基于生態保護重要性的江西省瑞金市生態安全格局構建

嚴 政, 王壯壯, 周成杰, 李沛鴻

(江西理工大學 測繪工程, 江西 贛州 341000)

實現人與自然和諧發展是建設生態文明和美麗中國的內在要求[1]，“十三五”規劃期間，城市化的高速發展導致大量的土地開發及土地利用方式的快速轉變，讓生態環境問題日益嚴重，進而威脅區域生態安全。生態安全問題也成為被國內外學者和組織所重視的熱門課題[2-4]。中國國家發展改革委提出了將實施留白增綠戰略、構建生態安全格局、科學劃定3條基本線作為優化國土空間格局和保護區域生態安全的重要方法之一[5]。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”[6]。2020年1月自然資源部印發的《資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價指南》中明確指出“生態格局應與生態保護重要性結果相匹配”，這一意見為構建生態安全格局提供了新的理論指導[7]。

目前，余孔堅提出的“源地—廊道”的生態安全格局模式已經被認為是構建生態安全格局及對區域生態安全格局進行分析的最基本的一種方式[8]。其中源地指的是區域內具有重要生態價值，在區域內起生態功能互相流動擴散作用的重要生境斑塊[8]，基于不同的目標，眾多專家學者從不同的角度進行生態源地識別，現有的方法主要有采用生態服務功能重要性[9-10]，生境質量[11]，生態紅線等[12]指標作為選取生態源地的基礎。廊道是生態網絡體系中連接各個生態源地，進行物質與能量交換的最佳途徑，是可以為動物遷徙提供重要通道的線狀或帶狀區域[13]。目前常見的提取生態廊道的方法主要有最小累積阻力模型法[14]、圖論法[15]、電流理論等[16]，其中最小累積阻力模型(MCR)可以反映出物種空間運動的潛在趨勢與源地之間的連通關系，在生態廊道識別以及生態安全格局構建工作中被廣泛應用[17-19]。現有的許多研究對象都是生態情況較差的區域，識別出的生態源地所占面積比例也偏小，對于高生態價值的區域生態構建方法較少，且評價指標過于復雜，在可實施性方面存在不足。

瑞金市屬于原中央蘇區振興發展規劃重點紅色城市，森林資源豐富，是南方的重要生態屏障之一。本文以瑞金市為研究區，參考資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價指南中的生態保護重要性評價的方法，結合瑞金市實際情況，確定指標體系與分級閾值，從生態系統保護重要性與生態脆弱性兩方面進行瑞金市生態保護重要性評價。依據評價結果劃分瑞金市生態保護等級，選取生態保護極重要區域作為生態源地，以鄉行政邊界進行修正細分并提取各塊生態源地的生態結點，利用MCR模型識別生態廊道，綜合構建瑞金市生態安全格局。為國土空間規劃大背景下保證瑞金市經濟發展可持續性，優化國土開發格局以及推進城市生態文明建設提供幫助，并給類似區域提供借鑒和參考。

1 研究區及數據來源

1.1 研究區概況

瑞金市屬于贛南區域，地處贛江的東江源頭，貢水的上游。介于東經115°42′—116°22′、北緯25°30′—26°20′，瑞金市國土總面積為2 441.40 km2，其土地利用方式可分為耕地、園地、林地、草地、交通運輸用地、水域、建設用地及其他用地8類，其中建成區面積為29.3 km2；瑞金市森林資源豐富，有林地面積1.87×105km2，森林覆蓋率75.6%。氣候方面，瑞金市屬于亞熱帶季風濕潤型氣候。年平均氣溫18.9 ℃。月平均氣溫最高28.5 ℃，最低7.6 ℃。年平均降雨量1 710 mm。地勢方面，瑞金市東、北、西三面高峻，漸向中、西南方向降低的地勢，構成以象湖鎮為中心的瑞金盆地，屬江西省4大盆地之一。瑞金位于武夷山脈南段西側，地勢周邊高、中部低，最高點海拔1 232.9 m，最低點海拔標高162 m。境內以低山丘陵為主，主要地貌類型有侵蝕中低山區、侵蝕剝蝕丘陵區、溶蝕巖溶區以及河谷堆積階地等。

