基于生態(tài)系統服務重要性的生態(tài)安全格局構建
——江西省上饒市玉山縣為例

●劉美娥，唐柏梁，程依鳳

（江西省地質局二六六大隊，江西 南昌 330103）

生態(tài)安全是指區(qū)域具有結構完整、功能健全、連續(xù)分布的空間布局形態(tài)，生態(tài)安全格局指保障生態(tài)安全的關鍵性保護地之間的構成、空間位置的聯系的空間布局。學者俞孔堅構建的生態(tài)安全格局，是由源、緩沖區(qū)、源間聯接、輻射道等景觀組分組合形成的，并通過廣東丹霞山國家風景名勝區(qū)的林中雉類物種進行實證研究[1]。在此基礎上，相關學者圍繞如何構建生態(tài)安全格局，從理論與實證方面進行了研究，完善了構建的方法體系，形成“識別源地—構建阻力面—判別生態(tài)廊道”的構建范式，也有學者將“生態(tài)斷裂點”[2]、生態(tài)“夾點”[3]加入該方法體系中。識別源地、構建阻力面、提取生態(tài)廊道是近年來的研究重點，其研究成果廣泛應用于城市規(guī)劃、生態(tài)保護紅線劃定、城市增長邊界劃定等。生態(tài)源地是構建生態(tài)安全格局的基礎，通常從形態(tài)學空間格局分析法（MSPA）、生境質量評估、生態(tài)系統服務重要性、生態(tài)環(huán)境敏感性等方面綜合選取[4-6]。生態(tài)阻力面指物種在不同土地利用類型間遷徙時需要克服的阻力，受地形地貌、土地利用類型以及人為活動的影響[7-8]，通常采用最小累積阻力(MCR)模型和電路理論[9]提取生態(tài)廊道。

研究小組在借鑒以上學者研究的基礎上，以上饒市玉山縣為例，以“識別源地—構建阻力面—判別生態(tài)廊道”的模式開展相關研究。方法是通過生態(tài)系統服務重要性、自然保護地2方面識別生態(tài)源地，根據土地利用類型與DMSP/OLS夜間燈光指數建立生態(tài)阻力面，依據MCR模型提取生態(tài)廊道，從而構建生態(tài)安全格局，以期為玉山縣國土空間規(guī)劃提供借鑒參考。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

玉山縣，隸屬江西省上饒市，位于江西省東北部，緯度28°30′N～28°59′N，經度117°52′E～118°25′E，東界浙江省開化縣、常山縣、江山市，南接廣豐區(qū)，西鄰信州區(qū)、廣信區(qū)，北毗德興市，下轄16個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)、街道），1個三清山管委會，總面積1732.33km2，主要地類為林地和耕地。玉山縣屬亞熱帶季風氣候區(qū)，氣候終年溫和濕潤，雨量充沛，日照時間長，有霜期短，四季變化明顯。

玉山縣地勢西北高、東南低，形成“五山四丘一平原”地形地貌，境內主要山脈有懷玉山脈和武夷山脈，境內的河流金沙溪、玉琊溪是信江的兩大源流。境內河道縱橫，湖泊眾多，水網密布；森林資源豐富，森林覆蓋率達64.8%，包含自然保護區(qū)、森林公園等多種自然保護地，生境質量良好，物種豐富。

1.2 數據來源

土地利用現狀數據來源于2019年玉山縣第三次全國國土調查階段數據，從玉山縣自然資源局獲??；DEM高程數據來自地理空間數據云，空間分辨率為30m，坡度數據通過對DEM數據處理得到；自然保護區(qū)數據來自玉山縣自然資源局。

研究小組按土地用途將玉山縣土地利用現狀數據歸類劃分為7種：耕地、園地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地。各土地利用類型面積為：耕地面積271.69km2，占全縣國土面積15.68%；園地面積為19.01km2，占全縣國土面積1.10%；林地面積為1245.05km2，占全縣國土面積71.86%；草地面積為3.63km2，占全縣國土面積0.21%；水域面積為52.05km2，占全縣國土面積3.00%；建設用地面積為139.59km2，占全縣國土面積8.06%；未利用地面積為1.31km2，占全縣國土面積0.08%。

