京津冀地区生态安全格局构建与预警点识别

张孟楠，徐磊，张长春

(河北农业大学 国土资源学院, 河北 保定 071001)

在以生态文明建设为目标的战略背景下，如何解决生态安全问题成为学术界乃至国家和社会关注的热点。合理构建生态安全格局能够对生态过程进行积极调控，是系统解决生态安全问题，引导生态空间健康的重要手段，是提升人类福祉和实现可持续发展的桥接点[1-3]。

20世纪90年代，俞孔坚以生物多样性保护为目标提出景观生态安全格局构建，极大促进生态安全格局理论与方法研究[4]。在研究尺度方面，涵盖了全国、城市群、省域、市域和县域的多尺度研究区[5-9]。此外，根据不同类型区域自身环境特征，形成了山地型城市、山水型城市、海岛型城市、煤炭资源型城市、平原地区、农牧交错带以及流域等不同地形特征的生态安全格局构建方法[10-16]。当前主流的生态安全格局构建模式是“生态源地-生态阻力面-生态廊道”的组合模式。生态源地识别多基于生态系统服务供需、生态保护红线、生态重要性-敏感性-连通性等方面展开[17-18]；阻力面的构建是提取生态廊道的基础，修正基本阻力面成为近年来构建生态阻力面的核心环节和重要趋势[19]；在构建生态廊道方面，多采用最小累积阻力模型、电路理论、重力模型等方法[14-15，20]。电路理论的连接度模型考虑到物种在景观中迁移扩散的随机性，比较符合物种运动的真实情况，因此本研究通过电路理论分析生态廊道。

目前生态安全格局已从最初的定性定量分析研究，发展到生态空间修复、目标优化、动态格局模拟等方面[21]。部分学者通过构建生态安全格局后进行土地利用变化模拟，将生态安全格局作为土地利用变化的限制条件，探索未来土地利用变化对生态发展构成的威胁，以明确未来生态保护方向，为土地管理和规划提供参考和借鉴[22]。常用的模拟土地利用变化的模型有CA-Markov模型、CLUE-S模型、FLUS模型等。PLUS模型是新近提出的土地利用模拟模型，具有强大的数据挖掘能力和更好地模拟土地利用斑块级变化的能力[23]。

基于此，研究通过InVEST模型、MCR模型、电路理论等构建京津冀地区生态安全格局，基于Markov模型预测未来土地利用数量需求，利用PLUS模型以生态安全格局为限制区域模拟2030年京津冀地区土地利用空间格局，从动态变化视角探索建设用地空间扩展方向，识别国土空间生态保护预警点，为京津冀地区国土空间规划和生态安全一体化建设提供科学参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

京津冀位于环渤海地区和东北亚的核心重要区域，总面积达到21.6万km2，由北京、天津以及河北省的石家庄、保定、唐山、廊坊、秦皇岛、张家口、承德、邢台、邯郸、衡水、沧州11个地级市组成。地势西北高、东南低，有高原、山地、丘陵、盆地、平原等复杂多样的地貌，燕山山脉自东向西连接由北向南的太行山山脉，形成一段弧形山脉。截至2020年，京津冀GDP达到86 393.23亿元，占全国GDP的8.5%。但区域内部经济差异明显，次级中心城市发展相对滞后，县域发展分散。随着社会经济的发展，生态脆弱性愈加明显，生态空间破碎化，生态系统退化等问题突出。

1.2 数据来源

京津冀地区土地利用数据和GDP空间分布公里网格数据来自中国科学院资源环境与数据中心。植被净初级生产力(NPP)数据和夜间灯光数据(NPP-VIIRS)均来源于美国国家海洋和大气管理局。NPP数据通过MRT拼接，ArcGIS裁剪处理得到；NPP-VIIRS数据在ArcGIS中经过去异常值和负值修正处理得到。土壤数据来自世界土壤数据库(WHSD)。DEM数据来源于地理空间数据云平台，分辨率为30 m×30 m，坡度数据是基于DEM在ArcGIS空间分析中处理得到。各级道路数据来源于高德地图，包括国道、省道、高速公路和城市道路等。POI数据(火车站、汽车站和机场等)来源于北京大学开放研究数据平台。道路数据和POI数据均通过欧氏距离进行可达性分析。人口数据来源于WorldPop(https://www.worldpop.org/)，分辨率为1 km。将所有空间数据重采样成500 m分辨率，并统一为 Albers 等积圆锥投影。

