基于生態系統服務重要性和生態敏感性的武漢市生態安全格局評價

方臣，匡華，賈琦琪，陳曦，朱正勇，葉琴

1.湖北省地質調查院

2.武漢大學資源與環境科學學院

近年來，隨著我國城市化進程的不斷推進，經濟的快速發展與資源、環境之間的矛盾越來越嚴重，生態安全已成為制約城市可持續發展的首要問題。黨的十八大提出了生態文明建設，多次強調要建設生態文明、維護生態安全[1]。城市生態安全是指生態環境和生態系統服務功能是否能夠保障人類正常生活、身體健康和社會經濟可持續發展[2]。生態安全格局研究是在景觀生態學的基礎上發展起來的，國內外已有大量學者開展生態格局的形成演變機制、構建優化、安全預測和調控管理等研究[3]，取得了豐碩成果。通過構建合理的生態安全格局，可以加強對生態環境的保護，實現區域自然資源的可持續利用，推動城市高質量發展。早期學者主要圍繞生物多樣性[4]、生態系統服務價值[5]等單一目標進行生態安全格局構建研究。隨著對自然資源生態環境認識的加深，基于多目標的生態安全格局構建[6]方法研究越來越多，目前主流的方法是構建識別生態源地—提取生態廊道—判別生態節點的格局體系[7]。如李國煜等[8]利用最小累積阻力模型，建立了福建省福清市源地—廊道的生態安全格局，為該地區的城鄉總體規劃提供了生態依據；周汝波等[9]以粵港澳大灣區4種典型生態系統服務指標參數，通過InVEST模型構建了一個多要素、系統完整的生態安全空間。生態源地的識別是生態安全格局體系的重要基礎，高夢雯等[10]從生態系統服務重要性和生態環境敏感性2個層面，選取生物多樣性、水源涵養、水土保持、水土流失、石漠化5個指標來識別生態源地。通過對反映區域特點的多個生態指標的綜合評價來識別生態源地，可提高生態安全格局構建的客觀性和科學性。

武漢市是我國中部地區的特大型城市，水資源豐富，湖泊、河流眾多。近10多年來，武漢市社會經濟飛速發展，城市建設用地急速擴張，自然資源受到越來越嚴重的威脅，導致生態環境質量下降，其治理引起社會的共同關注。筆者結合武漢市區域生態環境特點，以水源涵養、水土保持、固碳釋氧、洪水調蓄、生物多樣性5種評價因子開展生態系統服務重要性評價，以地質災害、土壤質量、水土流失和地表水環境質量4種評價因子開展生態敏感性評價，建立生態系統服務重要性—生態敏感性綜合指標體系，基于GIS空間分析技術識別武漢市生態源地，從土地利用、地形、人類活動和植被覆蓋4個方面構建生態阻面，通過最小累積阻力模型提取生態廊道，判別生態節點，構建武漢市生態安全格局，為促進區域土地利用結構優化，保障生態安全，提升生態服務質量提供科學依據與技術支撐。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

武漢市（113°41′E～115°05′E，29°58′N～31°22′N）位于湖北省東部、長江與漢江交匯處，地處江漢平原東部、長江中游，長江及漢江橫貫市境中央，將武漢中心城區一分為三，全市下轄13個市轄區（圖1）。武漢市江河縱橫、湖泊眾多，水域面積約占全市總面積的1/4。地貌屬鄂東南丘陵經江漢平原東緣向大別山南麓低山丘陵過渡地區，中間低平，南北丘陵、崗壟環抱，北部低山林立。全市低山、丘陵、壟崗平原與平坦平原的面積分別占土地總面積的5.8%、12.3%、42.6%和39.3%，海拔高度為19.2～873.7 m，大部分在50 m以下。武漢市屬北亞熱帶季風性（濕潤）氣候，具有常年雨量豐沛、熱量充足、雨熱同季、光熱同季、冬冷夏熱、四季分明等特點。

圖 1 武漢市行政區劃和土地利用現狀Fig.1 Present situation of administrative division and land use in Wuhan City

