基于最小累計阻力模型的南京市生態安全格局構建

譚華清， 張金亭， 周希勝

(1.江蘇省城市規劃設計研究院， 江蘇 南京 210023； 2.武漢大學 資源與環境科學學院， 湖北 武漢 430079)

隨著城鎮化進程的不斷加快，人類對建設用地的需求日益增加，城鎮開發邊界也不斷向外擴張。然而在這一迅速擴張過程中，由于人類一味追求社會經濟利益，忽視自然生態系統的服務效益，導致生態用地空間被大量侵占。長此以往，不僅生物物種的生存和棲息環境遭到破壞，同時也會使人類的生產和生活喪失物質和能量的基本來源和保障，最終危及人類自身的可持續生存和發展[1-3]。因此，構建和優化區域生態安全格局對保障生態空間安全、緩解資源環境壓力具有重要基礎作用[4]。

從研究方法來看，目前多采用最小累計阻力模型[5-8]、圖論[9-10]、電路理論[11-12]等方法構建區域生態安全格局，其中最小累計阻力模型能較好地反映景觀格局變化和生態過程演變的相互作用關系，被廣泛應用于區域生態安全格局的構建與優化[13]。生態源地確定和阻力面設定是構建區域生態安全格局的關鍵[14]。源地確定方面，安東等[15]結合榆林市用地現狀，建立生態敏感性評估模型，對生態脆弱區的關鍵生態地段進行研究。黃隆楊等[16]注重生態用地退化風險和人類生態需求，基于“質量—風險—需求” 目標框架計算生態用地綜合價值，進而識別源地。Zagas等[17]從防護水土流失角度出發，基于通用流失方程，對山區內具有特殊保護功能的森林進行空間識別與分析。目前，根據研究區域地理特征，從不同角度對生態用地進行定量評價是識別生態源地的常用方法。阻力面建立方面，佘宇晨等[18]根據不同景觀類型的單位面積生態功能服務價值，采用專家打分法設立基礎阻力面。黃鑫等[19]選取景觀自身因子和鄰近景觀干擾因子模擬景觀生態流的空間運動過程并設定生態阻力面。王玉瑩等[20]采用夜間燈光數據對景觀阻力面進行修正，以反映不同土地利用強度對生態過程作用的阻力大小。

大氣環境污染是影響物種多樣性的主要環境問題，對其進行有效的控制和預防對提升區域生態安全格局的穩定性具有重要意義。現有研究中對阻力面建立時的生態環境約束表征不足，傳統阻力面的建立僅考慮景觀類型分布和利用強度的差異，忽視了大氣環境污染對物種遷徙的影響，無法真實反映物種水平空間的運動過程。因此，本文結合江蘇省南京市生態資源自身特點和數據的可獲得性，從生物多樣性保護、水資源安全、地質災害規避3個角度對南京市生態用地重要性進行評價并識別生態源地，并利用PM2.5濃度、夜間燈光遙感數據對基礎阻力面進行修正，構建區域生態安全格局，以期為生態文明建設背景下統籌推進市域國土空間可持續發展提供參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

南京市位于江蘇省南部(118°22′—119°14′E，31°14′—32°37′N)，境內地勢較為平緩，地形多以崗地為主。南京市屬于亞熱帶季風氣候，生物資源豐富、種類繁多。林木覆蓋率29.6%，人均公共綠地面積13.7 m2，是中國四大園林城市之一，有“綠都”之稱。如圖1所示，2013年南京市共11個轄區，行政區總面積6 595 km2，其中建成區面積923.8 km2。

圖1 南京市區位示意圖

1.2 數據來源

數字高程模型(DEM)來源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)，空間分辨率為30 m；土地利用數據來源于國家科技基礎條件平臺—國家地球系統科學數據共享平臺—長三角科學數據中心(http:∥nnu.geodata.cn:8008/)；歸一化植被指數(NDVI)來源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) MOD13Q1數據集，采集時間為2013年1月至2013年12月，空間分辨率為250 m，依據12個月份NDVI產品求算年平均值；夜間燈光數據來源于美國國家海洋大氣管理局NOAA國家環境信息中心(https:∥www.ngdc.noaa.gov/ngdc.html)，類型為穩定燈光影像，空間分辨率為1 km×1 km；地質災害隱患點、危險點數據來源于《南京市2013年度地質災害防治方案》，經矢量數字化處理得到；PM2.5數據來源于中國環境監測總站(http:∥www.cnemc.cn/)，采集時間為2013年1月至2013年12月，依據南京市9個國控空氣質量監測點(草場門、中華門、瑞金路、玄武湖、邁皋橋、山西路、仙林大學城、奧體中心和浦口)的日均PM2.5濃度值，計算得出月均濃度值，進而匯總得出9個監測點的年均PM2.5濃度值。

