干旱區城市生態安全格局優化研究
——以內蒙古呼和浩特市為例

馮琰瑋, 甄江紅, 馬晨陽

(內蒙古師范大學 地理科學學院, 呼和浩特 010022)

快速城鎮化背景下的土地利用變化對生態環境的負面效應不斷加劇，這正深刻改變著區域自然環境基底，具體表現在生態用地規模的減少[1]、耕地面源污染加劇[2]、環境承載力水平下降[3-4]、生境適宜性降低[5]等方面。與此同時，區域生態安全水平對城市用地擴展的約束作用也進一步加強，科學合理的生態安全格局可以有效緩解經濟發展和環境保護之間的矛盾。構建科學合理的生態安全格局是保障區域生態安全的重要舉措。規劃先行，讓綠水青山變成金山銀山的頂層設計也成為城市地理學所關注的熱點話題[6]。

國外對生態安全格局的研究主要集中在城市增長邊界的劃定[7]、生態網絡的構建[8]等角度進行。國內學者對武漢市[9]、天水市[10]、關中城市群[11]等地的生態安全格局構建進行了諸多有益探索。從研究內容來看，多數研究單從生態用地擴張的角度構建區域生態安全格局，對于城市這類經濟、人口密度高度集中的區域，如何加大對生態用地的保護成為關鍵。對于地處西北內陸的呼和浩特市來說，涉及其區域生態安全的研究主要集中在城市用地擴展的生態環境效應及城市增長邊界研究[12-13]，有關研究區生態安全格局的報道還鮮見紙端。鑒于此，本文試構建建設用地與生態用地擴展阻力評價指標體系，通過MCR模型建立區域生態安全格局，識別潛在生態廊道與生態戰略點，構建區域生態網絡框架，對城市區域空間管制進行分區，以期為生態脆弱區的生態安全格局優化研究進行有益補充。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

呼和浩特市地處內蒙古自治區的中西部，其氣候屬典型中溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫6.4℃，年均降水量335.2～534.6 mm。2016年市區人均水資源占有量僅為465 m3/年，是全國平均水平的1/6，水資源供需矛盾突出，屬生態嚴重失衡的地區之一。本文以呼和浩特市4個市轄區(賽罕區、新城區、回民區、玉泉區)及下屬6個鄉鎮(榆林鎮、金河鎮、黃合少鎮、保合少鎮、攸攸板鎮、小黑河鎮)為研究區，總面積為2 083.68 km2。2016年末，呼和浩特市建成區面積達到260 km2，人均國民生產總值為10.32萬元，全市常住人口城鎮化率達69.08%，均高于全國與自治區平均水平。高強度的經濟開發活動使得研究區生態問題愈發凸顯，以呼和浩特市為研究區，對探索生態脆弱區生態安全格局的優化也具有一定的代表性和典型性。

1.2 數據來源

采用2016年8月29日Landsat-8 OLI遙感影像作為土地利用類型信息提取的基礎數據；DEM數字高程數據選擇GDEMV2，分辨率為30 m的數據產品。遙感數據均來源地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn/)。凈初級生產力NPP數據來源于北緯18°以北中國陸地生態系統逐月凈初級生產力1 km柵格數據集[14]。采用人機交互目視解譯法對研究區土地利用類型進行分類，參照《土地利用現狀分類》國家標準(GB/T21010～2017)，分為林地、耕地、草地、建設用地、水域和未利用地6大類型。其他空間數據提取主要運用ArcGIS，Fragstats，GeoDa等軟件進行處理。

