基于生态保护红线和生态网络的县域生态安全格局构建

汤 峰，王 力，张蓬涛，付梅臣

·土地保障与生态安全·

基于生态保护红线和生态网络的县域生态安全格局构建

汤 峰1,2，王 力2,3，张蓬涛4，付梅臣1※

（1. 中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京 100083；2. 中国科学院遥感科学国家重点实验室，北京 100101；3. 中国科学院空天信息研究院，北京 100101；4. 河北农业大学国土资源学院，保定 071001）

随着环境形势的严峻化和生态问题的复杂化，加大对生态系统的保护已成为全民共识，而构建符合区域实际情况的生态安全格局对提升生态环境质量和维护区域可持续发展具有重要意义，已然成为国土空间规划编制和生态文明建设的重要内容。该研究以河北省青龙县为研究区，利用土地利用调查及影像数据和多年气象数据等，将生态保护红线划定方法及生态网络构建方法融合，通过空间叠加及分析将生态系统服务功能重要性评价、生态敏感性评价结果融合于研究区域的生态保护网络，旨在规避常规研究中单独使用一种方法造成保护要素缺失、安全格局不连通等问题。基于该方法构建了研究区生态安全格局。结果表明：青龙县生态保护红线总面积达443.94 km2，占县域面积的12.7%，主要分布在东南部和西北部的国有林场区和中部的河流水系沿线地带；生态网络由11块生态源地、24条生态廊道、22个生态节点和34个生态断裂点构成；青龙县生态安全格局由生态安全保护要素、生态安全保护目标区以及生态安全保护措施共同构成。研究结果可为县域尺度的国土空间规划的制定和生态修复及保护工程的建设实施提供技术支撑和科学依据。

遥感；生态；保护红线；生态网络；安全格局；青龙县

0 引 言

近年来，随着工业化和城镇化快速发展，中国的资源环境形势日益严峻，生态问题更加复杂。已建成的各类保护区由于在规划上缺乏系统性和协调性，空间上存在交叉重叠或保护信息缺失，导致保护系统内物质能量循环不畅、景观格局不够合理、保护效率不高。中共十九大报告明确提出要加大生态系统的保护力度，提升生态系统质量和稳定性。因此，科学构建满足区域人口荷载及经济可持续发展的生态安全格局是中国当前生态文明建设的紧迫任务。

划定生态保护红线或构建生态保护网络是中国目前开展生态保护区划、构建区域生态安全格局的主要方法。生态网络的概念起源于20世纪70年代的欧洲[1]，并逐渐成为景观生态学、地理学、城市规划学等学科的研究热点[2]。国际上许多国家及组织积极开展大尺度生态网络建设，如泛欧生态网络计划[3]、北美绿道建设工程[4]等。中国生态网络规划的相关研究起步较晚，大多基于生物多样性的保护[5-6]及区域生态安全[7]视角从不同的空间尺度（省域[8]、县域[9]）和景观尺度（城市[10]、流域[11]）对生态网络的结构和功能[12-15]展开研究。生态保护红线是中国环境保护的重要制度创新，重点是严格确定自然生态服务功能、环境质量安全、自然资源利用等方面保护的空间边界与管理限值[16]。中国从2000年“红线控制”方案[17]的提出到2011年国务院作出划定生态保护红线的决定，标志着生态保护红线从区域战略上升为国家战略。此后，关于生态保护红线概念及划定方法[18-19]的讨论颇多；同时基于不同空间尺度的实践研究（省域[20]、区域[21]、城市[22]）也逐渐丰富。总体来看，当前中国关于生态安全格局的研究已日益成熟，各种尺度的典型研究不断丰富，但县域层面的案例分析仍显不足，已有研究[9,23-24]在构建县域生态安全格局的过程中主要关注各生态安全格局功能组分的空间分布特征及位置信息，对生态廊道宽度和踏脚石斑块面积以及其内部景观建设等精细化研究不足，不能充分满足县域实践操作的需要。

生态保护红线的划定和生态网络的构建各自沿着既定的研究方向日趋成熟，但单独使用一种方法容易造成保护区域保护信息不完整，保护系统不连贯。目前将二者融汇进行交叉互补性的研究较少。鉴于此，本研究以典型的河北省东北部山地丘陵区青龙县为例，从实践操作层面探讨县域尺度生态安全格局的构建思路和方法。将生态红线划定和生态网络构建技术结合，综合提取生态安全保护要素、划定生态安全保护目标区并制定保护措施，以规避单独使用一种方法可能造成的保护要素缺失、保护系统片段化等后果。旨在为县域尺度生态安全格局的规划和建设提供方法指导，并弥补目前集中进行大尺度生态安全格局研究的不足。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

青龙县（118°34′~119°36′E，40°04′~40°36′N）位于河北省东北部，地处东北、华北两大经济区结合部和环渤海、京津冀经济圈，下辖11镇、14乡，396个村，总面积3 506.10 km2。该县位于燕山山脉东段，中低山与丘陵错落分布，沟谷纵横其间；气候为温带湿润大陆性季风气候，年均降水量达652.7 mm；境内有6条河流通过，水资源丰富，野生动物种类和数量繁多，已于2016年9月被纳入国家重点生态功能区，发展定位于打造京津冀重要生态涵养区。丰富多样的地貌类型为该县生态建设及涵养创造了良好的土地资源条件，但也增加了生态脆弱性的风险。近年来，建设活动的加剧导致林地和水域不断萎缩，水土流失问题日益严重，致使县域内生物多样性迅速降低，尤其是赤狐、豹猫、白鹤等珍稀野生动物面临较大的生存危机。因此，在经济发展和生态建设并重的当下，科学、系统的构建生态安全格局，为社会经济的快速增长保驾护航显得尤为重要。