1.2 數據來源

本研究使用數據主要包括：①土地利用數據，來源于瑞金市自然資源局提供的2017年土地利用現狀數據庫。②遙感影像，來源于地理空間數據云的Landsat 8影像，影像條帶號為121行編號為42，影像獲取時間2017-12-19。③DEM數據，來源于地理空間數據云的GDEMV2 30 m分辨率數字高程數據。④土壤數據，來源于世界土壤數據庫(HWSD)中第二次全國土地調查南京土壤所所提供的1∶100萬土壤數據(HWSD_China_Geo)，數據分辨率為1 km。⑤氣象類型數據，降雨量、氣溫等數據從中國氣象數據網獲得，通過插值生成柵格影像。

2 研究方法

2.1 生態保護重要性評價

參考相關技術指南與現有方法理論[20-23,7,24]，結合瑞金市實際情況，從生態系統服務功能重要性與生態脆弱性兩個方面選取水源涵養重要性、水土保持重要性、生物多樣性重要性、水土流失脆弱性、石漠化脆弱性等5個因素進行單項評價，再將單項評價成果進行集成分析，得到生態保護重要性評價結果，最終將江西省瑞金市生態保護重要性劃分為極重要、重要、一般重要這3個等級。具體指標見表1。

(1) 水源涵養重要性。參照雙評價指南2020年1月版中對水源涵養重要性評價的方法，通過降水量減去蒸散量和地表徑流量得到的水源涵養量，評價生態系統水源涵養功能的相對重要程度。降水量大于蒸散量較多，且地表徑流量相對較小的區域，水源涵養功能重要性較高。一般地，將累積水源涵養量最高的前50%區域確定為水源涵養極重要區。水源涵養計算公式如下[25]：

(1)

式中：Pi為降雨量(mm)； ETi為蒸散發量(mm)；Ai為i類生態系統面積(km2)；i為研究區第i類生態系統類型；j為研究區生態系統類型數；Ri為地表徑流量(mm)，地表徑流量(Ri)=Pi×α。

其中：α為平均地表徑流系數,按地表生態類型計算,具體參數與指南中一致,生態類型通過土地利用數據進行轉換可得。

(2) 水土保持重要性。結合瑞金市實際情況，參照雙評價指南中的指標規定，從坡度、植被覆蓋度、生態系統3個方面評價瑞金市水土保持重要性，將水土保持功能分為極重要區、重要區、一般重要區。具體指標見表2。其中坡度通過DEM計算可得，植被覆蓋度通過提取遙感影像的NDVI值計算獲得，生態系統類型為土地利用現狀圖轉化所得。

表2 瑞金市水土保持功能重要性評估指標與分級

(3) 生物多樣性保護。本文生物多樣性評價采用InVEST模型[26]的Habitat Quality模塊進行計算，此模塊是計算生境質量，利用生境質量的好壞反映生物多樣性的高低，默認生境質量較好的區域具有較高的生物多樣性。生境質量計算公式如下：

(2)

式中：Hj為地類j的生境適宜度;Dxj為地類j中柵格x的生境退化度;k為半飽和常數,即退化度最大值的一半;z為模型默認參數。基于土地利用數據,選取代表人類生產生活的旱地、水田、工礦用地、農村居民點、城鎮用地作為動物遷徙過程中的阻礙因子,其中各參數的設置主要參考InVEST模型用戶手冊和一些專家學者發表的文獻。具體威脅因子數據與生境類型對于威脅因子的敏感性見表3—4所示。將計算出來的結果用自然斷點法分為3個等級。

表3 瑞金市生物多樣性保護威脅因子數據

表4 瑞金市不同生境類型對于威脅因子的敏感性

(4) 水土流失脆弱性。參考生態保護紅線劃定指南(2017)，通過通用水土流失方程[24]對水土流失脆弱性進行計算，公式如下：

(3)

式中：R，K，LS和C分別為降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、地形起伏度因子和植被覆蓋因子。

降雨侵蝕力因子R值的計算方法[27]如下：

(4)

