劉雙嘉，張貴軍,2，張蓬濤,2，杜賀秋

(1 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 國(guó)土資源學(xué)院，河北 保定071000；2 河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定071000)

生態(tài)安全影響著地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。京津冀地區(qū)自然環(huán)境稟賦不佳，近年來(lái)，大氣污染、水資源短缺等生態(tài)問題愈加嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)之間的矛盾進(jìn)一步深化。因此，從科學(xué)性、可行性以及整體性角度構(gòu)建生態(tài)安全格局，對(duì)于京津冀地區(qū)改善生態(tài)環(huán)境、緩解人地矛盾、促進(jìn)人與自然和諧相處具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

生態(tài)安全格局的研究起源于生物保護(hù)領(lǐng)域，之后逐漸成為生態(tài)學(xué)、地理學(xué)等領(lǐng)域的熱點(diǎn)[1-2]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的矛盾日益突出，生態(tài)安全格局研究逐漸關(guān)注于自然生態(tài)系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合[3-4]、生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)[5-7]，生態(tài)安全的政策研究[8-9]等。在研究方法創(chuàng)新方面，國(guó)外學(xué)者將物理學(xué)中的電路理論結(jié)合到生態(tài)安全研究中，進(jìn)而出現(xiàn)了利用有效電阻、有效電壓和有效電流來(lái)模擬生態(tài)源地、生態(tài)廊道以及綜合阻力的空間分布的研究模式，豐富了生態(tài)安全格局的研究?jī)?nèi)容[10-11]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)生態(tài)安全格局的研究始于20世紀(jì)90年代末。以俞孔堅(jiān)[12]、肖篤寧[13]、陳利頂[14]、傅伯杰[15]為代表的部分學(xué)者，對(duì)生態(tài)安全格局進(jìn)行了初步探索，明確了生態(tài)安全格局的基本概念和理論；之后國(guó)內(nèi)基本形成了 “斑塊-廊道-基質(zhì)”的研究模式[16-17]，并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合地區(qū)環(huán)境特征，拓展了目標(biāo)優(yōu)化[18-20]、時(shí)空演變分析[21-22]等多種研究思路。在研究尺度上，已經(jīng)涵蓋了省域[23]、市域[24]、城市群[25]、縣域[26]等眾多尺度；在研究?jī)?nèi)容上，眾多學(xué)者圍繞生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與功能[27-28]、構(gòu)建方法[29-30]、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)[31]、土地利用與生態(tài)安全[32-34]、國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)[35-36]等展開了系列研究，豐富了生態(tài)安全格局的研究?jī)?nèi)容。綜上所述，以往研究形成了較為成熟的研究模式，但多局限于行政區(qū)邊界，對(duì)多地區(qū)相互結(jié)合的生態(tài)安全格局研究較為不足，京津冀地區(qū)地貌類型多樣，各項(xiàng)生態(tài)要素空間異質(zhì)性明顯，且經(jīng)濟(jì)區(qū)位和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平差異顯著，構(gòu)建京津冀地區(qū)生態(tài)安全格局對(duì)構(gòu)筑首都生態(tài)安全屏障，維護(hù)京津冀生態(tài)安全，促進(jìn)地區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

以京津冀地區(qū)為例，利用InVEST模型評(píng)價(jià)京津冀地區(qū)產(chǎn)水、碳固持、生境質(zhì)量和土壤保持4項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，并以此為基礎(chǔ)識(shí)別京津冀地區(qū)關(guān)鍵生態(tài)源地和廊道的空間分布情況，制定將生態(tài)系統(tǒng)要素有效串聯(lián)起來(lái)的空間配置方案，并探究科學(xué)、可行的京津冀生態(tài)安全格局構(gòu)建模式，這不僅有利于解決地區(qū)一系列生態(tài)環(huán)境問題，還可以對(duì)優(yōu)化生態(tài)安全屏障體系、構(gòu)建生物多樣性保護(hù)網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)京津冀地區(qū)生態(tài)安全提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

