基于生态服务重要性的河池市生态安全保障研究

虞 听，周轶晗，陈天依，徐 可，胡业翠

(中国地质大学(北京) 土地科学技术学院，北京 100089)

随着社会经济不断发展，生产、生活空间不断扩大，景观廊道断裂，绿色空间分布愈发破碎化，国家经济发展导致的一系列生态环境问题严重阻碍了区域经济的可持续发展，解决生态环境问题已然成为建设国家的战略举措[1]。可持续发展的基本保障因素是区域生态安全[2]，而地区廊道识别和生态源地提取以及对其空间化布局研究结果，可以作为土地利用配置对策、生态功能区划和环境保护决策制定的依据和基础[3]。

目前，国内外学者从不同的视角对生态源地进行识别[4]，如王晓玉等[5]通过生态系统服务供需流对生态安全格局进行分析与优化；彭建等[6]综合考虑产水、生境维持、土壤保持等几大生态服务功能，系统评估了雄安新区的生态环境现状。这些研究为国内其他省市区域的相关研究提供了思路，促进了各地区开展生态安全保障研究的相关工作。

本文选取河池市为研究区，分别根据碳储量、土壤保持、水源涵养3项指标进行生态用地识别，运用InVEST、ArcGIS等技术手段进行生态用地评价，以高等级生态用地作为源地；利用最小积累阻力模型，生态廊道识别，对河池市区域生态安全现状进行分析，最后针对分析结果提出了优化改进设计。这对河池市的区域建设具有一定的意义，能够更好地引导城市规划的实施，为生态系统安全管理提供保障，对推动区域生态环境改善具有一定的积极意义。

河池市位于广西西北边陲、云贵高原南麓，地区南北纵长228 km，东西横宽260 km，总面积达3.35万km2。河池市属南亚热带湿润季风气候区，气候条件良好，森林覆盖率高，降水量充沛且日照充足，但河池市具有典型的喀斯特地貌，地表水渗漏严重，极易发生水土流失，损害生态系统服务功能；该市林业资源丰富，而作为陆地生态系统最大的碳库——森林生态系统，其碳储量对生境质量评价具有重大意义；同时，河池市河网密布，主要河流50余条，河流总长度5 130 km，需要重视水源涵养这一重大生态问题。因此，本文基于生态系统服务重要性进行河池市生态安全保障评价。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本文所采用的土地利用现状数据以及县级行政区划图，来源于2019年河池市第三次国土调查，从河池市自然资源厅部门获取；DEM数字高程模型(30 m×30 m)从地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn/)获取；土壤数据取自世界土壤数据库；其他基础地理数据包括：集水区数据、气象站点数据、降水量、日最高温温均值和日最低温均值均取自中科院资源环境科学与数据中心。

1.2 研究方法

在充分理解河池市地貌特征的基础上，分析河池市自然生态情况以及生态环境建设中存在的主要问题，遵循指标选取的科学性原则、代表性原则与可操作性原则，从生态系统服务重要性和阻力因子2方面提出河池市生态安全保障措施。围绕土壤保持、碳储量、水源涵养因子评价，识别生态系统服务功能重要性区域，确定生态源地；选择高程、坡度、土地利用覆被建立阻力因子体系，构建最小累积阻力面；最后，通过MCR方法提取生态廊道，完成河池市的生态安全现状评估。

1.3 源地识别

生态源地是指提供重要生态系统服务的斑块[6]。本文选择土壤保持、碳储量、水源涵养3项体现生态基底特征的生态系统服务功能，定量评估河池市总体生态系统服务功能重要性，将功能重要区作为具有良好生态系统功能的重要斑块提取生态源地，作为重点规划区保护。

(1)土壤保持重要性评价。土壤保持评价模型根据通用土壤流失方程RUSLE估算潜在土壤侵蚀量(Ap)和现实土壤侵蚀量(Ar)，土壤保持量(Ac)为两者差。计算式见式1，根据自然间断点分为五个等级。

Ac=Ap-Ar=R×K×LS-R×K×LS×C×P=R×K×LS×(1-C×P)

(1)

将林地、草地、水田、旱地的C值分别赋值为0.02、0.03、0.12、0.31，其他土地利用类型赋值为0；将水田和旱地的P值分别设定为0.15和0.40，林地、草地和未利用地设为1，水域、建设用地和湿地设为0；R值运用降水量的数据进行空间插值；LS利用GIS表面分析工具，参考已有研究公式计算得出，K值根据土壤各组分含量计算得出[7]。

