基于遥感生态指数的弋阳县生态安全格局构建及优化

吕大伟，蔡海生，张学玲,3，罗海玲，曾珩，张婷

（1.江西农业大学江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室，江西 南昌 330045；2.江西旅游商贸职业学院，江西 南昌 330100；3.江西农业大学富硒农业产业发展研究中心，江西 南昌 330045；4.江西省土地开发整理中心，江西 南昌 330002）

近些年来，随着我国经济建设的迅猛发展，对生态环境造成的破坏也十分严重，随之产生很多负面影响[1]。十九大报告阐述了生态安全的重要地位，它是国家安全体系的重要基石，是构建生态安全型社会的基础框架[2-3]。区域生态安全格局的构建，是保障国家生态安全的根本举措；同时，优化区域生态安全格局能够更好地解决区域性生态安全问题，具有不可替代的作用[4]。

生态安全格局这一概念的雏形最早起源于西方国家[5]。20世纪60年代，国外学者提出岛屿生物地理学理论，为之后“生态网络”的出现奠定了基础。这一理论主要阐述了自然界中生态斑块的破碎化、岛屿化是一种普遍存在的现象，如果“岛屿”间的连接性弱化或是消失，就会形成“孤岛”，破碎化程度加深导致生物量的下降；而“生态网络”的作用就是加强各生态斑块间的连接性，保障生物间物质能量的正常流动[6]。20世纪90年代，Forman[7]提出“集中与分散相结合”准则，归纳总结景观格局的整体优化方法，为生态安全格局优化理论奠定了基础。20世纪90年代后期，国内学者也开始重视生态安全格局的研究，我国对此类研究起步较晚，但研究内容和角度较为广泛[8-10]；在生物多样性保护方面，侯鹏等[11]基于生态系统服务重要性评估，辨别国家重点生态功能区、生物多样性保护优先区和国家级自然保护区等地生态安全格局构建的空间缺失；在景观生态安全方面，何珍珍等[12]基于景观生态学理论，对渭干河-库车河绿洲的景观生态安全格局进行优化；杨彦昆等[13]基于景观连通度指数，对三峡库区重庆段进行生态安全格局构建；在生物保护方面，李慧等[14]基于电路理论为滇金丝猴等濒危物种设计生态廊道及重点保护区；在生态保护与城市扩张方面，刘晓阳等[15]以闽三角城市群为研究区构建生态安全格局并利用SLEUTH模型模拟城市扩张。

弋阳县生态环境良好，在经济大发展的背景下正处于快速发展阶段，如何有效协调发展与保护之间的矛盾是当前面临的难题。本文以三期土地利用数据为基础，将遥感生态指数识别生态源地作为切入点，结合最小累积阻力模型和重力模型构建研究区生态安全格局，然后针对该格局不足之处提出整体性和有效性更好的生态安全格局优化设计，并基于前面构建的要素以及研究区河流、地形等自然要素，最终形成“一带两区多轴”生态安全战略布局，对保障区域生态安全、促进区域可持续发展有重要意义，为推进弋阳县一体化协调发展提供一定思路。

1 研究区概况

弋阳县位于江西省上饶市，地处江西省东北部，县域面积1 593 km2，地理坐标 为28°3'55″～ 28°46'55″N，117°13'27'～117°37'45″E之 间。地 貌 类型主要以丘陵、山地为主，平原地区为辅，全县山地丘陵面积占57.1%，南北部为丘陵地带，地势较 高，中部平原地势较低，构成弋阳盆地。弋阳县林地分布广泛，以北部和南部为主要分布地区，其地理位置特殊，位于信江和饶河水系的中上游，在整个流域以及周边地区中扮演重要的生态功能角色。弋阳县自然资源极为丰富，有许多珍稀动植物，如国家一级保护植物水杉、国家一级保护动物中华秋沙鸭等；林地覆盖面积广泛，生态环境良好，拥有龙虎山世界地质公园、中国丹霞世界自然遗产、龟峰国家5A级景区等多处自然风景。本文以弋阳县作为研究区（图1），基于遥感生态指数构建生态安全格局。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文主要运用Landsat 5/TM、Landsat 8/OLI遥感影像数据（30 m分辨率）、DEM数据（30 m分辨率），均源于地理空间数据云平台（http：//www.gscloud.cn/），其中研究区涉及三期遥感影像，具体成像时间为2010年8月3日、2015年10月4日和2019年8月12日，影像云量较少，质量良好。土地利用数据也是基于遥感影像利用ENVI 5.3软件，经过辐射定标、大气校正等相应步骤，目视解译各个地类并进行精度校正所获得；土壤数据源自中国科学院南京土壤研究所提供的1∶100万土壤类型数据；采矿用地、水体、道路以及生态保护红线数据均由弋阳县自然资源局统一提供。

