于成龍，劉 丹,*，馮 銳，唐 權(quán)，郭春玲

1 黑龍江省氣象科學(xué)研究所，哈爾濱 150030

2 中國(guó)氣象局沈陽(yáng)大氣環(huán)境研究所，沈陽(yáng) 110166

3 凌海市生態(tài)建設(shè)發(fā)展中心，凌海 121200

高強(qiáng)度土地利用方式以及人類對(duì)自然資源的不合理開(kāi)發(fā)與利用,直接影響區(qū)域景觀空間格局和生態(tài)過(guò)程,使原本脆弱的自然生態(tài)環(huán)境日漸惡化[1],由此,以維護(hù)生態(tài)過(guò)程完整、健康和可持續(xù)發(fā)展為出發(fā)點(diǎn)的生態(tài)安全理念逐步受到政府和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[2-3],經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,生態(tài)安全已經(jīng)成為緩解自然生態(tài)保護(hù)與人類社會(huì)發(fā)展之間矛盾的重要理念之一,生態(tài)安全理論也為政府尋求區(qū)域生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展之間的平衡提供了有力支撐。生態(tài)安全理念強(qiáng)調(diào)資源、環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的健康和可持續(xù)發(fā)展[4-5],通過(guò)構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局(Ecological Security Pattern,ESP)以實(shí)現(xiàn)區(qū)域必要的自然資源保護(hù)與物質(zhì)福祉[6],經(jīng)過(guò)多年探索和實(shí)踐,區(qū)域生態(tài)安全格局已從最初的定性規(guī)劃、定量格局分析[7-8],逐步進(jìn)入到空間數(shù)據(jù)演算、靜態(tài)格局優(yōu)化、動(dòng)態(tài)格局模擬以及狀態(tài)趨勢(shì)分析等快速發(fā)展歷程[9-10],其研究方法則主要涉及生態(tài)適宜性/敏感性、景觀格局指數(shù)、情景分析、綜合指標(biāo)體系等[11-12]。

東北地區(qū)地域遼闊、地形復(fù)雜、溫濕分異典型、植被分布獨(dú)特、自然地理區(qū)域相對(duì)完整,擁有廣袤的森林和草原,是我國(guó)東北平原、華北平原和東北亞區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可替代的生態(tài)屏障,同時(shí)該地區(qū)又是全球氣候變化響應(yīng)的敏感區(qū)和脆弱區(qū),加上近幾十年快速的城市化進(jìn)程和人類對(duì)自然資源的不合理開(kāi)發(fā)利用,導(dǎo)致該區(qū)域生態(tài)環(huán)境面臨巨大挑戰(zhàn),出現(xiàn)諸如大氣污染[13]、黑土地退化[14]、濕地消亡[15]、森林生態(tài)功能衰退[16]、草地沙化[17]等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,因此構(gòu)建科學(xué)合理的生態(tài)安全格局,已經(jīng)成為本區(qū)域乃至華北和東北亞區(qū)域維持生態(tài)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。

