尹婧博,李 紅,王冬艷,劉蜀涵
(1.吉林大學 地球科學學院,吉林 長春130061;2.東北大學 文法學院,遼寧 沈陽110169)
生態(tài)脆弱區(qū)一般維持系統(tǒng)自身的穩(wěn)定和抵抗外界干擾能力較弱,在自然條件和人類活動多重因素脅迫下,資源環(huán)境矛盾突出,生態(tài)環(huán)境壓力已接近甚至超過區(qū)域生態(tài)的承載力[1,2]。生態(tài)安全格局基于過程與格局的相互作用機制,以景觀生態(tài)學為理論支持,通過模擬不同生態(tài)過程識別出對維持生態(tài)系統(tǒng)健康和安全具有關鍵意義的斑塊,將優(yōu)化區(qū)域生態(tài)環(huán)境的對策和措施落實到空間地域,以實現(xiàn)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題的有效控制和改善[3,4]。從生物多樣性保護角度構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局,針對生態(tài)系統(tǒng)本底特征,優(yōu)化用地結(jié)構(gòu)和布局,對保護和恢復區(qū)域特別是生態(tài)脆弱區(qū)的生物多樣性具有非常重要的意義[5]。
生物多樣性是生物與環(huán)境形成的生態(tài)復合體以及與此相關的各種生態(tài)過程的總和,由遺傳多樣性、物種多樣性、生態(tài)系統(tǒng)多樣性和景觀多樣性4個部分組成,是生態(tài)安全和國家糧食安全的基本保障,也是人類賴以生存的物質(zhì)基礎[6,7]。其中,物種多樣性是生物多樣性中最主要的結(jié)構(gòu)和功能單位,也是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,用來表示一定區(qū)域內(nèi)物種的豐富程度[8]。
近年來一些學者從生物多樣性保護角度進行了生態(tài)安全格局的相關研究。其中,俞孔堅通過模擬物種水平空間運動過程,構(gòu)建了包含源、緩沖區(qū)、源間連接、輻射道和戰(zhàn)略點等景觀組分的典型生態(tài)安全格局[9]。在此基礎上相關學者分別嘗試在自然保護區(qū)[10]、三江平原[11]、外來物種引種區(qū)[12]、城市經(jīng)濟區(qū)[13]等不同空間尺度內(nèi)構(gòu)建生物多樣性保護的安全格局。
吉林省西部生態(tài)脆弱區(qū)是農(nóng)牧兩種生態(tài)系統(tǒng)的交界過渡區(qū)域,草地退化、土地沙化、土地鹽堿化、濕地退化等生態(tài)環(huán)境問題嚴重,致使區(qū)域物種棲息地遭到破壞,生物多樣性受到損失[14]。本文選擇位于吉林省西部典型生態(tài)脆弱區(qū)的大安市為研究區(qū)域,以景觀生態(tài)學為理論基礎,選取目標物種的現(xiàn)有棲息地為源地,在充分考慮物種空間運動影響因素的前提下,確定阻力因子和相對阻力值;運用MCR模型構(gòu)建最小累積阻力面,并提取生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點,綜合分析和判別研究區(qū)的生物多樣性保護安全格局,以期為大安市生物多樣性的保護和生態(tài)環(huán)境的恢復提供有價值的參考。
大安市位于吉林省的西北部,地處松嫩平原腹地,位于123°08′45″—124°21′56″E、44°57′00″—45°45′51″N之間。大安市東與黑龍江省隔江相望,西與洮南市、通榆縣接壤,南與松原市相鄰,北以洮兒河為界與鎮(zhèn)賚縣毗鄰,總面積4879km2,地面海拔高程為120—160m(圖1)。
大安市屬半干旱溫帶季風氣候,大陸性明顯,全年四季分明,年降水量300—400mm,多集中在夏季,境內(nèi)湖泊河流眾多,主要有嫩江、洮兒河和霍林河等水域。大安市位于生態(tài)環(huán)境變化的敏感區(qū)域,近年來受氣候條件和人類活動的影響,土壤沙化、鹽堿化、濕地面積萎縮等生態(tài)環(huán)境問題日益嚴重,區(qū)域生物數(shù)量和種類銳減。