2.2 研究方法

2.2.1 遥感生态指数 采用遥感生态指数（remote sensing ecological index），以遥感影像为基础，提取绿度、湿度、干度、热度四个指标进行归一化，客观评价研究区综合生态环境质量[16-17]，并以此识别生态源地。计算公式如下：

1）绿度指标计算

式中：NDVI表示研究区归一化植被指数；ρNIR表示遥感影像数据中的近红外波段反射率；ρR表示遥感影像数据中的红外波段反射率[18]。

2）湿度指标计算

式中：WET表示研究区湿度指数；c1-c6表示传感器参数，由于传感器类型不同，参数也有所不同，其中OLI传感器代表的c1-c6分别为0.151 1、0.197 3、 0.328 3、0.340 7、-0.711 7、-0.455 9，而TM传感器代表的c1-c6分别为0.031 5、0.202 1、0.301 2、0.159 4、 -0.680 6、-0.610 9，上述两种传感器数据本文均有 使 用；ρB、ρG、ρR、ρNIR、ρSWIR1、ρSWIR2分 别 代 表Landsat 8/OLI影像中第2、3、4、5、6、7波段反射率和Landsat 5/TM影像中第1、2、3、4、5、7波段反射率[19]。

3）干度指标计算

式中：NDBSI表示研究区干度指数；SI表示地表裸土指数；IBI表示地表建筑指数；ρB、ρG、ρR、ρNIR、ρSWIR1分别代表Landsat 8/OLI影像中第2、3、4、5、6波段反射率和Landsat 5/TM影像中第1、2、3、4、5波段反射率[20]。

4）热度指标计算

式中：LST表示研究区真实地表温度；T表示传感器处的温度值；λ表示热红外波段的中心波长；ρ=1.438×10-2m·K；ε表示地表比辐射率。详细步骤参考了相关文献[21]。

5）遥感生态指数计算

提取上述四个指标进行标准化处理，公式为：

式中：NIi表示标准化之后的某一指标值；Ii表示该指标在像元i的值；Imax、Imin分别表示该研究区指标的最大值、最小值。详细步骤参考了相关文献[22]。

由于大面积水体会对遥感影像处理产生影响，故将研究区整体进行水体掩膜处理后再运用ENVI 5.3软件处理遥感影像数据，分别得到绿度、湿度、干度和热度数据，对四个指标进行离差标准化处理，使每个指标的范围都在[0,1]之间，并运用主成分分析法将四个指标进行耦合，初始遥感生态指数由1减第一主成分获取；为便于指标度量与比较，同样对初始遥感生态指数进行标准化处理，具体如下：

式中：RSEI表示离差标准化处理后的遥感生态指数，RSEI的值介于[0,1]，RSEI值越趋近1，代表该地区生态环境质量越优良，反之，则越差；RSEI0表示初始遥感生态指数；RSEI0_max和RSEI0_min分别表示初始遥感生态指数的最大值和最小值；PC1表示第一主成分。详细步骤参考了相关文献[22]。

2.2.2 生态阻力面指标体系 选取8个评价因子构建研究区生态阻力面指标体系，将各个评价因子阻力值分为四个等级，分别用1、2、3、4代表阻力系数，系数越大代表阻力越大。利用ArcGIS10.5软件中的欧氏距离工具计算出距采矿用地距离、距水体距离和距道路距离三个评价因子的最大影响半径；再利用重分类工具将8个因子分别按照表1划分的四个等级进行重分类，分别得到各个评价因子的单因子阻力面；最后根据表1中设置的权重[23]加权叠加8个单因子阻力面得到研究区综合生态阻力面。

表1 研究区阻力因子等级划分Table 1 Resistance factor classification of the study area

2.2.3 最小累积阻力模型 最小累积阻力模型（minimum cumulative resistance model）的原理是通过计算生态源地斑块之间需要克服的累计阻力值来规划出最小成本路径，以判断斑块间物质能量流动的趋势。目前国内广泛应用的MCR模型是由俞孔坚等[27]在Knaapen等[28]的基础上修改并引入而来，具体计算公式如下：