京津冀地區(qū)涵蓋北京市、天津市和河北省，北部為燕山山脈，南部為華北平原，西部為太行山脈，東部為渤海地區(qū)；京津冀地區(qū)地貌類型多樣，西部和北部地區(qū)多為山地、高原、盆地，東部和南部多為平原，整體地形呈現(xiàn)西北高、東南低的態(tài)勢(shì)；京津冀地區(qū)總面積為218 000 km2，占全國(guó)總面積的2.27%。截至2015年底，京津冀地區(qū)常住人口超過1.1 億人；2015年GDP總量達(dá)6.9 萬(wàn)億元。2015年中央審議通過了《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》，提出了京津冀疏解北京非首都功能，調(diào)整優(yōu)化京津冀地區(qū)城市布局和空間結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大環(huán)境容量的主要任務(wù)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究采用的數(shù)據(jù)包括：(1)京津冀地區(qū)2015年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)以Land TM和Landsat-8遙感數(shù)據(jù)為主要信息源，利用ENVI與Arcgis軟件解譯所得，并根據(jù)研究需要將土地劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地6種類型，分辨率為100 m。(2)2015年京津冀地區(qū)年平均降雨量數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng), 通過26個(gè)氣象站點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用反距離插值法得到京津冀地區(qū)降雨?yáng)鸥駡D。(3)DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)，利用Arcgis中的重采樣工具，將分辨率為30 m的DEM數(shù)據(jù)調(diào)整為100 m。(4)潛在蒸騰數(shù)據(jù)來(lái)源于全球干旱與潛在蒸騰量數(shù)據(jù)庫(kù)(Global Aridity and PET Database)，從全球潛在蒸散分布圖裁剪出京津冀地區(qū)數(shù)據(jù)，并利用Arcgis軟件中的重采樣工具將其分辨率調(diào)整為100 m。(5)土壤數(shù)據(jù)來(lái)源于世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)中國(guó)土壤數(shù)據(jù)集。

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)

2.1.1 產(chǎn)水服務(wù) 產(chǎn)水服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)通過攔截降雨儲(chǔ)存淡水資源的能力。采用InVEST模型中的產(chǎn)水模塊(Water yield)評(píng)價(jià)京津冀地區(qū)產(chǎn)水服務(wù)情況，公式如下：

(1)

式中：Yi為柵格i上的年產(chǎn)水量，單位為mm；AETi為柵格i上的年蒸發(fā)量，單位為mm；Pi為柵格i上年降雨量，單位為mm；將柵格面積與Yi相乘得到產(chǎn)水量體積，作為京津冀地區(qū)產(chǎn)水服務(wù)量，單位為m3。

2.1.2 碳固持服務(wù) 碳固持服務(wù)深刻影響著地區(qū)氣候變化，對(duì)維護(hù)地區(qū)生態(tài)安全具有重要作用。本文利用InVEST模型中的碳固持模塊(Carbon Storage)評(píng)價(jià)京津冀地區(qū)碳固持服務(wù)情況，公式如下：

Ctot=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(2)

式中：Ctot為碳固持服務(wù)供給量，單位為t/hm2；Cabove為地上生物量的碳密度，單位為t/hm2；Cbelow地下生物量的碳密度，單位為t/hm2；Csoil為土壤中的碳密度，單位為t/hm2；Cdead為死亡有機(jī)物中的碳密度，單位為t/hm2。碳密度參數(shù)表示地區(qū)單位面積能夠儲(chǔ)存的碳總數(shù)，現(xiàn)已有較多研究利用土地利用類型表征各項(xiàng)碳密度參數(shù)，所以將土地利用類型分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用地，參考InVEST模型推薦取值以及相關(guān)研究和文獻(xiàn)[37-38]，確定各種地類的碳密度參數(shù)。

2.1.3 生境質(zhì)量 生境質(zhì)量的優(yōu)劣表明生態(tài)系統(tǒng)能夠提供物種生存環(huán)境和繁衍發(fā)展的潛力大小。利用運(yùn)用InVEST模型中的生物多樣性模塊(Habitat Quality)評(píng)價(jià)京津冀地區(qū)生境質(zhì)量的空間分布情況，公式如下：

(3)

(4)

(5)

