基于生態安全格局的國土空間生態修復關鍵區域定量識別
——以貴州省為例

翟 香, 蘭安軍, 廖艷梅, 毛春艷, 施厚軍, 鐘九生

(貴州師范大學 地理與環境科學學院, 貴陽 550025)

國土空間生態保護修復是指協助受損生態系統恢復的過程，起源于歐美國家20世紀初[1]。隨著社會經濟的快速發展，不斷加劇的人類活動對自然資源可持續發展和生態系統連續性造成了嚴重威脅[2-3]。呈現出生產、生活空間不同程度地擠占生態空間、景觀格局破碎化以及地表覆被硬化的趨勢[4]。國土空間格局失序、生態環境破壞嚴重，國土空間生態治理和修復勢在必行[5]。

生態安全格局是景觀格局優化的空間表現，國土空間生態修復是對國土空間受損、退化生態系統進行恢復與重建[6]。故基于生態安全格局識別國土空間待修復關鍵區域更具系統性和生態學價值[1,6]。區域生態安全格局的構建能通過生態過程的有效調控來充分發揮生態系統功能及服務[7]。當前，生態安全格局構建已形成“源地—阻力面—生態廊道”的一般研究范式[8-9]。有學者把其用于山地丘陵、石漠化地區生態安全格局構建[10-11]，區域保護地或土地生態網絡系統的構建[12-13]，及建設用地減量化的研究[14]。研究方法上，通常使用景觀連通性、生態系統評價、生態敏感性評價、粒度反推法等識別生態源地，后構建生態阻力面并利用最小累積阻力模型和電路理論識別生態廊道[15-18]。也有學者把阻礙區納入此研究領域，通過某一區域移除前后電流的變化情況識別該區域，并把其運用到國土空間生態修復中[19]。現階段國土空間生態修復是學者關注的熱點，如宮清華等[20]以粵港澳大灣區為例研究人地系統耦合框架下國土空間生態修復規劃策略。彭建[4]、李紅舉[21]、王軍[22]等就國土空間生態修復的景觀生態學認知、統一山水林田湖生態保護修復標準體系以及國土整治和生態修復轉型進行了闡述。韓博[2]、丹宇卓[5]等基于“要素—景觀—系統”“退化壓力—供給狀態—修復潛力”等框架對江蘇省、珠江三角洲等區域的國土空間生態修復進行研究。亦有學者對基于生態安全格局識別的國土空間生態修復區展開了研究，但多基于市州縣域尺度如煙臺市[1]、賀州市[6]、河北省阜平縣[8]、徐州市賈汪區等[19]。對省域宏觀尺度的研究相對匱乏，對其進行研究能充分考慮生態系統的完整性和結構的連通性。

貴州省是云貴高原生態屏障的重要組成部分，區域碳酸鹽巖廣布、地質基礎脆弱、風化成土過程緩慢，生境環境本底脆弱。受歷史不良人為活動的影響，水土流失及石漠化等生態環境問題嚴重。本文以貴州省為例，通過生態敏感性評價結合自然保護地識別出生態源地，加權疊加自然環境因素和人為干擾因素得到生態阻力面，基于最小累積阻力模型和電路理論識別生態廊道，由此構建貴州省生態安全格局；并診斷生態障礙區，識別其土地利用類型并提出修復策略。以期為貴州省國土空間生態保護修復提供參考。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

貴州省位于我國西南腹地，位于103°36′—109°35′E，24°37′—29°13′N，國土面積176 167 km2[23]。地勢西高東低，平均海拔1 100 m左右，主要為高原、山地、丘陵和盆地，其中92.5%的面積為山地和丘陵[24]。地處亞熱帶濕潤地區，具有良好的水熱資源條件，但喀斯特地貌分布廣泛，特殊的喀斯特山地丘陵地貌形態導致水土資源分布不均[25]。脆弱的巖溶地貌形態和高原山地及強烈的人類活動導致生態破壞，加劇了石漠化和水土流失等生態環境問題。

