基于最小累积阻力模型的内蒙古胜利煤田景观生态安全格局构建

黄 鑫，曹学章，张 明，邹 娴

(1.南京信息工程大学地理科学学院，江苏 南京 210044；2.生态环境部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042；3.南京信息工程大学遥感与测绘工程学院，江苏 南京 210044)

景观格局是指各种生态过程在不同尺度作用下的景观异质性在空间上的综合表现。FORMAN[1]最早系统总结并提出景观格局的优化方案。俞孔坚[2]在此基础上首次提出了景观生态安全格局理论，认为景观生态安全格局是景观中存在的某种潜在的空间格局，由景观中的某些关键的局部、点和空间关系所构成，一个典型的安全格局包含源、缓冲区、源间联接、辐射道和战略点；景观生态安全格局识别的步骤包括确定源、建立阻力面、根据阻力面判别安全格局。随后景观生态安全格局研究逐渐成为热点方向，学者对农业土地[3]、森林[4]、古村落[5]和流域[6]等景观生态安全格局的构建及应用方面做了积极探索。

内蒙古自治区分布有广阔的草原，是我国北方重要的自然生态屏障。内蒙古矿产资源丰富，煤炭资源尤其丰富。近年来，内蒙古采矿业迅速发展，在给区域经济带来发展的同时，也带来了严重的生态环境问题。大型露天煤矿由于开发面积大，造成的生态环境问题尤其突出，除植被破坏、水土流失、土地沙化、水资源破坏和次生地质灾害等问题外，还极大地改变区域性景观格局，导致生境斑块破碎化，影响生物个体、种群、群落和生态系统等各个组织水平的生态过程[7]。因此，景观生态安全格局构建是大型露天煤矿开发过程中生态环境保护的重要方面，也是目前比较薄弱的方面。笔者以位于典型草原区的大型露天煤矿——内蒙古胜利煤田为例，采用最小累积阻力模型构建区域景观生态安全格局，以期为研究区生态系统管理提供科学依据，并为同类矿区景观生态安全格局构建提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

胜利煤田位于内蒙古自治区锡林浩特市西北部胜利苏木和伊利勒特苏木境内，地理坐标位于43°54′15″～44°13′52″ N，115°24′26″～116°26′30″ E。以通过数字高程模型(DEM)得到的流域边界作为研究区，研究区总面积为1 021 km2。研究区内有5个露天矿区，分别是乌兰图嘎露天锗矿、中国国电西二号露天矿、内蒙古能源西三号露天矿、神华一号露天矿和大唐东二号露天矿。研究区地形为缓波状起伏的山前平原；气候属半干旱草原气候区，平均气温为1.7 ℃，极端最高气温为38.3 ℃，极端最低气温为-42.4 ℃，年均降水量为294.7 mm，最大年降水量为481.0 mm，最小年降水量为146.7 mm，年均蒸发量为1 794.6 mm；春季多风，风速为2.1～8.4 m·s-1，年均风速为3.5 m·s-1。土壤类型主要有栗钙土、草甸栗钙土和草甸土等，由于草场退化，已形成沙化、砾石化栗钙土，土壤有机质含量低，土壤肥力差。研究区草原植被发育，地带性植被类型属于典型草原类型，草地分区为内蒙古中东部温带半湿润半干旱草原区，植物组成有克氏针茅(Stipakrylovii)、大针茅(Stipagrandis)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)、冷蒿(Artemisiafrigida)、羊草(Leymuschinensis)、洽草(Koeleriaglauca)、冰草(Agropyroncristatum)和锦鸡儿(Caraganasinica)等。

1.2 数据来源与处理

采用高分一号多光谱相机PMS数据，成像时间为2016年5月29日，空间分辨率为8 m，共4个光谱波段，中心波长分别对应蓝光、绿光、红光和近红外波段。研究区GF-1 PMS影像共4景，预处理过程为采用2016年高分一号卫星定标系数进行辐射定标，采用ENVI 5.3软件的FLAASH大气校正模块，输入相应的波谱响应函数，进行大气校正，并采用原数据中自带的RPC文件进行正射校正，得到4景影像的地表反射率数据，最后利用ENVI 5.3软件的Seamless Mosaic工具进行拼接，并利用研究区DEM得到的流域边界对其进行裁剪。高分一号卫星定标系数和波谱响应函数数据均来自中国资源卫星应用中心网(http:∥www.cresda.com/CN/Downloads/dbcs/index.shtml)。DEM数据为30 m分辨率的栅格，来自中国科学院计算机网络信息中心(地理空间数据云)GDEM数据集。

