安徽滁州天长市生态安全格局构建与优化研究

王华美，陈 红，杨东波，王雪凝，肖 新

（安徽科技学院资源与环境学院，安徽·滁州 233100）

随着城市化和工业化的高速推进，高强度的城镇建设活动使得相对脆弱的生态环境面临着巨大的发展压力[1]。因此在生态文明建设背景下，研究县域区域生态安全发展水平及其空间格局对于促进经济与生态协调发展至关重要。生态安全格局识别和构建能有效建设陆地生态安全屏障，保护重要生态斑块，对于保障县域生态系统服务功能具有重要意义[2]。近年来对于生态安全格局的研究主要集中于四个方面：一是探讨生态安全格局的演变形成机制，揭示生态安全格局的影响因素，提出区域生态安全格局优化的评价方法和原则思路[3]；二是探究生态安全格局演变、生态系统的驱动力要素及生态安全评价体系[4]；三是从利用“驱动力—压力—状态—影响—响应”模型、生态足迹模型、多因子综合评价模型等方法来综合评价区域生态安全水平[5-6]；四是生态安全格局构建与优化研究，通过“基质—斑块—廊道”的研究路线优化土地利用布局，缓解生态与经济发展之间的冲突，确保区域资源利用与生态保护可持续发展[7]。目前生态安全格局研究方法多样，但还需要因地制宜结合研究区域生态本底状况，进一步深化生态安全格局的分析和研究。

作为安徽省重要的商品粮生产基地，天长市经济体量稳居滁州市第一、全省县（市）第四，其生态安全保护影响农业生态系统，以便提供基本的粮食保障，但目前对于该地区生态安全格局的研究较少，并综合考虑人为因素与自然本底因素对区域的影响。基于此，本文选择天长市为例，运用最小累计阻力模型（MCR），利用GIS地理信息技术建立县域生态安全格局。以期了解区域生态环境现状及潜力，构建生态安全保护框架优化县域生态系统，提高生态空间连通度和生态环境质量，对天长市的生态建设与环保治理具有一定的借鉴意义。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区概况

天长市位于安徽省滁州市东部（图1），区域总面积1770 km2，2020年末总户数18.7万户，总人口63.1万人，是长三角城市群经济圈节点城市。社会经济方面，是全国百强县之一，承接皖江产业转移升级等功能，截至2020年末生产总值达549.28亿元，同比上年增长4.5%。生态环境方面，是高邮湖重点生态保护屏障区，自然资源丰富，生物资源繁多。

图1 研究区域Fig.1 Study area

1.2 数据来源

研究数据包括社会经济数据、土地利用数据、数字高程DEM数据、遥感NDVI数据以及行政区划数据，结合ArcGIS地理空间分析软件，进行天长市2020年空间数据处理。社会经济数据分别来自2020年《天长市统计年鉴》《天长市国民经济和社会发展统计公报》《天长市生态环境质量报告书》《天长市总体规划》。从中国科学院资源环境科学与数据中心（https://www.resdc.cn/）获取土地利用数据，并结合Landsat 8 OLI 遥感影像数据人工修正后得到天长市2020年土地利用数据集；从全国地理信息资源目录服务系统（https://www.webmap.cn/main.do?method=index）获取最新行政区划数据；数字高程DEM 数据来自 30 m 分辨率的GDEMV 2 数字高程数据库（http://www.gscloud.cn）；遥感NDVI数据采用地理空间数据云平台中2020年 6 月Landsat 8 OLI 卫星影像（http://www.gscloud.cn/），同时借助 ENVI 5.2软件计算得到植被覆盖度，最后通过预处理将所有数据统一坐标及投影系统。

2 研究方法

运用形态学空间格局分析（MSPA）景观要素识别方法，结合天长市生态本底情况，构建天长市生态安全格局，优化生态安全网络。首先，利用MSPA方法重分类土地利用现状，得到天长市基础景观环境现状；其次筛选研究区的林地、河流湖泊部分面积与MSPA核心区互相结合作为区域的主要生态源地；然后建立阻力区八大阻力因子，借助最小累积阻力模型和自然断点法识别生态阻力面，形成生态安全网络；最后，根据生态安全保护发展框架，结合生态本底和生态要素构建区域生态保护模型，用以优化构建区域生态安全格局。具体方法路径如下：

