寶塔區生態安全格局構建與國土空間生態修復策略研究

石 坤

(長安大學土地工程學院，陜西 西安 710054)

19世紀末，“生態學”(Ecology)一詞由德國海克爾提出，生態學研究隨之興起。然而，隨著生態環境的不斷惡化，生態學早已超脫傳統生態學的研究領域，并推動了生態修復理論與實踐的發展。20世紀初，歐美國家最早進入工業時代，煤礦的過度開采、地下水的過度開采“日益盛行”，帶來經濟的快速增長，但同時環境惡化問題層出不窮，主要就是植被被嚴重破壞，因此，起初的生態修復工作主要集中于植被的修復上。隨著社會經濟加速發展，生態系統日益退化及被破壞等生態問題比比皆是，該方面的研究受到國內外學者的高度重視[1]。在廣義上，生態修復有著更廣泛而深刻的內涵，包括保護生態系統和提升生態系統服務能力[2]。從廣義上看，生態修復分為自然修復和人工重建2種，其中自然修復是指在生態科學指引下，不依賴人為干預或將人為干預降到最小化，從而保護現存且完備的生態系統，達到生態修復的目標；人工重建是指在人為活動引導下，依靠人工輔助修復或人工措施重構已經被破壞的生態系統，達到生態修復的目標[3]。本文基于生態安全格局的研究方法，選取延安市寶塔區為研究區域，通過確定寶塔區生態源地、建立寶塔區生態阻力面、提取寶塔區生態廊道、識別寶塔區生態節點，確定寶塔區國土空間生態安全格局，明確寶塔區國土空間生態修復關鍵且重點區域，并提出對應的生態修復策略，為縣域國土空間生態恢復工作提供重要參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

延安市寶塔區坐落在陜西省北部，位于黃河中游、黃土高原中部丘陵溝壑區，境內黃土梁、峁基本連續分布，是黃土高原典型區域之一。寶塔區東邊毗鄰延長縣，西面緊挨安塞縣，南部與甘泉縣、宜川縣和富縣接壤，北臨子長市和延川縣。全區下轄9鎮4鄉，5個街道辦，320個行政村和50多個城鄉社區，是延安市政治、經濟、文化中心。

1.2 數據來源

本文所采用數據包括土地利用數據(https://www.resdc.cn/)；NDVI數據和DEM數據(http://www.gscloud.cn/)；第三次全國國土調查數據(延安市自然資源局)等。

2 研究方法

2.1 生態源地識別方法

生態源地是指生態功能相對穩定的斑塊，在生態系統中具有重要意義[4]。本文選用形態學空間格局分析(MSPA)確定寶塔區生態源地。形態學空間格局分析(MSPA)的概念是由Vogt[5，6]等提出的，主要是基于數學形態學原理，進行度量、識別和分割柵格數據的空間格局，并將景觀類型與結構進行分辨。MSPA分析將生態要素分割為7種要素：核心區(Corearea)、孔隙(Perforation)、環島(Loop)、橋接區(Bridge)、支線(Branch)、孤島(Islet)、邊緣區(Edge)。MSPA所用基礎數據是土地利用數據，并選取某一土地利用類型作為前景，其他土地利用類型作為背景，導入GuidosToolbox2.8軟件進行參數設置，得到7類景觀類型。

2.2 生態阻力面構建方法

生態阻力是指生態源地之間由于物種會進行物質及能量的交換，但是在受到自然界或人為活動的影響時，這種交換過程會受到一定影響，這些影響集聚在一起就會形成生態阻力面，能夠通過ArcGIS工具模擬得到。而生態阻力面的構建離不開生態阻力因子的選擇，根據寶塔區自然環境本底特征、社會經濟發展情況和以往學者相關研究，本文選取6項生態阻力因子，分別為土地利用類型、高程、坡度、植被覆蓋度、距道路距離、距農村居民點距離，構成生態阻力面，并建立綜合阻力面。在參考相關研究成果的同時結合寶塔區實際狀況，將各阻力因子分為5個級別，并賦予10、30、50、70、90 5種大小不同的阻力值。

2.2.1 土地利用類型

本文在ArcGIS軟件中，將寶塔區2020年土地利用數據進行重分類，分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地共6類，然而各土地利用類型的阻力水平的高低決定了土地利用類型的阻力值，阻力水平的高低由生態擴張阻力來體現。因此，通過分析寶塔區土地利用現狀，將寶塔區建設用地和未利用地分別賦予阻力級別，最終得到5個級別，并賦予水域(10)、草地(30)、林地(50)、耕地(70)、建設用地和未利用地(90)5種大小不同的阻力值。