1.2 數據來源

本研究數據主要包括遙感影像、土地利用、歸一化植被指數（NDVI）、氣象、地形、土壤、地質等多源數據，其中土地利用數據由2018年Landsat 8遙感影像解譯得到，地形數據為30 m空間分辨率的數字高程（DEM）數據，NDVI數據為MODIS13Q1產品生成，以上數據均來自地理空間數據云網站（http://www.gscloud.cn/）；氣象數據包括降水量、氣溫、日照時數的氣象站點數據，以及蒸散發量的柵格數據，主要用來計算水源涵養功能和植被凈初級生產力，數據來自中國氣象數據網站（https://data.cma.cn/）；土壤數據主要包括2015年土壤質地、重金屬污染數據，交通數據包括2018年道路網、地鐵站點和高速路口等，地表水環境質量和地質災害數據用來評估生態敏感性，湖庫庫容數據用來評估洪水調蓄功能重要性，均從當地自然資源管理部門獲取。

1.3 研究方法

1.3.1 生態源地識別

生態源地是生態空間中對區域生態安全有重要意義，具有提供生態系統服務、阻礙生態系統退化及具有輻射功能的特殊斑塊。綜合生態系統服務重要性和生態敏感性評價結果，選取重要區域作為生態源地。

1.3.1.1 生態系統服務重要性評價

武漢市地理位置特殊、氣候條件與土壤環境孕育了其獨特的生態系統。因此，基于已有研究成果，結合武漢市的主體功能定位和自然環境與社會經濟狀況，主要選取水源涵養、水土保持、固碳釋氧、洪水調蓄、生物多樣性5類生態系統服務功能建立評價模型，對5類生態系統服務進行重要性評價，最后采用多因子加權求和模型[11]對生態系統綜合服務功能重要性進行分析和評價。

（1）水源涵養

水源涵養是生態系統（如森林、草地等）通過其特有的結構與水相互作用，對降水進行截留、滲透、蓄積，并通過蒸散發實現對水流、水循環的調控。根據水量平衡原理構建水量平衡方程，方程中各收入項、支出項和蓄水變量隨地區不同而不同，水源的主要來源是降水，而輸出的方向主要是地表徑流和蒸發等。采用水量平衡方程[12]計算陸地水源涵養功能，計算公式為：

式中： T Q 為總水源涵養量，m3；Pi為i類生態系統多年平均降水量，mm；Ri為i類生態系統多年平均地表徑流量，mm； E Ti為i類生態系統蒸散發量，mm；Ai為i類 生態系統面積，km2；j為生態系統類型的數量。其中，Ri=Pi×α，α為地表徑流系數，不同生態系統類型的地表徑流系數不同，一般來說，植被覆蓋越高的地方，地表徑流系數越小。

（2）水土保持

水土保持是生態系統通過其結構與過程減少由于水蝕所導致的土壤侵蝕的作用。采用RUSLE方程的水土保持服務模型[13]估算生態系統水土保持功能。計算公式如下：

式中： S C 為土壤保持量，t/(hm2·a)； A p為潛在土壤侵蝕 量 ，t/(hm2·a)； A r為 實 際 土 壤 侵 蝕 量 ，t/(hm2·a)。R為降水侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a）；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm）；L、S為地形因子（L為坡長因子，S為坡度因子），m；C為植被覆蓋因子；P為水土保持措施因子。

（3）固碳釋氧

固碳釋氧功能包括固碳和釋氧能力[14]，由于植被凈初級生產力（NPP）與碳吸收具有顯著的線性相關關系，因此，采用NPP來表征固碳釋氧功能。NPP估算模型[15]如下：

式中：APAR(x，t)為像元x在t月吸收的光合有效輻射，gC/(m2·月)；ε(x，t)為像元x在t月的實際光能利用率，gC/MJ。

（4）洪水調蓄

暴雨洪澇是武漢市常見的自然災害，湖泊和水庫在降低洪水危害、保障區域防洪安全方面共同發揮著重要作用，洪水調蓄評估模型包括湖泊調蓄能力和水庫調蓄能力評估。針對武漢市境內面積大于1 km2的湖泊進行湖泊洪水調蓄能力分析，其估算公式如下[16]:

