丘陵區生態安全格局構建分析
——以廣安市小井鄉為例

鄢廣奎,趙 兵

(雅安市環境監測中心站，四川 雅安 625000)

1 引 言

近年來，隨著城鎮化和工業化進程的不斷加快，一系列生態環境問題不斷凸顯，例如水土流失、土壤鹽堿化、牧草地退化、生物多樣性銳減等[1]。因此，為探尋一種能從空間上有效平衡經濟發展與生態保護矛盾關系的區域生態安全格局，切實避免生態保護進入低效保護和盲目保護誤區，加強區域景觀生態安全格局構建的理論研究顯得尤為重要。研究區域生態安全格局構建對保護和恢復丘陵地區生物多樣性、維護其生態系統結構與功能的完整性都具有重要意義。

目前，區域生態安全格局構建的方法有多準則數量優化法[2]、人工智能優化法[3]、情景分析法[4]和綜合優化法[5]等，這些方法都主要用于土地利用結構優化研究，而對于生態安全格局構建的研究則較多采用空間分析法，如李晶等[6]采用最小阻力模型(MCR)對位于農牧交錯帶的鄂爾多斯市準格爾旗土地利用生態安全格局進行了構建研究；孫立和李俊清[7]在景觀格局分析的基礎上形成北京市自然保護區分布格局“三區二帶”的規劃理念。最小累積阻力模型(MCR)作為空間分析方法中較為常用的模型之一，其最早是由Knaapen[8]提出，用于研究物種擴散過程，由于該模型能夠實現空間數據和非空間數據的一體化處理，因此在之后的研究中被廣泛應用到多種自然生態或人文過程的研究，現已發展到區域生態安全格局構建、土地利用規劃等多個領域[9]。西南丘陵區作為我國重要的生態屏障區，21世紀以來，因城市蔓延擴張和人口數量不斷增加，致使該區域生態安全形勢日益嚴峻；基于此，本文以生態環境保護為目標，選取廣安市小井鄉為研究區，在識別生態源的基礎上，運用最小累積阻力模型(MCR)構建阻力面，并提取生態廊道和生態節點、劃分生態功能區，最后提出相應的生態安全管控措施，以期能為區域生態安全格局構建和制定生態風險防控措施提供依據。

2 材料與方法

2.1 研究區概況

小井鄉位于四川省廣安市前鋒區，地處華鎣山中段，長江二級支流渠江東岸，地理位置為30°31′40″～30°35′30″N，106°51′10″～106°57′0″E(如圖1)；幅員面積36.18km2。地勢由東向西傾斜，地貌類型主要為山地和丘陵。小井鄉屬于亞熱帶濕潤氣候，氣候溫和，雨量充沛，資源豐富，可供開發的土地面積達277.17km2，其中耕地14.97km2。

圖1 地理位置示意圖Fig.1 Geographical map of studied area

2.2 數據來源與處理

研究數據包括土地利用類型、DEM數據、距水域距離、距建設用地距離、距交通用地距離、海拔、坡度等。土地利用類型數據采用美國地質勘探局(USGS)15m空間分辨率的Landsat8 OLI— TRIS遙感數據進行人機交互式室內遙感解譯得到，遙感影像軌道號為128/39；DEM數據來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)，分辨率為30m×30m，主要用來提取所需海拔和坡度數據；距水域、建設用地和交通用地距離等數據可從土地利用類型矢量數據中提取。本區域矢量數據由廣安市前鋒區生態環境局、自然資源和規劃局提供。輔助數據包括地形圖、社會經濟統計數據等，均來自于廣安市前鋒區統計局、人民政府等部門的相關數據資料。

2.3 研究方法

2.3.1 識別生態源

根據“源—匯”原理，生態源景觀主要是由具有高生態服務功能的景觀類型組成，是促進生態過程發展的景觀類型，具有定的空間拓展性和連續性，常由林地、水域和草地構成，可選取土地利用方式典型和相對穩定的景觀單元作為生態“源”[10]。生態源是本地現存生物種群的集合，其中的物種量與面積密切相關[11]，生態源地是構建生態安全格局的基礎。在參考大量文獻資料、結合研究區森林資源和水域分布特征的基礎上，選取區域內面積大于30hm2且空間上具有連續性的天然林地和重要水域作為生態源地。

