東江源區生態安全格局演變分析與評價

王玉青， 李恒凱*， 武鎮邦， 王秀麗

(1.江西理工大學土木與測繪工程學院， 贛州 341000； 2.江西理工大學經濟管理學院， 贛州 341000)

伴隨人口增長和經濟社會發展，生態用地斑塊碎片化、分散化趨勢加劇，生態環境壓力加大，生態退化問題日益凸顯。十八大以來生態文明建設逐步提升至國家戰略高度，各地以生態安全格局為基底，構建國土空間開發保護新格局，因此及時開展區域生態安全格局構建及優化舉措對當地區域生態系統恢復和生物多樣性保護具有指導意義。

在生態安全格局研究中，俞孔堅教授提出的選取生態源地、構建空間阻力面再判讀安全格局各組分的流程，現已成為構建生態安全格局的基本模式[1-4]。李政等[5]以此模式構建出符合典型巖溶山地特征的生態安全格局；李明慧等[6]遵循“源地-阻力面-廊道”識別方法成功構建三峽庫區重慶段生態安全格局。以最低成本為內核的MCR模型(minimum cumulative resistance model)是構建空間阻力面(趨勢面)的常用方法之一[7-8]；李恒凱等[9]利用手動矢量地圖及阻力系數；李航鶴等[10]依據土地利用數據結合生態安全評價因子構建了其研究區內的生態安全阻力面，此方法對數據的需求較為簡單，同時也可以較為健全地反映出區域內的生態安全狀態；郭家新等[11]引入重力模型定量評價源地間相互作用強度判定生態廊道相對重要性問題；盧卓等[12]和張啟斌[13]在傳統的MCR構建生態安全格局的基礎上加入最小生成樹原理提取骨架廊道，解決了廊道優化篩選問題。當前較多研究以行政單元為研究區，而流域是一個相對獨立的自然地理單元，內部系統聯系緊密[14-15]；程植等[16]以大寧河流域為研究區，使用景觀格局指數、MCR模型、重力模型等研究方法分析了研究區生態安全水平并提出相應的優化治理方案。以上研究構建、分析東江源生態安全格局有一定的借鑒意義。

東江源因其獨特的地緣優勢，作為江西深度融入粵港澳大灣區的樞紐，政府層面高度重視其生態安全問題。2016年在財政部、生態環境部的推動下，江西、廣東兩省正式簽訂《東江流域上下游橫向生態補償協議》，成為跨省流域治理工作的全國典范。但是在學術界，針對東江源開展的相關研究較少，能夠為政府層面的科學治理提供決策的成果非常有限。因此在相關研究基礎上，現基于多時序遙感影像，依據“源”“匯”理論構建東江源區多時相生態安全格局，分析其演變態勢、評價并提供優化方案，以期為區域生態環境治理提供科學決策。

1 研究區域及數據處理

1.1 研究區概況

東江源區位于114°47′36″E～115°52′36″E、24°30′30″N～25°12′18″N，包含江西省贛州市境內尋烏、安遠和定南3個縣，位置如圖1所示，源區面積3 524 km2，約占東江流域面積的10%，東臨福建省，南接廣東省。此區域既是贛南果業產業的核心區，也是礦產資源開采的核心區，其早期過度依賴自然資源發展經濟，如礦產資源無序開發、林木資源亂砍濫伐以及果業過度發展等追求經濟而忽略治理的傳統模式使部分地區生態受到嚴重破壞，森林質量下降，水土流失嚴重，經多年治理后東江源區的生態環境形勢依然嚴峻。

圖1 研究區位置Fig.1 Location of study area

1.2 數據來源與處理

使用的數據主要為矢量數據、數字高程數據、遙感影像數據。矢量數據包括行政區劃數據、東江源水系數據等，進行統一坐標系處理。數字高程數據分辨率為30 m，來源于ASTER GDEM V2，遙感數據為Landsat系列影像，選取5期，如表1所示，將研究區監督分類為林地、耕地、果園、水體、裸地、建設用地及礦區。