式中：Cr為湖泊可調蓄水量，m3；LK為湖泊水面面積，m2。

武漢市的大中型水庫調蓄能力評估公式如下[16]：

式中：Cf為水庫防洪庫容，104m3；Co為水庫總庫容，104m3。根據水庫總庫容推算水庫防洪庫容，進而對水庫洪水調蓄能力進行評估。

（5）生物多樣性

生境維持重要性評價常用來反映區域生物多樣性，因此使用InVEST模型評估生境維持重要性[17]，公式如下：

式中：Qab為生境類型b中a柵格的生境質量指數；Hb為生境類型b的生境適宜度，取值為[0，1]；k為半飽和常數，取最大生境退化度的1/2；z為歸一化常量，通常設為2.5。

1.3.1.2 生態敏感性評價

生態敏感性指生態系統對人類活動干擾和自然環境變化的反應程度，表明區域生態環境問題發生的難易程度和可能性。針對武漢市特殊的地理位置與自然人文環境，選定地質災害、土壤質量、水土流失和地表水環境質量4個方面，通過對單一生態敏感性進行多項加權求和來評價區域的綜合生態敏感性。其中水土流失通過通用土壤流失方程[13]計算得到。由于無法比較哪種服務對總體貢獻最大，為了保持研究結果的中立性，默認4種生態敏感性指數的權重相同。利用ArcGIS軟件對生態敏感性各項指標圖層進行空間疊加分析，得到武漢市綜合生態敏感分布圖。

1.3.2 阻力面構建

阻力面構建是生態廊道提取的核心，它反映的是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[18]。參照文獻[19-20]，從土地利用類型、地形、人類活動和植被覆蓋4個方面構建生態阻力的評價指標體系，其中土地利用類型分為林地、草地、耕地、水域、未利用地、城鎮建設用地、農村居民點、工礦用地、高速公路、普通公路，地形分為高程和坡度2個指標，人類活動分為與道路距離、與水體距離、與居民點距離、興趣點4個指標，植被覆蓋按NDVI劃分5個級別（表1），根據各阻力因子景觀阻力和對應指標權重，在ArcGIS軟件中進行加權疊加得到生態阻力空間分布。

表 1 武漢市生態阻力指標體系Table 1 Index system of ecological resistance in Wuhan City

1.3.3 廊道提取和生態安全格局構建

生態廊道是生態源地斑塊間物種、信息和能量流通的主要通道，利用最小累積阻力模型（minimum cumulative resistance Model，MCR）[21]，模擬計算物種在源地間運動所需克服的最小阻力，從而構建生物流動的生態廊道，計算公式如下：

式中：MCR為從源擴散到空間范圍內某一點的累積阻力；Dαβ為物種從源 β 到景觀單元 α的空間距離；Rα為物種穿越景觀單元 α的阻力；fmin反映MCR與景觀生態過程的正相關函數關系。

生態節點一般為廊道的相交或轉折點，用來連接相鄰生態源地，將關鍵生態廊道所通過的阻力面鞍部落差最大的地方作為生態節點的首先區位，通過源地—生態廊道—生態節點的模式構建完整的生態安全格局。

2 結果與分析

2.1 武漢市生態系統服務重要性評價結果

通過對5類生態系統服務功能確定權重和空間疊加分析，采用自然斷點法將武漢市生態系統服務重要性分為極重要、高度重要、中等重要、比較重要、一般重要5個評價等級（圖2）。從空間分布看，武漢市水源涵養極重要區主要有分布在黃陂區西北部的木蘭山風景區、素山寺森林公園、梅店水庫、夏家寺水庫和院基寺水庫等，新洲區東北部的將軍山森林公園和道觀河水庫等，以及長江、漢江等主干河流和河東湖、梁子湖、湯遜湖等大型湖泊等。水土保持極重要地區分布相對集中，主要在黃陂區北部的低山丘陵地帶，素山寺、云霧山、木蘭山和雙峰山等森林公園和風景區。固碳釋氧極重要區主要集中分布在北部黃陂區的雙峰山國家森林公園、木蘭文化生態旅游區以及新洲區的將軍山森林公園。洪水調蓄極重要區主城區主要靠長江和漢江，以及東湖和湯遜湖等大中型湖泊，遠城區中主要以水庫蓄水為主。生物多樣性極重要地區面積較大且分布相對集中，主要在黃陂區北部區域、江夏區中部和南部區域以及武漢市的大型水域。

