基于遙感生態指數的弋陽縣生態安全格局構建及優化

呂大偉，蔡海生，張學玲,3，羅海玲，曾珩，張婷

（1.江西農業大學江西省鄱陽湖流域農業資源與生態重點實驗室，江西 南昌 330045；2.江西旅游商貿職業學院，江西 南昌 330100；3.江西農業大學富硒農業產業發展研究中心，江西 南昌 330045；4.江西省土地開發整理中心，江西 南昌 330002）

近些年來，隨著我國經濟建設的迅猛發展，對生態環境造成的破壞也十分嚴重，隨之產生很多負面影響[1]。十九大報告闡述了生態安全的重要地位，它是國家安全體系的重要基石，是構建生態安全型社會的基礎框架[2-3]。區域生態安全格局的構建，是保障國家生態安全的根本舉措；同時，優化區域生態安全格局能夠更好地解決區域性生態安全問題，具有不可替代的作用[4]。

生態安全格局這一概念的雛形最早起源于西方國家[5]。20世紀60年代，國外學者提出島嶼生物地理學理論，為之后“生態網絡”的出現奠定了基礎。這一理論主要闡述了自然界中生態斑塊的破碎化、島嶼化是一種普遍存在的現象，如果“島嶼”間的連接性弱化或是消失，就會形成“孤島”，破碎化程度加深導致生物量的下降；而“生態網絡”的作用就是加強各生態斑塊間的連接性，保障生物間物質能量的正常流動[6]。20世紀90年代，Forman[7]提出“集中與分散相結合”準則，歸納總結景觀格局的整體優化方法，為生態安全格局優化理論奠定了基礎。20世紀90年代后期，國內學者也開始重視生態安全格局的研究，我國對此類研究起步較晚，但研究內容和角度較為廣泛[8-10]；在生物多樣性保護方面，侯鵬等[11]基于生態系統服務重要性評估，辨別國家重點生態功能區、生物多樣性保護優先區和國家級自然保護區等地生態安全格局構建的空間缺失；在景觀生態安全方面，何珍珍等[12]基于景觀生態學理論，對渭干河-庫車河綠洲的景觀生態安全格局進行優化；楊彥昆等[13]基于景觀連通度指數，對三峽庫區重慶段進行生態安全格局構建；在生物保護方面，李慧等[14]基于電路理論為滇金絲猴等瀕危物種設計生態廊道及重點保護區；在生態保護與城市擴張方面，劉曉陽等[15]以閩三角城市群為研究區構建生態安全格局并利用SLEUTH模型模擬城市擴張。

弋陽縣生態環境良好，在經濟大發展的背景下正處于快速發展階段，如何有效協調發展與保護之間的矛盾是當前面臨的難題。本文以三期土地利用數據為基礎，將遙感生態指數識別生態源地作為切入點，結合最小累積阻力模型和重力模型構建研究區生態安全格局，然后針對該格局不足之處提出整體性和有效性更好的生態安全格局優化設計，并基于前面構建的要素以及研究區河流、地形等自然要素，最終形成“一帶兩區多軸”生態安全戰略布局，對保障區域生態安全、促進區域可持續發展有重要意義，為推進弋陽縣一體化協調發展提供一定思路。

