丘陵区生态安全格局构建分析——以广安市小井乡为例

鄢广奎,赵 兵

(雅安市环境监测中心站，四川 雅安 625000)

1 引 言

近年来，随着城镇化和工业化进程的不断加快，一系列生态环境问题不断凸显，例如水土流失、土壤盐碱化、牧草地退化、生物多样性锐减等[1]。因此，为探寻一种能从空间上有效平衡经济发展与生态保护矛盾关系的区域生态安全格局，切实避免生态保护进入低效保护和盲目保护误区，加强区域景观生态安全格局构建的理论研究显得尤为重要。研究区域生态安全格局构建对保护和恢复丘陵地区生物多样性、维护其生态系统结构与功能的完整性都具有重要意义。

目前，区域生态安全格局构建的方法有多准则数量优化法[2]、人工智能优化法[3]、情景分析法[4]和综合优化法[5]等，这些方法都主要用于土地利用结构优化研究，而对于生态安全格局构建的研究则较多采用空间分析法，如李晶等[6]采用最小阻力模型(MCR)对位于农牧交错带的鄂尔多斯市准格尔旗土地利用生态安全格局进行了构建研究；孙立和李俊清[7]在景观格局分析的基础上形成北京市自然保护区分布格局“三区二带”的规划理念。最小累积阻力模型(MCR)作为空间分析方法中较为常用的模型之一，其最早是由Knaapen[8]提出，用于研究物种扩散过程，由于该模型能够实现空间数据和非空间数据的一体化处理，因此在之后的研究中被广泛应用到多种自然生态或人文过程的研究，现已发展到区域生态安全格局构建、土地利用规划等多个领域[9]。西南丘陵区作为我国重要的生态屏障区，21世纪以来，因城市蔓延扩张和人口数量不断增加，致使该区域生态安全形势日益严峻；基于此，本文以生态环境保护为目标，选取广安市小井乡为研究区，在识别生态源的基础上，运用最小累积阻力模型(MCR)构建阻力面，并提取生态廊道和生态节点、划分生态功能区，最后提出相应的生态安全管控措施，以期能为区域生态安全格局构建和制定生态风险防控措施提供依据。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

小井乡位于四川省广安市前锋区，地处华蓥山中段，长江二级支流渠江东岸，地理位置为30°31′40″～30°35′30″N，106°51′10″～106°57′0″E(如图1)；幅员面积36.18km2。地势由东向西倾斜，地貌类型主要为山地和丘陵。小井乡属于亚热带湿润气候，气候温和，雨量充沛，资源丰富，可供开发的土地面积达277.17km2，其中耕地14.97km2。

图1 地理位置示意图Fig.1 Geographical map of studied area

2.2 数据来源与处理

研究数据包括土地利用类型、DEM数据、距水域距离、距建设用地距离、距交通用地距离、海拔、坡度等。土地利用类型数据采用美国地质勘探局(USGS)15m空间分辨率的Landsat8 OLI— TRIS遥感数据进行人机交互式室内遥感解译得到，遥感影像轨道号为128/39；DEM数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)，分辨率为30m×30m，主要用来提取所需海拔和坡度数据；距水域、建设用地和交通用地距离等数据可从土地利用类型矢量数据中提取。本区域矢量数据由广安市前锋区生态环境局、自然资源和规划局提供。辅助数据包括地形图、社会经济统计数据等，均来自于广安市前锋区统计局、人民政府等部门的相关数据资料。

2.3 研究方法

2.3.1 识别生态源

根据“源—汇”原理，生态源景观主要是由具有高生态服务功能的景观类型组成，是促进生态过程发展的景观类型，具有定的空间拓展性和连续性，常由林地、水域和草地构成，可选取土地利用方式典型和相对稳定的景观单元作为生态“源”[10]。生态源是本地现存生物种群的集合，其中的物种量与面积密切相关[11]，生态源地是构建生态安全格局的基础。在参考大量文献资料、结合研究区森林资源和水域分布特征的基础上，选取区域内面积大于30hm2且空间上具有连续性的天然林地和重要水域作为生态源地。

