基于生态系统服务重要性和生态系统脆弱性的临沧市生态安全格局构建

马雨欣，杨 琅，李泞吕，熊在秋，吴学灿，段禾祥，张惠芳，张志明

(1.云南大学 生态与环境学院，云南 昆明 650504；2.云南省生态环境科学研究院，云南 昆明 650034；3.西藏自治区生态环境监测中心，西藏 拉萨 850031)

随着中国经济的飞速发展，快速城市化进程导致的长时间高强度开发，使得原本脆弱的生态环境加速恶化，生态安全受到严重威胁并成为制约可持续发展的首要问题之一[1].生态安全格局起源于景观生态规划，通过识别对维持生态系统结构与功能具有重要作用的点、线、面，保障关键生态系统服务的持续供给，构建多层次空间合理配置方案[2-3]，对于生态系统完整性的维持、生态环境问题的控制与改善、生态保护与土地开发矛盾的缓解具有重要指导意义.

在生态安全格局相关的研究和应用中，多采用“源地辨识−阻力面构建−廊道识别”的基本路径[4-5].其中，源地辨识作为生态安全格局构建的基础，目前的主要识别方法有2 种，第1 种为直接选取自然保护区和风景名胜区等生境质量良好的区域作为源地[6]，第2 种为选取不同的因子对生态斑块的重要性进行评价，如生态系统服务重要性评价、生态风险评价[7-8]等.第1 种方法具有较强的主观性，没有综合考虑区域环境因素的影响.第2 种方法往往仅采用单一评价结果进行识别，较为片面，尤其是对于地形起伏大、生态环境脆弱且发展需求急迫的西部山地地区而言，需要综合考虑生态系统服务的持续供给能力和其生态系统本身的脆弱性进行生态源地识别.生态阻力面的构建普遍采用基于土地覆被类型直接赋值的方法[9-10]，但是这种方法主观性较强，未考虑地形、人为干扰程度等自然与社会因素的影响，难以表征同一土地覆被类型下物种迁移受阻的空间差异.因此，为增加阻力面的异质性，已有学者利用夜间灯光指数[11]、生境质量[3]、地表湿润指数[12]来进一步修正生态阻力面.生态廊道的识别方法主要有最小累积阻力模型[13]、电路理论[14]、蚁群算法[15]等，其中，最小累积阻力模型(minimal cumulative resistance，MCR)是目前应用最广泛的生态廊道识别方法[16-18].

临沧市位于中国西南边境地区，是中国面向南亚、东南亚开放的内陆“黄金口岸”，并且在云南省“三屏两带”生态安全格局总布局中占据重要地位.该地区以山地为主，具有丰富的自然资源，但生态环境基底条件十分脆弱，加之经济的高速发展与城镇的迅速扩张，面临着经济发展与生态保护的双重压力.基于此，本研究针对临沧市自然生态环境本底特征，分别对其土壤保持、水源涵养、固碳释氧和生境维持等生态系统服务重要性进行评估.之后从自然和人文两方面因素入手对该地区生态系统脆弱性进行评估，结合两部分评估结果识别具有高生态系统服务供给能力和高脆弱性的区域作为生态源地；运用最小累积阻力模型识别生态廊道，从而构建临沧市生态安全格局，旨在为缓解临沧市土地开发与生态保护之间的矛盾提供借鉴与指导.

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况临沧市位于云南省西南部，横断山系怒山山脉南延部分，地理坐标为23°05′～25°03′N，98°40′～100°32′E，全市土地总面积为23 620.88 km2(图1).临沧属亚热带低纬高原山地季风气候，光热资源充足，四季差异不明显，干湿季分明，降水充沛.境内地势中间高，四周低，并由东北向西南逐渐倾斜，境内山区面积占97.5%，境内河流分属澜沧江、怒江流域两大水系，有大小河流1 000多条，整体呈现“两山、五峰、七水”的自然地理格局.由于临沧市特殊的地质构造与地形地貌，尤其是山高坡陡等因素，其生态环境具有明显的脆弱性与特殊性，再加上建设开发的迫切性，临沧市生态安全格局的构建既十分必要又面临较大的挑战.

