基于MSPA-MCR模型的浮梁縣生態安全格局構建研究

陳元慧，雷雨晴 ，邢媛麗 ，趙 明

（1.福建農林大學風景園林與藝術學院，福建 福州 350108；2.閩江學院，福建 福州 350108）

生態安全格局早先定義為生態系統空間格局，由所定區域中關鍵的景觀要素及其空間分布組成[1]，是評判區域生態環境穩定的重要指標。目前我國生態安全格局的構建方法主要有圖論[2]、電路理論[3]、耦合機制[4]、InVEST生境質量模型[5]、最小累積阻力模型[6]等，其中最小累積阻力模型的適用性相對較強，更能清晰反映各類景觀的相互聯系、生態空間特征和格局變化，廣泛應用于區域生態安全格局研究。俞孔堅[7]針對人地關系矛盾首次提出“景觀生態安全格局”概念，明確其識別步驟主要為“源的確定，阻力面建立，緩沖區劃分，源間聯結、輻射道和戰略點提取”，被廣泛應用于國土生態安全格局規劃、生態環境評價及優化等相關領域；彭保發等人[8]運用生態系統服務與生態安全格局的潛在關系，結合人與自然的相互作用，提出基于驅動（Driver）-壓力（Pressure）-狀態（State）-影響（Impact）-響應（Response）的生態安全格局研究框架；翟瑞強等人[9]利用MCR模型構建及優化景觀生態格局，總結出瀏陽市中心城區景觀綠地系統規劃方法。基于相關文獻研究，本文采用形態學空間格局分析（MSPA）和最小累積阻力模型（MCR模型）識別源地、阻力面、廊道、節點，構建浮梁縣生態安全格局，并提出景觀規劃建議，對于保護生態環境、優化城市發展模式、推動城鎮環境與自然環境的可持續發展具有重要意義。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

浮梁縣位于江西省北部，介于東經 117 °01'—117 °42'，北緯 29°09'—29°56'之間[10]，地處浙贛皖交界的“金三角”區域。轄區內雨量充沛，光照充足，氣候溫和，森林覆蓋率高達81.53%，擁有豐富的生物資源、水資源與礦產資源[11]。平原穿插于山地和丘陵之間，地形呈“北高南低”格局。浮梁縣是江西省生態建設發展的核心區域，具有明顯的生態優勢。針對浮梁縣區域建設的持續進步，如何緩解經濟社會和生態環境二者發展的矛盾沖突是目前亟需解決的關鍵問題。

1.2 數據獲取與預處理

本研究的浮梁縣土地利用現狀數據來源于2020年Globeland30柵格數據，分辨率為10m*10m；該研究區的行政邊界數據、DEM數據、水系分布數據、路網數據、居民點分布數據、植被覆蓋度（NDVI）數據均來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn)，空間分辨率為30m*30m。根據行政邊界數據，運用ArcGIS軟件對以上柵格數據進行按掩膜提取等預處理工作，并對DEM數據進行表面分析，獲取坡度和坡向數據。

2 研究方法

2.1 生態源地識別

生態用地指生態要素的空間定位，兼具涵養水源、保護土壤、防風固沙、調節氣候等多重生態功能[12]。在生態保護成效方面，生態源地是維持區域生態系統能夠處于穩定狀態的核心生態用地，識別方法如下：

2.1.1 基于MSPA的景觀格局分析

形態學空間格局分析（MSPA）是采用腐蝕、膨脹、開啟、閉合等數學形態學原理運算、識別與分類柵格數據的圖像處理方法[13,14]。根據浮梁縣土地利用數據，將林地和水域作為前景數據，經過計算得出核心區(Core)、孤島(Islet)、孔隙(Perforation)、邊緣區(Edge)、橋接區(Bridge)、環島區(Loop)、分支(Branch)7 種景觀類型。該方法強調柵格單元的結構性連接，能更好表現斑塊的生態作用，有利于識別生態源地。

2.1.2 景觀連接度評價

景觀連接度最早由Merriam于1984年提出，是指景觀結構特征與物種運動之間的交互作用[15]。目前景觀生態學領域主要采用Taylor等人的景觀連接度定義，認為景觀連接度是景觀影響某種生態過程在源斑塊間的運動程度，反映了同類或異類斑塊的景觀要素在功能和生態過程雙重層面的有機聯系，這種聯系包括物種交流和景觀之間物質與能量的交換和遷移[16-18]，為景觀空間格局分析和生態源地選取提供理論依據和實踐方法。根據相關文獻參考[19]，本文采用可能連通性指數（PC）和斑塊重要性指數（dPC）作為評價指標，以此提取生態源地。計算公式如下：

