环武夷山国家公园保护发展带生态安全格局构建研究

崔雯婧，魏 源，苏海磊，刘雪松，武大勇，张 娜，季宁宁*

1.中国环境科学研究院,环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012

2.河北省湿地保护与绿色发展协同创新中心，河北 衡水 053000

高强度的经济发展和频繁的人类活动对生态环境的负面效应不断加剧，不合理的生产方式破坏自然资源与生态环境，导致生态安全屏障功能下降[1-2].生态安全格局是基于格局与过程互馈原理，通过遥感和数学分析等手段对区域内部要素进行分配与布局，从而得到多层次的空间配置方案和保护格局[3-4]，协调自然环境与社会环境稳定发展[5].

国家公园是由国家批准设立的自然保护地，承载着丰富的文化遗产和历史价值，对推动绿色可持续发展具有重要意义[6-7].武夷山国家公园是我国首批正式设立的5 个国家公园之一，是地球同纬度最完整、最典型、面积最大的原生性森林生态系统，也是人类活动最为丰富的国家公园，理应成为人与自然和谐共生的典范[8].环武夷山国家公园保护发展带[8](环带)以及光泽县、邵武市、建阳区、武夷山市四个地区是围绕武夷山国家公园建立的自然保护地体系，是支撑国家公园保护与发展、探索人与自然和谐共生的示范区域.但目前环带内部历经旅游开发干扰、“靠山吃山，靠水吃水”的生产方式等人类活动，导致环带及周边四地区生态敏感性高，生态安全屏障功能下降.如何识别环带及周边四地区的生态源地、生态节点和生态廊道，提高环带及周边地区生态安全格局构建的科学性是亟需解决的科学问题.

目前，生态安全格局构建方法已形成一种基本范式，即“识别生态源地-建立阻力面-提取生态廊道-确定生态安全格局”[9].识别生态源地是生态安全格局构建的基础，合理选取生态源地可保障生态安全格局的精准构建.当前生态源地的研究采用直接识别法，即直接选取自然保护区、大面积的水源地或林地作为生态源地[10-12]，该方法便捷简单，但忽略地类内部的生态系统功能和敏感性差异[9].生态系统服务功能和生态敏感性是揭示生态系统健康的重要指标，是确定生态源地和构建潜在生态廊道的必要前提和基本思路[13-14].因此，本研究结合生态系统服务功能和生态敏感性进行生态保护重要性评价，进而识别生态源地，为构建生态安全格局奠定良好基础.最小累积阻力模型(MCR)是目前学者们用于探究生态格局的重要方法，其实质为生态流在空间流通时克服不同要素阻力的过程[15]，反映生态格局变化对于生态过程演变的影响，进而提取潜在生态廊道[16-18].目前环带生态安全格局划定顺应“一脉三溪”自然山水格局，直接选取武夷山山脉为生态屏障，以武夷山国家公园和饮用水源地保护区为生态节点，依靠河流划分生态廊道[19]，这种划分方法忽略了国家公园与其他自然保护区之间的连通性.因此亟需全面收集各生态环境要素，为科学构建生态安全格局提供典型范例.

本文以环武夷山国家公园保护发展带以及周边光泽县、邵武市、建阳区、武夷山市四个地区为研究对象，基于土壤、水文、气象、遥感影像等基础数据，建立生态系统服务功能重要性和敏感性评估模型，定量识别生态保护重要区域和敏感区域，通过生态保护重要性评价提取生态源地，结合MCR 模型探究环带及周边四地区潜在生态廊道，提出相关管控措施及建议，以期为以国家公园为主体的保护发展带生态安全格局构建提供思路和理论支撑.

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

环武夷山国家公园保护发展带地处福建省北部，是以武夷山国家公园为核心，向外划定了4 252 km2的“缓冲区”，涉及南平市的光泽县、邵武市、建阳区、武夷山市四个地区(27°15′N～27°59′N、117°17′E～118°17′E)(见图1)，地势总体北高南低，拥有山地、丘陵等地貌类型.四地区总面积11 227.61 km2，占南平市总面积的42.69%，占福建省总面积的9.10%，属典型的亚热带湿润季风气候，年降水量1 400～1 800 mm，年蒸发量300～1 200 mm，年均气温为19 ℃，生态系统类型较为单一，以森林生态系统为主，森林覆盖率达79.89%，约90%的区域植被覆盖度接近1.

