基于最小累积阻力模型的山地石漠化地区生态安全格局构建：以重庆市南川区为例

李 政，丁 忆，王亚林，陈 静，吴凤敏

(重庆市地理信息和遥感应用中心，重庆 401121)

随着工业化与城市化进程的加快，人地矛盾凸显，不合理的土地利用方式导致的资源浪费、土地退化以及生态环境质量下降等一系列问题严重影响社会可持续发展[1]。十九大强调要加大生态环境保护力度，实施重要生态系统保护和生态修复重大工程，优化生态安全屏障系统，提升自然环境的生态质量和稳定性。因此，以生态安全为目标的区域格局优化成为研究热点[2]。生态安全格局指自然景观中处于不同方位和空间联系的点、线、面等关键局部共同构成的多目标、多层次和多类别的某种潜在生态系统空间配置格局，对维系生态安全意义重大[3-4]。区域生态安全格局构建主要以生态格局、过程、功能及其相互作用关系为研究对象，通过协调自然-社会耦合系统，将生态安全建设、生态恢复以及保障社会可持续发展的重要措施落实到空间上，可有效解决区域生态环境问题[5-8]。

自俞孔坚等[3]在Forman的景观格局优化方法基础上提出了景观生态安全格局概念后，相关研究逐渐深化，经历了一个从定性到定量、从静态到动态、从单一到综合的演变过程。随着景观生态学与土地利用研究的融会贯通，生态安全格局也从景观组分和斑块的数量结构配置转向水土流失、物种迁徙等生态过程方面[4]。生态安全格局的构建通常从关键局部及其位置关系展开，主要方法包括生态因子叠加法与格局-过程法[9]。其中，生态因子叠加法指通过单一的生态因子加权叠加来分析区域生态安全水平高低格局。格局-过程法又称源地-廊道法，通过识别重要生态源地，建立生态阻力模型，拾取生态廊道，从而构建以源地-廊道为核心的生态安全格局，是当前主流的研究方法。在此基础上，部分学者提出了生态缓冲区[12]、生态节点[13]、辐射通道[14]等概念，极大地丰富了生态安全格局构建体系。生态安全格局的构建应将人类需求和自然禀赋状况相结合，同时综合考虑生态阻力模型构建中景观区位、邻域效应、空间相互作用力的影响，使评价结果能客观反映区域生态斑块和廊道的空间结构关系[15]。

重庆市南川区地处喀斯特岩溶地带，是重庆市山地石漠化最严重的地区之一，在生态与经济发展的双重压力下，出现了水土流失、土壤侵蚀、岩石逐渐裸露、土地生产力逐步退化等一系列问题，区内生态平衡逐步被打破，可持续发展面临挑战。笔者以南川为研究区，基于生态安全格局理念，从生态本底与人类需求角度出发，结合区域特点，对生态系统服务功能重要性、生态环境敏感性以及居民生态需求进行定量评价，识别核心型生态源地；采用多目标决策模型构建综合生态阻力面，并利用最小累积阻力(minimum cumulative resistance，MCR)模型和水文分析方法提取生态廊道，从而构建出符合典型岩溶山地特征的生态安全格局，对于科学指导区域生态用地规划布局、制定生物多样性保护措施以及有效治理石漠化等方面提供具有说服力的理论依据和支撑，以期丰富地域性生态安全格局构建的理论研究，也为其他山地石漠化地区良好生态系统建设提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

南川区地处重庆市南部，是四川盆地东南边缘与云贵高原的过渡地带。地理位置介于28°46′～29°30′ N，106°54′～107°27′ E之间，东西宽约52.5 km，南北长约80.25 km，面积达2 601.92 km2。区内地形地貌多样，起伏较大，地表破碎，形成以中山和低山为主的地貌类型，总体地势呈东南向西北倾斜的态势。南部位于大娄山脉褶皱带，山势高峻，切割强烈；中部地处大溪河上游支流，多溶蚀残丘阶地；北部系川东平行岭谷，呈台地浅切低山地貌。区内最高海拔2 202 m，最低海拔350 m，依据海拔高度和相对高差，全区可划分为中山、低山、丘陵、平坝、台地5个地貌类型区。受地形地貌和地质构造的影响，区内岩溶面积广布，约占区域国土总面积的47.1%，由石漠化区域(13.9%)、潜在石漠化区域(60.3%)和非石漠化区域(25.8%)3个部分构成。石漠化区域中尤以中度石漠化现象最为典型，其余依次为轻度和重度石漠化[14]。在空间上，石漠化区域主要集中连片分布于湘渝公路两侧以及南部的中山地貌区。