區(qū)域尺度是生態(tài)安全格局在空間層次上研究的重點(diǎn),相對(duì)完整的自然地理區(qū)域?qū)ρ芯可鷳B(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)過(guò)程具有重要意義[18-19],構(gòu)建適合該區(qū)域環(huán)境特點(diǎn)和社會(huì)發(fā)展水平的相對(duì)完整的生態(tài)安全框架體系,對(duì)于避免因行政區(qū)的分割降低生態(tài)安全格局完整性,使特定生態(tài)過(guò)程能夠得到有效保護(hù)和調(diào)控具有重要作用和積極意義。當(dāng)前主流的生態(tài)安全格局構(gòu)建方法是“源地—廊道”組合,生態(tài)源地的識(shí)別是生態(tài)安全格局構(gòu)建的基礎(chǔ),緣起于俞孔堅(jiān)[20]以生物保護(hù)區(qū)為重點(diǎn)對(duì)生態(tài)安全格局理論的探索,生態(tài)源地構(gòu)建方法和理論正在深入發(fā)展,但之前的多數(shù)方法只從生態(tài)功能重要性、生態(tài)敏感性/脆弱性等單一方面開(kāi)展,直到環(huán)境保護(hù)部2015年發(fā)布的《生態(tài)保護(hù)紅線劃定技術(shù)指南》,提出了生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能和生態(tài)敏感性的綜合指標(biāo)方法,給生態(tài)源地識(shí)別提供了重要依據(jù),有研究者參照該方法開(kāi)展了相關(guān)研究,取得了較好效果[21-22],但該方法選取的指標(biāo)具有較強(qiáng)的普適性,而我國(guó)幅員遼闊,生態(tài)系統(tǒng)類型多樣,生態(tài)系統(tǒng)功能與過(guò)程對(duì)于自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)變化的影響與響應(yīng)存在較大差異,如何結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)構(gòu)建符合本區(qū)域生態(tài)過(guò)程完整、生態(tài)系統(tǒng)健康和可持續(xù)發(fā)展、能更好地服務(wù)于當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的生態(tài)安全格局是一個(gè)涵待解決的科學(xué)問(wèn)題。本研究以東北地區(qū)為研究對(duì)象,參考《生態(tài)保護(hù)紅線劃定技術(shù)指南》中生態(tài)保護(hù)紅線的劃分方法,以《全國(guó)生態(tài)功能區(qū)劃》中的生態(tài)服務(wù)功能極重要區(qū)域和生態(tài)極敏感區(qū)域作為生態(tài)源地劃分的主要依據(jù),綜合東北地區(qū)自然資源稟賦和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)際,利用最小累積阻力模型構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全體系,探討東北地區(qū)生態(tài)安全框架,明晰區(qū)域生態(tài)安全格局,為保障區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的正常發(fā)揮和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

東北地區(qū)包括黑龍江省、吉林省、遼寧省和內(nèi)蒙古自治區(qū)東部的赤峰市、通遼市、呼倫貝爾市及興安盟[23],位于111.15°E—135.09°E,37.95°N—53.56°N之間,土地面積1.44×106km2。水繞山環(huán)、沃野千里是東北地區(qū)地面結(jié)構(gòu)的基本特征,東面和北面有鴨綠江、圖們江、烏蘇里江和黑龍江環(huán)繞,內(nèi)部有大興安嶺、小興安嶺、長(zhǎng)白山系和東北平原(包括松遼平原、遼河平原和三江平原),海拔高度介于2—2667m之間(圖1)。該區(qū)自然植被屬歐亞森林—草原植物亞區(qū)和中國(guó)—日本森林植物亞區(qū)[24]。氣候型屬溫帶季風(fēng)氣候,冬季寒冷干燥,夏季高溫多雨,自東向西從濕潤(rùn)區(qū)、半濕潤(rùn)區(qū)過(guò)渡到半干旱區(qū),近30年(數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)地面累年值日值數(shù)據(jù)集(1981—2010年),http://data.cma.cn/site/index.html)年平均氣溫-4.04℃—1.26℃；最冷月為1月,平均-28.61—3.64℃；最熱月為7月,平均16.87—26.19℃；年降水量132.90—1314.00mm。

圖1 研究區(qū)位置圖

2 數(shù)據(jù)及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

2.1.1數(shù)字高程模型

數(shù)字高程模型(DEM)為SRTM地形產(chǎn)品V4.1版本數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn),空間分辨率為90m。利用該數(shù)據(jù)在ARCGIS軟件的支持下計(jì)算研究區(qū)坡度、坡長(zhǎng)、坡向等地形地貌因子,參與土地利用分類。

2.1.2土地利用數(shù)據(jù)

收集2014—2018年Landsat8(數(shù)據(jù)來(lái)源為美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局官網(wǎng),https://www.usgs.gov/)和HJ-1A/1B星數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心,http://www.cresda.com/n16/index.html)無(wú)云數(shù)據(jù),提取東北地區(qū)土地利用類型,形成近期東北地區(qū)土地利用分類圖。具體方法是首先對(duì)下載的一級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,采用Chavez等[25]提出的最佳指數(shù)因子法(Optmum Index Factor,簡(jiǎn)稱OIF)的OIF值來(lái)判斷最佳波段組合,根據(jù)選取的最佳組合波段利用隨機(jī)森林分類模型[26],將東北地區(qū)分為森林、濕地、灌木林地、疏林地、草地、耕地等共9種土地利用類型。采用目視解譯選取的驗(yàn)證點(diǎn)進(jìn)行分類精度驗(yàn)證,總體分類精度為89.08%,kappa系數(shù)為0.8664。

