基于MCR模型和DO指數的寧夏沿黃生態經濟帶生態安全格局構建

成文浩，李同昇，馬彩虹

(1.西北大學 城市與環境學院, 陜西 西安 710127; 2.寧夏大學 地理科學與規劃學院,寧夏 銀川 750021)

生態安全格局作為溝通生態系統保護和人類社會發展的橋梁,對維持生態平衡、促進能量流通,推動經濟發展起著重要作用[1];目前已經運用于自然資源空間精準識別與管制、城市生態控制邊界劃定以及環境承載力評價等方面[2-4]。寧夏沿黃生態經濟帶生態資源豐富、人口分布集中、生產活動密集,是國家實施黃河流域生態保護和高質量發展戰略的重要區域。但由于地處西北干旱半干旱地區,生態脆弱、環境易受到破壞,出現了如城市邊界擴展、土地類型變化導致的生物多樣性減少,產業布局不合理造成生態空間與生產、生活空間錯位發展等問題。因此,構建寧夏沿黃生態經濟帶生態安全網絡,建立區域生態安全格局是急需解決的現實問題。

國內外有關生態安全格局構建的研究,主要采用“源地-廊道”的范式[5]。生態源地使用測度生態重要性、生態敏感性、形態學空間格局及景觀連通性等定量方法[6-9],構建綜合評價指標體系來識別。其中,生態重要性和生態敏感性指標主要關注土壤保持、水源涵養、生物多樣性保護等具體生態服務。形態學空間格局和景觀連通性方法主要關注生態源地在物種生存遷徙中發揮的作用和不同源地之間連通的可能性。鑒于寧夏沿黃生態經濟帶范圍內植被覆蓋率低,生態源地空間分布分散,需要更多關注物種在不同源地之間遷徙的可能性;采用形態學空間格局和景觀連通性的方法識別生態源地,更適合研究區生態安全格局建設的需要。生態廊道的提取多采用最小累計阻力模型、電流理論、圖論方法等[10-12],由于最小累計阻力模型(minimum cumulative resistance model,MCR)綜合考慮了地形、環境等因素,具有數據需求簡單、運算效率高、分析結果可視化程度高等優勢,是提取生態廊道最常用的方法[5,13]。目前已有的生態安全格局研究中,往往把研究區作為單一尺度著手,采用統一標準提取生態廊道[14]。同時,MCR模型也有一定的局限性,重點表征的是自然因素對景觀尺度生態安全格局的影響;而人類生產、生活活動對生態環境的影響,通常僅被作為設置生態阻力面的某一個因子,沒有被單獨列為一種格局進行分析?，F實中生態廊道所經區域土地利用類型多樣、不同尺度間異質性明顯,尤其是城市所在地受人類生產、生活活動影響強烈;如不考慮尺度差異和人類活動的影響,使用統一指標體系建立的生態安全格局,結果往往會產生偏差。 因此, 嘗試從不同尺度提取生態廊道尤為必要, 景觀尺度生態廊道的提取采用MCR模型; 城市尺度生態廊道可在城市居民生產、 生活空間集聚圈內, 結合城市本底提取。 對城市中居民生產、 生活活動空間集聚范圍測度, 可引用計算產業集聚和分散范圍的(duranton and overman, DO)指數; DO指數采用無參數回歸的方法, 可在任意范圍內識別出居民生產、 生活活動集聚區間, 避免了人為因素將測度要素分配到某一行政邊界內的缺陷[15]。

本文在MCR模型和DO指數結合的基礎上,將景觀尺度和城市尺度的生態安全網絡疊加,構建寧夏沿黃生態經濟帶綜合生態安全格局;探索不同尺度融合共生空間,提供生態安全格局多樣化構建途徑,為西北干旱半干旱地區生態保護與居民生產、生活活動的空間協調發展提供參考。

