基于MSPA-MCR模型的浮梁县生态安全格局构建研究
时间：2023-03-09 22:00:02 来源：千叶帆 本文已影响人
陈元慧，雷雨晴 ，邢媛丽 ，赵 明
（1.福建农林大学风景园林与艺术学院，福建 福州 350108；
2.闽江学院，福建 福州 350108）
生态安全格局早先定义为生态系统空间格局，由所定区域中关键的景观要素及其空间分布组成[1]，是评判区域生态环境稳定的重要指标。目前我国生态安全格局的构建方法主要有图论[2]、电路理论[3]、耦合机制[4]、InVEST生境质量模型[5]、最小累积阻力模型[6]等，其中最小累积阻力模型的适用性相对较强，更能清晰反映各类景观的相互联系、生态空间特征和格局变化，广泛应用于区域生态安全格局研究。俞孔坚[7]针对人地关系矛盾首次提出“景观生态安全格局”概念，明确其识别步骤主要为“源的确定，阻力面建立，缓冲区划分，源间联结、辐射道和战略点提取”，被广泛应用于国土生态安全格局规划、生态环境评价及优化等相关领域；
彭保发等人[8]运用生态系统服务与生态安全格局的潜在关系，结合人与自然的相互作用，提出基于驱动（Driver）-压力（Pressure）-状态（State）-影响（Impact）-响应（Response）的生态安全格局研究框架；
翟瑞强等人[9]利用MCR模型构建及优化景观生态格局，总结出浏阳市中心城区景观绿地系统规划方法。基于相关文献研究，本文采用形态学空间格局分析（MSPA）和最小累积阻力模型（MCR模型）识别源地、阻力面、廊道、节点，构建浮梁县生态安全格局，并提出景观规划建议，对于保护生态环境、优化城市发展模式、推动城镇环境与自然环境的可持续发展具有重要意义。
1.1 研究区概况
浮梁县位于江西省北部，介于东经 117 °01"—117 °42"，北纬 29°09"—29°56"之间[10]，地处浙赣皖交界的“金三角”区域。辖区内雨量充沛，光照充足，气候温和，森林覆盖率高达81.53%，拥有丰富的生物资源、水资源与矿产资源[11]。平原穿插于山地和丘陵之间，地形呈“北高南低”格局。浮梁县是江西省生态建设发展的核心区域，具有明显的生态优势。针对浮梁县区域建设的持续进步，如何缓解经济社会和生态环境二者发展的矛盾冲突是目前亟需解决的关键问题。
1.2 数据获取与预处理
本研究的浮梁县土地利用现状数据来源于2020年Globeland30栅格数据，分辨率为10m*10m；
该研究区的行政边界数据、DEM数据、水系分布数据、路网数据、居民点分布数据、植被覆盖度（NDVI）数据均来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)，空间分辨率为30m*30m。根据行政边界数据，运用ArcGIS软件对以上栅格数据进行按掩膜提取等预处理工作，并对DEM数据进行表面分析，获取坡度和坡向数据。
2.1 生态源地识别
生态用地指生态要素的空间定位，兼具涵养水源、保护土壤、防风固沙、调节气候等多重生态功能[12]。在生态保护成效方面，生态源地是维持区域生态系统能够处于稳定状态的核心生态用地，识别方法如下：
2.1.1 基于MSPA的景观格局分析
形态学空间格局分析（MSPA）是采用腐蚀、膨胀、开启、闭合等数学形态学原理运算、识别与分类栅格数据的图像处理方法[13,14]。根据浮梁县土地利用数据，将林地和水域作为前景数据，经过计算得出核心区(Core)、孤岛(Islet)、孔隙(Perforation)、边缘区(Edge)、桥接区(Bridge)、环岛区(Loop)、分支(Branch)7 种景观类型。该方法强调栅格单元的结构性连接，能更好表现斑块的生态作用，有利于识别生态源地。
2.1.2 景观连接度评价
景观连接度最早由Merriam于1984年提出，是指景观结构特征与物种运动之间的交互作用[15]。目前景观生态学领域主要采用Taylor等人的景观连接度定义，认为景观连接度是景观影响某种生态过程在源斑块间的运动程度，反映了同类或异类斑块的景观要素在功能和生态过程双重层面的有机联系，这种联系包括物种交流和景观之间物质与能量的交换和迁移[16-18]，为景观空间格局分析和生态源地选取提供理论依据和实践方法。根据相关文献参考[19]，本文采用可能连通性指数（PC）和斑块重要性指数（dPC）作为评价指标，以此提取生态源地。计算公式如下：
