基于MCR模型的江西省抚州市生态安全格局构建

陈 群, 刘平辉, 朱传民

(1.东华理工大学 地球科学学院, 江西 南昌 330013; 2.江西省数字国土重点实验室, 江西 南昌 330013)

近年来，随着社会经济发展加快，人类活动对于生态空间格局的整体性和贯通性造成了一定程度的破坏，引发了耕地破坏、林草地损毁、湿地退化等生态环境问题，使区域生态系统平衡遭到破坏，生态网络中重要生态源地逐渐退化或消失。因此，加强对生态廊道及生态空间格局的研究，对于国土空间规划中的三线划定以及区域可持续发展有着重要的支撑作用。20世纪70年代开始，国外学者对于生物多样性保护与生态环境保护等方面进行了较多的探索研究[1-2]，其中最小累计阻力模型(minimal cumulative resistance, MCR)是目前学者们用于生态格局探究的重要方法。MCR模型是以“源—汇”为理论基础，能够较好地反映景观格局变化对生态过程演变的影响，且该模型能通过阻力面的权重生成最佳路径，用于提取潜在生态廊道。近年来，国内学者们基于MCR模型在生态空间格局、城市空间规划、土地利用等诸多领域中进行了尝试和探索。王戈等[3]在生态格局的识别中以景观生态学理论为指导，构建层级网络用于提取模型框架。苏凯等[4]利用引力模型和MCR模型构建了森林—草地生态网络(FG生态网络)多场景仿真模型，提取出不同发展策略下的生态网络。当前生态安全格局研究中主要思路是构建“源地—廊道”组合，生态源地的识别是生态空间格局构建的基础。生态空间格局的精准识别对城镇开发边界的划定和国土空间规划中功能分区等具有重要参考意义[5-9]。抚州市是江西省东部的生态屏障，位于江西省和福建省交界处，承担重要的生态调节与保护功能。根据《江西省主体功能区划》，抚州市也是全省重点生态功能片区，境内南丰县、黎川县、宜黄县、资溪县、广昌县属于国家重点生态功能区，生态保护意义重大。因此，本研究以抚州市为例，基于MCR模型识别城市的生态廊道与生态空间格局，以期为抚州市国土空间规划中生态格局的优化提供科学参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

抚州市位于江西省东部，地处北纬26°29′—28°30′，东经115°35′—117°18′之间。其东部地区与福建省三明市为邻，南部是江西省赣州市，西边则是吉安市和宜春市，北毗鹰潭市和南昌市。抚州市国土总面积约18 800 km2，占江西省总面积的11.27%。其地势南高北低，东临武夷山山脉，西南临雩山山脉，构成北东向斜“川”字型地貌框架。该市2020年的森林覆盖率为66.30%，是江西省重点林区之一，处于武夷山生物多样性保护优先区域和赣东武夷山—怀玉山脉亚热带生物多样性关键区域。

1.2 数据来源

本研究中数据来源及处理方法详见表1。其中NDVI数据以及DEM数据来自NASA网站，交通数据以及抚州市第三次国土调查阶段性成果来自于抚州市自然资源局，均采用栅格tif文件，分辨率为100×100 m。

表1 主要数据来源及处理方法

2 研究方法

2.1 抚州市重要生态源地与生态节点选取

生态源地是生态廊道连通的主要区域，是生态网络和生态格局构建过程中的核心区域。本文依托于生态保护红线和自然保护地的分布，结合生物多样性维护功能重要性评价结果，考虑景观格局和生态系统的连续性，选取重要的生态源地和生态节点。对抚州市的生物多样性维护功能重要性的评价采用NPP定量指标评估方法，以生物多样性维护服务能力指数作为评估指标，计算公式为

Sbio=NPPmean×Fpre×Ftem×(1-Falt)

(1)

