戴亞南，陶 紅，彭 渤，鄔思成，劉 靜，趙亞方，李曉敏，陳丹婷，江春霞

(湖南師范大學地理科學學院，中國 長沙 410081)

人類社會的發(fā)展歷經(jīng)漁獵文明、農(nóng)業(yè)文明再到工業(yè)文明時期，工業(yè)化的發(fā)展給人類帶來豐厚的物質(zhì)財富，但在工業(yè)化進程中人類對自然資源的掠奪，對生態(tài)環(huán)境的污染和破壞，也造成了前所未有的生態(tài)危機。如何克服工業(yè)化帶來的弊端，實現(xiàn)人與自然的和諧共生？這是全人類共同面臨的課題。肖篤寧等將生態(tài)安全與保障程度相聯(lián)系，把生態(tài)安全定義為人類在生產(chǎn)、生活和健康等方面不受生態(tài)破壞與環(huán)境污染等影響的保障程度，包括引用水與食物安全、空氣質(zhì)量與綠色環(huán)境等基本要素[1]；格局在宏觀尺度上一般是指空間格局[1]，生態(tài)過程則是指生態(tài)系統(tǒng)的功能和動態(tài)[1]。格局與過程之間存在密切的關系，簡單來說，格局于過程之中產(chǎn)生，又作用于過程?；诙叩年P系，生態(tài)安全格局勢必要放到具體的空間尺度中展開研究。緊緊聯(lián)系生態(tài)過程和格局的涵義，生態(tài)安全格局研究首先關注區(qū)域內(nèi)物種的安全程度和喪失狀況[2]，其次關注重點生態(tài)系統(tǒng)的平衡和完整；關注斑塊的變化、群落演替、系統(tǒng)對干擾的阻抗與恢復能力等。再次，關注一些重要生態(tài)過程的連續(xù)性。因此，生態(tài)安全格局研究正是適應了生態(tài)安全研究對生態(tài)過程進行合理調(diào)控的理論述求，也成為景觀生態(tài)學空間格局—生態(tài)過程耦合理論指引實踐的有效方式[3]。正是依據(jù)格局與過程的互饋作用，構建區(qū)域生態(tài)安全格局，將促進區(qū)域各生態(tài)過程良好運行，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)充分發(fā)揮物質(zhì)循環(huán)和能量流動的功能，實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)資源的積累，合理調(diào)配人類發(fā)展對自然資源的需要，促進區(qū)域生態(tài)安全[4]。由此，生態(tài)安全格局構建，將為緩解生態(tài)環(huán)境保護與經(jīng)濟社會發(fā)展之間矛盾作出一定的貢獻[5,6]。