2.1.3DMSPOLS夜間燈光影像

相比于傳統(tǒng)概念模型,最小累積阻力模型能夠更好地表達(dá)景觀格局和生態(tài)過(guò)程的相互作用關(guān)系[19],該方法的關(guān)鍵在于生態(tài)阻力面的設(shè)定,其中擴(kuò)張阻力指標(biāo)的選取和分級(jí)賦值又是其中的核心問(wèn)題之一。土地利用類型的數(shù)據(jù)由于易獲取、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值易區(qū)分、空間連續(xù)性好等特點(diǎn),在構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)和生態(tài)安全格局研究中得到較好應(yīng)用[27-29],但限于數(shù)據(jù)精度問(wèn)題,土地利用類型不可能無(wú)限細(xì)分,對(duì)于同一土地覆蓋類型(尤其城鎮(zhèn)用地)內(nèi)部的差異往往被忽略,均一化賦值會(huì)掩蓋同一土地利用類型下人為干擾程度對(duì)生態(tài)阻力系數(shù)的影響差異[19],而夜間燈光數(shù)據(jù)能夠基于柵格水平,更細(xì)致地反映同一土地利用類型內(nèi)部受人類活動(dòng)的影響程度,本研究應(yīng)用非輻射定標(biāo)的夜間燈光影像數(shù)據(jù)集DMSP/OLS(Version4)作為社會(huì)影響因子之一建立生態(tài)源地?cái)U(kuò)展阻力面,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)阻力面中土地利用類型因子的修正。該數(shù)據(jù)是由美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)下屬的美國(guó)國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心(National Geophysical Data Center,NGDC)發(fā)布,選取其中的“stable_lights.avg_vis”數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)的DN值范圍為1—63,DN值高代表人類活動(dòng)強(qiáng)度大。

2.1.4植被覆蓋度

采用李苗苗等[30]的像元二分模型,基于MOD13Q1數(shù)據(jù)中的歸一化差異植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,簡(jiǎn)稱NDVI)計(jì)算植被覆蓋度,公式如下：

式中,NDVI為像元?dú)w一化植被指數(shù),NDVIsoil為裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)的NDVI值,NDVIveg為完全被植被所覆蓋像元的NDVI值。

MOD13Q1數(shù)據(jù)源于LAADSDAAC官方網(wǎng)站(網(wǎng)址為：https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/),該數(shù)據(jù)為16d合成數(shù)據(jù),空間分辨率為250m,本研究利用2008—2017年NDVI數(shù)據(jù),計(jì)算每年的植被覆蓋度,再取10年平均植被覆蓋度作為植被覆蓋度因子參與評(píng)價(jià)。

以上數(shù)據(jù)最終的空間分辨率均統(tǒng)一為500m,將投影轉(zhuǎn)換為Albers投影。

2.2 研究方法

2.2.1生態(tài)源地劃定方法

參考環(huán)境保護(hù)部2015年提出的《生態(tài)保護(hù)紅線劃定技術(shù)指南》中生態(tài)保護(hù)紅線的劃分方法,選取生態(tài)服務(wù)功能(包括水源涵養(yǎng)功能、防風(fēng)固沙功能、生物多樣性維持與保護(hù)功能)和生態(tài)系統(tǒng)敏感性(包括沙漠化敏感性、土壤侵蝕敏感性)共5個(gè)指標(biāo),以《全國(guó)生態(tài)功能區(qū)劃》結(jié)果中(來(lái)源于中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估與生態(tài)安全數(shù)據(jù)庫(kù),http://www.ecosystem.csdb.cn/)生態(tài)服務(wù)功能極重要區(qū)域和生態(tài)極敏感區(qū)域作為生態(tài)源地劃分的主要依據(jù),同時(shí)綜合東北地區(qū)自然資源稟賦和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)際,添加自然保護(hù)區(qū)域作為生物多樣性維持與保護(hù)功能的極重要區(qū)域,同時(shí)考慮到東北地區(qū)2010年以來(lái)耕地面積占全國(guó)的19.77%(數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家統(tǒng)計(jì)局http://data.stats.gov.cn/index.htm),是我國(guó)永久基本農(nóng)田保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域,因此剔除2010年以來(lái)穩(wěn)定耕地區(qū)域(2000—2015年均為耕地的區(qū)域,數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心,網(wǎng)址：http://www.resdc.cn),最終形成生態(tài)源地區(qū)域。

