蘇 沖,董建權,馬志剛,喬 娜,彭 建,*

1 北京大學城市與環(huán)境學院,地表過程分析與模擬教育部重點實驗室, 北京 100871 2 四川省國土空間生態(tài)修復與地質災害防治研究院, 成都 610081 3 山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院, 太原 030001

隨著我國社會經(jīng)濟高速發(fā)展,自然生態(tài)空間遭到不合理人類活動的侵占和破壞,資源環(huán)境承載力持續(xù)下降,生態(tài)退化加劇。為了應對日益嚴峻的生態(tài)退化問題,國土生態(tài)保護與修復勢在必行。在生態(tài)退化較為嚴重的區(qū)域,國家先后部署實施了一系列國土空間生態(tài)修復工程,如1979年“三北”防護林工程、1997年黃河上中游水土流失區(qū)重點防治工程、2002年京津風沙源治理工程等[1]。這些工程都取得了一定成效,然而以工程為導向的生態(tài)修復常以單一生態(tài)要素為抓手,容易割裂生態(tài)系統(tǒng)整體性,出現(xiàn)(單要素治理)局部最優(yōu)而(全要素修復)整體收益偏低甚至下降的不足。

為了強化生態(tài)保護修復整體性與系統(tǒng)性,中央提出“山水林田湖草是生命共同體,統(tǒng)籌兼顧、整體施策、多措并舉”的思路,提倡“對山水林田湖草進行統(tǒng)一保護、統(tǒng)一修復”。國土空間生態(tài)修復工程實施存在涉及利益主體多、訴求復雜、矛盾協(xié)調難等問題, 需要自上而下的統(tǒng)籌協(xié)調[2]。生態(tài)安全格局理論是將相對完整的生態(tài)區(qū)當作一個系統(tǒng)整體,以人類福祉為目標,通過生態(tài)系統(tǒng)綜合評估確定重要生態(tài)源地[3],以生態(tài)系統(tǒng)格局-過程耦合原理和與之對應的源地-廊道-戰(zhàn)略點空間組織原則,強化有利生態(tài)格局與過程、控制有害生態(tài)格局與過程[4],在現(xiàn)狀生態(tài)系統(tǒng)格局基礎上通過生態(tài)修復模擬等方法,尋求生態(tài)安全保障與優(yōu)化的空間策略。因此,生態(tài)安全格局理論與方法能夠很好地應用于山水林田湖草系統(tǒng)治理,為生態(tài)保護修復工程的有序開展提供科學指導。本文以山水林田湖草生態(tài)保護修復工程試點區(qū)之一的華鎣山區(qū)為例,構建生態(tài)安全格局,識別生態(tài)保護修復優(yōu)先區(qū),為華鎣山區(qū)的生態(tài)保護與修復提供策略與建議。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

華鎣山區(qū)位于四川省廣安市境內,長江支流嘉陵江下游。該區(qū)涵蓋了廣安市的華鎣市、鄰水縣、前鋒區(qū)、廣安區(qū)4個縣(市、區(qū)),地理坐標為30°50′—30°1′N,106°32′—107°18′E,與重慶市渝北區(qū)、合川區(qū)、墊江縣、長壽區(qū)相接(圖1)。華鎣山區(qū)屬中亞熱帶濕潤季風氣候區(qū),氣候溫和,雨熱同季,雨量豐沛,日照少,霜期短；年平均氣溫14.6—17.6℃,最冷月1月平均氣溫6℃,最熱月7月平均氣溫27.8℃；多年平均降雨量為1259.13 mm。華鎣山區(qū)所在的川東平行嶺谷是我國最典型的褶皺山系,也是世界三大褶皺山系之一。受川東褶皺帶構造影響,山谷相間,彼此平行。華鎣山山水林田湖草生態(tài)保護修復工程區(qū)位于川東平行嶺谷的核心,以中、低山及丘陵地貌為主,整體呈現(xiàn)“三山兩槽一江”的格局。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)來源于全球地表覆蓋產(chǎn)品FROM-GLC10,空間分辨率為10 m；數(shù)字高程模型(DEM)采用日本METI和美國NASA聯(lián)合研制的ASTER GDEM V2產(chǎn)品,空間分辨率為30 m；歸一化植被指數(shù)(NDVI)采用美國地質勘查局(USGS)提供的MODIS影像MOD13Q1產(chǎn)品；蒸散發(fā)數(shù)據(jù)采用美國國家航空航天局(NASA)提供的MODIS影像MOD16產(chǎn)品；氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng),包括氣溫和降水數(shù)據(jù)；土壤數(shù)據(jù)來源于聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)和維也納國際應用系統(tǒng)研究所(IIASA)構建的世界土壤數(shù)據(jù)庫(Harmonized World Soil Database version 1.1 )(HWSD)；地質災害點數(shù)據(jù)來源于地方調查；糧食產(chǎn)量分區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于四川省統(tǒng)計年鑒。

