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基于生態(tài)安全格局的國土空間生態(tài)修復分區(qū)研究*
——以貴州省清鎮(zhèn)市為例

2022-08-01 12:46:34魏露露
環(huán)境污染與防治 2022年7期
關(guān)鍵詞:夾點源地廊道

魏露露 金 蓮

(1.貴州財經(jīng)大學公共管理學院,貴州 貴陽 550025;2.貴州財經(jīng)大學經(jīng)濟學院,貴州 貴陽 550025)

生態(tài)系統(tǒng)具有食物生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、水土保持、文化娛樂等服務(wù)功能[1]。經(jīng)濟社會的高速發(fā)展在促進人口急劇增長和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的同時,對整個生態(tài)系統(tǒng)造成了難以自我恢復的負面影響[2]。生態(tài)修復通過生態(tài)工程有意識地利用生物與非生物的優(yōu)化組合來改變一個區(qū)域的生物區(qū)系和物理條件,以此來啟動或加速生態(tài)系統(tǒng)在健康、整體性和可持續(xù)性方面的恢復進程,進而修復生態(tài)系統(tǒng)[3]。以往的生態(tài)修復只涉及土壤、礦區(qū)、海洋等單一的對象,并且只存在于局部地區(qū)或微觀層面,分散且單一的生態(tài)修復難以同現(xiàn)行的空間規(guī)劃相銜接,落地困難[4]。

國土空間生態(tài)修復是從宏觀的空間尺度出發(fā),利用生態(tài)工程等措施,通過調(diào)整優(yōu)化和修整重建國土空間的結(jié)構(gòu)及其要素,使已遭受不同程度影響的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、生態(tài)過程以及服務(wù)逐步實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的方法,相較于以往微觀或局部的生態(tài)修復其成效更加顯著[5]。當前主要是通過構(gòu)建山水林田湖草生命共同體,從而實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)修復的[6]。構(gòu)建生態(tài)廊道,識別待修復關(guān)鍵區(qū)域,優(yōu)化區(qū)域生態(tài)安全格局,分區(qū)分類分階段開展生態(tài)系統(tǒng)修復工作成為國土空間生態(tài)修復的重要內(nèi)容[7]3407。

生態(tài)安全格局理論來源于景觀生態(tài)學,自20世紀90年代發(fā)展至今,已成為開展生態(tài)修復、優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)格局、實現(xiàn)生態(tài)安全的重要基礎(chǔ)[8]。最小累積阻力(MCR)模型能夠通過構(gòu)建生態(tài)阻力面進而構(gòu)建生態(tài)廊道,電路理論則用于生態(tài)廊道的模擬和生態(tài)夾點、生態(tài)障礙點的識別,是構(gòu)建生態(tài)安全格局“源地—阻力面—廊道”研究范式的重要方法[9]。基于國土空間的生態(tài)安全格局是國土資源各類景觀的要素、空間位置在相互作用下構(gòu)成的空間格局[10]。它立足區(qū)域尺度,從水源涵養(yǎng)、水土保持、生物多樣性保護等角度為國土空間生態(tài)修復提供理論和技術(shù)支持[11]204。

當前的生態(tài)修復研究多側(cè)重于小尺度、單一或綜合項目的微觀層面[12-14],將生態(tài)安全格局理論與國土空間生態(tài)修復相結(jié)合并將其納入?yún)^(qū)域尺度宏觀層面的研究較少[7]3408,[11]205,[15-16]。清鎮(zhèn)市隸屬貴州省貴陽市,是典型的重點生態(tài)保護地和農(nóng)業(yè)大市,下轄的紅楓湖國家級風景名勝區(qū)擁有豐富的濕地資源和生物資源,是貴陽市一級水源保護區(qū)所在地,也是黔中水利樞紐工程的重要組成部分。清鎮(zhèn)市肩負“保湖”和“富民”兩大使命,然而,城市景觀破碎、石漠化、水土流失問題突出,國土空間生態(tài)修復工作面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。本研究以清鎮(zhèn)市為研究區(qū)域,運用生態(tài)安全格局理論構(gòu)建清鎮(zhèn)市國土空間生態(tài)安全格局,基于山水林田湖草生命共同體理念劃定生態(tài)修復分區(qū),并針對性提出優(yōu)化策略,為緩解有限環(huán)境資源與無限需求之間的矛盾提供空間指引。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

