基于最小阻力模型的山西省国土空间生态安全格局研究

原 野，任迎香，高国卿，高 嫄，赵艺芳

（1.山西财经大学公共管理学院，山西 太原 030006;2.山西财经大学矿区生态修复研究中心，山西 太原 030006）

新时期国土空间生态修复的核心是整体保护与系统治理，强调生态保护修复与社会经济发展耦合关联的系统性、协同性。彭建等（2020）提出了国土空间生态保护修复的“格局与过程耦合—时空尺度—生态系统服务—景观可持续性”的研究路径。王军等（2020）分析了当前国土整治与生态修复工作中存在的不足，并提出了新时代国土整治与生态修复转型的路径和策略。总之，目前学术界对国土整治与生态修复展开了一定研究，但针对国土综合整治与生态修复的核心问题，譬如如何构建国土空间生态安全格局、如何进行国土空间综合整治分区等问题则尚处于探索中。山西省是华北地区重要的生态屏障，在经济建设过程中，山西省出现了生物多样性破坏、空气质量差等一系列问题，山西省生态安全面临巨大挑战。鉴于此，本研究以山西省为研究区，基于生态安全格局理念，从生态本底与人类需求角度出发，结合研究区特点，利用最小累积阻力模型提取生态廊道，研究适合于山西省情的生态安全格局，以期为山西省生态安全保护提供理论依据。

1.研究区概况

1.1 区域选择

山西省位于中国内陆地区，总面积15.67×100 km2。地势以山地、丘陵为主，大部分地区海拔在1000 m 以上，山地丘陵面积占陆地国土空间的80%，高原、盆地等平川河谷占比20%。境内河流水系发育，多以季节性河流为主。属温带大陆性气候，四季分明，光照水热条件好，生物资源多样性丰富，适宜人类生产生活。

1.2 数据来源与预处理

本研究采用的数据主要包括社会经济数据、土地利用数据、DEM 高程数据、NPP 植被净初级生产力数据等。土地利用和植被覆盖数据来源于地面监测和地理空间数据云的Landsat-8影像数据，空间分辨率为30 m。DEM 高程数据下载自地理空间数据云，空间分辨率为30 m。利用该数据在ARCGIS 计算研究区坡度、坡向等地形地貌因子，参与土地利用分类。社会经济数据来源于《山西省统计年鉴》。

1.3 研究方法

本研究主要通过源地提取、阻力系数确定、识别生态廊道，最后运用MCR 模型构建生态安全格局。最小累积阻力指扩展主体从源经过不同阻力的景观阻抗到达目的地所消耗的费用或克服阻力所作的功。基本公式如下:

式中，D 为距离，R 为阻力系数。

2.山西省主要生态环境问题

2.1 生物多样性破坏

山西省自然环境资源复杂多样，造就了生物种类多样性。山西省森林资源贫乏，以人工林为主。森林的不适度砍伐对生物多样性造成了巨大破坏，森林过度开采还会造成严重的水土流失。山西省水土流失面积占全省总土地面积的69%，很大程度影响了山西省境内的生物多样性。此外，又因为人类生产生活进行的不合理开垦、放牧等，草地植被破坏极其严重，生物多样性富集的功能极大地消退。

2.2 环境空气质量差

山西省空气质量状况极差，SO2平均浓度的绝对值在全国排前列，环境改善压力大。2018 年，11 个地级市重污染天数平均为14 d，占全年有效监测天数的3.9%，比2017 年下降1.4个百分点，但仍未达国家二级标准。

2.3 水生态破坏

山西省是京津冀地域重要的水源涵养地和生态安全保护屏障，面临巨大的水生态环境改善压力。我省各主要河流中下游水质相对较差，流经城镇和工业发达地区的河段污染相对严重，水质污染导致可用的水资源减少，又很大程度地加剧了水资源供需矛盾。