图1 研究区地理位置

1.2 数据来源

本文所采用的数据主要包括土地利用数据（2016年土地利用现状变更调查）、社会经济数据（2016年青龙县统计年鉴）、归一化植被指数NDVI（2016年8月份的Landsat8OLI影像数据，利用ENVI4.7软件计算得出）、夜间灯光数据（来源于美国国家地球物理数据中心网站提供的2016年NPP-VIIRS夜间灯光数据）、气象数据（来源于青龙县及周边13个气象站点的实测数据，其中降雨量和蒸散量利用ArcGIS10.2软件采用反距离加权插值法得出）、高程和坡度数据（来源于地理空间数据云平台分辨率为30 m的DEM数据）、土壤数据（来源于1∶10万青龙县土壤类型图以及《河北省土种志》）等。

2 研究方法

2.1 生态保护红线划定方法

2.1.1 生态保护红线划定评判指标体系

研究利用生态系统服务功能重要性评价及生态敏感性评价得到生态保护红线空间分布图。根据环保部印发的《生态保护红线划定指南》中的划定思路，在参考大量相关研究成果[16-18,25-28]的基础上，根据研究区自身的自然、社会经济条件以及生态环境特点，结合评价指标出现的频率，筛选了相对重要的3个生态系统服务功能重要性评价指标和8个生态敏感性分析指标，具体指标及含义见表1。本文的评价单元为30 m×30 m的栅格单元。

表1 生态保护红线划定评判指标体系

2.1.2 评判指标量化分级方法

1）生态系统服务功能重要性评价指标量化分级

水源涵养功能计算公式[29]如下：

当下垫面为土地时

当下垫面为水时

式中V()是下垫面为土壤时像元处每年单位面积涵养水源量，m3/m2；mean()为像元处逐月降水量，mm；K为产流降雨量占总降雨量的比例；R为地表植被减少径流系数；V()是下垫面为水时像元处每年单位面积涵养水源量，m3/m2；ET()为逐月实际蒸散量，mm。

土壤保持功能计算公式[26]如下：

式中A、A、分别为土壤保持量、潜在土壤侵蚀量、实际土壤侵蚀量，t/(km2·a)；为降雨侵蚀力因子，MJ·mm/(km2·h·a)；为土壤可蚀性因子，t·km2·h/ (km2·MJ·mm)；为坡长坡度因子；为植被与经营管理因子；为水土保持措施因子。

生物多样性保护功能计算公式[31]如下：

式中Q为土地利用类型中栅格的生境质量；H为的生境适宜性；D为中栅格所受胁迫水平；为半饱和常数，通常取D最大值的一半；为归一化常量；为胁迫因子个数；为胁迫因子栅格图层的栅格数；Y为胁迫因子在地类层上所占栅格个数；w为胁迫因子权重；r为地类层每个栅格上胁迫因子的个数；i为栅格中胁迫因子对栅格的生境胁迫水平；β为栅格的可达性水平，取值0～1，1表示极易达到；S为对胁迫因子的敏感程度；d为栅格与栅格之间的直线距离；d为胁迫因子的最大影响距离。本文选取居住用地、工矿用地、交通用地和耕地为胁迫因子。

利用自然断点法将水源涵养、土壤保持和生物多样性保护功能的计算结果划分为5个等级，由一级到五级功能越来越弱，由此得到各功能分级图。

2）生态敏感性评价指标量化分级

生态环境问题通常是自然因素和人类活动综合作用的产物，因此，本文在进行生态敏感性评价时采用多因子综合指数评价法[28]，计算公式如下：

式中S表示第个评价单元的生态敏感性指数；w为第个评价指标的权重；x为第个评价单元上第个评价指标的描述性评价等级的标准化值。权重w的值利用熵值法和因素重要程度比较法综合确定。

本文依据自然断点法，并参考相关文献研究成果[7,25-28]，对选取的8个生态敏感性评价指标进行分级赋值，分级标准和权重见表2。

表2 生态敏感性评价因子分级标准和权重

2.1.3 生态保护红线生成方法

研究将水源涵养、土壤保持和生物多样性保护功能分级图中的一级功能区分别提取出来求并集生成生态系统服务功能重要性保护红线图。依据表2的权重和公式（9），利用ArcGIS10.2中的栅格计算器工具将各敏感性评价因子量化分级后的栅格图层进行加权叠加计算得到研究区生态敏感性综合评价结果图，并根据自然断点法划分为5个等级，再将一级区提取出来生成生态敏感性保护红线图。最后，将生态系统服务功能重要性保护红线图和生态敏感性保护红线图进行空间叠加，求并集生成生态保护红线分布图。

2.2 生态网络构建方法

生态网络是由生态源地、生态廊道、生态节点和生态断裂点等要素构成的复杂的网状系统。本文通过识别源地—构建生态廊道—识别生态节点和生态断裂点的思路构建生态网络。

2.2.1 源地识别

本文基于形态学空间格局分析（Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA）[32]方法识别并提取出研究区域内生态功能最好的核心区景观类型，再根据景观连通性评价确定生态源地。

研究参考土地利用现状分类体系的二级地类分类方法，将土地归并为耕地、园地、林地、水域、建设用地、未利用地6种类型，由于水域用地在水源涵养功能评价时已经充分考虑，并且绝大部分水域都已划入生态保护红线，因此仅将林地作为前景要素而其他地类作为背景。

首先将数据转换成TIFF格式的栅格数据，利用Guidos Toolbox软件，使用八领域分析方法进行MSPA分析，得到前景要素互不重叠的7类景观，分别为核心区、孤岛、孔隙、边缘区、环岛、连接桥和支线[33]。再将输出的栅格数据在ArcGIS10.2中转化为矢量数据，根据属性字段值将核心区景观类型提取出来进行景观连通性评价，计算公式[34]如下

式中表示可能连通性连接指数；为景观斑块的总数；a和a分别是斑块和的面积；p表示物种在斑块和之间直接扩散的最大可能性；A为整个景观的面积；PC为去除单个斑块后剩下斑块的连通性连接指数；表示斑块的重要性，值越大，表示该斑块在景观连通中的重要性越高。

