生態脆弱區生物多樣性保護安全格局研究
——以吉林省大安市為例

尹婧博,李 紅,王冬艷,劉蜀涵

(1.吉林大學 地球科學學院,吉林 長春130061;2.東北大學 文法學院,遼寧 沈陽110169)

1 引言

生態脆弱區一般維持系統自身的穩定和抵抗外界干擾能力較弱,在自然條件和人類活動多重因素脅迫下,資源環境矛盾突出,生態環境壓力已接近甚至超過區域生態的承載力[1,2]。生態安全格局基于過程與格局的相互作用機制,以景觀生態學為理論支持,通過模擬不同生態過程識別出對維持生態系統健康和安全具有關鍵意義的斑塊,將優化區域生態環境的對策和措施落實到空間地域,以實現對區域生態環境問題的有效控制和改善[3,4]。從生物多樣性保護角度構建區域生態安全格局,針對生態系統本底特征,優化用地結構和布局,對保護和恢復區域特別是生態脆弱區的生物多樣性具有非常重要的意義[5]。

生物多樣性是生物與環境形成的生態復合體以及與此相關的各種生態過程的總和,由遺傳多樣性、物種多樣性、生態系統多樣性和景觀多樣性4個部分組成,是生態安全和國家糧食安全的基本保障,也是人類賴以生存的物質基礎[6,7]。其中,物種多樣性是生物多樣性中最主要的結構和功能單位,也是生態系統的重要組成部分,用來表示一定區域內物種的豐富程度[8]。

近年來一些學者從生物多樣性保護角度進行了生態安全格局的相關研究。其中,俞孔堅通過模擬物種水平空間運動過程,構建了包含源、緩沖區、源間連接、輻射道和戰略點等景觀組分的典型生態安全格局[9]。在此基礎上相關學者分別嘗試在自然保護區[10]、三江平原[11]、外來物種引種區[12]、城市經濟區[13]等不同空間尺度內構建生物多樣性保護的安全格局。

吉林省西部生態脆弱區是農牧兩種生態系統的交界過渡區域,草地退化、土地沙化、土地鹽堿化、濕地退化等生態環境問題嚴重,致使區域物種棲息地遭到破壞,生物多樣性受到損失[14]。本文選擇位于吉林省西部典型生態脆弱區的大安市為研究區域,以景觀生態學為理論基礎,選取目標物種的現有棲息地為源地,在充分考慮物種空間運動影響因素的前提下,確定阻力因子和相對阻力值;運用MCR模型構建最小累積阻力面,并提取生態廊道和生態節點,綜合分析和判別研究區的生物多樣性保護安全格局,以期為大安市生物多樣性的保護和生態環境的恢復提供有價值的參考。

2 研究區概況與數據來源

2.1 研究區概況

大安市位于吉林省的西北部,地處松嫩平原腹地,位于123°08′45″—124°21′56″E、44°57′00″—45°45′51″N之間。大安市東與黑龍江省隔江相望,西與洮南市、通榆縣接壤,南與松原市相鄰,北以洮兒河為界與鎮賚縣毗鄰,總面積4879km2,地面海拔高程為120—160m(圖1)。

大安市屬半干旱溫帶季風氣候,大陸性明顯,全年四季分明,年降水量300—400mm,多集中在夏季,境內湖泊河流眾多,主要有嫩江、洮兒河和霍林河等水域。大安市位于生態環境變化的敏感區域,近年來受氣候條件和人類活動的影響,土壤沙化、鹽堿化、濕地面積萎縮等生態環境問題日益嚴重,區域生物數量和種類銳減。

受地形和氣候等因素的影響,研究區內形成了面積較廣的沼澤和濕地,包括嫩江灣國家濕地公園、大安牛心套保國家濕地公園和月亮灣蓄洪滯洪區等。大安市鳥類和魚類等生物資源豐富,其中嫩江灣國家濕地公園有野生動物56種,鳥類30種,魚類47種;牛心套保國家濕地公園有野生動物142種,其中包括丹頂鶴、東方白鸛、大鴇、大天鵝、鴛鴦、灰燕、灰鶴等鳥類。研究區是這些鳥類重要的生存繁衍地和南北遷移的中轉站,對這些鳥類進行生物保護安全格局分析是構建區域生態安全格局的重要內容,對保護區域生物多樣性、維護生態系統服務功能具有重要意義。