圖 2 武漢市生態系統服務重要性評價結果Fig.2 Evaluation results of the importance of ecosystem services in Wuhan City

圖 3 武漢市生態敏感性評價結果Fig.3 Evaluation results of ecological sensitivity in Wuhan City

生態系統服務極重要區和高度重要區面積分別為8.47和1 342.20 km2，占比之和為15.88%，其集中分布在黃陂區北部，新洲區東北部以及武漢市河流、湖泊等流域范圍內。黃陂區北部和新洲區東北部是武漢市主要的林地分布區域，具有重要的水源涵養和水土保持功能，而武漢市眾多的河流、湖泊具有重要的洪水調蓄以及水源涵養作用。中等重要區面積為1 421.40 km2，占比為16.71%，其在漢南區西南部和東西湖區中部存在相對集聚，主要分布在北部的倒水河、舉水河和灄水河，而在其他區域均為零星散布。比較重要地區面積為5 451.31 km2，占比高達64.09%，基本遍布整個武漢市域。一般重要地區面積為282.59 km2，占比為3.32%，集中分布在城市中心區域，植被較少，但有東湖、湯遜湖、后官湖等。

2.2 武漢市生態敏感性評價結果

通過對各項生態敏感性確定權重和空間疊加分析，采用自然斷點法將武漢市生態敏感性綜合評價值分為一般敏感、比較敏感、中等敏感、高度敏感和極敏感區5個評價等級（圖3）。武漢市生態敏感性以比較敏感為主，面積為4 036.83 km2，占區域總面積的47.26%；中等敏感區域次之，面積為2 497.98 km2，占29.24%。二者交叉分布于武漢市整個中部地區，主要為農業用地，人類活動干擾程度相對較強，生態綜合敏感性相對更高。此外，中等敏感區在黃陂區西北部存在集中分布趨勢，主要與該區域山地丘陵地形和獨特的地質條件有關。一般敏感區面積為1 228.16 km2，占比為14.38%，主要分布在武漢市南部地區，主要用地類型為林地和水域，水源涵養能力和水土保持能力較強，人類干擾程度較低，綜合生態敏感性較弱。高度敏感面積為719.82 km2，占比為8.43%，空間分布呈片狀和條帶狀2種趨勢，其中，片狀分布主要集中在黃陂區東北部地區，該區域多為工礦用地，且地質條件獨特，敏感性較強；條帶狀分布主要存在于武漢市水體邊緣地區，沿河流延伸方向分布。極為敏感區域分布面積較小，僅有59.61 km2，占0.70%，主要分布在黃陂區北部水體邊緣地區，區域內部多工礦用地，水質污染強度較大，且水土流失和地質災害等問題相伴發生，敏感性極強。

2.3 武漢市生態源地識別

生態源地根據生態系統服務重要性-生態敏感性指標體系評價結果進行識別，結果如圖4所示。為了深入分析生態源地的空間分布特征，進一步統計

圖 4 武漢市生態源地空間分布Fig.4 Spatial distribution of ecological sources in Wuhan City

各區生態源地的規模、用地類型與結構，結果如圖5所示。從生態源地規模上來看，武漢市生態源地共98個，占全市總面積25.82%。區級尺度上，生態源地主要位于遠城區（江夏區、蔡甸區、黃陂區和新洲區），面積占84.95%；而中心城區面積僅占15.05%。其中黃陂區生態源地最多，面積占比為30.62%，江夏區次之，面積占比為28.57%；而位于中心城區的江岸區、江漢區、硚口區和青山區，生態源地面積占比均小于1%。從生態源地用地類型來看，以水體為主，耕地和林地次之，其面積分別占42.56%、26.72%和23.65%。這與武漢市水資源豐富、湖泊眾多的地域特征有關。

圖 5 武漢市生態源地行政區分布及其土地利用結構Fig.5 Distribution of administrative regions and land use structure of ecological sources in Wuhan City

