嚴(yán) 政, 王壯壯, 周成杰, 李沛鴻

(江西理工大學(xué) 測繪工程, 江西 贛州 341000)

實(shí)現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展是建設(shè)生態(tài)文明和美麗中國的內(nèi)在要求[1]，“十三五”規(guī)劃期間，城市化的高速發(fā)展導(dǎo)致大量的土地開發(fā)及土地利用方式的快速轉(zhuǎn)變，讓生態(tài)環(huán)境問題日益嚴(yán)重，進(jìn)而威脅區(qū)域生態(tài)安全。生態(tài)安全問題也成為被國內(nèi)外學(xué)者和組織所重視的熱門課題[2-4]。中國國家發(fā)展改革委提出了將實(shí)施留白增綠戰(zhàn)略、構(gòu)建生態(tài)安全格局、科學(xué)劃定3條基本線作為優(yōu)化國土空間格局和保護(hù)區(qū)域生態(tài)安全的重要方法之一[5]。黨的十八大報(bào)告明確要求“構(gòu)建科學(xué)合理的國土生態(tài)安全格局”，習(xí)近平總書記也強(qiáng)調(diào)“構(gòu)建科學(xué)合理的城鎮(zhèn)化推進(jìn)格局、農(nóng)業(yè)發(fā)展格局、生態(tài)安全格局，保障國家和區(qū)域生態(tài)安全，提高生態(tài)服務(wù)功能”[6]。2020年1月自然資源部印發(fā)的《資源環(huán)境承載能力和國土空間開發(fā)適宜性評價(jià)指南》中明確指出“生態(tài)格局應(yīng)與生態(tài)保護(hù)重要性結(jié)果相匹配”，這一意見為構(gòu)建生態(tài)安全格局提供了新的理論指導(dǎo)[7]。

目前，余孔堅(jiān)提出的“源地—廊道”的生態(tài)安全格局模式已經(jīng)被認(rèn)為是構(gòu)建生態(tài)安全格局及對區(qū)域生態(tài)安全格局進(jìn)行分析的最基本的一種方式[8]。其中源地指的是區(qū)域內(nèi)具有重要生態(tài)價(jià)值，在區(qū)域內(nèi)起生態(tài)功能互相流動擴(kuò)散作用的重要生境斑塊[8]，基于不同的目標(biāo)，眾多專家學(xué)者從不同的角度進(jìn)行生態(tài)源地識別，現(xiàn)有的方法主要有采用生態(tài)服務(wù)功能重要性[9-10]，生境質(zhì)量[11]，生態(tài)紅線等[12]指標(biāo)作為選取生態(tài)源地的基礎(chǔ)。廊道是生態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系中連接各個(gè)生態(tài)源地，進(jìn)行物質(zhì)與能量交換的最佳途徑，是可以為動物遷徙提供重要通道的線狀或帶狀區(qū)域[13]。目前常見的提取生態(tài)廊道的方法主要有最小累積阻力模型法[14]、圖論法[15]、電流理論等[16]，其中最小累積阻力模型(MCR)可以反映出物種空間運(yùn)動的潛在趨勢與源地之間的連通關(guān)系，在生態(tài)廊道識別以及生態(tài)安全格局構(gòu)建工作中被廣泛應(yīng)用[17-19]?，F(xiàn)有的許多研究對象都是生態(tài)情況較差的區(qū)域，識別出的生態(tài)源地所占面積比例也偏小，對于高生態(tài)價(jià)值的區(qū)域生態(tài)構(gòu)建方法較少，且評價(jià)指標(biāo)過于復(fù)雜，在可實(shí)施性方面存在不足。

