基于“源-匯”理論的生態型市域景觀生態安全格局構建

田雅楠,張夢晗,許蕩飛,張圣微,*

1 內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院,呼和浩特 010018 2 內蒙古自治區水資源保護與利用重點實驗室,呼和浩特 010018 3 張家口市林業工作總站,張家口 075000

隨著生態文明建設不斷推進,我國生態環境保護越來越重視整體生態安全格局的建立與維護,區域發展不僅要根據自身的需求,同時要滿足更高尺度乃至全國生態安全保障體系的要求,由此形成了一批能夠對區域生態環境起到重要生態支撐作用的區域,該類區域以提供生態輸出、維持更大尺度區域乃至全國的生態安全為區域自身發展的前提和目標,注重人與自然間的自然性和諧[1],將這類區域稱為“生態型區域”。黨的十九大進一步強調“必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念”,可見國家在生態文明建設上的決心,在這一理念的指導下,生態型區域如何轉變發展模式,探索一條綠色發展道路,實現自身生態系統的完善與維護,從而在區域上起到真正的生態支撐作用,成為該類型區域亟待解決的問題。景觀格局與過程是景觀生態學研究中的核心內容[2],資源短缺、環境污染、生態惡化等諸多問題的出現均與景觀格局演變密切相關[3]。區域景觀生態安全格局的構建不僅能夠保障區域生態安全,對于指導社會經濟發展和生態環境保護均具有重要意義[4- 5],是實現區域社會經濟發展轉型和生態環境建設的基礎。然而,目前通過合理設置生態用地,有效提高城市生態服務功能和保障城市生態安全,仍缺乏深入而又系統的研究[3]。“源-匯”景觀理論是探究不同景觀類型在空間上的動態平衡對生態過程影響,從而找到適合一個地區的景觀空間格局[2]。該理論自提出以來在非點源污染控制[6- 8]、區域空間規劃[9- 12]、適宜性評價[13- 15]、城市生態安全格局構建[16- 20]等許多領域得以應用,為建立能夠保障生態服務功能得以有效實現的景觀生態安全格局提供了理論支撐。

在京津冀協同發展的大背景下,張家口市無論是在《國家主體功能區劃》中,還是在“河北省新兩翼建設”以及《北京城市總體規劃》中均作為生態保護的重點區域,同時還是“國家山水林田湖生態保護修復”的試點區域,冬奧會的申辦更加劇了張家口生態環境建設的緊迫性,如何建立合理的生態安全格局、保障其生態環境支撐和水源涵養的功能得以實現,如何找準“綠色辦奧”與本地發展的結合點,使張家口市成為向世界展示山清水秀、蓬勃發展新中國的窗口,這些促使張家口市成為我國生態型市域的典型區域。張家口市要實現對于區域生態環境的支撐,走綠色發展之路,首先必須要從總體上完成景觀生態格局的合理布設,構建區域景觀生態安全格局,并以此為基礎確定社會經濟發展和生態環境保護的目標和方向。其次,張家口市目前整體社會經濟發展相對滯后,生態環境相對脆弱,景觀生態安全格局需要分批分步驟實施。本研究試圖在“源-匯”理論的指導下,構建以生態保護為主要任務的生態型市域景觀生態安全格局,識別不同等級的生態保護與生態修復區域及廊道等保護目標,確定保障城市生態安全的重點生態區域,并通過保護目標等級的劃分,確定區域生態保護建設的優先次序,為實現欠發達地區分步驟建立和完善景觀生態安全格局,探索一條欠發達地區生態興市、生態強市的路子提供范例。

1 材料與方法

1.1 區域概況

張家口市地處內蒙古高原與華北平原的過渡帶,以大馬群山為界,地貌類型分壩上、壩下兩大地貌單元。截至2016年,張家口市轄6區10縣,總面積35904.08 km2,全市總人口441.1萬人。張家口不僅是承東啟西、溝通南北的咽喉要地,更是京津冀重要的水源涵養區和生態環境支撐區,在地域文化上是晉文化、京畿文化、草原文化的連接帶,在生態系統上是內蒙古高原生態系統向華北平原生態系統的重要過渡帶,因此在區域生態安全框架中起到重要的生態屏障作用,無論是首都經濟圈還是河北新兩翼建設,都將張家口市作為重要的生態支撐區,其生態安全格局不僅關系到區域的發展與定位,同時對于整個國家的生態安全格局也起著至關重要的作用。張家口地區歷史上曾是“風吹草低見牛羊”的生態圣地,后因清朝末年開圍放墾和建國初到20世紀80年來30多年伴隨人口快速增長帶來的有組織大規模開墾,農業用地面積高達61%以上,原本良好的生態環境遭到嚴重破壞,近年來高耗水產業的興起使原本脆弱的生態環境雪上加霜,現狀生態環境質量與支撐區域生態環境的要求有較大差距。加之該區域社會經濟發展落后,貧困人口眾多,改變現有發展模式,分步驟建立區域景觀生態安全格局顯得尤為緊迫。