2.3.2 構建阻力面

阻力面的建立是生態安全格局構建的核心，阻力因子和阻力值的確定是關鍵[12]。因子的選取不僅要考慮自然和社會經濟等因素的影響，還需結合當地實際情況的基礎上進行選取，本研究共選取海拔、坡度、土地利用類型、距水域距離、距建設用地距離、距交通運輸用地距離等6個阻力因子，因子的分級賦值，參考學者蒙吉軍[13]、謝花林[14]、劉孝富[15]、李玉平[16]等研究成果的基礎上確定指標權重(如表1所示)，用值4、3、2、1來界定各評價因子的安全等級，分值越低代表阻力越小，“源”越容易向外擴散。

目前，MCR模型在生態安全研究中被廣泛應用，該模型是用來計算物種在從源到目的地運動過程中所需耗費的代價[17]，最小累積阻力是指從“源”出發，不同類型的景觀所需克服的最小阻力或消耗的最小費用，反映從目標斑塊到最近源斑塊的累積距離[18]，其計算公式如下：

式中：f是反映空間任一點的最小阻力與其到所有源的距離和景觀基面特征的正相關關系，是MCR與Dij×Ri之間正比關系的變量函數[19-20]。Dij代表從空間中某景觀單元i到源j的實地距離。Ri是某一景觀i的阻力值。(Dij×Ri)的累計值被認為是從源到空間某一點的相對易達性[21]，其中從所有源到某點阻力的最小值被用來衡量該點的易達性。

表1 區域阻力因子及權重Tab.1 Area resistance factors and weights

2.3.3 提取生態廊道和節點

生態廊道是生態源地之間物種遷徙的通道，是兩源地之間的流動通道和聯系途徑[22]。普遍認為在一定的范圍內廊道越多越好，多一條廊道就更有利于促進物種之間的信息交流[23-24]，但相對來說，每兩個“源”之間至少應有一條廊道相連接[25]。生態廊道的提取可以根據阻力面和已識別出來的生態源地，運用GIS成本距離分析模塊得到最小累積耗費距離，再利用成本路徑模塊即可得到。

生態節點一般位于連接生態源地之間的生態廊道上，分布在生態功能最薄弱的地方[26]。生態節點作為連通“源”之間的橋梁，對生態流的運行意義重大。基于已獲得的生態廊道和最小累積耗費距離，運用GIS中水文分析模型得到最小累積耗費距離的“山脊線”，即最大累積阻力，“山脊線”與生態廊道的交點即為生態節點。生態節點的建立可以對景觀流的運行起到促進作用，通過對這些景觀生態節點的保護或改變，可以有效地維護生態系統健康和安全。

2.3.4 劃分生態功能區

以最小累積阻力面為基礎，獲得阻力面中各阻力等級的格點頻率分布圖。根據阻力值頻率變化特點、生態服務功能與實地調研將研究區域劃分為4個生態功能區，即生態核心區、生態緩沖區、農業耕作區、人類活動區，每個功能區具有不同的生態功能和保護重點，從而形成區域生態安全的總體格局。

3 結果與分析

3.1 生態安全格局構建過程分析

3.1.1 生態源地識別分析

小井鄉共有9個生態源斑塊，其總面積為3.49km2，占區域總面積的8.95%，包括天然林地和水域2種景觀類型。生態源地主要分布于東部、西北部片區，而中部片區分布較少(如圖2)。其中最重要的斑塊I分布于小井鄉東部華鎣山區域，該區域是研究區內植被覆蓋度較高和生態環境脆弱性最低的片區，也是面積最大的生態源地，對維護區域生態安全、生物多樣性及生態環境保護意義重大。除此之外，區域東北部片區有大量的天然林地，生態環境質量略低于華鎣山片區，有6個源地斑塊聚集于此，源地斑塊之間是大量耕地，連通性較好，研究區西部和南部片區還分布著兩個生態源地，是研究區內僅有的兩個水域斑塊，分別是水庫和河流斑塊。該斑塊生物多樣性豐富，在生態環境保護建設中顯得尤為重要，加強對其生態環境保護，既能提高水質，維持水域生物多樣性，又能維護水域生態系統安全，緩解水域退化。總之，生態源地作為整個生態系統的重要生命支撐，我們除了加強對源地的保護，防止其被建設用地侵占，還需盡可能的擴大源地面積，改善區域生態安全狀況。