2 研究方法

2.1 城市用地與生態用地擴張阻力評價指標體系的建立

建立簡明科學的用地擴張阻力評價指標體系對區域發展規劃具有重要意義。鑒于研究區生態環境脆弱的實際，在城市發展過程中強調對生態、資源環境的保護也有利于推動區域人地關系和諧發展?？紤]到城市環境的自然特征與人工特性，從研究區的自然環境、資源條件、人類干擾實際出發，選取地形坡度、土地覆蓋、生物敏感性、生態風險性、區域交通5類影響因子構建城市用地“源”與生態用地“源”擴張阻力評價指標體系，包含二級阻力因子15個。選擇面積大于5 km2的建設用地斑塊作為城市用地擴張“源”，總面積為390.29 km2；選擇面積大于2 km2的林地和草地斑塊[15]作為生態用地擴張“源”，總面積為479.35 km2。將阻力因子分為5級進行賦值，具體賦值從大到小依次為9，7，5，3，1。各因子權重的選擇應用Delphi法進行賦值，具體評價指標及賦值情況見表1。對各阻力因子的解釋如下：

(1) 地形坡度。a.高程：海拔越高，生態環境越脆弱，就越不利于城市用地擴張。采用自然斷裂法以1 141，1 300，1 511，1 757 m為界對城市用地擴張進行阻力賦值，生態用地擴張阻力賦值與之相反；b.坡度：坡度越高，越不利于建設用地擴張。根據《城市用地豎向規劃規范》，采用自然斷裂法以3°，8°，15°，25°為界對城市用地擴張進行阻力賦值，生態用地擴張阻力賦值與之相反；c.地表崎嶇度：地表越粗糙，越不適宜開發建設活動。采用自然斷裂法以1.03°，1.09°，1.19°，1.37°為界對城市用地擴張進行阻力賦值，生態用地擴張阻力賦值與之相反。(2) 土地覆蓋。d.土地利用類型：源地土地利用類型與當前土地利用類型越接近，就越利于源地用地擴張。根據土地利用類型對建設用地與生態用地擴張進行阻力賦值；e.土壤穩定性：土壤越穩定，就越有利于城市用地與生態用地擴張。建設用地與生態用地擴張阻力賦值一致。(3) 生物敏感性。鑒于研究區位于干旱區與半干旱區的過渡地帶，降水少而變率大，植被覆蓋偏低。采用f.植被覆蓋率(NDVI)、g.環境檢測指數(GEMI)及h.凈初級生產力(NPP)表征研究區植被的固碳釋氧能力。植被分布越寬泛的地區越適宜生態用地擴張。采用自然斷裂法對NDVI及GEMI以0.15，0.35，0.55，0.75為界，NPP以12.8，26.9，36.5，47.7為界向生態用地擴張進行阻力賦值，建設用地擴張阻力賦值與之相反。其中，NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)；GEMI=η(1～0.25η)-(R-0.125)/(1-R)。其中，NIR，R分別為Landsat遙感影像中的近紅、紅波段，η=[2(NIR2-R2)+1.5NIR+0.5R]/(NIR+R+0.5)。(4) 生態風險性。i.土地退化率：土地退化越嚴重，就越不適宜各類用地擴張。建設用地擴張阻力賦值與生態用地阻力賦值一致。j.景觀生態風險：采用景觀干擾度表征研究區的景觀生態風險程度。將景觀生態風險指數賦予1.5 km×1.5 km格網單元后進行克里金插值。結果表明城市景觀生態風險的高值主要集中在城市建設用地邊緣地帶，景觀生態風險值越高，越說明該地帶是城市用地擴張的潛力區域。采用自然斷裂法以0.35，0.27，0.2，0.13為界對城市用地擴張進行阻力賦值，生態用地擴張阻力賦值與之相反。(5) 區域交通。城市用地擴展多沿交通線進行定向推進，具有重要交通意義的地帶往往具有很高的經濟性。城市交通的發展對城市結構的內部調整也具有戰略性意義。本文對研究區的k.水體、l.風景名勝區、m.城市中心、n.高速路口、o.鐵路站點等矢量數據進行緩沖區分析。其中，水體以200，400，600，800 m做緩沖區對其賦值；風景名勝區以2 500，2 000，1 500，1 000 m做緩沖區對其賦值；城市中心以1 000，1 500，2 000，2 500 m做緩沖區對其賦值；高速路口以300，600，900，1 200 m做緩沖區對其賦值；鐵路站點以500，1 000，1 500，2 000 m做緩沖區對其賦值。

