基于生态安全格局的县域国土空间生态保护修复研究 ——以皖南地区东至县为例

袁 媛， 冯四清， 武立争

(1.合肥工业大学 建筑与艺术学院，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大学 建筑与规划学院，安徽 合肥 230022)

对生态安全格局的研究始于20世纪60年代，经过多年发展，国外对生态安全格局的研究多利用系统动力学模型、线性规划等多学科外延方法，Knaapen等人提出的最小累积阻力模型(MCR)[1]，能够较好地表达物种迁移的潜在可能性[2]；Forman提出景观格局对生态过程具有控制与影响作用[3]。目前对生态安全格局的研究多依赖ArcGIS软件，但研究中存在生态源地选择客观性不强、生态关键区域研究较少、景观类型间的相互影响考虑不够充分等问题。本文根据粒度反推法确定生态源地，多指标综合构建生态安全格局，根据“电路理论”研究确定生态廊道、中心度、生态“夹点”、生态障碍区，提出面向国土空间规划新时期东至县的城市空间发展策略。

一 、数据来源与研究方法

东至县属于安徽省池州市辖县，北部与安庆市隔江相望，南部与江西省浮梁县、潘阳县接壤。县域总面积为3 261km2，地势南高北低，西北部属长江平原区，中部及南部属低山丘陵区。东至县动植物物种丰富，生态红线较为集中。随着城市化进程加快及长三角一体化的发展，东至县建设用地不断扩张，生态环境遭受影响，亟需从生态安全整体性出发进行生态保护修复工作。以研究区域2019年的Landsat 8 OLI遥感影像为基础数据，空间分辨率为30m，行列号为121/39，利用ENVI 5.0软件对OLI影像图进行监督分类，将土地利用类型划分为水体、建设用地、耕地、林地、湿地、裸地、园地7大类[4]。为了消除人工模拟带来的数据偏差，在县界外围设置20%的缓冲区，即将东至县县界外10km的土地均划入研究范围，如图1所示。

图1 研究区域概况

研究方法上，采取以下几点：第一，粒度反推法确定生态源地。生态源地是指生态系统内相对稳定，对生态系统安全稳定性有重要意义或具有辐射功能的生境斑块[5]；粒度反推法指的是基于现状景观类型形成的景观格局，在Fragstats软件中分析景观组分结构在不同粒度上的表示特征，选择最适粒度的景观组分结构作为生态源地，从整体性与连通性角度选取斑块数(NP)、斑块密度(PD)、景观形状指数(LSI)、蔓延度(CONTAG)、连接度(CONNECT)、斑块结合度(COHESION)[6]作为分析指标，选取水体、林地、湿地作为生态景观类型。第二，构建生态阻力面。生态系统中的物质代谢、能量流动和信息交换等过程称为“生态流”，生态流在景观间运行需要克服阻力，这些阻力共同构成了生态阻力面[7]。根据已有研究[6]，选择相关阻力因素构建生态组力面(表1)。第三，生态廊道提取。生态廊道是促进物质流、生态流及生态过程连通，实现区域生态系统功能完整的关键区域[8]。根据电路理论，将生物个体或基因流视为电子，生态阻力面视为电阻面，模拟生物个体或基因流在景观间的最小成本距离，即生态廊道[9]。第四，源地中心度、生态“夹点”、生态障碍区识别。中心度分析利用Centrality Mapper工具，将每个源地视为一个生态点，任意两个源地之间的最小成本路径视为一个电阻，对一个源地输入1A的电流，另一个源地接地，依次对所有源地进行迭代运算后，将通过所有源地和最小成本路径的电流叠加，得到累积电流值，累积电流值越大，则该源地和最小成本路径对于维持生态景观整体连通性的意义越大。电流密度表示栅格数据中单个像元通过的电流量，电流密度越高表示该区域在生物转移迁徙过程中通过的可能性越高，或具有不可替代的作用，可以用于识别生态廊道中电流量较高区域，即生态“夹点”。利用Pichpiont Mapper工具将一个源地接地，其它所有源地输入1A的电流，迭代计算通过每个栅格像元的电流值来识别整体生态景观中的“夹点”。生态障碍区指的是生物个体或基因流在景观面上运动受到阻碍的区域，该区域阻碍整体生态安全格局的连通性及改善的可能性。利用Barrier Mapper工具，在生成的最小成本距离(LCD)的基础上，设定直径为L的移动搜索窗口像元值降低一个单位后，最小成本距离将变为LCD1，即整体网络的潜在降低值为ΔLCD=LCD-LCD1，整体改善系数α=ΔLCD/L，改善系数α越大，表示该区域对于恢复源地间连通性作用越大，通过运算可以得到整体生态格局中生态廊道的改善系数α较大区域，即生态障碍区[9]。

