基于MCR模型和DO指数的宁夏沿黄生态经济带生态安全格局构建

成文浩，李同昇，马彩虹

(1.西北大学 城市与环境学院, 陕西 西安 710127; 2.宁夏大学 地理科学与规划学院,宁夏 银川 750021)

生态安全格局作为沟通生态系统保护和人类社会发展的桥梁,对维持生态平衡、促进能量流通,推动经济发展起着重要作用[1];目前已经运用于自然资源空间精准识别与管制、城市生态控制边界划定以及环境承载力评价等方面[2-4]。宁夏沿黄生态经济带生态资源丰富、人口分布集中、生产活动密集,是国家实施黄河流域生态保护和高质量发展战略的重要区域。但由于地处西北干旱半干旱地区,生态脆弱、环境易受到破坏,出现了如城市边界扩展、土地类型变化导致的生物多样性减少,产业布局不合理造成生态空间与生产、生活空间错位发展等问题。因此,构建宁夏沿黄生态经济带生态安全网络,建立区域生态安全格局是急需解决的现实问题。

国内外有关生态安全格局构建的研究,主要采用“源地-廊道”的范式[5]。生态源地使用测度生态重要性、生态敏感性、形态学空间格局及景观连通性等定量方法[6-9],构建综合评价指标体系来识别。其中,生态重要性和生态敏感性指标主要关注土壤保持、水源涵养、生物多样性保护等具体生态服务。形态学空间格局和景观连通性方法主要关注生态源地在物种生存迁徙中发挥的作用和不同源地之间连通的可能性。鉴于宁夏沿黄生态经济带范围内植被覆盖率低,生态源地空间分布分散,需要更多关注物种在不同源地之间迁徙的可能性;采用形态学空间格局和景观连通性的方法识别生态源地,更适合研究区生态安全格局建设的需要。生态廊道的提取多采用最小累计阻力模型、电流理论、图论方法等[10-12],由于最小累计阻力模型(minimum cumulative resistance model,MCR)综合考虑了地形、环境等因素,具有数据需求简单、运算效率高、分析结果可视化程度高等优势,是提取生态廊道最常用的方法[5,13]。目前已有的生态安全格局研究中,往往把研究区作为单一尺度着手,采用统一标准提取生态廊道[14]。同时,MCR模型也有一定的局限性,重点表征的是自然因素对景观尺度生态安全格局的影响;而人类生产、生活活动对生态环境的影响,通常仅被作为设置生态阻力面的某一个因子,没有被单独列为一种格局进行分析。现实中生态廊道所经区域土地利用类型多样、不同尺度间异质性明显,尤其是城市所在地受人类生产、生活活动影响强烈;如不考虑尺度差异和人类活动的影响,使用统一指标体系建立的生态安全格局,结果往往会产生偏差。 因此, 尝试从不同尺度提取生态廊道尤为必要, 景观尺度生态廊道的提取采用MCR模型; 城市尺度生态廊道可在城市居民生产、 生活空间集聚圈内, 结合城市本底提取。 对城市中居民生产、 生活活动空间集聚范围测度, 可引用计算产业集聚和分散范围的(duranton and overman, DO)指数; DO指数采用无参数回归的方法, 可在任意范围内识别出居民生产、 生活活动集聚区间, 避免了人为因素将测度要素分配到某一行政边界内的缺陷[15]。

本文在MCR模型和DO指数结合的基础上,将景观尺度和城市尺度的生态安全网络叠加,构建宁夏沿黄生态经济带综合生态安全格局;探索不同尺度融合共生空间,提供生态安全格局多样化构建途径,为西北干旱半干旱地区生态保护与居民生产、生活活动的空间协调发展提供参考。

1 研究方法和研究框架

1.1 研究区概况

宁夏沿黄生态经济带包括银川市和石嘴山市全域,吴忠市利通区、县级青铜峡市,中卫市沙坡头区和中宁县(见图1);规划面积2.2×104km2,2020年末常住人口505.4万,经济总量3 211.2亿元,人口和经济总量分别占宁夏全区的70.1%和81.91%,在宁夏经济社会发展全局中占据着重要的地位,是促进生态文明建设和引领高质量发展的核心区域。宁夏回族自治区在推进生态立区战略的实施意见中提出“打造沿黄生态经济带”战略构想,指出正确处理保护和开发的关系,科学布局沿黄地区生态、生产、生活空间;2021年11月《宁夏回族自治区国土空间规划(2021—2035)》征求意见稿,提出建立“一带三区”国土空间开发保护总体格局,构筑更加安全多样的生态空间,“一带”即为宁夏沿黄生态经济带。

