基于生态安全格局的国土空间生态保护修复优先区确定以河北省遵化市为例

　　摘要国土空间生态保护修复是落实生态文明建设的重大举措。准确识别优先修复地域，是有序推进生态保护修复工作的基本前提。本文以河北省遵化市为例，通过斑块连通性、生境质量分析和生态系统服务价值测算确定生态源地。利用电路理论判别生态廊道，构建市域生态安全格局，识别生态夹点、生态障碍点、生态断裂点等国土空间生态保护修复的优先区。结果表明：遵化市生态源地面积为113.16km2，占研究区总面积的7.5%，以林地和草地为主，集中分布在市域南部;生态廊道共计56条，总面积208.85km2。共识别16处生态夹点、26处障碍点、76处断裂点，区域生境连通性仍有较大的提升空间。基于已构建的生态安全格局，将遵化市分为生态保育区、生态改善区和生态提升区，提出不同分区下生态保护修复策略，以期为生态系统整体保护修复工作提供参考。

　　关键词生态安全格局;电路理论;生态夹点;生态障碍点;生态断裂点

　　国土空间是承载人类活动的物质载体，由生态系统与人类社会相互作用形成(彭建等,2020a)。随着人口、资源、环境与发展问题日益突出，生态系统诸多服务功能退化，国土空间面临着严重的资源耗竭、环境质量恶化、生态系统服务降低等生态风险和土地开发与保护协调困难等发展困境，国土空间生态保护修复迫在眉睫(白中科等,2019;吴健生等,2020;张潆文等,2021;胡秋红等,2021)。

　　早期生态修复对象尺度过小，侧重于土壤污染防治(陈卫平等,2018)、工矿废弃复垦(戴培超等,2020)及河流湖泊和水土保持治理等(林俊强等,2018;田宇等,2020)，这种聚焦于单点、单要素、单过程的修复方式不利于生态系统整体功能的发挥(彭建等,2020b)。随着山水林田湖草生命共同体理念的提出，要求从中观和宏观层面对遭到破坏的区域性生态系统进行整体保护修复(曹宇等,2019)。据《全国主体功能区规划》统计，我国中度以上生态脆弱区占全国陆地国土空间55%(白中科等,2019)。

　　而截至2019年，全国25个针对生态系统脆弱性较大、功能退化等问题所建立的生态系统保护修复试点工程项目区面积仅约1900km2(罗明等,2019)。故准确识别优先修复区域是有序推进国土空间生态保护修复工作的前提。生态安全格局作为一种被动适应的、底线式的生态系统管理方式(彭建等,2017)，通过对关键生态要素空间位置和范围的识别，为国土空间系统性和针对性修复提供重要的决策参考(Wangetal.,2020;倪庆琳等,2020)。

　　当前，构建生态安全格局形成了“源地识别阻力面确定廊道构建”的研究范式(彭建等,2017;Fuetal.,2020)，研究方法多采用最小累积阻力模型和电路理论。最小累积阻力模型通过识别源地间最小耗费路径构建生态廊道，但无法直接体现廊道中待保护修复的关键点(王回茴等,2020)。电路理论突破最小累积阻力模型仅识别最小成本路径的局限(高阳等,2020)，基于电子在电路中随机游走的特性，模拟复杂景观中的移动模式，并依据电流强度识别关键节点，根据累积阻力确定廊道范围(Mcraeetal.,2007)。结合电路理论识别待保护的“夹点”、待移除的“障碍点”，根据该理论所构建的生态 廊道判断生态断裂点，三者均为国土空间生态保护修复的优先区域。

　　目前，国外多用于分析物种栖息地间的连通性(Carrolletal.,2020)，Braaker等(2014)通过模拟城市刺猬Erinaceuseuropaeus的移动路径，揭示了“夹点”是物种迁徙的必要通道;Mcrae等(2012)提出促进区域间互联互通不仅需要保护便于移动的区域，也需要拆除斑块间的障碍以恢复其连通性。遵化市处于京津冀生态圈的重要位置，长时间、大面积、高强度开发矿产资源导致生态环境破坏，甚至对京津冀地区的生态安全产生潜在威胁。从根本上解决此问题的方法之一是构建生态安全格局，确定市域范围内受损空间和待修复区域。故本文在识别生态源地的基础上，结合电路理论，构建生态廊道，识别生态“夹点”、障碍点、断裂点，并进行保护修复分区，为遵化市生态保护与修复工作提供参考。

