全域土地综合整治背景下乐平市生态安全格局构建与优化研究

2023-07-28向文武蔡海生张学玲查东平

中国水土保持 2023年7期

向文武　蔡海生　张学玲　查东平

［关键词］ MSPA；MCR；重力模型；生态安全格局；全域土地综合整治；乐平市

［摘要］全域土地综合整治对于促进耕地保护、实现土地集约节约、改善区域生态环境具有非常积极的作用。乐平市是江西省全域土地综合整治试点，为实现对矿产资源型地区生态安全格局构建与优化的目标，运用形态学空间格局分析法（MSPA）、景观连通性指数提取生态源地，通过最小累积阻力模型（MCR）和重力模型提取生态廊道和节点，分析区域生态安全格局现状并探索乐平市生态安全格局优化方案。结果表明：乐平市有生态源地19处、生态廊道74条、生态节点44个，呈现地区不均匀分布的特点；生态安全水平总体上不高，生态网络连通性一般，生态阻力大；优化后的生态安全格局新增生态源地9处、生态廊道19条、生态节点7个，形成了“一轴三带三区”的战略布局。

［中图分类号］ X826 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1000－0941（2023）07－0005－07

全域土地综合整治是生态保护修复的实施载体，生态安全格局的构建与优化是生态保护修复的实施途径，科学合理的生态安全格局构建是精准有效实施全域土地综合整治、提高生态安全水平的具体抓手，两者相辅相成、互为支撑。基于全域土地综合整治开展生态保护修复是实现可持续发展和美丽中国的重要举措。随着社会经济发展进程不断加快，人类对大部分自然资源的使用已经逼近或者达到生态承载力上限，生态系统在数量和质量上均遭到破坏，国土空间生态安全受到威胁[1]。在此背景下，作为生态保护修复项目实施的新方向，随着乡村振兴的不断推进，全域土地综合整治逐渐向系统化、全局化演进。全域土地综合整治明确要求保护和恢复区域生态功能，维护生物多样性。基于上述要求，构建生态安全格局并进行优化研究，对于保持生态系统稳定、提高生态系统供给能力具有重要意义。

全域土地综合整治的前提是对区域生态安全格局的研判，而生态安全格局目前较成熟的研究范式[2-3]是“识别源地—构建阻力面—提取廊道及节点”，已在不同尺度和典型区域得到了广泛应用。其中：生态源地是具有重要生态功能和较强敏感性的大型生境斑块，如自然保护区、森林公园、湿地公园等，通常运用生态系统服务和权衡的综合评估模型（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs，InVEST）[4]、形态学空间格局分析法（Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA）[5]、模型指标法[6]提取；阻力面反映了物种空间扩散和潜在流动面临的阻碍和困难程度，通常运用地类赋值[7-8]、修正指数[9]、最小累积阻力模型（Minimum Cumulative Resistance，MCR） [10-11]构建；生态廊道是物种迁移扩散的通道，通常运用电路理论[12]、重力模型[4]、成本路径[13]等方法提取。上述研究理论和方法丰富了生态保护修复研究，但全域土地综合整治是对生态安全格局的系统保护和整体修复，因此本研究基于“源地—阻力面—廊道与节点”的生态安全格局，识别生态建设、保护带和生态保育区，提出具体有效的生态保护修复与空间优化方案，从而统筹宏观空间优化和具体生态保护修复措施，相比生态修复的工程措施研究考量更加系统，更有利于生态系统功能整体发挥。本研究以江西省乐平市为例，以资源型城市的生态安全格局构建与優化为切入点，基于生态源地识别、生态廊道和生态节点判别，进行生态安全格局优化分区，并提出优化策略，以期在全域土地综合整治中为区域生态保护修复提供参考。

1 研究区概况及研究数据

1.1 研究区概况

乐平市位于江西省东北部，地理位置116°53′36″～117°32′40″E、28°42′14″～29°23′24″N，行政区划总面积1 980.11 km2，下辖16个乡镇、2个街道和2个乡级园区。乐平市矿产资源丰富，还是全国商品粮基地、江西省最大的无公害蔬菜生产基地等，但过于偏重矿产开采和农业生产的经济发展模式也导致了一系列生态环境问题，比如地表沉降、土壤损失、植被破坏、耕地损毁、固体废弃物污染等。在生态优先、绿色发展战略导向下，江西省自然资源厅将乐平市列为全省首批全域土地综合整治试点区，重点开展全域生态安全格局宏观把控和生态保护修复精准施策方面的研究。本研究对乐平市开展生态安全格局构建与优化修复研究，对于同类型城市或地区具有代表性和示范性。