2.1 基于MSPA法的景观形态要素识别

MSPA分析法主要利用数学形态学的运算方法将土地利用栅格数据重分类，旨在分析土地利用类型之间的特征结构和连接类型。基于研究区域用地类型和生物分布情况，综合评估后选取林地和水体景观斑块作为分析的前景数据，其他地类类型作为背景数据，分别重分类赋值生成二值栅格数据。然后将数据导入Guidos Toolbox软件中，识别划分得到核心区、桥接区、孔隙、边缘区、环道区、支线与孤岛等7种景观组分。

2.2 基于最小累计阻力模型（MCR）的生态安全格局构建

（1）生态源地识别

生态源地一般是指对生态安全辐射具有重要作用的高质量生境斑块。基于该地区的生态本底特征、空间分布、生态源地群落的形态类型及生物多样性的空间丰富度，同时结合自然环境影响与社会经济影响等相关因素综合构建扩张阻力面。为了减少生态源地破碎程度，剔除掉其中零散无序分布形成的小区域斑块，综合评估选取土地面积大于0.1 km2的林业用地、面积大于1 km2的大型河流湖泊以及MSPA分析中核心区域的生境斑块。

（2）生态阻力面构建

生态阻力面是指物种迁徙、能量流动及物质交换时受到的阻力能量。根据研究区生态安全现状，生态环境问题主要受区域地形地貌、水系植被、人类活动等共同影响[8]。从自然环境因子和社会经济因子两个角度选择高程、坡度、NDVI、土地利用类型、距水域的距离、距居民点的距离、距公路铁路等交通设施的距离、距工业用地距离作为生态阻力因子模型[9-16]。构建生态阻力面模型是以MCR模型为分析基础，利用GIS中的成本距离工具来计算物种在克服生态阻力情况下所做最少的功。在此实证分析的基础上，以生态空间资源的主成分分析为重要理论基础测算出各因子的权重，获取累积耗费阻力面，并按照自然断点法划分成五个等级（表1）。

表1 研究区阻力因子与等级划分Table 1 Study area resistance factors and grading

（3）生态潜在廊道模拟

最小累积阻力（MCR）模型是衡量某个物种空间扩张所需耗费最小费用的模型，主要应用于生态景观保护方面，反映了物质交换、能量流动存在的诸多潜在可能与趋势。基于MCR模型计算生态源地之间最小阻力成本，构建区域生物流动的潜在廊道，具体表达式为：

其中：MCR指最小累积阻力值；fmin正函数反应最小累积阻力与生态过程的正相关关系；Dij指从某个源单元j到某个空间单元i的空间距离系数；Ri指生态单元栅格i在生态廊道运动控制过程中对源单元扩散时的空间阻力系数。

生态廊道是物种在生态源地里向外扩散的重要桥梁和物质纽带，具有生物多样性资源维护，通道屏障体系建立、土壤环境保持修复等多项重要生态系统服务功能的生态景观要素[17]。提取关键性的生态廊道网络是有效保证区域各生态源之间物种迁徙、物质交换、能量流动和生态系统功能完整的重要手段。根据生态廊道的长度分布和廊道连通性，将生态廊道划分为下列3个基本等级，其中廊道长度大于20 km的为一级生态廊道；廊道长度大于10 km的为二级生态廊道；廊道长度小于10 km的为三级生态廊道，廊道若存在共线，则共线段划入高等级廊道。

（4）生态节点识别

在生态网络体系中，生态节点是维护生态系统各要素相互交流与连接的重要战略节点，必须对其进行识别，并加以保护薄弱节点[18]，对于维持区域生态系统的可持续发展至关重要。通过廊道间的交汇情况和廊道的重要性确定生态节点的重要性等级，提取最小累计阻力路径的汇集点，其中一二级廊道的交汇点为重要节点、其他廊道交汇节点为一般节点、廊道阻力值突变点为薄弱节点。

2.3 基于网络分析法的网络结构评价

采用网络结构分析的方式，对天长市的生态网络进行了系统性评估，并从网络闭合度（α指数）、网络连通率（β指数）和网络连接度（γ指数）三个方面进行综合评价。该指标主要用于描述生态系统的空间格局中，生态节点与生态廊道两者间的联系程度，当其数值越大，其廊道的连接度越高，生态效益越高，网络结构越复杂，可以反映出生态网络结构的复杂性和生态效能。具体公式为：

