王曉玉,馮 喆,2,*,吳克寧, 2,林 倩

1 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 北京 100083 2 自然資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100035 3 寧波市城鄉(xiāng)規(guī)劃研究中心, 寧波 315042

長期以來,由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,中國面臨巨大的生態(tài)環(huán)境挑戰(zhàn)。自然資源的粗放利用和快速的城市擴(kuò)張引發(fā)了植被退化、水資源污染、生態(tài)環(huán)境破碎化等一系列生態(tài)環(huán)境問題[1]。在這種情況下,統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)治理、實(shí)施生態(tài)修復(fù)成為應(yīng)對(duì)生態(tài)問題、建設(shè)美麗中國的戰(zhàn)略舉措[2]。

構(gòu)建生態(tài)安全格局是維護(hù)生態(tài)安全的有效途徑[3]。生態(tài)安全格局理論興起于20世紀(jì)90年代,經(jīng)過學(xué)者的一系列探索,逐步形成了由生態(tài)源地、廊道、節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)等要素組成的生態(tài)空間優(yōu)化模式[4- 7]。馬克明等提出了區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建的理論基礎(chǔ),強(qiáng)調(diào)區(qū)域生態(tài)安全格局的構(gòu)建要以協(xié)調(diào)人與自然的關(guān)系為中心[4]。俞孔堅(jiān)等通過對(duì)北京市的水文、地質(zhì)災(zāi)害、文化遺產(chǎn)等的系統(tǒng)分析,判別關(guān)鍵性景觀格局,構(gòu)建了不同安全水平的綜合生態(tài)安全格局[5]。彭健等運(yùn)用水源涵養(yǎng)、土壤保持等評(píng)價(jià)生態(tài)保護(hù)重要性,并用地質(zhì)災(zāi)害敏感性修正基本阻力面,構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局[6]。景永才等認(rèn)為城市群、城市區(qū)域內(nèi)部等的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的多尺度評(píng)價(jià)與城市功能分區(qū)等將是未來生態(tài)安全格局的研究重點(diǎn),并通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需流進(jìn)行了生態(tài)安全格局的構(gòu)建與優(yōu)化[8]。其原理是從具有重要生態(tài)功能的生境斑塊出發(fā)[9],通過模擬生態(tài)過程的空間運(yùn)動(dòng),識(shí)別對(duì)區(qū)域生態(tài)安全有關(guān)鍵作用的生態(tài)廊道及其空間位置和相互關(guān)系[10- 12],進(jìn)而組成生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)[13- 15]。在生態(tài)安全格局構(gòu)建的過程中,需要綜合考慮區(qū)域各類生態(tài)要素的整體性與協(xié)調(diào)性[16- 17],符合生命共同體的基本理念。構(gòu)建結(jié)果可為實(shí)施區(qū)域生態(tài)修復(fù)提供空間依據(jù)[18- 20]。因此,將山水林田湖草生命共同體理念融入生態(tài)安全格局構(gòu)建,能夠有效緩解區(qū)域生態(tài)安全與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾[20- 22],形成區(qū)域綠色、和諧發(fā)展模式。

在現(xiàn)有的生態(tài)安全格局構(gòu)建方法中,對(duì)不同景觀類型之間的相互作用體現(xiàn)不夠充分,不利于各要素之間的統(tǒng)籌考慮。為此,本文以寧波市城六區(qū)為研究區(qū),針對(duì)當(dāng)?shù)厣锒鄻有該p失、生境破碎化等問題,結(jié)合生境質(zhì)量與景觀連通性評(píng)價(jià)結(jié)果識(shí)別生態(tài)源地；以土地利用類型為基礎(chǔ)設(shè)定基礎(chǔ)阻力值,并通過水體、林地鄰域分析與地形因素進(jìn)行修正,以體現(xiàn)不同生態(tài)要素間的整體性；采用最小累積阻力模型識(shí)別生態(tài)廊道,構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局。希望通過本研究,為山水林田湖草生態(tài)修復(fù)提供空間優(yōu)化工具。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)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(fēng)氣候,溫和濕潤,四季分明。降水量充沛,河流水系發(fā)育,有豐富的水熱資源。本文選擇寧波市六個(gè)城區(qū)作為研究區(qū)(圖1),城六區(qū)面積3630 km2,總體呈現(xiàn)西高東低的特征。區(qū)域內(nèi)生態(tài)要素豐富,林地、耕地、城市呈環(huán)帶狀分布,適宜開展生態(tài)安全格局研究。

