李航鶴，馬騰輝，王 坤，譚 敏,，渠俊峰,,3①

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.徐州市生態(tài)文明建設(shè)研究院，江蘇 徐州 221008；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)低碳能源研究院，江蘇 徐州 221008)

人類(lèi)活動(dòng)持續(xù)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，使得生態(tài)安全問(wèn)題備受關(guān)注。保障生態(tài)安全一直是社會(huì)的迫切需求，也是生態(tài)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[1]。生態(tài)安全評(píng)價(jià)即根據(jù)自然生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)因子的相互作用關(guān)系，在特定的時(shí)空范圍內(nèi)以一定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)生態(tài)安全水平進(jìn)行定性或定量評(píng)估[2]，既能反映區(qū)域生態(tài)安全狀況，又可為區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建提供依據(jù)[3]。生態(tài)安全評(píng)價(jià)通常借助自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)框架[4]、壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)模型[5]、驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)(DPSIR)模型[6]、生態(tài)足跡模型[7]、多因子綜合評(píng)價(jià)模型等來(lái)實(shí)現(xiàn)，然而多數(shù)評(píng)價(jià)未結(jié)合空間分析，結(jié)果不能體現(xiàn)區(qū)域生態(tài)安全的空間分布狀態(tài)，更難以展示生態(tài)安全的空間鄰近影響關(guān)系，因此無(wú)法提出針對(duì)性的生態(tài)調(diào)控措施。而空間主成分分析法(spatial principal component analysis，SPCA)能將多個(gè)空間變量在二維空間進(jìn)行分析轉(zhuǎn)換，提取具有空間信息的多變量主因子，可消除指標(biāo)間的量綱差異及空間信息缺失的干擾[8]，同時(shí)各因子及評(píng)價(jià)結(jié)果均可落實(shí)于空間的每個(gè)柵格上，空間可視性良好。

作為溝通生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的橋梁，生態(tài)安全格局被視為區(qū)域生態(tài)安全保障和人類(lèi)福祉提升的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[9]，并被確定為國(guó)土空間開(kāi)發(fā)保護(hù)的三大戰(zhàn)略格局之一[10]。生態(tài)安全格局指針對(duì)特定的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，以生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益最優(yōu)為目標(biāo)，依靠一定的技術(shù)手段對(duì)區(qū)域內(nèi)的各種自然和人文要素進(jìn)行安排、設(shè)計(jì)、組合與布局，得到由點(diǎn)、線(xiàn)、面、網(wǎng)組成的多目標(biāo)、多層次和多類(lèi)別的空間配置方案[11]。依據(jù)格局與過(guò)程互饋原理，生態(tài)安全格局以維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與過(guò)程的完整性為基礎(chǔ)，提出改善區(qū)域生態(tài)問(wèn)題的對(duì)策并落實(shí)于空間地域[12]，被認(rèn)為是促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障與基本途徑[13]。目前利用最小累積阻力模型(minimum cumulative resistance，MCR)構(gòu)建生態(tài)安全格局的研究已經(jīng)日趨成熟，MCR模型最早由KNAAPEN等[14]提出并用于景觀(guān)規(guī)劃中，MCR模型的實(shí)質(zhì)就是生態(tài)流在空間覆蓋過(guò)程中克服不同景觀(guān)要素阻力的過(guò)程[15]，它能綜合考慮生態(tài)過(guò)程的內(nèi)在聯(lián)系，反映物種運(yùn)動(dòng)的潛在趨勢(shì)，從而判斷目標(biāo)單元與源單元的連通性。俞孔堅(jiān)[16]基于MCR模型首次提出了景觀(guān)生態(tài)安全格局的概念，之后馬克明等[1]在此基礎(chǔ)上提出區(qū)域生態(tài)安全格局，隨后相關(guān)研究成為熱點(diǎn)并逐漸應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。生態(tài)安全格局構(gòu)建的基本模式在發(fā)展實(shí)踐中形成，主要步驟是確定生態(tài)源地、建立阻力面、提取生態(tài)廊道和判別安全格局[17]，其中累積阻力面的建立是構(gòu)建生態(tài)安全格局的關(guān)鍵[18]。