1 研究方法和研究框架

1.1 研究區概況

寧夏沿黃生態經濟帶包括銀川市和石嘴山市全域,吳忠市利通區、縣級青銅峽市,中衛市沙坡頭區和中寧縣(見圖1);規劃面積2.2×104km2,2020年末常住人口505.4萬,經濟總量3 211.2億元,人口和經濟總量分別占寧夏全區的70.1%和81.91%,在寧夏經濟社會發展全局中占據著重要的地位,是促進生態文明建設和引領高質量發展的核心區域。寧夏回族自治區在推進生態立區戰略的實施意見中提出“打造沿黃生態經濟帶”戰略構想,指出正確處理保護和開發的關系,科學布局沿黃地區生態、生產、生活空間;2021年11月《寧夏回族自治區國土空間規劃(2021—2035)》征求意見稿,提出建立“一帶三區”國土空間開發保護總體格局,構筑更加安全多樣的生態空間,“一帶”即為寧夏沿黃生態經濟帶。

圖1 研究區概況Fig.1 Geographical location of the study area

1.2 數據來源

本文使用的土地利用數據(2018年30 m空間分辨率)來源于中國科學院資源與環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn)。高程和坡度數據(90 m分辨率)來源于地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn)。NDVI數據來源于 Landsat-SR衛星地表反射率產品。企業與住宅、小區等數據從Open Street Map(http:∥www.openstreetmap.org)下載,對應的空間信息使用百度地圖API獲取。

1.3 研究框架

本文構建的寧夏沿黃生態經濟帶綜合生態安全格局由景觀生態格局和居民生產、生活格局疊加而成。兩種格局的整合能同時滿足生態保護和居民生產、生活活動需要。一方面,依據“源-匯”理論,從土地利用的視角識別生態源地,通過MCR模型生成物種交流擴散最小成本路徑景觀生態廊道[5]。另一方面,以“中心-邊緣”理論為依據,使用DO指數,計算連續空間上生產、生活設施布局點,得到居民生產、生活活動集聚圈。在景觀生態廊道與居民生產、生活活動集聚圈兩者沖突處布局生態-生產、生活戰略節點,結合城市本底規劃城市綠帶[14-15]?？蚣苋鐖D2所示。

圖2 寧夏沿黃生態經濟帶生態安全格局研究框架Fig.2 The research framework of ecological security pattern construction

1.3.1 景觀生態格局分析

1)生態源地識別

本文采用形態學空間格局(morphological spatial pattern analysis, MSPA)和景觀連通性指數(landscape connectivity analysis, LCA)方法,識別研究區內的重要生態源地,得到MCR前期模型。MSPA方法采用形態變換圖形原理,將圖像經過腐蝕、擴張、開閉運算等過程,把目標像元分為核心區、橋接區、孤島、環島、邊緣區、穿孔和支線等7個互不重疊的類型;將核心區和橋接區斑塊作為物種生存繁衍的場所。使用MSPA 方法能夠快速獲取生態源地斑塊,但柵格大小和邊緣寬度會影響景觀格局和分析結果。在同一研究區域內,柵格過大會使面積較小的斑塊未能被計算在內;柵格過小又會使不具有生態學意義的斑塊增多。斑塊邊緣寬度數值越大,核心區、邊緣區就會越少,橋接區和孤島更多,反之相反[8,16-17]。使用Guidos軟件,經過多次最鄰近法對數據進行重采樣后,選擇柵格大小為30m×30 m、 邊緣寬度為1 m的像元能夠較好保留研究區內斑塊,使研究數據精度達到要求。

景觀連通性指數(LCA)是研究斑塊之間物質能量交換、物種遷移的重要方法,常采用整體連通性(integral index of connectivity, IIC)、可能連通性指數(probability of connectivity, PC)和斑塊重要性(importance, IPC)3個景觀指數作為衡量的指標,用來測度研究區內核心斑塊的鏈接度水平[10]。相關指數的計算方法如下:

(1)

(2)

(3)

