基于形态学空间格局分析与最小累积阻力模型的昆明市生态安全格局构建研究

李志英，李媛媛，李文星，薛梦柯

(云南大学建筑与规划学院，云南 昆明 650091)

快速城市化加快了土地利用方式转变，使得原本脆弱的生态环境趋于恶化，阻碍区域可持续发展[1]。滇中高原山地区城市化相对快速，发展潜力巨大，然而高强度城市开发带来不利生态过程，如何维护区域生态安全成为国土开发与生态保护亟需解决的问题。

开展生态安全评价既有助于掌握区域生态安全状况，又能为生态安全格局的构建提供依据[2]，景观生态安全是以景观尺度研究人类活动和自然胁迫对生态安全的影响[3]。国内外景观生态安全评价指标选取呈由单一景观格局指数[4]向社会、经济、生态效应的综合性评价指标[5]演进的趋势，城市化背景[6]及人为干扰[7]条件下的景观生态安全研究成为热点。较多研究采用景观生态安全评价结果模拟城市增长[8]、优化生态空间结构[9]：就评价对象而言，涉及流域[10]、石漠化区域[11]等生态敏感区，以及受人为干扰严重的特大城市[12]等城市区域，如YU[13]通过景观过程分析最早提出由源、缓冲区、源间联结、辐射道和战略点构建的景观安全格局，KANG等[14]采用电路理论从生态系统服务角度构建云南省生态安全格局，FU等[15]利用热点分析法提出2种黄土高原生态安全格局模式及优化策略。就研究方法而言，主要包括从景观生态学角度识别生态组分重要性[5]和基于特定目标[11,16]的生态安全格局构建。已有研究从景观生态学角度充分考虑了景观格局空间形态学意义和斑块重要性，体现了生态安全格局的生态功能维持作用。然而，在阻力面和廊道构建中，同时兼顾建设用地扩张和生态用地保护的生态安全格局构建研究尚不多，对生态环境脆弱且城市化进程快速的滇中高原山地生态安全格局研究也较缺乏，生态安全格局与城市化关系的研究有待丰富。因此，结合高原山地自然环境特点，分析“干扰-效应”角度下昆明市景观生态安全时空分布特征，并采用形态学空间格局分析(MSPA)和景观连接度选取生态源地，根据建设用地斑块特征选取建设扩张源地，采用最小累积阻力模型(MCR)综合建设扩张与生态保护构建区域生态安全格局。通过科学构建昆明市生态安全格局，丰富高原山地生态安全格局研究，为维护区域生态安全、推动区域可持续发展提供一定理论借鉴。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

滇中高原山地区域生态环境脆弱，主要表现为土壤侵蚀、石漠化严重和自然灾害频发[17]；同时，持续加快的城市化带来了挤占耕地、高原湖泊污染、采矿区水土流失等环境问题[18-19]。选取地处滇中高原山地区域的昆明市为研究对象，其面积为2.1万km2，位于24°23′ N～26°22′ N、102°10′ E～103°40′ E。2018年昆明市总人口约685万人，是云南省唯一的特大城市；GDP达5 206.9亿元，占全省的29.12%，城市化率为72.85%，城市化进程、经济发展速度均列全省首位。昆明市三次产业产值比例为4.3∶39.1∶56.6，已基本形成以第三产业为主导的产业结构形式。昆明市地势北高南低，在地貌上兼具高原湖盆、高原峡谷和喀斯特丘状等地貌特点，为反映昆明市高原山地自然特点，结合相关规划及自然地理分区[19]，将研究区分为北部高山河谷区、中部高原湖盆区和东南岩溶丘陵区3个部分(图1)。

图1 昆明市地势及地理分区

1.2 数据来源

遥感影像数据来源于1990—2018年Landsat 4-5 TM、Landsat 7 ETM和Landsat 8 OLI卫星遥感影像，数字高程模型(DEM)采用GDEMV2 30m数据，以上数据均来自于地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/home)。研究区土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6大类，由遥感影像经预处理和监督分类后获得。道路矢量数据来源于OpenStreetMap网站(http:∥www.openstreetmap.org/)。人口、社会经济数据来源于1990—2018年《云南统计年鉴》《昆明统计年鉴》及相关统计公报。