　　1研究区概况与数据来源

　　1.1研究区概况

　　遵化市位于河北省唐山市北部，燕山南麓长城脚下，地理坐标117°34′—118°14′E、39°55′—40°22′N，下辖13个镇、12个乡，市域总面积1521km2。2020年常住人口70.7万人。遵化市属于暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，雨热同期。境内地势由东北向西南倾斜，全域呈“三山两川”的格局，山势总体偏缓。褐土、棕壤土和潮土是其主要的土壤类型。植被以天然次生林和人工针、阔混交林为主。遵化市矿产资源丰富，主要分布在市域北部，以铁矿和白云岩矿为主，截至2019年，境内矿山323处。土地利用类型中林地、耕地、园地所占比例较大，占研究区总面积54.6%，其中，林地和园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数据来源

　　2019年土地利用矢量数据来自于遵化市自然资源局，土地利用类型包括耕地、园地、林地、草地、水域、裸地和建设用地;DEM数据(分辨率为30m×30m)，来自地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)，由此产生高程和坡度数据;遵化市道路交通等基础矢量数据，来源于OpenStreetMap数据平台(http://www.openstreetmap.org);2019年矿山空间分布矢量数据及各矿山相关统计信息来源于遵化市自然资源局;粮食产量和种植面积数据来源于2019年《遵化市统计年鉴》。

　　2研究方法

　　2.1生态源地的识别

　　生态源地是提供生态系统服务和维持景观生态过程的重要斑块，其选取不仅需要考虑斑块的自身生态价值，也需要兼顾所提供生态系统服务和保持景观连通性的能力(Lietal.,2020)。因而，本文从生境质量、生态系统服务功能、景观连通性三方面识别生态源地(吴健生等,2013)，并利用ArcGIS对3种结果等权叠加，采用自然断点法进行分级，选取级别最高的作为生态源地。

　　(1)生境质量评估。InVEST模型中HabitatQuality模块通过人为活动的干扰程度计算栖息地的生境质量指数(和娟等,2020)，该模块参数包含土地覆被、生境类型与威胁因子的距离、生境类型对每种威胁的相对敏感度等变量(Sharpetal.,2014)。

　　(2)生态系统服务价值评估。基于当量因子法核算生态系统服务价值。首先，借鉴谢高地等(2015)建立的中国生态系统服务价值当量因子表得到研究区各生态系统的价值当量因子;其次，计算1个生态系统服务价值当量因子的经济价值量(谢高地等,2003)，将其确定为2019年单位农田平均粮食单产市场价格的1/7。

　　(3)景观连通性分析。本文引入形态学空间格局分析(MorphologicalSpatialPatternAnalysis,MSPA)，利用Guidos软件，从空间聚集形态上直接分辨出具有连通性意义的目标像元集(曹翊坤等,2015)，提取研究区的核心区。在此基础上，通过Conefor2.6计算核心区景观连通性，运用可能连通性指数(ProbabilityofConnectivity，PC)对研究区景观的连通性进行评价，并计算每个斑块的重要性dPC，即在此处断裂后整个区域景观连通性的变化量。

　　2.2阻力面的确定和廊道的构建

　　环境中物质和能量的流动不仅受景观类型的影响，空气、水流等不易直接判断的交流方式也会对其产生影响，构成生态环境中的隐性阻力面(佘宇晨等,2016)。本文从景观斑块范围和斑块之间生态阻力相互影响的角度，分别构建显性阻力面和隐性阻力面。其中，显性阻力面构建仅考虑景观类型，将生态阻力值赋予各景观类型斑块;隐性阻力面，首先利用ArcGIS提取各景观斑块质心，其次将不同景观类型的生态阻力值赋予相应的质心，通过Kriging插值完成构建。

