基于生態安全格局的國土空間生態修復關鍵區域識別
——以河北省阜平縣為例

張美麗, 李 智, 張益琛, 鄭建樂, 林常威, 王樹濤

(1.河北農業大學 資源與環境科學學院, 河北 保定 071000; 2.河北農業大學 國土資源學院, 河北 保定 071000)

自黨的十八大至今，各級自然資源以及生態環境管理相關部門，針對土地綜合整治、國土空間生態修復等方面收獲頗豐，但不少地區仍然存在過度開發利用自然資源行為，擾亂了生態系統自我恢復能力與穩定性[1]。2016年起國家各部門聯合促成的山水林田湖草生態修復與保護工程與現階段所進行的國土空間生態修復思想高度一致[1]，山水林田湖草作為一個相輔相成的系統，必須將其“關節”及其“脈絡”融會貫通，方可全力促進生態文明建設[2]。如何站在生態系統整體連通性的立場，著力促成山水林田湖草生命共同體[3]，識別出生態安全格局中的關鍵地段，據此找到生態修復關鍵區域，因地制宜的進行國土空間生態修復以及制定相關治理措施，已然成為現階段為保障國土安全丞待解決的關鍵問題[4]。目前，國土空間生態修復主要以礦山修復、重金屬污染修復以及水土流失治理等為主，多局限于較小尺度范圍內，從整體性考慮的修復措施較為欠缺[5-7]，造成生態修復只是在局部部位取得了較為理想的效果[8-12]，但生態系統整體穩定性的恢復仍不理想，難以達到系統修復、綜合治理的思想高度[13]。伴隨生態系統中各類要素矛盾、沖突等現象頻發，歷來采用的傳統修復手段欠缺考慮各生態要素間的相互作用，這一缺陷日益暴露，欠缺將多尺度聯合修復與生態系統的完整性考慮其中，造成工作開展遭遇困難，尚需融入新的思想與手段，使得生態修復的系統性、協同性得到提升[14]。識別生態安全格局是保障生態系統整體健康的基礎，且其可站在系統思維、整體視角、綜合治理的角度進行生態修復，故采取此手段識別國土空間待修復關鍵區域[15]，可將系統性思想融入其中，且其更具生態學意義。

生態格局構造時，“源地—阻力面—廊道—節點”的方法已廣為采用，如眾多學者利用MCR模型構造綜合阻力面，得到生態廊道，進而根據空間位置類型診斷生態節點，構造生態格局[15]。且近年來，有學者開始將Linkage Mapper分析引入到格局識別中來，Linkage Mapper分析中的Barrier Mapper可識別出生態障礙點，Pinchpoint Mapper分析則基于電路理論中電流密度將廊道中需要優先保護的“夾點”區域識別出來，即生物遷徙過程中的必經點，以此作為生態節點[16]。生態廊道即為動物交流的必要通道，生態“夾點”則代表動物遷徙過程中的必經區域，生態障礙點及生態斷裂點則代表生物在廊道間流動時所遇到的阻礙區域[6]，均是國土空間生態保護與修復關鍵區域。然現階段依據廊道及其上述各類型節點區域，進行生態修復關鍵區域識別，據此提出相關修復策略的研究尚為欠缺。

太行山中北段生態脆弱區阜平縣位于“燕山—太行山”國家集中連片特困地區，全縣山體穩定性較差，頻發滑坡、泥石流等地質災害，退化的生態環境與欠發達的經濟互相制約，是典型的生態型貧困縣。因此，阜平縣建設開發的迫切性、生態系統的脆弱性和特殊性使得該縣進行國土空間生態修復既十分必要又面臨挑戰。因此本研究綜合分析國內外有關國土空間生態修復的研究，選擇太行山中北段生態脆弱區阜平縣作為研究區，基于景觀生態學理論，運用InVest模型中的生境質量模塊與粒度反推法相結合，識別生態源地，基于Linkage Mapper分析識別生態廊道，構建國土空間生態安全格局，基于此，運用linkage mapper中的barrier mapper與pinchpoint mapper分析，識別生態夾點、生態障礙點、生態斷裂點，最終確定阜平縣國土空間生態修復關鍵區域，進而給予生態修復相關策略與建議，為以全域、全要素為方向，進行系統治理國土空間生態問題給予決策參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

