兼顾生态供给和人类需求的矿业城市生态安全格局构建 ——以湖北省大冶市为例_陈勇.pdf

兼顾生态供给和人类需求的矿业城市生态安全 格局构建以湖北省大冶市为例 陈勇 1， 2 肖晓 1 刘艳中 1， 2 阮景华 1 曾向阳 1， 2 王巧稚 1， 2 （1. 武汉科技大学资源与环境工程学院， 湖北 武汉 430081； 2. 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430081） 摘要构建生态安全格局是保障矿业城市可持续发展的重要手段。以大冶市为例， 兼顾生态系统服务供给 和人类需求， 通过 “源地廊道” 模式构建生态安全格局。针对全市人口的整体需求和部分人口的就近需求， 将源 地划分为全局型和局地型2种类型， 分别采取直接拾取法和综合评价法进行识别， 建立了以斑块需求强度、 可达性 表征人类需求强度， 以斑块重要性、 连通性表征生态供给能力的局地型源地识别模型。借助最小累积阻力模型 （Minimum Cumulative Resistance， MCR） 和目视判读方法， 结合全局型源地和局地型源地分类， 将廊道划分为关键廊 道、 关联廊道和组团廊道3种类型。研究表明 ①大冶市全局型和局地型源地面积分别为144.61 km2和197.42 km2， 局地型源地可以划分为6个组团， 西北水陆复合组团源地因斑块小而少易受到外界干扰破坏， 东部岗丘组团因分 布于城市市郊而受城市化冲击的可能性较大； ②大冶市关键廊道、 关联廊道和组团廊道的长度分别为112.30 km、 179.45 km和444.19 km， 部分关键廊道受城镇建设、 矿业活动或地质灾害影响， 局部阻力值较大， 需要在今后的城市 规划和建设过程中加以疏通和保护。 关键词生态安全格局矿业城市生态供需全局型源地生态廊道最小累积阻力模型 中图分类号X24文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -05-154-07 DOI10.19614/ki.jsks.201905025 Construction of Ecological Security Pattern in Mining Cities by Balancing Ecological Supply and Human DemandA Case Study of Daye City， Hubei Province Chen Yong1， 2Xiao Xiao1Liu Yanzhong1， 2Ruan Jinghua1Zeng Xiangyang1， 2Wang Qiaozhi1， 22 （1. College of Resource and Environmental Engineering， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China; 2. Hubei Key Laboratory for Efficient Utilization and Agglomeration of Metallurgic Mineral Resources， Wuhan 430081， China） AbstractConstructing an ecological security pattern is an important way to ensure the sustainable development of min- ing cities.Taking Daye City as an example， a security pattern is constructed through the “source-corridor” model by balancing ecological supply and human demand.According to the whole demand of all population in Daye City and the daily demand of some nearby people， the ecological source areas are divided into two typesglobal source and local source， which are identified by direct picking and comprehensive uation respectively.So the ecological source identification model is consisted of hu- man demand（expressed as convenience and peoples demand of the patch）and ecological supply（expressed as importance and