全区以亚热带湿润季风气候为主，四季分明，夏季高温多雨，冬季温暖少雨，多云雾，少霜雪，且具有南北差异大、立体气候显著的特征。优越的气候条件使得区内自然环境良好，动植物资源种类繁多，森林覆盖率较高，自然资源景观极具特色，如金佛山、山王坪、楠竹山、黎香湖等均具有重要的旅游价值和旅游吸引力。但同时由于崎岖破碎和山多坡陡的地表景观特征，水土流失严重，降水侵蚀能力增强，石漠化风险增加。

近年来，南川区经济发展迅速，截至2018年底，区内人口密度达到263.76人·km-2，城镇化水平为59.05%，累计实现地区生产总值280.37亿元，三次产业比重达17.2∶32.9∶49.9，产业结构进一步优化。伴随着经济发展，生态经济不协调问题逐渐凸显，将进一步诱发潜在石漠化、水土流失与土地退化风险，影响区域可持续发展。

1.2 数据来源

研究采用的数据主要包括社会经济数据和空间数据2类。社会经济数据为市(县、乡镇)级静态社会经济统计数据，来源于《南川区统计年鉴》与《南川区统计公报》，部分数据来源于《重庆市统计年鉴》及《重庆市统计公报》。空间数据中土地利用数据由地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn)下载的Landsat遥感影像解译得到，空间分辨率为30 m×30 m，依据研究目的将地类划分为建设用地、耕地、林地、草地、水体和未利用地6类；DEM数据来自于美国国家航空航天局(http:∥search.earthdata.nasa.gov)提供的30 m分辨率的ASTER-GDEMV2数字高程数据；NDVI数据源来自于美国地质勘探局(http:∥glovis.usgs.gov)提供的500 m×500 m的Modis数据，通过最大合成法得到；植被净初级生产力(NPP)数据来源于美国国家航空航天局的MOD17A3数据产品，空间分辨率为500 m；夜间灯光数据来源于美国国家环境信息中心(http:∥www.ngdc.noaa.gov)；降水数据由2018年重庆市34个雨量观测点资料插值获得；土壤数据来源于中国科学院资源环境数据云平台(http:∥www.resdc.cn)；行政区划数据来源于国家基础信息中心(http:∥www.webmap.cn)公布的全国1∶100万基础地理数据库；石漠化数据、林业类型数据、规划数据等来源于生态环境局、林业局、规划和自然资源局等部门公布的数据资料。空间坐标系均统一为CGCS2000_3_Degree_GK_CM_108E。

2 研究方法

2.1 生态源地识别

生态源地指区域内生态价值较高、生态功能较强的生态斑块，可作为区域物种迁徙、扩散的源点，具有向外扩张和向内吸引的能力，是区域生态系统稳定性和服务性的关键，对维护区域生态安全和可持续发展意义重大[8，16]。该研究中的生态源地除了考虑自然保护区、原生湿地、大型河流以外，还从生态系统服务功能重要性、生态环境敏感性以及居民生态需求3个方面进行定量识别，是区域生态供给与人类需求的有机结合体。

2.1.1生态系统服务功能重要性评价

生态系统服务指生态系统维持人类赖以生存和发展的生产生活环境条件与效用，以及生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到生命活动所需要的产品和服务[17]。生态系统服务功能评价主要针对研究区的水源涵养功能、食物生产功能、土壤保持功能和生物多样性服务功能等要素进行。借鉴CONSTANZA等[18]对于生态服务价值的划分标准，参考谢高地等[19]制定的全国生态系统价值当量因子表，依据南川区的实际情况，对当量因子进行修正，并以当年NPP与NDVI值作为生态参数分别对生态系统不同服务功能价值进行修正，最后将各类生态系统服务价值进行面积加权求和，以此得到较为真实的生态系统服务价值水平。在此基础上，采用自然断裂法，按生态系统服务价值由低到高依次划分为一般重要、较重要、中等重要、重要和极重要，并分别赋分为1、3、5、7、9，分值越高，生态重要性越强。其计算过程为