图1 研究区地理位置及生态系统类型Fig.1 Location and ecosystem types of the study area

1.2 研究数据来源

将本研究所需基础数据(见表1)利用ArcGIS 的空间插值、重采样等方法进行预处理(见图2)，包括多年平均降水量、多年平均蒸发量、多年平均气温、生态系统类型、归一化植被指数(NDVI)、植被覆盖度(FVC)、坡度、净初级生产力(NPP)、海拔因子和地形起伏度.

表1 基础资料与数据来源Table 1 Basic information and data sources

图2 研究基础数据空间分布Fig.2 Spatial distribution of study parameters

1.3 研究方法

根据《建立国家公园体制总体方案》和《南平市环武夷山国家公园保护发展带先行方案》，得出研究区主导的生态系统服务功能为水源涵养、水土保持、生物多样性保护，生态系统敏感特征为水土流失、石漠化.本文技术框架如图3 所示：①收集所需基础数据；②建立生态系统服务功能重要性和生态敏感性综合评价模型；③将生态系统服务功能重要性评价与生态系统敏感性评价分级结果空间叠加后构成生态保护重要性评价；④基于生态保护重要性评价结果确定生态源地，采用MCR 模型构建阻力面，识别潜在生态廊道，构建生态安全格局.

图3 本研究的技术路线Fig.3 Framework of this study

1.3.1 生态系统服务功能重要性评价

1.3.1.1 水源涵养功能评估模型构建

综合考虑方法的合理性及数据的可获取性，根据《生态保护红线划定指南》[20]，确定采用水量平衡方程法对水源涵养功能进行评估.所用的评估模型[21-22]如下：

式中：Q为水源涵养量，m3；Pi为第i类生态系统的降雨量，mm；Ri为第i类生态系统的地表径流量，mm；ETi为第i类生态系统的蒸散发量，mm；Ai为第i类生态系统的面积，km2；αi为第i类生态系统的地表径流系数.其中，地表径流系数(见表2)参照《资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价技术指南》确定.

表2 地表径流系数Table 2 Surface runoff coefficient

1.3.1.2 水土保持功能评估模型构建

水土保持功能评估模型采用《生态保护红线划定指南》中的方法，计算公式[23-24]如下：

式中：Ac为水土保持量，t/(hm2·a)；Rn为第n年的降雨侵蚀力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；Kerode为土壤可蚀性因子，t·h/(MJ·mm)；S为坡度因子；L为坡长因子；C为植被覆盖度因子.

其中Rn和Kerode的计算方法分别如式(4)[20]以及式(5)(6)[25]所示：

式中：Pn为第n年的降雨量，mm；Kepic为修正前的土壤可蚀性因子；mc、ms、msilt、morgc分别为黏粒、砂粒、粉粒和有机碳的百分比含量.

1.3.1.3 生物多样性保护功能评估模型构建

采用植被NPP 法对生物多样性保护功能重要性进行评估，评估模型[26-27]如下：

式中：Sbio为生物多样性维护服务能力指数；NPPmeanc为多年植被净初级生产力平均值分级指数，g/(m2·a)；Fpre为多年平均降水量分级指数，mm；Fpre为多年平均气温分级指数，℃；Falt为海拔因子分级指数.

1.3.1.4 生态系统服务功能评估模型构建

根据生态服务功能重要性分级评价，在ArcGIS 中采用“镶嵌至新栅格”，镶嵌运算符选择“MAXIMUM”，将水源涵养、水土保持、生物多样性3 种生态系统服务功能叠加为生态系统综合服务功能重要性评价，并划分为3 级，其计算公式[28-29]：

式中，ESI为生态系统综合服务功能重要性评估等级，ESIw为水源涵养功能重要性评估等级，ESIs为水土保持功能重要性评估等级，ESIb为生物多样性保护功能重要性评估等级.

1.3.2 生态系统敏感性评价

1.3.2.1 水土流失敏感性评估模型构建

采用修正后的水土流失方程进行敏感性评价，评估模型[28-30]如下：

式中，SSi为第i类生态系统的水土流失敏感性指数，LS 为地形起伏度，B为FVC 分级指数.

1.3.2.2 石漠化敏感性评估模型构建石漠化敏感性评估模型[31-32]如下：

式中，S为石漠化敏感性指数，D为生态系统类型分级指数，P为坡度因子分级指数.