瑞金市屬于原中央蘇區(qū)振興發(fā)展規(guī)劃重點(diǎn)紅色城市，森林資源豐富，是南方的重要生態(tài)屏障之一。本文以瑞金市為研究區(qū)，參考資源環(huán)境承載能力和國土空間開發(fā)適宜性評價(jià)指南中的生態(tài)保護(hù)重要性評價(jià)的方法，結(jié)合瑞金市實(shí)際情況，確定指標(biāo)體系與分級閾值，從生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)重要性與生態(tài)脆弱性兩方面進(jìn)行瑞金市生態(tài)保護(hù)重要性評價(jià)。依據(jù)評價(jià)結(jié)果劃分瑞金市生態(tài)保護(hù)等級，選取生態(tài)保護(hù)極重要區(qū)域作為生態(tài)源地，以鄉(xiāng)行政邊界進(jìn)行修正細(xì)分并提取各塊生態(tài)源地的生態(tài)結(jié)點(diǎn)，利用MCR模型識別生態(tài)廊道，綜合構(gòu)建瑞金市生態(tài)安全格局。為國土空間規(guī)劃大背景下保證瑞金市經(jīng)濟(jì)發(fā)展可持續(xù)性，優(yōu)化國土開發(fā)格局以及推進(jìn)城市生態(tài)文明建設(shè)提供幫助，并給類似區(qū)域提供借鑒和參考。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

瑞金市屬于贛南區(qū)域，地處贛江的東江源頭，貢水的上游。介于東經(jīng)115°42′—116°22′、北緯25°30′—26°20′，瑞金市國土總面積為2 441.40 km2，其土地利用方式可分為耕地、園地、林地、草地、交通運(yùn)輸用地、水域、建設(shè)用地及其他用地8類，其中建成區(qū)面積為29.3 km2；瑞金市森林資源豐富，有林地面積1.87×105km2，森林覆蓋率75.6%。氣候方面，瑞金市屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤型氣候。年平均氣溫18.9 ℃。月平均氣溫最高28.5 ℃，最低7.6 ℃。年平均降雨量1 710 mm。地勢方面，瑞金市東、北、西三面高峻，漸向中、西南方向降低的地勢，構(gòu)成以象湖鎮(zhèn)為中心的瑞金盆地，屬江西省4大盆地之一。瑞金位于武夷山脈南段西側(cè)，地勢周邊高、中部低，最高點(diǎn)海拔1 232.9 m，最低點(diǎn)海拔標(biāo)高162 m。境內(nèi)以低山丘陵為主，主要地貌類型有侵蝕中低山區(qū)、侵蝕剝蝕丘陵區(qū)、溶蝕巖溶區(qū)以及河谷堆積階地等。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用數(shù)據(jù)主要包括：①土地利用數(shù)據(jù)，來源于瑞金市自然資源局提供的2017年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫。②遙感影像，來源于地理空間數(shù)據(jù)云的Landsat 8影像，影像條帶號為121行編號為42，影像獲取時(shí)間2017-12-19。③DEM數(shù)據(jù)，來源于地理空間數(shù)據(jù)云的GDEMV2 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)。④土壤數(shù)據(jù)，來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)中第二次全國土地調(diào)查南京土壤所所提供的1∶100萬土壤數(shù)據(jù)(HWSD_China_Geo)，數(shù)據(jù)分辨率為1 km。⑤氣象類型數(shù)據(jù)，降雨量、氣溫等數(shù)據(jù)從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲得，通過插值生成柵格影像。

2 研究方法

2.1 生態(tài)保護(hù)重要性評價(jià)

參考相關(guān)技術(shù)指南與現(xiàn)有方法理論[20-23,7,24]，結(jié)合瑞金市實(shí)際情況，從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性與生態(tài)脆弱性兩個(gè)方面選取水源涵養(yǎng)重要性、水土保持重要性、生物多樣性重要性、水土流失脆弱性、石漠化脆弱性等5個(gè)因素進(jìn)行單項(xiàng)評價(jià)，再將單項(xiàng)評價(jià)成果進(jìn)行集成分析，得到生態(tài)保護(hù)重要性評價(jià)結(jié)果，最終將江西省瑞金市生態(tài)保護(hù)重要性劃分為極重要、重要、一般重要這3個(gè)等級。具體指標(biāo)見表1。