表1 景观类型阻力值表

二、结果与分析

根据东至县生态景观类型，生成8种不同粒度的景观组分结构栅格图(图2)。

图2 不同粒度景观组分栅格图

利用Fragstats软件计算不同粒度下的指标数值，得到东至县景观格局指数折线图(图3)。根据数据曲线变化趋势可知，当粒度大于400m后，NP、PD、LSI、CONTAG指数趋于平稳，下降率降低，COHESION指数起伏度降低，且在400m粒度时CONNECT指标达到最大值，说明在该粒度指标下，东至县景观组分的整体性与连通性最高，因此可将400m粒度的矢量图与源地矢量图叠加反选，得到初步选取的生态源地。

图3 不同粒度景观格局指数折线图

考虑到东至县山林面积大，面积太小的斑块对整体景观环境的影响不明显，因此本文选取面积大于1km2的初选生态源地斑块作为东至县的生态源地(图4)。

统计后可知，东至县生态源地共95个，总面积为4 114km2，主要分布在中部及东南部，西北及北部沿江地段分布较少，其中林地共3 810km2，占生态源地面积的92.61%，水体、湿地共304km2，占生态源地面积的7.39%。

(1) 生态安全格局构建 根据表1构建综合阻力面，利用Linkage Mapper计算生成生态廊道，结合生态源地形成东至县综合生态安全格局(图5)。东至县县域内，高阻力区主要分布在南北两端，现状土地利用主要为耕地，人为干扰较强；中部地区也有一些较高阻力区，呈分散分布，大部分位于城关镇及下辖乡镇中心区，主要为建设用地，如尧渡镇，由于西部香隅镇化工园区及耕地占地面积较大，导致西部地区的阻力值也较高；南部主要为山区林地，少数村落分散在低谷区域，对生态景观的干扰较低，因此大部分阻力值较低。

统计可知，研究区域内共有80条关键生态廊道和22条潜在生态廊道，东至县县域范围内关键生态廊道54条，共计35 955.42m，其中最长为6 157.13m，最短为26.51m；潜在生态廊道18条，共计79 889.14m，其中最长为9 898.45m，最短为116.11m。县域内连接生态源地且长度小于1km的关键生态廊道有42条，占总关键生态廊道的77.78%，这与东至县山体覆盖较广有关，源地之间距离较小，廊道长度随之降低，大于1km的生态廊道共12条，占总关键生态廊道的22.22%，且均分布在西部及北部，这与西部及北部建设用地占比较大相关，生物个体及基因流的转移需要跨越较大范围实现。研究区域范围内大于5km的潜在生态廊道共有11条，研究区域南北均有分布，其中4条连接县域内生态源地，其余均与县域外部生态源地相接，且潜在生态廊道主要分布在南北两端生态源地相隔较远、生态阻力值较大区域，表明东至县生态源地并非孤立存在，进行生态保护时，还需考虑到与相邻市县的生态连通。

生态廊道将生态景观连接形成更为完整的网络，在生态环境修复过程中具有重要作用[10]。根据关键廊道分布土地利用情况及廊道连接源地的属性进行统计可知，县域内共有水域生态廊道12条、建设用地生态廊道9条、农业生态廊道11条、林地生态廊道22条。其中水域生态廊道的优化应遵循长江与皖南地区文化底蕴，利用沿江优势，改善堤岸景观带，结合升金湖珍稀物种栖息湿地特点，以保护珍惜物种栖息地为原则，广泛获得与水域相关的其他系统信息，结合水源地保护与景观价值提升打造水域生态廊道景观发展格局[11]。建设用地生态廊道的优化应注重其宽度的设定，建立一定缓冲区，防止自然生态系统受到人为因素的破坏，并在廊道区域进行生态景观规划，提高生态系统的稳定性与层次性。农业用地生态廊道连接林地源地，所以控制污染物进入源地是农业用地生态廊道建设的重点。林地生态廊道在整个县域内都有分布，是维系东至县生态安全格局的关键因素，所以在进行廊道建设过程中，应注重将林地连接成片，以加快生态源地之间物质流与能量流的交换，维持区域整体与安全稳定[12]。

