楊彥昆,王 勇,2,*,程 先,李維杰,高 敏,王家錄,傅 俐,張 瑞

1 西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,重慶 400715 2 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400715 3 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,重慶 400715 4 安順學(xué)院,安順 561000

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市化的快速推進(jìn),人類對(duì)自然資源的消耗加劇,導(dǎo)致諸如水土流失、洪澇災(zāi)害、空氣質(zhì)量惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問題[1-2]。如何協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾,已成為當(dāng)今社會(huì)發(fā)展所面臨的重大課題[3-4]。生態(tài)安全是人類生產(chǎn)生活所需的物質(zhì)資料得到充分保障,生態(tài)環(huán)境不受威脅的狀態(tài)[5]。生態(tài)安全格局遵循景觀生態(tài)學(xué)中格局與過程相互反饋的原理,識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)中保障人類生境和生存安全的關(guān)鍵區(qū)域、節(jié)點(diǎn)和廊道,并落實(shí)于具體的空間位置,被認(rèn)為是保障區(qū)域生態(tài)安全、實(shí)現(xiàn)精明增長的重要途徑[6]。

國外對(duì)生態(tài)安全格局的關(guān)注較早,Warntz和Woldenberg[7]于20世紀(jì)60年代提出基于阻力面構(gòu)建生態(tài)安全格局。Rouget等[8]基于GIS技術(shù)對(duì)區(qū)域生物多樣性保護(hù)的重要區(qū)進(jìn)行識(shí)別。Vimal等[9]從區(qū)域景觀多樣性、生態(tài)完整性和稀有動(dòng)物保護(hù)角度探討了區(qū)域生態(tài)安全格局的構(gòu)建。國內(nèi)研究始于Yu等[10]以生物多樣性保護(hù)為目標(biāo)的景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建。隨著研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步,“源-匯”理論、生態(tài)紅線、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇等理念的引入,使得研究理論越來越豐富[11]；研究內(nèi)容也由單一目標(biāo)的生態(tài)安全格局建立向多目標(biāo)的生態(tài)格局優(yōu)化發(fā)展[12]。源地的識(shí)別和廊道的提取是生態(tài)安全格局構(gòu)建的關(guān)鍵[13]。源地是綜合區(qū)域生物多樣性保護(hù)、水資源安全、地質(zhì)災(zāi)害防護(hù)和景觀格局完整性等生態(tài)功能于一體的基礎(chǔ)生態(tài)用地。源地的識(shí)別可通過直接選取生態(tài)保護(hù)用地[14],多年遙感監(jiān)測指數(shù)[15]和綜合評(píng)價(jià)等方法識(shí)別[16],其中綜合評(píng)價(jià)識(shí)別的方法得到較為廣泛的應(yīng)用[3,6,11]。廊道是生態(tài)系統(tǒng)之間生態(tài)流和能量流遷移、交流的潛在通道,廊道的識(shí)別依賴于生態(tài)阻力面的構(gòu)建。阻力面的構(gòu)建主要通過對(duì)不同景觀類型的賦值得到,為考慮人類活動(dòng)、氣候等因素對(duì)阻力值的影響,部分學(xué)者通過夜間燈光指數(shù)、濕潤指數(shù)和地形因子等對(duì)阻力值進(jìn)行修正[15,17-18]。

區(qū)域生態(tài)安全格局強(qiáng)調(diào)對(duì)生物多樣性的保護(hù)和修復(fù),對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的維持[19],這對(duì)生態(tài)安全格局的可實(shí)踐性有較高要求。當(dāng)前研究大多以空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)指標(biāo)進(jìn)行賦值,通過模型計(jì)算得到研究區(qū)的生態(tài)安全格局,其結(jié)果難以驗(yàn)證,導(dǎo)致可實(shí)踐性不強(qiáng)。其次,阻力面的設(shè)定和修正仍未形成有效的方案；前人研究雖考慮到人為賦值的主觀性,但對(duì)生態(tài)阻力值在同種景觀的內(nèi)部差異、各指數(shù)修正后的效果考慮不足,不同指數(shù)修正的精度也未作對(duì)比研究,故很難界定當(dāng)前已有修正指數(shù)的優(yōu)劣。本文以三峽庫區(qū)重慶段為例,通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性和生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)識(shí)別生態(tài)源地,構(gòu)建連通度指數(shù)修正阻力面,運(yùn)用最小累積阻力模型明晰關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點(diǎn),提取生態(tài)廊道,進(jìn)而構(gòu)建生態(tài)安全格局；同時(shí),利用高精度土地利用數(shù)據(jù)對(duì)廊道提取結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證和缺失廊道識(shí)別,并劃定具體的優(yōu)化廊道路徑,提出優(yōu)化方案,進(jìn)一步提升生態(tài)安全格局的可實(shí)踐性。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