構建生態(tài)安全格局一般從關鍵部位及其位置關系展開，主要研究方法包括生態(tài)因子疊加法和源地-廊道法[7]。專家學者們針對不同的目標對象，從相應的視角和方法來確定廊道和生態(tài)源地,在此基礎上構建生態(tài)安全格局。Theocharis[8]及其研究團隊等以希臘奧林匹斯山為研究對象，注重森林的土壤保持功能，并識別出重要的水土流失防護空間。在廊道識別和生態(tài)安全格局構建中，運用的最普遍的是最小累積阻力模型法[9]，該方法可通過計算源地與目的地間的最小耗費距離，來能反映物種間的擴散阻力情況，及預測物種在源地和潛在目標源地間的流動趨勢[10，11]。朱捷等[12]提出構建三位一體的源地綜合識別指標體系等來構建生態(tài)安全格局；楊彥昆等[13]構建連通度指數(shù)，對最小阻力面模型進行一定修正，進而分析生態(tài)重要區(qū)域和生態(tài)廊道，再構建生態(tài)安全格局。對于生態(tài)廊道的構建，美國強調(diào)形態(tài)、結構等的多重協(xié)調(diào)；歐洲傾向于水平空間布局與單元形態(tài)設計；而中國更加追求自然生態(tài)與城鄉(xiāng)空間功能的融合[14],目前已有方法有最小累積阻力模型法、斑塊重力模型[15]、綜合評價指標體系[16]等，張玉虎等[17]利用有效費用距離模型構建了妙峰山景區(qū)的生態(tài)安全格局；劉吉平等[18]利用最小累積阻力模型分析設計了三江平原東北部濕地的生態(tài)安全格局。在此基礎之上，部分專家學者還提出了生態(tài)節(jié)點[19]、生態(tài)緩沖區(qū)[20]、輻射通道[21]等概念，生態(tài)安全格局構建體系在不斷完善。除了以上理論及方法的研究背景，又適逢黨的十九大明確提出要加大生態(tài)系統(tǒng)保護力度，為貫徹落實十九大精神，湖南省政府分別于2018年7月及12月頒布《湖南省生態(tài)保護紅線》和《關于加快推進生態(tài)廊道建設的意見》，以構建湖南省“山、水、林、田、湖、草”完整的生態(tài)系統(tǒng)為目標，加快推進生態(tài)廊道建設，從而提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性。結合以上背景，本文選取平江縣作為研究區(qū)，與其重要的生態(tài)區(qū)位有關，平江縣位于湖南東北部(圖1所示)，區(qū)內(nèi)的幕阜山區(qū)、汨羅江流域及新墻河水系既是湖南省重要的生態(tài)保護區(qū)，也是長江經(jīng)濟帶綠色發(fā)展軸上的一個環(huán)節(jié)。在湖南省(2019—2023年省級生態(tài)廊道建設規(guī)劃)構建大中小多級尺度的網(wǎng)狀生態(tài)廊道和生物多樣性保護網(wǎng)絡體系中，“三山”大尺度中有羅霄-幕阜山脈生態(tài)廊道，在“一湖四水”中尺度生態(tài)廊道構建中四水有汨羅江水系生態(tài)廊道和新墻河水系生態(tài)廊道，還有許多小尺度的骨干路網(wǎng)構建。近年來平江縣城鎮(zhèn)村莊建設用地加速擴張，道路交通設施快速建設，一些關鍵性的生態(tài)過渡帶、節(jié)點和廊道受到不同程度的破壞和影響，區(qū)域自然生境破碎化現(xiàn)象明顯，區(qū)域生態(tài)安全格局正受到威脅。本文正是基于平江縣生態(tài)發(fā)展的現(xiàn)狀和發(fā)展要求，以景觀生態(tài)學理論為基礎，主要運用源地-廊道法和最小累積阻力模型法，構建平江縣生態(tài)安全格局。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)概況

圖1 平江縣在湖南省的區(qū)位及平江縣行政范圍示意

平江縣位于湖南省東北部，屬于濕潤的大陸性季風氣候區(qū)，年平均氣溫16.9 ℃，最熱月7月份28.6 ℃，最冷月1月份4.5 ℃，年溫差24.1 ℃。年降水量1 460.9 mm，全年降水日數(shù)為160天。年平均相對濕度82%，最小相對濕度9%。全縣土地總面積達4 125 km2，地勢東南和東北部高，西南部低。境內(nèi)河網(wǎng)密布，主要水系為汨羅江和新墻河，有大小支流141條，總長2 656.9 km。自然資源豐富，蘊藏有豐富的金、銀等貴金屬、鉛、鋅和銅等有色金屬及長石等非金屬礦產(chǎn)資源?？h域擁有豐富的森林資源，分布有一個國家級風景名勝區(qū)、兩個國家森林公園、一個國家地質(zhì)公園及兩個省級森林公園，森林覆蓋率達67.5%。

平江縣地貌以山地和丘陵為主，山地占總面積的28.5%，丘陵占總面積的55.9%。主要的分布有林地、水域、耕地、濕地、建設用地等。自然資源豐富、生態(tài)環(huán)境優(yōu)良是平江縣空間自然格局的典型特征，也是“生態(tài)立縣、工業(yè)強縣、旅游旺縣、融長興縣”社會經(jīng)濟發(fā)展目標的物質(zhì)基礎與條件保障。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文的主要數(shù)據(jù)包括：平江縣土地利用數(shù)據(jù)，由平江縣自然資源和規(guī)劃局提供；30 m分辨率DEM的柵格數(shù)據(jù)，從地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)網(wǎng)站下載，用于提取高程、坡度數(shù)據(jù)；平江縣2018年歸一化植被指數(shù)(NDVI)，從中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)網(wǎng)站下載，用于植被覆蓋度分析；行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、區(qū)域交通數(shù)據(jù)以及其他相關數(shù)據(jù)從平江縣自然資源和規(guī)劃局獲取。