1.3 研究方法

1.3.1研究框架

通过识别景观关键组分，构建胜利煤田景观生态安全格局。根据前人对景观生态安全格局的研究[2]，确定景观生态安全格局组分包括生态源地、生态廊道和生态节点。生态源地是具有较高生态功能的景观类型，它是生态系统物质、能量和服务功能的源头或汇集处。生态廊道是源地间斑块的链接，在研究区主要有以下功能：传输通道功能(植物传播体，动物或其他物质在廊道中运动、迁移)；过滤和阻抑作用(拦阻沙尘，减缓水土流失等)；生境功能(为生物提供生存繁殖的场所)。生态节点是景观中能够对景观生态流的运行起到疏通作用的点，可以作为物种迁徙的踏脚石引导物种迁移，也可以维持局部地区的生态平衡。

在景观类型划分基础上，根据研究区斑块质量评价结果选取生态源地，基于最小累积阻力模型识别生态廊道，并在生态廊道上确定生态节点，构建成“点—线—面”交织的空间生态网络，从而使景观斑块、类型和整体景观之间达到和谐稳定。

1.3.2景观类型划分

根据研究区特点，结合面积大小和精度要求，将研究区景观类型划分为2大类13小类(表1)。利用高分辨率遥感影像，借助ENVI 5.3和ARCGIS 10.1软件对研究区景观类型进行目视解译，生成矢量图(图1)。对解译结果随机抽样，进行实地精度验证，正确率为89%，满足本研究需要。将矢量文件进行栅格化以进行进一步研究。

表1胜利煤田景观分类系统

Table1LandscapeclassificationsystemofShengliCoalfield

景观类型大类小类景观特征自然半自然景观草地以生长草本植物为主、覆盖度大于5%的各类草地(不包括沼泽草地),地势和缓起伏,主要用于放牧人工林人工种植的乔、灌木林,包括排土场等采矿破坏地种植的人工林农田种植农作物的土地湿地包括河流水面、湖泊水面和沼泽草地盐碱地地表盐碱聚集、植被稀少、只能生长耐盐碱植物的土地裸土地地表土质覆盖、植被覆盖度小于5%的土地沙地地表为沙覆盖、植被覆盖度小于5%的土地,包括沙漠,不包括水系中的沙滩人工景观露天采场开采所形成的采坑、台阶和露天沟道,无植被覆盖,采场内有包括穿孔、爆破、采装、运输等作业。机械生产和车辆运输过程中,易产生地面扬尘工业场地工业生产、产品加工制造、机械和设备维修以及直接为工业生产等服务的附属设施用地,还包括物资储备、中转的场所用地,有建筑物、生产设施、道路、绿地等在用排土场人为形成的台阶式塔状巨大岩土松散堆积体,是剥离岩土堆积而成的特殊人工地貌,台阶边坡坡度为35°左右,形成大面积高陡边坡,土壤结构松散、贫瘠,无植被覆盖,水土流失严重,边坡易发生崩塌、滑坡农村居民地镇以下的居民点用地以及农村道路用地城市建设用地包括城镇住宅用地、公共管理与公共服务用地、商服用地及城镇道路用地交通用地机场、铁路、公路(不包括城镇、村道路用地)

图1 胜利煤田景观类型

1.3.3最小累积阻力模型

最小累积阻力(MCR)模型是计算物种在从源到目的地运动过程中所需要耗费代价的模型，最早由Knaapen于1992年提出，用于研究物种扩散过程[8]，之后被应用到多种自然生态或人文过程的研究，现在已经发展到模拟城市土地演变、土地利用规划等多个领域[9]。MCR模型在众多应用中，充分展示了其在分析水平空间扩张方面的良好适应性和可扩张性，计算公式[6]为