兩式中n代表斑塊數量；i≠j；P*ij為斑塊i和j之間擴散路徑的最大可能性；ai和aj指斑塊i和斑塊j的面積；A2L為景觀總面積；PCremove代表除生態源地之外的景觀類型的景觀連接度指數。可能連通性指數（PC）取值范圍為[0,1]，PC值和dPC值越大，說明斑塊的連接程度和重要程度越高。根據相關文獻研究[20,21]，在Conefor 2.6軟件中將柵格數據的連通概率設為0.5，距離閾值設為2500m，選擇可能連通性指數（PC）和斑塊重要性指數（dPC）作為評價指標進行景觀連接度分析，最終選取斑塊重要性指數（dPC）≥2的斑塊作為研究區的生態源地。

2.2 阻力面建立

2.2.1 綜合阻力面

阻力面反映生態流在生態功能區之間運行時受到阻力強度的空間分布，是構建生態安全格局的重要依據[22]。本研究選取高程、坡度、坡向、植被覆蓋度、水體、道路、居民點、土地利用類型8項指標作為生態源地擴張的阻力因素，以1、3、5、7、9五個數值進行分級賦值，采用層次分析法確定權重。為確保結果的科學合理，需根據結果計算出最大特征根λmax、一致性指標CI和一致性比率CR。經運算得出λmax=8.9011，由于λmax＞4，則需進行一致性檢驗。根據CI=(λmax-n)/(n-1)可得出，當n=8時，CI=0.1287，并通過RI表查得知RI=1.404。再根據CR=CI/RI可得出CR=0.0917。當CR<0.1時，一致性檢驗合格（表1）。最后運用ArcGIS10.6軟件對單一因子阻力面進行逐一加權疊加計算，得到綜合阻力面。

表1 阻力因子與等級劃分標準Table 1 Resistance factors and grade classification standards

2.2.2 最小累積阻力模型

Knaapen等人將累積阻力可視化，運用最小累積阻力模型計算物種從源出發到目的地的過程中，經過不同景觀單元所耗費的總阻力值，反映出物種運動的趨勢，體現源地之間、源地與景觀基質之間的相互聯系[23]，其公式經演變如下所示：

式中，MCR為最小累積阻力值，Dij表示物種從源地i到源地j經過的單元距離；Ri為源地i對生態過程發生的阻力系數；f表示MCR與生態過程之間的正相關函數關系。運用最小累積阻力模型計算得出研究區的最小累積阻力面，以此作為生態安全格局水平分級根據。

2.3 生態廊道和生態節點提取

生態廊道是指生態環境中不同于兩側基質的狹長地帶[24]，具有連接較為孤立或分散的生態單元的作用的生態系統類型，滿足物種進行擴散、遷移和能量交換的通道。生態節點指生態廊道的交點或轉折點，一般為植被覆蓋、水源涵養、物種保護的關鍵點[25]，生境質量優質，防護能力脆弱。基于最小累積阻力模型（MCR模型），通過Cost distance功能生成每一源地到其他源地的最小累積成本距離，去除重復路徑后得到源地之間的生態廊道。生態節點的確定方法是提取生態廊道之間的交點，刪除重復節點，對于兩生態節點間距離小于1 km的鄰近點，則保留所在生態廊道較長的節點[25]。

3 結果與分析

3.1 源地識別結果

3.1.1 MSPA分析

本研究以林地和水域作為前景數據進行MSPA分析，得到浮梁縣MSPA景觀類型分布情況（如圖1）和MSPA景觀要素分類統計結果（如表2）。

表2 浮梁縣MSPA景觀要素分類統計Table 2 Classification statistics of MSPA landscape elements in Fuliang County

圖1 浮梁縣MSPA景觀類型分布圖Figure 1 Distribution of MSPA landscape types in Fuliang County

由此可見，核心區面積約為219634.47 hm2，約占總面積的77.04%，主要分布在西北區域和東南區域，表明浮梁縣生態資源豐富，可提供較大面積的棲息地，為物種生存、物質交換、能量流動提供有力條件。分支面積約為445.77 hm2，約占總面積的0.16%，起到景觀連接作用。橋接區和環島區的總面積僅有150.21 hm2，表明斑塊之間的內外聯系極為薄弱，物種的擴散與發展受到較大限制。孔隙和邊緣區的總面積約為15399.99 hm2，約占總面積的5.40%，主要集中于耕地和水系周圍，表明生境斑塊的群落結構較為復雜，具有一定邊緣效應，這些區域的生態效益和環境保護功能一般較弱。孤島面積僅有27.90 hm2，說明生境完整性和連通性較強，孤立、破碎的自然斑塊較少。