1 研究區概況

弋陽縣位于江西省上饒市，地處江西省東北部，縣域面積1 593 km2，地理坐標 為28°3'55″～ 28°46'55″N，117°13'27'～117°37'45″E之 間。地 貌 類型主要以丘陵、山地為主，平原地區為輔，全縣山地丘陵面積占57.1%，南北部為丘陵地帶，地勢較 高，中部平原地勢較低，構成弋陽盆地。弋陽縣林地分布廣泛，以北部和南部為主要分布地區，其地理位置特殊，位于信江和饒河水系的中上游，在整個流域以及周邊地區中扮演重要的生態功能角色。弋陽縣自然資源極為豐富，有許多珍稀動植物，如國家一級保護植物水杉、國家一級保護動物中華秋沙鴨等；林地覆蓋面積廣泛，生態環境良好，擁有龍虎山世界地質公園、中國丹霞世界自然遺產、龜峰國家5A級景區等多處自然風景。本文以弋陽縣作為研究區（圖1），基于遙感生態指數構建生態安全格局。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文主要運用Landsat 5/TM、Landsat 8/OLI遙感影像數據（30 m分辨率）、DEM數據（30 m分辨率），均源于地理空間數據云平臺（http：//www.gscloud.cn/），其中研究區涉及三期遙感影像，具體成像時間為2010年8月3日、2015年10月4日和2019年8月12日，影像云量較少，質量良好。土地利用數據也是基于遙感影像利用ENVI 5.3軟件，經過輻射定標、大氣校正等相應步驟，目視解譯各個地類并進行精度校正所獲得；土壤數據源自中國科學院南京土壤研究所提供的1∶100萬土壤類型數據；采礦用地、水體、道路以及生態保護紅線數據均由弋陽縣自然資源局統一提供。

2.2 研究方法

2.2.1 遙感生態指數 采用遙感生態指數（remote sensing ecological index），以遙感影像為基礎，提取綠度、濕度、干度、熱度四個指標進行歸一化，客觀評價研究區綜合生態環境質量[16-17]，并以此識別生態源地。計算公式如下：

1）綠度指標計算

式中：NDVI表示研究區歸一化植被指數；ρNIR表示遙感影像數據中的近紅外波段反射率；ρR表示遙感影像數據中的紅外波段反射率[18]。

2）濕度指標計算

式中：WET表示研究區濕度指數；c1-c6表示傳感器參數，由于傳感器類型不同，參數也有所不同，其中OLI傳感器代表的c1-c6分別為0.151 1、0.197 3、 0.328 3、0.340 7、-0.711 7、-0.455 9，而TM傳感器代表的c1-c6分別為0.031 5、0.202 1、0.301 2、0.159 4、 -0.680 6、-0.610 9，上述兩種傳感器數據本文均有 使 用；ρB、ρG、ρR、ρNIR、ρSWIR1、ρSWIR2分 別 代 表Landsat 8/OLI影像中第2、3、4、5、6、7波段反射率和Landsat 5/TM影像中第1、2、3、4、5、7波段反射率[19]。

3）干度指標計算

式中：NDBSI表示研究區干度指數；SI表示地表裸土指數；IBI表示地表建筑指數；ρB、ρG、ρR、ρNIR、ρSWIR1分別代表Landsat 8/OLI影像中第2、3、4、5、6波段反射率和Landsat 5/TM影像中第1、2、3、4、5波段反射率[20]。

4）熱度指標計算

式中：LST表示研究區真實地表溫度；T表示傳感器處的溫度值；λ表示熱紅外波段的中心波長；ρ=1.438×10-2m·K；ε表示地表比輻射率。詳細步驟參考了相關文獻[21]。

5）遙感生態指數計算

提取上述四個指標進行標準化處理，公式為：

式中：NIi表示標準化之后的某一指標值；Ii表示該指標在像元i的值；Imax、Imin分別表示該研究區指標的最大值、最小值。詳細步驟參考了相關文獻[22]。

由于大面積水體會對遙感影像處理產生影響，故將研究區整體進行水體掩膜處理后再運用ENVI 5.3軟件處理遙感影像數據，分別得到綠度、濕度、干度和熱度數據，對四個指標進行離差標準化處理，使每個指標的范圍都在[0,1]之間，并運用主成分分析法將四個指標進行耦合，初始遙感生態指數由1減第一主成分獲取；為便于指標度量與比較，同樣對初始遙感生態指數進行標準化處理，具體如下：