作為江蘇省重要的煤炭基地，沛縣北部地區(qū)高強(qiáng)度的煤炭開(kāi)采導(dǎo)致塌陷地面積逐年遞增，制約著沛北城鄉(xiāng)空間一體化發(fā)展[19]。多年來(lái)，以工業(yè)生產(chǎn)為主導(dǎo)的發(fā)展定位使沛縣北部生態(tài)欠賬較多，嚴(yán)重影響了區(qū)域的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益的協(xié)調(diào)發(fā)展及穩(wěn)步增長(zhǎng)。2019年沛北省級(jí)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)獲批，為突出生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的理念，筆者以沛縣北部地區(qū)為研究對(duì)象，采用主成分分析方法對(duì)其生態(tài)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，以GIS空間技術(shù)作為支撐，構(gòu)建礦區(qū)生態(tài)安全格局，以期增強(qiáng)地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的連通性和緊密性，為沛縣北部地區(qū)的生態(tài)規(guī)劃和管理提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省徐州市沛縣北部(34°28′～34°59′ N，116°41′～117°09′ E)，西與豐縣相鄰，東部與山東省濟(jì)寧市微山縣相望，北面為山東省濟(jì)寧市魚(yú)臺(tái)縣，處于華北平原的東南邊緣和淮海經(jīng)濟(jì)區(qū)的中心位置，涵蓋4個(gè)街道、7個(gè)鎮(zhèn)級(jí)行政單元和部分微山湖區(qū)域，總面積為1 005.10 km2。沛縣屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，年均降水量約704.4 mm，年均濕度72%。沛縣地勢(shì)西南高而東北低，由西南部海拔41 m向東北部逐降至31 m左右，為典型的沖積平原。境內(nèi)河網(wǎng)密布，因受地形制約河流多自西南流向東北入湖。東、西流向的主要有楊屯河、沿河、鹿口河等，南、北流向的主要有大沙河、姚樓河、龍口河、徐沛河、蘇北堤河、順堤河等。沛縣北部是沛縣工業(yè)和煤炭資源主要聚集區(qū)，分布有5個(gè)生產(chǎn)礦井(姚橋、徐莊、孔莊、龍東、張雙樓)和3個(gè)停產(chǎn)礦井(三河尖、龍固、沛城)(圖1)，隨著煤炭資源的逐年枯竭，沛縣北部的土地占?jí)号c沉陷、生態(tài)環(huán)境惡化、地下水系統(tǒng)破壞等一系列生態(tài)安全問(wèn)題日益突出。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究使用的數(shù)據(jù)包括土地利用數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)和歸一化植被指數(shù)(NDVI)。土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自徐州市自然資源和規(guī)劃局提供的國(guó)土資源二次調(diào)查數(shù)據(jù)(2017年)，根據(jù)研究需要對(duì)其進(jìn)行分析處理；DEM數(shù)據(jù)采用30 m分辨率的GDEMV 2數(shù)字高程數(shù)據(jù)，來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http:∥www.gscloud.cn)；NDVI數(shù)據(jù)以下載于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)的2017年6月Landsat 8 OLI衛(wèi)星影像為基礎(chǔ)，分辨率為30 m，借助ENVI 5.2軟件的Band Math工具計(jì)算得到。