表1 遙感數據一覽表Table 1 Data list of remote sensing

2 研究方法

2.1 生態安全格局構建

2.1.1 生態源地選取

生態源地對區域生態系統穩定起決定作用，有學者以自然生態斑塊面積進行識別[9,17]。東江源位于贛南丘陵地帶，擁有多個森林公園，全區森林覆蓋率達80%。以加強東江源區物種在不同地理單元間交流作為主要衡量標準，故選取面積大于100 km2的林地斑塊(足夠物種活動的棲息地[18])作為生態源地。

2.1.2 建立阻力因子評價體系

東江源多丘陵、山地地貌，故選取土地利用類型、高程、坡度3個在研究區內對物種流動有較大影響程度的阻力因子建立阻力因子評價體系，如表2所示。

(1)土地利用類型阻力因子：土地利用類型反映出人類對此區域的使用強度。許多研究學者在通過MCR模型構建生態安全格局時都將土地利用類型納入阻力因子評價體系，且作為最主要的評價指標[9,19-20]，故本文研究賦予土地利用類型的權重值為0.8。

研究區內分布有400多種野生動物，林地、水域通常為生態棲息地；農業用地為野生動物提供活動空間的同時也常有人為活動，有一定阻礙作用；裸地、建設用地和礦區對野生動物的活動有較大的阻礙作用，其中稀土開采屬重污染行業，物種難以在此環境下流動。

(2)高程阻力因子：東江源內相對高度超過1 200 m，高程上的差異會在物種遷移的過程中造成障礙，本文研究將高程的權重值賦為0.1。

(3)坡度阻力因子：東江源內存在嚴重的水土流失現象，坡度是一個很主要的誘發因子，同時坡度過大也會為物種的擴散造成阻礙。

表2 阻力因子評價體系表Table 2 Resistance factor evaluation system

2.1.3 構建綜合最小累積阻力面

最小累積阻力模型以量化的方式來表達物種由源開始擴散到某一地點時需耗費代價的最小值。通常阻力值最小處為源點，各景觀單元的阻力系數以對物種流動的影響程度而定，模型的具體計算公式為

(1)

式(1)中：f為最小累積阻力與生態運動過程呈正相關；Dij為物種從源點j到達單元i的空間距離；Ri為經過單元i阻力系數。

基于土地利用類型、高程、坡度各單阻力因子得到最小累積阻力面后按因子權重系數進行加權計算得到研究區綜合最小累積阻力。

2.1.4 判讀生態安全格局組分

(1)輻射通道。輻射通道是生態源地的物種由源地向外圍擴散的低阻力通道，在最小累積阻力面上體現為低阻力谷線。物種存在從生態源地主動向外運動的過程中，沿此通道更容易進行流動。

(2)生態廊道。生態廊道是兩生態源地間最容易發生聯系、互相交流的低阻力通道，物質交換與信息流通最大化。

(3)生態節點。生態節點是整個生態廊道上的戰略節點，是物種沿生態廊道移動時最難逾越的一片同類景觀單，在生態廊道上體現為該點阻力變化值最大。

2.2 重力模型

生態源地間的物質流通和種間聯系的程度定義為相互作用強度，相互作用強度越大表明源地間聯系越密切。通過引入重力模型對生態源地間的生物交流的緊密性進行定量評估[20-22]，其計算公式為

(2)

式(2)中：Na、Nb為各源地相應的權重；Dab為此生態廊道的標準化阻力值；Pa、Sa為a生態源地的阻力及面積；Lab為a、b生態源地間生態廊道的累積阻力值；Lmax為所有生態廊道累積阻力中的最大值。

2.3 最小生成樹

“源地-廊道”構成了生物交流聯通網，采用最小生成樹原理，將生態源地作為頂點，連接生態源地的生態廊道作為邊，利用Kruskal算法找到連接所有生態源地且累積阻力之和最小的廊道即為骨干廊道[12]。骨干廊道的存在保證了區域內生態系統中的物質循環和能量流動的暢通，計算公式為