图1 研究区地理位置Fig.1 Location of the study area

1.2 数据来源本研究使用的基础数据主要包括土地利用数据、数字高程模型（DEM）、归一化植被指数（NDVI）、蒸散发数据、降水数据、土壤数据.其中，临沧市土地利用数据源自GlobeLand30 V2020 数据集（http://www.globallandcover.com/），空间分辨率为30 m；DEM 数据来源于中国科学院计算机网络信息中心（地理空间数据云，http://www.gscloud.cn/）GDEM 数据集，空间分辨率为30 m，由此生成坡度数据；NDVI 数据来源于NASA-USGS平台（https://lpdaac.usgs.gov/）的MOD13Q1 数据集，预处理过程中对2020 全年NDVI 产品求均值；蒸散发和降水数据来源于2020 年临沧市各气象站点的逐月数据，利用Anusplin 插值方法进行空间连续插值后求月平均得到；土壤数据来源于世界土壤数据库（HWSD）（https://www.fao.org/soils-portal/datahub/soil-maps-and-databases/harmonized-world-soildatabase-v12/en/），提取研究区范围内的土壤粉粒、砂粒、黏粒和有机碳含量数据，用于计算修正的通用土壤流失方程（revised universal soil loss equation，RUSLE）模型中的土壤可蚀性因子.

1.3 研究方法

1.3.1 生态源地识别 生态源地是物种或生态过程向外扩散与维持的起点，能够提供生态系统服务，对于保障区域生态安全、维持景观格局完整性起着重要作用[19-20].为了使生态源地的识别更加准确，本研究在生态系统服务重要性和生态系统脆弱性评价结果的基础上进行生态保护重要性评价，将具有较高和高保护价值区域作为生态源地.

（1）生态系统服务重要性评价 根据临沧市自然地理特征、气候等基本状况，选取土壤保持、水源涵养、固碳释氧和生境维持等4 种关键生态系统服务进行评价.各类生态系统服务测算方法详见表1.4 项单因子评价结果均采用自然断点法分为高、较高、一般、较低、低共5 个等级，生态系统服务重要性综合评价结果由4 项单因子评价结果进行等权重叠合后再分5 级得到.

表1 生态系统服务评估方法Tab.1 Methods of ecosystem services assessment

（2）生态系统脆弱性评价 生态系统脆弱性是系统自身所具有的敏感性或者不稳定性，其形成因素可归纳为自然因素和人为因素[21-23].中国西南山地地形地貌复杂、气候条件多变，加之开发的迫切性，对野生动植物生境和区域生态系统服务造成了严重干扰，是生态安全格局构建需要重点关注的区域[24-25].因此，基于西南山地生态安全格局构建及生态系统脆弱性评价相关文献调研[6,22,25]，选取了6 个评价因子[26-27]并利用自然断点法[28]划分为5个等级，级别数值越大脆弱性越高（表2）.最后，将这些评价因子进行归一化后叠加得到临沧市生态系统脆弱性空间分布格局.

表2 生态系统脆弱性评价因子量化分级Tab.2 Quantitative classification of ecosystem vulnerability assessment factors

1.3.2 阻力面构建 由于土地覆被类型的差异以及生态环境因素的影响，物种的迁徙流通以及生态功能的流动与传递会受到一定阻力[25,29].依据俞孔坚[29]的定义，阻力面反映了生态过程和生态功能流动与传递时受到的水平阻力.目前已有研究大多是基于专家经验对土地利用类型的阻力进行赋值[9,20]，这种直接赋值的方法不能反映同一土地利用类型下物种运动等生态过程受阻的空间差异，而实际上生物运动会受到自然条件和社会经济活动的共同影响.因此，本研究采用归一化建设指数[30]和地表曲率对阻力面进行修正，如公式（1）：

式中，R为修正后的生态阻力值，R0为初始阻力值，NDBIi为某栅格归一化建设指数，NDBImean为该栅格对应的土地利用类型归一化建设指数，Ci为某栅格地表曲率绝对值，Cmean为该栅格对应的土地利用类型的平均地表曲率绝对值，对人类活动强度和地形条件赋予0.5 的等影响权重.