圖1 研究區(qū)位置示意

1.3 研究方法

1.3.1生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇

生態(tài)安全評(píng)價(jià)能反映生態(tài)安全狀況，是區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建的直接依據(jù)[20]。評(píng)價(jià)指標(biāo)選取時(shí)首先要考量區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境特征，其次由于研究區(qū)涉及受人類(lèi)影響較大的井工開(kāi)采煤礦區(qū)，還需關(guān)注與人類(lèi)活動(dòng)相關(guān)的指標(biāo)，最后要考慮數(shù)據(jù)可獲取性的原則。結(jié)合沛縣北部狀況，從生態(tài)屬性和生態(tài)干擾兩方面選擇高程、坡度、土地覆蓋類(lèi)型、植被覆蓋度、距水體的距離、距道路的距離、距礦點(diǎn)的距離、距居民點(diǎn)的距離共8個(gè)生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中，坡度與海拔體現(xiàn)地形因素對(duì)區(qū)域生態(tài)安全的潛在影響；植被覆蓋度描述生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)分析評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境意義重大；大面積的水體因其重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能通常會(huì)有利于區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善；居民點(diǎn)、礦點(diǎn)和道路是人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度較大的地方，生態(tài)干擾隨著與其距離的增大而變?nèi)酢?/p>

按照表1中依據(jù)將各指標(biāo)劃分為1～4級(jí)，值越小，抵抗外界干擾能力越強(qiáng)，生態(tài)安全水平越高。借助ArcGIS 10.2軟件Spatial Analyst模塊中的Reclassify工具，將高程和坡度劃分為4個(gè)等級(jí)；土地覆蓋類(lèi)型按表1的范圍劃分；植被覆蓋度由NDVI數(shù)據(jù)表示，該數(shù)據(jù)利用研究區(qū)遙感影像波段數(shù)據(jù)在ENVI 5.2軟件中計(jì)算得出；從研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)中篩選出水體、道路、采礦點(diǎn)和建制鎮(zhèn)，按對(duì)應(yīng)等級(jí)范圍構(gòu)建多環(huán)緩沖區(qū)，得到距水體的距離、距道路的距離、距礦點(diǎn)的距離和距居民點(diǎn)的距離。最后將所有數(shù)據(jù)按照劃分的4個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，為下一步數(shù)據(jù)分析奠定基礎(chǔ)。

1.3.2空間主成分分析法

主成分分析法(PCA)通過(guò)將初始空間坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)，使彼此相關(guān)的多變量空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成為少數(shù)幾個(gè)不相關(guān)的綜合指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高維變量的最佳綜合與簡(jiǎn)化，并客觀(guān)地確定每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重?？臻g主成分分析法(SPCA)則是以統(tǒng)計(jì)原理和GIS為基礎(chǔ)，將每個(gè)空間變量對(duì)應(yīng)一個(gè)矩陣，把相關(guān)的空間變量對(duì)因變量的影響程度分配到相應(yīng)的主成分因子上，且能將主成分因子分析結(jié)果清晰地落實(shí)到空間所對(duì)應(yīng)的每一個(gè)柵格上，使原有主成分分析結(jié)果直觀(guān)地拓展到二維空間，空間可視化效果良好。借助ArcGIS軟件多元分析功能的Principal Components工具，將每個(gè)生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的柵格數(shù)據(jù)輸入進(jìn)行主成分分析，可得到每個(gè)主成分所對(duì)應(yīng)的空間載荷圖和各主成分的累積貢獻(xiàn)率。根據(jù)生態(tài)安全綜合指數(shù)計(jì)算公式，結(jié)合主成分載荷矩陣，計(jì)算SPCA分析得到的前6個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率，得到各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，最后通過(guò)ArcGIS柵格計(jì)算器將各評(píng)價(jià)單元進(jìn)行加權(quán)求和，從而得到礦區(qū)生態(tài)安全的空間分布。

(1)

式(1)中，E為第i個(gè)評(píng)價(jià)單元(柵格)的生態(tài)安全指數(shù);pij為第i個(gè)單元的第j個(gè)指標(biāo);wj為各指標(biāo)的權(quán)重。

1.3.3生態(tài)安全格局構(gòu)建

最小累積阻力模型是計(jì)算物種從源地到目的地運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所需耗費(fèi)的模型，它考慮了源、距離和基本阻力特征，反映了物種運(yùn)動(dòng)的潛在可能與趨勢(shì)，通過(guò)最小累積阻力的大小可以判定源向外擴(kuò)張的可能性，反映了空間單元與源的連通性[21]?；贛CR模型構(gòu)建礦區(qū)生態(tài)安全格局，具體表達(dá)式為

