基于MCR模型的神東礦區(qū)景觀生態(tài)安全格局構建研究

趙良飛，王 旭，王永剛，李亞翠，王恒嘉

(1.首都師范大學 資源環(huán)境與旅游學院，北京 100048;2.北京市環(huán)境保護科學研究院，國家城市環(huán)境污染控制工程技術研究中心，北京 100037；3.河北省濕地生態(tài)與保護重點實驗室，河北 衡水 053000)

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展和工業(yè)化進程的不斷推進，一系列的生態(tài)環(huán)境破壞問題也隨之產(chǎn)生，這些問題的出現(xiàn)不僅造成嚴重生態(tài)安全隱患，也很大程度上影響了人們的生活質(zhì)量和社會經(jīng)濟可持續(xù)性發(fā)展。如何構建生態(tài)安全格局，協(xié)調(diào)好經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護兩者之間的關系是現(xiàn)代人們越來越關注的熱點[1]。

神東礦區(qū)現(xiàn)為我國最大的井工煤礦開采地，其又位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)與毛烏素沙地過渡地帶，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，構建礦區(qū)生態(tài)安全格局，對保障礦區(qū)安全運行與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升具有重要的意義。基于神東礦區(qū)“生態(tài)礦區(qū)”目標的提出，針對生態(tài)本底脆弱性特征，識別出對于區(qū)域景觀生態(tài)安全格局具有重要影響的生態(tài)源地和廊道，通過綠色基礎設施建設、生態(tài)空間的優(yōu)化，從而為保障和提升區(qū)域生態(tài)持續(xù)發(fā)展。在神東礦區(qū)發(fā)展的關鍵時期，探索礦區(qū)景觀生態(tài)安全格局識別與優(yōu)化可為神東礦區(qū)生態(tài)礦區(qū)建設以及打造為能源企業(yè)綠色發(fā)展的樣板提供重要決策參考。

景觀生態(tài)安全格局相關理論是由俞孔堅[2]在前人景觀安全優(yōu)化方案研究的基礎上提出的。隨著研究的發(fā)展，國外學者最先利用該理論與方法對特殊物種棲息地保護或物種覓食遷徙等方面進行研究[3-4]，國內(nèi)學者在土地生態(tài)適宜性評價[5]、生物多樣性保護[6]、流域及濕地[7]、城市及山地區(qū)域[8-9]等景觀生態(tài)安全格局構建和應用方面做了大量的探索。目前，景觀安全格局的構建方法逐漸成熟，形成了“識別源地-構建阻力面-提取廊道”的框架模式。但神東礦區(qū)與傳統(tǒng)城市區(qū)域生態(tài)特征不同，如何在實現(xiàn)礦區(qū)高強度開發(fā)過程中確保區(qū)域生態(tài)安全是當前亟需解決的關鍵問題。生態(tài)安全格局則提供了一種重要的空間解決途徑。因此，考慮神東礦區(qū)功能定位、本底生態(tài)環(huán)境狀況和建設目標，構建了神東礦區(qū)景觀斑塊質(zhì)量評價指標體系基于最小累積阻力模型識別生態(tài)廊道，構建景觀生態(tài)安全格局，在此基礎上探討景觀生態(tài)安全格局的優(yōu)化對策，以期為神東礦區(qū)及其他工業(yè)礦區(qū)土地可持續(xù)利用、生態(tài)系統(tǒng)管理、生態(tài)安全維護提供技術支撐。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

神東礦區(qū)(神府東勝礦區(qū)的簡稱)位于毛烏素沙漠和黃河高原的過渡地帶，地處陜蒙晉交界處，地理坐標是東經(jīng)109°51′-110°46′，北緯38°52′-39°41′，研究區(qū)選取了布爾臺煤礦等11個煤礦組成的神東核心礦區(qū)(圖1)。研究區(qū)域地表水資源短缺，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，多年來隨著煤炭資源的開發(fā)生態(tài)環(huán)境受到一定程度損壞，景觀斑塊連通性相對差，呈現(xiàn)破碎化。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預處理

