鞏雅博， 戈健宅， 吳秋彤， 周宸帆， 李濤

(南華大學(xué) 松霖建筑與設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001)

維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全是城市群發(fā)展規(guī)劃的主要目標(biāo)之一?！半p循環(huán)”背景下，城市群逐漸成為參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)和實(shí)現(xiàn)區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展的重要空間載體。優(yōu)化生態(tài)安全格局，對(duì)于促進(jìn)城市群生態(tài)品質(zhì)提升和區(qū)域生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善，具有重要現(xiàn)實(shí)意義[1]。作為人類活動(dòng)影響的主要呈現(xiàn)形式，各類用地的增減轉(zhuǎn)換貫穿了城市群的發(fā)展進(jìn)程。合理的規(guī)劃方案有利于實(shí)現(xiàn)土地資源集約高效利用，并促進(jìn)區(qū)域生態(tài)安全水平的提高。因此，以對(duì)生態(tài)安全格局的優(yōu)化效果作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如何區(qū)別不同規(guī)劃策略的優(yōu)劣，成為國(guó)土空間規(guī)劃及區(qū)域生態(tài)規(guī)劃研究的工作重點(diǎn)之一。

生態(tài)安全格局研究與國(guó)土空間的開(kāi)發(fā)利用和生態(tài)保護(hù)緊密相關(guān)，并作為區(qū)域生態(tài)規(guī)劃的重要研究方向得到了廣泛的認(rèn)識(shí)與應(yīng)用。目前，關(guān)于生態(tài)安全格局的模擬研究根據(jù)工作框架基本可以分為兩大類，一類是基于土地利用與覆被變化(LUCC)的模擬，涵蓋了對(duì)于不同時(shí)期的縱向?qū)Ρ群筒煌榫澳Ｊ较碌臋M向比較，模擬實(shí)現(xiàn)的途徑主要包括CA-Markov模型[2-4]、CLUE-S模型[5-7]、SLEUTH模型[8]和FLUS模型[9,10]等，研究對(duì)象的空間尺度、數(shù)據(jù)獲取精度及模擬運(yùn)算量等因素影響了研究人員對(duì)于具體模型的選擇。其中FLUS模型改進(jìn)自元胞自動(dòng)機(jī)(CA)，并內(nèi)置了Markov模型，F(xiàn)LUS的隨機(jī)采樣和自適應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，可以有效提高模擬精度，使成果更契合現(xiàn)實(shí)土地利用分布情況。另一類是基于權(quán)衡決策模型的模擬，有序加權(quán)平均(OWA)是其中較為成熟的手段，并在一些研究中得到了驗(yàn)證[11,12]。OWA可以通過(guò)控制因子權(quán)重對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)(生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型)加權(quán)聚合，進(jìn)而識(shí)別出優(yōu)先保護(hù)區(qū)[11]，但這種方法不能對(duì)區(qū)域連通性作出分析，因此通常還需要疊加電路理論連通性模型、最小累積阻力模型(MCR)[13,14]等工具，進(jìn)一步識(shí)別具體的生態(tài)路徑。由于模擬情景下的城市群生態(tài)安全格局變化特征，涉及了多種用地類型的轉(zhuǎn)換概率及時(shí)空演變模擬，采用FLUS模型和電路理論共同構(gòu)建生態(tài)安全格局，可以使模擬結(jié)果更接近現(xiàn)實(shí)的土地利用分布和物種擴(kuò)散過(guò)程。

作為中部地區(qū)最重要的地域單元之一，環(huán)長(zhǎng)株潭“3+5”城市群在湖南省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中占據(jù)了頭部地位，是長(zhǎng)江中游城市群的主要經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)極。隨著長(zhǎng)株潭一體化與環(huán)長(zhǎng)株潭“3+5”城市群的建設(shè)進(jìn)程不斷推進(jìn)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)國(guó)土空間資源的高效利用和可持續(xù)發(fā)展的訴求也與日俱增。如何在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)安全保障之間取得平衡，逐漸成為了區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略的重要議題[15,16]。以環(huán)長(zhǎng)株潭“3+5”城市群所屬8個(gè)城市的行政邊界為研究范圍，對(duì)規(guī)劃情景下的土地利用變化情況進(jìn)行模擬，選取水源涵養(yǎng)、土壤保持等重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，構(gòu)建生態(tài)安全格局，并分析空間連通性的優(yōu)化效果，為國(guó)土空間規(guī)劃和區(qū)域生態(tài)規(guī)劃研究提供理論參考。