1.3.3 廊道提取及生态安全格局构建 生态廊道作为不同源地之间的连接通道，能够有效改善生态系统结构和功能的完整性，促进物种迁徙繁殖、能量流动等生态过程的进行，对于维持生物多样性具有重要意义[31-32].本研究中生态源地之间的生态廊道提取采用MCR 模型（公式（2））.

式中，MCR 为累积最小阻力值；f为表示最小累积阻力与生态过程的正相关关系函数，表征源斑块至空间中某一点的某一路径的相对易达性；Dij为从源地栅格j到某景观栅格i的空间距离；Ri为景观栅格i的阻力系数；m和n分别为目标栅格与源地栅格的序号.

具体方法为：以每个生态源地斑块的质心(CENTROID)为源，以其余n−1 个生态源地作为目标，利用ArcGIS 的Cost Distance 工具得到n条最小累积成本路径，作为源地之间的生态廊道，其主要功能是保证生态因子在源地之间有效流通，维持生态过程的稳定，进而保障生态系统功能的完整性.

2 结果分析

2.1 生态系统服务重要性将土壤保持、水源涵养、固碳释氧和生境维持4 种服务重要性评价结果进行等权重叠加后，得到临沧市生态系统服务重要性综合评价结果(图2，表3)，利用自然断点法将结果划分为高、较高、一般、较低、低5 个等级.结果显示，具有高生态系统服务重要性的区域分布范围最广，面积为12 825.53 km2，占临沧市国土面积的54.3%，主要分布在耿马县、镇康县、凤庆县等地的国家级和省级自然保护区区域，其他等级占比较小，大多分布于耕地、城镇建设用地等人类活动与人类干扰强烈的地区.

表3 生态系统服务重要性各等级面积及占比Tab.3 Area and proportion of ecosystem service importance by grade

2.2 生态系统脆弱性生态系统脆弱性综合评价结果由自然因子和人文因子进行叠加后获得（图2，表4）.结果显示：临沧市生态系统脆弱性整体呈现由南到北脆弱性逐渐增强的趋势，高脆弱性区域主要位于凤庆县澜沧江流域以及云县部分草地生态系统区，这些区域海拔高、坡度陡，在雨季易发生崩塌、滑坡、泥石流等自然灾害，自然条件是导致其环境脆弱的主要影响因素.低脆弱性区域主要分布在临沧市南部区域，如耿马县、沧源县等，这些区域植被覆盖度高，主要以天然林、经济林、湿地以及灌丛为主，生态系统服务价值较高、生态环境稳定且受人类活动干预较少，有利于自然生物在此类地区聚集繁衍以及维持生态平衡.

表4 生态系统脆弱性各等级面积及占比Tab.4 Area and proportion of ecosystem vulnerability by grade

图2 临沧市生态系统服务重要性和生态系统脆弱性空间分布格局Fig.2 Spatial distribution of ecosystem service importance and ecosystem vulnerability in Lincang City

2.3 基于生态保护重要性的生态源地识别将生态系统服务重要性和生态系统脆弱性评价结果加权叠置后利用自然断点法分级，得到临沧市生态保护重要性空间分布格局(图3，表5).结果表明，具有高生态保护重要性的区域面积为5 524.21 km2，占全市总面积的23.39%，主要分布在临沧市域范围内的各级自然保护区、森林自然公园和部分以林草覆盖为主的区域，生态系统提供的各类服务更高.生态保护重要性低的地区主要分布在城镇中心、道路以及云县、凤庆县和临翔区北部、耿马县的耕地地区.

