基于GIS的北部灣經濟區生態安全格局構建與評價

張麗芳, 冉丹陽, 張鑫, 李偉健, 楊存建,*, 倪靜

基于GIS的北部灣經濟區生態安全格局構建與評價

張麗芳1,2, 冉丹陽1,2, 張鑫1,2, 李偉健1,2, 楊存建1,2,*, 倪靜1,2

1. 四川師范大學地理與資源科學學院, 成都 610068 2. 西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室, 成都 610068

北部灣經濟區喀斯特地貌廣布, 生態環境脆弱, 構建生態安全格局有利于保護生態環境, 促進人與自然和諧發展。基于生態安全格局理論, 借助ArcGIS 10.1、InVEST 2.2、Fragstats 4.2等軟件操作平臺創建指標識別生態源地, 通過對比自然保護區邊界數據驗證生態源地識別精度; 采用土地利用類型、植被覆蓋度、到居民點距離、到主干道距離等因子構建最小累積阻力面, 在此基礎上劃分北部灣生態用地的安全格局。結果表明: 北部灣經濟區的生態安全源地共計3415.04 km2, 自然保護區驗證源地擬合度達82.35%, 識別出生態保護核心區面34390.76 km2、緩沖區11719.13 km2、過渡區15731.95 km2、限制區9882.32 km2, 針對不同生態功能區提出相應的用地建議。研究可對北部灣經濟區不同生態安全級別區域的城鎮化建設和生態環境保護提供可靠的依據。

GIS; In VEST模型; 最小累積阻力模型; 生態安全格局; 北部灣經濟區

0 前言

隨著城市化與工業化的快速發展, 人類活動肆意的破壞與干擾自然生態系統, 導致了人地矛盾激化、生態安全問題出現, 如水土流失、土壤侵蝕、生態系統惡化、土地沙化與土壤污染等。如何解決現有的生態安全問題成為21世紀區域生態安全與可持續發展的新挑戰[1-2]。生態安全格局(Ecological Security Patterns, ESP)是支撐城市自然生命系統、維系區域生態安全、實現健康可持續發展的有效途徑[3]。

近十年來生態安全研究備受我國學者的高度關注,我國學者俞孔堅在Forman的理論基礎上提出了景觀安全格局概念, 創建識別源地、建立阻力面、構建安全格局的模式[4-5]。該模式被國內外學者廣泛應用于區域案例的生態安全評價構建, 并且取得了較好的效果, 極大的推動了此方法的科學化、成熟化、應用化[6-8]。目前, 針對生態源地識別的方法多樣, 多為根據斑塊選取某一生態服務功能較好、或者直接提取目標斑塊, 但針對識別出來的源地進行精度驗證方法較少。除實地采樣調查外, 利用已有的生態用地范圍驗證的研究較為少見。

廣西省北部灣經濟區位于中國的沿海西南端, 是我國與東盟國家交流的關鍵通道。2008年國家批準實施《廣西北部灣經濟區發展規劃》, 把北部灣經濟區建設成為重要國際區域經濟合作區, 這是全國第一個國際區域經濟合作區。北部灣經濟區擁有廣西省全部的海岸帶, 自然保護區繁多、生態系統類型多樣、動植物資源豐富但面臨著城市擴張加快、地質災害、石漠化、水土流失等一系列生態安全問題。因此, 本研究以北部灣經濟區為例, 改善源地識別方法, 圍繞生境質量、生態系統服務價值、生態脆弱度、斑塊面積綜合評價生態重要性來優化識別生態源地; 基于土地利用類型、植被覆蓋度、居民點與主干道的距離阻力來構建生態阻力面; 運用自然保護區范圍對識別的生態源地進行驗證, 并利用最小累積阻力模型來識別生態廊道, 從而構建精確、科學的生態安全格局, 利用構建的生態安全格局提出相應的用地策略與方法, 以期為北部灣經濟區合理保護生態用地、維護自然保護區安全、維系生物多樣性、優化建設用地、建設新型城鎮化提供決策建議。

