基于生态安全格局的国土空间生态修复关键区域识别——以滇中五大高原湖泊流域为例

陈相标，丁文荣

云南师范大学地理学部

生态修复是指通过自然或人工的手段对已退化、损害或彻底破坏的生态系统进行恢复的过程[1-2]。国土空间是承载人类活动的物质载体，由生态系统与人类社会相互作用形成[3]，其系统内部或系统之间的相互作用维持着人地关系的动态平衡[4]。当今的地球已进入一个人类主导的新的地球地质时代——“人类世”(anthropocene)[5]，昭示人类活动已经成为改变和重塑国土空间的主要驱动力[3]。随着社会经济、城市化进程的迅猛发展，国土空间受人类活动的影响范围越来越广，程度越来越深，人类对自然资源的无序开发和过度利用加剧了区域生态系统失衡，国土空间生态安全受到严重威胁。党的十九大报告明确提出“建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计”。国土空间生态修复是推进生态文明建设的重大举措[6]，也是关系国家生态安全和民生福祉的重要国家战略任务[7]。面对区域性生态问题，退化生态系统的“整体保护、系统修复、综合治理”的实现，需以国土空间生态保护修复作为重要抓手[8]。如何从整体性、系统性、综合性的角度准确识别国土空间生态修复关键区域，落实区域人与“山水林田湖草沙”生命共同体理念，构建国土空间生态保护修复格局，是当前实施国土空间生态保护修复工程亟须解决的现实问题。

目前，国土空间生态修复研究多集中于小尺度层面单点、单要素、单过程的具体工程项目和试点展开，包括矿区生态修复[9]、河流湖泊污染治理[10]、重金属污染治理[11]、水土流失治理[12]等，由于缺乏系统性考虑和不同管理部门分治，导致生态修复的局部效果显著但整体效果不突出。此外，当前国土空间生态修复研究大多以单一的市、县(区)尺度为主[13-15]，缺乏流域尺度上统筹国土空间生态系统修复的案例研究。国土空间生态修复高度强调生态系统过程的完整性和结构的连通性[3]，不应局限于特定的行政空间，需要突破行政边界对自然生态安全边界的割裂。流域是地球表层相对独立且完整的自然生态单元[16]，也是生态、经济和社会发展难以解决复杂问题的热点区域[17]，亟待从“湖泊—流域”的生态系统完整性角度，探讨湖泊流域国土空间生态保护和修复。生态安全格局已成为国土空间生态保护修复的重要途径，对维持生态系统结构和过程的整体性以及改善区域生态环境具有显著意义[18]。“源地识别—阻力面构建—廊道提取”已成为生态安全格局研究的一般范式[19-20]，研究方法多采用最小累积阻力(minimum cumulative resistance，MCR)模型和电路理论(circuit theory)。其中，MCR 模型通过识别源地间最小耗费路径来构建生态廊道，但该方法难以识别廊道中待保护修复的关键区域，而电路理论基于电子在电路中随机游走的特性，能够识别区域内所有景观可能连通的路径，并依据廊道中电流强度识别研究区待修复的关键区域[21]。目前基于生态廊道、生态夹点、生态障碍点和生态断裂点的识别，开展湖泊流域尺度国土空间生态保护修复关键区域识别方面的研究仍较少。

滇中五大高原湖泊流域作为滇中城市群的核心组成部分，是滇中地区极为重要的水源地，具有重要的经济、生态、旅游价值。近年来，城市扩张和人类活动快速且高强度地改变着地表景观格局，造成流域湖泊面积萎缩、污染加重、耕地和生境退化等诸多生态环境问题，严重威胁流域生态安全与可持续发展，国土空间生态保护修复迫在眉睫。笔者基于生态安全格局构建方法，结合电路理论，构建生态廊道，识别生态夹点、生态障碍点和生态断裂点，明确滇中五大高原湖泊流域国土空间生态保护修复关键区域，并提出相应的保护修复策略，以期为研究区国土空间生态保护修复提供参考，同时为流域尺度国土空间生态保护修复工作提供案例借鉴。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