太行山中北段生態脆弱區阜平縣，地處河北西部，地理坐標為東經113°45′—114°37′，北緯38°39′—39°08′，西部、北部均與山西省交界，縣域面積2 527.14 km2。縣域地形較為復雜，多為土石山區，山巒綿亙，溝壑縱橫，地勢西北高東南低，氣候屬大陸性季風氣候。在縣域西部及北部地區，多中山、高山，同時原始次生林、人工林及灌木林分布都較為廣泛，植被覆蓋度較高，但耕地分布較少；在縣域中南部和東部，主要為低山和丘陵，植被覆蓋度相對差，荒山面積較大，水土流失現象發生較為頻繁。全縣河流水系較為發達，境內河流均屬于大清河水系南支沙河，由西北向東南橫穿全縣，另有胭脂河、平陽河、鷂子河、板峪河、北流河等支流。且其位于冀西北生態涵養區，縣域內包含自然保護區、森林公園等多種自然保護地，素有九山半水半田之稱，但也存在生態型貧困的現狀，是以針對此地區進行生態文明建設成為重中之重。

1.2 數據來源

本研究中土地利用數據來自于2018年土地利用變更調查庫；高程數據(DEM)來自地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn/)，空間分辨率為30 m ×30 m；阜平縣交通數據來源于Open Street Map數據平臺。

2 研究方法

2.1 粒度反推法

粒度反推法依據于反證法思想，首先采用Frgasta計算各粒度水平下的景觀指數，以此為依據挑選出最佳組分結構，就此作為參考選取合適的生態源地[17]。本文擇其林地、草地、園地、水域作為生態用地，運用ArcGIS生成100 m，200 m，300 m，400 m，500 m，600 m，700 m，800 m，900 m，1 000 m，十張不同粒度下的柵格圖，進而選擇連接度增加百分率、最大組分斑塊數(NC)、連通性(CONNECT)、聚合度(AI)、內聚力(COHESION)、CONTAG(蔓延度指數)、LSI(景觀形狀指數)7個指標[18]，運用Fragstats軟件，計算各個粒度下的上述7個指標值，同時結合主成分分析的方法[19]，把累積貢獻率>80%、特征值>1作為其提取原則，計算其各粒度下的整體連通性綜合得分，將綜合得分最高的景觀組分結構作為初步生態源地選取的依據。

2.2 生境質量模型(Habitat Quality Model)

InVEST中的生境質量模塊，是從生物多樣性角度出發，對其生境質量作出定量評價[20-22]。本研究中的威脅源數據為：(1) 每種威脅的相對影響(2) 生境柵格與威脅之間的距離、威脅所帶來的影響(3)：每種生境類型對每種威脅的相對敏感性，根據模型使用手冊及相關文獻，本文擇取林地、草地、園地和水域作為生態用地，其余用地類型則為非生態用地；將建制鎮、村莊、采礦用地、公路用地、裸地定義為生境的威脅源；模型的各類參數，通過查閱文獻，并向相關專家咨詢進行賦值(表1和表2)。具體計算公式如下[20-22]：

(1)

表1 威脅因子屬性

表2 不同生境類型對各威脅源的敏感度

式中:j為生境類型,為不同的柵格;Qxj為j生境柵格的生境質量;Hj為生境適宜性,為生境柵格的總威脅水平;k為半飽和參數,Dzxj為j生境柵格中x的總的威脅水平;k為半飽和常數;z值一般默認取2.5[21]。

2.3 生態阻力面及廊道構建

一般的生態阻力面構建，主要是根據土地利用數據，進行相關賦值，但所構造的阻力面不夠精準，因此本研究參考相關文獻，以土地利用阻力面作為顯性阻力面[23-24]，傳統顯性阻力面忽略了景觀間的相互影響和信息交流，而隱性阻力面能夠將事物之間的相互影響考慮在內，因此本研究構建綜合阻力面時，以土地利用類型作為顯性阻力面，利用ArcGIS中的克里金插值法得到隱性阻力值以此構造隱性阻力面，結合坡度、地形起伏度、植被覆蓋度(表3)，最終得到綜合阻力面。基于綜合阻力面，運用ArcGIS的開發軟件Linkage Mapper工具中的Linkage Mapper分析構建生態廊道，其過程所運用模型MCR(最小累積阻力)模型原理如下[25]：