圖1 研究區(qū)Fig.1 Research area

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

土地利用數(shù)據(jù)為寧波市2015年土地利用遙感監(jiān)測數(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/),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(gè)一級(jí)類型以及25個(gè)二級(jí)類型?？臻g分辨率為30 m。DEM來自于美國地質(zhì)勘查局的提供的GTOPO30DEM。在ArcGIS軟件的支持下,將所有數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)統(tǒng)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(tǒng)一為30 m×30 m。

1.3 研究方法

1.3.1生態(tài)源地的識(shí)別

生態(tài)源地是指維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展必須加以保護(hù)的區(qū)域[23],是物種擴(kuò)散、生態(tài)功能流動(dòng)與傳遞的源點(diǎn)。本研究結(jié)合生境質(zhì)量和景觀連通性評(píng)價(jià)識(shí)別生態(tài)源地。

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

表1 威脅數(shù)據(jù)

景觀連通性是對(duì)景觀空間結(jié)構(gòu)單元之間連續(xù)性的度量。較高的景觀連通性有利于維護(hù)生態(tài)過程以及生物多樣性。本研究通過Conefor 2.8計(jì)算景觀連通性,運(yùn)用整體連通性指數(shù)(Integral Index of Connectivity,IIC) 和可能連通性指數(shù)(Probability of Connectivity,PC) 對(duì)研究區(qū)景觀的連通性進(jìn)行評(píng)價(jià)。在連通性指數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)上,計(jì)算每個(gè)斑塊的重要性dIIC,即每個(gè)景觀斑塊對(duì)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(shù)計(jì)算過程中,斑塊距離的閾值設(shè)為500 m,連通概率設(shè)為0.5。計(jì)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(duì)于維持景觀連通性的重要程度。IICremove為去除單個(gè)斑塊后剩余斑塊的整體指數(shù)值,IIC表示斑塊的整體連通性指數(shù)。

最后,將生境質(zhì)量評(píng)價(jià)圖與景觀連通性評(píng)價(jià)圖等權(quán)疊加,按照自然斷點(diǎn)法對(duì)生態(tài)保護(hù)重要性分為5級(jí)。由于細(xì)碎斑塊輻射作用有限,選擇生態(tài)保護(hù)極重要區(qū)域面積大于2 km2的斑塊作為生態(tài)源地。

1.3.2最小累積阻力面的構(gòu)建

物種在區(qū)域間進(jìn)行空間運(yùn)動(dòng)需要克服阻力,通過設(shè)定由生態(tài)源地向其他景觀單元擴(kuò)散的最小阻力值,判斷各景觀單元至生態(tài)源地的可達(dá)性與連通性,阻力面作為構(gòu)建廊道的基本途徑,對(duì)生態(tài)安全格局起著重要作用。山水林田湖草為一個(gè)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(gòu)建阻力面,使生態(tài)廊道更加科學(xué)合理。符合研究區(qū)實(shí)際情況。