滇 中 五 大 高 原 湖 泊 流 域(102°49′E~103°07′E，24°42′N~25°27′N)地处云南省中部(图1)，总面积4 722 km2。该区属亚热带季风气候，年均气温15.35 ℃，年均降水量883.68 mm，年均蒸发量1 572.80 mm。地形以山地和山间盆地为主，地势起伏和缓。五大高原湖泊均为断陷型淡水湖泊，在调蓄洪水、保障供水、调节气候、维护环境等方面发挥着重要作用。滇中五大高原湖泊流域耕地集中，人口负荷和围湖开发强度大，农业面源污染加剧了湖泊生态环境的破坏，是生态保护和发展矛盾最突出的区域之一。该区域作为云南工农业、旅游业、经济和社会发展等最活跃的地区，如何构建合理的区域生态安全格局助推国土空间生态保护修复对于保障该区经济与生态安全协调发展具有重要的现实意义。

1.2 数据来源与处理

本文涉及到的DEM 数据、土地利用遥感影像数据(Landsat-8 OLI)来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)，空间分辨率为30 m。通过ArcSWAT模型提取滇中五大高原湖泊流域矢量边界，用ENVI 5.3 软件对获取的2020 年土地利用遥感数据进行处理，将土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水体、建设用地和未利用地6 类，分类结果Kappa 指数为0.94；DEM 数据主要用于构建生态综合阻力面指标高程、坡度的提取分析，土地利用数据用于生境质量(habitat quality)、形态空间格局分析(morphological spatial pattern analysis，MSPA)、生态阻力面构建分析等；交通数据为高速公路、铁路、国道和省道分布数据，来源于Open Street Map 平台(https://www.openstreet map.org)，用于生境质量、生态阻力面和生态断裂点的分析；河流数据，来源于土地利用遥感影像数据矢量化，用于生态综合阻力面构建。

2 研究方法

基于“源地识别—阻力面构建—廊道提取”的区域生态安全格局研究范式，通过生境质量、MSPA 模型分析、景观连通性综合识别生态源地；为更准确地模拟阻力面的分布，结合研究区的自然条件和发展规划，选取高层、坡度、土地利用类型、距河流距离、距道路距离、距建设用地距离构建综合阻力面，采用MCR 模型、电路理论模型，识别生态廊道、生态夹点、生态障碍点和生态断裂点；综合识别结果，借助ArcGIS 空间叠加分析，得到研究区的生态安全格局，并以生态源地、生态廊道为生态保护重点区域，以生态夹点、生态障碍点、生态断裂点为生态修复的重点区域（图2）。

图2 技术路线Fig.2 Technology roadmap

2.1 生态源地识别

生态源地是指维护区域生态安全和可持续发展必须加以保护的区域，是具有辐射功能的生境斑块以及物种扩散、生态功能流动与传递的源点[19]，对构建区域生态安全格局具有重要意义。本文从生境质量、MSPA、景观连通性3 个方面综合识别连通性较好且具有一定面积的斑块作为生态源地。

2.1.1 生境质量模型

采用InVEST 3.8.0 模型中的Habitat Quality 模块计算滇中五大高原湖泊流域的生境质量，该模块反映了人类活动对生态环境造成的影响，人类活动强度越大，生境所受威胁越大，其生境质量越低。计算公式[22]如下：

式中：Qxj为土地利用类型j中栅格x的生境质量；Hxj为土地利用类型j中栅格x的生境适宜度；Dxj为土地利用类型j中栅格x的生境退化度；k为半饱和常数，是最高生境退化栅格值的1/2；z为归一化常量，默认取2.5[23]。Qxj为[0，1]，数值越大表示生境质量越好。根据InVEST 模型用户手册[24]和已有相关研究[25-26]以及滇中地区的景观格局，选取林地、草地、水域为生境，建设用地、交通用地、耕地和未利用地为生境威胁因子，确定模型所需的各类参数，具体设置参数如表1、表2 所示。选取生境质量指数大于0.8 的高生境质量区确定为初步生态源地。

表1 威胁因子及胁迫强度Table 1 Threat factors and stress intensity

表2 土地利用类型对生境威胁因子的敏感度Table 2 Sensitivity of land use types to habitat threat factors