三峽庫區(qū)重慶段位于中國西南部(28°31′—31°44′N,105°49′—110°12′E),由重慶22個(gè)區(qū)縣組成(圖1),轄區(qū)面積46163.67 km2,占庫區(qū)總面積的85%。研究區(qū)橫跨川東平行嶺谷、大巴山褶皺帶和川鄂湘黔隆起地帶,地勢險(xiǎn)要,地形起伏大。該區(qū)氣候溫暖濕潤,降雨充足,年均溫15℃以上,植被以暖性針葉林和亞熱帶常綠闊葉林為主,物種豐富[20]。此外,研究區(qū)地處長江流域咽喉地帶,是重要的水源保護(hù)地和生態(tài)走廊,是我國17個(gè)具有全球保護(hù)意義的生物多樣性關(guān)鍵帶之一。

圖1 研究區(qū)地理位置

研究所用數(shù)據(jù)主要包括土地利用數(shù)據(jù)、基本農(nóng)田數(shù)據(jù)、巖溶分布數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、夜間燈光數(shù)據(jù)、植被覆蓋數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)、植被凈初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù)以及部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等,相關(guān)數(shù)據(jù)來源及分辨率見表1。

表1 數(shù)據(jù)概況

所有數(shù)據(jù)均在ArcGIS 10.2軟件的支持下進(jìn)行地理校正和投影轉(zhuǎn)換,將坐標(biāo)統(tǒng)一為WGS-1984-UTM-zone-48；同時(shí),為保證連通度指數(shù)的計(jì)算精度及其后期修正效果,特將數(shù)據(jù)分辨率向精度較高的土地利用數(shù)據(jù)靠齊,均重采樣為30 m×30 m像元大小。

2 研究方法

本文從生態(tài)源地綜合識(shí)別出發(fā),綜合陸地、水體、大氣三方面的因素,基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評(píng)價(jià)和生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)識(shí)別源地,通過連通度指數(shù)修正阻力值,運(yùn)用MCR模型建立生態(tài)阻力面,進(jìn)而識(shí)別關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、提取生態(tài)廊道構(gòu)建生態(tài)安全格局。

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評(píng)價(jià)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評(píng)價(jià)從為人服務(wù)的角度出發(fā),針對(duì)區(qū)域特點(diǎn),判定不同生態(tài)功能對(duì)人類生存發(fā)展的價(jià)值高低,并篩選出具有較高價(jià)值的生境斑塊。三峽庫區(qū)是我國生物多樣保護(hù)的關(guān)鍵地帶,也是我國最大的淡水資源戰(zhàn)略儲(chǔ)備庫和水土保持的重要區(qū)域,在西南地區(qū)乃至全國的生態(tài)地位都十分重要。結(jié)合當(dāng)前人們對(duì)大氣安全的關(guān)注,選取生物資源保護(hù)、水資源安全、土壤保持、固碳釋氧和空氣質(zhì)量安全為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(1)生物資源保護(hù)

生物資源保護(hù)評(píng)價(jià)是識(shí)別對(duì)基因、物種的生存和發(fā)展具有重要價(jià)值的斑塊,通常從生物棲息地質(zhì)量和生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行評(píng)價(jià)。三峽庫區(qū)共有3000余種特有植物,其中60余種屬于國家重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象,對(duì)庫區(qū)的生物資源保護(hù)是庫區(qū)生態(tài)安全的重要課題。本文采用謝高地等[21]提出的生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量計(jì)算生物多樣性服務(wù)價(jià)值,并對(duì)計(jì)算結(jié)果采用氣溫、降水和海拔進(jìn)行修正,以此表征生境質(zhì)量的影響,具體計(jì)算公式如下[22]：

Sbio=Vi×Fpre×Ftem×Falt

(1)

式中,Sbio為生物資源保護(hù)能力；Vi是生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量采用謝高地提出的生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表；Fpre為研究區(qū)多年(1980—2015年)平均降水插值的歸一化數(shù)據(jù)；Ftem為溫度參數(shù),由多年(1980—2015年)平均溫度插值并歸一化處理得到；Falt為海拔參數(shù),由高程數(shù)據(jù)歸一化處理得到。

