基于InVEST模型和電路理論的昆明市國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域識別

覃彬桂,林伊琳*,趙俊三,陳國平,何萬才,呂青宙

基于InVEST模型和電路理論的昆明市國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域識別

覃彬桂1,2,3,林伊琳1,2,3*,趙俊三1,2,3,陳國平1,2,3,何萬才1,2,3,呂青宙1,2,3

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650093；2.智慧礦山地理空間信息集成創(chuàng)新重點實驗室,云南 昆明 650093；3.云南省高校自然資源空間信息集成與應(yīng)用科技創(chuàng)新團隊,云南 昆明 650211)

以昆明市為例,綜合運用InVEST模型、景觀連通性評價和電路理論構(gòu)建生態(tài)安全格局,識別國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域.研究表明,昆明市生態(tài)源地共34個,面積6421.95km2,呈西多東少、北聚南散的空間分布狀態(tài);提取生態(tài)廊道67條,全長859.72km,廊道分布空間差異性明顯,構(gòu)建了“一環(huán)、三區(qū)、三屏、六軸、多點”的生態(tài)安全格局;識別27處生態(tài)夾點和33處生態(tài)障礙點,為需進行生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵區(qū)域,面積分別為197.68,155.84km2,主要分布在南部地區(qū);綜合關(guān)鍵區(qū)域的不同地理特征和地類現(xiàn)狀,提出自然保護為主、人為修復(fù)為輔和人為修復(fù)與自然保護并重的兩類修復(fù)策略.研究可為市域國土空間生態(tài)修復(fù)提供參考.

InVEST模型；電路理論；生態(tài)安全格局；國土空間生態(tài)修復(fù)；關(guān)鍵區(qū)域識別

隨著生產(chǎn)力的發(fā)展,頻繁的人類活動迅速增大了土地開發(fā)強度,導(dǎo)致生態(tài)空間面臨景觀破碎化[1]、生物多樣性喪失[2]、生態(tài)流動受阻[3]等問題,給區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn).國土空間生態(tài)修復(fù)作為恢復(fù)和重建退化生態(tài)系統(tǒng)的重要手段[4],可為區(qū)域生態(tài)安全問題提供解決方案[5].而國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域的有效診斷成為了關(guān)鍵切入點.因此,科學(xué)準(zhǔn)確地識別國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域,因地制宜推進生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)和治理,提升景觀連通性和生態(tài)系統(tǒng)功能,對維護國家生態(tài)安全具有重要意義.

以往生態(tài)修復(fù)研究側(cè)重于礦區(qū)廢棄地[6]、水體[7]、鹽沼濕地[8]等單一要素的修復(fù)方式,缺乏空間布局的系統(tǒng)考量,導(dǎo)致局部修復(fù)成效顯著而整體生態(tài)結(jié)構(gòu)改善有限,難以銜接現(xiàn)行的國土空間規(guī)劃.國土空間生態(tài)修復(fù)直接作用于景觀結(jié)構(gòu)和空間格局,并對生態(tài)過程產(chǎn)生影響[9].目前,從生態(tài)系統(tǒng)完整性和結(jié)構(gòu)連通性角度,基于生態(tài)安全格局識別修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域的研究較多[10-12],已形成“源地識別—阻力面構(gòu)建—廊道提取”的基本范式[13-15].其中,生態(tài)源地主要利用形態(tài)學(xué)空間分析(MSPA)[16]、生境質(zhì)量[17]、遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)[12]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[18]等評估方法選取.已有研究[19-20]表明,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估與權(quán)衡(InVEST)模型能夠集成多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,用于量化和評估區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性并識別生態(tài)源地.生態(tài)廊道提取方法主要有最小累積阻力(MCR)模型[21]、重力模型[22]、蟻群模型[23]和電路理論[15,24].電路理論借助電流在電阻面內(nèi)的隨機游走特性模擬物種遷徙[25],電流強弱直觀反饋廊道及節(jié)點的重要程度,具有探索廊道寬度和準(zhǔn)確識別節(jié)點位置的優(yōu)勢,彌補了其他模型難以反映信息交流的缺陷[17],為國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域識別提供科學(xué)依據(jù).因此,基于系統(tǒng)性治理思維,厘清生態(tài)本底與各要素間聯(lián)系,通過生態(tài)安全格局識別生態(tài)節(jié)點并修復(fù)生態(tài)過程脆弱區(qū)域被證實為是國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域的有效手段.