2 研究方法

2.1 景观生态安全评价方法

2.1.1指标体系构建

基于景观生态学“格局-过程”理论，在气候变化、地理环境等自然干扰和城市化等人为干扰条件下，土地利用景观格局呈现空间异质性，展现出不同的生态过程表征[20]。因此，在借鉴已有景观生态安全评价模型[5]的基础上，从“干扰-效应”角度构建景观生态安全评价体系(图2)。“干扰”层主要考虑景观格局变化的自然、人为干扰因子。由于昆明市地势高起伏区具有水土流失潜在风险，地势平坦地区又面临石漠化、国土空间开发带来的外在胁迫。因此，景观压力层的自然干扰因子选取地形起伏度，人为干扰因子选取社会经济指标人口密度、经济密度和建设用地开发利用强度指数。“效应”层体现在干扰条件下景观格局展现的生态过程，由结构形态、空间功能和健康程度综合反映(表1)。

图2 景观生态安全评价模型设计框架

在景观结构上，景观干扰度和脆弱度反映人类活动或自然胁迫条件下景观结构形态的变化情况，景观适应性反映景观组分均匀程度及多样性对生态系统稳定程度的影响；在景观活力上，生物丰度指数反映区域生物多样性状况，植被覆盖度反映区域生态健康程度；在景观功能上，以生态系统服务价值反映生态系统服务功能，以生态弹性度反映土地受内外扰动后生态系统的缓冲和调节能力。

2.1.2指标处理及权重确定

按照景观平均斑块面积的2～5倍[21]进行等距离采样，将研究区划分为2 569个3 km×3 km网格，采用极差法进行格网数据标准化，采用层次分析法并结合专家意见确定各指标权重(表1)，得到格网单元景观生态安全值。采用地统计分析中普通克里金插值法进行景观生态安全图示化。

表1 昆明市景观生态安全评价指标体系

2.2 生态安全格局构建方法

2.2.1源地识别

(1)生态保护源地的提取

基于MSPA方法，选取2018年景观生态安全高、较高等级的所有斑块，将具有重要生态功能维持作用的林地、水域景观类型设置为前景，其余景观类型设置为背景，得到具有重要生态意义的核心区。MSPA景观类型具体解释参照文献[22]。

景观连接度是景观促进或阻碍某种生物过程在源地间运动的程度[23]，通过评价斑块连通性及重要性可有效识别生态源地[24]。基于斑块重要性指数(dPC)提取生态保护源地，计算公式为

(1)

dPC=(PC-PC,remove)/PC×100%。

(2)

式(1)～(2)中，Pij*为斑块i与j之间所有路径的最大乘积概率；ai和aj分别为斑块i和j的面积，km2；AL为景观总面积，km2；PC为可能连通性指数，取值范围为[0,1]，其值越小，斑块连通性越低；PC，remove为去除某斑块后剩余斑块的整体指数值。

参考已有研究[18]，采用Conefor 2.6软件计算斑块重要性数据，其中，可能性概率设为0.5，分析距离阈值设为1 500 m。采用自然断点法将斑块重要性分为高、较高、中等、较低和低等级，根据研究区情况剔除斑块重要性为低等级斑块[22]，最终得到生态源地11块。

(2)建设扩张源地

选取2018年土地利用数据中面积大于2 km2的建设用地斑块作为建设扩张源地。

2.2.2阻力面构建

阻力因子是构建阻力面的基础，根据高原山地自然地理特征，选取高程、坡度、土地利用类型、景观生态风险、植被覆盖度、距建设用地距离、距水体距离和距道路距离作为阻力因子。参考阻力因子分级标准[10,25]，将阻力值分为5级，斑块阻力值越大，越不适宜于源地向外扩张(表2[11，24-27])。采用层次分析法确定阻力因子权重，将阻力因子叠加运算后可获得综合阻力面。