(1)

式(1)中，RMC为最小累积阻力值；f为一个未知的正函数，反映空间中任一点的最小阻力与其到所有源的距离和景观基面特征的正相关关系；Dij为物种从源j到空间某一点所穿越的某景观基面i的空间距离；Ri为景观i对某物种运动的阻力。尽管函数f通常是未知的，但(Dij×Ri)的累积值可用于衡量物种从源到空间某一点的某一路径的相对易达性。其中，从所有源到该点阻力的最小值用于衡量该点的易达性。

最小累积阻力值反映了物种运动的潜在可能性及趋势，通过单元最小累积阻力的大小可以判断该单元与源地单元的“连通性”和“相似性”，通常源地对于生态过程是最适宜的。

1.3.4源地的确定

根据景观生态学的“源-汇”理论，源景观具有空间扩展性、连续性，应依据格局优化所针对的生态过程决定生态系统功能发挥的作用不同而确定。源地一般生境质量较高，对于研究的生态过程起到正向推动作用[6]。源地的选取通过景观斑块质量的评价来实现，对胜利矿区景观斑块质量进行评价后，选取评价质量最高的斑块作为生态源地。

(1)斑块评价指标选取和权重确定

基于对景观过程完整性和生态系统稳定性的维持，选取6项指标(表2[10-11])。

表2胜利煤田景观斑块质量评价指标与指标权重[10-11]

Table2EvaluationindexoflandscapepatchqualityandindexweightinShengliCoalfield

目标层准则层指标层权重指标生态学意义景观斑块质量斑块规模大小斑块面积(C1)0.125 4影响生物活动的扩散和生物多样性的保护。斑块面积越大,越有利于保护生态的多样性,属于正向指标斑块形状分维数(C2)0.074 8反映斑块形状的复杂程度和人类活动对斑块的干扰程度。斑块形状越复杂,越有利于物种的保护,属于正向指标斑块边界破碎度斑块形状指数(C3)0.074 8反映斑块的破碎化程度。斑块破碎化程度越高,越不利于生态功能的维持,属于负向指标植被覆盖归一化植被指数(C4)0.385 0反映斑块的植被覆盖情况。已有研究结果表明,一般NDVI值越高,生态系统服务价值越高[10],属于正向指标斑块重要性斑块重要值(C5)0.125 4重要斑块指对景观连通度的维持和改善具有显著作用和贡献的斑块,其对保障生态流运行、提高生态安全水平具有重要意义[11]。斑块重要值越高,其在整体景观中的连通度也越高,属于正向指标人工控制程度人工控制程度(C6)0.214 7生态系统受人工控制程度越高,即斑块自然性越低,斑块质量就越低,属于负向指标

采用层次分析法确定各指标权重。对胜利煤田景观斑块质量评价指标的重要性构建判断矩阵(表3)，指标的相对重要性采用1～9标度法，逐项就任意两个指标进行比较得出。将Ci对Cj的标度值记为Cij，当Cij为1时，说明Ci与Cj的影响同等重要；Cij值越大，表明Ci比Cj的影响越重要；Cj对Ci的标度值Cji为Cij的倒数。根据相对重要性计算各指标的权重，并进行一致性检验。采用和积法计算出随机一致性比率RC=0.058<0.1，通过一致性检验。各指标权重见表2。

表3胜利煤田景观斑块质量评价指标相对重要性判断矩阵

Table3RelativeimportancejudgmentmatrixofevaluationindexoflandscapepatchqualityinShengliCoalfield

指标C1C2C3C4C5C6C1221/311/2C21/211/41/21/2C31/211/41/21/3C434443C51221/31/2C62331/22

C1为斑块面积，C2为分维数，C3为斑块形状指数，C4为归一化植被指数，C5为斑块重要值，C6为人工控制程度。

(2)评价指标计算

斑块面积、分维数和斑块形状指数采用Fragstats 4.2软件计算得到，并采用Excel 2013软件统计结果。

归一化植被指数(NDVI，INDV)是反映土地覆盖植被状况的一种遥感指标，定义为近红外通道与可见光通道反射率之差与之和的商，计算公式为

INDV=(RNI-R)/(RNI+R)。

(2)

