武夷山主峰黄岗山片区生态安全格局构建研究

朱振肖，柴慧霞，张箫，王夏晖，牟雪洁，于洋

生态环境部环境规划院

增强生态系统服务、维护区域生态安全是实施区域生态保护修复的根本目标。生态安全是指人类生存所依赖的自然生态环境未受到人为破坏或干扰而导致生态系统功能失调的状态，可以为人类社会持续不断提供优质产品和服务，满足人类生存发展对自然生态环境的需求[1-2]。生态系统服务是指生态系统与生态过程中所形成及维持人类赖以生存的自然环境条件与效用[3]，此概念将生态系统结构、过程、功能与人类福祉紧密连接，从人类需求层面更加强调人类对生态系统的利用。当前我国生态保护修复实践以“山水林田湖草生命共同体”理念为指导，逐步从过去的单一点位、单一要素、单一问题治理修复转向流域或区域尺度的系统治理修复，生态安全格局理论为流域或区域尺度的整体保护、系统修复、综合治理提供了理论依据和技术路径。生态安全格局是以景观生态学作为理论支撑，关注生态过程与功能之间的联系，致力于为区域生态安全的整体问题提供解决方案[4-6]。从生态系统服务供需的角度出发，生态安全格局可以理解为维护生态系统持续提供产品和服务的关键空间结构[7]，作为沟通生态系统服务和人类社会发展的桥梁，其被视为区域安全保障和人类福祉提升的关键环节[8]。

近些年，生态安全格局理论在国内外得到快速发展，逐渐形成识别生态源地—构建阻力面—提取生态廊道的研究范式，被广泛应用于当前的国土空间“三区三线”划定体系中，包括生态网络构建[9]、生态保护红线划定[10-13]、城市增长边界划定[14-16]、自然资源空间识别管控[17]等领域，涉及景观、区域和国家等不同尺度及层级。常用的研究方法有最小累积阻力模型[18-22]、压力—状态—响应（PSR）模型[23]、差距（GAP）分析[24]、连通度指数[25]、生态系统服务功能评价[26]、电路理论[27]等。随着国土空间生态修复实践的深入，部分学者开始探索将生态安全格局构建与国土空间生态修复[28-29]、山水林田湖草生态保护修复工程[30-31]实践相结合，基于生态系统格局-过程的耦合作用，通过构建生态安全格局，解决生态保护修复的空间识别难题。

武夷山主峰黄岗山片区是我国东南地区重要的生态屏障，山水林田湖草生态要素兼具，生态优势突出。近年来，受人类活动影响，局部地区出现生态退化，生态系统结构相对单一，生态质量和功能有待提升。笔者以黄岗山片区为研究区，打破省域、市域、流域界限，通过识别生态源地—构建阻力面—提取生态廊道的研究范式，构建区域生态安全格局，重构生态系统的能量流动和物质循环，合理调控生态过程，增强研究区整体生态系统服务，以期为研究区国土空间开发保护提供参考。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区为武夷山主峰黄岗山所在区域，位于闵赣交界地带，涵盖江西省的上饶市广信区（上饶县）、铅山县、广丰县和福建省的光泽县、武夷山市、建阳区、浦城县7个县（市、区），面积约1.7万km2。区域水网密布，水资源充沛；北部片区属信江流域，为鄱阳湖水系；中南部片区在福建境内主要有富屯溪、麻阳溪、崇阳溪、南浦溪等水系，为闽江源头溪流。研究区地处中亚热带季风湿润气候区，年平均气温为8.5～18.0 ℃，年平均降水量为1 486～2 150 mm，年平均湿度为78%～84%，四季分明，雨量充沛。土壤类型较多，以山地黄红壤为主，土质肥沃。土地覆被以森林为主，其占研究区面积的82%以上，森林和植被茂密，区域内保留有多处中亚热带原始森林，生物多样性丰富，是我国东南部重要的生态屏障区。