1 研究區(qū)域概況

環(huán)長(zhǎng)株潭“3+5”城市群，位于中國(guó)湖南省中東部，包括長(zhǎng)沙、株洲、湘潭三個(gè)核心城市，以及涵蓋岳陽(yáng)、常德、益陽(yáng)、衡陽(yáng)、婁底五市[17]。整個(gè)城市群的核心區(qū)域是沿湘江緊密分布的長(zhǎng)沙、株洲、湘潭三市，其核心城區(qū)每?jī)烧唛g直線距離不到40 km，同時(shí)又由綠心區(qū)域分隔開(kāi)來(lái)，這種獨(dú)特的地理空間分布關(guān)系在眾多大都市帶或都市連綿區(qū)中都極為罕見(jiàn)，具備優(yōu)秀的協(xié)同發(fā)展基礎(chǔ)條件。本研究涵蓋8個(gè)城市行政邊界的地域范圍，面積為96 819.8 km2。

圖1 長(zhǎng)株潭“3+5”城市群地理區(qū)位及2020年土地利用概況Figure 1 Geographical location and land use profile of Chang-Zhu-Tan “3+5” Urban Agglomeration in 2020

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

采用開(kāi)源數(shù)據(jù)，經(jīng)處理轉(zhuǎn)換為1 000 m分辨率的柵格數(shù)據(jù)，相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息與來(lái)源詳見(jiàn)表1。關(guān)于未來(lái)年份的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，降水量使用近20年降水量數(shù)據(jù)平均值，土壤結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定，因此沿襲現(xiàn)有數(shù)據(jù)。另外，參考譚德明等[18]的研究成果，NPP、NDVI等數(shù)據(jù)采用IUEMS平臺(tái)(www.iuems.ac.cn)的數(shù)據(jù)增強(qiáng)工具，結(jié)合LUCC預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行模擬測(cè)算。

表1 數(shù)據(jù)類型及來(lái)源信息表Table 1 Data type and source information table

2.2 研究方法

2.2.1 FLUS模型

FLUS模型即未來(lái)城市用地模擬模型。FLUS模型通過(guò)模擬人類活動(dòng)對(duì)于自然環(huán)境的影響，以用地類型變化為載體，來(lái)反映未來(lái)一定時(shí)期的土地開(kāi)發(fā)利用情況[19-21]。FLUS模型在傳統(tǒng)元胞自動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，首先對(duì)分期土地利用空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，預(yù)測(cè)研究范圍內(nèi)土地利用類型的目標(biāo)值；其次通過(guò)耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(ANN)進(jìn)行迭代運(yùn)算，得到預(yù)設(shè)驅(qū)動(dòng)力因子(降水、土壤、道路等)作用下的用地類型演變概率，最后采用自適應(yīng)慣性競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，處理自然演變與人類活動(dòng)影響的沖突，得到與現(xiàn)實(shí)情況相似的高精度模擬結(jié)果。

與城市群用地變化相關(guān)的驅(qū)動(dòng)因素包括人口、地形條件、交通可達(dá)性及其他環(huán)境條件限制等。其中，地形條件主要指高程、坡度和坡向，交通可達(dá)性包含距行政中心距離、距各類道路(鐵路、高速、國(guó)道、城市干道)距離，其他環(huán)境條件限制涵蓋了自然保護(hù)區(qū)、大型水體等。

鄰域權(quán)重代表土地利用類型的擴(kuò)張潛能，采用2000、2020年LUCC數(shù)據(jù)計(jì)算得到鄰域權(quán)重參數(shù)(表2)。

表2 鄰域權(quán)重參數(shù)Table 2 Neighborhood weight parameters

2.2.2 電路理論連通性模型

電路理論借助物理學(xué)中的電路概念模擬生態(tài)進(jìn)程，將物種或者基因型視為電子，使用電阻值反映物種遷移擴(kuò)散時(shí)面臨的生態(tài)阻力大小，使用電流和電壓量化分析生態(tài)源地之間的連通性，電流代表物種或基因型的遷移數(shù)量和概率，電壓代表源地間的內(nèi)部差異性。由于電子具有隨機(jī)游走的特性，因此使用電路理論預(yù)測(cè)物種擴(kuò)散遷移規(guī)律更貼近于真實(shí)情況，具有一定的模擬優(yōu)勢(shì)。