connectivity of the patch） .According to visual interpretation ， minimum cumulative resistance（MCR）model and classification results of ecological sources（global source and local source） ， the ecological corridors are divided into three types（key corridors， connective corridors and group corridors） .The results show that①the area of the global and local source areas of Daye City is 144.61 km2and 197.42 km2respectively， and the local source areas can be divided into 6 groups， the northwest water-land group with small patches and few patches is easily affected by external disturbances， while the eastern foothill group that located around the central city may be affected by urbanization;②the lengths of key corridors， connective corridors and group corridors in Daye City are 112.30 km，179.45 km and 444.19 km respectively， some of the key corridors are affected by urban construction， mining activities or geological disasters， and the local resistance value is high， which need 收稿日期2019-03-25 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 43008101） ， 湖北省技术创新专项重大项目 （编号 2017ACA184） 。 作者简介陈勇 （1968） ， 男， 教授， 博士， 硕士研究生导师。通讯作者曾向阳 （1971） ， 男， 副教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 515 期 2019 年第 5 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 515 May 2019 154 ChaoXing to be dredged and protected in the future urban planning and development. KeywordsEcological security pattern， Mining city， Ecological supply and human demand， Global source， Ecological corridor， Minimum resistance model 经济社会高速发展和城市化推进， 使得原本脆 弱的生态环境更趋恶化， 维护生态安全已成为保障 经济社会可持续发展的重要前提， 构建生态安全格 局是实现区域生态安全的有效途径 ［1］。国外生态安 全格局研究多以德国Haber的土地利用分异战略和 美国an的最优景观格局思想为指导， 针对景观 格局与生态过程的相互作用， 通过调整各类景观数 量和空间布局实现可持续发展 ［2-4］。国内生态安全格 局研究在跟踪国外研究的基础上， 主要结合我国国 土空间开发格局优化战略， 在生态用地保护 ［5］、 土地 利用结构优化 ［6］、 城市增长空间控制［7-8］和生态红线划 定 ［9-10］等领域进行探讨。该类研究的核心在于识别对 控制、 维护某种生态过程具有重要意义的关键生态 要素， 如节点、 斑块、 廊道乃至整体网络。 越来越多的研究者采用 “源地廊道” 模式构建 区域生态安全格局。源地识别方法主要有直接拾取 法和综合评价法， 研究焦点在于识别指标的选取； 廊 道构建主要借助最小累积阻力模型 （Minimum Cumu- lative Resistance， MCR） ［11］或斑块重力模型［12］， 其中 MCR模型能够较好地模拟景观对空间运动过程的阻 碍作用， 成为目前国内应用最为广泛的方法。