清鎮(zhèn)市地處云貴高原黔中腹地,是貴州省貴陽市下轄的縣級市。該市位于106°7′E~106°33′E,26°21′N~26°59′N,全市總面積將近1 400 km2。境內(nèi)以山地和丘陵為主,東部和西部為巖溶丘陵山地,中部為丘陵盆地,南部為丘陵洼地。清鎮(zhèn)市有著典型的山地氣候特點,雨熱同期且雨量充沛,擁有豐富的水文資源,南部紅楓湖面積57.20 km2,控制流域面積1 551 km2。復雜的地形地貌促成了該地豐富的物種多樣性,清鎮(zhèn)市擁有光葉珙桐等獨特的大型木本植物和白鶴、白鷺、鉗嘴鸛等珍稀保護動物,因此該市是貴州省生態(tài)保護的重點地區(qū)之一,但是,清鎮(zhèn)市生態(tài)環(huán)境脆弱,生態(tài)問題日益顯現(xiàn),耕地質(zhì)量較低,耕地石漠化程度、水土流失狀況嚴重。清鎮(zhèn)市全市常住人口50.29萬人,建設(shè)用地隨著城鎮(zhèn)化進程的加快不斷無序擴張,生態(tài)用地亟需控制和修復。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究所涉及的空間分辨率為30 m的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http:// www.gscloud.cn);行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)(2019年)來自全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)(https://www.webmap.cn/main.do?method=index);2019年的土地利用相關(guān)數(shù)據(jù)來自地理國情監(jiān)測云平臺(http://www.dsac.cn/),比例尺為1∶100 000;自然保護地數(shù)據(jù)來自中國生態(tài)系統(tǒng)評估與生態(tài)安全數(shù)據(jù)庫(http://www.ecosystem.csdb.cn/index.jsp);年降水量和人口密度數(shù)據(jù)分別來自《貴陽市2019年度氣候影響評價》和《2020貴陽統(tǒng)計年鑒》。

2 研究方法

2.1 生態(tài)源地識別

從景觀連通性、生態(tài)保護重要性、生態(tài)功能重要區(qū)域和生態(tài)保護重要區(qū)域幾個方面識別研究區(qū)域內(nèi)具有重要生態(tài)價值的斑塊作為生態(tài)源地[7]3408。景觀連通性是由林地斑塊通過歸一化處理而得;生態(tài)保護重要性是通過資源環(huán)境承載力評價和國土空間開發(fā)適宜性評價而得;生態(tài)功能重要區(qū)域是通過反地形DEM提取山頂點的方法得到;生態(tài)保護重要區(qū)域是通過生態(tài)環(huán)境敏感性評價和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價,再疊加自然保護地數(shù)據(jù)得到。根據(jù)這4個方面的重要程度和空間分布,選取清鎮(zhèn)市生態(tài)源地。

2.2 生態(tài)阻力面與生態(tài)廊道構(gòu)建

根據(jù)斑塊土地利用類型及其特征,考慮源、距離和景觀基面,參考已有研究并結(jié)合清鎮(zhèn)市實際情況對不同土地利用類型阻力系數(shù)進行賦值(見表1),構(gòu)建清鎮(zhèn)市的生態(tài)阻力面[17]。運用MCR模型來模擬物種在清鎮(zhèn)市域中從源地到空間任意一處需要耗費的代價,即源地之間的最小成本路徑(LCP),以反映這些物種在運動過程中存在選擇耗費成本最小的路徑的可能性[18]。

電路理論能夠識別研究區(qū)域是否存在阻礙生態(tài)過程的情況以及阻礙程度,它以單位距離連通性值的大小來表示生態(tài)障礙區(qū)其景觀連通性的強弱程度,以此模擬生態(tài)廊道,形成基礎(chǔ)的生態(tài)格局[11]207。研究綜合考慮生態(tài)廊道的長度、可替代性以及連接生態(tài)源地的重要性,將生態(tài)廊道劃分為關(guān)鍵生態(tài)廊道、重要生態(tài)廊道、一般生態(tài)廊道,以便能夠分級分類管理。

表1 不同土地利用類型阻力系數(shù)Table 1 Resistance coefficients of different land use types

2.3 生態(tài)夾點與生態(tài)障礙點識別

生態(tài)夾點源于將生物流看作電流的電路理論,夾點是電流高度密集的區(qū)域,將其應(yīng)用到景觀生態(tài)學,是指區(qū)域景觀連通的關(guān)鍵節(jié)點,它具有不可替代性,是防止生態(tài)源地退化或損失的關(guān)鍵位置,此位置的破壞會對生態(tài)穩(wěn)定造成很大的影響,對生態(tài)源地起著至關(guān)重要的作用[19]。