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)源地識別

生態(tài)源地是物種擴散和維持的源點。構建生態(tài)安全格局的首要步驟為識別生態(tài)源地。研究小組首先以生態(tài)系統服務重要性評價來識別具有重要生態(tài)功能的斑塊，作為識別生態(tài)源地的主要依據。生態(tài)系統服務重要性評價是評價區(qū)域生態(tài)系統服務的重要性，生物多樣性、水源涵養(yǎng)、水土保持重要性等生態(tài)系統服務功能越重要，生態(tài)系統越完整，生態(tài)系統服務重要性評價就越高。

在生態(tài)系統服務功能重要性評價結果的基礎上，綜合考慮玉山縣的自然稟賦和社會經濟發(fā)展，結合自然保護地數據，形成最終的評價結果，最后選取生態(tài)重要斑塊作為生態(tài)源地，同時考慮到只有達到一定面積的生態(tài)源地才能更好地發(fā)揮其生態(tài)功能。因此，研究小組選取核心區(qū)面積大于2km2的圖斑作為生態(tài)源地。

研究小組參考生態(tài)系統服務功能重要性評價的相關研究，選取生物多樣性、水源涵養(yǎng)、水土保持重要性3個評價指標，采用層次分析法，確定各因子權重值，分別為0.25、0.45、0.30；再對上述評價因子賦值結果進行加權空間疊加分析；最后采用的分級方法為自然間斷點分級法，此方法可識別數據的相似值，并進行最恰當地分組，最大化表現各級之間的差異。評價結果分為5個等級：重要、較重要、一般重要、較不重要、不重要。

（1）生物多樣性

采用InVEST模型的生境質量模塊進行生物多樣性評估，生境質量可以反映某區(qū)域在某種環(huán)境下的生境類型或植被類型發(fā)展生存的能力[5]。生境質量模塊計算公式如下：

式（1）中，Qxj為土地利用類型j中的斑塊x的生境質量；Hj為土地利用類型j的生境的適宜性；Dxj為土地利用類型j中的斑塊x的受到的總威脅水平；z為常數；k為半飽和常數，由用戶設定其數值，取值為0代表受到最高威脅值。

（2）水源涵養(yǎng)

水源涵養(yǎng)是指生態(tài)系統攔蓄降水、調節(jié)徑流，并通過蒸散發(fā)實現對水循環(huán)的調控。研究小組采用水量平衡法估算玉山縣的水源涵養(yǎng)量，利用多年降水量減去地表徑流、蒸散發(fā)量后，剩余水量作為水源涵養(yǎng)總量，并結合飲用水源保護區(qū)進行修正，公式如下：

式（2）中，Pi為降雨量；Ri為地表徑流量；ETi為蒸散發(fā)量；Ai為i類土地利用類型面積；i為研究區(qū)第i類土地利用類型；j為研究區(qū)土地利用類型數。

（3）水土保持生態(tài)系統的水土保持量為潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量之差，公式如下：

式（3）中，A為水土保持量；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；L為坡長因子；S為坡度因子；P為水土保持措施因子；C為植被因子，具體計算結果見表1、表2。

表1 土壤流失方程各因子計算說明表

表2 2019 年玉山縣各類土地利用類型的水土保持措施因子（P）與植被因子（C）的數值表

1.3.2 生態(tài)阻力面構建

物種在生態(tài)源地間遷移所受到的阻力主要受土地利用類型、地形坡度和人類活動的影響。生態(tài)阻力面的構建是計算物種在克服阻力情況下擴散路徑的基礎[10]，阻力面設置是精確篩選出生態(tài)廊道的重要環(huán)節(jié)。研究小組參考相關文獻[11-13]，以玉山縣土地利用現狀數據為基礎數據，根據不同土地利用類型設定阻力值，構建生態(tài)阻力面（見表3）。

表3 玉山縣2019 年地形坡度、各類土地利用類型的阻力值表

此外，人類活動干擾也是影響物種遷徙的重要因素，DMSP/OLS涵蓋了交通、居民地等與人口、城市因子相關的信息，能夠綜合反映人類活動強度。因此，研究小組引入DMSP/OLS夜間燈光指數對生態(tài)阻力系數進行修正[14]。