2.1.2 MSPA 模型分析

MSPA 分析方法是由Vogt 等[27]根据数学形态学原理提出的一种栅格图像处理方法，该方法能够从像元层面对栅格图像的空间格局进行度量、识别和分割，从而精确识别出对维持景观连通性具有重要作用且互不重叠的景观类型。基于Guidos Toolbox 2.8 软件，将研究区域生境质量较高的林地、水体提取出来作为MSPA 的前景数据，耕地、草地、建设用地和未利用地为背景要素，采用八邻域图像细化分析方法，对土地利用数据进行MSPA 计算分析，从而得到7 种景观类型(表3)。核心区是面积最大的生境斑块，对维持景观完整性具有重要意义，可作为生态源地选取的依据[28]。

表3 景观类型分类统计Table 3 Landscape type classification statistics table

2.1.3 景观连通性分析

景观连通性是维持生态系统稳定性和整体性的关键，也是衡量景观格局和生态过程的重要指标[29]。Saura 等[30]于2009 年开发的Coneffor Sensinode 2.6软件可用于量化生态源地对区域景观斑块连通性的重要性。目前，可能连通性指数(probability of connectivity，PC)和景观连通重要性指数(dPC)是国内外常用的景观连接度评价指数，可以较好地反映出区域内核心斑块间的连接度水平。采用该软件对景观斑块进行连通性分析，计算公式[19]如下：

式中：PC 为景观可能连通性指数；n为生态斑块总数；ai、aj分别为生态斑块i、j的面积；pij为斑块i与斑块j之间的所有路径最终连通性的最大值；AL为研究区景观总面积；PCremove为去掉斑块后景观的可连通性指数；dPC 为景观连通重要性指数，数值越大，表示斑块在景观连通中的作用越大。

2.2 阻力面构建和生态廊道提取

生态阻力面能够判断生态源地到其他生境斑块的连通性和可达性[23]。参考相关研究，结合湖泊流域的实际情况，选取6 个指标(表4)，将各阻力指标因子划分为5 个等级，数值越大表示阻力系数越大。采用目前广泛运用的MCR 模型构建综合阻力面，公式[31]如下：

式中：MCR 为区域内某一生态源斑块在空间扩散至某点的最小累积阻力；f为最小累积阻力与生态过程的正相关关系；Dab为物种从源地b到景观单元a的空间距离；Ra为景观单元a对物种运动的阻力系数。生态廊道在疏通物种迁徙路径和扩张生态源地方面发挥着重要作用，是不同生态系统实现物质、能量、信息流转的重要手段[32]，对维持区域生态系统功能的完整性具有重要意义[18]。基于ArcGIS 10.2 软件，利用Circuitscape 插件中的Linkage Mapper 模块构建研究区的生态廊道。

2.3 生态保护修复关键区域识别方法

2.3.1 生态夹点识别

生态夹点是由Mcrae 等[36]依据电路理论提出的概念，指对生态保护具有重要作用的区域。生态夹点为生态廊道中景观斑块电阻较小、电流高度密集的区域，代表生物迁徙过程中通过的可能性较高或无其他可代替路径的区域，其退化或损失可能会切断源地间的连通性[13]，故生态夹点可作为防止栖息地退化或改变的关键位置，应优先进行保护。以生态廊道为基础，利用Circuitscape 插件中的Pinchpoint Mapper 工具识别生态夹点。选择此工具中raster centrality 模式下的all to one 模式作为运算方法，识别整个研究区域内的景观生态夹点。

2.3.2 生态障碍点识别

生态障碍点是指阻碍生物扩散迁移的生境斑块，通过计算清除障碍点后电流恢复值的大小来识别，移除这些阻碍区会显著提高生态源地间的连通性[37]，减小生物活动过程中受到的阻力。应用Circuitscape 插件中的Barrier Mapper 模块识别生态障碍点，并结合研究区的土地利用现状，有针对性地提出生态保护修复措施。

