基于生态系统服务重要性的生态安全格局构建——江西省上饶市玉山县为例

●刘美娥，唐柏梁，程依凤

（江西省地质局二六六大队，江西 南昌 330103）

生态安全是指区域具有结构完整、功能健全、连续分布的空间布局形态，生态安全格局指保障生态安全的关键性保护地之间的构成、空间位置的联系的空间布局。学者俞孔坚构建的生态安全格局，是由源、缓冲区、源间联接、辐射道等景观组分组合形成的，并通过广东丹霞山国家风景名胜区的林中雉类物种进行实证研究[1]。在此基础上，相关学者围绕如何构建生态安全格局，从理论与实证方面进行了研究，完善了构建的方法体系，形成“识别源地—构建阻力面—判别生态廊道”的构建范式，也有学者将“生态断裂点”[2]、生态“夹点”[3]加入该方法体系中。识别源地、构建阻力面、提取生态廊道是近年来的研究重点，其研究成果广泛应用于城市规划、生态保护红线划定、城市增长边界划定等。生态源地是构建生态安全格局的基础，通常从形态学空间格局分析法（MSPA）、生境质量评估、生态系统服务重要性、生态环境敏感性等方面综合选取[4-6]。生态阻力面指物种在不同土地利用类型间迁徙时需要克服的阻力，受地形地貌、土地利用类型以及人为活动的影响[7-8]，通常采用最小累积阻力(MCR)模型和电路理论[9]提取生态廊道。

研究小组在借鉴以上学者研究的基础上，以上饶市玉山县为例，以“识别源地—构建阻力面—判别生态廊道”的模式开展相关研究。方法是通过生态系统服务重要性、自然保护地2方面识别生态源地，根据土地利用类型与DMSP/OLS夜间灯光指数建立生态阻力面，依据MCR模型提取生态廊道，从而构建生态安全格局，以期为玉山县国土空间规划提供借鉴参考。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

玉山县，隶属江西省上饶市，位于江西省东北部，纬度28°30′N～28°59′N，经度117°52′E～118°25′E，东界浙江省开化县、常山县、江山市，南接广丰区，西邻信州区、广信区，北毗德兴市，下辖16个乡（镇、街道），1个三清山管委会，总面积1732.33km2，主要地类为林地和耕地。玉山县属亚热带季风气候区，气候终年温和湿润，雨量充沛，日照时间长，有霜期短，四季变化明显。

玉山县地势西北高、东南低，形成“五山四丘一平原”地形地貌，境内主要山脉有怀玉山脉和武夷山脉，境内的河流金沙溪、玉琊溪是信江的两大源流。境内河道纵横，湖泊众多，水网密布；森林资源丰富，森林覆盖率达64.8%，包含自然保护区、森林公园等多种自然保护地，生境质量良好，物种丰富。

1.2 数据来源

土地利用现状数据来源于2019年玉山县第三次全国国土调查阶段数据，从玉山县自然资源局获取；DEM高程数据来自地理空间数据云，空间分辨率为30m，坡度数据通过对DEM数据处理得到；自然保护区数据来自玉山县自然资源局。

研究小组按土地用途将玉山县土地利用现状数据归类划分为7种：耕地、园地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地。各土地利用类型面积为：耕地面积271.69km2，占全县国土面积15.68%；园地面积为19.01km2，占全县国土面积1.10%；林地面积为1245.05km2，占全县国土面积71.86%；草地面积为3.63km2，占全县国土面积0.21%；水域面积为52.05km2，占全县国土面积3.00%；建设用地面积为139.59km2，占全县国土面积8.06%；未利用地面积为1.31km2，占全县国土面积0.08%。

1.3 研究方法

1.3.1 生态源地识别

生态源地是物种扩散和维持的源点。构建生态安全格局的首要步骤为识别生态源地。研究小组首先以生态系统服务重要性评价来识别具有重要生态功能的斑块，作为识别生态源地的主要依据。生态系统服务重要性评价是评价区域生态系统服务的重要性，生物多样性、水源涵养、水土保持重要性等生态系统服务功能越重要，生态系统越完整，生态系统服务重要性评价就越高。

在生态系统服务功能重要性评价结果的基础上，综合考虑玉山县的自然禀赋和社会经济发展，结合自然保护地数据，形成最终的评价结果，最后选取生态重要斑块作为生态源地，同时考虑到只有达到一定面积的生态源地才能更好地发挥其生态功能。因此，研究小组选取核心区面积大于2km2的图斑作为生态源地。