式中：i≠j，m和n表示任意两个生态源地编号，其取值范围在[1,17]；MCR表示从任一生态源斑块在空间上至某一点的最小累积阻力值；ƒmin表示最小累积阻力值与生态过程之间的正相关函数；Dij表示生态源斑块j到达生态源斑块i所经过的空间距离；Ri表示生态源斑块i在空间某一方向的扩散阻力系数。

2.2.4 重力模型 重力模型的原理是通过计算源地之间的相互作用力来判断各个生态廊道的重要程度，具体计算公式[29]如下：

式中：Gij表示生态源地斑块i与生态源地斑块j之间的相互作用力；Ni、Nj分别表示生态源地斑块i与生态源地斑块j的权重值；Dij表示生态源地斑块i与生态源地斑块j之间潜在生态廊道的标准化阻力值；Pi、Pj分别表示生态源地斑块i与生态源地斑块j的阻力值；Si、Sj分别表示生态源地斑块i与生态源地斑块j的面积；Lij表示生态源地斑块i与生态源地斑块j之间潜在生态廊道的累积阻力值；Lmax表示所有生态源地斑块之间潜在生态廊道的最大累积阻力值。

3 结果与分析

3.1 研究区生态安全格局构建

3.1.1 研究区生态环境质量评价 遥感生态指数能很好地描述区域生态环境质量的优劣，相较于其他数据源，采用遥感影像数据进行评价更为客观[30]。在参考相关研究[19，31]和《生态环境状况技术规范》（HJ192-2015）的基础上，以0.2、0.4、0.6、0.8为间隔点，将生态环境质量等级划分为差[0-0.2]、较差（0.2-0.4]、中（0.4-0.6]、较优（0.6-0.8]、优（0.8-1]五个等级。评价结果显示（图2）：2010、2015、2019年遥感生态指数均值分别为0.820 3、0.846 6、0.734 9，研究区近十年生态环境质量呈现先上升后下降的规律性，总体而言，该区域生态环境一直处于良好且稳定状态；生态环境质量较好的地区主要分布在县域北部和南部，以有林地为主要分布类型；县域中部地区生态环境质量较差，主要以建设用地为主要分布类型；这样的分布情况也符合林地的分布特征以及研究区“南北高中部低”的地形特征。

3.1.2 生态源地及缓冲区识别 生态源地是指一定区域内具有较高生态服务价值，或一定辐射能力的斑块类型，是构建区域生态安全格局的基石；生态源地缓冲区是生态质量仅次于生态源地的斑块，对生态源地的保护以及区域物质能量流通起重要作用。选取生态环境质量等级为优且近十年间稳定性较强的16个斑块以及中部城区的信江干流作为研究区生态源地，其中将河流作为生态源地是本文构建研究区生态网络的关键之处，河流不仅具备较高的生态质量，并且其独有的天然流动性是其他生态源地所不具备的，可谓自带生态廊道属性；研究区17块生态源地面积共76.13 km2，占研究区总面积的4.84%。选取生态环境质量等级为较优且较为稳定的斑块作为研究区生态源地缓冲区，面积共596.76 km2， 占研究区总面积的37.93%，大面积的生态源地缓冲区具有较高的生态价值，能更好地保护核心生态源地。划定到生态保护红线范围内的区域通常具有特殊或重要生态功能，必须强制性严格保护，通过遥感生态指数计算选取的生态源地以及源地缓冲区与江西省划定的生态保护红线进行对比分析（图3），二者面积的重合率达到73.74%，生态源地选取的有效性和准确性得到了一定程度的验证。

3.1.3 研究区生态阻力面构建 根据前面构建的指标体系计算得到单因子阻力面以及综合阻力面（图4）。结果表明：研究区最大阻力值主要分布在中部城区以及北部居民区附近，其他地区有零星分布但面积不大；综合阻力值二级斑块占全域总面积的74.51%，占比最大，以林地为主要分布类型，也是生态源地和源地缓冲区的主要分布地区。最终构建的综合阻力面为后面生态廊道的识别打下基础。