式中：Sbio为生物多样性维护服务能力指数； NPPmean为植被净初级生产力平均值；Fpre为平均降水量；Ftem为平均气温；Falt为海拔因子。

2.2 抚州市阻力面构建

2.2.1 阻力面因子 生态廊道是连接空间分布上较为分散的生态景观单元的支撑[10-13]，可以促进区域内物质的循环流通，对于构建全域全要素的完整生态系统有重要意义。结合抚州市自然地理格局与生态环境要素，以抚州市土地利用因子、水土保持功能重要性评价、生态敏感性、地形地貌、交通网络密度共5个方面作为阻力层，细化为18个阻力因子。土地利用因子阻力层主要是考虑不同地类对于生态环境的阻力程度不同，其中建设用地对于生态廊道的构建阻力值最大；水土保持重要性和生态敏感性指标则是考虑未来承担水土保持功能的重要区域以及生态敏感性区域对于生态廊道识别的影响，计算方式参考《生态保护红线划定指南》；地形地貌阻力层是考虑起伏度和高程对于动物迁徙途径的选择有一定干预；交通网络密度阻力层则是考虑不同的道路类型会在一定程度上阻断动物的迁徙廊道，例如公路中的高速作为全封闭的快速道路，对于动物的迁徙途径的选择有很大的阻断几率。本文采用层次分析法计算不同阻力层的权重，基于已有文献，将各指标要素的相对重要性进行两两对比，借助软件(和积法)计算指标权重，通过一致性检验。计算公式为：

CI=(m-n)/(n-1)

CR=CI/RI

(2)

式中：m表示最大特征根； CI为定义一致性指标； CR为定义一致性比率，CR值越小，则说明判断矩阵一致性越好，若CR值小于0.1，则判断矩阵满足一致性检验。

选取的阻力层以及对应的分类标准体系、指标权重等详见表2。

(1) 土地利用因子。不同土地利用类型对于生态廊道的连通性具有不同的阻力，根据抚州市第三次国土调查地类进行归并，参考《土地利用现状分类GB/T21010-2017》，将土地利用类型归并为耕地、林地、园地、草地、水域、建设用地和其他土地，共计7大类。以于成龙[14]构建东北地区生态安全格局的思想为基础，参考严政[15]对于江西省瑞金市生态格局中阻力因子的赋值，结合抚州市的土地利用构成，根据不同土地利用类型对于对各类土地利用类型因子分别进行赋值，结果详见表3。

表2 最小阻力面模型指标体系

表3 土地利用因子阻力值

(2) 水土保持功能重要性。水土保持功能重要性评价以水土保持量(潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量的差值)作为评价指标，采用修正的水土流失方程(RUSLE)进行计算，具体计算公式为：

A=R×K×L×S×(1-C)

(3)

式中：A为水土保持量；R为降雨侵蚀力因子；K为土壤可蚀性因子；L表示坡长因子；S表示坡度因子;C为植被因子。将综合评价结果分为极重要区、重要区和一般重要区共计3个等级。

降雨侵蚀力因子R：通过多年平均年降雨侵蚀力因子反映，计算公式为：

(4)

式中：R为多年平均年降雨侵蚀力;P为年均降水量；Pi为月均降水量;i为所用降雨资料的年份。

土壤可侵蚀因子K：主要与土壤质地、有机质含量、土体结构、渗透性等土壤理化性质有关，计算公式为：

K=(-0.138 3+0.515 75KEPIC)×0.131 7

KEPIC=(160.80-2.31X1+0.38X2+

2.26X3+1.31X4+14.67X5)/1 000

(5)

式中：KEPIC表示修正前的土壤可蚀性因子；K表示修正后的土壤可蚀性因子;X1,X2,X3,X4,X5分别表示细砾(1～3 mm)、细砂(0.05～0.25 mm)、粗粉粒(0.01～0.05 mm)、细粉粒(0.005～0.01 mm)和有机质的百分比含量。

植被因子C：水田、湿地、城镇和荒漠参照N-SPECT的参数分别赋值为0，0，0.01和0.7，旱地换算公式：

C旱=0.221-0.595lgC1

(6)

式中：C旱为旱地的植被因子；C1为植被覆盖度。

(3) 生态敏感性。生态敏感性评价主要是判断未来可能发生生态问题的程度和区域，根据抚州市的实际情况选择水土流失敏感性评价表征。

(7)

式中：S表示该地区的生态敏感性；R为降雨侵蚀力因子；K为土壤可蚀性因子； LS为地形起伏度因子；C为植被覆盖因子。根据评价结果将抚州市全域分为生态极敏感区、敏感区和一般敏感区。

(4) 地形地貌。地形地貌对于生态廊道的连通性具有重要的意义，根据抚州市的DEM数据分级赋值表(表4)计算，该市的地形起伏度依据表5进行分级，具体计算公式为：

R=Hmax-Hmin

(8)

式中：R表示地形起伏度；Hmax代表单位面积内最大高程值；Hmin代表单位面积内最小高程值。

表4 抚州市DEM数据分级赋值

表5 抚州市地形起伏度分级赋值

(5) 交通网络密度。提取抚州市公路用地与铁路用地计算线密度，形成抚州市交通网络密度评价。将抚州市全域路网作为交通网络密度评价过程中的主要因素，采用线密度分析方法，其计算公式为：