昆明市是長江經(jīng)濟帶上游地區(qū)重要的生態(tài)屏障.自然資源稟賦充足,森林碳儲量和生物多樣性豐富,復(fù)雜的地形地貌和生態(tài)特征別具一格.然而西部大開發(fā)以來,昆明市經(jīng)濟活動越發(fā)頻繁,生態(tài)空間被不斷侵占,南部“環(huán)滇發(fā)展”造成周圍環(huán)境破壞,東南部喀斯特地區(qū)石漠化程度加深,北部山區(qū)水土流失嚴(yán)重,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能下降,亟需開展國土空間生態(tài)修復(fù)研究.本文利用InVEST模型和電路理論構(gòu)建生態(tài)安全格局,識別生態(tài)夾點、生態(tài)障礙點,明確國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域并根據(jù)其自然地理特征及地類現(xiàn)狀分別提出修復(fù)策略,以期為昆明市打造宜居宜業(yè)的生態(tài)城市提供空間指引,也為國土空間生態(tài)修復(fù)規(guī)劃提供理論參考和技術(shù)支撐.

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

昆明市位于中國西南邊陲、云貴高原中部(102°10'～103°40'E,24°23'～26°22'N),東接曲靖市,西連楚雄州,南毗鄰玉溪市、紅河州,北臨四川省,下轄14個區(qū)縣,國土面積共計21011.41km2.地形由北向南呈階梯狀逐漸降低,以巖溶高原地貌形態(tài)為主,海拔大多介于1500～2800m.地帶性土壤為紅壤,土質(zhì)松散,易于發(fā)生水土流失、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害.昆明市地處長江、珠江、紅河3大水系的分水嶺,屬北緯低緯度亞熱帶高原山地季風(fēng)氣候,年降水量1035mm,年平均氣溫15℃,夏無酷暑,冬無嚴(yán)寒.生態(tài)本底優(yōu)越,森林覆蓋率達52.62%,土地覆被以林地、草地為主,北部分布較為密集,生態(tài)用地(林地、草地、水域)面積為15790.51km2,占總面積的75.15%,為昆明市提供了高質(zhì)量的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù).

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本文采用2018年的土地利用數(shù)據(jù),來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn).數(shù)字高程模型(DEM)和遙感影像數(shù)據(jù)均來自地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/),DEM采用ASTER GDEM V3數(shù)據(jù),空間分辨率為30m,用于坡度、地形起伏度、地形指數(shù)、流域提取等計算;遙感影像數(shù)據(jù)下載2018年7、8月的Landsat-8OLI影像,空間分辨率為30m,利用ENVI軟件計算植被覆蓋度.氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象數(shù)據(jù)中心(http://data.cma. cn/),包括氣溫、降水等數(shù)據(jù),采用Kriging插值法插值為柵格數(shù)據(jù),用于年均降水量、潛在蒸散量、降水侵蝕力因子等計算.土壤組分、厚度數(shù)據(jù)源自世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSDv1.2,http://www.fao.org/soils- portal/soil-survey/),用于計算土壤侵蝕力因子等.交通(鐵路、公路)、水系、居民點等數(shù)據(jù)源自全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)(http://www.webmap.cn),比例尺為1:25萬.生態(tài)保護紅線、自然保護區(qū)等數(shù)據(jù)來源昆明市“三區(qū)三線”初步劃定成果、云南省自然保護區(qū)范圍,用于生態(tài)源地提取.所有柵格像元均采用30m×30m的空間分辨率,投影坐標(biāo)統(tǒng)一設(shè)置為WGS 1984 UTM Zone 48N.

1.3 研究方法

1.3.1 基于InVEST模型的生態(tài)源地識別 (1)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評估 其體現(xiàn)了生態(tài)服務(wù)的能力.昆明市快速的城鎮(zhèn)化進程使自然生境破碎化,生物多樣性遭受威脅,同時森林生態(tài)系統(tǒng)退化降低碳儲存和固持能力,影響區(qū)域的碳循環(huán)和氣候調(diào)節(jié).水體面積的縮減阻隔了水與植被等自然要素之間的聯(lián)系,涵養(yǎng)水源能力下降.水土流失、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害問題突出,土壤環(huán)境遭到破壞,威脅著人居環(huán)境的安全.針對昆明市的主要生態(tài)問題,綜合考慮自然要素和生態(tài)本底條件,采用InVEST模型的Habitat Quality模塊[26]、Carbon Storage and Sequestration模塊[27]、Annual Water Yield模塊[28]和Sediment Delivery Ratio模塊[27]分別評估生境維持、碳儲存、水源涵養(yǎng)和土壤保持服務(wù),得到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性最終評估結(jié)果.