G=(V，E)

(3)

(4)

式中：G為廊道連通網無向圖；V為生態源地的集合；E為生態廊道的集合；(u，v)為連接源地u與源地v的生態廊道，w(u，v)為此廊道累積阻力。若存在T為E的子集且無循環圖使w(T)最小，則T為G的骨干廊道。

3 結果與分析

3.1 生態安全格局時序分析

圖2 東江源生態安全格局Fig.2 Ecological security pattern in headwaters region of the Dongjiang River

由源地、廊道、輻射道、節點構成的多時相東江源區生態安全格局，如圖2所示，從區域地理單元中重點突出局部關鍵位置，有效指導后期生態投入，合理分配自然及社會資源。經分析發現A生態源地是東江源核心區域，以骨干廊道聯系著周邊源地，此源地位于三縣交界處，包含三百山國家級風景區，年際間格局變化反映了物種活動范圍從最初的全區域逐步縮小為中部內部以及中東部活動，如今僅集中在萎縮、破碎后的中部生態源地內，生物多樣性受到威脅。

東江源在經濟發展前期(1995—2008年)，生態環境在受到擾動后，自我恢復能力較強，但隨著時間的推移，生態環境問題逐漸突顯，2013年時在當地開發林業資源大力發展果業的背景下，研究區內生態源地銳減，東江源區生態系統穩定性大大降低，隨后相關部門在《國務院關于支持贛南等原中央蘇區振興發展的若干意見》的指示下出臺了一系列封山育林、植被復墾等保護措施。生態環境的恢復與治理是一個相當漫長的過程，江西省在2008年時出臺東江源保護區生態保護“以獎代補”政策，提高了當地生態保護的積極性，但對生態環境的治理未達到明顯成效，江西、廣東兩省在2016年簽訂《東江流域上下游橫向生態補償協議》加大生態投資，至2017年東江源區生態環境恢復稍有成效。當地生態環境監管部門當前的主要工作還是應該放在增加林地面積，為物種創造適宜的棲息地條件，并將棲息地相連，擴大生物活動范圍。

3.2 生態源地緊密度時序分析

圖3 多時相生態源地連通圖Fig.3 Multi-temporal connectivity graph of ecological source areas

以生態源地作為頂點，重力模型量化的源地間緊密度作為邊的權值，構成東江源區生態源地間的時序連通圖，如圖3所示，以虛線表示連接源地間的生態廊道，其中最小生成樹方法提取的骨干廊道以實線表示；數值代表兩源地間的相互作用強度。骨干廊道和生態源地構成了區域內最初級的生態結構。1995年時東江源內生態網絡較為完整，物種在整個區域內流通性較強；2003年時西南地區林地受農業發展擾動導致D生態源地消失，與其他源地間物種交流降低，A源地破碎成多部分聯系緊密源地，故A與B、A與C間連接的廊道位置分布無大幅變化，但聯系緊密度略微降低；2008年時C源地受果業開發影響繼而破碎消失，喪失與其余源地的交流，A生態源地恢復后聚合，A、B源地間有了更小累積阻力的路徑，A、D源地間南側的城鎮擴張使得連接的骨干廊道轉移至北側水域附近；2013年A生態源地受礦產開發環境污染影響萎縮嚴重，A、B間廊道在2003年基礎上位置無變化、阻力成本增加；2017年A源地生態改善，B、C、D源地均在城鎮擴張、農業發展后萎縮、破碎化，骨干廊道僅存在于破碎的A源地內，物種向外部流動可能性較低。