(2)

式(2)中，RMC為最小累積阻力值，即生態(tài)源地到區(qū)域某點(diǎn)的最小累積阻力；fmin為最小累積阻力與生態(tài)過(guò)程的正相關(guān)函數(shù)；Dij為從生態(tài)源地j到某景觀(guān)單元i的空間距離；Ri為區(qū)域某景觀(guān)單元i對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的阻力系數(shù)，在該研究中表示生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)源擴(kuò)散的阻力系數(shù)。

表1 研究區(qū)生態(tài)安全指標(biāo)與等級(jí)劃分

生態(tài)源地提取：源地一般是指生境質(zhì)量較高，對(duì)于研究的生態(tài)過(guò)程起正向推動(dòng)作用，具有良好生態(tài)穩(wěn)定性、擴(kuò)展性的地區(qū)。根據(jù)研究區(qū)自然資源特點(diǎn)、空間分布狀況、生境斑塊面積及生物多樣性的豐富程度，確定對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義的集中成片的林地，大面積的河流湖泊和風(fēng)景名勝區(qū)為源地。根據(jù)源地的結(jié)構(gòu)、數(shù)量及空間分布，剔除其中零散分布的小斑塊，最終將斑塊面積大于0.03 km2的林地、大于0.10 km2的河流湖泊和大于0.04 km2的風(fēng)景名勝區(qū)定為生態(tài)源地。

阻力面構(gòu)建：阻力面的確定是MCR模型構(gòu)建的基礎(chǔ)，由于基面特性差異，生態(tài)源地在擴(kuò)展過(guò)程中所受到的阻力是不同的。物種在不同景觀(guān)單元之間進(jìn)行遷移時(shí)會(huì)受到阻礙，構(gòu)建阻力面是計(jì)算其在需要克服阻力情況下擴(kuò)散路徑的基礎(chǔ)。采用基于空間主成分分析的生態(tài)安全評(píng)價(jià)要素作為阻力因子，依據(jù)生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，進(jìn)一步考慮生態(tài)源地和距離因素的影響，利用ArcGIS中Arc-Toolbox的Cost Distance工具生成研究區(qū)累積耗費(fèi)距離表面，即生態(tài)阻力面。采用ArcGIS中自然斷裂點(diǎn)法將阻力面依據(jù)綜合阻力的大小分為4級(jí)，分別為低阻力、中等阻力、較高阻力與高阻力。

生態(tài)廊道提?。荷鷳B(tài)廊道是具有生物多樣性維護(hù)、涵養(yǎng)水源、土壤保持、調(diào)蓄洪水等多項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的廊道類(lèi)型，是生態(tài)源地相互聯(lián)系、進(jìn)行物質(zhì)和能量交流的直接通道，有利于物種在“源”間及基質(zhì)間的流動(dòng)，是增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)整體連通性的關(guān)鍵生態(tài)組分。提取關(guān)鍵生態(tài)廊道對(duì)于保障生態(tài)源地之間物質(zhì)和能量流動(dòng)的暢通，實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能的完整性具有重要意義。在最小累積阻力面上，廊道就是相鄰兩“源”之間的阻力低谷和最容易聯(lián)系的低阻力通道[26]。借鑒ArcGIS的水文分析方法，以累積耗費(fèi)距離表面為基礎(chǔ)，首先進(jìn)行洼地填充，再計(jì)算無(wú)洼地的流向、累積匯流量，考慮研究區(qū)實(shí)際確定累積匯流量閾值為2 500，提取大于2 500的值并賦值為1，然后將柵格河網(wǎng)矢量化，剔除重復(fù)路徑，并對(duì)矢量化后的線(xiàn)條進(jìn)行平滑處理，從而確定累積阻力值最低生態(tài)廊道的空間位置。