　　同时，选取代表地形条件的指标形成综合生态阻力面。参考已有的研究成果确定各因子权重和阻力系数(李道进等,2014;彭建等,2018)。生态廊道是区域内生态源地间物质和能量流动的通道。本文基于电路理论中电荷随机游走特性识别生态廊道，根据累积阻力阈值确定廊道范围，剔除阻力阈值以外的区域(Pengetal.,2018)。

　　2.3生态保护修复优先区识别

　　生态“夹点”位于廊道空间内，是廊道中高电流强度区域，代表通过的可能性高或替代路径极少，承载着重要的景观连通性功能(倪庆琳等,2019)。然而，生态“夹点”周边地区的阻力值通常较大，故该区域面临较高的生态退化风险，应作为保护修复的优先区(苏冲等,2019)。本文利用PinchpointMapper模块识别生态廊道中的“夹点”。生态障碍点是指生境斑块间对生物运动阻力较大的区域，修复后能显著提升源地间景观连通性(Mcraeetal.,2012)。本文利用BarrierMapper工具识别生态障碍点，采用移动窗口，设置搜索半径，利用改善分值表征清除障碍点后源地间连通性的恢复值，改善分值越大，说明连通性的提升效果越好。

　　生态断裂点是廊道上非连续处的间隙点(汤峰等,2020)。其与生态障碍点均会阻碍物种在生境斑块中的运动。本文除将交通干线和生态廊道的交叉点确定为生态断裂点之外，还将位于廊道范围内的矿点纳入断裂点。相比生态障碍点，生态断裂点均属于不可替代的交通设施或对区域发展起重大推动作用的矿山企业，因此不能轻易拆卸。基于ArcGIS平台，对交通干线与生态廊道进行叠加分析，识别由交通路网造成的生态断裂点，同时，根据遵化市矿山与生态廊道分布的空间关系，确定采矿活动引起的断裂点。

　　2.4生态保护修复分区

　　基于已构建的生态安全格局，将研究区划分为3个类型。其中，生境质量较高的地区为生态保育区，主要包括生态源及其他生态用地。利用BarrierMapper工具进行障碍分析，划定生态改善区，并以改善分值为依据，利用自然断点法将其分为三部分：高级改善区(17.78~58.13)、中级改善区(8.66~17.77)和低级改善区(0~8.65)，对景观连通性起重要作用，主要包括生态廊道、生态“夹点”、障碍点和断裂点。其他地区为生态提升区，是城市和农业发展的必需区域。

　　3结果与分析

　　3.1生态源地的诊断与识别

　　生境质量高值区主要分布在遵化市南部、中部和北部，土地利用类型以林地和草地为主，地势多为山地丘陵;低值区位于研究区中部城镇和居民点相对密集的区域，面积较大，且集中连片。遵化市生态系统服务价值总量27.23亿元，高值区分布在林地、草地和水域，低值区主要分布在建设用地及周围的农田。空间格局特征表现为南高北低，高连通区域占研究区总面积12.6%，表明区域景观连通性整体水平偏低，但连通性高值区域斑块较为集中，土地利用类型以林草地为主。

　　本文确定生态源地25个，面积113.16km2，占遵化市总面积7.5%。主要由林地、草地和水域组成，三者共占源地99.9%。整体来看，生态源地主要分布在南部山地森林及西北部清东陵和龙门口水库，该区域植被覆盖度高，人为干扰少，生态系统服务功能较强。而市域北部和中部大规模的矿山开采和城市建设，破坏了区域的景观连通性和生态系统稳定性，生态源地分布较少。乡镇中，铁厂镇和娘娘庄乡生态源地面积最大。

　　3.2综合阻力面及生态廊道构建

　　从局部来看，显性阻力面上阻力值较低的区域，可能在隐性阻力面中较高。这些区域通常为居民点分布多且分散的地方，生态系统不足以支持自身正常发展。高阻力值区位于市域中部的遵化镇、崔家庄等，主要受城镇建设用地的影响，人类活动较频繁。