1.2 数据来源及处理

本研究植被覆盖数据来源于中国科学院生态科学数据中心（http：//www.nesdc.org.cnHYPERLINK"http：//www.nesdc.org.cn"），分辨率为30 m，并进行归一化处理。土地利用数据、数字高程模型（DEM）来源于地理空间数据云平台（http：//www.gscloud.cnHYPERLINK"http：//www.gscloud.cn"）。以地理空间数据云平台2020年分辨率为30 m和行列号分别为121/40、120/40的Landsat8 OLI遥感影像为基础，利用软件ENVI5.3进行解译处理，结合《土地利用现状分类》（GB/T 21010—2017）、乐平市土地调查数据得到2020年乐平市土地利用数据，并根据生态源地识别和生态阻力面构建的需要划分为城镇及其他建设用地、农村居民点、耕地、草地、水域、林地和其他土地7类，其中采矿点数据根据乐平市自然资源局土地利用调查结果进行提取。其他参考数据包括《乐平市矿产资源总体规划（2021—2035）》（公示稿）、乐平市生态保护红线等来源于乐平市自然资源和规划局。

2 研究方法

2.1 形态学空间格局分析

生态源地是生态用地保护的“源”，其生境质量高、生态功能良好，作为生物资源丰富的集聚地，具有稳定性、扩展性等。本研究基于2020年乐平市土地利用栅格数据，运用形态学空间格局分析法（MSPA），利用Guidos软件，采用八临域分析法对土地利用进行MSPA分析，识别出研究区的核心区、孤岛、分支、边缘区、穿孔、环道区和桥接区等，得到7种互不重叠的景观类型，结合Conefor软件计算斑块的景观（可能）连通性（PC）与斑块连通的重要性（dPC）。斑块连通性的值越大，斑块连通性越强；斑块连通重要性的值越大，斑块连通重要性越强[14]。其计算公式分别为

2.2 最小累积阻力模型

1）阻力因子选取。生态阻力是指物种及生态功能在对空间的控制和覆盖过程中所需克服的阻力。阻力值越低，区域生态功能越完善，生态服务价值越高[15]。参考文献[16-17]与专家意见，从自身因子和干扰因子两方面选取8个影响乐平市生态安全格局的生态因子进行阻力赋值，除次要因子高程赋值1～50外，其余因子均赋值1～100，对应权重采用Yaahp软件分析确定，经过一致性检验，最终得到生态阻力因子赋值见表1。

2）最小累积阻力计算。最小累积阻力模型（MCR）是由俞孔坚等根据KNAAPPEN等的研究改进而来，它的原理是模拟计算生态源地之间物种及生态功能迁移所需克服的最小累积阻力，以判断斑块之间的物质和能量流动趋势。具体计算公式为

评价指标反映了生态廊道与生态节点的数量关系，指标数值的大小反映了生态网络结构的复杂程度和生态效能情况。其中：α指数越大表示生态网络中生物循环和流通越畅通；β指数越大表示生态网络中生态源地之间连接越紧密；γ指数越大表示生态节点之间连接程度越好；CostRatio指数表示投入与产出的关系，数值越低越有利于生态网络建设。

3 结果分析

构建乐平市生态安全格局可以掌握生态要素的现状格局，明确当前生态源地、生态节点、生态廊道及生态阻力的分布格局，以便开展全域土地综合整治生态保护修复项目，促进生态价值显化。

3.1 生态源地识别

基于2020年30 m×30 m土地利用栅格单元，考虑到乐平市景观格局现状中林地、水域分布区域集中且稳定、受人类干扰少、生态服务功能好，运用ArcGIS 10.2软件重分类功能将林地、水域作为MSPA分析的前景数据设为2，其余地类作为背景数据设为1，空白区域设为0。运用Guidos软件分析得到MSPA景观类型（图1）。并运用Confer2.6软件计算PC和dPC，其中连通概率设为0.5。根据MSPA分析和dPC计算结果，选取斑块面积＞250 hm2且dPC＞4.0的18块核心区域作为生态源地，此外乐安河是重要的生态功能服务地，也将其列为生态源地，共选取19块区域作为生态源地（图1）。研究区生态源地面积共482.63 km2，占总面积的24.37%，生态源地土地利用类型以林地、水域为主，主要分布在市域北部及东南部山地丘陵地区。

3.2 生态阻力面构建

根据生态因子赋值结果（表1），运用ArcGIS 10.2重分类功能和栅格计算器得到乐平市生态因子阻力面（图2）。图2中，生态因子阻力值越大，表明穿越该斑块所耗费的成本越高。研究区生态阻力高值区域总体上位于人类活动密集区，这些区域人口密度大，交通线密集，土地利用强度大，植被覆盖度低，生态破坏较为严重。通过综合阻力面可以看出，乐平市中部、西部地区及东部丘陵地势平坦地区的生态阻力值较大，西北和南部地区生态阻力值较小，呈现由中部向四周辐射降低的特点，是典型的高原型阻力面分布类型。

