王曉玉,馮 喆,2,*,吳克寧, 2,林 倩

1 中國地質大學(北京)土地科學技術學院, 北京 100083 2 自然資源部土地整治重點實驗室, 北京 100035 3 寧波市城鄉(xiāng)規(guī)劃研究中心, 寧波 315042

長期以來,由于社會經(jīng)濟的高速發(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、實施生態(tài)修復成為應對生態(tài)問題、建設美麗中國的戰(zhàn)略舉措[2]。

構建生態(tài)安全格局是維護生態(tài)安全的有效途徑[3]。生態(tài)安全格局理論興起于20世紀90年代,經(jīng)過學者的一系列探索,逐步形成了由生態(tài)源地、廊道、節(jié)點、網(wǎng)絡等要素組成的生態(tài)空間優(yōu)化模式[4- 7]。馬克明等提出了區(qū)域生態(tài)安全格局構建的理論基礎,強調(diào)區(qū)域生態(tài)安全格局的構建要以協(xié)調(diào)人與自然的關系為中心[4]。俞孔堅等通過對北京市的水文、地質災害、文化遺產(chǎn)等的系統(tǒng)分析,判別關鍵性景觀格局,構建了不同安全水平的綜合生態(tài)安全格局[5]。彭健等運用水源涵養(yǎng)、土壤保持等評價生態(tài)保護重要性,并用地質災害敏感性修正基本阻力面,構建區(qū)域生態(tài)安全格局[6]。景永才等認為城市群、城市區(qū)域內(nèi)部等的生態(tài)系統(tǒng)服務供需的多尺度評價與城市功能分區(qū)等將是未來生態(tài)安全格局的研究重點,并通過生態(tài)系統(tǒng)服務供需流進行了生態(tài)安全格局的構建與優(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)過程的空間運動,識別對區(qū)域生態(tài)安全有關鍵作用的生態(tài)廊道及其空間位置和相互關系[10- 12],進而組成生態(tài)安全網(wǎng)絡[13- 15]。在生態(tài)安全格局構建的過程中,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。構建結果可為實施區(qū)域生態(tài)修復提供空間依據(jù)[18- 20]。因此,將山水林田湖草生命共同體理念融入生態(tài)安全格局構建,能夠有效緩解區(qū)域生態(tài)安全與經(jīng)濟發(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)安全格局構建方法中,對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),針對當?shù)厣锒鄻有該p失、生境破碎化等問題,結合生境質量與景觀連通性評價結果識別生態(tài)源地；以土地利用類型為基礎設定基礎阻力值,并通過水體、林地鄰域分析與地形因素進行修正,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別生態(tài)廊道,構建區(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),來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(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個一級類型以及25個二級類型?？臻g分辨率為30 m。DEM來自于美國地質勘查局的提供的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)源地的識別

生態(tài)源地是指維護區(qū)域生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展必須加以保護的區(qū)域[23],是物種擴散、生態(tài)功能流動與傳遞的源點。本研究結合生境質量和景觀連通性評價識別生態(tài)源地。

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

表1 威脅數(shù)據(jù)

景觀連通性是對景觀空間結構單元之間連續(xù)性的度量。較高的景觀連通性有利于維護生態(tài)過程以及生物多樣性。本研究通過Conefor 2.8計算景觀連通性,運用整體連通性指數(shù)(Integral Index of Connectivity,IIC) 和可能連通性指數(shù)(Probability of Connectivity,PC) 對研究區(qū)景觀的連通性進行評價。在連通性指數(shù)計算的基礎上,計算每個斑塊的重要性dIIC,即每個景觀斑塊對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)計算過程中,斑塊距離的閾值設為500 m,連通概率設為0.5。計算公式如下：

dIIC=(IIC-IICremove)/IIC×100%

(1)

式中,dIIC表示某斑塊被移除后PC的變化,用來衡量該斑塊對于維持景觀連通性的重要程度。IICremove為去除單個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,將生境質量評價圖與景觀連通性評價圖等權疊加,按照自然斷點法對生態(tài)保護重要性分為5級。由于細碎斑塊輻射作用有限,選擇生態(tài)保護極重要區(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建

物種在區(qū)域間進行空間運動需要克服阻力,通過設定由生態(tài)源地向其他景觀單元擴散的最小阻力值,判斷各景觀單元至生態(tài)源地的可達性與連通性,阻力面作為構建廊道的基本途徑,對生態(tài)安全格局起著重要作用。山水林田湖草為一個生命共同體,各要素之間相互影響,互相融合[22],利用這一原理構建阻力面,使生態(tài)廊道更加科學合理。符合研究區(qū)實際情況。

選擇土地利用類型作為構建阻力面的主要因子,依據(jù)土地利用類型對研究區(qū)設置基本阻力面。考慮研究區(qū)各生態(tài)要素之間相互作用,按照生態(tài)效益的不同分別對其進行緩沖區(qū)分析,作為對基礎阻力面的修正(表2)。以林地為例,林地范圍內(nèi)阻力值設為1,緩沖區(qū)500 m范圍內(nèi)阻力值設為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,與林地的關系不大,因此阻力值設為50。在地形修正方面,選擇高程、坡度兩個因子作為地形指標的表現(xiàn)方式,水體方面,選擇湖泊水庫、河渠、灘涂3種水資源形式對基本阻力面進行修正,分別對林地、湖泊水庫、河渠、灘涂進行有差異的緩沖區(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,在對水體及其緩沖區(qū)進行阻力賦值時,臨近水體阻力值較水體范圍內(nèi)低。同樣,對林地進行緩沖區(qū)分析,與水體不同,林地范圍內(nèi)阻力值設定最低,隨著距離的增加,阻力值隨之提高。

