基于土地利用變化的生態廊道識別和建設成本研究
——以南京東郊地區為例

李平星 *，鄒露

1. 中國科學院南京地理與湖泊研究所，江蘇 南京 210008；2. 中國科學院流域地理學重點實驗室，江蘇 南京 210008

土地利用變化，尤其是建設用地的空間擴張，在推動經濟社會發展的同時，也誘發生態空間被占用、生物多樣性降低、景觀破碎化、環境質量下降等諸多生態環境問題（王軍等，2015；梁龍武等，2019；劉強等，2021）。科學評估土地利用變化的生態環境效應、進而針對性提出土地利用優化調控的建議，是生態學、地理學等領域學者研究的熱點。早期研究關注土地利用變化對生物多樣性、種群或群落結構、凈初級生產力、生態系統服務等的影響，近年來，較多關注土地利用變化帶來的景觀豐富度、多樣性、集聚度、均勻度、連通性等的改變（劉世梁等，2018；雷金睿等，2020）。在高度城市化地區，景觀破碎化和連通性下降問題更為突出，針對性地開展生態空間的保護和修復，進而提高生態空間之間的聯系程度，對于促進區域可持續發展意義重大（魏家星等，2019；張啟舜等，2021）。鑒于開展區域整體保護的難度較大，識別生態過程和構建生態廊道，對關鍵生態空間開展保護，成為現實可行的舉措。

生態廊道是指線性或帶狀的景觀單元，具有連接較為孤立和分散的景觀斑塊的功能（Pino et al.，2012；Peng et al.，2017）。保護生物學者利用生物遙測、標記重捕法、大量標記回捕、物種行蹤調查等方法跟蹤生物個體的活動路徑，進而獲得維持特定物種遷移的實際路徑和生物通道（Lechner et al.，2017；葉有華等，2014）。在區域和景觀尺度，研究者常采用模型模擬的方法揭示潛在生態過程，進而確定需要保護的生態廊道，常用模型包括網絡分析、電流分析、水文分析等（Mcrae et al.，2008；王海珍等，2005；梁健超等，2016）。最小累積阻力模型（或稱最小費用距離模型，Minimum Cumulative Resistance，縮寫為 MCR）可以通過累積阻力的大小和變化反映景觀單元間的聯系通道和連接度的差異，近來被廣泛用于生態過程模擬、景觀連接度分析、生態網絡構建等（劉孝富等，2010；潘竟虎等，2015；蒙吉軍等，2016）。MCR模型揭示的最小累積費用路徑即是對生態過程阻力最小的通道，可以作為生態廊道位置確定的依據（富偉等，2009；吳昌廣等，2009；楊志廣等，2018）。

土地利用變化顯著影響生態廊道的位置和連通性，通過用地方式管控和調整來保護生態廊道、維護生態過程受到學者的關注（龍花樓等，2014；彭建等，2017）。已有研究往往在識別生態廊道的基礎上，確定了需要保護的重要生態空間（蘇泳嫻等，2013；潘竟虎等，2015）。但是，城市化地區的生態空間往往被大量占用，保護已有生態空間已經難以維持正常的生態過程，需要對部分建設用地進行調整，進而打通生態過程的障礙（吳未等，2018）。劉壯壯等（2020）在構建“源地-廊道”生態安全格局的基礎上，提出了生態廊道內建設用地減量化的方案。其他學者也進行了類似探索，但少有研究對用地調整和生態廊道建設的成本進行核算，進而從可行性、合理性的角度為廊道建設提供相關建議。

鑒于此，以南京東郊的紫金山-青龍山地區作為案例，借助 MCR模型對潛在生態過程進行模擬分析，揭示兩山之間生態廊道的位置、走向及其變化，解析廊道內的土地利用變化，進而定量評估廊道內用地調整的成本，為解析生態廊道變化原因、確定優選生態廊道、核算廊道建設費用提供參考和建議。

