基于生态系统服务重要性和生态敏感性的武汉市生态安全格局评价

方臣，匡华，贾琦琪，陈曦，朱正勇，叶琴

1.湖北省地质调查院

2.武汉大学资源与环境科学学院

近年来，随着我国城市化进程的不断推进，经济的快速发展与资源、环境之间的矛盾越来越严重，生态安全已成为制约城市可持续发展的首要问题。党的十八大提出了生态文明建设，多次强调要建设生态文明、维护生态安全[1]。城市生态安全是指生态环境和生态系统服务功能是否能够保障人类正常生活、身体健康和社会经济可持续发展[2]。生态安全格局研究是在景观生态学的基础上发展起来的，国内外已有大量学者开展生态格局的形成演变机制、构建优化、安全预测和调控管理等研究[3]，取得了丰硕成果。通过构建合理的生态安全格局，可以加强对生态环境的保护，实现区域自然资源的可持续利用，推动城市高质量发展。早期学者主要围绕生物多样性[4]、生态系统服务价值[5]等单一目标进行生态安全格局构建研究。随着对自然资源生态环境认识的加深，基于多目标的生态安全格局构建[6]方法研究越来越多，目前主流的方法是构建识别生态源地—提取生态廊道—判别生态节点的格局体系[7]。如李国煜等[8]利用最小累积阻力模型，建立了福建省福清市源地—廊道的生态安全格局，为该地区的城乡总体规划提供了生态依据；周汝波等[9]以粤港澳大湾区4种典型生态系统服务指标参数，通过InVEST模型构建了一个多要素、系统完整的生态安全空间。生态源地的识别是生态安全格局体系的重要基础，高梦雯等[10]从生态系统服务重要性和生态环境敏感性2个层面，选取生物多样性、水源涵养、水土保持、水土流失、石漠化5个指标来识别生态源地。通过对反映区域特点的多个生态指标的综合评价来识别生态源地，可提高生态安全格局构建的客观性和科学性。

武汉市是我国中部地区的特大型城市，水资源丰富，湖泊、河流众多。近10多年来，武汉市社会经济飞速发展，城市建设用地急速扩张，自然资源受到越来越严重的威胁，导致生态环境质量下降，其治理引起社会的共同关注。笔者结合武汉市区域生态环境特点，以水源涵养、水土保持、固碳释氧、洪水调蓄、生物多样性5种评价因子开展生态系统服务重要性评价，以地质灾害、土壤质量、水土流失和地表水环境质量4种评价因子开展生态敏感性评价，建立生态系统服务重要性—生态敏感性综合指标体系，基于GIS空间分析技术识别武汉市生态源地，从土地利用、地形、人类活动和植被覆盖4个方面构建生态阻面，通过最小累积阻力模型提取生态廊道，判别生态节点，构建武汉市生态安全格局，为促进区域土地利用结构优化，保障生态安全，提升生态服务质量提供科学依据与技术支撑。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

武汉市（113°41′E～115°05′E，29°58′N～31°22′N）位于湖北省东部、长江与汉江交汇处，地处江汉平原东部、长江中游，长江及汉江横贯市境中央，将武汉中心城区一分为三，全市下辖13个市辖区（图1）。武汉市江河纵横、湖泊众多，水域面积约占全市总面积的1/4。地貌属鄂东南丘陵经江汉平原东缘向大别山南麓低山丘陵过渡地区，中间低平，南北丘陵、岗垄环抱，北部低山林立。全市低山、丘陵、垄岗平原与平坦平原的面积分别占土地总面积的5.8%、12.3%、42.6%和39.3%，海拔高度为19.2～873.7 m，大部分在50 m以下。武汉市属北亚热带季风性（湿润）气候，具有常年雨量丰沛、热量充足、雨热同季、光热同季、冬冷夏热、四季分明等特点。

图 1 武汉市行政区划和土地利用现状Fig.1 Present situation of administrative division and land use in Wuhan City