1 研究區概況

廣西壯族自治區北部灣經濟區位于北緯 20° 26′—24°02′, 東經 106°33′—110°53′, 地處我國沿海西南端, 南部瀕臨北部灣, 擁有廣西全部的海岸線, 由南寧、北海、欽州、防城港、玉林和崇左6個市所轄行政區域組成, 土地面積7.22×104km2, 占廣西總面積的31%。地形以山地丘陵為主, 海拔-47 m—1738 m。年均降水量1554 mm, 年均溫22℃, 屬典型的亞熱帶季風氣候, 溫和多雨、光照充足、生態系統多樣、生物資源豐富。區域水文資源豐富, 主要有邕江、南流江、欽江等河流。經濟區設立十年來, 實施優先發展戰略, 綜合實力顯著增強, 經濟增速領跑廣西。2016年2016年末人口數達2070.31萬人,人均GDP 42549元, 生產總值較2006年的1418.19億元翻了4倍, 生產總值年均增長約16%[9]。

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

北部灣經濟區土地利用現狀數據采用2015年的Landsat 8 OLI(空間分辨率15 m)遙感影像數據進行預處理后解譯獲得, 基礎遙感影像與全球數字高程數據(DEM)下載于地理空間數據云網站(http://www. gscloud.cn/), 數據經過拼接、裁剪得到北部灣經濟區30 m分辨率的DEM數據。運用ArcGIS軟件對DEM數據進行表面分析, 計算出坡度并進行重分類處理; 北部灣經濟區行政邊界、自然保護區邊界等數據來源于廣西省自然保護區遙感監測項目; 氣象數據、土壤類型數據、土壤侵蝕數據、地貌類型數據均來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www. resdc.cn)。

2.2 研究方法

根據最小阻力模型使用Arc GIS 10.1、Fragstats 4.2、InVEST 2.2軟件首先對北部灣經濟區進行優質生態源地的識別, 利用自然保護區邊界對識別后的源地進行驗證, 并在基于生態源地的基礎上建立生態源地的綜合阻力面, 確定最小累積阻力面、識別生態廊道與構建生態安全格局, 最終確立北部灣經濟區安全格局。研究方法的優化在于源地識別不僅利用了斑塊面積、生態系統服務價值、生態脆弱性指標, 還借助了InVEST模型得出的生境質量作為識別源地的一項關鍵性指標。

2.2.1 生態源地識別

源地作為區域生態功能最佳、能量與物質流通性好、水源涵養功能強的地帶, 通常包括、林地、草地以及水源和自然保護區等。因此, 本文選取耕地、林地、草地、水域四大類作為源地。為在前人識別源地的基礎上獲得質量更佳的源地, 綜合考慮了斑塊屬性與外界環境的影響對源地進行識別。

斑塊面積的大小直接影響其斑塊的生態價值, 大斑塊是物種與能量散布的種源與核心, 對維持斑塊內部的種群生境有著重要的作用; 生態系統服務價值與人類發展息息相關, 指的是人類能夠從生態系統中獲取的價值與利益, 為人類提供服務; 生境是指存在于一個區域的資源與條件, 為有機體提供棲息、繁殖、生存條件, 生境質量的好壞取決于人類土地利用強度; 生態脆弱性是生態系統在一定區域、時間內相對于外界環境刺激做出的敏感反應和自我恢復能力。因此, 采用斑塊面積、生態系統服務價值2項指標反映斑塊自身屬性的指標, 選取生境質量、生態脆弱性作為外界環境影響的指標, 采用AHP專家打分法確定權重, 利用加權模型, 參考相關科研成果[27-28], 進行構建源地質量評價指標體系(表1)。

(1)斑塊面積。斑塊面積借助Fragstats 4.2軟件進行, 并運用GIS軟件將計算結果轉換為柵格格式。

(2)生態系統服務價值。生態服務價值的取值借鑒謝高地等人測算的生態服務價值當量表來實現[10]。最終得到各生態用地類型生態服務價值, 其中耕地為1.05, 林地4.51, 草地1.87和水體3.43。

(3)生境質量。生境指環境可以維持生物多樣性、提供動植物適宜性棲息地的空間, 一般指生態服務價值高的生態用地[11-12]。生境質量利用InVEST 2.2軟件下的Biodiversity 模型, 基于土地利用與威脅因子的柵格數據計算對各生境的影響程度, 得到生境質量指數。InVEST(Integrated Valuation of Ecosy-stem Services and Trade-offs)模型自美國斯坦福大學、大自然保護協會(TNC)與世界自然基金會(WWF)聯合開發以來, 被廣泛應用于生態系統服務功能的評價中[13-15], 王雅、蒙吉軍[15]等人對InVEST模型的評估、權衡、決策等方面進行了評述, 研究認為InVEST模型具有科學性、直觀性等特點。研究根據前人研究經驗與研究區的地理特征對威脅因子和威脅因子敏感度進行賦值[16-17,12](表2、表3、表4)。