其中：n為研究區斑塊總數；ai和aj為斑塊i或j的面積；pij為斑塊i或j之間連通最大概率；AL為研究區景觀總面積；nlij指i和j之間鏈接數量；PCremove為某斑塊移除后的景觀鏈接度值。計算斑塊間景觀連通性程度時,需要考慮作為生態源地的斑塊面積大小、斑塊連通性距離閾值和斑塊間連通性概率。作為生態源地的斑塊,需要滿足生物生存和繁衍的可能;斑塊連通性距離閾值和連通性概率值大小會影響IIC和IPC的結果。當斑塊間距離大于閾值時或斑塊間連通程度低于斑塊間連通性概率時,表示兩斑塊間不連通;當增大距離閾值或縮小斑塊連通性概率時,斑塊間連通性會提高[8,16-17]。使用Congfor 2.6軟件多次模擬,將斑塊面積設定大于1 km2,連通閾值設定為1 km,連通概率設定為0.3,識別出的重要生態源地符合研究區景觀特征。

2)生態阻力面設置

生態阻力面反映的是物種遷移時受到不同景觀特征阻力的程度,生態阻力面設置受自然本底因素、環境變遷及人類開發活動的影響。參考已有研究成果,遵循易獲取和可量化原則,根據自然因素和社會經濟因素相結合情況,本文選擇土地利用類型、高程、坡度、景觀破碎度、到道路(鐵路、高速公路、國道)的距離和NDVI為設置生態阻力面的因子,作為MCR模型成本數據[10-11,14,18-20]。根據相關文獻和專家打分結果,按照生態安全水平等級,將各生態阻力因子阻力分值為1～5級,將各生態評價阻力因子賦予相應的權重;阻力分值等級越高表示物種遷移擴散過程受到某項因子阻力越大(見表1)。

表1 生態阻力評價指標體系Tab.1 Ecological resistance evaluation index system

3) 生態廊道提取

生態廊道的提取采用最小累計模型(MCR)[21],該模型通過生態源地和最小阻力面計算像元到成本面上最近單元的最小累計成本,反映物種從源地到目的地遷徙的可能性,公式如下:

(4)

其中：MCR表示生態源地到其他生態源地的最小累計阻力值；Dij表示物種在源點i到源點j的距離;Ri表示空間單元i的阻力值?；贛CR模型,通過計算生態源地斑塊間的最小成本路徑,去除重復路徑后得到潛在生態廊道。

計算生態源地之間相互作用矩陣,根據相互作用力大小將潛在生態廊道進行排序和等級劃分,進而提取關鍵生態廊道。重力模型方法如下:

(5)

其中：Gab是生態源地a與b之間相互作用力；Na、Pa、Sa分別為生態源地a的權重值、阻力值和面積；Dab為兩個生態源地a、b之間潛在生態廊道的標準化值；Lab為是生態源斑塊a、b之間潛在生態廊道的累積阻力值；Lmax為研究區中所有潛在生態廊道阻力值中最大值。生態源地之間相互作用力越大,生態廊道的重要程度就越高。

1.3.2 基于DO指數居民生產、生活活動集聚圈測度 本文使用DO指數測度寧夏沿黃生態經濟帶居民生產、生活活動的集聚范圍。生產活動集聚范圍的測度采用企業空間分布數據,生活活動集聚范圍的測度采用住宅、小區空間分布數據,相應計算使用R語言平臺編程完成[15,22]。對于研究區范圍內的企業或住宅、小區而言,任意距離d上的雙邊距離密度估計值為

(6)

其中：n為企業或住宅、小區的樣本數量,f為高斯核函數,h為最優帶寬,dij為i和j兩個企業或兩個住宅、小區之間的距離,h值越大,dij附近鄰域就越大,密度函數越光滑,但會造成估計值和真實值之間誤差也就越大。

(7)

(8)