(2)土壤保持

土壤保持是指生態(tài)系統(tǒng)削減或抑制水土流失的能力,是基礎(chǔ)的生態(tài)調(diào)節(jié)功能[23]。本文參考國家環(huán)保部《生態(tài)保護(hù)紅線劃定技術(shù)指南》中的方法,采用土壤保持服務(wù)能力指數(shù)計(jì)算公式作為評(píng)價(jià)方法,具體表達(dá)式如下[22]：

Spro=NPP×(1-k)×(1-Fslo)

(2)

式中,Spro是土壤保持服務(wù)能力服務(wù)指數(shù)；NPP為植被凈初級(jí)生產(chǎn)力；k為土壤可蝕性因子,根據(jù)宋春風(fēng)等[24]的研究對(duì)不同的土壤類型賦值得到；Fslo為坡度因子,采用最大值法歸一化后得到。

(3)水資源安全

區(qū)域水資源安全主要包括區(qū)域水源涵養(yǎng)能力和區(qū)域洪水控制兩個(gè)方面。水源涵養(yǎng)關(guān)注的是對(duì)降水截留、積蓄和對(duì)土壤水資源的蒸散發(fā)的調(diào)節(jié)能力,洪水控制主要關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)對(duì)洪水的調(diào)蓄能力和洪水淹沒范圍。水源涵養(yǎng)能力通過降水貯存量法[25]計(jì)算得到,同時(shí)疊加用水體分布格局表征不同水體大小的重要性差異；洪水安全的評(píng)價(jià)從洪水淹沒區(qū)和洪水調(diào)蓄區(qū)兩方面考慮,前者根據(jù)10年、20年和50年一遇的洪水淹沒范圍賦值,后者由距河湖的距離劃分得到(表2),最后各因子評(píng)價(jià)結(jié)果等權(quán)疊加得到區(qū)域水資源安全指數(shù)。

表2 水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)及方法

(4)固碳釋氧

固碳釋氧是指植被在進(jìn)行光合作用產(chǎn)生有機(jī)物的同時(shí),釋放O2和吸收CO2,能起到維持碳氧平衡,調(diào)節(jié)區(qū)域氣候的作用[26]。固碳釋氧物質(zhì)量的計(jì)算以植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)為基礎(chǔ),通過光合作用方程計(jì)算得到,具體計(jì)算方法如下[27]：

FN=NPP/45%×(1.2+1.63)

(3)

式中,FN為固碳釋氧物質(zhì)量；45%是指植被固碳釋氧的過程中所產(chǎn)生的干物質(zhì)中碳的占比為45%；1.2和1.63是常數(shù),即每形成1 g干物質(zhì)能固定1.63 g CO2,釋放1.2 g O2。

(5)空氣質(zhì)量安全

空氣質(zhì)量是大氣中多種成分含量的綜合反映,隨著城市化、工業(yè)化的發(fā)展,空氣質(zhì)量安全狀況越發(fā)嚴(yán)峻。有研究表明植物能夠起到很好的降塵除霾的作用,且不同的物種能力有差別[28]；人口密集、人類活動(dòng)頻繁、建筑密度大的區(qū)域空氣質(zhì)量差,風(fēng)速、溫度對(duì)空氣質(zhì)量有明顯的正向影響作用[29]。基于以上研究,本文構(gòu)建了研究區(qū)空氣質(zhì)量安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,根據(jù)各指標(biāo)的正負(fù)性采用自然斷點(diǎn)法分級(jí)賦值,并按權(quán)重疊加得到研究區(qū)空氣質(zhì)量狀況等級(jí)分布,具體方法如表3。

表3 空氣質(zhì)量安全評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法

2.2 生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)

生態(tài)敏感性是指生態(tài)系統(tǒng)遭受外界干擾或環(huán)境變化時(shí),發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害等環(huán)境問題的難易程度[30-31]。三峽庫區(qū)巖溶分布較廣,地形起伏大,地勢陡峭,降雨豐沛是滑坡、崩塌、泥石流的多發(fā)地帶,也是我國水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一。因此選取地質(zhì)災(zāi)害、水土流失和石漠化三個(gè)因子作為研究區(qū)生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(1)地質(zhì)災(zāi)害敏感性