式中：式中Qxj為第j個(gè)土地類型中柵格x的生境質(zhì)量數(shù)值，取值為[0,1]，其中數(shù)值1表示生境質(zhì)量最佳；Hj為地類j的生境適宜性；Dxj為地類j中柵格x的脅迫水平；k為半飽和常數(shù)，采用InVEST模型的參考取值0.5；z為歸一化常量；T為脅迫因子的個(gè)數(shù)，選取建設(shè)用地、耕地以及未利用地為脅迫因子；y為某脅迫因子的柵格數(shù)；Yr為某脅迫因子所在地類層上的柵格數(shù)量；wr為脅迫因子權(quán)重；ry為地類層每個(gè)柵格上脅迫因子的個(gè)數(shù)；irxy為柵格y中脅迫因子r對(duì)柵格x的生境脅迫水平；βx為柵格x的可達(dá)性水平；Sjr為j對(duì)脅迫因子r的敏感程度；dxy為柵格x與柵格y之間的直線距離；drmax為脅迫因子r的最大影響距離。

2.1.4 土壤保持服務(wù) 京津冀地區(qū)地形條件復(fù)雜，城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，人類活動(dòng)導(dǎo)致土壤環(huán)境惡化的現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重，因此定量評(píng)價(jià)京津冀地區(qū)土壤保持服務(wù)具有重要意義。采用InVEST模型中的SDR模塊評(píng)價(jià)京津冀地區(qū)土壤保持現(xiàn)狀，公式如下:

USLE=R×K×LS×C×P

(6)

RKLS=R×K×LS

(7)

SD=RKLS-ULSE

(8)

式中：RKLS是研究區(qū)在特定地貌氣候條件及裸地情形下的潛在土壤侵蝕量(t)；USLE是考慮了管理、工程措施的實(shí)際土壤侵蝕量(t)；SD為土壤保持量(t)；R為降雨侵蝕因子[MJ·mm/(hm2·h·a)]，表示雨水匯集而成的徑流對(duì)土層產(chǎn)生沖刷和轉(zhuǎn)移的參數(shù)，以京津冀地區(qū)年平均降雨量為基礎(chǔ)，采用章文波年降雨量回歸方程計(jì)算京津冀地區(qū)侵蝕因子；K為土壤可蝕性因子[t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]，參考門明新[39]的研究，將不同土壤類型分別賦予相應(yīng)的K值，得到京津冀地區(qū)土壤可蝕性因子圖層；LS為坡長(zhǎng)坡度因子，InVEST模型能夠根據(jù)DEM數(shù)據(jù)自動(dòng)提取LS數(shù)據(jù)；C為植被覆蓋和管理因子；P為土壤保持措施因子，現(xiàn)已有較多研究采用土地利用類型來(lái)表征植被覆蓋和管理因子與水土保持措施因子，因此在參考相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，并結(jié)合京津冀地區(qū)的地類情況，確定C值與P值的取值[40-41]。

2.2 生態(tài)安全格局構(gòu)建

2.2.1 生態(tài)源地識(shí)別 生態(tài)源地是對(duì)于區(qū)域生態(tài)過程與功能起決定性作用的生境斑塊，同時(shí)它對(duì)區(qū)域生態(tài)安全具有重要意義并擔(dān)負(fù)著重要輻射功能。研究在評(píng)價(jià)產(chǎn)水、碳固持、生境質(zhì)量和土壤保持4項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的基礎(chǔ)上，利用極值標(biāo)準(zhǔn)化法將4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行歸一化處理，并通過疊加處理得到京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合分區(qū)狀況，最后利用自然斷點(diǎn)法將分區(qū)結(jié)果劃分為高、中、低3個(gè)等級(jí)，選取綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等級(jí)為高且面積大于100 km2的斑塊作為研究區(qū)的生態(tài)源地。

2.2.2 生態(tài)阻力面設(shè)置 當(dāng)物種在生態(tài)源地之間遷移時(shí)會(huì)受到眾多阻力的干擾。在參考相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上[42-43]，綜合考慮到研究區(qū)的地形地貌條件，選取土地類型、高程和坡度3個(gè)因子構(gòu)建綜合阻力面，依據(jù)因素重要程度比較法確定各阻力因子權(quán)重。