(1) 水源涵養(yǎng)重要性。參照雙評價(jià)指南2020年1月版中對水源涵養(yǎng)重要性評價(jià)的方法，通過降水量減去蒸散量和地表徑流量得到的水源涵養(yǎng)量，評價(jià)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的相對重要程度。降水量大于蒸散量較多，且地表徑流量相對較小的區(qū)域，水源涵養(yǎng)功能重要性較高。一般地，將累積水源涵養(yǎng)量最高的前50%區(qū)域確定為水源涵養(yǎng)極重要區(qū)。水源涵養(yǎng)計(jì)算公式如下[25]：

(1)

式中：Pi為降雨量(mm)； ETi為蒸散發(fā)量(mm)；Ai為i類生態(tài)系統(tǒng)面積(km2)；i為研究區(qū)第i類生態(tài)系統(tǒng)類型；j為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)；Ri為地表徑流量(mm)，地表徑流量(Ri)=Pi×α。

其中：α為平均地表徑流系數(shù),按地表生態(tài)類型計(jì)算,具體參數(shù)與指南中一致,生態(tài)類型通過土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換可得。

(2) 水土保持重要性。結(jié)合瑞金市實(shí)際情況，參照雙評價(jià)指南中的指標(biāo)規(guī)定，從坡度、植被覆蓋度、生態(tài)系統(tǒng)3個(gè)方面評價(jià)瑞金市水土保持重要性，將水土保持功能分為極重要區(qū)、重要區(qū)、一般重要區(qū)。具體指標(biāo)見表2。其中坡度通過DEM計(jì)算可得，植被覆蓋度通過提取遙感影像的NDVI值計(jì)算獲得，生態(tài)系統(tǒng)類型為土地利用現(xiàn)狀圖轉(zhuǎn)化所得。

表2 瑞金市水土保持功能重要性評估指標(biāo)與分級

(3) 生物多樣性保護(hù)。本文生物多樣性評價(jià)采用InVEST模型[26]的Habitat Quality模塊進(jìn)行計(jì)算，此模塊是計(jì)算生境質(zhì)量，利用生境質(zhì)量的好壞反映生物多樣性的高低，默認(rèn)生境質(zhì)量較好的區(qū)域具有較高的生物多樣性。生境質(zhì)量計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Hj為地類j的生境適宜度;Dxj為地類j中柵格x的生境退化度;k為半飽和常數(shù),即退化度最大值的一半;z為模型默認(rèn)參數(shù)?；谕恋乩脭?shù)據(jù),選取代表人類生產(chǎn)生活的旱地、水田、工礦用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、城鎮(zhèn)用地作為動物遷徙過程中的阻礙因子,其中各參數(shù)的設(shè)置主要參考InVEST模型用戶手冊和一些專家學(xué)者發(fā)表的文獻(xiàn)。具體威脅因子數(shù)據(jù)與生境類型對于威脅因子的敏感性見表3—4所示。將計(jì)算出來的結(jié)果用自然斷點(diǎn)法分為3個(gè)等級。

表3 瑞金市生物多樣性保護(hù)威脅因子數(shù)據(jù)

表4 瑞金市不同生境類型對于威脅因子的敏感性

(4) 水土流失脆弱性。參考生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南(2017)，通過通用水土流失方程[24]對水土流失脆弱性進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

(3)

式中：R，K，LS和C分別為降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、地形起伏度因子和植被覆蓋因子。

降雨侵蝕力因子R值的計(jì)算方法[27]如下：

(4)

式中：Pi為月均降雨量(mm)。

K值由以下公式計(jì)算可得[28]：

K=〔-0.013 83+0.515 75Kepic〕×0.131 7

(5)