2 結果分析

2.1 基于MCR模型的景觀生態格局分析

2.1.1 重要生態源地識別 對寧夏沿黃生態經濟帶的土地利用現狀進行統計,結果顯示:草地、耕地占比為45.55%和24.30%,為研究區最主要用地類型;林地占比5.65%,水域占比5.26%,建設用地占比為8.43%,其他用地為10.81%。由于林地和水域是研究區物種活動的主要場所,將林地和水域作為MSPA前景,其他用地類型作為背景,識別出研究區內核心區和橋接區面積共1 268.21km2,占前景面積的50.79%,但大多數斑塊的面積在1km2以下,碎片化特征明顯。在MSPA分析的基礎上,選取大于1km2的160個斑塊作為LCA分析數據,平均距離1 000 m作為閾值,連通概率為0.3,最終將IPC值大于2的28個斑塊作為物種繁衍的重要生態源地,面積884.62km2(見圖3A)。重要生態源地中水域主要分布在黃河干流及沙湖等地區,林地主要位于賀蘭山、沙坡頭和白芨灘等自然保護區以及毛烏素沙地的邊緣地帶。使用MSPA和LCA方法選取的重要生態源地,在空間分布上與《寧夏國土空間規劃(2021—2035)》征求意見稿中提出的“一河”(黃河兩岸及毗鄰濕地)和“三山”中兩山的(賀蘭山、羅山北部)的自然保護區、濕地公園和國家森林公園為主的生態安全屏障格局基本吻合。黃河干流是寧夏沿黃生態經濟帶最主要的生態源地。六盤山北麓雖是研究區重要水源涵養屏障,但在自然地理單元上與寧夏南部區域更為接近,而與寧夏沿黃生態經濟帶其他區域聯系不緊密,未能被識別為研究區內的重要生態源地。閱海湖和星海湖等大型水體,因鄰近銀川市區和石嘴山市區,受人類活動的影響明顯,也未被識別為重要生態源地。綜合以上結果可知,由于地處西北干旱半干旱地區,寧夏沿黃生態經濟帶降水量少、植被覆蓋率低,造成生態源地面積小,不同源地之間連通性較差,物種遷徙交流機會較少等情況;推進研究區生態屏障建設,擴大生態源地范圍,增強和規劃能夠促進物種遷徙的生態廊道尤為重要。

2.1.2 生態阻力面設置 綜合6類生態阻力因子,設置研究區生態阻力面。除NDVI外,其他阻力因子值等級多為低值和較低值,西北干旱半干旱地區植被覆蓋率低是造成NDVI指數阻力值高的重要因素(見表2)。將各阻力因子加權后進行疊加,得到景觀生態安全綜合阻力值(見圖3B)。生態阻力值等級為高值和較高值的區域集中在城市建設用地、主要道路用地類型覆蓋地區和賀蘭山高海拔地區及周邊,面積為3 511.02 km2,占整個研究區總面積的16.04%;說明居民生產、生活活動擠壓了生態源地擴展,并使生態源地之間的連通程度降低。生態安全阻力值等級為低值和較低值的區域集中分布在耕地、草地等用地類型覆蓋地帶以及賀蘭山、羅山山地的低海拔地帶,面積為12 861.42 km2,占研究區面積的58.72%。生態阻力值等級為中值的過渡區域占比為25.24%?？傮w而言,寧夏沿黃生態經濟帶生態安全綜合阻力值偏低,構建生態安全網絡難度較小。

表2 寧夏沿黃生態經濟帶各生態因子阻力等級面積占比Tab.2 Area ratios of ecological factors at different resistance levels of the study area

圖3 寧夏沿黃生態經濟帶重要生態源地及生態阻力面Fig.3 The important ecological source and ecological resistance surface of the study area