2.2 生態(tài)敏感性分析法

2.2.1 評價因子的確定及分級 生態(tài)敏感性綜合評價時通常采用多因子綜合評價分析法[22]?；谄浇h生態(tài)環(huán)境特點，遵循代表性和適宜性原則，篩選出5個指標，分別是坡度、高程、植被覆蓋度、水域和地表覆蓋，作為平江縣生態(tài)敏感性分析的主要指標。具體生態(tài)敏感性等級單因子分級標準如表1所示，5個因子的相對敏感性用高敏感、較敏感、中敏感、低敏感和不敏感5個等級表示，并分別賦值為9，7，5，3和1(表1)。

表1 生態(tài)因子分級

2.2.2 評價因子權重的確定 坡度、高程、植被覆蓋度、水域和地表覆蓋對生態(tài)敏感性的影響程度各有差異，各自在生態(tài)系統(tǒng)的安全應對方面應該有不同的權重值，從而比較客觀反映各因子的重要性程度。本文考慮公平和客觀，采用了層次分析法計算5個單因子的權重。最終確定平江縣生態(tài)敏感性評價因子的權重如表2。

表2 指標權重

2.3 空間疊加法

圖2 生態(tài)敏感性分析流程圖

應用ArcGIS 10.2軟件，操作相應的軟件模塊，通過建立緩沖區(qū)、字段計算、柵格轉換、重分類等具體操作步驟，完成對高程、坡度、植被覆蓋度、水域、地表覆蓋5個指標的生態(tài)敏感性分析圖(圖2)。再在此基礎上，利用柵格計算器工具，完成5個因子生態(tài)敏感性的加權疊加，學習其他學者的自然分類法[23]，將敏感區(qū)類型其劃分為高敏感區(qū)、較敏感區(qū)、中敏感區(qū)、低敏感區(qū)和不敏感區(qū)5類，作者選取大型水源區(qū)、濕地保護區(qū)等疊加到生態(tài)高度敏感區(qū)域中，得到綜合生態(tài)敏感性分級圖(圖2)。

2.4 最小累積阻力模型法

早在1992年Knaapen等提出最小累積阻力模型(Minimum Cumulative Resistance，MCR)[9]，此后該方法得到廣泛應用。該模型計算物種從源到目的地運動過程中所需要耗費的代價，可以反映物種運動的潛在可能性及趨勢，模擬生物穿越不同景觀基面的過程，它是一種可達性的度量。當物種在不同的景觀要素之間流動時，克服阻力形成的趨勢面叫做阻力面，其反映了物種從源地到達目的地所需要耗費代價的總值。其計算公式為

式中：M為第j塊生態(tài)源斑塊到達相鄰某點的最小累積阻力值；f表示M與生態(tài)過程之間的正相關關系函數(shù)；Dij為物種從源j到景觀單元i的空間距離；Ri為景觀單元i對某物種運動的阻力系數(shù)；按照各個斑塊土地利用類型來評價生態(tài)阻力是前人研究中關于阻力面構建的常用方法。本文依據(jù)面積值、環(huán)境質(zhì)量狀況、對生境的建設作用等情況，選擇斑塊。又結合平江縣具體實際情況，選擇NDVI(歸一化植被指數(shù))、坡度、土地利用強度、離道路距離(縣級以上道路)和離居民點距離共5個指標作為本次研究的阻力評價因子，以此建立平江縣生態(tài)安全阻力模型。在計算生態(tài)阻力面時，5個指標與阻力值的關系如下：歸一化植被指數(shù)與阻力值是反比關系；坡度與阻力值是正比關系；土地利用強度是一個較難定量的指標，本文主要考慮人類活動強度的影響，土地利用類型不同，人類活動強度不同，所以根據(jù)土地利用類型進行劃等。對阻力劃分等級體現(xiàn)的關系如下：人類活動干擾越大，土地利用強度越大，則對物種運動阻力大；最后兩個指標，斑塊到道路的距離和斑塊到居民點距離的影響，通過距離遠近體現(xiàn)，距離越遠，阻力越小，距離越近，則阻力越大。參考一些學者的成果[24，25]，確定5項阻力因子的阻力等級和阻力值，并采用熵權法確定各阻力因子的指標權重(表3)。

