基于最小累積阻力模型與水文分析的綜合生態安全格局構建

關鍵詞：最小累積阻力模型；水文分析；生態安全格局；泰安市

0引言

生態安全是指一個國家賴以生存和發展的生態環境處于不受或少受破壞與威脅的狀態。近年來，生態文明建設被提高到前所未有的戰略高度，“山水林田湖草生命共同體”理念深入人心，生態環境保護己初見成效，但生態環境與社會發展仍存在突出矛盾，生態環境的安全形勢依然嚴峻。構建生態安全格局是維護生態安全的有效途徑。馬克明等提出了區域生態安全格局的理論，強調區域生態安全格局應滿足生態系統恢復和生物多樣性的發展需求；彭健等采用地質災害敏感性修正基本阻力面，利用最小累積阻力模型識別生態廊道，構建了玉溪市生態安全格局；俞孔堅等通過對水文、地質災害、生物等的系統分析，判別關鍵性景觀格局，構建了北京市不同安全水平的綜合生態安全格局。陸禹等提出粒度反推法和生態阻力面綜合構建法，結合最小累積阻力模型，構建了海口市秀英區景觀生態安全格局；PENG等基于電路理論通過計算“阻力”或“電流”來模擬異質景觀中的生態系統過程，從而確定生態走廊和主要生態節點，判定不同項目下生態安全格局的潛在壓力。在現有的生態安全格局構建方法中，最小累積阻力模型能科學地識別源地、修正阻力面及廊道范圍，更適用于大尺度下區域的生態安全格局研究。

泰安市是黃河流域下游重要節點城市，2018年被納入山水林田湖草生態保護修復工程國家第二批試點，本研究以泰安市為研究對象，針對當地水土流失嚴重、地質災害風險高等問題，充分考慮河流水系在生態安全中的重要作用，運用水源涵養、生物多樣性等評價生態服務重要性，運用水土流失敏感性等評價生態環境脆弱性，結合綜合評價結果，識別生態源地，以最小阻力模型判斷生態阻力面，采用最小成本距離構建生態廊道，結合水文分析，識別重要生態廊道，構建山水林田湖草綜合生態安全格局。研究成果為優化區域國土空間布局和生態修復提供參考。

1研究區與數據

1.1研究區概況

泰安市地處山東省中部的泰山南麓，位于東經116°20'～117°59'，北緯35°38'～36°28'之間，包含泰安市轄區（泰山區、岱岳區）、新泰市、肥城市、寧陽縣、東平縣，東鄰濟南市、淄博市、臨沂市，南連濟寧市，西鄰黃河，與聊城市、河南省濮陽市相望，北以泰山與濟南市為界，總面積7 762km2。泰安地處魯中山區，境內山地、丘陵、平原、洼地、湖泊等多種地貌類型齊全，五岳之首的東岳泰山雄距市域北部，橫跨岱岳區、泰山區和肥城市，其中主峰玉皇項為山東省內第一高峰，海拔1532.7m，中部徂徠山橫臥于市郊區和新泰市結合部，主峰太平頂海拔1028m。東部蓮花山位于新泰市境內，向北綿延至濟南市。東平湖是市內最大、省內第二大淡水湖，也是黃河下游唯一的蓄滯洪區。研究區屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，四季分明，雨熱同期，年平均氣溫12.9℃，多年平均降水量697mm。其生物多樣性豐富，擁有瀕危植物47種，國家級重點保護植物15種；瀕危動物38種，國家級重點保護動物38種，其中包含國家一類保護動物黑鸛，國家二類保護動物紅角鶚、金雕。

1.2數據來源及處理

研究采用的數據包括土地利用數據、數字高程模型（DEM）數據、歸一化植被指數數據（NDVI）、土壤屬性數據、氣象數據、自然保護區數據、地質災害數據、環境污染數據以及相關規劃管控資料等。

其中，土地利用數據為泰安市第三次全國國土調查結果，來源于泰安市自然資源局；DEM與NDVI數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺；土壤數據來源于世界土壤數據庫的中國土壤數據集；氣象數據來源于中國氣象數據網；其他數據均讀取轉換自泰安市自然資源局提供的相關規劃管控資料。

2研究方法

2.1生態源地的識別

為保證區域生態安全，源地需實現3個層次的目標：維護現有景觀過程的完整性；保證生態系統服務的可持續性；防止生態系統退化帶來的各種生態問題。本研究疊加生態服務重要性與生態環境脆弱性兩個層次的評價結果（表1），并考慮源地景觀連通性，識別最優生態斑塊作為生態源地，生態服務重要性評價參考相關文獻，將生態系統服務價值劃分為水源涵養、土壤保持、防風固沙和生物多樣性保護四項指標，用以構建評價體系。生態環境脆弱性評價以通用土壤侵蝕方程（USLE）為基礎，結合泰安市山體破損、水土流失嚴重的特點，選擇降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、地形因子、植被覆蓋因子四個影響因素作為評價指標，通過加權疊加，以自然間斷法劃分等級，最終獲得評價結果。