式（4）中，R'為修正后的生態(tài)阻力系數；TLIi為柵格i的燈光指數；TLIa為柵格i對應的土地利用類型a的平均燈光指數；R為柵格i的基本阻力系數。

1.3.3 生態(tài)廊道識別

生態(tài)廊道（ecological corridor）是指線性或帶狀的、連接孤立分散的重要生態(tài)斑塊的廊道，能夠滿足動植物的遷徙、繁殖。研究小組利用MCR模型模擬物種穿越不同景觀基面的過程，該模型由Knaapen等[15]提出，俞孔堅[1]修正，模型計算公式如下:

式（5）中，MCR為最小累積阻力值；fmin為最小累積阻力與生態(tài)過程的正相關關系；Dij為物種從生態(tài)源地j到柵格i的空間距離；Ri為物種經過柵格i的阻力系數；m為阻力面柵格個數；n為生態(tài)源地的個數。

研究小組提取生態(tài)源地的中心點作為生態(tài)源點，使用ArcGIS中的Cost Distance工具和Cost Path工具，利用生態(tài)源地和綜合阻力面，依次計算源點之間的最小成本路徑，從而得到生態(tài)源地之間的生態(tài)廊道。

研究小組采用重力模型評價生態(tài)源地間的相互作用強度，判斷研究區(qū)域生態(tài)廊道的相對重要性。相互作用強度值越高，生態(tài)源地之間的能量流動更容易，聯系也就越緊密；相互作用強度值越低，表明生態(tài)源地之間的能量流動越困難。重力模型公式如下：

式（6）中，Gij為生態(tài)源地i與生態(tài)源地j之間的相互作用強度大小；Nj為生態(tài)源地j的權重值；Ni為生態(tài)源地i的權重值；Dij為生態(tài)源地i與生態(tài)源地j之間生態(tài)廊道標準阻力值；Pi為生態(tài)源地i的整體阻力值高低；Pj為生態(tài)源地j的整體阻力值高低；Si為生態(tài)源地i的面積；Sj為生態(tài)源地j的面積；Lij為連接生態(tài)源地i與生態(tài)源地j所形成的生態(tài)廊道的阻力值；Lmax為研究區(qū)內所構建的全部生態(tài)廊道阻力值的最大值。

2 結果分析

2.1 重要生態(tài)源地分布

研究小組將數據進行歸一化處理，得到生態(tài)系統服務重要性評價結果數值在1～5范圍，劃分為5個等級，分別為：重要、較重要、一般重要、較不重要、不重要（見表4）。

表4 2019 年玉山縣生態(tài)服務重要性等級面積及占比表

生態(tài)系統服務重要性評價結果表明2019年玉山縣生態(tài)重要區(qū)面積為263.40km2，占全縣國土面積的15.21%，重點分布在三清山國家地質公園、懷玉山國家森林公園、信江源省級自然保護區(qū)等區(qū)域，主要是為保障物種多樣性，防止水土流失，三清鄉(xiāng)、楓林鎮(zhèn)、南山鄉(xiāng)、雙明鎮(zhèn)、冰溪街道等鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布集中。生態(tài)較重要區(qū)面積為644.48km2，占全縣國土面積的37.20%，沿生態(tài)服務重要區(qū)邊緣延伸，分布在西北部植被覆蓋較高的生態(tài)區(qū)。生態(tài)一般重要區(qū)面積為304.88km2，占全縣國土面積17.60%，主要分布在玉山縣東南部及中部地區(qū)，經過金沙溪、玉琊溪兩大信江源沿岸，為城市用水安全、營養(yǎng)物質保持提供了有力保障。生態(tài)較不重要區(qū)以及不重要區(qū)分布零散，大多位于人口分布密集的城市建設區(qū)，面積分別為108.92km2、410.57km2。

在劃分出的生態(tài)重要區(qū)剔除小于2km2的碎小圖斑后，最終確定玉山縣生態(tài)源地，共10塊，并從1～10進行編號。生態(tài)源地總面積為211.14km2，占全縣總面積的12.19%，以林地為主。生態(tài)源地主要集中在縣域北部的楓林鎮(zhèn)、三清鄉(xiāng)、懷玉鄉(xiāng)、雙明鎮(zhèn)，玉山縣生態(tài)保護用地的集中分布區(qū)，生態(tài)環(huán)境質量現狀較好。