1.2 数据来源

本研究数据主要包括遥感影像、土地利用、归一化植被指数（NDVI）、气象、地形、土壤、地质等多源数据，其中土地利用数据由2018年Landsat 8遥感影像解译得到，地形数据为30 m空间分辨率的数字高程（DEM）数据，NDVI数据为MODIS13Q1产品生成，以上数据均来自地理空间数据云网站（http://www.gscloud.cn/）；气象数据包括降水量、气温、日照时数的气象站点数据，以及蒸散发量的栅格数据，主要用来计算水源涵养功能和植被净初级生产力，数据来自中国气象数据网站（https://data.cma.cn/）；土壤数据主要包括2015年土壤质地、重金属污染数据，交通数据包括2018年道路网、地铁站点和高速路口等，地表水环境质量和地质灾害数据用来评估生态敏感性，湖库库容数据用来评估洪水调蓄功能重要性，均从当地自然资源管理部门获取。

1.3 研究方法

1.3.1 生态源地识别

生态源地是生态空间中对区域生态安全有重要意义，具有提供生态系统服务、阻碍生态系统退化及具有辐射功能的特殊斑块。综合生态系统服务重要性和生态敏感性评价结果，选取重要区域作为生态源地。

1.3.1.1 生态系统服务重要性评价

武汉市地理位置特殊、气候条件与土壤环境孕育了其独特的生态系统。因此，基于已有研究成果，结合武汉市的主体功能定位和自然环境与社会经济状况，主要选取水源涵养、水土保持、固碳释氧、洪水调蓄、生物多样性5类生态系统服务功能建立评价模型，对5类生态系统服务进行重要性评价，最后采用多因子加权求和模型[11]对生态系统综合服务功能重要性进行分析和评价。

（1）水源涵养

水源涵养是生态系统（如森林、草地等）通过其特有的结构与水相互作用，对降水进行截留、渗透、蓄积，并通过蒸散发实现对水流、水循环的调控。根据水量平衡原理构建水量平衡方程，方程中各收入项、支出项和蓄水变量随地区不同而不同，水源的主要来源是降水，而输出的方向主要是地表径流和蒸发等。采用水量平衡方程[12]计算陆地水源涵养功能，计算公式为：

式中： T Q 为总水源涵养量，m3；Pi为i类生态系统多年平均降水量，mm；Ri为i类生态系统多年平均地表径流量，mm； E Ti为i类生态系统蒸散发量，mm；Ai为i类 生态系统面积，km2；j为生态系统类型的数量。其中，Ri=Pi×α，α为地表径流系数，不同生态系统类型的地表径流系数不同，一般来说，植被覆盖越高的地方，地表径流系数越小。

（2）水土保持

水土保持是生态系统通过其结构与过程减少由于水蚀所导致的土壤侵蚀的作用。采用RUSLE方程的水土保持服务模型[13]估算生态系统水土保持功能。计算公式如下：

式中： S C 为土壤保持量，t/(hm2·a)； A p为潜在土壤侵蚀 量 ，t/(hm2·a)； A r为 实 际 土 壤 侵 蚀 量 ，t/(hm2·a)。R为降水侵蚀力因子，MJ·mm/(hm2·h·a）；K为土壤可蚀性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm）；L、S为地形因子（L为坡长因子，S为坡度因子），m；C为植被覆盖因子；P为水土保持措施因子。

（3）固碳释氧

固碳释氧功能包括固碳和释氧能力[14]，由于植被净初级生产力（NPP）与碳吸收具有显著的线性相关关系，因此，采用NPP来表征固碳释氧功能。NPP估算模型[15]如下：

式中：APAR(x，t)为像元x在t月吸收的光合有效辐射，gC/(m2·月)；ε(x，t)为像元x在t月的实际光能利用率，gC/MJ。

（4）洪水调蓄

暴雨洪涝是武汉市常见的自然灾害，湖泊和水库在降低洪水危害、保障区域防洪安全方面共同发挥着重要作用，洪水调蓄评估模型包括湖泊调蓄能力和水库调蓄能力评估。针对武汉市境内面积大于1 km2的湖泊进行湖泊洪水调蓄能力分析，其估算公式如下[16]:

式中：Cr为湖泊可调蓄水量，m3；LK为湖泊水面面积，m2。

武汉市的大中型水库调蓄能力评估公式如下[16]：

式中：Cf为水库防洪库容，104m3；Co为水库总库容，104m3。根据水库总库容推算水库防洪库容，进而对水库洪水调蓄能力进行评估。

（5）生物多样性

生境维持重要性评价常用来反映区域生物多样性，因此使用InVEST模型评估生境维持重要性[17]，公式如下：

式中：Qab为生境类型b中a栅格的生境质量指数；Hb为生境类型b的生境适宜度，取值为[0，1]；k为半饱和常数，取最大生境退化度的1/2；z为归一化常量，通常设为2.5。

1.3.1.2 生态敏感性评价

生态敏感性指生态系统对人类活动干扰和自然环境变化的反应程度，表明区域生态环境问题发生的难易程度和可能性。针对武汉市特殊的地理位置与自然人文环境，选定地质灾害、土壤质量、水土流失和地表水环境质量4个方面，通过对单一生态敏感性进行多项加权求和来评价区域的综合生态敏感性。其中水土流失通过通用土壤流失方程[13]计算得到。由于无法比较哪种服务对总体贡献最大，为了保持研究结果的中立性，默认4种生态敏感性指数的权重相同。利用ArcGIS软件对生态敏感性各项指标图层进行空间叠加分析，得到武汉市综合生态敏感分布图。

1.3.2 阻力面构建

阻力面构建是生态廊道提取的核心，它反映的是生态流在生态功能区之间运行时受到阻力强度的空间分布[18]。参照文献[19-20]，从土地利用类型、地形、人类活动和植被覆盖4个方面构建生态阻力的评价指标体系，其中土地利用类型分为林地、草地、耕地、水域、未利用地、城镇建设用地、农村居民点、工矿用地、高速公路、普通公路，地形分为高程和坡度2个指标，人类活动分为与道路距离、与水体距离、与居民点距离、兴趣点4个指标，植被覆盖按NDVI划分5个级别（表1），根据各阻力因子景观阻力和对应指标权重，在ArcGIS软件中进行加权叠加得到生态阻力空间分布。

表 1 武汉市生态阻力指标体系Table 1 Index system of ecological resistance in Wuhan City

1.3.3 廊道提取和生态安全格局构建

生态廊道是生态源地斑块间物种、信息和能量流通的主要通道，利用最小累积阻力模型（minimum cumulative resistance Model，MCR）[21]，模拟计算物种在源地间运动所需克服的最小阻力，从而构建生物流动的生态廊道，计算公式如下：

式中：MCR为从源扩散到空间范围内某一点的累积阻力；Dαβ为物种从源 β 到景观单元 α的空间距离；Rα为物种穿越景观单元 α的阻力；fmin反映MCR与景观生态过程的正相关函数关系。

生态节点一般为廊道的相交或转折点，用来连接相邻生态源地，将关键生态廊道所通过的阻力面鞍部落差最大的地方作为生态节点的首先区位，通过源地—生态廊道—生态节点的模式构建完整的生态安全格局。

2 结果与分析

2.1 武汉市生态系统服务重要性评价结果

通过对5类生态系统服务功能确定权重和空间叠加分析，采用自然断点法将武汉市生态系统服务重要性分为极重要、高度重要、中等重要、比较重要、一般重要5个评价等级（图2）。从空间分布看，武汉市水源涵养极重要区主要有分布在黄陂区西北部的木兰山风景区、素山寺森林公园、梅店水库、夏家寺水库和院基寺水库等，新洲区东北部的将军山森林公园和道观河水库等，以及长江、汉江等主干河流和河东湖、梁子湖、汤逊湖等大型湖泊等。水土保持极重要地区分布相对集中，主要在黄陂区北部的低山丘陵地带，素山寺、云雾山、木兰山和双峰山等森林公园和风景区。固碳释氧极重要区主要集中分布在北部黄陂区的双峰山国家森林公园、木兰文化生态旅游区以及新洲区的将军山森林公园。洪水调蓄极重要区主城区主要靠长江和汉江，以及东湖和汤逊湖等大中型湖泊，远城区中主要以水库蓄水为主。生物多样性极重要地区面积较大且分布相对集中，主要在黄陂区北部区域、江夏区中部和南部区域以及武汉市的大型水域。