本文的基礎研究數(shù)據(jù)主要有：①高分一號(GF-1)PMS多光譜和全色數(shù)據(jù)。成像時間為2018年8月15日，多光譜數(shù)據(jù)空間分辨率為8米，有4個光譜波段，有藍、綠、紅和近紅四個波段；全色數(shù)據(jù)空間分辨率為2米。GF-1 PMS的數(shù)據(jù)來源于資源衛(wèi)星應用中心(http：//www.cresda.com/CN/)。應用ENVI5.3軟件對遙感數(shù)據(jù)進行處理，同時用處理后的遙感數(shù)據(jù)提取土地利用類型和歸一化植被指數(shù)(NDVI)。②DEM數(shù)據(jù)(30米分辨率)來自于中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心(地理空間數(shù)據(jù)云，http：//www.gscloud.cn/)GDEM數(shù)據(jù)集。應用ArcGIS10.2軟件空間分析模塊提取出坡度數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 最小累積阻力模型

1992年Knaapen等人率先提出最小累積阻力(Minimum Cumulative Resistance，MCR)模型，其還可以用最小費用距離模型[1,10]概念來表示。系用于計算從源到目的地運動過程中所需要耗費代價，也可指從“源”穿過多種阻力的景觀要素所花費的費用或者克服障礙需要的最小阻力功，它是可達性的一種度量[11]。依據(jù)Knaapen提出的模型和地理信息系統(tǒng)(ArcGIS)中常用的費用距離，再經(jīng)國內(nèi)俞孔堅等人[12]修改后，基本公式為：

(1)

式中，RMC為最小累積阻力值；f為一個未知的正函數(shù)，反映空間中任一點的最小阻力與其到所有源的距離和景觀基面特征的正相關關系；Dij為物種從源j到空間某一點所穿越的某景觀基面i的空間距離；Ri為景觀i對某物種運動的阻力。阻力值的大小，直接表現(xiàn)出物種遷移的難以程度。阻力值越小，物種從“源”穿過不同景觀到達目的地越容易；相反，物種遷移就越難。

1.3.2 生態(tài)源地識別

“源”作為物種擴散和維持的元點系在景觀格局與生態(tài)過程研究中能促進生態(tài)過程發(fā)展的景觀類型[1]，在維持景觀格局的健康與完整、滿足人類生態(tài)需求方面具有重要地位[13]。在源地的選擇方面，要綜合考慮斑塊自身特征屬性和其與外界環(huán)境的相互作用。在指標選取方面，眾多學者針對不同地區(qū)、不同目標選擇的指標各異[14-16]。本文也將選取評價指標對景觀斑塊質(zhì)量進行評價從而識別研究區(qū)域的源地。

(1)指標體系構建

鑒于神東礦區(qū)的功能定位及生態(tài)環(huán)境特征，本文基于維持景觀過程完整性、生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的，從斑塊自身特征屬性、植被覆蓋、重要斑塊識別和人為干擾因素4個方面選取6項指標，應用層次分析法(AHP)構建一套適用本地區(qū)的指標體系。本次采用專家背靠背打分方式，選擇了生態(tài)學、水文水資源學、景觀學、環(huán)境學以及城市規(guī)劃學等相關行業(yè)的15位專家進行打分，最終對評價指標的相對重要性構建判斷矩陣確定指標權重，以此來構建本研究中的景觀斑塊質(zhì)量評價體系(表1、表2)。

表1 神東礦區(qū)景觀斑塊質(zhì)量評價指標相對重要性判斷矩陣

表2 神東礦區(qū)景觀斑塊質(zhì)量評價指標與指標權重

(2)評價指標計算

使用Fragstats4.2景觀分析軟件進行斑塊面積、斑塊形狀指數(shù)和分維數(shù)的計算，并基于ArcGIS10.2軟件把結果連接給各個斑塊。歸一化植被指數(shù)采用ENVI5.3軟件計算得到[17]。使用ArGIS10.2軟件、插件模塊Conefor Inputs for ArcGIS10和Conefor Sensinode2.6軟件完成斑塊重要值的計算。人工控制程度指標為定性指標，經(jīng)過分析不同景觀類型受到不同的人為活動的影響，再經(jīng)過專家打分評審，定性判定生態(tài)系統(tǒng)受人工控制程度(輕、中、強、極強)[17]。

