生态重要性视角下东北林区县域生态安全格局研究——以呼伦贝尔市阿荣旗为例

李伊彤， 荣丽华， 李文龙， 程 磊

（1.内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特 010051；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；3.内蒙古财经大学，内蒙古 呼和浩特 010070；4.中国科学院地理科学与资源研究所/陆地表层格局与模拟重点实验室，北京 100101）

县域生态空间承担着“上承格局、下引实施”的重要作用，是国家生态空间规划与生态修复的关键层级［1］，通过构建生态安全格局（ESP）合理引导生态空间健康、可持续发展成为缓解经济发展与环境保护矛盾的重要手段［2］。东北林区县域生态环境本底质量良好，但是随着人类活动的加剧，致使出现生态用地规模减少、生物多样性下降、景观格局破碎化等威胁生态安全的问题［3］，如何保障国土生态安全成为当下林区县域可持续发展过程中亟需解决的问题之一。生态系统服务功能是人类赖以生存与发展的基础［4-5］，只有科学的评价生态系统服务功能，才能合理构建县域生态安全格局，为林区生态格局优化和生态功能提升提供科学依据。

生态系统服务直接或间接为人类提供生存补给的基础功能［6］，是度量生态系统健康程度的重要因子［5,7］。随着生态系统服务功能评价相关研究不断深入，评价模型方法也逐渐多元，主流方法有当量法［8］、InVEST模型［9］、净初级生产力（NPP）评估法［10-11］等。随着国土空间规划的快速推进，生态系统服务功能重要性评价成为“双评价”［12］、生态保护红线划定［10-11］中衡量国土生态安全的重要指标，通过定量评估研究区各项生态服务功能［11,13］，得出生态系统服务功能重要性区划，为保障国土生态安全提供空间依据。从狭义角度而言，生态安全是生态系统健康水平与生态系统完整性的集中体现，从广义角度而言，是人类生存能力不受环境威胁的能力，是集合人工与自然的复合巨系统［14］。生态安全相关研究多以人类开发自然资源的规模和阈限为视角，研究水资源［15］、土壤［16］、生态系统健康状态［17］等对人类生存与发展的影响。随着国土空间规划工作的全面展开，国土开发格局优化提升至战略高度，生态安全格局作为三大战略目标之一［18］，是区域国土空间开发战略落实的重要依据［19］。国内外学者以生态安全格局为手段，提高地区生态环境质量，调控生态过程［20-21］，保证区域健康可持续发展［22］。目前生态安全格局构建思路逐步形成“生态源地-生态阻力面-生态廊道”研究框架［23］，主流的分析模型为最小阻力模型（MCR），通过累积阻力值计算，识别源地之间的最小成本路径［12,24］，却忽略了生物随机游走的特性，从而不能反映生态廊道的真实宽度［25］。因此，本研究选择电路理论识别生态廊道［25-28］，以构建阿荣旗生态安全格局。

本文针对阿荣旗生态空间结构破坏、功能退化、人地关系矛盾突出等一系列生态安全问题，定量评估研究区水源涵养生态服务功能［13］、生物多样性生态服务功能［13］、防风固沙生态服务功能［29］、水土保持生态服务功能［13］，以此为基础识别重要生态空间核心区作为生态源地［5,30］；并运用电路理论识别生态廊道，利用Linkage Mapper 工具和Circuitscape软件（http://www.circuitscape.org/）识别生态廊道、夹点和改善区［25-28］，通过与土地利用的比对校核，实现点、线、面的生态安全网络构建，以期为小区域国土空间优化、生态空间规划、生态修复等空间发展策略的制定提供理论与方法上的支撑。