式中：Ln为网络的实际环线数量；L为生态廊道数量；V为是生态源地和生态节点数量。

3 天长市生态安全格局分析

3.1 天长市基础环境状况

天长市土地利用类型主要以耕地、建设用地和水域为主，分别占比64.26%、13.76%和19.52%。其中建设用地主要分布在中心区域，水域主要分布在东部地区，耕地主要以旱地形式分布在地势平坦的北部地区。同时根据MSPA景观格局分析得出（表2），孤岛斑块面积为149.88 km2，占前景景观41%的面积，占比最大。表明天长市破碎孤立的斑块数量多，连通性比较低，后续需要将孤岛斑块聚合加强景观格局流动性。核心区主要分布在东部水体区域，面积为104.66 km2，占前景景观总面积的28.63%，主要呈现四周分布，中部区域连接程度不够，不利于物质能量流动。边缘区有着缓冲过渡功能，面积为53.4 km2，占比14.61%，主要分布在核心区边缘地带，起到隔离保护的作用。环岛区、桥接区及支线也具有一定的连通作用，但整体面积占比小，作用有限。整体来说，天长市分散破碎斑块较多，生态流通性较低，存在物质能量流通受阻等问题（图2）。

表2 MSPA景观类型面积及占比统计Table 2 Area and proportion of landscape types based on MAPA

图2 研究区土地利用类型（左）和MSPA景观格局空间分布（右）Fig.2 The land use type (L) and landscape pattern spatial distribution of MSPA (R) in the study area

3.2 天长市生态安全格局构建

（1）生态源地识别

生态源地是指区域生物物种重要的生存庇护所，担负着区域生态安全辐射能力的斑块类型，是建立生态安全格局的先决条件，对于促进研究区域生态环境可持续发展具有重要意义。据生态源地分布（图3）可知，生态源地总面积为374.35 km2，占总面积的21.34%。分布于天长市东北部地区，以高邮湖、沂湖、洋湖、龙岗古镇、新白塔河为主要集中生态带。其它生态源地则是零星分布，空间差异大，主要分布于安乐水库、大通水库、跃进水库、红草湖湿地公园、釜山水库、长山生态旅游度假区、草庙山、川桥水库等。整体上，由于人为干扰少，自然生态环境条件好，生态源地主要集中于群山、湖泊水域等地区。生态服务价值高或辐射能力强的区域，是生态系统建设的基石，对环境保护、区域物质能源流动发挥着重要作用。

图3 研究区生态源地分布Fig.3 The ecological source of the study area

（2）生态阻力面建立

根据各阻力因子加权叠加可以得到综合阻力等级图（图4、图5），由此可知，高阻力区主要集中在县域行政建设用地与生态源地相隔甚远，阻碍物种的迁移与能量流动。因此，应合理优化布局城区公园、湿地等生态基础设施，推进生态保护政策，促进生态环境的改善。低阻力区占研究区总面积最大，共965.22 km2，约占55.03%，主要位于大通镇、杨村镇、万寿镇、张铺镇和永丰镇，土地利用类型多为林地与河流湖泊，是生态安全保护的核心地区。应以生态现状保护为主，最大程度减少人为因素的干扰。同时，较高、较低、中阻力区域土地主要类型以耕地和建设用地为主，起到生态缓冲保护的作用，连接高低阻力区域。根据生态阻力面模型，在生态阻力高到低的过程中可以组成禁建区、限建区、适建区，依次对生态安全进行保护和分类。总体而言，生态阻力面分布呈现东西低，中部高的特征，各个区域应因地制宜确定城镇建设用地与生态用地的比例，提升土地综合治理与利用效益。

图4 研究区阻力因子等级分布Fig.4 Distribution of resistance factor classes in the study area

图5 研究区阻力等级Fig.5 Resistance level of the study area

（3）生态廊道提取

借用GIS中的水文分析法剔除重复路径，共得到研究区潜在的生态廊道32条，总长度为401.34 km。同时根据廊道长度和连接情况，对生态廊道进行重要度分级，确定一级、二级和三级廊道。分为一级廊道3条，主要连接大通水库到时湾水库、龙岗古镇到高邮湖、长山生态旅游度假区到川桥水库，三条廊道沿着研究区范围线边界分布；二级廊道14条，大部分为南北走向，主要集中于研究区中部，连接了区域内主要的山脉和湖泊等源地；以及三级廊道15条，主要位于较小源地之间，零散分布在全域内。其中城镇中心地区千秋街道、广陵街道位于高阻力区域，对生态发展有着强烈的阻碍作用，区域内的生态廊道难以构建。总体而言，研究区潜在生态廊道呈“包围型”分布，在未来的生态环境规划建设中，应尽量避免占用生态廊道，同时需要加强城镇区与生态源地之间的联系，优化区域内生态系统布局，保护生物多样性与生态安全稳定。