使用電路理論模擬分析空間連通性主要通過(guò)開(kāi)源軟件Circuitscape 4.0和依托ArcGIS平臺(tái)的Linkage Mapper插件，其運(yùn)作原理基本相同，均是使用電阻面(Resistance Map)的概念替代景觀阻力面，將生境質(zhì)量較好的斑塊視為節(jié)點(diǎn)(Node)替代生態(tài)源地，生境質(zhì)量越高、越有利于物種遷移，節(jié)點(diǎn)間的電流值也就越大，根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的電流值可以篩選出具體的生態(tài)廊道路徑。與基于最小累積阻力模型(MCR)的最小成本路徑(LCP)識(shí)別流程有所不同的是，電路理論可以根據(jù)成本加權(quán)距離將若干個(gè)鄰近節(jié)點(diǎn)(生態(tài)源地)組成集群，通過(guò)模擬集群之間的空間聯(lián)系從而得到研究范圍內(nèi)的“潛在生態(tài)廊道”，這一路徑可能會(huì)穿越生態(tài)源地范圍。

生態(tài)阻力主要由植被覆蓋率、植被類型、人為干擾強(qiáng)度等因素造成。電阻面的構(gòu)建過(guò)程與傳統(tǒng)阻力面基本相同。參考相關(guān)研究結(jié)果[22-24]，根據(jù)土地利用覆被類型設(shè)置相應(yīng)的電阻值(表3)。利用開(kāi)放街區(qū)地圖(OSM)提取鐵路、快速路、干路、支路等道路信息，同樣采用OSM提取研究范圍內(nèi)的建筑物和建設(shè)用地信息，并結(jié)合各地市統(tǒng)計(jì)年鑒和國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)進(jìn)行修正，用容積率(R)和建筑密度(C)的建筑強(qiáng)度綜合評(píng)分P反映城鄉(xiāng)建設(shè)用地的開(kāi)發(fā)建設(shè)強(qiáng)度(表3)，經(jīng)計(jì)算取值區(qū)間為1.0～4.5。根據(jù)分級(jí)賦予相關(guān)要素不同的電阻值(表4)，通過(guò)裁剪、轉(zhuǎn)換柵格文件等，得到基礎(chǔ)電阻面。

表3 各級(jí)開(kāi)發(fā)建設(shè)強(qiáng)度綜合評(píng)分Table 3 Comprehensive score of development and construction intensity at all levels

表4 不同土地利用覆被類型的基礎(chǔ)電阻值Table 4 Base resistance values for different land use and land cover change types

2.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估方法

參考《陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)總值(GEP)核算技術(shù)指南》，首先采用模型法計(jì)算所選生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的功能量，然后將各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能量乘以單價(jià)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的價(jià)值量[25]。

(1)水源涵養(yǎng)。水源涵養(yǎng)是指生態(tài)環(huán)境對(duì)降水有截流、停滯和儲(chǔ)藏作用，并用于人類日?；顒?dòng)所需的能力。本文采用InVEST模型WaterYield模塊，通過(guò)水量平衡方程計(jì)算得到，具體公式為：

(1)

式中，Sw為總水源涵養(yǎng)量(m3)，i代表第i類生態(tài)系統(tǒng)類型，j為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)，Pi為降水量(mm)，Ri為地表徑流量(mm)，ETi為蒸散發(fā)量(mm)，Ai為第i類生態(tài)系統(tǒng)面積(km2)。

價(jià)格采用替代工程法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，按照水庫(kù)單位庫(kù)容造價(jià)每立方米6.1元進(jìn)行計(jì)算。

(2)減少泥沙淤積。減少泥沙淤積是指生態(tài)環(huán)境中植被利用自身枝葉根系等防止土壤受到淋溶沖蝕，從而減少水體中泥沙淤積量的能力。本文采用修正通用水土流失方程(RUSLE模型)計(jì)算得到減少的泥沙淤積量，具體公式為：

Sr=SEp-SEa=R×K×L×S×(1-C)

(2)

式中，Sr為減少泥沙淤積量(t/(hm2·a)),SEp為潛在土壤侵蝕量，SEa為實(shí)際際土壤侵蝕量，R為降雨侵蝕力因子(MJ·mm/(hm2·h·a))，K為土壤可蝕性因子(t·hm2·h/(hm2·MJ·mm))，L為坡長(zhǎng)因子，S為坡度因子，C為植被覆蓋因子。