1.3.2.3 生态系统敏感性评估模型构建

基于水土流失、石漠化的评价分级，Arc GIS 中采用“镶嵌至新栅格”，镶嵌运算符选择“MAXIMUM”，将两种生态环境综合敏感性评价叠加后划分为3 级，其计算公式[33-34]：

式中，ES 为生态环境综合敏感性评估等级，ESs为水土流失敏感性评估等级，ESr为石漠化评估等级.

1.3.3 生态保护重要性评价

将生态系统服务功能重要性评价与生态系统敏感性评价空间叠加后得到生态保护重要性评价，并将其划分为一般保护区、重要保护区和极重要保护区.此评价分级方法采用自然间断点法.

1.3.4 生态安全格局构建

1.3.4.1 生态源地识别

生态源地是可以提供重要生态服务功能的斑块，是动植物的重要栖息地[35].本研究将生态保护重要性评价结果作为识别生态源地的基础，选取极重要保护区对生态源地进行初筛.为减少细碎斑块对生态源地识别的影响，需要将其剔除和合并，完成生态源地识别.

1.3.4.2 最小累积阻力模型

MCR 模型指物种在从“源”到目的地运动过程中所需耗费代价的模型[9]，计算公式[36-37]为

式中，MCR 表示最小累积阻力值，Dab表示物种从源b到源a的空间距离，Ra表示源a对物种运动的阻力值，fmin表示最小累积阻力与生态过程的正相关关系.

1.3.4.3 生态阻力面构建

生态阻力面构建是生态廊道提取的核心步骤，反应生态流在生态功能区之间受到阻力的空间分布[38].基于研究区实际情况，选取生态系统类型、高程、坡度和NDVI 四个因子作为构建阻力面的评估指标[39-40](见表3)，阻力系数越大表明生态用地扩张阻力越大，耗费成本越高，依据因素重要程度比较法确定各阻力因子权重，构建生态阻力评价体系.

表3 生态阻力评估指标Table 3 Ecological resistance assessment indicators

1.3.4.4 生态廊道与生态节点识别

生态廊道是连通不同生态源地的重要通道，也是生态系统物质循环、能量流动及信息传递的主要通道[13].基于MCR 模型，以生态源地和阻力面作为输入要素，利用ArcGIS 软件中Cost Connectivity 模块计算生源地间的最小成本路径生成潜在生态廊道，再根据生态源地分布及廊道连通性和重要性筛选最终的生态廊道.生态节点一般指生态源地内具有重要的生态功能，并对保持生态源地的连通性具有重要意义的地点，通常提取生态源地的中心作为生态节点[40-41].

2 结果与分析

2.1 生态系统服务功能重要性评价

环带以及光泽县、邵武市、建阳区、武夷山市四个地区水源涵养功能极重要区的面积为4 545.06 km2，约占研究区总面积的40.48%，主要分布于武夷山国家公园、武夷山市黄龙岩省级自然保护区、光泽县乌君山国家森林自然公园、邵武市北部云灵山旅游区、西南部将石省级自然保护区和南部万峰山省级森林公园等自然保护地〔见图4(a)(d)〕.水土保持功能极重要区占研究区总面积的4.04%，主要分布于武夷山国家公园、光泽县西北部、邵武市南部、武夷山市西北部和建阳区东部〔见图4(b)(d)〕.生物多样性保护功能极重要区的面积为1 269.05 km2，占研究区总面积的11.30%，主要分布于将石省级自然保护区、万峰山省级森林公园〔见图4(c)(d)〕.上述区域大部分属森林生态系统类型，植被丰富，水源充足，受人类活动干扰较小，是维护生态系统服务功能的重点区域.

图4 生态系统服务功能评价Fig.4 Ecosystem services valuations

生态系统服务功能重要性综合评价是将水源涵养、水土保持和生物多样性评价结果进行空间叠加(见图5).结果表明，研究区生态系统服务功能重要性类型以极重要区为主，面积为5 262.27 km2，占研究区总面积的46.87%，主要分布在武夷山国家公园、邵武市北部云灵山旅游区和西南部将石自然保护区、光泽县乌君山国家森林自然公园及武夷山市黄龙岩省级自然保护区.重要区面积为4 715.77 km2，占研究区总面积的42.00%.一般重要区面积为1 249.57 km2，占研究区总面积的11.13%，星点状分布于光泽县、武夷山市、邵武市及建阳区的中心区域，以建设用地为主，生态系统服务功能相对较弱.