1.2 “源-匯”理論

“源-匯”理論最初源于大氣科學,后被引入到景觀生態學領域,該理論將空間格局和生態過程有機結合在一起,為探索格局與過程的關系提供較好的理論基礎[21]。“源”景觀是指在格局與過程研究中,那些能促進生態過程發展的景觀類型；“匯”景觀是那些能阻止延緩生態過程發展的景觀類型[2]。不同的景觀類型對整個區域所起到的作用不同,景觀類型按照對整個區域的物種流、物質流和能量流起到的作用分為“源”和“匯”,同時一些景觀類型起到傳輸的作用,如林地、草地、濕地、水域等起到“源”的作用；另外一些景觀類型如生物生產用地、建設用地等起到“匯”的作用；各種河流、綠色廊道等起到傳輸的作用。本研究中采用面積較大的景觀組分和良好格局信息的林地核心斑塊作為景觀“源景觀”[22],其余作為“匯”。

1.3 最小累計阻力模型

最小累計阻力模型是以“源-匯”理論為基礎的模型,最小累積阻力指擴展主體從源經過不同阻力的景觀阻抗到達目的地(匯)所消耗的費用或克服阻力所作的功,反映了一種潛在可達性[9]。最小累計阻力模型是把不同景觀類型相互轉化和景觀格局的改變看作景觀要素通過克服阻力來實現,它反映了景觀要素空間運動的趨勢[23]。最小累積阻力模型(minimum cumulative resistance,簡稱MCR)可以用來建立阻力面,該模型考慮三個方面的因素,源、距離和景觀介質特征[24],基本公式如下[5,25]:

(1)

式中,D為距離,R為阻力系數,最關鍵的過程在于如何確定擴展源和阻力系數[9]。

擴展源：在景觀中有一些能夠促進生態過程發展的景觀類型稱之為“源景觀”[26],生態源景觀是由具有高生態服務功能的景觀類型組成的景觀組分,常由林地、水域和草地構成[27],可將土地利用方式典型且相對穩定的景觀單元作為“源”[17]。張家口市為典型的生態型區域,選取作為生態系統重要支撐的具有一定規模的草地、林地和水域作為擴展源,借鑒以往研究成果[26,28],選取面積>20 hm2的空間上具有連續性的核心林地和草地以及面積大于5 hm2的水域作為源景觀。

阻力面：根據以往研究以及張家口市自然地理特征,本研究分別選取草地、林地和水域作為“源”,耕地、園地、建筑用地、交通用地和未利用地作為“匯”,根據土地利用的特征設定阻力值。本文設定1為最小阻力系數,表示某一景觀單位可以自由移動,在區域為最適宜空間,100為最大阻力系數,景觀單元無法移動,為最不適宜空間[21]。根據張家口市生態功能支撐區的定位,將促進生態系統支撐的景觀類型設定為低阻力值,對于生態系統源類型擴張起到阻礙作用的景觀類型設定為阻力高值,具體而言,對于生態系統類型的保護建筑用地和地交通用地阻力最大,取值100、未利用地次之,取值70,耕地和園地具有不同生態系統支撐功能,其阻力分別為60和50,該區域草地生態系統面臨較為嚴重的退化風險,因此對于生態系統的支撐具有一定的阻力,取值10,林地和水域阻力最小,取值1[21]。根據公式(1)可以通過ArcGIS的cost-distance功能實現阻力面的構建。

1.4 數據來源

數據來源于張家口市國土部門提供的《2015年張家口市土地利用分類》柵格數據,精度為1 km×1 km,涉及土地利用類型包括耕地、園地、林地、草地、交通用地、水域、未利用地、建筑用地。生態保護地源于《河北省主體功能區規劃》中的禁止開發區,主要包括保護區、水源地、森林公園、濕地公園、重要濕地、風景名勝區等。