研究區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害為滑坡和泥石流,屬于巖土體位移災(zāi)害,主要受高程、坡度、地形起伏度、植被覆蓋情況和人類活動(dòng)的影響。本文根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的致災(zāi)因子建立地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,由各因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響程度分級(jí)賦值(表4),最后按權(quán)重疊加得到研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害敏感性分布圖[32]。

表4 地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)指標(biāo)及敏感性

(2)水土流失敏感性

水土流失敏感性主要關(guān)注在自然條件和人類活動(dòng)的影響下發(fā)生土壤侵蝕的可能性,通常采用通用土壤流失方程計(jì)算得到[33],具體公式如下：

A=R×K×LS×C×P

(4)

式中,A為年土壤侵蝕量；R為降雨侵蝕力,由重慶地區(qū)年降雨侵蝕公式計(jì)算得到[34]；K為土壤可蝕性因子；LS為地形因子；C為植被覆蓋和管理因子；P為水土保持措施因子。各因子采用自然斷點(diǎn)法重分類為5級(jí),并依次賦值1到5,最后疊加分析得到研究區(qū)水土流失敏感性分區(qū)圖。

(3)石漠化敏感性

石漠化是指巖溶地區(qū)巖石裸露,植被退化,土壤流失失去農(nóng)業(yè)利用價(jià)值的一種狀態(tài)。本文選取研究區(qū)植被覆蓋度、坡度分布、降水、高程、人口密度和土地利用6種指標(biāo)建立研究區(qū)石漠化敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。各指標(biāo)采用自然斷點(diǎn)法分級(jí)賦值,根據(jù)王正雄等[35]的研究成果,對(duì)土地利用和坡度指標(biāo)賦0.2的權(quán)重,其余各指標(biāo)分別賦0.15。

2.3 生態(tài)阻力面的建立

生態(tài)阻力是生態(tài)源地之間的物質(zhì)交換、能量傳輸或者生物遷徙等生態(tài)過程所受到的阻礙,阻力值的大小主要受自然條件和人類活動(dòng)的影響。隨著城市化的推進(jìn),景觀破碎化現(xiàn)象加劇,不同景觀斑塊之間的連通性降低、差異化越發(fā)明顯[36]。因此,僅考慮人類活動(dòng)對(duì)阻力值的影響忽略了不同景觀之間和景觀內(nèi)部不同斑塊之間的連通度差異。本研究在土地類型賦值的基礎(chǔ)上,選取景觀指數(shù)中的鄰近度指數(shù)、連接度指數(shù)構(gòu)建斑塊連通度指數(shù)[36],并以此對(duì)阻力系數(shù)進(jìn)行修正。參考彭建等[37]的研究,對(duì)林地、草地、園地、水體、耕地、建設(shè)用地依次賦1、10、30、50、100和250的基本阻力值,構(gòu)建基本阻力面,并運(yùn)用連通度指數(shù)進(jìn)行修正,具體公式如下：

Ri=R×Ci

(5)

式中,Ri為修正后的阻力系數(shù)；R為基本阻力系數(shù)值；Ci為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的斑塊連通度,具體計(jì)算方法如式下：

C=Cpro×Ccon

(6)

(7)

式中,C為斑塊連通度指數(shù)；Cmin為斑塊連通度的最小值,Cmax為斑塊連通度的最大值；Cpro為斑塊鄰近度指數(shù),Ccon為連接性指數(shù),計(jì)算方法如式(8)和式(9),并對(duì)計(jì)算結(jié)果采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法消除數(shù)量級(jí)和正負(fù)作用的影響,Cpro和Ccon均由Fragstats 4.2軟件計(jì)算得到。

(8)

(9)

2.4 生態(tài)安全格局的構(gòu)建

生態(tài)安全格局的構(gòu)建包括建立核心區(qū)(源地),建立緩沖區(qū)對(duì)核心區(qū)加以保護(hù),以及建立連接各核心區(qū)的廊道[38]。因此,本文嘗試從生態(tài)源地、生態(tài)緩沖區(qū)、生態(tài)廊道和戰(zhàn)略點(diǎn)四個(gè)方面構(gòu)建研究區(qū)的生態(tài)安全格局。