研究小组参考生态系统服务功能重要性评价的相关研究，选取生物多样性、水源涵养、水土保持重要性3个评价指标，采用层次分析法，确定各因子权重值，分别为0.25、0.45、0.30；再对上述评价因子赋值结果进行加权空间叠加分析；最后采用的分级方法为自然间断点分级法，此方法可识别数据的相似值，并进行最恰当地分组，最大化表现各级之间的差异。评价结果分为5个等级：重要、较重要、一般重要、较不重要、不重要。

（1）生物多样性

采用InVEST模型的生境质量模块进行生物多样性评估，生境质量可以反映某区域在某种环境下的生境类型或植被类型发展生存的能力[5]。生境质量模块计算公式如下：

式（1）中，Qxj为土地利用类型j中的斑块x的生境质量；Hj为土地利用类型j的生境的适宜性；Dxj为土地利用类型j中的斑块x的受到的总威胁水平；z为常数；k为半饱和常数，由用户设定其数值，取值为0代表受到最高威胁值。

（2）水源涵养

水源涵养是指生态系统拦蓄降水、调节径流，并通过蒸散发实现对水循环的调控。研究小组采用水量平衡法估算玉山县的水源涵养量，利用多年降水量减去地表径流、蒸散发量后，剩余水量作为水源涵养总量，并结合饮用水源保护区进行修正，公式如下：

式（2）中，Pi为降雨量；Ri为地表径流量；ETi为蒸散发量；Ai为i类土地利用类型面积；i为研究区第i类土地利用类型；j为研究区土地利用类型数。

（3）水土保持生态系统的水土保持量为潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量之差，公式如下：

式（3）中，A为水土保持量；R为降雨侵蚀力因子；K为土壤可蚀性因子；L为坡长因子；S为坡度因子；P为水土保持措施因子；C为植被因子，具体计算结果见表1、表2。

表1 土壤流失方程各因子计算说明表

表2 2019 年玉山县各类土地利用类型的水土保持措施因子（P）与植被因子（C）的数值表

1.3.2 生态阻力面构建

物种在生态源地间迁移所受到的阻力主要受土地利用类型、地形坡度和人类活动的影响。生态阻力面的构建是计算物种在克服阻力情况下扩散路径的基础[10]，阻力面设置是精确筛选出生态廊道的重要环节。研究小组参考相关文献[11-13]，以玉山县土地利用现状数据为基础数据，根据不同土地利用类型设定阻力值，构建生态阻力面（见表3）。

表3 玉山县2019 年地形坡度、各类土地利用类型的阻力值表

此外，人类活动干扰也是影响物种迁徙的重要因素，DMSP/OLS涵盖了交通、居民地等与人口、城市因子相关的信息，能够综合反映人类活动强度。因此，研究小组引入DMSP/OLS夜间灯光指数对生态阻力系数进行修正[14]。

式（4）中，R'为修正后的生态阻力系数；TLIi为栅格i的灯光指数；TLIa为栅格i对应的土地利用类型a的平均灯光指数；R为栅格i的基本阻力系数。

1.3.3 生态廊道识别

生态廊道（ecological corridor）是指线性或带状的、连接孤立分散的重要生态斑块的廊道，能够满足动植物的迁徙、繁殖。研究小组利用MCR模型模拟物种穿越不同景观基面的过程，该模型由Knaapen等[15]提出，俞孔坚[1]修正，模型计算公式如下:

式（5）中，MCR为最小累积阻力值；fmin为最小累积阻力与生态过程的正相关关系；Dij为物种从生态源地j到栅格i的空间距离；Ri为物种经过栅格i的阻力系数；m为阻力面栅格个数；n为生态源地的个数。

研究小组提取生态源地的中心点作为生态源点，使用ArcGIS中的Cost Distance工具和Cost Path工具，利用生态源地和综合阻力面，依次计算源点之间的最小成本路径，从而得到生态源地之间的生态廊道。

研究小组采用重力模型评价生态源地间的相互作用强度，判断研究区域生态廊道的相对重要性。相互作用强度值越高，生态源地之间的能量流动更容易，联系也就越紧密；相互作用强度值越低，表明生态源地之间的能量流动越困难。重力模型公式如下：

