基于GIS與Fragstats的安徽省生態安全格局研究

白星亮　任沖　李景宜　徐云環　馬曉武　馬力

摘要 從區域生態安全重要性和敏感性角度出發，結合景觀生態指數，構建安徽省生態安全格局評估指標體系，繪制安徽省生態安全格局圖。結果表明：安徽省生態安全格局總面積為41 083.46 km2，占全省面積的29.53%，主體部分以大別山生態屏障和黃山生態屏障為支撐，總面積為30 883.63 km2，長江干流水生態廊道為屏障鏈接，巢湖等其他湖泊濕地為生態格局重要組成成分，總面積為1 130.74 km2。

關鍵詞 生態安全格局;生態重要性;生態敏感性;景觀生態指數

中圖分類號 X826文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）13-0070-08

Abstract Combined with the landscape ecological index， the assessment index system of ecological security pattern in Anhui Province was constructed from the perspective of ecological safety importance and sensitivity. On the basis of the above research， the ecological security pattern map of Anhui Province was drawn. The results show that the total area of ecological security pattern in Anhui Province is 41 083.46 km2， accounting for 29.53% of the provinces total area. The main part is supported by the Dabie Mountain Ecological Barrier and the Huangshan Ecological Barrier， with a total area of 30 883.63 km2. The barrier link is the Yangtze River mainstream water ecological corridor， and the important components of the ecological pattern are others lakes and wetlands such as Chaohu， with the total area is 1 130.74 km2.

Key words Ecological security pattern;Ecological importance;Ecological sensitivity;Landscape ecological index

生態安全是人類賴以生存的環境安全狀況。近年來，人類對自然生態環境施加了前所未有的影響，環境污染、土地退化、森林減少、生物多樣性喪失等一系列嚴重的生態環境問題嚴重威脅了國家和區域生態安全。區域生態安全格局研究已成為生態安全領域前沿研究方向之一[1]。

近年來，國內外相關研究者在區域生態安全領域開展了大量系統及精細的研究。研究重點主要集中在概念及理論探討、指標體系設計、綜合模型構建、評價方法研究等領域。其中，我國學者基于生態安全重要性和敏感性理論構建生態安全格局已成為當前研究領域的最重要方法[2-7]。與此同時，隨著景觀生態學的發展，景觀生態與生態保護研究也在逐步展開[8-9]。有學者發現城市面臨的多種問題都與景觀的組成分布格局有關[8]。城市化改變景觀格局和生態功能導致生態系統服務（ESS）下降[9]。移動窗口法等方法用于景觀分布格局的研究[10-12]。景觀破碎化程度影響生物多樣性程度[13]，連通性指數對生態系統服務功能的退化程度也有重要影響[14]。

為構建完整生態預警機制，保障生態環境可持續發展，安徽省依據生態環境部頒布的《生態保護紅線劃定技術指南》發布了全省生態保護紅線[15-16]。然而，由于安徽地理位置特殊性和經濟地位重要性，生態保護紅線的劃定與全國其他地區略有差異[17-18]。若以全國統一標準構建安徽生態紅線，則會出現生態保護與生態安全格局的協調和差異問題[19-21]，生態保護紅線方案的實際效益和補償價值將有所折損[22-24]。另外，已有研究表明安徽省生態安全現狀與格局分布有發生改變的跡象[2]，具體表現生態系統服務功能重要性和敏感性出現南北分布差異，生態廊道集中于長江沿岸，生態源地向皖南地區集中[25]，以西部大別山和南部黃山生態屏障為重要保障的安徽省生態安全格局逐步顯現。

綜上，已有研究內容多數傾向于生態安全重要性與敏感性的單獨探討，尚未能從景觀生態學角度對生態安全進行全面綜合的考量，使得生態安全格局與景觀生態分布之間的聯系略有不足。該研究將從生態安全重要性、生態安全敏感性角度出發，依托景觀生態指數，構建安徽省生態安全格局，進一步豐富省域生態安全評價實證研究和分析，為區域生態文明建設和政府制定相關政策提供技術支撐和決策依據。

1 數據來源與方法

1.1 研究區概況

安徽省位于114°54′～119°37′E，29°41′～34°38′N，地處長江下游，跨長江、淮河和錢塘江三大流域，面積1.401×105 km2，約占全國總面積1.45%（圖1）。秦嶺-淮河地理分界線橫貫全省，全省自北向南可分為淮北平原、江淮丘陵、大別山區、沿江平原和皖南山區五大自然區域。氣候屬亞熱帶向暖溫帶過渡型，年均氣溫14～17 ℃，平均日照1 800～2 500 h，無霜期200～250 d，平均降水量800～1 800 mm。全省森林覆蓋率28.65%。下轄16個省轄市，8個縣級市，53個縣，44個市轄區，是長三角的重要組成部分，處于全國經濟發展的戰略要沖和國內幾大經濟板塊的對接地帶。《2016年生態文明建設年度評價結果公報》顯示，安徽省綠色發展指數不足全國平均水平，為79.02，居于19位;全省人均耕地面積為全國平均水平的97.1%，人均濕地面積為全國均值的43.4%;全省輕度污染湖泊水庫有29座，輕度污染河流有101條;空氣優良天數比例為74.3%。

