基于生态系统服务评价与最小阻力模型的生态安全格局构建——以临沧市为例

刘 芳，张星梓，任 静，刘岳雄，王万宾

(云南省生态环境科学研究院，云南 昆明 650034)

0 引言

近年来生态安全从国家安全、全球安全, 维护人类自身安全等方面都愈发突出其重要性(肖笃宁等，2002；邹长新等，2003)，生态安全的研究方向也从概念及过程探讨渐渐转向了应用分析(Liu,2015)，同时有学者将景观生态学的格局与过程相互作用理念引入生态安全的研究(彭建等，2017)，不同学者基于景观生态学的理论框架对区域生态安全格局进行构建(俞孔坚，2009；蒙吉军等，2012；王让虎等，2014)。 区域生态安全格局(ecological security)，是指针对区域生态环境问题，在干扰排除的基础上，能够保护和恢复生物多样性、维持生态系统结构和过程的完整性、实现对区域生态环境问题有效控制和持续改善的区域性空间格局(马克明等，2004)。MCR模型的优势在于它综合考虑了景观单元间的水平联系，而非景观单元内部的垂直过程，因此，能够较好地反映生态安全格局的内在有机联系，在生态安全格局优化方面具有良好的适用性和扩展性(李晶等，2013)。

本文以临沧市为研究区域，以最小累积阻力模型构建临沧市生态安全格局体系。首先通过生态系统服务重要性和生态敏感性评价，将临沧市极重要和极敏感区域作为MCR生态安全格局构建的源地，综合考虑距离居民点、道路、水系的距离，土地利用、植被覆盖、地形因素等因子来构建生态源地扩张的阻力面，通过层次分析法确定各阻力面权重，计算临沧市生态源地扩张综合阻力面。通过综合阻力面分析临沧市生态安全水平、生态廊道、战略节点。为优化区域国土空间布局和生态安全管理提供科学参考。

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

临沧市地处云南省西南部，位于东经98°40′～100°32′，北纬23°05′～25°03′，北回归线横穿辖区南部，澜沧江、怒江流经辖区东、西两侧，东邻普洱市，北连大理州，西接保山市，西南与缅甸交界。国境线长290.79km。国土面积2.4万km2。市政府驻地距省会昆明598km。临沧市地处横断山系怒山山脉南延部分，属滇西纵谷区。全境重峦叠嶂，群峰纵横。境内最高点为海拔3429m的永德大雪山，最低点为海拔450m的孟定清水河，相对高差达2979m。地势中间高，四周低，并由东北向西南逐渐倾斜。临沧市属亚热带低纬高原山地季风气候，地形地势复杂，是一个多种气候类型的地区。主要受印度洋暖湿气流和西南季风的影响，四季区分不明显，但干雨季分明，雨水较多，日照时间长，年平均日照数在2000h以上，霜期较短，部分地区终年无霜；立体气候明显，平均气温山区年为13～15℃，中海拔坝区为16～18℃，低海拔河谷地区在19℃以上。临沧市野生动物中有兽类121种、鸟类413种、爬行类55种、两栖类35种、鱼类85种，有重点保护野生动物97种，其中国家一级重点保护野生动物19种、国家二级重点保护野生动物73种、省级重点保护野生动物5种。沧源南滚河流域是中国亚洲象的第二分布区，豚鹿、黑长臂猿滇西亚种、白掌长臂猿在中国仅分布于临沧。

1.2 数据来源及处理

研究中用到的数据有：归一化植被指数(NDVI)数据、植被净初级生产力(NPP)数据、土壤属性数据、数字高程模型(DEM)数据、气象数据(气温、降水)、道路图、水系图等。

其中NDVI数据为MODIS植被指数16d合成产品MOD13Q1，来源于地理空间数据云，空间分辨率500m。土地利用数据来源于全国地理信息资源目录服务系统中的全球地表覆盖数据，为2010年，空间分辨率30m，主要地表覆盖类型有耕地、森林、草地、灌木地、湿地、水体、人造地表、裸地。DEM为ASTER GDEM数据，空间分辨率30m，来源于地理空间数据云。土壤数据基于世界土壤数据库(HWSD)的中国土壤数据集，数据来源于“黑河计划数据管理中心”(http://westdc.westgis.ac.cn)，空间分辨率1km。道路、水系数据来源于全国地理信息资源目录服务系统中的1∶100万全国基础地理数据库。