式(2)中，RNI为近红外波段的反射值；R为红光波段的反射值。

NDVI采用ENVI 5.3软件计算得到。植被覆盖的确定还应结合斑块的生态恢复潜力，有些生态斑块虽然目前的植被覆盖度较低，但是该斑块具有很好的发展潜力和人工管理措施，所以在选取源地的时候应该考虑斑块的潜在价值。根据前人对露天煤矿生态修复的调查结果[12-13]，考察露天煤矿周围不同景观类型的恢复状况，确定不同斑块的发展潜力。

斑块重要值(dPC，CdP)通过可能连通性指数(PC，CP)来衡量，斑块重要值指在此点处断裂(或移除)后整个区域景观连通性的变化量，计算公式为

(3)

(4)

斑块重要值采用ArcGIS 10.1软件、Conefor Inputs for ArcGIS10插件和Conefor Sensinode 2.2软件计算得到。

人工控制程度指标为定性指标，通过分析不同景观类型的人为活动和人工管理，定性判定生态系统受人工控制程度(轻、中、强、极强)。

(3)指标标准化处理

定量指标采用极差标准化法进行标准化。设Xi为评价指标i的值，Xmax为评价指标i的最大值，Xmin为评价指标i的最小值，Pi为评价指标i的得分。对正向指标，Pi=100·(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)；对于负向指标，Pi=100·(Xmax-Xi)/(Xmax-Xmin)。其中，NDVI指标值在[0,1]区间时为正向指标，在[-1,0)区间时取满分。

定性指标采用分级赋分法进行标准化(表4)。

表4胜利煤田景观斑块人工控制程度分级赋分

Table4ClassificationandquantificationofartificialcontrolfactoroflandscapepatchinShengliCoalfield

景观类型人工控制程度等级分值湿地、人工林、盐碱地、裸土地、沙地轻100草地中70农田强40农村居民地、在用排土场、交通用地、工业场地、城市建设用地、露天采场极强10

(4)斑块综合评价模型构建与源地识别。在权重确定和指标标准化的基础上，按照加权模型进行计算，得分越高，表明斑块质量越好，计算公式为

(5)

式(5)中，Zi为第i个评价斑块的质量总分值；wij为第i个评价斑块第j个指标的权重；yij为第i个评价斑块第j个指标的标准化值；m为指标数。

采用[0,100]区间的连续数来确定制表分级量化值。根据评价指标的判别标准和研究区实际情况，将斑块质量分为5个等级并赋以相应分值，选择综合评价指数Zi≥80的斑块作为生态源地。具体分级情况见表5。

1.3.5生态廊道的确定

生态廊道是源地间斑块的链接，是物种、信息和能量流通的主要通道，可以增强景观组分间的联系和防护功能等。构建生态廊道需要一个阻力面，而阻力值的确定是廊道提取的关键。

表5评价指标分级标准

Table5Thegradingcriteriaoftheassessingindexes

斑块质量等级综合评价指数Zi含义Ⅰ[80,100]斑块质量很好Ⅱ[60,80)斑块质量较好Ⅲ[40,60)斑块质量一般Ⅳ[20,40)斑块质量较差Ⅴ[0,20)斑块质量很差