表2 阻力因子评价指标体系[11，24-27]

2.2.3生态安全分区划定

基于MCR模型，采用ArcGIS 10.5软件成本距离分析工具构建最小累积阻力面。MCR模型公式[28]为

(3)

式(3)中，RMC为生态源地扩张的最小累积阻力；Dij为物种从源地j到景观单元i的距离；Ri为景观i对物种运动的阻力值；n为基本景观单元总数；f为最小累积阻力与生态过程的正相关关系。

通过计算生态保护与建设扩张最小累积阻力面的差值(RMC差值)来确定生态安全优化分区，计算公式[28]为

RMC差值=RMC生态-RMC建设。

(4)

式(4)中，RMC生态和RMC建设分别为生态保护和建设扩张的最小累积阻力。当RMC差值=0时，为生态保护与建设扩张的临界线；当RMC差值>0时，表示生态源地扩张受阻较大，区域更适宜于建设用地扩张；当RMC差值<0时，表示建设扩张受阻较大，区域更适宜于生态源地扩张。

2.2.4生态廊道及生态节点识别

生态廊道是源地间阻力最小的通道。基于最小累积阻力面，采用ArcGIS 10.5软件空间分析中成本距离和成本路径工具提取生态源地扩张的最小路径，即潜在生态廊道，再利用重力模型[25]评价生态廊道重要性以得到重要生态廊道。生态节点对物种迁移至关重要，故选取生态廊道间的交点作为生态节点[29]。

3 结果与分析

3.1 景观生态安全时空分布特征分析

昆明市景观生态安全在时间序列上逐年递减，1990、2000、2010和2018年景观生态安全评价值分别为1 749.37、1 739.58、1 736.28和1 727.98，其中，2000—2010年降幅最小，为0.19%；1990—2000年降幅最大，为0.56%。这是由于1990—2000年研究区景观结构要素下降最大；2000—2010年，虽然城市化加速导致景观结构、景观功能和景观压力要素均下降，但由于植树造林工程、退耕还林工程的实施，局部地区植被生长环境得到改善，植被生长状态优良，景观活力提升最大，故景观生态安全降幅最小。

采用自然断点法对2 569个网格单元景观生态安全评价值(图3)进行分级，低、较低、中、较高和高生态安全等级取值分别为0～0.57、>0.57～0.64、>0.64～0.70、>0.70～0.77和>0.77～1,得到各行政区划不同景观生态安全等级区域面积情况(图4)。昆明市景观生态安全空间分布呈现北部高山河谷区整体较高，东南岩溶丘陵区和中部高原湖盆区边缘高中心低的“中心-外围”结构，并呈现景观生态安全等级沿各区(县、市)建成区向外逐步升高的特点(图3)。滇池流域景观生态安全评价值变化最剧烈，低生态安全等级区呈现环绕湖泊由东向西的环抱之势，其扩展路径与城市扩张路径基本一致。此外，东川区也集中分布有低景观生态安全等级区域。

图3 1990—2018年昆明市景观生态安全空间分布

如图4显示，1990—2018年中生态安全等级面积占比最大，较高和高生态安全等级区集中在滇池、市域中部以及北部禄劝县和寻甸县。其中，禄劝县较高生态安全等级区域面积占比最大，为57.41%～60.87%；安宁市高生态安全等级区域面积占比最大，为12.28%～18.91%。高值和较高生态安全等级区地表起伏大，林地、草地等生态用地聚集，景观功能、景观活力要素均较强，故生态安全水平较高。低、较低生态安全等级区集中在滇池流域、市域东南部以及东川区、嵩明县。其中，呈贡区低生态安全等级区面积占比最大，为19.24%～41.15%，嵩明县较低生态安全等级区域面积占比最大，为52.06%～57.01%。