图1 研究区概况Fig.1 Geographical location of the study area

1.2 数据来源

本文使用的土地利用数据(2018年30 m空间分辨率)来源于中国科学院资源与环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn)。高程和坡度数据(90 m分辨率)来源于地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn)。NDVI数据来源于 Landsat-SR卫星地表反射率产品。企业与住宅、小区等数据从Open Street Map(http:∥www.openstreetmap.org)下载,对应的空间信息使用百度地图API获取。

1.3 研究框架

本文构建的宁夏沿黄生态经济带综合生态安全格局由景观生态格局和居民生产、生活格局叠加而成。两种格局的整合能同时满足生态保护和居民生产、生活活动需要。一方面,依据“源-汇”理论,从土地利用的视角识别生态源地,通过MCR模型生成物种交流扩散最小成本路径景观生态廊道[5]。另一方面,以“中心-边缘”理论为依据,使用DO指数,计算连续空间上生产、生活设施布局点,得到居民生产、生活活动集聚圈。在景观生态廊道与居民生产、生活活动集聚圈两者冲突处布局生态-生产、生活战略节点,结合城市本底规划城市绿带[14-15]。框架如图2所示。

图2 宁夏沿黄生态经济带生态安全格局研究框架Fig.2 The research framework of ecological security pattern construction

1.3.1 景观生态格局分析

1)生态源地识别

本文采用形态学空间格局(morphological spatial pattern analysis, MSPA)和景观连通性指数(landscape connectivity analysis, LCA)方法,识别研究区内的重要生态源地,得到MCR前期模型。MSPA方法采用形态变换图形原理,将图像经过腐蚀、扩张、开闭运算等过程,把目标像元分为核心区、桥接区、孤岛、环岛、边缘区、穿孔和支线等7个互不重叠的类型;将核心区和桥接区斑块作为物种生存繁衍的场所。使用MSPA 方法能够快速获取生态源地斑块,但栅格大小和边缘宽度会影响景观格局和分析结果。在同一研究区域内,栅格过大会使面积较小的斑块未能被计算在内;栅格过小又会使不具有生态学意义的斑块增多。斑块边缘宽度数值越大,核心区、边缘区就会越少,桥接区和孤岛更多,反之相反[8,16-17]。使用Guidos软件,经过多次最邻近法对数据进行重采样后,选择栅格大小为30m×30 m、 边缘宽度为1 m的像元能够较好保留研究区内斑块,使研究数据精度达到要求。

景观连通性指数(LCA)是研究斑块之间物质能量交换、物种迁移的重要方法,常采用整体连通性(integral index of connectivity, IIC)、可能连通性指数(probability of connectivity, PC)和斑块重要性(importance, IPC)3个景观指数作为衡量的指标,用来测度研究区内核心斑块的链接度水平[10]。相关指数的计算方法如下:

(1)

(2)

(3)

其中：n为研究区斑块总数；ai和aj为斑块i或j的面积；pij为斑块i或j之间连通最大概率；AL为研究区景观总面积；nlij指i和j之间链接数量；PCremove为某斑块移除后的景观链接度值。计算斑块间景观连通性程度时,需要考虑作为生态源地的斑块面积大小、斑块连通性距离阈值和斑块间连通性概率。作为生态源地的斑块,需要满足生物生存和繁衍的可能;斑块连通性距离阈值和连通性概率值大小会影响IIC和IPC的结果。当斑块间距离大于阈值时或斑块间连通程度低于斑块间连通性概率时,表示两斑块间不连通;当增大距离阈值或缩小斑块连通性概率时,斑块间连通性会提高[8,16-17]。使用Congfor 2.6软件多次模拟,将斑块面积设定大于1 km2,连通阈值设定为1 km,连通概率设定为0.3,识别出的重要生态源地符合研究区景观特征。

2)生态阻力面设置

生态阻力面反映的是物种迁移时受到不同景观特征阻力的程度,生态阻力面设置受自然本底因素、环境变迁及人类开发活动的影响。参考已有研究成果,遵循易获取和可量化原则,根据自然因素和社会经济因素相结合情况,本文选择土地利用类型、高程、坡度、景观破碎度、到道路(铁路、高速公路、国道)的距离和NDVI为设置生态阻力面的因子,作为MCR模型成本数据[10-11,14,18-20]。根据相关文献和专家打分结果,按照生态安全水平等级,将各生态阻力因子阻力分值为1～5级,将各生态评价阻力因子赋予相应的权重;阻力分值等级越高表示物种迁移扩散过程受到某项因子阻力越大(见表1)。