以上數據經過投影變換、裁剪、重采樣等一系列數據預處理工作后，統一轉換為100 m×100 m的柵格數據。

2 研究方法

2.1 生態用地重要性評價

基于南京市自然環境條件和生態安全影響因素分析，從生物多樣性保護、水資源安全、地質災害規避等3個角度對南京市生態用地重要性進行定量評價，并利用Natural Break方法將研究區內生態用地劃分為極重要、中等重要、一般重要、不重要4個等級，依次賦值為4，3，2，1。

(1) 生物多樣性保護評價。生境作為生物的重要棲息空間，影響著生物物種生長和發育的全過程。生境質量好的區域其生物多樣性也較為豐富[1]。由于生境質量和土地利用類型密切相關，不同地類維持生物資源的能力不同，因此可采用不同景觀生態系統的生物多樣性服務價值當量的大小來間接表征生境敏感性等級的高低[21]。

根據南京市土地覆蓋和謝高地等[22]制定的生物多樣性服務價值當量表，計算得出林地、耕地、園地、水系等不同景觀生態系統的生物多樣性服務當量(見表1)。考慮到同一景觀生態系統內植被覆蓋度的差異，本文利用歸一化植被指數(NDVI)對生物多樣性服務當量(DL0)進行修正[6]。具體計算公式如下：

表1 南京市基本生態系統生物多樣性服務價值當量(DL0)

S=n×DL

(1)

(2)

式中：S為生境敏感性指數；n為柵格單元i所對應的土地覆蓋類型； DL為基于NDVI修正的生物多樣性服務當量； NDVIi為柵格單元i對應的NDVI均值； NDVIt為柵格單元i所對應土地覆蓋類型n的NDVI均值的平均值； DL0為柵格單元i所對應土地覆蓋類型n的基本生態系統生物多樣性服務當量。

(2) 水資源安全評價。地表水源是維系地表徑流，養護水資源安全的基本保障。本文選取地表水源安全作為評價因子[23]，基于ArcGIS10.2平臺通過歐氏距離計算每個柵格單元到重要水系的距離，進而對研究區水資源安全進行評價，其重要性等級見表2。

表2 南京市水資源安全及地質災害評價因子及劃分標準

(3) 地質災害規避評價。地質災害破壞生態系統結構的穩定性，進而影響系統內部物質循環和能量流動，導致生態功能發揮受到一定制約[24]。本文結合研究區內地形條件、人類活動強度等指標和李桂媛等[25]的研究，以研究區內地質災害隱患點、危險點為中心點進行緩沖區分析，從而劃定地質災害規避范圍與等級，具體結果見表2。

(4) 生態用地重要性綜合評價。對某一生態用地而言，在地理區位、土地覆蓋類型等因素的作用下，其斑塊表現為多重生態系統功能效益的集聚，即其綜合生態安全重要性的大小取決于疊置在其上的各類單因子重要性的最高值[26]。根據“最小單元生態用地發揮最大生態功能”的原則，本文利用最大值法對不同層面的生態用地重要性進行綜合評價。

2.2 生態阻力面建立

不同生態斑塊上物種間的相互聯系表現為各自對地理空間水平方向上的競爭性控制和覆蓋，這一過程需通過克服阻力來實現[23]。人為活動干擾和環境空氣質量是影響物種擴張和遷徙的重要阻力。本文根據不同景觀類型受人類活動的影響程度確定其相對阻力系數[27]建立基礎阻力面(見表3)，并基于夜間燈光指數、PM2.5濃度數據對基礎阻力面進行修正。考慮到空氣污染物的擴散，采用Kriging插值模擬PM2.5濃度的空間分布。具體公式如下：

表3 物種空間運動的基礎阻力因子和相對阻力系數(修正前)

(3)

式中：Ri為修正后的生態阻力系數； NLi為柵格單元i的夜間燈光指數； NLn為柵格單元i所對應土地覆蓋類型n的夜間燈光指數平均值； AQi為柵格單元i的PM2.5濃度值； AQn為柵格單元i所對應土地覆蓋類型n的PM2.5濃度平均值；R0為修正前的相對阻力系數。

2.3 生態安全格局構建

借助ArcGIS10.2平臺的Cost-Distance工具建立最小累積阻力模型，識別出生態安全格局中的生態節點、緩沖區、廊道等重要組分。具體公式如下：

(4)

式中：MCR為最小累計阻力值；Dij為某物種從源斑塊j至空間中某一點所穿越的景觀基面i的空間距離；Ri為修正后的生態阻力系數；f為正相關關系函數，表征源斑塊至空間中某一點路徑的相對易達性。

