基于最小累積阻力模型的福建省南平市延平區生態安全格局構建

韓世豪， 梅艷國， 葉持躍， 張 珂， 尹秀秀

(1.寧波大學 地理與空間信息技術系， 浙江 寧波 315211； 2.青島市環境保護科學研究院， 山東 青島 266003)

20世紀以來，快速的城市化進程已成為人類社會發展最顯著的特征[1]，高強度的城市化進程往往伴隨著高強度的土地開發及土地利用方式的快速轉變，使原本脆弱的生態環境趨于惡化，生態系統受到的威脅日益嚴重，進而威脅區域生態安全，生態安全問題正越來越多的受到國內外學者和組織的關注[2-5]。在我國，黨中央、國務院高度重視生態環境保護，生態安全格局被認為是實現區域生態安全、緩解生態保護與經濟發展之間矛盾的基本保障和重要空間途徑之一[6-8]。黨的十八大報告明確要求“構建科學合理的國土生態安全格局”，習近平總書記也強調“構建科學合理的城鎮化推進格局、農業發展格局、生態安全格局，保障國家和區域生態安全，提高生態服務功能”[9]。生態安全格局理論依據格局與過程的互饋作用，通過構建區域生態安全格局，達到對生態過程的有效調控，從而保障生態功能的充分發揮，實現區域自然資源和綠色基礎設施的有效合理配置，確保必要的自然資源的生態和物質福利，最終實現生態安全[10-11]。目前生態安全格局構建已經得到比較深入的研究，俞孔堅[12-13]提出了構建生態安全格局三步驟的方法框架：首先，確定物種擴散源的現有自然棲息地(即生態源地)；其次，建立阻力面；最后，根據阻力面來判別安全格局。此方法在國內得到較為廣泛應用，研究對象主要涉及土地利用[14]、水體[15]、生態用地[16]等，研究區域涵蓋自然保護區和風景名勝區[17]、流域[18]、城市化區域[19-20]、農牧交錯帶[21]等生態系統特征具有顯著差異的區域。南平市是福建省生態保護的綠色屏障，也是全省經濟最落后的城市，作為一個山區城市，南平市人口密度最高的地帶集中在延平區，延平市區人口密集度和北京市核心區人口密度相當[22]，土地利用率高達94.26%，其山地多而陡峭、平地少的特點極大地限制了城市形態結構的發展。面對經濟發展與生態保護的雙重需求，延平區生態安全格局構建可以為城市生態規劃等提供科學參考，對保障省域生態安全具有重要意義。

1 研究區及數據來源

1.1 研究區概況

南平市延平區位于福建省中部偏北，建溪、西溪匯合處，為閩江干流的源頭，介于26°15′—26°52′N，117°50′—118°40′E，是閩北政治、經濟、文化中心之一，總面積2 659.7 km2。地處閩中大谷地最低處，地貌以低山丘陵為主。屬中亞熱帶海洋季風氣候，具有夏長冬短、雨季明顯、云霧多、濕度大等氣候特點，年均氣溫19.3 ℃，年降水量1 669 mm。水資源十分豐富，境內有一江三溪(閩江、建溪、沙溪、富屯溪)，七十二支流縱橫交織，水電理論蘊藏量居福建省首位。土壤類型有粗骨土、紅壤、黃壤、水稻土、紫色土等5種，以紅壤、水稻土為主。植被以針葉林為主，杉木速生豐產指標居全國之冠，素有“綠色金庫”、“森林之窗，本甲全閩”之稱，是中國南方三大杉木產區之一，該區森林面積1.89×105hm2，森林覆蓋率達73.6%，森林蓄積量為1.79×107m3。

1.2 數據來源

文中涉及的主要數據包括延平區主要水文數據、自然保護區、森林公園、生態公益林等矢量數據。除此之外，還包括下載于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http:∥www.gscloud.cn)的DEM(2009年，分辨率30 m)和2016年植被數據(NDVI)。土地利用分類參照全國《土地利用現狀調查技術規程》，結合延平區實際，在ArcGIS中將土地利用歸類為林地、耕地、草地、水域、未利用地和建設用地等6種類型，最終建立研究區土地利用2012年屬性數據庫。