生態(tài)節(jié)點(diǎn)提?。荷鷳B(tài)節(jié)點(diǎn)一般位于生態(tài)廊道上生態(tài)功能最薄弱處，即最小路徑與最大路徑的交點(diǎn)或最小路徑的匯集處，對(duì)維護(hù)區(qū)域景觀(guān)生態(tài)結(jié)構(gòu)的整體性、連續(xù)性和生態(tài)功能的發(fā)揮具有戰(zhàn)略意義。研究共提取2種生態(tài)節(jié)點(diǎn)，一種是最小耗費(fèi)路徑的匯集點(diǎn)，利用ArcGIS的相交功能提??；另一種是累積阻力表面的“脊線(xiàn)”與生態(tài)廊道的交點(diǎn)，借助ArcGIS的水文分析工具，再通過(guò)鄰域分析和重分類(lèi)等操作提取累積阻力表面阻力值最高的“脊線(xiàn)”，利用相交功能求得交點(diǎn)，即為生態(tài)節(jié)點(diǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 沛縣北部生態(tài)安全評(píng)價(jià)

運(yùn)用空間主成分分析法對(duì)生態(tài)安全指標(biāo)進(jìn)行空間降維分析后，可提取到8個(gè)主成分的載荷矩陣、特征值及貢獻(xiàn)率。從表2可以看出，前6個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率是96.4%，這說(shuō)明前6個(gè)主成分能夠充分體現(xiàn)沛北地區(qū)生態(tài)安全信息。通過(guò)深入分析各主成分所對(duì)應(yīng)的原始評(píng)價(jià)指標(biāo)載荷可以得出：第1主成分中距水體的距離載荷較高(0.724 22)，體現(xiàn)出水資源對(duì)研究區(qū)生態(tài)安全的重要影響；距道路的距離在第2主成分中載荷較高(0.774 00)，距居民點(diǎn)的距離在第3主成分中載荷較高(0.589 41)，距礦點(diǎn)的距離在第4主成分中載荷較高(0.492 77)，這反映出人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)安全的影響較為顯著；第5主成分中植被覆蓋度載荷較高(0.706 57)，說(shuō)明植被因子對(duì)生態(tài)安全有較強(qiáng)影響；第6主成分中土地覆蓋類(lèi)型載荷較高(0.675 73)，表明土地利用因子也是生態(tài)安全的重要影響因素(表3)。

根據(jù)各指標(biāo)的生態(tài)安全分布等級(jí)可以看出，研究區(qū)的高程和坡度2個(gè)生態(tài)安全指標(biāo)的都具有空間分布差異較小的特點(diǎn)，土地利用類(lèi)型和植被覆蓋2個(gè)指標(biāo)的空間分布都較分散，距水體的距離是正向指標(biāo)，說(shuō)明離水體越近，安全等級(jí)越高。由圖2可知研究區(qū)內(nèi)有多條河流經(jīng)過(guò)，水資源是影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)安全的主要因子。圖2還展示了3個(gè)負(fù)向指標(biāo)的生態(tài)安全等級(jí)，距離人類(lèi)活動(dòng)區(qū)越遠(yuǎn)，安全等級(jí)越高，研究區(qū)采礦活動(dòng)較為頻繁，極大破壞了生態(tài)環(huán)境；距離居民點(diǎn)、道路、礦點(diǎn)越近，受到人類(lèi)活動(dòng)的干擾脅迫越大，生境破碎化越嚴(yán)重，從而深刻影響了區(qū)域生態(tài)安全格局。