D=L/A

(9)

式中：D为交通网络密度；L为栅格单元领域范围内的公路通车里程总长度，主要考虑高速公路、国道、省道和县道。

2.2.2 最小累积阻力模型 最小累积阻力模型可以确定起始源和目标源之间的最短路径[16]，表示生态流从一个生态源地到另一个生态源地克服生态阻力面的最小累积距离。在GIS空间分析中，该模型主要是通过生态源和阻力系数的设置，来确定各生态源地之间的连接路径。

(10)

式中：MCR为最小累积阻力模型;f为反映MCR与变量Dij和Ri之间正比关系的函数;Dij为生态源从j穿过i的空间距离;Ri为物种穿越某景观表面i的阻力值。

2.3 抚州市生态廊道识别

基于阻力面和生态源地提取，在ArcGIS中利用空间分析中成本路径等工具识别生态廊道。生态廊道通过连接不同源地，增加区域景观连通性，最大化获取生态效益，是维护区域生态安全的基本架构。本文以确定的路径为中心，考虑到动物迁徙规模，按照宽度800 m在生成的廊道周围形成缓冲区，从而识别抚州市的重要生态廊道[17-19]。

河流水系在空间分布呈现互相连通且广泛分布的特征，是生态空间以及生态源地连通的重要组成部分，河流生态廊道能够连接不同地区的生态系统，为区域内生态系统的循环提供天然依托。抚州市境内水系发达，水能资源丰富。本文采用Strahler河流分级方法基于DEM数据对抚州市河网进行分级，提取抚州市重要流域生态廊道，对生态廊道进一步进行补充。分级参照Strahler河流分级法：同级的两条河流交汇增加级别，不同级的两条河流交汇级等于两者中较高者。

3 结果与分析

3.1 抚州市重要生态源地与生态节点选取

抚州市生物多样性维护功能重要性评价结果详见表6。由表6可以看出，生物多样性维护功能极重要区面积为6 578.57 km2，占抚州市国土面积的34.99%，重要区面积为5 637.98 km2，占抚州市国土面积的29.99%，一般重要区面积为6 583.93 km2，占抚州市国土面积的35.02%。抚州市生物多样性维护功能极重要区主要集中在南丰县和宜黄县交界处如军峰山、南城县如麻姑山、资溪县如马头山等山区，是未来生物多样性保护的重要区域，要注重生态系统的维护以及动物的保护，在动物的活跃区域尽量减少人为活动的干扰。其中广昌县生物多样性维护功能极重要区面积为840.28 km2，所占比例为52.42%，主要是分布在青龙湖和抚河源头省级自然保护区等山区。资溪县的极重要区面积为641.08 km2，所占比例为51.38%，主要包括马头山国家级自然保护区和大觉山省级森林公园等(图1)。其中生态源地作为生态网络格局的重要基础，需要考虑景观格局的连续性和景观生态功能。在生物多样性维护功能重要性评价基础上结合自然保护地的空间分布，考虑连片度大于80 km2，选取面积共计3 302.34 km2。对选取的生态源地进行识别，包括宜黄县和乐安县交界处的抚州老虎脑自然保护区、华南虎省级自然保护区、资溪县的马头山国家级自然保护区等多个国家级和省级自然保护区；南城县和黎川县交界处的洪门湖国家湿地公园、黎川县境内的岩泉省级森林公园和资溪县大觉山省级森林公园等；广昌县的抚河源头国家湿地公园作为重要水源地，承担重要的水源涵养功能，也是关键的生态源地。选取的生态源地内土地利用类型以林地和园地为主，生态环境质量较高，具有重要的生态系统服务价值。重要的生态源地内，未来开发和规划中要注意对自然生态环境的保护，降低大规模开发建设等人为活动的影响，避免对动物生存的环境造成干扰。生态节点是生态网络空间格局的重要连接部分，选取40个生态节点，面积共计1 316.40 km2。自然保护地包括自然保护区、森林公园、湿地公园等类型，根据抚州市自然保护地分布情况，选取连片度大于1 km2的自然保护地作为生态节点，包括1个国家级自然保护区，面积141.03 km2；3个森林公园，面积为106.54 km2；7个国家湿地公园，面积共计162.04 km2；13个省级森林公园，面积共计263.45 km2；9个省级湿地公园，面积共计72.26 km2；7个省级自然保护区，面积共计571.08 km2。

