基于生態安全格局的山水林田湖草生態保護與修復

王曉玉,馮 喆,2,*,吳克寧, 2,林 倩

1 中國地質大學(北京)土地科學技術學院, 北京 100083 2 自然資源部土地整治重點實驗室, 北京 100035 3 寧波市城鄉規劃研究中心, 寧波 315042

長期以來,由于社會經濟的高速發展,中國面臨巨大的生態環境挑戰。自然資源的粗放利用和快速的城市擴張引發了植被退化、水資源污染、生態環境破碎化等一系列生態環境問題[1]。在這種情況下,統籌山水林田湖草系統治理、實施生態修復成為應對生態問題、建設美麗中國的戰略舉措[2]。

構建生態安全格局是維護生態安全的有效途徑[3]。生態安全格局理論興起于20世紀90年代,經過學者的一系列探索,逐步形成了由生態源地、廊道、節點、網絡等要素組成的生態空間優化模式[4- 7]。馬克明等提出了區域生態安全格局構建的理論基礎,強調區域生態安全格局的構建要以協調人與自然的關系為中心[4]。俞孔堅等通過對北京市的水文、地質災害、文化遺產等的系統分析,判別關鍵性景觀格局,構建了不同安全水平的綜合生態安全格局[5]。彭健等運用水源涵養、土壤保持等評價生態保護重要性,并用地質災害敏感性修正基本阻力面,構建區域生態安全格局[6]。景永才等認為城市群、城市區域內部等的生態系統服務供需的多尺度評價與城市功能分區等將是未來生態安全格局的研究重點,并通過生態系統服務供需流進行了生態安全格局的構建與優化[8]。其原理是從具有重要生態功能的生境斑塊出發[9],通過模擬生態過程的空間運動,識別對區域生態安全有關鍵作用的生態廊道及其空間位置和相互關系[10- 12],進而組成生態安全網絡[13- 15]。在生態安全格局構建的過程中,需要綜合考慮區域各類生態要素的整體性與協調性[16- 17],符合生命共同體的基本理念。構建結果可為實施區域生態修復提供空間依據[18- 20]。因此,將山水林田湖草生命共同體理念融入生態安全格局構建,能夠有效緩解區域生態安全與經濟發展的矛盾[20- 22],形成區域綠色、和諧發展模式。

在現有的生態安全格局構建方法中,對不同景觀類型之間的相互作用體現不夠充分,不利于各要素之間的統籌考慮。為此,本文以寧波市城六區為研究區,針對當地生物多樣性損失、生境破碎化等問題,結合生境質量與景觀連通性評價結果識別生態源地；以土地利用類型為基礎設定基礎阻力值,并通過水體、林地鄰域分析與地形因素進行修正,以體現不同生態要素間的整體性；采用最小累積阻力模型識別生態廊道,構建區域生態安全格局。希望通過本研究,為山水林田湖草生態修復提供空間優化工具。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

寧波地處我國海岸線中段,長江三角洲南部(28°51′—30°33′N,120°55′—122°16′E),屬亞熱帶季風氣候,溫和濕潤,四季分明。降水量充沛,河流水系發育,有豐富的水熱資源。本文選擇寧波市六個城區作為研究區(圖1),城六區面積3630 km2,總體呈現西高東低的特征。區域內生態要素豐富,林地、耕地、城市呈環帶狀分布,適宜開展生態安全格局研究。

圖1 研究區Fig.1 Research area

1.2 數據來源與預處理

土地利用數據為寧波市2015年土地利用遙感監測數據,來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/),土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6個一級類型以及25個二級類型。空間分辨率為30 m。DEM來自于美國地質勘查局的提供的GTOPO30DEM。在ArcGIS軟件的支持下,將所有數據的空間坐標統一為Albers等積圓錐投影(Albers Conic Equal Area),采用最鄰近分配重采樣方法將柵格單元大小統一為30 m×30 m。