圖1 研究區位置

2.2 數據來源與處理

本研究中所采用數據主要包括2015年大安市土地利用現狀數據與ASTER GDEM 30m 分辨率高程數據。根據研究區土地利用現狀和研究目的,將土地利用數據重新整合分類,共分為濕地、林地、草地、耕地、鹽堿地、居民點及工礦用地和交通用地七種土地利用類型;DEM數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據的云平臺(http://www.gscloud.cn),進一步利用ENVI 5.1軟件對DEM數據進行拼接和裁剪,并運用ArcGIS 10.2軟件進行坡度等數據的提取。

3 研究方法

3.1 源地的識別

“源”是一切生態過程的起點,源地是對區域生態過程和格局發展起正向推動作用的景觀類型,是構建生態安全格局的基礎[15]。一般情況下,生物多樣性保護安全格局中的源地為目標物種的現有自然棲息地,能夠充分反映研究區物種的生境特點,具有廣泛的代表性和內部同質性[9,16]。

3.2 最小累積阻力面

物種對環境的利用表現為對空間的控制和覆蓋過程,阻力面是物種從一種景觀類型向另一種景觀類型擴散時克服阻力所形成的趨勢面,反映了物種從源地到達目的地的相對難易程度[17,18]。最小累積阻力是指物種從源地通過不同阻力的景觀類型所累積耗費的最小成本,反映了景觀格局與生態過程之間的相互關系[19-21]。本文采用最小累積阻力模型(MCR),以源地、相對阻力、空間距離三個要素為基礎建立阻力面,計算公式為[22]:

(1)

式中,MCR為最小累積阻力;f為景觀類型與生態過程之間的正相關函數;Dij為空間中任意一點i到源地j的距離;Ri為景觀i對物種運動的相對阻力。

3.3 生態廊道和生態節點

在景觀生態學中,廊道一般被定義為景觀中與相鄰兩邊環境不同的線性或帶狀結構[23]。生態廊道將區域內因破碎化而分離的小面積源地連接起來,為各個獨立的源地提供空間上接觸的可能性,使之形成更大的生態系統,減少因源地分離而引起的“孤島”效應,是目標物種生存繁衍和擴散遷徙的低阻力通道[24]。生態節點是廊道上生態功能最薄弱的點,是對目標物種的遷徙和擴散具有關鍵作用的戰略點[17,25]。

本文中生態廊道和生態節點的提取采用ArcGIS10.2空間分析模塊中的水文分析工具,通過正負地形提取、填洼、流向分析、計算流水累積量、鄰域分析等步驟提取最小累積阻力面的“谷線”和“脊線”,將生成的低阻力谷線作為生態廊道,“谷線”和“脊線”的交點作為生態節點。

3.4 生物多樣性保護安全格局

在建立研究區最小累積阻力面后,為了對區域整體生態安全水平有更清晰的認識,以最小累積阻力面中阻力值的突變點作為不同安全水平區的分界點,將研究區劃分為低安全水平區、較低安全水平區、中等安全水平區和高安全水平區四個等級。其中,低安全水平區物種水平運動克服的阻力最小,是物種在源地間擴散遷移的必經區域。高安全水平區是物種空間水平運動的阻力高值區,物種克服阻力到達該區域的難度較大,就生物多樣性保護安全格局而言,該區域安全水平較高。

4 結果與分析

4.1 源地的識別

吉林省大安市雖然屬于生態脆弱區,但是動植物資源非常豐富,由于植物受外界干擾的反映不易觀察,對其他物種的代表性不強;魚類的棲息地類型比較單一,且水平空間運動范圍受限,因此植物和魚類不適宜作為構建生物多樣性保護安全格局的目標物種[26,27]。