然而，由于区域山高坡陡，雨水冲蚀强烈，水土流失、滑坡等地质灾害时有发生；森林树种单一，质量不高，整体生态环境敏感脆弱。加上城镇建设开发和人类活动干扰，部分流域水环境质量较差，农业面源污染严重，耕地质量不高；同时，局部矿山开采破坏自然植被，道路等线性基础设施打破生态空间连通性，阻碍物种迁移，破坏野生动植物栖息地。

1.2 研究方法

1.2.1 技术路线

识别生态源地和生态廊道是构建区域生态安全格局的重要步骤。按照“山水林田湖草生命共同体”理念，充分考虑人与自然生态各要素之间的相互作用与融合，基于生态过程的完整性和生态系统服务功能的空间分异特征，利用GIS空间分析手法，开展研究区水源涵养、水土保持、生物多样性维护等生态系统服务功能重要性评价，叠加生成综合评价结果并赋值分级，将极重要区与现有自然保护地（含自然保护区、风景名胜区、森林公园、地质遗迹保护区等）叠加生成生态源地；依据土地覆盖类型进行阻力赋值构建阻力面，并采用地形、地类因子对其进行修正，使用最小累积阻力模型提取生态廊道，将生态系统服务功能重要区划定为生态缓冲区，作为生态源地的补充，形成研究区最终的点线面状的生态安全格局。研究技术路线如图1所示。

图 1 研究技术路线Fig.1 Research technical route

1.2.2 识别生态源地

生态源地是物种扩散、生态功能流动与传递等生态过程的“源”，是生态产品与服务的主要产区。生态源地识别一般采取定性或定量的方法，定性方法往往直接选取自然保护区、自然公园等空间单元，或提取植被覆盖较好的林地、草地等生态用地作为生态源地；定量方法则采取生境质量评估或生态功能评估，识别生境质量优良区或生态功能重要区。本研究生态源地识别采取定性与定量相结合的方式，借助GIS技术，参考《生态保护红线划定指南》中植被净初级生产力（NPP）定量指标评估方法，开展项目区水源涵养、水土保持、生物多样性维护等主导生态系统服务功能重要性评估，分别计算得到水源涵养、水土保持、生物多样性维护等主导生态功能重要性评估栅格图；运用Raster Calculator工具分别进行归一化处理，计算累加服务数值，借助Reclassify工具，选取生态系统服务值最高的20%划定为极重要区，与现有自然保护地叠加取并集得到生态源地。考虑面积小的斑块分布零碎、辐射功能弱，对生态安全格局影响较小，将面积小于2 km2的斑块进行剔除或合并处理，避免生态源地的过度碎片化[8,32]。

1.2.3 构建生态阻力面

受自然条件和人类活动的影响，不同生态要素之间进行物质交换、能量传输或生物物种迁徙扩散过程中会受到阻力[33]，阻力大小与土地覆盖类型的特征差异直接相关。阻力面作为构建廊道的基本途径，对生态安全格局起着重要作用[30]。结合研究区实际的自然本底特征，设定由生态源地向其他景观单元扩散的最小阻力，以判断各景观单元至生态源地的可达性与连通性。参照王晓玉等[31]的研究，选择土地覆盖类型作为构建阻力面的主要因子，针对不同土地覆盖类型对物种迁移的基本阻力系数进行赋值（表1），构建研究区基础阻力面。另外，坡度、高程以及不同地类与源地的距离，也是影响生态阻力的关键因素，选择坡度、高程、地类作不同距离的分析，对基础阻力面进行修正。坡度较陡的区域，受降水、风力等影响，容易引起水土等物质的垂直流动，而在相近的高程区域物种迁徙则容易通过。土地覆盖类型越接近保护源的类型，对物种之间的交流和扩散的阻力就越小，以湿地为例，湿地范围内阻力设为1，随着与湿地距离的增加，阻力增大。

表 1 不同阻力因子的阻力赋值Table 1 Resistance values of different resistance factors

根据不同阻力因子及阻力系数，使用GIS软件中的成本-距离（cost-distance）工具，运算获取土地覆盖类型、高程、坡度、林地、湿地5个因子阻力面，通过栅格计算器分别按照各因子阻力面的权重（表1）进行叠加，得到研究区综合阻力面。