表1 北部灣經濟區源地質量識別評價指標與權重

(4)生態脆弱性測算。生態脆弱度的測算參考《全國生態功能區劃(修編版)》與相關文獻獲取[18-21]。利用地形、年降水量、土壤類型、植被覆蓋度進行加權賦值得出(見表5)。

表2 北部灣經濟區生境威脅因子影響程度與最大影響距離

表3 北部灣經濟區生境質量對各威脅因子的敏感度

表4 北部灣經濟區各保護區威脅可達度

(5)綜合評價與源地識別。在權重確定和指標無量綱化的基礎上, 按加權模型來運算, 結果為五個級別, 級別數值越小, 斑塊質量越好。疊加斑塊質量綜合評價結果, 選取綜合斑塊質量最優的1級斑塊作為源地。

2.2.2 阻力面建立

(1)綜合阻力面建立

研究選取土地利用類型、植被覆蓋度、到居民點的距離、到主干道的距離4項阻力因子構建綜合阻力面。在參照前人相關研究的基礎上, 結合專家經驗將各阻力因子的相對阻力值劃分為6個等級,并賦予阻力系數。其中, 坡度越大、植被覆蓋度越密、距離人類活動擾動區越遠、阻力值越小, 生態安全級別越高, 反之, 生態安全級別越低, 阻力值越大。各個因子的相對阻力值系數與權重通過專家打分并結合實際情況獲得(見表6)。最后, 對各阻力因子進行加權疊加得到綜合阻力面。

(2)最小累積阻力面建立

生態源地間生物水平方向的空間運動與生態競爭演變過程, 主要是克服人類活動與自然環境的各個阻力實現的, 阻力面反映了生態用地克服阻力的空間連通性[22]。研究利用地理學中的表面模型——最小累積阻力(MCR)模型建立最小累積阻力面, 它反映了從源地出發到達空間的某一個點所克服的最小阻力、成本耗費最小的距離[23]。其公式如下:

表5 北部灣經濟區生態脆弱性指標體系

式中,反映空間中任意一點的最小阻力到左右源的距離和景觀特征的正相關關系[23]。D表示從空間中的某一景觀到源地的實地距離,R表示景觀的阻力值。最小累積阻力模型是根據Knaapen等人提出的模型和GIS中的成本距離發展得來的[24-26]。得到的阻力值越小, 意味著生態價值與生態位越高, 生物多樣性越豐富, 需要加強保護, 減少人類干擾活動。最后將得到的生態安全評價結果與保護區邊界進行疊加驗證精度, 并分析各個生態安全級別中的土地利用類型的比例, 從而針對研究結果, 得到生態安全用地的情況。

2.2.3 生態廊道構建

在生態景觀格局中, 生態廊道為各個生態源地之間聯系所耗費成本最低的路徑, 是物種與能量流通的一個載體, 能夠為生態空間流通提供更佳的線性路徑, 借助ArcGIS中的距離分析工具, 基于生態源地、綜合阻力面與最小累積阻力面, 構建成本耗費最低、生態功能最佳的生態廊道。

3 結果與分析

3.1 源地識別結果與驗證

根據2.2.1創建的識別源地各個指標體系, 得到斑塊綜合評價結果、源地識別結果(圖1)。統計得出, 北部灣經濟區的源地面積為3415.04 km2, 占研究區總面積的4.73 %。

將提取的北部灣經濟區自然保護區邊界與生態源地結果進行相交分析, 根據圖1可以看出, 區域內的自然保護區基本在生態源地范圍內。主要包括弄崗自然保護區、十萬大山保護區、王崗山自然保護區、青龍山自然保護區等; 根據統計分析, 27個保護區與源地的生態面積擬合度達82.35%, 其中國家級保護區與源地面積擬合度為77.50%,省保護區與生態源地面積擬合度72.29%; 在保護區擬合類型方面, 主要有紅樹林生態系統保護區、北熱帶石灰巖山地季雨林及叉葉蘇鐵、黑葉猴等珍稀動植物保護區、儒艮及海洋生態系統保護區等。自然保護區與生態源地擬合度較高，說明生態源地識別結果較精準、可靠。