4 生態安全格局優化

對生態環境采取保護、修復措施時，生態環境的改善效果并不是立竿見影的，長期的、合理的優化措施才能使生態環境逐步進行恢復。

4.1 優化生態源地

東江源區域內生態源地主要分布在中部，在區域四周多分布面積較小的生態源地。中部以三百山景區為中心的生態源地在多年內變化較小，對維持該區域的生態安全的作用中占主導地位，景區應推進生態旅游，在省政府已劃定的生態紅線周圍預留一定的緩沖帶區域，使生態源地以自然的方式輻射周邊環境，同時山下城鎮避免過度建設，防止對生態源地產生負面影響。源地斑塊面積與相互作用強度呈正相關，由中部的大斑塊生態源地向外建設與周圍源地相連的生態廊道，將極大增強區域內物種流動的效率。四周的小面積生態源地易受礦產開發、農業發展等人為擾動，當地監管部門應建立生態保護機制，及時采取礦區治理、退耕還林、采礦監管等措施，逐步減少人類生產活動，努力恢復到原始生態環境水平。

4.2 優化生態廊道

東江源內分布有數十個鄉鎮，從生態安全格局變化中發現當地群眾在發展經濟時未意識到生態安全的重要性，生態廊道并沒有得到合理的規劃和建設，生態廊道阻力值呈上升趨勢，源地間聯系程度降低。未來在東江源內的生態廊道上分布當地植物品種中生命力強的植被，可以降低廊道阻力值、增加物種移動的頻率；東江源處于三省交界處，交通道路穿越源區，對物種的移動造成干擾，在未來的道路建設中可以通過增設天橋及地下通道的方法避免破壞地表景觀，以此減少影響；生態廊道的寬度因地制宜進行設置，至少要保證物種可以進行移動，并在廊道周圍應預留出一定范圍的緩沖區，減少外界環境對廊道產生的干擾，對穿越東江源內城鎮的生態廊道可以將其打造成城市公園，通過一系列舉措增強源地間聯系的緊密度。

4.3 優化輻射通道

輻射通道經長期優化后，可以使相鄰源地的輻射通道連通成為新的生態廊道。對東江源已有的輻射通道上進行補植、綠化，降低其阻力值，延長通道范圍，擴大物種活動的區域。對生態源地繼續采取現有的退耕還林、封山育林、限制開采的政策，增強生態源地穩定性，從而使源地向周圍散發的低阻力通道和輻射通道相應地增加，對這些延伸到東江源城鎮地區的通道要進行及時的保護措施，引導其發展方向。

4.4 優化生態節點

生態節點是整個生態安全格局中最值得關注的地方，生態節點會對物種流動產生較大程度的阻礙作用，要以降低節點處阻力值及減少人為影響為優化目的。對生態節點處進行優化可以增強源地間的溝通、聯系，提高整個生態網絡的連通性、穩定性、安全性[23]。東江源的生態節點多為裸地及交通道路。裸地為節點時應及時進行復墾措施，種植耐旱樹種，套種適宜生長的混合草種，并禁止在區域附近進行破化性強的經濟活動，避免節點處的生態環境造成不可逆的威脅；交通道路為節點時，可以在不影響當地生活需要的條件下采取分時段通車的方式，盡量減少此處的人為影響。

5 結論

選取滿足物種棲息條件的林地斑塊為生態源地，地理模擬生成動物交流的自然環境阻力面，然后判讀出相應的輻射通道、生態廊道、生態節點等生態安全格局組分，構建以保護生物多樣性為目的的東江源區生態安全格局。得出如下結論。

(1)東江源主要生態源地斑塊處于中部區域，長年來基本保持穩定、保護較好，東西尋烏、定南兩縣林地前期受砍伐、資源開發等影響后面積減少，后期在采取一系列退耕還林、尾砂地復墾舉措后恢復較慢。繼續保護現有林地并持續增加林地面積，營造適宜生物棲息環境，同時加強對生態廊道和生態節點的保護建設，增強東江源生態系統內物質的高效流通，形成更穩定的生態安全格局。

(2)1995—2013年階段，東江源生態安全呈惡化趨勢，大面積生態源地斑塊破碎成多部分小面積生態源地斑塊，生態穩定性降低，2017年生態安全格局相比較2013年有所好轉，但低于1995年的最佳水平，說明此區域內的生態環境保護措施起到了一定的作用，贛、粵間的跨省流域治理初見成效。