本文摘要：摘要國土空間生態保護修復是落實生態文明建設的重大舉措。準確識別優先修復地域，是有序推進生態保護修復工作的基本前提。本文以河北省遵化市為例，通過斑塊連通性、生境質量分析和生態系統服務價值測算確定生態源地。利用電路理論判別生態廊道，構建市域生態安全格局
摘要國土空間生態保護修復是落實生態文明建設的重大舉措。準確識別優先修復地域，是有序推進生態保護修復工作的基本前提。本文以河北省遵化市為例，通過斑塊連通性、生境質量分析和生態系統服務價值測算確定生態源地。利用電路理論判別生態廊道，構建市域生態安全格局，識別生態夾點、生態障礙點、生態斷裂點等國土空間生態保護修復的優先區。結果表明：遵化市生態源地面積為113.16km2，占研究區總面積的7.5%，以林地和草地為主，集中分布在市域南部;生態廊道共計56條，總面積208.85km2。共識別16處生態夾點、26處障礙點、76處斷裂點，區域生境連通性仍有較大的提升空間。基于已構建的生態安全格局，將遵化市分為生態保育區、生態改善區和生態提升區，提出不同分區下生態保護修復策略，以期為生態系統整體保護修復工作提供參考。
關鍵詞生態安全格局;電路理論;生態夾點;生態障礙點;生態斷裂點
國土空間是承載人類活動的物質載體，由生態系統與人類社會相互作用形成(彭建等,2020a)。隨著人口、資源、環境與發展問題日益突出，生態系統諸多服務功能退化，國土空間面臨著嚴重的資源耗竭、環境質量惡化、生態系統服務降低等生態風險和土地開發與保護協調困難等發展困境，國土空間生態保護修復迫在眉睫(白中科等,2019;吳健生等,2020;張瀠文等,2021;胡秋紅等,2021)。
早期生態修復對象尺度過小，側重于土壤污染防治(陳衛平等,2018)、工礦廢棄復墾(戴培超等,2020)及河流湖泊和水土保持治理等(林俊強等,2018;田宇等,2020)，這種聚焦于單點、單要素、單過程的修復方式不利于生態系統整體功能的發揮(彭建等,2020b)。隨著山水林田湖草生命共同體理念的提出，要求從中觀和宏觀層面對遭到破壞的區域性生態系統進行整體保護修復(曹宇等,2019)。據《全國主體功能區規劃》統計，我國中度以上生態脆弱區占全國陸地國土空間55%(白中科等,2019)。
而截至2019年，全國25個針對生態系統脆弱性較大、功能退化等問題所建立的生態系統保護修復試點工程項目區面積僅約1900km2(羅明等,2019)。故準確識別優先修復區域是有序推進國土空間生態保護修復工作的前提。生態安全格局作為一種被動適應的、底線式的生態系統管理方式(彭建等,2017)，通過對關鍵生態要素空間位置和范圍的識別，為國土空間系統性和針對性修復提供重要的決策參考(Wangetal.,2020;倪慶琳等,2020)。
當前，構建生態安全格局形成了“源地識別阻力面確定廊道構建”的研究范式(彭建等,2017;Fuetal.,2020)，研究方法多采用最小累積阻力模型和電路理論。最小累積阻力模型通過識別源地間最小耗費路徑構建生態廊道，但無法直接體現廊道中待保護修復的關鍵點(王回茴等,2020)。電路理論突破最小累積阻力模型僅識別最小成本路徑的局限(高陽等,2020)，基于電子在電路中隨機游走的特性，模擬復雜景觀中的移動模式，并依據電流強度識別關鍵節點，根據累積阻力確定廊道范圍(Mcraeetal.,2007)。結合電路理論識別待保護的“夾點”、待移除的“障礙點”，根據該理論所構建的生態 廊道判斷生態斷裂點，三者均為國土空間生態保護修復的優先區域。