(2)碳储量重要性评价。碳储量评价模型结合生物量与蓄积量的关系推算得到地上地下碳储量数据，使各个栅格单元都有对应的土地利用/土地覆盖类型(LULC)代码，通过Invest-Carbon模块进行处理运算得到结果[8-9]。

(3)水源涵养功能重要性。水源涵养评价在 InVEST 模型中输入地表蒸发、植物蒸腾、降水和土壤性质等参数计算产水量，并运用土壤饱和导水率、地形指数和流速系数对其进行修正，得到水源涵养量。具体计算公式为：

(2)

式中，R为水源涵养量；Ve为流速系数，通过查阅文献根据土地利用类型进行赋值[10]；TI为地形指数，无量纲，由坡度、集水区数据计算获得；Ksat为土壤饱和导水率，由土壤性质决定；Y为年产水量，由年平均蒸散发量和降水量的相关公式计算获得[11]。

(4)生态重要性综合评价。结合土壤保持、碳储量、水源涵养3个评价指标，由ArcGIS栅格计算器加权叠加各因子分值得到生态系统服务功能重要值，评估结果根据自然断点法分为不重要、一般重要、较重要、重要、极重要5个等级。

1.4 阻力面构建

物种、能量在空间中迁移、流动时，会受到自然干扰或人为活动的影响，土地利用能够反映人类活动对生态安全与生态环境质量的影响，是影响生态安全格局的主要阻力因子[5]；将土地利用覆被、高程、坡度作为阻力因子构建景观生态安全阻力面，利用层次分析法(AHP)确定各因子权重，按照表1将高程因子分为5个等级，坡度因子分为5个等级，土地利用覆被为7个等级(表1)[12-14]。

表1 阻力因子系数Tab.1 Resistance factor coefficient of ecological security pattern

根据河池市土地利用类型图和DEM数据，结合各单因子阻力赋值和权重，利用ArcGIS的Spatial Analysis功能模块中的Reclassify工具对单因子进行赋值，再用raster calculator工具进行加权叠加，构建最小累积阻力面。

1.5 生态节点及廊道提取

生态廊道是指在自然环境中呈带状或线型布局、沟通连接较为分散和孤立的生态景观单元的生态系统空间类型，为物种的迁移、扩散和交换提供通道。借助最小累积阻力模型(MCR)计算最小累积耗费距离，提取生态源地之间的廊道。该模型运用 ArcGIS 的空间分析功能，公式为：

(3)

式中，MCR为最小累积阻力值；f为空间中任一位置的最小阻力值和其到全部源的距离以及景观基面特征之间的正相关关系；Dij为物种从源地j到目标地i穿越的空间距离；Ri为景观单元i对物种移动的阻力；m为景观单元总数；n为源总数[15]。

基于已识别的生态源地，将主要生态源地的中心点作为生态节点，根据阻力面和生态节点，运用ArcGIS的cost distance工具计算生态节点在市域范围内扩张的累积阻力值。通过cost path工具得到两生态节点间的最小耗费路径，生成廊道。

2 结果与分析

2.1 源地识别

生态系统服务功能综合性评价结果(图1)显示，河池市生态系统服务功能较重要区较为分散，面积达8 774.25 km2，占研究区总面积的26.19%。生态服务功能重要区是生态服务价值极重要区的边缘延伸，主要分布在天峨县东部、南丹县东南部、环江毛南族自治县东北部、凤山县南部以及大化瑶族自治县和东兰县，面积约为3 558.75 km2，占研究区总面积的10.6%。生态极重要区面积为1 566.4 km2，约占研究区总面积的4.68%，为城市生态健康稳定发展提供了重要的服务保障。

图1 生态系统服务功能重要性Fig.1 Importance of ecosystem services

筛选生态系统服务功能极重要区，剔除散碎和生态服务价值功能相对较低斑块，将连通性好、斑块面积大的生态系统服务功能极重要区域作为生态源地。筛选后得到河池市生态源地面积为1 347.68 km2，占研究区总面积的4.05%。

从地理空间角度看，生态源地主要集中于河池市中部和西部，在天峨县东部、东兰县、凤山县、环江毛南自治县西南部、都安瑶族自治县等地区分布较为集中，主要为打狗江、刁江、红水河等重要水系沿岸。这些区域生态系统服务功能好，生境质量高。

从用地类型角度看，林地为生态源地的主要用地类型，占总生态源地面积的88.6%；其次是耕地、园地和草地，占总生态源地面积的 9.01%；建设用地和未利用地大部分是非生态源地，少部分靠近河流水域、自然保护区和地质公园，生态服务价值有所提高，成为生态源地的一部分。