2 研究方法

2.1 生态安全格局构建

2.1.1 生态源地识别 生态源地是维持生态系统健康发展的重要生境斑块[24]。本研究基于生态系统服务的生态重要性评价，选取京津冀地区水土保持、生物多样性保护、水源涵养和气候调节4类功能作为评价因子，见表1。通过自然断点法将评价结果等权叠加，选取重要性等级高的区域作为生态源地。

(1)生物多样性保护。生境质量是指生态系统能够为物种生存提供适宜条件的潜在能力，一般用来评估生物多样性[25]。通过InVEST模型的生境质量模块(Habitat Quality)评价京津冀地区生物多样性保护功能。具体计算公式如下：

(1)

式中：Qxj为地类j中栅格x的生境质量指数，取值范围为[0，1]；Hj为地类j的生境适宜性；k为半饱和常数，即退化度最大值的一半；Z为模型默认参数；Dxj为地类j中栅格x的生境退化度。

(2)固碳释氧。固碳释氧是生态系统通过光合作用吸收大气中的二氧化碳，并将其固定在植被、凋落物、根系和土壤的过程，具有气候调节能力[26]。通过InVEST模型的碳固持模块(Carbon storage)估算京津冀地区固碳释氧服务功能，所需数据包括土地利用数据和地上生物量、地下生物量、土壤有机物、死亡有机质四大基本碳库。具体计算公式如下：

C=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(2)

式中：C为固碳总量，Cabove、Cbelow、Csoil和Cdead分别为地上固碳量、地下固碳量、土壤固碳量和死亡固碳量。

(3)水土保持。水土保持是生态系统在一定程度上，通过自身调控来减少因自然因素或人为因素造成的水土流失，从而维持土壤的天然功能，有利于维护区域生态安全，与气候条件、土壤质地、地形地貌和植被覆盖关系密切[27-28]。通过计算京津冀地区水土保持服务能力指数来实现对研究区水土保持服务重要性评价，具体计算公式如下：

Spro=NPPmean·(1-K)·(1-Fslo)

(3)

式中：Spro为水土保持服务能力指数；NPPmean为年平均净初级生产力；Fslo为坡度因子；K为土壤可蚀性因子。

(4)水源涵养。生态系统的水源涵养是指一定时空范围内，生态系统通过与水的相互作用，截留、渗透、蓄积降水的过程和能力[29]。水源涵养是维持区域生态安全的重要功能之一，通过计算京津冀地区水源涵养服务能力指数来实现对研究区水源涵养服务重要性评价，具体计算公式如下：

WR=NPPmean·Fsic·Fpre·(1-Fslo)

(4)

式中：WR为水源涵养服务能力指数；Fsic为土壤渗流因子；Fpre为年均降雨量。

2.1.2 生态阻力面构建 阻力面反映了景观单元之间物质能量传递或物种运动等生态过程所受到的阻碍，阻力值大小与传递、运动的距离有关，同时也受到自然和人为活动的干扰[30]。最小累积阻力(MCR)模型能较好地模拟景观对空间运动过程的阻碍作用，是比较成熟且较为常用的构建生态安全格局模型[31]。采用最小累积阻力模型(MCR)进行生态阻力面的构建，计算公式为：

(5)

式中：MCR为最小累积阻力值；f表示生态过程与最小累积阻力为正相关关系；Dij为生态源地斑块j和景观单元i之间的空间距离；Ri为景观单元阻碍物种迁徙的阻力系数。

生态阻力系数的确定可以根据专家知识或经验数据对不同土地利用类型进行赋值[24]。参考相关文献，确定土地利用类型对应的基本阻力系数：耕地30、林地1、草地10、水域50、建设用地500、未利用地300[32]。但均一化赋值忽略了同一地类不同人为干扰程度对生态阻力系数的影响，为了提高结果的科学性和可信度，近年来学者多用不透水表面指数、城市兴趣点指数、夜间灯光指数等数据对阻力值进行修正[18,33-34]。夜间灯光数据能较好表征区域经济状况、人口密度等差异，借助京津冀地区2020年VIIRS-NPP夜间灯光数据对生态阻力值进行修正，具体计算公式如下：

