基于生态系统服务价值的成德绵城市带生态安全格局研究

邓莹佳，侯兰功*，刘涛，王晶

1.西南科技大学土木工程与建筑学院

2.地球系统数值模拟教育部重点实验室,地球系统科学系,清华大学

近年来，随着中国经济迈向高质量发展阶段，美丽中国建设取得显著成就。然而，我国仍面临生态环境保护方面的结构性和根源性挑战，生态文明建设正处于压力叠加、负重前行、积极应对的关键时期，新的生态安全挑战不断涌现。因此，如何加强自然生态系统修复，落实生态安全保护制度，建立健全支撑保障措施，成为我国发展过程中关注的重点领域[1]。党的十九大报告明确指出，生态文明建设是关系中华民族永续发展的根本大计，提出实施重大生态修复工程，构建生态廊道和生物多样性保护网络，以改善生态环境，推进生态文明和制度体系建设。同时，完善国土空间生态修复规划，更好地解决生态安全问题[2]。

生态安全是国家安全的重要支撑和组成部分，其核心含义强调生态系统自身结构的完整性及生态系统对人类社会发展所起的支撑作用[3]。生态安全格局指自然生态系统中生态“源”地之间的潜在物质流动廊道共同构成的空间联系，对加强生态安全保障及区域可持续发展具有重要意义[4]。20 世纪80年代，生态安全问题由世界环境与发展委员会（World Commission on Environment and Development，WCED）、国际应用系统分析研究所（International Institute for Applied Systems Analysis，IIASA）正式提出，由此开展了以生态安全为核心的一系列研究。随着对生态问题的深入探索，相关研究多围绕保护地体系建立，着力构建及优化社会-生态系统耦合协同的生态安全格局，推动各关键生态景观组成的生态网络的保护和修复[5]。构建生态安全格局、识别生态廊道及生态网络，能有效连接自然斑块，保障生态过程，保护区域生物多样性，对完善生态系统服务功能，提高生态系统服务效能具有重要意义[6]。

当前，国内外已形成以“生态‘源’地-构建阻力面-构建廊道-构建安全格局”为整体的生态安全格局研究框架[7]。其中，选取生态“源”地和构建生态廊道是学者关注的核心问题。选取生态“源”地时，通常采用直接提取大面积绿地斑块[8]、考虑具有生态功能的土地类型[9]、最小面积阈值设定[10]、自然保护区[11]、采用形态学空间格局分析法[12]提取栖息地斑块、结合生态系统服务重要性和生态敏感性[13]、定量评估生境质量[14]等方法。提取潜在生态廊道常用方法有指数法[15]、图论法[16]、最小累积阻力模型[17]（MCR）、电路理论[18]等方法，其中MCR 模型是提取生态廊道的热门方法[19]，该模型能提取最小费用路径量化生态过程，是用于研究生态廊道、生态安全格局的重要模型，其应用更为广泛、成熟、稳定，具有较好的兼容性和普适性[20]。基于基础研究框架，众多学者将MCR 模型同其他模型相结合，逐渐丰富生态安全格局的研究[21-22]。如Li 等[23]采用生态系统“功能-动力学-结构”框架识别生态“源”地，利用灾害干扰风险指数对生态阻力面进行修正，运用MCR模型确定潜在生态廊道，利用空间缓冲区分析和重力模型确定其重要程度，提出了生态安全格局构建及优化的方法；Nie 等[24]利用形态学空间格局分析法结合MCR 模型，构建浙江省安吉县山地丘陵地区从县域到乡镇的生态网络，为缓解该地区建设扩张和生态保护之间的矛盾提供科学依据；Cui 等[25]针对武汉市生态安全面临的难题，通过生态敏感性评价、MCR 模型和缓冲区分析，构建和优化考虑社会公平需要的武汉市生态安全格局。上述研究丰富了构建生态安全格局的思路与方法，为开展生态安全保护与社会经济协调发展提供了科学的指引与参考，但已有研究往往更多关注自然条件，较少考虑到生态系统与人类系统的供给关系。

