耦合生态脆弱性和生境质量的生态安全格局构建——以南京市溧水区为例.pdf

山东农业大学学报(自然科学版),2023,54(3):397-405VOL.54 NO.3 2023Journal of ShandongAgricultural University(Natural Science Edition)doi:10.3969/j.issn.1000-2324.2023.03.010耦合生态脆弱性和生境质量的生态安全格局构建耦合生态脆弱性和生境质量的生态安全格局构建以南京市溧水区为例孙玉杰1,3,闫 刚2,刘玲俐1,曹文德3,徐玉洁31.江苏省兰德土地工程技术有限公司,江苏 南京 2100192.南京市规划和自然资源局溧水分局,江苏 溧水 2112003.江苏苏信房地产评估咨询有限公司,江苏 南京 210019摘摘 要要:生态安全格局对维护或控制特定地段的某种生态过程有着重要的意义。本文以南京市溧水区为研究区，首先构建生态脆弱性指标体系，进行生态脆弱性评价；其次通过 InVEST 模型评价溧水区的生境质量情况，再与生态脆弱性评价结果进行空间叠加提取生态源地。再次从景观类型、坡度和高程三个选取指标，构建生态阻力面；最后通过最小累积阻力模型识别生态廊道，构建溧水区生态安全格局。结果表明：溧水区生态脆弱性总体呈现为“石臼湖水库、柘塘街道-永阳街道-晶桥镇”的轴线上生态脆弱度较高的空间分布特征；生态源地面积 19.43 km2，占研究区总面积的18.25%，生态源地在南北方向上分布不均衡；修正后生态廊道共有 30 条，总长度为 426.48 km，并提出构建“一环一轴多网”的生态安全格局，旨在为溧水区国土空间规划及生态保护规划提供可参考依据。关键词关键词:耦合生态;生态安全;生态评价中图中图法法分类号分类号:X826文献文献标识码标识码:A文章编号文章编号:1000-2324(2023)03-0397-09Construction of Ecological Security Pattern Based on CouplingEcological Vulnerability and Habitat ConditionTaking Lishui District,Nanjing City as an ExampleSUN Yu-jie1,3,YAN Gang2,LIU Ling-li1,CAO Wen-de3,XU Yu-jie31.Rand Project Land Technology Co.Ltd.in Jiangsu Province,Nanjing 210019,China2.Lishui Branch of Nanjing Planning and Natural Resources Bureau,Lishui 211200,China3.Jiangsu Suxin Real Estate Appraisal Consulting Co.,Ltd.Nanjing 210019,ChinaAbstract:The ecological security landscape is of great significance for maintaining or controlling certain ecological processes in aparticulararea.BasedonnanjingLiShuiareaastheresearcharea,thispaperfirstconstructstheecologicalvulnerabilityindexsystemandevaluates the ecological vulnerability;Secondly,the habitat quality in Lishui District was evaluated by InVEST model,and then theecological source is extracted by spatial superposition with the ecological vulnerability evaluation results.Thirdly,The ecologicalresistance surface was constructed by