1.3 研究方法

1.3.1生態源地的識別

生態源地是指維護區域生態安全和可持續發展必須加以保護的區域[23],是物種擴散、生態功能流動與傳遞的源點。本研究結合生境質量和景觀連通性評價識別生態源地。

其中,生境質量評價采用InVEST模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)的生境質量模塊。在這一模塊中,建設用地、未利用地和耕地被視為威脅源。通過設置每種威脅源的相對影響力、生境柵格與威脅源之間的距離、生境地類對于威脅源的敏感性等級等參數,采用距離衰減法生成生境質量地圖。其參數設置如表1。

表1 威脅數據

景觀連通性是對景觀空間結構單元之間連續性的度量。較高的景觀連通性有利于維護生態過程以及生物多樣性。本研究通過Conefor 2.8計算景觀連通性,運用整體連通性指數(Integral Index of Connectivity,IIC) 和可能連通性指數(Probability of Connectivity,PC) 對研究區景觀的連通性進行評價。在連通性指數計算的基礎上,計算每個斑塊的重要性dIIC,即每個景觀斑塊對整體連通性的重要程度,用以表征斑塊連通重要性。在斑塊連通性指數計算過程中,斑塊距離的閾值設為500 m,連通概率設為0.5。計算公式如下：

dIIC=(IIC-IICremove)/IIC×100%

(1)

式中,dIIC表示某斑塊被移除后PC的變化,用來衡量該斑塊對于維持景觀連通性的重要程度。IICremove為去除單個斑塊后剩余斑塊的整體指數值,IIC表示斑塊的整體連通性指數。

最后,將生境質量評價圖與景觀連通性評價圖等權疊加,按照自然斷點法對生態保護重要性分為5級。由于細碎斑塊輻射作用有限,選擇生態保護極重要區域面積大于2 km2的斑塊作為生態源地。

1.3.2最小累積阻力面的構建

物種在區域間進行空間運動需要克服阻力,通過設定由生態源地向其他景觀單元擴散的最小阻力值,判斷各景觀單元至生態源地的可達性與連通性,阻力面作為構建廊道的基本途徑,對生態安全格局起著重要作用。山水林田湖草為一個生命共同體,各要素之間相互影響,互相融合[22],利用這一原理構建阻力面,使生態廊道更加科學合理。符合研究區實際情況。

選擇土地利用類型作為構建阻力面的主要因子,依據土地利用類型對研究區設置基本阻力面。考慮研究區各生態要素之間相互作用,按照生態效益的不同分別對其進行緩沖區分析,作為對基礎阻力面的修正(表2)。以林地為例,林地范圍內阻力值設為1,緩沖區500 m范圍內阻力值設為3,距林地500 m以外的區域受林地的生態輻射作用較小,與林地的關系不大,因此阻力值設為50。在地形修正方面,選擇高程、坡度兩個因子作為地形指標的表現方式,水體方面,選擇湖泊水庫、河渠、灘涂3種水資源形式對基本阻力面進行修正,分別對林地、湖泊水庫、河渠、灘涂進行有差異的緩沖區分析,其中湖泊水庫生態效益最高,河渠次之,灘涂生態效益最小,緩沖距離因生態效益的不同而各有差異,值得提出的是,在對水體及其緩沖區進行阻力賦值時,臨近水體阻力值較水體范圍內低。同樣,對林地進行緩沖區分析,與水體不同,林地范圍內阻力值設定最低,隨著距離的增加,阻力值隨之提高。

表2 阻力值設置

1.3.3生態安全格局構建

生態廊道指連接生態源地的線狀或帶狀生態景觀[15],體現了源地的連通性和可達性。在生態源地識別及擴張阻力面構建的基礎上,根據最小累積阻力模型分析其空間分布特征與數值大小,提取出生態源地之間的低阻力通道作為生態廊道。最小累積阻力模型的基本公式如下：

(2)