(2)生態(tài)源地識別 生態(tài)源地作為維護生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和景觀格局完整性的重要斑塊[18],是區(qū)域生態(tài)安全維持、生物多樣性保護的基本保障.本研究將生境維持、碳儲存、水源涵養(yǎng)、土壤保持評估結(jié)果歸一化,參考研究[29]并結(jié)合昆明市生態(tài)現(xiàn)狀,分別以0.3,0.3,0.2,0.2的權(quán)重疊加,得到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評估結(jié)果.提取生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能性高值區(qū)域,疊合生態(tài)保護紅線矢量面.由于源地斑塊的大小與生物多樣性的豐富程度呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系[30],同時考慮昆明市重要生態(tài)保護區(qū)的斑塊面積大小以及消除細碎斑塊對格局構(gòu)建的影響,故選取大于20km2的生態(tài)斑塊作為初步生態(tài)源地.考慮斑塊間連通性,基于Conefor2.6軟件評價初步生態(tài)源地的景觀連接度,選取最終生態(tài)源地.

1.3.2 阻力面設(shè)置 生態(tài)阻力面是計算物種在克服阻力情況下擴散路徑的基礎(chǔ),景觀生態(tài)功能越完善,物種遷徙所受阻力越小,反之則越大[31].不同的生態(tài)本底和地形地貌特征對物質(zhì)能量及信息交流的影響程度不同;距離道路、居民點越近,人類活動越頻繁,越不利于生態(tài)源地的發(fā)展及物種的棲息、遷徙;距離水域越近則生態(tài)條件越優(yōu),阻力越小.本文選取地表覆蓋(土地覆蓋類型、植被覆蓋度)、地形條件(高程、坡度、地形起伏度)和生態(tài)脅迫(距道路距離、距居民點距離、距水域距離)共8個指標(biāo)作為阻力因子構(gòu)建綜合生態(tài)阻力面.參考相關(guān)研究[31-36],結(jié)合昆明市自然環(huán)境特征、生境適宜性差異及距離衰減性原理對阻力因子賦值.采用層次分析法確定各阻力因子指標(biāo)權(quán)重,使用yaahp軟件判別矩陣的檢驗系數(shù)為0.000,小于0.1,得到各阻力因子合理的權(quán)重(表1).

表1 阻力因素賦值

1.3.3 基于電路理論的廊道提取和節(jié)點識別 (1)生態(tài)廊道提取 生態(tài)廊道作為維系源地間物質(zhì)傳遞和能量流動的紐帶,是有效維持生態(tài)過程和改善景觀連通性的關(guān)鍵[21].電路理論的連接度模型考慮物種的隨機游走特性[37],符合物種遷徙狀況,即使缺乏物種遷徙數(shù)據(jù),其多路徑分析依然準(zhǔn)確模擬物種在異質(zhì)性景觀下的擴散路徑.基于綜合阻力面,借助Linkage Mapper Toolkit下的Linkage pathway tool提取連接源地間耗費累積阻力最小的成本路徑,作為最優(yōu)生態(tài)廊道.通過中心度分析法確定景觀連通性的貢獻程度,利用Centrality Mapper tool計算最優(yōu)生態(tài)廊道的流量中心性,量化分析生態(tài)廊道重要性等級.

(2)生態(tài)夾點識別 生態(tài)夾點表征生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中電流密度高值區(qū)域,亦稱為“瓶頸點”,即物種遷徙通過的可能性較高或無可代替路徑的區(qū)域.若該區(qū)域存在小面積生態(tài)退化或損失極有可能對源地間的連通性造成損害,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程需優(yōu)先考慮保護此類區(qū)域.基于電路理論的Circuitscape開源程序模擬,運用Pinchpoint Mapper工具的“all to one”模式識別整體景觀的生態(tài)夾點.考慮夾點的核心位置不因廊道寬度的變化而受到影響,經(jīng)過多次測試最終將廊道成本加權(quán)距離設(shè)置為10000m.