表2 主成分的特征值及其貢獻(xiàn)率

對(duì)各生態(tài)安全指標(biāo)等級(jí)圖進(jìn)行加權(quán)疊加，得到研究區(qū)的生態(tài)安全綜合指數(shù)及其空間分布圖，依據(jù)柵格頻率分布將生態(tài)安全等級(jí)劃分為4個(gè)等級(jí)，通過(guò)ArcGIS進(jìn)行重分類(lèi)，得到研究區(qū)生態(tài)安全等級(jí)分布圖(圖3)，將研究區(qū)生態(tài)安全空間格局可視化。根據(jù)生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，高度安全水平的面積為44.45 km2，占研究區(qū)總面積的4.42%；中度安全水平的面積為447.53 km2，占研究區(qū)總面積的44.53%；較低安全水平的面積為344.58 km2，占研究區(qū)總面積的34.28%；低度安全水平的面積為168.54 km2，占研究區(qū)總面積的16.77%。其中，中度安全區(qū)和較低安全區(qū)面積占比較大，反映出研究區(qū)整體生態(tài)安全水平不高。

表3 主成分載荷矩陣

圖2 研究區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)分布

高度生態(tài)安全水平區(qū)面積占比最小，且分布不集中，主要分布在微山湖區(qū)域。低度生態(tài)安全水平區(qū)主要分布在漢興街道、沛城街道、龍固鎮(zhèn)以及大屯街道，這些地區(qū)存在資源開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度大、人類(lèi)活動(dòng)頻繁的問(wèn)題，一定程度上造成了生態(tài)不安全的狀況。綜上，研究區(qū)整體生態(tài)安全水平不高，存在高安全水平區(qū)少且分散、低安全水平區(qū)多等情況，十分不利于區(qū)域的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展，可利用生態(tài)修復(fù)相關(guān)策略逐步恢復(fù)中低安全水平區(qū)的生態(tài)環(huán)境，同時(shí)注重水資源和植被的保護(hù)，維持好高生態(tài)安全水平區(qū)的穩(wěn)定性。

2.2 沛縣北部生態(tài)安全格局構(gòu)建

2.2.1生態(tài)源地識(shí)別

確定對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義的集中成片的林地、大面積的河流湖泊和風(fēng)景名勝區(qū)為源地，最終將斑塊面積大于0.03 km2的林地、大于0.10 km2的河流湖泊和大于0.04 km2的風(fēng)景名勝區(qū)定為生態(tài)源地(圖4)，統(tǒng)計(jì)可得生態(tài)源地的面積為162.10 km2。其中最主要的生態(tài)源地部分位于微山湖區(qū)域，其他生態(tài)源地在鹿樓鎮(zhèn)和安國(guó)鎮(zhèn)東南方向集中分布，大多是林地。龍固鎮(zhèn)和楊屯鎮(zhèn)連片的生態(tài)源地主要是水域，位于漢源街道的主要生態(tài)源地是沛縣公園景區(qū)?？傮w上，生態(tài)源地在研究區(qū)的東北方向較為集中，其余分布較為分散。

2.2.2生態(tài)阻力面建立

以生態(tài)源地為源數(shù)據(jù)，將生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果作為成本阻力面，通過(guò)計(jì)算成本距離可得到最小累積阻力面，即研究區(qū)生態(tài)安全格局阻力的空間分布特征(圖5)。其中，低阻力區(qū)面積最大，共446.75 km2，占研究區(qū)總面積的44.45%，主要位于鹿樓鎮(zhèn)、安國(guó)鎮(zhèn)、大屯街道、龍固鎮(zhèn)和楊屯街道；中阻力區(qū)面積為318.98 km2，占研究區(qū)總面積的31.74%，在朱寨鎮(zhèn)、漢興街道、漢源街道分布較為集中；較高阻力區(qū)面積為195.05 km2，占研究區(qū)總面積的19.41%，大多位于中阻力區(qū)的外圍，在大屯街道、沛城街道、棲山鎮(zhèn)分布較多；高阻力區(qū)面積最小，共計(jì)44.32 km2，占研究區(qū)總面積的4.41%，分布在沛城街道的南部和張寨鎮(zhèn)的東部，高阻力區(qū)與生態(tài)源地的距離較遠(yuǎn)，兩者之間缺少聯(lián)通。

