李瑤, 李久林, 儲金龍

基于電路理論的金寨縣生態(tài)安全格局構(gòu)建

李瑤1, 李久林2,3, 儲金龍2,*

1. 北京師范大學社會發(fā)展與公共政策學院, 北京 100875 2. 安徽建筑大學建筑與規(guī)劃學院, 合肥 230022 3. 南京大學建筑與城市規(guī)劃學院, 南京 210093

構(gòu)建生態(tài)安全格局對保護及修復國土生態(tài)空間、保障區(qū)域生態(tài)安全、應(yīng)對突發(fā)公共衛(wèi)生事件等有著重要意義。論文以金寨縣為例,將土壤保持、碳固定、水源涵養(yǎng)三項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為提取生態(tài)源地的指標, 借助InVEST模型中生境質(zhì)量構(gòu)建阻力面, 最后基于電路理論構(gòu)建金寨縣生態(tài)安全格局。結(jié)果表明:金寨縣生態(tài)安全格局由19個生態(tài)源地、28條關(guān)鍵廊道、2條潛在廊道、15個夾點、16個障礙點構(gòu)成, 呈“三橫三縱”網(wǎng)絡(luò)狀較均勻地分布在縣域內(nèi)。生態(tài)源地集中分布在縣域南部與山脈河流所處的區(qū)域,主要由林地、園地等組成。建設(shè)用地范圍內(nèi)較弱的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)顯示了人類活動對生態(tài)安全的威脅。研究結(jié)果對平衡金寨生態(tài)保護與經(jīng)濟發(fā)展壓力之間的關(guān)系具有重要意義, 基于電路理論構(gòu)建安全格局為生態(tài)保護與修復提供了新的技術(shù)路徑。

生態(tài)安全格局; 電路理論; 生態(tài)廊道; 生態(tài)服務(wù)功能; InVEST

0 前言

新冠病毒(2019-nCoV)肆虐以來, 我國社會各方面遭受嚴重影響, 損失巨大, 城鄉(xiāng)功能空間和環(huán)境健康問題再次成為各行業(yè)關(guān)注的焦點。生態(tài)安全格局(ESP, ecological security pattern)在改善環(huán)境質(zhì)量、提高生態(tài)服務(wù)功能等方面起到重要作用[1], 對于促進城鄉(xiāng)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、保障區(qū)域生態(tài)安全、推動區(qū)域健康可持續(xù)發(fā)展、加強城鄉(xiāng)防疫能力等方面有著重要的意義。但我國快速的城鎮(zhèn)化過程, 引發(fā)了諸如生態(tài)環(huán)境脆弱化[2]、動物棲息地改變[3]、生態(tài)系統(tǒng)連通性降低[4]、生態(tài)源地斑塊碎片化[5]等生態(tài)問題[6]。因此, 如何保障區(qū)域生態(tài)安全成為學術(shù)界近年關(guān)注的重點研究領(lǐng)域。

眾多學者在ESP的理論與實踐方面取得了一些重要成果[7]?；谘芯磕康某霭l(fā), 探討了ESP對生態(tài)保護與修復[8]、土地開發(fā)與管理[9]、城鄉(xiāng)建設(shè)與發(fā)展[10–11]等的促進作用。在生態(tài)安全格局構(gòu)建思路中, 基于物質(zhì)流動和景觀過程模擬的“源—匯”理論[12]、基于多目標遺傳算法的層級生態(tài)節(jié)點識別[13]、基于生態(tài)足跡法分析區(qū)域生態(tài)安全演變[14]等均有較多應(yīng)用。目前學界采用較為普遍的構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局的步驟是“生態(tài)源地識別—阻力面構(gòu)建—廊道與節(jié)點提取—安全格局劃分”[15]。

識別生態(tài)源地的過程中, 以往研究多直接提取具有良好生境條件的風景和自然保護區(qū)且面積較大的斑塊作為生態(tài)源地[16]; 這種方式未能考慮到不同類型生態(tài)用地所能提供的生態(tài)服務(wù)價值不等, 因此近年來有研究基于某幾種重要或典型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力對生態(tài)系統(tǒng)進行敏感性與重要性評價, 以此為基礎(chǔ)識別生態(tài)源地[17–18]。后者因其量化指標的綜合性和相對科學性在越來越多的研究中得以借鑒。

