寶塔區(qū)生態(tài)安全格局構(gòu)建與國土空間生態(tài)修復(fù)策略研究

石 坤

(長安大學(xué)土地工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

19世紀(jì)末，“生態(tài)學(xué)”(Ecology)一詞由德國海克爾提出，生態(tài)學(xué)研究隨之興起。然而，隨著生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，生態(tài)學(xué)早已超脫傳統(tǒng)生態(tài)學(xué)的研究領(lǐng)域，并推動了生態(tài)修復(fù)理論與實踐的發(fā)展。20世紀(jì)初，歐美國家最早進(jìn)入工業(yè)時代，煤礦的過度開采、地下水的過度開采“日益盛行”，帶來經(jīng)濟(jì)的快速增長，但同時環(huán)境惡化問題層出不窮，主要就是植被被嚴(yán)重破壞，因此，起初的生態(tài)修復(fù)工作主要集中于植被的修復(fù)上。隨著社會經(jīng)濟(jì)加速發(fā)展，生態(tài)系統(tǒng)日益退化及被破壞等生態(tài)問題比比皆是，該方面的研究受到國內(nèi)外學(xué)者的高度重視[1]。在廣義上，生態(tài)修復(fù)有著更廣泛而深刻的內(nèi)涵，包括保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)和提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力[2]。從廣義上看，生態(tài)修復(fù)分為自然修復(fù)和人工重建2種，其中自然修復(fù)是指在生態(tài)科學(xué)指引下，不依賴人為干預(yù)或?qū)⑷藶楦深A(yù)降到最小化，從而保護(hù)現(xiàn)存且完備的生態(tài)系統(tǒng)，達(dá)到生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)；人工重建是指在人為活動引導(dǎo)下，依靠人工輔助修復(fù)或人工措施重構(gòu)已經(jīng)被破壞的生態(tài)系統(tǒng)，達(dá)到生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)[3]。本文基于生態(tài)安全格局的研究方法，選取延安市寶塔區(qū)為研究區(qū)域，通過確定寶塔區(qū)生態(tài)源地、建立寶塔區(qū)生態(tài)阻力面、提取寶塔區(qū)生態(tài)廊道、識別寶塔區(qū)生態(tài)節(jié)點(diǎn)，確定寶塔區(qū)國土空間生態(tài)安全格局，明確寶塔區(qū)國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵且重點(diǎn)區(qū)域，并提出對應(yīng)的生態(tài)修復(fù)策略，為縣域國土空間生態(tài)恢復(fù)工作提供重要參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

延安市寶塔區(qū)坐落在陜西省北部，位于黃河中游、黃土高原中部丘陵溝壑區(qū)，境內(nèi)黃土梁、峁基本連續(xù)分布，是黃土高原典型區(qū)域之一。寶塔區(qū)東邊毗鄰延長縣，西面緊挨安塞縣，南部與甘泉縣、宜川縣和富縣接壤，北臨子長市和延川縣。全區(qū)下轄9鎮(zhèn)4鄉(xiāng)，5個街道辦，320個行政村和50多個城鄉(xiāng)社區(qū)，是延安市政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所采用數(shù)據(jù)包括土地利用數(shù)據(jù)(https://www.resdc.cn/)；NDVI數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)(http://www.gscloud.cn/)；第三次全國國土調(diào)查數(shù)據(jù)(延安市自然資源局)等。

2 研究方法

2.1 生態(tài)源地識別方法

生態(tài)源地是指生態(tài)功能相對穩(wěn)定的斑塊，在生態(tài)系統(tǒng)中具有重要意義[4]。本文選用形態(tài)學(xué)空間格局分析(MSPA)確定寶塔區(qū)生態(tài)源地。形態(tài)學(xué)空間格局分析(MSPA)的概念是由Vogt[5，6]等提出的，主要是基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理，進(jìn)行度量、識別和分割柵格數(shù)據(jù)的空間格局，并將景觀類型與結(jié)構(gòu)進(jìn)行分辨。MSPA分析將生態(tài)要素分割為7種要素：核心區(qū)(Corearea)、孔隙(Perforation)、環(huán)島(Loop)、橋接區(qū)(Bridge)、支線(Branch)、孤島(Islet)、邊緣區(qū)(Edge)。MSPA所用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是土地利用數(shù)據(jù)，并選取某一土地利用類型作為前景，其他土地利用類型作為背景，導(dǎo)入GuidosToolbox2.8軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，得到7類景觀類型。