Kepic={0.2+0.3exp〔-0.025 6×SAN×

(6)

式中：SAN，SIL，CLA和C分別為土壤中砂粒(0.05～2 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、黏粒(<0.002 mm)和有機(jī)碳含量(%);SN1=1-SAN/100;通過土壤數(shù)據(jù)庫對應(yīng)中國土壤質(zhì)地分類表獲得瑞金市土壤質(zhì)地類型圖即可得相關(guān)因子的值。

植被覆蓋度獲取方式與水土保持重要性中相同，通過柵格重分類重新分級賦值可得，地形起伏度LS直接通過DEM進(jìn)行處理獲得。計(jì)算出的結(jié)果通過自然斷點(diǎn)法分為3個(gè)等級。

(5) 石漠化脆弱性。參照雙評價(jià)技術(shù)指南2019年6月版，用以下公式可算得瑞金市石漠化脆弱性[26]：

(7)

式中：D，P，C分別為生態(tài)系統(tǒng)類型、地形坡度和植被覆蓋的脆弱性分級值,各因子的賦值見表5。

表5 石漠化脆弱性評價(jià)因子分級賦值

將最終的脆弱性分值通過自然斷點(diǎn)法劃為3級，分為石漠化極脆弱區(qū)(>7.0)、脆弱區(qū)(3.1～7.0)及一般脆弱區(qū)(<3.0)。

(6) 生態(tài)保護(hù)重要性評價(jià)。不同生態(tài)功能之間彼此相互獨(dú)立，但結(jié)果上為了突出每一項(xiàng)生態(tài)功能關(guān)于生態(tài)安全格局的重要程度，生態(tài)保護(hù)等級采用最大值法按以下公式進(jìn)行綜合集成：

[生態(tài)保護(hù)等級]=

max([生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性]，[生態(tài)脆弱性])

利用ArcGIS軟件，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性與生態(tài)敏感性評價(jià)結(jié)果的板塊疊加在一起，將所有評價(jià)結(jié)果為極重要的區(qū)域作為生態(tài)保護(hù)極重要區(qū)，同理進(jìn)行生態(tài)保護(hù)重要區(qū)與生態(tài)保護(hù)一般重要區(qū)的劃分。

2.2 生態(tài)阻力面構(gòu)建

地形和土地利用類型是生態(tài)“源”向外擴(kuò)散中遭遇阻力的主要來源[29]，由于地表基質(zhì)特征的不同，生態(tài)源地中生態(tài)能量擴(kuò)散受到的阻力也不一樣。本文選取高程、坡度及土地利用類型作為阻力因子。阻力系數(shù)反映了生態(tài)能量擴(kuò)散的難易程度，參考和娟等[20]的分級標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合瑞金市實(shí)際情況，根據(jù)生物物種的分布與河流水系對物種遷徙的阻力來設(shè)定阻力值。并通過專家打分的方式確定各阻力因子權(quán)重。具體阻力值設(shè)置見表6。

表6 瑞金市生態(tài)阻力值設(shè)置

2.3 生態(tài)安全格局構(gòu)建

參考余孔堅(jiān)的研究，構(gòu)建生態(tài)格局主要步驟包括:生態(tài)源地識別、生態(tài)阻力面構(gòu)建、關(guān)鍵生態(tài)廊道提取。為了完善生態(tài)安全格局，方便對研究區(qū)各部分生態(tài)要素進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化，提取各源地的核心點(diǎn)作為生態(tài)結(jié)點(diǎn)，形成研究區(qū)點(diǎn)—線—面的生態(tài)安全格局。

生態(tài)源地是指區(qū)域間物種擴(kuò)散、生態(tài)功能流動與傳遞的源點(diǎn)[30]，本文采用最大值法對上述生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性及生態(tài)敏感性的評價(jià)結(jié)果進(jìn)行綜合評價(jià)，通過ArcGIS軟件的疊加分析得到生態(tài)保護(hù)重要性分級區(qū)域，將其中極重要的區(qū)域作為瑞金市生態(tài)源地。