受地形和氣候等因素的影響,研究區(qū)內(nèi)形成了面積較廣的沼澤和濕地,包括嫩江灣國家濕地公園、大安牛心套保國家濕地公園和月亮灣蓄洪滯洪區(qū)等。大安市鳥類和魚類等生物資源豐富,其中嫩江灣國家濕地公園有野生動物56種,鳥類30種,魚類47種;牛心套保國家濕地公園有野生動物142種,其中包括丹頂鶴、東方白鸛、大鴇、大天鵝、鴛鴦、灰燕、灰鶴等鳥類。研究區(qū)是這些鳥類重要的生存繁衍地和南北遷移的中轉(zhuǎn)站,對這些鳥類進行生物保護安全格局分析是構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局的重要內(nèi)容,對保護區(qū)域生物多樣性、維護生態(tài)系統(tǒng)服務功能具有重要意義。
圖1 研究區(qū)位置
本研究中所采用數(shù)據(jù)主要包括2015年大安市土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)與ASTER GDEM 30m 分辨率高程數(shù)據(jù)。根據(jù)研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀和研究目的,將土地利用數(shù)據(jù)重新整合分類,共分為濕地、林地、草地、耕地、鹽堿地、居民點及工礦用地和交通用地七種土地利用類型;DEM數(shù)據(jù)來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心地理空間數(shù)據(jù)的云平臺(http://www.gscloud.cn),進一步利用ENVI 5.1軟件對DEM數(shù)據(jù)進行拼接和裁剪,并運用ArcGIS 10.2軟件進行坡度等數(shù)據(jù)的提取。
“源”是一切生態(tài)過程的起點,源地是對區(qū)域生態(tài)過程和格局發(fā)展起正向推動作用的景觀類型,是構(gòu)建生態(tài)安全格局的基礎[15]。一般情況下,生物多樣性保護安全格局中的源地為目標物種的現(xiàn)有自然棲息地,能夠充分反映研究區(qū)物種的生境特點,具有廣泛的代表性和內(nèi)部同質(zhì)性[9,16]。
物種對環(huán)境的利用表現(xiàn)為對空間的控制和覆蓋過程,阻力面是物種從一種景觀類型向另一種景觀類型擴散時克服阻力所形成的趨勢面,反映了物種從源地到達目的地的相對難易程度[17,18]。最小累積阻力是指物種從源地通過不同阻力的景觀類型所累積耗費的最小成本,反映了景觀格局與生態(tài)過程之間的相互關系[19-21]。本文采用最小累積阻力模型(MCR),以源地、相對阻力、空間距離三個要素為基礎建立阻力面,計算公式為[22]:
(1)
式中,MCR為最小累積阻力;f為景觀類型與生態(tài)過程之間的正相關函數(shù);Dij為空間中任意一點i到源地j的距離;Ri為景觀i對物種運動的相對阻力。
在景觀生態(tài)學中,廊道一般被定義為景觀中與相鄰兩邊環(huán)境不同的線性或帶狀結(jié)構(gòu)[23]。生態(tài)廊道將區(qū)域內(nèi)因破碎化而分離的小面積源地連接起來,為各個獨立的源地提供空間上接觸的可能性,使之形成更大的生態(tài)系統(tǒng),減少因源地分離而引起的“孤島”效應,是目標物種生存繁衍和擴散遷徙的低阻力通道[24]。生態(tài)節(jié)點是廊道上生態(tài)功能最薄弱的點,是對目標物種的遷徙和擴散具有關鍵作用的戰(zhàn)略點[17,25]。
本文中生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點的提取采用ArcGIS10.2空間分析模塊中的水文分析工具,通過正負地形提取、填洼、流向分析、計算流水累積量、鄰域分析等步驟提取最小累積阻力面的“谷線”和“脊線”,將生成的低阻力谷線作為生態(tài)廊道,“谷線”和“脊線”的交點作為生態(tài)節(jié)點。