VES=VES,g,i+VES,t,i。

(1)

式(1)中，VES为生态系统服务总价值，万元 ；VES,g,i为第i个栅格食物生产、原材料供给的生态系统服务价值，万元·hm-2；VES,t,i为第i个栅格土壤保持、生物多样性、气体调节、水源涵养、废物处理的生态系统服务价值，万元·hm-2。VES,g,i与VES,t,i计算公式分别为

(2)

(3)

式(2)～(3)中，Si为第i个栅格面积，hm2；Gm为单位面积生态系统各服务功能价值的当量因子；Hn为标准生态系统生态服务价值的当量因子经济价值，万元·hm-2；PNP,i、PNP，m分别为栅格i特定地表覆盖类型的NPP和南川区特定地表覆盖类型的平均NPP值，t·hm-2；INDV,i、INDV,m分别为第i个栅格内特定地表覆盖类型的NDVI和南川区特定地表覆盖类型的平均NDVI值，t·hm-2。

2.1.2生态环境敏感性评价

生态环境敏感性指生态系统对各种环境变异和人类活动干扰的敏感程度，其实质表现为自然状况下潜在发生生态环境问题的可能性大小[15,20]。因南川区地处四川盆地东南边缘与云贵高原的过渡地带，植被茂盛，地形梯度垂直性差异较大，且具有亚热带湿润-半湿润气候和岩溶发育的双重自然环境，石漠化风险较高，土地退化程度明显;同时位于西南地区最大的工商业城市边缘，酸雨风险性较大。因此，评价依据区域特征选取土壤侵蚀敏感性、石漠化敏感性、生境敏感性和酸雨敏感性4项指标，利用层析分析法求取指标权重(分别为0.559、0.296、0.106、0.039)，加权求和得到生态环境综合敏感性指数，采用自然断裂法，在ArcGIS平台上进行级别可视化操作，将生态环境敏感性由低到高依次划分为一般敏感、较敏感、中等敏感、敏感和极敏感，并分别赋分为1、3、5、7、9，分值越高，生态重要性越强。各评价指标中，土壤侵蚀敏感性评价采用通用水土流失方程计算土壤侵蚀量，该方程包含降雨侵蚀力[21]、土壤可蚀性[22]、坡长坡度因子[23]以及地表植被覆盖因子等；石漠化敏感性根据石漠化敏感性肌理，选取喀斯特地形、坡度及植被覆盖度进行评价[24]；生境敏感性反映生物栖息地的敏感性程度，是区域生物多样性保护研究的重要基础，借鉴叶其炎等[25]的相关研究成果，并征询专家意见，根据生态系统类型特征来进行综合评价；酸雨敏感性主要依赖于与生态系统结构和功能变化有关的土壤物理化学特性，可由生态系统的气候特性、土壤特性、地质特性以及植被与地表覆盖特性来综合描述[26]。

2.1.3居民生态需求评价

生态需求是人类对生态系统中生态产品和体验、享受生态产品而产生的愉悦等精神性生态满足的需求[8]。在乡村振兴大背景下，生态需求具体表现为社区和村镇对于良好生态环境建设中生态休闲用地、生态服务用地的迫切需要。因此，距离人类活动聚集区域越近，居民需求越大，生态重要性也就越高。居民生态需求在空间上也会因生态用地所处地理位置、社会经济环境的不同存在明显差异[8]。量化居民生态需求的前提条件是识别区域人口与经济活动热点区域。夜间灯光数据不仅能直观地反映经济要素和环境要素的空间差异，还能很好地模拟城市化水平、经济状况、能源消耗、人口活动密度分布等，具有一定的可操作性[15]。

在南川区范围内，居民对于休闲用地与生态服务用地的需求体现在日常休憩与假期短途出行2个方面。其中，日常休憩主要考虑距离社区和村镇最近的生态用地，此类用地往往使用频率较高；短途出行主要考虑生态用地满足的社会需求，借鉴蒙吉军等[8]通过核密度原理计算不同扩散半径下的集聚强度来表征生态需求聚集强度的研究思路，得到一般重要、较重要、中等重要、重要和极重要5个级别的生态需求强度空间分布情况，并分别赋分为1、3、5、7、9，分值越高，生态需求越强，其计算公式为