2.2 生態(tài)阻力面分布

玉山縣冰溪、文成、巖瑞等中部區(qū)域，高阻力值集聚成片，該區(qū)域土地利用類型主要為建設用地，社會經濟水平較高，人類活動較頻繁，對周圍區(qū)域物種擴散產生一定阻力；阻力低值區(qū)域主要分布在玉山縣北部、西北部，主要以林地為主，地勢較高，生境質量較高，人為干擾較小，對物種遷徙產生的阻力干擾較小。

2.3 生態(tài)廊道與生態(tài)節(jié)點

生態(tài)廊道連通重要生態(tài)源地，增加區(qū)域的景觀連通性，為物種遷徙提供通道。研究小組以生態(tài)源點為生態(tài)源地中心，結合生態(tài)阻力面，利用MCR模型和ArcGIS的cost path分析工具，識別玉山縣生態(tài)廊道，剔除冗余廊道，結果表明，玉山縣共有55條生態(tài)廊道，呈蛛網式輻射分布，總長度約561.96km，總面積為14.66km2。

研究小組根據各生態(tài)源地斑塊間的相互作用力，將玉山縣的生態(tài)廊道分為2個級別，相互作用力＞5的為重要生態(tài)廊道，主要分布在縣域中部雙明鎮(zhèn)、南山鄉(xiāng)、橫街鎮(zhèn)和縣域南部懷玉鄉(xiāng)、樟村鎮(zhèn)，總長度約35.71km；相互作用力＜5的為一般生態(tài)廊道，分布于玉山縣各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總長度約526.25km。表5為2019年玉山縣生態(tài)源地間相互作用矩陣表，描述生態(tài)源地兩兩間的相互作用力。從表中可以看出，玉山縣生態(tài)源地間的相互作用力差異較大，其中，重要生態(tài)廊道有5條，生態(tài)源地4與生態(tài)源地5（分布在縣域中部的雙明鎮(zhèn)）之間的相互作用力最大為105.3927，這表明這兩個生態(tài)源地之間的阻力最小，最有利于物種遷移擴散、能量流動；一般生態(tài)廊道有50條，且大部分數值都比較低，這表明總體生態(tài)阻力較大，但也說明生態(tài)廊道建設潛力大。

表5 玉山縣2019 年基于重力模型的生態(tài)源地間相互作用矩陣表

生態(tài)節(jié)點是為生態(tài)源地間物種遷移過程中提供落腳點，具有踏腳石作用，是除生態(tài)源地以外同樣需要保護的斑塊，是生態(tài)功能最薄弱處。研究小組根據研究區(qū)的實際狀況，以重要生態(tài)廊道之間或重要生態(tài)廊道與一般生態(tài)廊道的交點作為一級生態(tài)節(jié)點，一般生態(tài)廊道之間的交點作為二級生態(tài)節(jié)點，得到生態(tài)節(jié)點的分布范圍。一級生態(tài)節(jié)點落在生態(tài)源地，主要分布在雙明鎮(zhèn)、南山鄉(xiāng)、三清鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)；二級生態(tài)節(jié)點落在生態(tài)系統服務較重要區(qū)域，主要分布在紫湖鎮(zhèn)、楓林鎮(zhèn)、南山鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

從生態(tài)廊道與生態(tài)節(jié)點的空間布局來看，研究區(qū)生態(tài)源地之間的廊道均不是兩點之間最短的直線距離，且盡可能繞開了建設用地區(qū)；但有些北部與南部區(qū)域的生態(tài)源地，無法避開耕地或城市邊緣區(qū)域，穿越這些人類活動頻繁區(qū)域不可避免，隨著城市的不斷向外擴張，會威脅到這些生態(tài)廊道。因此，可以在生態(tài)廊道與交通道路相交處布設如高架橋、涵洞等生態(tài)流通道，在一定程度上減少物種遷徙中的死亡。

2.4 生態(tài)安全格局構建

研究小組以玉山縣綜合阻力面為基礎，利用MCR模型和ArcGIS的cost path分析工具，識別生態(tài)廊道，形成玉山縣生態(tài)安全格局?？傮w來看，生態(tài)廊道構成玉山縣生態(tài)格局的主體“骨架”，是生態(tài)源地間的重要連接橋梁，是未來保護工作的重點。另外，玉山縣東南部和南部的仙巖鎮(zhèn)、下鎮(zhèn)鎮(zhèn)、六都鄉(xiāng)幾乎沒有生態(tài)源地和生態(tài)廊道分布，后期可以增補生態(tài)源地，完善整體生態(tài)安全格局，緩解發(fā)展與生態(tài)之間的矛盾。研究小組就此提出“一屏、兩帶、雙核、多點”方案，對玉山縣生態(tài)安全格局進行優(yōu)化，為玉山縣生態(tài)保護修復提供依據。