图4 1990—2018年昆明市各区(县、市)景观生态安全等级区域面积占比

东川区矿业活动多、水土流失严重，林地面积占比较小致使生态系统服务功能较弱，斑块破碎化和分离度高致使景观结构不稳定，故景观生态安全等级较低。但近年来东川区采矿活动的关停和生态修复工程的开展使得区域生态环境得到改善，故低生态安全等级区面积有所减少。嵩明县、宜良县和石林县中心的耕地与建设用地交错分布，景观结构稳定性差，故生态安全等级较低。滇池流域处于高原山地的平坝地区，城市空间结构变化强烈，而耕地、林地和草地等高生态系统服务功能、高景观活力的优势景观类型面积减少，使得研究区景观生态安全等级逐渐降低。其中，2000年之后，官渡区、安宁市景观生态安全等级明显下降，这主要是由于在滇中城市群和昆明城市总体规划引导下，这些区域建设开发强度增大，由于空港新城和呈贡新区的建设，嵩明县、呈贡区建设用地剧增，低生态安全等级区范围迅速扩张。总体而言，滇池流域基本形成了昆明主城—安宁、昆明主城—呈贡、昆明主城—官渡—嵩明的低生态安全评价值路径，这与城市发展路径基本一致。

3.2 生态安全格局构建

3.2.1源地识别

(1)生态保护源地的确定。如图5、表3所示，核心区面积占全市面积的39.2%，占比较大，可知昆明市生态基底较好。

图5 基于MSPA的昆明市景观分析结果

表3 MSPA分类统计结果

核心区集中在禄劝县、寻甸县和西山区，其他区(县、市)也有均匀分布。桥接区对物种的能量流动和生态网络形成具有重要作用，其面积占全市面积的0.01%，占比较小，表明核心区各斑块间的沟通不密切。岛状斑块作为孤立的自然斑块，是生物迁移扩散的暂栖地，占比也较小。孔隙是斑块内部的边缘，面积占比为1.09%。边缘区是前景外部的边缘，面积占比为1.50%。

根据生态源地综合评价，共得到生态保护源地11块，面积为6 328.81 km2，占市域面积的30.11%(图6)，主要集中在市域中部及北部，这些区域林地、水域大面积分布，景观连通性较高，适宜于物种迁移。

(2)建设扩张源地的提取。建设扩张源地斑块共有46块，总面积为852.50 km2，占市域面积的4.06%，各建设扩张源地主要集中在各区(县、市)建成区(图6)。

图6 昆明市生态安全格局

3.2.2生态安全分区的划定

(1)阻力面的构建。采用ArcGIS 10.5软件缓冲区分析工具和栅格计算器得到每个栅格单元的综合阻力值，基于MCR模型得到2种源地的最小累积阻力面(图7)。生态源地扩张累积阻力值较高的区域分布在市域东北部、中东部和南部的边缘。昆明市中心城区阻力值较高的原因是由于建设用地的集中连片给生态源地扩张带来阻力。石林县和嵩明县中心的耕地、建设用地斑块破碎且缺乏大型林地斑块，东川区由于土壤、地形和长期的采矿活动，局部景观破碎度较大，缺乏大型生态源地，因此这些区域斑块景观连通性相对较低。晋宁区和寻甸县林地资源丰富，但由于重要生态用地斑块景观连通度较低且较缺乏生态源地，因此生态源地扩张受阻较大。建设扩张最小累积阻力值较高的区域集中分布在禄劝县，该区域存在大型生态用地斑块，因此建设用地扩张阻力较大；而南部主城区及其周边建设用地聚集，建设用地扩张阻力值较低。

图7 昆明市生态保护和建设扩张最小累积阻力面

(2)生态安全分区的确定。图8显示，研究区生态保护与建设扩张最小累积阻力面差值呈西北低南部高的特点，低值区主要集中在禄劝县和寻甸县；高值区集中在中心城区、晋宁区、嵩明县和石林县。