為減少生態(tài)源地的破碎化程度,在地理信息系統(tǒng)軟件的支持下將距離小于250m的圖斑聚合為相對(duì)完整連片的圖斑,保證最小空洞為1km2,再將面積小于1km2的獨(dú)立圖斑刪除。

2.2.2構(gòu)建阻力面

以彭建和俞孔堅(jiān)[19,31]構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局的思想為基礎(chǔ),參考楊?yuàn)檴櫟萚22]建立的生態(tài)源地?cái)U(kuò)張阻力和城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張阻力因子,結(jié)合東北地區(qū)生態(tài)現(xiàn)狀和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平,針對(duì)生態(tài)源地和城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張過(guò)程,依據(jù)不同目標(biāo)選擇與生態(tài)源地和城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張過(guò)程相關(guān)程度高的影響因子(圖2和圖3),對(duì)評(píng)價(jià)因子采用加權(quán)求和方法構(gòu)建阻力面模型(其中各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重采用層次分析法確定),利用空間分析技術(shù)求取生態(tài)源地?cái)U(kuò)張阻力面和城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張阻力面。

圖2 生態(tài)源地?cái)U(kuò)張阻力因子權(quán)重及分級(jí)示意圖

圖3 城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張阻力因子權(quán)重及分級(jí)示意圖

以最小累積阻力(Minimum cumulative resistance,簡(jiǎn)稱MCR)模型來(lái)建立阻力面,MCR模型為俞孔堅(jiān)[32]在Knaapen等[33]的模型和地理信息系統(tǒng)中常用的費(fèi)用距離(Costdistance)模型的基礎(chǔ)上修改而來(lái),MCR模型考慮了源、距離和景觀界面特征,阻力面反映了物種運(yùn)動(dòng)的潛在可能性及趨勢(shì)。再將生態(tài)源地與城鎮(zhèn)擴(kuò)張用地的最小累計(jì)阻力面代入最小累積阻力差值公式,以兩個(gè)阻力面的差值為基礎(chǔ),劃分東北地區(qū)生態(tài)安全格局。最小累積阻力差值公式如下：

MCR差值=MCR生態(tài)源地-MCR城鎮(zhèn)用地

當(dāng)MCR差值<0時(shí),表示該區(qū)域生態(tài)源地?cái)U(kuò)張阻力小,適合生態(tài)源地?cái)U(kuò)張,反之適合城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張,MCR差值=0的區(qū)域?yàn)樯鷳B(tài)源地?cái)U(kuò)張與城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張的分界線。

2.2.3緩沖區(qū)判別

以生態(tài)源地為中心,基于MCR差值,利用ArcGIS軟件的成本距離工具計(jì)算MCR差值的成本距離變率,并利用分位數(shù)法選擇生態(tài)源地?cái)U(kuò)張成本的分界線,將東北地區(qū)生態(tài)安全格局分為高水平緩沖區(qū)、中水平緩沖區(qū)、低水平緩沖區(qū)和其它區(qū)域。

2.2.4生態(tài)廊道和生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)確定

生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)的確定方法是首先提取生態(tài)廊道之間的交點(diǎn),如果兩節(jié)點(diǎn)之間的距離小于1.20km(2倍生態(tài)廊道寬度),則保留所在生態(tài)廊道較長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)