1 研究區概況

南京地處長三角城市群，城區包括鼓樓、玄武、秦淮、建鄴、棲霞、江寧、雨花臺7區。紫金山國家森林公園位于城市中央，是城市綠心和生物庇護所（李明陽等，2011；劉米蘭等，2012；圖1）。由于經濟社會發展迅速，建設用地顯著擴張。遙感解譯數據表明，2015年，建設用地面積約為 826.29 km2，是2000年的1.78倍。受此影響，紫金山與周邊地區的生態過程受到影響，逐漸成為城市內部的“生態孤島”（王玉瑩等，2019）。青龍山位于紫金山以東6 km處，是最近的大型山體和生物多樣性寶庫（劉米蘭等，2012）。為維護紫金山和青龍山的連通性，南京市土地利用規劃、城市規劃等均提出構建生態廊道。但是，區域土地開發需求迫切，麒麟科技城建設、紫東地區開發等給生態空間保護和生態廊道建設帶來挑戰。因此，需要對土地利用變化和建設用地擴張對潛在生態過程的可能影響進行分析，評價其對生態廊道位置和走向的影響，分析生態廊道內的土地利用變化，進而提出生態廊道構建的建議。

圖1 南京城區位置和土地利用Figure 1 Location and land use of urban Nanjing

2 研究方法

2.1 生態過程模擬與生態廊道識別

MCR模型最初被用來模擬物種擴散、遷移過程，并揭示生物通道和其中的關鍵“踏腳石”，但是鑒于生態空間的蔓延過程與生物、尤其是陸生生物的擴散或遷移過程具有較高的相似性，因此也被廣泛用于生態過程模擬、生態廊道識別等（Adriaensen et al.，2003；Li et al.，2020；劉孝富等，2010）。借助ArcGIS軟件中的Cost path模塊，分析得到Least cost path，是具有最小累積阻力的線性路徑或通道，可以作為潛在生態廊道的軸線。其數學表達為：

式中：

M——最小累積阻力值，反映了物種在從源到目的地運動過程中所需耗費的最小代價（Knappen et al.，1992；Yu，1996）；

Dij——物種從源j到景觀單元i的空間距離；

Ri——景觀單元i對某物種運動（或者說生態空間擴張）的阻力系數；

∑——單元i與源j之間穿越所有單元的距離和阻力的累積；

min——被評價的斑塊對于不同的源取累積阻力最小值；

f——最小累積阻力與生態過程的正相關關系，是一個單調遞增函數。

源和阻力表面是關鍵變量。源是指生物多樣性最突出、生態系統服務功能最重要的斑塊，以紫金山和青龍山作為本研究的源。阻力表面反映了景觀單元或土地利用類型對生態過程的阻礙程度，是根據不同土地利用類型的阻力值而設計的。研究認為，土地開發強度越高、人口和經濟集聚度越高的用地，越不適宜于生態過程的進行，阻力值越大；而人為干擾少的用地，對生態過程的阻力較小（Li et al.，2020）。在各類用地的阻力值設定上，劉孝富等（2010）和Li et al.（2015）使用1—5代表不同地類的阻力值，蘇泳嫻等（2013）設定有林地為0、灌木林和水體為10、果園和草地為30、水田為100、旱田為300、建設用地為400、公路為500。Adriaensen et al.（2003）則指出不同地類之間阻力值可以適當放大，以更有效地避免直線型廊道的出現。參考已有成果和專家判斷，并適度放大阻力值范圍，以體現城鎮用地等的阻礙作用，設置阻力值標準如下：有林地、水域，1；灌木林地，5；疏林地、其他林地、草地，10；水田、未利用地，100；旱地，200；獨立工礦、農村居民點，500；城鎮用地，1000。

分別以2000年和2015年土地利用設計阻力表面，進行MCR模型分析，得到兩條最小成本路徑，相應作為2000年廊道和2015年廊道的軸線。以軸線為中心設置一定寬度的緩沖區，得到 2000年和2015年生態廊道。土地利用數據來自中國科學院資源與環境科學數據中心（https://www.resdc.cn/）。

2.2 生態廊道土地利用變化分析

生態廊道的合理寬度因物種而異，當寬度小于1000 m時，廊道內很難形成適宜的生物多樣性棲息地，且1000 m左右的生態廊道已經可以有效避免邊緣效應、滿足生物多樣性保護的需求（Peng et al.，2017；朱強等，2005）。同時，在紫金山、青龍山地區，對生態廊道需求最強的物種為鳥類、小型哺乳動物等，1000 m寬度足以滿足本地物種的需求（劉米蘭等，2012；王玉瑩等，2019）。因此，本文設定廊道最大寬度為1000 m（即軸線兩側各500 m緩沖區），并按照等距離100 m進一步細分為10個等級，從100—1000 m寬，以揭示和比較在等寬度情況下，廊道土地利用變化及其導致的建設費用變化情況。