IR,i=DP,i/DE,i。

(4)

式(4)中，IR，i为生态用地栅格i的生态需求分值；DP，i为以10 km为扩散半径的生态需求核密度函数值；DE，i为栅格i到其周边有效需求点的最近距离，km。

最后，将生态系统服务功能重要性、生态环境敏感性以及居民生态需求评价结果按照0.4、0.4、0.2的权重系数进行加权叠加，利用自然断裂法得到南川区生态水平重要性空间分布格局(图1)，并与区域自然保护区、湿地公园与森林公园等重点生态保护空间相结合，提取具有一定面积的源地作为研究区的核心型生态源地。

1、3、5、7、9分别表示生态水平一般重要、较重要、中等重要、重要和极重要。

2.2 阻力面的构建

依据南川区生态环境状况，参考张蕾等[27]的研究成果，采用多因素综合决策法，从自然环境因素、人为干扰因素以及生物因素3个方面，分别选取高程、人居环境辐射影响距离、距自然保护区距离等9个指标，构建生态源地扩张综合阻力评价指标体系，能直观反映地表物种迁移、生物功能流通的综合阻力大小。参照付梦娣等[28]的指标分级标准，将各指标划分为5个等级，并分别赋值为1、3、5、7、9，分值越高，生态阻力越大，越不利于生态源地向外扩张。在此基础上，利用特尔非法确定因素权重，并将各阻力因子加权叠加，得到综合生态阻力值，具体指标体系见表1。

表1 生态源地扩张阻力因子与等级划分

2.3 生态廊道识别

生态廊道是各生态源地间相互联系的最佳路径，是自然界生态系统中物质和能量流动的通道，是保持生态过程、生态流、生态功能在区域内连通的关键生态组分[27-28]。在ArcGIS软件中，利用生态源地确定生态质心，以综合生态阻力面为权重(图2)，利用MCR模型生成生态廊道，即生态质心之间的最小成本路径；同时结合水文分析方法[29]，提取各生态质心之间的阻力低谷和最容易联系的低阻力通道作为生态廊道。2种方法求取的生态廊道重叠部分为关键生态廊道，兼顾了区域连通性与生态低阻力的双重属性，关键生态廊道以外的部分为潜在生态廊道。

最小阻力模型(MCR)考虑了源、距离和景观单元特征因素，可用来计算物种从源地到目的地运动过程中所需费用和克服阻力所做的功，从而模拟生物穿越不同景观单元的过程。其计算公式为

(5)

式(5)中，RMC为生态源地扩张的最小累积阻力；f为最小累积阻力与生态过程的正相关关系；Dij为生态源地j到景观单元i的距离，km；Ri为景观单元i对某物种运动的阻力系数。

3 结果与分析

3.1 生态源地识别

从区域生态本底和人类需求的视角出发，对南川区生态系统服务功能重要性、生态环境敏感性以及居民生态需求程度进行评价，结合研究区现行自然保护地、湿地公园等空间分布情况，同时为避免细碎图斑的影响，选取面积大于1 hm2、集中连片的极重要生态区作为核心型生态源地，其他生态源地面积均小于1 hm2，零散分布于核心型生态源地的周围。核心型生态源地是全区生物主要活动范围和重要栖息场所，为物种的生存、繁衍提供重要保障，具有极其重要的生态系统功能和生态学价值。由图3可见，南川区核心型生态源地总面积达389.25 km2，主要分布在南川区中部及其以南的地区，总体呈现出由中部向南北方向递减的趋势。其中，中部地区主要沿金佛山、顺龙山森林公园与乐村森林公园一带分布；南部地区以大坪山、小坪山与柿梨岗地区为核心，向东北、西南方向延伸；北部地区则主要分布在黎香湖湿地公园及其周边区域。这与南川区石漠化现象发生在湘渝公路两侧以及南部以中山地貌为典型的区域空间格局基本吻合，也与现行生态环境保护目标、生态建设规划要求一致，是自然资源本底特征的一种印证。

