基于网格尺度的保山市中心城区生态安全评价研究

王永庶 唐 岱 延相东 李升星 余哲修 吴 亮

（1. 西南林业大学园林园艺学院，云南 昆明 650233；2. 云南师范大学美术学院，云南 昆明 650500；3. 江西省林业科学院/国家林业局樟树工程技术研究中心，江西 南昌 330032；4. 北京林业大学林学院/省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，北京 100083；5. 云南师范大学文理学院/城市学院，云南 昆明 650222）

生态安全是指一个国家或地区的生态环境状况能持续满足人类生存和发展需求，人类生存和发展不受或少受生态环境状况的制约与威胁的状态[1]。随着全球人口快速增加和城市化进程不断加快，人类对自然资源需求与日俱增，导致城市生态系统抗风险能力不断下降，进而引发越来越多的城市生态安全问题，如生物多样性丧失、植被覆盖率降低等[2]。由此城市发展对自然资源和生态容量的过度占用对生态环境造成胁迫，从而影响城市可持续发展[3-5]。生态安全是国家安全的重要基石[6]，而城市又是社会经济和文化发展的中心，因此城市生态安全是维护国家长治久安的重要保障。由于西南经济相对落后城市的生态发展理念相对滞后，城市建设和发展过程中资源、环境和人口矛盾更为突出，城市生态安全面临很大的威胁，因此，探讨西南相对落后城市生态安全变得尤为重要。

目前已有生态安全评价主要从风险感知方面以“提出问题—分析问题—风险表征”三步法进行研究，虽然不同学者开展了不同城市尺度的生态安全评价相关研究[7-13]，但基于网格尺度下的城市生态安全评价研究鲜有报道[14-15]。因此，本研究基于景观生态学理论和网格尺度，从景观格局指数和生态安全评价模型两方面进行生态安全评价。在网格尺度下进行生态安全评价可客观反映空间的生态安全状况，其客观性较强，评价结果准确、可靠。鉴于此，本研究选择我国西南部经济相对落后的城市保山市中心城区进行实证研究，通过划分生态网格，对2001—2019年保山市中心城区生态安全状况进行综合评价，从而获得准确的城市生态信息，以期揭示保山市中心城区生态安全变化规律和时空分布特征，为保山市中心城区未来土地利用及城市用地布局决策提供支撑。

1 研究区概况

保山市地处云南省西部，位于东经98°25′～100°02′，北纬24°08′～25°51′，是滇西城市群中心城市之一，也是云南省面向南亚和东南亚的战略枢纽。保山市地处横断山脉滇西纵谷南端，境内地形复杂多样，地势北高南低。日照充足，年平均气温14.8～21.3 ℃，夏无酷暑，冬无严寒，四季如春。近年，保山市经济快速发展一定程度上促进城市用地跨越性扩张，生产、生活空间的拓展进一步占用城市内生态用地，对城市生态结抅带来不确定性，为城市可持续发展埋下隐患。本研究选定《保山市城市总体规划（2017—2035年）》[16]界定的中心城区作为研究区，总面积325 km2。

2 材料与方法

2.1 数据来源与预处理

根据已有研究成果[17]，遥感影像数据来源于地理空间数据云遥感数据共享平台（www.gscloud.cn），基本信息见表1。数据云量较低，仅满足研究需求，对各期Landsat影像进行几何校正、图像镶嵌与裁剪预处理。根据所获取的遥感影像实际分辨率以及结合《土地利用现状分类》（GB/T 2010—2017）[18]对研究区进行景观类型划分，本着便于识别和易于操作的原则，同时满足研究需求，将保山市中心城区景观类型分为农田、林地、草地、城乡人居及工矿用地、城市公园绿地、道路交通、水体和未利用土地8种景观类型。采用最大似然法和目视解译相结合的方法对遥感影像进行解译，各景观类型分类结果精度均在85%以上，达到中分辨率遥感影像精度使用要求[19-20]。

表1 研究区遥感影像信息Table 1 Remote imagine information of the study area

2.2 研究方法

2.2.1生态网格划分法

利用ArcGIS软件对保山市中心城区进行网格化处理，划分评价网格，每个评价网格大小由研究区景观斑块平均大小的2～5倍[21-22]和采样工作量决定，本研究最终选择750 m×750 m的网格作为研究区生态评价采样网格，共划分出670个评价网格，见图1。

图1 保山市中心城区网格划分图Fig. 1 Grid division of central Baoshan City

2.2.2 景观格局指数分析法

本研究选择景观水平下的分离度指数（LDI）、最大斑块占比（LPI）和香浓多样性指数（SHDI）3方面分析保山市中心城区景观格局特征，具体景观格局指数的计算方法和生态学含义见参考文献[23]。