表6 北部灣經濟區各阻力面體系、權重及阻力系數

圖1 北部灣經濟區自然保護區與源地識別情況

Figure 1 Distribution and source identification of nature reserves in Beibu Gulf Economic Zone

3.2 阻力面建立結果

依據2.2.2所建立的各阻力因子權重與指標體系, 運用空間分析工具對不同要素的阻力值進行加權疊加分析, 最終得到北部灣經濟區最小累積阻力分布圖(圖2)。從圖中可以看出, 距離源地越遠, 阻力值越大, 反之越小。

圖2 a土地利用類型阻力面、b植被覆蓋度阻力面、c到居民點距離阻力面、d到主干道距離阻力面、e綜合阻力面和f最小累積阻力面

Figure 2 a.resistance surfaces of land use types , b.vegetation coverage resistance surface , c.residential distance resistance surface , d.main road distance resistance surface , e.synthesis resistance surface and f. MCR surface

3.3 生態廊道識別與生態安全格局構建

生態廊道能夠提供源地之間的損失最小的生態通道, 由圖3可見, 從一個源地到另一個相鄰源地之間。至少有一條生態廊道與之相聯系, 為能量與物質的流通提供關鍵通道。生態廊道雖然通常來講是對生態源地的一個保護通道, 但是實際操作中, 應該是達到一定的寬度, 才能發揮其生態效應, 否則, 會帶來外界物種入侵、影響生態源地的負面影響。利用ArcGIS 10.1距離分析工具, 得出源地間的生態廊道, 并根據不同阻力等級的發展閾值, 分析將研究區的景觀生態阻力面分析圖進行重分類, 劃分出四個不同安全水平的景觀生態區生態保護核心區、緩沖區、過渡區、限制區(如圖3), 并統計出不同功能區域土地利用類型的面積。

(1)生態保護核心區。面積為34390.76 km2, 占研究區總面積的47.68%。該區主要是林地和耕地, 其中林地占70.73%, 耕地占19.76% , 未利用地林地和耕地的比例較緩沖區林地和耕地比例都有所增大。該區域生態系統的核心地帶, 對北部灣的水土調節、生物多樣性保護、涵養氣候等起重要作用。同時, 經源地擬合度驗證, 該區域自然保護區較多、應該首先列為重點保護區域, 應當禁止開發。

(2)生態保護緩沖區。面積為11719.13 km2, 占研究區總面積的16.25%。其中林地占49.35%, 耕地占比有所下降, 占生態保護緩沖區的36.75%。該區域是生態源地恢復、擴展的緩沖地帶, 又是核心區域天然生態屏障區域, 對維護源地的生態穩定性、保證物種質量具有重要作用。該區應適當合理開發、構建生態屏障、保障物種與能量流通的安全性。

圖3 北部灣經濟區生態安全保護格局

Figure 3 Ecological security protection pattern of Beibu Gulf Economic Zone

(3)生態保護過渡區。面積為15731.95 km2, 占研究區總面積的21.81%。該區域為生態緩沖區和高強度人類活動限制區的過渡地帶, 對人類的開發和干擾敏感度相對較低, 具有一定的抗干擾能力。該區域劃分為適度開發區域, 在不影響源地景觀穩定性的情況下, 適度開發土地資源, 優化土地資源配置。

(4)生態保護限制區。面積為9882.32 km2, 占研究區總面積的13.70%。其中建設用地占比較大, 占8.37%, 該區是人類活動較強的的地區, 對于生態源地的阻力較大, 對于人類干擾度和城市化建設的敏感性低, 不適合作為物種的棲息地, 適合優先開發區域。但在土地利用與城鎮建設時, 應該合理布局, 營造人類宜居環境。

(5)根據圖3可知, 生態廊道為溝通了生態保護核心區之間的重要通道, 促進了生物多樣性和物種遷移。生態廊道也是保護生態源地功能的天然屏障, 應重視生態廊道的功能建設。同時, 天然的河流也是生態源地的廊道, 但是要注意河流的安全性與周邊景觀的保護, 為物種提供更多的生態廊道, 維持生物多樣性的安全。