將上述得到的2000年和2015年生態廊道分別與 2000年和 2015年的土地利用數據進行疊加分析，得到兩個生態廊道在2000年、2015年廊道的土地利用情況。進而將每條生態廊道在兩個年份的土地利用數據進行比較，得到各條廊道及其不同寬度緩沖區 2000—2015年的土地利用變化情況。分析和比較兩條生態廊道的土地利用變化，進而確定哪條生態廊道內生態用地占比更多、土地利用更加穩定，以作為具有更高適宜性的優選生態廊道。由于土地利用變化類型較多，因此對變化類型進行適當歸并，除建設用地進一步細分為城鎮用地、農村居民點和獨立工礦外，其他分別歸為耕地、林地、草地、水域和未利用地。在制圖中，則選擇主要變化類型進行表達。

2.3 生態廊道建設費用估算

生態廊道構建的目標，是將已經被人類開發占用的空間進行生態修復、退還為生態用地。本文試圖對生態廊道建設費用進行定量評價，林地、草地、水域生態適宜性較高，可以維持現狀、不進行調整；需要進行生態修復、退還為生態用地的包括城鎮用地、農村居民點、獨立工礦用地和耕地。生態修復或退還為生態用地所需費用分為兩大類，一是非生態用地退還為生態用地所導致的收益減少，二是非生態用地退出后、需要在其他地方進行相應補充而導致的成本增加。雖然兩類費用都隨著時間推移而發生變化，但是，鑒于本文以2015年土地利用作為依據，故而費用計算以2015年南京市的相關標準作為核算依據。收益減少方面，耕地按照畝均農業生產總值計算，計算生態廊道所在的南京城區的農業總產值、耕地面積，經核算后結果為 4.68×104yuan·hm?2；城鎮用地、獨立工礦等按照建設用地的地均二三產業增加值計算，計算南京城區二三產業增加值和建設用地面積，經核算后結果為 679.35×104yuan·hm?2；農村居民點產業較少，故而暫不考慮其因產業發展受限而導致的收益損失。成本增加方面，耕地參考異地置換的支出，2015年，江寧區生態廊道最長、最具代表性，參考《南京市江寧區征地補償安置辦法》（江寧政規發[2016]4號），按照二級片區的標準，折合后補償標準為 166.65×104yuan·hm?2；城鎮用地考慮異地建設的征地費用，2015年，南京市土地市場網（http://www.landnj.cn/LandBargainInfo.aspx）中，城區經營性用地的平均出讓價格為 15639.78×104yuan·hm?2，因此異地建設的征地費用按此標準進行核算；獨立工礦用地考慮工礦異地建設費用，2015年，南京市土地市場網中，城區工業用地的平均出讓價格約為 803.79×104yuan·hm?2，因此工礦異地建設費用按此標準進行核算；農村居民點退出成本，參考諸培新等（2015）江寧區、棲霞區開展的農村居民點拆遷安置補償和工程預算費用，按照1500×104yuan·hm?2核算。計算 2000 年和 2015 年生態廊道、不同寬度緩沖區內非生態用地退出的收益減少和成本增加，作為生態廊道建設的費用。

3 結果與分析

3.1 阻力表面和MCR模擬分析結果

受土地利用影響，城區周邊阻力值較高，而東部、南部地區阻力值相對較低。其中，山體帶來的低阻力區呈斑塊狀存在，而水系帶來的低阻力區則呈線狀分布（圖2）。與2000年相比，2015年高阻力區明顯擴大，城市東北和東南方向擴大較為明顯。2000年，紫金山和青龍山之間以中、低阻力區為主；到2015年，已有大量高阻力區出現，其原因是區內大量耕地和農村居民點轉變為城鎮和獨立工礦用地。紫金山、青龍山、玄武湖、長江等大型山體或水體保持相對穩定，是低阻力區集中分布的區域。

圖2 南京城區2000年和2015年阻力表面Figure 2 Resistance surface of urban Nanjing in 2000 and 2015