成都-德阳-绵阳城市带（成德绵城市带）作为我国成渝双城经济圈的社会经济重要发展区域，在快速城镇化的发展背景下，区域城镇化进程与相邻区域相比，具有明显优势。然而，在发展的过程中，往往容易忽视生态空间与生活、生产空间的平衡关系，从而进一步加大了区域内部的生态压力。笔者以成德绵城市带为研究对象，分析2010 年、2015 年与2018 年研究区生态系统服务价值（ESV）估算结果，根据2018 年的ESV，提取不同等级生态安全格局“源”地备选区，综合考虑自然、社会2 方面因素，选取距道路及河流的距离、归一化植被指数（NDVI）、高程、坡度、地形起伏度、土地利用、土壤侵蚀度8类因子，使用层次分析法计算得出各类因子权重，叠加构建生态“源”地综合阻力面，再利用最小累积阻力模型构建生态廊道，识别成德绵城市带的生态安全格局，并提出优化途径，以期为跨行政区生态环境发展、国土空间生态修复规划优化、筑牢地区生态安全屏障等提供参考。

1 研究数据与方法

1.1 研究区概况

成德绵城市带（102°54'E～105°43'E，30°05'N～33°03'N）地处四川省中北部、成渝双城经济圈西北部（图1），包括成都、德阳、绵阳3 个地级市，总面积约4.05 万km2。其海拔为255～5 363 m，地貌主要包括山地、丘陵和平原，整体地势呈现西北高东南低特征，地势复杂多样，地形起伏较大。截至2019 年，成德绵城市带林地、草地、湿地总面积分别为19 853.3、1 074.0、85.3 km2，水域及水利设施总面积1 474.2 km2，主要生态地类占全域面积的55.5%，拥有较为丰富的生态资源，但区域生态资源空间分布不均，生态用地呈现西北向东南减少态势。成德绵城市带内有龙门山、龙泉山形成的自然保护屏障，但城镇建设范围内生态完整性较差，生态屏障功能较脆弱，二者有明显的空间边界。成德绵城市带是成都平原城市群乃至四川省、成渝双城经济圈中产业经济发展高峰地带、重要经济增长节点。在新发展阶段，构建区域生态安全格局，有利于缓解生态环境与人居环境之间的矛盾，实现可持续发展。

图1 成德绵城市带行政区划和土地利用现状Fig.1 Location and land use/cover of Chengdu-Deyang-Mianyang city belt

1.2 数据来源

研究数据包括空间数据和社会经济数据。空间数据中的土地利用数据来自地理空间数据云（http://www.giscloud.cn/），分辨率为30 m，云量小于8%的2010 年Landsat 7 ETM TM、2015 年和2018 年Landsat 8 OLI 3 期遥感影像，使用ENVI 5.3、ERDAS等遥感软件对数据进行预处理；通过最大似然法对假彩色影像进行监督分类后得到，解译精度达86.6%，满足本研究分析精度要求。高程数据（DEM）从地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/）下载，分辨率为30 m。坡度和地形起伏度数据根据DEM 计算得到。NDVI 根据2018 年Landsat 8 OLI 影像数据，采用最大合成法计算得出，分辨率为30 m。主要河流、道路及土壤侵蚀度等数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)。社会经济数据主要包括全国及研究区的农田单位面积粮食产量、粮食作物总产值等农业数据，取自对应年份国家统计局网站（http://www.stats.gov.cn/）、《全国农产品成本与汇编》及省市的统计年鉴。

1.3 研究方法

1.3.1 生态“源”地识别

基于谢高地等[26]对中国生态服务价值的研究成果，结合农田平均粮食产量比值系数修正方法[27]，选取2010 年、2015 年、2018 年粮食作物总产值和粮食作物种植面积，计算得出单位面积粮食作物产值，并通过修正全国粮食产值得到研究区粮食产值。根据计算结果，修正生态系统服务价值当量因子。其公式为：

式中：η为生态系统服务当量修订系数；Q和Q0分别为研究区及全国的单位面积粮食产量，t/hm2；Ejk为研究区第k类土地利用类型中第j类生态系统服务价值当量因子；E0对 应全国第k类土地利用类型平均生态服务功能当量因子，其中k=1、2、3、4、5、6，分别对应林地、草地、耕地、沼泽、水域、未利用地。而城市生态系统所提供的生态系统服务价值较弱，因此本研究对城市系统的服务价值不作估算。

为反映生态系统对于区域的价值，选取生态系统服务中食物生产、原材料生产、气体调节、气候调节、水源涵养、废物处理、土壤形成与保护、生物多样性保护、娱乐文化9 项生态系统服务计算成德绵城市带自然生态系统的经济价值[28]。核算出2010年、2015 年、2018 年成德绵城市带单位面积粮食产量的自然生态系统经济价值分别为1 936.77、2 663.80、2 674.37 元/hm2，由此得出研究区的生态系统单位面积服务价值〔以2018 年为例（表1）〕。计算公式为：