植被覆蓋因子(表5)參考《陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)總值(GEP)核算技術(shù)指南》及李安超等[26]相關(guān)研究成果確定。價(jià)格采用替代工程法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，經(jīng)咨詢專家意見(jiàn)，按照湖南省2020年挖取和運(yùn)輸單位體積土方所需費(fèi)用每立方米11.7元進(jìn)行計(jì)算。

表5 不同LUCC類型的植被覆蓋因子Table 5 Vegetation cover factors of different land use and land cover change types

(3)氣候調(diào)節(jié)。氣候調(diào)節(jié)是指通過(guò)發(fā)生在植被和水面的蒸騰和蒸發(fā)作用對(duì)氣溫進(jìn)行調(diào)節(jié)，以期改善環(huán)境舒適度的能力。本文選擇生態(tài)系統(tǒng)蒸騰蒸發(fā)耗能公式進(jìn)行計(jì)算，具體公式為：

(3)

式中，Scr為生態(tài)系統(tǒng)蒸騰蒸發(fā)消耗能量(kWh/a)，GPPi為不同生態(tài)系統(tǒng)類型單位蒸騰消耗能量(kJ/(m2·d))(表6)，Si為第i種生態(tài)系統(tǒng)類型面積(km2)，R為空調(diào)效能比：3.0，D為空調(diào)開(kāi)放天數(shù)(d)，i為研究區(qū)第i種生態(tài)系統(tǒng)類型，Ew為水面蒸發(fā)量(m3/a)，q為水面蒸發(fā)熱量，取2 453.2 J/g，ρ為水的密度，取1 g/cm3，γ為加濕器將1 m3水轉(zhuǎn)化為蒸汽的耗電量，取120 kWh。

表6 不同生態(tài)系統(tǒng)類型單位蒸騰消耗能量Table 6 Energy consumption per unit of transpiration in different ecosystem types

由于蒸騰作用消耗能量的過(guò)程僅發(fā)生在植被表面，參考專家意見(jiàn)和現(xiàn)有研究得到不同植被覆蓋類型的GPP。結(jié)合長(zhǎng)株潭地區(qū)往年氣象數(shù)據(jù)，空調(diào)開(kāi)放天數(shù)取97 d，電價(jià)按照湖南省電網(wǎng)銷售電價(jià)表規(guī)定的居民生活用電基準(zhǔn)電價(jià)約每千瓦時(shí)0.6元計(jì)算。

(4)碳固持。碳固持指綠色植物經(jīng)光合作用將二氧化碳轉(zhuǎn)化為固態(tài)碳的能力，采用凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)并結(jié)合光合作用方程進(jìn)行折算，植物的有機(jī)物干重中碳元素占據(jù)了45%，每增加1 g有機(jī)物干重可以固定1.63 g CO2，同時(shí)釋放1.2 g O2，因此得到相關(guān)方程：

(4)

式中，Sc為二氧化碳固定量(t/hm2)，NPP為植物凈初級(jí)生產(chǎn)力(植物扣除本身呼吸消耗后剩余的有機(jī)碳)，單位為噸(t)。

價(jià)格采用2020年湖北省碳市場(chǎng)交易均價(jià)23.5元/噸進(jìn)行計(jì)算。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化特征

結(jié)合嚴(yán)格保護(hù)耕地和生態(tài)用地的規(guī)劃目標(biāo)，設(shè)定不干預(yù)、耕地保護(hù)優(yōu)先與生態(tài)保護(hù)優(yōu)先三種情景，構(gòu)建三種情景下的用地類型轉(zhuǎn)換成本矩陣(表7)，并采用FLUS模型進(jìn)行模擬。不干預(yù)情景下，依據(jù)2000—2020年土地利用變化情況(表8)，不考慮新增干預(yù)條件，采用Markov模型對(duì)2040年的土地利用情況進(jìn)行模擬(表9)，經(jīng)驗(yàn)證Kappa系數(shù)為0.82，總體精度為89.5%，F(xiàn)oM系數(shù)為0.12，模擬精度較高，滿足實(shí)驗(yàn)要求；耕地保護(hù)優(yōu)先情景下，主要考慮保障糧食生產(chǎn)安全的要求，嚴(yán)格限制耕地向其他用地類型的轉(zhuǎn)換[27]；生態(tài)保護(hù)優(yōu)先情景下，重點(diǎn)限制長(zhǎng)株潭綠心區(qū)域、自然保護(hù)區(qū)與主要河流水域范圍內(nèi)的用地類型改變。由此得到模擬結(jié)果：