(6)

式中：NLi为栅格i的夜间灯光指数；NLa为栅格i对应的地类a的平均夜间灯光指数；R为基于土地利用类型赋值的栅格i的基本阻力系数。

2.1.3 生态廊道提取 在生态安全格局构建过程中，生态廊道是连接各个生态斑块的线状或带状景观要素，以促进生态斑块之间物质交换、能量流动、信息交流等过程，是沟通生态源地的桥梁[35]。生态廊道分为关键生态廊道和潜在生态廊道，前者是指相邻2个源地之间的最小成本路径，后者指源地与周围所有源地之间的可能路径[36]。通过与ArcGIS联合的Linkage Mapper工具箱，调用Build Network and Map Linkages工具，基于生态源地数据和阻力栅格数据提取2类生态廊道。

2.2 土地利用变化模拟分析

2.2.1 PLUS模型 PLUS模型耦合一种新的土地扩张分析策略(LEAS)和基于多类型随机斑块种子的CA模型(CARS)，可以直观表达驱动因子在推动土地利用变化过程中的贡献，及时空动态地模拟多种土地利用类型斑块变化。参考相关文献，从地形地貌、气候条件、交通区位、社会经济方面选取高程、坡度、降雨量、温度、距城市道路距离、距高速公路距离、距火车站距离、距水系距离、人口、GDP等15个驱动因子[23,27]。以2000-2020年土地利用变化模拟2030年京津冀地区土地利用格局。为检验模拟精度，先以2000年土地利用数据模拟2020年土地利用格局，并与2020年现状土地利用数据作比较，得到Kappa系数为0.79，总体精度为0.85，符合精度要求。

2.2.2 核密度分析 以京津冀地区2020年土地利用现状数据和模拟获得的2030年土地利用数据得到建设用地扩张数据，通过ArcGIS中密度分析模块的核密度分析工具，探索建设用地扩张的热点区域，预测建设用地扩张对生态安全格局潜在的胁迫区域，以此为生态保护预警点。

3 结果分析

3.1 生态安全格局构建

3.1.1 生态源地识别 利用自然断点法将4类生态系统服务重要性评价结果划分为极重要、重要、中等重要、一般重要和不重要5个等级，如图1。

(a)生物多样性保护功能重要性评价

京津冀地区生物多样性保护重要区域分布集中于燕山、太行山山脉，即承德全域，张家口西、南部，北京西北部，秦皇岛北部以及保定、石家庄、邢台西部。原因在于山脉区域林地覆盖率高，生境质量好，有利于生物资源的保护和生物多样性的发展。其他地区主要为耕地和建设用地，受人为活动干扰，生境质量差，不利于保护生物多样性。张家口北部为草原生态地区，而草地对生物多样性保护的贡献相比林地较弱。

受土地利用类型影响，京津冀地区固碳释氧重要区域分布与生物多样性保护重要区域分布较为一致，即森林覆盖面积广，生态环境良好的山脉地区。冀中南平原大面积为耕地，固碳释氧能力较弱，为一般重要区域。不重要区域主要分布在城市建成区。

京津冀地区水土保持重要区域分布较为零散、破碎，囊括燕山山脉的主要地区，以及秦皇岛、唐山、廊坊、保定、石家庄和邯郸等市。分布区域基本与土壤可蚀性因子分布一致，可蚀性越低，水土流失敏感性越低，对水土保持具有极为重要的作用。

京津冀地区水源涵养服务重要区域集中分布在秦皇岛、唐山、承德东部，以及邢台、邯郸西部。这是由于该区域降雨量高，水热均衡条件较好，有利于水资源的调节和控制。

基于ArcGIS平台，将4种生态系统服务重要性评价结果归一化处理之后叠加分析，提取极重要斑块作为研究区生态源地初步识别结果。面积较小的斑块更易受到外界干扰，其辐射功能也减弱，对区域生态安全格局的影响较小，所以生态源地需要有一定面积才能保证核心区的稳定性。参考相关研究成果，从初步识别结果中进一步筛选面积大于100 km2的生态斑块，最终得到京津冀地区生态源地，见图2[37]。京津冀地区生态源地共46个，总面积达14 424.743 km2，占京津冀地区总面积的6.7%。生态源地的空间分布不均衡，依托燕山山脉优良的生态本底，主要分布在承德市、秦皇岛北部、北京西北部和张家口市等北部地区，而冀中南地区仅有南部太行山山脉有少量的生态源地分布。城市建设多集中于冀中南平原地区，且有大面积农业用地，受人为影响较大，在这些区域无生态源地分布，生态流的运行也受到较大阻碍。