(2) 中心度分析 利用Centrality Mapper工具测得源地与最小成本路径的中心度(图6)。

图6 中心度分析图

源地的电流值区间为23-132.98A，最高电流值的生态源地共22个，面积均较小，分散分布于西北部及南部，这些生态源地它们对于维持东至县生态安全格局整体连通性意义较大。最小成本路径的电流值区间为0.17-65.45A，电流值大于20A的最小成本路径(生态廊道)共11条，主要分布于北部与南部，同样地，这些最小成本路径对生态安全格局的整体连通性贡献最大。因此在进行生态保护修复时，应注重对这些源地与廊道的保护，避免这些区域受到破坏而导致整体生态安全格局的破碎。

(3) 生态“夹点”识别 考虑到东至县源地较多、相邻较近，过宽的廊道在研究分析中意义不大，因此根据相关已有研究可知[12]，廊道宽度为600m时，内部可以形成较为丰富的生态景观结构，廊道宽度为1 200m时，可以产生真正的内部生境，并且满足大部分动物的迁移。在本研究的“夹点”分析中，选用600m为廊道宽度的阈值基数，并倍数扩大，观察不同阈值下，东至县生态“夹点”的分布情况。

图7 不同廊道宽度下的“夹点”识别

计算所得结果如图8所示，“夹点”出现的区域呈窄小线状。统计后可知，东至县县域内共有“夹点”31处，多分布于中北部及南部(表2)，其中大渡口镇、张溪镇共有3处生态“夹点”分布于升金湖沿岸。升金湖是国家重点水禽自然保护区，但沿湖耕作对沿岸湿地滩涂的生物迁徙造成潜在影响，因此应注重对湖泊的生态保护与修复。其余分布于水域的“夹点”均处于河道内，这些区域周边多被建设用地或大面积耕地包围，因此应控制建设用地开发、污染排放，并对区域进行整治清理，保证区域生态环境质量不会进一步下降。

表2 生态“夹点”分析表

(4) 生态障碍区识别 利用Barrier Mapper工具生成县域内生态障碍区16处(图8)，多分布于县域西北、西南及北部，具体如表3所示，中部与东南部乡镇少有生态障碍区分布，与东南部为皖南山体绵延区，林地分布密集相关。大部分生态障碍区均位于非生态源地，因此可知人为活动对生态环境造成巨大影响。尧渡镇的水域生态障碍区位于黄泥湖内，大渡口镇、胜利镇、张溪镇的水域生态障碍区均位于升金湖内，两个湖泊覆盖面积广，湖中少有岛屿分布，因此使湖泊南北两侧生态源地之间物种联系降低，但作为水产鱼货较多区域，湖泊内部的生态系统较为完善，可不作为需要修复的生态障碍区进行考虑。其它生态障碍区均处于建设用地或耕地中，可针对不同地区土地利用进行生态障碍区修复工作增强源地之间的可达性，提高县域内整体生态的连通性与稳定性。

图8 生态障碍区识别

表3 生态障碍区分析表

续表

三、结论

本文以皖南地区东至县为研究对象，基于新时期提出的国土空间生态保护修复机制，探讨东至县生态安全格局优化调整策略。研究从科学与客观的角度，通过东至县生态安全格局构建，识别国土空间生态保护修复区域，并根据研究结果探讨适宜的保护修复策略。研究结论如下：第一，400m粒度是东至县生态源地识别的适合大小，根据该粒度，可识别研究区范围内共有生态源地95个，共4 114km2，主要为林地与水域。第二，研究区范围内共识别关键生态廊道80条，潜在生态廊道22条，县域内关键生态廊道54条，共计35 955.42m；潜在生态廊道18条，共计79 889.14m。第三，研究区范围内识别出22个较高电流值的生态源地与11条生态廊道，这些生态源地与廊道是生态安全格局中的核心区域，对维持生态安全格局整体连通性具有重要意义。第四，研究识别出东至县亟需修复的生态区域有：31处生态“夹点”与16处生态障碍区，生态“夹点”是生态环境中不可替代的区域，对这些区域应进行生态保护，不得进行破坏生态环境的人为活动，生态障碍区是生态环境中阻碍生态源地间生物流、使生态空间破碎的区域，需根据土地利用现状，针对性地提出修复方案与措施。