研究中将所有数据都统一空间分辨率为500m，统一使用WGS84椭球体，UTM投影，带号N47。

2 研究方法

生态安全是可持续发展的保障，而生态系统服务是生态安全的表征(王晓峰等，2012)。本次研究中对临沧市生态系统服务评价主要包括重要性和敏感性评价两方面，生态系统服务重要性评价包括生物多样性保护和水源涵养生态系统服务重要性评价，生态敏感性评价则包括水土流失敏感性评价(杨姗姗等，2016)。基于生态系统服务评价结果选取生态源地，并建立阻力面。基于最小累积阻力模型，利用地理信息系统软件的的空间分析模块计算生态源地和阻力面的最小累积阻力。最后确定缓冲区、生态廊道、辐射通道、生态战略节点组分的空间分布，构建区域综合生态安全格局(潘竟虎等,2015；刘孝富等，2010)。

最小累积阻力模型MCR：最小累积阻力(即最小费用距离)是指从“源”斑块到达最近目标斑块的过程中穿过不同阻力的景观时克服阻力所做的功或耗费的费用，亦即累积费用距离。其基本计算公式如下：

式中：MCR是最小累积阻力值；Dij表示物种从源j到景观单元i的空间距离；Ri表示景观单元i对某物种运动(或者说生态空间扩张)的阻力系数；∑表示单元i与源j之间穿越所有单元的距离和阻力的累积；min表示被评价的斑块对于不同的源取累积阻力最小值；f表示最小累积阻力与生态过程的正相关关系，是一个单调递增函数。

最小累积阻力值反映了物种运动的潜在可能性及趋势，通过单元最小累积阻力的大小可判断该单元与源单元的连通性和相似性(俞孔坚， 1999)。

2.1 确定源地

生态评估方法生态系统服务功能重要性包括水源涵养重要性和生物多样性保护重要性，通过NPP指标法进行评估。敏感性评估基于通用水土流失方程(RULSE)进行。将重要性评估和敏感性结果中极重要和极敏感区作为临沧市生态源地(周锐等,2015；吴健生等,2013)。

2.2 阻力面构建及权重确定

最小累积阻力模型建立生态源地与城镇扩张用地这两个生态变化过程的最小累积阻力面，以最小累积阻力差值结果作为构建临沧市生态安全格局的基础数据。

生态源地扩张阻力时主要考虑的因子有距离居民点、道路、水系的距离，土地利用、水土流失、植被覆盖、地形因素，这些阻力因子和阻力值分级，通过相关文献中的统计和经验标准，并结合研究区实际情况制定各因子阻力分级表(蒙吉军等，2016；周锐等，2013)。本文将阻力因子分为5个等级，分别用5，4，3，2，1表示，详见表1。

表1 临沧市阻力因子赋值表

将各个评价因子的原始数据进行标准化处理后对阻力进行赋值，依据各评价因子的影响程度大小采用层次分析法(AHP)确定其权重。层次分析法通过调查问卷确定评价各影响因素之间的相对权重，对任意两个方案对于某一准则的相对重要性得到定量描述，即对同一层次的影响因素相对重要性进行两两比较。构建判断矩阵，最终获取各组分的权重(郭金玉等，2008)。

2.3 生态安全水平划分

基于最小阻力的生态源地扩张阻力分析，根据层次分析法计算获得各因子权重，按其权重计算综合最小累积(费用)阻力面。本文采用自然断裂法对生态源地空间阻力运动的综合最小累积(费用)阻力面进行空间聚类，据此划分出3种安全水平下的生态用地：高、中、低水平生态安全用地。

2.4 生态廊道与生态战略节点识别

生态安全格局组分主要包括生态源地、缓冲区、生态廊道、辐射通道、生态战略节点。通过这些组分的空间分布组合，综合构建区域生态安全格局。

生态廊道可以连通彼此隔离的景观元素，达到保护和恢复生物多样性、维护和传递生态功能的重要作用(郑好等，2019)。是景观中与两侧基质有显著区别的狭带状地，它一方面作为障碍物隔开景观的不同部分；另一方面作为通道将景观中不同部分连接起来，有利于物种在“源”间及基质间的流动，其结构特征对一个景观的生态过程有强烈影响。生态廊道一般由植被、水体等生态要素构成，具有维持物种多样性、保持水土、防风固沙、涵养水源等功能。

生态战略节点：鞍部战略点，它们是相邻源等阻线的相切点，起到源间“跳板”的作用。生态节点一般位于生态廊道上生态功能最薄弱处，即最小路径与最大路径的交点或最小路径的汇集处，它将零散的斑块连接起来，并对生态流的运行起关键作用。其生态地位关键，外界的干扰会对其产生较大影响。部分节点起着基石作用。