2.2.3 生態(tài)廊道提取 根據(jù)最小累積阻力模型，利用Arcgis軟件空間分析模塊中的成本距離分析方法，基于最小累積阻力面，結(jié)合生態(tài)源地分布情況，分別以各生態(tài)源地的幾何中心為生態(tài)源點(diǎn)，以其他的生態(tài)源點(diǎn)作為目標(biāo)點(diǎn)群，生成研究區(qū)每個(gè)景觀單元到成本耗費(fèi)面上鄰近源地斑塊的最小累積成本距離，然后利用成本路徑分析方法，識(shí)別從源地到目標(biāo)區(qū)域的最小成本路徑，去除重復(fù)和冗長(zhǎng)的路徑后得到最優(yōu)的關(guān)鍵生態(tài)廊道。公式如下：

(9)

式中：MCR為最小累積阻力值；f表示生態(tài)過程與最小累積阻力為正相關(guān)關(guān)系；Dij為生態(tài)源地斑塊j到景觀單元i的空間距離；Ri為景觀單元對(duì)生物物種遷徙的阻力系數(shù)。

廊道寬度直接影響著生態(tài)廊道發(fā)揮實(shí)際作用，參考相關(guān)研究成果，以構(gòu)建的京津冀地區(qū)生態(tài)廊道為基礎(chǔ)，分別對(duì)其進(jìn)行100 m、200 m、400 m、600 m、800 m、1 000 m、1 200 m 的緩沖區(qū)分析，統(tǒng)計(jì)和計(jì)算不同寬度內(nèi)各土地利用類型面積，并以此得到京津冀地區(qū)最佳的生態(tài)廊道寬度區(qū)間[42,44]。

3 研究結(jié)果

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間格局

利用InVEST模型測(cè)算出京津冀地區(qū)產(chǎn)水、碳固持、生境質(zhì)量以及土壤保持4項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布情況，如圖1所示。

圖1 京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間格局Figure 1 Spatial pattern of ecosystem services in Beijing-Tianjin-Hebei region

2015年京津冀地區(qū)平均產(chǎn)水服務(wù)量為599.80 m3/hm2，從空間分布來(lái)看，產(chǎn)水服務(wù)高值區(qū)主要集中唐山市和秦皇島市等環(huán)渤海地區(qū)，而承德市和張家口市則為普遍的較低值區(qū)，一方面京津冀地區(qū)降雨量總體上呈現(xiàn)由東南向西北逐步降低的態(tài)勢(shì)，京津冀西部地區(qū)降雨量較為不足，此外張承地區(qū)土地利用類型多為林地，土壤入滲能力較強(qiáng)，因此導(dǎo)致產(chǎn)水服務(wù)能力較弱。2015年京津冀地區(qū)碳固持服務(wù)高值區(qū)域主要集中于京津冀中北部的燕山山脈，此外石家莊市和邢臺(tái)市西部的太行山區(qū)也有部分高值地區(qū)；而東南部廣大平原地區(qū)則由于缺少森林等生態(tài)用地，導(dǎo)致碳固持服務(wù)能力較弱。2015年京津冀地區(qū)平均生境質(zhì)量指數(shù)為0.48，集中連片的高值區(qū)域集中于北部和西部的燕山山脈地區(qū)，低值區(qū)域以各個(gè)城市的中心城區(qū)為主。2015年京津冀地區(qū)平均土壤保持量為888.96 t/hm2，高值區(qū)主要集中在北部和西部海拔較高的山區(qū)地帶，這些地區(qū)地表植被覆蓋率高，林地能夠有效防止水土流失；而冀中平原地區(qū)植被覆蓋率較低，但地勢(shì)較為平坦，因此土壤潛在侵蝕量與實(shí)際侵蝕量均處于較低水平，因此土壤保持量較低。

3.2 生態(tài)源地識(shí)別

在定量評(píng)價(jià)4項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的基礎(chǔ)上，利用極值標(biāo)準(zhǔn)化法對(duì)4項(xiàng)服務(wù)進(jìn)行歸一化處理，之后通過疊加分析得到京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合分區(qū)，利用自然斷點(diǎn)法將京津冀地區(qū)綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)狀況分為高、中、低3個(gè)等級(jí)，3個(gè)等級(jí)的面積占比分別為15.6%、17.2%和67.2%。選取綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)級(jí)別為高且面積大于100 km2的斑塊作為京津冀地區(qū)生態(tài)源地，其中共選取生態(tài)源地17 塊。生態(tài)源地空間分布情況如圖2所示。