圖2 小井鄉生態源、生態廊道和生態節點分布圖Fig.2 Ecological sources ecological nodes and ecolgical corridors of Xiaojing township

3.1.2 阻力面構建分析

通過MCR模型分析不同源景觀的阻力分布情況，得到小井鄉阻力面分布圖(如圖3)，其阻力值分布范圍為12～37，阻力高值區主要位于區域東北部和西南部，以及中部部分地區，主要有優良村、吊鐘村、騎龍村、龍井村、紅官村、新華村、花盆村、兩橋村、優勝村、橋灣村、長勝村和官家村12個村莊；低值區主要集中在區域西北部和東部，這兩個區域也是生態源所在地，主要涉及村莊有溫江村、雙流村、小良村、蓮花村、大良村、生龍村、珠石村、金寺村、小井村和倒石村。由圖3可知，距離生態源地越近，阻力值越大，反之則越小。

圖3 阻力面分布圖Fig.3 Resistance profile

3.1.3 生態廊道和節點提取分析

小井鄉共構建了19條生態廊道和18個生態節點(如圖2)。研究區生態廊道總長度為43.25km，總體分布格局呈西部連續緊湊，東部分散破碎。東部地區源地較為集中連片，廊道通過的景觀以水田和零散的天然林地為主，生態廊道較短及累計阻力相對較小。西部地區僅有一塊源地，且該源地與其他源地之間距離較遠，中間分布著較多的建設用地，因此所經過的阻力等級越多，累積阻力值較大。對于廊道的保護，應通過提升生態廊道的連通性、增加廊道的數量、強化廊道保護建設等措施來實現。

除此之外，小井鄉共識別生態節點18個，從節點的阻力值來看，大部分生態節點分布于阻力值較大處，如建設用地，交通用地；少部分生態節點位于阻力值較小處，如林地、草地等自然景觀，其余還有部分生態節點分布于農田內。根據生態節點的空間分布差異，可以采取不同的保護措施，對于分布在建設用地上的生態節點，可將其建設為綠地公園；而分布在農田內的生態節點，可采用退耕還林還草，保護植被等措施。

3.2 生態安全格局構建結果分析

本研究將阻力閥值作為劃分生態功能區的主要依據[25]，以此劃分出在不同安全水平下的4個生態功能區，如圖4所示。

Ⅰ區：生態核心區 該區是維護區域生態系統平衡的核心地帶，對區域水源涵養、生物多樣性保護、水土保持等具有重要作用[19]。從特定的空間分布來看，生態核心區包括所有生態源，同時還包括一部分與生態源地鄰接度較高的重要型生態用地；從土地利用類型來看，生態核心區主要由林地、水域、園地、草地構成。生態核心區面積為7.91km2，占區域土地總面積的21.86%，其發揮著支撐區域生態系統安全與穩定的重要作用。可以通過將這部分區域劃入禁止開發區，并相應設置“生態功能保護區”、“自然林保護區”和“重要水源保護區”等措施來維持其穩定發展和保護區域生態環境。

Ⅱ區：生態緩沖區 該區主要位于生態核心區的外圍，由重要型生態用地和部分過渡型生態用地構成，其占地面積為12.49km2，占區域土地總面積的34.52%，生態緩沖區是維護景觀連通性和保護“源”地不受破壞的有效屏障[27]。對生態緩沖區的保護可以通過將其劃分為限制開發區，并注重生態廊和生態節點的保護與建設等措施來實現。

Ⅲ區：農業耕作區 隨著阻力等級的進一步提高，受人類干擾程度加大，農業耕作區作為生態緩沖區和人類活動區的過渡地帶，它對于穩定生態平衡和維持人類生存起到了緩沖過渡作用。該區占地面積為9.59km2，占區域土地總面積的26.51%，可進行各種農業種植開發利用，但開發利用時應注意地形地貌的影響，合理規劃各類農業用地，并保障基本農田不被占用，合理利用土地資源，優化土地資源配置。

圖4 小井鄉生態安全格局Fig.4 Ecological security pattern of Xiaojing township

Ⅳ區：人類活動區 該區阻力水平屬于高值區，對于保護“源”的擴展相對阻力較大，受人類的干擾頻繁，其占地面積為6.19km2，占區域土地總面積的17.11%，該區與農業耕作區有著密切的聯系，一般會有交叉區域，一般將其作為人類居住、生產生活、娛樂和金融商貿等活動的開展區域。可以通過將其劃入優先開發區域，健全交通網絡等方法促進與農業耕作區的聯系，除此之外，還需不斷強化公共服務和基礎設施建設，科學合理規劃空間分布格局，協調土地利用與生態建設，形成合理的景觀布局，營造人類宜居環境[28]。