表3 各阻力因子的阻力等級及其阻力值

2.5 生態(tài)廊道提取方法

圖3 生態(tài)廊道提取流程圖

生態(tài)廊道是能提供保護生物多樣性、過濾污染物、防止水土流失、調(diào)控洪水等多項生態(tài)系統(tǒng)服務的廊道類型，是保持生態(tài)功能、生態(tài)過程、能量在核心斑塊間順利流動的關鍵載體。目前比較廣泛應用的是前文提到的最小累積阻力模型(MCR)。提取主要生態(tài)源地的中心點作為生態(tài)節(jié)點，并以每個生態(tài)節(jié)點為中心，以剩余的n-1 (n為生態(tài)節(jié)點數(shù))個節(jié)點為目標點集群，基于最小累積阻力模型，既可得到n條基于圖層的最小耗費路徑。該過程的實現(xiàn)又借助ArcGIS軟件本文只保留生態(tài)源地之間的最短路徑，使識別結果具有清晰性和操作性(圖3)。

3 平江縣生態(tài)安全格局分析

3.1 生態(tài)源地識別分析

3.1.1 生態(tài)敏感性分析 平江縣域內(nèi)坡度2°～8°(占30.98%)和坡度15°～25°(占35.20%)面積比重大，除去南部連云山脈和北部幕阜山外，縣域內(nèi)其他區(qū)域地形坡度相對平緩，所以在綜合生態(tài)敏感性分析中，坡度和高程所占的比重較小，全縣極度重要和高度重要的生物多樣性維護功能區(qū)植被覆蓋度較高，占全縣總面積的34.28%，中等重要和一般重要的生物多樣性維護功能區(qū)植被覆蓋度占全縣總面積的7.65%，因此，植被覆蓋度占比較大，此外平江縣水網(wǎng)密布的水域和地表覆蓋所占的比重都較大。單因子敏感性分析情況如圖4。

從坡度因子看，高敏感區(qū)域和較敏感區(qū)域主要集中于平江縣東北和東南邊緣的山地，少部分位于西北零散的林區(qū)；在高程方面，敏感(高敏感、較敏感)區(qū)與平江縣的東北部和東南部兩大山地對應；在植被覆蓋度方面，敏感區(qū)以北部的幕阜山國家級森林自然公園、東南部的北羅霄國家級森林自然公園，以及東南部的連云山、福壽山等山林地和西部的水土保持區(qū)為主；在水域方面，敏感區(qū)主要為平江縣內(nèi)汨羅江和新墻河流域以及縣域內(nèi)的湖泊以及水庫斑塊；在地表覆蓋方面，敏感區(qū)主要包括平江縣內(nèi)自然保護區(qū)、森林公園和水土保持區(qū)，土地利用類型以林地、水域和濕地為主。

圖4 單因子生態(tài)敏感性分析

圖5 綜合敏感性分析

分別分析了坡度、高程、植被覆蓋度、水域、地表覆蓋5個方面的敏感性后，又根據(jù)前文所得各指標的權重值，運用ArcGIS 10.2中的柵格計算器工具得到平江縣綜合生態(tài)敏感性分析圖(圖5)?？傮w看，平江縣高敏感區(qū)域和較敏感區(qū)域面積為503.15 km2，占研究區(qū)總面積的12.2%，主要分布在北部和東南部的山地邊緣一帶，該區(qū)域包括幕阜山、北羅霄山及連云山等山地，這些區(qū)域坡度大、海拔高、植被覆蓋度高，土地利用類型主要為林地、濕地，是生態(tài)保護的核心區(qū)域。