1.2 數據來源

本文數據來源主要包括：貴州省30 m×30 m DEM數據來自地理空間數據云，由DEM數據提取高程和坡度；2020年貴州省土地覆蓋數據來自于中國科學院地球大數據科學工程數據共享服務系統，分辨率為30 m，結合實際研究內容把土地利用類型重新合并為耕地、草地、林地、建設用地、水域及未利用地6類；NDVI數據來自美國航天局NASA的MODIS13Q1數據，分辨率為250 m，選取2020年1—12月間質量相對好的數據，經過預處理及投影定義后使用像元統計工具得到2020年貴州省NDVI，并以此為基礎計算得到植被覆蓋度；河湖、主要建成區、道路數據根據ZY-3，GF-1遙感影像數據，經預處理分類后目視解釋得到；各類保護區數據源自貴州省及各市州總體規劃文件以及《貴州省生態功能區劃》文件。數據空間坐標統一為GCS_WGS_1984。

2 數據處理

2.1 生態源地識別

生態源地是指提供重要生態系統服務的斑塊[9]。生態敏感性是生態系統對人類活動反映的敏感程度，一定程度上可以體現出產生生態環境問題的可能性大小；區域生態敏感性評價能確定生態環境最敏感的地區和最具有保護價值的地區[26]。因此本文對貴州省生態敏感性進行評價，并選取生態高敏感區疊加為周邊生態環境提供服務的自然保護區、大型水源地、濕地保護區、森林公園及風景名勝區作為生態源地斑塊。由于省級尺度較大，相關研究中表示在源地斑塊較多情況下，不同面積大小生境的景觀功能結構復雜程度不同，不宜直接根據所有源地構建全部廊道[12]；且在地圖制圖中人眼能分辨的最小距離的最佳值0.25～0.3 mm，故本文選擇大于1.05 km2的生態源地斑塊，后合并相鄰斑塊，并把其中零散的、破碎的斑塊挑除，再利用自然斷點法分為一級源地、二級源地、三級源地[12,27]。

根據已有研究綜合考慮貴州省地形坡度特征及地表覆蓋特征選取高程、坡度、地表覆蓋、植被覆蓋和水域5個評價指標評價生態敏感性[16]。由于各因子對生態敏感性的影響程度不同，本文使用層次分析法計算各指標因子的權重(表1)，通過其原理構建判斷矩陣并通過一致性檢驗(CR=0.0203<0.1)。根據生態功能區劃中對生態敏感性指標體系的分類標準并結合前人的研究，將各因子劃分為高敏感、敏感、中敏感、低敏感、不敏感5個等級，并分別賦值為9，7，5，3，1(表2)。利用各因子劃分后敏感性結果以及計算的權重結果，使用ArcGIS加權疊加計算得到貴州省生態敏感性綜合圖，并通過自然斷點法將其劃分為高敏感、敏感、中敏感、低敏感、不敏感5個等級區，得到貴州省生態敏感性分級結果。

表1 敏感性因子權重

表2 生態因子分級

2.2 生態阻力面構建

生態阻力面指物種在水平空間上運動及生態流在斑塊間流動和傳遞所受的阻礙，很大程度上受自然環境因素與人為干擾因素的影響[16]。結合已有研究成果與研究區實際情況，選取高程、坡度、土地利用程度、NDVI、距主要道路的距離以及距主要建成區的距離6個因子[10,16]作為構建貴州省基本生態阻力面的單阻力因子，作為構建生態廊道的基礎。依據現有研究確定各阻力因子的等級和阻力值，等級越高，生態阻力值越大，越不利于生態源地向外擴張[28]。各因子的權重使用層次分析法進行確定，權重確定一致性檢驗結果CR=0.0306<0.1，滿足一致性檢驗成果要求。利用各阻力因子以及權重結果，加權疊加得到基本生態阻力面。具體指標體系見表3。

表3 阻力因子及其權重值

2.3 生態廊道與障礙區識別

生態廊道是指生態網絡體系中對物質、能量與信息流動具有重要連通作用的帶狀區域[29]，現被拓展到生態安全保護結構范疇和支撐生態系統運作的重要部分，是生態修復中最有可能改善連通性的結構要素或區域。電路理論是將生態源地斑塊及生態阻力面抽象為一系列節點和電阻，研究利用最小累積阻力模型構建生態阻力面，并基于電路理論使用的Linkage Mapper模塊構建生態廊道[19]。最小累積阻力模型模型原理如下：

(1)

式中:MCR為景觀到源的累積阻力值;f為累積阻力值與景觀生態過程的正相關關系;min表示累積阻力最小值;Dij表示景觀單元i到源j的空間距離;Ri表示景觀單元i對單元運動的阻力值。

