基于生态敏感性与生态网络的南昌市生态安全格局构建

陈瑶瑶, 罗志军, 齐 松, 赵 杰, 袁 媛, 李 芳

(1.江西农业大学 国土资源与环境学院, 南昌 330045;2.江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室, 南昌 330045; 3.赣州市城乡规划设计研究院, 江西 赣州 341000)

近年来，城市空间急剧扩张使人类活动影响的生态景观的范围和程度愈来愈大，同时给区域生态环境带了许多严重问题。在此背景下，众多学者提出由点线面等生态斑块组成的区域潜在格局——生态安全格局，来维护区域生态平衡和自然生命支持系统[1-6]。通过构建城市生态安全格局，对缓解城市发展与生态保护之间的矛盾、提升城市发展水平意义重大[7]。

1990年以来，诸多学者从土地利用优化[8]、生态网络构建[9]、生态红线划定等[10]视角出发，对农牧交错带[2]、海岛[7]、地质灾害敏感区[11]、干旱区[12]等区域对生态安全格局进行了较多探讨，并形成了“源地识别—廊道模拟—节点提取”这一生态安全格局构建的基本框架，其中，构建生态安全格局的基础是识别生态源地和模拟生态廊道。部分学者直接将自然保护区等[13-14]作为生态源地的做法存在一定的主观性，采用指标体系识别生态源地能够考虑多方面因素，但评价指标体系往往具有针对性[6]。在相关研究中，生态廊道模拟常使用最小累积阻力模型方法，其核心是生态阻力面的构建，其一般做法是对景观类型进行赋值并考虑地形的影响，但忽略了人类行为给周边生态环境带来的破坏。针对当前生态源地识别、生态阻力面构建和生态廊道识别存在一定的主观性与不全面性，本文尝试从景观结构性与连通性角度入手并考虑政策因素，采用形态学空间格局分析(MSPA)和景观连通性分析方法，综合重要性高的生态斑块和自然保护区等识别生态源地；生态阻力面构建中通过距居民点与道路的距离来反映人类活动干扰这一阻力因子。通过将生态敏感性综合评价与生态网络研究结果相结合，科学构建南昌市生态安全格局，并提出优化建议，能够缓解社会发展和城市生态环境二者的冲突，对优化城市空间格局、推动可持续发展和保护生态安全有指导意义。

1 研究区概况与数据处理

1.1 研究区概况

南昌市地处江西省中北部，位于东经115°27′—116°35′，北纬28°10′—29°11′，是一座红色文化城市，与长三角、珠三角以及闽三角相接壤，是连接周边经济区的省际交通廊道。辖区内日照与降水充足、气候温和，全境山、丘、岗、平原相间，呈“西山东水”地理分布格局，拥有丰富的水资源与矿产资源。截至2017年末，常住人口546.35万人，生产总值5 003.19亿元。南昌市是江西省发展的核心，也是国家森林城市，具有明显的生态优势，社会经济和城市化程度正持续进步，如何科学地调节社会发展与生态安全保护的矛盾、促进区域可持续发展，是目前亟需解决的关键问题。

1.2 数据来源与处理

根据研究区范围，为保证景观要素的完整性，本文选择30 m×30 m的栅格作为研究单元。采用的数据主要有：(1) 2017年Landsat8/OLI的2幅遥感影像(来源于地理空间数据云，分辨率为30 m)。利用ENVI 5.0软件对影像进行解译获得土地利用数据，解译精度大于90%；(2) DEM数据(来源于地理空间数据云，分辨率为30 m)。通过ArcGIS 10.2软件生成研究区坡度和洪水调蓄区；(3) 植被覆盖度基于NDVI数据估算得到，NDVI数据利用遥感数据不同波段之间的关系得到，分辨率30 m；(4) 土壤矢量数据(来源于南昌市耕地地力评价成果)，包含土壤类型、土壤侵蚀等数据；(5) 2017年道路数据(来源于地理国情监测云平台)；(6) 地质灾害数据。根据江西省地质灾害“十三五”规划，利用ArcGIS 10.2经过配准、数字化获得；(7) 基本农田数据与生态保护红线(来源于江西省自然资源厅)。