2 研究方法

2.1 最小累積阻力模型

本文的生態阻力面構建是通過最小累積阻力模型(MCR)計算所得。最小累積阻力模型指物種在從源到目的地運動過程中所需耗費代價的模型，由荷蘭生態學家Knappen[23]于1992年提出，最早應用于對物種擴散過程的研究，后被廣泛應用于物種保護和景觀格局分析等生態領域[24]，經國內俞孔堅等[12,25-26]修改用下式表示：

式中：MCR——最小累積阻力面值；f——一個未知的負函數，表示最小累積阻力與生態適宜性的負相關關系； min——某景觀單元對不同的生態源取累積阻力最小值；Dij——從源j到景觀單元i的空間距離；Ri——景觀單元i對運動過程的阻力系數。該模型考慮了3個方面的因素，即源、距離和基面阻力特征，反映了物種運動的潛在可能與趨勢，通過最小累積阻力的大小可以判定源向外擴張的可能性，反映了空間單元與源的聯通性。

2.2 生態源地選擇

生態源地是整個生態安全格局構建的基礎，其準確性和全面性對格局整體構建至關重要。目前，多數研究將自然保護區和風景名勝區的核心區等直接識別為生態源地，還有學者選用區域內一定面積的林地、耕地、水體等生態斑塊作為生態源地[14,17]，這些方法具有一定的便捷性，但也有其固有的缺陷[1]。生態保護紅線在生態空間中具有特殊重要的生態功能，必須受到強制性的嚴格保護。它既是生態空間中最重要、最核心的部分，也是國土空間的優先控制線、保障生態安全的底線和生命線，因而構成生態安全格局的基本框架。生態保護紅線可以視為生態安全的底線格局，但未必是最優格局，以生態保護紅線為基本構架，結合最小累積阻力模型，是生態安全格局構建的一種新思路。同時，生態保護紅線具有明顯的地理邊界，合理整合了多部門的生態保護成果，更加全面地關注了多種生態過程，為生態安全格局的構建提供了基礎[27]。根據生態安全的涵義，生態源地需要實現維護現有景觀過程的完整性、保證生態系統服務的可持續性和防止生態系統退化帶來的各種生態問題等至少三個層次的目標[20]。生態保護紅線完整納入了區域內對生態過程、生態系統服務功能以及對外界干擾敏感的生態斑塊。在生態保護紅線的基礎上選擇生態源地，能夠更多地關注生態系統結構、過程與功能，集中解決區域重要生態功能的保護與恢復等生態環境問題，從而構建更加全面系統的生態安全格局[28]。本文以延平區生態保護紅線(福建省新一輪生態保護紅線劃定工作尚未完成,這里參考此前劃定的生態保護紅線一級管控區)為基礎，選取生態保護紅線中集中連片、具有一定面積的生態公益林、水源涵養區和茫蕩山國家級自然保護區、沙溪口水庫、水口水庫(即延平湖)作為生態源地，同時考慮到森林對整個閩江流域水環境安全有著重要意義，故將延平區內4個森林公園(即南平鳳山森林公園、南平大峰山森林公園、峽陽屏山森林公園和南平市郊森林公園)和“一江三溪”納入到生態源地中。最終劃定的生態源地如圖1所示。

2.3 阻力面構建

物種在不同景觀單元之間進行遷移時會受到阻礙[29]，構建阻力面是計算其在需要克服阻力情況下擴散路徑的基礎。生態阻力系數Ri的確定依賴于基本生態阻力面的構建。由于基面特性差異，生態源地在擴展過程中所受到的阻力是不同的。本文從地形坡度、土地覆蓋和植被覆蓋3個方面構建生態阻力的評價指標體系(表1)。地形坡度由地形起伏度和坡度兩方面體現，土地覆蓋用土地利用類型體現，植被覆蓋用植被覆蓋指數(NDVI)體現。首先，參照葉玉瑤等人的分級標準[30]，將各項生態阻力因素劃分為5個等級，在ArcGIS中對不同等級分別用1，3，5，7，9賦值，各因素權重通過專家打分的方式確定；然后，將賦值后的地形坡度、土地覆蓋和植被覆蓋轉化為柵格數據，通過柵格計算器分別按照0.3，0.4，0.3的比重將其合并到1個圖層(圖2)；最后，在上述阻力分級評價基礎上，基于基面阻力評價結果，進一步考慮生態源地和距離因素的影響，采用MCR模型算法，運用ArcGIS中cost-distance模塊，便可得到一個基于生態源地的綜合阻力面，即延平區生態阻力面。