1.2.4 提取生态廊道

生态廊道是指生态网络体系中对物质、能量与信息具有重要连通作用，尤其是为动物迁徙提供重要通道的带状区域[8]，主要由森林、草地、湿地等生态性结构要素构成，是促进物质流、生态流、生态过程连通以及区域生态功能完整性的关键生态用地[34]。生态廊道体现了生态源地的连通性和可达性，能够避免斑块内部形成孤立种群近亲繁殖，降低物种灭绝风险，对于维护生物多样性和提升生态系统稳定性具有重要意义。目前，生态廊道大多运用最小累积阻力(MCR)模型提取得到[35]，也有部分研究利用生态系统服务价值大小或生态足迹与生态压力的大小提取[36]。

在研究区生态源地识别及阻力面构建的基础上，采用MCR模型提取生态廊道。MCR模型是指物种从某个“源”点到目标所在地的过程中所需克服的总阻力的模型[37]，该模型考虑了源、距离和基面阻力特征3个因素，反映物种运动的潜在可能与趋势，在生态安全格局构建中使用较为广泛[38]。分析空间分布特征与数值大小，借助GIS中的Linkage Mapper 2.0 Toolbox，将生态源地之间的低阻力通道提取为生态廊道。MCR模型公式如下：

式中：MCR为最小累积阻力；∫表示最小阻力与生态活动的正相关关系；Dij为物种从源地j到景观单元i的空间距离，km；Ri为景观单元i对某种物种运动过程的阻力系数。

1.2.5 划定生态缓冲区

考虑相邻生态系统之间的边界效应及动态特征，基于生态系统服务功能评估结果，将生态系统服务占总服务比例介于50%～80%的生态功能重要区划为生态缓冲区，作为生态源地的保护与补充。

1.3 数据来源与预处理

研究区2015年土地覆盖类型数据采用“全国生态环境十年变化遥感调查评估”项目成果数据，将土地覆盖类型分为城镇、森林、灌丛、草地、湿地、农田、其他等7类，分辨率为30 m×30 m。数字高程（DEM）数据来自地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn/），用于提取高程和坡度作为阻力因子，分辨率为30 m×30 m。2015年气象数据来自于中国气象科学数据共享服务网（http://data.cma.cn/），根据提供的站点数据进行插值，得到各气象因子的栅格数据。土壤数据通过寒区旱区科学数据中心（http://bdc.casnw.net/index.shtml）获取。NPP数据来自“全国生态状况遥感调查与评估”项目成果，分辨率为250 m×250 m。

2 结果与分析

2.1 生态源地及其空间分布

通过对研究区开展水源涵养、水土保持、生物多样性保护等主导生态系统服务功能重要性的评价，将生态系统服务最高的20%提取为生态功能极重要区，面积约4 468.46 km2，占比约24.47%。经统计，区域内设有自然保护区、风景名胜区、森林公园、地质遗迹保护区（地质公园）、湿地公园、饮用水水源地、水产种质资源保护区等各类自然保护地共计23个，合计面积为2 018.19 km2，占比为11.87%。运用GIS软件，将生态系统服务功能极重要区与各类自然保护地叠加，并扣除重叠部分，得到研究区生态源地，共有123个源地斑块，总面积为5 577.06 km2，占黄岗山片区总面积的 31.68%〔图 2（a）〕。由图2（a）可知，生态源地面积占比较大，空间分布上主要集中于江西省南部、福建省北部山地的交界地带，土地覆盖以林地为主，占生态源地总面积的96.02%，其余依次为耕地、草地、湿地及其他，面积占比分别为1.45%、1.38%、1.00%和0.15%。123个源地斑块中，小于2 km2的斑块有112个，数量占比达91.06%，说明源地斑块破碎化突出。为便于后续生态廊道的提取以及整体格局的完整性，去除小于2 km2的斑块并进行平滑处理，得到优化后的生态源地斑块共11 个，面积为 5 808.80 km2〔图 2（b）〕。

图 2 黄岗山片区生态源地空间分布Fig.2 Spatial distribution of ecological sources in Huanggang Mountain area