目前，國外多用于分析物種棲息地間的連通性(Carrolletal.,2020)，Braaker等(2014)通過模擬城市刺猬Erinaceuseuropaeus的移動路徑，揭示了“夾點”是物種遷徙的必要通道;Mcrae等(2012)提出促進區域間互聯互通不僅需要保護便于移動的區域，也需要拆除斑塊間的障礙以恢復其連通性。遵化市處于京津冀生態圈的重要位置，長時間、大面積、高強度開發礦產資源導致生態環境破壞，甚至對京津冀地區的生態安全產生潛在威脅。從根本上解決此問題的方法之一是構建生態安全格局，確定市域范圍內受損空間和待修復區域。故本文在識別生態源地的基礎上，結合電路理論，構建生態廊道，識別生態“夾點”、障礙點、斷裂點，并進行保護修復分區，為遵化市生態保護與修復工作提供參考。
1研究區概況與數據來源
1.1研究區概況
遵化市位于河北省唐山市北部，燕山南麓長城腳下，地理坐標117°34′—118°14′E、39°55′—40°22′N，下轄13個鎮、12個鄉，市域總面積1521km2。2020年常住人口70.7萬人。遵化市屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，雨熱同期。境內地勢由東北向西南傾斜，全域呈“三山兩川”的格局，山勢總體偏緩。褐土、棕壤土和潮土是其主要的土壤類型。植被以天然次生林和人工針、闊混交林為主。遵化市礦產資源豐富，主要分布在市域北部，以鐵礦和白云巖礦為主，截至2019年，境內礦山323處。土地利用類型中林地、耕地、園地所占比例較大，占研究區總面積54.6%，其中，林地和園地主要分布在遵化市南部和北部，耕地集中分布在中部。
1.2數據來源
2019年土地利用矢量數據來自于遵化市自然資源局，土地利用類型包括耕地、園地、林地、草地、水域、裸地和建設用地;DEM數據(分辨率為30m×30m)，來自地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn)，由此產生高程和坡度數據;遵化市道路交通等基礎矢量數據，來源于OpenStreetMap數據平臺(http://www.openstreetmap.org);2019年礦山空間分布矢量數據及各礦山相關統計信息來源于遵化市自然資源局;糧食產量和種植面積數據來源于2019年《遵化市統計年鑒》。
2研究方法
2.1生態源地的識別
生態源地是提供生態系統服務和維持景觀生態過程的重要斑塊，其選取不僅需要考慮斑塊的自身生態價值，也需要兼顧所提供生態系統服務和保持景觀連通性的能力(Lietal.,2020)。因而，本文從生境質量、生態系統服務功能、景觀連通性三方面識別生態源地(吳健生等,2013)，并利用ArcGIS對3種結果等權疊加，采用自然斷點法進行分級，選取級別最高的作為生態源地。
(1)生境質量評估。InVEST模型中HabitatQuality模塊通過人為活動的干擾程度計算棲息地的生境質量指數(和娟等,2020)，該模塊參數包含土地覆被、生境類型與威脅因子的距離、生境類型對每種威脅的相對敏感度等變量(Sharpetal.,2014)。
(2)生態系統服務價值評估�；诋斄恳蜃臃ê怂闵鷳B系統服務價值。首先，借鑒謝高地等(2015)建立的中國生態系統服務價值當量因子表得到研究區各生態系統的價值當量因子;其次，計算1個生態系統服務價值當量因子的經濟價值量(謝高地等,2003)，將其確定為2019年單位農田平均糧食單產市場價格的1/7。
(3)景觀連通性分析。本文引入形態學空間格局分析(MorphologicalSpatialPatternAnalysis,MSPA)，利用Guidos軟件，從空間聚集形態上直接分辨出具有連通性意義的目標像元集(曹翊坤等,2015)，提取研究區的核心區。在此基礎上，通過Conefor2.6計算核心區景觀連通性，運用可能連通性指數(ProbabilityofConnectivity，PC)對研究區景觀的連通性進行評價，并計算每個斑塊的重要性dPC，即在此處斷裂后整個區域景觀連通性的變化量。