另外，本研究运用电路理论模拟生物个体与基因流在景观类型间的运动过程，相对于以往最小累积阻力模型等方法具有出生扩散行为模拟的优势，物种缺少对即将穿越环境的先知，只有根据所遇景观环境进行不断选择，这种运动特征与电子随机游走特征相似，因此选用电路理论来模拟生物个体与基因流的运动是合理的。基于电路理论，本文对东至县进行了生态源地中心度、生态廊道中心度、生态“夹点”和生态障碍区的识别，在此基础上利用自然断点法将生态源地和生态廊道分别划分成关键区、控制区和提升区，与生态“夹点”和生态障碍区进行叠加，获得东至县国土空间生态保护修复关键区域的分布情况，如图10所示。结合东至县国土空间土地利用现状，对生态保护修复关键区域的修复策略如下：

第一，生态源地关键区域的面积约为3 497.12km2，该区域大面积成片分布于东至县西南部乡镇：尧渡镇、葛公镇、洋湖镇、花园乡、官港镇、泥溪镇、木塔镇，用地现状以林地为主，森林覆盖率高，是保持县域生物多样性和水源涵养的支撑区域。对该区域应加强森林保护，严格控制人为建设及森林砍伐等不利于生态环境的各类活动。

第二，生态源地控制区域面积约为243.22km2，该区域主要分布于县域西北与南部乡镇，用地现状包括部分长江水域与南部林地，长江水域是区域发展的重要基础，也是区域生态保护的重要屏障，因此对该区域应注重长江水环境治理、水环境保护监测等生态工程的建设，同时南部林地应与周边生态关键区域林地结合，对人为建设等活动进行一定限制。

第三，生态源地提升区域面积约为374.02km2，该区域主要分布于南北乡镇：大渡口镇、张溪镇、昭潭镇、泥溪镇，用地现状主要为水域、湿地与林地，水域与湿地主要包括部分长江与升金湖国家自然保护区。对区域中升金湖国家自然保护区应进行圈层式生态控制，划定禁止建设区、限制建设区与风貌协调区范围，在限制建设区内严格限制可能会对水域与湿地发展和恢复造成影响的人为建设活动，加强对湖泊的清淤截污和湿地的保护恢复建设，提升升金湖自然保护区的生态服务价值。

第四，由于东至县生态源地面积较大且距离较近，生态廊道关键区与控制区均较短，但对于维持生态安全格局整体连通性具有重要意义，因此应注重维持这些区域的生态景观类型。生态廊道提升区主要位于县域中北部与南部，相对于廊道关键区与控制区较长，且主要土地利用性质包括建设用地与耕地，因此应注重这些区域的生态工程建设，如城市绿带、绿心、耕地整治，加强野生动物迁徙通道监测，避免人为活动对野生动物活动空间的阻碍，改善区域内生态环境质量。

第五，由图9可知，部分生态“夹点”与生态障碍区重合，且大多分布于县域南北。生态“夹点”对于整体生态安全格局具有不可替代的作用，因此划定东至县生态保护红线时，应注重对这些区域的囊括，加强区域生态建设与恢复工作，保障东至县整体生态系统的稳定性。在划定城镇开发边界与永久基本农田保护红线时，应注重对生态障碍区的剔除，建议按照障碍区累积电流恢复值由高至低逐一清除，完善障碍区生态修复。根据三线划定范围，统筹生态、生产和生活空间，合理界定建设用地、农业用地与生态用地，促进土地集约利用，营造皖南地区美丽宜居的山水城市。

图9 东至县国土空间生态保护修复关键区域分析图