中-老交通走廊核心區生態廊道構建與關鍵節點識別

張 玥,許端陽,李 霞,張曉宇,王小博,王紹強

1 中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101 2 中國科學院大學,北京 100049 3 生態環境部對外合作與交流中心,北京 100035

交通基礎設施聯通是促進中國與老撾等東盟國家協同發展的重要舉措,在兩國進行次區域經濟合作中具有關鍵地位。在“一帶一路”倡議深入推進過程中,以中-老鐵路、昆曼公路為標志的中-老交通走廊建設快速發展。中-老交通走廊在便利城市、區域以及國家間經濟文化活動互聯互通的同時,也將對區域的景觀格局、功能、服務以及生物多樣性、物種的遷徙流動等產生劇烈影響。生態廊道在景觀尺度上具有多種服務功能,如減緩水土流失、固沙防洪、維持生物多樣性等。因此,以生態廊道恢復建設為重點,科學規劃設計生態廊道走向,識別關鍵節點,提出生態環境修復與建設方案,對于修復中-老交通走廊核心區破碎景觀以及保障區域生態安全具有重要意義。

生態廊道的概念最早出現在19 世紀后期的美國；隨著生態環境保護與可持續發展理念在全球范圍的認可與實踐,生態廊道方面的研究已經從規劃綠地公園系統,進展到構建滿足區域關鍵物種需求的廊道,成為景觀生態學、保護生物學、城市規劃設計等跨學科交叉研究的前沿與熱點[1-3]。國際上已經有許多國家和地區進行大規模的生態廊道工程建設,如北美生態廊道建設、泛歐綠道工程[4-5]等。我國最早的生態廊道為上世紀“三北” 防風固沙帶工程；進入21世紀,以青藏鐵路為標志的重大工程修建過程中都科學規劃并設計生態廊道,在保障區域生態安全、維護生物多樣性等方面發揮了重要作用[6]。隨著生態廊道研究的發展,基于景觀生態學理論、以優化景觀整體的生態安全格局研究逐漸形成完善,并在景觀規劃、旅游規劃、生物多樣性保護、減災防災與土地管理規劃等領域得到廣泛應用[7- 10]。國際上在生態安全格局方面的研究較多側重社會、經濟與自然系統之間的協調耦合分析,以及生態系統服務與生物多樣性權衡等[11-12]；國內則多側重于區域生態安全等級的判定與生態安全格局的規劃識別等方面[13-14]。

近年來,國內外關于生態廊道構建及關鍵節點識別方面的研究已取得積極進展。生態廊道的構建主要以“斑塊-廊道-基質”理論為基礎,除基于生態約束診斷的單要素生態安全格局疊加方法外,應用最小累積阻力模型進行廊道走向的模擬已成為生態廊道研究的主流范式,研究尺度多以省域、城市區域為主[15-16]。識別生態源地和構建阻力面是提取生態廊道的重要前提。在生態源地的識別方法上,一般通過直接選取自然保護區、風景名勝區等區域,或從生態重要性評價、生態適宜性評價等方面展開[17-19]。構建阻力面時一般將相應阻力系數賦予不同的土地覆被類型,或者在生態足跡或生態系統服務基礎上確定[20]。關鍵生態節點的提取研究主要通過形態學空間格局模型、網絡分析、景觀阻力分析等方法,或者基于生態阻力面模型中控制生態流的最大與最小成本路徑的相交點來確定[21-22]。以往研究為生態廊道及關鍵節點識別奠定了重要方法學基礎,但也存在一些問題。在生態系統功能退化風險或重要性等層面識別生態源地的過程中忽略了外在環境對生態系統的影響,致使源地的選取依據略顯單薄；運用地類直接賦值法提取的生態廊道缺乏客觀性,雖然有學者嘗試引入不透水表面指數或地形坡度等因素改進阻力系數均質性[23],卻未將人類活動影響納入生態阻力空間格局的確定過程中。

中-老交通走廊核心區位于中國云南與老撾接壤地區,以野生動植物資源豐富為突出特點,但近年來由于人為干擾強度的增加致使區域景觀質量下降、棲息地環境區域破碎化。基于此,本文以“源地-廊道-節點”為研究框架,綜合考慮生態系統服務、景觀連通性與生態敏感性三個指標識別重要生態源地,利用DMSP/OLS夜間燈光數據改進基于地類賦值的基本生態阻力系數,運用MCR模型規劃生態廊道走向,并結合水文分析方法和Google Erath判定關鍵生態節點,為維護中-老交通走廊核心區生態安全提供科技支撐。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