2.2.2 生态廊道构建

最小累积阻力（Minimal Cumulative Resistance，MCR）模型[35]通过计算生态源地与目标之间的最小累积阻力距离模拟最小成本路径，依此确定生物迁徙路径。MCR模型的计算公式为

式中D表示从生态源点到空间单元的距离；R表示空间单元的阻力系数。

本文在参考相关文献[5-10]的基础上，综合考虑到研究区的地形地貌条件，选取土地类型、高程和坡度3个因子构建综合阻力面，依据因素重要程度比较法确定各阻力因子权重，构建阻力评价体系（表3），在此基础上使用夜间灯光指数[36]来修正景观类型因子的相对阻力值，再使用栅格计算器工具加权叠加计算生成综合阻力面。通过ArcGIS10.2的Cost Distance工具，利用生态源地和综合阻力面计算得到每个像元到成本面上最近源地的最小累积阻力距离表面，在此基础上，利用Cost Path工具计算生态源地相互之间的最小成本路径以生成潜在生态廊道。

基于MCR模型构建的生态廊道是一种表达路径的概念网络，具有一定的宽度才能发挥其生态服务功能[37]。朱强等[38]在对大量国外学者关于廊道宽度研究成果的归纳基础上提出了满足不同生态功能、不同种类动物迁徙所适宜的廊道宽度区间。由于青龙县有赤狐、白狐、花面狐、猪獾、狗獾等中型哺乳动物，本文参考相关研究成果[37-39]，以构建的生态廊道为基线，分别对其进行100、200、400、600、800、1 000、1 200 m的缓冲区分析，并对不同宽度内各土地利用类型面积进行统计分析以确定研究区最佳廊道宽度。

表3 阻力因子分级和赋值

2.2.3 生态节点和生态断裂点识别

生态节点是生态网络中的关键点，是物种迁移中的踏脚石（是指位于大型生态斑块之间，由一系列小型斑块构成生物做短暂栖息和迁移运动的通道，可以作为生物迁徙的中间站）和休憩地。本文根据景观生态学上对战略点的判识方法[40]并结合研究需要识别生态节点。利用自然断点法将最小累积阻力距离表面划分为源地缓冲区、低阻力区、中阻力区和高阻力区，与构建的生态廊道进行空间叠加，将生态廊道之间的交点以及生态廊道与最小累积阻力距离表面分区界线处的交点作为生态节点。

纵横交错的道路网会将景观格局切割成破碎的生境斑块，造成景观破碎化，使得连续的廊道网络产生一定空间范围的生态间隙，不利于物种的交流扩散[37]。本文将生态廊道与研究区的主要交通道路网的交叉点确定为生态断裂点，加以修复控制。

2.2.4 生态网络生成

研究将利用上述方法提取的生态源地、生态廊道、生态节点和生态断裂点叠加到同一图层中，构成网状系统结构的青龙县生态网络。

2.3 生态安全格局构建方法

将生态保护红线分布图和生态网络分布图在ArcGIS10.2中进行空间叠加，综合识别研究区生态安全保护要素。若存在部分孤立的生态保护红线区未融入廊道网络之中，需要利用MCR模型新构建廊道将其与最近的生态源地连通起来。由于生态保护红线斑块和生态源地在功能上具有一定的相似性，因此将生态保护红线斑块和生态源地统一归并为红线保护区；生态节点在生物迁徙过程中起到了提供中途休息场所的作用，故将其划定为生物迁徙休憩区加以重点建设；而生态廊道主要是为生物迁徙提供安全路径，是具有一定宽度范围的狭长地带，将其划定为生物迁徙通道区进行保护。由生态安全保护要素，红线保护区、生物迁徙休憩区和生物迁徙通道区形成的3类生态安全保护目标区结合制定的分类保护措施共同构建起青龙县生态安全格局。

3 结果与分析

3.1 生态保护红线分析

由图2a可知，生态系统服务功能重要性保护红线区面积为348.31 km2，主要分布在青龙县东南、西北和中部区域；由图2b可知，生态敏感性保护红线区面积为237.34 km2，主要分布在青龙县东南部和西北部地区。

生态系统服务功能重要性保护红线和生态敏感性保护红线具有一定的重叠部分，将二者进行空间叠加后得到的青龙县生态保护红线区面积共有443.94 km2，占青龙县国土总面积的12.7%。由图2c可知，青龙县生态保护红线主要分布在东南部和西北部的国有林场区和中部的河流水系沿线地带，这些区域是青龙县林地和水域等生态类用地的主要集中分布区，生态环境质量现状较好，但存在被建设活动大规模侵占的风险，将其划入生态红线内有利于充分保护。划定得到的青龙县生态保护红线存在系统片段化问题，各生态保护红线区相互孤立，互不连通，特别是位于西北部都山林场区内的最大面积生态红线区与其他地区的红线区相隔较远，导致红线区内部物质能量循环不畅，生态要素流动性不足。

图2 生态保护红线划定

3.2 生态网络分析

通过MSPA分析得到的7种景观类型中，核心区面积最大为421.32 km2，占前景要素的28.36%（表4）。将核心区景观类型中的零星碎小斑块删除，邻近斑块合并，基于公式（10）~（11），利用Conefor2.6软件[41]对48个核心区斑块进行景观连通性评价。对评价结果分析发现，值小于2.5的核心区斑块面积都较小，景观连通性差，且距离研究区建设用地都较近，容易受人类活动干扰，不宜确定为生态源地，故将值大于2.5的核心区斑块确定为生态源地。由图3a可知，研究区生态源地共有11块，主要分布在青龙县东部和西北部的县域边界地带以及中部的部分地区，与生态保护红线相比，生态源地分布范围较少，仅涉及大型林地斑块。