圖2 京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合分區(qū)及生態(tài)源地空間分布Figure 2 Integrated ecosystem service division and ecological source area in Beijing-Tianjin-Hebei region

基于生態(tài)源地的空間分布狀況，利用Arcgis軟件統(tǒng)計(jì)京津冀各地區(qū)生態(tài)源地的分布情況，得到各地區(qū)生態(tài)源地面積占生態(tài)源地總面積的百分比，如表1所示。

表1 京津冀地區(qū)生態(tài)源地分布情況Table 1 Distribution of ecological sources in Beijing-Tianjin-Hebei Region

京津冀地區(qū)生態(tài)源地面積為29 226.90 km2，占研究區(qū)總面積的13.5%；從空間分布來(lái)看，生態(tài)源地主要分布在北京市、承德市和張家口市等北部地區(qū)，這3個(gè)地區(qū)依托燕山山脈，擁有較為優(yōu)良的生態(tài)本底，其中承德市的生態(tài)源地面積最大，占生態(tài)源地總面積的40.83%，占行政區(qū)面積的30.19%。而京津冀南部地區(qū)生態(tài)源地較少，僅有南部太行山地區(qū)分布面積較少的生態(tài)源地；從土地利用類型來(lái)看，生態(tài)源地主要有林地、草地和耕地3種土地利用類型，3種用地類型的面積占比分別為84.43%、10.98%和4.59%，其中林地占據(jù)主導(dǎo)地位，說明林地在維持區(qū)域生態(tài)安全和生態(tài)平衡中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。

3.3 生態(tài)廊道構(gòu)建

生態(tài)阻力面是構(gòu)建生態(tài)廊道的基礎(chǔ)，利用阻力因子分級(jí)及賦值標(biāo)準(zhǔn)，得到京津冀地區(qū)綜合阻力面；從研究區(qū)所構(gòu)建的阻力面能夠看出，各地區(qū)生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)差異性較大，其空間格局如圖3所示。

圖3 京津冀地區(qū)綜合阻力面構(gòu)建Figure 3 Comprehensive resistance value in Beijing-Tianjin-Hebei region

由圖3能夠看出，京津冀地區(qū)土地利用類型阻力因子主要為東南高、西北低的態(tài)勢(shì)，主要原因在于東南部地形以平原為主，土地利用類型多為建設(shè)用地和耕地，受人類活動(dòng)影響較大，因此雖然東南部的高程阻力因子與坡度阻力因子值較低，但綜合阻力值依然表現(xiàn)為東南高而西北低；低綜合阻力值區(qū)域主要集中于“燕山-太行山”地帶，幾乎涵蓋了所有的生態(tài)源地，是生物遷徙以及生態(tài)要素流動(dòng)的重要區(qū)域。而高阻力值地區(qū)以建設(shè)用地為主，主要集中于各個(gè)城市的城區(qū)，特別是以北京和天津城區(qū)為核心，形成了較大范圍的高阻力值區(qū)。

基于京津冀地區(qū)生態(tài)阻力面，利用最小累積阻力模型(MCR)構(gòu)建京津冀地區(qū)生態(tài)廊道，生態(tài)廊道在各地區(qū)分布情況如表2所示。

表2 京津冀各地區(qū)生態(tài)廊道分布情況Table 2 Distribution of ecological corridors in Beijing-Tianjin-Hebei region

由表2能夠看出，京津冀地區(qū)共構(gòu)建生態(tài)廊道33條，總長(zhǎng)度達(dá)到2 391.78 km。其中，承德市生態(tài)廊道長(zhǎng)度達(dá)到852.50 km，遠(yuǎn)高于其他地區(qū)，廊道密度達(dá)到0.022 km/km2，從而也進(jìn)一步佐證了承德市在京津冀生態(tài)安全系統(tǒng)中的核心地位；北京市和保定市的生態(tài)廊道途經(jīng)數(shù)和途經(jīng)廊道長(zhǎng)度較為相近，廊道長(zhǎng)度均在400 km以上，僅次于承德市，并且兩個(gè)地區(qū)廊道密度均在0.022 km/km2以上，遠(yuǎn)高于其他地區(qū)。而生態(tài)源地面積較大的張家口市雖然只有一條生態(tài)廊道，但該生態(tài)廊道的長(zhǎng)度達(dá)到206.38 km，能夠有效地將張家口市東部與西部的生態(tài)源地連接起來(lái)；石家莊市生態(tài)源地分布較為分散，因此廊道數(shù)量達(dá)到4條，總體上承接北部的生態(tài)廊道從而形成完整的廊道網(wǎng)絡(luò)。