图8 昆明市最小累积阻力面差值及生态安全分区

采用自然断点法对差值进行分级，以0为分界点，根据栅格数量与面积的曲线关系，生态保育区、生态扩张区、优化缓冲区和生态防护区取值范围分别为-293 885.06～-116 166.67、>-116 166.67～0、>0～14 209.87和>14 209.87～49 225.50。生态保育区和生态扩张区林地、水域斑块重要性突出，适宜于物种迁移；优化缓冲区和生态防护区局部分布有大量建设用地，适宜于建设用地扩张。此外，嵩明县、石林县和寻甸县局部由于林地斑块较破碎，斑块连接度较低，不适宜于物种迁移，就景观连通度角度而言更适宜于建设用地扩张。

经统计各区(县、市)各生态安全区面积占比(图9)发现，生态保育区集中在禄劝县，其植被覆盖度高且受人类干扰小，较适宜于生态源地扩张。生态扩张区分布广泛，集中在寻甸县、禄劝县、宜良县和东川区，这些区域生态环境良好，生态阻力较小，是生态保育区的过渡区域。

图9 昆明市各生态安全区面积占比

优化缓冲区集中在石林县、晋宁区、寻甸县和安宁市，这些区域林地斑块景观连通度较低，建设用地扩张阻力较小，是建设用地扩张的过渡区域。生态防护区集中在晋宁区、寻甸县和石林县以及滇池周边地区，这些区域建设用地分布集中，存在着植被覆盖度较低的草地或耕地和景观连通度较低的林地，故建设用地扩张受阻小。

3.2.3生态廊道的构建

经识别，共得到55条潜在生态廊道(图6)。基于生态源点间相互作用指数(表4)自然断点法分级结果，并结合研究区具体情况，选取相互作用指数>500 的廊道为重要生态廊道，共18条，占总数的32.73%，选取37条一般生态廊道，其占总数的67.27%。生态廊道均匀分布在昆明市域，连接了各区(县、市)生态源地。一般生态廊道呈现西部比东部、南部比北部密集的特点。寻甸县、盘龙区、嵩明县和滇池周边地区为生态廊道密集分布区。这是由于市域东部、北部地区生态源地斑块大且完整，而西部、南部地区斑块相对小且破碎，因此西部、南部地区生态源点比东部、北部地区相对密集。其中，2与3、3与4及7与11号生态源点之间的廊道联系强度较大，这些廊道连接的源点距离较近，生态廊道对于物质、能量流动的转移重要性更强。

表4 各生态源点间相互作用指数

3.2.4生态节点的提取

昆明市生态节点呈大分散、小聚集的特点(图6)，主要分布在小型源地斑块附近，起到了生态踏板作用。生态节点较集中分布在北部高山河谷区、中部高原湖盆区和东南岩溶丘陵区边缘及交界处，其中，寻甸县、盘龙区和呈贡区生态节点数量最多，均为15个，这些区域林地斑块破碎度较大，生态源地较分散，因此生态廊道较密集，路径较复杂，生态廊道之间的节点较多。晋宁区、石林县没有生态节点分布，这些区域缺乏连通度较高的生态源地，因此不存在生物迁徙的廊道和踏脚石节点。

4 建议与结论

4.1 建议

生态安全格局构建除了在空间上的引导，还应辅以生态管控措施。因此，基于研究结果并结合主体功能区划思路，对昆明市各生态安全分区建设提出以下建议：

(1)生态保育区主要位于北部高山河谷区，其生态功能重要性、生态敏感性较高，应作为禁止建设区，以生态保育为主。该区域存在大面积生态源地，因此要做好天然林保护，加强区域双化水库、封过水库和云龙水库等生态环境敏感区域的管控。该区域位于金沙江流域，因此还应加强河流污染防治力度，维护好长江上游生态安全。对于不符合该区域生态功能定位的建设活动应严格管控，避免人类活动对该区域产生干扰。