2.4 矿山环境破坏

山西省是我国第一产煤、运煤和进出口大省及能源动力重化工基地。山西省煤炭储量居全国之首，是世界六大煤炭基地之一，矿产资源极其丰富。山西省煤炭开采区面积接近1000 km2，采空区面积高达5000 km2，引发了严重的地质灾害，给居民的生产生活带来极其不利的影响。

3.山西省国土空间生态安全格局构建

3.1 阻力系数确定

参考规划《山西省国土空间规划》等系列文件，以及研究区区域现状，确定本阻力系数。

3.2 生态源地识别

生态源地是区域内生境质量较好的地区。本研究生态源地通过叠加生态敏感性评价和生态服务重要性评价来识别。

3.2.1 生态敏感性评价

参考相关研究成果并结合山西省自然环境因素，选择土地利用类型、高程、坡度、坡向等 4 类指标作为评价因子，构建本研究的生态环境敏感性评价指标体系。借助ARCGIS 软件，对山西省进行了生态敏感性单因子评价和综合评价。基于本研究构建的评价指标体系，利用ARCGIS 软件计算得出生态敏感性空间分布总体评价图。

3.2.2 生态服务重要性评价

基于研究区自然条件和生态状况分析，本研究选取固碳服务、生境质量对山西省生态服务重要性进行评价，并用自然断点法将生态用地分五个等级。

固碳释氧能力用NPP 表示，除了河流湿地湖泊等水资源分布区域，固碳服务能力整体从东南向西北递减。生境质量通过InVEST 模型的Habitat Quality 进行测算。通过等权叠加固碳服务评价结果与生境质量评价结果，得到山西省生态服务重要性总体评价图。

表1 生态敏感性评价指标体系

3.2.3 生态源地识别

根据生态敏感性与生态服务重要性评价结果，对山西省生态服务重要性评价结果与生态敏感性结果进行等权叠加，形成生态保护重要性空间格局。本研究生态源地的确立遵循系列规划文件，结合山西省生态保护及自然保护区的状况，确定生态源地为面积较大的水系及林地中，以及生态保护极重要地区。

3.3 生态廊道提取

生态廊道是保证区域间生态流、物质流、能量流的关键生态用地，体现了源地的持续性和可达性。本研究选用最小累积阻力模型识别生态廊道。

基于创建的生态源地，提取各生态源地之间的低阻力通道作为生态廊道。识别出的研究区生态廊道共28 条，全长3044 km，呈南北向平行分布在研究区。研究区确立的廊道主要分布在河流水系沿岸及自然保护区周边，这些区域林地资源极丰富，生物资源丰富多样，生态环境良好，适宜生物生存发展。

3.4 生态安全格局构建

经过对生态源地的确认与生态廊道的提取，形成了研究区最基本的生态安全格局。以各级生态源地作为基本控制源点，生态廊道的空间衔接与分布为重要依据，对各生态要素进行空间结构布局优化，形成研究区点-线-面的生态安全格局。

图1 生态安全格局

4.结论

本研究针对山西省生态系统特征，构建了山西省生态安全格局，形成了以生态源地为重心，生态廊道为连接的“点-线-面”三位一体生态安全格局，整体呈现“两横多纵”态势。经过建立整体生态保护体系、生态修复体系和廊道体系，实现山西省整体生态性能的提高，加快山西省生态安全格局体系构建工作。山西省生态保护体系建设应重点完善省内现有的生态保护重要区为主，生态修复体系应重点增强汾河流域综合整治和生态修复力度，加强上游水源涵养建设，注重加强林地管理体系，推进低质低效林改造，降低水土流失面积。本研究结合山西省现有的生态保护体系，构建了山西省生态安全格局，为城市未来发展格局规划提供了理论基础。本研究仅采用一般的MCR 模型进行廊道识别及生态安全格局构建，缺乏一定的科学创新。由于技术有限，本研究所采用的数据为2015 年山西省土地利用图，数据较陈旧，对研究结果有一定影响。