(1)生態(tài)源地。生態(tài)源地的選取是在綜合生態(tài)用地評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,提取具有重要生態(tài)價(jià)值且達(dá)到一定面積的生態(tài)用地作為生態(tài)源地?？紤]到研究區(qū)的尺度較大,將綜合生態(tài)用地識(shí)別結(jié)果中面積大于10 km2的斑塊作為研究區(qū)的生態(tài)源地。

(2)生態(tài)緩沖區(qū)。緩沖區(qū)的建立是根據(jù)生態(tài)阻力值與其面積的關(guān)系曲線,提取不同阻力閾值作為劃分界限進(jìn)而得到不同等級(jí)的緩沖區(qū)。

(3)生態(tài)廊道。廊道的提取是利用最小累積阻力模型(Minimum Cumulative Resistance,MCR)量化生態(tài)源地到目標(biāo)景觀單元之間所克服的阻力總和,進(jìn)而識(shí)別累積阻力最小的通道作為物種遷移和能量流動(dòng)的可能通道。具體操作時(shí)采用ArcGIS的水文分析工具來提取生物擴(kuò)散的潛在通道。

(4)戰(zhàn)略點(diǎn)。戰(zhàn)略點(diǎn)的目的在于完善廊道系統(tǒng),提高生態(tài)系統(tǒng)的完整性。本文所采用的為鞍部戰(zhàn)略點(diǎn),一般為相鄰源地之間的等阻力值點(diǎn),能起到“源”間跳板的作用,對(duì)物質(zhì)和能量的流動(dòng)具有重大意義[39]。

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)用地識(shí)別和源地提取

將各因子的評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為極重要、重要、中等重要、一般重要和不重要五類(圖2),可以發(fā)現(xiàn)：生物資源保護(hù)極重要區(qū)集中分布在巫山、奉節(jié)的南部,這一區(qū)域地勢險(xiǎn)要、山系交叉、人類活動(dòng)干擾較少,有利于生物資源的保護(hù)和生物多樣性的發(fā)展。土壤保持極重要區(qū)主要坐落于中西部地區(qū),這些區(qū)域森林覆蓋度高,地勢相對(duì)平坦,具有重要的水土保持和水源涵養(yǎng)功能。水資源安全的極重要區(qū)呈現(xiàn)出明顯的沿江沿湖的分布特征,這些區(qū)域地勢低洼,是境內(nèi)河流匯集地和水源保護(hù)地,也是洪災(zāi)多發(fā)區(qū),對(duì)于區(qū)域水源安全、洪水防護(hù)具有重要意義。

圖2 生態(tài)重要性因子空間分異

固碳釋氧方面,極重要區(qū)主要分布于東北部萬州、云陽、奉節(jié)、巫山境內(nèi)的河谷兩岸和山脊兩側(cè),區(qū)域內(nèi)森林覆蓋率高,濕地、湖泊遍布,生態(tài)良好,光照充足是庫區(qū)重要的碳匯和氧源?？諝赓|(zhì)量安全的極重要區(qū)的分布與固碳釋氧高值區(qū)相對(duì),主要分布于庫區(qū)東北部的山脊區(qū)成條帶狀,這些地區(qū)海拔相對(duì)較高、溫度較低、人類干擾少,是境內(nèi)空氣質(zhì)量最好的區(qū)域,對(duì)提升人類的生境質(zhì)量極其重要。

如圖3所示,地質(zhì)災(zāi)害高值區(qū)位于秦巴山區(qū)和武陵山區(qū)境內(nèi),區(qū)域內(nèi)地形起伏大,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜加之降水豐沛,易發(fā)生滑坡、崩塌和泥石流,對(duì)這些區(qū)域加強(qiáng)生態(tài)管控有利于減少地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。水土流失極敏感區(qū)一部分呈條帶狀沿山脊分布,另一部分坐落于北部的長江沿岸；其分布特征與土壤保持分布正好相反,所處區(qū)域地勢陡峭,植被較少,土壤易受侵蝕。石漠化的極敏感區(qū)主要分布于奉節(jié)縣的南部,巫山、巫溪縣全境和開縣的北部地區(qū),這些區(qū)域巖溶分布廣泛、土層較薄、土壤易受侵蝕是石漠化的易發(fā)生地帶。