生態(tài)障礙點是指阻礙物種在重要生態(tài)區(qū)域之間運動的區(qū)域,移除這些區(qū)域?qū)⒃黾又匾鷳B(tài)區(qū)域之間的景觀連通性[20]。本研究利用生態(tài)源地、生態(tài)阻力面以及生態(tài)廊道成果,并結(jié)合研究區(qū)域的土地利用類型來識別生態(tài)障礙點。

生態(tài)夾點、生態(tài)障礙點分別由Circuitscape軟件中的Pinchpoint Mapper模塊和Barrier Mapper模塊識別,該軟件能夠計算景觀中的電流密度和有效電阻并與生態(tài)過程相聯(lián)系,將低阻力部分分配到最能促進生態(tài)過程的景觀類型當中,而高阻力部分則是分配到阻礙生態(tài)過程的景觀類型中,最終生成生態(tài)廊道的生態(tài)夾點和生態(tài)障礙點。

2.4 國土空間生態(tài)修復分區(qū)

生態(tài)修復分區(qū)是分級分類分階段開展國土空間生態(tài)修復的前提[21],因區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的復雜性和動態(tài)變化性,在劃分生態(tài)修復分區(qū)時綜合考慮影響生態(tài)安全格局的各個因素,才能更好地反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境狀況[11]204。

結(jié)合清鎮(zhèn)市實際情況選取具有代表性的生態(tài)指標(見表2),運用層次分析法(AHP)并利用Yaahp軟件確定指標權(quán)重,通過ArcGIS軟件將指標數(shù)據(jù)進行歸一化處理之后再利用加權(quán)評分法進一步測算清鎮(zhèn)市國土空間生態(tài)修復綜合指數(shù)。綜合考慮各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)其生態(tài)廊道和生態(tài)夾點、生態(tài)障礙點的情況,合理劃定清鎮(zhèn)市國土空間生態(tài)修復分區(qū)。

表2 生態(tài)修復分區(qū)評價指標Table 2 Evaluation index of ecological restoration zoning

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)源地分析

考慮到生態(tài)系統(tǒng)的整體性和國土空間生態(tài)修復工作的連續(xù)性,剔除生態(tài)源地評價結(jié)果中零星的細小斑塊。共選取了14個生態(tài)源地(見圖1),面積為235.72 km2。清鎮(zhèn)市生態(tài)源地主要由林地、水域構(gòu)成,主要分布在南部、東部和北部,主要位于紅楓湖鎮(zhèn)、站街鎮(zhèn)和衛(wèi)城鎮(zhèn)。清鎮(zhèn)市東南部和西北部的生態(tài)環(huán)境狀況較差,沒有成片的生態(tài)源地,犁倭鎮(zhèn)、流長苗族鄉(xiāng)、王莊布依族苗族鄉(xiāng)以及新店鎮(zhèn)的生態(tài)源地分布較少,中心城區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的建設(shè)用地不斷擴張,呈東南—西北走向破壞了該市的景觀連通性。

3.2 基礎(chǔ)生態(tài)安全格局構(gòu)建

阻力的大小受人類活動和自然條件的影響,阻力大的區(qū)域表明物種穿越該斑塊需要耗費更大的代價,不利于生態(tài)過程。清鎮(zhèn)市生態(tài)阻力面構(gòu)建成果如圖2(a)所示,生態(tài)阻力高值區(qū)主要分布在南部,主要的土地利用類型為水域和建設(shè)用地。生態(tài)阻力大的區(qū)域主要是中心城區(qū)和紅楓湖鎮(zhèn),以及站街鎮(zhèn)、麥格苗族布依族鄉(xiāng)、衛(wèi)城鎮(zhèn)、王莊布依族苗族鄉(xiāng)的中心鎮(zhèn)區(qū),除了紅楓湖鎮(zhèn)的阻力是受水域面積的影響之外,其他行政區(qū)域阻力值的高低主要受建設(shè)用地的集中程度和面積的影響,說明這些區(qū)域人類活動的干預(yù)程度較高。

