張孟楠，徐磊，張長春

(河北農業(yè)大學 國土資源學院, 河北 保定 071001)

在以生態(tài)文明建設為目標的戰(zhàn)略背景下，如何解決生態(tài)安全問題成為學術界乃至國家和社會關注的熱點。合理構建生態(tài)安全格局能夠對生態(tài)過程進行積極調控，是系統(tǒng)解決生態(tài)安全問題，引導生態(tài)空間健康的重要手段，是提升人類福祉和實現可持續(xù)發(fā)展的橋接點[1-3]。

20世紀90年代，俞孔堅以生物多樣性保護為目標提出景觀生態(tài)安全格局構建，極大促進生態(tài)安全格局理論與方法研究[4]。在研究尺度方面，涵蓋了全國、城市群、省域、市域和縣域的多尺度研究區(qū)[5-9]。此外，根據不同類型區(qū)域自身環(huán)境特征，形成了山地型城市、山水型城市、海島型城市、煤炭資源型城市、平原地區(qū)、農牧交錯帶以及流域等不同地形特征的生態(tài)安全格局構建方法[10-16]。當前主流的生態(tài)安全格局構建模式是“生態(tài)源地-生態(tài)阻力面-生態(tài)廊道”的組合模式。生態(tài)源地識別多基于生態(tài)系統(tǒng)服務供需、生態(tài)保護紅線、生態(tài)重要性-敏感性-連通性等方面展開[17-18]；阻力面的構建是提取生態(tài)廊道的基礎，修正基本阻力面成為近年來構建生態(tài)阻力面的核心環(huán)節(jié)和重要趨勢[19]；在構建生態(tài)廊道方面，多采用最小累積阻力模型、電路理論、重力模型等方法[14-15，20]。電路理論的連接度模型考慮到物種在景觀中遷移擴散的隨機性，比較符合物種運動的真實情況，因此本研究通過電路理論分析生態(tài)廊道。

目前生態(tài)安全格局已從最初的定性定量分析研究，發(fā)展到生態(tài)空間修復、目標優(yōu)化、動態(tài)格局模擬等方面[21]。部分學者通過構建生態(tài)安全格局后進行土地利用變化模擬，將生態(tài)安全格局作為土地利用變化的限制條件，探索未來土地利用變化對生態(tài)發(fā)展構成的威脅，以明確未來生態(tài)保護方向，為土地管理和規(guī)劃提供參考和借鑒[22]。常用的模擬土地利用變化的模型有CA-Markov模型、CLUE-S模型、FLUS模型等。PLUS模型是新近提出的土地利用模擬模型，具有強大的數據挖掘能力和更好地模擬土地利用斑塊級變化的能力[23]。

基于此，研究通過InVEST模型、MCR模型、電路理論等構建京津冀地區(qū)生態(tài)安全格局，基于Markov模型預測未來土地利用數量需求，利用PLUS模型以生態(tài)安全格局為限制區(qū)域模擬2030年京津冀地區(qū)土地利用空間格局，從動態(tài)變化視角探索建設用地空間擴展方向，識別國土空間生態(tài)保護預警點，為京津冀地區(qū)國土空間規(guī)劃和生態(tài)安全一體化建設提供科學參考。

1 研究區(qū)概況與數據來源

1.1 研究區(qū)概況

京津冀位于環(huán)渤海地區(qū)和東北亞的核心重要區(qū)域，總面積達到21.6萬km2，由北京、天津以及河北省的石家莊、保定、唐山、廊坊、秦皇島、張家口、承德、邢臺、邯鄲、衡水、滄州11個地級市組成。地勢西北高、東南低，有高原、山地、丘陵、盆地、平原等復雜多樣的地貌，燕山山脈自東向西連接由北向南的太行山山脈，形成一段弧形山脈。截至2020年，京津冀GDP達到86 393.23億元，占全國GDP的8.5%。但區(qū)域內部經濟差異明顯，次級中心城市發(fā)展相對滯后，縣域發(fā)展分散。隨著社會經濟的發(fā)展，生態(tài)脆弱性愈加明顯，生態(tài)空間破碎化，生態(tài)系統(tǒng)退化等問題突出。