1.2 數據來源

基礎數據主要來源于《安徽統計年鑒（2010—2016）》，高程數據來源于地理空間數據云網站GDEMV2 30 m分辨率數字高程模型，蒸散發數據來源于NASA網站（https：∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov），NPP數據來源于全國生態狀況遙感調查與評估成果NPP數據集，氣溫和降水資料來源于中國氣象科學數據共享服務網，土壤數據來源于全國生態環境調查數據庫，土地利用數據來源于清華大學數據網站分辨率為10 m土地利用圖（http：∥data.ess.tsinghua.edu.cn/）。

1.3 研究方法

以構建安徽省生態安全格局為目標，綜合定性判定和定量評估2種分析方法，開展生態保護功能評估，以生態系統服務功能重要性、生態環境敏感性為評估指標，結合景觀生態指數，合理劃定識別生態安全格局重要區域。

1.3.1 區域生態安全重要性。

區域生態安全重要性評估使用NPP定量指標評估方法[15]，結合安徽省地域氣候特征，不考慮防風固沙重要性評估，選擇水源涵養、水土保持和生物多樣性保護3項指標為生態功能重要性評估對象，分別建立評估模型，針對安徽省地域生態現狀，選擇不同的等級分級標準。各評估對象的模型公式如下。

式（7）含義為景觀中各斑塊類型所占景觀面積乘以各斑塊類型之間相鄰的格網單元數目占總相鄰的格網單元數目的比例，乘以該值的自然對數之后的各斑塊類型之和，除以2倍的斑塊類型總數的自然對數，其值加1后再轉化為百分比的形式。其中，Pi為斑塊類型占用的景觀比例i;gik為基于重復計數方法的斑塊類型i和k的像素之間的鄰接或連接數;m為景觀中存在的斑塊類型數量。CONTAG值越小，表明景觀中存在越多小斑塊，越接近100表明景觀中有連通度高的優勢斑塊類型存在。

2 結果與分析

2.1 生態安全重要性

運用ArcGIS軟件綜合計算安徽省水源涵養服務功能、水土保持服務功能和生物多樣性服務功能空間分布（圖2）。

安徽省水源涵養能力高值出現在六安市南部和安慶市北部的大別山區，池州市東南部和黃山市大部的黃山山脈群，以及中部北部主要江河湖地帶，最大值為280 826，低值出現在北部平原區域，最低值為6 821，極差為274 005。全省平均值為45 136，整體分布態勢為南多北少，西多東少，山地水源涵養能力高于平原地區，個別低值區集中出現在長江兩岸灘涂地帶。

安徽省水土保持能力總體良好，分布狀況和水源涵養功能分布類似，高值區出現在西部大別山區和東南部黃山區，主要包括六安市、安慶市、池州市和黃山市，最高值為759，平均值為391。北部平原地帶水土保持能力較好，中東部滁州市山區丘陵地帶有較完整的水土保持能力集中區，總體呈南多北少，東南多西北少分布。

安徽省生物多樣性分布集中于山區丘陵地帶，以南部黃山市黃山區為代表，以及宣城市黃山余脈地帶、安慶市中部平原山地交匯地帶等，呈現南多北少的分布狀況。

2.1.1 水源涵養功能重要性分析。

式（1）計算出水源涵養功能空間分布后，在ArcGIS柵格計算器（Spatial Analyst → Raster Calculator）中將安徽省水源涵養功能空間分布柵格圖采用最大最小值法將數據歸一化到0～1，導出柵格數據屬性表，屬性表記錄了每一個柵格像元的水源涵養服務值，將該組服務值求和，計算累加服務值[15]。將水源涵養服務值按從高到低的順序排列，經詳細試驗后，發現將累加服務值占水源涵養服務值比例的 90%與 80%所對應的柵格值作為水源涵養服務功能評估分級的分界點，最能體現分級特征。利用ArcGIS重分類工具，將水源涵養功能重要性分為三級，即極重要、重要和一般重要[15]。提取極重要區域并剔除面積不足1 km2區域作為安徽省水源涵養能力生態安全格局分布。

水源涵養極重要區域主要集中在長江沿線、皖西大別山區、皖南黃山區、巢湖以及中北部部分河流濕地，總體呈現南多北少的分布狀況（圖3）。長江作為水生態安全控制點，是水源涵養極為重要的組成部分;大別山區和黃山區有充足的林木可以鎖住大量水分，是全省水源涵養能力的重點區域;巢湖以及其他河湖濕地對水源涵養有著較為明顯的調節作用。