表1 2018 年不同土地利用类型单位面积生态服务价值Table 1 Ecological service value per unit area of different land use types in 2018 元/hm2

式中：ESVj为 第j类生态系统服务价值，元；Sk为第k类土地利用类型面积，hm2；VCi j为修订后的生态系统服务价值系数，元/（hm2·a）；Ec为单位农田面积的自然生态系统经济价值，元/hm2；Ta为研究区的平均粮食产量，kg/hm2；Tb为研究区粮食平均价格，元/kg。

通过计算敏感性指数（CS）能够验证生态系统服务价值的合理性，将各项生态系统服务价值系数上下调整50%，对系数进行敏感性分析[29]。计算公式为：

式中：ESVi为调整后的单项生态系统服务价值；VCik为调整后的单项生态系统服务价值系数。CS>1，表示生态系统服务价值具有弹性；CS<1，表示生态系统服务价值缺乏弹性[30]。

生态“源”地指有利于生物多样性保护、生态环境可持续发展和生态安全保障的区域[31]。生态系统服务价值能够客观地反映生态系统为人类所提供的利益，ESV 越大，表明该用地类型对区域生态系统保护作用越大[32]。用ESV 判断生态系统功能强弱，以此确定生态“源”地。使用ArcGIS 软件的“冷热点”分析工具，分别提取99%、95%、90%置信水平的生态系统服务价值结果的热点区域，并剔除小于5 km2的斑块，作为低、中、高3 种安全水平的生态“源”地备选地。

1.3.2 最小累积阻力模型

从自然和社会两方面选取8 类阻力因子，包括高程、坡度、地形起伏度、距道路的距离、距水体的距离、NDVI、土壤侵蚀度、土地利用类型。参考已有研究[33]，运用层次分析法确定不同因子阻力面权重（表2），采用自然断点法确定各等级阻力因子系数与阻力值，叠加得到综合阻力面，阻力值越大，两“源”地之间生物流动受影响程度越大。

表2 生态阻力因子系数及权重Table 2 Ecological resistance factor coefficient and weight

MCR 是指生态系统中，运动的生物物种从某个“源”到目标所在地的过程中所需要消耗的总阻力的模型[34]。模型构建表达式如下：

式中：f为 MCR与 变量Drg和Rr之间的正比关系函数；Drg为 物质或能量从g到r的空间距离，km；Rr为某景观表面r的阻力数值。

1.3.3 生态网络评价

采取生态网络结构完整度评价方法对成德绵城市带生态网络整体情况进行评价，评价指标选取网络闭合度（α）、节点连接率（β）、节点连接度（γ），反映生态节点与生态廊道之间的数量关系，数值越大表明生态系统结构整体质量越高[33]，其计算公式为：

式中：L为 生态廊道数量，条；V为生态节点数量，个；α为网络闭合度指数，描述生态网络中回路出现的程度，数值越大表明可供物种迁移扩散的路径越多，网络中的流通性越好；β为节点连接率指数，用来描述网络中各节点的平均连接数，β>1 表明网络为树状结构，β=1 表明网络呈现单一回路结构，β<1 表明网络连接较为复杂；γ为节点连接度指数，描述网络中生态节点的连接程度，数值越大则连接性越高。

2 结果与分析

2.1 生态系统服务价值变化及敏感性特征

成德绵城市带2010 年、2015 年、2018 年ESV总量分别为1 372.91 亿、1 434.22 亿、1 519.93 亿元，呈逐年上升趋势，表明区域生态环境得到改善，生态系统服务功能稳步提升。主要原因有国家围绕生态环境制定的生态保护政策初见成效[35]，例如新修订的《中华人民共和国环境保护法》的实施、绿化全川行动的持续推进以及长江上游生态屏障的构建等。

从各年单项ESV 来看（图2），土壤形成与保护的ESV 最高，约占总ESV 的16.1%，林地、草地及耕地的生态服务功能较强，对于单项生态服务的贡献率较大[36]；其次是生物多样性保护的ESV，约占总ESV 的15.3%；气候调节与水源涵养的ESV 相近，而食物生产的ESV 最低，仅占总ESV 的4.9%。2010—2018 年成德绵城市带范围内各项ESV 均逐年增加，该结论与Li 等[37]的研究成果相似，其中土壤形成与保护服务的ESV 增加最多，8 年间增加了24.93 亿元，占总ESV 增量的17%。研究期间，成德绵城市带按照城市开发边界进行发展，既满足城镇化的要求，生态环境也得以保护；气候调节和生物多样性保护增量略低于土壤形成与保护，分别约占总增量的15.4%和15.01%。通过实施区域生物多样性保护战略与行动，开展气候资源保护行为，提高区域生态系统服务价值；食物生产、娱乐文化增加量相对较少，其增量均在10 亿元以下。