京津冀地區(qū)生態(tài)廊道主要分布于西部和北部地區(qū)，將研究區(qū)內(nèi)生態(tài)源地有效地串聯(lián)起來(lái)，生態(tài)廊道的空間分布狀況如圖4所示。

圖4 生態(tài)廊道空間分布情況Figure 4 The spatial distribution of ecological corridor

京津冀地區(qū)生態(tài)廊道主要集中于北部和西部生態(tài)基礎(chǔ)較好的地區(qū)，并呈現(xiàn)出“一橫一縱”的基本態(tài)勢(shì)，其中“一橫”主要是連接?xùn)|西方向的生態(tài)廊道，其基本涵蓋了燕山山脈的主要范圍，主要跨越張家口市、北京市以及秦皇島市，是燕山山脈生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)重要的生態(tài)要素交流通道?！耙豢v”主要是指連接北部燕山山脈與南部太行山脈的生態(tài)廊道，主要經(jīng)過承德市、北京市、保定市、石家莊市，跨越范圍較廣，且主要集中于京津冀西部地區(qū)。而東部冀中平原地區(qū)由于缺少大面積的生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，人類活動(dòng)較為頻繁，因此不適合建立生物遷徙的通道。這種分布格局從空間上較好地規(guī)避了城鎮(zhèn)密集區(qū)，為生態(tài)源地間各物種的聯(lián)系以及生態(tài)流的擴(kuò)散提供了有利條件。

基于生態(tài)廊道的空間分布狀況與京津冀地區(qū)DEM數(shù)據(jù)，利用Arcgis軟件分析生態(tài)廊道的地形條件，如表3所示。

表3 京津冀地區(qū)不同高程水平下生態(tài)廊道分布情況Table 3 Distribution of ecological corridors at different elevations in Beijing-Tianjin-Hebei Region

由表3能夠看出，共有48%的生態(tài)廊道分布在高程200～500 m的范圍內(nèi)，共有38%的生態(tài)廊道分布在高程500～1 000 m的范圍內(nèi)，這2種高程范圍內(nèi)的地形多為丘陵、低山，受人類影響程度較低；0～200 m的低海拔地區(qū)多為平原地帶，主要表現(xiàn)為建設(shè)用地、耕地等地類，不適合生物遷徙；而高程超過1 500 m的地區(qū)雖然受人類影響較小，但多為中山、高山等地形，使動(dòng)物遷徙面臨較大的阻力。

利用Arcgis軟件計(jì)算生態(tài)廊道不同緩沖區(qū)內(nèi)各種土地利用類型面積，分析生態(tài)廊道寬度，如表4所示。

表4 不同廊道寬度內(nèi)各土地利用類型面積占比Table 4 Proportion of land use types in different corridor widths

由表4能夠看出，不同廊道寬度內(nèi)林地的面積占比最高，其中林地與水域的面積占比隨著廊道寬度的增加逐漸降低，草地與耕地的面積占比隨著廊道寬度的增加逐漸升高，其余地類基本處于持平狀態(tài)。在廊道寬度100～600 m的范圍內(nèi)，林地、草地與水域三種重要生態(tài)用地均擁有較高的面積占比，建設(shè)用地面積占比穩(wěn)定在1%～2%的水平內(nèi)，受人類影響較小。參考朱強(qiáng)[44]等的研究，100～200 m的生態(tài)廊道是保護(hù)生物多樣性比較合適的寬度，400 m到600 m的寬度能夠滿足中等哺乳動(dòng)物的遷徙，因此確定京津冀地區(qū)廊道寬度為100～600 m。