2.3.2 构建阻力面

阻力面的建立是生态安全格局构建的核心，阻力因子和阻力值的确定是关键[12]。因子的选取不仅要考虑自然和社会经济等因素的影响，还需结合当地实际情况的基础上进行选取，本研究共选取海拔、坡度、土地利用类型、距水域距离、距建设用地距离、距交通运输用地距离等6个阻力因子，因子的分级赋值，参考学者蒙吉军[13]、谢花林[14]、刘孝富[15]、李玉平[16]等研究成果的基础上确定指标权重(如表1所示)，用值4、3、2、1来界定各评价因子的安全等级，分值越低代表阻力越小，“源”越容易向外扩散。

目前，MCR模型在生态安全研究中被广泛应用，该模型是用来计算物种在从源到目的地运动过程中所需耗费的代价[17]，最小累积阻力是指从“源”出发，不同类型的景观所需克服的最小阻力或消耗的最小费用，反映从目标斑块到最近源斑块的累积距离[18]，其计算公式如下：

式中：f是反映空间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，是MCR与Dij×Ri之间正比关系的变量函数[19-20]。Dij代表从空间中某景观单元i到源j的实地距离。Ri是某一景观i的阻力值。(Dij×Ri)的累计值被认为是从源到空间某一点的相对易达性[21]，其中从所有源到某点阻力的最小值被用来衡量该点的易达性。

表1 区域阻力因子及权重Tab.1 Area resistance factors and weights

2.3.3 提取生态廊道和节点

生态廊道是生态源地之间物种迁徙的通道，是两源地之间的流动通道和联系途径[22]。普遍认为在一定的范围内廊道越多越好，多一条廊道就更有利于促进物种之间的信息交流[23-24]，但相对来说，每两个“源”之间至少应有一条廊道相连接[25]。生态廊道的提取可以根据阻力面和已识别出来的生态源地，运用GIS成本距离分析模块得到最小累积耗费距离，再利用成本路径模块即可得到。

生态节点一般位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[26]。生态节点作为连通“源”之间的桥梁，对生态流的运行意义重大。基于已获得的生态廊道和最小累积耗费距离，运用GIS中水文分析模型得到最小累积耗费距离的“山脊线”，即最大累积阻力，“山脊线”与生态廊道的交点即为生态节点。生态节点的建立可以对景观流的运行起到促进作用，通过对这些景观生态节点的保护或改变，可以有效地维护生态系统健康和安全。

2.3.4 划分生态功能区

以最小累积阻力面为基础，获得阻力面中各阻力等级的格点频率分布图。根据阻力值频率变化特点、生态服务功能与实地调研将研究区域划分为4个生态功能区，即生态核心区、生态缓冲区、农业耕作区、人类活动区，每个功能区具有不同的生态功能和保护重点，从而形成区域生态安全的总体格局。

3 结果与分析

3.1 生态安全格局构建过程分析

3.1.1 生态源地识别分析

小井乡共有9个生态源斑块，其总面积为3.49km2，占区域总面积的8.95%，包括天然林地和水域2种景观类型。生态源地主要分布于东部、西北部片区，而中部片区分布较少(如图2)。其中最重要的斑块I分布于小井乡东部华蓥山区域，该区域是研究区内植被覆盖度较高和生态环境脆弱性最低的片区，也是面积最大的生态源地，对维护区域生态安全、生物多样性及生态环境保护意义重大。除此之外，区域东北部片区有大量的天然林地，生态环境质量略低于华蓥山片区，有6个源地斑块聚集于此，源地斑块之间是大量耕地，连通性较好，研究区西部和南部片区还分布着两个生态源地，是研究区内仅有的两个水域斑块，分别是水库和河流斑块。该斑块生物多样性丰富，在生态环境保护建设中显得尤为重要，加强对其生态环境保护，既能提高水质，维持水域生物多样性，又能维护水域生态系统安全，缓解水域退化。总之，生态源地作为整个生态系统的重要生命支撑，我们除了加强对源地的保护，防止其被建设用地侵占，还需尽可能的扩大源地面积，改善区域生态安全状况。

图2 小井乡生态源、生态廊道和生态节点分布图Fig.2 Ecological sources ecological nodes and ecolgical corridors of Xiaojing township