分析圖4可見(jiàn),水源涵養(yǎng)功能極重要區(qū)域主要分布在大興安嶺和長(zhǎng)白山北部地區(qū),總面積為2.60×105km2,主要土地覆蓋類型為森林,占東北地區(qū)總面積的17.99%；防風(fēng)固沙功能極重要區(qū)域主要分布于科爾沁沙地、渾善達(dá)克沙地和松嫩沙地的部分地區(qū)(圖4),總面積為1.07×104km2,以草地、沙地和灌木林為主,占東北地區(qū)總面積的0.74%；生物多樣性維持與保護(hù)功能的極重要區(qū)域分布比較零散(圖4),其中面積較大的有大興安嶺北部和中部、小興安嶺南部、長(zhǎng)白山的部分區(qū)域,總面積為2.07×105km2,主要為森林和草地,占東北地區(qū)總面積的14.34%；土壤侵蝕極敏感區(qū)域主要分布于科爾沁沙地的部分地區(qū)(圖4),總面積為9.50×103km2,以草地和沙地為主,占東北地區(qū)總面積的0.66%；沙漠化極敏感區(qū)域主要分布于渾善達(dá)克沙地、科爾沁沙地和呼倫貝爾草原的大部分地區(qū)(圖4),總面積為2.69×105km2,以沙地和草地為主,占東北地區(qū)總面積的18.64%。

圖4 東北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能極重要區(qū)域和生態(tài)極敏感區(qū)域分布意圖

進(jìn)一步分析可見(jiàn),各指標(biāo)的空間位置有相互重疊現(xiàn)象,表1統(tǒng)計(jì)了兩兩指標(biāo)之間重疊區(qū)域的面積比例,其中水源涵養(yǎng)功能區(qū)與其他指標(biāo)之間的重疊面積比例最大,占水源涵養(yǎng)功能區(qū)總面積的54.05%,期間有22.67%的水源涵養(yǎng)功能區(qū)與生物多樣性與保護(hù)功能區(qū)重疊,有21.55%與土壤侵蝕敏感區(qū)重疊。防風(fēng)固沙功能區(qū)域其他指標(biāo)重疊區(qū)域較少,只占該功能區(qū)總面積的17.28%。

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能極重要區(qū)域和生態(tài)極敏感區(qū)域重疊的面積比例/%

3.2 生態(tài)源地分布

根據(jù)2.2.1條中生態(tài)源地劃分方法,將東北地區(qū)生態(tài)源地按主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)功能歸類,確定18個(gè)生態(tài)源地,總面積為6.50×105km2,占全區(qū)土地總面積的45.02%,各生態(tài)源地類型空間分布如圖5,生態(tài)源地類型統(tǒng)計(jì)如表2。分析各類生態(tài)源地區(qū)的空間分布特征和保護(hù)方向如下：

表2 東北地區(qū)生態(tài)源地分區(qū)

大興安嶺水源涵養(yǎng)源地(圖5中編號(hào)11區(qū)和12區(qū))位于黑龍江省北部和內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部,是嫩江、額爾古納河、呼瑪河、綽爾河、阿倫河、諾敏河、甘河等諸多河流的源頭,是重要水源涵養(yǎng)區(qū),該區(qū)的北部植被類型以興安落葉松為代表的寒溫帶落葉針葉林為主；長(zhǎng)白山水源涵養(yǎng)源地(13區(qū))和長(zhǎng)白山水源涵養(yǎng)與生物多樣性保護(hù)源地(14區(qū))位于長(zhǎng)白山北部,是拉林河、第二松花江、松花江、穆棱河、圖們江、鴨綠江等眾多支流的源頭,同時(shí)也是“長(zhǎng)白植物區(qū)系”的中心地帶,植被類型包括以落葉松林為代表的寒溫帶山地落葉針葉林,云杉、冷杉林為代表的溫帶山地常綠針葉林,落葉闊葉—紅松混交林為代表的溫帶落葉闊葉—常綠針葉混交林,以落葉櫟林、椴、榆、樺雜木林等為代表的溫帶落葉闊葉林等。