(3)生態(tài)障礙點識別 生態(tài)障礙點是指物種在源地間遷徙過程受到較大阻礙的區(qū)域[38],移除可顯著提升源地間的連通性.通過計算累積電流恢復(fù)值的大小識別,值越大的障礙點被清除后對整體景觀連通性改善越大,其修復(fù)可明顯降低物種遷徙過程的阻力.利用Barrier Mapper模塊識別生態(tài)障礙點,選擇“Maximum”模式進行迭代運算,設(shè)置最小搜索半徑為100m,最大搜索半徑為500m,以100m為步長,通過移動窗口法搜索檢測.結(jié)合實際結(jié)果選取400m梯度作為本研究最合理的迭代半徑.

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評估

將生境維持服務(wù)、碳存儲服務(wù)、水源涵養(yǎng)服務(wù)和土壤保持服務(wù)單一評估結(jié)果依權(quán)重疊加得到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評估結(jié)果(圖1).按照自然斷點法將結(jié)果劃分為重要、較重要、一般、較不重要、不重要,分別對應(yīng)高、較高、中、較低、低5個等級.結(jié)果顯示:昆明市生態(tài)重要區(qū)面積為4039.99km2,占全市面積的19.23%,以安寧市和西山區(qū)分布最密集,地類現(xiàn)狀以有林地為主,多表現(xiàn)為水源涵養(yǎng)林,生境質(zhì)量高;生態(tài)較重要區(qū)面積為3623.99km2,占總面積的17.25%,地類現(xiàn)狀以林地為主,景觀破碎化明顯,需加強系統(tǒng)性保護;生態(tài)一般重要區(qū)面積為6117.62km2,占比最多,為29.11%,地類現(xiàn)狀主要是高覆蓋度草地和水域,廣泛分布于各縣區(qū),為全市提供健康穩(wěn)定的水源;生態(tài)較不重要區(qū)面積為2040.34km2,占比最少,為9.71%,主要以中覆蓋度草地分布于東川區(qū),該區(qū)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻繁,其余零星分布于各縣區(qū)的邊緣地帶;生態(tài)不重要區(qū)5189.47km2,占總面積的24.70%,主要分布于人口密集的城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū),表現(xiàn)為建設(shè)用地及其周邊耕地,該區(qū)域的特點是人類活動頻繁,對生態(tài)價值需求較高.

圖1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評估結(jié)果

2.2 生態(tài)源地識別

圖2 昆明市生態(tài)源地

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評估結(jié)果的重要區(qū)和較重要區(qū)疊加生態(tài)保護紅線,得到45個初步生態(tài)源地.利用Conefor2.6軟件,考慮昆明市林麝、黑頸鶴等國家一級重點保護野生動物的棲息、覓食范圍,以5000m的連接距離閾值,0.5的連接概率,進行景觀連接度評價,將dPC30.2的34個斑塊作為最終生態(tài)源地(圖2).生態(tài)源地面積共計6421.95km2,占全市面積的30.56%,占生態(tài)面積的40.67%,斑塊面積介于21.52～1225.30km2.源地土地利用類型以林地為主,面積為4804.76km2,占源地面積的74.82%,其次是草地和水域,面積分別為1103.11,374.58km2,分別占源地面積的17.18%、5.83%,這些地類區(qū)域生境質(zhì)量較高,具備物種棲息地的條件.總體來看,生態(tài)源地涵蓋了研究區(qū)內(nèi)15個重要生態(tài)保護區(qū),包含了昆明市大部分重要物種棲息地;空間分布上看,源地呈現(xiàn)西多東少、北聚南散狀態(tài),祿勸縣面積分布最廣,占比29.64%,其次是東川區(qū)、尋甸縣和晉寧區(qū),分別占比11.68%、8.06%和8.02%,其余縣區(qū)分布相對較少.

2.3 阻力面構(gòu)建

按照表2計算阻力因子指標(biāo)得到綜合阻力面(圖3).結(jié)果顯示:整體而言,昆明市生態(tài)阻力面空間差異明顯,呈南高北低狀態(tài),與土地覆蓋類型阻力面較為相似;高阻力區(qū)域多集中于人類活動密集地區(qū),以主城五區(qū)(五華區(qū)、盤龍區(qū)、西山區(qū)、官渡區(qū)、呈貢區(qū))高阻力集中區(qū)域最大,其次是安寧市東北部地區(qū),其余高阻力地區(qū)分布細碎零散,地類現(xiàn)狀主要表現(xiàn)為城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點和工礦用地.