对江西省、福建省不同县（市、区）生态源地进行统计，结果如表2所示。由表2可知，江西省、福建省生态源地数量与面积差异较大。江西省3个县有生态源地斑块面积达4 160.29 km2，斑块数量达73个，占总生态源地面积的74.6%，平均斑块面积约56.99 km2。其中，上饶县生态源地斑块数量最多，有33个斑块，面积为1 413.66 km2；铅山县生态源地面积最大，为2 039.82 km2，占比36.58 %，斑块数量为21个；广丰县生态源地斑块数量为19个，面积为706.81 km2。福建省4个县（市、区）生态源地斑块数量为50个，面积为1 416.78 km2，占比仅25.4%，平均斑块面积约28.33 km2。其中，光泽县生态源地斑块数量为14个，面积为385.91 km2；武夷山市生态源地斑块数量为13个，面积为631.47 km2；建阳区生态源地斑块数量为9个，面积为168.59 km2，源地斑块数量最少，且面积最小，面积占比仅为3.02%；浦城县生态源地斑块数量为14个，面积为230.81 km2，占比仅为4.14%。相对来说，江西省相关县自然生态环境本底较好，山水资源丰富，重要生态空间分布范围广，生态源地较为集中，人类活动影响较弱，生态系统受干扰程度较低；福建省相关县（市、区）生态源地斑块分布较为分散，平均斑块面积仅为江西省的1/2，斑块之间的连通性较差，受人类活动干扰较大，重要生态空间破碎化相对突出。

表 2 黄岗山片区生态源地分县（市、区）统计情况Table 2 Distribution of ecological sources in each county (city,district) in Huanggang Mountain area

2.2 生态廊道及分布

依据土地覆盖类型设置研究区基础阻力面，并借助地类、地形等因子进行修正，得出黄岗山片区综合生态阻力面（图3）。由图3可知，研究区生态阻力最高为225.1，最低为1，生态阻力整体由中部山区向南北两侧河谷地区呈带状增加，高阻力区域集中于2省的7个市（县、区）的人类活动集聚区。可见，人类建设与开发活动给生态过程造成了最大阻力。

图 3 黄岗山片区生态阻力空间分异Fig.3 Spatial differentiation of ecological resistance value in Huanggang Mountain area

在识别研究区生态源地与构建生态阻力面的基础上，采用MCR模型，将生态源地之间的低阻力通道提取为生态廊道，结果如图4所示。由图4可知，研究区共有生态廊道21条，总长度为455.1 km，相对集中地呈组团式分布于研究区东北和西南部，将中部与边缘的生态源地斑块连通起来。这些区域生态源地斑块相对集中，源地之间联系较为密切，生态过程活动相对频繁。其中，江西省生态廊道分布相对密集，主要集中于广丰县和上饶县，有6条，长度为73.24 km，平均长度较短，约12.21 km，这是由于生态源地斑块较为集中，廊道将林地、草地、湿地等源地斑块连通起来，为物种迁徙提供通道。福建省生态廊道主要集中在光泽县、浦城县北部和武夷山市东部，有15条，总长度为381.86 km，平均长度较长，约24.46 km，部分沿麻阳溪、南浦溪等流域蔓延，这些区域生态源地斑块总体较少且平均面积小，地势相对缓和，作为闽江流域的重要发源地，水网密布，沿河谷地带物质和物种流动相对通畅。而福建省武夷山市东部、建阳区、浦城县西南部源地斑块少，且人类活动集中，生态阻力较大，缺乏廊道的连接。

图 4 黄岗山片区生态廊道分布Fig.4 Spatial distribution of ecological corridors in Huanggang Mountain area

2.3 生态安全格局状况

提取区域生态系统服务功能重要区作为生态缓冲区，其面积为1 574.13 km2。生态缓冲区对生态源地与生态廊道所形成的生态网络进行补充，主要分布于江西省上饶县中部、铅山县北部、广丰县西部。黄岗山片区生态源地相对集中在武夷山脉北麓，生态缓冲区分布在源地北部边缘地带，沿多条生态廊道向片区东部、西部、南部山地林带蔓延，形成了以生态源地为核心，以生态缓冲区为补充，以生态廊道为骨架相互连通的生态安全格局（图5）。