3.1.2 生態(tài)源地識別 為減少生態(tài)源地的破碎化程度，本文從區(qū)域生態(tài)安全保護的底線出發(fā)，對綜合敏感性空間分布要素進行識別。在地理信息系統(tǒng)軟件的支持下將距離小于500 m的高敏感、較敏感斑塊聚合為相對完整連片的圖斑，標記為生態(tài)源地，對于面積小于1 km2、對生態(tài)系統(tǒng)建設及生物多樣性保護貢獻作用小的零碎斑塊予以剔除。最后聚合出9塊大面積斑塊，標記為平江縣重要的生態(tài)源地(表4、圖6)，總面積為363.3 km2，占研究區(qū)總面積的8.81%，表4對源地斑塊的生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行了簡單的分類，但實際各斑塊的功能是多重的。從空間上看，生態(tài)源地集中分布在東北部和東南部，少部分分布在西部。

表4 源地斑塊一覽表

圖6 生態(tài)源地識別結果

3.2 生態(tài)廊道識別

生態(tài)廊道聯(lián)系各生態(tài)源地，能夠提高區(qū)域之間的景觀連通性。依據(jù)本文2.4的方法及2.5的步驟分別計算5個因子的阻力值，生成各因子的阻力面(圖7)，運用ArcGIS軟件中柵格計算器工具、Cost- distance工具和Cost-path工具分別計算平江縣最小累積耗費阻力面和生態(tài)廊道。生態(tài)節(jié)點是高阻力通道與低阻力通道的交匯點，散布在各生態(tài)廊道上。

經(jīng)過篩選，平江縣識別出重要生態(tài)廊道35條和生態(tài)節(jié)點22個(圖8)，重要生態(tài)廊道連接核心生態(tài)源地，是物種擴散的主要通道，生態(tài)節(jié)點也在維持區(qū)域生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定方面起到了小斑塊的作用。平江縣以幕阜山為核心，廊道向四周散開，主要在幕阜山—九峰水庫、幕阜山—石牛寨、石牛寨—徐家洞水庫等北部山林地帶，該區(qū)域生態(tài)源地分布相對較多且密集，所以生態(tài)廊道多而短。幕阜山—石牛寨—黃金洞水庫—福壽山廊道從北而南，將該縣東部的森林、河流、耕地和水庫等生境斑塊連接起來，維持南北跨區(qū)域的連通性。在空間尺度上，穿越山地的生態(tài)廊道相對比較密集而且長度較短，其主要是由于山地區(qū)域的生態(tài)源地較多且各源地距離比較近。其他零散分布的生態(tài)源地之間的生態(tài)廊道距離較長，可以將平江縣內(nèi)比較分散的生境斑塊連接起來，形成系統(tǒng)性和連通性的生態(tài)源地，有利于區(qū)域內(nèi)的物種擴散，維持生物多樣性。

3.3 生態(tài)安全格局分析

基于前文計算的最小累積阻力面中各阻力值，找出各阻力值的多級界點,同級界點成一線，各級界點則連出多個連線，這些線構成多層級安全水平區(qū)的分界線，最后根據(jù)這些界線分出5個等級安全水平區(qū)：高安全水平區(qū)、較高安全水平區(qū)、中等安全水平區(qū)、較低安全水平區(qū)、低安全水平區(qū)。安全水平區(qū)等級與最小累積阻力值成正比，低安全水平區(qū)的物種在擴散過程中遇到的阻力最小，高安全水平區(qū)表示物種在源地間遷移的難度大。

根據(jù)平江縣生態(tài)敏感性分析以及最小累積阻力模型分析，該區(qū)域內(nèi)的生態(tài)源地、生態(tài)廊道、生態(tài)節(jié)點、不同安全層級區(qū)以及連接各層級安全水平區(qū)的邊緣界線，構建平江縣生態(tài)安全格局(圖9)。