2.1.2 水土保持功能重要性分析。

式（2）計算出水土保持功能分布后，數據歸一化導出服務值屬性表并按從大到小順序排列，經試驗分析確定將總值占水土保持服務總值比例的60%與40%所對應的服務值作為生態系統服務功能評估分級的分界點，并將其重分類為三級重要性。提取極重要區域并剔除面積不足1 km2區域作為安徽省水土保持能力生態安全格局分布。

水土保持極重要區域集中在皖西大別山區、皖東南黃山區和皖東滁州市中部山區（圖4），該區域林木較多，尤其適宜喬木灌叢等植被生長，植被對水土的依附性又可以保證水土不被流失。

2.1.3 生物多樣性保護重要性分析。

計算安徽省生物多樣性保護功能服務值，經試驗重要性分界點選擇80%和95%，重分類后得出生物多樣性保護重要性分級。提取極重要區域并剔除斑塊面積不足1 km2區域，作為安徽省生物多樣性保護生態安全格局分布。

生物多樣性表現為動植物種類數量和集聚程度，安徽省從北向南依次為平原、丘陵、山地分級，平原地區生物多樣性明顯弱于南部山地，黃山區為全省生物多樣性高值區，總體呈現南多北少分布態勢，西部大別山南麓出現斑塊狀生物多樣性高值區（圖5）。山區林木茂盛，自然環境豐富多樣，適宜更多生物生長繁殖。

2.2 水土流失敏感性分析

根據通用水土流失方程的基本原理，依據評估模型計算得水土流失敏感性指數，并對其歸一化處理，結合水土流失強度分級標準和專家知識[33-34]，將安徽省水土流失敏感性指數分級為一般敏感、敏感、極敏感，得出安徽省水土流失敏感性分級。提取極敏感區域并剔除斑塊面積不足1 km2區域作為安徽省生態敏感性格局。

綜合全省水土流失敏感性指數來看，極敏感區域主要集中在皖南黃山區，皖西大別山部分區域，以及大別山、黃山余脈延伸區，整體呈現東南多西北少的趨勢（圖6）。黃山和大別山作為重要旅游資源地，在旅游開發過程中難免存在生態與發展間的矛盾，水土流失問題雖不甚于我國西北地區，但從全省來看，兩大山區應注重保持水土等相關舉措，嚴防水土流失敏感性問題擴大化。

2.3 景觀生態指數分析

2.3.1 景觀破碎度與景觀完整性分析。

景觀分裂指數（DIVISION）與斑塊密度指數（PD）類似，所得均可顯示區域內景觀種類的復雜程度。通過對1 km、500 m、250 m的窗口調試分析，250 m窗口大小較能反映全省景觀的分布情況。在Fragstats軟件中得出全省DIVISION和PD的空間分布格局（圖7）。

全省范圍內分裂指數和密度指數分布相似。高值區主要集中于淮河支流區域，西部大別山北麓和南麓，長江沿線，以及馬鞍山市、蕪湖市、宣城市交匯地帶（圖7）。對照安徽省土地利用圖，發現北部高值區成因在于河流周圍均為耕地而凸顯;長江沿線和大別山南北麓高值區內土地利用類型復雜多樣，河流、農田、城鎮以及其他土地利用類型均有分布，三市交匯地區土地利用更為復雜。剔除分布格局中土地利用類型為建設用地和農田的區域，按照從小到大順序排列其余指數值，計算累加指數值。由于景觀分裂指數與斑塊密度指數表達意義相反：分裂指數越高，區域內景觀分布越離散，破碎度越高;密度指數越高，區域內景觀種類越多，景觀完整性越低。通過對指數值占累加值比例的40%、60%、80%作為分級關鍵點試驗分析后，發現60%～100%區域內指數值最能作為景觀破碎度高值區和景觀完整性低值區（圖8）。

剔除農田和建設用地后，景觀破碎度高值區和景觀完整性低值區出現在大別山南麓，長江沿線，馬鞍山、蕪湖、宣城三市交匯地帶（圖8），表明當前區域內林地河湖等土地利用類型分布較為分散，景觀特征表現為區域內同種土地利用類型獨立分布，其中長江沿線極值區成因與長江沿線斑塊狀分布的沿江防護林有關。省內其他地區的極值區與單獨出現的河湖濕地有關。

2.3.2 蔓延度分析。使用Fragstats計算出安徽省蔓延度，高值說明景觀中某種優勢斑塊類型形成良好的連接性，反之則表明景觀是具有多種要素的分布格局。剔除城鎮農田所在區域，經試驗將蔓延度值低于60%的區域選為低值區。

相比于DIVISION和PD指標，蔓延度低值區有更廣的分布范圍，除大別山和黃山地區外，東部滁州市境內山區也存在低蔓延度地區（圖9），表明該地區景觀類型較為豐富，各斑塊間連接性較低。