生態障礙區是生物在生境斑塊間運動受到阻礙的區域，影響生態廊道連接質量，移除這些區域會增加生態重要區間連通的可能性[19]。本文使用Circuitscape插件中Barrier Mapper模塊識別出生態障礙區，根據已有文獻研究和研究區實際情況，分別以750 m，500 m，250 m為一級源地、二級源地、三級源地的搜索半徑檢測研究區是否存在阻礙生態過程的潛在區域[12,19]。生態障礙區是生態修復的重點關注區域，識別該區域找出貴州省生態修復區，并結合土地利用針對具體景觀類型提出不同的保護措施和修復策略。

3 結果與分析

3.1 生態源地識別

通過生態敏感性評價得到貴州省單因子敏感性分級結果及綜合敏感性分級結果。由圖1看出，坡度高敏感區主要分布在貴州省東北部及南部，占貴州省總面積的8.21%，地勢起伏越大對生態系統的維護和保護越困難(圖1A)。研究區西高東低，海拔越高，越不利于生物多樣性的保護，生態系統越脆弱，高程高敏感區主要集中在畢節市威寧縣、赫章縣及六盤水市西部區域，占研究區面積的4.81%。水域高敏感區集中在水庫、河湖及濕地周圍，占研究區面積的2.56%。土地覆被高敏感區以河流、湖泊及濕地為主。植被覆蓋度高敏感區零散分布在貴州省各市州山林地區域，主要集中在遵義市西北部、畢節市北部及黔西南州東部地區，占研究區總面積的3.21%。結合高程、坡度、水域緩沖區、地表覆蓋及植被覆蓋度敏感性分級結果，加權疊加得到貴州省生態綜合敏感性分級結果(圖1F)。結果顯示貴州省生態高敏感區主要分布在河湖、濕地、生態林地集中分布且較陡的山地區域，占研究區面積的6.9%，空間上表現為黔中地區分布較少，黔西南及黔北分布較多。

圖1 貴州省生態敏感性分級結果

根據敏感性評價結果疊加保護地并分級得到的貴州省生態源地為26 017.90 km2，占貴州省國土面積的14.77%。其中一級生態源地10 413.77 km2，占生態源地總面積的40.03%。二級生態源地占總源地的22.73%。三級生態源地占總源地面積的37.25%。空間上看，大型生境斑塊主要集中在黔東南州、遵義市、銅仁市、貴陽市。分布在生態環境條件較好、生境質量高，如大片竹林地區、水域及其周邊區域。

3.2 阻力面與生態廊道提取

3.2.1 阻力面的建立 單因子阻力面結果見圖2，貴州省高程高阻力值主要位于西部地區，坡度高阻力值分布零散，主要集中在遵義西北部及黔西南東南部。土地利用及NDVI高阻力值在各市州的中心城區，貴陽市、遵義市尤為明顯，同時NDVI高阻力值在畢節市西部威寧縣也較集中。道路和主要建成區高阻力值主要在貴州省經濟發展圈以及由各市州主城區為中心向外擴散，但黔東南州、黔西南州、銅仁市高阻力值相對較少。通過各阻力因子加權疊加得到的貴州省綜合阻力面(圖3)顯示，貴州省生態阻力高值由各市州中心城區向外擴散，其中貴陽市最為顯著，遵義市、六盤水市次之，黔東南州、銅仁市、黔南州較不明顯，且阻力高值相對較少。研究區阻力值整體上呈現“西聚集東分散，由各市中心向外擴散”的特征，結合貴州省社會經濟特點，高值區域人類活動聚集、經濟發展相對較快且生態環境受人類擾動大。