在建立研究區(qū)最小累積阻力面后,為了對區(qū)域整體生態(tài)安全水平有更清晰的認識,以最小累積阻力面中阻力值的突變點作為不同安全水平區(qū)的分界點,將研究區(qū)劃分為低安全水平區(qū)、較低安全水平區(qū)、中等安全水平區(qū)和高安全水平區(qū)四個等級。其中,低安全水平區(qū)物種水平運動克服的阻力最小,是物種在源地間擴散遷移的必經(jīng)區(qū)域。高安全水平區(qū)是物種空間水平運動的阻力高值區(qū),物種克服阻力到達該區(qū)域的難度較大,就生物多樣性保護安全格局而言,該區(qū)域安全水平較高。
吉林省大安市雖然屬于生態(tài)脆弱區(qū),但是動植物資源非常豐富,由于植物受外界干擾的反映不易觀察,對其他物種的代表性不強;魚類的棲息地類型比較單一,且水平空間運動范圍受限,因此植物和魚類不適宜作為構(gòu)建生物多樣性保護安全格局的目標物種[26,27]。
本文首先選取研究區(qū)內(nèi)具有廣泛代表性的珍稀瀕危鳥類——東方白鸛、丹頂鶴、白鶴和大鴇作為目標物種,它們均為國家一級保護鳥類,喜生活在沼澤地、湖泊、水塘以及河岸沼澤地帶,研究區(qū)是它們重要的生存繁衍地,也是南北遷移途中的中轉(zhuǎn)站。其次以目標物種的棲息地——濕地為源地,主要包括沼澤地、河流水面、湖泊水面、坑塘水面、內(nèi)陸灘涂等土地利用類型,剔除部分面積小、分布零散、對生物保護安全格局影響較小的濕地斑塊,將部分面積較小但分布集中的斑塊與鄰接的大面積斑塊進行合并處理。
本文最后識別出研究區(qū)的源地總面積為547.93km2,占研究區(qū)總面積的11.23%,北部源地相對集中連片,包括東北部的嫩江灣國家濕地公園、月亮泡水庫、洮兒河流域和五間房水庫等水域;南部源地斑塊面積普遍較小,且呈離散破碎化分布,包括南部的牛心套保國家濕地公園、霍林河流域下游以及東部查干湖的部分地區(qū)。
表1 研究區(qū)各阻力因子的相對阻力值
圖2 研究區(qū)單因子阻力面
已有研究表明,土地利用類型和人類活動干擾是影響物種生存和繁衍的主要因素,物種棲息地的質(zhì)量取決于物種與人類利用土地的距離和人類活動的強度[21]。本文首先通過模擬分析了目標物種的空間擴散過程,將土地利用類型、距道路的距離、距居民點的距離和坡度作為影響物種空間運動的阻力因子。其次依據(jù)大量文獻資料設定各阻力因子的相對阻力值(表1),用層次分析法確定阻力因子權重,將相對阻力值擬定在0—100之間,景觀類型與物種棲息地越相似,物種運動過程中所克服的阻力越小,相對阻力值就越接近于0[19,20,28]。最后以源地為要素源數(shù)據(jù),以綜合阻力因子阻力面為成本數(shù)據(jù),采用成本—距離模型,生成研究區(qū)最小累積阻力面(圖2、圖3)。
生態(tài)廊道和節(jié)點是目標物種在源地間交流的關鍵通道和戰(zhàn)略點[18]。在最小累積阻力面中,生態(tài)廊道是相鄰兩源地間的低阻力通道,生態(tài)節(jié)點是最小累積阻力面上低阻力通道和高阻力通道的交點[19]。經(jīng)篩選共提取研究區(qū)范圍內(nèi)的生態(tài)廊道56條,總長度165.77km,生態(tài)節(jié)點53個(圖4)。從整體上看,大安市生態(tài)廊道和節(jié)點呈南北兩極化分布,北部地區(qū)的源地面積較大且分布集中,因此該區(qū)域生態(tài)廊道和節(jié)點數(shù)量相對較少;南部地區(qū)的單個源地面積較小且零星分布,生態(tài)廊道和節(jié)點分布集中且連通性較好,生態(tài)系統(tǒng)相對穩(wěn)定(圖5)。
圖3 研究區(qū)最小累積阻力面