1 研究区概况

阿荣旗（122°02′～124°05′E，47°56′～49°19′N）位于内蒙古自治区呼伦贝尔市东南部，背靠大兴安岭，是呼伦贝尔市连接东北三省的南大门，下辖8个建制镇、4 个少数民族乡、7 个地方林场、2 个国营农场，共有148 个行政村。旗域总面积约13600 km2，截至2019年末，全旗总人口约32×104人。全旗地势由西北向东南阶梯式下降，海拔198～1149 m。阿荣旗境内有耕地314400 hm2，优质天然草牧场156467 hm2，林地594667 hm2，森林覆盖率达到54.2%（图1）。阿荣旗下辖索尔奇国家湿地公园，具有重要的生态服务功能。农业空间主要集中于阿荣旗中部、南部，生态空间主要集中于旗域北部及东部。阿荣旗北接大兴安岭，林业资源丰富，生态环境质量良好，具有东北林区旗县典型生态环境特征。

图1 研究区概况Fig.1 Overview of the study area

2 数据与方法

2.1 数据来源

1998—2018 年气温、降水、风速和太阳辐射等气象类数据源自国家气象科学数据共享服务平台（http://data.cma.cn/），通过克里金插值法得出空间分布栅格，插值精度控制在30 m×30 m；数字高程模型（DEM）数据取自空间地理数据云平台（http://www.gscloud.cn/），采用30 m×30 m 精度，用作地形要素分析；2018年土地利用数据来源于资源环境科学与数据中心（https://www.resdc.cn/），采用30 m×30 m精度数据；2018 年Landsat-8OL 遥感影像数据来源于空间地理数据云平台（http://www.gscloud.cn/），全波段30 m×30 m 精度栅格数据；土壤栅格数据（1:1000000）来源于联合国粮农组织和维也纳国际应用系统研究所构建的世界土壤数据库（HWSD）（http://www.fao.org/soils-portal/soil-survey/soil-mapsand-databases/harmonized-world-soil-database-v12/en/）。

2.2 数据处理

（1）CASA模型估算NPP

基于CASA（Carnegie-ames-stanford approach）模型［31-32］估算阿荣旗2005、2010、2015 年和2018 年NPP，将植被类型、时间序列归一化植被指数（ND⁃VI）、月均温、月总降水、月总太阳辐射导入基于EN⁃VI 平台的NPP 计算插件，得出30 m×30 m 的NPP 数据，由于CASA 模型较为适用于大尺度空间NPP 计算，对于旗县尺度需要进行数据校正。将计算出的数据与资源环境数据云平台同期1000 m×1000 m栅格数据均质化同位置采样20组计算矫正参数，求得校正参数值为0.872，随即对CASA 模型计算出的NPP 进行0.872 倍校正，以期更加准确地反映空间分布。

（2）土壤渗流能力因子（Fsic）计算

根据土壤质地类型，将不同土壤质地赋值。运用ArcGIS 软件打开世界土壤数据库（HWSD），将T_USDA_TEX 字段分类赋值，并归一化处理，得到土壤渗流因子栅格图。

（3）土壤可蚀性因子（K）计算

式中：KEPIC为修正前的土壤可蚀性因子；K为修正后的土壤可蚀性因子；mc、msilt、ms和orgC 分别为黏粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.05 mm）、砂粒（0.05～2 mm）和有机碳的百分比含量（%）。

（4）多年平均气候侵蚀能力（Fq）计算

式中：Fq为多年平均气候侵蚀力因子指数值；u为2 m高处的月平均风速（m·s-1）；ETPi为月潜在蒸发量（mm）；Pi为月降水量（mm）；d为当月天数（d）；Ti为月平均气温（°C）；ri为月平均相对湿度（%）。潜在蒸发量、月降水量等气象数据均采用克里金插值法计算。

2.3 研究方法

本研究在梳理了生态系统服务功能重要性评价与生态安全格局相关研究的基础上，形成了以生态重要性评价为基础的林区县域生态安全格局研究框架（图2）。（1）在生态重要性评价部分，采用以NPP 为基础数据的评价方法，计算阿荣旗各项生态服务功能栅格，得到生态服务功能区划的同时，为生态源地识别提供支撑；（2）在生态源地识别方面，对生态重要性评价结果实现景观形态空间格局分析，识别“核心区”作为基础生态源地；（3）在阻力面构建方面，综合分析阿荣旗生态阻力因子与人工威胁因子，通过加权叠加构建综合阻力面；（4）运用电路理论模型方法，识别阿荣旗生态廊道、夹点以及改善区。最终构建出点、线、面要素集成的林区县域生态安全格局。

