基于生態敏感性與生態網絡的南昌市生態安全格局構建

陳瑤瑤, 羅志軍, 齊 松, 趙 杰, 袁 媛, 李 芳

(1.江西農業大學 國土資源與環境學院, 南昌 330045;2.江西省鄱陽湖流域農業資源與生態重點實驗室, 南昌 330045; 3.贛州市城鄉規劃設計研究院, 江西 贛州 341000)

近年來，城市空間急劇擴張使人類活動影響的生態景觀的范圍和程度愈來愈大，同時給區域生態環境帶了許多嚴重問題。在此背景下，眾多學者提出由點線面等生態斑塊組成的區域潛在格局——生態安全格局，來維護區域生態平衡和自然生命支持系統[1-6]。通過構建城市生態安全格局，對緩解城市發展與生態保護之間的矛盾、提升城市發展水平意義重大[7]。

1990年以來，諸多學者從土地利用優化[8]、生態網絡構建[9]、生態紅線劃定等[10]視角出發，對農牧交錯帶[2]、海島[7]、地質災害敏感區[11]、干旱區[12]等區域對生態安全格局進行了較多探討，并形成了“源地識別—廊道模擬—節點提取”這一生態安全格局構建的基本框架，其中，構建生態安全格局的基礎是識別生態源地和模擬生態廊道。部分學者直接將自然保護區等[13-14]作為生態源地的做法存在一定的主觀性，采用指標體系識別生態源地能夠考慮多方面因素，但評價指標體系往往具有針對性[6]。在相關研究中，生態廊道模擬常使用最小累積阻力模型方法，其核心是生態阻力面的構建，其一般做法是對景觀類型進行賦值并考慮地形的影響，但忽略了人類行為給周邊生態環境帶來的破壞。針對當前生態源地識別、生態阻力面構建和生態廊道識別存在一定的主觀性與不全面性，本文嘗試從景觀結構性與連通性角度入手并考慮政策因素，采用形態學空間格局分析(MSPA)和景觀連通性分析方法，綜合重要性高的生態斑塊和自然保護區等識別生態源地；生態阻力面構建中通過距居民點與道路的距離來反映人類活動干擾這一阻力因子。通過將生態敏感性綜合評價與生態網絡研究結果相結合，科學構建南昌市生態安全格局，并提出優化建議，能夠緩解社會發展和城市生態環境二者的沖突，對優化城市空間格局、推動可持續發展和保護生態安全有指導意義。

1 研究區概況與數據處理

1.1 研究區概況

南昌市地處江西省中北部，位于東經115°27′—116°35′，北緯28°10′—29°11′，是一座紅色文化城市，與長三角、珠三角以及閩三角相接壤，是連接周邊經濟區的省際交通廊道。轄區內日照與降水充足、氣候溫和，全境山、丘、崗、平原相間，呈“西山東水”地理分布格局，擁有豐富的水資源與礦產資源。截至2017年末，常住人口546.35萬人，生產總值5 003.19億元。南昌市是江西省發展的核心，也是國家森林城市，具有明顯的生態優勢，社會經濟和城市化程度正持續進步，如何科學地調節社會發展與生態安全保護的矛盾、促進區域可持續發展，是目前亟需解決的關鍵問題。

1.2 數據來源與處理

根據研究區范圍，為保證景觀要素的完整性，本文選擇30 m×30 m的柵格作為研究單元。采用的數據主要有：(1) 2017年Landsat8/OLI的2幅遙感影像(來源于地理空間數據云，分辨率為30 m)。利用ENVI 5.0軟件對影像進行解譯獲得土地利用數據，解譯精度大于90%；(2) DEM數據(來源于地理空間數據云，分辨率為30 m)。通過ArcGIS 10.2軟件生成研究區坡度和洪水調蓄區；(3) 植被覆蓋度基于NDVI數據估算得到，NDVI數據利用遙感數據不同波段之間的關系得到，分辨率30 m；(4) 土壤矢量數據(來源于南昌市耕地地力評價成果)，包含土壤類型、土壤侵蝕等數據；(5) 2017年道路數據(來源于地理國情監測云平臺)；(6) 地質災害數據。根據江西省地質災害“十三五”規劃，利用ArcGIS 10.2經過配準、數字化獲得；(7) 基本農田數據與生態保護紅線(來源于江西省自然資源廳)。