選擇土地利用類型作為構(gòu)建阻力面的主要因子,依據(jù)土地利用類型對(duì)研究區(qū)設(shè)置基本阻力面?？紤]研究區(qū)各生態(tài)要素之間相互作用,按照生態(tài)效益的不同分別對(duì)其進(jìn)行緩沖區(qū)分析,作為對(duì)基礎(chǔ)阻力面的修正(表2)。以林地為例,林地范圍內(nèi)阻力值設(shè)為1,緩沖區(qū)500 m范圍內(nèi)阻力值設(shè)為3,距林地500 m以外的區(qū)域受林地的生態(tài)輻射作用較小,與林地的關(guān)系不大,因此阻力值設(shè)為50。在地形修正方面,選擇高程、坡度兩個(gè)因子作為地形指標(biāo)的表現(xiàn)方式,水體方面,選擇湖泊水庫、河渠、灘涂3種水資源形式對(duì)基本阻力面進(jìn)行修正,分別對(duì)林地、湖泊水庫、河渠、灘涂進(jìn)行有差異的緩沖區(qū)分析,其中湖泊水庫生態(tài)效益最高,河渠次之,灘涂生態(tài)效益最小,緩沖距離因生態(tài)效益的不同而各有差異,值得提出的是,在對(duì)水體及其緩沖區(qū)進(jìn)行阻力賦值時(shí),臨近水體阻力值較水體范圍內(nèi)低。同樣,對(duì)林地進(jìn)行緩沖區(qū)分析,與水體不同,林地范圍內(nèi)阻力值設(shè)定最低,隨著距離的增加,阻力值隨之提高。

表2 阻力值設(shè)置

1.3.3生態(tài)安全格局構(gòu)建

生態(tài)廊道指連接生態(tài)源地的線狀或帶狀生態(tài)景觀[15],體現(xiàn)了源地的連通性和可達(dá)性。在生態(tài)源地識(shí)別及擴(kuò)張阻力面構(gòu)建的基礎(chǔ)上,根據(jù)最小累積阻力模型分析其空間分布特征與數(shù)值大小,提取出生態(tài)源地之間的低阻力通道作為生態(tài)廊道。最小累積阻力模型的基本公式如下：

(2)

在生態(tài)源地與生態(tài)廊道提取的基礎(chǔ)上,對(duì)其進(jìn)行疊置組合,形成研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。選擇生態(tài)源地提取中的生態(tài)重要性4級(jí)、5級(jí)區(qū)域作為生態(tài)保育區(qū),對(duì)生態(tài)源地與生態(tài)廊道所形成的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)充,形成研究區(qū)點(diǎn)-線-面的生態(tài)安全格局。

2 結(jié)果分析

2.1 生態(tài)重要性分級(jí)

經(jīng)過歸一化處理后的研究區(qū)生境質(zhì)量分布如圖2所示,生境質(zhì)量兩極化嚴(yán)重,生境質(zhì)量為0的區(qū)域位于研究區(qū)中部及北部,面積較大,且連接成片。其余區(qū)域生境質(zhì)量差異不大,生境質(zhì)量高值區(qū)域位于研究區(qū)西部、南部和東部,基本呈環(huán)狀分布,主要位于鄞州區(qū)、北侖區(qū)東部,海曙區(qū)西部及奉化區(qū)大部分地區(qū),該區(qū)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(gòu)成了棲息地質(zhì)量高值區(qū)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(qū)域分布集中于研究區(qū)中部和北部,位于海曙區(qū)東部,鄞州區(qū)、北侖區(qū)西部,江北區(qū)與鎮(zhèn)海區(qū)大部分地區(qū),并廣泛分布散于研究區(qū)各個(gè)位置,土地利用類型多為耕地。連通性低值區(qū)域分布于區(qū)內(nèi)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(shè)用地連通性同樣不高。

將歸一化的景觀連通性與生境質(zhì)量進(jìn)行等權(quán)疊加,得到研究區(qū)生態(tài)重要性分級(jí)圖,如圖3所示,生態(tài)保護(hù)極重要區(qū)域5級(jí)面積181.57 km2,占研究區(qū)總面積的5%,各個(gè)斑塊面積較小,在研究區(qū)內(nèi)呈零散分布,用地類型主要為水體。生態(tài)保護(hù)高度重要區(qū)域面積1508.1 km2,占研究區(qū)總面積的41.55%,主要分布于區(qū)內(nèi)西南地區(qū)和東部地區(qū),用地類型主要為林地。生態(tài)保護(hù)中等重要區(qū)域面積1057.34 km2,占研究區(qū)總面積的29.13%,其中中部和北部區(qū)域分布較為集中,在研究區(qū)內(nèi)其他地區(qū)分布廣泛,主要用地類型為耕地。由生態(tài)保護(hù)重要性前3級(jí)區(qū)域構(gòu)成初步的山水林田湖草生命共同體。選取9個(gè)面積最大的生態(tài)極重要區(qū)域作為生態(tài)源地,構(gòu)建研究區(qū)生態(tài)安全格局。生態(tài)源地面積47.24 km2,占研究區(qū)總面積的1.30%。