现阶 段源地识别研究多关注斑块的生态供给能力， 从生 物多样性、 水源地保护、 生态重要性、 生态敏感性、 景 观连通性等角度 ［13-14］提取源地斑块， 虽然有研究者开 始在识别指标中综合考虑生态供需 ［15］， 但并未根据 生态供需， 特别是人类需求的不同对源地进行分类， 不利于针对不同性质的源地进行差异化管理。 大冶市是我国中南地区典型的矿业城市和重要 的铜、 铁矿生产基地， 经过长期的矿产资源开发， 大 冶市的原生动植物几乎丧失， 生物多样性保护已迫 在眉睫。矿产资源开发一度带来严重的地质灾害、 水土流失和水体污染， 经过近10 a的治理虽有很大改 善， 但生物多样性、 水土流失和水资源安全仍是大冶 市生态环境面临的主要问题。本研究以大冶市为 例， 采用 “源地廊道” 模式开展矿业城市生态安全 格局研究， 在源地识别时， 针对全市人口的整体需求 和部分人口的就近需求， 区分不同性质的源地， 并以 此为基础构建区域生态安全格局。 1数据来源与研究框架 1. 1数据来源 本研究土地利用图来源于大冶市国土资源局； 土 壤图来源于湖北省农业厅土肥站； 数字高程模型 （DEM） 和Landsat影像来源于中科院地理空间数据云 （ ， 空间分辨率30 m； 夜间灯光 数据来源于https//ncc.nesdis.noaa.gov/VIIRS/网站。所 有数据在ArcGIS软件环境下进行统一校正和配准。 1. 2研究框架 从生态系统服务供给与人类需求的角度将源地 划分为全局型源地和局地型源地。其中， 全局型源 地指服务于全市人口， 在大冶市整体生态安全格局 中处于支配地位， 起着主导作用的斑块； 局地型源地 指服务于部分人口， 在大冶市生态安全格局中处于 从属地位， 但能就近满足周边人口生态服务需求的 斑块， 是全局型源地的重要补充。在此基础上确定 廊道类型， 构建大冶市生态安全格局。研究思路如 图1所示。 2研究方法 2. 1源地识别 2. 1. 1全局型源地 全局型源地斑块采用直接拾取法确定， 主要选 择大冶市的湿地、 湖泊、 中型及以上水库、 原生林地 及珍稀动植物栖息地。识别过程中参考 大冶市土 地利用总体规划 和 大冶市生态市建设规划及环境 保护 “十三五” 规划 等资料， 并结合熟悉当地情况专 家的意见和建议。 2. 1. 2局地型源地 局地型源地斑块采用综合评价法确定。从生态 系统服务供给和人类需求2个角度综合识别局地型 陈勇等 兼顾生态供给和人类需求的矿业城市生态安全格局构建2019年第5期 155 ChaoXing 源地， 其中， 生态系统服务供给考虑生态重要性和景 观连通性2个因素 PIiξ1PIi-supplyξ2PIi-demandξ1EIiDIiξ2HIi， （1） 式中，PIi为栅格i的生态指数；PIi-supply和PIi-demand分别 表示栅格i的生态供给指数和人类需求指数；ξ1、ξ2为 权重，ξ1ξ20.5；EIi为栅格i的生态重要性归一化 值；DIi为栅格i的景观连通性归一化值；HIi为栅格i的 人类需求归一化值。 2. 1. 2. 1生态重要性 生态重要性是衡量斑块生态服务价值高低的基 础， 也是识别源地的最基本指标。不同区域的主要 生态环境问题存在差异， 导致生态重要性关注重点 不同。本研究针对大冶市生态环境面临的主要问 题， 选择生物多样性、 水资源安全和土壤保持作为判 断斑块生态重要性的指标。分别计算三者的评价值 并进行归一化处理， 综合评价时遵循不同生态系统 的服务功能在整体生态安全格局中同等重要且不可 替代的原则。计算方法如下 （1） 生物多样性。生物多样性反映生态系统提供 满足物种生存需要的环境水平， 以及为生物体发展繁 衍提供条件的潜力， 是表征生态环境质量的重要指 标。本研究以杨锁华等 ［16］研究得到的长江中游地区 单位面积生态系统服务价值表中 “维持生物多样性 价值” 为基准， 考虑到水田、 旱地、 林地、 草地等以植 物光合作用为主的生态系统， 光照条件在很大程度 上决定了生物量潜力， 故引入光照条件修正因子对 不同地块的基准价值进行修正。日照时数是表征太 阳辐射总量的主要指标， 故本研究以日照时数表示 光照条件的优劣， 构建的修正因子模型可描述为 βj DIj DImean， （2） 式中βj为栅格j的光照条件修正因子；DIj为栅格j的 年日照时数；DImean为相同地类栅格的平均年日照时 数， 年日照时数DI可进行如下计算 DIDIs∙S ω2-ω1180 15π （3） 式中，DIs为年可照时数；S为年日照百分率， 采用黄晚 华等 ［17］统计得到的年日照百分率与经纬度、 海拔高 度回归模型进行估算；ω2、ω1分别为日出时角和日没 时角， 采用孙汉群 ［18］提出的估算方法确定。 （2） 水资源安全。