生態安全格局的核心組分包括源地、節點、緩沖區和廊道。

(1) 生態源地。源地既是生態景觀要素擴張和流動的基礎，也是維持生態系統穩定的核心區，本文選取生態用地重要性評價中的極重要生態斑塊作為生態源地。

(2) 生態節點。生態節點是維持源地之間生態要素交換和聯系的關鍵戰略節點，提取主要生態源地斑塊的中心點作為生態節點。

(3) 緩沖區。緩沖區是位于生態源地外圍一定范圍內的低累積阻力表面。利用Natural Break方法將生態源地外圍的累積生態阻力表面劃分成三種不同類型的區域，分別為緩沖型生態區、理想型生態區和其他區域。

(4) 生態廊道。生態廊道是區域內連接不同生態源地間物種遷徙的重要流動通道。借助ArcGIS10.2平臺的Cost-Distance工具，分別以各生態節點(n)為源點，以剩余生態節點(n-1)為目標點集，對應輸出各生態節點(n)的成本距離柵格、成本回溯鏈接柵格。再利用Cost-Path工具，對應輸出各生態節點(n)至目標點集的最小成本路徑。為了方便研究和制圖表達的需求，將最小成本路徑進行矢量化，從而識別出市域范圍內的所有生態廊道。

3 結果與分析

3.1 重要性評價與源地識別

3.1.1 生態用地重要性評價結果分析 生物多樣性保護評價的識別結果(見圖2a)表明，極重要生態用地面積443.19 km2，面積占比為6.75%，主要分布在西北部老山，南部北想山、游子山，北部的止馬嶺、方山等群山分布的丘陵地區。這些地區光熱條件充足、景觀類型多樣，是重點保護生物多樣性的關鍵性區域。

水資源安全評價的識別結果(見圖2b)表明，極重要生態用地面積1 129.3 km2，面積占比為17.1%，大多為研究區內的重要水系、大型水庫，主要包括長江、石臼湖、固城湖、金牛湖，三岔水庫、方便水庫、中山水庫以及上秦淮濕地等區域。該區域地表水量充足，是調蓄區域內地表徑流，防止水、旱災害的重要水源涵養功能區。

地質災害規避評價的識別結果(見圖2c)表明，極重要生態用地面積1.28 km2，主要分布在長江沿岸及秦淮河等周邊區域。這些區域大多呈點狀分布、面積較小，但突發性強，對自然生態環境干擾較大。

生態用地重要性的綜合評價結果(見圖2d)表明，極重要生態用地面積140.5 km2，面積占比為21.52%。該區域的土地利用類型以水體、耕地和林地為主，占極重要生態用地面積比例分別為42.73%，26.06%，17.15%，3種地類面積占比之和為85.94%(見圖3)。

圖2 南京市生態用地重要性評價結果

圖3 南京市不同生態用地重要性等級土地利用類型構成

3.1.2 生態源地識別 選取極重要生態用地中面積大于5 km2且集中連片分布的生態斑塊作為生態源地，最終得到研究區內生態源地斑塊28塊，面積490.3 km2，占全域土地總面積的7.54%。從地類構成(見表4)來看，以水系為主，其次為林地和園地，面積占生態源地總面積的比例分別為70.84%，25.36%，2.54%。將生態源地與南京市國家級生態紅線中的保護地進行疊加(見圖4)，可以看出生態源地內基本涵蓋國家級和省級自然保護地，識別結果比較合理。

表4 南京市生態源地土地利用類型構成

圖4 南京市生態源地分布及識別結果合理性驗證

3.2 阻力面建立

將基礎阻力面和經夜間燈光指數、PM2.5濃度數據修正后的生態阻力面進行對比，可以看出修正前后的兩種阻力面均呈現出“四周低，中間高”的特點，即最小累積阻力值由生態源地向外逐漸增大，并在城鎮集中建設區內達到峰值。

圖5為阻力面修正前后的對比結果。由圖5可以看出，修正后的生態阻力面在模擬區域生態過程差異方面表現得較好，阻力值范圍在0～43 854.6之間。阻力值較大的區域主要位于鼓樓區、秦淮區、建鄴區東部等長江南岸，該區域人類活動頻率較高，城鎮建設用地分布高度集中，生態流的擴散受到嚴重阻礙。浦口區中部、玄武區中部、江寧區東北部等區域阻力較小，該區域地形較為復雜，受人類活動影響較小。