两式中n代表斑块数量；
i≠j；
P*ij为斑块i和j之间扩散路径的最大可能性；
ai和aj指斑块i和斑块j的面积；
A2L为景观总面积；
PCremove代表除生态源地之外的景观类型的景观连接度指数。可能连通性指数（PC）取值范围为[0,1]，PC值和dPC值越大，说明斑块的连接程度和重要程度越高。根据相关文献研究[20,21]，在Conefor 2.6软件中将栅格数据的连通概率设为0.5，距离阈值设为2500m，选择可能连通性指数（PC）和斑块重要性指数（dPC）作为评价指标进行景观连接度分析，最终选取斑块重要性指数（dPC）≥2的斑块作为研究区的生态源地。
2.2 阻力面建立
2.2.1 综合阻力面
阻力面反映生态流在生态功能区之间运行时受到阻力强度的空间分布，是构建生态安全格局的重要依据[22]。本研究选取高程、坡度、坡向、植被覆盖度、水体、道路、居民点、土地利用类型8项指标作为生态源地扩张的阻力因素，以1、3、5、7、9五个数值进行分级赋值，采用层次分析法确定权重。为确保结果的科学合理，需根据结果计算出最大特征根λmax、一致性指标CI和一致性比率CR。经运算得出λmax=8.9011，由于λmax＞4，则需进行一致性检验。根据CI=(λmax-n)/(n-1)可得出，当n=8时，CI=0.1287，并通过RI表查得知RI=1.404。再根据CR=CI/RI可得出CR=0.0917。当CR<0.1时，一致性检验合格（表1）。最后运用ArcGIS10.6软件对单一因子阻力面进行逐一加权叠加计算，得到综合阻力面。
表1 阻力因子与等级划分标准Table 1 Resistance factors and grade classification standards
2.2.2 最小累积阻力模型
Knaapen等人将累积阻力可视化，运用最小累积阻力模型计算物种从源出发到目的地的过程中，经过不同景观单元所耗费的总阻力值，反映出物种运动的趋势，体现源地之间、源地与景观基质之间的相互联系[23]，其公式经演变如下所示：
式中，MCR为最小累积阻力值，Dij表示物种从源地i到源地j经过的单元距离；
Ri为源地i对生态过程发生的阻力系数；
f表示MCR与生态过程之间的正相关函数关系。运用最小累积阻力模型计算得出研究区的最小累积阻力面，以此作为生态安全格局水平分级根据。
2.3 生态廊道和生态节点提取
生态廊道是指生态环境中不同于两侧基质的狭长地带[24]，具有连接较为孤立或分散的生态单元的作用的生态系统类型，满足物种进行扩散、迁移和能量交换的通道。生态节点指生态廊道的交点或转折点，一般为植被覆盖、水源涵养、物种保护的关键点[25]，生境质量优质，防护能力脆弱。基于最小累积阻力模型（MCR模型），通过Cost distance功能生成每一源地到其他源地的最小累积成本距离，去除重复路径后得到源地之间的生态廊道。生态节点的确定方法是提取生态廊道之间的交点，删除重复节点，对于两生态节点间距离小于1 km的邻近点，则保留所在生态廊道较长的节点[25]。
3.1 源地识别结果
3.1.1 MSPA分析
本研究以林地和水域作为前景数据进行MSPA分析，得到浮梁县MSPA景观类型分布情况（如图1）和MSPA景观要素分类统计结果（如表2）。
表2 浮梁县MSPA景观要素分类统计Table 2 Classification statistics of MSPA landscape elements in Fuliang County
图1 浮梁县MSPA景观类型分布图Figure 1 Distribution of MSPA landscape types in Fuliang County
由此可见，核心区面积约为219634.47 hm2，约占总面积的77.04%，主要分布在西北区域和东南区域，表明浮梁县生态资源丰富，可提供较大面积的栖息地，为物种生存、物质交换、能量流动提供有力条件。分支面积约为445.77 hm2，约占总面积的0.16%，起到景观连接作用。桥接区和环岛区的总面积仅有150.21 hm2，表明斑块之间的内外联系极为薄弱，物种的扩散与发展受到较大限制。孔隙和边缘区的总面积约为15399.99 hm2，约占总面积的5.40%，主要集中于耕地和水系周围，表明生境斑块的群落结构较为复杂，具有一定边缘效应，这些区域的生态效益和环境保护功能一般较弱。孤岛面积仅有27.90 hm2，说明生境完整性和连通性较强，孤立、破碎的自然斑块较少。