2.2.2 高程

物種遷徙過程中會受到高程的影響，顯然經過高海拔地區時，生物移動所受到的阻力就會較大，反之，低海拔區就會受到較小的阻力。寶塔區黃土高原典型區域之一，海拔最大差值達700m，最小值達815m。因此，本文在相關研究經驗的基礎上，結合寶塔區地形特點，將高程分為≤900m、900～1050m、1050～1200m、1200～1350m和>1350m 5個級別，并賦予10、30、50、70、90 5種大小不同的阻力值。

2.2.3 坡度

一般來說，坡度越大，物種遷徙遇到的阻礙就越大。根據寶塔區DEM數據，運用ArcGIS軟件計算提取坡度，結果表明，寶塔區坡度區間在0°～71.0°，坡度在25°以上面積占比為11.51%；坡度在15°～25°面積占比為39.86%；坡度在8°～15°面積占比為31.30%；坡度在3°～8°面積占比為14.30%；坡度小于3°面積占比為3.03%。在參考有關研究的基礎上，將坡度分為≤3°、3°～8°、8°～15°、15°～25°和>25°5個區間，分別賦予10、30、50、70、90 5種阻力值。

2.2.4 植被覆蓋度

相關研究表明，植被覆蓋度越高的地方受到的人為干擾就會較少，生境質量就會較高，物種遷徙的阻力就會越小。本文采用歸一化植被指數(NDVI)來表示區域內植被覆蓋度情況。將2020年寶塔區NDVI數據進行預處理，運用ENVI5.3對數據進行預處理，運用像元二分模型計算植被覆蓋度，其區間為0～1，將植被覆蓋度分為≤0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、>0.8 5個區間，分別賦予90、70、50、30、10 5種阻力值。

2.2.5 距道路距離

道路是線性基礎設施，由于其連續性及不可分割性，導致生態系統被分割為多個部分。因此，物種遷徙時距離道路越近，其流動成本越高，受到干擾越大。本文基于ArcGIS工具，以200m、400m、600m、800m為閾值對道路建立多環緩沖區，對生成的緩沖區分別賦予90、70、50、30、10 5種阻力值。

2.2.6 距農村居民點距離

農村居民點內的人類活動較頻繁，會對生態系統產生一定負面影響，離農村居民點越近，生態阻力就越大，反之，離農村居民點越遠，生態阻力就越小。本文以200m、500m、1000m、1500m為閾值對農村居民點建立多環緩沖區，對生成的緩沖區分別賦予90、70、50、30、10 5種阻力值。

國內外學者經常采用層次分析法來確定生態阻力因子權重，因此，本文采用了最常用的層次分析法確定權重，各阻力因子阻力值及權重如表1所示。

表1 生態阻力因子評價體系表

2.3 生態廊道識別方法

生態廊道是指不同于周圍景觀機制的線狀或帶狀景觀元素，是生態修復中改善連通性的關鍵[7]。目前，在生態廊道識別方法中，最小累積阻力模型(MCR)可視化效果明顯且直觀、所需數據較為簡單，因此本文基于MCR識別生態廊道。物種從一個“生態源地”到達另一個“生態源地”的過程中需要克服的阻力，該阻力可以通過MCR模型進行計算，其具體表達式：

式中，MCR是生態源地到目的地的最小累積阻力；fmin表示待定單調遞增系數；Dij為從生態源地j到某景觀單元i的空間距離；Ri為區域某景觀單元i對運動過程的阻力系數。

2.4 生態節點識別方法

生態節點是指對生態保護具有重要作用的區域，同時承載著重要的連通性功能[8]。目前，本文選取較多學者使用的能夠明確生態節點規模的電路理論。在電路理論模型中，景觀被比作導電表面，由于景觀的不同，導電表面之間就會有所差異，所以物種在景觀之間流動時就會產生差異，把促進流動的景觀稱為低阻力，反之，阻礙流動的景觀稱為高阻力，公式：