4 討論

4.1 基于景觀與區域生態安全格局的研究

近年來，國內外學者在理論、方法和指標構建等方面對生態安全格局構建展開了大量的研究，大都采用定性與定量相結合的方法來分析區域生態安全狀況。我國學者俞孔堅在1999年從生物保護角度研究景觀生態安全格局，并將最小累積阻力模型引入水平生態流，以此為基礎來研究景觀生態安全格局。隨后，在2004年，馬克明和傅伯杰[29]等在研究中進一步完善了區域生態安全理論，并系統地闡述了區域生態安全格局的概念，研究對象的特點等；在2005年，方淑波等人從土地利用的角度，采用定性與定量相結合的方法評估生態價值以及社會經濟驅動分析，為城市區域生態安全格局的構建提供了一種可能[29-30]。MCR模型與其他距離模型相比，它能夠實現空間數據和非空間數據的一體化處理，其研究結果更直觀、客觀的反映區域生態安全狀況。因此，與其他模型相比，MCR模型更適合本研究，也為區域生態安全格局的構建以及保護生態環境提供了有價值的參考。

4.2 基于阻力因子選取和阻力值的探討

科學合理的選取阻力因子和確定阻力值是構建生態安全格局的前提與基礎，生態安全指標體系的建立，應盡可能地反應經濟、社會和生態環境諸方面的內容，且能有機地聯系起來，組成一個層次分明指標、意義明確、統計方法科學、測定方法規范的整體，以此反映區域生態環境狀況與經濟、社會發展的協調程度，保證評價結果的真實性和客觀性。本研究在參考相關文獻和結合實際情況的基礎上選取了海拔、坡度、土地利用類型、距水域距離、距建設用地距離、距交通運輸用地距離等6個阻力因子，并進行分級賦值；但阻力值的確定通常采用專家打分的方式得到，這種賦值方式較為主觀，直接影響了評價結果的客觀性，因此，在今后的研究過程中還需考慮引入一些數學方法改進阻力賦值方式[8]。

4.3 基于完善區域生態安全格局對策的探討

構建區域生態安全格局對于區域生態環境保護與建設具有現實意義，通過分析區域生態安全狀況、劃分生態功能區來了解研究區生態安全形勢，并提出相應的管控措施，以達到改善區域生態安全現狀，提高生態安全水平的目的。本文以生態環境保護為目標，采用MCR模型對丘陵區生態安全格局構建進行了研究，并根據研究現狀提出相應的管控措施，這些措施主要針對于丘陵地區而言，因而對于其他地貌類型的管理建議研究借鑒意義不大，在以后的研究中還有待進一步的探索。

5 結 論

本文以位于西南丘陵地區的廣安市小井鄉為研究區，采用最小累積阻力模型(MCR)對區域生態安全格局構建進行了研究，并劃分出生態核心區、生態緩沖區、農業耕作區和人類活動區共4個生態功能區。研究區域內生態源地共9塊，由水域和天然林地組成，占研究區總面積的8.95%；生態廊道共19條，總長度為43.25km，主要作用是將各生態源地連接起來，增強其連通性和防護功能。研究結果發現廣安市小井鄉生態源地在面積、數量和空間分布上都存在較大的差異，主要集中分布在研究區的西部片區，而東部地區則相對較少；生態廊道與生態節點的分布也相應的呈現出西多東少的格局。

對于廣安市小井鄉生態源地的保護，提出以下幾點建議：(1)在區域生態環境保護的重要區域，如東部華鎣山區域，可以根據地形調整農業用地布局結構，增加鄉土植物的種植面積，降低其異質性，提高水土保持能力，保護生態環境與生物多樣性，其余區域建議退耕還林，增加植被覆蓋面積，同時在可能的情況下擴大源地面積。(2)對于生態廊道和生態節點的保護，依其所穿越的景觀類型，建議采取保護自然景觀、人工促進植被生長、加強人工景觀區域的綠地建設等措施。(3)對于建設用地、交通用地地區，應減少人為干擾，加強綠地建設；對于草地、林地應加強植被保護，退耕還林還草，改善植被狀況等。