2 研究方法

2.1 生態(tài)源地識別

生態(tài)源地不僅是鄉(xiāng)土物種棲息地,也是生態(tài)要素流動和生態(tài)系統(tǒng)提供產(chǎn)品和服務的源點。在源地提取方法中,一種是直接識別,即選取自然保護區(qū)、風景名勝區(qū)的核心區(qū)等所包含的空間范圍作為生態(tài)源地；另一種是構建綜合評價指標體系識別生態(tài)價值較高的區(qū)域作為生態(tài)源地[5],一般是在評價結果基礎上以區(qū)域需要保留的生態(tài)總價值及生態(tài)用地面積的比例來確定生態(tài)源地的邊界范圍。相對而言,直接識別法簡便快捷,但邊界劃定具有一定的行政管制屬性,時效性較差,難以反映生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀。因此,本文采用綜合指標體系法,選取糧食供給、產(chǎn)水、碳固定、土壤保持、生境維持等5種關鍵生態(tài)系統(tǒng)服務進行生態(tài)重要性評估。各類生態(tài)系統(tǒng)服務測算方法詳見表1。

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務評估方法

生態(tài)源地的提取考慮到景觀多功能性與單一生態(tài)系統(tǒng)服務的不可替代性,將以上5種生態(tài)系統(tǒng)服務評估結果經(jīng)標準化后等權重疊加,選取綜合評估結果的前25%,以及各單項生態(tài)系統(tǒng)服務評估結果的前10%,進行圖層疊加,剔除面積小于1 km2的破碎斑塊,得到生態(tài)源地具體范圍。

2.2 生態(tài)阻力面設置

生態(tài)要素、功能與過程在空間上通過斑塊-廊道結構進行流動與傳遞[10-11],其空間流動的阻力大小受到景觀類型影響,已有研究大多基于土地利用類型對阻力面進行賦值[5, 12-19]。由于華鎣山區(qū)大規(guī)模的采礦活動,地質結構遭到破壞,引發(fā)了較為嚴重的地質災害問題,顯著影響物種遷徙等生態(tài)過程的流向與流量,可以采用地質災害敏感性對同一土地利用類型的阻力系數(shù)進行修正。

(1)

式中,Ri為基于地質災害敏感性修正的柵格i生態(tài)阻力系數(shù);HSi為柵格i的地質災害敏感性,基于柵格5 km范圍內地質災害點個數(shù)表征;HSa為柵格i對應土地利用類型a的平均地質災害敏感性；R為柵格i對應土地利用類型的基本阻力系數(shù)。

2.3 生態(tài)廊道提取

生態(tài)廊道屬于連通型廊道,作為保障生態(tài)源地之間能量和物質流動的通道,是促進物質流、生態(tài)流、生態(tài)過程連通,實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能完整性的關鍵生態(tài)用地[20]。廊道的作用在于提升景觀連通性,為斑塊間提供以生物遷徙、傳粉等為代表的物質、能量和信息流動的渠道,能夠避免孤立斑塊內部形成孤立種群近親繁殖,降低物種滅絕風險,對于維護生物多樣性和提升生態(tài)系統(tǒng)整體穩(wěn)定性具有重要意義。本研究采用最小累積阻力模型和電路模型進行識別。最小累積阻力模型認為,生態(tài)過程水平流動需要克服相應景觀阻力,因此生態(tài)阻力反映景觀內部遷移的受阻程度[21]。電路模型由McRac等提出,將生態(tài)源地等價為電路節(jié)點,非生態(tài)源地則視為具有不同阻力值的電阻,基于非生態(tài)源地區(qū)域所通過的電流值高低識別生態(tài)廊道及關鍵節(jié)點[13,22-24]。本研究基于ArcGIS 10.5的Linkage Mapper 2.0 Toolbox進行生態(tài)廊道提取。