2 結果與分析

2.1 源景觀分布特征

根據源景觀識別方法,三類生態源景觀分布如圖1所示。草地源景觀總面積10684 km2,占全市草地面積的79.20%,其中天然牧草占比4%、人工草地占比16%、其他草地占比80%,天然牧草主要分布在壩上地區,包括行政區域主要涉及尚義、張北、康保和沽源縣,面積占比低,草原退化嚴重,破碎度較高,壩下丘陵區主要以其他草地類型為主。林地源景觀總面積7066 km2,占全市林地面積的64.07%,其中有林地面積占比32%、灌木林占比29%、其他林地占比39%,主要分布在壩下山地,行政區域涉及崇禮、赤城、懷來、逐鹿縣,近年來張家口市對林地建設較為重視,特別是申奧成功以來,提出了明確的森林覆蓋率要求,但目前對于森林質量的建設還有待增強。水域源景觀總面積657.79 km2,占全市水域面積的85.49%,主要分布在張家口的幾大流域,包括永定河流域、潮白河流域、大清河流域和內陸河流域,張家口市近些年的水資源環境狀況堪憂,水污染問題特別是面源污染問題嚴峻,許多流域出現河道斷流,流域內水土流失嚴重,區域水源涵養能力不足。

圖1 源景觀識別Fig.1 The identification of source region

2.2 阻力面分布特征

圖2 不同源景觀阻力面分布圖Fig.2 The distribution of resistance surface in different sources

通過MCR分析不同源景觀的阻力分布情況(圖2),草地阻力值分布范圍為0—42562,阻力高值區主要集中在人類活動干擾較高的市域周邊以及蔚縣,壩上草原為天然牧草的主要集中分布區,而壩上區域的草地源擴張阻力中等偏上區域分布廣泛,康保縣、張北以及尚義縣的北部阻力值較高,使草地源擴張受到嚴重阻礙,區域呈現高度破碎化。林地阻力值分布范圍為0—37992,阻力高值和低值區分布較為集中,阻力高值區主要分布在壩下丘陵地區。水域阻力值分布范圍為0—99180,阻力高值和低值區分布最為集中,呈現由向北向東南逐漸升高的趨勢。將不同源景觀阻力在ArcGIS中進行疊加,疊加后阻力值分布范圍為0—34648,綜合阻力高值區主要分布在東南區域,大清河流域、潮白河流域和潮白河與永定河分水嶺(圖2)。

2.3 區域生態功能分區

圖3 生態功能分區圖Fig.3 The ecological functional zoning map

阻力值越大表明該區域生態要素特征越不穩定,要進行生態修復,反之則為生態特征較為穩定,要保護與穩定[21],因此,根據綜合阻力值突變點將張家口市生態功能分成5個等級,每個功能區具有不同的生態功能和保護重點,從而形成張家口市生態安全的總體格局,其分級結果如圖3所示。生態阻力低值區為生態保護區域,高值區域為生態修復區域。生態保護核心區面積2057.821 km2,占區域面積的6%,生態保護核心區在全市分布較為均勻,構成了區域保護的核心框架,其生態阻力值低,具有能夠支撐保護源擴展的足夠大的“源景觀”類型,是建立保護區域的優先區域。生態保護重要區面積19661.82 km2,占區域面積的54%,形成區域生態安全保障的重要支撐區域,起到連接生態保護核心區以及作為生態保護核心區緩沖區的作用。生態保護過渡區面積8601.364 km2,占區域面積的23%,是生態保護區域向生態修復區域過渡的重要區域,對于生態型市域,在社會經濟發展允許的基礎上,應逐步建設為生態保護重要區,增大森林、草地和濕地等生態源景觀的面積,降低區域破碎度,提高生態系統的數量和品質；生態修復重要區面積5444.50 km2,占區域面積的15%,該區域受到人類干擾頻繁,區域生態支撐能力不足,甚至遭到破壞,是進行生態修復的主要區域,重點進行水土保持、水源涵養等生態修復。生態修復極重要區648.052 km2,占區域面積的2%,生態阻力最高的區域,同時也是優先進行生態修復的區域。

2.4 重點生態修復區

為了確定生態修復區的修復優先次序和修復重點,根據阻力值的分布確定突變點,將草地阻力高于8000的區域作為草地阻力生態修復的重點區域,草地阻力修復重點區域面積1538.64 km2,占全市面積的4.18%；將林地阻力高于10000的區域作為林地阻力生態修復的重點區域,林地阻力修復重點區域面積2121.17 km2,占全市面積的5.76%；將水域阻力高于20000的區域作為水域阻力生態修復的重點區域,水域阻力修復重點區域面積 4247.89 km2,占全市面積的11.54%,各區域分布見圖4。