2.2.3生態(tài)廊道提取

利用最小累積阻力模型生成生態(tài)源地各斑塊之間的最小成本路徑，將其疊加后剔除重復(fù)路徑，即可得到研究區(qū)潛在的生態(tài)廊道31條(圖6)。潛在生態(tài)廊道在鹿樓鎮(zhèn)、朱寨鎮(zhèn)、安國(guó)鎮(zhèn)和漢興街道分布較為集中，其中經(jīng)過(guò)鹿樓鎮(zhèn)的有11條。龍固鎮(zhèn)、大屯街道和張寨鎮(zhèn)也存在潛在生態(tài)廊道，分布較為分散。棲山鎮(zhèn)有1條潛在生態(tài)廊道。將提取的潛在生態(tài)廊道與土地利用現(xiàn)狀中的河流水面進(jìn)行疊加，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)鹿樓鎮(zhèn)向龍固鎮(zhèn)方向延伸的潛在生態(tài)廊道與流經(jīng)研究區(qū)的大沙河大致重疊，可定義為河流生態(tài)廊道。經(jīng)過(guò)漢興街道北部的生態(tài)廊道延伸向生態(tài)源地，與流經(jīng)沛縣中部的徐沛運(yùn)河相交。對(duì)于沛城街道、大屯街道和張寨鎮(zhèn)的高阻力區(qū)，生態(tài)廊道較難構(gòu)建，生態(tài)流難以進(jìn)入。從生態(tài)廊道的分布來(lái)看，既有與現(xiàn)實(shí)廊道重疊的部分，也有現(xiàn)實(shí)中不存在的廊道，可根據(jù)實(shí)際修正現(xiàn)有生態(tài)廊道布局。

2.2.4生態(tài)節(jié)點(diǎn)識(shí)別

將生態(tài)廊道與阻力脊線(xiàn)的交點(diǎn)作為一類(lèi)生態(tài)節(jié)點(diǎn)，共31個(gè)；將生態(tài)廊道之間的交點(diǎn)作為二類(lèi)生態(tài)節(jié)點(diǎn)，共20個(gè)(圖6)。兩類(lèi)生態(tài)節(jié)點(diǎn)都是生態(tài)功能薄弱的關(guān)鍵點(diǎn)，要加強(qiáng)保護(hù)。一類(lèi)生態(tài)節(jié)點(diǎn)分布較為廣泛，其中鹿樓鎮(zhèn)存在較多的林地生態(tài)源地，張寨鎮(zhèn)也有少量生態(tài)源地分布。二類(lèi)生態(tài)節(jié)點(diǎn)大部分位于經(jīng)過(guò)鹿樓鎮(zhèn)、安國(guó)鎮(zhèn)的主要生態(tài)廊道上。生態(tài)節(jié)點(diǎn)在生態(tài)安全格局中處于戰(zhàn)略地位，要著力保護(hù)生態(tài)節(jié)點(diǎn)，提高其連通性。

2.2.5生態(tài)安全格局判別

沛縣北部的生態(tài)安全格局由生態(tài)源地、生態(tài)阻力面、生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點(diǎn)共同組成，與實(shí)際布局相比廊道和節(jié)點(diǎn)的建設(shè)均有待完善，要通過(guò)生態(tài)安全格局各組分的優(yōu)化布局來(lái)升級(jí)研究區(qū)的生態(tài)安全水平。生態(tài)源地多數(shù)較為分散，要增強(qiáng)對(duì)源地的防護(hù)力度，維護(hù)其生物多樣性；潛在生態(tài)廊道與實(shí)際已有廊道存在重疊段，應(yīng)在穩(wěn)固原有生態(tài)廊道的基礎(chǔ)上進(jìn)行生態(tài)廊道建設(shè)。道路型廊道可加強(qiáng)兩側(cè)的綠化程度，促進(jìn)其生態(tài)流通作用；生態(tài)節(jié)點(diǎn)是生態(tài)安全格局中的關(guān)鍵點(diǎn)，需要強(qiáng)化其功能并確保其少受干擾。一級(jí)生態(tài)節(jié)點(diǎn)和二級(jí)生態(tài)節(jié)點(diǎn)之間的地帶是亟需加強(qiáng)建設(shè)的部分。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