圖1 福建省南平市延平區生態源地布局

2.4 生態廊道和生態節點

構建生態廊道和生物多樣性保護網絡，是優化生態安全屏障體系的重要保障。生態廊道是具有生物多樣性維護、涵養水源、土壤保持、調蓄洪水等多項生態系統服務功能的廊道類型[31]，是生態源地相互聯系、進行物質和能量交流的直接通道，是保持生態流、生態過程、生態功能在區域內連通的關鍵生態組分，能增強生態系統整體連通性。提取關鍵生態廊道，對于保障生態源地之間的物質和能量流動的暢通，實現區域生態系統功能的完整性具有重要意義[32]。在ArcGIS中，通過生態源地確定生態質心，以綜合生態阻力面為權重，利用MCR模型可以生成生態廊道，即生態質心之間的最小成本路徑。生態節點是指分布在生態空間中，連接鄰近生態源地，并對生態流起關鍵作用的生態組分[33]，是生態安全格局中易受外界干擾的生態脆弱點，是連接生態源地的跳板，對維護區域景觀生態結構的整體性、連續性和生態功能的發揮具有戰略意義[34]。將綜合生態阻力面作為DEM數字高程模型，利用ArcGIS中的水文分析模塊確定生態阻力面最大成本路徑，其與生態廊道的交叉點即為生態節點。

圖2 福建省南平市延平區生態阻力評價結果

3 結果分析

3.1 生態阻力面生成

據前所述，基于延平區生態保護紅線選擇的生態源地，結合延平區生態阻力評價結果，在ArcGIS中通過最小累積阻力模型的計算，得到了延平區生態安全格局的生態阻力面(圖3)。

圖3 福建省南平市延平區生態安全格局生態阻力面

根據延平區生態阻力面的空間特征可以判別延平區生態安全格局。從圖3可以看出，以生態源地為中心，生態阻力值呈現出遞增的效果，有一個緩沖區存在。圍繞在生態源地的周圍區域生態阻力面值都較小，是生態源地往外擴散的低阻力區，可以構成中等安全水平的生態安全格局。除已確定的生態源地外，生態安全格局的其它各組分都可以根據生態阻力面的空間特征來判別。根據前人[12]研究成果，生態阻力面緩沖區存在一些有效邊界，隨著緩沖區邊界向外圍的擴展，生態源地對擴展的阻力隨之增加，但這種增加并不是線性的，有時非常平緩而有時則非常陡峭。根據生成的生態阻力面可以構建一種曲線：生態阻力值與面積(柵格數)的關系曲線(圖4)，通過這種曲線可以得到某些階段性的門檻值，根據這些門檻值，在生態阻力面的空間格局上可以確定緩沖區的有效邊界，實現緩沖區劃分的有效性。

從生態阻力面積與生態阻力值直方圖分布趨勢中可以直觀地看出面積與生態阻力值之間存在一些可識別的門檻值，即在這些點附近隨著緩沖區范圍的擴大或減少，生態阻力值發生急劇性變化。如果將緩沖范圍擴展到一定邊界之后，所增加的面積的可利用性及其保護意義會急劇下降，則這樣的一些門檻值可作為緩沖區劃分的依據。在圖4中的a點和b點附近生態阻力值發生了較為明顯的變化，都發生了從增大到減小的轉變，這兩點可以作為緩沖區劃分的門檻值。圖4中a點和b點分布對應的生態阻力值為2 983，9 268，將這兩個值作為有效邊界劃分生態阻力面緩沖區可以得到延平區中等安全水平和高安全水平的生態安全格局(圖5)。從圖5中可以看出，延平區中等安全水平的生態安全格局和高安全水平的生態安全格局都是距離生態源地一定距離的緩沖區，面積分別達到了771.17 km2，1 592.79 km2，占到延平區國土面積的29.00%和59.89%。