生態(tài)結(jié)點(diǎn)指的是各個(gè)生態(tài)源斑塊生態(tài)價(jià)值中心點(diǎn)，本文考慮到生態(tài)安全格局的政策方面的易實(shí)現(xiàn)性，以瑞金市內(nèi)鄉(xiāng)行政邊界作為生態(tài)源地的劃分標(biāo)準(zhǔn)，再通過ArcGIS軟件的空間統(tǒng)計(jì)工具分別提取各個(gè)源地板塊中心點(diǎn)作為生態(tài)結(jié)點(diǎn)。

生態(tài)廊道連接生態(tài)源地，是物種空間運(yùn)動和生態(tài)功能流動的載體，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。將每一個(gè)生態(tài)結(jié)點(diǎn)作為廊道連接中心，根據(jù)最小累積阻力模型，通過ArcGIS軟件空間分析工具中的成本距離與成本路徑兩個(gè)工具，基于生態(tài)阻力面，結(jié)合生態(tài)源地分布情況，得到一個(gè)生態(tài)結(jié)點(diǎn)到其余生態(tài)結(jié)點(diǎn)的最佳路徑，即生態(tài)廊道，根據(jù)瑞金市實(shí)際情況進(jìn)行篩選出最優(yōu)的生態(tài)廊道[31]。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)保護(hù)重要性評價(jià)結(jié)果

通過上述評價(jià)方法得到的生態(tài)保護(hù)重要性評價(jià)結(jié)果見圖1，其中生態(tài)保護(hù)極重要區(qū)域面積為1 607 km2，占研究區(qū)面積的65.8%；生態(tài)保護(hù)重要區(qū)域面積為734.1 km2，占研究區(qū)面積的30%；生態(tài)保護(hù)一般重要區(qū)域?yàn)?00.3 km2，占研究區(qū)面積的4.2%。

圖1 瑞金市生態(tài)保護(hù)重要性評價(jià)結(jié)果

從評價(jià)結(jié)果中可以看出，在人口比較密集的城鎮(zhèn)、農(nóng)村建設(shè)用地等生活空間周邊生態(tài)系統(tǒng)功能比較低，生態(tài)保護(hù)重要性也更低。而遠(yuǎn)離人類生活區(qū)域的林地等區(qū)域生態(tài)價(jià)值比較高，也更需要被保護(hù)。兩者之間是以耕地和園地為主農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間，重要性就要稍低一些。綜上所述，可以得知瑞金市生態(tài)建設(shè)受人類生活生產(chǎn)影響較大，豐富的森林資源也是瑞金市最核心的生態(tài)資產(chǎn)，需要重點(diǎn)保護(hù)。

3.2 生態(tài)源地識別

根據(jù)上述生態(tài)保護(hù)重要性評價(jià)結(jié)果，提取面積大于10 km2的生態(tài)保護(hù)極重要區(qū)作為生態(tài)源地，考慮到政策易實(shí)現(xiàn)性，再以瑞金市內(nèi)鄉(xiāng)行政界線對生態(tài)源地進(jìn)行修正，共得到13塊源地及其生態(tài)結(jié)點(diǎn)，總面積1 562.296 km2，占研究區(qū)總面積的64%(見圖2)。

圖2 瑞金市生態(tài)源地分布特征

3.3 生態(tài)廊道識別與生態(tài)安全格局構(gòu)建

通過地形因子與土地利用類型所構(gòu)成的最小累積阻力面見圖3。通過ArcGIS中的成本距離與成本路徑工具，基于生態(tài)源地分布情況與最小累積阻力面，識別瑞金市生態(tài)廊道21條，廊道總長度共計(jì)875.94 km。