表7 2020—2030年情景模擬轉(zhuǎn)換成本矩陣Table 7 Scenario simulation conversion cost matrix from 2020 to 2030

表8 2000—2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(單位：km2)Table 8 Land use transfer matrix from 2000 to 2020(Unit:km2)

表9 2040年模擬情景下各類用地面積統(tǒng)計(jì)(單位：km2)Table 9 Area statistics of various types of land under the simulation scenario in 2040(Unit:km2)

在不干預(yù)情景下(圖2a)，2040年建設(shè)用地面積為3 984 km2，相較于2020年增加了330.1 km2，增幅為9%，考慮環(huán)長(zhǎng)株潭“3+5”城市群中部分成員的城市化率尚未超過(guò)50%，依舊存在一定的擴(kuò)張空間，因此這個(gè)模擬結(jié)果符合城市群的客觀發(fā)展規(guī)律。在耕地保護(hù)優(yōu)先情景下(圖2b)，2040年建設(shè)用地面積為3 702.6 km2，相較于不干預(yù)情景減少了281.4 km2，同時(shí)耕地面積增加了717.1 km2，改變幅度最大的用地類型是草地，面積減少了166.3 km2，降幅達(dá)11.4%。在生態(tài)保護(hù)優(yōu)先情景下(圖2c)，2040年建設(shè)用地面積為3 693.7 km2，相較于不干預(yù)情景減少了290.4 km2，林地是面積數(shù)值變動(dòng)最明顯的用地類型，增加了1 018.9 km2，此外草地面積變化幅度較大，減少了148.9 km2，降幅達(dá)10.2%。此外，后兩種情景下水域面積減少了1.5%和0.6%。

圖2 2040年模擬情景下土地利用情況Figure 2 Land use simulation scenario in 2040

3.2 電流值模擬結(jié)果

采用Circuitscape 4.0軟件Pairwise和All to One模式進(jìn)行電流值模擬，使用電流值模擬結(jié)果量化評(píng)價(jià)空間連通性，電流值數(shù)值越大，即空間連通性相對(duì)越高，同時(shí)，電流分布密度越大的區(qū)域成為重要生態(tài)廊道的幾率越大。參考相關(guān)研究設(shè)置基礎(chǔ)電阻值(表3)，根據(jù)土地利用與覆被類型構(gòu)建基礎(chǔ)電阻面(圖3)，并使用夜間燈光數(shù)據(jù)和坡度數(shù)據(jù)進(jìn)行修正[28]，最后得到模擬電流的空間分布情況(圖4)?？梢园l(fā)現(xiàn)，成對(duì)模式中，相較于不干預(yù)情景，耕地保護(hù)優(yōu)先情景下最大電流值減少了56.6 A，而生態(tài)保護(hù)優(yōu)先情景下最大電流值增加了36.7 A；多對(duì)一模式中，相較于不干預(yù)情景，耕地保護(hù)優(yōu)先情景下最大電流值減少了24.6 A，而生態(tài)保護(hù)優(yōu)先情景下最大電流值增加了31.6 A。

圖3 電阻面Figure 3 Resistance surface

圖4 電路理論成對(duì)和多對(duì)一模式電流值模擬結(jié)果Figure 4 Simulation results of circuit theory paired and multi-pair mode current values

3.3 生態(tài)安全格局構(gòu)建

將電流值閾值設(shè)置為前15%和30%，提取生態(tài)源地和重要功能性廊道，依次構(gòu)建不干預(yù)、耕地保護(hù)優(yōu)先、生態(tài)保護(hù)優(yōu)先三種情景下的生態(tài)安全格局(圖5)。根據(jù)電路理論用戶手冊(cè)[29]，使用Linkage Mapper插件進(jìn)行類似最小成本路徑的連通性模擬，通過(guò)計(jì)算成本加權(quán)距離對(duì)重要功能性廊道進(jìn)行修正，最終得到生態(tài)廊道和潛在生態(tài)廊道兩種路徑類型。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不干預(yù)情景下，生態(tài)廊道數(shù)量為179條，潛在生態(tài)廊道為88條。相較于此，耕地保護(hù)優(yōu)先情景下生態(tài)廊道減少了17條，潛在生態(tài)廊道減少了9條；生態(tài)保護(hù)優(yōu)先情景下生態(tài)廊道增加了12條，潛在生態(tài)廊道增加了11條。