在泰安市生態服務重要性與生態環境脆弱性評價結果的基礎上，將上述兩類圖進行疊加，并根據自然保護區的分布情況進行修正，提取優質斑塊作為生態源地。

2.2生態阻力面的構建

物種對景觀的利用被看作是對空間的競爭性控制和覆蓋過程，這種競爭性控制和覆蓋過程的受阻礙程度差異化，很大程度上源于自然或人為干擾因子的影響。由于人為活動的干擾和影響，下墊面的開發強度越大，物種遷移所需要克服的阻力就越大。綜合考慮泰安市地貌類型復雜且受人為干擾強烈的特性，根據不同景觀生態系統類型受人類影響程度確定相對阻力系數大小，構建生態阻力因子指標體系（表2）。利用ArcGIS軟件進行疊加得到綜合阻力面。

2.3生態廊道的識別

不同于周圍景觀基質的線狀或帶狀景觀要素，生態廊道可以將彼此隔離的景觀元素連通，是生物遷徙的主要通道，可達到保護和恢復生物多樣性、維護和傳遞生態功能的重要作用，同時也具有生物棲息地、防風固沙、隔離（如控制城市擴張的綠帶）等功能。由于生態廊道為相鄰兩級生態源地間擁有的最小生態阻力通道，因此在己提取的生態源地及構建的生態阻力面的基礎上，應用最小累積阻力模型計算生態源地間最小累積阻力值的路徑，以此劃定生態廊道。基本公式如下：

2.4河流廊道的識別

河流廊道是一種重要的生態廊道，承擔了提供生物棲息地、調蓄洪水等重要作用，為人類社會提供了多樣性的生態系統服務功能，是生態安全的重要保障。利用GIS水文分析工具，根據雨水匯集、匯水區分析、潛在雨水廊道、河流流向數據，得到市域主要潛在徑流通道。徑流通道等級越高，徑流量越大，其保護生物多樣性、調控洪水能力越強，廊道重要性等級越高。

3結果分析

3.1生態源地識別

研究區生態系統服務重要性等級分布如圖1所示。從圖1可以看出，泰安市四類生態系統服務功能的空間分布存在一定的相似性，水源涵養與生物多樣性高值主要分布在泰山山脈、大汶河、東平湖、徂徠山和蓮花山周邊植被覆蓋率高且生態環境較好的地區。土壤保持高值在全域均有分布，主要集中于植被條件較好的山區與土壤質量較好的農田區域。防風固沙高值零星分布于泰山山脈與徂徠山內部地表不易起沙塵的區域。

基于泰安市水源涵養、土壤保持、防風固沙、生物多樣性的分析，將4種生態服務重要性評價結果進行等權疊加，依據自然斷點法將評價結果劃分為極重要區、重要區、較重要區和一般重要區，形成泰安市生態服務重要性格局（圖2a）。其中，極重要區面積2660.74km2，占研究區總面積的34.28%，主要位于泰山山脈、徂徠山、大橫山、蓮花山等重要山體，大汶河、東平湖等水體及周邊濕地。

對降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、地形因子、植被覆蓋因子4種生態環境脆弱性因子進行單因子評價，評價結果如圖3所示，降雨侵蝕敏感區主要集中在新泰大部與泰山區年均降水量較大的區域；土壤可蝕敏感區主要集中在蓮花山、太平山、泰山、大橫山群、白佛山群、徂徠山等石質土、風沙土等集中的區域；地形起伏敏感區主要集中在泰山山脈、徂徠山等地形起伏較大的區域；植被覆蓋敏感區廣泛分布于泰安東部與植被覆蓋率低的城市密集區。

單項生態環境脆弱性因子加權疊加形成生態脆弱性空間格局（圖2b）。極敏感區面積694.1km2，占研究區總面積的8.94%，位于泰山山脈、徂徠山等重要山體核心區。

對泰安市生態系統服務重要性與生態環境脆弱性進行等權疊加，將研究區劃分為重要生態空間、生態空間和非生態空間（圖4a），其中重要生態空間1687.96km2，生態空間4127.59km2，非生態空間946.45km2。將評價結果與泰安市自然保護區對比，15個森林和地質自然保護區與評價結果重合率為91.92%，重要生態空間與生態資源高度相關。為保證生態源地的連通性，在識別出的重要生態區中剔除面積小于10km2的細碎斑塊，最終確定生態源地（圖4b）面積為994.66km2．主要集中在泰安市泰山山脈、徂徠山、大橫山群、蓮花山等重要山體處。