3.1.4 生态廊道构建 生态廊道是连接生态源地的桥梁，是具有维护生物多样性、保障能量流动等生态服务价值的线状景观要素。基于上述得到的研究区综合阻力面，利用ArcGIS中的成本距离、成本路径等工具计算出每一个生态源地到其他源地的成本路径，剔除重复的和累积阻力值较大的成本路径后，共识别出35条一般廊道，长度共433.83 km。在生态网络中，每条生态廊道的重要性不同，重要性较高的廊道对生态源地之间的桥梁衔接作用要大于一般廊道，需要进行重点保护，因此需要对每一条廊道的重要性进行计算，分清保护的侧重点。根据重力模型识别出源地14和源地15之间的生态廊道相互作用力值最大，达到11 882，两地之间的阻力较小；而源地1和源地17之间的生态廊道相互作用力值最小，仅为64，两地之间的阻力也较大。通过重力模型计算得到各个源地间生态廊道的重要性值（表2），选取所有生态廊道中作用力值大于5 000的13条廊道作为构建生态网络的关键廊道[29]，长度共83.26 km。关键廊道的选取可与一般廊道相区分，为生态廊道的保护划分侧重对象。

表2 研究区生态廊道重要性识别Table 2 Identification of the importance of ecological corridors of the study area

3.1.5 生态安全格局构建 生态节点是生态源地间物质能量转换的转折点，一般位于生态廊道中生态功能最薄弱处，主要由最小路径与最大路径交叉点或最小路径的汇集处交点构成，强化生态节点建设，不仅能减少生态廊道的累计消耗成本，还能加强区域生态网络的生态服务功能。由于生态源地斑块集中分布在南部和北部地区，两地间隔距离远且廊道阻力值极大，对生物迁徙和整体生态网络的流通性产生一定影响，因此选择横贯研究区中部的信江干流作为重要生态源地，起到衔接南、北部生态网络的重要作用。最终选取17个生态源地斑块、35条生态廊道和46个生态节点初步构建起“点-线-面”相互交融的生态安全格局（图5），为后续生态安全格局的优化设计打下基础。

3.2 研究区生态安全格局优化设计

研究区生态网络构建已经基本完成，但细节方面仍存在一些不足之处，为加强研究区生态网络的整体性与有效性，在此基础上，从新增生态源地、保护研究区核心源地和廊道、生态节点修复、规划“踏脚石”斑块四个方面入手，提出优化设计方案 （图6）。

3.2.1 新增生态源地 考虑到研究区生态源地斑块较为集中的分布情况，生态网络的辐射范围没有涵盖整个研究区，因此在已选17个生态源地斑块的基础上，新增生态源地。结合研究区生态保护红线与生态源地缓冲区，选择研究区边缘位置的红线与缓冲区重叠区域作为新增生态源地，形成覆盖范围更广的生态网络。生态源地斑块主要以植被覆盖率高的林地和水域为主要类型，新增3处生态源地斑块均为林地，同时利用前文用到的最小累积阻力模型和生态节点识别方法，新增生态廊道10条、新增生态节点10个（表3），共同构建起更加完善的生态网络，覆盖范围也更广泛，能够有效扩大生物迁徙与物质能量流动的范围。

表3 研究区生态安全格局优化前后变化Table 3 Changes before and after the optimization of ecological security pattern of the study area

3.2.2 保护核心源地和廊道 研究区生物多样性极为丰富，有许多国家级珍稀动植物，因此核心生态源地和关键廊道的重点保护，对维护研究区生态网络的稳定性与持续发展有重要意义。本文在初步构建起研究区生态网络的基础上，将连接“一带”和“两区”的9条生态廊道作为优化生态安全格局的战略廊道，使南北两片区生态源地构成整体性网络；关键廊道的作用主要体现在加强南北两个片区内部的衔接性与流通性上，9条战略廊道和13条关键廊道分别对研究区整体和南北局部网络构建起到重要作用，因此需要重点保护。生态源地方面，特别是以信江为主的条带状生态源地，在研究区生态网络构建中最为重要，起到连接南北“承上启下”的作用，并且信江也是弋阳县域内国家一级保护动物“中华秋沙鸭”的主要栖息场所，对珍稀生物的生存繁衍至关重要，因此保护好信江源地尤为重要。

3.2.3 生态节点修复 生态节点是研究区生态网络最为薄弱的地方，同时也是提升生态网络稳定性、优化生态网络布局需要修复保护之处。研究区生态节点共56处，针对生态节点进行修复保护，尤其是战略廊道阻力值较大的生态节点处，需要进行重点修复。建议在生态节点处进行一定规模的工程修复措施，如绿化措施或是修建“桥梁通道”，为动物迁徙提供便利；同时对节点处实行特殊保护，减少人类活动干扰，保证物质能量正常流动。