selecting three indexes from landscape type,slope and elevation.Finally,the ecological corridorwas identified by the model of minimum cumulative resistance,and the ecological security pattern of Lishui district was constructed incombination with the ecological vulnerability evaluation results.The results show that the ecological vulnerability of Lishui DistrictgenerallypresentsthespatialdistributioncharacteristicsofhighecologicalvulnerabilityontheaxisofShijiuhureservoir,ZhetangStreetyongyang Street Jingqiao town;Thearea of ecological sourcesis 19.43 km2,accounting for 18.25%of the total area of thestudyarea.The distribution of ecological sources is uneven in the north-south direction;After the revision,there are 30 ecological corridors with atotallengthof426.48km.Itisproposedtobuildanecologicalsecuritypatternofonering,oneaxisandmultiplenetworks,whichaimstoprovideareferencebasisforthelandspaceplanningandecologicalprotectionplanningofLishuidistrict.Keywords:Coupling ecology;ecological security;ecological assessment党的十八大提出“大力推进生态文明建设”的战略决策，十九大又提出加快生态文明体制改革，将构建生态廊道和生物多样性保护网络、提升生态系统质量和稳定性及优化保障措施等确定为国家战略内容，可见构建生态安全格局，是维护生态系统平衡和保障生态服务供给的有效途径，对于解决区域生态环境问题及维护区域景观格局具有重要的作用1，对维持生态系统、保障生态安全、推进生态保护修复具有重要意义2,3。收稿日期收稿日期:2022-11-11修回日期修回日期:2022-12-09第第1作者简介作者简介:孙玉杰(1979年-),女,硕士,高级工程师,主要从事土地利用,土地规划,GIS应用等方面的研究.E-mail:398山东农业大学学报(自然科学版)第 54 卷近年来，生态安全越来越受到重视，生态安全格局构建也成为当下研究热点。早期俞孔坚在Forman 的景观格局优化方法基础上提出了生态安全格局的研究理论和方法，这成为国内生态安全格局最早的研究理论和方法4-6。当前多数研究集中在安全格局识别和构建方面，王晓玉等以宁波市下辖 6 个城区为研究对象，通过最小阻力累积阻力模型识别生态廊道，构建宁波市点-线-面的生态安全格局7；胡秋红等以河北省承德市为例，分别对林地、草地和灌木林地等极重要区域进行识别，利用最小累积阻力模型构建典型生态屏障区的生态安全格局8；陈瑶瑶等综合生态敏感性与生态网络展开研究，结合景观连通性分析和形态学空间格局分析获得生态源地，综合生态敏感性评价与生态网络构建结果得到了南昌市的生态安全格局9。从研究模式来看，逐渐形成了“生态源地-廊道-节点-网络”等要素的研究模式7,10-12。而识别生态源地则成为构建生态安全格局的关键环节之一7,13,14，前期的研究中，多数研究者以自然保护地、水源保护地、成片林地等作为生态安全格局的“源地”15，这种源地的识别方法，存在着一定的主观性。