图 2 武汉市生态系统服务重要性评价结果Fig.2 Evaluation results of the importance of ecosystem services in Wuhan City

图 3 武汉市生态敏感性评价结果Fig.3 Evaluation results of ecological sensitivity in Wuhan City

生态系统服务极重要区和高度重要区面积分别为8.47和1 342.20 km2，占比之和为15.88%，其集中分布在黄陂区北部，新洲区东北部以及武汉市河流、湖泊等流域范围内。黄陂区北部和新洲区东北部是武汉市主要的林地分布区域，具有重要的水源涵养和水土保持功能，而武汉市众多的河流、湖泊具有重要的洪水调蓄以及水源涵养作用。中等重要区面积为1 421.40 km2，占比为16.71%，其在汉南区西南部和东西湖区中部存在相对集聚，主要分布在北部的倒水河、举水河和滠水河，而在其他区域均为零星散布。比较重要地区面积为5 451.31 km2，占比高达64.09%，基本遍布整个武汉市域。一般重要地区面积为282.59 km2，占比为3.32%，集中分布在城市中心区域，植被较少，但有东湖、汤逊湖、后官湖等。

2.2 武汉市生态敏感性评价结果

通过对各项生态敏感性确定权重和空间叠加分析，采用自然断点法将武汉市生态敏感性综合评价值分为一般敏感、比较敏感、中等敏感、高度敏感和极敏感区5个评价等级（图3）。武汉市生态敏感性以比较敏感为主，面积为4 036.83 km2，占区域总面积的47.26%；中等敏感区域次之，面积为2 497.98 km2，占29.24%。二者交叉分布于武汉市整个中部地区，主要为农业用地，人类活动干扰程度相对较强，生态综合敏感性相对更高。此外，中等敏感区在黄陂区西北部存在集中分布趋势，主要与该区域山地丘陵地形和独特的地质条件有关。一般敏感区面积为1 228.16 km2，占比为14.38%，主要分布在武汉市南部地区，主要用地类型为林地和水域，水源涵养能力和水土保持能力较强，人类干扰程度较低，综合生态敏感性较弱。高度敏感面积为719.82 km2，占比为8.43%，空间分布呈片状和条带状2种趋势，其中，片状分布主要集中在黄陂区东北部地区，该区域多为工矿用地，且地质条件独特，敏感性较强；条带状分布主要存在于武汉市水体边缘地区，沿河流延伸方向分布。极为敏感区域分布面积较小，仅有59.61 km2，占0.70%，主要分布在黄陂区北部水体边缘地区，区域内部多工矿用地，水质污染强度较大，且水土流失和地质灾害等问题相伴发生，敏感性极强。

2.3 武汉市生态源地识别

生态源地根据生态系统服务重要性-生态敏感性指标体系评价结果进行识别，结果如图4所示。为了深入分析生态源地的空间分布特征，进一步统计

图 4 武汉市生态源地空间分布Fig.4 Spatial distribution of ecological sources in Wuhan City

各区生态源地的规模、用地类型与结构，结果如图5所示。从生态源地规模上来看，武汉市生态源地共98个，占全市总面积25.82%。区级尺度上，生态源地主要位于远城区（江夏区、蔡甸区、黄陂区和新洲区），面积占84.95%；而中心城区面积仅占15.05%。其中黄陂区生态源地最多，面积占比为30.62%，江夏区次之，面积占比为28.57%；而位于中心城区的江岸区、江汉区、硚口区和青山区，生态源地面积占比均小于1%。从生态源地用地类型来看，以水体为主，耕地和林地次之，其面积分别占42.56%、26.72%和23.65%。这与武汉市水资源丰富、湖泊众多的地域特征有关。

图 5 武汉市生态源地行政区分布及其土地利用结构Fig.5 Distribution of administrative regions and land use structure of ecological sources in Wuhan City