表1 城市用地“源”與生態用地“源”擴張阻力指標評價體系

2.2 最小累積阻力面模型(MCR)的構建

最小累積阻力面模型(minimal Cumulative Resistance，MCR)由荷蘭學者Knappen提出，最初始于對物種擴散的研究。近年來國內學者將其廣泛應用于城市地理學、景觀生態學等領域，其實質是各“源”地經過不同阻力景觀所耗費的費用或克服阻力所做的功[16]。采用俞孔堅修正的MCR模型計算得到城市用地擴張阻力面和生態用地擴張阻力面[17]。其中，MCR模型的計算方式如下：

(1)

式中：MCR表示源擴展到某景觀處的最小累積阻力值；f是個未知的負函數；Dij表示源i到景觀j的空間距離；Ri表示源i在擴展過程中所受到的阻力值大小。本文將生態用地擴張阻力面與建設用地擴張阻力面進行空間疊加，從而構建研究區生態安全格局。具體計算方式為：MCR生態安全=MCR生態用地擴張-MCR建設用地擴張，將二者的差值作為生態安全格局的建立依據。當MCR=0時，是適宜生態用地與建設用地擴張的分界線；當MCR>0時，適宜城市用地擴張；當MCR<0時，適宜生態用地擴張。

2.3 生態廊道的識別

生態廊道是區域生態安全格局的重要組成部分，作為區域生態系統能量流動與物質循環的重要載體，對于改善區域生境質量、完善生態系統功能、加強生物多樣性保護具有重要意義。識別重要生態廊道是維護區域生態要素流動的有效手段，構建區域生態安全網絡利于增強生態系統功能的完整性。以生態源地的幾何中心點作為生態源點，從每個源點出發，運用成本路徑模塊構建迭代模型提取源點(n)到剩余n-1個中心點的最小阻力路徑，即潛在生態廊道。大型斑塊和較寬的廊道生境適宜性比較髙，物種遷移的阻力較小，能大大增加物種在遷移過程中的存活率和成功率[18]。而潛在廊道的重要性可以用源地斑塊間的相互作用強度加以判別。本文基于重力模型(Gravity Method)相互作用原理，定量評價斑塊之間相互作用力的強弱，引入相互作用力指數判別重要廊道，對潛在生態廊道進行分級[6,19]。具體計算方式如下：

(2)

式中：Gab是斑塊a與b的相互作用指數；φa是斑塊a的權重值；Ra是斑塊a的阻力值；Sa是斑塊a的面積；Lab是斑塊a與b之間廊道的累積阻力值；Lmax是所有廊道累積阻力最大值。

3 結果與分析

3.1 生態安全格局的建立

對各阻力因子圖層進行加權疊加，在成本距離模塊中生成城市用地和生態用地的最小累積阻力面，將生態用地最小累積阻力面與城市用地最小累積阻力面做差值處理，分級構建區域生態安全格局(圖1)。采用自然斷裂法將差值分為高生態安全水平(-116 562.34～-67 733.19)、較高生態安全水平(-67 733.19～-35 831.48)、較低生態安全水平(-35 831.48～0)、低生態安全水平(0～14 299.77)、建設用地擴展區(14 299.77～49 456.75)5種生態安全類型。結果表明各生態安全類型呈“圈層式”分布，建設用地擴展區主要分布在城市建成區及南部地帶；低生態安全水平區作為建設用地的“儲備區”，主要分布在建設用地擴展邊緣地帶；較高以上安全水平區主要分布在北部及東部邊緣帶；較低生態安全水平區則作為高水平與低水平生態安全水平區域的過渡帶。

