基于最小累积阻力模型的西安市生态格局构建研究

刘 喆，刘精慧，元凯军

（陕西华地勘察设计咨询有限公司，陕西 西安 710000）

0 引言

十八大以来，“生态文明建设”被提升为国家发展战略的新高度，十九届五中全会提出了要守住自然生态安全边界、优化国土空间开发保护格局等新要求，对生态空间的保护、治理提出了更高的要求。如何构建良好的生态格局，亦成为当前研究的热点，近年来，众多学者采用生态敏感性、生态功能服务价值、生态系统服务功能重要性评价等方法，确定生态环境影响敏感地区和保护价值等级；最小阻力模型则更广泛地应用于生态景观廊道的识别与构建，能更好地反映生态源地之间内在的有机联系。因此，本文以“识别生态源地- 判定生态廊道- 构建生态格局”为核心思路，结合西安市资源禀赋，开展生态系统服务功能重要性和生态脆弱性，确定生态源地，并结合最小累积阻力模型识别生态廊道，明确重要节点，研究构建西安市生态格局。

1 研究区与数据概况

1.1 研究区概况

西安市位于关中平原中部，地理坐标介于107°40′～109°49′E 和33°42′～34°45′N 之间，南部为秦岭山脉、北部为渭河平原，境内海拔差异悬殊，地势总体呈现南高北低。全市属暖温带半湿润大陆性季风气候，年均气温13.0～13.7℃，年降水量522.4～719.5 mm。区域内渭河、黑河、泾河、灞河、浐河、滈河、沣河、涝河等水系环绕，且大多属于黄河流域的渭河水系。南部秦岭山区自然资源丰富，是中国地质、地理、气候、生物的天然分界线，蕴含着大量的中国种子植物以及大熊猫、金丝猴等珍稀动物，是种子植物重要“基因库”。

1.2 数据来源

本文中应用的数据主要包括：西安年鉴2020、西安市第三次全国国土调查、西安市2019 年林业一张图、西安市生态系统类型分类、西安市数字高程模型（DEM）、西安市气象数据（降水量、蒸散量）等。其中西安市生态系统类型分类数据、DEM 数据、蒸散量数据均来源于中国科学院资源环境科学与数据中心，空间分辨率分别为1 km、500 m、30 m；降水量数据由西安市2019 年7 个气象观测点资料插值获得。

2 研究方法

2.1 源地识别

源地的识别是以明确生态保护重要区域为基础，而生态服务功能重要性评价和生态脆弱性评价能充分体现生态保护的重要性。本文参考《资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价指南（试行）》中的评价方法[1]，选择生物多样性维护、水源涵养、水土保持3 项单因子评价生态系统服务功能重要性，生态脆弱性则以水土流失脆弱性评价为主，选取评价结果中极重要区、极脆弱区＞1 平方公里的斑块，并参考自然保护地、森林公园等重点生态空间进行修正，形成MCR 生态格局构建的源地。

2.2 生态廊道和关键节点确定

2.2.1 阻力面构建

结合区域生态环境状况，参考相关研究[2-3]，从自然环境、人为干扰、生物要素3 个层面，综合考虑选取坡度、土地利用类型以及距道路、居民点、水体、自然保护地的距离等因子，采用特尔斐法确定各因子权重，构建生态源地扩张阻力评价体系，见表1。

表1 生态源地扩张阻力评价因子分级赋值

2.2.2 生态廊道和关键节点识别

生态廊道和关键节点是构建生态格局的重要组成部分，生态廊道是联通各生态源地的最优路径。通过ArcGIS 软件，以生态源地确定生态质心，以综合阻力值为权重，采用MCR（即最小费用距离）模型生成潜在生态廊道[4]。基于重力模型，建立源地之间的相互作用力矩阵，提取作用力大于15 的源地间的生态廊道，并将在同一路径或相邻冗余的生态廊道剔除，形成重要的生态廊道。