3.1.2 景观连接度评价与生态源地确定
根据可能连通性指数（PC）和斑块重要性指数（dPC）运算结果，选择斑块重要性指数（dPC）≥2的核心区生境斑块作为生态源地，共识别出7块生态源地（如图2），作为衡量生态空间生态保护成效的重要指标。总面积约为96343.45 hm2，约占研究区总面积的33.79%，西北部分主要为西湖乡、经公桥镇、黄坛乡以及蛟潭镇的局部区域；
东部主要为兴田乡、瑶里镇、鹅湖镇以及庄湾乡、湘湖镇的局部区域。这些区域斑块面积大且完整，森林覆盖率高，物种丰度大，生态资源丰富，具有较高的生态服务价值。
图2 浮梁县生态源地分布图Figure 2 Distribution of ecological sources in Fuliang County
3.2 阻力面建立结果
3.2.1 单因子阻力面
依据上述阻力因子等级划分标准，重分类得到各单因子阻力面（如图3）。
从图3可看出，海拔较高、坡度较大的高山区域地形复杂，空气稀薄，不适宜物种生存，生态阻力值较高。东部和西北部区域植被覆盖度较高。水系沿岸区域阻力影响较小。道路分布密集，较大程度影响生态环境的完整性和连续性。居民点主要集中于南部和东北部，南部更为密集的区域阻力影响大。耕地和建设用地集中分布于南部，生态阻力值较高。
图3 浮梁县各单因子阻力面Figure 3 Each single factor resistance surface in Fuliang county
3.2.2 综合阻力面与最小累积阻力面
运用ArcGIS10.6软件将各因子阻力面和源地斑块数据计算得到综合阻力面与最小累积阻力面 （如图4）。整体生态阻力值偏低，综合阻力值高的区域呈网状分布，主要集中于建设用地、耕地和水系沿岸区域。这些区域人为开发建设活动频繁，生态环境遭到破坏，生态安全存在较大威胁和阻力。从最小累积阻力面中可看出，南部的耕地和建设用地对生态流的扩散有着严重阻碍影响。城镇化建设较为密集，城市绿地分布较少，生态环境质量一般。因此应着重发展城市绿地系统的优化建设，提高绿地率，并合理规划水环境，提升南部城镇区域及水系沿岸区域的生态安全水平。
图4 浮梁县生态阻力面建立结果Figure 4 Establishment results of ecological resistance surface in Fuliang county
3.3 廊道与节点提取结果
以上述7块生态源地作为成本源，综合阻力面作为成本面，利用空间分析工具识别浮梁县的生态廊道与生态节点，共提取出23条生态廊道，廊道总面积为8166.96 hm2，生态节点47处，从而生成浮梁县生态网络（如图5）。
图5 浮梁县生态网络Figure 5 Ecological network in Fuliang county
从空间分布来看，生态廊道集中在中部区域。从景观组成类型来看（如表3），辖区内林地分布广泛，具有提供生产资源和建立生态屏障的重要作用，在生态廊道中面积约为7480.44 hm2，占比约为91.59%。耕地与草地一定程度上促进生态系统的能量流动与物质转换，在生态廊道中面积约为613.08 hm2，占比约为7.51%。但南部耕地和建设用地密集区域基本无廊道分布，说明密集化城镇建设与人口活动对生态过程的阻碍影响较为严重。因此在未来生态环境发展过程中，应针对性退耕还林，合理增加城市绿地建设，缓解城镇与耕地的生态空间紧张与环境质量低下的问题，从而促进生态廊道的形成，增强生态环境的连通性。
表3 生态廊道景观组成类型统计Table 3 Statistics of ecological corridor landscape com position types
3.4 生态安全格局构建
本研究基于“源地-阻力-廊道-节点”的生态安全模式，结合最小累积阻力面建立结果，将低阻力值区域和生态源地划分为高生态安全格局，较低、中、较高、高阻力值区域分别划为较高、中、较低、低生态安全格局（如图6）。