在生態源地與生態廊道提取的基礎上,對其進行疊置組合,形成研究區生態網絡。選擇生態源地提取中的生態重要性4級、5級區域作為生態保育區,對生態源地與生態廊道所形成的生態網絡進行補充,形成研究區點-線-面的生態安全格局。

2 結果分析

2.1 生態重要性分級

經過歸一化處理后的研究區生境質量分布如圖2所示,生境質量兩極化嚴重,生境質量為0的區域位于研究區中部及北部,面積較大,且連接成片。其余區域生境質量差異不大,生境質量高值區域位于研究區西部、南部和東部,基本呈環狀分布,主要位于鄞州區、北侖區東部,海曙區西部及奉化區大部分地區,該區域土地利用類型多為林地,植被覆蓋素較高,且地勢較高,多為山地丘陵,山脈與林地基本構成了棲息地質量高值區域。

景觀連通性分布如圖2所示,重要板塊分布主要呈中北部高,南部低的趨勢,由圖2可知,連通性高值區域分布集中于研究區中部和北部,位于海曙區東部,鄞州區、北侖區西部,江北區與鎮海區大部分地區,并廣泛分布散于研究區各個位置,土地利用類型多為耕地。連通性低值區域分布于區內山脈與丘陵等地,土地利用類型多為林地。除此之外,中部及北部沿海的建設用地連通性同樣不高。

將歸一化的景觀連通性與生境質量進行等權疊加,得到研究區生態重要性分級圖,如圖3所示,生態保護極重要區域5級面積181.57 km2,占研究區總面積的5%,各個斑塊面積較小,在研究區內呈零散分布,用地類型主要為水體。生態保護高度重要區域面積1508.1 km2,占研究區總面積的41.55%,主要分布于區內西南地區和東部地區,用地類型主要為林地。生態保護中等重要區域面積1057.34 km2,占研究區總面積的29.13%,其中中部和北部區域分布較為集中,在研究區內其他地區分布廣泛,主要用地類型為耕地。由生態保護重要性前3級區域構成初步的山水林田湖草生命共同體。選取9個面積最大的生態極重要區域作為生態源地,構建研究區生態安全格局。生態源地面積47.24 km2,占研究區總面積的1.30%。

圖2 生態重要性評價結果Fig.2 Evaluation of ecosystem′ importance

圖3 生態重要性空間格局Fig.3 Spatial patterns of ecosystem′ importance

2.2 最小累積阻力面的建立

依據土地利用類型進行基本阻力面的設置,阻力值整體由南向北呈環狀分布增加,阻力值最高的區域位于研究區中北部與北部沿海地區。如圖4所示,對林地分別作500 m、1000 m、1500 m緩沖區,研究區林地范圍較大且林地內部設置阻力值最小,對高程進行阻力值設定,由圖4可看出,研究區林地與山脈丘陵重合率較高,都位于研究區外圍,研究區中部阻力值最高。對研究區水體進行緩沖區分析,由圖4可知,研究區湖泊水庫密布,廣泛分布于各個區域；河流與灘涂面積較小,以景觀單元的阻力值對整體阻力面進行修正。

經過修正后的阻力值如圖5所示,阻力值最高為300,最低為22.25,阻力值整體分布趨勢與基礎阻力面相似,修正后的阻力值在地類內部有明顯變化,能更好的表征生態功能的流動。

2.3 關鍵生態廊道識別與生態安全格局構建

在生態源地提取的基礎上,利用最小累積阻力模型識別生態廊道。如圖6所示,研究區生態源地之間聯系密切,廊道總長度519.32 km,整體呈網狀分布,變化趨勢由西到東、由東北向西南逐漸復雜。原因是生態源地的分布在東西方向上不均衡,東部地區較多,且東部分布有低阻力值區域,生態廊道交叉重合,是生態過程運動頻繁的重要表現。