2000年的MCR模擬結果表明，紫金山北部和東部最小累積阻力值較小，而西部和西南部則較大（圖3a）。隨著與紫金山距離增加，低阻力區沿著特定廊道向外延伸，而最南部則出現了較高阻力區的集中分布區。2015年MCR結果與2000年明顯不同，紫金山北部和東部出現高累積阻力區，成為生態過程的顯著障礙（圖3b）。其中紫金山和青龍山之間的高累積阻力區可能對兩山連通性產生影響，阻礙潛在的生態過程。

圖3 南京城區最小累積阻力分析結果Figure 3 MCR analysis results of urban Nanjing in 2000 and 2015

3.2 生態廊道位置與走向

受紫金山與青龍山之間出現的高累積阻力區影響，生態廊道位置和走向顯著改變（圖4）。2000年生態廊道連接了紫金山和青龍山的北端，總體呈東西走向。2015年生態廊道則轉移到南部，呈現先向南、后折向東的走向。

圖4 2000年和2015年紫金山-青龍山生態廊道位置Figure 4 Ecological corridors from Zijin Mt. to Qing Mt.in 2000 and 2015

3.3 生態廊道的土地利用變化與比較

2000年和2015年兩條生態廊道在相同時間點的土地利用結構存在明顯差異。在 2000年，2000年廊道內以林地為主，其次為耕地，而2015年廊道以耕地為主，水域和城鎮用地也較多（圖5）。到2015年，2000年廊道的主導地類轉變為城鎮用地，占比超過53%，其次為林地；2015年廊道也以城鎮用地為主，但其占比也僅為44%，其次為水域。

圖5 2000年和2015年生態廊道的土地利用結構Figure 5 Land use of the ecological corridor in 2000 and 2015

從 2000—2015年土地利用變化看，兩條廊道均表現為耕地、林地、水域和農村居民點大量減少，而城鎮用地大幅增加（表1和表2）。在2000年生態廊道中，耕地減少最多，從1321減少為385 hm2，下降量超過 936 hm2；其次是農村居民點，下降量接近590 hm2；城鎮用地增加最多，從4增長至1969 hm2（表1）。在2015年廊道中，下降最多的耕地減少了513 hm2，明顯低于2000年廊道；林地減少112 hm2，農村居民點減少70 hm2，也顯著少于2000年廊道；城鎮用地從1013增長到1743 hm2，增加730 hm2，但增量明顯低于2000年廊道（表2）。可見，2015年廊道土地利用更加穩定，變動程度較低。

表1 2000年生態廊道土地利用變化矩陣（2000—2015年）Table 1 Matrix of land use changes of the 2000 ecological corridor from 2000 to 2015

表2 2015年生態廊道土地利用變化矩陣（2000—2015年）Table 2 Matrix of land use changes of the 2015 ecological corridor from 2000 to 2015

2000年生態廊道內土地利用變化集中在廊道西段和中段（圖6）。這是南京市仙林大學城所在地，其中西段更加靠近南京城區中心，土地開發需求強烈，導致農村居民點大量轉變為城鎮用地；中段早期以耕地為主，受大學城建設影響，大量耕地轉變為城鎮用地。東段遠離城區，地處與東邊鎮江市交界地區，建設需求不強，用地較為穩定。2015年廊道內，土地利用變化主要發生在廊道中段和南段，均以耕地向城鎮用地的轉變為主，此外還有部分農村居民點向城鎮用地的轉變（圖6）。這里是江寧城區周邊和青龍山生態新城所在地，開發建設條件較好，近年來建設需求強烈，城鎮用地擴張較快。

圖6 生態廊道內變化用地的類型及其空間分布Figure 6 Spatial distribution of land use changes of 2000 and 2015 corridors

3.4 生態廊道建設與土地調整費用

建設用地、耕地等數量越多，土地調整費用越高，生態廊道建設支出越大。從 2000—2015年，2000年生態廊道的總建設費用由 128億元增長至3233億元，而2015年廊道則由1711億元增長至2885億元（表3）。可見，2000年廊道的用地調整費用增長太快，廊道建設的適宜程度遠低于2015年生態廊道。因此，進一步的分析僅聚焦2015年生態廊道。

表3 2000年和2015年兩條生態廊道的總建設費用Table 3 Total cost of building ecological corridors based on land use in 2000 and 2015