圖2 單因子阻力面

圖3 貴州省綜合阻力面示意圖

3.2.2 生態廊道提取 基于生成的生態源地與阻力面，利用Linkage Mapper構建貴州省生態廊道，不同級別生境斑塊之間物種傳播具有一定的差異，結果見圖4。貴州省共構建一級生態廊道52條，二級生態廊道168條，三級生態廊道1 194條。生態廊道總長34 765.84 km，其中一級生態廊道3 546.90 km，二級生態廊道7 565.02 km，三級生態廊道23 653.90 km。一級廊道西南至南盤江流域馬嶺河峽谷附近區域，東至沅江流域九龍洞，北至烏江流域大沙河自然保護區，是連接貴州大型生境斑塊的重要廊道。連接了貴州省水源涵養功能及生物多樣性維護的重點區域，由黔南月亮灣水源涵養與生物多樣性維護片區—黔東武陵山水源涵養與生物多樣性維護片區—黔北赤水河流域—黔中貴陽市阿哈湖、百花湖和紅楓湖，同時良好的東部生態環境，構建了貴州省東部較好的生態網絡系統。二級廊道西起于畢節市威寧縣妥打白冠長尾雉自然保護區附近，東至黔東南州黎平太平山自然保護區附近，南起黔西南州壩朝水庫附近，北至遵義市黃蓮柏箐自然保護區附近。連接了貴州省具有較重要生態功能的生境，與一級生態廊道相比，貴州省西部地區相對集中，彌補貴州省西部重要生態系統的連接。三級生態廊道連接了貴州省各地區小生境生態斑塊，較均勻分布在貴州省各地區，為物種遷移提供重要途徑。生態廊道連接生態源地時，分布在低阻力值區域，主要沿著河流廊道、林地豐富區及平坦地區，為生態源地間物種傳播提供良好的環境，對阻礙生態廊道形成和物種遷移、傳播的區域應加以修復和維護。

圖4 貴州省生態源地及生態廊道分布

3.3 生態障礙區識別

基于生態安全格局識別生態障礙區，貴州省生態障礙區識別結果見圖5，電流強度由淺至深逐漸增大，深色區域為生態障礙區，由于柵格分辨率重采樣為250 m×250 m，故最終生態障礙區矢量排除面積小于62 500 m2的斑塊，避免圖斑過度破碎及分辨率精度達不到造成的誤差。最終結果表明貴州省生態障礙區共1 374處，面積3 903.04 km2，集中分布在貴州省西部及北部，尤其以黔中地區最為明顯。統計貴州省各市州生態障礙區分布情況(表4)，結果顯示畢節市障礙區分布個數最多為272處，占比19.94%；銅仁市分布個數最少為84處，占比6.55%。生態障礙區面積分布畢節市最大為792.43 km2，占比20.30%；黔東南州障礙區分布面積最少為144.67 km2，占比3.71%。生態障礙區分布特征為貴陽市集中連片多分布，黔東南州、銅仁市零散破碎少分布。這與貴州省經濟發展特征和本底生態建設有一定聯系，貴陽市作為貴州省的省會城市，是貴州省經濟發展的核心區域，建設用地及受人為擾動的區域較多，生態環境建設存在一定困難。黔東南州位于貴州低海拔地區，年均降水量較高，蒸發量較小，且區域范圍內多為非喀斯特區，地表徑流相對其他區域較豐富，是貴州省生物多樣性的重要區域，且受區域居民特殊生活方式和習慣的影響，生態系統破壞較少。

圖5 貴州省生態障礙區及其電流強度空間分布

表4 貴州省各市州生態障礙區分布情況

4 國土空間生態保護修復策略

基于構建的貴州省生態安全格局，建立了貴州省生態網絡系統，對生態源地提出強化保護措施，對生態廊道存在的生態障礙區提出修復意見。保障和提高貴州省生態基質和生態空間的穩定性，提升生態系統服務供給能力。

4.1 強化生態源地的保護

生態源地作為區域生態系統服務功能供給的主要核心區域，其穩定性影響著研究區生態安全，因此生態源地的強化保護極其重要。受地形地貌影響，研究區生態源地分布零散，以各類保護區、森林公園、風景名勝區、濕地保護區、水庫及高覆蓋林區為主。區域內除向游客提供觀光功能外，應禁止其他建設用地的開發和建設，強調用地的自然屬性和生態維持功能。對于濕地和水域范圍，應加強入河排污口監測、水生態系統保護、水源地保護以及限制河流開發，并加強河湖周邊綠化及濕地綠化建設，增強水域和濕地的生態功能，有效防止城市建設擴張對生態源地造成威脅。

4.2 生態障礙區修復策略

利用識別的生態障礙區與土地利用數據相交，結果見表5，障礙區土地利用主要為耕地、林地，輔以草地和建設用地。障礙區內耕地占障礙區總面積的42.75%，其次的林地占比36.73%，草地和建設用地占比分別為11.24%，8.79%。障礙區土地利用空間分布(圖6)顯示，耕地散落分布在各市州，其中貴陽市、畢節市、遵義市分布較集中。林地與草地在畢節市、六盤水市及黔西南州分布較集中。建設用地在貴陽市、遵義市、六盤水市、安順市中心城區分布較明顯。