式中：Pi為月均降雨量(mm)。

K值由以下公式計算可得[28]：

K=〔-0.013 83+0.515 75Kepic〕×0.131 7

(5)

Kepic={0.2+0.3exp〔-0.025 6×SAN×

(6)

式中：SAN，SIL，CLA和C分別為土壤中砂粒(0.05～2 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、黏粒(<0.002 mm)和有機碳含量(%);SN1=1-SAN/100;通過土壤數據庫對應中國土壤質地分類表獲得瑞金市土壤質地類型圖即可得相關因子的值。

植被覆蓋度獲取方式與水土保持重要性中相同，通過柵格重分類重新分級賦值可得，地形起伏度LS直接通過DEM進行處理獲得。計算出的結果通過自然斷點法分為3個等級。

(5) 石漠化脆弱性。參照雙評價技術指南2019年6月版，用以下公式可算得瑞金市石漠化脆弱性[26]：

(7)

式中：D，P，C分別為生態系統類型、地形坡度和植被覆蓋的脆弱性分級值,各因子的賦值見表5。

表5 石漠化脆弱性評價因子分級賦值

將最終的脆弱性分值通過自然斷點法劃為3級，分為石漠化極脆弱區(>7.0)、脆弱區(3.1～7.0)及一般脆弱區(<3.0)。

(6) 生態保護重要性評價。不同生態功能之間彼此相互獨立，但結果上為了突出每一項生態功能關于生態安全格局的重要程度，生態保護等級采用最大值法按以下公式進行綜合集成：

[生態保護等級]=

max([生態系統服務功能重要性]，[生態脆弱性])

利用ArcGIS軟件，將生態系統服務功能重要性與生態敏感性評價結果的板塊疊加在一起，將所有評價結果為極重要的區域作為生態保護極重要區，同理進行生態保護重要區與生態保護一般重要區的劃分。

2.2 生態阻力面構建

地形和土地利用類型是生態“源”向外擴散中遭遇阻力的主要來源[29]，由于地表基質特征的不同，生態源地中生態能量擴散受到的阻力也不一樣。本文選取高程、坡度及土地利用類型作為阻力因子。阻力系數反映了生態能量擴散的難易程度，參考和娟等[20]的分級標準，結合瑞金市實際情況，根據生物物種的分布與河流水系對物種遷徙的阻力來設定阻力值。并通過專家打分的方式確定各阻力因子權重。具體阻力值設置見表6。

表6 瑞金市生態阻力值設置

2.3 生態安全格局構建

參考余孔堅的研究，構建生態格局主要步驟包括:生態源地識別、生態阻力面構建、關鍵生態廊道提取。為了完善生態安全格局，方便對研究區各部分生態要素進行空間結構布局優化，提取各源地的核心點作為生態結點，形成研究區點—線—面的生態安全格局。

生態源地是指區域間物種擴散、生態功能流動與傳遞的源點[30]，本文采用最大值法對上述生態系統服務功能重要性及生態敏感性的評價結果進行綜合評價，通過ArcGIS軟件的疊加分析得到生態保護重要性分級區域，將其中極重要的區域作為瑞金市生態源地。

生態結點指的是各個生態源斑塊生態價值中心點，本文考慮到生態安全格局的政策方面的易實現性，以瑞金市內鄉行政邊界作為生態源地的劃分標準，再通過ArcGIS軟件的空間統計工具分別提取各個源地板塊中心點作為生態結點。

生態廊道連接生態源地，是物種空間運動和生態功能流動的載體，是保證區域間生態流、物質流、能量流的關鍵生態用地。將每一個生態結點作為廊道連接中心，根據最小累積阻力模型，通過ArcGIS軟件空間分析工具中的成本距離與成本路徑兩個工具，基于生態阻力面，結合生態源地分布情況，得到一個生態結點到其余生態結點的最佳路徑，即生態廊道，根據瑞金市實際情況進行篩選出最優的生態廊道[31]。