3.1.2 景觀連接度評價與生態源地確定

根據可能連通性指數（PC）和斑塊重要性指數（dPC）運算結果，選擇斑塊重要性指數（dPC）≥2的核心區生境斑塊作為生態源地，共識別出7塊生態源地（如圖2），作為衡量生態空間生態保護成效的重要指標。總面積約為96343.45 hm2，約占研究區總面積的33.79%，西北部分主要為西湖鄉、經公橋鎮、黃壇鄉以及蛟潭鎮的局部區域；東部主要為興田鄉、瑤里鎮、鵝湖鎮以及莊灣鄉、湘湖鎮的局部區域。這些區域斑塊面積大且完整，森林覆蓋率高，物種豐度大，生態資源豐富，具有較高的生態服務價值。

圖2 浮梁縣生態源地分布圖Figure 2 Distribution of ecological sources in Fuliang County

3.2 阻力面建立結果

3.2.1 單因子阻力面

依據上述阻力因子等級劃分標準，重分類得到各單因子阻力面（如圖3）。

從圖3可看出，海拔較高、坡度較大的高山區域地形復雜，空氣稀薄，不適宜物種生存，生態阻力值較高。東部和西北部區域植被覆蓋度較高。水系沿岸區域阻力影響較小。道路分布密集，較大程度影響生態環境的完整性和連續性。居民點主要集中于南部和東北部，南部更為密集的區域阻力影響大。耕地和建設用地集中分布于南部，生態阻力值較高。

圖3 浮梁縣各單因子阻力面Figure 3 Each single factor resistance surface in Fuliang county

3.2.2 綜合阻力面與最小累積阻力面

運用ArcGIS10.6軟件將各因子阻力面和源地斑塊數據計算得到綜合阻力面與最小累積阻力面 （如圖4）。整體生態阻力值偏低，綜合阻力值高的區域呈網狀分布，主要集中于建設用地、耕地和水系沿岸區域。這些區域人為開發建設活動頻繁，生態環境遭到破壞，生態安全存在較大威脅和阻力。從最小累積阻力面中可看出，南部的耕地和建設用地對生態流的擴散有著嚴重阻礙影響。城鎮化建設較為密集，城市綠地分布較少，生態環境質量一般。因此應著重發展城市綠地系統的優化建設，提高綠地率，并合理規劃水環境，提升南部城鎮區域及水系沿岸區域的生態安全水平。

圖4 浮梁縣生態阻力面建立結果Figure 4 Establishment results of ecological resistance surface in Fuliang county

3.3 廊道與節點提取結果

以上述7塊生態源地作為成本源，綜合阻力面作為成本面，利用空間分析工具識別浮梁縣的生態廊道與生態節點，共提取出23條生態廊道，廊道總面積為8166.96 hm2，生態節點47處，從而生成浮梁縣生態網絡（如圖5）。

圖5 浮梁縣生態網絡Figure 5 Ecological network in Fuliang county

從空間分布來看，生態廊道集中在中部區域。從景觀組成類型來看（如表3），轄區內林地分布廣泛，具有提供生產資源和建立生態屏障的重要作用，在生態廊道中面積約為7480.44 hm2，占比約為91.59%。耕地與草地一定程度上促進生態系統的能量流動與物質轉換，在生態廊道中面積約為613.08 hm2，占比約為7.51%。但南部耕地和建設用地密集區域基本無廊道分布，說明密集化城鎮建設與人口活動對生態過程的阻礙影響較為嚴重。因此在未來生態環境發展過程中，應針對性退耕還林，合理增加城市綠地建設，緩解城鎮與耕地的生態空間緊張與環境質量低下的問題，從而促進生態廊道的形成，增強生態環境的連通性。

表3 生態廊道景觀組成類型統計Table 3 Statistics of ecological corridor landscape com position types

3.4 生態安全格局構建

本研究基于“源地-阻力-廊道-節點”的生態安全模式，結合最小累積阻力面建立結果，將低阻力值區域和生態源地劃分為高生態安全格局，較低、中、較高、高阻力值區域分別劃為較高、中、較低、低生態安全格局（如圖6）。