2015年生態廊道中，城鎮用地調整費用最高、增長最快，其次為獨立工礦用地，表明城市開發是影響廊道建設費用的主要因素。相反，耕地、農村居民點數量有所減少，建設費用相應下降。此外，建設成本隨著到廊道軸線距離的增加而顯著提高，0—100 m廊道的總成本為59億元，100—200 m廊道的總成本增長至174億元，此后又逐漸增加到200億元和300億元以上（表4）。其中，耕地、農村居民點和獨立工礦用地的成本占比小、總量基本穩定，城鎮用地占比大、調整成本增長明顯，是導致較遠緩沖區的建設成本增長的主要原因。雖然較寬的廊道能更好地維持生態過程，但是建設成本也隨著廊道寬度的增加而急劇增長。在紫金山和青龍山地區，對廊道寬度有較高要求的生物以鳥類和小型陸生哺乳動物為主。已有研究表明，200 m寬的生態廊道既可以滿足這些物種的遷移要求，又可以通過保育植被形成良好生境，足以維持相對完整的生態過程。從建設成本角度，100 m寬廊道的成本最低，僅僅是1000 m寬廊道的2%左右；100—200 m寬度的成本已經明顯增加，達到總成本的6%左右；200—400 m范圍內，寬度每增長100 m，建設成本占比的增加在10%以下；400 m之外，寬度每增長100 m，建設成本占比的增加均超過10%。可見，從費用變化的過程看，100 m和400 m是突變點，其中100 m寬的生態廊道經濟合理性最強。兼顧生物多樣性保護的需求，200 m寬的生態廊道則同時滿足了生態適宜性和經濟合理性的要求。此外，在廊道經過的生態空間面積大、質量高、且開發建設需求不強的地段，可以布局建設面積較大的生態斑塊，形成區域生態過程的“踏腳石”。

表4 2015年生態廊道的建設費用Table 4 Building cost of 2015 ecological corridors

4 討論與結論

4.1 討論

（1）MCR模型作為生態過程模擬和生態安全格局構建的常用模型，已經得到大量學者的認可和應用，本文用于高度城市化地區的生態過程模擬和生態廊道識別，所得結果基本符合案例區生態系統結構和土地利用情況。此外，生態廊道位置、走向變化與土地利用變化直接相關。研究確定的2000年廊道，在2000年耕地、林地占比較大，城鎮用地占比少；到2015年，城鎮用地占據主體，已經難以維持生態過程的進行。到2015年，生態廊道的位置和走向顯著改變，從兩個源的北部轉移到南部，2015年廊道生態用地占比更大、更加穩定，對生態過程阻隔較小。

（2）林地、耕地等生態適宜性較高的地類向建設用地、尤其是高阻力的城鎮用地轉變是導致生態廊道位置和走向發生變化的主要原因。2000年廊道所經區域，早期以耕地、林地為主，但這里區位條件好、開發建設適宜性高，大學城以及住宅區、科技園區等建設導致城鎮用地迅速擴張。2015年廊道主要沿水體、尤其是連續的河道延伸。與近郊耕地和零散分布的林地相比，水體更容易得到保護、空間連續性更高。因此，在建設用地快速擴張的壓力下，2015年廊道更有利于維持潛在的生態過程。

（3）開展必要生態用地重建是構建生態廊道的重要手段，但是土地利用變化影響用地調整的規模和成本，進而導致生態廊道建設成本的變化。對城鎮用地的調整是生態廊道建設成本的主體。2000年廊道的城鎮用地數量大，生態重建費用較大，因此2015年生態廊道的適宜性更高。綜合分析廊道寬度的生態適宜性及其用地調整的成本，200 m寬廊道基本可以滿足案例區生物多樣性保護的需求，且用地調整的成本并未顯著增加、具有較高的經濟合理性。可見，以 2015年生態廊道軸線為中心，構建200 m寬度的生態廊道，在高度城鎮化的南京東郊地區是可行的選擇。

4.2 結論

研究以土地利用及其變化數據為支撐，采用生態過程模擬的方法，揭示了不同時期生態廊道位置和走向的改變，確定了兼具生態適宜性和經濟合理性的生態廊道設計方案，為促進高度城鎮化地區土地利用調控和可持續發展提供了參考。未來需要在開展生物多樣性和生態過程實地調查的基礎上，進一步驗證模擬得到的生態廊道的合理性；同時，對生態廊道建設的成本進行更加全面、更具時效性的分析，以得到更具現實合理性和指導性的分析結果。