3.2生態廊道識別

生態廊道的價值在于將耕地、園林地、水域等連接形成更為完整的生態系統，提高各個部分的空間服務價值，它是承擔物種遷移的傳輸通道、生物生存繁殖的生境等，根據水生生物和陸生生物生存環境的不同，將生態廊道劃分為主要生態廊道和河流廊道，分別進行識別。

3.2.1主要生態廊道識別

基于土地利用類型空間分布，構建生態阻力面，如圖5（a）所示，泰安地區生態阻力空間差異明顯，大部分區域生態阻力值偏高，高阻力地區集中分布在東部新泰區域及城市中心區域，中阻力地區集中分布在西部和中部耕地聚集區，低阻力地區集中分布在北部的山體林地集中分布區。

利用ArcGIS軟件分析生態源地和生態阻力面，創建各源地之間的最小成本路徑，以形成主要生態廊道，如圖5（b）所示。經統計，泰安市生態源地共有16條生態廊道，總長度為353.71km，分布廣泛，其中東平湖北部生態源地與白佛山群生態源地之間的生態廊道長度最長，為70.29km，泰山山脈生態源地與大橫山群生態源地之間的生態廊道最短，為1.57km。研究區西部生態廊道東西延伸，東部生態廊道南北延伸，對保護與提高生態系統的連通性與整體功能具有重要意義。

3.2.2河流生態廊道識別

研究區水文分析結果如圖6所示，泰安市域河流分布與徑流分析高度一致。提取二級以上徑流通道作為主要河流廊道，泰安市河流廊道共7條，分別是大汶河一柴汶河一石汶河、康王河一匯河、引汶干渠一洗府河、東平湖東排水河一小清河、漕濁河一小匯河、泮汶河一梳洗河一雙龍河一明堂河、平陽河一西周河一光明河。研究區河流廊道貫穿東西，支流眾多，對提升城市“河流一綠地”生態網絡的連通性，維持生物多樣性具有重要的意義。

3.3生態安全格局構建

生態安全格局是針對區域生態環境問題，在排除干擾的基礎上，由一系列功能各異、相對獨立的景觀單元結合生態廊道構成的，能保護生物多樣性，恢復或保持對區域生態系統有重要作用的生態過程，維持生態系統結構和過程的完整性，從而保障區域生態安全的最優空間格局。

生態安全格局主要由生態源地與生態廊道構成（圖7）。經分析，構建出泰安市“一帶一屏多廊”生態安全格局：一帶為大汶河生態帶，東西向貫穿泰安市，是重要的生境通道與生態走廊；一屏為牛山、大橫山群、泰山、徂徠山、蓮花山、太平山、鳳凰山、神童山、白佛山群組成的環狀生態屏障，也是重要的生物資源保護與水源涵養保護帶；多廊為23條主要生態廊道和河流廊道，為生物多樣性保護、水資源安全提供了重要保障。

4結論與討論

4.1結論

本文以泰安市為研究區，從生態系統的整體性和連通性角度出發，分析生態服務重要性與生態環境脆弱性評價結果，綜合確定泰安市重要生態空間，進而識別生態源地。將最小累積阻力模型與水文分析相結合，識別全域生態廊道，最終形成泰安市綜合生態安全格局。主要得到以下結論：

（1）泰安市生態源地在全域廣泛分布，由東北到西南面積遞減，總面積994.66km2，占全域面積的12.81%，主要集中在生態用地比例高、生態質量較好的地區，包括泰山山脈、徂徠山、大橫山群、蓮花山等。

（2）泰安市主要生態廊道與河流廊道相互交錯，共23條，總長度353.71km，東部較密集，西部較稀疏，與生態源地串聯，空間上呈現明顯的相似性，主要分布于植被覆蓋較好、水系發達的區域，形成“一帶一屏多廊”的生態安全格局，為泰安市生態管控提供參考。

4.2討論

本文與以往研究區的生態安全格局構建研究相比，本文綜合考慮生態廊道在陸地和水體中的分布，在傳統的用最小阻力累積模型識別生態廊道的基礎上，采用水文分析識別河流廊道，更加全面地考慮了生態過程中的流通性問題。同時，本文在區域尺度上以生態服務重要性與生態環境脆弱性共同確定生態源地，所選取的生態源地與重要生態功能區的空間分布基本重合，可以驗證生態源地識別的準確性。通過識別生態安全格局基本構成要素，實行分區修復與保護是實現區域生態安全與生境安全的基本途徑之一。本文構建的綜合生態安全格局可以為宏觀生態修復規劃提供分區參考。

需要指出的一些問題：文中生態阻力值的識別僅考慮土地利用類型，側重于生態廊道所處位置，因此，文中識別出的生態廊道及寬度仍有待進一步優化。此外，本文最終構建的生態安全格局基于理論研究，下一步如何與實際管理相結合，如何為管理者提供科學合理的決策將是未來的研究重點。