洞庭湖流域生態安全格局構建與修復分區識別

關鍵詞：生態安全格局；生態修復分區；洞庭湖流域；InVEST 模型；MSPA 模型

中圖分類號：F301.24；P901 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1329（2024）04-0141-07

黨的十八大以來，生態文明建設一直被視為關系中華民族永續發展的根本大計[1]，從理論到實踐都發生了變化，美麗中國建設邁出重大步伐。作為生態環境問題催生的新興研究領域，生態安全格局構建既能促進生態系統的維護和修復工作，又可以保證生態系統的健康與穩定[2]，為地區的可持續發展提供支撐。基于此，國內學者對生態安全格局進行大量研究[3-6]，有利于制定科學、合理的區域劃分方案，以及增強生態修復的目標性。

與生態安全格局相關研究中生態源地通常直接選取大面積的草地、森林和流域，但該方法受到人為干擾較大，且未考慮環境異質性[7-8]及景觀連通性。而InVEST模型和MSPA模型[9]結合選取生態源地可規避上述問題。生態阻力面準確地描繪空間景觀的異質性如何影響生態流動運動，根據影響生物擴散的因素確定不同的基礎阻力面和相應的阻力值[10]。相較于蟻群算法、電路理論模型等，MCR模型模擬異質性景觀元素對生態流動的擾動，并找出最小的代價途徑[11-12]。已有研究主要關注行政邊界，生態安全問題的出現和演變并不僅僅局限于行政界限之內[13-15]，還應在更大的自然地理尺度上對其進行綜合考量[16]。

洞庭湖流域作為國家級重要發展片區，對于國家糧食安全和生態環境安全具有至關重要的影響，其生態戰略地位突出，確保和保護該流域的生態安全尤為關鍵。本文以洞庭湖流域為研究對象，結合InVEST模型和MSPA模型（同時考慮生境的質量和斑塊的連接性）確定洞庭湖流域的生態源地，提取流域內可能存在的生態廊道和節點；識別區域生態保護和修復分區，為流域及其相似地區的可持續發展提供有力支撐。

1研究方法

1.1研究區概況

洞庭湖流域介于N24°38′～30°24′、E107°16′～114°16′114°15′，總面積約為26.13×106hm²，湖南省境內占流域總面積的80.61%[17]。洞庭湖是一個典型的濕熱大陸性季風氣候區，具有夏熱冬冷以及春秋季多雨的特點。流域主要土地利用類型為耕地和林地[18]，農業生產基礎雄厚，流域耕地面積占全國1.41%，其水田面積占全國4.70%；林地面積占全國5.31%，水資源總量占全國水資源7.70%[19]。

1.2數據來源

研究的數據來源參見表1。

1.3研究方法

1.3.1生態源地識別

InVEST模型中的生境質量模塊能夠對區域內的棲息地質量進行量化評估[20]，并通過分析斑塊的功能特性準確確定棲息地的具體位置；形態學空間格局分析（MSPA）能識別出七種具有連通性的景觀類型[21-22]，本研究采用InVEST模型與MSPA分析相結合的方法，參考相關文獻并考慮研究區實際情況[23-24]設定參數，公式為：

1.3.2阻力面模型構建

結合洞庭湖流域實際情況，并參考相關文獻研究[25-26]選取5個阻力因子，土地利用類型與源地越接近，地形越平坦，植被覆蓋度越高，越有利于物種交流與源地擴散，其阻力值越小；夜間燈光指數反映一個區域內夜間人類活動情況及城市發展水平，指數越大，說明人類活動活躍，不利于源地的擴散，其阻力值也越高。在ArcGIS10.2中采用自然斷點法將阻力等級分為1～5五個級別，1代表阻力最小，5代表阻力最大。熵權法確定各阻力因子權重，各阻力因子賦值及權重見表2。

1.3.3生態廊道提取

生態廊道是物種間信息交流紐帶[27]，承擔著物種遷徙、繁衍、防風、過濾、防護、隔離等基本功能。

（1）MCR模型

最小累計阻力是用于描述和預測物體或個體在空間中運動的模型，在最小累積阻力模型中，運動物體會選擇一條路徑，該路徑將導致它在其移動過程中所受到的累積阻力最小化。MCR模型被應用于生成最小成本路徑，即將景觀層面上的最小成本路徑看作廊道。計算公式為：

1.3.4生態節點識別

生態節點是景觀基質中對生物擴散和遷移具有重要影響的位置[28]，本研究主要指生態斷裂點。對生態阻力面反向賦值得到最高成本路徑，選取最高成本路徑與最低成本路徑的交點[31]作為流域潛在生態自然間斷節點。盡管交通設施為經濟網絡的擴展提供動力，但同時也會阻礙生態流。因此選擇鐵路、國道和最低成本路徑交匯的區域作為潛在的生態間斷節點。