表1 生态阻力评价指标体系Tab.1 Ecological resistance evaluation index system

3) 生态廊道提取

生态廊道的提取采用最小累计模型(MCR)[21],该模型通过生态源地和最小阻力面计算像元到成本面上最近单元的最小累计成本,反映物种从源地到目的地迁徙的可能性,公式如下:

(4)

其中：MCR表示生态源地到其他生态源地的最小累计阻力值；Dij表示物种在源点i到源点j的距离;Ri表示空间单元i的阻力值。基于MCR模型,通过计算生态源地斑块间的最小成本路径,去除重复路径后得到潜在生态廊道。

计算生态源地之间相互作用矩阵,根据相互作用力大小将潜在生态廊道进行排序和等级划分,进而提取关键生态廊道。重力模型方法如下:

(5)

其中：Gab是生态源地a与b之间相互作用力；Na、Pa、Sa分别为生态源地a的权重值、阻力值和面积；Dab为两个生态源地a、b之间潜在生态廊道的标准化值；Lab为是生态源斑块a、b之间潜在生态廊道的累积阻力值；Lmax为研究区中所有潜在生态廊道阻力值中最大值。生态源地之间相互作用力越大,生态廊道的重要程度就越高。

1.3.2 基于DO指数居民生产、生活活动集聚圈测度 本文使用DO指数测度宁夏沿黄生态经济带居民生产、生活活动的集聚范围。生产活动集聚范围的测度采用企业空间分布数据,生活活动集聚范围的测度采用住宅、小区空间分布数据,相应计算使用R语言平台编程完成[15,22]。对于研究区范围内的企业或住宅、小区而言,任意距离d上的双边距离密度估计值为

(6)

其中：n为企业或住宅、小区的样本数量,f为高斯核函数,h为最优带宽,dij为i和j两个企业或两个住宅、小区之间的距离,h值越大,dij附近邻域就越大,密度函数越光滑,但会造成估计值和真实值之间误差也就越大。

(7)

(8)

2 结果分析

2.1 基于MCR模型的景观生态格局分析

2.1.1 重要生态源地识别 对宁夏沿黄生态经济带的土地利用现状进行统计,结果显示:草地、耕地占比为45.55%和24.30%,为研究区最主要用地类型;林地占比5.65%,水域占比5.26%,建设用地占比为8.43%,其他用地为10.81%。由于林地和水域是研究区物种活动的主要场所,将林地和水域作为MSPA前景,其他用地类型作为背景,识别出研究区内核心区和桥接区面积共1 268.21km2,占前景面积的50.79%,但大多数斑块的面积在1km2以下,碎片化特征明显。在MSPA分析的基础上,选取大于1km2的160个斑块作为LCA分析数据,平均距离1 000 m作为阈值,连通概率为0.3,最终将IPC值大于2的28个斑块作为物种繁衍的重要生态源地,面积884.62km2(见图3A)。重要生态源地中水域主要分布在黄河干流及沙湖等地区,林地主要位于贺兰山、沙坡头和白芨滩等自然保护区以及毛乌素沙地的边缘地带。使用MSPA和LCA方法选取的重要生态源地,在空间分布上与《宁夏国土空间规划(2021—2035)》征求意见稿中提出的“一河”(黄河两岸及毗邻湿地)和“三山”中两山的(贺兰山、罗山北部)的自然保护区、湿地公园和国家森林公园为主的生态安全屏障格局基本吻合。黄河干流是宁夏沿黄生态经济带最主要的生态源地。六盘山北麓虽是研究区重要水源涵养屏障,但在自然地理单元上与宁夏南部区域更为接近,而与宁夏沿黄生态经济带其他区域联系不紧密,未能被识别为研究区内的重要生态源地。阅海湖和星海湖等大型水体,因邻近银川市区和石嘴山市区,受人类活动的影响明显,也未被识别为重要生态源地。综合以上结果可知,由于地处西北干旱半干旱地区,宁夏沿黄生态经济带降水量少、植被覆盖率低,造成生态源地面积小,不同源地之间连通性较差,物种迁徙交流机会较少等情况;推进研究区生态屏障建设,扩大生态源地范围,增强和规划能够促进物种迁徙的生态廊道尤为重要。