圖4 研究區(qū)生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點分布
圖5 研究區(qū)生物多樣性保護安全格局
從圖5、表2可見出,大安市不同安全水平區(qū)在數(shù)量和空間分布上具有一定的差異性。大安市低安全水平區(qū)的面積共計2255.59km2,占研究區(qū)總面積的46.23%,主要分布在龍沼鎮(zhèn)、海坨鄉(xiāng)、大崗子鎮(zhèn)和月亮泡鎮(zhèn),還包括大安市北部地區(qū)的嫩江沿岸和洮兒河沿岸的濕地保護區(qū),涵蓋了月亮灣蓄洪滯洪區(qū)、五間房水庫和大安牛心套保自然保護區(qū)等大面積水域和濕地,土地利用類型以濕地、草地、耕地和鹽堿地為主;南部地區(qū)的龍沼鎮(zhèn)、大崗子鎮(zhèn)和海坨鄉(xiāng)的土地利用率較低,區(qū)域內(nèi)有一定面積的鹽堿地,且交通設施不完善,經(jīng)濟發(fā)展相對落后;低安全水平區(qū)是涵蓋目標物種的核心棲息場所,也是維護研究區(qū)生物多樣性的重點地區(qū)。
大安市較低安全水平區(qū)面積為1287.35km2,占研究區(qū)總面積的26.39%,主要分布在兩家子鎮(zhèn)的東南部、大崗子鎮(zhèn)的北部、新平安鎮(zhèn)的中部,用地類型以耕地和草地為主,是典型的農(nóng)牧交錯區(qū),因此合理適度的農(nóng)業(yè)開發(fā)和草地保護是維護大安市生態(tài)安全的主要途徑。該區(qū)域主要分布在低安全水平區(qū)的外圍,是低安全水平區(qū)的重要保護屏障,對人類干擾活動有一定的緩沖作用。大安市較低安全水平區(qū)總體的生態(tài)服務功能處于較高水平,是低水平區(qū)和中水平區(qū)、高水平區(qū)之間能量流動和物質(zhì)循環(huán)的“橋梁”。
表2 研究區(qū)生物多樣性保護安全格局
大安市中等安全水平區(qū)的土地面積共計為959.15km2,占研究區(qū)土地總面積的19.66%,主要位于大安市聯(lián)合鄉(xiāng)中部、兩家子鎮(zhèn)的北部,樂勝鄉(xiāng)的東南部、叉干鎮(zhèn)的東部以及舍力鎮(zhèn)、燒鍋鎮(zhèn)鄉(xiāng)和新平安鎮(zhèn)的部分地區(qū),土地利用類型主要以草地、耕地、居民點用地和交通用地為主,是研究區(qū)內(nèi)的限制性建設區(qū)。
大安市高安全水平區(qū)面積最小為376.82km2,占全區(qū)土地總面積的7.72%,集中分布在大安市樂勝鄉(xiāng)、燒鍋鎮(zhèn)鄉(xiāng)、舍力鎮(zhèn)和叉干鎮(zhèn)的相接處,區(qū)域的用地類型以居民點、交通用地、耕地和草地為主。大安市高安全水平區(qū)是研究區(qū)的適宜建設區(qū),可以適度開展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動。
生態(tài)廊道作為物種遷徙擴散的低阻力通道,是各個安全水平區(qū)之間能量流動和物質(zhì)循環(huán)的高效通道。部分生態(tài)廊道跨越不同的安全水平區(qū)而實現(xiàn)源地間的連通,使生態(tài)系統(tǒng)的信息流在不同安全水平區(qū)間進行傳遞。構(gòu)建和優(yōu)化區(qū)域生態(tài)廊道網(wǎng)絡對強化生態(tài)環(huán)境的抗干擾能力、維護區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)安全具有關鍵作用。