图2 京津冀地区生态源地空间分布

3.1.2 阻力面的空间分布 在ArcGIS中使用重分类和栅格计算器工具得到修正后的综合阻力值，并使用表面分析模块进行累积阻力计算，得到生态阻力面，见图3。

图3 京津冀地区生态阻力面

京津冀地区低阻力区围绕源地大面积分布在北部、西部山林区，以林地和草地生态用地为主，人为建设活动相对较少，是自然环境良好且适宜物种生存的生态空间。高阻力区分布在天津、沧州、衡水等东部沿线城市，距离源地较远，地势相对平缓，以耕地和建设用地为主要用地类型，人口密度相对较高。此外，北京城市建成区与生态区域紧密相连，但因人类活动密集，交通线网发达，阻力值较大。

3.1.3 生态廊道 京津冀地区生态廊道分布格局见图4。

(a)关键生态廊道

经过上述分析，得到京津冀地区关键生态廊道86条，共计2 210.57 km，平均长度为25.7 km，最长达到220 km，最短为0.5 km；潜在生态廊道50条，共计6 715.71 km，平均长度为134.31 km，范围在8.8～855.03 km。基于源地的空间分布，生态廊道主要分布在承德、北京和张家口市。

京津冀地区关键生态廊道分级见图5。

(a)关键生态廊道相对阻力分级图

进一步根据相对阻力大小和对整体区域景观连通性的贡献程度大小两方面，对上述关键生态廊道进行深入分析。相对阻力大小通过成本加权距离与路径长度的比值来量化，对景观连通性的贡献程度利用Centrality Mapper工具的中心度水平分析生态廊道对景观连通性能贡献程度。依据自然断点法将廊道划分为3个等级。

京津冀地区关键生态廊道相对阻力分级结果见表1。

表1 京津冀地区关键生态廊道相对阻力分级

按照京津冀地区关键生态廊道相对阻力大小，分为阻力较大、阻力中等和阻力较小3个等级，具体分级结果如表2所示。生态廊道的相对阻力越大，说明其对生物运动过程的阻滞作用就越大，对区域的生态交流也就越不利。京津冀地区阻力较大的关键生态廊道共计11条，平均长度为52.82 km，位于承德市、张家口市和石家庄市，廊道经过的区域有耕地、建设用地等，相对有较多的人类活动干扰。阻力中等的廊道共计17条，平均长度为47.39 km，位于承德市中部和保定市，廊道经过的区域有耕地和草地。阻力较小的廊道共计58条，占关键生态廊道总数的67.44%，平均长度为14.21 km。

京津冀地区关键生态廊道连通重要性分级结果见表2。

表2 京津冀地区关键生态廊道连通重要性分级结果

按照京津冀地区关键生态廊道对区域景观连通性的重要程度大小，划分重要贡献、中等贡献和一般贡献3个连通重要性等级，具体结果如表3所示。对区域连通性贡献程度最大的生态廊道共16条，占关键生态廊道总数的18.61%。位于源地密集区的重要贡献生态廊道有14条，虽然长度均较短，平均只有3.41 km，却是保障区域内生态源地空间连通性的关键廊道。沿着太行山山脉的2条生态廊道均较长，最长达到174.62 km，这2条生态廊道分别位于保定市和石家庄市，是连接太行山生态源地的唯一桥梁，对区域整体生态空间格局的稳定性具有重要作用。景观连通重要性处于中等水平的生态廊道有30条，主要位于承德市。总长度为403.56 km，占关键生态廊道总长度的18.26%，平均长度较短，为13.45 km。对区域景观连通性贡献程度一般的生态廊道共计40条，分布范围较广，主要集中于承德中部和张家口东部地区。总长度最长，达到1 473.01 km，平均长度为36.83 km。