2 研究方法

2.1 生態敏感性分析

生態敏感性是區域生態安全受到影響和破壞的難易性程度，是評價生態系統穩定性的重要標準[15-16]。結合研究區實際情況與數據的可獲取性，從地形、土壤、水資源、植被與土地利用方面構建生態敏感性評價體系，參考相關研究[16-20]確定指標因子等級劃分標準，使用層次分析法確定指標因子權重(表1)。基于疊加分析法獲得生態敏感性初步評價結果，在此基礎上利用政策保護因子對其進行修正，獲得最終的生態敏感性的評價結果。

表1 生態敏感性評價指標體系

2.2 生態網絡構建

2.2.1 生態源地識別 生態源地是維護區域生態健康的重要生境斑塊，對保護生物多樣性和生態穩定性意義重大[1，21]，在滿足人類活動所需的生態環境質量方面也有重要地位[22]。本文結合形態學空間格局分析和景觀連通性分析獲得生態源地，同時將自然保護區作為生態源地的補充。

(1) 基于MSPA方法的景觀格局分析。形態學空間格局分析通過腐蝕、膨脹、開閉運算等數學形態學原理分辨柵格圖像結構[23-26]，能將前景分為互不重疊的7類景觀。該方法強調數據的結構特征，能很好地體現生態斑塊在生態過程中的作用，有助于生態源地的選取[24-25]。

(2) 景觀連接度評價。景觀連接度是指景觀適宜某種生態過程發生的程度[27-28]，通過對不同生態斑塊的連通性來判斷其重要性，能夠較好選取生態源地[29]。本文采用可能連通性指數(PC)評價區域景觀連通性，并采用斑塊重要性指數(dPC)衡量斑塊重要程度并提取源地。

(1)

dPC=(PC-PCremove)/PC×100%

(2)

借鑒相關研究[30-32]，基于Conefor 2.6軟件，將連通概率設為0.5，同時選取500，1 000，1 500，2 000 m 4個距離閾值進行比較，最終選擇1 000 m的距離閾值進行南昌市斑塊連接度分析。使用自然斷點法分別將斑塊重要性值劃分為非常高、高、一般和低4種類型，將非常高、高兩個等級作為生態源地。

2.2.2 生態阻力面構建 依據生態安全格局理論，物種遷移和能量流動在空間上活動會受到外界干擾，阻力最低的通道即可為生態廊道[33-34]。基于相關研究成果[34-36]，考慮南昌市發展現狀，從地形、景觀和人類活動干擾等方面選擇10項指標作為生態源地擴張的阻力因素并分等賦值，阻力值大小與阻力強弱呈正相關。根據阻力因子影響生態過程發生的強弱，采用層次分析法獲得相應權重(表2)。

表2 研究區生態阻力面評價體系

2.2.3 生態廊道的識別 生態廊道作為生物遷移和物質能量流動的最佳路徑，是不同生態源地相互聯系的通道。本文在構建的阻力面的基礎上，利用最小累積阻力模型獲得生態廊道。

(3)

式中:Dij為源地i與j之間的距離；f為最小累積阻力和生態過程的正相關函數；n，m為源地總數；Ri是源地i對生態過程發生的阻力系數。

2.2.4 生態節點的識別 生態節點是指銜接相鄰源地的區域，對物種遷移擴散有著至關重要的影響[14]，與生態源地和生態廊道共同構成城市生態網絡。借鑒相關研究成果，本文將生態廊道間的交點[37]、以鄰近“源”為中心的等阻力線切點[38]作為生態節點。

3 結果與分析

3.1生態敏感性評價

由圖1和表3可以看出，南昌市生態敏感性主要為極敏感性和高敏感性，占總面積的69.55%，表明南昌市生態環境較好，其中極敏感區面積為118 001.74 hm2，占總面積的16.40%，呈現大斑塊孤立，小斑塊破碎的分布特征，大面積極敏感區主要為生態環境良好的林地與水體，比如梅嶺國家森林公園、鄱陽湖南磯濕地自然保護區；高敏感區面積為382 477.42 hm2，占總面積的53.15%，可作為人類活動區域與極敏感區之間的緩沖地帶。