(2)

表3 阻力因子屬性

式中:MCR為最小累積阻力值;f為未知正函數,表示阻力值與生態過程的正相關關系;Dij為從生態源地j到空間任意一柵格單元i的空間距離;Ri為柵格單元i對生態過程運動的阻力值[24]。

2.4 生態節點識別

2.4.1 生態“夾點”識別 生態“夾點”，McRae等[26]以電路理論為依據所提出的，是為區域內景觀連通性的重要節點，生物流經此處的概率較大或無其他替代路徑，如去除或損壞此類區域，會對生態穩定造成較大影響。本研究利用Linkage mapper分析中的Pinchpoint Mapper[27]模塊識別生態“夾點”，其中高電流強度區域即為夾點區域，此類區域對于防止棲息地退化有關鍵作用，因此對于此類區域應當重點保護，若生態“夾點”恰好位于生態阻力值較高區域，則表明此類地區退化可能性較大，更應當優先保護與修復，因此本研究選取生態“夾點”區域作為生態修復關鍵區域之一。此工具有adjacent pair model和raster centrality兩種模式[28]，但相關研究表明“adjacent pair model”模式下得到的“夾點”區域對于維持整體景觀的連接性沒有意義，生物可以繞道其他核心區在兩個核心區之間進行移動，因此采用raster centrality識別生態關鍵點，此模式又分為成對(pairwise)和多對一(all-to-one)兩類[29]，本文針對兩類分別進行處理，成對模式指有效電阻將在所有的成對斑塊之間進行一系列的迭代運算；多對一模式則是將一個斑塊接地，遍歷景觀中所有的生態斑塊。

2.4.2 生態障礙點識別 生態障礙點即為生物在廊道遷徙過程中，受到阻礙的區域，移除或者改善此類區域可增強區域間的景觀連通性。本研究利用Linkage mapper插件的Barrier Mapper[30]分析進行生態障礙點的識別，并且與土地利用類型相結合，確定障礙點的土地利用狀況，進而提出相關修復與保護建議。進行Barrier Mmapper分析時有兩種模式[31]，一種模式是選定相對于最小成本路徑計算改進分數百分比選項，此類方法可識別出有一定障礙但不完全阻礙區域，另一種模式為不選定此選項，即完全阻礙區域。本研究選擇同時選擇兩種模式下的阻礙區域作為生態障礙點，通過對障礙點進行一定的修復，進而增強區域內景觀連通性。

3 結果與分析

3.1 生態源地分析

依托Fragstats平臺，得到各粒度下的景觀指數見表4，采用主成分分析的方法得到兩個主成分(表5)，主成分1上AI，COHESION，LSI，CONTAG荷載較高，可體現出景觀組分的集聚性質，將其作為整體性指標；主成分2上NC，CONNECT以及連通性增加百分率荷載較高，表征景觀結構的連通性，可將其作為連通性指標。將數據標準化處理，代入函數表達式即可得到各粒度下的整體連通性得分(圖1)。景觀組分結隨粒度改變而改變，但當其達到某一臨界值時會出現質變點，通過分析可知，隨著粒度的增加，綜合得分整體上表現出下降趨勢，主要原因為粒度的升高使得小型斑塊不斷被去除、融合，從而造成景觀破碎化加劇，穩定性不斷下降，當景觀組分結構極簡狀態小于其研究尺度時，造成關鍵局部區域不斷減少，使得穩定性發生浮動。而在600 m粒度時候，綜合得分突然出現升高現象，隨后又呈現下降趨勢，且在600 m粒度時的綜合得分，明顯高于其周圍粒度下的綜合得分，因此可看出600 m粒度時是景觀組分結構產生改變的質變點，可作為初步生態源地的選取依據。