2.4 生態(tài)廊道提取及安全格局構(gòu)建

基于電路理論識別出活躍與非活躍兩種生態(tài)廊道,本文以活躍的最小成本路徑作為最優(yōu)生態(tài)廊道,共識別67條生態(tài)廊道,廊道長度介于0.34～ 55.86km,共計859.72km,呈東長西短狀態(tài)(圖4).將廊道的中心度分析結(jié)果按自然斷點法劃分為關(guān)鍵生態(tài)廊道、重要生態(tài)廊道和一般生態(tài)廊道3個等級.從數(shù)量特征來看,關(guān)鍵廊道15條,長度共計51.11km,廊道長度較短,中心連通性突出;重要廊道24條,長度共計170.17km;一般廊道28條,長度共計638.44km,長度占比74.26%,分布范圍較廣.從區(qū)域特征來看,尋甸縣廊道分布最長,占總廊道長度的33.31%,說明該縣是物種長距離遷徙的聚攏之地,需強調(diào)廊道維護,以保障其景觀生態(tài)流暢通,其次為宜良縣、東川區(qū),盤龍區(qū)廊道分布最短,長度僅有0.07km;宜良縣關(guān)鍵廊道分布最長,占其廊道類型的70.43%,該縣河流水系發(fā)達,利于生態(tài)健康發(fā)展,分布最長的重要廊道和一般廊道分別是石林縣和尋甸縣,分別占其廊道類型的29.14%和42.18%.

將識別的源地、廊道等生態(tài)核心成分組合分析,依托昆明市生態(tài)類型及重要山脈、河流水系特點,共同構(gòu)建“一環(huán)、三區(qū)、三屏、六軸、多點”的生態(tài)安全格局(圖5).“一環(huán)”指沿主城區(qū)形成“大三山一水”的城市自然山水生態(tài)環(huán),由長蟲山、金馬山、碧雞山及滇池構(gòu)成,突出山水城市景觀特征,維系城市生態(tài)安全.“三區(qū)”指北部中高山河谷生態(tài)區(qū)、中部高原湖盆生態(tài)區(qū)、東南部巖溶山原生態(tài)區(qū),其中,北部生態(tài)區(qū)生態(tài)阻力較低,森林資源豐富,斑塊生境質(zhì)量高,突出高原生態(tài)山林特色風(fēng)貌;中部生態(tài)區(qū)“山、林、湖、河”等自然要素景觀價值較高,彰顯“群山環(huán)抱、池海湖澤、山水相融”的現(xiàn)代都市風(fēng)貌;東南部生態(tài)區(qū)以喀斯特地貌形態(tài)為主,沿南盤江流域森林生態(tài)系統(tǒng)豐富,充分展現(xiàn)巖溶地質(zhì)自然景觀風(fēng)貌.“三屏”指呈南北走向的三臺山系、拱王山系、梁王山系生態(tài)安全屏障,均由大型自然森林生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成,生態(tài)保育功能優(yōu)越,對維護昆明市自然生態(tài)基底以及筑牢長江經(jīng)濟帶上游地區(qū)生態(tài)保護屏障具有重要作用.“六軸”指金沙江、普渡河-螳螂川、盤龍江-牛欄江、南盤江-巴江、小江、掌鳩河生態(tài)保育和水源涵養(yǎng)軸,利于保護生物多樣性和提高水源涵養(yǎng)功能.“多點”指由生態(tài)源地內(nèi)轎子山、滇池等重要生態(tài)保護區(qū)組成的生態(tài)核心點,此類區(qū)域為物種提供優(yōu)越的棲息條件.本研究結(jié)果與2020年發(fā)布的《昆明市城市設(shè)計導(dǎo)則(試行)》基本一致.