图2 2010 年、2015 年、2018 年单项生态系统服务价值量对比Fig.2 Comparison of individual ecosystem service value in 2010,2015 and 2018

从2010 年、2015 年、2018 年各项生态系统服务价值变化率（图3）来看，8 年间各项生态系统服务价值均稳步上涨，其中2015—2018 年涨幅略高于2010—2015 年。由于城镇化发展扩张的趋势逐渐转向存量发展，且生态环境保护政策执行力度有所增强，导致研究区ESV 变化率更为明显。2010—2015年，废物处理的ESV 变化量最高，为5.04 亿元，变化率为4.85%；水源涵养的变化率为4.71%；而食物生产的变化率最低，仅为3.65%；其余6 项服务类型变化率均在4.26%～4.71%。2015—2018 年，气候调节的ESV 变化率最高，为7.17%；其次为气体调节，变化率为6.95%；娱乐文化的变化率最低，仅为3.52%；其次为水源涵养，变化率为3.35%；其他服务类型变化率均在5.62%～6.93%。总的来看，整个研究时段的各单项ESV 变化趋势与2015—2018 年较为一致。成德绵城市带所处地段是构建长江上游生态屏障的重要区域，其生态环境质量得到持续改善。

图3 2010—2018 年单项生态系统服务价值变化率及变化量Fig.3 Change rate and amount of individual ecosystem service value from 2010 to 2018

采用式（6）计算成德绵城市带敏感性指数，结果见表3。2010—2018 年成德绵城市带的各项生态系统服务价值系数的敏感性指数均小于1，生态系统服务价值缺乏弹性，表明本研究结果有效。

表3 敏感性指数计算结果Table 3 Sensitivity index calculation results

2.2 生态安全格局特征

2.2.1 生态“源”地分布及生态阻力面特征

通过生态系统服务价值的冷热点结果，识别各类安全等级生态“源”地（图4）。分析发现，成德绵城市带低安全水平中的生态“源”地斑块共12 个，面积为6 722 km2，约占成德绵城市带总面积的16.6%，主要分布在成德绵城市带西北部龙门山生态本底较为优越的区域，与大熊猫国家公园（成德绵城市带段）有较高的重合率，具有生态重要程度高、景观价值高等特点。中安全水平格局下，新增独立生态“源”地斑块2 个，新增面积为2 286 km2，新增生态斑块面积约占研究区总面积的5.6%，生态斑块进一步扩大，主要由低安全水平区域向外扩张，其生态整合度有所提高，但由于地形、地貌等自然条件以及城镇化水平、土地利用类型的差异，源地仍集中在西北部。高安全水平生态“源”地斑块共24 个，面积为11 059.5 km2，约占成德绵总面积的27.3%，“源”地斑块进一步得到整合，研究区北部、东北部、中南部、南部出现多处新增独立生态“源”地斑块，生态系统质量和稳定性进一步加强，强化对抗生态环境风险能力，筑牢生态环境安全底线。

图4 生态系统服务价值冷热点分析结果及生态“源”地选取结果Fig.4 Results of cold and hot spot analysis of ecosystem service value and ecological “source” selection

根据表2 中各项阻力因子及其权重，将阻力因子划分为6 个等级并分设阻力系数，以衡量生态过程所受空间阻力大小。利用ArcGIS 软件叠合，构建综合阻力面（图5）。单项阻力面显示，阻力高值区主要分布在研究区南部城镇建设发展核心区，以及西北部坡度和高程较大、植被覆盖量稀疏、土壤侵蚀程度较高的区域。综合来看，研究区综合阻力呈现西南高东北低的特点，其综合阻力低值区主要分布在研究区西南部西岭雪山风景名胜区、龙溪虹口国家级自然保护区、龙门山脉及研究区北部等植被覆盖量大，水域、草地面积较大的区域。

图5 2018 年生态阻力要素评价结果Fig.5 Evaluation results of ecological resistance factors in 2018