圖5 東北地區(qū)生態(tài)源地分布示意圖

呼倫貝爾草原防風(fēng)固沙源地(21區(qū))位于內(nèi)蒙古自治區(qū)北部,在內(nèi)蒙古自治區(qū)的呼倫貝爾；渾善達(dá)克沙地防風(fēng)固沙源地(22區(qū))和渾善達(dá)克沙地防風(fēng)固沙與生物多樣性保護(hù)源地(23區(qū))地處陰山北麓東部半干旱農(nóng)牧交錯(cuò)帶、燕山山地、壩上高原,23區(qū)還包含了渾善達(dá)克沙地柏自然保護(hù)區(qū)；科爾沁沙地防風(fēng)固沙與水源涵養(yǎng)源地(24區(qū))、科爾沁沙地防風(fēng)固沙源地(25區(qū))位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東南部,防風(fēng)固沙功能重要,同時(shí)是西拉木倫河、老哈河、教來(lái)河和烏爾吉木倫河的眾多支流的源頭,植被類型以草原沙地錦雞兒、柳、蒿灌叢為代表的溫帶落葉灌叢矮林、溫帶禾草、雜類草草原,溫帶叢生禾草草原,溫帶草甸為主；松嫩沙地防風(fēng)固沙與生物多樣性保護(hù)源地(26區(qū))、松嫩沙地防風(fēng)固沙源地(27區(qū))位于黑龍江省和吉林西部,防風(fēng)固沙功能重要,同時(shí)包含扎龍濕地等重要自然保護(hù)區(qū)。

大興安嶺生物多樣性保護(hù)源地(31區(qū))位于黑龍江省北部,毗鄰俄羅斯,是興安落葉松為代表的寒溫帶落葉針葉林的主要分布區(qū)域；呼倫貝爾草原生物多樣性保護(hù)源地(32區(qū))包含鄂溫克旗輝河、呼倫湖自然保護(hù)區(qū)；三江平原生物多樣性保護(hù)源地(33區(qū))位于黑龍江省松花江下游,是我國(guó)平原地區(qū)沼澤分布最大、最集中的地區(qū)之一,自然濕地面積大,濕地生態(tài)系統(tǒng)類型多樣,有多處國(guó)際重要濕地；小興安嶺生物多樣性保護(hù)源地(34區(qū))位于黑龍江省中北部,以紅松、黃菠蘿、胡桃楸、水曲柳、白樺等為主,生物多樣性豐富；長(zhǎng)白山生物多樣性保護(hù)源地(35區(qū))是“長(zhǎng)白植物區(qū)系”的中心地帶,暖溫帶植被類型豐富。

科爾沁沙地水土保持源地(41區(qū))和松嫩沙地水土保持源地分別位于科爾沁沙地和松嫩沙地邊緣,水土保持功能重要。

3.3 生態(tài)安全格局

分析圖6可見(jiàn),最小阻力差值較大的區(qū)域主要分布在東北平原,分布趨勢(shì)與主要公路、城鎮(zhèn)用地、山谷、河流走向相關(guān)性較高,原因是交通便利、地勢(shì)平坦、有水系分布的區(qū)域有利于人類活動(dòng),而地形復(fù)雜、水系分布較少的區(qū)域人類活動(dòng)較少,生態(tài)流擴(kuò)張阻力在這里形成谷地。

圖6 東北地區(qū)最小累積阻力差值分布

基于最小累積阻力差值,分析生態(tài)源地的擴(kuò)張成本,并利用分位數(shù)法選擇生態(tài)源地?cái)U(kuò)張成本的分界線,在生態(tài)源地外劃分低、中、高3個(gè)水平緩沖區(qū)(圖7)。從生態(tài)安全水平緩沖區(qū)所占面積來(lái)看,低水平緩沖區(qū)面積最大,占東北地區(qū)總面積的11.07%,是保障生態(tài)源地安全的最后防御區(qū)域,需要重點(diǎn)保護(hù)和嚴(yán)格限制人類建設(shè)用地的擴(kuò)張；中水平緩沖區(qū)占4.24%,需要限制開(kāi)發(fā),實(shí)行適當(dāng)保護(hù)措施,對(duì)原有生態(tài)系統(tǒng)實(shí)行保護(hù)與修復(fù)并重的策略；高水平緩沖區(qū)占5.37%,是保護(hù)區(qū)域生態(tài)安全的理想的區(qū)域,在這個(gè)范圍內(nèi)可以根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w情況進(jìn)行有條件的建設(shè)活動(dòng)；從空間分布上看,東北地區(qū)生態(tài)安全格局形成了以生態(tài)源地為中心,生態(tài)安全水平由低到高依次向外擴(kuò)展的分布格局,其中“低水平緩沖區(qū)”和“中水平緩沖區(qū)”的合圍區(qū)域把很多分布零散的生態(tài)源地連接起來(lái),基本形成了東西兩塊生態(tài)屏障。