式（6）中，Gij为生态源地i与生态源地j之间的相互作用强度大小；Nj为生态源地j的权重值；Ni为生态源地i的权重值；Dij为生态源地i与生态源地j之间生态廊道标准阻力值；Pi为生态源地i的整体阻力值高低；Pj为生态源地j的整体阻力值高低；Si为生态源地i的面积；Sj为生态源地j的面积；Lij为连接生态源地i与生态源地j所形成的生态廊道的阻力值；Lmax为研究区内所构建的全部生态廊道阻力值的最大值。

2 结果分析

2.1 重要生态源地分布

研究小组将数据进行归一化处理，得到生态系统服务重要性评价结果数值在1～5范围，划分为5个等级，分别为：重要、较重要、一般重要、较不重要、不重要（见表4）。

表4 2019 年玉山县生态服务重要性等级面积及占比表

生态系统服务重要性评价结果表明2019年玉山县生态重要区面积为263.40km2，占全县国土面积的15.21%，重点分布在三清山国家地质公园、怀玉山国家森林公园、信江源省级自然保护区等区域，主要是为保障物种多样性，防止水土流失，三清乡、枫林镇、南山乡、双明镇、冰溪街道等乡镇分布集中。生态较重要区面积为644.48km2，占全县国土面积的37.20%，沿生态服务重要区边缘延伸，分布在西北部植被覆盖较高的生态区。生态一般重要区面积为304.88km2，占全县国土面积17.60%，主要分布在玉山县东南部及中部地区，经过金沙溪、玉琊溪两大信江源沿岸，为城市用水安全、营养物质保持提供了有力保障。生态较不重要区以及不重要区分布零散，大多位于人口分布密集的城市建设区，面积分别为108.92km2、410.57km2。

在划分出的生态重要区剔除小于2km2的碎小图斑后，最终确定玉山县生态源地，共10块，并从1～10进行编号。生态源地总面积为211.14km2，占全县总面积的12.19%，以林地为主。生态源地主要集中在县域北部的枫林镇、三清乡、怀玉乡、双明镇，玉山县生态保护用地的集中分布区，生态环境质量现状较好。

2.2 生态阻力面分布

玉山县冰溪、文成、岩瑞等中部区域，高阻力值集聚成片，该区域土地利用类型主要为建设用地，社会经济水平较高，人类活动较频繁，对周围区域物种扩散产生一定阻力；阻力低值区域主要分布在玉山县北部、西北部，主要以林地为主，地势较高，生境质量较高，人为干扰较小，对物种迁徙产生的阻力干扰较小。

2.3 生态廊道与生态节点

生态廊道连通重要生态源地，增加区域的景观连通性，为物种迁徙提供通道。研究小组以生态源点为生态源地中心，结合生态阻力面，利用MCR模型和ArcGIS的cost path分析工具，识别玉山县生态廊道，剔除冗余廊道，结果表明，玉山县共有55条生态廊道，呈蛛网式辐射分布，总长度约561.96km，总面积为14.66km2。

研究小组根据各生态源地斑块间的相互作用力，将玉山县的生态廊道分为2个级别，相互作用力＞5的为重要生态廊道，主要分布在县域中部双明镇、南山乡、横街镇和县域南部怀玉乡、樟村镇，总长度约35.71km；相互作用力＜5的为一般生态廊道，分布于玉山县各个乡镇，总长度约526.25km。表5为2019年玉山县生态源地间相互作用矩阵表，描述生态源地两两间的相互作用力。从表中可以看出，玉山县生态源地间的相互作用力差异较大，其中，重要生态廊道有5条，生态源地4与生态源地5（分布在县域中部的双明镇）之间的相互作用力最大为105.3927，这表明这两个生态源地之间的阻力最小，最有利于物种迁移扩散、能量流动；一般生态廊道有50条，且大部分数值都比较低，这表明总体生态阻力较大，但也说明生态廊道建设潜力大。

表5 玉山县2019 年基于重力模型的生态源地间相互作用矩阵表

生态节点是为生态源地间物种迁移过程中提供落脚点，具有踏脚石作用，是除生态源地以外同样需要保护的斑块，是生态功能最薄弱处。研究小组根据研究区的实际状况，以重要生态廊道之间或重要生态廊道与一般生态廊道的交点作为一级生态节点，一般生态廊道之间的交点作为二级生态节点，得到生态节点的分布范围。一级生态节点落在生态源地，主要分布在双明镇、南山乡、三清乡等乡镇；二级生态节点落在生态系统服务较重要区域，主要分布在紫湖镇、枫林镇、南山乡等乡镇。