2.1.2 生态阻力面设置 综合6类生态阻力因子,设置研究区生态阻力面。除NDVI外,其他阻力因子值等级多为低值和较低值,西北干旱半干旱地区植被覆盖率低是造成NDVI指数阻力值高的重要因素(见表2)。将各阻力因子加权后进行叠加,得到景观生态安全综合阻力值(见图3B)。生态阻力值等级为高值和较高值的区域集中在城市建设用地、主要道路用地类型覆盖地区和贺兰山高海拔地区及周边,面积为3 511.02 km2,占整个研究区总面积的16.04%;说明居民生产、生活活动挤压了生态源地扩展,并使生态源地之间的连通程度降低。生态安全阻力值等级为低值和较低值的区域集中分布在耕地、草地等用地类型覆盖地带以及贺兰山、罗山山地的低海拔地带,面积为12 861.42 km2,占研究区面积的58.72%。生态阻力值等级为中值的过渡区域占比为25.24%。总体而言,宁夏沿黄生态经济带生态安全综合阻力值偏低,构建生态安全网络难度较小。

表2 宁夏沿黄生态经济带各生态因子阻力等级面积占比Tab.2 Area ratios of ecological factors at different resistance levels of the study area

图3 宁夏沿黄生态经济带重要生态源地及生态阻力面Fig.3 The important ecological source and ecological resistance surface of the study area

2.1.3 景观尺度生态安全网络构建

1)现有生态安全网络分析

潜在生态廊道是生物物种迁徙与扩散的可能路径。本文通过MCR模型确定各重要生态源地之间最小成本路径,得到链接28个重要生态源地的潜在生态廊道,共75条。然后运用重力模型计算生态源地斑块之间作用力大小,从某一生态源地与其他生态源地连通频率和生态源地之间重力值两个角度,对生态安全网络进行分析;提取出关键生态廊道 17条,其中重点生态廊道6条,一般生态廊道11条(见图4A)。结果表明:① 在黄河干流、贺兰山自然保护区和毛乌素沙地等重要生态源地之间,已经形成连通性好的关键生态廊道;关键生态廊道将重要生态源地链接起来,使生物物种在不同生态源地间的迁徙、扩散途径更加丰富多样。北部黄河滩涂湿地、青铜峡峡谷、贺兰山苏峪口森林公园是连通各个重要生态源地最主要的节点。② 黄河干流是物种迁徙最主要的生态廊道。黄河银川平原段和卫宁平原段的各个重要生态源地之间分别形成具有一定连通程度的物种迁徙廊道,但卫宁平原段各个生态源地之间互联程度明显低于银川平原段。③ 贺兰山自然保护区的重要生态源地之间物种迁徙主要发生在苏峪口和滚钟口之间,该区域与黄河干流及其他重要生态源地之间的联系还需要增强。④沙湖处于连通贺兰山自然保护区与北部黄河滩涂湿地关键生态廊道的节点位置,白芨滩自然保护区与其他重要生态源地联系出现缺失。

图4 宁夏沿黄生态经济带生态安全格局Fig.4 The spatial pattern of ecological security of the study area

2)生态安全网络构建

景观尺度生态安全网络构建是以建立自然保护区为主体的生态源地体系为目的,突出黄河干流、贺兰山和罗山北麓在维护生态安全格局的核心位置。具体做法上,生态源地以自然恢复为主、人工修复为辅,统筹推进自然保护区的整合优化,划定并严守生态保护红线。通过推进平原绿道、绿廊、绿网建设,提升和规划生态廊道;主要增强黄河卫宁平原段各个生态源地间的互通性,提升青铜峡峡谷作为生态节点的重要性;建设河道水生态带、滩涂湿地生态带及堤路防护生态带,打造滩河林田草交融共生的沿黄绿色生态廊道。强化贺兰山自然保护区与黄河银川平原段各个重要生态源地的连通程度,完善沙坡头自然保护区与黄河卫宁平原段的联系,建立起白芨滩自然保护区与其他重要生态源地之间的链接;共需提升现有一般生态廊道5条,规划新建生态廊道10条(见图4B)。

2.2 基于DO指数的城市绿带构建

本文将宁夏沿黄生态经济带主要城市分为银川组团(包括市辖三区与永宁县、贺兰县)、石嘴山组团(包括大武口区和平罗县)、吴忠组团(包括利通区和青铜峡市)及中卫市沙坡头区等4个组团。采用DO指数分别计算各个城市组团的企业和住宅、小区相应双边距离区间,获得精确的全局或局部集聚区间信息图谱。以各组团的企业和住宅、小区空间分布核密度中心为圆心、平均集聚长度(Δd)为半径,做出隔离圈来界定居民生产、生活空间集聚范围。将景观生态廊道与居民生产、生活集聚圈进行叠加,在空间冲突(相交与相切)处设立生态-生产、生活战略节点;依托城市中已有重要水体和绿地,在生态-生产、生活战略节点之间有针对性地提升和规划城市绿带(见图5)。银川组团城市绿带用于连通贺兰山自然保护区和银川黄河湿地,主要依托典农河和唐徕渠、城西及城南绕城高速的水体和绿地设置城市绿带。石嘴山组团重点贯通星海湖、沙湖和翰泉海等大型水体,进而将石嘴山的生态安全网络纳入宁夏沿黄生态经济带生态网络中。吴忠组团城市绿带主要为拓展黄河吴忠段的生态源地范围,提升青铜峡峡谷的生态节点重要性;同时为建立白芨滩自然保护区与其他生态源地的连通发挥作用。中卫市沙坡头区城市绿带主要用于增强沙坡头自然保护区与黄河干流的连通性,进而构建沙水共生的生态网络体系。以上4个组团共需提升和规划重要城市绿带19条,一般城市绿带8条。