圖7 東北地區(qū)生態(tài)安全格局

生態(tài)廊道把相互獨(dú)立的生態(tài)源地在空間上連接起來(lái),總面積6744.11km2,廊道中心線總長(zhǎng)11073.52km,形成了東北地區(qū)生態(tài)源地之間的網(wǎng)狀空間布局,從而增加了各個(gè)生態(tài)源地之間的空間連通性。分析生態(tài)廊道的分布格局可見(jiàn),多數(shù)生態(tài)源地之間的生態(tài)廊道明顯偏離了二者的最短幾何直線距離,并盡量避開(kāi)了主要城市,但有些西部與東部地區(qū)生態(tài)源地之間的廊道不可避免地要穿越人類活動(dòng)頻繁的耕地或城市邊緣區(qū)域,隨著城市的擴(kuò)張,這些廊道可能會(huì)受到進(jìn)一步脅迫,而且這些廊道無(wú)法繞開(kāi)已有的交通路線,因此建議在生態(tài)廊道與交通路線相交的節(jié)點(diǎn)處布設(shè)如高架橋、涵洞等生態(tài)流通道,在一定程度上減緩這種截?cái)嘈?yīng)。

產(chǎn)生29個(gè)生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn),其中有27個(gè)落入生態(tài)源地,有1個(gè)落入低水平緩沖區(qū),有1個(gè)落入中水平緩沖區(qū)。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),有13個(gè)生態(tài)戰(zhàn)略結(jié)點(diǎn)落入自然保護(hù)區(qū)內(nèi),這些自然保護(hù)區(qū)多為面積較小而且地理位置上獨(dú)立于大面積生態(tài)源地,可見(jiàn)這些生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)是生態(tài)廊道得以暢通的關(guān)鍵區(qū)域,對(duì)于維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能完整性具有重要作用,應(yīng)該給予重點(diǎn)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)。

4 討論

構(gòu)建生態(tài)安全格局的目的是在保護(hù)東北地區(qū)生態(tài)屏障、恢復(fù)生物多樣性、維持自然生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過(guò)程完整性的基礎(chǔ)上強(qiáng)化生態(tài)系統(tǒng)功能的空間分布格局,為社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供重要生態(tài)保障[34-35],生態(tài)安全格局理論認(rèn)為景觀中的生態(tài)空間格局是由一系列關(guān)鍵因素、這些關(guān)鍵因素的空間位置及其相互聯(lián)系共同組成,基于格局與過(guò)程互饋原理,對(duì)維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程及其可持續(xù)發(fā)展起著重要作用[32]。生態(tài)源地、緩沖區(qū)、生態(tài)廊道和生態(tài)戰(zhàn)略結(jié)點(diǎn)是生態(tài)安全格局的主要組成部分,分析東北地區(qū)生態(tài)源地的土地利用類型組成及所占比例發(fā)現(xiàn),生態(tài)源地中面積最大的土地利用類型為草地,為2.99×105km2,占生態(tài)源地總面積的46.02%；其次是森林,面積為2.62×105km2,占生態(tài)源地總面積的40.28%；從緩沖區(qū)的土地利用類型組成看,森林和草地面積所占比例隨著緩沖區(qū)級(jí)別的增高而降低；生態(tài)廊道覆蓋了東北地區(qū)的主要土地利用類型,各土地利用類型面積占全部生態(tài)廊道面積的比例由大到小依次為森林、草地、耕地、未利用地、水域和建筑用地；在生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)中,有48.28%是森林,17.24%是草地。因此從土地利用類型組成比例看,能夠?yàn)榫S護(hù)區(qū)域生態(tài)安全提供有效空間。