對于阻力面構(gòu)建, 較多學者依據(jù)景觀類型對各類用地賦予阻力值, 再結(jié)合夜間燈光數(shù)據(jù)進行修正, 在此基礎(chǔ)上提取生態(tài)廊道[19–20]; 也有部分研究參照生態(tài)敏感性評價結(jié)果確定研究區(qū)各用地單元阻力值[21]。確定生態(tài)廊道的技術(shù)方法中, 最小累積阻力模型(MCR)因能系統(tǒng)考慮土地覆被單元之間的內(nèi)在聯(lián)系而備受青睞[20]。然而MCR模型難以清晰識別廊道中關(guān)鍵節(jié)點[6]的缺陷也十分明顯, 針對這一不足, 有學者提出了蟻群算法進行廊道及其關(guān)鍵節(jié)點的識別[22]。近年來, 在電路理論的支持下, 將生態(tài)流類比為物理學上的電流, 嘗試模擬復雜生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中物種運動軌跡, 在生態(tài)安全格局相關(guān)領(lǐng)域的研究取得了一定進展[23]。

大別山生態(tài)功能區(qū)是中國25個重點生態(tài)功能區(qū)之一, 同時也是區(qū)域重要水源補給區(qū)。當前大別山區(qū)生態(tài)服務(wù)功能有所降低, 增加了區(qū)域生態(tài)風險。此外, 該區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展相對滯后, 區(qū)域崛起的時代任務(wù)迫在眉睫, 如何統(tǒng)籌區(qū)域發(fā)展與生態(tài)保護成為當前該區(qū)域亟待破解的命題。作為大別山水土保持生態(tài)功能區(qū)中重要組成部分, 金寨縣在該區(qū)域乃至全國生態(tài)保育工作中占據(jù)重要的地位, 生態(tài)保護與加快發(fā)展是其面臨的艱巨區(qū)域責任。基于生態(tài)安全格局劃定成為保障區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟社會對立統(tǒng)一關(guān)系的一項刻不容緩的政策認知, 定量評估金寨生態(tài)資源及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力, 基于電路理論識別生態(tài)走廊及其中的關(guān)鍵節(jié)點, 構(gòu)建金寨縣生態(tài)安全格局, 最后提出針對性的保護發(fā)展策略, 以期在城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展進程中, 金寨縣既能在產(chǎn)業(yè)發(fā)展成長過程中保護生態(tài), 發(fā)揮江淮流域的生態(tài)屏障功能; 也能在維護生態(tài)安全格局中, 積極推動縣域經(jīng)濟的跨越式發(fā)展和鄉(xiāng)村振興發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

金寨縣, 隸屬六安市, 為鄂、豫、皖三省交界(圖1)。全縣總面積3814 km2; 擁有自然保護區(qū)289.237 km2; 森林面積達2912.93 km2?？h域地勢西南高、東北低, 南部山脈起伏較大、溝谷縱橫。天堂寨海拔居金寨之首, 高度達1729.1 m, 境內(nèi)高差接近1700 m。金寨縣山多地少, 經(jīng)濟發(fā)展壓力大。根據(jù)金寨縣政府網(wǎng)站公布的信息, 截止2018年底, 全縣戶籍人口68.35 萬人, 戶籍人口城鎮(zhèn)化率僅17.7%; 按常住人口計算, 2018年安徽省人均生產(chǎn)總值達47712 元, 而同年金寨縣人均地區(qū)生產(chǎn)總值僅21257 元, 遠未達到全省平均水平。

1.2 研究思路

土壤保持是衡量生態(tài)系統(tǒng)水土保持的重要指標, 碳固定能夠直接反應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收和儲存能力, 水源涵養(yǎng)是生態(tài)系統(tǒng)在植物與土壤共同作用下攔蓄雨水的能力, 因此選取這三種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行定量評估。使用自然斷點法對評估結(jié)果劃分等級, 能夠使各組內(nèi)數(shù)據(jù)差異小, 而組間差異較大, 使各項評估結(jié)果相同或相近的區(qū)域能夠劃分至同一等級類別, 分類更加趨近真實。提取三種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的最高等級區(qū)域, 并進一步篩選出生態(tài)源; 繼而使用InVEST(生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估與權(quán)衡)模型構(gòu)建阻力面, 最后基于電路理論使用Linkage Mapper識別出生態(tài)走廊與關(guān)鍵節(jié)點, 從而構(gòu)建生態(tài)安全格局(圖2)。