圖7 單因子阻力面

平江縣的低安全水平區(qū)和較低安全水平區(qū)域面積為2 071.3 km2，占研究區(qū)總面積的54.4%，主要分布在余坪鎮(zhèn)、岑川鎮(zhèn)、南江鎮(zhèn)、虹橋鎮(zhèn)、石牛寨鎮(zhèn)、三墩鄉(xiāng)、木金鄉(xiāng)、龍門鎮(zhèn)、長壽鎮(zhèn)、福壽山鎮(zhèn)和加義鎮(zhèn)。其中，位于東北部和東南部的低安全水平區(qū)是平江縣的自然旅游區(qū)，包括東北部的幕阜山國家森林公園、石牛寨國家地質(zhì)公園，東南部的北羅霄山國家森林公園、福壽山國家級風景名勝區(qū)等景點。較低安全水平區(qū)域主要圍繞在各低安全水平區(qū)分布，可為低安全水平區(qū)的提供重要保護屏障，該區(qū)域的土地利用類型主要為山地和丘陵，是重點生態(tài)保護區(qū)。

圖8 生態(tài)廊道識別結果(圖中數(shù)字含義對應表4)

平江縣中等安全水平區(qū)域面積為912.9 km2，占研究區(qū)總面積的22.1%，主要分布在板江鄉(xiāng)、上塔市鎮(zhèn)、梅仙鎮(zhèn)、童市鎮(zhèn)、浯口鎮(zhèn)、甕江鎮(zhèn)和加義鎮(zhèn)。該區(qū)域的主要土地利用類型為農(nóng)用地(又以農(nóng)田為主)、建設用地等。該區(qū)域人類生產(chǎn)和建設活動對生態(tài)安全產(chǎn)生一定的影響，建議充分利用居民點附近的綠樹草地，拓寬各級道路周圍的綠化帶，為物種在不同安全水平區(qū)之間的遷移提供生態(tài)廊道，同時可以開發(fā)部分休閑用地，分析其對自然和文化景觀的影響，從而制定具有差異性的土地利用模式。

平江縣高安全水平和較高安全水平區(qū)域總面積為969.3 km2，占研究區(qū)總面積的23.5%，主要分布在西部和西南部，少部分分布在北部和東部，包括伍市鎮(zhèn)、浯口鎮(zhèn)、安定鎮(zhèn)、三陽鄉(xiāng)、三市鎮(zhèn)、城關鎮(zhèn)以及大洲鄉(xiāng)、梅仙鎮(zhèn)、龍門鎮(zhèn)的部分區(qū)域。土地利用類型以城鄉(xiāng)建設用地、交通用地為主。該區(qū)域?qū)儆陂_發(fā)建設區(qū)的范圍，已經(jīng)進行了大面積的城鎮(zhèn)建設開發(fā)，是人類生產(chǎn)經(jīng)營的主要場所。因此，該區(qū)域人為活動強度大、幅度大、影響范圍廣，空間承載負荷大，生態(tài)功能脆弱特征明顯，更需要進行生態(tài)安全保護。因地制宜地發(fā)展平江縣特色產(chǎn)業(yè)，適度發(fā)展景觀農(nóng)業(yè)、生態(tài)產(chǎn)業(yè)，將礦區(qū)開采與旅游產(chǎn)業(yè)相結合，嚴禁不合規(guī)范的開發(fā)建設，為建設“生態(tài)綠城”提供保障。

圖9 平江縣生態(tài)安全格局

4 結論

本文選取平江縣為研究場地，借助ArcGIS軟件，運用生態(tài)敏感性綜合分析和最小累積阻力模型分析方法，依據(jù)平江縣的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，首先識別了若干生態(tài)源地，并以此為核心，又識別出重要的生態(tài)廊道，以之為通道，搭建主要的生態(tài)節(jié)點，然后構建該縣的生態(tài)安全格局。最后根據(jù)構建的情況，將平江縣的生態(tài)安全狀況劃分為5個層級,并建議針對不同的生態(tài)安全層級，進行相應的開發(fā)與建設：低安全水平區(qū)和較低安全水平區(qū)為禁止開發(fā)區(qū)，防止人類活動破壞區(qū)域生物多樣性；中安全水平區(qū)為限制開發(fā)區(qū)，作為緩沖區(qū)總體上不適合用作發(fā)展；較高安全水平區(qū)和高安全水平區(qū)為開發(fā)建設區(qū)，可進行合理的開發(fā)建設，是城市發(fā)展和人類生活生產(chǎn)的區(qū)域。