从源地构成(图3)来看，核心型生态源地以林地为主，林地源地占全区核心型生态源地总面积的97%，其次是耕地与水体，占比分别达1.57%和0.75%，草地因分布较少，占比较小，未利用地与建设用地生态价值较低，大部分为非源地，但仍有0.63%的地类因靠近主要交通要道或水源地被划分为核心型生态源地。

图2 综合生态阻力面示意图

图3 南川区生态安全格局示意图

就乡镇分布特征而言，水江镇分布最广，达77.68 km2，占核心型生态源地总面积的19.96%；三泉镇次之，占比为12.26%；德隆镇和大观镇分布较少，占比仅为0.13%和0.01%。各乡镇中除黎香湖镇源地构成以水体为主导以外，其余乡镇均以林地为主。

3.2 生态廊道识别

在ArcGIS软件中提取各核心型生态源地的质心，利用成本距离(cost distance)工具，基于生态质心和综合阻力面构建最小累积耗费廊道，并借鉴水文分析方法得到的生态阻力谷线，将两者有机结合，识别南川区关键生态廊道与潜在生态廊道。由图3可见，南川区生态廊道累积长达557.25 km，其中关键生态廊道长度约430.73 km，占全区生态廊道总长度的77.30%，潜在生态廊道长度约126.52 km，占比为22.70%，基本形成以关键生态廊道为主、潜在生态廊道为辅的特征。由于区内生态源地空间布局较为分散，生态廊道成为各生态源地之间重要的生境走廊和生物通道，促进了物种交流和迁徙，具有保护生物多样性等生态系统服务功能。

由图3还可见，从空间格局来看，全区生态廊道大致呈“渔网状”分布，中部密集且两极稀疏，将全区生态用地紧密联系起来，这与区内石漠化现象的严重程度以及生态本底空间分布特征十分相似。关键生态廊道大致呈“三横三纵”分布，“三横”贯穿东西，分别沿合溪镇河坝、钻头坪与古花镇大湾一带，金山镇沙湾、头渡镇九关、大有镇施家沟一带以及石莲镇狮子湾、南城街道大丛林、水江镇石蛋溪一带分布；“三纵”连接南北，分别沿太平场镇石音岩、大观镇曹家湾与合溪镇梯岩一带，石溪镇老房子、三全镇大河沟与古花镇李家咀一带以及民主镇高石堡与山王坪村大沱一带分布。潜在生态廊道主要分布在生态环境较好的山地丘陵地区，避开了人类活动聚居区域，与关键生态廊道共同构成了区域物种迁移和能量流通的网络。

3.3 生态安全格局构建

南川区作为重庆南部的生态屏障，生态环境质量较好。但因毗邻云贵高原，喀斯特地貌发育明显，石漠化现象严重，区域内部仍然存在生产方式粗放、产业结构不合理以及生态环境脆弱等问题，威胁整体生态安全。由图3可见，南川区核心型生态源地主要分布在中部地区，包括金山镇、三泉镇、山王坪与水江镇及其相邻乡镇区域。区内森林资源丰富，斑块之间联系较强，生态弹性度较大，但海拔较高、水土流失严重且喀斯特地貌发育，导致生态环境较为脆弱。该地作为现行生态保护红线和自然保护地的核心区域，是区域重要的生态屏障。因此，应加大生态整治力度，继续采取退耕还林还草等措施修复植被，增强涵养水源、保持水土的功效，降低石漠化危害；加大农村产业结构调整，走新型农业发展道路，积极引进先进技术，转变耕作方式，有计划地实施轮作休耕策略，稳固土壤养分，提升耕地生产能力，避免过度开垦加剧水土流失；实施生态补偿与生态移民政策，提升生态服务功能，促进区域生态经济平衡。除此之外，位于南川区南部边缘和北部的核心型生态源地连接较为薄弱，出现了明显的断层。因此，应在空白区域构建 “踏脚石”生态斑块，增强区域的连通性，提升区域整体物质和能量的交换能力。

南川区生态廊道由关键生态廊道和潜在生态廊道构成，是连接南北分散核心型生态源地与中部集中核心型生态源地重要通道，是区域生态安全水平的基本骨架。关键生态廊道连接核心型生态源地，廊道内生物种群丰富，可满足动物在区域间的迁徙，潜在生态廊道连接关键廊道和其他生态用地，一定程度上丰富了迁徙路径，增加了辐射面积，促进生物流在区域内快速、全面地流通。由于全区生态廊道大致呈“渔网状”分布，中部密集且两极稀疏。因此，应重点建设贯穿南北的生态廊道，增加廊道上林草种类，提升廊道生物多样性与生态弹性度；基于生态安全的视角积极进行廊道周边土地利用优化，拓展廊道宽度，增强流通能力。