2.2.3 景观生态安全评价法

本研究采用景观生态安全评价法对研究区生态安全进行评价，景观生态安全指数具体计算公式如下：

式中：LESI为景观生态安全指数，LERI为景观生态风险指数。

式中：Ri为景观类型生态风险强度，n为景观类型的数量，Aki为第k个样地内i类景观类型的面积，TAk为第k个样地的总面积。

式中：Ei为景观生态风险作用度，Fi为景观脆弱度指数，i为景观类型。

式中：Ci为景观破碎指数，Si为分离指数，Ki为优势指数。a、b、c为各指标的权重，且a+b+c=1，根据已有的相关研究成果[24-26]，本研究将a、b、c分别赋权值0.3、0.2、0.5。

景观破碎指数（Ci）指景观在自然或人为干扰下，由单一、均质和连续的整体趋向于复杂的斑块破碎程度。其计算公式如下：

式中：ni为样地内景观类型的斑块数，Ai为样地内景观类型的总面积。

景观分离指数（Si）指某一景观类型中不同斑块数个体分布的分离程度。其计算公式如下：

式中：Di为景观类型i的距离指数，Bi为景观类型i的面积指数，ni为样地内景观类型i的斑块数，Ai为样地内景观类型i的面积，TA为样地的总面积。

景观优势指数（Ki）指斑块在景观中占有的地位及其对景观格局形成和变化的影响，即反映景观类型的重要程度。其计算公式如下：

式中：ni为样地内景观类型i的斑块数，N为样地内景观类型斑块总数，mi为景观类型i出现的样地数，M为总样地数，Ai为样地内景观类型i的总面积，TA为景观样地的总面积。

景观脆弱度指数（Fi），不同的景观类型对外界干扰的抵抗能力也不同，这种差异与自然演替过程中所处的阶段有关。对研究区内8种景观类型的脆弱度赋值根据研究区各景观类型面积转移矩阵[18]、同时采用专家咨询法和查阅文献[24-26]予以确定，8种景观类型脆弱度值分别为：草地1、林地2、农田3、水体4、城市公园绿地5、未利用土地5、道路交通6、城乡人居及工矿用地7。

3 结果与分析

3.1 景观格局分析

2001—2019年保山市中心城区斑块分离度指数（LDI）、最大斑块占比（LPI）和香浓多样性指数（SHDI）空间分布情况见图2。

3.1.1 景观分离度指数空间分布特征

由图2可知，保山市中心城区景观分离度指数网格值总体呈现持续增大趋势，说明保山市中心城区内部斑块发生较大变化，总体表现为斑块个数越来多，破碎化程度越来越严重。从空间分布来看，保山市中心城区分离度指数较大值的网格主要分布在研究区东部，说明该区域斑块个体之间的距离越来越大，斑块呈现出分散发展态势。

3.1.2最大斑块指数空间分布特征

由图2可知，保山市中心城区最大斑块指数网格值总体呈现持续减小趋势，说明保山市中心城区内优势斑块持续受到外界干扰，且在2013—2019年间受到干扰的强度和频率最大。从空间分布来看，保山市中心城区最大斑块指数网格值降低区域主要为北部、中部和南部，说明这些区域内的斑块优势逐渐降低。

图2 景观指数空间分布图Fig. 2 Spatial distribution of landscape index

3.1.3 香浓多样性指数空间分布特征

由图2可知，保山市中心城区香浓多样性指数网格值总体呈现上升趋势，说明保山市中心城区异质性持续增加，景观斑块向着均衡化趋势分布，主要与研究区城市建设用地面积增加有关。从空间分布来看，研究区香浓多样性指数网格低值区域主要为西部，由于西部为老城区，建设用地密度高，该区域景观类型相对单一，使得香浓多样性指数低；此外保山市中心城区北部、中部和南部区域主要为农田和建设用地交汇区，该区域景观类型相对丰富，使得香浓多样性指数值较高。香浓多样性指数网格值最高区域为东部，该区域主要为林地，同时零散分布着农田和城乡人居及工矿景观类型，景观类型最丰富，使得香浓多样性指数值最高。

3.2 景观生态安全评价

3.2.1 景观生态安全指数

由图3可知，2001—2019年保山市中心城区景观生态安全指数平均值整体呈现逐渐升高的趋势，由25.12上升至29.86。其中2001—2013年景观生态安全指数平均值增加较慢，2013—2019年保山市中心城区景观生态安全指数平均值呈现较快增加，说明在2013年后，保山市中心城区景观生态安全属性降低相对较快，其景观生态安全形势愈发严峻。

图3 研究区2001—2019年平均生态安全指数变化图Fig. 3 Change of average ecological security index in the study area from 2001 to 2019

3.2.2 景观生态安全分区

根据景观生态安全公式，计算得出各生态网格的景观生态安全指数。采用普通克里格插值法，对670个生态小区进行空间插值；采用等间距法将保山市中心城区的景观生态安全程度由高到低划分为10个等级，见表2。从而得到保山市中心城区各年景观生态安全空间分布图，并统计得到各等级生态安全区面积及占比。