2.2.2 成德绵城市带生态廊道及生态网络特征

基于生态系统服务价值估算结果，运用ArcGIS软件中的距离分析工具得到各重要生态斑块之间的生态廊道[38]。识别的廊道分为2 种类型：1）地表景观中易于识别的河流水系、林地草地等；2）不易直接观测到的不同“源”地之间进行物质能量交换的生态流通道[5]。在低安全水平下，成德绵城市带识别生态廊道25 条，长度1 223.83 km。中安全水平新增生态廊道6 条，长度356.07 km，新增廊道主要分布在研究区东北部林地面积较大区域。高安全水平下新增生态廊道22 条，长度1 164.37 km，新增廊道主要分布在研究区北部、西南部、东部、中部地区，西北部及东南部的生态斑块的连接程度进一步提高，生态网络更加稳固。不同生态安全等级区域生态网络易受土地利用类型变化影响。随着区域一体化和城镇化进程的推进，应严格控制城镇边缘土地的使用[39]。保持生态用地总量。对于生态系统服务价值较高区域维持生态保护策略，扩大生态核心区。对生态系统服务价值较低区域加强生态建设力度，提高生态用地数量和质量，维持生态系统服务功能。

研究区生态廊道在高安全水平下，呈现出若干小环状相互连接成区域大环状的分布特征（图6），廊道在北部、西北部龙门山脉、东北部、东南部龙泉山脉明显集聚，构建了生态核心区即高生态系统服务价值斑块之间的最佳物质流动路径，构成“两轴、三带、四节点”的生态网络空间结构：“两轴”即连通南北的西北部龙门山脉、中南部龙泉山脉的山体，形成自然山脉生态保护轴；“三带”即区内流域，分别为东北部涪江，中部沱江上游二级支流，西南部岷江等纵向贯穿区域东西方向的生态疏通带；“四节点”指以及区域北部、东北部、西南部、东南部以环状生态廊道为主的生态共保中心节点。

图6 成德绵城市带生态安全格局Fig.6 Ecological security pattern of Chengdu-Deyang-Mianyang city belt

由表4 可见，在高生态安全格局下，α为0.17，远低于低安全格局的闭合度。随着整体安全格局的提升，生态廊道数量增加，贡献于物种迁徙的生态节点数量增多。研究区南部城镇化水平较高区域的生态网络，提供物质能量流通的通道较少，整体流通性仍有待提高，跨行政区生态斑块之间仍缺乏流动通道。β为1.29，表明网络整体连接水平较好，具有一定的抗干扰性，但网络连接呈现出南北差异，南部对抗外界压力能力仍需加强。γ为0.45，说明区域生态网络中生态节点连接水平还需增强。

表4 生态网络完整度评价Table 4 Evaluation of ecological network integrity

3 结论与建议

3.1 结论

（1）2010—2018 年，成德绵城市带生态系统服务价值总量呈现逐年上升趋势，从1 372.91 亿元增至1 519.93 亿元。各单项生态系统服务价值变化率变化较小，其中废物处理、气候调节、气体调节3 项生态系统服务价值变化速率较快，娱乐文化价值变化率最小。

（2）成德绵城市带生态“源”地斑块较为分散，且空间分布不均匀。其中，生态核心区主要集中在西北部林盘丰富区域，其余零星斑块较为破碎分布在中南部、中部、东北部。生态脆弱区大面积集中分布在南部。

（3）成德绵城市带低生态安全格局由12 个“源”地斑块、25 条廊道和13 个节点组成。中安全水平格局包括14 个“源”地斑块、31 条廊道和28 个重要节点。高安全水平生态“源”地斑块共24 个、53 条廊道和41 个节点，形成成德绵城市带完整的生态安全格局。基于此，本文提出成德绵城市带“两轴、三带、四节点”的生态网络空间结构。

3.2 建议

成德绵城市带位于长江上游，拥有丰富的自然资源，但在快速城镇化过程中，受到高强度人类活动干扰，生态系统和生物多样性受到一定程度的破坏。本研究采用生态系统服务价值方法，充分考虑生态系统中的能量和物质流动，提取生态“源”地以及廊道，并基于此构建完整的生态安全格局网络，以此实现更高效的生态安全保护。建议有针对性地制定跨行政区生态保护修复合作机制。在生态网络中自然山脉生态保护轴的范围内应禁止任何破坏性活动，减少人类活动对生态环境的影响，严格恪守生态核心区的范围红线，保护生态系统多样性。生态疏通带是保护水资源、确保可持续发展的重要区域，通过建立有效的水资源管理机制，加强流域管理和合作，协同推动流域保护工作实施。同时，生态共保中心节点范围内应加强生态环境监测，对生态风险进行有效管控，以提升中心节点对于周边生态过渡区的辐射效应。