影響研究區(qū)生態(tài)安全的8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)能與空間每一處柵格對(duì)應(yīng)，極大地增強(qiáng)了評(píng)價(jià)結(jié)果的空間性。一些社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)無(wú)法落實(shí)到空間上，因此未將其納入指標(biāo)體系。此外，研究區(qū)煤炭開(kāi)采活動(dòng)較為頻繁，該活動(dòng)對(duì)生態(tài)安全影響的無(wú)法直接衡量，未來(lái)應(yīng)從多方面加以考慮，從而選取更能代表礦區(qū)顯著特征的指標(biāo)。生態(tài)安全評(píng)價(jià)因子的等級(jí)劃分在前人研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了調(diào)整，接下來(lái)的研究要結(jié)合實(shí)際，使等級(jí)劃分更加合理。

圖3 研究區(qū)生態(tài)安全等級(jí)分布

圖5 研究區(qū)阻力等級(jí)

圖4 研究區(qū)生態(tài)源地

圖6 研究區(qū)生態(tài)安全格局

在選擇生態(tài)源地時(shí)重點(diǎn)考慮了林地、湖泊水面和風(fēng)景名勝區(qū)等地，沛縣北部地區(qū)為高潛水位，下一步研究可探索采煤形成的塌陷水域作為源地的可行性。另一方面，王媛等[27]通過(guò)生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評(píng)價(jià)選取生態(tài)源地，黃鑫等[28]以礦區(qū)景觀(guān)斑塊質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果為依據(jù)選擇源地，而該研究中生態(tài)源地選擇較為主觀(guān)，未來(lái)應(yīng)參照上述研究提高源地選擇的科學(xué)性。研究區(qū)的高阻力區(qū)主要分布在沛城街道北部和張寨鎮(zhèn)東部，首要原因是這部分區(qū)域離生態(tài)源地較遠(yuǎn)。其次，張寨鎮(zhèn)位于研究區(qū)邊界，在研究范圍內(nèi)屬于高阻力區(qū)，實(shí)際中還應(yīng)考慮與其相鄰的其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)狀況的影響。

3.2 結(jié)論

借助空間主成分分析法定量評(píng)價(jià)沛縣北部地區(qū)的生態(tài)安全，由評(píng)價(jià)結(jié)果分析可知研究區(qū)總體上生態(tài)安全狀況一般，生態(tài)安全水平有待提升，中度安全水平的面積為447.53 km2，較低安全水平的面積為344.58 km2，兩者共占研究區(qū)總面積的78.81%。前6個(gè)主成分中載荷較高的指標(biāo)類(lèi)型表明水資源和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地區(qū)生態(tài)安全影響較大，沛縣北部地區(qū)需著力改善中等生態(tài)安全水平以下區(qū)域的生態(tài)環(huán)境。

基于生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果和MCR模型構(gòu)建了徐州沛縣北部地區(qū)的生態(tài)安全格局，其中生態(tài)源地由林地、河流湖泊和風(fēng)景名勝區(qū)組成，面積為162.10 km2，阻力面分析中低阻力區(qū)面積最大，此外還提取了潛在生態(tài)廊道31條，生態(tài)節(jié)點(diǎn)共51個(gè)。在生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點(diǎn)的建設(shè)中要注重與現(xiàn)實(shí)中已存在的廊道相結(jié)合，從而加強(qiáng)區(qū)域各生態(tài)組分間的聯(lián)通，以促進(jìn)生態(tài)流的循環(huán)。

致謝：感謝江蘇自然資源智庫(kù)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研究基地提供平臺(tái)和部分?jǐn)?shù)據(jù)支持。