2.1.3 景觀尺度生態安全網絡構建

1)現有生態安全網絡分析

潛在生態廊道是生物物種遷徙與擴散的可能路徑。本文通過MCR模型確定各重要生態源地之間最小成本路徑,得到鏈接28個重要生態源地的潛在生態廊道,共75條。然后運用重力模型計算生態源地斑塊之間作用力大小,從某一生態源地與其他生態源地連通頻率和生態源地之間重力值兩個角度,對生態安全網絡進行分析;提取出關鍵生態廊道 17條,其中重點生態廊道6條,一般生態廊道11條(見圖4A)。結果表明:① 在黃河干流、賀蘭山自然保護區和毛烏素沙地等重要生態源地之間,已經形成連通性好的關鍵生態廊道;關鍵生態廊道將重要生態源地鏈接起來,使生物物種在不同生態源地間的遷徙、擴散途徑更加豐富多樣。北部黃河灘涂濕地、青銅峽峽谷、賀蘭山蘇峪口森林公園是連通各個重要生態源地最主要的節點。② 黃河干流是物種遷徙最主要的生態廊道。黃河銀川平原段和衛寧平原段的各個重要生態源地之間分別形成具有一定連通程度的物種遷徙廊道,但衛寧平原段各個生態源地之間互聯程度明顯低于銀川平原段。③ 賀蘭山自然保護區的重要生態源地之間物種遷徙主要發生在蘇峪口和滾鐘口之間,該區域與黃河干流及其他重要生態源地之間的聯系還需要增強。④沙湖處于連通賀蘭山自然保護區與北部黃河灘涂濕地關鍵生態廊道的節點位置,白芨灘自然保護區與其他重要生態源地聯系出現缺失。

圖4 寧夏沿黃生態經濟帶生態安全格局Fig.4 The spatial pattern of ecological security of the study area

2)生態安全網絡構建

景觀尺度生態安全網絡構建是以建立自然保護區為主體的生態源地體系為目的,突出黃河干流、賀蘭山和羅山北麓在維護生態安全格局的核心位置。具體做法上,生態源地以自然恢復為主、人工修復為輔,統籌推進自然保護區的整合優化,劃定并嚴守生態保護紅線。通過推進平原綠道、綠廊、綠網建設,提升和規劃生態廊道;主要增強黃河衛寧平原段各個生態源地間的互通性,提升青銅峽峽谷作為生態節點的重要性;建設河道水生態帶、灘涂濕地生態帶及堤路防護生態帶,打造灘河林田草交融共生的沿黃綠色生態廊道。強化賀蘭山自然保護區與黃河銀川平原段各個重要生態源地的連通程度,完善沙坡頭自然保護區與黃河衛寧平原段的聯系,建立起白芨灘自然保護區與其他重要生態源地之間的鏈接;共需提升現有一般生態廊道5條,規劃新建生態廊道10條(見圖4B)。

2.2 基于DO指數的城市綠帶構建

本文將寧夏沿黃生態經濟帶主要城市分為銀川組團(包括市轄三區與永寧縣、賀蘭縣)、石嘴山組團(包括大武口區和平羅縣)、吳忠組團(包括利通區和青銅峽市)及中衛市沙坡頭區等4個組團。采用DO指數分別計算各個城市組團的企業和住宅、小區相應雙邊距離區間,獲得精確的全局或局部集聚區間信息圖譜。以各組團的企業和住宅、小區空間分布核密度中心為圓心、平均集聚長度(Δd)為半徑,做出隔離圈來界定居民生產、生活空間集聚范圍。將景觀生態廊道與居民生產、生活集聚圈進行疊加,在空間沖突(相交與相切)處設立生態-生產、生活戰略節點;依托城市中已有重要水體和綠地,在生態-生產、生活戰略節點之間有針對性地提升和規劃城市綠帶(見圖5)。銀川組團城市綠帶用于連通賀蘭山自然保護區和銀川黃河濕地,主要依托典農河和唐徠渠、城西及城南繞城高速的水體和綠地設置城市綠帶。石嘴山組團重點貫通星海湖、沙湖和翰泉海等大型水體,進而將石嘴山的生態安全網絡納入寧夏沿黃生態經濟帶生態網絡中。吳忠組團城市綠帶主要為拓展黃河吳忠段的生態源地范圍,提升青銅峽峽谷的生態節點重要性;同時為建立白芨灘自然保護區與其他生態源地的連通發揮作用。中衛市沙坡頭區城市綠帶主要用于增強沙坡頭自然保護區與黃河干流的連通性,進而構建沙水共生的生態網絡體系。以上4個組團共需提升和規劃重要城市綠帶19條,一般城市綠帶8條。