1.2 數據來源

京津冀地區(qū)土地利用數據和GDP空間分布公里網格數據來自中國科學院資源環(huán)境與數據中心。植被凈初級生產力(NPP)數據和夜間燈光數據(NPP-VIIRS)均來源于美國國家海洋和大氣管理局。NPP數據通過MRT拼接，ArcGIS裁剪處理得到；NPP-VIIRS數據在ArcGIS中經過去異常值和負值修正處理得到。土壤數據來自世界土壤數據庫(WHSD)。DEM數據來源于地理空間數據云平臺，分辨率為30 m×30 m，坡度數據是基于DEM在ArcGIS空間分析中處理得到。各級道路數據來源于高德地圖，包括國道、省道、高速公路和城市道路等。POI數據(火車站、汽車站和機場等)來源于北京大學開放研究數據平臺。道路數據和POI數據均通過歐氏距離進行可達性分析。人口數據來源于WorldPop(https://www.worldpop.org/)，分辨率為1 km。將所有空間數據重采樣成500 m分辨率，并統(tǒng)一為 Albers 等積圓錐投影。

2 研究方法

2.1 生態(tài)安全格局構建

2.1.1 生態(tài)源地識別 生態(tài)源地是維持生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的重要生境斑塊[24]。本研究基于生態(tài)系統(tǒng)服務的生態(tài)重要性評價，選取京津冀地區(qū)水土保持、生物多樣性保護、水源涵養(yǎng)和氣候調節(jié)4類功能作為評價因子，見表1。通過自然斷點法將評價結果等權疊加，選取重要性等級高的區(qū)域作為生態(tài)源地。

(1)生物多樣性保護。生境質量是指生態(tài)系統(tǒng)能夠為物種生存提供適宜條件的潛在能力，一般用來評估生物多樣性[25]。通過InVEST模型的生境質量模塊(Habitat Quality)評價京津冀地區(qū)生物多樣性保護功能。具體計算公式如下：

(1)

式中：Qxj為地類j中柵格x的生境質量指數，取值范圍為[0，1]；Hj為地類j的生境適宜性；k為半飽和常數，即退化度最大值的一半；Z為模型默認參數；Dxj為地類j中柵格x的生境退化度。

(2)固碳釋氧。固碳釋氧是生態(tài)系統(tǒng)通過光合作用吸收大氣中的二氧化碳，并將其固定在植被、凋落物、根系和土壤的過程，具有氣候調節(jié)能力[26]。通過InVEST模型的碳固持模塊(Carbon storage)估算京津冀地區(qū)固碳釋氧服務功能，所需數據包括土地利用數據和地上生物量、地下生物量、土壤有機物、死亡有機質四大基本碳庫。具體計算公式如下：

C=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(2)

式中：C為固碳總量，Cabove、Cbelow、Csoil和Cdead分別為地上固碳量、地下固碳量、土壤固碳量和死亡固碳量。

(3)水土保持。水土保持是生態(tài)系統(tǒng)在一定程度上，通過自身調控來減少因自然因素或人為因素造成的水土流失，從而維持土壤的天然功能，有利于維護區(qū)域生態(tài)安全，與氣候條件、土壤質地、地形地貌和植被覆蓋關系密切[27-28]。通過計算京津冀地區(qū)水土保持服務能力指數來實現對研究區(qū)水土保持服務重要性評價，具體計算公式如下：

Spro=NPPmean·(1-K)·(1-Fslo)

(3)

式中：Spro為水土保持服務能力指數；NPPmean為年平均凈初級生產力；Fslo為坡度因子；K為土壤可蝕性因子。

(4)水源涵養(yǎng)。生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)是指一定時空范圍內，生態(tài)系統(tǒng)通過與水的相互作用，截留、滲透、蓄積降水的過程和能力[29]。水源涵養(yǎng)是維持區(qū)域生態(tài)安全的重要功能之一，通過計算京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)服務能力指數來實現對研究區(qū)水源涵養(yǎng)服務重要性評價，具體計算公式如下：

WR=NPPmean·Fsic·Fpre·(1-Fslo)

(4)