2結果與分析

2.1生態安全格局構建結果

2.1.1生態源地識別結果

洞庭湖流域的生境質量在空間上呈現顯著的差異性（圖2），整體上西南部較高，東北部較低，而湖泊和山區則相對較高，丘陵地帶則相對較低。洞庭湖湖區以及研究區的西南部和東部是高值區的主要分布區域；而低值區在研究區中部呈條帶狀分布，受地形和氣候等自然因素的影響；黔東南苗族侗族自治州和邵陽市位于西南部，海拔相對較高，生境質量指數相對較高；研究區東北、中部社會經濟活動活躍，生境質量低。

MSPA分析得出核心區總面積為140764.31km²，占研究區總面積的53.76%（表3），主要分布于研究區東部和西北部；結合生境質量分析結果共選出10處生態源地（圖2），面積24581.96km²，以大面積不規則斑塊為主，林地是源地主要用地類型，面積達97%。

2.1.2阻力面模型構建結果

當生境質量指數越大、夜間燈光數據值越小、植被覆蓋度越高、地形越平坦，生態源地的交流與擴展進行得越順利，按照表2將各阻力因子指標值加權綜合得到洞庭湖流域綜合阻力面（圖3）。阻力值較大的區域主要在中部的長沙市、湘潭市、株洲市、衡陽市、邵陽市、婁底市以及西北部的黔東南苗族侗族自治州，中部多為建設用地，西北部海拔相對較高；阻力值較低的區域呈條狀環繞阻力值高的區域分布，土地利用類型多為林地、草地等生態用地，地形平緩。

2.1.3生態廊道提取結果

本研究共識別出洞庭湖流域潛在生態廊道共計59條，總長7001.85km（圖4）。基于源地間相互作用，判斷源地間廊道重要性級別，將源地間重力值大于12作為一級生態廊道，9～12為二級廊道，小于9為三級廊道（表4，表中1～10代表10處生態源地）。一級生態廊道8條，總長1464.76km，占比19.4%，自東南往西北延伸，經過郴州、永州、株洲、衡陽、長沙等市，主要分布在流域東南部。二級生態廊道8條，總長832.57km，占比11.03%，經過黔東南苗族侗族自治州、懷化市、永州市、桂林市。三級生態廊道43條，廊道總長4704.52km，占比69.57%，集中分布在流域中部。研究區東北角沒有廊道，一則因為城市內人為活動強烈，對自然因素有強烈的擾動；二則沒有生態源地作為廊道擴展的依據，因此穿越人為干擾最少的西部自治州，尤其銅仁市、永州市和株洲市周邊的多條廊道，更有利于生態源地的順暢流動。

2.1.4生態節點識別結果

本研究將鐵路、國道和廊道交匯的87處區域確定為生態間斷節點，其中京廣和滬昆鐵路與廊道產生的生態間斷節點數量最多，高達39處；與國道產生生態間斷節點38處，主要集中于益陽市、湘潭市以及湘西苗族土家族自治州。識別生態自然間斷節點48處，主要分布于黔東南苗族侗族自治州和郴州市，靠近源地、生態系統穩定。據其周邊景觀要素的類別，將其劃分為“綠地型”、“河流型”及“道路”三大類。

2.2生態修復分區及優化

2.2.1生態修復分區

綜合考量研究區生態基礎、自然保護區的具體位置以及各種生態安全構成要素的分布（圖3、圖4），本文提出洞庭湖流域生態保護與修復新格局，即“一軸、三核、一網絡、多片區（圖5）”。

“一軸”為洞庭湖流域生態保護和修復發展軸。該軸以北生態源地數量較少、生態廊道幾乎沒有，并且多為城鎮，生態修復可行性相對較低。因此，該地區的生態保護十分重要，劃分為北部平原修復保護區。該軸以南生態網絡分布復雜，多條廊道交錯分布，同時本文所有生態節點分布于此，為最大限度防止對廊道完整性和區域連通性的破壞，需要對斷裂點進行修復，劃分為南部丘陵修復區。

“三核”為3個生態保護與修復核心。北部是張家界大鯢國家級自然保護區，境內地形起伏，主要保護動物為大鯢，確定為北部生態保護與修復核心。南部為舜皇山國家級自然保護區和九嶷山國家級自然保護區，境內野生動植物種類繁多，確定為兩大生態保護與修復核心。

“一網絡”為橫縱交錯的廊道網絡。廊道多分布于東西兩側，其中一級廊道貫穿永州、株洲、衡陽等市，二級廊道自西南往東北方向延伸，一二級廊道在研究區中部交匯并串聯各個源地構建關鍵區域廊道網絡。

“多片區”為9個生態保護與修復的區域。北部的張家界大鯢國家級自然保護區以及南部的舜皇山、九嶷山國家級自然保護區三處為本研究的生態保護核心區域;北部洞庭湖區自然資源豐富，同時能生態修復、防洪、補水，將其劃分為湖泊濕地修復區，其余軸北區參考生態功能區劃方案劃分為生態保護關鍵區和生態保育發展區；南部丘陵修復區作為生態平衡的過渡點，眾多生態安全的關鍵構成因素交織于此，劃定為生態保質提升區和生態保育修復區，其余軸南區在生態功能區劃方案中作為水源涵養，將其劃分為生態保護關鍵區。