3.2 潛在生態廊道及生態戰略點的識別

基于生態用地擴張阻力面，運用成本路徑模塊生成各生態源地間的阻力路徑，對源匯相同的阻力路徑兩兩比較得到最小阻力路徑。為識別重要生態廊道，計算各生態源地間的相互作用指數(表2)，對潛在生態廊道進行分級。若相互作用力指數大于1，則為一級生態廊道；若該值小于1，則為二級生態廊道。最后運用網絡分析模塊建立拓撲關系提取最小阻力路徑的交匯點，作為研究區的生態戰略點，從而形成“生態戰略點—生態廊道—生態斑塊”的“點、線、面”生態網絡架構。

圖1 生態安全格局分級

表2 各生態源地間的相互作用力指數

注：1號生態“源”位于玉泉區南湖濕地公園；2號生態“源”為橫跨榆林鎮和黃合少鎮的大面積草地斑塊區；3號生態“源”為黃合少鎮賽音不浪村、蘇計村的大面積林地管護區；4號生態“源”位于烏素圖國家森林公園；5號生態“源”為保合少鎮與榆林鎮交界的大面積林地斑塊區；6號生態“源”位于大青山森林保護區。

根據統計分析，共提取15條潛在生態廊道，總長度為315.63 km，生態戰略點共9個。相互作用力指數大于1的一級生態廊道有1→3，2→3，2→5，2→6，3→5，4→6，5→6共7條廊道，長度為129.31 km，占總長度的44.14%，大致分為北線、東線和南線(圖2)。北線主要位于大青山山前地帶，是城市生態環境的天然屏障。其中，5→6號廊道的相互作用力指數最高，為70.669，表明5號到6號生態源地的累積阻力值最小，生境適應性最強，對于物種的遷移、擴散至關重要。南線則以大黑河為媒介，將城鄉、河流、林地斑塊連為一體，對南線廊道的建設也是提高城市人居環境的重要工程。東線是連接南北廊道的關鍵紐帶。其中，2→3，2→5，3→5號廊道共同構成“生態三角”，利于生態流的交換。此外，對于一級生態廊道沿線地帶，應加強生態綠化建設，強化生態保育。對于二級生態廊道沿線地帶，在生態規劃中也應加強公共綠地與濕地建設，不斷提高城市人居環境。

圖2 潛在生態廊道及生態戰略點分布

3.3 生態網絡框架的建立

根據現有建設用地分布、生態安全格局及現階段城市空間結構規劃圖，構建生態網絡框架，即“一環、兩帶、兩軸、多中心”的生態網絡發展模式(圖3)?！耙画h”即基于一級生態廊道，采用鄰域分析工具構建寬度為2 km的生態緩沖區，此環通過連接兩條生態涵養帶構成環城“生態屏障”；“兩帶、兩軸”與城市空間結構規劃相一致，即“大青山生態涵養帶、大黑河生態涵養帶、城市中心十字發展軸”；“多中心”即生態源點及生態戰略點共同組成城市發展的生態綠心。“一環、兩帶、兩軸、多中心”的生態網絡框架是在原有“兩帶、兩軸、三心”的城市空間結構規劃基礎上，以生態源地為核心，多生態戰略點為線索，一級生態廊道為骨架構建的城鄉一體化綠色生態網絡，對于提升區域生境質量、提高生態服務價值、保護生物多樣性及優化城市人居環境大有裨益。

圖3 生態網絡框架的建立

3.4 城市區域空間管制分區

根據所建立的生態安全格局及生態網絡框架(圖1，2，3)，基于主體功能分區思想，以鄉鎮尺度為單位識別禁止開發、限制開發、重點開發以優化開發4類主體功能分區(圖4)。