式中：WR為水源涵養(yǎng)服務能力指數；Fsic為土壤滲流因子；Fpre為年均降雨量。

2.1.2 生態(tài)阻力面構建 阻力面反映了景觀單元之間物質能量傳遞或物種運動等生態(tài)過程所受到的阻礙，阻力值大小與傳遞、運動的距離有關，同時也受到自然和人為活動的干擾[30]。最小累積阻力(MCR)模型能較好地模擬景觀對空間運動過程的阻礙作用，是比較成熟且較為常用的構建生態(tài)安全格局模型[31]。采用最小累積阻力模型(MCR)進行生態(tài)阻力面的構建，計算公式為：

(5)

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關系；Dij為生態(tài)源地斑塊j和景觀單元i之間的空間距離；Ri為景觀單元阻礙物種遷徙的阻力系數。

生態(tài)阻力系數的確定可以根據專家知識或經驗數據對不同土地利用類型進行賦值[24]。參考相關文獻，確定土地利用類型對應的基本阻力系數：耕地30、林地1、草地10、水域50、建設用地500、未利用地300[32]。但均一化賦值忽略了同一地類不同人為干擾程度對生態(tài)阻力系數的影響，為了提高結果的科學性和可信度，近年來學者多用不透水表面指數、城市興趣點指數、夜間燈光指數等數據對阻力值進行修正[18,33-34]。夜間燈光數據能較好表征區(qū)域經濟狀況、人口密度等差異，借助京津冀地區(qū)2020年VIIRS-NPP夜間燈光數據對生態(tài)阻力值進行修正，具體計算公式如下：

(6)

式中：NLi為柵格i的夜間燈光指數；NLa為柵格i對應的地類a的平均夜間燈光指數；R為基于土地利用類型賦值的柵格i的基本阻力系數。

2.1.3 生態(tài)廊道提取 在生態(tài)安全格局構建過程中，生態(tài)廊道是連接各個生態(tài)斑塊的線狀或帶狀景觀要素，以促進生態(tài)斑塊之間物質交換、能量流動、信息交流等過程，是溝通生態(tài)源地的橋梁[35]。生態(tài)廊道分為關鍵生態(tài)廊道和潛在生態(tài)廊道，前者是指相鄰2個源地之間的最小成本路徑，后者指源地與周圍所有源地之間的可能路徑[36]。通過與ArcGIS聯合的Linkage Mapper工具箱，調用Build Network and Map Linkages工具，基于生態(tài)源地數據和阻力柵格數據提取2類生態(tài)廊道。

2.2 土地利用變化模擬分析

2.2.1 PLUS模型 PLUS模型耦合一種新的土地擴張分析策略(LEAS)和基于多類型隨機斑塊種子的CA模型(CARS)，可以直觀表達驅動因子在推動土地利用變化過程中的貢獻，及時空動態(tài)地模擬多種土地利用類型斑塊變化。參考相關文獻，從地形地貌、氣候條件、交通區(qū)位、社會經濟方面選取高程、坡度、降雨量、溫度、距城市道路距離、距高速公路距離、距火車站距離、距水系距離、人口、GDP等15個驅動因子[23,27]。以2000-2020年土地利用變化模擬2030年京津冀地區(qū)土地利用格局。為檢驗模擬精度，先以2000年土地利用數據模擬2020年土地利用格局，并與2020年現狀土地利用數據作比較，得到Kappa系數為0.79，總體精度為0.85，符合精度要求。

2.2.2 核密度分析 以京津冀地區(qū)2020年土地利用現狀數據和模擬獲得的2030年土地利用數據得到建設用地擴張數據，通過ArcGIS中密度分析模塊的核密度分析工具，探索建設用地擴張的熱點區(qū)域，預測建設用地擴張對生態(tài)安全格局潛在的脅迫區(qū)域，以此為生態(tài)保護預警點。

3 結果分析

3.1 生態(tài)安全格局構建

3.1.1 生態(tài)源地識別 利用自然斷點法將4類生態(tài)系統(tǒng)服務重要性評價結果劃分為極重要、重要、中等重要、一般重要和不重要5個等級，如圖1。