2.2阻力面的確定和廊道的構建
環境中物質和能量的流動不僅受景觀類型的影響，空氣、水流等不易直接判斷的交流方式也會對其產生影響，構成生態環境中的隱性阻力面(佘宇晨等,2016)。本文從景觀斑塊范圍和斑塊之間生態阻力相互影響的角度，分別構建顯性阻力面和隱性阻力面。其中，顯性阻力面構建僅考慮景觀類型，將生態阻力值賦予各景觀類型斑塊;隱性阻力面，首先利用ArcGIS提取各景觀斑塊質心，其次將不同景觀類型的生態阻力值賦予相應的質心，通過Kriging插值完成構建。
同時，選取代表地形條件的指標形成綜合生態阻力面。參考已有的研究成果確定各因子權重和阻力系數(李道進等,2014;彭建等,2018)。生態廊道是區域內生態源地間物質和能量流動的通道。本文基于電路理論中電荷隨機游走特性識別生態廊道，根據累積阻力閾值確定廊道范圍，剔除阻力閾值以外的區域(Pengetal.,2018)。
2.3生態保護修復優先區識別
生態“夾點”位于廊道空間內，是廊道中高電流強度區域，代表通過的可能性高或替代路徑極少，承載著重要的景觀連通性功能(倪慶琳等,2019)。然而，生態“夾點”周邊地區的阻力值通常較大，故該區域面臨較高的生態退化風險，應作為保護修復的優先區(蘇沖等,2019)。本文利用PinchpointMapper模塊識別生態廊道中的“夾點”。生態障礙點是指生境斑塊間對生物運動阻力較大的區域，修復后能顯著提升源地間景觀連通性(Mcraeetal.,2012)。本文利用BarrierMapper工具識別生態障礙點，采用移動窗口，設置搜索半徑，利用改善分值表征清除障礙點后源地間連通性的恢復值，改善分值越大，說明連通性的提升效果越好。
生態斷裂點是廊道上非連續處的間隙點(湯峰等,2020)。其與生態障礙點均會阻礙物種在生境斑塊中的運動。本文除將交通干線和生態廊道的交叉點確定為生態斷裂點之外，還將位于廊道范圍內的礦點納入斷裂點。相比生態障礙點，生態斷裂點均屬于不可替代的交通設施或對區域發展起重大推動作用的礦山企業，因此不能輕易拆卸�；贏rcGIS平臺，對交通干線與生態廊道進行疊加分析，識別由交通路網造成的生態斷裂點，同時，根據遵化市礦山與生態廊道分布的空間關系，確定采礦活動引起的斷裂點。
2.4生態保護修復分區
基于已構建的生態安全格局，將研究區劃分為3個類型。其中，生境質量較高的地區為生態保育區，主要包括生態源及其他生態用地。利用BarrierMapper工具進行障礙分析，劃定生態改善區，并以改善分值為依據，利用自然斷點法將其分為三部分：高級改善區(17.78~58.13)、中級改善區(8.66~17.77)和低級改善區(0~8.65)，對景觀連通性起重要作用，主要包括生態廊道、生態“夾點”、障礙點和斷裂點。其他地區為生態提升區，是城市和農業發展的必需區域。
3結果與分析
3.1生態源地的診斷與識別
生境質量高值區主要分布在遵化市南部、中部和北部，土地利用類型以林地和草地為主，地勢多為山地丘陵;低值區位于研究區中部城鎮和居民點相對密集的區域，面積較大，且集中連片。遵化市生態系統服務價值總量27.23億元，高值區分布在林地、草地和水域，低值區主要分布在建設用地及周圍的農田�？臻g格局特征表現為南高北低，高連通區域占研究區總面積12.6%，表明區域景觀連通性整體水平偏低，但連通性高值區域斑塊較為集中，土地利用類型以林草地為主。
本文確定生態源地25個，面積113.16km2，占遵化市總面積7.5%。主要由林地、草地和水域組成，三者共占源地99.9%。整體來看，生態源地主要分布在南部山地森林及西北部清東陵和龍門口水庫，該區域植被覆蓋度高，人為干擾少，生態系統服務功能較強。而市域北部和中部大規模的礦山開采和城市建設，破壞了區域的景觀連通性和生態系統穩定性，生態源地分布較少。鄉鎮中，鐵廠鎮和娘娘莊鄉生態源地面積最大。