2.2.2生態保護與修復策略

北部平原保護修復區：對該區域的生態保護核心區應當高度重視自然保護區內的生物多樣性維護以及旅游業發展與管理，針對區域非法采砂和違規水電項目進行整改，修復生態棲息地，重點保護大鯢保護區。對生態保護關鍵區，重點保護水源地和生物多樣性，與境內大圍山國家森林公園攜手進行生態功能的保護。對生態保育發展區實施區域生態保護措施時，必須充分考慮到各種限制性因素，根據實際情況指導相應區域的封育和人工培植等措施的實施。對湖泊濕地修復區，加快修復淤積河湖清淤，增強洞庭湖調蓄功能，改善通航條件。

南部丘陵修復區：對該區域的生態保護核心區，注重保護與開發相結合，進行造林綠化和封山育林管理，確保森林資源的增量和質量，開發森林生態旅游和水能資源；對生態保護關鍵區加快人工林種植速度，提升土壤保持能力，改善區域內廊道間斷問題；生態保質提升區需維護基本農田、避免鹽堿化并重視生態斷點的修復，需要詳細評估當前通道的實用性和節點修復的可能性；對生態保育發展區，需要加大對森林的保護力度，加強對森林的管理，并對森林結構進行調整和優化，提升生態公共服務能力。

3結論與討論

3.1結論

本文以洞庭湖流域為研究區，綜合運用生境質量模型、形態學空間格局分析、最小累計阻力模型及景觀生態學理論相關方法，構建洞庭湖流域生態安全格局，提出各分區保護和修復策略，得出以下結論：

（1）洞庭湖流域的生境質量空間分布差異顯著，整體上西南部較高，東北部較低，東北部經濟活動活躍，生境質量受人類因素干擾大，而西南部海拔、夜間燈光等阻力值都比較低，經濟相對不發達，生境質量指數也較高；生態源地的總面積為24581.96km²，源地選取以大面積不規則斑塊為主，大部分源地土地利用類型為林地。

（2）本文共提取生態廊道59條，總長度7001.85km，一級廊道占比占比19.4%，二級廊道占比11.03%，一二級廊道主要分布于研究區中部，其中短距離廊道比較多，研究區的南部和中部地帶尤為集中；共識別出135處生態節點，生態間斷節點87處，以京廣和滬昆鐵路與廊道產生的生態間斷節點最多，達39處；生態自然間斷節點48處，多分布于生態源地附近，生態系統比較穩定。

（3）本研究為洞庭湖流域提出“一軸、三核、一網絡、多片區”的生態保護和修復策略。北部平原保護修復區生態源地和生態廊道數量少，并且受人類活動影響，生態修復可行性相對較低，側重于區域生態環境保護；南部丘陵平原修復區生態網絡分布復雜，廊道交錯分布，在進行保護的同時，強調結合生物和工程手段，重視生態節點的修復。最后，對各修復分區提出針對性保護和修復策略。

3.2討論

本研究在采用InVEST模型的基礎上，疊加MSPA模型，將InVEST模型得出的生境質量指數大于0.8、并且植被覆蓋指數高的區域作為MSPA模型前景再次篩選，在考慮景觀斑塊的生態特性同時，進行全面的評估，從而使源地的選取更為合理。結果表明，本文所選取的源地與歷史上已確立的保護區和源地高度重疊，能有效地降低后期施工費用。在構建阻力面時選取生境質量、土地利用類型、夜間燈光指數、高程、歸一化植被指數5個阻力因子，熵權法確定因子權重，權重值更為客觀。研究使用最小累計阻力模型提取生態廊道，該模型能模擬異質性景觀元素對生態流動的擾動，并找出最小的代價途徑，即最小成本路徑，在此基礎上結合重力模型對廊道進行分級，確定廊道重要性級別。提取生態節點時，研究考慮現實因素和自然因素，交通線路與最小成本路徑交匯處作為生態間斷節點，最小成本路徑與最大成本路徑相交點生態自然間斷節點。

研究使用的方法技術和已有結果將為洞庭湖流域景觀格局的優化設計提供理論依據，為洞庭湖的生態環境整體進步提供科學的支撐。但下列限制依然存在：一是對洞庭湖流域阻力面構建因子選擇只考慮自然因素，而沒有選取社會經濟因素，人類活動也會干擾生態安全格局構建，后續研究應該考慮更多因素構建阻力面；二是沒有將流域生態安全網絡作為一個整體來看，其對策仍然是概括性的，還有待于多個部門共同努力；最后，論文以某一時段為研究對象，對其進行系統的分析，但是，由于景觀元素是在不斷變動的。因此，要根據實際情況對其進行適當調整，并分層次逐步落實。

（責任編輯：龔士良）