随着研究的不断深入，对生态源地识别的方法也更趋于科学合理，如邬志龙等先通过生态敏感性评价，再结合瑞金市土地利用与土地覆被现状，识别生态源地16。因此本研究在借鉴前人的基础上，耦合生态脆弱性和生境质量识别生态源地，一方面生态脆弱性评价，可以较好地揭示生态脆弱的区域，另一方面生境质量可以反映出生态环境质量的好坏，将二者进行空间叠加识别生态源地，可使生态源地的识别更趋于客观、科学合理。从研究方法来看，生态安全格局构建的方法中 MCR 模型的应用最多17,18，该方法在水平扩张方面具有良好的适应性和可扩张性，因此本研究亦采用此方法构建生态安全格局。较小尺度上空间格局的构建，可以从微观层面较好地展示区域的生态结构情况。溧水区属于典型的低山丘陵区，地势东南高西北地，又处于宁杭生态经济带主轴上，战略地位不言而喻，因此本研究立足溧水生态资源本底及战略发展方向，先进行生态脆弱性评价，再通过 InVEST 模型进行生境质量评价，然后耦合二者结果识别生态源地，在此基础上，通过 MCR 模型识别生态廊道，构建溧水区生态安全格局，以期为溧水区国土空间规划的编制提供借鉴。1研究区概况和数据来源研究区概况和数据来源1.1研究区概况研究区概况溧水区位于南京市的南部，秦淮河上游，东经 11851-11914，北纬 3123-3148，地处亚热带季风气候区，年平均气温 16.0，年平均降水量 1 147.0 mm，地势东高西低，属于典型的低山丘陵地区。全区土地总面积为 106 464.17 hm2，农用地面积为 74 069.02 hm2，占全区土地总面积 69.57%；建设用地面积为 20 738.70 hm2，占比为 19.48%；其他土地面积为 11 656.45 hm2，占比为 10.95%，全区以第二产业为主，2018 年第二产业占比达 49.2%，其次为第三产业占比为 45.1%。图图 1 研究区域区位概况图研究区域区位概况图Fig.1 Location overview of the study area第 3 期孙玉杰等:耦合生态脆弱性和生境质量的生态安全格局构建以南京市溧水区为例3991.2数据来源数据来源本研究涉及到的数据主要有 2018 年土地利用变更调查数据、2018 年溧水区社会经济数据、DEM数据、植被覆盖度等。其中，DEM 数据来自地理空间数据云（分辨率为 30 m30 m）。2研究思路研究思路本研究首先对溧水区的生态脆弱性进行评价。其次评价溧水区生境质量，再结合生态脆弱性评价的结果，识别生态源地，再次采用最小累积阻力 MCR 模型测算生态源地景观要素流通的相对阻力，建立生态源地扩张阻力面。以生态源地和生态阻力面为基础，通过 Circuitscape 插件中的 LinkageMapper 分析工具构建生态廊道，从而构建溧水区生态安全格局。2.1生态脆弱性评价生态脆弱性评价2.1.1 指标体系构建及权重计算 鉴于研究者普遍认为脆弱性有暴露度、敏感性和适应能力 3 个构成要素，可以揭示自然与人文要素的双重影响19-22，因此本研究以行政村为评价单元，从暴露度、敏感性、适应力三个维度，选取 12 个指标构建生态脆弱性评价指标体系，采用层次分析法和熵权法23分别计算指标权重，再取其平均值，作为指标的最终权重。进行评价之前，首先要对各个指标进行无量纲化、标准化处理24，见表 1。表表 1 溧水区生态脆弱性评价指标体系溧水区生态脆弱性评价指标体系Table 1 Evaluation index system of ecological vulnerability in Lishui District目标层Target layer准则层Criterion layer指标层Index layer层次分析法权重Analytic hierarchyProcess weight熵权法权重Entropy weightmethod综合权重Comprehensiveweight指标性质Index nature溧水生态脆弱性评价指标体系 A暴露度 B1（0.2392）人口密度 C10.05870.03020.0444正向垦殖率 C20.03840.01130.0249正向工业能源消费 C30.03280.26130.1470正向化肥使用量 C40.02880.01690.0229正向敏感性 B2（0.3847）地形起伏度 