圖4 昆明市生態(tài)廊道及區(qū)域分布特征

圖5 昆明市生態(tài)安全格局

2.5 生態(tài)夾點識別

基于電路理論識別生態(tài)夾點,廊道最高電流密度為20.79,提取高電流密度區(qū)域作為生態(tài)夾點(圖6).昆明市共識別生態(tài)夾點27處,面積共計197.68km2,其中最大的夾點面積為47.62km2,最小的面積為1.07km2.空間分布上看,夾點主要位于南部地區(qū),且大多分布于關(guān)鍵生態(tài)廊道和重要生態(tài)廊道上,其中宜良縣的夾點面積共計102.78km2,占比最大,而尋甸縣的夾點數(shù)量最多,共計6處(表2).疊合綜合阻力面顯示,生態(tài)夾點所處位置阻力較小,表明物種遷徙途中易于通過低阻力區(qū)域,其承擔(dān)的生態(tài)連通功能突出,是維持生態(tài)穩(wěn)定的重點保護區(qū)域;疊合土地利用數(shù)據(jù)分析可知,夾點地類現(xiàn)狀以林地、草地和耕地為主,面積分別占比57.41%、25.42%和16.46%;疊合遙感影像顯示,部分夾點區(qū)域景觀生態(tài)結(jié)構(gòu)面臨著石漠化、水土流失等生態(tài)風(fēng)險,需強調(diào)此類區(qū)域的生態(tài)維護與管理,增強物種遷徙功能.

圖6 昆明市生態(tài)夾點

表2 昆明市生態(tài)夾點分布狀況

2.6 生態(tài)障礙點識別

累積電流恢復(fù)高值區(qū)域即為生態(tài)障礙點(圖7).昆明市共識別33處生態(tài)障礙點,面積共計155.84km2,其中最大一處障礙點面積為18.88km2,最小一處面積為0.86km2.空間分布上看,障礙點主要處于鐵路、高速公路等交通要道周圍區(qū)域,且環(huán)滇池生態(tài)保護區(qū)的障礙點數(shù)量多、面積廣,需強調(diào)滇池周圍區(qū)域的生態(tài)修復(fù);障礙點主要位于南部地區(qū),其中呈貢區(qū)的障礙點面積共計33.39km2,占比最大,石林縣次之,為24.24km2,在障礙點數(shù)量上呈貢區(qū)與西山區(qū)并列最多,共計5處(表3).與土地利用數(shù)據(jù)疊合分析可知,生態(tài)障礙點地類現(xiàn)狀以草地、耕地、林地、建設(shè)用地和水域為主,面積分別占比36.06%、24.71%、20.74%、14.35%和3.86%;與綜合阻力面和遙感影像疊合顯示,面積較大的障礙點處于建設(shè)用地或建設(shè)用地周圍輻射區(qū)域,其特點是人類活動干擾嚴(yán)重,生態(tài)阻力大,對景觀連通性存在割裂行為.

圖7 昆明市生態(tài)障礙點

表3 昆明市生態(tài)障礙點分布狀況

2.7 關(guān)鍵區(qū)域生態(tài)修復(fù)策略

基于電路理論識別的生態(tài)節(jié)點連通性強但生態(tài)脆弱,需開展系統(tǒng)性生態(tài)修復(fù)工程以保障源地間的物質(zhì)能量流動,提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力.識別的夾點與障礙點存在區(qū)域重疊現(xiàn)象,重疊面積共計25.95km2,說明此處物種遷徙頻率高但運動受阻,為保障達到修復(fù)效果,建議重疊區(qū)域統(tǒng)一修復(fù).綜合分析昆明市關(guān)鍵區(qū)域地類現(xiàn)狀及“三區(qū)”特征,提出切實有效的保護和修復(fù)措施.

2.7.1 生態(tài)夾點區(qū)域 由于其生態(tài)本底特征較好,建議以自然保護為主、人為修復(fù)為輔,提出如下保護措施:

針對中部高原湖盆生態(tài)區(qū)的夾點:以水源涵養(yǎng)林建設(shè)為主,加強城市植被培護,提高城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值.加強林草資源監(jiān)管,控制生態(tài)景區(qū)游客量,降低人為活動干擾,促進群落自身演替,為物種遷徙、棲息提供良好的生態(tài)空間.推行生態(tài)農(nóng)業(yè)并構(gòu)建耕地林帶,提高耕地生境.

針對東南部巖溶山原生態(tài)區(qū)的夾點:對大型自然森林實施封山育林,降低林地景觀破碎度.引入小型生態(tài)斑塊,打造異質(zhì)化生態(tài)空間,防止石漠化.調(diào)整和改善耕地土地利用,發(fā)展有機農(nóng)業(yè),保護農(nóng)田生態(tài)環(huán)境.加強河流、水庫植被廊道帶建設(shè),建立河流保護區(qū).