圖1 研究區地理位置Fig.1 Location of study area

中-老交通走廊核心區指中-老交通走廊(主要是昆曼公路中國—老撾段和中-老鐵路)經過地區,地理坐標為17°58′—24°53′N,99°09′—103°24′E(圖1)。研究區包括中國云南省的玉溪市、普洱市、西雙版納傣族自治州三個地級行政區以及老撾的瑯南塔省、博膠省、烏多姆賽省、瑯勃拉省、萬象省和萬象市六個省級行政區,總人口872萬人,土地總面積為143099 km2,中-老邊境長約710 km。地處熱帶季風與亞熱帶季風兩個氣候區,年平均氣溫約26℃,雨量充沛但分配不均,多年平均降雨量為2000 mm,以夏秋兩季為主。地貌類型以高原和山地為主,平均海拔為1094 m。

中-老交通走廊核心區土地覆被類型中林地、灌木、草地和水體的面積占研究區總面積的81.85%,居民用地僅占0.9%(圖1)；作為生物多樣性熱點區,該區域是亞洲象、黑冠長臂猿、獼猴等珍稀物種的主要棲息地,在開發利用珍稀野生資源方面享有獨一無二的優勢和地位。近年來隨著交通基礎設施建設的不斷發展,生態壓力逐漸加重,集中表現為生境面積減少和景觀趨于破碎化。

1.2 數據來源與處理

本研究涉及的數據為DEM數據、NDVI數據、氣候數據、土壤質地數據、土地利用/覆被數據、自然保護區與夜間燈光數據。其中,中-老交通走廊核心區DEM數字高程數據,空間分辨率為90 m,來源于SRTM(http://srtm.csi.cgiar.org/),并由此生成坡度數據；NDVI數據源自美國國家航空航天局NASA提供的2017年MODIS 16 d合成數據(MOD13Q1),空間分辨率為500 m；年均降水數據來源于TerraClimate高分辨率氣候柵格數據集(https://terra.nasa.gov/data),空間分辨率為1000 m；土壤質地數據分辨率為1000 m,源自世界土壤數據庫(HWSD-v1.2)；土地利用/覆被數據為2017年30 m分辨率的LandsatOLI遙感圖像解譯結果,影像源自美國地質調查局(https://earthexplorer.usgs.gov)；自然保護區、水系及行政區邊界等數據來源于Open Street Map(https://www.openstreetmap.org/copyright)；DMSP_OLS夜間燈光數據源自DMSPF18衛星(https://www.ngdc.noaa.gov/eog/dmsp/downloadV4composites.html),空間分辨率為1000 m。為便于模型運算,同時考慮到所有數據中的最低分辨率,本研究所用數據統一重采樣為1 km×1 km的柵格數據,投影方式為WGS_1984_UTM_Zone_47N。

2 研究方法

2.1 生態源地識別

生態源地作為生物擴散和遷移的集聚點,通常具有提供重要生態系統服務、迅速響應環境變化以及維持穩定的生態系統結構等重要功能[24]。基于此,本研究選取生態系統服務、景觀連通性、生態敏感性三個指標綜合識別重要生態源地。考慮到生態廊道建設需求以及中-老交通走廊核心區野生生物資源極其豐富的實際情況,將上述3個指標以0.4、0.3、0.3的權重加和,按照自然間斷點分類法將計算結果劃分為極重要斑塊、一般重要斑塊與不重要斑塊三類。根據中-老交通走廊核心區重點保護物種如亞洲象、印度支那虎、黑冠長臂猿、獼猴等的適宜棲息地面積[25-26],選取極重要斑塊中棲息地面積大于100 km2的斑塊作為生態源地。

Pi=αEi+βPi+γSi

(1)