從生態(tài)安全格局各組成部分的地理空間位置看,東北地區(qū)的生態(tài)源地主要分布在大興安嶺、小興安嶺、長(zhǎng)白山脈和西部草原,在西面、北面和東面對(duì)東北平原形成了3個(gè)方位的類似于馬蹄形的半包圍態(tài)勢(shì),這些區(qū)域天然植被覆蓋度高、野生動(dòng)植物資源豐富,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值高,對(duì)區(qū)域生態(tài)安全具有極其重要的意義；關(guān)鍵生態(tài)廊道在各生態(tài)源地之間成網(wǎng)狀分布,把大興安嶺、小興安嶺、長(zhǎng)白山脈和西部草原幾個(gè)大片的生態(tài)源地連接為一個(gè)整體,尤其值得注意的是多數(shù)分布在東北平原中面積較小的生態(tài)源地成為關(guān)鍵生態(tài)戰(zhàn)略結(jié)點(diǎn),減小了單條貫通型生態(tài)廊道的長(zhǎng)度,降低了生態(tài)廊道阻斷的風(fēng)險(xiǎn),對(duì)生態(tài)廊道的維持與保護(hù)具有積極意義,由此進(jìn)一步驗(yàn)證了生態(tài)安全格局構(gòu)建的合理性。

本研究將東北地區(qū)作為整體區(qū)域劃分生態(tài)安全格局,得到很多成片的生態(tài)源地分屬不同省份,例如“大興安嶺水源涵養(yǎng)區(qū)”在黑龍江省和內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)、“長(zhǎng)白山水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護(hù)區(qū)”和“松嫩沙地防風(fēng)固沙區(qū)”均在黑龍江省和吉林省境內(nèi),如果單純根據(jù)行政區(qū)劃構(gòu)建生態(tài)安全格局,可能會(huì)將本來(lái)完整的生態(tài)源地人為割裂開(kāi)來(lái),更會(huì)減少具有貫通意義的關(guān)鍵生態(tài)廊道。但這并不排斥小區(qū)域內(nèi)生態(tài)安全格局的細(xì)化,本研究結(jié)果的意義更在于給東北地區(qū)構(gòu)建一個(gè)總體生態(tài)安全格局框架,各個(gè)小區(qū)域可以在不破壞生態(tài)安全格局整體性的基礎(chǔ)上根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境特點(diǎn)和社會(huì)發(fā)展水平進(jìn)一步細(xì)化各個(gè)要素的時(shí)空量序格局。

另外,生態(tài)學(xué)理論研究如何轉(zhuǎn)化為應(yīng)用仍處于探索階段,而且本研究劃分的生態(tài)源地區(qū)域并未進(jìn)行實(shí)地勘查,也未考慮包括區(qū)內(nèi)人口、社區(qū)數(shù)量與分布、土地權(quán)屬、所在區(qū)域產(chǎn)業(yè)類型、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與布局等因素,因此所得結(jié)果雖然可為區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建提供新思路,但應(yīng)用到實(shí)踐還存在一定差距。

5 結(jié)論

生態(tài)安全格局是保障區(qū)域生態(tài)安全,實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要途徑,綜合東北地區(qū)自然資源稟賦和社會(huì)發(fā)展實(shí)際,探討在一個(gè)相對(duì)完整的自然地理區(qū)域內(nèi)構(gòu)建生態(tài)安全格局的合理性和技術(shù)方法具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。本研究在東北地區(qū)劃分了水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙、生物多樣性保護(hù)和水土保持共4個(gè)主體功能區(qū)和18個(gè)生態(tài)源地,總面積為6.50×105km2,占全區(qū)土地總面積的45.02%,主要分布在大興安嶺、小興安嶺、長(zhǎng)白山脈和西部草原,從西面、北面和東面對(duì)東北平原形成了3個(gè)方位的類似于馬蹄形的半包圍態(tài)勢(shì)；形成了高、中、低3個(gè)水平緩沖區(qū),其中低水平緩沖區(qū)面積最大,占東北地區(qū)總面積的11.07%,是保障生態(tài)源地安全的最后防御區(qū)域；確立了總面積6744.11km2、廊道中心線總長(zhǎng)11073.52km的關(guān)鍵生態(tài)廊道,形成了東北地區(qū)生態(tài)源地之間的網(wǎng)狀空間布局；產(chǎn)生了29個(gè)生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn),為維系生態(tài)廊道得以貫通、保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能完整性發(fā)揮重要作用。