圖4 修正因子阻力值空間分異Fig.4 Spatial differentiation of Correction factor

圖5 生態阻力值空間分異Fig.5 Spatial differentiation of ecological resistance value

圖6 生態安全格局Fig.6 Ecological security patterns

以水體、濕地為主的生態源地,通過林地、耕地等生態廊道,構成了研究區點線面狀的生態安全格局。把生態重要4級區域作為生態保育區,作為對生態源地的保護與補充。生態保育區連接成片,與山地丘陵重合度較高,且植被覆蓋度高,生態資源豐富。研究區在進行生態修復及開發建設時,結合“山水林田湖草是一個生命共同體”理念,考慮生態安全格局中的各生態要素與研究區其他要素之間的物質運動和能量轉移,實現自然資源的永續利用。

3 結論與討論

本文以寧波市城六區為研究區,將歸一化的景觀連通性與生境質量進行等權疊加,得到研究區生態重要性分級圖,其中,級數越高,生態重要性越強。生態最重要區域5級面積181.57 km2,占研究區總面積的5%,各個斑塊面積較小,在研究區內呈零散分布,按照各斑塊面積大小,選取8個面積最大的生態重要性一級區域作為生態源地,構建研究區生態安全格局。以生態用地林地與水體作為修正因素,并將地形因子的生態影響納入考慮,對由土地利用類型設定的基礎阻力面進行修正,從而識別出更加符合生態能量流動的生態廊道,廊道總長度519.32 km,整體呈網狀分布。將生態重要性5級其他區域與四級區域作為生態保育區,開展山水林田湖草生態修復,將源地、廊道、生態保育區等生態要素疊置,從而構建完整的生態安全格局。

生態源地是生態安全格局構建的基礎,是維護區域生態安全和生態功能必須加以重點保護的區域。生態斑塊的面積大小影響生態斑塊的生態系統服務有效性和距離,生態源地的最小面積閾值一直是研究的難點。本研究在生態重要性分級的基礎上,首先確定了要選擇的源地數量,然后根據面積的大小,選擇生態源地。這個方法在一定程度上保證了生態重要建設區域的數量和分布,但是對尺度問題考慮不夠,生態源地數量的確定主觀性較強,以期在接下來的研究中加以深化改進。

本文基于山水林田湖草生命共同體理念構建阻力面,運用了高程及坡度數據對阻力面進行修正,事實上,地形因素對生態運動及生態過程影響較大。以地形作為指標對研究區基本阻力面進行修正,體現出“山”對于生態安全格局構建的重要性。另外,林地和水域作為重要的生態要素,對周邊的景觀單元產生減小阻力值的影響,每一種地類內部的阻力值存在差異。以生態要素與地形對基礎阻力面進行修正之后,所產生的綜合阻力面能細致的體現每一景觀單元對生態過程的影響,從而使廊道的走向與分布更具科學性。

山水林田湖草是一個生命共同體,基于本研究所構建的生態安全格局,在構建過程中體現此理念,更在格局中形成了景觀共同體。一方面,生態安全格局強調生態過程的完整性,促進生態要素功能和結構的協調,維持區域生態系統安全,這與山水林田湖草生命共同體的理念相統一。另一方面,山水林田湖草所代表的各要素相互影響與融合。而生態廊道是生態安全格局構建的重要組分,將生命共同體理念體現在阻力面上,從而使生態廊道更加科學合理,符合實際。生態源地與生態保育區的保護更要結合生命共同體理論,從整體出發,不能分割式管理。生態源地內維持內有的生態系統服務功能,保護生物多樣性,在生態廊道加強綠色基礎設施建設,維持生態源地內部及生態源地之間的物質能量流動。在生態保育區內加強山水林田湖草生態保護修復,生態保育區土地利用類型多為水體,林地,地形多為山地丘陵,植被覆蓋率高,生態資源豐富,人為開發或自然災害對生態環境造成不可恢復的破壞,需要特殊保護與生態修復。生態廊道連接區域各地,將區域貫通為一個有機的整體,在生態廊道區域加強綠色基礎設施建設,把區域內生態用地與非生態用地連接起來,提高非生態用地生態環境質量,更好的有序推進山水林田湖草生態保護修復。