本文首先選取研究區內具有廣泛代表性的珍稀瀕危鳥類——東方白鸛、丹頂鶴、白鶴和大鴇作為目標物種,它們均為國家一級保護鳥類,喜生活在沼澤地、湖泊、水塘以及河岸沼澤地帶,研究區是它們重要的生存繁衍地，也是南北遷移途中的中轉站。其次以目標物種的棲息地——濕地為源地,主要包括沼澤地、河流水面、湖泊水面、坑塘水面、內陸灘涂等土地利用類型,剔除部分面積小、分布零散、對生物保護安全格局影響較小的濕地斑塊,將部分面積較小但分布集中的斑塊與鄰接的大面積斑塊進行合并處理。

本文最后識別出研究區的源地總面積為547.93km2,占研究區總面積的11.23%,北部源地相對集中連片,包括東北部的嫩江灣國家濕地公園、月亮泡水庫、洮兒河流域和五間房水庫等水域;南部源地斑塊面積普遍較小,且呈離散破碎化分布,包括南部的牛心套保國家濕地公園、霍林河流域下游以及東部查干湖的部分地區。

表1 研究區各阻力因子的相對阻力值

圖2 研究區單因子阻力面

4.2 最小累積阻力面的構建

已有研究表明,土地利用類型和人類活動干擾是影響物種生存和繁衍的主要因素,物種棲息地的質量取決于物種與人類利用土地的距離和人類活動的強度[21]。本文首先通過模擬分析了目標物種的空間擴散過程,將土地利用類型、距道路的距離、距居民點的距離和坡度作為影響物種空間運動的阻力因子。其次依據大量文獻資料設定各阻力因子的相對阻力值(表1),用層次分析法確定阻力因子權重,將相對阻力值擬定在0—100之間,景觀類型與物種棲息地越相似,物種運動過程中所克服的阻力越小,相對阻力值就越接近于0[19,20,28]。最后以源地為要素源數據,以綜合阻力因子阻力面為成本數據,采用成本—距離模型,生成研究區最小累積阻力面(圖2、圖3)。

4.3 生態廊道和生態節點的判別

生態廊道和節點是目標物種在源地間交流的關鍵通道和戰略點[18]。在最小累積阻力面中,生態廊道是相鄰兩源地間的低阻力通道,生態節點是最小累積阻力面上低阻力通道和高阻力通道的交點[19]。經篩選共提取研究區范圍內的生態廊道56條,總長度165.77km,生態節點53個(圖4)。從整體上看,大安市生態廊道和節點呈南北兩極化分布,北部地區的源地面積較大且分布集中,因此該區域生態廊道和節點數量相對較少;南部地區的單個源地面積較小且零星分布,生態廊道和節點分布集中且連通性較好,生態系統相對穩定(圖5)。

圖3 研究區最小累積阻力面

圖4 研究區生態廊道和生態節點分布

圖5 研究區生物多樣性保護安全格局

4.4 生物多樣性保護安全格局的建立

從圖5、表2可見出,大安市不同安全水平區在數量和空間分布上具有一定的差異性。大安市低安全水平區的面積共計2255.59km2,占研究區總面積的46.23%,主要分布在龍沼鎮、海坨鄉、大崗子鎮和月亮泡鎮,還包括大安市北部地區的嫩江沿岸和洮兒河沿岸的濕地保護區,涵蓋了月亮灣蓄洪滯洪區、五間房水庫和大安牛心套保自然保護區等大面積水域和濕地,土地利用類型以濕地、草地、耕地和鹽堿地為主;南部地區的龍沼鎮、大崗子鎮和海坨鄉的土地利用率較低,區域內有一定面積的鹽堿地,且交通設施不完善,經濟發展相對落后;低安全水平區是涵蓋目標物種的核心棲息場所,也是維護研究區生物多樣性的重點地區。

