基于最小阻力模型的山西省國土空間生態安全格局研究

原 野，任迎香，高國卿，高 嫄，趙藝芳

（1.山西財經大學公共管理學院，山西 太原 030006;2.山西財經大學礦區生態修復研究中心，山西 太原 030006）

新時期國土空間生態修復的核心是整體保護與系統治理，強調生態保護修復與社會經濟發展耦合關聯的系統性、協同性。彭建等（2020）提出了國土空間生態保護修復的“格局與過程耦合—時空尺度—生態系統服務—景觀可持續性”的研究路徑。王軍等（2020）分析了當前國土整治與生態修復工作中存在的不足，并提出了新時代國土整治與生態修復轉型的路徑和策略。總之，目前學術界對國土整治與生態修復展開了一定研究，但針對國土綜合整治與生態修復的核心問題，譬如如何構建國土空間生態安全格局、如何進行國土空間綜合整治分區等問題則尚處于探索中。山西省是華北地區重要的生態屏障，在經濟建設過程中，山西省出現了生物多樣性破壞、空氣質量差等一系列問題，山西省生態安全面臨巨大挑戰。鑒于此，本研究以山西省為研究區，基于生態安全格局理念，從生態本底與人類需求角度出發，結合研究區特點，利用最小累積阻力模型提取生態廊道，研究適合于山西省情的生態安全格局，以期為山西省生態安全保護提供理論依據。

1.研究區概況

1.1 區域選擇

山西省位于中國內陸地區，總面積15.67×100 km2。地勢以山地、丘陵為主，大部分地區海拔在1000 m 以上，山地丘陵面積占陸地國土空間的80%，高原、盆地等平川河谷占比20%。境內河流水系發育，多以季節性河流為主。屬溫帶大陸性氣候，四季分明，光照水熱條件好，生物資源多樣性豐富，適宜人類生產生活。

1.2 數據來源與預處理

本研究采用的數據主要包括社會經濟數據、土地利用數據、DEM 高程數據、NPP 植被凈初級生產力數據等。土地利用和植被覆蓋數據來源于地面監測和地理空間數據云的Landsat-8影像數據，空間分辨率為30 m。DEM 高程數據下載自地理空間數據云，空間分辨率為30 m。利用該數據在ARCGIS 計算研究區坡度、坡向等地形地貌因子，參與土地利用分類。社會經濟數據來源于《山西省統計年鑒》。

1.3 研究方法

本研究主要通過源地提取、阻力系數確定、識別生態廊道，最后運用MCR 模型構建生態安全格局。最小累積阻力指擴展主體從源經過不同阻力的景觀阻抗到達目的地所消耗的費用或克服阻力所作的功。基本公式如下:

式中，D 為距離，R 為阻力系數。

2.山西省主要生態環境問題

2.1 生物多樣性破壞

山西省自然環境資源復雜多樣，造就了生物種類多樣性。山西省森林資源貧乏，以人工林為主。森林的不適度砍伐對生物多樣性造成了巨大破壞，森林過度開采還會造成嚴重的水土流失。山西省水土流失面積占全省總土地面積的69%，很大程度影響了山西省境內的生物多樣性。此外，又因為人類生產生活進行的不合理開墾、放牧等，草地植被破壞極其嚴重，生物多樣性富集的功能極大地消退。

2.2 環境空氣質量差

山西省空氣質量狀況極差，SO2平均濃度的絕對值在全國排前列，環境改善壓力大。2018 年，11 個地級市重污染天數平均為14 d，占全年有效監測天數的3.9%，比2017 年下降1.4個百分點，但仍未達國家二級標準。

2.3 水生態破壞

山西省是京津冀地域重要的水源涵養地和生態安全保護屏障，面臨巨大的水生態環境改善壓力。我省各主要河流中下游水質相對較差，流經城鎮和工業發達地區的河段污染相對嚴重，水質污染導致可用的水資源減少，又很大程度地加劇了水資源供需矛盾。