式中,Pi為生態源地重要性指數；Ei為生態系統服務指數；Pi為景觀連通性指數；Si為生態系統敏感性指數；α,β,γ為對應的權重。

2.1.1生態系統服務

生態系統服務是指人類社會從生態系統中以各種直接或間接途徑獲取的利益[27]。綜合考慮中-老交通走廊核心區生態環境現狀與未來發展需求,本研究選取土壤保持、水源涵養、固碳釋氧、生境質量四項功能衡量生態系統服務,四項服務功能的評價均基于InVEST模型開展[28-29]。綜合考慮中-老交通走廊核心區的植被特征及其在調節區域氣候、維持區域內獨特野生動植物資源生境方面的重要作用,分別賦予固碳釋氧、生境質量功能0.3、0.3的權重,賦予土壤保持、水源涵養功能0.2、0.2的權重,通過圖層疊加得到綜合生態系統服務質量分布。

Ei=aTi+bWi+cOi+dLi

(2)

式中,Ti為土壤保持指數；Wi為水源涵養指數；Oi為固碳釋氧指數；Li為生境質量指數；a、b、c、d為對應的權重。

2.1.2景觀連通性

景觀連通性是指生態流在景觀基質中運行的連通程度,可通過計算可能連通性指數(Probability of Connectivity,PC)衡量各棲息地斑塊在生態系統中物質移動和能量轉化的的重要程度[30]。PC指數的計算公式為：

(3)

式中,m代表棲息地的數目；Hi和Hj分別表示棲息地i和j的面積；Z是指研究區面積；Cij是棲息地i和j之間潛在路徑景觀連通性中的最大值。

本文通過ArcGIS10.5和Conefor2.6,考慮到中-老交通走廊核心區重要保護珍稀物種所需生境范圍較大,選取棲息地面積大于10 km2的145個林、灌、草棲息地斑塊計算景觀連通性指數。

2.1.3生態敏感性

生態敏感性是指生態系統在外界環境變化和人類干擾影響下失衡的可能性[31]。生態敏感性評價的關鍵步驟是構建合適的評價體系。在充分考慮中-老交通走廊核心區實際情況的基礎上,本文選取土地覆被類型、地形坡度、植被覆蓋指數、水體功能、自然保護區5 個因素作為生態敏感性的評價因子, 以此進行定量評價。生態敏感性因子及其分級如表1所示。綜合生態敏感性指數計算公式為：

(4)

式中,S指綜合生態敏感性指數；Ci為單因子生態敏感性指數；Wi是各個生態敏感性因子的權重。

表1 生態敏感性評價指標體系

1、3、5、7、9表示敏感性等級,其中1表示不敏感,3表示低度敏感、5表示中度敏感、7表示高度敏感、9表示極度敏感

2.2 生態阻力面構建

具有不同植被覆蓋程度的景觀基質會對生物遷徙造成阻礙,根據以往研究成果,本文將中-老交通走廊核心區各土地覆被類型的基本阻力系數設定在1—500之間[1-2,21- 23](表2)。

表2 基本生態阻力系數表

考慮到對相同土地覆被類型賦予唯一生態阻力系數將模糊不同強度人類活動的影響,本文選取對人為干擾程度具有較高代表性的夜間燈光數據改進初步設定的生態阻力面[32]。

(5)

式中,Yi′指通過夜間燈光數據改進的阻力值；Di代表景觀單元i的夜間燈光指數；Da是景觀單元i所在的土地覆被類型a的平均夜間燈光指數；Yi為表2所示的基本阻力系數。

2.3 生態廊道判定

在綜合分析以往學者提出的生態廊道提取方法基礎上,本文借助Knaapen創立的MCR(Minimum Cumulative Resistance)模型識別生態廊道。該模型的核心算法是在生態阻力面基礎上計算生物從“源”移動到“匯”需要花費的成本,從而模擬物種通過景觀基質的潛在路徑[33]。

(6)

式中,X表示最小累積阻力值；Aij指生態源地j與景觀單元i之間的空間距離；Yi′與公式5含義相同；y為生態過程與最小累積阻力的函數。

分別將每個源地斑塊的中心點看作“源”,將其余的中心點看作“匯”,通過ArcGIS 10.5中的成本距離模塊計算源地斑塊之間的最小成本路徑,即潛在生態廊道。根據重要生態源地分布與研究區域土地利用方式,將連接主要生態源地以及能夠構建區域生態安全網絡的廊道定義為關鍵廊道。