图6 浮梁县生态安全格局Figure 6 Ecological security pattern in Fuliang county
距离源地越近，生态安全水平越高。高生态安全格局面积最大，约占浮梁县总面积的48.63%，生态服务价值较高，具有维持区域生态系统稳定的重要作用，为生态核心区，应禁止任何城镇开发建设行为。较高水平缓冲区约占21.22%，为生态缓冲区，应严格限制城镇扩张和其他人为建设活动，以植被保护和优化为主，强化其消除污染、净化环境、缓解生态影响的重要作用。低、较低及中水平缓冲区约占30.15%，用地类型以建设用地和耕地为主，为绿色发展区，应在不影响生态安全和生态环境质量的前提下，合理确定开发模式、扩张范围和开发强度，实现绿色建设。
综合形态学空间格局分析（MSPA）和景观连接度评价结果，共识别出7块生态源地，主要分布在浮梁县的西北部和东部的林地区域，为黄山余脉生态保护区和天目山余脉生态保护区，斑块面积较大，森林覆盖面积较广，生态空间富足，生态功能完善，生境质量高，生物多样性强。浮梁县整体生态阻力值偏低，建设用地、耕地以及水系沿岸区域阻力值较高，需重视城镇环境及水环境的生态保护与修复。基于MCR模型识别出23条生态廊道，47处生态节点，廊道用地类型以林地为主，生态系统较为稳定，但南部斑块连通性较差，需优化并串联生态空间，增强廊道与斑块的连通性。
根据“源地-阻力-廊道-节点”模式合理构建浮梁县的生态安全格局，结合源地与生态阻力的综合分析而分为低、较低、中、较高、高五个等级，归类于生态核心区、生态缓冲区、绿色发展区，并提出相应的保护建议及开发措施。
生态核心区：首要责任就是坚持环境为先原则，坚持保护生态环境就是创造价值的原则。在组织与管理层面，应制定森林保护规定，加强林业管理机制建设，实施林业生态工程计划，禁止毁林开荒、乱砍乱伐，鼓励封山育林，注重病虫害防治；
在开发与利用层面，应严格采伐，合理有限地开展林业研究，禁止过度开发天然林资源，维持生境质量与生态平衡，并加强瑶里古镇风景区、汪胡生态游览区、高岭国家矿山公园的保护与优化建设；
在环境教育层面，应加大线上线下环境教育宣传力度，改变民众“靠山吃山”的落后思想，强化环境保护意识。
生态缓冲区：生态缓冲区作为城镇与生态源地、高生态安全区域的缓冲交界地带，在水环境治理方面，应推广“两山银行”与“湿地银行”的建设准则，推动昌江生态廊道及百里风光带、玉田湖国家湿地公园、西河沿岸生态修复工程的改造与提升，提高水质及水源涵养功能，维持生物多样性；
在生态隔离带建设方面，应实施防护林带建设，建立生态屏障与森林生态廊道，加强生态源地保护，提高斑块之间的联系，促进人与自然和谐发展。
绿色发展区：应营造农田防护林，立足生态产业优势，重点发展绿色有机农业及碳汇林，提升“浮梁茶”、“边草绿有机米”等特色品牌质量与知名度；
对于土地条件严重恶化的区域实施退耕还林，减少水土流失，维持经济效益与生态效益的平衡。推进城市公园绿地、道路绿地、居住区绿地及防护绿地等建设，加强三贤湖省级湿地公园与古县衙风景区的保护与优化建设，提高城市绿地率和绿化率，完善城市绿地系统，缓解生态压力；
遵循适地适树原则，使用乡土植物，营造季相景观，优化人居环境；
加强西湖乡、王港乡、蛟潭镇、瑶里镇、勒功乡的美丽乡村建设，融入特色风土人情，促进人居环境的可持续发展。推动农业、产业与旅游业的协同发展，联系瓷文化、茶文化、理学文化、古村落文化、红色文化等，构建生态文明教育基地和文化旅游点，加大生态文化宣传。提倡绿色社区、绿色建筑、绿色消费与绿色出行，促进绿色发展。
本研究采用形态学空间格局分析（MSPA）和景观连接度评价方法进行源地识别，仅从景观类型及其分布情况考量生态用地的重要性，存在一定的局限性。维护区域生态安全是国家生态可持续发展的重要任务，受到生物多样性、水源涵养、水土保持、生态用地类型、生态服务价值等多种因素的影响。在构建生态安全格局时，还需多维度分析生态环境特性与发展现状，从而更为科学性地分析区域环境的生态源地、廊道与节点，更全面性评价与维护区域环境的生态安全。
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