水资源安全主要从2个角度考 虑 一是水量保障程度， 以具有稳定水源的河流和湖泊 等按[0,1]、1,2]、2,3]距离区间进行缓冲区分级， 分别赋 予分值3、 2和1， 超过3 km赋分0， 表示由内向外水资源 供给的保障程度依次降低； 二是水质安全程度， 主要考 虑大冶市采选冶企业对水质的干扰能力， 筛选出对水 环境可能造成影响的企业， 按[0,0.5]、0.5,1]、1,3]距离区 间进行缓冲区分级， 分别赋予分值5、 3和1， 超过3 km 则赋分0， 表示由近及远干扰能力逐渐降低。 （3） 土壤保持。采用通用土壤侵蚀方程 （Revised Universal Soil Loss Equation， RUSLE） 进行估算， 公式为 AR∙K∙L∙S∙C∙P，（4） 式中， A为土壤流失量； R为降雨侵蚀力因子； K为土 壤可蚀性因子， 针对大冶市24个土地属性的典型剖 面数据分别进行估算； L为坡长， m； S为坡度； C为土 地覆盖因子； P为水土保持因子， 水田、 旱地、 林地、 草 地的P值分别取0.10、 0.25、 0.60和0.45。 生态重要性因子归一化值分布如图2所示。 2. 1. 2. 2景观连通性 景观连通性反映景观对生态流的便利或阻碍程 度， 是衡量景观生态过程的重要指标。本研究引入 可能连通性指数 （Probability of Connectivity， PC） 的变 化值表示景观斑块对景观连通性的重要程度。该值 的计算公式为 ［14］ dPCi100 PC-PCi-remove PC ，（5） 金属矿山2019年第5期总第515期 156 ChaoXing 式中，dPCi为斑块i的可能连通性指数变化值，dPCi越 大表示斑块i区域景观连通中的重要性程度越高；PC 为区域所有斑块存在时景观整体的可能连通性指 数；PCi-remove为删除斑块i后剩余斑块组成景观的可 能连通性指数。 2. 1. 2. 3人类需求 人类需求从生态斑块的需求强度和可达性2个 角度衡量， 按两者的归一化值等权求和确定。需求 强度采用兴趣点 （Point of Interest， POI） 的核密度值表 示 ［19-20］， 兴趣点指人类聚居的场所。生态斑块与兴趣 点的距离越近， 人类对生态斑块的利用便越频繁， 需 求便越强烈， 即生态斑块的需求强度与所服务的人 口数量成正比。本研究以城市和各乡镇中心为兴趣 点， 人口密度为空间权重函数， 所有乡镇的最大服务 半径为阈值进行核密度插值计算。 可达性参考 城镇土地分等定级规程 （GB/T 185072001） 中道路通达度计算方法， 道路服务半 径DS/2LD S 2L， 其中， S为道路服务区域面积，L 为道路总长度。将道路划分为服务于全市的道路和 乡镇级道路2种类型， 分别确定道路服务半径。道路 功能按道路在区域交通中的地位和作用可划分为国 道、 县道、 乡及以下道路3种类型， 根据各类道路的宽 度、 车速情况分别赋以分值1、 0.58和0.27， 功能分衰 减采用线性衰减模式。 局地型源地评价因子取值分布如图3所示。 2. 2廊道构建 基于最小累积阻力模型 （MCR） 构建廊道。MCR 模型中传统阻力面的设定主要依据土地覆被类型。 然而， 相同土地覆被类型的不同斑块之间因自然条 件和人为干扰强度不同， 对生态流带来的阻力会有 所差异。本研究引入坡度、 归一化植被指数 （Normal- ized Difference Vegetation Index， NDVI） 等自然条件因 子和夜间灯光数据这一能反映人类干扰强度的因子 对传统阻力面进行修正， RiRi∙βPD∙βNDVI∙βOLS，（6） 式中，Ri为栅格i的基础阻力值， 按林地、 水域、 草地、 水田、 旱地、 未利用地和建设用地分别赋值10、 15、 20、 30、 40、 80 和 200；βPD为坡度修正因子， 按 ［0， 6］ 、 （6， 15］ 、 （15， 25］ 和 （25， 45］ 分别赋值1、 1.2、 1.5和2， 坡度大于45被认为对生态流产生很大 的阻力， 赋值10；βNDVI、βOLS分别为归一化植被指数修 正因子和夜间灯光数据修正因子 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ βNDVI NDVIi NDVImean βOLS OLSi OLSmean ，（7） 式中，NDVIi、OLSi分别为栅格i的植被覆盖指数和夜 间灯光指数；NDVImean、OLSmean分别为相同土地覆被类 型的平均归一化植被指数和平均夜间灯光指数。 3研究结果及分析 3. 1重要源地 全局型源地包括黄金湖湿地、 大冶湖、 保安湖、 毛铺水库、 杨桥水库、 九眼桥水库、 雷山风景区、 黄坪 山自然保护区和大王山生态旅游区， 面积 144.61 km2， 占土地总面积的9.43。全局型源地斑块较大 但分布较为分散， 是保障大冶市生态安全的基础。 对局地型源地评价结果按自然断裂法划分为5 个等级， 取最高等级作为局地型源地， 总面积197.42 km2， 占土地总面积的12.87。