表4 不同景观类型面积统计

由图3b可知，利用MCR模型生成的研究区潜在生态廊道共有55条，从分布状态来看，各潜在廊道之间交错纵横，紧密分布，存在部分廊道路径重合或相似的情况，廊道网的冗余性较高。为了减少建设的成本，根据廊道的分布特点和发挥作用的可替代性对冗余廊道进行删减，最终得到青龙县18条生态廊道（见图3c），廊道全长334.22 km。

分析廊道不同缓冲区内现状景观地类的面积发现（表5），廊道在不同宽度范围内各地类的分布情况差异较大，其中林地、耕地和建设用地面积比例波动变化较明显，其余地类变化差异较小。在200～400 m的宽度范围内，建设用地和耕地占比最小，受人类活动干扰较小，而林地和水域等重要生态用地占比最大，这能为未来廊道内部景观建设奠定一定基础，降低建设成本，并且此宽度范围达到了朱强等[38]研究成果中的中型哺乳动物迁徙的需求宽度，能够有效实现青龙县物种迁移、传播和生物多样性的保护，因此确定青龙县廊道最佳宽度为200～400 m。

表5 不同廊道宽度各土地利用类型面积占比

青龙县生态网络分布情况见图3c。由图3c可知，廊道网上共有22个生态节点和34个生态断裂点。生态节点主要分布在南部廊道上而北部较少，主要是因为南部地区的最小累积阻力距离分布差异较大；而生态断裂点集中分布在西北部廊道上，这与青龙县西北部地区交通路网密集程度有关。

图3 生态网络构建

3.3 生态安全格局分析

3.3.1 生态安全保护要素空间分布

青龙县生态安全保护要素由生态保护红线、生态源地、生态廊道和踏脚石斑块共同构成（见图4a），而生态断裂点使廊道网出现断裂，严重阻碍了生态要素流动，必须修复。由图4a可知，除了生态源地1、3、5、6和8这5个小型源地斑块没有与生态保护红线存在空间重叠外，其余源地与生态保护红线均高度重合；与生态网络相比，生态安全保护要素中的廊道数量有所增加变成了24条，总长度为374.91 km，这是因为西南部和北部地区部分生态保护红线区处于孤立状态，故新构建了6条廊道将其融入生态网络之中；踏脚石斑块由生态节点转化而来，但是数量出现下降变成17个，因为删除了与生态保护红线空间重叠的5个生态节点。生态保护红线有机地融入了生态网络之中，规避了红线区片段化、不连通的问题；生态网络的分布范围进一步扩大，保护要素也得到了完善，物质能量的流动更加通畅。

图4 生态安全保护要素和目标区空间分布

青龙县以农业立县，初步形成以中药材种植、食用菌栽培、精品杂粮生产为主的农业特色产业格局，其中中药材种植产业形成以枸杞、五味子、黄芪和北苍术种植为主的“一区三带”的发展布局，主要集中在木头凳、龙王庙、三星口、干沟、土门子和大石岭等县域东北部乡镇；食用菌产业形成“三点带三片”的产业布局即西部地区以木兰菌业为经济增长点，中部地区以益朋、龙姑食用菌专业合作社为经济增长点，东部地区以双小、客援红菌业为经济增长点辐射带动周边片区；精品杂粮产业形成以长城沿线和北部山区为主的小杂粮种植区。总体而言，青龙县的农业特色产业布局在位置分布上与本文研究得到的各生态安全保护要素空间冲突较少，并且植物栽培对野生物种和生态安全的负面影响较少，因此，基于经济效益和环境质量的综合考量，无需对当前形成的农业特色产业空间布局进行调整，但需要防控食用菌种植基地可能存在的点源污染问题。青龙县工业总体上处于快速发展阶段，已初步形成包括青龙工业聚集区、县城工业园、山神庙示范园、大巫岚工业园、肖营子工业园和秦皇岛经济技术开发区青龙园区在内的“一区五园”的工业发展格局。空间分布上，大巫岚工业园位于大巫岚镇境内的青龙河和星干河沿河地带，与该区域的生态保护红线区存在局部空间冲突，虽然该园区以新型循环经济工业为主导，环境污染较轻，但由于享受现行省级开发园区相关优惠政策，发展潜力大，未来周边生态空间存在被园区建设扩张占用的风险；其余工业园区虽然与各生态安全保护要素不存在空间冲突，但以采矿、钢铁冶炼、机械制造等高耗能产业为主，环境污染较为突出，存在面源污染扩散威胁生态安全格局的可能。“八山一水一分田”的地貌条件决定了青龙县具有丰富的生态空间和特色的旅游资源，境内的祖山国家地质公园、都山森林公园、桃林口水库、冷口温泉、花果山、龙潭大峡谷等景区深受京津冀及东北周边地区游客喜爱，这些自然景区基本位于生态保护红线或生态源地内，在发展旅游观光业的过程中应注重保护性开发和适度原则，防范旅游垃圾造成生态污染。

3.3.2 生态安全保护目标区划定及保护措施制定

1）红线保护区的划定及保护措施

由生态保护红线和生态源地共同构成的红线保护区（图4b）总面积达509.33 km2，占研究区总面积的14.53%。对于红线保护区内部，应严格限制建设用地的侵占，禁止滥砍滥伐，已经建成的建筑物应尽可能地拆除另行选址建设，不能拆迁的应划清其边界范围，严禁向周围扩张，准备开展的非生态类建设项目应立即叫停，重新选址进行建设；对于红线保护区外围，应建设一定宽度的林地缓冲带，以减少人类活动对保护区的冲击；对于风景优美、旅游资源较好的部分区域可以有条件的对外开放，发展观光产业以增加收入，并将收入投入到保护区的建设。此外，青龙县广大农村地区能源使用方式以传统的薪柴为主，森林砍伐问题突出，为了有效地保护红线保护区内的林地，必须大力推广天然气、液化气的使用，号召村民减少薪柴的使用，并充分开发利用当地丰富的太阳能、风能和水力资源以改变传统的能源使用方式。