式中：RSEI表示離差標準化處理后的遙感生態指數，RSEI的值介于[0,1]，RSEI值越趨近1，代表該地區生態環境質量越優良，反之，則越差；RSEI0表示初始遙感生態指數；RSEI0_max和RSEI0_min分別表示初始遙感生態指數的最大值和最小值；PC1表示第一主成分。詳細步驟參考了相關文獻[22]。

2.2.2 生態阻力面指標體系 選取8個評價因子構建研究區生態阻力面指標體系，將各個評價因子阻力值分為四個等級，分別用1、2、3、4代表阻力系數，系數越大代表阻力越大。利用ArcGIS10.5軟件中的歐氏距離工具計算出距采礦用地距離、距水體距離和距道路距離三個評價因子的最大影響半徑；再利用重分類工具將8個因子分別按照表1劃分的四個等級進行重分類，分別得到各個評價因子的單因子阻力面；最后根據表1中設置的權重[23]加權疊加8個單因子阻力面得到研究區綜合生態阻力面。

表1 研究區阻力因子等級劃分Table 1 Resistance factor classification of the study area

2.2.3 最小累積阻力模型 最小累積阻力模型（minimum cumulative resistance model）的原理是通過計算生態源地斑塊之間需要克服的累計阻力值來規劃出最小成本路徑，以判斷斑塊間物質能量流動的趨勢。目前國內廣泛應用的MCR模型是由俞孔堅等[27]在Knaapen等[28]的基礎上修改并引入而來，具體計算公式如下：

式中：i≠j，m和n表示任意兩個生態源地編號，其取值范圍在[1,17]；MCR表示從任一生態源斑塊在空間上至某一點的最小累積阻力值；?min表示最小累積阻力值與生態過程之間的正相關函數；Dij表示生態源斑塊j到達生態源斑塊i所經過的空間距離；Ri表示生態源斑塊i在空間某一方向的擴散阻力系數。

2.2.4 重力模型 重力模型的原理是通過計算源地之間的相互作用力來判斷各個生態廊道的重要程度，具體計算公式[29]如下：

式中：Gij表示生態源地斑塊i與生態源地斑塊j之間的相互作用力；Ni、Nj分別表示生態源地斑塊i與生態源地斑塊j的權重值；Dij表示生態源地斑塊i與生態源地斑塊j之間潛在生態廊道的標準化阻力值；Pi、Pj分別表示生態源地斑塊i與生態源地斑塊j的阻力值；Si、Sj分別表示生態源地斑塊i與生態源地斑塊j的面積；Lij表示生態源地斑塊i與生態源地斑塊j之間潛在生態廊道的累積阻力值；Lmax表示所有生態源地斑塊之間潛在生態廊道的最大累積阻力值。

3 結果與分析

3.1 研究區生態安全格局構建

3.1.1 研究區生態環境質量評價 遙感生態指數能很好地描述區域生態環境質量的優劣，相較于其他數據源，采用遙感影像數據進行評價更為客觀[30]。在參考相關研究[19，31]和《生態環境狀況技術規范》（HJ192-2015）的基礎上，以0.2、0.4、0.6、0.8為間隔點，將生態環境質量等級劃分為差[0-0.2]、較差（0.2-0.4]、中（0.4-0.6]、較優（0.6-0.8]、優（0.8-1]五個等級。評價結果顯示（圖2）：2010、2015、2019年遙感生態指數均值分別為0.820 3、0.846 6、0.734 9，研究區近十年生態環境質量呈現先上升后下降的規律性，總體而言，該區域生態環境一直處于良好且穩定狀態；生態環境質量較好的地區主要分布在縣域北部和南部，以有林地為主要分布類型；縣域中部地區生態環境質量較差，主要以建設用地為主要分布類型；這樣的分布情況也符合林地的分布特征以及研究區“南北高中部低”的地形特征。