圖1 整體連通性綜合得分

表4 測定指標統計

利用生境質量模塊確定阜平縣生境質量見圖2。阜平縣總體生境質量較低，平均值為0.30，最高值為0.99，最低值為0.1，其生境質量較低主要原因為其裸地較多，因此總體生境質量平均值較低，生態問題急需改善，其中高質量區域主要位于阜平縣西部地區，此類地區植被覆蓋度都較高，且多處于生態保護紅線及自然保護區內，低值區位于高值區周圍，用地類型主要為裸地及建設用地，以阜平鎮、史家寨鄉、大臺鄉、砂窩鄉分布最多。

表5 成分矩陣

圖2 阜平縣生境質量空間分布

選擇源地時，應當將斑塊本身的價值，以及各類型生態用地在整體景觀中的結構及其所發揮的功能，同時考慮在內，而InVest模型中的生境質量模塊正是基于柵格尺度進行測算，主要估算斑塊自身的生態價值，因此，本研究在得出初步生態源地的基礎上，統計其各斑塊的生態系統服務價值，采用自然斷點法將其分為不同級別，將其生境質量最高的一級當作最終的生態源地(圖3)。阜平縣生態源地共518.35 km2，主要用地類型為林地、水域、草地、以及部分園地，占生態用地面積的71.00%，其中以林地所占生態源地最多，達到65.67%，生態源地以城南莊鎮最多為199.43 km2，以阜平鎮、大臺鄉、北果園鄉最少，均小于10 km2。

3.2 區域生態安全格局構建

以阜平縣綜合阻力面為基礎，借助ArcGIS中的Linkage Mapper插件識別出廊道，基于源地及廊道形成阜平縣生態格局。阜平縣高阻力地區主要集中位于砂窩鄉、史家寨鄉，阜平鎮、大臺鄉、臺峪鄉、吳王口鄉有少量分布，主要是其受城鎮建設用地、及交通用地的阻礙，且其含有大量裸地。生態源地主要位于河北省省級銀河山自然保護區、河北駝梁國家級自然保護區、水源保護區王快水庫范圍內，廊道承接各大源地，共計481.85 km，主要土地利用類型為河流，河流廊道主要包含大沙河、板峪河、鷂子河、北流河、胭脂河、平陽河等河流的部分河段。

3.3 生態修復關鍵區域識別

3.3.1 生態夾點區域識別與修復 運用all-to-one與all-pairs兩種模式分別識別阜平縣生物遷徙流動強度(即廊道的電流強度)，成對模式下識別的高電流區域較多最高為108.163，多對一模式下識別的電流最大值為189.936，與生態阻力面疊加可發現此類區域多位于高阻力區域，因此本研究選擇兩種模式下的高電流區域與生態阻力面的高阻力區域疊加，綜合分析得出28處生態“夾點”區域(附圖4)。共計73.42 km。其中最長7.96 km，位于砂窩鄉，最短0.11 km，位于城南莊鎮。待修復區域中，共22處于河流廊道上，分別為砂窩鄉1處，龍泉關鎮3處，天生橋鎮1處，城南莊鎮6處，王林口鎮2處，大臺鄉3處，臺峪鄉1處，史家寨鄉3處，阜平鎮2處(表6)。河流廊道被視為自然形成的生態廊道，其生態作用極強且其地位不可取代，但近年來，由于其他商業用途不斷占用以及人類不合理的進行填河造田等活動，使得河流愈加萎縮，且縣域公眾及相關企業投放的污染物過多，超出其自身的修復能力，使得河流生態功能日況愈下，從而受到不同程度的脅迫。因此針對河流廊道，在其“夾點”區域，應當首先進行清淤及治理相關污染等工程措施，同時可為其修建保護區，實施河流跨界治理與修復工程，多地共享河流污染源監測等相關信息，形成綠色、開放、共享機制，同時應加強監督管理，嚴防一切損害河流生態功能的現象重現，對于河流入口應當做好土壤修復與保護等措施。另有4處待修復區域用地類型屬林地，位于史家寨鄉，此類區域應當嚴禁隨意占用林地，嚴控林地退化等現象發生，保護和利用森林植被的自然生態修復功能，加強對退化林地的治理，同時由于阜平屬生態型貧困縣，因此可適當考慮林業合理開發利用，確保主要林產品產量和產品結構滿足市場需求。2處為草地位于阜平鎮.，此類地區應加強退化草地修復，增強植被覆蓋度，同時防止此類地區不斷被建設用地占用，設置禁建區，對于當地規模發展，政府部門應當嚴格把控。