图3 临沧市生态保护重要性及重要生态源地空间分布格局Fig.3 Spatial distribution of ecological protection importance and ecological sources in Lincang City

表5 生态保护重要性各等级面积及占比Tab.5 Area and proportion of ecological protection importance by grade

选取生态保护重要性等级为较高和高的斑块作为生态源地，考虑到生态源地需要达到一定规模才能有效隔绝外界对核心区的干扰，并且面积较小的斑块也存在后期管理不便等问题，本研究最终将面积大于5 km2的斑块划定为生态源地[33].最终识别出的源地总面积为8 804.25 km2，占该市土地总面积的37.27%，在临沧市自然保护区呈集中连片分布，临沧市南、北部呈明显的带状分布.将生态源地与临沧市现有生态保护红线和自然保护区进行叠加分析，其中，源地与红线的重合率为74.95%，源地与保护区的重合率为85.12%，说明生态源地的分布区域及面积占比与临沧市生态保护规划相关要求基本吻合，识别结果较为准确.

从景观类型组成来看，临沧市生态源地以林地源地为主，占比达到了全市源地总面积的84.26%，其次为耕地（11.63%）、草地（2.24%）、灌木（1.79%）.虽然建设用地和裸地的生态系统服务价值较低，二者在源地总面积中仅占0.02%，但是由于这些区域临近自然保护区、国家公园和河流水系，可以在生态保护区外围起到一定的缓冲作用，发挥水土流失防治、水源涵养等服务功能，因而成为生态源地的一部分，这也反映出了生态环境保护与城市发展建设之间的矛盾.

从区域特征来看，耿马县生态源地面积最大，占临沧市生态源地总面积的15.83%；由于临沧市总体植被覆盖率较高，因此除双江县生态源地较少，占比仅为7.3%以外，其他7 个县（区）的生态源地面积占比均达到了11%以上.此外，与全市源地景观类型组成趋势保持一致，临沧市8 个县（区）的生态源地均以林地占绝对优势，均达到相应县（区）生态源地总面积的70%以上（其中双江县达到了90%以上），其次是耕地、草地和灌木（图4）.

图4 临沧市生态源地景观类型及区域分布特征Fig.4 Landscape types and regional distribution characteristics of ecological sources in Lincang City

2.4 廊道识别基于归一化建筑指数和地表曲率对临沧市阻力面进行修正（图5），结果表明，临沧市生态阻力高值区主要集中在凤庆县、临翔区、沧源佤族自治县等人类活动干扰较多的区域；阻力低值区与生态源地分布具有较大一致性，说明临近生态源地区域的生态要素、功能与过程的流动更加顺畅，所受阻力更小.

图5 临沧市阻力面空间分布Fig.5 Spatial distribution of resistance surface in Lincang City

生态廊道基于生态源地与阻力面图层进行提取，结果显示生态廊道总长度约2 151.96 km.临沧市生态廊道总体呈纵向分布，在南部镇康县、耿马县等地和北部澜沧江流域呈横向分布，基本避开了农田、城镇等阻力值较高的非生态用地区域，将源地斑块串联在一起.这些廊道作为生态流的高效联系通道，需要加强保护与重视，从而确保生态系统结构的连通性与稳定性.

2.5 生态安全格局构建生态安全格局是一种能够保护生物多样性、维持生态系统完整性、有效控制和改善生态环境问题的区域性空间格局[34-35].本研究从生态保护角度出发，为落实云南省生态安全战略，依托临沧市的自然本底特征、生态源地与生态廊道的空间分布特征，对各生态要素进行整体规划布局，提出“一屏一带多核心”的临沧市生态安全格局优化方案（图6）.

图6 临沧市生态安全格局Fig.6 Ecological security pattern of Lincang City

“一屏”即西南生态屏障.构造以西南横向核心生态廊道为载体，串联镇康县、耿马县和沧源县生态源地的串珠链式生态屏障体系，防止边境有害物种入侵，保障临沧市及全省的生态安全.

“一带”即澜沧江干热河谷带.坚持“保护第一、治理为要，科学规划、绿色发展”原则，重点开展生态环境保护，加强植被恢复和水土流失防治；立足经济社会发展现状，突出澜沧江百里长湖的资源重点，将澜沧江流域（临沧段）建设成为生态文明示范带.