將不同源景觀生態修復區域進行疊加分級,結果如圖4所示,修復區總面積8932.05 km2,占全區面積的24.27%。修復順序按照林草水修復區7.53 km2、林草修復區519.09 km2、林水修復區99.18 km2、水草修復區398.55 km2、林地修復區2121.17 km2、草地修復區1538.64 km2和水域修復區4247.89 km2。結合生態功能分區生態修復重點區域的分布范圍,其重點修復順序為水域修復區>林草水修復區>林草修復區>林水修復區>水草修復區>林地修復區>草地修復區。

圖4 不同類型重點生態修復區分布圖Fig.4 The distribution of key ecological restoration region in different types

重點生態修復區主要集中在永定河流域,永定河流域最終匯入官廳水庫,是北京的重要水源涵養地,特別是永定河重要分支的洋河流域,其流經張家口市城市發展的中心區域,面臨的生態修復壓力巨大,該區主要為林地、草地和林草修復區；另一個重要的生態修復片區分布在永定河的另一個支流桑干河流域,該區域同樣為林地、草地和林草修復區；第三大生態修復區位于大清河流域,其修復重點為水域、草地和草水修復區；此外還有處于永定河和潮白河分水嶺的水土保持重要修復區、位于潮白河流域的水土保持和草地重要修復區以及零散分布于內陸和流域的草地生態修復區。

2.5 重點生態保護核心區識別

為了確定區域生態保護的優先次序,根據生態保護核心區的分布范圍,分析現有生態保護地的分布范圍,如圖5所示。將張家口市現有保護地作為中心,其10 km范圍內作為生態保護輻射區域[29],與生態功能分區中的生態保護核心區進行疊加,未在生態保護輻射區域內的核心區即為重點生態保護缺失區域,如圖6所示張家口市生態保護區缺失嚴重,重點生態保護缺失區域總面積達1555.77 km2,占生態保護核心區面積的75.60%。重點生態保護缺失區域大體分為三個片區,壩上區域主要涉及到尚義縣、張北縣、康保縣和沽源,以及崇禮和赤城的壩上區域,第二片區域為市中心周邊區域,第三片區主要分布在陽原縣和蔚縣。壩上區域主要為濕地鏈保護的不完善和草原生態系統保護的嚴重缺失,市域周邊片區主要為水土保持與森林保護體系的缺失,壩下丘陵區主要為濕地保護的缺失。

圖5 保護區對比圖Fig.5 The distribution of protection area

圖6 生態保護缺失區Fig.6 The missing ecological protection zone

2.6 保護廊道構建

生態廊道是生態流在源間運行的高速通道,有利于生態系統的物質和能量交換,對于維持生態系統的穩定性、保障生態安全至關重要,與生態源景觀形成環狀的空間格局為最佳[30]。根據綜合阻力面的分布大小,識別現有保護地與生態保護核心區之間的最小加權路徑,結果如圖7所示。根據所得廊道分布特點,識別主要廊道建設缺失區域,建立完整廊道體系,與生態保護核心區共同構成“四橫兩縱”保護網絡,如圖7所示。廊道建設重點在于保護現有廊道,補充重點缺失廊道,逐漸形成復雜的廊道聯通網絡體系,根據張家口市現有廊道體系的分布特征,重點識別出如圖7所示的3個廊道缺失區域,1區分布在壩上區域,是草原生態系統保護體系的重要連接通道,結合前面分析得知該區域的草原生態系統保護面臨著破碎化的嚴峻威脅,建議在該區域建設國家草地公園,使其成為草原廊道穩定的連接點；2區位于壩下山地區域,重點以森林生態系統的聯通建設為基礎,并水土保持和水源涵養功能保護相結合,構建網絡化的廊道體系,其中2區廊道關系到冬奧會會場所在地崇禮的生態連接度,可與奧運會場生態建設與主要道路綠化相結合,進行優先建設；3區依托永定河流域水系聯通體系,建立城市通向生態保護區域的復合廊道體系。

圖7 廊道分布圖Fig.7 Corridor distribution map

圖8 景觀生態安全格局構建流程圖 Fig.8 The flow chart of landscape ecological security pattern construction in Zhangjiakou

3 討論

本研究基于“源-匯”理論,就張家口市景觀生態安全格局構建進行了探討,建立了以五級生態功能區域為基礎,生態保護核心區和重點生態修復區為重點,“四橫兩縱”生態廊道為連接的“點-線-面”三位一體的立體保護格局。五級生態功能區劃明確了全域的保護重點,其中生態保護核心和重點生態修復區分別為區域重點“源景觀”和“匯景觀”,共占整個區域面積的30%,是支撐整個張家口市生態安全格局的基本骨架,對重點“源景觀”的保護和對重點“匯景觀”的修復是構建區域生態安全格局的重中之重。

