基于網格尺度的保山市中心城區生態安全評價研究

王永庶 唐 岱 延相東 李升星 余哲修 吳 亮

（1. 西南林業大學園林園藝學院，云南 昆明 650233；2. 云南師范大學美術學院，云南 昆明 650500；3. 江西省林業科學院/國家林業局樟樹工程技術研究中心，江西 南昌 330032；4. 北京林業大學林學院/省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室，北京 100083；5. 云南師范大學文理學院/城市學院，云南 昆明 650222）

生態安全是指一個國家或地區的生態環境狀況能持續滿足人類生存和發展需求，人類生存和發展不受或少受生態環境狀況的制約與威脅的狀態[1]。隨著全球人口快速增加和城市化進程不斷加快，人類對自然資源需求與日俱增，導致城市生態系統抗風險能力不斷下降，進而引發越來越多的城市生態安全問題，如生物多樣性喪失、植被覆蓋率降低等[2]。由此城市發展對自然資源和生態容量的過度占用對生態環境造成脅迫，從而影響城市可持續發展[3-5]。生態安全是國家安全的重要基石[6]，而城市又是社會經濟和文化發展的中心，因此城市生態安全是維護國家長治久安的重要保障。由于西南經濟相對落后城市的生態發展理念相對滯后，城市建設和發展過程中資源、環境和人口矛盾更為突出，城市生態安全面臨很大的威脅，因此，探討西南相對落后城市生態安全變得尤為重要。

目前已有生態安全評價主要從風險感知方面以“提出問題—分析問題—風險表征”三步法進行研究，雖然不同學者開展了不同城市尺度的生態安全評價相關研究[7-13]，但基于網格尺度下的城市生態安全評價研究鮮有報道[14-15]。因此，本研究基于景觀生態學理論和網格尺度，從景觀格局指數和生態安全評價模型兩方面進行生態安全評價。在網格尺度下進行生態安全評價可客觀反映空間的生態安全狀況，其客觀性較強，評價結果準確、可靠。鑒于此，本研究選擇我國西南部經濟相對落后的城市保山市中心城區進行實證研究，通過劃分生態網格，對2001—2019年保山市中心城區生態安全狀況進行綜合評價，從而獲得準確的城市生態信息，以期揭示保山市中心城區生態安全變化規律和時空分布特征，為保山市中心城區未來土地利用及城市用地布局決策提供支撐。

1 研究區概況

保山市地處云南省西部，位于東經98°25′～100°02′，北緯24°08′～25°51′，是滇西城市群中心城市之一，也是云南省面向南亞和東南亞的戰略樞紐。保山市地處橫斷山脈滇西縱谷南端，境內地形復雜多樣，地勢北高南低。日照充足，年平均氣溫14.8～21.3 ℃，夏無酷暑，冬無嚴寒，四季如春。近年，保山市經濟快速發展一定程度上促進城市用地跨越性擴張，生產、生活空間的拓展進一步占用城市內生態用地，對城市生態結抅帶來不確定性，為城市可持續發展埋下隱患。本研究選定《保山市城市總體規劃（2017—2035年）》[16]界定的中心城區作為研究區，總面積325 km2。

2 材料與方法

2.1 數據來源與預處理

根據已有研究成果[17]，遙感影像數據來源于地理空間數據云遙感數據共享平臺（www.gscloud.cn），基本信息見表1。數據云量較低，僅滿足研究需求，對各期Landsat影像進行幾何校正、圖像鑲嵌與裁剪預處理。根據所獲取的遙感影像實際分辨率以及結合《土地利用現狀分類》（GB/T 2010—2017）[18]對研究區進行景觀類型劃分，本著便于識別和易于操作的原則，同時滿足研究需求，將保山市中心城區景觀類型分為農田、林地、草地、城鄉人居及工礦用地、城市公園綠地、道路交通、水體和未利用土地8種景觀類型。采用最大似然法和目視解譯相結合的方法對遙感影像進行解譯，各景觀類型分類結果精度均在85%以上，達到中分辨率遙感影像精度使用要求[19-20]。

表1 研究區遙感影像信息Table 1 Remote imagine information of the study area

2.2 研究方法

2.2.1生態網格劃分法

利用ArcGIS軟件對保山市中心城區進行網格化處理，劃分評價網格，每個評價網格大小由研究區景觀斑塊平均大小的2～5倍[21-22]和采樣工作量決定，本研究最終選擇750 m×750 m的網格作為研究區生態評價采樣網格，共劃分出670個評價網格，見圖1。

圖1 保山市中心城區網格劃分圖Fig. 1 Grid division of central Baoshan City

2.2.2 景觀格局指數分析法

本研究選擇景觀水平下的分離度指數（LDI）、最大斑塊占比（LPI）和香濃多樣性指數（SHDI）3方面分析保山市中心城區景觀格局特征，具體景觀格局指數的計算方法和生態學含義見參考文獻[23]。