圖3 生態(tài)敏感性因子空間分異

將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性和生態(tài)敏感性的識(shí)別結(jié)果等權(quán)疊加,并提取重要和極重要區(qū)作為研究區(qū)的綜合生態(tài)用地識(shí)別結(jié)果(圖4)。由統(tǒng)計(jì)可知,研究區(qū)生態(tài)用地總面積為28175.82 km2,占研究區(qū)總面積的61.03%,其中各主要景觀類型的面積占比分別為林地60.74%、耕地23.20%、草地5.72%、建設(shè)用地5.35%?？梢?人類活動(dòng)已經(jīng)對(duì)研究區(qū)的生態(tài)用地造成一定干擾,在今后的生態(tài)安全建設(shè)中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注。

提取面積大于10 km2的生態(tài)用地作為源地,得到生態(tài)源地面積19227.04 km2,占研究區(qū)總面積的41.65%(圖4)。從空間分布上看,生態(tài)源地主要集中于北部的巫山、巫溪、奉節(jié)、開州、云陽、萬州和中部的石柱、豐都、武?。粡牡匦紊峡?85.76%的源地海拔在500 m以上,主要包括境內(nèi)幾大山脈(巫山、大婁山、武陵山、縉云山、銅鑼山和明月山),這些區(qū)域森林覆蓋率高、自然資源豐富,是重要的生態(tài)服務(wù)輸出地,在今后的規(guī)劃中應(yīng)列為禁止建設(shè)區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)。

圖4 生態(tài)用地綜合識(shí)別結(jié)果和生態(tài)源地

3.2 阻力面及生態(tài)廊道

基于連通度指數(shù)修正的最小累積阻力面如圖5所示?？梢钥闯鲎钚±鄯e阻力值的分布呈現(xiàn)出明顯的空間分異特征,阻力值由西南部重慶主城核心區(qū)向東北部遞減。相較于夜間燈光指數(shù)修正的阻力值(圖5),景觀連通度指數(shù)修正的阻力值高低分異更加明顯,高阻力值的分布也更加廣泛。這種分異在研究區(qū)西部更為明顯,特別是長壽、江津等地,這些區(qū)域地勢較為平坦、土地肥沃、人口密集、人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的干擾也更加突出,導(dǎo)致景觀破碎、斑塊之間的連通性較差,故生態(tài)擴(kuò)散阻力值較高。

通過計(jì)算林地、建設(shè)用地的斑塊密度和景觀分離度可以發(fā)現(xiàn),江津和長壽的林地斑塊密度和景觀分離度水平明顯高于研究區(qū)整體水平；在建設(shè)用地斑塊密度方面江津最高,長壽略低于庫區(qū)平均水平；這說明江津和長壽地區(qū)林地破碎化嚴(yán)重、連通性差,故生態(tài)阻力高于其他地區(qū)(表5)。

表5 各地區(qū)景觀破碎度指數(shù)

生態(tài)廊道是源地之間物質(zhì)和能量傳輸?shù)耐ǖ?。河流兩?cè)能量和物質(zhì)交換頻繁,阻力較小能夠很好的起到源間廊道的作用。大型河流即是重要的生態(tài)源地,又是關(guān)鍵生態(tài)廊道,故將境內(nèi)一二級(jí)河流和部分能夠連通源地的支系河流作為天然廊道加以保護(hù),共計(jì)識(shí)別天然廊道9條,總長880.91 km。將基于最小累積阻力面提取的生態(tài)廊道定義為阻力廊道。研究區(qū)共識(shí)別重要阻力廊道36條,總長729.57 km。如圖5所示,西部的阻力廊道受地形和人類活動(dòng)的影響較為狹長,沿山脈分布,大致呈南北走向；中部和東北部的阻力廊道相對(duì)密集散亂,主體呈東西走向。

為進(jìn)一步對(duì)比分析連通度指數(shù)和夜間燈光指數(shù)修正阻力面的差異,本文基于夜間燈光指數(shù)修正的阻力面采用相同的方法提取33條阻力廊道,共計(jì)579.72 km,并將二者所提取的阻力廊道與居民點(diǎn)等建設(shè)用地進(jìn)行沖突分析(圖5)。據(jù)統(tǒng)計(jì),基于連通度指數(shù)修正的阻力面所提取的阻力廊道與居民點(diǎn)的沖突區(qū)域?yàn)?6處,與交通道路的沖突區(qū)域?yàn)?處；基于夜間燈光指數(shù)修正的阻力面所提取的阻力廊道與居民點(diǎn)的沖突區(qū)域?yàn)?19處,與交通道路的沖突區(qū)域?yàn)?處,后者居民點(diǎn)沖突區(qū)域?yàn)榍罢叩?.76倍?？梢?無論從阻力廊道與建設(shè)用地沖突總數(shù)還是沖突密度,基于連通度指數(shù)修正的阻力面效果都要明顯優(yōu)于夜間燈光指數(shù)修正的阻力面。