“一轴”即以“澜沧江−大雪山−南滚河”自然保护区为主的市域纵向生态廊道轴，作为维持市域生态结构与功能的基本骨架，串联自然保护地、国家公园等生态源地，充分发挥生态廊道保护生物多样性、水源涵养等生态系统服务功能，维持各生态系统的连通性与完整性.

“多核心”即临沧市较为重要的自然保护区.依托于这些核心点，进行主要生态廊道串联，对临沧市以永德大雪山为主的中部区域往外辐射，形成较为稳定的生态网络，使得临沧市生态安全格局更加稳固.核心点包含5 个，即①云南永德大雪山国家级自然保护区；②云南南滚河国家级自然保护区；③镇康南捧河省级自然保护区；④临沧澜沧江省级自然保护区；⑤临沧大雪山省级风景名胜区.

3 结论与展望

3.1 结论本文以位于中国西南边境的临沧市为例，基于生态系统服务重要性和生态系统脆弱性识别生态源地，根据归一化建筑指数和地表曲率修正基本阻力面，利用最小累积阻力模型识别生态廊道，构建并优化临沧市基本生态安全格局，以期为区域土地资源和生态系统管理提供科学依据，保障生态安全并实现城市可持续发展.主要研究结果如下.

（1）临沧市生态源地总面积8 804.25 km2，占全市总面积的37.27%，主要集中分布在凤庆县、镇康县、耿马县、沧源县等区域.生态廊道总长度为2 151.96 km，将各生态源地串联在一起，形成了稳定的生态网络，保障了生态系统的连通性与完整性.通过对临沧市生态要素的空间配置进行整合优化，构建了“一屏一带一轴多核心”的生态安全格局优化模式.

（2）本文结合临沧市生态本底状况、产业发展及资源利用现状，为缓解临沧市土地开发与生态保护之间的矛盾提出以下建议：生态安全格局应作为临沧市后续城镇开发与经济发展的底线格局，严格限制生态源地和生态廊道的开发建设活动.首先，重点强化“澜沧江−大雪山−南滚河生态廊道轴”建设，继续推进如退耕还林等生态修复工程的实施，培育多种类、多层次的防护林体系，形成临沧市生态安全格局的核心骨架，保障生态系统结构的完整性.同时，强化西南生态屏障源地斑块之间的生态廊道建设，使各斑块之间形成有力连接，遏制生境破碎化、片段化，防范境外有害物种入侵，让“一屏”成为临沧市边境安全以及生物多样性保护的可靠安全屏障.其次，针对澜沧江流域（临沧段）水源涵养重要功能区，需要增强对河流水域等水资源的生态保护，采取一定方案进一步优化水环境功能分区，综合整治污染河道以恢复生态受损区域.最后，临沧市应构建生态环境大数据平台，实现各部门之间的数据互通与共享，利用大数据和云计算对海量数据进行分析预警，实现生态环境问题的动态监测，提高生态环境监管的主动性、准确性和有效性，确保全市生态环境安全.

3.2 展望本文对临沧市生态系统服务重要性、生态系统敏感性进行了定量分析，并基于此科学识别了生态源地和廊道，构建出了系统完整、结构布局优化的生态安全格局，为临沧市生态安全建设与可持续发展提供了切实可行的依据.然而，本研究也存在一定的不足.首先是在廊道设定方面，本文仅仅采用最小累积阻力模型识别出了适宜生态过程流动的线性廊道，指示了廊道的空间位置，但是未对廊道宽度的设定进行研究.因为廊道的宽度会对生态系统的结构与功能产生较大影响[36]，尤其是对于临沧市西南生态屏障廊道重点建设区来讲，如果廊道宽度设置不合理，不仅起不到防止外来有害生物入侵的作用，反而会为生物入侵提供便利，加重对本地物种的伤害.另外，本研究在进行生态系统服务重要性评价时多侧重于生态系统的调节服务，在后续研究中，可以将生态系统的供给、文化服务等纳入评价体系内，充分挖掘不同区域的生态价值，更加精确地识别生态源地，进一步研究区域生态安全与社会经济发展之间的耦合关系.