图2 技术路线Fig.2 Technology route

2.3.1 生态源地评价生态源地是生物扩散、维持的“源”点，一方面为系统提供基础的生态服务，另一方面维持景观格局形态完整性、保障生态安全［33］。本文以30 m×30 m 的NPP 为基础数据，定量评估阿荣旗水源涵养生态服务功能［13］、生物多样性生态服务功能［13］、防风固沙生态服务功能［29］、水土保持生态服务功能［13］，计算过程如表1 所示。采用层次分析法计算4项生态服务功能权重，将其依0.30、0.25、0.25、0.30加权叠加，得出生态重要性评价结果。依托评价结果提取生态极重要区赋值为1，其他区域赋值为0，运用景观形态空间格局分析（MSPA）模型设置边缘宽度为2，将生态极重要区域的核心区作为基础生态源地，由于阿荣旗下辖索尔奇国家湿地公园具有重要生态服务功能，因此也将其纳入生态源地范畴。

表1 生态服务功能评价Tab.1 Evaluation of ecological service function

2.3.2 生态阻力面构建在自然生态系统中，物质和能量的流动传递以及物种的迁徙流通会受到土地覆被类型、生态环境因素、人为干扰因素的影响，从而对生态连通过程产生一定阻力［34-35］。本文根据阿荣旗生态环境特征，结合专家意见及相关文献［12,25］，从生态阻力维度与生态威胁维度共遴选8项指标因子，作为生态廊道构建的阻力因素，运用专家打分法为阻力因子赋权重（表2），通过各因子加权叠加，得到综合生态阻力因子。

2.3.3 基于电路理论的生态廊道分析生态廊道是指线性的、连接网络中心和重要节点斑块资源的廊道，为动植物的迁徙、繁殖等过程提供了通道和场所［22］。本研究基于电路理论中连接模型与随机游走模型估算最小成本路径［36］，以ArcGIS 为分析平台，调用Linkage Mapper 中Linkage Pathways Tool 模块，采用“成对”模式识别节点之间的最小成本距离，识别阿荣旗关键生态廊道与潜在生态廊道；随后，调用Pinch Point Mapper工具迭代计算累积电流值，累积电流值高的区域表征物种在生态廊道中“流通”的关键节点区，即为“夹点”区域；最后，运用Barrier Mapper工具，通过障碍分析得到“源点”间生态廊道的改善系数，即系数越大，需要通过改善增强廊道连通性的必要程度越高［36-37］。

3 结果与分析

3.1 生态服务功能区划

通过生态服务功能计算，运用自然间断点法将评价栅格分为2 类，确定阿荣旗生态服务功能区划。结果表明，阿荣旗水源涵养功能区面积为1554.85 km2，占全旗面积的14.04%；水土保持功能区面积为2904.52 km2，占全旗面积的26.22%；防风固沙功能区面积为1121.00 km2，占全旗面积的10.12%；生物多样性功能区面积为621.82 km2，占全旗面积的5.62%。由于各类生态服务功能区划之间存在交集，因此将相交部分定义为复合生态服务功能区，其余不相交区域为单一生态服务功能区，阿荣旗防风固沙功能区面积为24.38 km2，水土保持功能区面积为1294.03 km2，生物多样性保护功能区面积为35.45 km2，水源涵养功能区面积为287.55 km2，复合生态功能区面积为1787.91 km2，生态服务功能区占全旗面积的30.96%（图3）。

图3 生态服务功能区划Fig.3 Zoning of ecological service functions

通过对水源涵养重要性、水土保持重要性、防风固沙重要性、生物多样性保护重要加权叠加得出生态重要性评价栅格，并将其通过自然间断点法分为极重要、重要、一般重要（图4）。生态极重要区面积4181.66 km2，占全旗面积的37.80%，生态重要区面积2174.50 km2，占全旗面积的19.80%，两者共占全旗面积的57.60%，阿荣旗整体生态系统服务功能重要性较高。生态极重要区主要分布于阿荣旗北部林区，为地区生态系统健康提供保障，生态一般重要区主要分布于霍尔奇镇、亚东镇、兴安镇等以农业生产为主的区域，农业生产对地区生态系统服务功能影响较小。