3.1.2 生態源地及緩沖區識別 生態源地是指一定區域內具有較高生態服務價值，或一定輻射能力的斑塊類型，是構建區域生態安全格局的基石；生態源地緩沖區是生態質量僅次于生態源地的斑塊，對生態源地的保護以及區域物質能量流通起重要作用。選取生態環境質量等級為優且近十年間穩定性較強的16個斑塊以及中部城區的信江干流作為研究區生態源地，其中將河流作為生態源地是本文構建研究區生態網絡的關鍵之處，河流不僅具備較高的生態質量，并且其獨有的天然流動性是其他生態源地所不具備的，可謂自帶生態廊道屬性；研究區17塊生態源地面積共76.13 km2，占研究區總面積的4.84%。選取生態環境質量等級為較優且較為穩定的斑塊作為研究區生態源地緩沖區，面積共596.76 km2， 占研究區總面積的37.93%，大面積的生態源地緩沖區具有較高的生態價值，能更好地保護核心生態源地。劃定到生態保護紅線范圍內的區域通常具有特殊或重要生態功能，必須強制性嚴格保護，通過遙感生態指數計算選取的生態源地以及源地緩沖區與江西省劃定的生態保護紅線進行對比分析（圖3），二者面積的重合率達到73.74%，生態源地選取的有效性和準確性得到了一定程度的驗證。

3.1.3 研究區生態阻力面構建 根據前面構建的指標體系計算得到單因子阻力面以及綜合阻力面（圖4）。結果表明：研究區最大阻力值主要分布在中部城區以及北部居民區附近，其他地區有零星分布但面積不大；綜合阻力值二級斑塊占全域總面積的74.51%，占比最大，以林地為主要分布類型，也是生態源地和源地緩沖區的主要分布地區。最終構建的綜合阻力面為后面生態廊道的識別打下基礎。

3.1.4 生態廊道構建 生態廊道是連接生態源地的橋梁，是具有維護生物多樣性、保障能量流動等生態服務價值的線狀景觀要素。基于上述得到的研究區綜合阻力面，利用ArcGIS中的成本距離、成本路徑等工具計算出每一個生態源地到其他源地的成本路徑，剔除重復的和累積阻力值較大的成本路徑后，共識別出35條一般廊道，長度共433.83 km。在生態網絡中，每條生態廊道的重要性不同，重要性較高的廊道對生態源地之間的橋梁銜接作用要大于一般廊道，需要進行重點保護，因此需要對每一條廊道的重要性進行計算，分清保護的側重點。根據重力模型識別出源地14和源地15之間的生態廊道相互作用力值最大，達到11 882，兩地之間的阻力較小；而源地1和源地17之間的生態廊道相互作用力值最小，僅為64，兩地之間的阻力也較大。通過重力模型計算得到各個源地間生態廊道的重要性值（表2），選取所有生態廊道中作用力值大于5 000的13條廊道作為構建生態網絡的關鍵廊道[29]，長度共83.26 km。關鍵廊道的選取可與一般廊道相區分，為生態廊道的保護劃分側重對象。

表2 研究區生態廊道重要性識別Table 2 Identification of the importance of ecological corridors of the study area

3.1.5 生態安全格局構建 生態節點是生態源地間物質能量轉換的轉折點，一般位于生態廊道中生態功能最薄弱處，主要由最小路徑與最大路徑交叉點或最小路徑的匯集處交點構成，強化生態節點建設，不僅能減少生態廊道的累計消耗成本，還能加強區域生態網絡的生態服務功能。由于生態源地斑塊集中分布在南部和北部地區，兩地間隔距離遠且廊道阻力值極大，對生物遷徙和整體生態網絡的流通性產生一定影響，因此選擇橫貫研究區中部的信江干流作為重要生態源地，起到銜接南、北部生態網絡的重要作用。最終選取17個生態源地斑塊、35條生態廊道和46個生態節點初步構建起“點-線-面”相互交融的生態安全格局（圖5），為后續生態安全格局的優化設計打下基礎。