2.2.3 景觀生態安全評價法

本研究采用景觀生態安全評價法對研究區生態安全進行評價，景觀生態安全指數具體計算公式如下：

式中：LESI為景觀生態安全指數，LERI為景觀生態風險指數。

式中：Ri為景觀類型生態風險強度，n為景觀類型的數量，Aki為第k個樣地內i類景觀類型的面積，TAk為第k個樣地的總面積。

式中：Ei為景觀生態風險作用度，Fi為景觀脆弱度指數，i為景觀類型。

式中：Ci為景觀破碎指數，Si為分離指數，Ki為優勢指數。a、b、c為各指標的權重，且a+b+c=1，根據已有的相關研究成果[24-26]，本研究將a、b、c分別賦權值0.3、0.2、0.5。

景觀破碎指數（Ci）指景觀在自然或人為干擾下，由單一、均質和連續的整體趨向于復雜的斑塊破碎程度。其計算公式如下：

式中：ni為樣地內景觀類型的斑塊數，Ai為樣地內景觀類型的總面積。

景觀分離指數（Si）指某一景觀類型中不同斑塊數個體分布的分離程度。其計算公式如下：

式中：Di為景觀類型i的距離指數，Bi為景觀類型i的面積指數，ni為樣地內景觀類型i的斑塊數，Ai為樣地內景觀類型i的面積，TA為樣地的總面積。

景觀優勢指數（Ki）指斑塊在景觀中占有的地位及其對景觀格局形成和變化的影響，即反映景觀類型的重要程度。其計算公式如下：

式中：ni為樣地內景觀類型i的斑塊數，N為樣地內景觀類型斑塊總數，mi為景觀類型i出現的樣地數，M為總樣地數，Ai為樣地內景觀類型i的總面積，TA為景觀樣地的總面積。

景觀脆弱度指數（Fi），不同的景觀類型對外界干擾的抵抗能力也不同，這種差異與自然演替過程中所處的階段有關。對研究區內8種景觀類型的脆弱度賦值根據研究區各景觀類型面積轉移矩陣[18]、同時采用專家咨詢法和查閱文獻[24-26]予以確定，8種景觀類型脆弱度值分別為：草地1、林地2、農田3、水體4、城市公園綠地5、未利用土地5、道路交通6、城鄉人居及工礦用地7。

3 結果與分析

3.1 景觀格局分析

2001—2019年保山市中心城區斑塊分離度指數（LDI）、最大斑塊占比（LPI）和香濃多樣性指數（SHDI）空間分布情況見圖2。

3.1.1 景觀分離度指數空間分布特征

由圖2可知，保山市中心城區景觀分離度指數網格值總體呈現持續增大趨勢，說明保山市中心城區內部斑塊發生較大變化，總體表現為斑塊個數越來多，破碎化程度越來越嚴重。從空間分布來看，保山市中心城區分離度指數較大值的網格主要分布在研究區東部，說明該區域斑塊個體之間的距離越來越大，斑塊呈現出分散發展態勢。

3.1.2最大斑塊指數空間分布特征

由圖2可知，保山市中心城區最大斑塊指數網格值總體呈現持續減小趨勢，說明保山市中心城區內優勢斑塊持續受到外界干擾，且在2013—2019年間受到干擾的強度和頻率最大。從空間分布來看，保山市中心城區最大斑塊指數網格值降低區域主要為北部、中部和南部，說明這些區域內的斑塊優勢逐漸降低。

圖2 景觀指數空間分布圖Fig. 2 Spatial distribution of landscape index

3.1.3 香濃多樣性指數空間分布特征

由圖2可知，保山市中心城區香濃多樣性指數網格值總體呈現上升趨勢，說明保山市中心城區異質性持續增加，景觀斑塊向著均衡化趨勢分布，主要與研究區城市建設用地面積增加有關。從空間分布來看，研究區香濃多樣性指數網格低值區域主要為西部，由于西部為老城區，建設用地密度高，該區域景觀類型相對單一，使得香濃多樣性指數低；此外保山市中心城區北部、中部和南部區域主要為農田和建設用地交匯區，該區域景觀類型相對豐富，使得香濃多樣性指數值較高。香濃多樣性指數網格值最高區域為東部，該區域主要為林地，同時零散分布著農田和城鄉人居及工礦景觀類型，景觀類型最豐富，使得香濃多樣性指數值最高。

3.2 景觀生態安全評價

3.2.1 景觀生態安全指數

由圖3可知，2001—2019年保山市中心城區景觀生態安全指數平均值整體呈現逐漸升高的趨勢，由25.12上升至29.86。其中2001—2013年景觀生態安全指數平均值增加較慢，2013—2019年保山市中心城區景觀生態安全指數平均值呈現較快增加，說明在2013年后，保山市中心城區景觀生態安全屬性降低相對較快，其景觀生態安全形勢愈發嚴峻。

圖3 研究區2001—2019年平均生態安全指數變化圖Fig. 3 Change of average ecological security index in the study area from 2001 to 2019

3.2.2 景觀生態安全分區

根據景觀生態安全公式，計算得出各生態網格的景觀生態安全指數。采用普通克里格插值法，對670個生態小區進行空間插值；采用等間距法將保山市中心城區的景觀生態安全程度由高到低劃分為10個等級，見表2。從而得到保山市中心城區各年景觀生態安全空間分布圖，并統計得到各等級生態安全區面積及占比。