圖1 生態敏感性評價指標因子與結果

表3 生態敏感性評價結果分區統計

中敏感區、輕敏感區和低敏感區面積相差不大，各占總面積的10.09%，9.90%，10.46%，其中輕敏感區和低敏感區大多是城鄉建設用地和主要交通干線及周邊區域，是人類主要的活動場所，生態環境也更易遭到破壞，對于此類地區需要強化生態環境建設，控制建設用地擴張。

3.2 生態網絡構建

3.2.1 生態源地識別 (1) MSPA與景觀連通性分析。結合圖2和表4發現，核心區占總面積的22.47%，為161 693.91 hm2，表明研究區生態底蘊深厚，主要分布在灣里區、進賢縣、上新建東北部、下新建西部、安義縣北部等地區。橋接區作為連通景觀單元的關鍵區域，其僅占總面積的0.37%，表明核心區間聯系較為薄弱。孔隙和邊緣區為核心區的內外部邊緣，面積分別為1 699.40，21 742.19 hm2，共占總面積的3.26%，表明核心區抵御外界干擾能力較強。支線具備一部分連接功能，占總面積的0.55%。島狀斑塊在生物遷徙運動時具有踏腳石的功能，占總面積的0.24%。作為核心區斑塊內部物種遷移擴散和物質流動循環通道的環道區占總面積的0.18%。

圖2 基于MSPA的景觀要素分類

表4 景觀要素分類統計

(2)生態源地的確定。將景觀連通性評價結果與自然保護地等相結合得到12個生態源地斑塊，總面積為120 871.31 hm2。從圖3中可以看出，生態源地主要為安義縣、灣里區等生態基礎較為良好、物種資源充裕的林地區域以及鄱陽湖、軍山湖等大面積湖泊及河流，這些區域作為生物的重要棲息地，是維持南昌市生物的繁衍以及生態系統健康不可或缺的部分。

圖3 生態源地分布

3.2.2 綜合阻力面 利用ArcGIS 10.2軟件得到各阻力因素阻力值分級(圖4)，并在此基礎上得到研究區綜合阻力面和最小累積阻力面。從圖5可以看出，綜合阻力呈現南北低、中部高的特征，高阻力區主要位于現狀建設用地及其周邊地區，低阻力區主要為人類活動強度較低的林地與河流湖泊；從最小累積阻力面結果可以看出，中部區域對物種的遷移擴散和物質流動有較大的阻礙作用，南北區域之間的連通性較差，需要加強中部地區林地與濕地景觀的保護，控制好建設用地的擴張。

圖4 生態阻力面評價指標因子分級

圖5 綜合阻力面和最小累積阻力面情況

3.2.3 生態廊道判別 基于生態源地和綜合阻力面，運用Linkage Mapper工具模擬生態廊道(圖6)，結合已有研究[38]，將廊道寬度設為1 km。由表5可知，生態廊道總面積為45 304.66 hm2。由于研究區耕地面積大、分布廣泛，且耕地對生態過程發生的影響較小，使得生態廊道中耕地占44.85%，為20 321.15 hm2；林地和水體在生態廊道中面積分別為10 192.88，7 703.51 hm2，共占生態廊道總面積的39.5%，這是因為生態源地主要為生態基礎較為良好、物種資源充裕的林地區域以及鄱陽湖、軍山湖等大面積湖泊及河流，生態源地間發生生態過程時需要穿越周邊林地及水體；建設用地占生態廊道總面積的11.45%，表明研究區城鎮建設用地、村莊以及交通用地對生態過程發生的阻礙作用較為突出，生態廊道的穩定性較低，因此在未來的發展建設，應盡量避免占用生態廊道，以保護區域內生態系統穩定與生物多樣性。

表5 潛在廊道的景觀組成類型統計

3.3 生態安全格局構建

構建生態安全格局的目的在于緩解城市建設和生態安全保護兩者的沖突，為城市發展與土地資源科學合理利用提供有力支撐。本文結合生態敏感性綜合評價與生態網絡研究結果構建南昌市生態安全格局，將極高敏感區與生態源地作為低生態安全格局，高敏感區與中敏感區作為中生態安全格局，輕敏感區和低敏感區作為高生態安全格局(圖7)。基于生態安全格局，分別將高、中、低的生態安全格局劃為適宜建設區、限制建設區和禁止建設區。在未來發展規劃中，適宜建設區內建設用地應盡可能避免占用生態廊道，留有一定的空間作為生態廊道與外界的緩沖區，保護廊道的穩定性，充分發揮生態廊道的連接功能；限制建設區內的開發活動應該以生態保護優先，對維護生態環境以及生態穩定性的活動應該嚴格控制；建設區中除了國家規劃必須要開發建設的項目外，禁止開展任何建設項目。