表6 阜平縣國土空間生態保護修復關鍵區域

3.3.2 生態障礙點區域識別與修復 基于選中相對于LCD改進得分選項，與未選定此選項兩種模式，本文共識別出生態障礙點66處(附圖5)，其中北果園鄉1處，城南莊鎮9處，大臺鄉3處，阜平鎮8處，龍泉關鎮8處，平陽鎮2處，砂窩鄉11處，史家寨鄉6處，臺峪鄉1處，王林口鄉2處，吳王口鄉10處，夏莊鄉5處(表6)。從空間分布來看，障礙點均處于高阻力與低阻力交界處，且障礙點多與生態源地緊鄰，是源地與廊道聯通的關鍵區域，障礙點的修復或者移除對于加強景觀連通性具有重要意義。

通過分析可知，生態障礙點區域均為非生態用地，主要囊括城鎮村及工礦用地、其他土地、耕地。針對不同類型可采取不同措施，對于位于建設用地范圍內的障礙區域，可通過打造綠地公園等措施加強城鎮綠地建設，提高植被豐富度，對于其他土地，其所對應二級類主要為裸地，對于低海拔地區的裸地，加強植樹造林，高海拔地區的裸地多處于荒山位置，應采用天然植被恢復、人工促進植被恢復，修復荒山，對于適宜發展為農業、旅游等用途的荒地，可作出適當調整促其變化為生態價值較高的地區，生態、經濟、社會三者相輔相成，綜合分析三者總體效益方可促進研究區綠色高質量發展。其中部分節點處于耕地之中，可適當考慮實行退耕還林、還湖等措施，以此提高區域間景觀聯通性。

3.3.3 生態斷裂點區域識別與修復 本研究選擇大型交通設施(高速公路、國道、省道)與廊道交匯處，作為生態斷裂點(圖4)。主要考慮縱橫交叉的道路對生物流動產生阻礙作用，使景觀破碎化現象加劇，造成生物遷徙受到威脅。如圖所示，生態斷裂點共23處，其中砂窩鄉、吳王口鄉、大臺鄉、平陽鎮分布最為集中。5處與高速相交，5處與國道相交，與省道交匯區域為13處。由于這3類都屬與不可替代的交通設施，因此不能輕易將其拆卸，故對于斷裂點區域可考慮與研究區實際情況相結合，提出相關改良措施，如建造橋下涵洞、或者修建天橋等，作為動物遷徙的廊道，且可在通道處制作標志牌，禁止破壞，保障動物能夠較為通暢的完成遷徙，政府部門可考慮實行生態廊道監測，及時為生物流動排除阻礙因素。

圖4 待修復生態斷裂點

3.3.4 破碎生態空間修復 初步源地中生境質量較低的區域，將其作為關鍵修復區域之一。本研究共得出破碎空間100.20 km2，鑲嵌于林地及水域之間，集中分布于城南莊鎮、龍泉關鎮、阜平鎮，分別為16.58 km2，11.76 km2，11.61 km2(圖5)。造成低質量生態空間原因較多，主要由建設用地不斷擴張、頻發地質災害、道路切割等因素造成，此類區域斑塊較為分散，無法進行統一修復，因此應當與各個鄉鎮具體發展方向相結合，重新配置生態用地。例如，可選擇較大的斑塊修復其地形，穩步提高其景觀連通性；對于過于分散的斑塊，可因時因地，進行植樹造林，聯合提高各鄉鎮森林資源，不斷擴大各鄉鎮綠地面積。