综合全区核心型生态源地、生态廊道以及生态建设规划的空间布局，考虑自然本底特征，提出南川区“一轴连两翼”的生态网络框架。“一轴”主要指以金佛山自然保护区—乐村森林公园两组团相连的东北—西南向核心型生态源地带，呈轴带状式分布，该区域是全区的生态战略核心地，建议坚持生态保护优先，严格控制区内的建设开发。可与区域生态保护红线和自然保护地优化调整工作协调一致，将其纳入法律法规管理体系，对“轴带”内部的建设性用地开展有序退出，保护生态环境，开展生态修复。“两翼”主要指中部核心轴带区向北至黎香湖湿地公园，向南至合溪镇以“三纵”生态廊道为基础所组成的生物流通道，是全区生态平衡的关键桥梁，要坚持生态保护与经济发展协调优先，实施退耕还林还草工程，促使生态廊道建设落地。以“三纵”生态廊道为枢纽，确定“踏脚石”生态斑块，提高南北区的连接度，盘活整个生态网络框架。

4 讨论与结论

4.1 讨论

利用定量评价的方法对研究区进行生态源地与生态廊道的识别，从而构建区域生态安全格局是解决山地石漠化地区生态问题的重要途径。当前研究学者已经开始将土地利用类型、生态系统服务功能价值、生态环境敏感性、居民生态需求有机结合进行生态安全格局的构建，但是仍然存在一定的局限。因此，基于生态安全格局，将地方自然资源特点、典型性生态脆弱问题与人为干扰因素、自然环境因素、生物因素密切结合，成为有效解决问题的关键。笔者在核心型生态源地的识别时，对生态系统服务功能价值评价方法进行了一定优化，并根据山地石漠化生态问题，以具有地域特征的土壤侵蚀敏感性、石漠化敏感性、生境敏感性和酸雨敏感性指标来进行生态环境敏感重要性评价，使源地识别结果相对真实、客观。但生态源地的识别采用生态系统服务功能重要性、生态环境敏感性和居民生态需求3者加权叠加，弱化了相互间的关系；在进行生态阻力面的构建时，采用多因素综合决策法，将自然环境因素、人为干扰因素以及生物因素方面的9项指标分级赋值，凸显了空间差异性，一定程度上忽视了指标因素自身的线性变化特征，需要在今后的研究中继续深化。

生态源地保护与生态廊建设是区域生态安全格局长期稳定的重要保证。因此，在生态源地与廊道的识别过程中应与研究区生态规划紧密结合，动态更新，后期维护中要建立起动态监测机制。

4.2 结论

基于生态系统服务功能重要性、生态环境敏感性以及居民生态需求程度进行南川区核心型生态源地识别；采用多因素综合决策法，从自然环境因素、人为干扰因素以及生物因素方面构建生态源地扩张综合阻力评价指标体系；将最小累积阻力模型和水文分析相结合识别生态廊道，进而构建全区生态安全格局。结果表明：(1)南川区核心型生态源地以林地景观为主，面积达389.25 km2，主要分布在中部地区，总体呈现出由中部向南北方向递减的趋势，其中水江镇分布最广，三泉镇次之，大观镇较少。(2)全区生态廊道形成以关键生态廊道为主，潜在生态廊道为辅的特征，其中关键生态廊道长约430.73 km，占比为77.30%，潜在生态廊道长度约126.52 km，占比为22.70%；廊道呈“渔网状”空间分布格局，中部密集，两极稀疏，关键生态廊道呈“三横三纵”分布，“三横”贯穿东西，“三纵”连接南北，潜在生态廊道沿生态环境较好的山地丘陵地区分布，与关键生态廊道共同构成了区域物种迁移和能量流通的网络。(3)综合全区核心型生态源地、生态廊道以及生态建设规划的空间布局，考虑自然本底特征，搭建南川区“一轴连两翼”的生态网络框架，加强区域生态安全格局的构建。