图5 宁夏沿黄生态经济带城市绿带Fig.5 The urban green belt of the study area

将景观尺度和城市尺度的生态安全网络叠加,构建宁夏沿黄生态经济带综合生态安全格局;景观尺度生态网络总体呈现为“一廊道多组团”特征,形成以黄河干流为主体,链接贺兰山、沙坡头和白芨滩等自然保护区等重要生态源地的多层级、多类型、相互交织、彼此联通的绿色发展网带。在重要生态源地、景观生态廊道以及生态-生产、生活战略节点之间规划城市绿带,使得生态廊道具有生态保护、经济社会发展、居民生活福祉提升的多重性目标。

3 结论和讨论

3.1 结论

本文基于MSPA和LCA的方法识别重要生态源地,使用MCR模型提取和规划景观生态廊道,完善景观尺度生态安全网络;采用DO指数测度居民生产、生活空间集聚范围,提升和规划各组团的城市绿带;构建起宁夏沿黄生态经济带的综合生态安全格局。结论如下:

1)宁夏沿黄生态经济带的重要生态源地共28个,面积为884.62 km2,形成以黄河干流为主体,贺兰山、沙坡头、白芨滩等自然保护区及毛乌素沙地边缘共存的重要生态源地分布格局;突出了黄河、贺兰山、罗山北部在构建宁夏“一河三山”为主的生态格局的核心地位。但由于地处西北干旱半干旱地区,生态源地面积小,不同生态源地之间连通性差。景观阻力面反映出宁夏沿黄经济带的综合生态阻力值等级整体偏低,人类生产、生活活动是影响物种在生态源地之间迁徙的主要因子。

2)根据重要生态源地空间分布特征和生态阻力面设置结果,提取出宁夏沿黄生态经济带现有重要生态廊道6条,一般生态廊道11条;形成以黄河干流为主体,链接起贺兰山自然保护区、毛乌素沙地等重要生态源地的关键生态廊道;黄河银川平原段各个重要生态源地之间的连通性好,卫宁平原段还有待完善。采用MCR与DO指数的综合评价方法,从景观和城市两个尺度更精准的构建生态廊道。提升现有一般生态廊道5条,规划新建10条;在景观生态廊道与居民生产、生活集聚圈的空间冲突处设置生态-生产、生活节点,结合城市特征,提升和规划重要城市绿带19条,一般城市绿带8条。通过叠加景观生态廊道和城市绿带,构成宁夏沿黄生态经济带“一廊道多组团”,兼顾生态保护和居民生产、生活活动需要的综合生态安全格局。

3.2 讨论

开展宁夏沿黄生态经济带生态保护和生产、生活活动空间的相互协调研究,是划分区域三类空间和三类控制红线的基本前提。宁夏沿黄生态经济带的生态安全格局的构建,对其他同类区域和城市的借鉴意义,体现在以下两方面:① 在传统以自然环境为主体生态网络构建分析框架的基础上,尝试从不同尺度数据融合、生态保护和居民生产、生活相互协调的视角,划定生态红线,优化生态网络。② DO指数能较为精准地测度城市组团的居民生产、生活集聚范围,判断景观生态格局与居民生产、生活活动的冲突与融合状况,进而合理布局产业和居民生活设施;既达到生物多样性保护,又能满足经济社会发展和居民生活福祉提升,实现了生态安全格局的多目标效应。本文不足之处是生态廊道的提取还局限在从区域内部探讨,未来可从跨区域的角度进一步研究,今后研究内容还需加强对生态安全格局的演变过程、影响因素和驱动机制等系统性探讨。另外,在使用MSPA、LCA方法及设置生态阻力面时,由于研究区物种详细资料不易获取,不同物种扩散距离也不相同,参数设定没有统一标准,仍带有一定人为因素,科学性和精确性还有待加强。