2 研究方法

2.1 生态敏感性分析

生态敏感性是区域生态安全受到影响和破坏的难易性程度，是评价生态系统稳定性的重要标准[15-16]。结合研究区实际情况与数据的可获取性，从地形、土壤、水资源、植被与土地利用方面构建生态敏感性评价体系，参考相关研究[16-20]确定指标因子等级划分标准，使用层次分析法确定指标因子权重(表1)。基于叠加分析法获得生态敏感性初步评价结果，在此基础上利用政策保护因子对其进行修正，获得最终的生态敏感性的评价结果。

表1 生态敏感性评价指标体系

2.2 生态网络构建

2.2.1 生态源地识别 生态源地是维护区域生态健康的重要生境斑块，对保护生物多样性和生态稳定性意义重大[1，21]，在满足人类活动所需的生态环境质量方面也有重要地位[22]。本文结合形态学空间格局分析和景观连通性分析获得生态源地，同时将自然保护区作为生态源地的补充。

(1) 基于MSPA方法的景观格局分析。形态学空间格局分析通过腐蚀、膨胀、开闭运算等数学形态学原理分辨栅格图像结构[23-26]，能将前景分为互不重叠的7类景观。该方法强调数据的结构特征，能很好地体现生态斑块在生态过程中的作用，有助于生态源地的选取[24-25]。

(2) 景观连接度评价。景观连接度是指景观适宜某种生态过程发生的程度[27-28]，通过对不同生态斑块的连通性来判断其重要性，能够较好选取生态源地[29]。本文采用可能连通性指数(PC)评价区域景观连通性，并采用斑块重要性指数(dPC)衡量斑块重要程度并提取源地。

(1)

dPC=(PC-PCremove)/PC×100%

(2)

借鉴相关研究[30-32]，基于Conefor 2.6软件，将连通概率设为0.5，同时选取500，1 000，1 500，2 000 m 4个距离阈值进行比较，最终选择1 000 m的距离阈值进行南昌市斑块连接度分析。使用自然断点法分别将斑块重要性值划分为非常高、高、一般和低4种类型，将非常高、高两个等级作为生态源地。

2.2.2 生态阻力面构建 依据生态安全格局理论，物种迁移和能量流动在空间上活动会受到外界干扰，阻力最低的通道即可为生态廊道[33-34]。基于相关研究成果[34-36]，考虑南昌市发展现状，从地形、景观和人类活动干扰等方面选择10项指标作为生态源地扩张的阻力因素并分等赋值，阻力值大小与阻力强弱呈正相关。根据阻力因子影响生态过程发生的强弱，采用层次分析法获得相应权重(表2)。

表2 研究区生态阻力面评价体系

2.2.3 生态廊道的识别 生态廊道作为生物迁移和物质能量流动的最佳路径，是不同生态源地相互联系的通道。本文在构建的阻力面的基础上，利用最小累积阻力模型获得生态廊道。

(3)

式中:Dij为源地i与j之间的距离；f为最小累积阻力和生态过程的正相关函数；n，m为源地总数；Ri是源地i对生态过程发生的阻力系数。

2.2.4 生态节点的识别 生态节点是指衔接相邻源地的区域，对物种迁移扩散有着至关重要的影响[14]，与生态源地和生态廊道共同构成城市生态网络。借鉴相关研究成果，本文将生态廊道间的交点[37]、以邻近“源”为中心的等阻力线切点[38]作为生态节点。

3 结果与分析

3.1生态敏感性评价

由图1和表3可以看出，南昌市生态敏感性主要为极敏感性和高敏感性，占总面积的69.55%，表明南昌市生态环境较好，其中极敏感区面积为118 001.74 hm2，占总面积的16.40%，呈现大斑块孤立，小斑块破碎的分布特征，大面积极敏感区主要为生态环境良好的林地与水体，比如梅岭国家森林公园、鄱阳湖南矶湿地自然保护区；高敏感区面积为382 477.42 hm2，占总面积的53.15%，可作为人类活动区域与极敏感区之间的缓冲地带。