圖5 待修復破碎空間

3.4 國土空間生態修復關鍵區域的修復策略

以生態安全格局為基礎，綜合考慮阻力面、生態廊道、“夾點”等理論基礎，得出阜平縣生態修復關鍵區域，見表6所示。研究區“夾點”、斷裂點及障礙點區域，存在重合狀況，部分斷裂點則位于“夾點”之中，障礙點多是位于源地與廊道交匯處，上述3類區域，均是維持生物流在系統中正常循環的重要保障。通過分析3類節點，提出修復策略，可提高阜平縣景觀連通性，保障生態穩定性。綜上，提出以下修復策略：關鍵點待修復區域主要包含水域、草地、林地，針對水域類型，增強各鄉鎮水環境整治力度，加強水質目標管理等工作，全方位控制工業污染源，加強管理各鄉鎮對于污水的收集與處理，及時有效的針對農業面源污染進行整治，營造高質量河流生態環境，開展河流排污口整治、水環境質量檢測、水資源修復與保護監測等工程，加大河流兩岸河道管理力度，全方位清污截污，修復受損河流區域，提高其生態水平；針對草地區域，加強退化草地修復，可利用本地特色物種，促進植被演替，提高植被覆蓋度；針對林地，加保護和治理，對于退化林地進行生態修復，提高森林覆蓋率，嚴格禁止因其他商業用途占用林地，盡量保證林地逆轉流失等現象的發生愈來愈少，保護和利用森林植被的自然修復能力，為當地全面進行生態文明建設給予保障。針對斷裂點區域，可與研究區地形地貌相結合，建造生物通道，并實施監測工作，嚴格禁止其他用途占用通道、捕殺動物等行為。針對障礙點區域，縣域中心鎮待修復區域除加強公園綠地的修建，也應針對居民生活垃圾以及日常排放的污水，采取相應工程措施進行治理，提高城鎮中心區域生態環境水平；基本農田保護區以外的耕地，可適當采取退耕還林、退耕還濕等措施，保護區內的，在保障質量不下降前提下，開展農田綜合整治項目，促其向生態保育、文化景觀等方向發展，促進各地區生態環境質量穩步提升。為保各地區切實落實生態修復的相關政策，且能夠及時獲取一手信息，可設置長期監管體系，以便及時有效了解進行修復過程中遇到的問題，使其修復方法不斷擴充。同時創建生態修復分享與交流平臺，樹立生態保護意識，切實保證修復區村民的實際利益，不斷增強公眾生態保護意愿。

4 結 論

(1) 阜平縣生態源地518.35 km2，占生態用地比例為71.00%，用地類型主要為林地及水域；生態廊道共481.85 km，以河流廊道為主，包含少量人工廊道。

(2) 生態修復關鍵區域為：待修復生態“夾點”區共計28處，其中22處于河流廊道上；待修復生態障礙區共計66處，分布較為廣泛，多位于較低阻力值與較高阻力值交匯處；待修復生態斷裂區共計23處，其中與高速公路交匯區域為5處，與國道交匯區域為5處，與省道交匯區域為13處；待修復破碎空間共計100.20 km2，集中分布于城南莊鎮、龍泉關鎮、阜平鎮。

(3) 綜合考慮各類型生態修復區用地類型及其空間分布特征，有針對性的提出具體修復策略以及提升方向，為縣域生態文明建設提供借鑒意義。

本文以構建縣域生態安全格局為基礎，識別國土空間生態修復關鍵區，融入景觀生態學的視角，切實符合國土空間生態修復中所強調的生態過程的完整性與連通性的思想高度，與傳統的識別出某一待修復區進而設置生態修復工程相比，本研究更加具有系統性、全局性。選取生態源地時，運用粒度反推法與生境質量評估模型相結合，綜合考慮了斑塊大小、自身價值以及粒度水平三方面。較為新穎的運用Linkage Mapper分析識別出待修復生態“夾點”、生態障礙點、生態斷裂點，3類區域均為景觀格局中的重點區域，對維護生態系統整體健康及促進人類福祉穩步上升具有重要意義。但本研究尚存在一些不足，如：在識別出各類型待修復區域后，景觀中連通性的增加程度仍然值得進一步研究，且本研究尚未確定修復順序，今后應當綜合考慮區域的地理位置、社會經濟條件及生態需求等方面，進一步確定修復的先后順序，以期可達更加理想的生態修復效果。