3.2 研究區生態安全格局優化設計

研究區生態網絡構建已經基本完成，但細節方面仍存在一些不足之處，為加強研究區生態網絡的整體性與有效性，在此基礎上，從新增生態源地、保護研究區核心源地和廊道、生態節點修復、規劃“踏腳石”斑塊四個方面入手，提出優化設計方案 （圖6）。

3.2.1 新增生態源地 考慮到研究區生態源地斑塊較為集中的分布情況，生態網絡的輻射范圍沒有涵蓋整個研究區，因此在已選17個生態源地斑塊的基礎上，新增生態源地。結合研究區生態保護紅線與生態源地緩沖區，選擇研究區邊緣位置的紅線與緩沖區重疊區域作為新增生態源地，形成覆蓋范圍更廣的生態網絡。生態源地斑塊主要以植被覆蓋率高的林地和水域為主要類型，新增3處生態源地斑塊均為林地，同時利用前文用到的最小累積阻力模型和生態節點識別方法，新增生態廊道10條、新增生態節點10個（表3），共同構建起更加完善的生態網絡，覆蓋范圍也更廣泛，能夠有效擴大生物遷徙與物質能量流動的范圍。

表3 研究區生態安全格局優化前后變化Table 3 Changes before and after the optimization of ecological security pattern of the study area

3.2.2 保護核心源地和廊道 研究區生物多樣性極為豐富，有許多國家級珍稀動植物，因此核心生態源地和關鍵廊道的重點保護，對維護研究區生態網絡的穩定性與持續發展有重要意義。本文在初步構建起研究區生態網絡的基礎上，將連接“一帶”和“兩區”的9條生態廊道作為優化生態安全格局的戰略廊道，使南北兩片區生態源地構成整體性網絡；關鍵廊道的作用主要體現在加強南北兩個片區內部的銜接性與流通性上，9條戰略廊道和13條關鍵廊道分別對研究區整體和南北局部網絡構建起到重要作用，因此需要重點保護。生態源地方面，特別是以信江為主的條帶狀生態源地，在研究區生態網絡構建中最為重要，起到連接南北“承上啟下”的作用，并且信江也是弋陽縣域內國家一級保護動物“中華秋沙鴨”的主要棲息場所，對珍稀生物的生存繁衍至關重要，因此保護好信江源地尤為重要。

3.2.3 生態節點修復 生態節點是研究區生態網絡最為薄弱的地方，同時也是提升生態網絡穩定性、優化生態網絡布局需要修復保護之處。研究區生態節點共56處，針對生態節點進行修復保護，尤其是戰略廊道阻力值較大的生態節點處，需要進行重點修復。建議在生態節點處進行一定規模的工程修復措施，如綠化措施或是修建“橋梁通道”，為動物遷徙提供便利；同時對節點處實行特殊保護，減少人類活動干擾，保證物質能量正常流動。

3.2.4 規劃“踏腳石”斑塊 生態踏腳石是景觀生態學中的概念，是指在大型生態斑塊之間，設置一系列小型斑塊用做生物短暫棲息和遷移的通道。生態廊道的功能和穩定性會受到外界因素和自身性質的干擾，較短的生態廊道受到的干擾較少且穩定性較強；而較長的生態廊道由于累積阻力值較大，經過的障礙點較多，因此穩定性較差，是加強規劃建設的重點對象。研究區南北兩地距離遠且連通性差，中部城區阻力值較大，生態廊道易發生斷裂從而影響整體生態網絡的物質能量流通，因此需要增加生態“踏腳石”建設。本文在較長生態廊道的節點處、累積阻力值較大處選出24個“踏腳石”斑塊（表3），其有效建設能夠幫助動物遷徙，提高遷徙過程中動物的存活率；也能夠保障生態網絡的物質能量循環，提高整體穩定性。