2.2 生態(tài)阻力面構(gòu)建方法

生態(tài)阻力是指生態(tài)源地之間由于物種會進(jìn)行物質(zhì)及能量的交換，但是在受到自然界或人為活動的影響時，這種交換過程會受到一定影響，這些影響集聚在一起就會形成生態(tài)阻力面，能夠通過ArcGIS工具模擬得到。而生態(tài)阻力面的構(gòu)建離不開生態(tài)阻力因子的選擇，根據(jù)寶塔區(qū)自然環(huán)境本底特征、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況和以往學(xué)者相關(guān)研究，本文選取6項生態(tài)阻力因子，分別為土地利用類型、高程、坡度、植被覆蓋度、距道路距離、距農(nóng)村居民點(diǎn)距離，構(gòu)成生態(tài)阻力面，并建立綜合阻力面。在參考相關(guān)研究成果的同時結(jié)合寶塔區(qū)實際狀況，將各阻力因子分為5個級別，并賦予10、30、50、70、90 5種大小不同的阻力值。

2.2.1 土地利用類型

本文在ArcGIS軟件中，將寶塔區(qū)2020年土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地共6類，然而各土地利用類型的阻力水平的高低決定了土地利用類型的阻力值，阻力水平的高低由生態(tài)擴(kuò)張阻力來體現(xiàn)。因此，通過分析寶塔區(qū)土地利用現(xiàn)狀，將寶塔區(qū)建設(shè)用地和未利用地分別賦予阻力級別，最終得到5個級別，并賦予水域(10)、草地(30)、林地(50)、耕地(70)、建設(shè)用地和未利用地(90)5種大小不同的阻力值。

2.2.2 高程

物種遷徙過程中會受到高程的影響，顯然經(jīng)過高海拔地區(qū)時，生物移動所受到的阻力就會較大，反之，低海拔區(qū)就會受到較小的阻力。寶塔區(qū)黃土高原典型區(qū)域之一，海拔最大差值達(dá)700m，最小值達(dá)815m。因此，本文在相關(guān)研究經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合寶塔區(qū)地形特點(diǎn)，將高程分為≤900m、900～1050m、1050～1200m、1200～1350m和>1350m 5個級別，并賦予10、30、50、70、90 5種大小不同的阻力值。

2.2.3 坡度

一般來說，坡度越大，物種遷徙遇到的阻礙就越大。根據(jù)寶塔區(qū)DEM數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS軟件計算提取坡度，結(jié)果表明，寶塔區(qū)坡度區(qū)間在0°～71.0°，坡度在25°以上面積占比為11.51%；坡度在15°～25°面積占比為39.86%；坡度在8°～15°面積占比為31.30%；坡度在3°～8°面積占比為14.30%；坡度小于3°面積占比為3.03%。在參考有關(guān)研究的基礎(chǔ)上，將坡度分為≤3°、3°～8°、8°～15°、15°～25°和>25°5個區(qū)間，分別賦予10、30、50、70、90 5種阻力值。

2.2.4 植被覆蓋度

相關(guān)研究表明，植被覆蓋度越高的地方受到的人為干擾就會較少，生境質(zhì)量就會較高，物種遷徙的阻力就會越小。本文采用歸一化植被指數(shù)(NDVI)來表示區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度情況。將2020年寶塔區(qū)NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，運(yùn)用ENVI5.3對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，運(yùn)用像元二分模型計算植被覆蓋度，其區(qū)間為0～1，將植被覆蓋度分為≤0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、>0.8 5個區(qū)間，分別賦予90、70、50、30、10 5種阻力值。

2.2.5 距道路距離

道路是線性基礎(chǔ)設(shè)施，由于其連續(xù)性及不可分割性，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)被分割為多個部分。因此，物種遷徙時距離道路越近，其流動成本越高，受到干擾越大。本文基于ArcGIS工具，以200m、400m、600m、800m為閾值對道路建立多環(huán)緩沖區(qū)，對生成的緩沖區(qū)分別賦予90、70、50、30、10 5種阻力值。

2.2.6 距農(nóng)村居民點(diǎn)距離

農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)的人類活動較頻繁，會對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一定負(fù)面影響，離農(nóng)村居民點(diǎn)越近，生態(tài)阻力就越大，反之，離農(nóng)村居民點(diǎn)越遠(yuǎn)，生態(tài)阻力就越小。本文以200m、500m、1000m、1500m為閾值對農(nóng)村居民點(diǎn)建立多環(huán)緩沖區(qū)，對生成的緩沖區(qū)分別賦予90、70、50、30、10 5種阻力值。