2.4 武汉市生态廊道提取和生态安全格局构建

通过最小累积阻力模型计算得到生态累积阻力面，结果如图6所示。由图6可知，累计阻力面以生态源地为中心，呈圈层向外逐层递减，整体上源地之间连通性较好。其中，位于黄陂区北部山区的源地面积较大，且该区域属于低阻力区，源地间连通性条件好，具有重要的生态价值；位于武汉市东南部地区的梁子湖南部平原区，陆地植被覆盖较好，但破碎化严重，阻力较大。

图 6 武汉市生态累积阻力面空间分布Fig.6 Spatial distribution of ecological cumulative resistance surface in Wuhan City

在98个生态源地图层上提取中心点作为重要生态源地的中心节点，利用最小累积阻力模型计算生态源地节点与目标节点之间的景观阻力来确定最短路径和最小成本路径，节点之间两两生成廊道，除去重复廊道，即为潜在的景观生态廊道。结合武汉现状生态环境与未来发展需求，最终确定的景观生态网络共包括重要生态廊道80条（图7），长928 km。纵向廊道以滠水河—长江为主要中心轴，包括素山寺—木兰山—府河—后官湖，将军山—涨渡湖—东湖—梁子湖，武湖—东湖—汤逊湖—鲁湖—斧头湖。横向廊道包括素山寺—木兰山—将军山，府河—武湖，后官湖—汤逊湖—梁子湖，沉湖—青龙山—梁子湖，沉湖—鲁湖—斧头湖—梁子湖。横向和纵向生态廊道相互交错，构成“五横四纵”生态格局，廊道相互连接，形成稳定的网络结构，对提升区域生态连通性具有重要意义。

图 7 武汉市生态安全格局Fig.7 Ecological security pattern of Wuhan City

根据生态累积阻力面分布和城市生态空间格局，武汉市生态网络节点适选区位包括以下6个节点：1）黄陂区李家街—祁家街—黄孝公路附近；2）东西湖区柏泉办事处—武荆高速附近；3）甸区侏儒街—汉蔡高速附近；4）黄陂区蔡家榨镇附近；5）新洲区凤凰镇附近；6）新洲区邾城街附近。这些节点有重要的生态廊道通道通过，但是又处于人类活动剧烈的居民点和交通干线。为保障生态廊道的安全和连通性，在这些区域宜建造人文生态景观。

3 结论与建议

(1)武汉市生态系统服务重要性和生态敏感性评价结果表明，武汉市重要生态功能区面积较大，黄陂区木兰山风景区、素山寺、新洲区将军山、江夏区青龙山和蔡甸区九真山等森林公园是水源涵养、洪水调蓄、固碳释氧和生物多样性的重要功能区，主要河流、大型湖泊、水库等水体是主要的水源涵养和洪水调蓄功能区。武汉市生态敏感性空间分布差异明显，以比较敏感为主，敏感性强的用地类型多为工矿用地，主要集中在黄陂区，林地和水域用地类型的水源涵养能力和水土保持能力较强，人类干扰程度较低，生态敏感性较弱。

(2)利用最小累积阻力模型，识别了武汉市98个生态源地、80条生态廊道、6个生态节点，构成生态源地—生态廊道—生态节点的生态安全格局，形成“五横四纵”生态网络体系，生态安全格局的构建有利于提升生态系统之间的连通性，促进生态物质和能量的流动。

(3)为进一步加强武汉市生态环境保护，建议一方面针对重要生态敏感区，做好灾害防治措施，减少工程建设等人类剧烈活动，避免引发严重的自然灾害，在水土流失和地质灾害易发的地区，做好水土保持工作，逐步有序实施退耕还林工程，水质污染和土壤污染敏感区需对大型污染企业进行排污重点管控。另一方面强化森林公园和大型水体等核心生态源地的保护，严格禁止建设用地和农业扩张的侵占，建立生态廊道，在中心城区主要通过建立沟渠加强水体之间的联系，修建绿道隔绝外部对水体的污染，提高生态系统流通性，在生态节点处，构造人文绿色景观，保证生态廊道的连通性和安全性。