C50.11130.12010.1157正向坡度 C60.11130.12560.1185正向高程 C70.11130.07840.0949正向植被覆盖度 C80.05990.05140.0556负向适应力 B3（0.3761）三产比重 C90.15830.07300.1156负向生物丰度 C100.05170.02120.0364负向人均粮食产量 C110.12810.13750.1328负向人均 GDP C120.10930.07310.0912负向2.1.2 综合评价模型 选取 3030 的栅格作为数据单元，分别对暴露度、敏感性、适应力各指标图层进行标准化处理，然后采用各指标归一化后的标准值与其权重的乘积相加对暴露度、敏感性、适应力三个单因子进行评价23，在单因子评价的基础上，采用综合评价模型进行生态脆弱性评价。niiijiwfF1,(1)式中：Fi为第 i 个评价单元对应维度评价分值；fij为第 i 个评价单元在第 j 个指标上的标准化值；wi为第 i 个指标的权重；n 为参评指标个数。2.2生态源地识别生态源地识别生态源地作为生态要素流动和生态系统提供产品和服务的源点，为构建生态安全格局奠定基础。通过 InVEST 模型14,25对生境质量进行评价，然后再将生态脆弱性评价结果与生境质量评价结果进行空间叠加分析，识别生态源地。2.3生态阻力面构建生态阻力面构建基于相关文献，在参考前人研究的基础上，结合溧水区的实际情况，从景观类型、坡度和高程三个维度选取指标。生态阻力权重赋值主要根据专家知识或经验数据进行26。400山东农业大学学报(自然科学版)第 54 卷2.4生态廊道构建生态廊道构建生态廊道计算公式27如下：minjiijRDfMCRmin,(2)式中：MCR 为空间内某一景观到源的累积阻力值；f 反映累积阻力值与景观生态过程的正相关关系；min 示取累积阻力最小值；Dij表示空间景观单元到源 j 的空间距离；Ri表示景观单元 i 对某目标单元运动扩散的阻力系数。3结果与分析结果与分析3.1生态脆弱性评价生态脆弱性评价3.1.1 单因子评价（1）暴露度 溧水区北部的几个街道，人口密度比较大，南部的白马镇和和风镇人口密度较低；石湫街道和东屏街道的垦殖率最高，说明这两个街道的耕地面积占比较高，而和风镇和永阳街道的垦殖率最低；和风镇、东屏街道、石湫街道的工业能源消费较低，说明这几个镇街的工业发展水平较低，柘塘街道和晶桥镇工业能源消费最高，体现出这连个镇街的工业发展比较迅速；和风镇、晶桥镇、白马镇和东屏街道的化肥使用量较高，这在一定程度上说明了这几个镇街的农业发展比较好。暴露度的空间分布呈现明显的“南北高、东西低、中部中等”的特征，北部的柘塘街道人口和产业的密集度较高，耕地面积占比较低，同时经济社会发展水平高，受工业污染、交通活动等人为活动强烈；南部的晶桥镇，工业能源消费高、垦殖率较高（图 2）。图图 2 暴露度因子评价图暴露度因子评价图Fig.2 Exposure factor evaluation chart（2）敏感性 从地形起伏度、坡度、高程分布图来看，溧水区中东部的地势较高，西南部的地势较低，从植被覆盖度来看，南部的植被覆盖度高于北部。溧水区中部和石臼湖的敏感性较高，这是因为无想山、东庐山等位于溧水区中部区域，石臼湖位于西南部的和风镇，北部的柘塘街道、东屏街道、西部的洪蓝街道及西南部的和风街道敏感性较低，总体上东南部的敏感性相对较高（图 3）。第 3 期孙玉杰等:耦合生态脆弱性和生境质量的生态安全格局构建以南京市溧水区为例401图图 3 敏感性分布图敏感性分布图Fig.3 Sensitivity distribution（3）适应力 永阳街道和白马镇的第三产业占比最高，柘塘街道和石湫街道第三产业比重最低；溧水南部区域生物丰富度较高，北部区域则较低；晶桥镇、白马镇和东屏街道是溧水区粮食生产的主要区域，人均粮食在全区中最高，永阳街道、柘塘街道的人均粮食产量则是较低的，这是因为这两个街道是溧水区的政治、经济中心，经济发展迅速。从人均 GDP 分布来看，柘塘街道是最高的，这是因为柘塘街道是溧水区经济开发区所在地，全区的产业园区、工业园区主要集中的这里；和风镇、晶桥镇、白马镇的人均 GDP 相对较低，说明这三个镇的经济发展相对比较缓慢。