图1 生态敏感性评价指标因子与结果

表3 生态敏感性评价结果分区统计

中敏感区、轻敏感区和低敏感区面积相差不大，各占总面积的10.09%，9.90%，10.46%，其中轻敏感区和低敏感区大多是城乡建设用地和主要交通干线及周边区域，是人类主要的活动场所，生态环境也更易遭到破坏，对于此类地区需要强化生态环境建设，控制建设用地扩张。

3.2 生态网络构建

3.2.1 生态源地识别 (1) MSPA与景观连通性分析。结合图2和表4发现，核心区占总面积的22.47%，为161 693.91 hm2，表明研究区生态底蕴深厚，主要分布在湾里区、进贤县、上新建东北部、下新建西部、安义县北部等地区。桥接区作为连通景观单元的关键区域，其仅占总面积的0.37%，表明核心区间联系较为薄弱。孔隙和边缘区为核心区的内外部边缘，面积分别为1 699.40，21 742.19 hm2，共占总面积的3.26%，表明核心区抵御外界干扰能力较强。支线具备一部分连接功能，占总面积的0.55%。岛状斑块在生物迁徙运动时具有踏脚石的功能，占总面积的0.24%。作为核心区斑块内部物种迁移扩散和物质流动循环通道的环道区占总面积的0.18%。

图2 基于MSPA的景观要素分类

表4 景观要素分类统计

(2)生态源地的确定。将景观连通性评价结果与自然保护地等相结合得到12个生态源地斑块，总面积为120 871.31 hm2。从图3中可以看出，生态源地主要为安义县、湾里区等生态基础较为良好、物种资源充裕的林地区域以及鄱阳湖、军山湖等大面积湖泊及河流，这些区域作为生物的重要栖息地，是维持南昌市生物的繁衍以及生态系统健康不可或缺的部分。

图3 生态源地分布

3.2.2 综合阻力面 利用ArcGIS 10.2软件得到各阻力因素阻力值分级(图4)，并在此基础上得到研究区综合阻力面和最小累积阻力面。从图5可以看出，综合阻力呈现南北低、中部高的特征，高阻力区主要位于现状建设用地及其周边地区，低阻力区主要为人类活动强度较低的林地与河流湖泊；从最小累积阻力面结果可以看出，中部区域对物种的迁移扩散和物质流动有较大的阻碍作用，南北区域之间的连通性较差，需要加强中部地区林地与湿地景观的保护，控制好建设用地的扩张。

图4 生态阻力面评价指标因子分级

图5 综合阻力面和最小累积阻力面情况

3.2.3 生态廊道判别 基于生态源地和综合阻力面，运用Linkage Mapper工具模拟生态廊道(图6)，结合已有研究[38]，将廊道宽度设为1 km。由表5可知，生态廊道总面积为45 304.66 hm2。由于研究区耕地面积大、分布广泛，且耕地对生态过程发生的影响较小，使得生态廊道中耕地占44.85%，为20 321.15 hm2；林地和水体在生态廊道中面积分别为10 192.88，7 703.51 hm2，共占生态廊道总面积的39.5%，这是因为生态源地主要为生态基础较为良好、物种资源充裕的林地区域以及鄱阳湖、军山湖等大面积湖泊及河流，生态源地间发生生态过程时需要穿越周边林地及水体；建设用地占生态廊道总面积的11.45%，表明研究区城镇建设用地、村庄以及交通用地对生态过程发生的阻碍作用较为突出，生态廊道的稳定性较低，因此在未来的发展建设，应尽量避免占用生态廊道，以保护区域内生态系统稳定与生物多样性。

表5 潜在廊道的景观组成类型统计

3.3 生态安全格局构建

构建生态安全格局的目的在于缓解城市建设和生态安全保护两者的冲突，为城市发展与土地资源科学合理利用提供有力支撑。本文结合生态敏感性综合评价与生态网络研究结果构建南昌市生态安全格局，将极高敏感区与生态源地作为低生态安全格局，高敏感区与中敏感区作为中生态安全格局，轻敏感区和低敏感区作为高生态安全格局(图7)。基于生态安全格局，分别将高、中、低的生态安全格局划为适宜建设区、限制建设区和禁止建设区。在未来发展规划中，适宜建设区内建设用地应尽可能避免占用生态廊道，留有一定的空间作为生态廊道与外界的缓冲区，保护廊道的稳定性，充分发挥生态廊道的连接功能；限制建设区内的开发活动应该以生态保护优先，对维护生态环境以及生态稳定性的活动应该严格控制；建设区中除了国家规划必须要开发建设的项目外，禁止开展任何建设项目。