表2 阻力值設置

1.3.3生態(tài)安全格局構建

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性。在生態(tài)源地識別及擴張阻力面構建的基礎上,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)廊道提取的基礎上,對其進行疊置組合,形成研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡。選擇生態(tài)源地提取中的生態(tài)重要性4級、5級區(qū)域作為生態(tài)保育區(qū),對生態(tài)源地與生態(tài)廊道所形成的生態(tài)網(wǎng)絡進行補充,形成研究區(qū)點-線-面的生態(tài)安全格局。

2 結果分析

2.1 生態(tài)重要性分級

經(jīng)過歸一化處理后的研究區(qū)生境質量分布如圖2所示,生境質量兩極化嚴重,生境質量為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)域生境質量差異不大,生境質量高值區(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,山脈與林地基本構成了棲息地質量高值區(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用地連通性同樣不高。

將歸一化的景觀連通性與生境質量進行等權疊加,得到研究區(qū)生態(tài)重要性分級圖,如圖3所示,生態(tài)保護極重要區(qū)域5級面積181.57 km2,占研究區(qū)總面積的5%,各個斑塊面積較小,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)保護重要性前3級區(qū)域構成初步的山水林田湖草生命共同體。選取9個面積最大的生態(tài)極重要區(qū)域作為生態(tài)源地,構建研究區(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)重要性評價結果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)土地利用類型進行基本阻力面的設置,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)部設置阻力值最小,對高程進行阻力值設定,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。對研究區(qū)水體進行緩沖區(qū)分析,由圖4可知,研究區(qū)湖泊水庫密布,廣泛分布于各個區(qū)域；河流與灘涂面積較小,以景觀單元的阻力值對整體阻力面進行修正。

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。

2.3 關鍵生態(tài)廊道識別與生態(tài)安全格局構建

在生態(tài)源地提取的基礎上,利用最小累積阻力模型識別生態(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)過程運動頻繁的重要表現(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,構成了研究區(qū)點線面狀的生態(tài)安全格局。把生態(tài)重要4級區(qū)域作為生態(tài)保育區(qū),作為對生態(tài)源地的保護與補充。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)在進行生態(tài)修復及開發(fā)建設時,結合“山水林田湖草是一個生命共同體”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運動和能量轉移,實現(xiàn)自然資源的永續(xù)利用。

3 結論與討論

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量進行等權疊加,得到研究區(qū)生態(tài)重要性分級圖,其中,級數(shù)越高,生態(tài)重要性越強。生態(tài)最重要區(qū)域5級面積181.57 km2,占研究區(qū)總面積的5%,各個斑塊面積較小,在研究區(qū)內(nèi)呈零散分布,按照各斑塊面積大小,選取8個面積最大的生態(tài)重要性一級區(qū)域作為生態(tài)源地,構建研究區(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,對由土地利用類型設定的基礎阻力面進行修正,從而識別出更加符合生態(tài)能量流動的生態(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級其他區(qū)域與四級區(qū)域作為生態(tài)保育區(qū),開展山水林田湖草生態(tài)修復,將源地、廊道、生態(tài)保育區(qū)等生態(tài)要素疊置,從而構建完整的生態(tài)安全格局。

生態(tài)源地是生態(tài)安全格局構建的基礎,是維護區(qū)域生態(tài)安全和生態(tài)功能必須加以重點保護的區(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。本研究在生態(tài)重要性分級的基礎上,首先確定了要選擇的源地數(shù)量,然后根據(jù)面積的大小,選擇生態(tài)源地。這個方法在一定程度上保證了生態(tài)重要建設區(qū)域的數(shù)量和分布,但是對尺度問題考慮不夠,生態(tài)源地數(shù)量的確定主觀性較強,以期在接下來的研究中加以深化改進。

本文基于山水林田湖草生命共同體理念構建阻力面,運用了高程及坡度數(shù)據(jù)對阻力面進行修正,事實上,地形因素對生態(tài)運動及生態(tài)過程影響較大。以地形作為指標對研究區(qū)基本阻力面進行修正,體現(xiàn)出“山”對于生態(tài)安全格局構建的重要性。另外,林地和水域作為重要的生態(tài)要素,對周邊的景觀單元產(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)要素與地形對基礎阻力面進行修正之后,所產(chǎn)生的綜合阻力面能細致的體現(xiàn)每一景觀單元對生態(tài)過程的影響,從而使廊道的走向與分布更具科學性。

山水林田湖草是一個生命共同體,基于本研究所構建的生態(tài)安全格局,在構建過程中體現(xiàn)此理念,更在格局中形成了景觀共同體。一方面,生態(tài)安全格局強調(diào)生態(tài)過程的完整性,促進生態(tài)要素功能和結構的協(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)廊道更加科學合理,符合實際。生態(tài)源地與生態(tài)保育區(qū)的保護更要結合生命共同體理論,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)服務功能,保護生物多樣性,在生態(tài)廊道加強綠色基礎設施建設,維持生態(tài)源地內(nèi)部及生態(tài)源地之間的物質能量流動。在生態(tài)保育區(qū)內(nèi)加強山水林田湖草生態(tài)保護修復,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)或自然災害對生態(tài)環(huán)境造成不可恢復的破壞,需要特殊保護與生態(tài)修復。生態(tài)廊道連接區(qū)域各地,將區(qū)域貫通為一個有機的整體,在生態(tài)廊道區(qū)域加強綠色基礎設施建設,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)境質量,更好的有序推進山水林田湖草生態(tài)保護修復。