表2 研究區景觀生態安全分級表Table 2 Landscape ecological security classification of the study area

由圖2可知，保山市中心城區景觀生態安全發生較大變化，其中景觀生態安全在Ⅴ級以下區域主要分布在保山市中心城區西部，隨著時間發展，由西部逐漸向東部、南部和北部擴散，表現出由單一團狀向多團狀趨勢發展，主要由于保山市中心城區城市結構發生轉移，使得東部、南部和北部區域建設用地面積增加，且該區域主要生活方式以農耕為主[18]，景觀脆弱性較高，由于生產和生活等社會活動增加，使得景觀破碎度增加，因此使得保山市中心城區2013—2019年景觀生態安全程度降低較快，見圖4。

圖4 研究區各年份景觀生態安全等級分布圖Fig. 4 Distribution of landscape ecological security level in the study area in each year

由圖4、表3可知，2001—2019年間研究區景觀生態安全在Ⅰ和Ⅱ級面積表現為持續減少，其中Ⅰ級面積最終減少為0，Ⅱ級面積減少最多，凈減少15 261.73 hm2；景觀生態安全在Ⅲ至Ⅷ級面積表現為持續增加，其中Ⅲ級面積增加最多，凈增加9 439.52 hm2，值得一提是Ⅷ級面積在2019年首次出現，說明該區域生態系統結構發展極不合理，生態系統服務功能退化嚴重。

表3 研究區各年份景觀生態安全等級面積統計表Table 3 Statistics of landscape ecological security grade area in the study area in each year

4 結論與討論

中國正處于快速城鎮化發展時期，城市擴張和人類高強度活動改變著區域生態空間的結構與功能，造成經濟發展與生態保護的矛盾日益激化。保護區域生態環境，統籌協調生態空間、生活空間、生產空間，實現精明發展與精明保護雙贏戰略下的區域生態安全，成為新型城鎮化進程中不容忽視的重要問題[27]。不同學者針對不同城市的生態安全進行了深入研究[28-30]，取得了豐碩的研究成果，從而為生態環境管理和決策提供科學依據，對區域生態文明建設具有重要意義。

本研究以保山市中心城區為研究對象，以ArcGIS，Fragstats為主要技術平臺，GS+軟件為輔助分析工具，結合空間自相關、地統計學在750 m格網尺度下對保山市中心城區生態安全的時空變化特征進行研究，所選干擾度和脆弱度構建景觀生態安全評價模型，研究中脆弱度值以主觀賦值為主，客觀性相對較弱，一定程度上降低其準確性。因此，構建完善統一的分類體系，準確客觀地量化景觀脆弱度，完善景觀格局下的生態安全評價，還需進一步研究。保山市中心城區景觀格局特征既包括農林地的脆弱性，也兼具城市發展的人地矛盾問題。2001—2019年期間，保山市中心城區城市建設活動持續加強，從而導致對自然資源的消耗逐漸增強，城市化進程加快雖然促進了經濟的快速發展，但也同時引發城市生態危機，如何合理利用城市內有限自然資源，從而引導保山市健康可持續發展仍是其城市發展的首要任務。

本研究對保山市中心城區景觀格局分析表明：2001—2019年期間，保山市中心城區景觀破碎度呈上升趨勢，在研究區東部表現最為明顯，該區域主要為山林地，應加強該區域山體保護措施，防止林地面積減少。在經濟發展和資源開發過程中，保山市中心城區用地類型呈現多樣化發展的態勢，在景觀破碎化程度增加的同時，其不定性信息含量也越來越大，主要表現為土地使用性質的不確定。由解譯遙感影像數據和景觀生態安全評價指數可知，保山市中心城區隨著城市發展，主要表現為城市建設用地不斷占用建成區外圍生態空間，城市發展與生態系統關系愈發緊張，因此急需對研究區生態資源進行合理開發以及有效保護，進而控制城市建設用地有序發展。從整體水平來看，研究區景觀生態安全發生較大變化，2001—2019年研究區景觀生態安全逐漸減弱，生態環境持續受外界干擾，其中2013年后所受干擾相對之前更大。其中較低景觀生態安全主要分布在研究區西部，并由西部逐漸向東部、南部和北部擴散，表現出由單一團狀向多團狀趨勢發展。另一方面，研究區在2019年首次出現生態安全為重警狀態區域，說明該區域內部生態系統結構發展極不合理，生態系統服務功能退化嚴重，景觀生態安全形勢越來越嚴峻。

根據以上所得結論，針對保山市中心城區城市空間提出如下建議：1）加強研究區東部林地保護，通過育林工程，形成大面積、連片的林地空間；2）整合研究區北部農田資源，發展生態農業，結合濕地資源形成現代觀光農業；3）引導城市向東南方向發展，適當向北拓展，充分利用城市外圍山體，構筑“公共綠地+郊野公園+田園風光+生態廊道”的多層級城市綠地系統，形成“內外成園、山城相連”的綠色空間結構。