從整體上看,研究區(qū)生態(tài)廊道和節(jié)點分布不均衡,形成南北兩大組團,僅有大安市的五間房水庫和牛心套保濕地公園之間一條連接南北源地的生態(tài)廊道。因此,建議在大安市安廣鎮(zhèn)的他拉紅泡和同建鄉(xiāng)漁場之間、大賚鄉(xiāng)和四棵樹鄉(xiāng)之間以及同建鄉(xiāng)水庫和查干湖之間增設三條生態(tài)廊道,以增強研究區(qū)南北生態(tài)系統(tǒng)的連通性。此外,綜合考慮區(qū)域的自然條件、人文條件和廊道建設的難易程度,建議優(yōu)先建設大安市同建鄉(xiāng)水庫和查干湖之間的生態(tài)廊道和節(jié)點,在不破壞物種現(xiàn)有棲息地自然屬性的基礎之上,修筑河道、水渠等與目標物種棲息地生境相近的廊道作為物種遠距離遷徙的低阻力通道,并在廊道兩側(cè)修建綠化帶以減弱對周圍環(huán)境的干擾。由于源地距離較遠,需跨越多個安全水平區(qū),可以在物種空間運動阻力較大的節(jié)點處修建水庫、河泡等可供目標物種停歇的中轉(zhuǎn)站。
安廣鎮(zhèn)的他拉紅泡和同建鄉(xiāng)漁場之間、大賚鄉(xiāng)和四棵樹鄉(xiāng)之間的兩條生態(tài)廊道,由于其間有琿烏高速、G302國道和長白鐵路穿過,且大賚鄉(xiāng)位于大安市市區(qū),進行生態(tài)廊道和節(jié)點建設的難度較大,建議設置供物種遷徙擴散的空中走廊,同時在道路兩側(cè)修建綠化隔離帶,增加城市綠地面積,推進城市的生態(tài)文明建設,以減小生態(tài)廊道和節(jié)點建設面臨的阻力,最大程度地降低城市經(jīng)濟建設和道路交通對生態(tài)環(huán)境的影響。該區(qū)域的道路和城市的生態(tài)化管理對維護生態(tài)系統(tǒng)的完整性和連通性是至關重要的(圖6)。此外,生態(tài)廊道和節(jié)點的建設還需要各安全水平區(qū)之間的協(xié)同配合,任何一個安全水平區(qū)生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量下降,都可能導致生態(tài)廊道的斷裂甚至消失。因此,各安全水平區(qū)應加強生態(tài)系統(tǒng)的修復和治理,避免人類活動破壞生態(tài)環(huán)境,影響物種在源地間的遷移和擴散。
圖6 研究區(qū)生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點優(yōu)化
大安市低安全水平區(qū)是維護區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務功能的基本保障,該區(qū)是生態(tài)廊道和節(jié)點的集中分布區(qū)。該區(qū)域僅南部龍沼鎮(zhèn)、大崗子鎮(zhèn)和海坨鄉(xiāng)就分布了研究區(qū)近60%的生態(tài)廊道,這些廊道距離小、分布密集,可將霍林河流域破碎化的濕地連接成一個完整的生態(tài)網(wǎng)絡。因此,應加強大安市低安全水平區(qū)的鹽堿地治理,合理開展以生物、壓沙和化學等多種方法為主的鹽堿地治理工程,主動防治鹽堿地的擴張和惡化;在濕地保護方面,可利用區(qū)域的水源優(yōu)勢,修筑濕地引水、蓄水工程,保證大面積集中連片的濕地不萎縮,在面積小、分布零散的濕地之間建設生態(tài)廊道,使這些區(qū)域形成生態(tài)網(wǎng)絡,發(fā)揮整體的生態(tài)服務功能;大安市低安全水平區(qū)內(nèi)的濕地公園應實施嚴格的規(guī)劃和管理,劃定旅游業(yè)等第三產(chǎn)業(yè)的開發(fā)范圍,在旅游高峰期限制公園內(nèi)的游客數(shù)量,注意對公園內(nèi)游客丟棄的垃圾及時進行清理,保持濕地的自然形態(tài),避免人類活動的過度開發(fā)對濕地生態(tài)系統(tǒng)造成破壞和威脅。此外,禁止在濕地上進行油田開采,特別是查干湖濕地及其周邊區(qū)域的油田開發(fā)工程應盡早搬遷,杜絕人類活動對濕地生態(tài)系統(tǒng)的破壞。