总体上，晶桥镇和白马镇的适应力是最高的，柘塘街道和永阳街道的适应力相对比较低，和风镇的石臼湖适应力最弱，总体呈现东北部、东部、东南部适应力强，中北部和西南部适应力弱的布局（图 4）。图图 4 适应力分布图适应力分布图Fig.4Adaptive histogram402山东农业大学学报(自然科学版)第 54 卷3.1.2 综合评价 在暴露度、敏感性和适应力 3 个单因子评价的基础上，通过综合评价模型，得到生态脆弱性等级分布图（图 5）。图图 5 生态脆弱度分布图生态脆弱度分布图Fig.5 Ecological vulnerability distribution从总体上看，溧水区西南部的石臼湖水库生态脆弱度最高，“柘塘街道-永阳街道-晶桥镇”的轴线上生态脆弱度较高，这一轴线上的南部区域，分布着无想山、东庐山、中山水库、方便水库等。无想山、东庐山等山地地势起伏较大，且林地类型多以人工林和次生林为主，生态稳定性低，景观多样性较差，从而生态脆弱性较强；此外中山水库、方便水库用地类型单一，容易受到污染和人为破坏，且受损后自我恢复难度较大，恢复周期长，其生态脆弱性强。3.2生态源地生态源地在生态源地识别前，先用 InVEST 模型，得到溧水区生境质量分布图（图 6）。总体来看溧水区平均生境质量指数 0.534 7，生境质量情况处于中等，高于 0.8 的面积比例为 25.43%。低生境质量主要分布在柘塘街道、永阳街道、和凤镇南部和石湫镇北部等区域，这些区域分布着重要的交通枢纽、产业科创中心、工业园区等，人为活动频繁，交通尾气和工业污染较多，生态压力大。高生境质量呈现不规则的条带状和块状相结合的分布特征，分布在石臼湖、无想山国家森林公园、方便水库、中山水库等生态保护区域内。图图 6 生境质量分布图生境质量分布图图图 7 生态源地分布图生态源地分布图Fig.6 Habitat quality distributionFig.7 Ecological source distribution第 3 期孙玉杰等:耦合生态脆弱性和生境质量的生态安全格局构建以南京市溧水区为例403将生态脆弱性评价结果与生境质量评价结果进行空间叠加，将生态脆弱性高度脆弱、极度脆弱的区域，以及生境质量大于 0.8 的区域，作为生态源地。通过消除破碎图斑后共筛选出生态源地 42个（图 7），总面积 19 431.31 hm2，占溧水区总面积的 18.25%，主要分布在洪蓝街道东部、永阳街道南部和东部、和凤镇的西北部和晶桥镇北部等区域，这些区域内山地资源丰富，人类活动影响较弱，生态系统受干扰程度较低。3.2生态阻力面生态阻力面通过阻力因子系数及权重，评价得到溧水区生态阻力面（图 8）。溧水区综合阻力值高区域与低等级生境质量在空间分布上具有相似的特征。高阻力值以是柘塘街道的东南部和永阳街道的北部为主，这两个区域是工业区和居民区高度聚集地，受工业活动、人为活动的阻力作用较大。图图 8 生态阻力面图生态阻力面图Fig.8 Ecological resistance surface3.4生态安全格局构建生态安全格局构建基于生态源地与生态阻力面的分析，首先利用最小累积阻力模型 MCR 识别生态廊道。再依据生态廊道的破碎度及长度，结合城镇开发边界、生态保护红线进行修正（图 9）。在溧水西部区域，生态廊道沿着秦淮河航道、天生桥河、石臼湖、横山、小茅山等分布；在东南区域，生态廊道沿着平顶山、秋湖山、无想山景区、姚家水库、赭山头水库、低山区域分布；在东部区域，生态廊道沿着中山水库、方便水库、白马湖分布。生态廊道在石湫街道、晶桥镇多山地区分布密度较高，在北部开发区、东屏镇分布较为稀疏，各镇之间存在着显著的内部空间分布差异。因此基于“生态源地综合阻力面生态廊道”的分析，结合溧水区生态环境现状及土地利用现状，构建“一环一轴多网”的生态安全格局（图 9）。“一环一轴”区域的生态脆弱度较高，与各生态源地的连通性教强，且生态阻力较低，“多网”的生态脆弱度较低，与各生态源地的连通性一般，生态阻力较高。（1）“一环”指从石臼湖出发经姚家水库、东庐山、方便水库、卧龙湖、秦淮河航道，最后汇入石臼湖。“一环”区域的生态带以林地和水域为主。（2）“一轴”指从横山出发，经小茅山、平顶山、秋湖山、无想山，最后到姚家水库。这部分区域是以林地为主的生态用地，这一区域多为山区，林地分布较为广泛。