图 5 黄岗山片区生态安全格局Fig.5 Ecological security pattern in Huanggang Mountain area

3 结论与建议

3.1 结论

（1）武夷山主峰黄岗山片区极重要区面积为4 468.46 km2，各类自然保护地共23个，面积约2 018.19 km2，将极重要区与各类自然保护地叠置合并生成生态源地，面积为5 577.06 km2，占比为31.68%，其土地覆盖以林地为主。生态源地斑块数量共123个，其中小于 2 km2的斑块为112个，数量占比达91.06%，源地斑块破碎化突出。优化处理后，得到生态源地斑块11个，面积为5 808.80 km2。

（2）黄岗山片区生态阻力总体较低，局部偏高，最高值为225.1，最低值为1，其中，高阻力区域集中分布在人类活动集聚区。提取得到区域生态廊道21条，长度为455.1 km。

（3）划定生态系统服务功能重要区为生态缓冲区，面积约1 574.13 km2。生态源地、廊道、缓冲区等关键要素叠置，形成黄岗山片区完整的生态安全格局。

3.2 建议

黄岗山片区是我国东南部重要的生态屏障区，本研究以“山水林田湖草生命共同体”理念为指导，打破省域、市域、流域界限，将研究区视为一个完整的生命共同体，从区域生态系统的整体性和连通性出发，在生态源地的选择上，充分考虑生态过程的完整性和生态功能的重要性，在生态廊道提取中，综合地类与地形因子对生态过程的影响，进而提取最小阻力通道，结合生态系统的边界效应和动态特征，提取生态功能重要区为生态缓冲区，构建区域尺度点线面状的生态安全格局，可为当地实施区域一体化保护和修复提供空间指引。然而，研究仍然存在诸多问题，比如生态廊道如何与关键指示物种的保护相统一，生态缓冲区的确定缺乏与周边生态用地的衔接，且受制于所获取数据的有限性，个别关键环节结果的有效性有待论证，需要后续深入研究。

生态安全格局强调生态过程的完整性，促进区域生态要素功能与结构的协调，维护区域生态安全，充分体现了“山水林田湖草生命共同体”理念，为区域尺度的景观综合体生态保护修复提供了技术路径。基于黄岗山片区生态安全格局的构建，生态保护修复还要结合不同空间的生态系统分异特征及突出生态问题，有针对性地制定差异化的保护修复方向、任务措施和技术要求。生态源地作为区域生态产品和服务的主产区，生态功能极为重要，应作为重点保护区予以严格保护，最大限度地控制人类活动干扰，采取基于自然的解决方案，保护修复好本地的原生森林生态系统，优化提升自然保护地的建管能力，严格保护华南虎、云豹、南方红豆杉等珍稀野生动植物生境，维护生物多样性。生态廊道的构建要结合河流、林带、高程以及关键指示物种的迁徙通道等进行合理优化，尽量避免道路、大型管道等硬质线性基础设施建设，维持生态系统的原真性和整体性；恢复建设城市绿地、湿地等重要生态空间，提升不同生态用地间的连通性。生态缓冲区作为生态源地的重要补充，应与生态源地作为整体统筹考虑，以提升生态系统质量和稳定性为目标，重点实施中幼林抚育、水土流失治理、生物多样性保护等工程，有效防控生态环境风险；严格开发建设项目环境准入，科学开展环境影响评价，避免造成新的生态破坏。

除此以外的其他区域是生态系统服务的主要需求区，人类活动干扰强度偏大，生态退化较为普遍，针对局部区域矿山开采破坏自然植被，流域水环境质量局部不达标、水生态功能下降，农田化肥使用量大、面源污染严重，耕地质量偏低等问题，以小流域为单元，采取源头治理-过程管控-末端治理的方式，选用自然修复与人工修复相结合的工程措施，对山水林田湖草进行综合治理，恢复流域生态系统结构、过程和功能，增加优质生态产品供给，并注重生态产品价值转化，促进自然资本增值溢价。