圖6 浮梁縣生態安全格局Figure 6 Ecological security pattern in Fuliang county

距離源地越近，生態安全水平越高。高生態安全格局面積最大，約占浮梁縣總面積的48.63%，生態服務價值較高，具有維持區域生態系統穩定的重要作用，為生態核心區，應禁止任何城鎮開發建設行為。較高水平緩沖區約占21.22%，為生態緩沖區，應嚴格限制城鎮擴張和其他人為建設活動，以植被保護和優化為主，強化其消除污染、凈化環境、緩解生態影響的重要作用。低、較低及中水平緩沖區約占30.15%，用地類型以建設用地和耕地為主，為綠色發展區，應在不影響生態安全和生態環境質量的前提下，合理確定開發模式、擴張范圍和開發強度，實現綠色建設。

4 結論與討論

綜合形態學空間格局分析（MSPA）和景觀連接度評價結果，共識別出7塊生態源地，主要分布在浮梁縣的西北部和東部的林地區域，為黃山余脈生態保護區和天目山余脈生態保護區，斑塊面積較大，森林覆蓋面積較廣，生態空間富足，生態功能完善，生境質量高，生物多樣性強。浮梁縣整體生態阻力值偏低，建設用地、耕地以及水系沿岸區域阻力值較高，需重視城鎮環境及水環境的生態保護與修復。基于MCR模型識別出23條生態廊道，47處生態節點，廊道用地類型以林地為主，生態系統較為穩定，但南部斑塊連通性較差，需優化并串聯生態空間，增強廊道與斑塊的連通性。

根據“源地-阻力-廊道-節點”模式合理構建浮梁縣的生態安全格局，結合源地與生態阻力的綜合分析而分為低、較低、中、較高、高五個等級，歸類于生態核心區、生態緩沖區、綠色發展區，并提出相應的保護建議及開發措施。

生態核心區：首要責任就是堅持環境為先原則，堅持保護生態環境就是創造價值的原則。在組織與管理層面，應制定森林保護規定，加強林業管理機制建設，實施林業生態工程計劃，禁止毀林開荒、亂砍亂伐，鼓勵封山育林，注重病蟲害防治；在開發與利用層面，應嚴格采伐，合理有限地開展林業研究，禁止過度開發天然林資源，維持生境質量與生態平衡，并加強瑤里古鎮風景區、汪胡生態游覽區、高嶺國家礦山公園的保護與優化建設；在環境教育層面，應加大線上線下環境教育宣傳力度，改變民眾“靠山吃山”的落后思想，強化環境保護意識。

生態緩沖區：生態緩沖區作為城鎮與生態源地、高生態安全區域的緩沖交界地帶，在水環境治理方面，應推廣“兩山銀行”與“濕地銀行”的建設準則，推動昌江生態廊道及百里風光帶、玉田湖國家濕地公園、西河沿岸生態修復工程的改造與提升，提高水質及水源涵養功能，維持生物多樣性；在生態隔離帶建設方面，應實施防護林帶建設，建立生態屏障與森林生態廊道，加強生態源地保護，提高斑塊之間的聯系，促進人與自然和諧發展。

綠色發展區：應營造農田防護林，立足生態產業優勢，重點發展綠色有機農業及碳匯林，提升“浮梁茶”、“邊草綠有機米”等特色品牌質量與知名度；對于土地條件嚴重惡化的區域實施退耕還林，減少水土流失，維持經濟效益與生態效益的平衡。推進城市公園綠地、道路綠地、居住區綠地及防護綠地等建設，加強三賢湖省級濕地公園與古縣衙風景區的保護與優化建設，提高城市綠地率和綠化率，完善城市綠地系統，緩解生態壓力；遵循適地適樹原則，使用鄉土植物，營造季相景觀，優化人居環境；加強西湖鄉、王港鄉、蛟潭鎮、瑤里鎮、勒功鄉的美麗鄉村建設，融入特色風土人情，促進人居環境的可持續發展。推動農業、產業與旅游業的協同發展，聯系瓷文化、茶文化、理學文化、古村落文化、紅色文化等，構建生態文明教育基地和文化旅游點，加大生態文化宣傳。提倡綠色社區、綠色建筑、綠色消費與綠色出行，促進綠色發展。

本研究采用形態學空間格局分析（MSPA）和景觀連接度評價方法進行源地識別，僅從景觀類型及其分布情況考量生態用地的重要性，存在一定的局限性。維護區域生態安全是國家生態可持續發展的重要任務，受到生物多樣性、水源涵養、水土保持、生態用地類型、生態服務價值等多種因素的影響。在構建生態安全格局時，還需多維度分析生態環境特性與發展現狀，從而更為科學性地分析區域環境的生態源地、廊道與節點，更全面性評價與維護區域環境的生態安全。