3 结果与分析

3.1 生态源地确定

生态系统服务评估包括水源涵养重要性、生物多样性保护重要性和水土流失敏感性评价，据临沧市MODIS影像计算的植被净初级生产力NPP，采用NPP定量指标评估方法对临沧市生态系统服务重要性进行评估，对评估结果分为一般重要、重要、极重要三级。敏感性评估基于通用水土流失方程(RULSE)进行。临沧市水源涵养重要性评估和生物多样性保护重要性结果见图1(a、b)，水土流失敏感性评估结果见图1(c)，将临沧市重要性评估和敏感性结果中极重要和极敏感区作为临沧市生态源地，临沧市生态源地见图1(d)。

图1 临沧市生态系统服务评价结果及生态源地图

3.2 生态源地确定及综合和阻力面构建

本研究通过建立临沧市生态源地扩张阻力面AHP专家问卷邀请专家打分，在yaahp层次分析法软件中输入专家打分结果，获得各阻力面的权重。基于层次分析法的阻力面权重见表2，按其权重计算综合最小累积(费用)阻力面，各阻力面见图2(a～g)，综合阻力面见图2(h)。

图2 临沧市各要素阻力面及综合阻力面

表2 临沧市阻力面权重表

3.3 临沧市生态安全格局构建

本文基于自然断裂法对生态源地空间阻力运动的综合最小累积(费用)阻力面进行空间聚类，划分出临沧市3种安全水平下的生态用地。低安全水平的生态用地面积为2014.25km2，占区域总面积的8.57%。中安全水平的生态用地面积为 7610.41km2，占区域总面积的32.22%。高安全水平的生态用地面积为13985.49km2，占区域总面积的59.21%。临沧市安全水平见图3(a)。

表3 临沧市不同安全水平的生态用地面积比例

低生态安全水平用地是为保障自然生态系统服务所保留的最小土地底线，也是城市开发建设不可逾越的底线，本区内的土地利用应以严格的生态保护为主，原则上，任何形式的城市建设行为不得侵占这类生态用地。同时，本区内应积极进行生态恢复，如选用乡土物种进行生物栖息地的生态恢复与保育、保持河流湿地的自然形态以及重点恢复多样性的鸟类栖息地系统等。中安全水平区应以自然型土地利用为主，创造自然生态系统，充分发挥自然力的条件，以满足生态走廊的综合功能需求。高安全水平区土地利用的重点是控制城市建设活动对生态用地的干扰程度，同时应积极地对已被破坏或强度人工化的关键位置进行生态修复，通过土地利用方式的调整和植被恢复，保证生态过程的完整性、满足生态隔离带的需求、做好与城市边缘集团的生态隔离等[8]。

通过地理信息系统软件分析生态源地与综合阻力面，识别临沧市生态廊道和生态战略节点。临沧市生态廊道及生态战略节点见图3(b)。通过临沧市生态系统服务评估、生态源地识别、MCR综合阻力面构建、生态廊道及生态源地识别，最终构建出临沧市三屛一带的生态安全格局。三屏为南滚河自然保护区天然屏障，主要位于沧源县和耿马县境内，主要为临沧市生物多样性保护提供屏障，位于中部的永德大雪山生态屏障区和位于西部的镇康边境生态保护屏障区。一带为澜沧江水源涵养保护带，从北至南沿澜沧江分布，主要为澜沧江水域涵养区。

图3 临沧市生态安全格局构建结果图

4 讨论

虽然阻力因子的确定无碍于运用最小累积阻力模型开展城市土地生态适宜性评价研究，但由于阻力因子的选择与赋值是影响最终结果的重要因素，因此本文所建立的阻力评价指标体系值得商榷。由于生态学本身缺乏标准，且相关土地生态重要性的研究还没有达成统一的认识，因此本文选择的阻力评价因子难免有遗漏，因子间也可能存在重复，其选择的科学性和客观性有待深入研究。本文采用5个等级来评价单项阻力，分别用1～5来表示，等级的划分标准同样采用专家咨询的方式产生。由于这种赋值方式较为主观和牵强，直接影响了评价结果的客观性，因此，在今后的研究过程中还需逐步克服等级划分非此即彼的主观线性思路，适当考虑引入模糊数学及非线性数学的方法改进阻力赋值方式。

研究过程中发现，源地的选取对阻力面及后期廊道、生态战略节点构建影响较大，后续研究应着重于如何科学选取生态源地，以使后期得到的成果更为可信。由于累积阻力从“源”开始，因此“源”的选取与分布十分关键，必须是典型、稳定且具备一定面积的土地利用单元。“源”的分布也直接影响到整个阻力面的特征，若“源”相对集中，则阻力面较为完整，若“源”相对分散，则阻力面会呈斑块状形态。

本文最终构建的生态安全格局基于理论研究，下一步如何与实际管理结合，如何为管理者提供科学合理的决策将是未来的研究重点。