2.3.3 生态断裂点识别

生态断裂点为大型交通道路与生态廊道的交点[13]，纵横交错的交通道路直接或部分切断了景观斑块之间的连通性，对生物扩散、迁移的畅通和安全造成威胁。本研究通过将大型交通要道与生态廊道一同构建网络数据集，识别二者的交点作为生态断裂点。

3 结果与讨论

3.1 生态源地识别

基于生境质量模型确定滇中五大高原湖泊流域生境质量〔图3(a)〕。五大湖泊流域生境质量处于中等偏高水平，平均生境质量在0.59 以上，生境质量高于0.8 的面积占总面积的40.51%，低于0.4 的占45.82%。空间上，生境质量高值区主要集中在具有一定海拔高度的山地林区、湖泊水库区以及国家森林公园等，这些区域生态本底好，受人类干扰小，生境质量高；低值区集中分布于湖盆坝区，主要受城镇、乡村居民点、交通等用地增加以及耕地的影响，生态空间逐渐被迫压缩，导致湖盆坝区生境质量偏低。

图3 研究区生境质量、景观类型和生态源地空间分布Fig.3 Spatial distribution of habitat quality, landscape type and ecological source sites in the study area

利用MSPA 模型识别出7 种景观类型〔图3(b)〕，面积2 549.49 km2，其中核心区面积为1 914.81 km2，占该区总面积的36.76%，景观类型主要为林地和水体。综合生境质量、MSPA 分析，选取生境质量大于0.8 的区域与MSPA 核心区相交后计算其PC 和dPC，为减少细碎景观斑块降低生态源地的整体性，参考相关源地面积阈值的设定研究[20]，根据分析结果选取dPC 大于1 且面积大于6 km2(表5)的景观斑块作为研究区的生态源地〔图3(c)〕，源地总面积为1 106.18 km2。

表5 生态源地面积及斑块重要性指数Table 5 Ecological source site area and patch importance index

3.2 生态阻力面及生态廊道

根据表4 中的阻力因子及其权重，利用ArcGIS 10.2 软件中的地图代数功能构建综合阻力面〔图4(g)〕，研究区最大阻力值为4.7，平均阻力值为2.46，生态阻力面高值区主要分布于城市建成区以及交通沿线区域，这些区域受人类活动影响最为剧烈，阻碍了绿地景观生态过程的发展；低阻力区域分布在人类活动较少的林地、水域等区域。在生态综合阻力面的基础上，利用Linkage Mapper 模块共识别出生态廊道74 条，总长度488.85 km，生态廊道避开高阻力区域呈纵横网状分布，有效提高了各生态源地之间的空间连通性〔图4(h)〕。

图4 五大高原湖泊流域综合阻力面与生态安全格局空间分布Fig.4 Integrated resistance surface and ecological security pattern of five plateau lake basins

3.3 国土空间生态保护修复关键区域识别

3.3.1 生态夹点识别

基于生态廊道，利用Pinchpoint Mapper 工具识别出滇中五大高原湖泊流域生态廊道电流密度〔图5(a)〕以及生态夹点空间分布〔图5(b)〕。电流强度由蓝色至红色逐渐增强，红色区域为电流密度最高的区域即为生态夹点，共识别出生态夹点93 处，总面积为119.17 km2(表6)。空间上，主要分布在滇池流域和星云湖流域，其面积分别占总生态夹点面积的71.47%和10.66%，而抚仙湖流域和阳宗海流域虽有分布，但面积相对较小。在生态夹点中，待保护修复的建设用地、耕地、草地、林地分别占总生态夹点面积的29%、27.62%、18.58%、23.89%，滇池流域中建设用地的生态夹点面积最大，杞麓湖、星云湖、阳宗海流域生态夹点区域主要集中于耕地面积较广的区域。

表6 五大高原湖泊流域国土空间生态保护修复关键区域Table 6 Key areas of ecological protection and restoration of national land space in five plateau lake basins

图5 滇中五大高原湖泊流域生态夹点空间分布Fig.5 Spatial distribution of ecological pinch points in five plateau lake basins in central Yunnan