瑞金市生態(tài)安全格局主要由生態(tài)源地、生態(tài)結(jié)點(diǎn)和生態(tài)廊道3部分組成(圖3)，從結(jié)果來看，瑞金市內(nèi)生態(tài)源地比例較高，生態(tài)廊道呈“三角網(wǎng)型”的環(huán)繞式分布，彼此相互連通。瑞金市生態(tài)安全格局可總結(jié)為“一網(wǎng)三區(qū)”；其中“一網(wǎng)”連結(jié)瑞金市生態(tài)源地各處的大三角狀生態(tài)廊道網(wǎng)，“三區(qū)”分別指的是瑞金市南面的拔英鄉(xiāng)、澤覃鄉(xiāng)等6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)為主的重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)，瑞金市東面的以日東鄉(xiāng)、壬田鎮(zhèn)、葉坪鄉(xiāng)為主的東江源頭保護(hù)區(qū)，瑞金市西北面以瑞林鎮(zhèn)、岡面鄉(xiāng)等6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)為主的水源涵養(yǎng)區(qū)。

圖3 瑞金市最小累積阻力面及生態(tài)安全格局

4 討論與結(jié)論

4.1 結(jié) 論

(1) 通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評價(jià)與生態(tài)脆弱性評價(jià)確定瑞金市生態(tài)保護(hù)重要性空間分布情況，識別了瑞金市生態(tài)源地面積共1 562.296 km2，占研究區(qū)總面積的64%，主要成分是具有高生態(tài)價(jià)值的林地和水域。

(2) 以行政區(qū)界限作為生態(tài)源地分區(qū)基礎(chǔ)，提取了13塊生態(tài)源地并提取源地要素中心作為生態(tài)節(jié)點(diǎn)。

(3) 通過“源地—廊道”的生態(tài)安全格局構(gòu)建模式，利用最小累積阻力模型生成阻力面，識別出瑞金市生態(tài)廊道共計(jì)21條，總長度共計(jì)875.94 km。廊道與源地相結(jié)合形成瑞金市“一網(wǎng)三區(qū)”的生態(tài)安全格局。

4.2 討 論

(1) 瑞金市作為森林資源豐富的贛南紅色城市，其生態(tài)安全在經(jīng)濟(jì)和歷史文化保護(hù)上都有著重要意義。本文通過生態(tài)保護(hù)重要性評價(jià)確定瑞金市目前的生態(tài)源地分布情況，利用最小累積阻力模型識別生態(tài)廊道，兩者結(jié)合構(gòu)建瑞金市生態(tài)安全格局。通過構(gòu)建生態(tài)安全格局，可以緩解生態(tài)空間與城鎮(zhèn)空間發(fā)展的矛盾。推動瑞金市形成生產(chǎn)空間集約高效、生活空間宜居適度、生態(tài)空間山清水秀，安全和諧和可持續(xù)發(fā)展的國土空間格局。

(2) 本文考慮到生態(tài)安全格局的易實(shí)施性，所選取的評價(jià)指標(biāo)在可靠的基礎(chǔ)上，降低了資料獲取和計(jì)算難度。通過區(qū)域內(nèi)行政界限的修正細(xì)分，也讓生態(tài)源地的保護(hù)工作更容易落實(shí)。但也因此本文提出的評價(jià)方法在全面性與綜合性上存在不足之處，在未來的研究中可深入探討。

(3) 綜合上述生態(tài)安全格局構(gòu)建方法，結(jié)合瑞金市實(shí)際情況，建議瑞金市相關(guān)部門以生態(tài)文明理念為基礎(chǔ)，按照生態(tài)源地分布情況實(shí)行分區(qū)域責(zé)任制。以生態(tài)節(jié)點(diǎn)和廊道的分布為基礎(chǔ)，選擇合適區(qū)域建設(shè)生態(tài)保護(hù)安全格局先行示范區(qū)，以此帶動整個(gè)瑞金市生態(tài)保護(hù)格局的構(gòu)建。