图4 生态服务功能重要性评价Fig.4 Evaluation of the importance of ecological service functions

3.2 生态源地识别及分析

运用MSPA模型识别生态服务功能评价结果的核心区，选取面积大于500 hm2的生态核心区作为生态源地；通过分析共识别生态源地32 块，为了使源地的识别更加准确，本研究在生态重要性评价结果的基础上，选择国家自然保护区、国家级森林地质公园等作为生态源地。综上，阿荣旗共提取生态源点33个（图5）。乔木林地是生态源地的主要用地类型，占生态源地总面积的87.93%，其次是灌木林地、旱地、天然牧草地，分别占生态源地面积的5.20%、2.67%、1.43%；建设用地由于其生态服务功能较差，绝大多处于区域非源地范围，占生态源地总面积的0.0012%，主要分布于乔木林地、灌木林地等用地周边，为生态空间保护起到缓冲作用，因此也将其纳入生态源地范畴之内。

图5 基于MSPA模型的生态源地识别Fig.5 Ecological source identification based on MSPA model

3.3 生态廊道分布及特征

生态廊道连接生态源地（源点），保证地区景观完整性的同时增强地区生态效益，是保障区域生态安全的重要线性空间。研究区生态廊道主要分布于阿荣旗北部的森林区域，基本避开中部农田区域，呈现“北密南疏”的空间分布形态。分析可知，研究区连接33 块核心源地有73 条生态廊道，其中关键廊道62 条，潜在生态廊道11 条（图6）；生态廊道总面积为1884.80 km2，占全旗面积的13.85%。

图6 生态廊道分布Fig.6 Distribution of ecological corridors

从土地利用角度分析（图7），生态廊道中林地占据绝对主导地位，占廊道总面积的58.36%；草地处于生态廊道边缘，起到缓冲区的作用，占廊道总面积的16.04%；潜在生态廊道用地主要以耕地、水域为主，在生态修复过程中可有针对性提升农田、水域的生态服务功能，提升区域景观格局完整性；园地、建设用地、未利用地占比较小，分别占廊道总面积的0.75%、1.28%、0.62%。

图7 生态廊道中土地利用类型Fig.7 Land use types in ecological corridor

3.4“夹点”区域及生态改善区识别

通过自然断点法将累积电流值分为3 类，值域最高的区域视为夹点区域（图8）。分析可知阿荣旗夹点区面积共71.25 km2，其中夹点区域主要分布于阿荣旗西北部，东北部夹点较少，生态网络联通性较差；南部小型生态源地在生态系统中发挥着“踏脚石”作用，故而南部、东南部夹点较为集中且呈线性分布。根据夹点区空间分布状态，提取出38个夹点用于生态保护与改善。

图8 夹点区域空间分布Fig.8 Spatial distribution of pinch point region

通过以500 m为搜索半径的移动窗口法计算各像元最大改进分值［37］，将结果采用自然断点法分为3 类，取最高值与次高值定义为一级改善区与二级改善区（图9）。分析得，一级改善区面积176.65 km2，由于阿荣旗南部农业、采矿业活跃，因此一级改善区主要分布于旗域东南部；二级改善区面积887.12 km2，主要分布于阿荣旗南部与西北部，围绕一级改善区布局，受居民点分布及农业发展影响。就整体而言，改善区主要结合潜在生态廊道分布，对该区域的改善及修复有助于地区生态安全状态的提升。