最小累积阻力是指从“源”斑块到达最近目标斑块的过程中穿过不同阻力的景观时克服阻力所做的功或耗费的费用[5]。基本计算公式如下：

式中，D为距离；R为阻力系数。

重力模型用以量化不同的生态源地斑块间相互作用强度，进而判断区域内潜在生态廊道的相对重要性，其相互作用力越大，则表明廊道越重要[6]。基本计算公式如下：

式中，Gij为生态源地i和j之间的相互作用力；Lij为生态源地之间的累积阻力值；LMAX为各生态源地之间累计阻力值的最大值；Pi为生态源地i的平均阻力值；Si为生态源地i的面积。

关键节点是推进生态系统中物质和能量流动的关键点，是保障生态廊道畅通的重要节点[7]，主要包含生态廊道之间的重合点或被交通、水系等阻断的断裂点，重合点是实现生态循环的重要节点，而断裂点则是综合考虑周边良好的生态环境，重点需要进行生态修复的节点。

3 结果分析

3.1 生态源地识别

根据生态系统服务功能重要性、生态脆弱性评价结果，西安市生态系统服务功能极重要区主要为生态价值高、生物集中活动或栖息的区域，主要分布在市域南部秦岭山区；水土流失极脆弱区主要在市域东南部秦岭浅山、丘陵地带极易发生水土流失的区域。综合考虑评价结果的集中连片程度、珍稀物种（熊猫、羚牛、金丝猴、朱鹮等）的活动区域，对评价结果进行聚合分析，并进行适当修正，共筛选出15 个生态源地，其用地类型主要以林地和湿地为主，如图1～6 所示。

图1 生物多样性功能重要性

图2 水源涵养功能重要性

图3 水土保持功能重要性

图4 生态系统服务功能极重要

图5 水土流失脆弱性

图6 生态源地分布图

3.2 生态廊道和关键节点提取

经过筛选、并结合实际进行校正后，共形成23 条廊道、34 个关键节点。总体来看，西安市重要的生态廊道总长度为743 km，以秦岭南部山区分布较为密集，达总长度90%以上，东西向平原地区缺少重要的生态廊道，主要是由于中心城区的切割，建议结合实际增加沿渭河的生态走廊，而生态廊道长度长、跨度大，势必会造成阻力的增加，尤其是贯穿南北的生态廊道，建议充分利用现状的交通走廊、河流走向等，增加生态廊道的宽度，进一步提升生态廊道的生态功能；关键节点中包含22 个生态廊道的重合点、12 个因道路或水系切割的断裂点，建议在后期进行生态保护、修复的过程中要重视交通、水系对于生态廊道的切割问题，对重合点可加强生态的保护和管控，可考虑建立自然公园或结合现状的自然保护地进行管护，对断裂点可以地下通道等方式进行生态修复，提高生态廊道连续性，见图7 和图8。

图7 综合阻力面分值图

图8 生态廊道和关键节点分布图

3.3 生态格局构建

综合考虑现状的生态格局、识别的潜在生态廊道，对生态空间进行优化，形成以水系廊道和潜在的重要生态廊道为基础，以重要节点为生态节点，构建西安市“一屏一带七廊多节点”的生态格局，见图9。

图9 西安市生态格局图

4 讨论

本研究以生态源地为核心，构建阻力面，并识别生态廊道和关键节点，联系理论与实际，研究形成西安市“一屏一带七廊多节点”的生态格局，也基本实现了全市生态基质在“点- 线- 面”的有效连接。

针对评价结果，在渭河生态带并未形成重要的生态廊道，与人为活动存在直接的关系；秦岭山区生态系统服务功能重要性虽较为重要，但仍存在采矿、挖砂等人为活动导致的生态环境问题，且在浅山地带地质灾害问题也较为突出，因此，在实际建设过程中，应针对此类问题开展重点生态修复工程，保障生态空间的完整性、生态廊道的连续性。

针对评价方法，本文在生态源地识别中结合全市实际情况，较为科学地选取了生物多样性维护、水源涵养、水土保持、水土流失4 个因子进行生态系统功能重要性评价和生态脆弱性评价，进而筛选生态源地，评价结果与实际也较为相符，而识别生态廊道采用最小累积阻力模型，其中对于综合阻力值的评价，各因子的筛选和权重赋值在一定程度上会影响结果，在以后的研究中应综合考虑不同因子对于评价结果的影响，使评价结果更符合实际，更好地为生态格局构建提供支撑。