(2)生态扩张区应作为限制建设区，以生态管控为主，分区域适当进行国土空间开发建设。北部高山河谷区生态地位显著，应培育其生态涵养功能。要保护轿子雪山和普渡河等自然保护区，做好小江流域水土流失治理和金沙江流域污染防控治理工作，适当发展生态旅游产业。中部高原湖盆区边缘的富民县和嵩明县距离主城区较近，应注意减少城市开发对耕地的侵占。富民县应发展高原山地特色农业，减少农业开发所致的水土流失。嵩明县用地条件优越，位于高原山地坝区——嵩明坝子，未来还应协调好空港新区建设与农业发展，保持高质量农田不被侵占。晋宁区自然资源丰富，但大型生态源地较缺乏，未来还需联合玉溪市共建高质量生态源地。而中部高原湖盆区的核心区受城市扩张的胁迫日益加剧，未来要严格遵守空间管制线，做好棋盘山森林公园、金殿国家森林公园、滇池和阳宗海等重要生态空间的环境管控，通过“牛栏江引水工程”继续加大高原湖泊污染治理工作力度。东南岩溶丘陵区的宜良县和石林县则应加强生态安全格局要素建设。要加强石漠化控制，开展植被培育工作；推广耕地、农田集约化、规模化布局，提高农业生产效益；及时跟进景区开发等建设活动的评估结果，减少人为干扰对喀斯特地区生态环境的胁迫。

(3)优化缓冲区多集中于建成区外围，应将其作为潜力开发区，在严守底线的同时，突出区域农业生产和城市建设功能。优化缓冲区作为城市弹性扩展空间，区域内建设用地应依托区(县、市)建成区聚集发展。如主城区优化缓冲区应在做好环境影响评估后分时序开发建设；对于建成区边缘的建设用地，应联系建成区并形成适度规模，以提升边缘区集约度。

(4)生态防护区大部分为城市开发完善的建成区和植被覆盖度低的水土流失区，这些区域应作为优化开发区，强化区域生产、生活功能，改善生态功能。中部高原湖盆区的建成区应提升建设用地利用效率，减少建设用地开发强度过大带来的生态环境负面效应；植被覆盖度低、水土流失严重的东川区和石林县应开展生态修复工程；林地景观连通度低的寻甸县等地区应根据实际情况开展退耕还林、植树造林工程。

4.2 结论

在探究昆明市景观生态安全时空特征的基础上，基于景观生态安全评价结果，从建设扩张和生态保护2个角度，采用MSPA和景观连通性评价方法识别建设扩张源地和生态保护源地，基于MCR模型构建生态廊道、生态节点和生态安全分区，形成昆明市生态安全格局，结论如下：

(1)研究区景观生态安全空间分布呈现北部高山河谷区整体较高，东南岩溶丘陵区和中部高原湖盆区边缘高中心低，以各区(县、市)为中心向外景观生态安全值升高的“中心-外围”结构。市域东北部水土流失严重，林地覆被较少且景观破碎，北部东川区集中分布有低值区。在时序特征上，昆明市景观生态安全评价值逐年降低，随着环境治理工程实施，北部高山河谷区景观生态安全有所改善；伴随着城市空间结构“一主二副”、滇池流域“一湖四片”和滇中城市群规划战略，中部高原湖盆区城市扩展迅速，滇池流域景观生态安全变化最剧烈，低值区呈现环绕滇池由东向西的环抱之势，低值区扩展路径与城市扩张基本一致。

(2)构建了包括生态保育区、生态扩张区、优化缓冲区和生态防护区在内的生态安全分区，进一步构建18条重要生态廊道和37条一般生态廊道，得到97个生态节点。生态安全格局各要素分布特点为生态保护源地集中在市域中部和北部，建设扩张源地主要位于各区(县、市)建成区。在生态安全分区中，生态扩张区分布广泛，生态保育区集中在北部高山河谷区的禄劝县；优化缓冲区和生态防护区集中在中部高原湖盆区和东南岩溶丘陵区，均呈现依托区(县、市)建成区向外延伸的特点。生态廊道呈现市域西部比东部密集、南部比北部略密集的特点。生态节点呈现“大分散、小聚集”的特点，主要围绕在小型源地斑块附近，在北部高山河谷区、中部高原湖盆区和东南岩溶丘陵区的边缘和交界处也较集中。