生態(tài)廊道可以連接斑塊,為物種的流動提供路徑,將清鎮(zhèn)市的生態(tài)廊道劃分為關(guān)鍵生態(tài)廊道、重要生態(tài)廊道、一般生態(tài)廊道,構(gòu)建了清鎮(zhèn)市“兩橫三縱”的基礎(chǔ)生態(tài)格局,結(jié)果見圖2(b)。

如表3所示,關(guān)鍵生態(tài)廊道數(shù)量最多,長度也最長,主要分布在市域西部、北部和東部;其次是一般生態(tài)廊道,呈西南—東北向分布;重要生態(tài)廊道最少,僅分布在北部和中部。生態(tài)廊道和生態(tài)源地一同呈現(xiàn)了清鎮(zhèn)市的基礎(chǔ)生態(tài)安全格局,對于市域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的整體性和生態(tài)景觀的連通性有著重要意義。

3.3 生態(tài)修復關(guān)鍵區(qū)域識別

研究利用LCP得出的生態(tài)阻力值,結(jié)合生態(tài)源地和生態(tài)廊道,識別生態(tài)夾點與生態(tài)障礙點。清鎮(zhèn)市生態(tài)廊道電流強度即物種流動通暢度分布見圖3(a)。生態(tài)廊道上的深色區(qū)域為生態(tài)夾點,其電流強度最弱,說明該區(qū)域?qū)τ趨^(qū)域生態(tài)景觀連通性至關(guān)重要。清鎮(zhèn)市的生態(tài)夾點共有11處,面積共計21.17 km2,待修復區(qū)域平均斑塊面積1.92 km2,具體為站街鎮(zhèn)3處、犁倭鎮(zhèn)1處、暗流鎮(zhèn)1處、衛(wèi)城鎮(zhèn)2處、流長苗族鄉(xiāng)2處以及麥格苗族布依族鄉(xiāng)2處,數(shù)量和面積最多的皆為麥格苗族布依族鄉(xiāng)。

表3 清鎮(zhèn)市生態(tài)廊道分類Table 3 Classification of ecological corridor in Qingzhen City

圖3 清鎮(zhèn)市生態(tài)夾點和生態(tài)障礙點電流強度分布Fig.3 Distribution of current intensity of ecological pinch point and ecological barrier in Qingzhen City

清鎮(zhèn)市生態(tài)障礙點識別結(jié)果見圖3(b),生態(tài)廊道上的深色區(qū)域為生態(tài)障礙點,多位于建設(shè)用地分布較為集中的區(qū)域或礦山分布區(qū)域,且多為生態(tài)廊道同生態(tài)源地連接的關(guān)鍵區(qū)域。研究共識別出38處生態(tài)障礙點,面積共計24.92 km2??臻g分布上,除了中心城區(qū)和紅楓湖鎮(zhèn)以外皆存在生態(tài)障礙點,主要分布在站街鎮(zhèn)、衛(wèi)城鎮(zhèn)和新店鎮(zhèn),尤其是站街鎮(zhèn),面積達11.08 km2。

3.4 綜合國土空間生態(tài)修復分區(qū)

對生態(tài)環(huán)境造成破壞的主要因素是人類活動,人口越集中,對生產(chǎn)用地、生活用地的需求越高,對生態(tài)用地的破壞程度越大。研究區(qū)域當前生態(tài)價值低,耕地以坡耕地為主且質(zhì)量較低,平均坡度為3.22°,平均耕地質(zhì)量等別為10~12,耕地石漠化程度嚴重,以中度、重度和極重度石漠化為主,此外水土流失情況也較為嚴重。礦山分布越密集,其開采力度越大,對生態(tài)環(huán)境造成的破壞也就越大。區(qū)域森林覆蓋率、草地覆蓋率、年降水量越高,其生態(tài)價值越大。

基于山水林田湖草生命共同體理念,結(jié)合研究區(qū)域各地的生態(tài)修復綜合指數(shù)和生態(tài)安全格局,利用自然斷點分級法劃定清鎮(zhèn)市國土空間生態(tài)修復分區(qū),成果見圖4。研究將清鎮(zhèn)市國土空間劃分為生態(tài)修復區(qū)、生態(tài)控制區(qū)、生態(tài)提升區(qū)以及生態(tài)保育區(qū),面積分別為684.34、243.93、248.40、179.11 km2。生態(tài)保育區(qū)主要是生物棲息地,是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最優(yōu)也是研究區(qū)域最為關(guān)鍵的地區(qū),劃分該區(qū)的目的是保護生物物種,進而修復退化的生態(tài)系統(tǒng)。設(shè)立生態(tài)提升區(qū)的目的是提高生態(tài)環(huán)境較好區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。生態(tài)控制區(qū)是以生態(tài)保護為前提,通過控制人類的開發(fā)活動來實現(xiàn)區(qū)域的生態(tài)保護。生態(tài)修復區(qū)旨在通過人工干預(yù)修復已遭受嚴重破壞的區(qū)域。