(1)阻力面的建立

受景观格局的影响，景观生态流在空间中运行时需要克服空间给其带来的阻力，因此可以通过模拟景观生态流运行并以此来探寻景观生态安全格局的构建方法。

模拟景观生态流运行的第一步是确定景观生态流运行的阻力面。阻力面反映的是景观生态流在空间运行时受到的阻力强度空间分布。物种水平空间运动的生态过程以及生态功能的流动与传递，主要受土地覆被状态和人为干扰程度的影响[14]。笔者在构建生态阻力面时将阻力因子分为景观自身因子和邻近景观干扰因子两类(表6)。景观自身因子包括NDVI(反映植被覆盖状况)、坡度和土地利用强度，其中NDVI和坡度为自然阻力因子，若NDVI值高，坡度小，阻力值则小；土地利用强度为人为活动阻力因子，不同景观类型的人为活动强度不同，据此进行阻力等级划分，人为活动干扰大的景观，其阻力值大。邻近景观干扰因子选择对邻近景观影响较大的露天采场、在用排土场和道路，它们对邻近景观的影响主要是机械和车辆噪声引起的，按照距离进行阻力等级划分，其中最远影响距离(即超过该距离的区域，该因子的阻力值为0)参照文献[15]。各阻力因子权重参照文献[16-18]。

将阻力值设定为1～200，1为最小阻力值，即景观生态流能够顺畅通过，200为最大阻力值，即景观生态流最不容易通过。需要指出的是，阻力值只反映相对阻力的概念，不是绝对的，但由于阻力面计算的目的是要反映相对的趋势，因此，相对意义上的阻力值仍然具有意义[19]。

采用ArcGIS 10.2软件计算每类阻力因子的阻力值并生成30 m×30 m的栅格数据，然后将各类阻力因子进行叠加，得到胜利煤田景观阻力栅格图，即阻力面。

(2)廊道的提取

根据阻力面和识别出的生态源地，采用ArcGIS10.2中cost distance模块得到胜利矿区最小累积耗费距离表面。最后利用cost path模块，结合生态源地与最小累积耗费距离表面生成生态廊道。

表6胜利煤田景观阻力因子及其权重和相对阻力值

Table6LandscaperesistancefactorsandtheirweightsandrelativeresistancevaluesinShengliCoalfield

阻力因子权重阻力等级阻力值景观自身因子 归一化植被指数0.3[0.8,1]∪[-1,0)1[0.6,0.8)45[0.4,0.6)95[0.2,0.4)145[0,0.2)200 坡度0.15[0,5)25[5,15)60[15,30)100[30,45)150[45,90]200 土地利用强度0.25湿地、人工林、盐碱地、裸土地、沙地50草地100农田150农村居民地、在用排土场、交通用地、工业场地、城市建设用地、露天采场200邻近景观干扰因子 距道路距离0.1[0,200)200[200,400)150[400,600)100[600,800)50[800,∞)0 距露天采场距离0.1[0,100)200[100,150)150[150,200)100[200,250)50[250,∞)0 距在用排土场距离0.1[0,100)200[100,150)150[150,200)100[200,250)50[250,∞)0

1.3.6生态节点的确定

生态节点一般处于连接生态源地之间的生态廊道上，分布在生态功能最薄弱的地方。生态节点的建立可以对景观流的运行起到促进作用。采用ArcGIS 10.2软件中水文分析模型得到最小累积耗费距离表面的“山脊线”，即最大累积阻力，“山脊线”与生态廊道的交点即生态节点。

2 结果与分析

2.1 生态源地的构建

景观斑块质量评价结果显示，研究区综合评价指数Zi≥80的斑块共10个，以这10个斑块作为生态源地(图2)，生态源地面积为49.64 km2，占研究区总面积的4.86%。

从空间分布上看，除了2和3号生态源地处于人口密度较低的草原外，其他生态源地都处在人口密度较高的城镇和露天矿区附近。从景观类型上来看，生态源地包括人工林和湿地2种类型。与研究区自然生态系统——草原相比，人工林具有更高的生物量，而湿地水分条件好，生物量高，生物多样性丰富，因而人工林和湿地具有较强的生态功能。农田生态系统虽然生物量较高，但完全受人工调控，不适合作为生态源地。

这些生态源地为区域人口和整个生态系统提供重要的生命支持，是社会经济发展的重要保障，对控制和促进区域生态功能稳定、维持区域可持续发展有重要作用。应加强对源地的保护，防止其被建设侵占，防止植被破坏。对生态源地与正在使用的排土场相连的情况，加强采(矿)排(土)复(垦)一体化，尽快形成可复垦台阶，及时进行生态恢复，扩大生态源地面积。对生态源地中植被覆盖较低的区域，通过补种、灌溉、施肥等措施，促进植被生长，改善植被覆盖状况。