3.2綜合阻力面及生態廊道構建
從局部來看，顯性阻力面上阻力值較低的區域，可能在隱性阻力面中較高。這些區域通常為居民點分布多且分散的地方，生態系統不足以支持自身正常發展。高阻力值區位于市域中部的遵化鎮、崔家莊等，主要受城鎮建設用地的影響，人類活動較頻繁。
隨著閾值增加，生態安全格局面積占比相應增加�？紤]到遵化市經濟發展和生態保護的雙重需要，假設生態保護投資可覆蓋整個研究區域20%。因此，選取4000閾值確定廊道的空間范圍。研究區生態廊道共計56條，總面積208.85km2，其中河流廊道包括沙河、黎河及其支流的部分河段。從廊道的空間分布特點來看，變化趨勢由西向東、由北到南逐漸復雜。市域南部生態源地較多且密集，生態廊道較短且交叉重疊，是生態過程運動頻繁的重要表現。
3.3生態保護修復優先區識別
3.3.1生態“夾點”識別
利用PinchpointMapper工具共確定16處生態“夾點”，面積2.27km2�？傮w來看，其主要分布在研究區西北部和南部，東北部的生態“夾點”最少，連通性較差。鄉鎮中，平安城鎮的生態“夾點”最多，有4處;其次是裕營房鄉、新店子鎮和鐵廠鎮，各有2處;東陵鄉、湯泉滿族鄉、西下營滿族鄉、石門鎮、堡子店鎮和劉備寨鄉則各有1處。研究區西北部有清東陵等自然保護區，生態“夾點”較集中;南部生態“夾點”分布在山地森林中，生態保護體系完善，景觀連通性好;東北部大規模礦山開采及城鎮化進展中建設用地的擴張，破壞了該區域的景觀連通性，因此未出現“夾點”。
3.3生態保護修復分區
基于已構建的生態安全格局，將遵化市分為3個類型區。生態保育區面積375.84km2，占總面積24.8%，由大面積、高級別的生境構成，包括生態源地及其他生態用地，土地利用類型以林地、草地為主。該區植被覆蓋度高，生物多樣性豐富，對區域的生態環境起關鍵作用，是生態保護修復的核心區域。生態改善區面積244.41km2，占總面積16.1%，主要由生態廊道、生態“夾點”、障礙點和斷裂點組成，是維持物種遷徙的重要通道，應作為生態保護修復的重點區域。
其中，大部分生態“夾點”位于中級和高級改善區，表明保護修復生態“夾點”能顯著提升區域景觀連通性。生態“夾點”中有4處位于河流廊道，具體包括裕營房鄉2處、平安城鎮1處、鐵廠鎮1處，河流“夾點”是水生生物頻繁移動的通道，不可替代性極強，由于采礦和農業活動的影響，河道逐漸萎縮，部分礦山企業污染物排放造成河流污染，故該區域亟需修復。其余12處生態“夾點”土地利用類型以耕地、園地和林草地為主。
所識別的26處障礙點，用地類型主要為建設用地和園地，修復時需針對障礙點類型分類進行。交通路網引起的生態斷裂點大部分處于高級改善區，采礦引起的斷裂點主要位于低級和中級改善區。生態提升區為其他兩個區域未覆蓋的廣大農業用地(耕地和種植園地)和住宅用地，面積893.63km2，占總面積59%。農業用地，應遵循農業地用途管制原則，發展基礎農業或特色農業(倪慶琳等,2020)，如采摘園。城鄉住宅用地，以改善生態環境質量、提升公共服務水平為重點，優化城鄉綠地布局，拓展綠色空間。
4討論
區別傳統意義的“被動修復”，基于生態安全格局的國土空間治理更強調“主動適應”，全面考慮生態系統的整體性，科學識別待保護修復的關鍵地塊，對城市建設和生態治理均提供了參考依據。綜合上述研究，保護生態源地，優先修復生態“夾點”、生態障礙點和斷裂點，增強區域整體的景觀連通性，提升生態系統服務的供給能力，提出適合遵化市的生態保護修復建議。