2.4 生態(tài)戰(zhàn)略點識別

作為生態(tài)源地間跳板,生態(tài)戰(zhàn)略點是對于生態(tài)源地間相互聯(lián)系具有關鍵作用的節(jié)點,也是易受外界干擾的生態(tài)脆弱點,通過保護和修復這些節(jié)點,能夠有效維護或提升生態(tài)系統(tǒng)過程,對生態(tài)系統(tǒng)演替、干擾、恢復等具有重要意義。由于戰(zhàn)略點的斑塊面積一般相對較小、生態(tài)維護成本較低,更容易落地保護與修復措施。本研究識別的生態(tài)戰(zhàn)略點包括夾點和障礙點兩類。

夾點是廊道中電流密度較大的區(qū)域,承載了較高的景觀連通功能；并且,夾點的形成往往是由于周邊地區(qū)的阻力值較大,廊道在夾點地區(qū)被壓縮在了相對狹窄的范圍內。因此,夾點在承擔重要連通功能的同時,往往亦面臨較高的生態(tài)退化風險?；谥饢鸥竦睦鄯e電流值,依據(jù)自然斷點法劃分電流高值區(qū)為夾點[25-26]。障礙點則是修復后能夠降低生態(tài)阻力、顯著提升源地間景觀連通性的地區(qū),作為實施生態(tài)修復對區(qū)域生態(tài)安全提升最明顯的地區(qū),應列為生態(tài)修復優(yōu)先區(qū)。本研究基于生態(tài)修復對景觀連通性提升的影響模擬來識別障礙點,具體做法是通過設定一定半徑的移動搜索窗口,基于生態(tài)修復設定窗口范圍內新阻力值,采用生態(tài)修復后的生態(tài)阻力面,重新計算最小成本距離。對比生態(tài)修復后最小成本距離相比原始值降低的比例大小,來判斷特定節(jié)點生態(tài)修復的連通性提升效果；該比例越大,說明對該節(jié)點進行生態(tài)修復所能達到的預期效果越好,應該作為生態(tài)修復的優(yōu)先地區(qū)。障礙點最小成本距離的計算公式如下：

LCD′=CWD1MIN+CWD2MIN+(L×R′)

(2)

式中,LCD′是障礙移除后通過焦點柵格最佳路徑的最小成本距離, CWD1MIN和CWD2MIN分別是搜索窗口到源地1和源地2的最小累積阻力值,L是搜索窗口的最長軸長度,R′是替代(或切穿)障礙物的特征阻力值。一般使用圓形移動窗口,通過計算LCD′與初始值的變化比例作為識別障礙點的定量指標[13]。本研究具體采用基于ArcGIS 10.5的Linkage Mapper 2.0 Toolbox進行障礙點識別。

3 結果分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務重要性

不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務的重要性格局體現(xiàn)了不同斑塊發(fā)揮生態(tài)價值的類型和程度差異。從糧食供給服務來看,高值區(qū)主要分布于華鎣山區(qū)域邊緣地帶,包括廣安區(qū)北部及鄰水縣東南部,相比于中部平行山區(qū),這里地勢更為平坦,距離城市較遠,受到城市開發(fā)建設活動的影響更??；產(chǎn)水服務低值區(qū)主要分布在東南部和西北部的林地范圍,主要是由于森林生態(tài)系統(tǒng)對降水具有很強的存蓄能力；生境維持服務高值區(qū)域分布在東南部平行山區(qū)、渠江流域及廣安區(qū)北部山區(qū),低值區(qū)則分布在人類活動集聚區(qū)；固碳服務高值區(qū)集中在廣安區(qū)北部及鄰水縣東南山區(qū)的林地；土壤保持服務高值區(qū)主要集中在東南部平行山區(qū)(圖2)。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)服務重要性格局Fig.2 Spatial patterns of ecosystem services′ importance