2.4 武漢市生態廊道提取和生態安全格局構建

通過最小累積阻力模型計算得到生態累積阻力面，結果如圖6所示。由圖6可知，累計阻力面以生態源地為中心，呈圈層向外逐層遞減，整體上源地之間連通性較好。其中，位于黃陂區北部山區的源地面積較大，且該區域屬于低阻力區，源地間連通性條件好，具有重要的生態價值；位于武漢市東南部地區的梁子湖南部平原區，陸地植被覆蓋較好，但破碎化嚴重，阻力較大。

圖 6 武漢市生態累積阻力面空間分布Fig.6 Spatial distribution of ecological cumulative resistance surface in Wuhan City

在98個生態源地圖層上提取中心點作為重要生態源地的中心節點，利用最小累積阻力模型計算生態源地節點與目標節點之間的景觀阻力來確定最短路徑和最小成本路徑，節點之間兩兩生成廊道，除去重復廊道，即為潛在的景觀生態廊道。結合武漢現狀生態環境與未來發展需求，最終確定的景觀生態網絡共包括重要生態廊道80條（圖7），長928 km。縱向廊道以灄水河—長江為主要中心軸，包括素山寺—木蘭山—府河—后官湖，將軍山—漲渡湖—東湖—梁子湖，武湖—東湖—湯遜湖—魯湖—斧頭湖。橫向廊道包括素山寺—木蘭山—將軍山，府河—武湖，后官湖—湯遜湖—梁子湖，沉湖—青龍山—梁子湖，沉湖—魯湖—斧頭湖—梁子湖。橫向和縱向生態廊道相互交錯，構成“五橫四縱”生態格局，廊道相互連接，形成穩定的網絡結構，對提升區域生態連通性具有重要意義。

圖 7 武漢市生態安全格局Fig.7 Ecological security pattern of Wuhan City

根據生態累積阻力面分布和城市生態空間格局，武漢市生態網絡節點適選區位包括以下6個節點：1）黃陂區李家街—祁家街—黃孝公路附近；2）東西湖區柏泉辦事處—武荊高速附近；3）甸區侏儒街—漢蔡高速附近；4）黃陂區蔡家榨鎮附近；5）新洲區鳳凰鎮附近；6）新洲區邾城街附近。這些節點有重要的生態廊道通道通過，但是又處于人類活動劇烈的居民點和交通干線。為保障生態廊道的安全和連通性，在這些區域宜建造人文生態景觀。

3 結論與建議

(1)武漢市生態系統服務重要性和生態敏感性評價結果表明，武漢市重要生態功能區面積較大，黃陂區木蘭山風景區、素山寺、新洲區將軍山、江夏區青龍山和蔡甸區九真山等森林公園是水源涵養、洪水調蓄、固碳釋氧和生物多樣性的重要功能區，主要河流、大型湖泊、水庫等水體是主要的水源涵養和洪水調蓄功能區。武漢市生態敏感性空間分布差異明顯，以比較敏感為主，敏感性強的用地類型多為工礦用地，主要集中在黃陂區，林地和水域用地類型的水源涵養能力和水土保持能力較強，人類干擾程度較低，生態敏感性較弱。

(2)利用最小累積阻力模型，識別了武漢市98個生態源地、80條生態廊道、6個生態節點，構成生態源地—生態廊道—生態節點的生態安全格局，形成“五橫四縱”生態網絡體系，生態安全格局的構建有利于提升生態系統之間的連通性，促進生態物質和能量的流動。

(3)為進一步加強武漢市生態環境保護，建議一方面針對重要生態敏感區，做好災害防治措施，減少工程建設等人類劇烈活動，避免引發嚴重的自然災害，在水土流失和地質災害易發的地區，做好水土保持工作，逐步有序實施退耕還林工程，水質污染和土壤污染敏感區需對大型污染企業進行排污重點管控。另一方面強化森林公園和大型水體等核心生態源地的保護，嚴格禁止建設用地和農業擴張的侵占，建立生態廊道，在中心城區主要通過建立溝渠加強水體之間的聯系，修建綠道隔絕外部對水體的污染，提高生態系統流通性，在生態節點處，構造人文綠色景觀，保證生態廊道的連通性和安全性。