圖5 基于連通度指數(shù)和夜間燈光指數(shù)修正的阻力面及廊道

3.3 戰(zhàn)略點(diǎn)和緩沖區(qū)分析

研究區(qū)共識(shí)別戰(zhàn)略點(diǎn)30個(gè),主要是阻力值較高的農(nóng)村居民點(diǎn)和耕地(圖5)。西部的阻力廊道受地形和人類活動(dòng)的影響較為狹長,沿山脈分布,大致呈南北走向；中部和東北部的阻力廊道相對(duì)密集散亂,主體呈東西走向。采用自然斷點(diǎn)發(fā)提取阻力閾值,將生態(tài)源地以外的阻力值劃分為4個(gè)等級(jí),提取最小阻力區(qū)作為生態(tài)源地的緩沖區(qū),得到緩沖區(qū)的面積為10539.97 km2,占研究區(qū)總面積的22.83%(圖6)。這些區(qū)域是生態(tài)源地的屏障區(qū),對(duì)于保護(hù)生態(tài)源地的連通性和完整性具有不可替代的作用,在城市的土地利用規(guī)劃中應(yīng)納入限制建設(shè)區(qū)的范圍,減少人類活動(dòng)的干擾。

圖6 生態(tài)緩沖區(qū)和優(yōu)化格局

3.4 優(yōu)化廊道構(gòu)建

生態(tài)安全格局強(qiáng)調(diào)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)、生態(tài)廊道、生態(tài)源地的空間位置及其他們的相互聯(lián)系[40]。其中,戰(zhàn)略點(diǎn)和重要廊道的疏通是保證生態(tài)系統(tǒng)完整性重要途徑。根據(jù)生態(tài)廊道的分布和土地利用開發(fā)強(qiáng)度的相對(duì)強(qiáng)弱,將研究區(qū)分為東、中、西3個(gè)生態(tài)組團(tuán),可以看出3個(gè)組團(tuán)均在不同程度的廊道缺失。其中,東部和中部組團(tuán)主要是長江南北兩側(cè)的源地缺少溝通的渠道；西部組團(tuán)連通性最差,南北和東西方向的源地之間廊道均有缺失。此外,研究區(qū)30個(gè)戰(zhàn)略點(diǎn)中有1個(gè)位于道路附近、7個(gè)位于農(nóng)村居民點(diǎn)附近還有11坐落于耕地區(qū)?？梢?對(duì)研究區(qū)進(jìn)行廊道疏通和戰(zhàn)略點(diǎn)修復(fù)的迫切性。

從斷開的連接的生態(tài)源地出發(fā),尋求次小耗費(fèi)路徑得到4條優(yōu)化廊道和重點(diǎn)修復(fù)的戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)(圖6)。1號(hào)優(yōu)化廊道由綦江四面山源地出發(fā),穿過北部的鳳凰山經(jīng)長江與縉云山源地連接；2號(hào)優(yōu)化廊道從巴南區(qū)的尖峰頂山脈出發(fā)穿長江與明月山源地連接；3號(hào)優(yōu)化廊道從涪陵境內(nèi)的五寶山出發(fā)經(jīng)佛唐山與忠縣源地連通；4號(hào)優(yōu)化廊道由方斗山出發(fā)過長江與北部源地相連。相對(duì)而言,2號(hào)優(yōu)化廊道的修復(fù)難度最大,需打通與廊道相交的繞城高速、渝懷鐵路、滬渝高速等高阻力區(qū)；4號(hào)優(yōu)化廊道路徑最短,阻力最小,僅受部分居民點(diǎn)的影響；1號(hào)優(yōu)化廊道則需克服北部成渝環(huán)線帶來的阻力；3號(hào)環(huán)線主要打通忠縣境內(nèi)的滬渝高速以實(shí)現(xiàn)南北源地互通。綜合考慮研究區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀和修復(fù)廊道所面臨的阻力,本文建議優(yōu)先修復(fù)1、3、4號(hào)優(yōu)化廊道,以實(shí)現(xiàn)南北和東西方向重要生態(tài)源地的互通。對(duì)于位于道路、居民點(diǎn)和耕地附近的戰(zhàn)略點(diǎn)可通過架設(shè)橋梁、鋪設(shè)道路綠帶、生態(tài)移民、退耕還林等方式擴(kuò)大戰(zhàn)略點(diǎn)的生態(tài)景觀面積,降低生態(tài)阻力。