2）生物迁徙休憩区的划定及保护措施

生物在长途迁徙的过程中，通常会寻找相对隐蔽安全的地区进行短期休憩。将17个踏脚石斑块划定为生物迁徙休憩区（图4b）进行重点建设，能够提高生物迁徙的成功率。踏脚石斑块应该是具有一定面积的区域，考虑到青龙县生态廊道的宽度为200～400 m，参照廊道宽度确定的方法，对踏脚石做500、600、700、800、900、1 000 m的圆形缓冲区分析。通过对不同直径范围内的土地利用类型面积的统计分析，发现随着范围的扩大，缓冲区内的林地和水域等生态用地的面积比例逐渐下降，而建设用地和耕地等人类活动干扰强烈的用地面积比例不断上升，因此，确定青龙县各踏脚石斑块的建设范围为直径500 m的圆形区域。在划定的休憩区内部应改变土地用途，建筑物及其他建筑设施必须拆除，耕地退耕，加大林木种植力度，实现植被全覆盖；建设小面积的坑塘水面，以满足生物迁徙过程中的饮水需求；在休憩区外围应种植一定宽度的荆棘、虎刺等具刺灌木，以阻止人类活动的介入。

3）生物迁徙通道区的划定及保护措施

生态廊道的建设为生物迁徙创造了条件，将青龙县构建的24条生态廊道全部划定为生物迁徙通道（图4b）保护目标区。青龙县廊道内的现状土地利用类型以林地和未利用地为主，两者占总面积超过80%，其次是园地和耕地，水域和建设用地较少，因此，在未来的廊道建设过程中，构建的土地利用应以林地为主。此外，基于景观美学的考虑，廊道内的植物类型应构建成涵盖乔木、灌木和草本植物在内的复合型立体空间结构。为了更好地保护生物迁徙通道，廊道沿线一定宽度范围内的区域应严格限制人类建设活动，在保持现有土地利用的基础上，促进建设用地和耕地向生态类用地转变。对于生物迁徙通道区上的生态断裂点需要高度重视，应采取一定的工程措施加以修复和改善，例如加快建设地下通道、隧道和天桥等改变车辆、人员的流动路线，减少人类活动对生物迁徙的影响。

3.3.3 生态保护红线与生态网络关系探讨

生态保护红线和生态网络在维持生态系统的完整性和生态功能的稳定性等保护目标上具有一定的相似性[17]，划定结果在空间上也具有重叠部分，但二者还是存在差异性。与生态网络相比，生态保护红线更注重保护区的空间分布和面积比例，强调严格的边界范围和最低数量管控，是一种刚性的保护空间，成为区域生态环境保护的重要技术手段，生态保护红线划定是本轮国土空间规划编制的基础性工作和重要组成部分，具有省市县层级管理的行政命令特色。青龙县生态保护红线具有明显的区片化孤立分布特征，在管理过程中可以将各个生态保护红线区所处位置按行政属地原则进一步细分到乡镇区划层面，加强乡镇政府的保护和管理职责，采取强制性的行政命令手段和惩罚措施禁止工农业生产和建设活动占用生态红线保护区。生态网络更加注重功能组分的相互连通性和廊道网络空间上的整体性，突出对物种扩散和迁徙等生态过程的控制，是一种弹性的生态保护空间，特别是廊道的路径和宽度可以结合建设过程中面临的实际问题进行适当收缩和扩张。生态网络作为加强生态要素流动、维护物种迁移的有效工具正逐步融入区域生态规划和国土空间规划之中，在前期的规划建设中需由统一的部门集中组织和领导，在后期的管理维护过程中可以参考河长制，对每条廊道和每个生态源地安排专人进行维护和管理，同时利用激励手段吸引社会组织和公众参与生态网络的建设与保护。

4 结论与讨论

本文基于生态保护红线和生态网络构建了青龙县生态安全格局，对县域生态保护规划的制订、生态保护工程的建设实施具有一定的参考价值，有利于青龙县生物多样性的保护和生态环境质量的提升。研究主要结论如下：通过生态系统服务功能重要性评价和生态敏感性评价划定得到的青龙县生态保护红线占国土总面积的12.7%，主要分布在县域东南部和西北部的国有林场区以及中部的河流水系沿线地带；基于“斑块-廊道-基质”理论识别的青龙县生态网络由生态源地、生态廊道、生态节点和断裂点构成，其中11块生态源地、18条生态廊道和22个生态节点相互连结能够促进县域内生态要素的互联互通，而34个生态断裂点必须采取措施加以控制；通过生态保护红线和生态网络空间叠加拓扑检查综合构建的青龙县生态安全格局由生态安全保护要素、生态安全保护目标区以及生态安全保护措施共同构成。

本文主要是在国土空间利用现状的基础上构建的青龙县生态安全格局，没有充分考虑到未来的规划土地利用状况。随着未来道路建设的增多，必然会对生物迁徙通道区产生一定程度的冲击，生态断裂点的数量和面积也会随之增加，因此需要对可能产生断裂点的区域进行重点监控，道路建设的过程中预留生态廊道的建设空间。由于对青龙县生物资料掌握不足，本文在构建阻力面时并未考虑当地不同物种的生活特性，廊道宽度和踏脚石面积分析时也仅考虑了不同缓冲区内的地类分布状况，分析得到的廊道最佳宽度仅是一个区间范围，而非具体数值，因此未来需要加大对青龙县生物资料的收集力度，通过实地走访、勘测等途径进一步深化对廊道宽度、踏脚石斑块建设等方面的研究。

此外，本文主要是从行政区划管理的角度出发针对县域小尺度内部区域开展了生态安全格局的相关研究，然而生态环境要素的流动更多受地理单元的影响而非行政边界的限制，尤其是赤狐等珍稀动物不仅活跃在青龙县，其活动范围还遍布周边县域。为了满足行政单元整体性的现实管理需要和生态要素流动完整性的自然保护需要，未来在建设生态安全格局的实践过程中需要加强与相邻县域的沟通与合作，特别是县域之间的交界地带应尽可能通过政策协调或规划制定保持生境斑块的完整性，构建县县相通的联合生态安全格局。

[1] Cheng S T, Hou J X, Jia H F. An ecosystem-based understanding and analysis for SENCE toward sustainable development[J]. Journal of Environmental Sciences, 2001, 13(3): 328-332.

