和保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境。

Ⅱ區(qū)：生態(tài)緩沖區(qū) 該區(qū)主要位于生態(tài)核心區(qū)的外圍，由重要型生態(tài)用地和部分過渡型生態(tài)用地構(gòu)成，其占地面積為12.49km2，占區(qū)域土地總面積的34.52%，生態(tài)緩沖區(qū)是維護景觀連通性和保護“源”地不受破壞的有效屏障[27]。對生態(tài)緩沖區(qū)的保護可以通過將其劃分為限制開發(fā)區(qū)，并注重生態(tài)廊和生態(tài)節(jié)點的保護與建設等措施來實現(xiàn)。

Ⅲ區(qū)：農(nóng)業(yè)耕作區(qū) 隨著阻力等級的進一步提高，受人類干擾程度加大，農(nóng)業(yè)耕作區(qū)作為生態(tài)緩沖區(qū)和人類活動區(qū)的過渡地帶，它對于穩(wěn)定生態(tài)平衡和維持人類生存起到了緩沖過渡作用。該區(qū)占地面積為9.59km2，占區(qū)域土地總面積的26.51%，可進行各種農(nóng)業(yè)種植開發(fā)利用，但開發(fā)利用時應注意地形地貌的影響，合理規(guī)劃各類農(nóng)業(yè)用地，并保障基本農(nóng)田不被占用，合理利用土地資源，優(yōu)化土地資源配置。

圖4 小井鄉(xiāng)生態(tài)安全格局Fig.4 Ecological security pattern of Xiaojing township

Ⅳ區(qū)：人類活動區(qū) 該區(qū)阻力水平屬于高值區(qū)，對于保護“源”的擴展相對阻力較大，受人類的干擾頻繁，其占地面積為6.19km2，占區(qū)域土地總面積的17.11%，該區(qū)與農(nóng)業(yè)耕作區(qū)有著密切的聯(lián)系，一般會有交叉區(qū)域，一般將其作為人類居住、生產(chǎn)生活、娛樂和金融商貿(mào)等活動的開展區(qū)域。可以通過將其劃入優(yōu)先開發(fā)區(qū)域，健全交通網(wǎng)絡等方法促進與農(nóng)業(yè)耕作區(qū)的聯(lián)系，除此之外，還需不斷強化公共服務和基礎設施建設，科學合理規(guī)劃空間分布格局，協(xié)調(diào)土地利用與生態(tài)建設，形成合理的景觀布局，營造人類宜居環(huán)境[28]。

4 討論

4.1 基于景觀與區(qū)域生態(tài)安全格局的研究

近年來，國內(nèi)外學者在理論、方法和指標構(gòu)建等方面對生態(tài)安全格局構(gòu)建展開了大量的研究，大都采用定性與定量相結(jié)合的方法來分析區(qū)域生態(tài)安全狀況。我國學者俞孔堅在1999年從生物保護角度研究景觀生態(tài)安全格局，并將最小累積阻力模型引入水平生態(tài)流，以此為基礎來研究景觀生態(tài)安全格局。隨后，在2004年，馬克明和傅伯杰[29]等在研究中進一步完善了區(qū)域生態(tài)安全理論，并系統(tǒng)地闡述了區(qū)域生態(tài)安全格局的概念，研究對象的特點等；在2005年，方淑波等人從土地利用的角度，采用定性與定量相結(jié)合的方法評估生態(tài)價值以及社會經(jīng)濟驅(qū)動分析，為城市區(qū)域生態(tài)安全格局的構(gòu)建提供了一種可能[29-30]。MCR模型與其他距離模型相比，它能夠?qū)崿F(xiàn)空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的一體化處理，其研究結(jié)果更直觀、客觀的反映區(qū)域生態(tài)安全狀況。因此，與其他模型相比，MCR模型更適合本研究，也為區(qū)域生態(tài)安全格局的構(gòu)建以及保護生態(tài)環(huán)境提供了有價值的參考。

4.2 基于阻力因子選取和阻力值的探討

科學合理的選取阻力因子和確定阻力值是構(gòu)建生態(tài)安全格局的前提與基礎，生態(tài)安全指標體系的建立，應盡可能地反應經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境諸方面的內(nèi)容，且能有機地聯(lián)系起來，組成一個層次分明指標、意義明確、統(tǒng)計方法科學、測定方法規(guī)范的整體，以此反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況與經(jīng)濟、社會發(fā)展的協(xié)調(diào)程度，保證評價結(jié)果的真實性和客觀性。本研究在參考相關(guān)文獻和結(jié)合實際情況的基礎上選取了海拔、坡度、土地利用類型、距水域距離、距建設用地距離、距交通運輸用地距離等6個阻力因子，并進行分級賦值；但阻力值的確定通常采用專家打分的方式得到，這種賦值方式較為主觀，直接影響了評價結(jié)果的客觀性，因此，在今后的研究過程中還需考慮引入一些數(shù)學方法改進阻力賦值方式[8]。

4.3 基于完善區(qū)域生態(tài)安全格局對策的探討

構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局對于區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護與建設具有現(xiàn)實意義，通過分析區(qū)域生態(tài)安全狀況、劃分生態(tài)功能區(qū)來了解研究區(qū)生態(tài)安全形勢，并提出相應的管控措施，以達到改善區(qū)域生態(tài)安全現(xiàn)狀，提高生態(tài)安全水平的目的。本文以生態(tài)環(huán)境保護為目標，采用MCR模型對丘陵區(qū)生態(tài)安全格局構(gòu)建進行了研究，并根據(jù)研究現(xiàn)狀提出相應的管控措施，這些措施主要針對于丘陵地區(qū)而言，因而對于其他地貌類型的管理建議研究借鑒意義不大，在以后的研究中還有待進一步的探索。

5 結(jié) 論

本文以位于西南丘陵地區(qū)的廣安市小井鄉(xiāng)為研究區(qū)，采用最小累積阻力模型(MCR)對區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建進行了研究，并劃分出生態(tài)核心區(qū)、生態(tài)緩沖區(qū)、農(nóng)業(yè)耕作區(qū)和人類活動區(qū)共4個生態(tài)功能區(qū)。研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)源地共9塊，由水域和天然林地組成，占研究區(qū)總面積的8.95%；生態(tài)廊道共19條，總長度為43.25km，主要作用是將各生態(tài)源地連接起來，增強其連通性和防護功能。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)廣安市小井鄉(xiāng)生態(tài)源地在面積、數(shù)量和空間分布上都存在較大的差異，主要集中分布在研究區(qū)的西部片區(qū)，而東部地區(qū)則相對較少；生態(tài)廊道與生態(tài)節(jié)點的分布也相應的呈現(xiàn)出西多東少的格局。

對于廣安市小井鄉(xiāng)生態(tài)源地的保護，提出以下幾點建議：(1)在區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護的重要區(qū)域，如東部華鎣山區(qū)域，可以根據(jù)地形調(diào)整農(nóng)業(yè)用地布局結(jié)構(gòu)，增加鄉(xiāng)土植物的種植面積，降低其異質(zhì)性，提高水土保持能力，保護生態(tài)環(huán)境與生物多樣性，其余區(qū)域建議退耕還林，增加植被覆蓋面積，同時在可能的情況下擴大源地面積。(2)對于生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點的保護，依其所穿越的景觀類型，建議采取保護自然景觀、人工促進植被生長、加強人工景觀區(qū)域的綠地建設等措施。(3)對于建設用地、交通用地地區(qū)，應減少人為干擾，加強綠地建設；對于草地、林地應加強植被保護，退耕還林還草，改善植被狀況等。