(3)斑塊綜合評價模型構建與源地的識別

分別采用極差標準化法和采用分級賦分法對定量和定性指標進行標準化。在標準化和權重確定的基礎上，運用加權法對景觀斑塊質(zhì)量進行評估，計算結果的得分越高，景觀斑塊質(zhì)量相對越好，公式如下：

(2)

式(2)中Gi為第i個評價斑塊的質(zhì)量總分值；Wij為第i個評價斑塊第j個指標的權重；Sij為第i個評價斑塊第j個指標的標準化值；n為指標數(shù)。

采用[0，100]區(qū)間連續(xù)數(shù)來制定分級量化值。根據(jù)評價指標的綜合評價標準和分值，同時結合區(qū)域的實際生態(tài)特征狀況，將斑塊質(zhì)量分為5個等級并賦分值(表3)，級別數(shù)值越小，景觀斑塊質(zhì)量越好。選取Ⅰ級斑塊作為源地，擇取質(zhì)量總分值Gi≥75的斑塊作為生態(tài)源地，分級如表3。

1.3.3 生態(tài)阻力面構建

生態(tài)阻力面的構建是景觀安全網(wǎng)絡構建的核心，生態(tài)阻力因子的選取和阻力值的確定是生態(tài)阻力面構建的關鍵。而阻力因子的相對值設定可以反映不同阻力因子的差異性。本文基于神東礦區(qū)的實際生態(tài)環(huán)境特征，并依據(jù)大量的文獻成果與專家判斷為基礎[15,17-20]，選擇歸一化植被指數(shù)、坡度、土地利用類型、距道路距離、距在用排矸場距離和距工業(yè)用地距離6個阻力因子來構建阻力面，同時對各阻力因子劃分等級并賦予相對阻力值，阻力值的范圍設定為1～200，1為最小阻力值，200為最大阻力值。其中歸一化植被指數(shù)、坡度、土地利用類型相對阻力值與文獻[17]一致。其余阻力因子相對阻力值如表4所示。

表4 神東礦區(qū)景觀阻力因子及其權重和相對阻力值

1.3.4 生態(tài)廊道的識別

在模擬構建廊道方面，目前使用較多的是最小累積阻力模型的運算法則原理，其與數(shù)學模型相比可以更好地揭示景觀格局與生態(tài)過程和功能之間的聯(lián)系并識別景觀連通路徑[21]。本文基于最小累積阻力模型運算原理，根據(jù)構建的綜合阻力面和識別出的生態(tài)源地，借助ArcGIS10.2中空間分析模塊中的成本距離功能得到神東礦區(qū)最小累積耗費距離表面。最后結合生態(tài)源地和最小累積耗費距離表面，運用成本路徑功能提取生態(tài)廊道。

1.3.5 生態(tài)節(jié)點的識別

生態(tài)節(jié)點是連接相鄰源之間的潛在跳板，其一般位于生態(tài)廊道上，分布在生態(tài)功能最薄弱處[22]，其通過將分散的各斑塊串聯(lián)起來，以此對生態(tài)流的運轉(zhuǎn)起到?jīng)Q定作用。本文中利用ArcGIS10.2空間分析模塊中的水文分析工具對生態(tài)節(jié)點進行提取。

2 結果與分析

2.1 源地識別結果

根據(jù)前文方法計算得到各斑塊綜合評價結果和源地識別結果。結果顯示，神東礦區(qū)綜合評價指數(shù)Gi≥75的斑塊共計11個，此11個斑塊作為生態(tài)源地(圖2)，生態(tài)源地面積為共計142.95 km2，占區(qū)域總面積16.03%。