國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)常采用層次分析法來確定生態(tài)阻力因子權(quán)重，因此，本文采用了最常用的層次分析法確定權(quán)重，各阻力因子阻力值及權(quán)重如表1所示。

表1 生態(tài)阻力因子評價體系表

2.3 生態(tài)廊道識別方法

生態(tài)廊道是指不同于周圍景觀機(jī)制的線狀或帶狀景觀元素，是生態(tài)修復(fù)中改善連通性的關(guān)鍵[7]。目前，在生態(tài)廊道識別方法中，最小累積阻力模型(MCR)可視化效果明顯且直觀、所需數(shù)據(jù)較為簡單，因此本文基于MCR識別生態(tài)廊道。物種從一個“生態(tài)源地”到達(dá)另一個“生態(tài)源地”的過程中需要克服的阻力，該阻力可以通過MCR模型進(jìn)行計算，其具體表達(dá)式：

式中，MCR是生態(tài)源地到目的地的最小累積阻力；fmin表示待定單調(diào)遞增系數(shù)；Dij為從生態(tài)源地j到某景觀單元i的空間距離；Ri為區(qū)域某景觀單元i對運(yùn)動過程的阻力系數(shù)。

2.4 生態(tài)節(jié)點(diǎn)識別方法

生態(tài)節(jié)點(diǎn)是指對生態(tài)保護(hù)具有重要作用的區(qū)域，同時承載著重要的連通性功能[8]。目前，本文選取較多學(xué)者使用的能夠明確生態(tài)節(jié)點(diǎn)規(guī)模的電路理論。在電路理論模型中，景觀被比作導(dǎo)電表面，由于景觀的不同，導(dǎo)電表面之間就會有所差異，所以物種在景觀之間流動時就會產(chǎn)生差異，把促進(jìn)流動的景觀稱為低阻力，反之，阻礙流動的景觀稱為高阻力，公式：

I=V/Reff

式中，I是通過導(dǎo)體的電流；V是跨導(dǎo)體測量的電壓；Reff是導(dǎo)體的有效電阻。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)源地識別結(jié)果與分析

基于ArcGIS平臺將2020年寶塔區(qū)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，選取寶塔區(qū)林地(有林地、灌木林、疏林地、其他林地)作為前景(foreground)，其他的用地類型是背景(back-ground)，將轉(zhuǎn)出格式為TIFF的二值柵格數(shù)據(jù)文件；基于GT2.8軟件，設(shè)置FGConn參數(shù)為8，EdgeWidth參數(shù)、Transtion參數(shù)以及Intext參數(shù)均設(shè)置為1，進(jìn)行MSPA分析，得到7類景觀類型，導(dǎo)出為TIFF格式的柵格數(shù)據(jù)。在ArcGIS平臺選取值為17或117的核心區(qū)，進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)面，并剔除面積<1000hm2的破碎圖斑，得到2020年寶塔區(qū)生態(tài)源地，如圖1所示。

圖1 寶塔區(qū)綜合生態(tài)源地、生態(tài)廊道、生態(tài)節(jié)點(diǎn)及生態(tài)安全格局構(gòu)建分布圖

寶塔區(qū)生態(tài)源地主要集中于中部及南部，北部生態(tài)源地較破碎，因為寶塔區(qū)北部交通情況較好，農(nóng)村居民點(diǎn)較密集，人為活動干擾就較大，導(dǎo)致其植被覆蓋率低，識別出來的生態(tài)源地就較零散，而寶塔區(qū)中部及南部大多處于自然保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，其生態(tài)系統(tǒng)較完備，植被覆蓋率較高，人為活動干擾較小，所以生態(tài)源地較集中。

3.2 生態(tài)阻力面構(gòu)建結(jié)果與分析

根據(jù)表1,所確定的各生態(tài)阻力因子阻力值及其權(quán)重，運(yùn)用ArcGIS 10.3軟件得到各阻力因子的生態(tài)單因子阻力面，然后使用柵格計算器將各因子阻力面依據(jù)權(quán)重進(jìn)行疊加運(yùn)算，得到最終的生態(tài)綜合生態(tài)阻力面。圖2為單因子阻力面和綜合阻力面分布圖。