圖6 生態障礙區土地利用類型空間分布

表5 障礙區土地利用類型分布情況

生態障礙區中除永久基本農田以外的耕地可有序進行退耕還林還草，永久基本農田內的應加強整治、適應地方特色加強環境工程建設，充分發揮耕地的生態功能。林地區域的生態修復應重視其生長和采伐利用動態平衡，并對低質低效林進行改造和退化，加強森林撫育，提高森林質量。草地生態薄弱區域可種植常見本土優勢草本植物或植樹造林。建設用地修復主要包括了城鄉及礦區3個主體，針對城鎮建設用地應有條件的引導入口逐步有序轉移，積極開展城鎮綠地、綠心建設及垃圾整治工程等，最大限度減少人類活動對生態環境的影響，建立環境恢復體制；對于鄉村建設用地修復可依托鄉村振興戰略，加快村莊綠化建設，發展特色農林業經濟，改善農村生態環境；對于礦區范圍，針對礦渣堆積的地貌景觀破壞以及采礦造成的塌陷等問題，改善周期較長，需有序退出并開展污染治理工程，恢復礦區生態系統。河流水域修復主要以淤泥清理，水質監測、污染治理及岸邊綠化種植為主。通過對各種生態景觀進行恢復，聯動各級各類修復工程，改善生態環境質量，提高生態系統連通，優化貴州省生態安全格局。另外還應注重生態自然恢復，生態修復是一個長期的過程，人為修復工程能最快地恢復受損區域，但生境質量和生態功能的最優化需靠本底生態環境的提高。

5 結 論

(1) 貴州省生態高敏感區主要集中在河湖、濕地周邊以及自然林地集中較陡的山地，占貴州省國土面積的6.9%。識別出生態源地26 017.90 km2，其中一級源地比重最大，三級源地次之，二級最少，大型生境斑塊主要分布在貴州省東部地區，分布區域生態環境條件好，生境質量高。生態阻力面高值具有“西聚集東分散，由市中心向外擴散”的特征，高值區域人類活動頻繁聚集、經濟建設較好且生態環境受人類影響大。

(2) 貴州省共構建生態廊道1 414條，長34 765.84 km。主要分布在河流廊道、林地豐富、較平坦的地區，為生態源地物種的傳播及遷移提供良好的環境。一級生態廊道主要在東部區域，連接貴州省大型生境斑塊；二級生態廊道連接了貴州省較重要生境斑塊區域，彌補了一級生境在西部地區的缺失；三級廊道連接了貴州省各區域的小生境斑塊，構建了貴州省完整的生態網絡系統。

(3) 研究區識別出需修復障礙區1 374處共3 903.04 km2，主要集中分布在貴州省西部及西北部，其中貴陽市集中連片，黔東南州、銅仁市零散分布。分布差異與貴州省各市州社會經濟條件、地形地貌及本底生態環境質量有關。

(4) 基于生態安全格局，強化生態源地保護，提出生態障礙區修復策略，其中需修復生態障礙區主要為耕地及林地，不同生態景觀需采取具有差異的修復措施并聯動各類修復工程，以增強本底生境，改善生態環境質量，提高生態系統連通性，優化貴州省生態安全格局。

本文基于生態安全格局探索貴州省國土空間生態修復障礙區，融入景觀格局優化理念，考慮了景觀格局整體性和生態功能重要性。研究通過生態敏感性評價耦合保護區，防止具有重要生態功能生態源地的遺漏；綜合自然環境因素和人為干擾因素加權疊加獲得生態阻力面，充分考慮人類活動對生態環境系統的擾動；基于最小累積模型和電路理論，利用最短成本路徑獲得生態廊道，考慮了景觀連通性。根據不同生境斑塊識別出不同范圍大小的生態障礙區。較完整、系統地表現了貴州省國土空間生態保護修復的空間分布格局及其重點區域，后期將結合貴州省區位因素及地理環境，對貴州省生態景觀連通性進行評價，并對貴州省石漠化敏感性、水土流失敏感性、生物多樣性、水源涵養功能重要性、水土保持功能重要性等進行研究，以全面表現貴州省的生態系統情況。另外增加對生態“夾點”、生態斷裂點等需修復區域的研究，以較完整的體現貴州省的生態修復區，以期為貴州省國土空間生態修復提供更精確和全面的評估。