表1 福建省南平市延平區生態阻力評價指標體系

圖4 生態阻力值與柵格數目的關系

基于生態保護紅線確立的生態源地面積為534.51 km2，占到延平區國土面積的20.10%，構成了生態安全格局的基本骨架，是保障生態安全的生命線和底線。高安全水平生態安全格局用地占延平區的59.89%，主要分布在生態源地一定距離的緩沖區內，延平區地貌為以低山丘陵為主，呈現出“八山一水一分田”的空間格局，森林覆蓋率達到了73.6%，高安全水平生態安全格局是維護延平區生態安全的理想生態安全格局，可以最大限度地保護生態基礎設施和提供生態服務。中等安全水平生態安全格局用地面積介于底線型生態安全格局和理想型生態安全格局之間，占到延平區的29.00%，完整包括了延平區內所有關鍵性生態用地，并在此基礎上進行了適當擴充，可以作為延平區緩沖型生態安全格局，它們對于維護區域內關鍵生態工程具有重要意義。緩沖型生態安全格局既保障了延平區生態安全所需的最小生態用地，也對未來城市發展可能帶來的環境影響預留了緩沖區域，可以作為延平區“滿意生態安全格局”，是同時實現城市空間精明保護與精明增長的基礎(圖5)。

圖5 福建省南平市延平區不同水平生態安全格局分布

3.2 生態廊道和生態節點構建

基于生態源地和構建的生態阻力面，根據前文所述方法，共得到13條生態廊道和5個生態節點，生態廊道的長度共計54.84 km。生態廊道并不是生態源地間的最短路徑，是加權費用相對較小的路徑，且連接各生態源地形成幾個環狀廊道布局。結合構建的延平區底線型、緩沖型和理想型生態安全格局，將其與生態廊道和生態節點組合在一起，可以構筑起延平區具有高中低三種安全水平的綜合生態安全格局(圖6)，這些生態安全格局的構建將對延平區生態安全保障有著潛在的決定性作用。生態安全格局的構建，有助于科學引導人類進行合理的開發建設活動，加強對關鍵生態敏感區域進行重點保護，為城市生態規劃和城市空間布局提供科學參考，解決城市擴張和生態環境破壞之間的矛盾，用最少的環境代價來實現最有效的發展，實現城市的精明發展，為發展留下盡可能大的空間。

圖6 福建省南平市延平區綜合生態安全格局

4 結論與討論

4.1 結 論

(1) 在生態保護紅線的基礎上，結合延平區山水型城市的特點，將延平區自然保護區、森林公園、生態公益林、水源涵養區、水庫、河流水系等6種生態用地類型選為生態源地，并將其作為延平區底線型生態安全格局，作為保障延平區基本生態安全所需的最小生態用地，面積為534.51 km2，占到延平區的20.10%。

(2) 基于選擇的生態源地，從地形坡度、土地覆蓋和植被覆蓋等3個方面構建生態阻力的評價指標體系，基于最小累積阻力模型，生成延平區生態阻力面。然后根據生態阻力面直方圖分布趨勢得到2 983和9 268兩個門檻值，以此為有效邊界劃分生態阻力面緩沖區，得到延平區緩沖型和理想型生態安全格局，面積分別為771.17和1 592.79 km2，占到延平區面積的29.00%和59.89%，并將緩沖型生態安全格局作為延平區的“滿意生態安全格局”。

(3) 結合底線型、緩沖型和理想型生態安全格局的構建，確定了不同安全水平的生態用地空間分布格局，進一步明確了生態源地間13條共計54.84 km的生態廊道和5個關鍵生態節點，組合形成了延平區綜合生態安全格局。

4.2 討 論

(1) 作為山水型城市，山清水秀、環境優美是延平最大的特色，最大優勢在生態、責任在生態、出路也在生態。生態安全格局作為緩解城市發展和生態環境破壞以及耕地面積減少之間矛盾和保障區域生態安全的有效途徑之一，通過這個格局可以定義城市的發展空間，這也是“反規劃”的核心思想[10]。本文以生態保護紅線為基本構架進行生態源地選擇，結合最小累積阻力模型，通過生態阻力值直方圖分布趨勢分析得到兩個突變點，以此為界構筑了延平區不同安全水平的生態安全格局，對于延平區指導城鎮建設空間布局、合理配置區域自然資源和綠色基礎設施建設、充分發揮其生態優勢具有重要作用。

(2) 本文基于的最小累積阻力模型是一種理想化的計算模型，而且在計算過程中只考慮了生態源地位置、距離和基面阻力特征，在構建生態阻力評價指標體系時僅從地形坡度、土地覆蓋、植被覆蓋等三方面因素著手，在因子等級劃分和權重確定時主要通過借鑒前人研究和專家打分的方式獲得。但還有很多其他因素也會對生態阻力面結果造成影響，例如生態源地本身的組成和結果、驅動力因素的存在等等，都有待于完善和進一步深入研究。