3.1.2 阻力面构建分析

通过MCR模型分析不同源景观的阻力分布情况，得到小井乡阻力面分布图(如图3)，其阻力值分布范围为12～37，阻力高值区主要位于区域东北部和西南部，以及中部部分地区，主要有优良村、吊钟村、骑龙村、龙井村、红官村、新华村、花盆村、两桥村、优胜村、桥湾村、长胜村和官家村12个村庄；低值区主要集中在区域西北部和东部，这两个区域也是生态源所在地，主要涉及村庄有温江村、双流村、小良村、莲花村、大良村、生龙村、珠石村、金寺村、小井村和倒石村。由图3可知，距离生态源地越近，阻力值越大，反之则越小。

图3 阻力面分布图Fig.3 Resistance profile

3.1.3 生态廊道和节点提取分析

小井乡共构建了19条生态廊道和18个生态节点(如图2)。研究区生态廊道总长度为43.25km，总体分布格局呈西部连续紧凑，东部分散破碎。东部地区源地较为集中连片，廊道通过的景观以水田和零散的天然林地为主，生态廊道较短及累计阻力相对较小。西部地区仅有一块源地，且该源地与其他源地之间距离较远，中间分布着较多的建设用地，因此所经过的阻力等级越多，累积阻力值较大。对于廊道的保护，应通过提升生态廊道的连通性、增加廊道的数量、强化廊道保护建设等措施来实现。

除此之外，小井乡共识别生态节点18个，从节点的阻力值来看，大部分生态节点分布于阻力值较大处，如建设用地，交通用地；少部分生态节点位于阻力值较小处，如林地、草地等自然景观，其余还有部分生态节点分布于农田内。根据生态节点的空间分布差异，可以采取不同的保护措施，对于分布在建设用地上的生态节点，可将其建设为绿地公园；而分布在农田内的生态节点，可采用退耕还林还草，保护植被等措施。

3.2 生态安全格局构建结果分析

本研究将阻力阀值作为划分生态功能区的主要依据[25]，以此划分出在不同安全水平下的4个生态功能区，如图4所示。

Ⅰ区：生态核心区 该区是维护区域生态系统平衡的核心地带，对区域水源涵养、生物多样性保护、水土保持等具有重要作用[19]。从特定的空间分布来看，生态核心区包括所有生态源，同时还包括一部分与生态源地邻接度较高的重要型生态用地；从土地利用类型来看，生态核心区主要由林地、水域、园地、草地构成。生态核心区面积为7.91km2，占区域土地总面积的21.86%，其发挥着支撑区域生态系统安全与稳定的重要作用。可以通过将这部分区域划入禁止开发区，并相应设置“生态功能保护区”、“自然林保护区”和“重要水源保护区”等措施来维持其稳定发展和保护区域生态环境。

Ⅱ区：生态缓冲区 该区主要位于生态核心区的外围，由重要型生态用地和部分过渡型生态用地构成，其占地面积为12.49km2，占区域土地总面积的34.52%，生态缓冲区是维护景观连通性和保护“源”地不受破坏的有效屏障[27]。对生态缓冲区的保护可以通过将其划分为限制开发区，并注重生态廊和生态节点的保护与建设等措施来实现。

Ⅲ区：农业耕作区 随着阻力等级的进一步提高，受人类干扰程度加大，农业耕作区作为生态缓冲区和人类活动区的过渡地带，它对于稳定生态平衡和维持人类生存起到了缓冲过渡作用。该区占地面积为9.59km2，占区域土地总面积的26.51%，可进行各种农业种植开发利用，但开发利用时应注意地形地貌的影响，合理规划各类农业用地，并保障基本农田不被占用，合理利用土地资源，优化土地资源配置。

图4 小井乡生态安全格局Fig.4 Ecological security pattern of Xiaojing township

Ⅳ区：人类活动区 该区阻力水平属于高值区，对于保护“源”的扩展相对阻力较大，受人类的干扰频繁，其占地面积为6.19km2，占区域土地总面积的17.11%，该区与农业耕作区有着密切的联系，一般会有交叉区域，一般将其作为人类居住、生产生活、娱乐和金融商贸等活动的开展区域。可以通过将其划入优先开发区域，健全交通网络等方法促进与农业耕作区的联系，除此之外，还需不断强化公共服务和基础设施建设，科学合理规划空间分布格局，协调土地利用与生态建设，形成合理的景观布局，营造人类宜居环境[28]。