圖4 城市區域管制分區

其中，禁止開發的鄉鎮為保合少鎮，占研究區總面積的23.2%。禁止開發區作為城市重點生態功能區，原則上禁止任何形式的土地開發活動，需引導人口、經濟活動向中心城市集聚，提升大青山生態源地的生境適宜性，加快推進大青山南坡生態修復工作，提升大青山生態功能區的抗風險能力；限制開發的鄉鎮有攸攸板鎮、榆林鎮及黃合少鎮，占研究區總面積的36.4%。與中心城區相較，限制開發區人口、經濟功能較弱，生態建設易被忽視。故在城市建設過程中要嚴格保護耕地，大力發展綠色生態農業，嚴控耕地面源污染。此外，榆林鎮與黃合少鎮作為連接南北生態廊道的關鍵紐帶，起到提升生態源地連通性的重要功能，對穩定城市內部綠色低碳的功能不容忽視，需全力維護該區域內的生態戰略點，強化生態綠心建設；重點開發的鄉鎮有賽罕區、金河鎮、小黑河鎮，占研究區總面積的28.8%。重點開發區是未來城市用地擴展的主要發展方向，要引導城市重心向南部、東南部遷移，發展城市新區，加快基礎設施投資建設，引導人口、產業合理集聚，權衡城市用地擴張、耕地保護、生態保育的土地利用格局優化。同時，應加強對大黑河的污染防治，特別是途經中心城市的河段，提升水質并加強對水資源的循環利用至關重要；優化開發的鄉鎮有回民區、玉泉區及新城區，占研究區總面積的11.6%。作為開發密度較高、人口過度集聚的地區，要加快轉變產業發展結構，并注重城市內部挖潛，推行“空間職能置換”戰略。

4 結論與討論

本文以呼和浩特市區為研究區，從研究區自然環境、資源條件、人類干擾等角度出發，構建區域用地擴展阻力評價指標體系，在此基礎上通過MCR模型構建區域生態安全格局，識別潛在生態廊道與生態戰略點，構建區域生態網絡框架，對城市區域空間管制進行分區，得到的主要結論有：

(1) 對區域生態安全格局進行分級，各生態安全格局類型區呈“圈層式”分布。較高以上生態安全水平區合占研究區總面積的22.47%，生態安全水平總體偏低。

(2) 根據生態用地擴張阻力面共提取15條潛在生態廊道，總長度為315.63 km，生態戰略點共9個。相互作用力指數大于1的一級生態廊道有1→3，2→3，2→5，2→6，3→5，4→6，5→6共7條廊道，長度為129.31 km，占總長度的44.14%。

(3) “一環、兩帶、兩軸、多中心”的生態網絡框架是在原有“兩帶、兩軸、三心”的城市空間結構規劃基礎上，以生態源地為核心，多生態戰略點為線索，一級生態廊道為骨架構建的城鄉一體化綠色生態網絡架構。對于提升區域生境質量、提高生態服務價值、保護生物多樣性及優化城市人居環境具有重要意義。

(4) 重點開發的鄉鎮有賽罕區、金河鎮、小黑河鎮，占研究區總面積的28.8%。重點開發區是未來城市用地擴展的主要發展方向，要引導城市重心向南部、東南部遷移，發展城市新區，加快基礎設施投資建設，引導人口、產業合理集聚。

構建科學合理的生態安全格局對于改善干旱地區生態環境脆弱，推動區域可持續發展具有重要的現實意義[12]。本文所建立的生態網絡框架，是鑒于現行規劃中生態戰略點、生態廊道研究不足的實際。誠然，在構建區域生態安全格局的過程中，對于用地擴張阻力評價指標體系還未形成統一標準。鑒于研究區生態環境基底脆弱，因而在指標選取過程中更加側重于對植被、水土等生態因子的考量。結果證明所識別的潛在生態廊道、生態戰略點符合研究區實際，驗證了對用地指標選取的合理性。此外，文本所優化的生態安全格局是基于研究區發展現狀，若能與研究區近景年城市用地擴展預測模擬相結合，以鄉鎮為單位分區進行土地利用合理規劃，會使研究結果更具參考價值，特別是對于控制城市蔓延并遏制生態破壞問題[20-21]。