（4）生态节点识别

生态节点主要位于生态网络系统中的最薄弱的地方，主要将生态系统中的零散斑块连接起来，维持区域生态系统的稳定性。根据研究区生态安全格局特征分布（图6）可知，研究区生态网络中共有37个生态节点，其中重要节点2个，主要位于张铺镇、新街镇；一般节点20个，主要位于大通镇、冶山镇等，分布较为广泛。生态网络中的廊道与阻力脊线的交点为薄弱节点，共有15个，主要位于千秋街道、广陵街道、金集镇等，该区域的阻力值偏高，对生态廊道系统的基本走向和重要生态节点群的空间分布规划造成了一定程度的阻碍作用。生态节点处于重要的战略地位，不仅促进生态安全系统之间的物质能量流动，而且能够提升生态廊道的稳定性，增强网络系统的功能连通性。

图6 研究区生态安全格局Fig.6 Ecological security pattern of the study area

3.3 生态网络评价

采用α、β、γ指数对网络结构进行分析，通过计算，生态网络的α指数为0.11，表明研究区的生态廊道的网络闭合率较低，研究区内中部地区单一廊道较多，导致网络中环线数量偏少。生态网络的β指数为0.86，说明区域呈树状结构网络，生态结构较为复杂还需后续加强优化。生态网络的γ指数为0.31，表明研究区内连接度低，整体连通性有待提高。从网络结构分析结果可知，天长市的生态网络复杂程度一般，网络连通性不足，区域内斑块破碎化问题主要集中在中部和东北部，树状网络分布。

3.4 生态网络优化

通过生态网络评价分析可知，网络节点还有待完善优化，需对生态网络中的各生态要素进行量化及空间重布局，提高生态系统完整性及生态安全水平。因此，基于“斑块—廊道—基质”生态景观规划设计原理，构建“两湖四库，两横两纵五区”的区域生态框架。

优化天长市生态空间结构、提升廊道连通程度、提高植被覆盖度，有助于提升区域生态系统功能的延续性。研究区生态网络的动态优化，首先要确定重点保护生态区，对该区域内林地、湿地、水域景观实行动态保护，坚决禁止一切生产性活动，切实保护和科学恢复生态源地环境，构建“高邮湖—白塔河”河岸廊道的整体建设，优化廊道两岸的绿色植被，加强生物资源多样性保护。二是增强生态网络的连通性，优化生态源点结构的连接度。根据识别到的生态源地，结合实际情况选取最优缓冲区范围1500 m，创建生态源斑块辐射范围；综合考虑生态阻力面分布情况，选取200 m为廊道缓冲区范围，从而减少人类开发和干扰对廊道的冲击，起到生态保护和物质能量流动的重要作用；对于单一廊道和过长廊道，采取构建新的生态廊道来缓解生态压力，连通安乐水库和大涧口水库、红草湖湿地公园和新白塔河、石梁古城和时湾水库、千亩生态林场和大洼于水库，加强生态网络结构的完整性。三是优化生态薄弱节点，对于生态廊道交叉处新增生态源点，优化后α、β、γ指数分别为0.21、1.03、0.36，优化整体网络分布格局，同时加强现状生态薄弱节点的自身生态工程建设，降低生态系统阻力，提升生态网络整体稳定性。