將紅楓湖及周邊區(qū)域劃定為生態(tài)保育區(qū),建立嚴格的棲息地保護政策,實施針對性的瀕危珍稀物種保護措施,保護清鎮(zhèn)市生物多樣性。生態(tài)提升區(qū)包含百花社區(qū)、犁倭鎮(zhèn)以及王莊布依族苗族鄉(xiāng),是具有一定生態(tài)基礎(chǔ),但仍需要提升其總體生態(tài)質(zhì)量的區(qū)域。新店鎮(zhèn)和暗流鎮(zhèn)為生態(tài)控制區(qū),該區(qū)域距中心城區(qū)最遠,且受人類活動的影響程度最小,在未來區(qū)域發(fā)展進程中應(yīng)該合理控制該分區(qū)的開發(fā),推動其生態(tài)恢復。生態(tài)修復區(qū)涉及站街鎮(zhèn)、衛(wèi)城鎮(zhèn)、流長苗族鄉(xiāng)和麥格苗族布依族鄉(xiāng),該分區(qū)為生態(tài)夾點和生態(tài)障礙點集中分布的區(qū)域,其景觀流通性對于市域生態(tài)系統(tǒng)的整體性和連續(xù)性極為重要,需要優(yōu)先考慮修復這個分區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

圖4 清鎮(zhèn)市國土空間生態(tài)修復分區(qū)Fig.4 Ecological restoration zoning of territorial space in Qingzhen City

4 結(jié) 論

(1) 清鎮(zhèn)市生態(tài)源地共14個,面積235.72 km2,主要由林地、水域構(gòu)成,主要分布在南部、東部和北部,主要位于紅楓湖鎮(zhèn)、站街鎮(zhèn)和衛(wèi)城鎮(zhèn)。

(2) 關(guān)鍵、重要、一般3個等級的生態(tài)廊道形成了清鎮(zhèn)市“兩橫三縱”的基礎(chǔ)生態(tài)格局,其中關(guān)鍵生態(tài)廊道主要分布在市域西部、北部和東部,一般生態(tài)廊道呈西南—東北向分布,重要生態(tài)廊分布在北部和中部。

(3) 待修復關(guān)鍵區(qū)域為:清鎮(zhèn)市生態(tài)夾點11處,面積21.17 km2,平均斑塊面積1.92 km2,其中麥格苗族布依族鄉(xiāng)數(shù)量和面積最多。生態(tài)障礙點38處,面積共計24.92 km2,主要分布在站街鎮(zhèn)、衛(wèi)城鎮(zhèn)和新店鎮(zhèn)。

(4) 選取人口密度、耕地質(zhì)量等別、礦山分布密度、森林覆蓋率、草地覆蓋率、年降水量6個指標,結(jié)合基礎(chǔ)生態(tài)安全格局將清鎮(zhèn)市劃分為生態(tài)保育區(qū)、生態(tài)提升區(qū)、生態(tài)控制區(qū)以及生態(tài)修復區(qū),分區(qū)分類分階段進行生態(tài)修復。需要優(yōu)先考慮開展修復工作的是生態(tài)修復區(qū),面積為684.34 km2,包括站街鎮(zhèn)、衛(wèi)城鎮(zhèn)、流長苗族鄉(xiāng)和麥格苗族布依族鄉(xiāng);需要提升總體生態(tài)質(zhì)量的是生態(tài)提升區(qū),面積為248.40 km2,包括百花社區(qū)、犁倭鎮(zhèn)以及王莊布依族苗族鄉(xiāng);需要控制開發(fā)利用程度的是生態(tài)控制區(qū),面積為243.93 km2,包括新店鎮(zhèn)和暗流鎮(zhèn);生態(tài)保育區(qū)涵蓋紅楓湖鎮(zhèn)及周邊區(qū)域,是重要的生物棲息地,應(yīng)實施嚴格的生物多樣性保護措施,其面積為179.11 km2。

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