[2] 刘世梁，侯笑云，尹艺洁，等. 景观生态网络研究进展[J]. 生态学报，2017，37(12)：3947-3956. Liu Shiliang, Hou Xiaoyun, Yin Yijie, et al. Research progress on landscape ecological networks[J]. Acta Ecologica Sinica, 2017, 37(12): 3947-3956. (in Chinese with English abstract)

[3] Jongman R H G, Bouwma I M, Griffioen A, et al. The pan European ecological network: PEEN[J]. Landscape Ecology, 2011, 26(3): 311-326.

[4] Bowers K, Mcknight M. Reestablishing a healthy and resilient North America: Linking ecological restoration with continental habitat connectivity[J]. Ecological Restoration, 2012, 30(4): 267-270.

[5] 卿凤婷，彭羽. 基于RS和GIS的北京市顺义区生态网络构建与优化[J]. 应用与环境生物学报，2016，22(6)：1074-1081. Qing Fengting, Peng Yu. Development and optimization of ecological network of Shunyi District of Beijing based on RS and GIS[J]. Chinese Journal of Applied and Environmental Biology, 2016, 22(6): 1074-1081. (in Chinese with English abstract)

[6] Bruinderink G G, Sluis T V D, Lammertsma D, et al. Designing a coherent ecological network for large mammals in Northwestern Europe[J]. Conservation Biology, 2003, 17(2): 549-557.

[7] 彭建，郭小楠，胡熠娜，等. 基于地质灾害敏感性的山地生态安全格局构建：以云南省玉溪市为例[J]. 应用生态学报，2017，28(2)：627-635. Peng Jian, Guo Xiaonan, Hu Yina, et al. Constructing ecological security patterns in mountain areas based on geological disaster sensitivity: A case study in Yuxi City, Yunnan Province, China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2017, 28(2): 627-635. (in Chinese with English abstract)

[8] 古璠，黄义雄，陈传明，等. 福建省自然保护区生态网络的构建与优化[J]. 应用生态学报，2017，28(3)：1013-1020. Gu Fan, Huang Yixiong, Chen Chuanming, et al. Construction and optimization of ecological network for nature reserves in Fujian Province, China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2017, 28(3): 1013-1020. (in Chinese with English abstract)

[9] 陈竹安，况达，危小建，等. 基于MSPA与MCR模型的余江县生态网络构建[J]. 长江流域资源与环境，2017，26(8)：1199-1207. Chen Zhuan, Kuang Da, Wei Xiaojian, et al. Developing ecological networks based on MSPA and MCR: A case study in Yujiang County[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2017, 26(8): 1199-1207. (in Chinese with English abstract)

[10] 邱硕，王宇欣，王平智，等. 基于MCR模型的城镇生态安全格局构建和建设用地开发模式[J]. 农业工程学报，2018，34(17)：257-265. Qiu Shuo, Wang Yuxin, Wang Pingzhi, et al. Construction of urban ecological security pattern and construction land development based on MCR Model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(17): 257-265. (in Chinese with English abstract)

[11] 魏伟，石培基，周俊菊，等. 基于生态安全格局的干旱内陆河流域土地利用优化配置分区[J]. 农业工程学报，2016，32(18)：9-18. Wei Wei, Shi Peiji, Zhou Junju, et al. Configuration partition of land use optimization in arid inland river basin based on ecological security pattern[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(18): 9-18. (in Chinese with English abstract)

[12] Bascompte J. Structure and dynamics of ecological networks[J]. Science, 2010, 329(5993): 765-766.

[13] Säterberg T, Sellman S, Ebenman B. High frequency of functional extinctions in ecological networks[J]. Nature, 2013, 499(7459): 468-470.

[14] 黄雪飞，吴次芳，游和远，等. 基于MCR模型的水网平原区乡村景观生态廊道构建[J]. 农业工程学报，2019，35(10)：243-251. Huang Xuefei, Wu Cifang, You Heyuan, et al. Construction of rural landscape ecological corridor in water network plain area based on MCR Model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(10): 243-251. (in Chinese with English abstract)

[15] 陈小平，陈文波. 鄱阳湖生态经济区生态网络构建与评价[J]. 应用生态学报，2016，27(5)：1611-1618. Chen Xiaoping, Chen Wenbo. Construction and evaluation of ecological network in Poyang Lake Eco-economic Zone, China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(5): 1611-1618. (in Chinese with English abstract)

[16] 姚岚，丁庆龙，俞振宁，等. 生态保护红线研究评述及框架体系构建[J]. 中国土地科学，2019，33(7)：11-18. Yao Lan, Ding Qinglong, Yu Zhenning, et al. Review on the research of ecological red-line and systematic framework construction[J]. China Land Science, 2019, 33(7): 11-18. (in Chinese with English abstract)

[17] 蒋大林，曹晓峰，匡鸿海，等. 生态保护红线及其划定关键问题浅析[J]. 资源科学，2015，37(9)：1755-1764. Jiang Dalin, Cao Xiaofeng, Kuang Honghai, et al. Ecological red line planning and related key issues analysis for China[J]. Resources Science, 2015, 37(9): 1755-1764. (in Chinese with English abstract)

[18] 肖甜甜，李杨帆，向枝远. 基于生态系统服务评价的围填海区域景观生态红线划分方法及应用研究[J]. 生态学报，2019，39(11)：3850-3860. Xiao Tiantian, Li Yangfan, Xiang Zhiyuan. Application of landscape ecological redline based on ecosystem services in mainland China's coastal reclamation area[J]. Acta Ecologica Sinica, 2019, 39(11): 3850-3860. (in Chinese with English abstract)