根据局地型源地地类 组合状况和大冶市自然地理界线 （山脊线、 河流、 道 路等） ， 可将局地型源地划分为6个组团， 即西北水陆 复合组团、 东北滨湖垄岗组团、 中部岗地平畈组团、 东部岗丘组团、 西南平畈岗地组团和南部低山组 团。源地分布如图4所示。 选取平均斑块密度、 斑块面积、 平均最近距离、 聚集度指数等景观生态格局指标对各组团源地进行 分析， 结果见表1。由表1可知 ①组团1的斑块密 陈勇等 兼顾生态供给和人类需求的矿业城市生态安全格局构建2019年第5期 157 ChaoXing 度、 斑块面积都最小且平均最近距离较大， 说明该组 团源地斑块小而少且分布稀疏， 聚集程度不高， 容易 受到外界干扰， 不利于源地保护； ②组团2和组团3 的斑块密度较小， 但聚集指数、 蔓延度指数较大， 说 明两者源地斑块虽少， 但具有一定的聚集程度； ③组 团4的斑块密度、 平均斑块面积、 蔓延度指数最大， 说 明该组团源地分布广、 面积大且聚集程度高， 但由于 分布于城市市郊， 未来受到城市化冲击的可能性较 大， 需要在城市建设过程中加以规划和保护； ④组团 5为各项指标相对均衡的组团， 源地斑块密度、 面积 和聚集程度都较高； ⑤组团6的聚集指数最大， 平均 斑块面积、 蔓延度指数较大， 反映了该组团是以林地 为主的源地连接成片， 聚集程度较高。 3. 2廊道体系 廊道构建步骤为 ①选择全局型源地和部分斑 块面积大、 聚集程度高的局地型源地作为生态节点， 以每个生态节点为中心， 以剩余的n-1（n为生态节 点数） 个节点为目标点集群， 通过最小累积阻力模型 （MCR） 分析廊道分布情况； ②以组团为单位， 分别对 各组团内的源地进行最小累积阻力模型 （MCR） 分 析， 了解组团内廊道的分布情况； ③基于最小累积阻 力模型 （MCR） 分析结果和源地分布状况， 结合全局 型源地和局地型源地组团划分结果， 通过目视判读， 将大冶市廊道划分为关键廊道、 关联廊道和组团廊 道。关键廊道指连通全局型源地的廊道， 组团廊道 指组团内部源地之间相互连通的廊道， 关联廊道指 联系组团源地与全局型源地或组团源地与关键廊道 之间的廊道。廊道分布如图5所示。 由图5可知 大冶市关键廊道、 关联廊道和组团 廊道总长度分别为 112.30 km、 179.45 km 和 444.19 km。其中， 连接保安湖和大冶湖的廊道是关键廊道 中最长的一条， 途经铜绿山矿附近时， 因受矿业活动 和城市建设干扰， 局部跨越阻力较大， 需要在未来城 市建设和发展过程中加以疏通； 大冶湖至黄坪山的 关键廊道途经大箕铺镇北部地质灾害频发区， 面临 滑坡和泥石流灾害威胁； 连接黄坪山和杨桥水库的 关键廊道受G106国道， 大广高速和S78省道影响， 廊 道的连通性难以保障； 连接雷山、 九眼桥水库、 大王 山和毛铺水库的廊道是关键廊道中最短的一条， 廊 道主要经过农田区域， 受到的干扰较小， 其分支向东 北方向延伸， 在下袁村附近与连接保安湖和大冶湖 的关键性廊道相交， 为连通南北全局型源地提供了 另一条途径。 4结论 （1） “源地廊道” 模式是构建区域生态安全格 局最常用的方法。在源地识别时， 现有研究多从区 域整体出发建立统一的识别方法和指标体系， 未能 体现源地的相对性和层次性， 也容易造成源地空间 分布不均衡。在构建廊道时， 现有研究多关注最小 累积阻力模型 （MCR） 中阻力面设置方法以更好地接 近实际， 但该模型仅能反映现状条件下生态阻力值 的空间分布态势， 据此得出的廊道主要体现的是 “现 势” ， 难以反映现状中存在的问题， 也无法面向未来 进行廊道构建。 （2） 兼顾生态供给和人类需求， 从全市人口的整 体需求和部分人口的就近需求出发， 将源地划分为 全局型和局地型2种类型， 并根据廊道在源地连通中 所承担的职能， 将廊道划分为关键廊道、 关联廊道和 组团廊道3种类型， 既能较好地反映不同源地在区域 生态安全格局中的地位和作用， 体现源地的相对性 和层次性， 也为区域廊道构建提供了一个从宏观到 微观、 从整体到局部的分析框架和建设新思路。 （3） 在构建最小累积阻力模型 （MCR） 时， 引入坡 度、 植被覆盖指数和夜间灯光数据对传统的土地覆 被类型阻力面进行了修正， 但未能考虑物种迁移对 金属矿山2019年第5期总第515期 158 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ 廊道宽度的需求， 以及物种迁移方向性对阻力值的 影响。采用目视判读结合最小累积阻力模型 （MCR） 来构建廊道， 能够发挥人的主观能动性， 根据源地分 类和分布情况， 找出现状源地连通中存在的问题， 以 便在未来城市建设中有针对性地加以克服， 但分析 结果难免带有一定的主观性。 参 考 文 献 彭建， 赵会娟， 刘众序， 等.区域生态安全格局构建研究进展与 展望 ［J］ .地理研究， 2017， 36 （3） 407-419. 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