3.2 生態(tài)源地

基于生態(tài)系統(tǒng)服務重要性評估結果,共得到1722.63 km2生態(tài)系統(tǒng)服務重要性區(qū)域,剔除破碎斑塊后,共篩選出生態(tài)源地58個,總面積1392.63 km2(圖3),占華鎣山區(qū)總面積的35.60%。生態(tài)源地分縣(市、區(qū))對比情況如表2所示,其中廣安區(qū)生態(tài)源地斑塊數(shù)量最多(31個),但生態(tài)源地總面積較小,占廣安區(qū)面積的比例僅為12.40%。這主要是因為廣安區(qū)作為廣安市主城區(qū),人類活動密集,對生態(tài)空間的侵占與干擾程度更大,形成了破碎化的生態(tài)源地分布格局。華鎣市與鄰水縣生態(tài)源地面積的區(qū)縣面積占比相對較大,分別為37.95%和47.03%,生態(tài)源地平均斑塊面積也更大,分別為44.14、42.81 km2,這主要是由于境內山地資源豐富,海拔高、坡度大,人類活動影響較弱,生態(tài)系統(tǒng)受干擾程度更低。

表2 生態(tài)源地面積分縣統(tǒng)計

圖3 生態(tài)源地空間格局Fig.3 Spatial pattern of ecological sources

3.3 生態(tài)廊道

基于地質災害敏感性修正土地利用賦值的基本阻力系數(shù),得到華鎣山區(qū)生態(tài)阻力面(圖4)。高阻力值地區(qū)分布在華鎣山的東西兩側,主要原因是華鎣山東側和西側分別為華鎣市及鄰水縣的人類活動集中區(qū),同時又是地質災害敏感性最高的區(qū)域,受到人類活動與自然災害的雙重威脅。

圖4 生態(tài)阻力面格局及生態(tài)廊道空間走向Fig.4 Spatial pattern of resistance surface and spatial direction of ecological corridors

基于生態(tài)源地與阻力面,利用最小累積阻力模型識別出生態(tài)廊道及其基本走向(圖4),進一步通過電路模型識別生態(tài)廊道具體空間范圍(圖5)?？傮w而言,研究區(qū)生態(tài)廊道共計84條,總面積248 km2。從生態(tài)廊道分布格局來看,由于廣安區(qū)生態(tài)源地斑塊較為破碎,生態(tài)阻力大,該區(qū)生態(tài)廊道呈現(xiàn)出短而窄的特點。中部地區(qū)渠江與華鎣山生態(tài)源地間則缺乏廊道連接,主要是因為人類活動頻繁、地質災害多發(fā),生態(tài)阻力大,導致橫跨全境的華鎣山只有兩端延伸出兩條生態(tài)廊道,其中西南端的生態(tài)廊道相對較窄、電流值較高,面臨廊道兩側較高的自然-人為干擾,生態(tài)退化風險大；而東北端的生態(tài)廊道寬度較大,面臨的生態(tài)壓力相對較低。此外,與華鎣山西麓有所區(qū)別,華鎣山東麓與銅鑼山之間形成了一條寬闊的帶狀生態(tài)源地,將兩山區(qū)域連接成為一個整體,不僅發(fā)揮連通生態(tài)源地的通道作用,同時自身也作為生態(tài)源地的一部分,提供著重要的生態(tài)系統(tǒng)服務。

圖5 生態(tài)安全格局空間分布Fig.5 Spatial distribution of ecological security patterns

3.4 生態(tài)保護修復優(yōu)先區(qū)