大安市較低安全水平區面積為1287.35km2,占研究區總面積的26.39%,主要分布在兩家子鎮的東南部、大崗子鎮的北部、新平安鎮的中部,用地類型以耕地和草地為主,是典型的農牧交錯區,因此合理適度的農業開發和草地保護是維護大安市生態安全的主要途徑。該區域主要分布在低安全水平區的外圍,是低安全水平區的重要保護屏障,對人類干擾活動有一定的緩沖作用。大安市較低安全水平區總體的生態服務功能處于較高水平,是低水平區和中水平區、高水平區之間能量流動和物質循環的“橋梁”。

表2 研究區生物多樣性保護安全格局

大安市中等安全水平區的土地面積共計為959.15km2,占研究區土地總面積的19.66%,主要位于大安市聯合鄉中部、兩家子鎮的北部,樂勝鄉的東南部、叉干鎮的東部以及舍力鎮、燒鍋鎮鄉和新平安鎮的部分地區,土地利用類型主要以草地、耕地、居民點用地和交通用地為主,是研究區內的限制性建設區。

大安市高安全水平區面積最小為376.82km2,占全區土地總面積的7.72%,集中分布在大安市樂勝鄉、燒鍋鎮鄉、舍力鎮和叉干鎮的相接處,區域的用地類型以居民點、交通用地、耕地和草地為主。大安市高安全水平區是研究區的適宜建設區,可以適度開展工農業生產經營活動。

4.5 生態安全格局優化建議

生態廊道作為物種遷徙擴散的低阻力通道,是各個安全水平區之間能量流動和物質循環的高效通道。部分生態廊道跨越不同的安全水平區而實現源地間的連通,使生態系統的信息流在不同安全水平區間進行傳遞。構建和優化區域生態廊道網絡對強化生態環境的抗干擾能力、維護區域生態系統的生態安全具有關鍵作用。

從整體上看,研究區生態廊道和節點分布不均衡,形成南北兩大組團,僅有大安市的五間房水庫和牛心套保濕地公園之間一條連接南北源地的生態廊道。因此，建議在大安市安廣鎮的他拉紅泡和同建鄉漁場之間、大賚鄉和四棵樹鄉之間以及同建鄉水庫和查干湖之間增設三條生態廊道,以增強研究區南北生態系統的連通性。此外，綜合考慮區域的自然條件、人文條件和廊道建設的難易程度,建議優先建設大安市同建鄉水庫和查干湖之間的生態廊道和節點,在不破壞物種現有棲息地自然屬性的基礎之上,修筑河道、水渠等與目標物種棲息地生境相近的廊道作為物種遠距離遷徙的低阻力通道,并在廊道兩側修建綠化帶以減弱對周圍環境的干擾。由于源地距離較遠，需跨越多個安全水平區,可以在物種空間運動阻力較大的節點處修建水庫、河泡等可供目標物種停歇的中轉站。

安廣鎮的他拉紅泡和同建鄉漁場之間、大賚鄉和四棵樹鄉之間的兩條生態廊道,由于其間有琿烏高速、G302國道和長白鐵路穿過,且大賚鄉位于大安市市區,進行生態廊道和節點建設的難度較大,建議設置供物種遷徙擴散的空中走廊,同時在道路兩側修建綠化隔離帶,增加城市綠地面積,推進城市的生態文明建設,以減小生態廊道和節點建設面臨的阻力,最大程度地降低城市經濟建設和道路交通對生態環境的影響。該區域的道路和城市的生態化管理對維護生態系統的完整性和連通性是至關重要的(圖6)。此外,生態廊道和節點的建設還需要各安全水平區之間的協同配合,任何一個安全水平區生態環境的質量下降,都可能導致生態廊道的斷裂甚至消失。因此,各安全水平區應加強生態系統的修復和治理,避免人類活動破壞生態環境,影響物種在源地間的遷移和擴散。