表2 研究区景观生态安全分级表Table 2 Landscape ecological security classification of the study area

由图2可知，保山市中心城区景观生态安全发生较大变化，其中景观生态安全在Ⅴ级以下区域主要分布在保山市中心城区西部，随着时间发展，由西部逐渐向东部、南部和北部扩散，表现出由单一团状向多团状趋势发展，主要由于保山市中心城区城市结构发生转移，使得东部、南部和北部区域建设用地面积增加，且该区域主要生活方式以农耕为主[18]，景观脆弱性较高，由于生产和生活等社会活动增加，使得景观破碎度增加，因此使得保山市中心城区2013—2019年景观生态安全程度降低较快，见图4。

图4 研究区各年份景观生态安全等级分布图Fig. 4 Distribution of landscape ecological security level in the study area in each year

由图4、表3可知，2001—2019年间研究区景观生态安全在Ⅰ和Ⅱ级面积表现为持续减少，其中Ⅰ级面积最终减少为0，Ⅱ级面积减少最多，净减少15 261.73 hm2；景观生态安全在Ⅲ至Ⅷ级面积表现为持续增加，其中Ⅲ级面积增加最多，净增加9 439.52 hm2，值得一提是Ⅷ级面积在2019年首次出现，说明该区域生态系统结构发展极不合理，生态系统服务功能退化严重。

表3 研究区各年份景观生态安全等级面积统计表Table 3 Statistics of landscape ecological security grade area in the study area in each year

4 结论与讨论

中国正处于快速城镇化发展时期，城市扩张和人类高强度活动改变着区域生态空间的结构与功能，造成经济发展与生态保护的矛盾日益激化。保护区域生态环境，统筹协调生态空间、生活空间、生产空间，实现精明发展与精明保护双赢战略下的区域生态安全，成为新型城镇化进程中不容忽视的重要问题[27]。不同学者针对不同城市的生态安全进行了深入研究[28-30]，取得了丰硕的研究成果，从而为生态环境管理和决策提供科学依据，对区域生态文明建设具有重要意义。

本研究以保山市中心城区为研究对象，以ArcGIS，Fragstats为主要技术平台，GS+软件为辅助分析工具，结合空间自相关、地统计学在750 m格网尺度下对保山市中心城区生态安全的时空变化特征进行研究，所选干扰度和脆弱度构建景观生态安全评价模型，研究中脆弱度值以主观赋值为主，客观性相对较弱，一定程度上降低其准确性。因此，构建完善统一的分类体系，准确客观地量化景观脆弱度，完善景观格局下的生态安全评价，还需进一步研究。保山市中心城区景观格局特征既包括农林地的脆弱性，也兼具城市发展的人地矛盾问题。2001—2019年期间，保山市中心城区城市建设活动持续加强，从而导致对自然资源的消耗逐渐增强，城市化进程加快虽然促进了经济的快速发展，但也同时引发城市生态危机，如何合理利用城市内有限自然资源，从而引导保山市健康可持续发展仍是其城市发展的首要任务。

本研究对保山市中心城区景观格局分析表明：2001—2019年期间，保山市中心城区景观破碎度呈上升趋势，在研究区东部表现最为明显，该区域主要为山林地，应加强该区域山体保护措施，防止林地面积减少。在经济发展和资源开发过程中，保山市中心城区用地类型呈现多样化发展的态势，在景观破碎化程度增加的同时，其不定性信息含量也越来越大，主要表现为土地使用性质的不确定。由解译遥感影像数据和景观生态安全评价指数可知，保山市中心城区随着城市发展，主要表现为城市建设用地不断占用建成区外围生态空间，城市发展与生态系统关系愈发紧张，因此急需对研究区生态资源进行合理开发以及有效保护，进而控制城市建设用地有序发展。从整体水平来看，研究区景观生态安全发生较大变化，2001—2019年研究区景观生态安全逐渐减弱，生态环境持续受外界干扰，其中2013年后所受干扰相对之前更大。其中较低景观生态安全主要分布在研究区西部，并由西部逐渐向东部、南部和北部扩散，表现出由单一团状向多团状趋势发展。另一方面，研究区在2019年首次出现生态安全为重警状态区域，说明该区域内部生态系统结构发展极不合理，生态系统服务功能退化严重，景观生态安全形势越来越严峻。

根据以上所得结论，针对保山市中心城区城市空间提出如下建议：1）加强研究区东部林地保护，通过育林工程，形成大面积、连片的林地空间；2）整合研究区北部农田资源，发展生态农业，结合湿地资源形成现代观光农业；3）引导城市向东南方向发展，适当向北拓展，充分利用城市外围山体，构筑“公共绿地+郊野公园+田园风光+生态廊道”的多层级城市绿地系统，形成“内外成园、山城相连”的绿色空间结构。