圖2 生態(tài)重要性評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.2 Evaluation of ecosystem′ importance

圖3 生態(tài)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(jù)土地利用類型進(jìn)行基本阻力面的設(shè)置,阻力值整體由南向北呈環(huán)狀分布增加,阻力值最高的區(qū)域位于研究區(qū)中北部與北部沿海地區(qū)。如圖4所示,對(duì)林地分別作500 m、1000 m、1500 m緩沖區(qū),研究區(qū)林地范圍較大且林地內(nèi)部設(shè)置阻力值最小,對(duì)高程進(jìn)行阻力值設(shè)定,由圖4可看出,研究區(qū)林地與山脈丘陵重合率較高,都位于研究區(qū)外圍,研究區(qū)中部阻力值最高。對(duì)研究區(qū)水體進(jìn)行緩沖區(qū)分析,由圖4可知,研究區(qū)湖泊水庫密布,廣泛分布于各個(gè)區(qū)域；河流與灘涂面積較小,以景觀單元的阻力值對(duì)整體阻力面進(jìn)行修正。

經(jīng)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(chǔ)阻力面相似,修正后的阻力值在地類內(nèi)部有明顯變化,能更好的表征生態(tài)功能的流動(dòng)。

2.3 關(guān)鍵生態(tài)廊道識(shí)別與生態(tài)安全格局構(gòu)建

在生態(tài)源地提取的基礎(chǔ)上,利用最小累積阻力模型識(shí)別生態(tài)廊道。如圖6所示,研究區(qū)生態(tài)源地之間聯(lián)系密切,廊道總長度519.32 km,整體呈網(wǎng)狀分布,變化趨勢由西到東、由東北向西南逐漸復(fù)雜。原因是生態(tài)源地的分布在東西方向上不均衡,東部地區(qū)較多,且東部分布有低阻力值區(qū)域,生態(tài)廊道交叉重合,是生態(tài)過程運(yùn)動(dòng)頻繁的重要表現(xiàn)。

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

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

圖6 生態(tài)安全格局Fig.6 Ecological security patterns

以水體、濕地為主的生態(tài)源地,通過林地、耕地等生態(tài)廊道,構(gòu)成了研究區(qū)點(diǎn)線面狀的生態(tài)安全格局。把生態(tài)重要4級(jí)區(qū)域作為生態(tài)保育區(qū),作為對(duì)生態(tài)源地的保護(hù)與補(bǔ)充。生態(tài)保育區(qū)連接成片,與山地丘陵重合度較高,且植被覆蓋度高,生態(tài)資源豐富。研究區(qū)在進(jìn)行生態(tài)修復(fù)及開發(fā)建設(shè)時(shí),結(jié)合“山水林田湖草是一個(gè)生命共同體”理念,考慮生態(tài)安全格局中的各生態(tài)要素與研究區(qū)其他要素之間的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和能量轉(zhuǎn)移,實(shí)現(xiàn)自然資源的永續(xù)利用。

3 結(jié)論與討論

本文以寧波市城六區(qū)為研究區(qū),將歸一化的景觀連通性與生境質(zhì)量進(jìn)行等權(quán)疊加,得到研究區(qū)生態(tài)重要性分級(jí)圖,其中,級(jí)數(shù)越高,生態(tài)重要性越強(qiáng)。生態(tài)最重要區(qū)域5級(jí)面積181.57 km2,占研究區(qū)總面積的5%,各個(gè)斑塊面積較小,在研究區(qū)內(nèi)呈零散分布,按照各斑塊面積大小,選取8個(gè)面積最大的生態(tài)重要性一級(jí)區(qū)域作為生態(tài)源地,構(gòu)建研究區(qū)生態(tài)安全格局。以生態(tài)用地林地與水體作為修正因素,并將地形因子的生態(tài)影響納入考慮,對(duì)由土地利用類型設(shè)定的基礎(chǔ)阻力面進(jìn)行修正,從而識(shí)別出更加符合生態(tài)能量流動(dòng)的生態(tài)廊道,廊道總長度519.32 km,整體呈網(wǎng)狀分布。將生態(tài)重要性5級(jí)其他區(qū)域與四級(jí)區(qū)域作為生態(tài)保育區(qū),開展山水林田湖草生態(tài)修復(fù),將源地、廊道、生態(tài)保育區(qū)等生態(tài)要素疊置,從而構(gòu)建完整的生態(tài)安全格局。