2.2 廊道识别

河池市共有17条廊道，呈网状分布，总长度约为698.34 km。河池市生态廊道经过大部分林地、湿地、自然保护区，避开非生态用地、建设用地，与河流水系形态关系密切。生态廊道连通各生态源地，使河池市生态系统内部高度关联，并呈现生态空间格局的整体性、稳定性。

3 生态安全保障的主要路径

本文从优化河池市绿色基础设施网络角度出发，依托识别出的生态源地、生态节点、生态廊道，评估河池市生态安全现状，指出提高河池市生态系统整体性、系统性需要重视的生态建设保护区，并提出保障生态安全的主要路径。

生态建设区主要包括凤山—东兰生态绿地区域、大化—都安湿地林地区域、龙江—打狗江水源涵养区域、环江毛南生态林区域。凤山—东兰生态绿地区域生态源地较为集中，包含3个生态节点，且穿插多条生态廊道，凤山岩溶国家地质公园、乐业—凤山世界地质公园和东兰县国家地质公园均位于该区域，提高了区域生态系统服务功能；大化—都安湿地林地区域跨越大化瑶族自治县和都安瑶族自治县，同时位于红水河和澄江流域，包含多个地质公园，湿地、林地资源充足，具有较强的水源涵养功能；龙江—打狗江水源涵养区域位于龙江和打狗江流域，是河池市主要流域，为土壤保持和水源涵养功能提供了较高的服务价值；环江毛南生态林区域布有一个生态节点，同时是木伦自然保护区和环江文雅地质公园的所在地，生物资源丰富，为地区的各生态服务功能都提供了较高的服务价值。河池市生态源地如图2所示，河池市生态源地—廊道—节点分布如图3所示。

图2 河池市生态源地Fig.2 Ecological source of Hechi City

图3 河池市生态源地—廊道—节点分布Fig.3 Ecological source corridor node distribution of Hechi City

针对凤山—东兰生态绿地区域，可大力发展城市绿地，在实用功能方面除作为休闲游憩的场所，在发生重大灾害时作为城市减灾防灾的基础设施，还可以为抢险救灾提供有效的救治收容空间[16-18]，提供维持生物多样性功能；针对大化—都安湿地林地等大面积林地分布地区，同时也是自然保护区与国家公园的聚集区，可大力推进封山育林工程、湿地绿化工程等生态修复重建项目，加大生态屏障的生态林带保护力度以巩固水土保持功能，形成重要的生态保育区；另外，针对龙江—打狗江水源涵养地区，应全面截污清污，加强入河排污口的治理与定点监测，实施疏浚河道、水源涵养林建设工程、江河湖库与水源地保护修复工程、生态护岸工程多措并举；环江毛南生态林地区应加大退耕还林植被修复力度，加强防护林的培育治理工作，积极推行绿色产业经济循环发展，提高自然灾害防御能力，保障生态安全；以上，河池市应建立生态保护信息系统，动态监测生态安全问题，完善生态补偿制度，综合提升生态安全可持续发展水平。

4 结论

本文聚焦河池市的生态本底情况，基于阻力因子和生态系统服务功能重要性提取生态源地和生态廊道，评价河池市生态安全保障，以期提高河池市生态安全指数，为融入生态文明先行示范区建设提供科学依据与决策参考。

(1)河池市生态源地面积为1 347.68 km2，占全市面积的4.05%。主要分布在河池市的西部和中部，东兰县、天峨县东部、凤山县、环江毛南自治县西南部、都安瑶族自治县等地区，且在罗城县零星分布，以及在打狗江、刁江、红水河等重要水系沿岸，这些区域生态系统服务功能好，生境质量高。

(2)河池市共有17条廊道，呈网状分布，总长度约为698.34 km。河池市生态廊道经过大部分林地、湿地、自然保护区，避开非生态用地、建设用地，与河流水系形态关系密切。各类生态系统服务间具有高度关联性，加强了生态源地之间的连通性。

(3)本文从加强河池市生态安全保障的角度出发，提出基于生态服务重要性的生态安全保障思路，强化生态源地与生态廊道的紧密关联，生态源地内维持生态系统服务功能，保护生物多样性，生态廊道上加强绿色基础设施建设，维持生态源地内部及生态源地之间的物质能量流动，为保障国土空间规划中生态空间保护与提升提供一定的参考依据。