3.2.4 规划“踏脚石”斑块 生态踏脚石是景观生态学中的概念，是指在大型生态斑块之间，设置一系列小型斑块用做生物短暂栖息和迁移的通道。生态廊道的功能和稳定性会受到外界因素和自身性质的干扰，较短的生态廊道受到的干扰较少且稳定性较强；而较长的生态廊道由于累积阻力值较大，经过的障碍点较多，因此稳定性较差，是加强规划建设的重点对象。研究区南北两地距离远且连通性差，中部城区阻力值较大，生态廊道易发生断裂从而影响整体生态网络的物质能量流通，因此需要增加生态“踏脚石”建设。本文在较长生态廊道的节点处、累积阻力值较大处选出24个“踏脚石”斑块（表3），其有效建设能够帮助动物迁徙，提高迁徙过程中动物的存活率；也能够保障生态网络的物质能量循环，提高整体稳定性。

3.3 研究区生态安全战略布局

依托前文运用RSEI识别出的生态源地、MCR模型和重力模型构建的生态廊道以及研究区河流水系等核心要素为基础，并以保护生态用地、保障整体流通有效性为原则，最终形成以信江为中心向南北连接的“一带两区多轴”生态安全战略布局框架（图7）。其中，“一带”是指以中部河流生态源地为主体沿信江干流岸线的生态带，保障自身范围水资源生态环境的同时衔接南北部地区陆生生态环境；“两区”是指以南北部地区生态源地为基础所划分的生态安全保护区；“多轴”是指将战略廊道和生态源地衔接所形成的生态防护轴带。将需要重点保护的“一带”、“两区”和“多轴”在前文研究结果的基础上划分出来，既保留了前文研究成果的核心要素，又使整体规划更加简洁明了、实践性更强，使今后研究区开展生态保护、治理等相关工作更具针对性。

4 结论与讨论

4.1 结论

本文以弋阳县为研究对象，通过计算三期遥感生态指数进行生态环境质量评价后选取生态源地及其缓冲区，运用MCR模型与重力模型构建生态综合阻力面并划分出一般廊道与关键廊道，对研究区生态安全格局进行构建并提出优化设计方案，最终形成生态安全战略布局框架。主要结论如下：

1）2010—2019年间研究区生态环境质量呈稳定且良好的状态，但2015—2019年间生态质量有所下滑，生态环境质量较优和优等级的面积受到侵蚀，呈不断缩小的态势，而生态源地对区域生态安全格局的构建至关重要，因此需要进行重点保护以及治理。

2）按照研究区现状条件初步构建的生态安全格局具备基本要素及功能，为进一步完善，通过新增生态源地、保护核心源地和廊道、生态节点修复、规划“踏脚石”斑块四个方面对研究区生态安全格局进行优化，从而扩大生态网络覆盖范围，加强内部联系和景观连通性，缓解城市发展与生态保护之间的矛盾。

3）结合前面生态安全格局的研究结果，提出“一带两区多轴”的生态安全战略布局框架，其能够较好地衔接区域内各个生态源地，确保物质能量的空间流通性，促进生态网络的稳定运转，对景观连接性和生态系统功能的发挥至关重要。

4.2 讨论

如何有效协调经济发展与区域生态环境保护的关系是当今社会所面临的重大考验，既要“抓经济”又要保护“绿水青山”，因此加强弋阳县生态安全格局的构建及优化对于促进区域经济协调发展与生态文明建设具有重要意义。本文采用遥感生态指数识别出的生态源地具有较高的准确性和可信度，首先，选取遥感影像作为数据源更为客观，避免了人为干扰的主观性；其次，遥感生态指数包括绿度、湿度、干度、热度四个指标，相较于单一指数表示区域生态环境质量的方法，其综合性更强；再者，与研究区生态保护红线进行对比，面积重合率较高，结果的可信度与科学性得到进一步验证。优化后的生态安全格局覆盖面更广、流通性更强，但由于研究区中部城区对生态网络的干扰还是较大，因此加强信江生态源地和战略廊道以及踏脚石的保护建设尤为重要，关乎生态网络整体功能的强弱。本文所构建的生态安全格局优化设计以及生态安全战略布局为弋阳县生态文明建设提供了一定的理论和实践意义。

本研究仍存在一些有待加强的地方：1）遥感影像的质量较为普通，分辨率只有30 m，如有分辨率更高的遥感影像，数据的精度和效果会更好； 2）与周边县域生态环境的联系比较少，从生态服务角度来考虑，弋阳县不是一个独立的系统，如流域、山脉、林地等都是相互联系的，在后续研究工作中将进一步完善。上述不足之处未来还需进一步深入研究。