圖6 研究區生態廊道和生態節點優化

大安市低安全水平區是維護區域生態系統服務功能的基本保障,該區是生態廊道和節點的集中分布區。該區域僅南部龍沼鎮、大崗子鎮和海坨鄉就分布了研究區近60%的生態廊道,這些廊道距離小、分布密集,可將霍林河流域破碎化的濕地連接成一個完整的生態網絡。因此，應加強大安市低安全水平區的鹽堿地治理,合理開展以生物、壓沙和化學等多種方法為主的鹽堿地治理工程,主動防治鹽堿地的擴張和惡化;在濕地保護方面,可利用區域的水源優勢,修筑濕地引水、蓄水工程,保證大面積集中連片的濕地不萎縮,在面積小、分布零散的濕地之間建設生態廊道,使這些區域形成生態網絡,發揮整體的生態服務功能;大安市低安全水平區內的濕地公園應實施嚴格的規劃和管理,劃定旅游業等第三產業的開發范圍,在旅游高峰期限制公園內的游客數量,注意對公園內游客丟棄的垃圾及時進行清理,保持濕地的自然形態,避免人類活動的過度開發對濕地生態系統造成破壞和威脅。此外，禁止在濕地上進行油田開采,特別是查干湖濕地及其周邊區域的油田開發工程應盡早搬遷，杜絕人類活動對濕地生態系統的破壞。

低安全水平區是對人類的開發利用活動最為敏感的區域,為充分保護研究區的生態環境和生物多樣性,應將這些區域劃定為大安市的禁止開發建設區。大安市較低安全水平區內應對該區域的土地用途加以管制,發展以農牧業為主的第一產業,分別劃定耕地和草地用地紅線,避免因過度開墾而導致出現土壤沙化、鹽堿化等問題。此外，應限制耕地的農藥和化肥的使用量,減少對水體和濕地系統的污染。大安市中等安全水平區對人類活動干擾的敏感度較低,可繼續發展農業和畜牧業等第一產業,并且合理利用區位優勢發展交通運輸業、旅游業等第三產業。大安市高安全水平區也應注重對生態環境的保護,限制經濟開發的強度和規模,對區域內的企業進行實時監控,避免污染型企業和工廠破壞生態環境。

5 結論與展望

5.1 結論

本文以吉林省西部典型生態脆弱區的大安市作為研究區域，針對典型生態脆弱區面臨的生態環境問題,從生物多樣性保護角度入手,以景觀生態學為理論基礎,運用MCR模型建立最小累積阻力面,構建了以源地為核心,以生態廊道為橋梁,以最小累積阻力面為基礎的生物保護安全格局,為有效保護吉林省大安市東方白鸛、丹頂鶴、白鶴和大鴇等珍貴物種棲息地,緩解區域資源環境壓力提供現實可行的方法。

基于最小累積阻力面共識別大安市生態廊道56條,總長度165.77km,生態節點53個。從空間分布上看,大安市北部源地的面積普遍較大且分布比較集中,該區域生態廊道和節點數量相對較少;南部地區單個源地面積較小且零星分布,是生態廊道和節點的集中分布區。因此，大安市應構建基于“源地—廊道—節點”的生態網絡,修復和優化生物多樣性保護的安全格局,平衡各安全水平區間的物質循環和能量流動,對維護該區域生態安全具有十分重要的意義。

在生物多樣性保護安全格局中，不同的安全水平區具有一定的空間差異性,該區域的低安全水平區面積為2255.59km2,占研究區總面積的46.23%;較低安全水平區總面積為1287.35km2,占研究區總面積的26.39%;中等安全水平區總面積為959.15km2,占研究區土地總面積的19.66%;高安全水平區面積最小為376.82km2,占研究區總面積的7.72%。其中，低安全水平區是該區域物種擴散遷移的必經區域。該區域是生物多樣性保護的重點,也是維持區域生態系統服務功能的底線,應將其劃定為研究區的禁止建設區,加大生態修復力度,保護區域的生態環境。

5.2 展望

本文囿于行政邊界和數據獲取的影響,在源地選擇上僅選取了洮兒河流域、查干湖及嫩江水域在大安市內的部分區域,而物種的空間運動很大程度上受到自然地物整體性和分布范圍的影響,因此在生態源地的選擇、生態廊道的識別和建立等方面還有待進一步完善。在今后的研究中可以考慮基于自然地理事物的完整性及其對生物多樣性的影響,構建更大尺度的區域生態系統安全格局，并進行深入的研究。