由图2可知，阻力值出现最大值的地类主要有居民点、交通线和采矿点，其分布区域广泛，是综合阻力面的主要阻力因素，其余地类的阻力值高值区域较少，这表明乐平市生态安全格局主要受到居民点、交通线和采矿点的影响，即人类活动是影响生物迁移交换的主要阻力。

3.3 生态廊道和生态节点选取

通过ArcGIS 10.2软件成本距离、成本路径分析，剔除距离较远和累积阻力较大的成本路径，最终得到19个生态源地之间的潜在生态廊道74条。根据重力模型的计算结果，筛选出重要生态廊道30条，其余44条为一般生态廊道。通过生态廊道分布图[图3（a）]统计重要生态廊道长度共170.19 km，占潜在生态廊道总长度的38.04%。

通过ArcGIS 10.2软件水文分析功能提取乐平市最大生态阻力值脊线，并与重要生态廊道、一般生态廊道经过相交分析得到生态节点，最终共提取重要生态节点16个、一般生态节点30个，生态节点分布见图3（a）。由图3（a）可知，乐平市生态廊道整体连接程度一般，空间闭合程度一般，且空间分布不均匀。其中，生态廊道和生态节点主要分布在乐平市南部、东北部地区，这些地区生态廊道和生态节点较多且分布较密集，使得区域内生态源地较好地连接了起来；而中部平原与丘陵地区等综合生态阻力值较高的区域，生态廊道和生态节点缺失，加之人类聚集容易造成生态廊道断裂，因此生态功能薄弱，不利于物种迁移交换，需要加大投入，建设和保护区域内潜在生态廊道和生态节点。

3.4 生態安全格局构建与分析

基于MSPA与MCR生态阻力分析，构建“源地—廊道—节点”三位一体的乐平市生态安全格局，见图3（a）。由图3（a）可见，乐平市生态安全格局景观连通性总体水平不高；生态网络整体上表现为生态廊道闭合、连接性一般，生态源地、廊道、节点较多但空间分布不均匀。

通过自然断点法将综合生态阻力值分级得到生态安全等级，见图3（c）。统计得到生态安全较低和低等级区域面积为1 493.24 km2，占总面积的75.41%，集中分布在市域中西部、东南部地区。这些区域是城市化发展的重要区域，人类活动密集，分布有少量生态节点和细长的生态廊道，但与其他生态源地连通性较差，难以进行物种交换迁移，已经形成了生态孤岛，需要进行重点保护和生态建设。生态安全等级高和较高的区域面积仅486.87 km2，占总面积的24.59%，主要分布在市域南端、东南部和东北部地区。这些区域内林地、大型水库众多，海拔较高且坡度变化大，人类活动干扰少，分布着除乐安河外的全部生态源地，为市域生态安全提供了重要的物质支撑，是维护生态系统服务功能的主要地区，需要长期坚持保护。

通过生态网络完整度评价，能够判断乐平市生态安全格局中的生态网络连接情况。其中：α值在0～1之间，数值越大则生态网络越畅通；乐平市α指数值为0.33，表明生态网络中物种交换、迁移受到的阻力较大。β值＞1时，表明区域生态节点间连接线较多；乐平市β值为1.61，略高于1，说明该区域生态廊道连通性一般。γ值在0～1之间，数值越大则生态节点连接性越强；乐平市γ值为0.56，表明该区域生态节点连接性不强。CostRatio指数值在0～1之间，数值越大表明物种交换迁移成本越高；乐平市CostRatio指数值为0.81，说明成本比较高，原因主要是生态源地空间跨度大，部分源地之间物种迁移、交换需要经过的路程远。因此，乐平市需要扩张生态源地，增加生态节点，建设重点生态廊道，以促进生态安全格局优化。

3.5 生态安全格局空间优化

1）生态源地。为了增强现有生态源地之间物种交换迁移的物质流和能量流，通过对研究区已有生态源地进行500、1 000 m缓冲区分析发现，缓冲距离达到1 000 m时生态源地之间斑块连接处较多，提高了源地之间的连接性，说明需要加强生态源地周围1 000 m范围内的生态保护，而1 000 m缓冲区覆盖面积为1 449.57 km2，覆盖全市73.21%的区域，能有效促进全市的生态源地保护。同时，为了优化生态源地空间分布格局、增加市域内以及市域内外物种迁移过程中的休憩和调整空间，结合研究区生态保护红线划定范围，在西部和西北部生态红线和生态源地缺失的地区选取面积较大或斑块连通性较强的9个斑块作为“踏脚石”型生态源地，以增强市域西部地区生物迁移交换的栖息地。最终得到研究区生态源地优化结果见图3（b），优化后共得到28块生态源地。