圖5 南京市生態阻力面修正前后對比

3.3 生態安全格局分析

(1) 生態節點。研究區內生態節點28個，大多位于長江以南的區域，且集中分布在江寧區、溧水區(見封3附圖15)。

(2) 緩沖區。如表5所示，緩沖型生態區面積788.74 km2，占研究區總面積比例12.13%，該區域在除高淳區的其他行政區范圍內均有分布，其中鼓樓區、建鄴區、秦淮區較為集中。理想型生態區面積1 143.87 km2，占研究區總面積比例17.59%，大都零星分布在沿緩沖型生態區外圍一定距離范圍內的邊緣地帶，該區域的景觀組分相對比較復雜，主要由園地、耕地和少量城鎮建設用地組成。其他區域面積4 080.41 km2，所占比例為62.74%，分布較為廣泛，在各行政區域內均有分布(見封3附圖15)。

表5 南京市生態安全格局不同緩沖區類型面積統計

(3) 生態廊道。研究區內生態廊道共62條，全長361.42 km。從區域分布特征來看，江寧區的東北部、西南部和溧水區的西部、南部較為集中，基本上以環狀形態圍繞在中心城區周邊的山地和水系地帶(見封3附圖15)，這些區域林地資源豐富，斑塊生境質量高，可為物種生存與發展、生態物質和能量流通與交換提供良好的生態介質通道。

(4) 生態安全格局。考慮到生態景觀系統的連通性和穩定性，本文根據源地之間的聯系強度和廊道景觀組分對生態廊道重要性進行劃分[28]，最終提取出研究區內關鍵廊道56條，一般廊道6條。將識別得到的生態源地、生態節點、緩沖區、關鍵廊道、一般廊道等核心組分進行疊加組合，構建出南京市生態安全格局(見封3附圖15)。

總體來看，依托研究區內大型水系、低山丘陵，形成了以長江為中心向外延展的“一帶三區多軸”生態安全格局框架(見圖6)。“一帶”是指沿長江岸線的生態帶，保障長江干流和附近支流的水資源生境。“三區”是指北部的森林公園保護區(包括老山國家森林公園、龍王山、鳳凰山、佛手湖郊野公園等)、中部的丘陵崗地區(包括鐘山、牛首山等)、南部的水源涵養區(包括九龍湖濕地公園、石臼湖等)。“多軸”是指以林地、水系相互連接形成的生態防護軸帶。該生態安全格局框架與2017年公布實施的《南京市主體功能區實施規劃》中生態安全格局示意圖基本一致。

圖6 南京市生態安全格局示意圖

4 結 論

本文以南京市為研究區域，在構建生態阻力面時，充分考慮到環境空氣質量、人為干擾對生物物種遷移的影響，將空氣污染物PM2.5濃度、夜間燈光遙感數據引入生態阻力面修正，得到環境質量約束下的生態安全格局，該方法行之有效，符合南京實際，能夠為南京市國土空間可持續發展提供決策依據，也可供同類區域研究提供借鑒。研究結果表明：南京市生態源地面積為490.3 km2，國家級生態紅線中的省級以上自然保護地基本落入源地范圍內，證明了源地識別結果的合理性。緩沖型生態區面積為788.74 km2，理想型生態區面積為1 143.87 km2。生態廊道全長361.42 km，其中關鍵生態廊道56條，一般廊道6條，主要以環狀形態圍繞在中心城區周邊的山地和水系地帶。通過生態源地、緩沖區、生態廊道等核心組分，形成了“一帶三區多軸”的南京市生態安全格局框架。

影響物種遷徙的阻力因子較多，在建立阻力面的過程中，現有研究[18-20,29-31]僅限于從地形坡度、土地利用、景觀覆蓋、人類活動強度等角度出發，而未能考慮到大氣環境污染對生物物種遷徙的影響。僅考慮這些因素仍存在一定的局限性，難以真實地反映出生態過程的實際情況。目前生態安全格局構建中針對大氣環境污染對生態變化過程的研究鮮有涉及。本文綜合考慮大氣污染和景觀利用類型、強度等因素，通過PM2.5濃度數據、夜間燈光遙感數據對傳統阻力面進行修正，修正后的生態阻力面可以較好地表征空氣環境質量和人為活動干擾對物種遷徙的影響程度，據此構建出的生態安全格局更為客觀和完整，為大氣環境質量改善為目標導向的區域生態安全格局構建提供了一種新思路。將研究得出的“一帶三區多軸”的南京市生態安全格局與2017年南京市政府公布實施的《南京市主體功能區實施規劃》中生態安全格局示意圖進行對比分析，兩者框架基本一致，說明該方法是切實可行的。

目前研究還存在一些不足之處，由于目前各地區PM2.5國控監測點大多分布在主城區，未覆蓋至全域，未來的研究可考慮實地調研的方法，使生態阻力面的建立更具合理性。此外，本文在評價生態用地重要性時選取的評價因子主要是借鑒前人研究成果，其合理性有待進一步探究和完善。生態安全格局的構建能夠為區域生態保護建設提供有力支撐，但未來應建立相應的動態監測平臺和機制，以保障區域生態環境的可持續發展。