針對北部中高山河谷生態(tài)區(qū)的夾點:強調(diào)林種搭配,優(yōu)化低效林樹種結(jié)構(gòu),發(fā)展生態(tài)公益林,改善森林的數(shù)量和質(zhì)量,提升植被豐度和水土保持能力.實施草地植被保育,促進林草生態(tài)鏈發(fā)展.實行綠色農(nóng)業(yè)、林農(nóng)混作,保護土壤環(huán)境.

2.7.2 生態(tài)障礙點區(qū)域 該區(qū)域人類活動頻繁,為降低生態(tài)流動阻力,有效改善景觀連通性,建議采取人為修復(fù)與自然保護并重的方式,提出如下修復(fù)措施:

針對中部高原湖盆生態(tài)區(qū)的障礙點:對重要水源涵養(yǎng)區(qū)實施封山育林,擴大林草面積,提升城市碳匯能力.推動農(nóng)用地整治工程,改善耕地環(huán)境.優(yōu)化建設(shè)用地結(jié)構(gòu),移除低效建設(shè)用地;推進城市內(nèi)部綠廊、綠楔、綠心建設(shè),營造城市綠色空間,緩解熱島效應(yīng),為動物遷徙提供短途棲息地.優(yōu)化道路布局,避讓周圍生態(tài)用地,設(shè)施“涵洞”“綠橋”等野生動物遷徙通道并設(shè)置警示牌.加強河流湖泊污染治理、清淤,強化湖濱植被緩沖帶建設(shè),控制污水排放,提高水生態(tài)系統(tǒng)活力.

針對東南部巖溶山原生態(tài)區(qū)的障礙點:發(fā)展亞熱帶生態(tài)經(jīng)濟林,加大植樹、植草力度,修復(fù)植被退化區(qū),保護土層地表結(jié)構(gòu),防治石漠化.實施低效耕地退耕還林、還草,降低耕地利用強度,增加耕地生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性.修整鄉(xiāng)村道路,提升道旁植被豐度,減少物種遷徙的影響.

針對北部中高山河谷生態(tài)區(qū)的障礙點:對高山河谷生態(tài)區(qū)實施封山育林、育草,降低滑坡、泥石流等風(fēng)險.修復(fù)退化耕地,整治農(nóng)用地.提升農(nóng)村居民點植被覆蓋度,零星居民點可根據(jù)居民意愿實行合村并居,優(yōu)化居民點結(jié)構(gòu).修復(fù)峽谷河流、水庫坑塘,及時清淤,保護水源.

3 討論

昆明是長江經(jīng)濟帶上游地區(qū)重要的生態(tài)保護屏障,開展國土空間生態(tài)修復(fù)和統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)治理,具有保護生物多樣性、提升區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的實際意義.本文融合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評估、景觀連通性評價和生態(tài)保護紅線識別生態(tài)源地,彌補以往研究識別方法單一且缺乏理論支撐的不足,識別結(jié)果更能體現(xiàn)源地的生態(tài)核心作用.基于地表覆蓋、地形條件和生態(tài)脅迫的多要素構(gòu)建綜合阻力面,可以揭示不同地類內(nèi)部的微觀生態(tài)阻力起伏狀態(tài)和體現(xiàn)空間異質(zhì)性,保障生態(tài)廊道提取的有效性.利用電路理論的模擬物種隨機游走和識別生態(tài)節(jié)點的優(yōu)勢,有效識別生態(tài)廊道寬度和表達區(qū)域景觀連通性,直觀反饋物種棲息和覓食范圍;針對識別的生態(tài)保護修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域開展國土空間生態(tài)修復(fù)工程更具全域性和系統(tǒng)性.

本文基于InVEST模型和電路理論構(gòu)建了昆明市生態(tài)安全格局并識別國土空間生態(tài)保護修復(fù)區(qū)域.但生態(tài)夾點成本加權(quán)距離、生態(tài)障礙點搜索迭代半徑的閾值設(shè)定需要在實踐中結(jié)合實際情況調(diào)整;關(guān)鍵區(qū)域修復(fù)后景觀連通性的提升程度仍需進一步研究與分析.未來研究應(yīng)綜合考慮城鎮(zhèn)化進程中建設(shè)用地需求,結(jié)合行政區(qū)與外圍地區(qū)生態(tài)狀況,避免生態(tài)源地存在割裂行為,探索更具體的昆明市生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域范圍.為準(zhǔn)確了解生態(tài)系統(tǒng)演化的驅(qū)動機制,確定生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的參照系,今后診斷和識別國土空間生態(tài)修復(fù)問題需開展長時間序列的生態(tài)系統(tǒng)演變及驅(qū)動機制分析研究.此外,將基于自然的解決方案(NBS)的生態(tài)修復(fù)理念融入國土空間生態(tài)修復(fù),以及不同情景下的生態(tài)修復(fù)重點和順序是未來研究的重點.