2.4 關鍵生態節點識別

生態節點是指景觀基質中對于生物的擴散或移動過程起到關鍵作用的位置[24]。本研究中生態節點主要包括戰略點、斷裂點和暫歇點三類。戰略點通常是指生態系統中生態流運行的最薄弱地段,即最小成本路徑與最大成本路徑的交匯點,對于物質流動與能量遷移具有控制意義,本文采用水文分析模塊中提取分水嶺的方法獲得生態流在景觀阻力面運行中需要穿越的“山脊線”,并將其與生態廊道的交匯處定義為戰略點；斷裂點是生態廊道中人類活動較頻繁、機動車流通較多的地段,本文結合研究區主要交通廊道(昆曼公路和中-老鐵路)分布圖識別生態斷裂點；暫歇點是指連接較多生態廊道、能夠為生物遷移擴散提供暫息功能的地段,在廊道網絡中起到踏腳石和增加景觀連接度的作用,本文選取各潛在生態廊道與廊道相交處作為暫歇點。將識別出的生態節點圖層與Google Earth影像相疊加,以進一步明確關鍵節點附近區域的生態環境狀況。

3 結果分析

3.1 生態源地識別

3.1.1單一生態要素空間格局

中-老交通走廊核心區生態系統服務、景觀連通性與生態敏感性分別呈現出明顯的空間異質性(圖2)。在生態系統服務方面,區內平均土壤保持量為380 t/hm2,其中普洱市、瑯勃拉邦省在430 t/hm2以上；平均水源涵養量為991 mm,其中西雙版納傣族自治州、瑯勃拉邦省、烏多姆塞省、萬象市和萬象省高于1000 mm；平均固碳釋氧量為849 t/hm2,其中西雙版納傣族自治州、普洱市、瑯南塔省和博膠省均在900 t/hm2以上；生境質量指數均在0.6以上,其中普洱市、瑯勃拉邦省、烏多姆塞省和瑯南塔省在0.8以上。研究區總體生態系統服務質量較高,平均生態系統服務指數為0.52,這與該區域水熱條件優越、植被茂密等自然情況相符。生態系統服務高值區主要分布在中-老交通走廊核心區中部地帶,經濟發展較快、人為活動干擾較大的地區生態系統服務指數較低。在景觀連通性方面,中-老交通走廊核心區平均景觀連通性指數為30.74,以中-老邊界為分界線,景觀連通性高值區主要分布在研究區南部的老撾境內,低值區位于云南省涉及地區。就各行政區統計結果而言,老撾的烏多姆塞省、瑯勃拉邦省和博膠省為景觀連通性指數較高的地區,景觀連通性指數均在60以上,這些地區植被呈集中連片分布,能夠滿足區域內大型哺乳動物的空間需求；普洱市、玉溪市、西雙版納傣族自治州以及萬象市為景觀連通性指數較低地區,不足20,受人類活動與地形條件的影響,這些地區植被面積較少且零散分布。在生態敏感性方面,除萬象市外,其他地區均有較多的林地覆蓋；地形坡度大于28°的地區主要分布在無量山、哀牢山與老撾川壙高原附近；NDVI大于0.73的地區基本位于中-老接壤地帶；水體功能極度敏感地區分布在撫仙湖、景洪水庫、糯扎渡水庫、湄公河和南俄湖周圍；自然保護區則主要位于西雙版納傣族自治州和瑯南塔省。中-老交通走廊核心區平均生態敏感性指數為3.94,生態敏感性高值區分布在中-老接壤地區中部地區,低值區主要位于人為干擾強度較大、建成區密度大的北部和南部地區。

3.1.2重要生態源地

根據不同等級斑塊面積統計結果可知極重要斑塊面積為41653.48 km2,占研究區總面積的29.08%(圖3)。從空間分布上看,極重要斑塊主要位于研究區的中-老邊界附近,這些區域人為干擾較小,自然生態環境優越。除玉溪市和萬象市外,其余行政區均有較多的極重要斑塊分布,尤其是老撾境內的瑯南塔省和烏多姆塞省。云南省普洱市由于無量山、哀牢山等地形因素作用,極重要斑塊分布較為零散；西雙版納傣族自治州植被覆蓋度較高但極重要斑塊面積不多,主要是由于該行政區是我國第二大橡膠生產基地,大量橡膠林集中連片分布。將中-老交通走廊核心區35個國家級自然保護區與斑塊等級分布疊加可發現,自然保護區基本都落入研究區極重要斑塊范圍內(圖3)。