“一屏”是指贛東—贛東北山地（懷玉山脈）森林生態(tài)屏障，位于生態(tài)系統服務重要區(qū)域，生態(tài)源地集中分布，物種豐富且自然生態(tài)資源良好。此區(qū)域圍繞三清山、懷玉山等，在縣域西北部形成連片的生態(tài)環(huán)境保護區(qū)域，保障贛東—贛東北三地森林生態(tài)屏障完整性，為玉山縣的水土保持、保護生物多樣性，提供了較高的生態(tài)服務價值。

“兩帶”是指江西三清山信江源濕地公園，主要為沿金沙溪和玉琊溪的兩條生態(tài)流域帶，構建生態(tài)安全體系，傳動生態(tài)服務功能；此區(qū)域連通大部分生態(tài)源地，橫穿多條生態(tài)廊道，可實現各類生態(tài)環(huán)境資源聯動保護，形成相互貫通的網絡格局，保障了區(qū)域的水源涵養(yǎng)功能。

“雙核”是指江西三清山國家地質公園、江西省信江源省級保護區(qū)，可構建生態(tài)安全主要核心驅動單元；此區(qū)域是玉山縣旅游產業(yè)重點發(fā)展區(qū)域，帶動區(qū)域經濟發(fā)展。

“多點”是指江西懷玉山國家森林公園多點分布于縣域各區(qū)域，構建縣域生態(tài)安全網絡，提升縣域生態(tài)服務功能。以懷玉山國家森林公園（懷玉山片區(qū)、天梁片區(qū)、武安山片區(qū)、峽口片區(qū)）為多點，可實現生態(tài)價值全面覆蓋，實現生態(tài)價值轉換。

3 結語

研究小組以江西省上饒市玉山縣為研究區(qū)，基于生態(tài)系統服務重要性與自然保護地識別生態(tài)源地，基于土地利用類型和DMSP/OLS構建生態(tài)阻力面，識別生態(tài)廊道，從而構建了玉山縣生態(tài)安全格局。玉山縣生態(tài)源地總面積為211.14km2，占全縣總面積的12.19%，以林地為主，主要分布在楓林鎮(zhèn)、三清鄉(xiāng)、懷玉鄉(xiāng)、雙明鎮(zhèn)，空間分布不均，東南部地區(qū)斑塊分布較小。生態(tài)廊道分為重要生態(tài)廊道和一般生態(tài)廊道2類，長度分別為35.71km、526.25km，呈蛛網式輻射分布，增強了生態(tài)源地之間的空間連通性。

文章所構建的生態(tài)安全格局，可為玉山縣建設用地擴張與布局調整提供管控依據，為玉山縣國土空間規(guī)劃、開展生態(tài)保護修復重大工程提供參考。研究小組認為，生態(tài)安全格局中的生態(tài)源地、生態(tài)廊道應設為禁止開發(fā)區(qū)；對于贛東—贛東北山地（懷玉山脈）森林生態(tài)屏障，可大力實施水土保持工程，維護生物多樣性；金沙溪和玉琊溪的兩條生態(tài)流域帶區(qū)域應加強控源減排、河道清淤與防洪工程建設，提升水環(huán)境質量；同時強化研究區(qū)森林公園、濕地公園、連片耕地、水源保護區(qū)等重要生態(tài)空間的管控。

由于難以獲取相關數據，研究小組在識別生態(tài)源地或構建阻力面時只選擇了幾類主要因素，還需進一步對其他因子進行研究分析。河流和道路是重要的生態(tài)廊道類型，后期還需進一步就此展開研究。另外，生態(tài)廊道的寬度直接影響物種交流和能量流動，當寬度達到一定值時，才能體現廊道的生態(tài)功能。因此，確定生態(tài)廊道的最佳寬度，也是以后研究中需要重點探討的問題。