I=V/Reff

式中，I是通過導體的電流；V是跨導體測量的電壓；Reff是導體的有效電阻。

3 結果與分析

3.1 生態源地識別結果與分析

基于ArcGIS平臺將2020年寶塔區土地利用數據進行預處理，選取寶塔區林地(有林地、灌木林、疏林地、其他林地)作為前景(foreground)，其他的用地類型是背景(back-ground)，將轉出格式為TIFF的二值柵格數據文件；基于GT2.8軟件，設置FGConn參數為8，EdgeWidth參數、Transtion參數以及Intext參數均設置為1，進行MSPA分析，得到7類景觀類型，導出為TIFF格式的柵格數據。在ArcGIS平臺選取值為17或117的核心區，進行柵格轉面，并剔除面積<1000hm2的破碎圖斑，得到2020年寶塔區生態源地，如圖1所示。

圖1 寶塔區綜合生態源地、生態廊道、生態節點及生態安全格局構建分布圖

寶塔區生態源地主要集中于中部及南部，北部生態源地較破碎，因為寶塔區北部交通情況較好，農村居民點較密集，人為活動干擾就較大，導致其植被覆蓋率低，識別出來的生態源地就較零散，而寶塔區中部及南部大多處于自然保護區范圍內，其生態系統較完備，植被覆蓋率較高，人為活動干擾較小，所以生態源地較集中。

3.2 生態阻力面構建結果與分析

根據表1,所確定的各生態阻力因子阻力值及其權重，運用ArcGIS 10.3軟件得到各阻力因子的生態單因子阻力面，然后使用柵格計算器將各因子阻力面依據權重進行疊加運算，得到最終的生態綜合生態阻力面。圖2為單因子阻力面和綜合阻力面分布圖。

根據圖2，寶塔區生態綜合阻力值介于21.75～80.06，阻力高值區分布在寶塔區北部，但聚集現象不明顯。該地區建設用地及未利用地居多，海拔及坡度較低，適合人類居住，因此該區域交通比較發達，人類活動居多，人為干擾也比較大，致使植被覆蓋度較低。阻力低值區主要分布在寶塔區南部，該區域分布有較大面積的自然保護地，植被覆蓋率高，人類活動少，因此對物種遷徙阻力較小。

圖2 寶塔區單因子阻力面和綜合阻力面分布圖

3.3 生態廊道識別結果與分析

利用ArcGIS 10.3成本距離及成本回溯鏈接分析工具，選取生態源地較聚集區域作為生態源地，經分析共選取8個一級生態源點。以每個生態源點為起點，其余生態源點作為目的地，基于ArcGIS 10.3成本路徑工具生成各個生態源點到目的地的生態廊道，剔除重復路徑后，最終得到寶塔區潛在生態廊道14條，廊道分布情況如圖1所示。

3.4 生態節點識別結果與分析

本文在Pinchpoint Mapper工具的基礎上，采用“all to one”模式進行生態節點識別，并與綜合阻力面疊加分析。經分析可知，生態節點處于物種遷徙過程中不易受到阻礙的區域，是生態廊道之間連通的重要區域，因此，對生態節點的保護與管理至關重要，是生態系統完整及穩定的因素之一。寶塔區共識別生態節點10處，分布情況如圖1所示。

3.5 生態安全網絡構建結果

寶塔區生態安全格局是由源地—廊道—節點構成。通過分析，本文共識別出生態源地8處，潛在生態廊道14條，生態節點10處。寶塔區生態安全網絡最終構建結果如圖1所示。

4 寶塔區國土空間生態修復策略

根據寶塔區生態安全網絡構建結果進行分析，目前寶塔區生態源地比較分散，破碎化程度嚴重，主要分布于寶塔區中部及南部，為了使生態源地最大程度發揮其生態輻射效益，其生態保護修復策略應為對靠近農村居民點的生態源地周圍設置生態防護林帶，減少人為活動對其的影響，其余生態源地保持生態服務功能不降低、破碎度不提高、生物多樣性不受損。寶塔區生態廊道能夠有效解決寶塔區生態源地破碎化程度加劇導致生態系統連接度下降的問題，其生態保護修復策略應為進行高標準農田建設，完善該區域內溝渠、林網等農田生態基礎設施，建設農業生態產業園，提高農田的生態與經濟價值；進行生態造林，將破碎林地斑塊連成一個整體，同時提高林地的郁閉度，降低噪聲對生物影響。寶塔區生態節點可以增加區域內生態源地之間的連通性，其生態保護修復策略應為建設用地周邊生態節點應嚴格控制其周邊建設用地擴張速度；采礦用地周邊生態節點應嚴格管控采礦范圍；道路附近生態節點應加強道路兩側防護林建設，定期進行維護。