圖5 不同模擬情景下的生態(tài)安全格局Figure 5 Ecological security patterns under different simulation scenarios

生態(tài)源地之間的連通性可以使用成本加權(quán)距離與廊道長(zhǎng)度(Least cost path length，LCPL)的比值(CWD/LCPL)反映，比值越大表示該路徑相對(duì)阻力越大，也即兩個(gè)源地之間的連通性越低，因此可以用來(lái)反映生態(tài)廊道中心度和潛在生態(tài)廊道相對(duì)阻力。CWD/LCPL值越高，即生態(tài)廊道中心度越高，證明該條生態(tài)廊道越重要，同時(shí)也表示潛在生態(tài)廊道相對(duì)阻力越大，即打通該條潛在生態(tài)廊道對(duì)于區(qū)域連通性的優(yōu)化效果越明顯。不干預(yù)情景下，生態(tài)廊道中心度數(shù)值范圍為1～8.3，潛在生態(tài)廊道相對(duì)阻力數(shù)值范圍為1～3.7；耕地保護(hù)優(yōu)先情景下，生態(tài)廊道中心度數(shù)值范圍為1～4.3，潛在生態(tài)廊道相對(duì)阻力數(shù)值范圍為1～2.9；生態(tài)保護(hù)優(yōu)先情景下，生態(tài)廊道中心度數(shù)值范圍為1～9.5，潛在生態(tài)廊道相對(duì)阻力數(shù)值范圍為1～7.2。

3.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化特征

參考相關(guān)研究[18]對(duì)不同用地情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)進(jìn)行了核算(表10)，并將其作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以不干預(yù)情景下的ESV作為基準(zhǔn)，分別計(jì)算出耕地保護(hù)優(yōu)先和生態(tài)保護(hù)優(yōu)先兩種情景下的ESV差額(圖6)，進(jìn)而對(duì)比不同模擬情景下的ESV變化情況[26]。

圖6 不同用地情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值差額Figure 6 Difference in ecosystem services value under different land use scenarios

表10 各類情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值*Table 10 Ecosystem services value in various scenarios

統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與不干預(yù)情景相比，耕地保護(hù)優(yōu)先情景下，水源涵養(yǎng)價(jià)值減少了3.7億元，是唯一一個(gè)價(jià)值量相對(duì)減少的服務(wù)類型，減少泥沙淤積、氣候調(diào)節(jié)和碳固持價(jià)值則小幅上升，分別為1.1、0.7和0.1億元；生態(tài)保護(hù)優(yōu)先情景下，水源涵養(yǎng)、減少泥沙淤積、氣候調(diào)節(jié)和碳固持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值均有明顯上升，分別為4.5、6.4、4.7和7.0億元。

除不干預(yù)以外的兩種情景下，大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的價(jià)值量都有所增加。從整體來(lái)看，生態(tài)保護(hù)優(yōu)先情景下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值一共增加了22.6億元，而耕地保護(hù)優(yōu)先情景下則是減少了1.9億元，由于選擇的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型數(shù)量有限，僅從數(shù)值上判斷不同規(guī)劃方案的優(yōu)劣缺乏說(shuō)服力，因此不能作出耕地保護(hù)優(yōu)先的策略會(huì)導(dǎo)致城市群整體生態(tài)安全水平下降的簡(jiǎn)單判斷。

3.5 空間連通性分析

影響區(qū)域空間連通性的瓶頸部位被稱為夾點(diǎn)區(qū)域，可利用Pinchpoint模塊多對(duì)一模式對(duì)夾點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行識(shí)別。選擇每個(gè)生態(tài)源地的質(zhì)心作為節(jié)點(diǎn)，采用Pinchpoint模塊將某一節(jié)點(diǎn)接地，其他所有節(jié)點(diǎn)分別輸入1 A電流，通過(guò)迭代計(jì)算得到累計(jì)電流值，電流值最高的區(qū)域即為夾點(diǎn)區(qū)域(圖7)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)和疊加分析，不干預(yù)、耕地保護(hù)優(yōu)先、生態(tài)保護(hù)優(yōu)先三種情景下的夾點(diǎn)面積分別為887.4、1 023.8、1 072.1 km2，耕地保護(hù)優(yōu)先背景下，夾點(diǎn)區(qū)域明顯朝長(zhǎng)株潭綠心區(qū)域和益陽(yáng)市中部聚集；生態(tài)保護(hù)優(yōu)先背景下，夾點(diǎn)的空間位置變動(dòng)不明顯，但分布密度有所提高。