2）生态廊道与生态节点。为了进一步提高生态源地之间的连通性，重复运用前文成本距离、成本路径工具，模拟得到优化生态源地之间的生态廊道，以连通性和阻力值为条件，筛选出连通性较强、阻力值较小的新增生态廊道19条，新增生态廊道长度167.54 km。此外考虑到乐安河及其岸线湿地对物种迁移交换的重要作用，也将其列为优化生态廊道范畴。优化后的生态廊道增加了生态源地之间的连接性，为物种迁移交换增添了路径。为了保障生态廊道的畅通和稳定性，还需要进行生态廊道保护带建设，如投入工程保护措施，建设30 m宽度的生态廊道带。

生态节点是生态网络中物种迁移交换的关键点，对生态网络的畅通起到了关键作用。为了增强生态网络的畅通性，提取最大阻力脊线与生态廊道交点，新增生态节点7个。同时生态廊道的交点既是物种迁移的交汇点，也是生态网络中的脆弱点。为了提高生态网络稳定性，需要开展对生态节点的保护修复，减少人类活动的干扰。具体做法如建设生态保护带、架设通行桥梁等为物种迁移提供通道，促进区域之间生物交换流通。

3）生态安全格局战略设计。以乐平市生态安全格局构建为基础，以保护优先、绿色发展为原则，以优化空间格局为目标，最终达到增强生态网络连通性、保护生态源地的效果。通过生态问题的分析，结合乐平市区位设计“一轴三带三区”的生态安全格局战略策略，见图3（c）。其中：①乐安河生态建设轴。该区是连接南北的重要生态源地，阻碍了陆生生物的南北迁移，需要加强沿岸生态防护林建设，重点推进水生态保护修复。②西部生态建设带。该区以新增生态源地、生态廊道和生态节点为主，区域内生态阻力较大，因此需要注重生态修复，恢复采矿地生态，构建生态廊道缓冲带，促进西部地区的物种交换迁移。③中部生态修复带。中部南北贯通的两条生态修复带总体上分布在丘陵山谷地区，区域内人类活动频繁、交通线密集，形成了众多孤岛，应当加强对生态脆弱点的修复和保护，加宽道路绿化带，从而增强生态系统的连通性，减小生物迁移阻力。④北部生态保育区、东部生态保育区、南部生态保育区。该区域生态源地多，生态阻力值总体较低，是重要的物种栖息地，需要禁止生态破坏行为，避免破坏生物生存环境。3个生态保育区面积共1 025 km2，占全市总面积超50%，能有效提升全市生态环境质量。

4 结论与讨论

4.1 结论

基于全域土地综合整治视角，构建乐平市生态安全格局，并设计生态安全格局优化策略。研究结论：①通过MSPA分析，以景观连通重要性和斑块面积为依据，选取19个生态源地，面积共482.63 km2，占乐平市总面积的24.37%，源地分布以乐安河为南北界线，集中在北部和东南部地区。②通过MCR累积阻力面和重力模型构建乐平市生态安全格局，得到有效生态廊道74条、生态节点44个。总体上生态安全等级不高且局部地区生态问题突出，生态网络连通性一般，表现出较强的生态保护修复需求。③基于“点-线-面”的生态安全格局，从节点、廊道、源地三方面入手优化生态安全格局，并设计“一轴三带三区”的生态安全战略布局，提出了市域尺度的优化策略。④优化后的生态安全格局拥有28个生态源地、93条生态廊道、51个生态节点，将为生物迁移流动提供更多的休憩和调整空间。其中，生態廊道的建设能够增强区域内生物流通性，生态节点的建设有助于加强对生态廊道薄弱点的保护，提高生态网络的稳定性。

4.2 讨论

通过MSPA和MCR模型的运用，识别了乐平市生态安全格局总体问题，找出了生态安全格局的优化路径，有助于生态系统的维护。本研究综合考虑多方面因素，MSPA分析的多形态运算能够更好地识别重要生境斑块，同时景观连通性和斑块连通重要性能够为生态廊道的筛选提供客观依据，避免了主观判断的干扰，因此研究结果具有较高的准确性和可信度。此外，生态安全格局的形成是一个多因素综合作用的结果，后续应加强从时间序列分析生态系统的演变过程，注重从时间上和空间上双重优化。同时，本研究中乐安河作为一个更大范围的生态系统，后续可以加强流域视角的生态安全格局构建与优化。

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收稿日期：2023-04-19

基金项目：国家自然科学基金项目（31660140）；江西省高校人文社科重点研究基地项目（2018-32）；江西省自然资源权益与储备保障中心项目（QY20220084）

第一作者：向文武（1993—），男，四川苍溪人，硕士，研究方向为土地经济和土地生态。