从生态廊道与生态节点的空间布局来看，研究区生态源地之间的廊道均不是两点之间最短的直线距离，且尽可能绕开了建设用地区；但有些北部与南部区域的生态源地，无法避开耕地或城市边缘区域，穿越这些人类活动频繁区域不可避免，随着城市的不断向外扩张，会威胁到这些生态廊道。因此，可以在生态廊道与交通道路相交处布设如高架桥、涵洞等生态流通道，在一定程度上减少物种迁徙中的死亡。

2.4 生态安全格局构建

研究小组以玉山县综合阻力面为基础，利用MCR模型和ArcGIS的cost path分析工具，识别生态廊道，形成玉山县生态安全格局。总体来看，生态廊道构成玉山县生态格局的主体“骨架”，是生态源地间的重要连接桥梁，是未来保护工作的重点。另外，玉山县东南部和南部的仙岩镇、下镇镇、六都乡几乎没有生态源地和生态廊道分布，后期可以增补生态源地，完善整体生态安全格局，缓解发展与生态之间的矛盾。研究小组就此提出“一屏、两带、双核、多点”方案，对玉山县生态安全格局进行优化，为玉山县生态保护修复提供依据。

“一屏”是指赣东—赣东北山地（怀玉山脉）森林生态屏障，位于生态系统服务重要区域，生态源地集中分布，物种丰富且自然生态资源良好。此区域围绕三清山、怀玉山等，在县域西北部形成连片的生态环境保护区域，保障赣东—赣东北三地森林生态屏障完整性，为玉山县的水土保持、保护生物多样性，提供了较高的生态服务价值。

“两带”是指江西三清山信江源湿地公园，主要为沿金沙溪和玉琊溪的两条生态流域带，构建生态安全体系，传动生态服务功能；此区域连通大部分生态源地，横穿多条生态廊道，可实现各类生态环境资源联动保护，形成相互贯通的网络格局，保障了区域的水源涵养功能。

“双核”是指江西三清山国家地质公园、江西省信江源省级保护区，可构建生态安全主要核心驱动单元；此区域是玉山县旅游产业重点发展区域，带动区域经济发展。

“多点”是指江西怀玉山国家森林公园多点分布于县域各区域，构建县域生态安全网络，提升县域生态服务功能。以怀玉山国家森林公园（怀玉山片区、天梁片区、武安山片区、峡口片区）为多点，可实现生态价值全面覆盖，实现生态价值转换。

3 结语

研究小组以江西省上饶市玉山县为研究区，基于生态系统服务重要性与自然保护地识别生态源地，基于土地利用类型和DMSP/OLS构建生态阻力面，识别生态廊道，从而构建了玉山县生态安全格局。玉山县生态源地总面积为211.14km2，占全县总面积的12.19%，以林地为主，主要分布在枫林镇、三清乡、怀玉乡、双明镇，空间分布不均，东南部地区斑块分布较小。生态廊道分为重要生态廊道和一般生态廊道2类，长度分别为35.71km、526.25km，呈蛛网式辐射分布，增强了生态源地之间的空间连通性。

文章所构建的生态安全格局，可为玉山县建设用地扩张与布局调整提供管控依据，为玉山县国土空间规划、开展生态保护修复重大工程提供参考。研究小组认为，生态安全格局中的生态源地、生态廊道应设为禁止开发区；对于赣东—赣东北山地（怀玉山脉）森林生态屏障，可大力实施水土保持工程，维护生物多样性；金沙溪和玉琊溪的两条生态流域带区域应加强控源减排、河道清淤与防洪工程建设，提升水环境质量；同时强化研究区森林公园、湿地公园、连片耕地、水源保护区等重要生态空间的管控。

由于难以获取相关数据，研究小组在识别生态源地或构建阻力面时只选择了几类主要因素，还需进一步对其他因子进行研究分析。河流和道路是重要的生态廊道类型，后期还需进一步就此展开研究。另外，生态廊道的宽度直接影响物种交流和能量流动，当宽度达到一定值时，才能体现廊道的生态功能。因此，确定生态廊道的最佳宽度，也是以后研究中需要重点探讨的问题。