图2 胜利煤田景观生态安全格局

2.2 生态廊道的构建

胜利煤田阻力面见图3。人工景观是阻力值较大的区域。农田虽然有长势较好的植被，但是受人工控制的影响，其阻力值也相对较大。自然半自然景观具有较小的阻力值，但是在道路、露天采场、在用排土场的影响作用范围内其阻力值也相对较高。

利用阻力面和生态源地得出的胜利煤田最小累积耗费距离表面见图4。耗费距离的大小由阻力值与距离共同决定，生态源地是累积耗费距离最小的地区。

图3 胜利煤田阻力面

图4 胜利煤田最小累积耗费距离表面

城镇、露天矿区等区域累积耗费距离并不是最高的，这是因为它们距离生态源地较近，而距生态源地较远的草地、林地等自然半自然景观则具有较高的累积耗费距离。结合最小累积耗费距离表面和生态源地，共选取24条生态廊道(图2)，总长度为159.2 km，其中最短的为1.19 km，最长的为17.95 km。从空间分布上来看，穿越城镇与矿区的生态廊道比较密集，但是长度相对较短，这是因为城镇与矿区间的生态源地分布较多，且距离较近。穿越草原的生态廊道比较稀疏，但长度较长，这类生态廊道可以将草原上孤立破碎的生境斑块连接到生态源地上，增强连通性，有利于物种的迁徙，对生物多样性的维持具有重要作用。

各生态廊道穿越的景观类型既有自然景观，也有人工景观。廊道穿越人工林、湿地和草地等自然景观时，建议采取控制放牧强度、人工促进植被生长(补种、施肥等)、防止建设侵占等保护与建设措施。廊道穿越城市建设用地、工业场地、露天采场和道路等人工景观时，建议加强人工绿地建设和管护措施。廊道穿越农田时，建议保留生态廊道处的自然组分或人工建设近自然组分。

2.3 生态节点的构建

生态节点共选取29个(图2)。生态节点可以使生态廊道更加稳定，增强与生态源地间的连通性，进而使整个生态网络的连通性与稳定性得到提高。对于城市建设用地、工业场地等人工景观内的生态节点，建议减少人为干扰，加强绿地建设。对于湿地、林地、草地等自然景观内的生态节点，建议加强植被保护，并采取人工措施改善植被状况。对于农田内的生态节点，建议保留自然组分或人工建设近自然组分。

3 结论

采用景观生态安全格局的理论和方法，通过对景观斑块的评价识别生态源地，基于最小累积阻力模型识别生态廊道，利用水文分析模型提取生态节点，构建了由生态源地、生态廊道和生态节点构成的胜利煤田景观生态安全格局。生态源地共10块，由湿地和人工林组成，占研究区总面积的4.86%。生态廊道共24条，总长度为159.2 km，它们将各生态源地连接起来，增强景观网路连通性和防护功能。生态节点共29个，它们使生态廊道更加稳定，增强与生态源地间连通性。对生态源地，建议加强保护，防止破坏，并采取人工促进措施改善植被，同时在可能的情况下扩大源地面积。对生态廊道和生态节点，依其所穿越(处于)的景观类型，建议采取保护自然景观、人工促进植被生长、加强人工景观区域的绿地建设、在农田区域保留自然组分或人工建设近自然组分等措施。

采用最小累积阻力模型对胜利煤田景观生态安全格局构建进行研究，思路和方法可为其他矿区景观生态安全格局构建提供借鉴。然而，这只是初步探索，还有以下问题有待解决：(1)从草原露天煤矿的特点出发，初步提出了构建阻力面所需的景观阻力因子体系及其权重和分级赋阻力值方案，对阻力面的构建还有待于进一步研究；(2)构建的景观生态安全格局方案只考虑生态保护本身，未考虑经济和社会发展等方面；(3)矿区景观处于不断变化中，如排土场在排土到位实施生态恢复后，短期内就可能变成长势良好的人工林，此时可将其作为生态源地。需要进一步研究如何在景观格局构建时考虑区域景观的未来变化。