(a)生物多樣性保護功能重要性評價

京津冀地區(qū)生物多樣性保護重要區(qū)域分布集中于燕山、太行山山脈，即承德全域，張家口西、南部，北京西北部，秦皇島北部以及保定、石家莊、邢臺西部。原因在于山脈區(qū)域林地覆蓋率高，生境質量好，有利于生物資源的保護和生物多樣性的發(fā)展。其他地區(qū)主要為耕地和建設用地，受人為活動干擾，生境質量差，不利于保護生物多樣性。張家口北部為草原生態(tài)地區(qū)，而草地對生物多樣性保護的貢獻相比林地較弱。

受土地利用類型影響，京津冀地區(qū)固碳釋氧重要區(qū)域分布與生物多樣性保護重要區(qū)域分布較為一致，即森林覆蓋面積廣，生態(tài)環(huán)境良好的山脈地區(qū)。冀中南平原大面積為耕地，固碳釋氧能力較弱，為一般重要區(qū)域。不重要區(qū)域主要分布在城市建成區(qū)。

京津冀地區(qū)水土保持重要區(qū)域分布較為零散、破碎，囊括燕山山脈的主要地區(qū)，以及秦皇島、唐山、廊坊、保定、石家莊和邯鄲等市。分布區(qū)域基本與土壤可蝕性因子分布一致，可蝕性越低，水土流失敏感性越低，對水土保持具有極為重要的作用。

京津冀地區(qū)水源涵養(yǎng)服務重要區(qū)域集中分布在秦皇島、唐山、承德東部，以及邢臺、邯鄲西部。這是由于該區(qū)域降雨量高，水熱均衡條件較好，有利于水資源的調節(jié)和控制。

基于ArcGIS平臺，將4種生態(tài)系統(tǒng)服務重要性評價結果歸一化處理之后疊加分析，提取極重要斑塊作為研究區(qū)生態(tài)源地初步識別結果。面積較小的斑塊更易受到外界干擾，其輻射功能也減弱，對區(qū)域生態(tài)安全格局的影響較小，所以生態(tài)源地需要有一定面積才能保證核心區(qū)的穩(wěn)定性。參考相關研究成果，從初步識別結果中進一步篩選面積大于100 km2的生態(tài)斑塊，最終得到京津冀地區(qū)生態(tài)源地，見圖2[37]。京津冀地區(qū)生態(tài)源地共46個，總面積達14 424.743 km2，占京津冀地區(qū)總面積的6.7%。生態(tài)源地的空間分布不均衡，依托燕山山脈優(yōu)良的生態(tài)本底，主要分布在承德市、秦皇島北部、北京西北部和張家口市等北部地區(qū)，而冀中南地區(qū)僅有南部太行山山脈有少量的生態(tài)源地分布。城市建設多集中于冀中南平原地區(qū)，且有大面積農業(yè)用地，受人為影響較大，在這些區(qū)域無生態(tài)源地分布，生態(tài)流的運行也受到較大阻礙。

圖2 京津冀地區(qū)生態(tài)源地空間分布

3.1.2 阻力面的空間分布 在ArcGIS中使用重分類和柵格計算器工具得到修正后的綜合阻力值，并使用表面分析模塊進行累積阻力計算，得到生態(tài)阻力面，見圖3。

圖3 京津冀地區(qū)生態(tài)阻力面

京津冀地區(qū)低阻力區(qū)圍繞源地大面積分布在北部、西部山林區(qū)，以林地和草地生態(tài)用地為主，人為建設活動相對較少，是自然環(huán)境良好且適宜物種生存的生態(tài)空間。高阻力區(qū)分布在天津、滄州、衡水等東部沿線城市，距離源地較遠，地勢相對平緩，以耕地和建設用地為主要用地類型，人口密度相對較高。此外，北京城市建成區(qū)與生態(tài)區(qū)域緊密相連，但因人類活動密集，交通線網發(fā)達，阻力值較大。

3.1.3 生態(tài)廊道 京津冀地區(qū)生態(tài)廊道分布格局見圖4。

(a)關鍵生態(tài)廊道

經過上述分析，得到京津冀地區(qū)關鍵生態(tài)廊道86條，共計2 210.57 km，平均長度為25.7 km，最長達到220 km，最短為0.5 km；潛在生態(tài)廊道50條，共計6 715.71 km，平均長度為134.31 km，范圍在8.8～855.03 km。基于源地的空間分布，生態(tài)廊道主要分布在承德、北京和張家口市。