4 討論

阻力面的科學(xué)構(gòu)建和修正一直是生態(tài)安全格局構(gòu)建的難點(diǎn),長期以來學(xué)者們對(duì)阻力面的修正和生態(tài)廊道的落地做了大量研究和嘗試[11-12,18,41],但一直未形成有效的解決方案。本文選取景觀鄰近度和連接度指數(shù)來構(gòu)建生態(tài)阻力面的修正指數(shù),從斑塊尺度上強(qiáng)調(diào)了生態(tài)阻力面的內(nèi)部差異和聯(lián)系更符合阻力面構(gòu)建的本質(zhì)和要求。除此之外,本文還通過對(duì)新構(gòu)建的修正指數(shù)進(jìn)行自我評(píng)價(jià)和與常用指數(shù)對(duì)比評(píng)價(jià)兩個(gè)方面驗(yàn)證了新指數(shù)具有較強(qiáng)可行性和修正效果。在景觀規(guī)劃中,連接度十分重要[12],本文在阻力面的構(gòu)建中考慮景觀連接度能使研究結(jié)果更符合實(shí)際,有利于景觀管理和生態(tài)流評(píng)價(jià)。

與此同時(shí),本文還通過對(duì)研究區(qū)現(xiàn)有格局進(jìn)行評(píng)價(jià),識(shí)別研究區(qū)生態(tài)連通性薄弱的區(qū)域并提出4條優(yōu)化廊道對(duì)研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修復(fù),進(jìn)一步增加了研究結(jié)果落地的可行性,對(duì)研究區(qū)生態(tài)安全格局的優(yōu)化有一定參考價(jià)值。需要指出的是在區(qū)域尺度上,本研究通過構(gòu)建連通度指數(shù)對(duì)阻力面進(jìn)行修正,能夠體現(xiàn)出景觀破碎化和人類活動(dòng)對(duì)阻力值的影響,但在小尺度地區(qū)或干旱地區(qū)其可行性還有待驗(yàn)證。其次,生態(tài)廊道的寬度的設(shè)定、源地面積的下限取值對(duì)生態(tài)功能的發(fā)揮有著直接的影響[18-19],如何從模型和實(shí)驗(yàn)的角度探討不同尺度廊道和源地的閾值劃定將是下一步研究的重點(diǎn)。

5 結(jié)論

本文以三峽庫區(qū)重慶段為研究區(qū),基于景觀生態(tài)學(xué)理論,選取5個(gè)生態(tài)重要性指標(biāo)和3個(gè)生態(tài)敏感性指標(biāo),綜合評(píng)價(jià)識(shí)別研究區(qū)生態(tài)源地,并構(gòu)建景觀連通度指數(shù)修正基本生態(tài)阻力面,運(yùn)用最小累積阻力模型識(shí)別重要生態(tài)廊道和戰(zhàn)略點(diǎn),從而構(gòu)建研究區(qū)生態(tài)安全格局,并在此基礎(chǔ)上提出廊道修復(fù)方案。得出主要結(jié)論如下：

(1)基于連通度指數(shù)修正的生態(tài)阻力面空間分異明顯,阻力值由西南部重慶主城核心區(qū)向東北部遞減；相較于夜間燈光指數(shù),基于景觀連通度指數(shù)修正的阻力面所提取的生態(tài)廊道對(duì)人類活動(dòng)區(qū)的避讓效果更好。

(2)研究區(qū)重要生態(tài)源地面積19227.04 km2,占總面積41.65%,主要集中在東北部和中東部的林地；生態(tài)廊道總長度1610.48 km,包括天然廊道和阻力廊道；戰(zhàn)略點(diǎn)30個(gè),主要位于耕地、居民點(diǎn)和水域附近。

(3)研究區(qū)生態(tài)連通性較好,但部分地區(qū)存在廊道缺失、戰(zhàn)略點(diǎn)阻斷的現(xiàn)象。針對(duì)研究區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀,提出4條優(yōu)化廊道,其中位于巴南區(qū)的2號(hào)廊道修復(fù)阻力最大,應(yīng)先打通其他3條阻力較小的優(yōu)化廊道。