3.3 研究區生態安全戰略布局

依托前文運用RSEI識別出的生態源地、MCR模型和重力模型構建的生態廊道以及研究區河流水系等核心要素為基礎，并以保護生態用地、保障整體流通有效性為原則，最終形成以信江為中心向南北連接的“一帶兩區多軸”生態安全戰略布局框架（圖7）。其中，“一帶”是指以中部河流生態源地為主體沿信江干流岸線的生態帶，保障自身范圍水資源生態環境的同時銜接南北部地區陸生生態環境；“兩區”是指以南北部地區生態源地為基礎所劃分的生態安全保護區；“多軸”是指將戰略廊道和生態源地銜接所形成的生態防護軸帶。將需要重點保護的“一帶”、“兩區”和“多軸”在前文研究結果的基礎上劃分出來，既保留了前文研究成果的核心要素，又使整體規劃更加簡潔明了、實踐性更強，使今后研究區開展生態保護、治理等相關工作更具針對性。

4 結論與討論

4.1 結論

本文以弋陽縣為研究對象，通過計算三期遙感生態指數進行生態環境質量評價后選取生態源地及其緩沖區，運用MCR模型與重力模型構建生態綜合阻力面并劃分出一般廊道與關鍵廊道，對研究區生態安全格局進行構建并提出優化設計方案，最終形成生態安全戰略布局框架。主要結論如下：

1）2010—2019年間研究區生態環境質量呈穩定且良好的狀態，但2015—2019年間生態質量有所下滑，生態環境質量較優和優等級的面積受到侵蝕，呈不斷縮小的態勢，而生態源地對區域生態安全格局的構建至關重要，因此需要進行重點保護以及治理。

2）按照研究區現狀條件初步構建的生態安全格局具備基本要素及功能，為進一步完善，通過新增生態源地、保護核心源地和廊道、生態節點修復、規劃“踏腳石”斑塊四個方面對研究區生態安全格局進行優化，從而擴大生態網絡覆蓋范圍，加強內部聯系和景觀連通性，緩解城市發展與生態保護之間的矛盾。

3）結合前面生態安全格局的研究結果，提出“一帶兩區多軸”的生態安全戰略布局框架，其能夠較好地銜接區域內各個生態源地，確保物質能量的空間流通性，促進生態網絡的穩定運轉，對景觀連接性和生態系統功能的發揮至關重要。

4.2 討論

如何有效協調經濟發展與區域生態環境保護的關系是當今社會所面臨的重大考驗，既要“抓經濟”又要保護“綠水青山”，因此加強弋陽縣生態安全格局的構建及優化對于促進區域經濟協調發展與生態文明建設具有重要意義。本文采用遙感生態指數識別出的生態源地具有較高的準確性和可信度，首先，選取遙感影像作為數據源更為客觀，避免了人為干擾的主觀性；其次，遙感生態指數包括綠度、濕度、干度、熱度四個指標，相較于單一指數表示區域生態環境質量的方法，其綜合性更強；再者，與研究區生態保護紅線進行對比，面積重合率較高，結果的可信度與科學性得到進一步驗證。優化后的生態安全格局覆蓋面更廣、流通性更強，但由于研究區中部城區對生態網絡的干擾還是較大，因此加強信江生態源地和戰略廊道以及踏腳石的保護建設尤為重要，關乎生態網絡整體功能的強弱。本文所構建的生態安全格局優化設計以及生態安全戰略布局為弋陽縣生態文明建設提供了一定的理論和實踐意義。

本研究仍存在一些有待加強的地方：1）遙感影像的質量較為普通，分辨率只有30 m，如有分辨率更高的遙感影像，數據的精度和效果會更好； 2）與周邊縣域生態環境的聯系比較少，從生態服務角度來考慮，弋陽縣不是一個獨立的系統，如流域、山脈、林地等都是相互聯系的，在后續研究工作中將進一步完善。上述不足之處未來還需進一步深入研究。