圖7 南昌市生態安全格局構建

3.4 生態安全格局優化建議

3.4.1 加強生態源地保護 生態源地是區域生態安全格局中最基礎、最核心的區域，是生物生存繁衍的重要場所，能夠維護區域生態環境及生態過程，所以保護生態源地環境及其重要。針對大型林地生態源地應加強該區域現有動植物資源的保護力度，有效保護區域生態多樣性穩定健康的發展，使各類生物有較為良好的生存環境。針對水體生態源地，加強湖泊污染防治，實施水土保持等項目，盡量降低人類活動對生態源地帶來的干擾。

3.4.2 加強生態廊道建設 根據區域實際情況設置不同寬度的廊道緩沖區，減少外界的干擾；探索“廊道長制”工作機制，明確工作職責。通過加強廊道建設可以促進不同“源”間以及“源”與基質間的生物遷移和物質能量流動，進一步改善生態質量和生態環境。

3.4.3 加強生態節點建設 生態節點能夠促進區域物種的遷移擴散，加強其建設能夠提升生態廊道的穩定性，增強景觀間的功能聯系，對維系破碎的生境斑塊有著重要作用。一方面可通過提高生態節點來有效發揮其“踏腳石”的功能；另一方面應控制生態節點及其周邊地區人類活動強度，并對已經遭到破壞的生態節點進行重點保護與恢復。

4 討論與結論

4.1 討 論

本文基于遙感影像數據，結合生態敏感性評價和生態網絡研究構建南昌市生態安全格局。在結合形態學空間格局分析和景觀連通性評價結果與各類自然保護區數據確定生態源地方面具有一定的創新性，但其他方面存在著不足，具體如下：

(1) 評價指標體系需進一步完善。生態敏感性評價與生態阻力面構建的指標體系雖然從各方面都選取評價因子進行分析，但受數據可獲取性的限制，評價指標體系仍有進一步完善的空間。另外采取的層次分析法確定權重時參考相關研究及專家意見的做法較為合理，但結果還是會受到主觀性的影響。

(2) 生態阻力面的構建過程中，由于生物遷徙數據獲取有限，所得研究結果對不同生物的適用性存在優劣。各阻力因子的阻力等級通過參考已有的研究確定，生態安全格局的構建是否會受到阻力因子不同等級的影響還需要進一步的研究來加以完善。

(3) 通過構建生態安全格局來劃定南昌市適宜建設區、限制建設區和禁止建設區時，并未考慮現有政策、城市規劃等方面因素的影響。

針對以上情況，在今后研究中可以從數據的獲取方面入手，并采用主、客觀相結合的權重賦值方式，多角度綜合考慮來進一步完善評價指標體系。在構建區域生態安全格局時，還應考慮政策因素、未來規劃等方面的影響，使評價結果更為準確合理。

4.2 結 論

(1) 通過生態敏感性綜合評價可知，南昌市生態敏感性主要為極敏感性和高敏感性，占總面積的69.55%，表明南昌市生態條件較好，其中極敏感區呈現“大而孤立，小且破碎”的分布特征。

(2) 通過形態學空間格局分析(MSPA)和景觀連通性分析，共識別生態源地12塊，主要分布于南昌市北部地區與南部地區，為大面積林地和水體，這表明了南北區域之間景觀連通能力較弱；綜合阻力值表現為南北低中部高的布局特點，表明南昌市中部是生態修復與保護的重點區域；通過最小路徑方法，共獲得18條生態廊道，其中耕地、林地、水體和濕地是生態廊道關鍵的景觀要素，表明生態廊道具有較高穩定性。

(3) 結合生態敏感性綜合評價與生態網絡研究得到的結果，可以有效構建南昌市生態安全格局，分別將高、中、低的生態安全格局劃為適宜建設區、限制建設區和禁止建設區，并有針對性地提出優化建議。