[19] 黎斌，何建华，屈赛，等. 基于贝叶斯网络的城市生态红线划定方法[J]. 生态学报，2018，38(3)：800-811. Li Bin, He Jianhua, Qu Sai, et al. A method of delimiting urban ecological red line protection area based on bayesian network[J]. Acta Ecologica Sinica, 2018, 38(3): 800-811. (in Chinese with English abstract)

[20] 燕守广，林乃峰，沈渭寿. 江苏省生态红线区域划分与保护[J]. 生态与农村环境学报，2014，30(3)：294-299. Yan Shouguang, Lin Naifeng, Shen Weishou. Delineation and protection of ecological red lines in Jiangsu Province[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2014, 30(3): 294-299. (in Chinese with English abstract)

[21] 李永格，李宗省，冯起，等. 基于生态红线划定的祁连山生态保护性开发研究[J]. 生态学报，2019，39(7)：2343-2352. Li Yongge, Li Zongxing, Feng Qi, et al. Research on the development of the ecological protection of the Qilian Mountains based on ecological redline[J]. Acta Ecologica Sinica, 2019, 39(7): 2343-2352. (in Chinese with English abstract)

[22] 马琪，刘康，刘文宗，等. 干旱半干旱区生态保护红线划分研究：以“多规合一”试点榆林市为例[J]. 地理研究，2018，37(1)：158-170. Ma Qi, Liu Kang, Liu Wenzong, et al. Zoning the ecological redline in arid and semiarid regions: Taking Yulin City as an example in the context of an integrated multi-planning[J]. Geographical Research, 2018, 37(1): 158-170. (in Chinese with English abstract)

[23] 郝月，张娜，杜亚娟，等. 基于生境质量的唐县生态安全格局构建[J]. 应用生态学报，2019，30(3)：1015-1024. Hao Yue, Zhang Na, Du Yajuan, et al. Construction of ecological security pattern based on habitat quality in Tang County, Hebei, China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2019, 30(3): 1015-1024. (in Chinese with English abstract)

[24] 倪庆琳，丁忠义，侯湖平，等. 基于电路理论的生态格局识别与保护研究—以宁武县为例[J]. 干旱区资源与环境，2019，33(5)：67-73. Ni Qinglin, Ding Zhongyi, Hou Huping, et al. Ecological pattern recognition and protection based on circuit theory[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2019, 33(5): 67-73. (in Chinese with English abstract)

[25] 付奇，李波，杨琳琳，等. 西北干旱区生态系统服务重要性评价：以阿勒泰地区为例[J]. 干旱区资源与环境，2016，30(10)：70-75. Fu Qi, Li Bo, Yang Linlin, et al. Importance evaluation of typical ecosystem services in arid regions of northwest China: A case study in Altay Prefecture[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2016, 30(10): 70-75. (in Chinese with English abstract)

[26] 潘峰，田长彦，邵峰，等. 新疆克拉玛依市生态敏感性研究[J]. 地理学报，2011，66(11)：1497-1507. Pan Feng, Tian Changyan, Shao Feng, et al. Evaluation of ecological sensitivity in Karamay, Xinjiang, Northwest China[J]. Acta Geographica Sinica, 2011, 66(11): 1497-1507. (in Chinese with English abstract)

[27] 朱东国，谢炳庚，陈永林. 基于生态敏感性评价的山地旅游城市旅游用地策略：以张家界市为例[J]. 经济地理，2015，35(6)：184-189. Zhu Dongguo, Xie Binggeng, Chen Yonglin. The strategy of tourism land in mountain tourism city based on evaluation of ecological sensitivity—A case study of Zhangjiajie City[J]. Economic Geography, 2015, 35(6): 184-189. (in Chinese with English abstract)

[28] 李益敏，管成文，郭丽琴，等. 基于生态敏感性分析的江川区土地利用空间格局优化配置[J]. 农业工程学报，2018，34(20)：267-276. Li Yimin, Guan Chengwen, Guo Liqin, et al. Optimization of land use spatial pattern in Jiangchuan district based on ecological sensitivity analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(20): 267-276. (in Chinese with English abstract)

[29] 何玲，贾启建，李超，等. 基于生态系统服务价值和生态安全格局的土地利用格局模拟[J]. 农业工程学报，2016，32(3)：275-284. He Ling, Jia Qijian, Li Chao, et al. Land use pattern simulation based on ecosystem service value and ecological security pattern[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 275-284. (in Chinese with English abstract)

[30] Kareiva P, Tallis H, Ricketts T H, et al. Natural Capital: Theory and Practice of Mapping Ecosystem Services[M]. Oxford: Oxford University Press, 2011.

[31] 钟莉娜，王军. 基于InVEST模型评估土地整治对生境质量的影响[J]. 农业工程学报，2017，33(1)：250-255. Zhong Lina, Wang Jun. Evaluation on effect of land consolidation on habitat quality based on InVEST model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(1): 250-255. (in Chinese with English abstract)

[32] Soille P, Vogt P. Morphological segmentation of binary patterns[J]. Pattern Recognition Letters, 2009, 30(4): 456-459.

[33] Saura S, Vogt P, Velázquez J, et al. Key structural forest connectors can be identified by combining landscape spatial pattern and network analyses[J]. Forest Ecology and Management, 2011, 262(2): 150-160.

[34] Pascual-Hortal L, Saura S. Comparison and development of new graph-based landscape connectivity indices: towards the priorization of habitat patches and corridors for conservation[J]. Landscape Ecology, 2006, 21(7): 959-967.

[35] Knaapen J P, Scheffer M, Harms B. Estimating habitat isolation in landscape planning[J]. Landscape and Urban Planning, 1992, 23(1): 1-16.