京津冀地區(qū)關鍵生態(tài)廊道分級見圖5。

(a)關鍵生態(tài)廊道相對阻力分級圖

進一步根據相對阻力大小和對整體區(qū)域景觀連通性的貢獻程度大小兩方面，對上述關鍵生態(tài)廊道進行深入分析。相對阻力大小通過成本加權距離與路徑長度的比值來量化，對景觀連通性的貢獻程度利用Centrality Mapper工具的中心度水平分析生態(tài)廊道對景觀連通性能貢獻程度。依據自然斷點法將廊道劃分為3個等級。

京津冀地區(qū)關鍵生態(tài)廊道相對阻力分級結果見表1。

表1 京津冀地區(qū)關鍵生態(tài)廊道相對阻力分級

按照京津冀地區(qū)關鍵生態(tài)廊道相對阻力大小，分為阻力較大、阻力中等和阻力較小3個等級，具體分級結果如表2所示。生態(tài)廊道的相對阻力越大，說明其對生物運動過程的阻滯作用就越大，對區(qū)域的生態(tài)交流也就越不利。京津冀地區(qū)阻力較大的關鍵生態(tài)廊道共計11條，平均長度為52.82 km，位于承德市、張家口市和石家莊市，廊道經過的區(qū)域有耕地、建設用地等，相對有較多的人類活動干擾。阻力中等的廊道共計17條，平均長度為47.39 km，位于承德市中部和保定市，廊道經過的區(qū)域有耕地和草地。阻力較小的廊道共計58條，占關鍵生態(tài)廊道總數的67.44%，平均長度為14.21 km。

京津冀地區(qū)關鍵生態(tài)廊道連通重要性分級結果見表2。

表2 京津冀地區(qū)關鍵生態(tài)廊道連通重要性分級結果

按照京津冀地區(qū)關鍵生態(tài)廊道對區(qū)域景觀連通性的重要程度大小，劃分重要貢獻、中等貢獻和一般貢獻3個連通重要性等級，具體結果如表3所示。對區(qū)域連通性貢獻程度最大的生態(tài)廊道共16條，占關鍵生態(tài)廊道總數的18.61%。位于源地密集區(qū)的重要貢獻生態(tài)廊道有14條，雖然長度均較短，平均只有3.41 km，卻是保障區(qū)域內生態(tài)源地空間連通性的關鍵廊道。沿著太行山山脈的2條生態(tài)廊道均較長，最長達到174.62 km，這2條生態(tài)廊道分別位于保定市和石家莊市，是連接太行山生態(tài)源地的唯一橋梁，對區(qū)域整體生態(tài)空間格局的穩(wěn)定性具有重要作用。景觀連通重要性處于中等水平的生態(tài)廊道有30條，主要位于承德市?？傞L度為403.56 km，占關鍵生態(tài)廊道總長度的18.26%，平均長度較短，為13.45 km。對區(qū)域景觀連通性貢獻程度一般的生態(tài)廊道共計40條，分布范圍較廣，主要集中于承德中部和張家口東部地區(qū)?？傞L度最長，達到1 473.01 km，平均長度為36.83 km。

3.2 土地利用格局模擬

通過閱讀相關文獻可知，窄于1 200 m的廊道不會有真正的內部生境，結合本研究的模擬柵格單元，以1 200 m寬度的緩沖區(qū)作為生態(tài)廊道的空間區(qū)域[38]。將生態(tài)源地和關鍵生態(tài)廊道作為限制區(qū)域，模擬2030年京津冀地區(qū)土地利用空間格局，如圖6。