圖2 中-老交通走廊核心區單一生態要素空間格局Fig.2 Spatial pattern of single ecological elements in study area

生態源地面積為20243.74 km2,占中-老交通走廊核心區總面積的14.13%。從行政區劃上看,生態源地主要位于云南省的普洱市以及老撾的瑯南塔省和烏多姆塞省,分別占生態源地面積的14.69%、19.09%和29.75%；玉溪市和萬象市由于作為該區域的經濟發展中心,且具有較多的耕地、經濟林、居民地分布,使得極重要斑塊面積非常少而零散分布,因此無生態源地分布(圖4)。從土地覆被類型來看,生態源地以林地、灌木為主,兩者占生態源地面積的98.37%；草地次之,但僅占1.09%；人為活動用地基本為不重要斑塊。從圖3可以看出,各行政區生態源地均以林地、灌木為主,只有烏多姆塞省有較多的草地分布。

3.2 生態廊道識別

在識別重要生態源地基礎上,通過構建生態阻力面識別出中-老交通走廊核心區生態廊道空間走向(圖4)。生態廊道大致為南北走向,貫穿整個研究區。具體可以分為兩個主要組團,以中國-老撾分界線為中點,在中國境內和老撾境內分別形成兩個環形閉合結構,其中涉及中國部分為島嶼型生態阻力面,玉溪市和西雙版納傣族自治州的南部為高阻力值地區,生態廊道主要分布在普洱市；涉及老撾部分為高原型阻力面,瑯勃拉邦省和萬象市為高阻力值地區,生態廊道主要分布在烏多姆塞省和東部邊緣地區。根據統計結果,中-老交通走廊核心區潛在生態廊道總長度為3645.81 km,其中關鍵生態廊道總長度為1397.78 km。各行政區潛在生態廊道長度分別為：普洱市940.89 km,西雙版納傣族自治州768.63 km,烏多姆塞省546.24 km,瑯勃拉邦省537.07 km,萬象省366 km,瑯南塔省187.29 km。

圖3 中-老交通走廊核心區生態源地分布Fig.3 Distribution of ecological sources sources in study

圖4 各行政區生態源地用地構成Fig.4 Composition of ecological sources in each region

本研究在考慮研究區重要保護物種活動特征的基礎上,參考前人研究成果并結合當地野生動物遷徙特征及需求[34-36],將生態廊道寬度設為1200 m。在確定的廊道最佳寬度范圍內,將生態廊道與該區域土地覆被類型進行疊加分析,得到生態廊道用地構成如表3所示。潛在廊道覆蓋地區96%以上為林地、灌木和草地,還有少部分由經濟林組成,極少部分穿過經濟林、耕地、居住地等人為活動用地；關鍵廊道的組成與潛在廊道基本一致。在各行政區潛在生態廊道土地覆被類型組成中(圖5),老撾境內的瑯南塔省、瑯勃拉邦省、萬象省以及烏多姆塞省幾乎全部由林地、灌木和草地構成；西雙版納傣族自治州和普洱市大部分由林地、灌木和草地構成,還有少部分由經濟林和耕地組成。

表3 生態廊道用地構成/%

圖5 研究區生態廊道分布Fig.5 Distribution of ecological corridors

圖6 研究區生態節點空間分布Fig.6 Spatial distribution of ecological points in study areaα、β、γ、θ、λ表示戰略點；1、2、3、4、5、6、7、8、9表示斷裂點；a、b、c、d、e、f、g、h、j、k、m、n、q、r、s、t表示暫歇點