（3）“多网”是二级廊道与一级廊道相连后形成的网状，这些区域生态用地的聚集度相对较弱。404山东农业大学学报(自然科学版)第 54 卷图图 9 生态廊道及格局图生态廊道及格局图Fig.9 Ecological security pattern4结论与讨论结论与讨论4.1结论结论本研究通过构建生态脆弱性评价指标，对溧水区生态环境的脆弱度进行评价；通过 InVEST 模型评价生境质量情况，再将生态脆弱性评价与生境质量评价结果进行空间叠加，提取生态源地；通过构建生态阻力因子指标，建立生态阻力面；基于生态源地及生态阻力面的分析，最后利用 MCR模型提取生态廊道，构建生态安全格局，其主要结论如下：（1）溧水区微度脆弱性、轻度脆弱性、中度脆弱性、重度脆弱性和极度脆弱性分别占整个研究区面积的 26.73%、11.60%、32.61%、15.58%和 13.49%，中度及以上等级脆弱性区域超过了全区土地总面积的一半。（2）基于生态脆弱性评价结果及生境质量评价结果，全区共识别出 42 个生态源地，面积 19431.31 hm2，占全区总面积的 18.25%。基于生态源地与生态阻力面的分析，利用 MCR 模型构建生态源之间的最小累积耗费路径，提取生态廊道 30 条，总长度为 426.48 km，其中一级廊道 5 条，二级廊道 25 条。（3）根据溧水区生态资源现状及未来区域发展趋势，以石臼湖、无想山国家森林公园、生态脆弱区等核心型生态用地作为重要的生态斑块，提出了“一环一轴多网”的生态安全格局模式，该模式可作为溧水区国土空间规划的重要补充。4.2讨论讨论加强生态安全格局构建，对于溧水区生态文明建设具有重要的意义，本研究从微观角度出发，基于区域情况建立生态脆弱性评价框架，结合 InVEST 模型生境质量评价结果，综合识别生态源地；并引入 MCR 模型构建生态安全格局，对溧水区生态保护及国土空间规划的编制具有一定的借鉴意义和参考价值。但在脆弱性评价中，由于不同数据源精度不一，部分数据源空间量化难度大，因此在评价时选择其他指标替代，此外因生态过程受人为影响比较大，生态安全格局的构建，不可避免地存在一定的主观因素，因此在后续研究中，应尽量克服指标不宜空间量化的问题，尝试多模型的集成与运用，使城市生态安全格局构建更趋于合理科学。第 3 期孙玉杰等:耦合生态脆弱性和生境质量的生态安全格局构建以南京市溧水区为例405参考文献参考文献1黄木易,岳文泽,冯少茹,等.基于 MCR 模型的大别山核心区生态安全格局异质性及优化J.自然资源学报,2019,34(4):771-7842蒙吉军,王 雅,王晓东,等.基于最小累积阻力模型的贵阳市景观生态安全格局构建J.长江流域资源与环境,2016,25(7):1052-10613田雅楠,张梦晗,许荡飞,等.基于“源-汇”理论的生态型市域景观生态安全格局构建J.生态学报,2019,39(7):2311-23214陈德权,兰泽英,李玮麒.基于最小累积阻力模型的广东省陆域生态安全格局构建J.生态与农村环境学报,2019,35(7):826-8355Forman RTT.Land Mosaics:TheEcologyof Landscapeand RegionsM.London:CambridgeUniversityPress,1995:35-386俞孔坚.生物保护的景观生态安全格局J.生态学报,1999,19(1):8-157王晓玉,冯 喆,吴克宁,等.基于生态安全格局的山水林田湖草生态保护与修复J.生态学报,2019,39(23):8725-87328胡秋红,丛 楠,殷国栋.典型生态屏障区生态安全格局构建以承德市为例J.生态学杂志,2021,40(9):2914-29269陈瑶瑶,罗志军,齐 松,等.基于生态敏感性与生态网络的南昌市生态安全格局构建J.水土保持研究,2021,28(4):342-34910 马克明,傅伯杰,黎晓亚,等.区域生态安全格局:概念与理论基础J.生态学报,2004,24(4):761-76811 彭 建,郭小楠,胡熠娜,等.基于地质灾害敏感性的山地生态安全格局构建以云南省玉溪市为例J.应用生态学报,2017,28(2):627-63512 吴建生,邱新欢,秦 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