4 讨论

4.1 基于景观与区域生态安全格局的研究

近年来，国内外学者在理论、方法和指标构建等方面对生态安全格局构建展开了大量的研究，大都采用定性与定量相结合的方法来分析区域生态安全状况。我国学者俞孔坚在1999年从生物保护角度研究景观生态安全格局，并将最小累积阻力模型引入水平生态流，以此为基础来研究景观生态安全格局。随后，在2004年，马克明和傅伯杰[29]等在研究中进一步完善了区域生态安全理论，并系统地阐述了区域生态安全格局的概念，研究对象的特点等；在2005年，方淑波等人从土地利用的角度，采用定性与定量相结合的方法评估生态价值以及社会经济驱动分析，为城市区域生态安全格局的构建提供了一种可能[29-30]。MCR模型与其他距离模型相比，它能够实现空间数据和非空间数据的一体化处理，其研究结果更直观、客观的反映区域生态安全状况。因此，与其他模型相比，MCR模型更适合本研究，也为区域生态安全格局的构建以及保护生态环境提供了有价值的参考。

4.2 基于阻力因子选取和阻力值的探讨

科学合理的选取阻力因子和确定阻力值是构建生态安全格局的前提与基础，生态安全指标体系的建立，应尽可能地反应经济、社会和生态环境诸方面的内容，且能有机地联系起来，组成一个层次分明指标、意义明确、统计方法科学、测定方法规范的整体，以此反映区域生态环境状况与经济、社会发展的协调程度，保证评价结果的真实性和客观性。本研究在参考相关文献和结合实际情况的基础上选取了海拔、坡度、土地利用类型、距水域距离、距建设用地距离、距交通运输用地距离等6个阻力因子，并进行分级赋值；但阻力值的确定通常采用专家打分的方式得到，这种赋值方式较为主观，直接影响了评价结果的客观性，因此，在今后的研究过程中还需考虑引入一些数学方法改进阻力赋值方式[8]。

4.3 基于完善区域生态安全格局对策的探讨

构建区域生态安全格局对于区域生态环境保护与建设具有现实意义，通过分析区域生态安全状况、划分生态功能区来了解研究区生态安全形势，并提出相应的管控措施，以达到改善区域生态安全现状，提高生态安全水平的目的。本文以生态环境保护为目标，采用MCR模型对丘陵区生态安全格局构建进行了研究，并根据研究现状提出相应的管控措施，这些措施主要针对于丘陵地区而言，因而对于其他地貌类型的管理建议研究借鉴意义不大，在以后的研究中还有待进一步的探索。

5 结 论

本文以位于西南丘陵地区的广安市小井乡为研究区，采用最小累积阻力模型(MCR)对区域生态安全格局构建进行了研究，并划分出生态核心区、生态缓冲区、农业耕作区和人类活动区共4个生态功能区。研究区域内生态源地共9块，由水域和天然林地组成，占研究区总面积的8.95%；生态廊道共19条，总长度为43.25km，主要作用是将各生态源地连接起来，增强其连通性和防护功能。研究结果发现广安市小井乡生态源地在面积、数量和空间分布上都存在较大的差异，主要集中分布在研究区的西部片区，而东部地区则相对较少；生态廊道与生态节点的分布也相应的呈现出西多东少的格局。

对于广安市小井乡生态源地的保护，提出以下几点建议：(1)在区域生态环境保护的重要区域，如东部华蓥山区域，可以根据地形调整农业用地布局结构，增加乡土植物的种植面积，降低其异质性，提高水土保持能力，保护生态环境与生物多样性，其余区域建议退耕还林，增加植被覆盖面积，同时在可能的情况下扩大源地面积。(2)对于生态廊道和生态节点的保护，依其所穿越的景观类型，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等措施。(3)对于建设用地、交通用地地区，应减少人为干扰，加强绿地建设；对于草地、林地应加强植被保护，退耕还林还草，改善植被状况等。