圖5 寧夏沿黃生態經濟帶城市綠帶Fig.5 The urban green belt of the study area

將景觀尺度和城市尺度的生態安全網絡疊加,構建寧夏沿黃生態經濟帶綜合生態安全格局;景觀尺度生態網絡總體呈現為“一廊道多組團”特征,形成以黃河干流為主體,鏈接賀蘭山、沙坡頭和白芨灘等自然保護區等重要生態源地的多層級、多類型、相互交織、彼此聯通的綠色發展網帶。在重要生態源地、景觀生態廊道以及生態-生產、生活戰略節點之間規劃城市綠帶,使得生態廊道具有生態保護、經濟社會發展、居民生活福祉提升的多重性目標。

3 結論和討論

3.1 結論

本文基于MSPA和LCA的方法識別重要生態源地,使用MCR模型提取和規劃景觀生態廊道,完善景觀尺度生態安全網絡;采用DO指數測度居民生產、生活空間集聚范圍,提升和規劃各組團的城市綠帶;構建起寧夏沿黃生態經濟帶的綜合生態安全格局。結論如下:

1)寧夏沿黃生態經濟帶的重要生態源地共28個,面積為884.62 km2,形成以黃河干流為主體,賀蘭山、沙坡頭、白芨灘等自然保護區及毛烏素沙地邊緣共存的重要生態源地分布格局;突出了黃河、賀蘭山、羅山北部在構建寧夏“一河三山”為主的生態格局的核心地位。但由于地處西北干旱半干旱地區,生態源地面積小,不同生態源地之間連通性差。景觀阻力面反映出寧夏沿黃經濟帶的綜合生態阻力值等級整體偏低,人類生產、生活活動是影響物種在生態源地之間遷徙的主要因子。

2)根據重要生態源地空間分布特征和生態阻力面設置結果,提取出寧夏沿黃生態經濟帶現有重要生態廊道6條,一般生態廊道11條;形成以黃河干流為主體,鏈接起賀蘭山自然保護區、毛烏素沙地等重要生態源地的關鍵生態廊道;黃河銀川平原段各個重要生態源地之間的連通性好,衛寧平原段還有待完善。采用MCR與DO指數的綜合評價方法,從景觀和城市兩個尺度更精準的構建生態廊道。提升現有一般生態廊道5條,規劃新建10條;在景觀生態廊道與居民生產、生活集聚圈的空間沖突處設置生態-生產、生活節點,結合城市特征,提升和規劃重要城市綠帶19條,一般城市綠帶8條。通過疊加景觀生態廊道和城市綠帶,構成寧夏沿黃生態經濟帶“一廊道多組團”,兼顧生態保護和居民生產、生活活動需要的綜合生態安全格局。

3.2 討論

開展寧夏沿黃生態經濟帶生態保護和生產、生活活動空間的相互協調研究,是劃分區域三類空間和三類控制紅線的基本前提。寧夏沿黃生態經濟帶的生態安全格局的構建,對其他同類區域和城市的借鑒意義,體現在以下兩方面:① 在傳統以自然環境為主體生態網絡構建分析框架的基礎上,嘗試從不同尺度數據融合、生態保護和居民生產、生活相互協調的視角,劃定生態紅線,優化生態網絡。② DO指數能較為精準地測度城市組團的居民生產、生活集聚范圍,判斷景觀生態格局與居民生產、生活活動的沖突與融合狀況,進而合理布局產業和居民生活設施;既達到生物多樣性保護,又能滿足經濟社會發展和居民生活福祉提升,實現了生態安全格局的多目標效應。本文不足之處是生態廊道的提取還局限在從區域內部探討,未來可從跨區域的角度進一步研究,今后研究內容還需加強對生態安全格局的演變過程、影響因素和驅動機制等系統性探討。另外,在使用MSPA、LCA方法及設置生態阻力面時,由于研究區物種詳細資料不易獲取,不同物種擴散距離也不相同,參數設定沒有統一標準,仍帶有一定人為因素,科學性和精確性還有待加強。