　　随着阈值增加，生态安全格局面积占比相应增加。考虑到遵化市经济发展和生态保护的双重需要，假设生态保护投资可覆盖整个研究区域20%。因此，选取4000阈值确定廊道的空间范围。研究区生态廊道共计56条，总面积208.85km2，其中河流廊道包括沙河、黎河及其支流的部分河段。从廊道的空间分布特点来看，变化趋势由西向东、由北到南逐渐复杂。市域南部生态源地较多且密集，生态廊道较短且交叉重叠，是生态过程运动频繁的重要表现。

　　3.3生态保护修复优先区识别

　　3.3.1生态“夹点”识别

　　利用PinchpointMapper工具共确定16处生态“夹点”，面积2.27km2。总体来看，其主要分布在研究区西北部和南部，东北部的生态“夹点”最少，连通性较差。乡镇中，平安城镇的生态“夹点”最多，有4处;其次是裕营房乡、新店子镇和铁厂镇，各有2处;东陵乡、汤泉满族乡、西下营满族乡、石门镇、堡子店镇和刘备寨乡则各有1处。研究区西北部有清东陵等自然保护区，生态“夹点”较集中;南部生态“夹点”分布在山地森林中，生态保护体系完善，景观连通性好;东北部大规模矿山开采及城镇化进展中建设用地的扩张，破坏了该区域的景观连通性，因此未出现“夹点”。

　　3.3生态保护修复分区

　　基于已构建的生态安全格局，将遵化市分为3个类型区。生态保育区面积375.84km2，占总面积24.8%，由大面积、高级别的生境构成，包括生态源地及其他生态用地，土地利用类型以林地、草地为主。该区植被覆盖度高，生物多样性丰富，对区域的生态环境起关键作用，是生态保护修复的核心区域。生态改善区面积244.41km2，占总面积16.1%，主要由生态廊道、生态“夹点”、障碍点和断裂点组成，是维持物种迁徙的重要通道，应作为生态保护修复的重点区域。

　　其中，大部分生态“夹点”位于中级和高级改善区，表明保护修复生态“夹点”能显著提升区域景观连通性。生态“夹点”中有4处位于河流廊道，具体包括裕营房乡2处、平安城镇1处、铁厂镇1处，河流“夹点”是水生生物频繁移动的通道，不可替代性极强，由于采矿和农业活动的影响，河道逐渐萎缩，部分矿山企业污染物排放造成河流污染，故该区域亟需修复。其余12处生态“夹点”土地利用类型以耕地、园地和林草地为主。

　　所识别的26处障碍点，用地类型主要为建设用地和园地，修复时需针对障碍点类型分类进行。交通路网引起的生态断裂点大部分处于高级改善区，采矿引起的断裂点主要位于低级和中级改善区。生态提升区为其他两个区域未覆盖的广大农业用地(耕地和种植园地)和住宅用地，面积893.63km2，占总面积59%。农业用地，应遵循农业地用途管制原则，发展基础农业或特色农业(倪庆琳等,2020)，如采摘园。城乡住宅用地，以改善生态环境质量、提升公共服务水平为重点，优化城乡绿地布局，拓展绿色空间。

　　4讨论

　　区别传统意义的“被动修复”，基于生态安全格局的国土空间治理更强调“主动适应”，全面考虑生态系统的整体性，科学识别待保护修复的关键地块，对城市建设和生态治理均提供了参考依据。综合上述研究，保护生态源地，优先修复生态“夹点”、生态障碍点和断裂点，增强区域整体的景观连通性，提升生态系统服务的供给能力，提出适合遵化市的生态保护修复建议。

　　(1)严格管控生态保育区，主要包括生态源地及其他生态用地。此区域应减少开发建设活动，并分区分类对生态源地进行保护修复，充分发挥其生态辐射效益。其中，对于南部完整性较好的山地森林和西北部清东陵国家森林公园，可采取生态空间圈层控制(倪庆琳等, 2020)，减少一定缓冲区范围内的人为活动。针对龙门口水库、上关水库、般若院水库和沙河流域等，应落实河道管理的主体责任，统筹推进水环境治理，改善河流和水库等的生态环境。目前，研究区生态源地呈“南多北少，南大北小”的局面，需调整优化生态源地空间布局结构，推动区域生态资源共享。