從景觀類型方面來說，選取的11個源地包括林地、水域和草地3種類型，其中以林地為主，水域主要為烏蘭木倫河及其支流，水域生態(tài)源對生態(tài)功能穩(wěn)定調(diào)控有重要作用，同時也是生物的重要棲息地和遷徙廊道。從空間分布來看，10號水域源地從北向南貫穿研究區(qū)，其他源地主要分布在東南、西南和東北部分地區(qū)，但總體上均分布在人口密集的城鎮(zhèn)和工業(yè)用地附近。從各煤礦分布來說，生態(tài)源地主要分布在上灣煤礦、哈拉溝煤礦、活雞兔煤礦和大柳塔煤礦，各煤礦中的源地占比分別為63.30%、40.02%、36.99%、24.79%。這些生態(tài)源地是區(qū)域生態(tài)紅線區(qū)，生態(tài)功能較強，實現(xiàn)生物多樣性保護所耗費的成本最小，建議納入核心保護區(qū)范圍，加強區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護，增強生態(tài)穩(wěn)定功能，通過采取自然+人工生態(tài)干預改善植被狀態(tài)，不斷擴大源地面積和提供源地生態(tài)穩(wěn)定性。

為了驗證構建的景觀生態(tài)安全格局有效性可行度，將神東礦區(qū)7個示范基地區(qū)與生態(tài)安全格局疊加可發(fā)現(xiàn)(圖3)，在空間分布上可以看出，示范基地區(qū)基本都落入神東礦區(qū)生態(tài)源地范圍內(nèi)，包括紅石圈治理區(qū)、大柳塔示范園、活雞兔西山公園等。7個示范基地區(qū)與全礦區(qū)生態(tài)源地具有較高的總體重合率(71.43%)，其中4個示范基地區(qū)與源地完全重合，生態(tài)安全格局構建結果可信度相對較高。

2.2 阻力面建立結果

依據(jù)1.3.3所述阻力面的構建方法，首先對選取的6個阻力因子賦相對阻力值并生30×30的柵格單因子阻力面(圖4)，從圖中可以看出，人工景觀由于受人類活動影響較大，其阻力值相對較大，其次為道路、工業(yè)用地以及排矸場影響作用區(qū)域自然和半自然的景觀具有較小的阻力值，這個與黃鑫[17]等人研究相一致。將各個單因子加權處理，生成綜合阻力面(圖5)；最后結合研究區(qū)的生態(tài)源地和綜合阻力面計算結果，得到最小累積耗費距離表面(圖6)。

2.3 生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點識別結果

根據(jù)1.3.4及1.3.5所述生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點的識別方法，得到了53條生態(tài)廊道和40個生態(tài)節(jié)點(圖2)。

生態(tài)廊道能夠提高區(qū)域的景觀連通性，神東礦區(qū)內(nèi)選取的53條生態(tài)廊道，總長為392.84 km，此外貫穿礦區(qū)的烏蘭木倫河也是一條物種遷徙的生態(tài)廊道。在空間尺度上，穿越住宅區(qū)與工業(yè)礦區(qū)的生態(tài)廊道相對比較密集，但長度有限，這主要是由于住宅區(qū)和工業(yè)礦區(qū)間分布有較多的生態(tài)源地，且各源地間距離比較近。位于零散分布的各生態(tài)源地間的生態(tài)廊道相對較長，可以將研究區(qū)內(nèi)破碎的生境斑塊連接起來，形成整體性和連通性的生態(tài)源地，有助于區(qū)域物種的遷徙和繁衍，對生物多樣性維持具有十分重要作用。從景觀類型上看，研究區(qū)內(nèi)各生態(tài)廊道貫穿的景觀類型混合有自然和人工景觀。當廊道穿越自然景觀時(林地、草地和水域)，應采取補種、維護等方式，加強植被生長狀況，并進一步防止工業(yè)生產(chǎn)或建設對植被的破壞。當廊道穿越住宅區(qū)、道路和施工場地等人工景觀時，應強化人工綠地的建設和管護，做好人工綠地的補植、更新、維護等管護工作。