3.4 生態(tài)安全格局

通過識(shí)別京津冀地區(qū)重要生態(tài)源地以及構(gòu)建綜合阻力面與最小累計(jì)阻力面，得到京津冀地區(qū)生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了“一橫一縱三組團(tuán)三分區(qū)”的京津冀地區(qū)生態(tài)安全格局。如圖5所示。

圖5 京津冀地區(qū)生態(tài)安全格局Figure 5 Ecological security pattern in Beijing-Tianjin-Hebei region

其中“一橫一縱”分別代表貫穿東西和南北2個(gè)方向的主干生態(tài)廊道；“三組團(tuán)”分別代表北部、中部和南部生態(tài)安全組團(tuán)，其中北部生態(tài)安全組團(tuán)主要囊括分布于北京北部、承德、張家口、秦皇島和唐山的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，中部生態(tài)安全組團(tuán)囊括分布于北京和保定的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，南部生態(tài)安全組團(tuán)主要囊括分布于石家莊、邢臺(tái)與邯鄲的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)；根據(jù)生態(tài)源地的最小累計(jì)阻力值，采用自然斷點(diǎn)法將京津冀劃分為高水平生態(tài)安全區(qū)、中水平生態(tài)安全區(qū)、低水平生態(tài)安全區(qū)。

在京津冀生態(tài)安全格局中，北部、中部和南部生態(tài)安全組團(tuán)的范圍基本符合京津冀地區(qū)主要山脈“燕山-太行山”的走勢(shì)；構(gòu)建的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)較好地規(guī)避了城鎮(zhèn)地區(qū)。城鎮(zhèn)是人類活動(dòng)的密集區(qū)域，對(duì)生態(tài)要素流動(dòng)具有較強(qiáng)的阻礙作用；但京津冀地區(qū)主要城市均是依托燕山和太行山而建，因此造成了生態(tài)源地與城鎮(zhèn)距離較近的現(xiàn)象，因此在這種地區(qū)條件下，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格維護(hù)生態(tài)源地的穩(wěn)定性，禁止建設(shè)用地侵占生態(tài)用地，保護(hù)地區(qū)生態(tài)安全。此外，還應(yīng)加大保護(hù)和優(yōu)化現(xiàn)有生態(tài)廊道的力度，加強(qiáng)其周邊環(huán)境保護(hù)和生態(tài)建設(shè)，維護(hù)高水平生態(tài)安全區(qū)的穩(wěn)定性。

京津冀地區(qū)應(yīng)當(dāng)依托區(qū)域生態(tài)安全格局，以現(xiàn)有廊道作為主干，建立生態(tài)隔離帶、河流水系等多種支干生態(tài)廊道，進(jìn)一步提升該區(qū)域各生態(tài)源地之間的連通性；此外生態(tài)廊道之間的交匯處以及生態(tài)廊道與高鐵、高速公路的交匯處是生態(tài)脆弱性較高的地區(qū)，應(yīng)當(dāng)通過設(shè)置人造林、生態(tài)保護(hù)區(qū)等方式維護(hù)該地區(qū)的生態(tài)穩(wěn)定性。從京津冀地區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的空間分布狀況來(lái)看，東南部地區(qū)缺少大范圍的生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，一方面東南部地區(qū)地處平原地帶，人類活動(dòng)強(qiáng)度較高，使生態(tài)要素難以在該區(qū)域高效流動(dòng)；另外一方面東南部地區(qū)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)較好，土地利用類型多為耕地，缺少對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)貢獻(xiàn)能力較大的林地，生態(tài)源地對(duì)東南部地區(qū)的輻射能力較弱，也使該區(qū)域?qū)儆诘退缴鷳B(tài)安全區(qū)。因此需要完善生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，并通過轉(zhuǎn)移支付加大冀東南地區(qū)森林公園、濕地公園、防護(hù)林帶等項(xiàng)目資金支持力度，加快該區(qū)域生態(tài)建設(shè)。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

(1)京津冀地區(qū)各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間異質(zhì)性明顯。其中產(chǎn)水服務(wù)高值區(qū)集中于東北部環(huán)渤海地帶，而西部為普遍的低值區(qū)。碳固持、生境質(zhì)量和土壤保持三項(xiàng)服務(wù)的高低值空間分布情況相似程度較高，高值區(qū)域基本集中于“燕山-太行山”地區(qū)，分布于京津冀西部和北部，而東南部冀中平原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平較低。