根據(jù)圖2，寶塔區(qū)生態(tài)綜合阻力值介于21.75～80.06，阻力高值區(qū)分布在寶塔區(qū)北部，但聚集現(xiàn)象不明顯。該地區(qū)建設(shè)用地及未利用地居多，海拔及坡度較低，適合人類居住，因此該區(qū)域交通比較發(fā)達(dá)，人類活動居多，人為干擾也比較大，致使植被覆蓋度較低。阻力低值區(qū)主要分布在寶塔區(qū)南部，該區(qū)域分布有較大面積的自然保護(hù)地，植被覆蓋率高，人類活動少，因此對物種遷徙阻力較小。

圖2 寶塔區(qū)單因子阻力面和綜合阻力面分布圖

3.3 生態(tài)廊道識別結(jié)果與分析

利用ArcGIS 10.3成本距離及成本回溯鏈接分析工具，選取生態(tài)源地較聚集區(qū)域作為生態(tài)源地，經(jīng)分析共選取8個一級生態(tài)源點(diǎn)。以每個生態(tài)源點(diǎn)為起點(diǎn)，其余生態(tài)源點(diǎn)作為目的地，基于ArcGIS 10.3成本路徑工具生成各個生態(tài)源點(diǎn)到目的地的生態(tài)廊道，剔除重復(fù)路徑后，最終得到寶塔區(qū)潛在生態(tài)廊道14條，廊道分布情況如圖1所示。

3.4 生態(tài)節(jié)點(diǎn)識別結(jié)果與分析

本文在Pinchpoint Mapper工具的基礎(chǔ)上，采用“all to one”模式進(jìn)行生態(tài)節(jié)點(diǎn)識別，并與綜合阻力面疊加分析。經(jīng)分析可知，生態(tài)節(jié)點(diǎn)處于物種遷徙過程中不易受到阻礙的區(qū)域，是生態(tài)廊道之間連通的重要區(qū)域，因此，對生態(tài)節(jié)點(diǎn)的保護(hù)與管理至關(guān)重要，是生態(tài)系統(tǒng)完整及穩(wěn)定的因素之一。寶塔區(qū)共識別生態(tài)節(jié)點(diǎn)10處，分布情況如圖1所示。

3.5 生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建結(jié)果

寶塔區(qū)生態(tài)安全格局是由源地—廊道—節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。通過分析，本文共識別出生態(tài)源地8處，潛在生態(tài)廊道14條，生態(tài)節(jié)點(diǎn)10處。寶塔區(qū)生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)最終構(gòu)建結(jié)果如圖1所示。

4 寶塔區(qū)國土空間生態(tài)修復(fù)策略

根據(jù)寶塔區(qū)生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建結(jié)果進(jìn)行分析，目前寶塔區(qū)生態(tài)源地比較分散，破碎化程度嚴(yán)重，主要分布于寶塔區(qū)中部及南部，為了使生態(tài)源地最大程度發(fā)揮其生態(tài)輻射效益，其生態(tài)保護(hù)修復(fù)策略應(yīng)為對靠近農(nóng)村居民點(diǎn)的生態(tài)源地周圍設(shè)置生態(tài)防護(hù)林帶，減少人為活動對其的影響，其余生態(tài)源地保持生態(tài)服務(wù)功能不降低、破碎度不提高、生物多樣性不受損。寶塔區(qū)生態(tài)廊道能夠有效解決寶塔區(qū)生態(tài)源地破碎化程度加劇導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)連接度下降的問題，其生態(tài)保護(hù)修復(fù)策略應(yīng)為進(jìn)行高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，完善該區(qū)域內(nèi)溝渠、林網(wǎng)等農(nóng)田生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)農(nóng)業(yè)生態(tài)產(chǎn)業(yè)園，提高農(nóng)田的生態(tài)與經(jīng)濟(jì)價值；進(jìn)行生態(tài)造林，將破碎林地斑塊連成一個整體，同時提高林地的郁閉度，降低噪聲對生物影響。寶塔區(qū)生態(tài)節(jié)點(diǎn)可以增加區(qū)域內(nèi)生態(tài)源地之間的連通性，其生態(tài)保護(hù)修復(fù)策略應(yīng)為建設(shè)用地周邊生態(tài)節(jié)點(diǎn)應(yīng)嚴(yán)格控制其周邊建設(shè)用地擴(kuò)張速度；采礦用地周邊生態(tài)節(jié)點(diǎn)應(yīng)嚴(yán)格管控采礦范圍；道路附近生態(tài)節(jié)點(diǎn)應(yīng)加強(qiáng)道路兩側(cè)防護(hù)林建設(shè)，定期進(jìn)行維護(hù)。