低安全水平區(qū)是對人類的開發(fā)利用活動最為敏感的區(qū)域,為充分保護研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境和生物多樣性,應將這些區(qū)域劃定為大安市的禁止開發(fā)建設區(qū)。大安市較低安全水平區(qū)內(nèi)應對該區(qū)域的土地用途加以管制,發(fā)展以農(nóng)牧業(yè)為主的第一產(chǎn)業(yè),分別劃定耕地和草地用地紅線,避免因過度開墾而導致出現(xiàn)土壤沙化、鹽堿化等問題。此外,應限制耕地的農(nóng)藥和化肥的使用量,減少對水體和濕地系統(tǒng)的污染。大安市中等安全水平區(qū)對人類活動干擾的敏感度較低,可繼續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)等第一產(chǎn)業(yè),并且合理利用區(qū)位優(yōu)勢發(fā)展交通運輸業(yè)、旅游業(yè)等第三產(chǎn)業(yè)。大安市高安全水平區(qū)也應注重對生態(tài)環(huán)境的保護,限制經(jīng)濟開發(fā)的強度和規(guī)模,對區(qū)域內(nèi)的企業(yè)進行實時監(jiān)控,避免污染型企業(yè)和工廠破壞生態(tài)環(huán)境。
本文以吉林省西部典型生態(tài)脆弱區(qū)的大安市作為研究區(qū)域,針對典型生態(tài)脆弱區(qū)面臨的生態(tài)環(huán)境問題,從生物多樣性保護角度入手,以景觀生態(tài)學為理論基礎,運用MCR模型建立最小累積阻力面,構(gòu)建了以源地為核心,以生態(tài)廊道為橋梁,以最小累積阻力面為基礎的生物保護安全格局,為有效保護吉林省大安市東方白鸛、丹頂鶴、白鶴和大鴇等珍貴物種棲息地,緩解區(qū)域資源環(huán)境壓力提供現(xiàn)實可行的方法。
基于最小累積阻力面共識別大安市生態(tài)廊道56條,總長度165.77km,生態(tài)節(jié)點53個。從空間分布上看,大安市北部源地的面積普遍較大且分布比較集中,該區(qū)域生態(tài)廊道和節(jié)點數(shù)量相對較少;南部地區(qū)單個源地面積較小且零星分布,是生態(tài)廊道和節(jié)點的集中分布區(qū)。因此,大安市應構(gòu)建基于“源地—廊道—節(jié)點”的生態(tài)網(wǎng)絡,修復和優(yōu)化生物多樣性保護的安全格局,平衡各安全水平區(qū)間的物質(zhì)循環(huán)和能量流動,對維護該區(qū)域生態(tài)安全具有十分重要的意義。
在生物多樣性保護安全格局中,不同的安全水平區(qū)具有一定的空間差異性,該區(qū)域的低安全水平區(qū)面積為2255.59km2,占研究區(qū)總面積的46.23%;較低安全水平區(qū)總面積為1287.35km2,占研究區(qū)總面積的26.39%;中等安全水平區(qū)總面積為959.15km2,占研究區(qū)土地總面積的19.66%;高安全水平區(qū)面積最小為376.82km2,占研究區(qū)總面積的7.72%。其中,低安全水平區(qū)是該區(qū)域物種擴散遷移的必經(jīng)區(qū)域。該區(qū)域是生物多樣性保護的重點,也是維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務功能的底線,應將其劃定為研究區(qū)的禁止建設區(qū),加大生態(tài)修復力度,保護區(qū)域的生態(tài)環(huán)境。
本文囿于行政邊界和數(shù)據(jù)獲取的影響,在源地選擇上僅選取了洮兒河流域、查干湖及嫩江水域在大安市內(nèi)的部分區(qū)域,而物種的空間運動很大程度上受到自然地物整體性和分布范圍的影響,因此在生態(tài)源地的選擇、生態(tài)廊道的識別和建立等方面還有待進一步完善。在今后的研究中可以考慮基于自然地理事物的完整性及其對生物多樣性的影響,構(gòu)建更大尺度的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)安全格局,并進行深入的研究。