(2)京津冀地區(qū)生態(tài)源地和廊道主要集中于西北部地區(qū)，其空間分布狀況基本符合“燕山-太行山”的走勢(shì)，涵蓋了京津冀地區(qū)重要的生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)。本研究共識(shí)別了17 塊生態(tài)源地，總面積達(dá)到29 226.9 km2，占京津冀地區(qū)總面積的13.5%；共構(gòu)建了33 條生態(tài)廊道，總長(zhǎng)度達(dá)到2 391.78 km；生態(tài)源地、廊道主要由對(duì)維護(hù)地區(qū)生態(tài)安全具有重要作用的林地構(gòu)成。

(3)構(gòu)建了“一橫一縱三組團(tuán)三分區(qū)”的京津冀地區(qū)生態(tài)安全格局，其中“一橫一縱”分別代表貫穿東西與南北兩個(gè)方向的主干生態(tài)廊道；“三組團(tuán)”分別代表北部、中部和南部生態(tài)安全組團(tuán)，三分區(qū)分別代表高水平生態(tài)安全區(qū)、中水平生態(tài)安全區(qū)、低水平生態(tài)安全區(qū)。該生態(tài)安全格局表征了京津冀地區(qū)復(fù)合型、網(wǎng)絡(luò)化的生態(tài)空間結(jié)構(gòu)，為地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)建設(shè)政策制定提供參考和借鑒。

4.2 討論

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平取決于當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境基底狀況。京津冀地區(qū)擁有重要的政治、經(jīng)濟(jì)地位，構(gòu)建京津冀生態(tài)安全格局對(duì)促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展、維護(hù)京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要作用。京津冀地區(qū)擁有種類最全的地貌類型，各地區(qū)自然環(huán)境稟賦差異較大，因此京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)表現(xiàn)出明顯的區(qū)域特色，具體有如下兩個(gè)特征：(1)碳固持、生境質(zhì)量、土壤保持三項(xiàng)服務(wù)的空間分布情況具有較高的相似性，高值區(qū)域集中于西部和北部的山區(qū)地帶，該地區(qū)林地覆蓋范圍廣，擁有較好的生態(tài)基底條件，而東南部地區(qū)人類活動(dòng)頻繁，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需狀況不平衡；(2)產(chǎn)水服務(wù)水平呈現(xiàn)由東向西逐漸降低的態(tài)勢(shì)，東北部地區(qū)是明顯的高值區(qū)域，供需狀況呈顯著的空間異質(zhì)性。

在以往圍繞生態(tài)安全格局的研究中，多是基于土地利用現(xiàn)狀建立生態(tài)敏感性或生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系，進(jìn)而識(shí)別生態(tài)源地，之后利用最小累積阻力模型(MCR)識(shí)別廊道等；本研究利用InVEST模型從定量角度計(jì)算地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的現(xiàn)狀，可以更為詳實(shí)和精確地反映研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平，提高獲取研究區(qū)生態(tài)源地的準(zhǔn)確性和可操作性。此外，在以往研究中多將研究區(qū)局限在市域或縣域，缺少多區(qū)域、多城市之間耦合效應(yīng)分析；京津冀協(xié)同發(fā)展是國(guó)家重要戰(zhàn)略，因此跨越北京、天津、河北的行政界限構(gòu)建生態(tài)安全格局，有利于從更大范圍統(tǒng)籌實(shí)現(xiàn)自然資源的合理配置，進(jìn)而維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡。

研究在構(gòu)建綜合阻力面時(shí)多參考前人的研究成果，而普遍采用的阻力系數(shù)等參數(shù)是否符合京津冀地區(qū)實(shí)際的自然環(huán)境條件，有待進(jìn)一步研究。此外，生態(tài)廊道寬度深刻影響著生物遷徙以及生態(tài)要素流動(dòng)效率， 并且京津冀地形條件復(fù)雜，在地理上跨越較大，氣候差異較為明顯，針對(duì)不同自然狀況構(gòu)建不同的生態(tài)廊道寬度，應(yīng)當(dāng)是今后京津冀地區(qū)生態(tài)安全格局構(gòu)建研究的重點(diǎn)。