3.3 關鍵節點識別

本文判定出的關鍵生態節點如圖6所示。其中,戰略點有5處,主要位于云南省生態廊道附近耕地較多的區域；斷裂點有9處,其中潛在生態廊道與昆曼公路相交形成的斷裂點有2處,與中-老鐵路規劃路線交叉有7處；暫歇點有16處,主要分布在關鍵生態廊道區域,行政區劃上主要位于西雙版納傣族自治州和烏多姆塞省。在戰略點方面,生態戰略點附近區域有較多的耕地分布,使之成為生態廊道中較難通過的地段；在斷裂點方面,斷裂點附近土地覆被類型大多以林地為主,但由于昆曼公路的建設造成的人為用地線性分布格局使得原本完整的生境被隔離,區域破碎化的棲息地將會對生物遷移造成障礙；在暫歇點方面,暫歇點附近的土地覆被類型與斷裂點相似,大多以林地為主,然而也有少數暫歇點分布在經濟林、耕地等人類活動干擾較大的區域,尤其是在橡膠林分布較多的西雙版納傣族自治州和普洱市。

4 討論

本文識別的生態源地面積占比與前人研究結果相比較少[37-40],主要是考慮了研究區重要保護物種的活動特征,從而依據斑塊面積對識別出的極重要斑塊進行篩選確定生態源地。中-老交通走廊核心區土地覆被類型中林、灌、草所占比例較大,野生動植物資源豐富,本文在生態源地基礎上構建的生態廊道僅僅是滿足該區域保護生物多樣性的最低要求,生態廊道建設成本較低。此外,本文考慮到研究區亞洲象、印度支那虎、黑冠長臂猿等大中型哺乳動物遷徙需求,設定的生態廊道寬度略大于其他地區。

為區域內生物的遷徙移動提供可利用的安全路徑是生態廊道最重要的功能,因此在實際建設生態廊道中應構建以林地為主的景觀類型,灌木和草地為輔,盡量采用鄉土植物,合理搭配不同樹種,形成復層結構群落,充分發揮群落生態效益并具有景觀美學價值。此外,研究區內原有的河道和植被廊道亦是物種移動的重要渠道,可與本文中提取的生態廊道交織起來,加強生態廊道緩沖區的保護與管理,形成網絡狀的生態廊道體系。生態戰略點作為生態流的重要地段,應通過現存自然景觀的維護與受破壞較大地段的修復實現景觀流通的連續性。在生態節點附近區域,應盡量減少人類干擾,戰略點附近可通過設立生態保護區、劃定生態紅線等方法保證完整性；斷裂點范圍內可借鑒相關實踐經驗,如中國青藏鐵路修建過程中為保護牦牛、藏野驢等動物修建橋梁,通過設置天橋和地下通道等設施幫助動物遷移,同時加強警示標志、限速裝置、聲屏障、地形營造、人工水體和紅外監測等野生動物通道配套設施建設；暫歇點范圍內盡量不設置人工設施,此處生態廊道寬度應大于一般廊道地區,維護其生態功能的正常發揮。

不同生物對同一阻力值具有各異的反應,對于棲息地斑塊、遷徙路徑等均有不同的需求,由于難以獲取中-老交通走廊核心區具體物種生活習性方面的資料,本文構建的生態廊道未必適合所有物種。在設定生態廊道寬度時未考慮特定物種的空間需求,可能會出現因寬度過窄或過寬影響生物遷移的問題。此外,在關鍵生態節點方面,應在考慮其空間位置的基礎上增強節點面積、形態等方面的研究,提高實用性與客觀性。未來應加強對中-老交通走廊核心區生物資料的收集和分析,進一步深入對關鍵生態節點規模和形狀等空間形態的研究。

5 結論

本文在景觀生態學中過程與格局耦合作用的原理基礎上,以中-老交通走廊核心區為研究區,綜合生態系統服務、景觀連通性和生態敏感性3個指標識別重要生態源地,基于DMSP/OLS夜間燈光數據改進基于地類賦值的基本生態阻力系數,運用MCR模型規劃生態廊道走向,并結合水文分析方法和Google Erath判定關鍵生態節點。中-老交通走廊核心區極重要斑塊面積為41653.48 km2,占研究區總面積的29.08%。生態源地面積為20243.74 km2,占研究區總面積的14.13%,主要位于云南省的普洱市以及老撾的瑯南塔省和烏多姆塞省,分別占生態源地面積的14.69%、19.09%和29.75%,以林地、灌木為主要土地覆被類型,兩者占生態源地總面積的98.37%。生態廊道總長度為3645.81 km,其中關鍵廊道長度為1397.78 km,生態廊道與生態源地大致構成了一個環形閉合區域。關鍵生態節點中戰略點有5處,斷裂點有9處,暫歇點有16處。