表6 抚州市及其各区县生物多样性维护功能重要性评价结果

图1 抚州市生物多样性维护功能重要性评价结果

3.2 抚州市阻力面构建

3.2.1 阻力面因子

(1) 土地利用因子。通过对于抚州市三调数据中地类名称归并细化可以得出，土地利用类型中林地占国土面积的66.03%，建设用地所占比例为5.10%，水域所占比例为4.65%，草地所占比例为0.51%，其他土地所占比例为0.38%，耕地所占比例为17.31%，园地所占比例为6.02%。

(2) 水土保持功能重要性。水土保持功能是针对区域内水土资源进行保护，从而体现出的生态环境功能和社会经济功能。抚州市水土保持功能重要性评价过程中考虑降雨量、土壤侵蚀程度、坡长坡度和植被覆盖类型5个方面，其最终评价结果受地形因素的影响较大。由表7可知，抚州市水土保持功能极重要区面积共计9 394.42 km2，所占比例为49.97%。其中乐安县极重要区面积为1 356.23 km2，宜黄县水土保持功能极重要区面积为1 168.72 km2，广昌县水土保持功能极重要区面积为1 074.22 km2，均位于抚州市前列，是未来承担抚州市水土保持功能的重点区县。水土保持功能是维护区域性水土资源，防止水土流失，抚州市水土保持功能重要区面积为5 643.75 km2，所占比例为30.02%；一般重要区面积为3 762.31 km2，所占比例为20.01%。从地形分布分析，水土保持功能极重要区主要集中在抚河两侧，在未来需要加强对抚河两侧水土资源的保护，也是未来水土保持规划中需要重点关注的区域。

表7 抚州市及其各区县水土保持功能重要性评价结果

图2 抚州市各阻力因子分布

(3) 生态敏感性。通过对抚州市的生态敏感性进行分析，抚州市全域地形起伏度和植被覆盖度在空间上的异质性较为明显，其地形起伏度大于200 m的地区较少。

抚州市生态环境状况较好，植被覆盖度较高，主要集中在0.4～0.8之间。降水侵蚀力对抚州市生态敏感性有一定的影响，但其在空间上的异质性不明显。由表8可知，抚州市生态极敏感区面积为9.37 km2，所占比例为1.37%；生态敏感区面积为7 811.07 km2，所占比例为41.55%；生态敏感一般区面积为10 732.40 km2，所占比例为57.08%。市域内生态功能情况良好，未来发生生态问题的可能性较低。其中资溪县的生态极敏感区的面积为79.59 km2，生态敏感性程度高于其他区县。

表8 抚州市及其各区县生态敏感性评价结果

(4) 地形地貌。利用DEM数据对抚州市地形地貌进行空间分析。分析结果表明，抚州市北部地势较为平坦，南部主要是以丘陵山地为主，以军峰山和资溪县马头山为代表。起伏度较高地区主要分布在资溪县、乐安县和宜黄县等，抚州市坡度等级多集中于3°～15°之间，中等、较高和高等级坡度条件总面积所占比例为76.15%。其中，等级高的面积为3 521.89 km2，所占比例为19.26%；等级较高的面积为5 881.99 km2，所占比例为32.17%；等级中等的面积为4 520.26 km2，所占比例为24.72%；等级较低的面积为3 143.18 km2，所占比例为17.19%；等级低的面积为1 217.37 km2，所占比例为6.66%。抚州市高程介于1～1 688 m之间，高海拔地区位于乐安县东南侧、宜黄县东南侧、资溪县东侧及抚州市行政区边界上。海拔较低且高程较平均的区域分布在宜黄县以北的崇仁县、临川区、金溪县、东乡区。

(5) 交通网络密度。由表9可知，根据抚州市交通网络密度评价结果由低至高分为1—5级，抚州市全域交通网络密度为5级的面积为441.71 km2，所占比例为2.35%，主要位于临川区和各区县的中心城区，其中临川区和东乡区作为抚州市重点发展区域，拥有抚州站和抚州东站两个火车站，人口聚集和经济的快速发展使得道路密集，其交通网络密度高于其他区域。各区县的交通网络密度基本是以中心城区为原点向周围按距离逐步递减，距离中心城区越近，交通网络密度越高。抚州市整体交通网络密度等级以2—3级为主，其中2级面积为7 056.80 km2，所占比例为37.54%；3级面积为4 856.60 km2，所占比例为25.84%。其中临川区、东乡区和南城区的交通便捷程度高于其他区县。