图9 生态改善区范围Fig.9 Range of ecological improvement

4 讨论

综上，阿荣旗生态环境良好，具有重要的生态服务功能，复合生态服务功能区呈现自东北至西南“带状”分布，水土保持功能区主要集中于旗域西北部，水源涵养功能区集中于旗域中部，形成了“一屏两片区”的生态系统重要性空间区划。识别阿荣旗生态源地、“夹点”以及改善区，形成多节点的空间分布状态，阿荣旗生态廊道网络化结构较为完整，呈“北密南疏”分布状态。以阿荣旗生态重要性评价为基础，构建由“点”、“线”、“面”景观生态要素构成的空间格局，最终形成“一屏两片区，一网多节点”的生态安全格局（图10）。由于阿荣旗“北林南农”的地理特征，生态空间格局南北分异较大。北部生态服务功能较高、重要生态廊道分布密集，区域内生态源地之间均有重要廊道相连接，生态系统稳定性、抵抗风险能力较强，但西北部仍然存在廊道相对狭窄的夹点，需通过降低周边生态阻力以提升廊道之间物质能量流通能力。南部生态服务功能较差、潜在生态廊道分布集中，以改善区、夹点为空间依据对潜在生态廊道实施生态修复，有利于增强地区生态系统完整性，保障地区生态安全。

图10 综合生态格局Fig.10 Integrated ecological pattern

本文以生态系统重要性评价结果依托，综合分析阿荣旗水源涵养生态服务功能、生物多样性生态服务功能、防风固沙生态服务功能、水土保持生态服务功能，构建林区县域生态空间区划的同时，基于生态阻力因素与生态威胁因素分析，以电路理论为研究方法识别区域生态廊道、夹点、改善区分布；在继承传统生态安全格局构建中“生态源地-生态阻力面-生态廊道”［12,23］的研究框架的同时，充分考虑了物种迁徙的随机游走性，为生态安全格局构建提供新思路。研究结论更加聚焦于小区域尺度，结果更加精细化，在国土空间规划背景下有利于县域生态修复的工程实施与空间导控政策制定。

在研究过程中存在如下不足：（1）由于阿荣旗气象站点分布较少，采用克里金空间插值法计算气温、降水、风速等要素栅格虽然可以宏观反应区域差异，但数据处理精度会造成一定误差；（2）以NPP为基础数据的生态系统服务功能重要性评价较为适用于大尺度空间计算，是否适用于小区域研究值得进一步探讨；（3）生态系统服务功能计算过程中，阈值、权重等参数的界定中均以人为主观经验为主导，虽经相关专家意见校核，但依然缺乏定量依据。

后续研究，需将NPP 法生态系统服务功能计算结果与InVEST计算结果校核，以期更加科学的反应生态功能区划。同时应加入对时间维度的研究，探讨地区生态安全格局形成的过程与机制，为今后的生态空间发展提供指引。

5 结论

基于生态服务功能评价及电路理论，通过对阿荣旗生态源地、生态廊道、夹点以及整体生态格局进行分析，得到如下结论:

（1）阿荣旗生态极重要区面积4181.66 km2，占全旗面积的37.80%，生态重要区面积2174.50 km2，占全旗面积的19.80%，两者共占全旗面积的57.60%，阿荣旗整体生态系统服务功能重要性较高。

（2）阿荣旗生态源地共有33 块，占地面积1141.00 km2，占全旗面积的10.30%，主要分布于旗域北部区域，乔木林地是生态源地的主要用地类型。

（3）生态廊道共73 条，其中关键廊道62 条，潜在廊道11 条，总面积为1884.80 km2，占全旗面积的13.85%，总长度约2496 km连接生态源地，生态廊道网络化结构完整，呈“北密南疏”分布状态。

（4）共识别夹点区面积71.25 km2，提取重要夹点38个，一级改善区面积176.65 km2，主要分布于旗域南部；二级改善区面积887.12 km2，主要分布于旗域南部与西北部。

总体而言，阿荣旗因丰富的林草资源，生态安全状况较好，对维护生态系统稳定提升地区生态环境质量做出重要贡献；但是，随着人类活动的加剧，生态连通性被破坏，一定程度上阻碍了生态服务功能的正常运行。因此，从生态安全格局入手，开展生态修复工程是生态空间规划中的重要内容。

致谢：感谢草原人居环境科学与技术创新人才团队对本研究的支持。