2.4 礦山環境破壞

山西省是我國第一產煤、運煤和進出口大省及能源動力重化工基地。山西省煤炭儲量居全國之首，是世界六大煤炭基地之一，礦產資源極其豐富。山西省煤炭開采區面積接近1000 km2，采空區面積高達5000 km2，引發了嚴重的地質災害，給居民的生產生活帶來極其不利的影響。

3.山西省國土空間生態安全格局構建

3.1 阻力系數確定

參考規劃《山西省國土空間規劃》等系列文件，以及研究區區域現狀，確定本阻力系數。

3.2 生態源地識別

生態源地是區域內生境質量較好的地區。本研究生態源地通過疊加生態敏感性評價和生態服務重要性評價來識別。

3.2.1 生態敏感性評價

參考相關研究成果并結合山西省自然環境因素，選擇土地利用類型、高程、坡度、坡向等 4 類指標作為評價因子，構建本研究的生態環境敏感性評價指標體系。借助ARCGIS 軟件，對山西省進行了生態敏感性單因子評價和綜合評價。基于本研究構建的評價指標體系，利用ARCGIS 軟件計算得出生態敏感性空間分布總體評價圖。

3.2.2 生態服務重要性評價

基于研究區自然條件和生態狀況分析，本研究選取固碳服務、生境質量對山西省生態服務重要性進行評價，并用自然斷點法將生態用地分五個等級。

固碳釋氧能力用NPP 表示，除了河流濕地湖泊等水資源分布區域，固碳服務能力整體從東南向西北遞減。生境質量通過InVEST 模型的Habitat Quality 進行測算。通過等權疊加固碳服務評價結果與生境質量評價結果，得到山西省生態服務重要性總體評價圖。

表1 生態敏感性評價指標體系

3.2.3 生態源地識別

根據生態敏感性與生態服務重要性評價結果，對山西省生態服務重要性評價結果與生態敏感性結果進行等權疊加，形成生態保護重要性空間格局。本研究生態源地的確立遵循系列規劃文件，結合山西省生態保護及自然保護區的狀況，確定生態源地為面積較大的水系及林地中，以及生態保護極重要地區。

3.3 生態廊道提取

生態廊道是保證區域間生態流、物質流、能量流的關鍵生態用地，體現了源地的持續性和可達性。本研究選用最小累積阻力模型識別生態廊道。

基于創建的生態源地，提取各生態源地之間的低阻力通道作為生態廊道。識別出的研究區生態廊道共28 條，全長3044 km，呈南北向平行分布在研究區。研究區確立的廊道主要分布在河流水系沿岸及自然保護區周邊，這些區域林地資源極豐富，生物資源豐富多樣，生態環境良好，適宜生物生存發展。

3.4 生態安全格局構建

經過對生態源地的確認與生態廊道的提取，形成了研究區最基本的生態安全格局。以各級生態源地作為基本控制源點，生態廊道的空間銜接與分布為重要依據，對各生態要素進行空間結構布局優化，形成研究區點-線-面的生態安全格局。

圖1 生態安全格局

4.結論

本研究針對山西省生態系統特征，構建了山西省生態安全格局，形成了以生態源地為重心，生態廊道為連接的“點-線-面”三位一體生態安全格局，整體呈現“兩橫多縱”態勢。經過建立整體生態保護體系、生態修復體系和廊道體系，實現山西省整體生態性能的提高，加快山西省生態安全格局體系構建工作。山西省生態保護體系建設應重點完善省內現有的生態保護重要區為主，生態修復體系應重點增強汾河流域綜合整治和生態修復力度，加強上游水源涵養建設，注重加強林地管理體系，推進低質低效林改造，降低水土流失面積。本研究結合山西省現有的生態保護體系，構建了山西省生態安全格局，為城市未來發展格局規劃提供了理論基礎。本研究僅采用一般的MCR 模型進行廊道識別及生態安全格局構建，缺乏一定的科學創新。由于技術有限，本研究所采用的數據為2015 年山西省土地利用圖，數據較陳舊，對研究結果有一定影響。