3.2 土地利用格局模拟

通过阅读相关文献可知，窄于1 200 m的廊道不会有真正的内部生境，结合本研究的模拟栅格单元，以1 200 m宽度的缓冲区作为生态廊道的空间区域[38]。将生态源地和关键生态廊道作为限制区域，模拟2030年京津冀地区土地利用空间格局，如图6。

图6 京津冀地区2030年土地利用模拟结果

耕地大量转换为建设用地和林地。林地增加的面积主要分布在燕山太行山一带以及张家口市，增长方式为边缘式和填充式。草地呈减少趋势，太行山南部一带和张家口市草地面积大量减少，主要向水域用地转变。水域面积增加明显，且范围较大，遍布沿海一带，燕山太行山山脉以及张家口市，沿海一带主要是耕地转换为水域，同时沧州市大量盐碱地转换为水域，山脉地区主要是草地转换为水域。京津冀地区建设用地的扩张主要是耕地转换而来，主要原因是除秦皇岛、张家口、承德外，京津冀其他城市均位于黄淮海平原区，而城市周边以耕地为主。其扩张方式是原有建设用地向周边地类扩展，为大量的城镇用地扩张和零星的农村居民点用地扩张。扩张的“热点区”位于冀中南地区，沿着北京-保定-石家庄-邢台-邯郸发展轴的小城镇快速发展。

3.3 生态保护空间预警点

以京津冀地区2020年土地利用现状数据和模拟得到的2030年土地利用数据得到建设用地扩张数据，通过ArcGIS的核密度分析工具探索建设用地扩张的热点区域，并采用自然断点法将其分为低、中、高和严重敏感区4类等级。其中高敏感区与严重敏感区主要分布在北京、天津、唐山以及保定、石家庄、邢台、邯郸等城市。将生态安全格局与建设用地扩张热点区叠加，以建设用地扩张中对生态安全格局造成胁迫的位置设为关键生态保护空间预警点，见图7。

图7 京津冀地区生态保护空间预警点

由图7可知，发现多地生态空间可能受到建设用地扩张威胁，包括北京、秦皇岛、承德、张家口和石家庄等市部分区域。在北京城市建成区和燕山山脉接壤地带，如昌平区、海淀区、房山区、怀柔区、密云区等区域建设用地扩张不断迫近生态源地和生态保护区，挤压生态空间，在承德的双滦区和滦平县交界处、隆化县和张家口的崇礼区、宣化区，建设用地扩张也对部分生态廊道造成阻断，不利于区域整体生态安全格局保护。由此可知，未来研究区切不可按照历年建设用地扩张速度发展，应进行合理规划布局，尽量减少新增建设用地，盘活存量用地，促进建设用地集约节约高效利用。尤其是对于可能威胁到生态源地和生态廊道的预警区域，应重点关注其建设用地扩张方向和程度，规划具有弹性的国土空间格局，避免经济社会发展威胁到生态系统健康，保障经济和生态协调发展，促进人与自然和谐共生。

4 结论

本研究以京津冀地区作为研究区，通过评价生态系统服务重要性识别生态源地，采用夜间灯光数据修正基本阻力面，利用MCR模型构建生态阻力面，依据电路理论提取生态廊道，从而构建京津冀地区生态安全格局。在此基础上，以生态安全格局为空间模拟的约束条件，通过PLUS模型模拟2030年京津冀地区土地利用空间布局，分析建设用地扩张热点区域，对生态安全做出预警。

(1)京津冀地区生态源地数量为46个，总面积为14 424.743 km2，占区域总面积的6.7%，主要分布在生态本底条件优良的燕山、太行山山脉。关键生态廊道和潜在生态廊道分别为86条和50条，共计8 926.28 km，依托源地分布呈现纵横交错的网状结构，冀中南平原地区无源地和廊道分布。

(2)通过限制生态源地和生态廊道变化模拟京津冀地区2030年土地利用空间布局，发现建设用地大面积占用耕地，北京、秦皇岛、承德部分区域建设用地扩张可能威胁到生态空间，从而做出预警，明晰未来生态保护方向，促进生态空间完整性。