图5 生态系统服务功能综合评价Fig.5 Integrated assessment of ecosystem services

2.2 生态系统敏感性评价

环带以及光泽县、邵武市、建阳区、武夷山市四个地区水土流失极敏感区的面积为187.40 km2，仅占研究区总面积的1.67%，主要分布于武夷山国家公园，由于此区域地形起伏大于90 m，属环带内最高水平，且降雨水平较高(˃1 600 mm)，森林地表覆盖物少，土壤透性差，土壤可蚀性因子较大〔˃0.018 t·h/(MJ·mm)〕，导致水土流失敏感性高.石漠化风险极敏感类型区面积为1.97 km2，仅占研究区总面积的0.02%；敏感区面积为1 627.07 km2，占研究区总面积的14.49%，主要分布于武夷山国家公园(见图6).

图6 生态系统敏感性评价Fig.6 Ecosystem sensitivity evaluations

生态系统敏感性综合评价是将水土流失敏感性和石漠化敏感性叠加后综合评估(见图7).结果表明，研究区生态系统综合敏感类型以一般敏感为主，面积约为9 246.45 km2，占研究区总面积的82.35%.敏感区和极敏感区面积共计1 981.16 km2，约占研究区总面积的20%，主要分布于武夷山国家公园.

图7 生态系统敏感性综合评价Fig.7 Integrated ecosystem sensitivity assessment

2.3 生态保护重要性评价

通过空间叠加生态系统服务功能重要性评价与生态系统敏感性评价得到生态保护重要性评价(见图8).研究区生态保护极重要区面积为4 641.83 km2，占研究区总面积的50%，主要分布于武夷山国家公园、乌君山国家森林自然公园、云灵山旅游区、将石自然保护区、万峰山省级森林公园、龟山谷省级森林自然公园、黄龙岩省级自然保护区等自然保护地.

图8 生态保护重要性评价Fig.8 Evaluation of the importance of ecological protection

2.4 生态源地、生态节点和生态廊道识别

基于生态保护重要性评价结果，选取生态保护极重要保护区作为生态源地，确定13 个生态源地(见图9).生态源地总面积为4 867.76 km2，占研究区总面积的42.35%，主要分布于武夷山国家公园、光泽县乌君山国家森林自然公园、邵武市万峰山省级森林公园及西南部、建阳区庵山省级森林自然公园、范桥省级森林公园及东部.

图9 环带研究区生态源地的空间分布Fig.9 Spatial distribution of ecological source in the belt and its districts

如图10 所示，研究区低阻力区为高水平生态安全区，面积为8 748.67 km2，占研究区总面积的77.92%，包括生态源地及其外围，具有良好的生态价值，应加强生态保护.中等阻力区面积为2 352.77 km2，占研究区总面积的20.96%，是重要的生态缓冲区，应限制开发建设.高阻力区为低水平生态安全区，面积为126.17 km2，占研究区总面积的1.12%，包括人类活动比较强烈的光泽县、邵武市、建阳区、武夷山市四个地区的中心地带及武夷山国家公园北部，应提高其生态环境承载力，保障生物安全活动范围.

图10 环带研究区生态阻力面的空间分布Fig.10 Spatial distribution of ecological resistance surface in the belt and its districts

2.5 生态安全格局构建

以13 个生态源地中心作为生态节点，识别生态廊道18 条，总长约781.86 km，均匀贯通环带以及光泽县、邵武市、建阳区、武夷山市四个地区〔见图11(a)〕.将识别的生态源地、生态节点、生态廊道等叠加组合，依托环带及四地区主要山水林等自然本底，提出“两核、三屏、多点、多廊”的生态安全格局〔见图11(a)〕.“两核”即以“武夷山国家公园生态保护区”和“乌君山国家森林自然公园生态保护区”作为环带生态安全主要核心单元.“三屏”即“武夷山国家公园-乌君山国家森林自然公园”“将石省级自然保护区-万峰山省级森林自然公园”及“庵山省级森林自然公园-金峰山省级森林自然公园-黄龙岩省级自然保护区”生态屏障，共同构成“环武夷山绿色生态屏障”，既可保护森林生态环境，又可缓冲周边地区经济发展和人类活动对环带生态的影响.“多点”即生态廊道交汇点，包含森林公园及自然保护区等生态源地，是生态保护的关键环节.“多廊”即以武夷山国家公园为主导向其他生态源地辐射的生态扩散通道，呈网状分布.