4 結論與討論

北部灣經濟區作為我國重要的一個對外開放的瀕海區域, 地理位置十分重要。城市擴張的加快導致了人地矛盾問題的日益突出, 水體流失、土壤侵蝕、動植物瀕臨滅絕等一系列的生態問題也隨之出現。因此，解決北部灣經濟區日趨緊張的人地矛盾、創建新型城鎮化、綠色可持續發展問題至關重要。研究利用最小累積阻力面模型, 基于景觀安全格局理論與InVEST模型構建評價體系, 對北部灣經濟區的生態用地安全進行科學的分析與評價。主要結論: 1)識別源地總面積為3415.05 km2, 占研究區總面積的4.73%, 識別源地精度較高, 利用保護區生態用地驗證源地擬合度達82.35%。2)研究得出北部灣經濟區生態安全核心區占研究區的47.68%, 緩沖區占16.25%, 過渡區占21.81%, 限制區占13.70%。3)生態源地的新識別與自然保護區驗證方法可為后續深入研究生態安全格局構建與識別上提供參考方法, 對北部灣經濟區不同生態安全級別的區域的城鎮化建設、生態環境保護提供切實可行的定量化的指導。

本研究在生態源地識別上主要利用了斑塊質量、生態系統服務價值、生境質量、生態脆弱性等指標,沒有考慮氣象、地質與經濟情況, 需要進一步考慮生態承載力、地質氣象災害等指標。同時，在指標創建的過程中, 阻力系數與生態系統服務價值指標的確定主要是利用專家打分法、參考前人的研究經驗[27-29]。這種方法雖然在某種程度上可以得到較為科學、準確的結果, 但主觀性較強。因此, 后面的研究中還學要綜合考慮更加科學的賦值模型與數學方法來完善指標的創建。

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Construction and evaluation of ecological security pattern in Beibu Gulf Economic Zone based on GIS

ZHANG Lifang1,2, RAN Danyang1,2, ZHANG Xin1,2, LI Weijian1,2, YANG Cunjian1,2,*, NI Jing1,2

1.The Institute of Geography and Resources Science, Sichuan Normal University, Chengdu 610068, China 2.Key Laboratory of land resources evaluation and monitoring in Southwest, Chengdu 610068, China

In Beibu Gulf Economic Area, the karst landform is extensive, the ecological environment is fragile, and the construction of the ecological security pattern is favorable for protecting the ecological environment and promoting the harmonious development of human and nature. Based on the theory of ecological security pattern, by means of the software operating platform such as ArcGIS 10.1, Investment 2.2, and Fragstats 4.2, the ecological origin of the ecological source is identified, and the identification accuracy of the ecological source is verified by comparing the boundary data of the natural reserve. The land use type, the vegetation coverage and the distance to the residential area are adopted. The minimum cumulative resistance surface is constructed by the factors such as the distance between the main road and the main road, and the safety pattern of the ecological land in the Beibu Gulf is divided. The results show that the ecological safety area of the Beibu Gulf Economic Area is 3415.04 km2, the fitting degree of the natural reserve is 82.35%, the ecological protection core area is 34390.76 km2, the buffer area is 11719.13 km2, the transition area is 15731.95 km2, and the limit area is 9882.32 km2. The corresponding land use suggestions are proposed for different ecological functional areas. The study can provide a reliable basis for urbanization construction and ecological environment protection in different ecological security level regions of Beibu Gulf Economic Area.

GIS; InVEST model; MCR model; ecological security patterns; Beibu Gulf Economic Zone

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.04.027

X826; P901

A

1008-8873(2019)04-202-07

2018-07-19;

2018-08-08

國家973項目(2015CB452706); 國家自然科學基金項目(40771144)

張麗芳(1993—), 女, 山東菏澤人.碩士研究生, 主要從事土地資源評價、景觀生態方面的研究, E-mail:zhanglf_edu@163.com

楊存建, 男, 博士, 教授, 主要從事遙感和地理信息系統應用研究, E-mail:yangcj2008@126.com

張麗芳, 冉丹陽, 張鑫, 等. 基于GIS的北部灣經濟區生態安全格局構建與評價[J]. 生態科學, 2019, 38(4): 202-208.

ZHANG Lifang, RAN Danyang, ZHANG Xin, et al. Construction and evaluation of ecological security pattern in Beibu Gulf Economic Zone based on GIS[J]. Ecological Science, 2019, 38(4): 202-208.