圖6 京津冀地區(qū)2030年土地利用模擬結果

耕地大量轉換為建設用地和林地。林地增加的面積主要分布在燕山太行山一帶以及張家口市，增長方式為邊緣式和填充式。草地呈減少趨勢，太行山南部一帶和張家口市草地面積大量減少，主要向水域用地轉變。水域面積增加明顯，且范圍較大，遍布沿海一帶，燕山太行山山脈以及張家口市，沿海一帶主要是耕地轉換為水域，同時滄州市大量鹽堿地轉換為水域，山脈地區(qū)主要是草地轉換為水域。京津冀地區(qū)建設用地的擴張主要是耕地轉換而來，主要原因是除秦皇島、張家口、承德外，京津冀其他城市均位于黃淮海平原區(qū)，而城市周邊以耕地為主。其擴張方式是原有建設用地向周邊地類擴展，為大量的城鎮(zhèn)用地擴張和零星的農村居民點用地擴張。擴張的“熱點區(qū)”位于冀中南地區(qū)，沿著北京-保定-石家莊-邢臺-邯鄲發(fā)展軸的小城鎮(zhèn)快速發(fā)展。

3.3 生態(tài)保護空間預警點

以京津冀地區(qū)2020年土地利用現狀數據和模擬得到的2030年土地利用數據得到建設用地擴張數據，通過ArcGIS的核密度分析工具探索建設用地擴張的熱點區(qū)域，并采用自然斷點法將其分為低、中、高和嚴重敏感區(qū)4類等級。其中高敏感區(qū)與嚴重敏感區(qū)主要分布在北京、天津、唐山以及保定、石家莊、邢臺、邯鄲等城市。將生態(tài)安全格局與建設用地擴張熱點區(qū)疊加，以建設用地擴張中對生態(tài)安全格局造成脅迫的位置設為關鍵生態(tài)保護空間預警點，見圖7。

圖7 京津冀地區(qū)生態(tài)保護空間預警點

由圖7可知，發(fā)現多地生態(tài)空間可能受到建設用地擴張威脅，包括北京、秦皇島、承德、張家口和石家莊等市部分區(qū)域。在北京城市建成區(qū)和燕山山脈接壤地帶，如昌平區(qū)、海淀區(qū)、房山區(qū)、懷柔區(qū)、密云區(qū)等區(qū)域建設用地擴張不斷迫近生態(tài)源地和生態(tài)保護區(qū)，擠壓生態(tài)空間，在承德的雙灤區(qū)和灤平縣交界處、隆化縣和張家口的崇禮區(qū)、宣化區(qū)，建設用地擴張也對部分生態(tài)廊道造成阻斷，不利于區(qū)域整體生態(tài)安全格局保護。由此可知，未來研究區(qū)切不可按照歷年建設用地擴張速度發(fā)展，應進行合理規(guī)劃布局，盡量減少新增建設用地，盤活存量用地，促進建設用地集約節(jié)約高效利用。尤其是對于可能威脅到生態(tài)源地和生態(tài)廊道的預警區(qū)域，應重點關注其建設用地擴張方向和程度，規(guī)劃具有彈性的國土空間格局，避免經濟社會發(fā)展威脅到生態(tài)系統(tǒng)健康，保障經濟和生態(tài)協(xié)調發(fā)展，促進人與自然和諧共生。

4 結論

本研究以京津冀地區(qū)作為研究區(qū)，通過評價生態(tài)系統(tǒng)服務重要性識別生態(tài)源地，采用夜間燈光數據修正基本阻力面，利用MCR模型構建生態(tài)阻力面，依據電路理論提取生態(tài)廊道，從而構建京津冀地區(qū)生態(tài)安全格局。在此基礎上，以生態(tài)安全格局為空間模擬的約束條件，通過PLUS模型模擬2030年京津冀地區(qū)土地利用空間布局，分析建設用地擴張熱點區(qū)域，對生態(tài)安全做出預警。

(1)京津冀地區(qū)生態(tài)源地數量為46個，總面積為14 424.743 km2，占區(qū)域總面積的6.7%，主要分布在生態(tài)本底條件優(yōu)良的燕山、太行山山脈。關鍵生態(tài)廊道和潛在生態(tài)廊道分別為86條和50條，共計8 926.28 km，依托源地分布呈現縱橫交錯的網狀結構，冀中南平原地區(qū)無源地和廊道分布。

(2)通過限制生態(tài)源地和生態(tài)廊道變化模擬京津冀地區(qū)2030年土地利用空間布局，發(fā)現建設用地大面積占用耕地，北京、秦皇島、承德部分區(qū)域建設用地擴張可能威脅到生態(tài)空間，從而做出預警，明晰未來生態(tài)保護方向，促進生態(tài)空間完整性。