(1)嚴格管控生態保育區，主要包括生態源地及其他生態用地。此區域應減少開發建設活動，并分區分類對生態源地進行保護修復，充分發揮其生態輻射效益。其中，對于南部完整性較好的山地森林和西北部清東陵國家森林公園，可采取生態空間圈層控制(倪慶琳等, 2020)，減少一定緩沖區范圍內的人為活動。針對龍門口水庫、上關水庫、般若院水庫和沙河流域等，應落實河道管理的主體責任，統籌推進水環境治理，改善河流和水庫等的生態環境。目前，研究區生態源地呈“南多北少，南大北小”的局面，需調整優化生態源地空間布局結構，推動區域生態資源共享。
(2)優先修復生態改善區，著重對生態“夾點”、生態障礙點和生態斷裂點進行保護修復。本文所建立的三級改善區體系中，生態“夾點”大部分位于中高級改善區，包含四處河流“夾點”，修復中應建設河流緩沖帶，沿岸線種植生態防護林，嚴格控制采礦和種植期間農藥化肥污染物排放，加強對河流水體的修復治理，并健全河流管理體制，提升河流水質。針對12處以耕地、園地和林草地為主的生態“夾點”，應開展封山育林、退耕還林還草工作，盡量降低生態“夾點”附近的人為干擾活動(胡官正等,2021)。
根據生態障礙點類型提出不同的修復措施。其中，以建設用地為主的障礙點11處，主要分布在西三里鄉、西留村鄉和新店子鎮等，若建設用地面積較大且損毀嚴重，可拆除建筑物轉化為其他景觀類型，若綜合考慮地方經濟等重要因素后無法退出，可在建設用地周邊預留動物遷徙的通道。以園地為主的障礙點15處，主要分布在蘇家洼鎮、興旺寨鄉和西下營滿族鄉等研究區北部地區，針對此類障礙，首先需減少園地農藥化肥的使用，優化種植區域的土壤環境;其次，豐富園地種植品種，發揮園地生態功能，提升生物多樣性(張義等,2009)。針對由交通干線引起的生態斷裂點，可通過地下通道、隧道，或修筑過街天橋，并豎立警示牌，供野生動物遷徙，同時定期對通道進行監測，及時修復，提高廊道網絡的連通性。
由采礦引起的生態斷裂點47處，其中，研究區北部均為鐵礦，南部為白云巖礦。在斷裂點修復中，首先需明晰礦山生產狀態，針對停產或閉坑狀態的礦山，若其責任主體滅失，其修復工作應以政府為主導，出臺相應的整治措施，并積極開展制度創新，激勵和吸引各方參與礦山修復治理;而生產狀態的礦山，在明確其責任主體的基礎上，采取工程措施和生物措施，對礦山進行修復，在礦山內建設人工綠道，便于動物遷徙。
5結論
遵化市生態安全格局由以林地和水域為主的生態源地和輻射狀連接的生態廊道構成。其中，生態源地25塊，面積113.16km2，56條廊道共208.85km2。市域南部源地和廊道較為密集，生境質量較高。生態“夾點”16處，大部分位于中高級改善區，應強化此類區域的生態服務功能。生態障礙點26處，需針對障礙點類型分類進行修復。生態斷裂點76處，大部分位于中低級改善區，修復此類區域可顯著提升遵化市的景觀連通性�；谝褬嫿ǖ纳鷳B安全格局將研究區劃分為生態保育區、生態改善區和生態提升區，各分區的面積分別為375.84、244.41、893.63km2。
保育區生境質量較高，主要位于遵化市南部，包括鐵廠鎮、娘娘莊鄉、黨峪鎮，該區域應禁止開發建設活動，以自然恢復為主。改善區主要分布在遵化市北部和中部，包括蘇家洼鎮、東陵鄉、東舊寨鎮和新店子鎮等，應注重保護修復生態戰略點，增強全域的景觀連通性。提升區作為城市和農業發展的必需區域，應從當前的發展現狀出發，拓展綠色空間，打造適合其發展的綠色格局。修復后生態廊道連通性的提升程度需進一步分析。此外，本文根據累計阻力閾值確定廊道范圍，還需結合遵化市實際情況，以確定符合當地最佳廊道寬度。
參考文獻
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作者：袁媛1白中科1,2,3*師學義1趙雪嬌1張嘉楠1楊博宇1
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