3 結果與分析

3.1 生態保護重要性評價結果

通過上述評價方法得到的生態保護重要性評價結果見圖1，其中生態保護極重要區域面積為1 607 km2，占研究區面積的65.8%；生態保護重要區域面積為734.1 km2，占研究區面積的30%；生態保護一般重要區域為100.3 km2，占研究區面積的4.2%。

圖1 瑞金市生態保護重要性評價結果

從評價結果中可以看出，在人口比較密集的城鎮、農村建設用地等生活空間周邊生態系統功能比較低，生態保護重要性也更低。而遠離人類生活區域的林地等區域生態價值比較高，也更需要被保護。兩者之間是以耕地和園地為主農業生產空間，重要性就要稍低一些。綜上所述，可以得知瑞金市生態建設受人類生活生產影響較大，豐富的森林資源也是瑞金市最核心的生態資產，需要重點保護。

3.2 生態源地識別

根據上述生態保護重要性評價結果，提取面積大于10 km2的生態保護極重要區作為生態源地，考慮到政策易實現性，再以瑞金市內鄉行政界線對生態源地進行修正，共得到13塊源地及其生態結點，總面積1 562.296 km2，占研究區總面積的64%(見圖2)。

圖2 瑞金市生態源地分布特征

3.3 生態廊道識別與生態安全格局構建

通過地形因子與土地利用類型所構成的最小累積阻力面見圖3。通過ArcGIS中的成本距離與成本路徑工具，基于生態源地分布情況與最小累積阻力面，識別瑞金市生態廊道21條，廊道總長度共計875.94 km。

瑞金市生態安全格局主要由生態源地、生態結點和生態廊道3部分組成(圖3)，從結果來看，瑞金市內生態源地比例較高，生態廊道呈“三角網型”的環繞式分布，彼此相互連通。瑞金市生態安全格局可總結為“一網三區”；其中“一網”連結瑞金市生態源地各處的大三角狀生態廊道網，“三區”分別指的是瑞金市南面的拔英鄉、澤覃鄉等6個鄉鎮為主的重點生態功能區，瑞金市東面的以日東鄉、壬田鎮、葉坪鄉為主的東江源頭保護區，瑞金市西北面以瑞林鎮、岡面鄉等6個鄉鎮為主的水源涵養區。

圖3 瑞金市最小累積阻力面及生態安全格局

4 討論與結論

4.1 結 論

(1) 通過生態系統服務重要性評價與生態脆弱性評價確定瑞金市生態保護重要性空間分布情況，識別了瑞金市生態源地面積共1 562.296 km2，占研究區總面積的64%，主要成分是具有高生態價值的林地和水域。

(2) 以行政區界限作為生態源地分區基礎，提取了13塊生態源地并提取源地要素中心作為生態節點。

(3) 通過“源地—廊道”的生態安全格局構建模式，利用最小累積阻力模型生成阻力面，識別出瑞金市生態廊道共計21條，總長度共計875.94 km。廊道與源地相結合形成瑞金市“一網三區”的生態安全格局。

4.2 討 論

(1) 瑞金市作為森林資源豐富的贛南紅色城市，其生態安全在經濟和歷史文化保護上都有著重要意義。本文通過生態保護重要性評價確定瑞金市目前的生態源地分布情況，利用最小累積阻力模型識別生態廊道，兩者結合構建瑞金市生態安全格局。通過構建生態安全格局，可以緩解生態空間與城鎮空間發展的矛盾。推動瑞金市形成生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀，安全和諧和可持續發展的國土空間格局。

(2) 本文考慮到生態安全格局的易實施性，所選取的評價指標在可靠的基礎上，降低了資料獲取和計算難度。通過區域內行政界限的修正細分，也讓生態源地的保護工作更容易落實。但也因此本文提出的評價方法在全面性與綜合性上存在不足之處，在未來的研究中可深入探討。

(3) 綜合上述生態安全格局構建方法，結合瑞金市實際情況，建議瑞金市相關部門以生態文明理念為基礎，按照生態源地分布情況實行分區域責任制。以生態節點和廊道的分布為基礎，選擇合適區域建設生態保護安全格局先行示范區，以此帶動整個瑞金市生態保護格局的構建。