3.3.2 生态障碍点识别

利用Barrier Mapper 模块，识别出滇中五大高原湖泊流域生态障碍点，生态障碍点累计电流恢复值由蓝色到红色逐渐增大〔图6(a)〕，累计电流恢复值最大的区域代表亟须改善的生态障碍点区域。研究共识别出62 处生态障碍点〔图6(b)〕，面积为41.96 km2(表6)，五大高原湖泊流域均有生态障碍点区域分布，其中，滇池流域分布最多，共有48 处，面积高达35.97 km2。空间上，多位于生态廊道与生态源地的接壤处或高阻力值与低阻力值相交处。生态障碍点与生态夹点的重合面积占障碍点总面积的39.93%。抚仙湖流域因湖泊所占面积较大，生态廊道少，因此分布面积最小。

3.3.3 生态断裂点区域识别

通过生态廊道与交通道路相交分析，共识别出77 处生态断裂点〔图7(a)〕，主要集中分布于滇池流域，其中与国道相交8 处，与省道相交27 处，与铁路相交24 处，与高速公路相交18 处(表7)。纵横交错的交通设施阻断了生态廊道的连通性，加剧了景观破碎化，对生物的迁移扩散和安全造成威胁。但国道、省道、高速公路和铁路均为影响当地经济发展的重要交通设施，不能直接拆除或随意改道。因此，在生态断裂点处建立相关改良设施，如修建路下涵洞和路上“绿桥”等野生动植物流动通道，并在通道入口设置引导栅栏，设计标志警示牌；加大对周围群众的宣传，提高大众动物保护意识；开展通道监测，及时排除干扰因素。

表7 关键生态廊道待修复生态断裂点分布情况Table 7 Distribution of ecological break points in key ecological corridors to be restored

图7 待修复生态断裂点和生态保护修复关键区域空间分布Fig.7 Spatial distribution of ecological break points to be repaired and key areas for ecological protection and restoration

3.4 关键区域生态修复策略

基于生态安全格局和生态夹点、生态障碍点、生态断裂点等相关概念，识别出滇中五大高原湖泊流域国土空间生态保护修复的关键区域〔图7(b)〕。待修复的生态夹点、生态障碍点、生态断裂点区域存在多处重叠或相交，其中，生态夹点和生态障碍点的重叠面积为17.40 km2，占总生态障碍点面积的39.93%，生态断裂点中有72 处与生态夹点和生态障碍点重叠，占总生态断裂点数量的93.51%，三大类生态节点位置是保证生物在生态源地间流通扩散的关键区域。

建设用地待修复区，主要包括城镇、农村居民点、交通道路等用地，生态夹点和生态障碍点的面积分别为3 456.53、3 247.34 hm2，主要分布于滇池流域、杞麓湖流域和星云湖流域等湖盆区，随着建设用地对生态用地挤占加剧，区域生态环境破坏严重。针对城镇用地的保护修复，一是转变“向湖要地、环湖造城、环湖布局”的发展模式，合理框定城镇开发边界，防止城镇空间过度连绵扩张，压缩生态空间；二是加强城市森林公园、湿地公园、植物园等城市绿心生态空间节点建设，以穿城河流体系(盘龙江、海河、明通河等)和道路廊道体系为依托，打通城市内部绿廊，逐步形成“节点—廊道”的城市绿地生态网络空间系统；针对农村居民点用地的保护修复，应严格按照滇中城市群发展规划腾退湖滨生态带内侧的房屋、设施等，实施环湖生态移民搬迁工程，退还湖泊生态空间。针对交通用地的保护修复，可拓宽道路两侧绿化带，设置野生动物迁徙扩散的专用通道，并定期进行监测，同时设立警示牌以降低对生境的干扰破坏。

林地、草地的保护修复，二者需要修复的区域面积最大，为8 380.37 hm2，其中生态夹点占60.38%，主要分布于滇池流域、抚仙湖流域和杞麓湖流域的山地丘陵区，识别出的关键区域内多为稀疏林草地和石漠化区域等，自然恢复较为困难和缓慢。针对该2 类用地类型的修复，首先应采取人工造林种草和草地改良等综合措施，增加林草植被；其次，实施坡耕地退耕还林还草，因地制宜选择乡土植被进行荒漠治理，降低景观破碎化程度。