生態(tài)源地是生態(tài)安全格局構(gòu)建的基礎(chǔ),是維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全和生態(tài)功能必須加以重點(diǎn)保護(hù)的區(qū)域。生態(tài)斑塊的面積大小影響生態(tài)斑塊的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有效性和距離,生態(tài)源地的最小面積閾值一直是研究的難點(diǎn)。本研究在生態(tài)重要性分級(jí)的基礎(chǔ)上,首先確定了要選擇的源地?cái)?shù)量,然后根據(jù)面積的大小,選擇生態(tài)源地。這個(gè)方法在一定程度上保證了生態(tài)重要建設(shè)區(qū)域的數(shù)量和分布,但是對(duì)尺度問題考慮不夠,生態(tài)源地?cái)?shù)量的確定主觀性較強(qiáng),以期在接下來的研究中加以深化改進(jìn)。

本文基于山水林田湖草生命共同體理念構(gòu)建阻力面,運(yùn)用了高程及坡度數(shù)據(jù)對(duì)阻力面進(jìn)行修正,事實(shí)上,地形因素對(duì)生態(tài)運(yùn)動(dòng)及生態(tài)過程影響較大。以地形作為指標(biāo)對(duì)研究區(qū)基本阻力面進(jìn)行修正,體現(xiàn)出“山”對(duì)于生態(tài)安全格局構(gòu)建的重要性。另外,林地和水域作為重要的生態(tài)要素,對(duì)周邊的景觀單元產(chǎn)生減小阻力值的影響,每一種地類內(nèi)部的阻力值存在差異。以生態(tài)要素與地形對(duì)基礎(chǔ)阻力面進(jìn)行修正之后,所產(chǎn)生的綜合阻力面能細(xì)致的體現(xiàn)每一景觀單元對(duì)生態(tài)過程的影響,從而使廊道的走向與分布更具科學(xué)性。

山水林田湖草是一個(gè)生命共同體,基于本研究所構(gòu)建的生態(tài)安全格局,在構(gòu)建過程中體現(xiàn)此理念,更在格局中形成了景觀共同體。一方面,生態(tài)安全格局強(qiáng)調(diào)生態(tài)過程的完整性,促進(jìn)生態(tài)要素功能和結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào),維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)安全,這與山水林田湖草生命共同體的理念相統(tǒng)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(tài)廊道是生態(tài)安全格局構(gòu)建的重要組分,將生命共同體理念體現(xiàn)在阻力面上,從而使生態(tài)廊道更加科學(xué)合理,符合實(shí)際。生態(tài)源地與生態(tài)保育區(qū)的保護(hù)更要結(jié)合生命共同體理論,從整體出發(fā),不能分割式管理。生態(tài)源地內(nèi)維持內(nèi)有的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,保護(hù)生物多樣性,在生態(tài)廊道加強(qiáng)綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),維持生態(tài)源地內(nèi)部及生態(tài)源地之間的物質(zhì)能量流動(dòng)。在生態(tài)保育區(qū)內(nèi)加強(qiáng)山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù),生態(tài)保育區(qū)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(tài)資源豐富,人為開發(fā)或自然災(zāi)害對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不可恢復(fù)的破壞,需要特殊保護(hù)與生態(tài)修復(fù)。生態(tài)廊道連接區(qū)域各地,將區(qū)域貫通為一個(gè)有機(jī)的整體,在生態(tài)廊道區(qū)域加強(qiáng)綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),把區(qū)域內(nèi)生態(tài)用地與非生態(tài)用地連接起來,提高非生態(tài)用地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,更好的有序推進(jìn)山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)。