圖7 夾點(diǎn)和障礙點(diǎn)識(shí)別結(jié)果Figure 7 Pinch point and obstacle point identification results

使用Linkage Mapper插件的Barrier Mapper模塊進(jìn)行生態(tài)障礙點(diǎn)模擬，搜索半徑設(shè)置為1 000、3 000、5 000 m進(jìn)行移動(dòng)窗口法的識(shí)別。以相對(duì)于走廊原始最小成本路徑(成本加權(quán)長(zhǎng)度)的改善百分比作為改善分?jǐn)?shù)，來(lái)反映消除障礙點(diǎn)后的優(yōu)化程度。不干預(yù)、耕地保護(hù)優(yōu)先、生態(tài)保護(hù)優(yōu)先三種情景下的優(yōu)化程度峰值分別為53.8%、49.5%和59.8%。使用自然斷點(diǎn)法進(jìn)行分類，選擇數(shù)值最高的三類作為對(duì)比依據(jù)，三種情景下的障礙點(diǎn)面積分別為1 027.1、857.9、1 045.9 km2。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

目前將電路理論應(yīng)用于構(gòu)建生態(tài)安全格局的相關(guān)研究尚不夠充分，可以從應(yīng)用范圍和作用機(jī)制兩個(gè)方面進(jìn)行區(qū)分。應(yīng)用范圍方面，基本涵蓋了多個(gè)空間層級(jí)，包括都市區(qū)[22,30]、城區(qū)[23,24,31]、特定物種棲息地[32]、人工擬合景觀[33]等不同空間尺度下的生態(tài)安全格局及類似概念(綠色基礎(chǔ)設(shè)施、生態(tài)網(wǎng)絡(luò))的構(gòu)建研究；作用機(jī)制方面，覆蓋了基礎(chǔ)的空間連通性分析[30,32]、重要生態(tài)要素識(shí)別[23,31,33]和空間管控策略區(qū)分[24,30,31]等方面，一些研究對(duì)相關(guān)空間模型的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比[32,33]?？偟膩?lái)說(shuō)，多數(shù)研究充分利用了后發(fā)優(yōu)勢(shì)，不僅僅是停留在概念層面的細(xì)分和探討，而是將其作為具有獨(dú)特模擬優(yōu)勢(shì)的空間連通性模型，以研究工具的形式融入相關(guān)生態(tài)安全議題中。

電路理論連通性模型通過(guò)不同配對(duì)模式下的模擬電流值篩選生態(tài)源地和廊道，不僅可以識(shí)別出路徑的空間位置，也可以計(jì)算出廊道寬度，由于研究旨在面向生物多樣性保護(hù)，不同物種對(duì)于廊道寬度的要求有所差異，因此并未根據(jù)廊道寬度對(duì)廊道展開(kāi)進(jìn)一步篩選。識(shí)別夾點(diǎn)和障礙點(diǎn)是電路理論的模擬優(yōu)勢(shì)之一。通過(guò)分析生態(tài)夾點(diǎn)和障礙點(diǎn)，可以更直觀地進(jìn)行空間落位，即劃定生物保護(hù)核心范圍與需調(diào)整用地類型的區(qū)域，不僅有利于優(yōu)化區(qū)域生態(tài)安全格局，同時(shí)也可以為國(guó)土空間規(guī)劃中三區(qū)三線的空間范圍劃定提供幫助。環(huán)長(zhǎng)株潭“3+5”城市群作為重要的地域?qū)嶓w，采用不同的規(guī)劃策略將對(duì)其生態(tài)安全格局產(chǎn)生顯著的影響?？傮w而言，生態(tài)保護(hù)優(yōu)先情景下，生態(tài)廊道與潛在生態(tài)廊道數(shù)量明顯增加，同時(shí)生態(tài)廊道的重要程度和潛在生態(tài)廊道相對(duì)阻力也有所提升，說(shuō)明在此情景下，城市群內(nèi)部的生態(tài)交換過(guò)程的效率得到了正向改善；而與此相反，耕地保護(hù)優(yōu)先的規(guī)劃方案會(huì)對(duì)生態(tài)廊道連通性產(chǎn)生負(fù)面影響。研究發(fā)現(xiàn)實(shí)施生態(tài)保護(hù)優(yōu)先的規(guī)劃策略，可以有效促進(jìn)環(huán)長(zhǎng)株潭“3+5”城市群生態(tài)品質(zhì)提升和區(qū)域生態(tài)安全水平的提高，這對(duì)于相關(guān)層級(jí)國(guó)土空間規(guī)劃方案的制定提供了科學(xué)依據(jù)，也對(duì)以城市群為尺度的生態(tài)規(guī)劃研究進(jìn)行了有益補(bǔ)充。