4 結(jié)論

4.1 昆明市生態(tài)源地數(shù)量為34個,面積共計6421.95km2,地類現(xiàn)狀以生境較高的林地為主.生態(tài)廊道數(shù)量為67條,長度共計859.72km,其中關(guān)鍵生態(tài)廊道15條,重要生態(tài)廊道24條,一般生態(tài)廊道28條,長度分別為51.11,170.17,638.44km.空間分布上,源地和廊道分別呈西多東少和東長西短的狀態(tài).結(jié)合昆明市山水特征,構(gòu)建“一環(huán)、三區(qū)、三屏、六軸、多點”的生態(tài)安全格局.

4.2 昆明市識別待修復(fù)的生態(tài)夾點27處,面積共計197.68km2,地類現(xiàn)狀以林地、草地和耕地為主,主要分布南部地區(qū);生態(tài)障礙點33處,面積共計155.84km2,地類現(xiàn)狀以草地、耕地、林地、建設(shè)用地和水域為主,主要分布于南部地區(qū)的鐵路、高速公路等交通要道周圍,且環(huán)滇池生態(tài)區(qū)分布較多.夾點和障礙點重疊面積為25.95km2.

4.3 綜合昆明市兩類待修復(fù)區(qū)域的空間分布特征、地類現(xiàn)狀,立足于生態(tài)安全格局的“三區(qū)”生態(tài)特征,分別提出生態(tài)保護修復(fù)策略:生態(tài)夾點以自然保護為主、人為修復(fù)為輔,生態(tài)障礙點則人為修復(fù)與自然保護并重.

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Identification of key areas for the ecological restoration of territorial space in Kunming based on the InVEST model and circuit theory.

QIN Bin-gui1,2,3, LIN Yi-lin1,2,3*, ZHAO Jun-san1,2,3, CHEN Guo-ping1,2,3, HE Wan-cai1,2,3, Lü Qing-zhou1,2,3

(1.Faculty of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China；2.Key Laboratory of Geospatial Information Integration Innovation for Smart Mines, Kunming 650093, China；3.Science and Technology Innovation Team of Natural Resources Spatial Information Integration and Application in Yunnan Universities, Kunming, 650211, China)., 2023,43(2)：809～820

Taking Kunming as a case study area, an ecological security pattern was built based on the InVEST model, landscape connectivity evaluation and circuit theory to identify the key areas for the ecological restoration of territorial space. According to the research, there were 34 ecological source areas in Kunming with an area of 6421.95km2, exhibiting a distribution pattern of being “denser in the west and sparser in the east” and “concentrated in the north and scattered in the south”. 67 ecological corridors were extracted with a total length of 859.72km; the corridors show a spatially variable distribution, forming the ecological security pattern of “one ring, three districts, three screens, six axes and multiple points”; 27 ecological pinches and 33 ecological barriers were identified, forming the key areas for ecological restoration, respectively covering 197.68 and 155.84km2, mostly in southern Kunming. Considering the geographical features and current land types of the key areas, two restoration strategies were proposed, namely, the strategy with natural conservation as the main body and human restoration as the supplement and exerting equal stress on human restoration and natural conservation. The research provided a reference for the ecological restoration of municipal territorial space.

InVEST model；circuit theory；ecological security pattern；ecological restoration of territorial space；identification of key area

X171.4

A

1000-6923(2023)02-0809-12

覃彬桂(1997-),男,廣西貴港人,昆明理工大學(xué)碩士研究生,主要從事景觀生態(tài)與土地利用、國土空間生態(tài)修復(fù)方向研究.

2022-06-27

國家自然科學(xué)基金資資助項目(41761081);云南省基礎(chǔ)研究計劃項目(202201AU070112);昆明理工大學(xué)引進人才科研啟動基金資助項目(KKZ3202021055);云南省哲學(xué)社會科學(xué)規(guī)劃項目(PY202129)

* 責(zé)任作者, 講師, 601960754@qq.com