連接生態(tài)廊道的生態(tài)節(jié)點也是生態(tài)環(huán)境保護的重要區(qū)域。對于神東礦區(qū)40個生態(tài)節(jié)點的保護應注重與周圍景觀相結合，提高生態(tài)節(jié)點穩(wěn)定性，同時防止人類生產(chǎn)生活活動對生態(tài)節(jié)點周邊環(huán)境的影響。把主要生態(tài)節(jié)點作為重要生態(tài)戰(zhàn)略點加強建設和維護，對遭到損壞的節(jié)點進行重新構建，但重構時要盡量與周邊生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)且已自然林地為主，通過戰(zhàn)略點生態(tài)環(huán)境的回復，以此對對周圍較脆弱的景觀形成輻射影響，對整體區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行提升。

2.4 分析與討論

MCR模型是一種生態(tài)安全格局構建的有效方法和手段，成功識別出神東礦區(qū)生態(tài)源地、生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點，構建了神東礦區(qū)的景觀安全格局，對研究區(qū)土地利用開發(fā)、生態(tài)安全保障提供科學指導。對于生態(tài)源地，建議納入?yún)^(qū)域核心保護區(qū)規(guī)劃范圍內(nèi)，進一步加強保護，并通過人工促進措施改善植被現(xiàn)狀，不斷擴大源地面積和源地質(zhì)量。對于生態(tài)廊道，建議及時應采取補種、維護、更新等方式，加強植被生長狀況。對于生態(tài)節(jié)點的保護應注重與周圍景觀相結合，提高生態(tài)節(jié)點穩(wěn)定性，進一步降低人類活動對生態(tài)節(jié)點影響，禁止在生態(tài)節(jié)點周邊開展與生產(chǎn)有關的活動。

本研究基于MCR模型構建了神東礦區(qū)景觀生態(tài)安全格局，在研究方法、研究區(qū)域等方面做了一些新的嘗試，但因技術條件和數(shù)據(jù)獲取等方面問題，仍有以下問題有待解決：(1)本文從空間和數(shù)據(jù)信息兩個層面驗證了景觀生態(tài)安全格局有效性可信度。除本文嘗試的示范基地區(qū)與生態(tài)安全格局疊置對比分析方法之外，生態(tài)安全格局構建有效性評價的其他定性或定量化研究方法還未完全成熟。因此，目前生態(tài)安全格局的可信度驗證仍是一個有待解決的難點問題；(2)阻力因子有待完善。本文以生態(tài)保護為目標，通過參考大量的文獻和資料來選擇阻力因子并構建阻力面，未來在大量社會經(jīng)濟發(fā)展數(shù)據(jù)和氣象氣候數(shù)據(jù)支撐作用下，考慮納入更多因素，因此還需要做更進一步的探討；(3)未來應考慮進一步發(fā)展多模型、多方法的集成和應用，確保景觀生態(tài)安全格局構建更加科學合理。

3 結論

基于景觀生態(tài)安全格局和最小累積阻力(MCR)模型理論，通過對神東礦區(qū)生態(tài)源地、生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點識別和分析，構建了神東礦區(qū)景觀生態(tài)安全格局，得到如下結論：

(1)神東礦區(qū)生態(tài)源地有11片，總面積為142.95 km2，占總面積的16.03%。生態(tài)源地的主要土地利用類型為林地、草地和水域，總體上均分布在人口密集的城鎮(zhèn)和工業(yè)用地附近。

(2)生態(tài)廊道53條，總長為392.84 km，穿越住宅區(qū)與工業(yè)區(qū)的生態(tài)廊道比較密集，且長度較短；位于零散的各生態(tài)源間的生態(tài)廊道，長度相對較長，能夠?qū)ρ芯繀^(qū)域生物多樣性保持發(fā)揮關鍵作用。識別生態(tài)節(jié)點40個，主要分布在生態(tài)功能薄弱的工業(yè)用地、住宅用地和道路等部分地區(qū)，整體分布分散。

(3)構建了基于生態(tài)源地-生態(tài)廊道-生態(tài)節(jié)點模式的神東礦區(qū)景觀生態(tài)安全格局，對區(qū)域生態(tài)安全格局建設提出優(yōu)化措施，以期為神東礦區(qū)及其他工業(yè)礦區(qū)土地可持續(xù)利用、生態(tài)系統(tǒng)管理、生態(tài)安全維護提供科學依據(jù)。