張家口市生態安全格局除占區域面積6%的生態保護核心區外,生態保護重要區占區域面積的54%,其生態系統類型主要為林地、濕地和草原,同樣需要不斷加大保護力度,防止區域破碎化程度加強,有關研究表明,區域內至少有50%以上的土地應作為保護區才有利于物種的空間運動不受景觀破碎化的影響[5,31],因此維護張家口市生態型地區的支撐地位,保護生態重要區的生態系統安全同樣是核心。應不斷加大退耕還林、還草、還濕力度,削減區內基本農田面積,為擴大森林、草原和濕地生態系統留足空間,從而起到保障水源涵養功能得以有效發揮。研究不僅考慮了區域生態系統現狀,同時考慮了現有保護體系,通過與現有保護體系進行對比,識別了現有保護區域的缺失部分,同時對于生態修復重點區域進行了等級劃分,這些有助于區域實行分類分批建立和完善區域生態保護體系。

通過本研究確定景觀生態安全格局的構建流程如圖8所示,首先要明確區域的發展定位,生態型城市要為區域乃至國家的發展提供生態支撐,因此必須優先保障其特定的生態功能得以實現,從而能夠真正起到對區域的生態支撐作用,其發展定位要優先考慮生態功能得以保障,生態支撐作用得以發揮。就張家口市而言,作為重要的首都水源涵養區和生態環境支撐區域,必須保障足夠的生態“源景觀”-即生態保護區域,同時對于受到人類干擾較高的區域,要重點考慮建立生態修復區,從而保障生態功能得以正常發揮,此外還要結合重點保護區和關鍵生態廊道建設等生態保護關鍵區,形成“點-線-面”三位一體的立體生態安全保護格局體系。

“源-匯”理論為區域景觀生態安全格局的構建提供了新的途徑,其對生態過程的關注使得區域生態安全格局的構建更能體現格局和過程的關系,本研究基于該理論提出了張家口市景觀生態安全格局的分步建設對策,對于經濟發展相對落后,生態系統功能要求較高的生態型市域而言具有較高的現實性意義。本研究選取不同的景觀類型作為源匯景觀過程中,其阻力等級的確定僅參考了現有研究,對于不同阻力值的劃定是否對生態安全格局產生影響尚有待進一步研究,對于生態安全格局的有效性可以進一步在時間和空間上進行驗證。

4 結論

張家口市是重要的生態型區域,對于保護區域和全國的生態安全具有重要意義,冬奧會的成功申辦不僅成為張家口社會經濟與生態保護的新契機,更對張家口的生態環境提出了更高的要求。本研究針對張家口生態系統特征,構建了張家口市景觀生態安全格局,形成了以五級生態功能分區為基礎,生態保護核心區和重點生態修復區為重心,“四橫兩縱”生態廊道為連接的“點-線-面”三位一體生態安全格局,通過建立完整的生態保護體系、生態修復體系和廊道體系,實現張家口市整體生態功能提升。

張家口生態保護體系建設重點以完善現有生態保護地為主,壩上地區以建立草原保護區和濕地保護鏈為主,壩下山地區域以森林保護區建設為主,壩下丘陵地區主要為永定河上游的濕地保護體系建設。生態修復體系應重點加強永定河流域綜合整治和生態修復,加強上游水源涵養林建設,注重加強幼齡林撫育管理,推進低質低效林改造,提升森林質量,加大水土保持整治力度,結合流域生態功能定位,對于承擔重要水生態服務功能的水源涵養區、河流廊道、重要濕地、河岸防護林等區域,科學劃定河湖管理保護范圍以及生態保護紅線,保障并維持其自然結構特征和生態功能。充分利用河流水系和公路沿線建立生態廊道,重點完善生態廊道缺失點的廊道體系建設,結合生態保護體系,逐步形成“四橫兩縱”的保護網絡體系。

本研究結合張家口現有的景觀格局體系與生態保護體系,指出了張家口市生態保護的重點與缺口,為城市未來發展格局調整提供了理論基礎,同時本研究提出了張家口市分步驟建設的重點,即優先建設重點生態修復區、重點生態保護區和生態廊道,逐漸擴大保護體系建設的范圍,這有助于欠發達地區逐步改善社會經濟發展體系和籌集資金。此外本研究表明,根據生態型區域的發展定位,張家口市為了完成支撐區域生態安全的重任,其生態缺口巨大,在今后的生態環境建設中應著重建立生態補償機制。