图7 南昌市生态安全格局构建

3.4 生态安全格局优化建议

3.4.1 加强生态源地保护 生态源地是区域生态安全格局中最基础、最核心的区域，是生物生存繁衍的重要场所，能够维护区域生态环境及生态过程，所以保护生态源地环境及其重要。针对大型林地生态源地应加强该区域现有动植物资源的保护力度，有效保护区域生态多样性稳定健康的发展，使各类生物有较为良好的生存环境。针对水体生态源地，加强湖泊污染防治，实施水土保持等项目，尽量降低人类活动对生态源地带来的干扰。

3.4.2 加强生态廊道建设 根据区域实际情况设置不同宽度的廊道缓冲区，减少外界的干扰；探索“廊道长制”工作机制，明确工作职责。通过加强廊道建设可以促进不同“源”间以及“源”与基质间的生物迁移和物质能量流动，进一步改善生态质量和生态环境。

3.4.3 加强生态节点建设 生态节点能够促进区域物种的迁移扩散，加强其建设能够提升生态廊道的稳定性，增强景观间的功能联系，对维系破碎的生境斑块有着重要作用。一方面可通过提高生态节点来有效发挥其“踏脚石”的功能；另一方面应控制生态节点及其周边地区人类活动强度，并对已经遭到破坏的生态节点进行重点保护与恢复。

4 讨论与结论

4.1 讨 论

本文基于遥感影像数据，结合生态敏感性评价和生态网络研究构建南昌市生态安全格局。在结合形态学空间格局分析和景观连通性评价结果与各类自然保护区数据确定生态源地方面具有一定的创新性，但其他方面存在着不足，具体如下：

(1) 评价指标体系需进一步完善。生态敏感性评价与生态阻力面构建的指标体系虽然从各方面都选取评价因子进行分析，但受数据可获取性的限制，评价指标体系仍有进一步完善的空间。另外采取的层次分析法确定权重时参考相关研究及专家意见的做法较为合理，但结果还是会受到主观性的影响。

(2) 生态阻力面的构建过程中，由于生物迁徙数据获取有限，所得研究结果对不同生物的适用性存在优劣。各阻力因子的阻力等级通过参考已有的研究确定，生态安全格局的构建是否会受到阻力因子不同等级的影响还需要进一步的研究来加以完善。

(3) 通过构建生态安全格局来划定南昌市适宜建设区、限制建设区和禁止建设区时，并未考虑现有政策、城市规划等方面因素的影响。

针对以上情况，在今后研究中可以从数据的获取方面入手，并采用主、客观相结合的权重赋值方式，多角度综合考虑来进一步完善评价指标体系。在构建区域生态安全格局时，还应考虑政策因素、未来规划等方面的影响，使评价结果更为准确合理。

4.2 结 论

(1) 通过生态敏感性综合评价可知，南昌市生态敏感性主要为极敏感性和高敏感性，占总面积的69.55%，表明南昌市生态条件较好，其中极敏感区呈现“大而孤立，小且破碎”的分布特征。

(2) 通过形态学空间格局分析(MSPA)和景观连通性分析，共识别生态源地12块，主要分布于南昌市北部地区与南部地区，为大面积林地和水体，这表明了南北区域之间景观连通能力较弱；综合阻力值表现为南北低中部高的布局特点，表明南昌市中部是生态修复与保护的重点区域；通过最小路径方法，共获得18条生态廊道，其中耕地、林地、水体和湿地是生态廊道关键的景观要素，表明生态廊道具有较高稳定性。

(3) 结合生态敏感性综合评价与生态网络研究得到的结果，可以有效构建南昌市生态安全格局，分别将高、中、低的生态安全格局划为适宜建设区、限制建设区和禁止建设区，并有针对性地提出优化建议。