　　(2)优先修复生态改善区，着重对生态“夹点”、生态障碍点和生态断裂点进行保护修复。本文所建立的三级改善区体系中，生态“夹点”大部分位于中高级改善区，包含四处河流“夹点”，修复中应建设河流缓冲带，沿岸线种植生态防护林，严格控制采矿和种植期间农药化肥污染物排放，加强对河流水体的修复治理，并健全河流管理体制，提升河流水质。针对12处以耕地、园地和林草地为主的生态“夹点”，应开展封山育林、退耕还林还草工作，尽量降低生态“夹点”附近的人为干扰活动(胡官正等,2021)。

　　根据生态障碍点类型提出不同的修复措施。其中，以建设用地为主的障碍点11处，主要分布在西三里乡、西留村乡和新店子镇等，若建设用地面积较大且损毁严重，可拆除建筑物转化为其他景观类型，若综合考虑地方经济等重要因素后无法退出，可在建设用地周边预留动物迁徙的通道。以园地为主的障碍点15处，主要分布在苏家洼镇、兴旺寨乡和西下营满族乡等研究区北部地区，针对此类障碍，首先需减少园地农药化肥的使用，优化种植区域的土壤环境;其次，丰富园地种植品种，发挥园地生态功能，提升生物多样性(张义等,2009)。针对由交通干线引起的生态断裂点，可通过地下通道、隧道，或修筑过街天桥，并竖立警示牌，供野生动物迁徙，同时定期对通道进行监测，及时修复，提高廊道网络的连通性。

　　由采矿引起的生态断裂点47处，其中，研究区北部均为铁矿，南部为白云岩矿。在断裂点修复中，首先需明晰矿山生产状态，针对停产或闭坑状态的矿山，若其责任主体灭失，其修复工作应以政府为主导，出台相应的整治措施，并积极开展制度创新，激励和吸引各方参与矿山修复治理;而生产状态的矿山，在明确其责任主体的基础上，采取工程措施和生物措施，对矿山进行修复，在矿山内建设人工绿道，便于动物迁徙。

　　5结论

　　遵化市生态安全格局由以林地和水域为主的生态源地和辐射状连接的生态廊道构成。其中，生态源地25块，面积113.16km2，56条廊道共208.85km2。市域南部源地和廊道较为密集，生境质量较高。生态“夹点”16处，大部分位于中高级改善区，应强化此类区域的生态服务功能。生态障碍点26处，需针对障碍点类型分类进行修复。生态断裂点76处，大部分位于中低级改善区，修复此类区域可显著提升遵化市的景观连通性。基于已构建的生态安全格局将研究区划分为生态保育区、生态改善区和生态提升区，各分区的面积分别为375.84、244.41、893.63km2。

　　保育区生境质量较高，主要位于遵化市南部，包括铁厂镇、娘娘庄乡、党峪镇，该区域应禁止开发建设活动，以自然恢复为主。改善区主要分布在遵化市北部和中部，包括苏家洼镇、东陵乡、东旧寨镇和新店子镇等，应注重保护修复生态战略点，增强全域的景观连通性。提升区作为城市和农业发展的必需区域，应从当前的发展现状出发，拓展绿色空间，打造适合其发展的绿色格局。修复后生态廊道连通性的提升程度需进一步分析。此外，本文根据累计阻力阈值确定廊道范围，还需结合遵化市实际情况，以确定符合当地最佳廊道宽度。

　　参考文献

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　　曹宇,王嘉怡,李国煜.2019.国土空间生态修复:概念思辨与理论认知.中国土地科学,33(7):110.

　　曹翊坤,付梅臣,谢苗苗,等.2015.基于LSMM与MSPA的深圳市绿色景观连通性研究.生态学报,35(2):526536.

　　陈卫平,杨阳,谢天,等.2018.中国农田土壤重金属污染防治挑战与对策.土壤学报,55(2):261272.

　　戴培超,张绍良,公云龙,等.2020.生态系统服务视角下的工矿废弃地再开发模式及策略.生态学杂志,39(6):21062114.

　　作者：袁媛1白中科1,2,3*师学义1赵雪娇1张嘉楠1杨博宇1

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