[36] 彭建，李慧蕾，刘焱序，等. 雄安新区生态安全格局识别与优化策略[J]. 地理学报，2018，73(4)：701-710. Peng Jian, Li Huilei, Liu Yanxu, et al. Identification and optimization of ecological security pattern in Xiong'an New Area[J]. Acta Geographica Sinica, 2018, 73(4): 701-710. (in Chinese with English abstract)

[37] 徐威杰，陈晨，张哲，等. 基于重要生态节点独流减河流域生态廊道构建[J]. 环境科学研究，2018，31(5)：805-813. Xu Weijie, Chen Chen, Zhang Zhe, et al. Ecological corridor construction based on important ecological nodes in Duliujian River Basin[J]. Research of Environmental Sciences, 2018, 31(5): 805-813. (in Chinese with English abstract)

[38] 朱强，俞孔坚，李迪华. 景观规划中的生态廊道宽度[J]. 生态学报，2005，25(9)：2406-2412. Zhu Qiang, Yu Kongjian, Li Dihua. The width of ecological corridor in landscape planning[J]. Acta Ecologica Sinica, 2005, 25(9): 2406-2412. (in Chinese with English abstract)

[39] 汤峰，张蓬涛，张贵军，等. 基于生态敏感性和生态系统服务价值的昌黎县生态廊道构建[J]. 应用生态学报，2018，29(8)：2675-2684. Tang Feng, Zhang Pengtao, Zhang Guijun, et al. Construction of the ecological corridors in Changli County based on ecological sensitivity and ecosystem service values[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2018, 29(8): 2675-2684. (in Chinese with English abstract)

[40] 俞孔坚. 景观生态战略点识别方法与理论地理学的表面模型[J]. 地理学报，1998，53(s1)：11-20. Yu Kongjian. Ecological strategic points in landscape and surface model[J]. Acta Geographica Sinica, 1998, 53(s1): 11-20. (in Chinese with English abstract)

[41] Saura S, Pascual-Hortal L. Conefor Sensinode 2. 2 User' s Manual: Software for Quantifying the Importance of Habitat Patches for Maintaining Landscape Connectivity through Graphs and Habitat Availability Indices[M]. Lleida: University of Lleida, 2007.

Construction of county-level ecological security pattern based on ecological protection red line and network in China

Tang Feng1,2, Wang Li2,3, Zhang Pengtao4, Fu Meichen1※

(1,,100083,; 2.,,100101,; 3.,,100101,;4.,,071001,)

Complex ecological environment has posed increasing challenges to protect the ecosystem in recent years. In China, an environmental strategy has been initiated, called “ecological protection red lines”, to balance economic growth and environmental protection. An important part is to construct an ecological security pattern suitable for different regional conditions during territorial spatial planning and ecological civilization construction. This paper aims to promote the scientific implementation project of the ecological security pattern, and the overall improvement of the ecological environment quality. Taking Qinglong County as the study area, an ecological security pattern was established based on the survey data of land-use change in 2009 and 2016, remote sensing images and multi-year meteorological data. Three important functions were selected, including water resources conservation, soil conservation and biodiversity protection in the study area. In order to evaluate the importance of ecosystem service functions, the comprehensive index evaluation method was used to analyze the ecological sensitivity. Therefore, the ecological protection red line was delineated based on two evaluation results of ecosystem service function and ecological sensitivity. The ecological sources were identified during Morphological Spatial Pattern Analysis (MSPA) and landscape connectivity assessment, while the ecological corridors were produced based on the Minimum Cumulative Resistance (MCR) model and minimum cost path method. An image recognition method was used to identify ecological nodes and break points in landscape ecology for the conditions of the study areas. Consequently, the ecological network was established by using ecological sources, ecological corridors, ecological nodes, and ecological break points. After superimposing the ecological protection red line and network, the protection elements of ecological security were extracted to describe the target areas, and thereby to formulate protection measures. A complete ecological security pattern was finally constructed for the research area. The results showed that the total area of the ecological protection red line was 443.94 km2, accounting for 12.7% of the county area. This pattern mainly distributed in the state-owned forest farm areas in the southeast and northwest, and along the river system strip in the central area. The ecological network consisted of 11 ecological sources, 18 ecological corridors, 22 ecological nodes, and 34 ecological break points. The ecological sources were mainly distributed in the east and northwest border areas of the county, and parts of the central regions. The total length of the 18 ecological corridors was 334.22 km. The ecological security pattern of the study area included the protection elements of ecological security, target areas for security protection, and protection measures of ecological security. The protection elements of ecological security were related to the ecological protection red line, ecological sources, ecological corridors, stepping stone plaques, and ecological fracture points. The target areas of ecological security protection consisted of red line protection areas, biological migration rest areas, and biological migration channel areas. The protection measures of ecological security were specifically made for the typical target areas of ecological security protection. The research results can provide technical support and scientific basis for the formulation of territorial spatial planning and the construction, thereby to realize ecological restoration and protection at county level.

remote sensing; ecology; protection red line; ecological network; security pattern; Qinglong County

汤峰，王力，张蓬涛，等. 基于生态保护红线和生态网络的县域生态安全格局构建[J]. 农业工程学报，2020，36(9)：263-272.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.030 http://www.tcsae.org

Tang Feng, Wang Li, Zhang Pengtao, et al. Construction of county-level ecological security pattern based on ecological protection red line and network in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(9): 263-272. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.030 http://www.tcsae.org

2020-02-18

2020-04-21

国家自然科学基金项目（41871347）；国家重点研发计划（2016YFC0502501）。

汤峰，博士生，主要研究领域为土地资源管理。Email：tangfeng_cugb@163.com

付梅臣，教授，博士生导师，主要从事土地利用与复垦、区域规划等方面的教学与研究工作。Email：fumeichen@cugb.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.030

X321；F301.2

A

1002-6819(2020)-09-0263-10