夾點作為高累積電流區(qū)是區(qū)域生態(tài)保護的優(yōu)先區(qū),本研究共識別出存在大量夾點的廊道10條,除73、74號生態(tài)廊道外,其他夾點所在生態(tài)廊道都分布在廣安區(qū)(圖6),說明人類活動密集區(qū)域需要更多關注對生態(tài)廊道的保護。結合土地覆被狀況可以發(fā)現(xiàn),夾點地區(qū)總面積約0.1 km2,林地占絕對比重(70.81%),耕地也占相當比重(20.50%)；而生態(tài)廊道的土地覆被類型構成中,林地僅占13.11%,耕地占比高達77.90%；因此,盡管耕地的生態(tài)功能在區(qū)域生態(tài)保護中不容忽視,林地等高植被覆蓋區(qū)在生態(tài)保護廊道及網(wǎng)絡中的重要節(jié)點作用,亦需高度關注。

圖6 生態(tài)保護與修復優(yōu)先區(qū)空間分布Fig.6 Spatial distribution of priority areas for ecological protection and restoration

障礙點指實施生態(tài)修復對區(qū)域生態(tài)源地連通性提升最顯著的地域,是實施生態(tài)修復的優(yōu)先區(qū)。本研究共識別出障礙點93.86 km2(圖6),重點分兩片：(1)廣安區(qū)由于景觀破碎、生態(tài)廊道數(shù)量多、生態(tài)阻力較大,導致障礙點數(shù)量多、面積較大,多分布在人類活動密集區(qū)域；(2)鄰水縣障礙點面積也較大,除人類活動因素外,還受地質災害影響。對這些障礙點進行生態(tài)修復,需要考慮脅迫因素的差異。從土地覆被類型來看,障礙點地區(qū)大多為耕地(72.44%),生態(tài)修復過程中可以考慮對低質量耕地實施退耕還林；亦有一定部分為林地(18.55%),由于林地本身阻力值低,其成為高阻力值的障礙點,主要是由于地處地質災害高敏感性地區(qū),相應的障礙點生態(tài)修復則需要同時考慮礦山地質環(huán)境修復與植被恢復。

4 結論與討論

本研究以華鎣山區(qū)為例,基于生態(tài)系統(tǒng)服務重要性、景觀連通性,通過生態(tài)源地、廊道、夾點及障礙點識別,提出山水林田湖草生態(tài)保護與修復優(yōu)先區(qū)識別的生態(tài)安全格局途徑。保護優(yōu)先區(qū)重點在夾點地區(qū),主要分布在景觀破碎化較為嚴重的廣安區(qū)境內與華鎣山西南端；修復優(yōu)先區(qū)則分兩部分,一部分為廣安區(qū)境內受到人類活動干擾的破碎化生態(tài)空間,主要的生態(tài)修復策略為植被恢復與退耕還林；另一部分為華鎣山、銅鑼山、明月山的地質災害頻發(fā)區(qū),主要生態(tài)修復策略是礦山地質修復、植被恢復。

目前,區(qū)域生態(tài)保護的方法與路徑已較為成熟,如主體功能區(qū)規(guī)劃、生態(tài)紅線劃定、三生空間識別、生態(tài)功能區(qū)劃等工作都從不同的視角、尺度與方法提供了比較成熟可行的保護策略。但僅僅通過靜態(tài)的、被動的保護難以解決日益加劇的生態(tài)退化問題,生態(tài)修復的作用不可替代。本研究提出基于生態(tài)安全格局的生態(tài)保護與修復優(yōu)先區(qū)識別方法,雖然能夠有效識別出生態(tài)保護與修復的優(yōu)先區(qū)域,但在諸多方面仍有待進一步提升。例如,生態(tài)廊道的構建需要如何精細到以本地關鍵物種保護為對象？對于生態(tài)源地提取的斑塊規(guī)模閾值如何確定？此外,對于生態(tài)修復,更為重要的是,不僅需要識別生態(tài)修復的空間范圍,更需要明確生態(tài)修復的核心目標、主要措施、關鍵環(huán)節(jié)和成本收益；尤其是如何通過生態(tài)修復提升山水林田湖草的完整性與系統(tǒng)性[27],及其與城市、鄉(xiāng)村等人類聚落的協(xié)同耦合,從而整合形成人類-自然生命共同體。