3.2.2 最小累积阻力模型 基于图2中各项阻力因子，构建抚州市生态阻力面。生态阻力值高的区域主要集中于各个区县的中心城区，中心城区的建设用地分布集聚，交通密度大，不利于生态廊道的连通性，对物种的迁徙有较大的阻力。抚州市北部生态阻力大于其他区域，北部是临川区和东乡区，整体土地开发强度大。部分阻力面在整个抚州市零星分布。生态阻力面强度小的地区主要是林地以及山地等植被覆盖度高、水系丰富区域，人为活动强度低，有利于不同生态源地之间的连通性。

表9 抚州市及其各区县交通网络密度评价结果

3.3 抚州市生态廊道识别与生态格局构建

基于阻力面和生态源地提取，在ArcGIS中利用空间分析中成本路径等工具识别生态廊道，生态廊道通过连接不同源地，增加区域景观连通性，最大化获取生态效益，是维护区域生态安全的基本架构。以确定的路径为中心，并把宽度控制在800 m以内形成缓冲区，形成重要生态廊道。抚州市境内河流水系发达，水能资源丰富。根据抚州市DEM数据进行分析，在进行填洼等一系列水文分析之后得到抚州市流量以及流向情况，同时采用Strahler河流分级方法对抚州市河网进行分级，提取抚州市重要流域生态廊道。抚河流域生态轴贯穿整个抚州市，同时以宝塘水生态廊道、临水生态廊道、东乡水生态廊道、黎滩河生态廊道、崇仁水生态廊道、资福水生态廊道等连通各地生态空间。以全域的生态要素和地形地貌等为基底，抚州市呈现出“一轴、两屏、多廊、多节点”生态格局[20](图3)。“一轴”即抚州流域生态轴，河流是生态廊道形成的天然依托，对区域内部的气候调节以及物质循环起到重要的流通作用。抚河作为抚州市境内贯穿南北的天然通道，通过流域生态廊道连接各个生态源地和生态节点，对抚州市境内整体的生态环境起到重要调节作用。因此在未来规划中，要注意抚河流域周围生态环境的保护，减少大规模的建设开发和无序采砂等人类活动，做好河道的清理和水质的清洁。“两屏”即东部武夷山生态安全屏障和西部雩山生态安全屏障；是维持抚州市境内生态环境维护的天然屏障，可以降低周边地区生态环境变化对抚州市的影响。在生态屏障内需要注意具有生态调节功能的林地和园地等面积不减少，减少乱砍乱伐以及建设占用等破坏生态环境的行为，发挥其生态安全屏障的作用。“多廊”指基于自然保护地和生态红线等生态保护重要区识别的生态廊道以及抚州市重要流域廊道，这是连接各个生态节点和生态源地之间的重要纽带，在未来规划中，各类路网应当尽量避开生态廊道，或者是在建设中采取高架和涵洞等方式，尽量为动物迁徙留出通道，保护廊道的稳定性，从而保证各个生态源地和生态节点之间的连通性。“多节点”指重要生态节点，主要为森林公园、湿地公园、自然保护区等小规模的重要生态斑块。通过“一轴、两屏、多廊、多节点”生态格局，整个抚州市形成完整、系统的生态保护格局和开敞空间网络体系，对维护生态安全和生物多样性，构建连续的绿色空间网络具有重要意义[21-23]。

图3 抚州市生态格局

4 结 论

(1) 江西省抚州市整体生态环境较好，水土保持功能极重要性区占49.97%，主要集中在抚州市中部地区，以黎川县、乐安县、宜黄县和南丰县为主。生态敏感性极重要区仅占1.39%。生态脆弱区主要是集中在宜黄县、南丰县、乐安县等山区地形起伏度较大且植被覆盖度较好的区域。抚州市整体水系发达，境内拥有水系繁多，构成以抚河流域为主，多水系连通全域的水系格局，以河流为生态廊道的依托，抚河流域生态轴贯穿整个抚州市，以宝塘水生态廊道、临水生态廊道、东乡水生态廊道、黎滩河生态廊道、崇仁水生态廊道、资福水生态廊道等连通各地生态空间。因此建议在下一步市县级国土空间规划以及主体功能区分区时，抚州市可以承担江西省生态环境协调的重要生态功能。

(2) 以全域的生态要素和地形地貌等为基底，抚州市呈现出“一轴、两屏、多廊、多节点”生态安全格局。“一轴”即抚州流域生态轴；“两屏”即东部武夷山生态安全屏障和南西部雩山生态安全屏障；“多廊”指基于自然保护地和生态红线等生态保护重要区构建的生态廊道以及抚州市重要流域廊道；“多节点”是指重要生态节点，形成完整、系统的生态保护格局和开敞空间网络体系，维护生态安全和生物多样性，构建连续的绿色空间网络。