耕地的保护修复，耕地所识别出的生态夹点和生态障碍点面积分别为3 291.51、581.36 hm2，主要分布于五大湖盆区，长期以来湖盆坝区耕地大量用于种植花卉、蔬菜、烤烟等农药、化肥施用量大的作物，以及建设用地的侵占，导致耕地、湖泊水质污染日趋严重。对于耕地的保护修护，一是要调整流域农业结构，转变农业生产方式，发展生态农业，降低农业面源污染；二是开展坡耕地和低效地整治与修复，积极进行退耕还林还草；三是着力改善耕地及周边生境，提高耕地系统生物多样性。

水体的保护修复，识别出水体的生态修复面积为91.71 hm2，主要分布于滇池流域和星云湖流域，受损水体主要为河流生态夹点和生态障碍点，五大高原湖泊污染物入湖方式主要以河道汇流为主，可参考“控源截污—清水廊道构建—湖滨拦截净化—湖体生态净化修复”框架[19]，开展河道污染治理、清淤，建立河道缓冲带，恢复水生生物迁徙通道；滇中五大高原湖泊沿岸生境质量较低〔图3(a)〕，可加强生态湖滨带和水源涵养林等生态隔离带的建设与保护，着力推进“四退三还”(退人、退田、退房、退塘，还湖、还水、还湿地)工程，同时加强流域城镇污水处理设施及配套管网建设，提高截污治污效果。

3.5 讨论

滇中五大高原湖泊流域是滇中城市群建设的核心区，人类活动较为频繁。随着人类活动干扰的进一步加剧，土地利用格局发生了剧烈变化[16]，随之带来的生态空间减少、景观稳定性降低、生态功能退化等问题广泛存在，从流域整体性考虑生态安全格局构建尤为必要。基于生态安全格局的研究范式，结合电路理论识别生态保护修复关键区域，在整体保护、系统修复、综合治理的思路引导下，全面考虑了湖泊流域生态景观的整体性和连通性，相较于传统的针对特定区域或点位开展生态保护修复工程，能更好地满足生态修复的系统性和全局性。生态源地是整个生态安全格局构建的基础[14]，本文综合生境质量、MSPA、景观连通性评价选取流域生态源地，相比较于直接识别法[38-39]，本研究选取的生态源地更具合理性和整体性。目前，基于电路理论的连接度模型，通过电流密度的计算可以有效识别对景观连接性有重要影响的景观要素和生态保护修复关键区域[20]，为国土空间生态保护修复关键区域识别提供了更为科学的方式，结合生态安全格局识别生态夹点、生态障碍点、生态断裂点等关键区域，这些关键区域的保护修复对维护流域山水林田湖草等生态斑块的完整性和稳定性具有重要意义。最后，需要指出本文存在的一些不足：文章从湖泊流域的角度，构建生态安全格局，生态廊道识别时尚未考虑其宽度阈值的设定；此外，引入电路理论综合识别生态待修复关键区域，修复这些关键生态区域后生态系统结构连通性的提升效应仍需要进一步研究。在今后的研究中应结合研究区的景观格局现状和具体规划需求设置合理的生态廊道宽度以及开展修复工作的优先顺序，以期达到更有效的生态保护修复效果。

4 结论

(1)滇中五大高原湖泊流域共识别出生态源地1 106.18 km2，占生态用地面积的43.41%，主要为林地和水体；生态廊道74 条，共计488.85 km，整体呈“三纵九横”的生态安全网络空间分布格局。

(2)识别出滇中五大高原湖流域生态夹点区域93 处，总面积119.17 km2，土地利用类型主要为耕地、建设用地和草地；生态障碍点区域62 处，面积为41.96 km2，多处于建设用地、耕地以及生态廊道与生态源地的接壤处；生态断裂点区域77 处，主要分布于滇池流域。

(3)结合五大高原湖泊流域生态保护修复关键区域的空间分布特征以及土地利用现状，分别提出各类生态保护修复关键区域的修复措施。