图11 环武夷山国家公园保护发展带及周边四地区生态安全格局和原有生态安全格局Fig.11 Ecological security pattern and original ecological security pattern of the protection and development belt of Wuyi Mountain National Park and the four surrounding areas

3 讨论

生态源地、生态节点、生态廊道是生态安全格局构建中的关键要素，准确提取生态源地是生态安全格局构建的基础.环带以及光泽县、邵武市、建阳区、武夷山市四个地区生态系统类型以森林为主，若采用直接识别法选取大片林地作为生态源地，会忽略相同地类内部差异.本研究运用《生态保护红线划定技术指南》中的生态保护重要性评价方法，依托MCR 模型，准确识别生态源地，在以武夷山国家公园为核心的保护发展带及周边四地区构建生态安全格局，对现有生态源地选取方式进行补充，为其他国家公园及其周边生态安全格局构建提供方法学支撑.

与现有环带“一脉三溪”生态安全格局〔见图11(b)〕对比可知，环带生态功能区划分大体一致，均以武夷山国家公园和乌君山国家森林自然公园为主要生态屏障，且大部分建设用地位于光泽县、邵武市、建阳区、武夷山市四个地区中心，与生态源地交错结合，可见目前生态安全格局划定较为合理.本研究筛选13 个生态源地，除原有武夷山和乌君山森林公园生态源地外，还涵盖其他自然保护区，这些生态源地对于构筑国家公园外围生态基底和维护生态系统完整性至关重要.

此外，现有生态廊道建设仅设立三条水系生态廊道，对于国家公园尚显不足.因此本研究建议增加以下生态廊道：①光泽县的武夷山国家公园-乌君山国家森林自然公园生态廊道；②邵武市的武夷山国家公园-将石省级自然保护区-万峰山省级森林公园-龟山谷省级森林自然公园-范乔省级自然公园-云灵山旅游区生态廊道；③建阳区的武夷山国家公园-庵山省级森林自然公园-金峰山省级森林自然公园生态廊道；④武夷山市的武夷山国家公园-庵山省级森林自然公园生态廊道.这些生态廊道贯通众多生态源地，促进物种迁移，维持生态平衡和保护生物多样性.因此，在现有生态安全格局基础上，建议增加东南地区和西南地区的生态安全屏障，提高将石省级自然保护区、黄龙岩省级自然保护区等各自然保护地生态保护水平，形成水陆统筹的绿色生态廊道.

针对环带及周边地区兼具生态资源丰富和生态环境脆弱的特点，建议严格保护生态源地、生态廊道、生态节点和低阻力区，突出武夷山、云灵山、乌君山等主要山脉在环带生态安全格局中的核心地位.武夷山公园高阻力区应避免旅游开发扩张等阻力因素破坏自然生态系统，打造智慧低干扰生态驿站.对于武夷山国家公园生态敏感性高、水土流失等生态环境问题，建议提升山林水源涵养功能，适当控制自然保护地森林开发利用区.

以国家公园为主体的保护发展带通常包含山水林田湖草等多种生态要素，其生态安全格局构建需对不同要素生态功能进行分区、分级的综合评价，优化生态空间格局对国家公园保护具有重要支撑作用.

4 结论

a) 在评估生态系统服务重要性及生态环境敏感性基础上，识别环带以及光泽县、邵武市、建阳区和武夷山市四个地区共13 个生态源地，总面积为4 867.76 km2，占研究区总面积的42.35%，主要分布在武夷山国家公园、光泽县乌君山国家森林自然公园、邵武市万峰山省级森林公园及西南部、建阳区庵山省级森林自然公园、范桥省级森林公园及东部区域.

b) 基于MCR 模型划分生态安全区，其中低阻力区、中阻力区、高阻力区面积分别占研究区总面积的77.92%、20.96%和1.12%.

c) 确定生态廊道18 条，总长度781.86 km，以武夷山国家公园为核心，连接各生态源地，呈网状且均匀贯通光泽县、邵武市、建阳区和武夷山市四个地区.