本文使用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量作為量化評(píng)估工具，用以評(píng)價(jià)規(guī)劃方案的實(shí)施效果，與不干預(yù)情景相比，耕地保護(hù)優(yōu)先情景下，水源涵養(yǎng)價(jià)值明顯減少，主要是由于林地起到了相對(duì)較大的截流和停滯作用，同時(shí)水域是蓄積水源的主要載體，林地、草地和少量水域向耕地轉(zhuǎn)換導(dǎo)致了水源涵養(yǎng)能力的降低；減少泥沙淤積、氣候調(diào)節(jié)和碳固持價(jià)值則小幅上升，說(shuō)明耕地作為準(zhǔn)生態(tài)環(huán)境也具備一定的生態(tài)供給能力；生態(tài)保護(hù)優(yōu)先情景下，水源涵養(yǎng)、減少泥沙淤積、氣候調(diào)節(jié)和碳固持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值均有明顯上升，原因在于生態(tài)保護(hù)優(yōu)先情景下林地面積大幅增加，新增面積達(dá)1 018.9 km2，林木在植被類型中對(duì)氣候調(diào)節(jié)作用較強(qiáng)，復(fù)雜的根系也有效遏制了潛在的水土流失風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)降水產(chǎn)生了有效的截流和停滯作用，同時(shí)，有機(jī)物干重的個(gè)體含量高，將大量的二氧化碳通過(guò)光合作用轉(zhuǎn)化為了生物質(zhì)，有效發(fā)揮了碳固持功能。

本研究并未對(duì)區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需水平及空間分布特征展開(kāi)進(jìn)一步討論，未來(lái)可以將其融入?yún)^(qū)域生態(tài)安全水平的評(píng)估過(guò)程中，結(jié)合空間自相關(guān)分析判斷是否具有空間顯著性，并依據(jù)生態(tài)供需空間分布情況，制定差異化的生態(tài)安全策略，為改善區(qū)域生態(tài)安全水平提供參考和依據(jù)。

4.2 結(jié)論

(1)不干預(yù)情景下，2040年建設(shè)用地面積相較于2020年增加了330.1 km2，增幅為9%。通過(guò)與2020年各類用地空間分布情況進(jìn)行縱向?qū)Ρ?，可以發(fā)現(xiàn)這種用地增長(zhǎng)并不是平均分布的，而是主要集中在研究范圍北部，從側(cè)面反映了城市群內(nèi)部城市化水平的不均衡分布。

(2)相較于不干預(yù)情景，耕地保護(hù)優(yōu)先情景下生態(tài)廊道的連通性有所降低，而生態(tài)保護(hù)優(yōu)先情景則與之相反。

(3)在將LUCC作為單一變量的前提下，通過(guò)分析生態(tài)廊道的重要程度和潛在生態(tài)廊道相對(duì)阻力，可以認(rèn)為生態(tài)保護(hù)優(yōu)先情景下城市群內(nèi)部生態(tài)交換過(guò)程的效率得到了正向改善，而實(shí)施耕地保護(hù)優(yōu)先策略的結(jié)果與此相反。

(4)從單一類型ESV來(lái)看，多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的ESV呈現(xiàn)了上升趨勢(shì)。

(5)耕地保護(hù)優(yōu)先和生態(tài)保護(hù)優(yōu)先策略對(duì)于城市群生態(tài)安全格局的優(yōu)化以及區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善起到正向作用。