综上所述，提出“两湖四库，两横两纵五区”为核心的国土空间生态网络构建和优化模式（图7）。“两湖”即高邮湖和金牛湖，坚持生态保护原则，建立生态节点监测，加强沿湖大堤生态林种植等水土保持工程建设。“四库”即安乐水库、跃进水库、时湾水库、川桥水库，重点加强对水源保护地的保护，减少人类活动干扰，维护地区水资源安全。“两横”即“沂湖—跃进水库”生态廊道、“新白塔河—时湾水库”生态廊道。“两纵”即“安乐—川桥水库”生态廊道、“高邮湖滨湖”生态廊道。“五区”即：①城北生态农业区，主要位于铜城镇、大通镇，以光华现代农业示范园为代表，区域内地势平坦以耕地为主，适宜发展优质绿色的生态农业，扩大农业种植规模，确保耕地总量质量不减少，为地区提供基本的粮食保障，提高区域的生态系统稳定性和农业系统的可持续发展；②城东生态保护区，主要指高邮湖、沂湖、洋湖等区域，区域内需重点进行水资源管理，以可持续发展和资源节约为原则，加强流域生态系统的保护和修复，建立健全水生态补偿机制；③城乡建设综合区，主要指千秋街道、广陵街道核心区域，该地区土地类型主要以建设用地为主，高阻力值在中心点，今后应重点平衡生态环境与经济发展，协调县域生态文明与自然环境的关系，加强县域中公园绿地、城市绿廊、绿道的生态型基础设施建设，以生态保护优先为原则引导城镇建设合理布局；④城西生态协调区主要指釜山水库、时湾水库、长山生态旅游度假区等地，区域内包含众多的生境破碎斑块，未来需要重点统筹“山水林天湖草海”等生态景观要素，提高区域内廊道连接度和空间关联度，维护区域生态环境安全，与周边城乡综合建设区形成良好协调发展；⑤城南生态发展区，主要为金集镇范围，重点突出对生态脆弱地带的维护和优化，以自然修复为主提高生态系统服务功能。总而言之，未来需重点制定并实施景观生态安全格局规划方案，以生态修复为主划定生态安全屏障区，重点打造以生态源地为核心，各级生态廊道为骨架的良性循环生态安全格局，建设绿色可持续发展的国家级生态县级市。

图7 研究区生态网络优化Fig.7 Ecological network optimization in the study area

4 结论

以安徽滁州天长市为研究区域，基于自然环境因子和社会经济因子两大因子评价生态安全现状，并运用最小累计阻力模型构建天长市生态安全格局，为今后生态安全格局演变提供有效指导。主要结论如下：

（1）天长市生态安全评价分析得出，整体研究区生态安全水平较高，但也存在人类活动影响生态安全的情况，城乡建设区域需与周边生态相互协调促进；

（2）通过筛选识别出天长市生态源地的面积为374.35 km2，占区域总面积的21.34%，主要集中在天长市东北部河流、湿地等区域。生态阻力空间分布呈现“东西低，中部高”的状态，低累计阻力区为主要集中在东部水域的滨湖区域、西部山地丘陵地区，高累积阻力区主要位于“千秋街道、广陵街道—秦栏”、“铜城—大通”城镇综合建设区；

（3）识别天长市生态廊道共32条，总长度为845.23 km，生态节点共有37个，其中15个生态薄弱节点主要位于城市综合建设区即生态阻力值高的区域。区域的α指数为0.11、β指数为0.86、γ指数为0.31，得出研究区呈树状网络分布，并且“树杈”较多，以及网络中的环线数量偏少，存在廊道过长和共用现象，生态网络的敏感性和脆弱性需要提高；

（4）天长市生态绿色要素的有机结合共同构成了县域生态安全格局，构建“两湖四库，两横两纵五区”的生态保护框架，提升生态安全网络的整体稳定性，促进社会生态协调可持续发展。结合天长市生态本底情况，今后统一规划协调城乡建设用地与生态用地，提升县域总体环境风貌，加强对水库、河流、水源地等区域的保护。重点关注生态脆弱地区，加强生态源地质量与生态系统稳定性。综合考虑林地的总体规划布局，将生态保护区与景观生态廊道的建设相结合。坚持生态文明制度的规划建设，从而实现天长市生态经济、生态空间和生态社会的良性循环。

基于生态安全评价结果，进一步梳理和明确天长市目前的生态安全格局现状及面临的生态风险问题，根据问题进行逐步分解优化，形成完整可行的生态安全网络，促进物质、能量的流动与循环运转。本研究对于促进城镇生态安全格局构建、提升生态环境质量和生物多样性的保护具有重要指导意义，但仍有不足。首先，区域生态环境建设是一个持续变化的过程，生态网络要素也在动态变化中，对未来的策略布局优化也会随着国土空间开发利用而有所变动。未来相关研究应着重对现状生态源地的保护修复、新建生态源地的位置、生态要素统筹布局等动态发展问题，使得生态网络更具有稳定性。其次，由于部分数据获取的局限性，生态安全阻力模型还有待完善，下一步研究应密切关注生态要素的空间动态性及生态基地的连续性，更加全面地对天长市生态安全格局构建深入探讨，发挥不同生态要素功能和效益。