圖1 研究區(qū)概況

Figure 1 Study area

1.3 數(shù)據(jù)來源

研究中主要使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有: (1)金寨縣30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云; (2)六安市2009—2018年統(tǒng)計年鑒來源于六安市統(tǒng)計局; (3)中國地面月值氣象數(shù)據(jù)集來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng); (4)中國1: 100萬土壤數(shù)據(jù)庫來源于世界糧農(nóng)組織; (5)金寨縣土地利用數(shù)據(jù)來源于《金寨縣城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃(2013)》; (6)中國凈第一性生產(chǎn)力(NPP)數(shù)據(jù)集與中國年度植被指數(shù)(NDVI)空間分布數(shù)據(jù)集均來源于中國科學院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心。

圖2 研究框架

Figure 2 Research framework

1.4 研究方法

1.4.1 生態(tài)服務(wù)功能評估

1)土壤保持

使用修正通用水土流失方程(RUSLE)評估:

=×××(1–×) (1)

式中,為水土保持量[t/(hm2·a)];為降雨侵蝕力因子[MJ·mm/(hm2·h·a)];為土壤可蝕性因子[t·hm2·h/ (MJ·hm2·mm)];為坡長坡度因子(無量綱);為植被覆蓋與作物管理因子(無量綱);為水土保持措施因子(無量綱)。

2)碳固定

NPP表征了CO2的轉(zhuǎn)化固定效率, 因此可以使用NPP來近似評估碳固定服務(wù)功能。

3)水源涵養(yǎng)

InVEST模型Water Yield模塊是一種基于水量平衡的估算方法, 能夠綜合考慮多種條件下區(qū)域水產(chǎn)量的情況。

式中,為水源涵養(yǎng)量(mm);為土壤飽和導水率(mm/d), 根據(jù)土壤質(zhì)地屬性計算;為徑流時間(min), 用坡長除以流速系數(shù)得到;Y為產(chǎn)水量, 根據(jù)公式(3)計算;為地形指數(shù), 無量綱, 根據(jù)公式(4)計算。

式中,(xj)為第j類土地利用類型網(wǎng)格的產(chǎn)水量;(xj)為第類土地利用類型網(wǎng)格的每年水分蒸散量;(xj)為第類土地利用類型網(wǎng)格的年降雨量;(x, j)(x, j), 以用來評估水平衡的蒸散分區(qū)。

式中,為集水區(qū)柵格數(shù)量, 無量綱;為土壤深度(mm);為百分比坡度。

1.4.2 生態(tài)安全格局構(gòu)建

1)生態(tài)源

提取三類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能最高等級區(qū)域進行疊加, 考慮到相同質(zhì)量情況下面積越大的生態(tài)斑塊所能提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值越高[24], 因此以往研究中多直接剔除小于一定面積的破碎斑塊[25–26], 而金寨縣處于大別山區(qū), 其平均生態(tài)質(zhì)量水平較高, 結(jié)合相關(guān)研究[27]與研究區(qū)生態(tài)現(xiàn)狀, 本研究僅提取面積大于5 km2的斑塊作為生態(tài)源地。

2)阻力面

一般來說, 生境質(zhì)量與區(qū)域生物多樣性、物種移動速度成正比, 因此可以使用生境質(zhì)量的倒數(shù)來指定電阻值。即生境質(zhì)量越好, 物種流動與信息傳遞效率越高, 則電阻越低。InVEST模型把生境質(zhì)量設(shè)定為一個連續(xù)的變量, 在進行評估時充分考慮了土地利用方式和土地利用格局變化對生境質(zhì)量的影響。最終InVEST模型會輸出0—1之間的質(zhì)量得分, 標識最差到最好的生境質(zhì)量。

參照相關(guān)研究成果[28–31], 根據(jù)研究區(qū)實際情況, 將生境類型劃分建設(shè)用地(construction)、采礦用地(mining)、道路用地(road)三種威脅因子, 并確定威脅因子的屬性信息(表1), 以及生境威脅因子敏感程度值(表2)。

表1 威脅因子屬性表

表2 生境類型對威脅因子的敏感程度

1.4.3 生態(tài)廊道與安全格局

Linkage Mapper(http://www.circuitscape.org/lin-kagemapper)是在ArcGIS中開發(fā)的工具包, 旨在分析區(qū)域范圍內(nèi)動植物棲息地的連通性, 其中包含Linkage Pathways Tool、 Barrier Mapper、 Pinchpoint Maper等多個工具?；陔娐防碚撌褂肔inkage Mapper能夠識別異質(zhì)景觀中的生態(tài)走廊與關(guān)鍵節(jié)點。在電路模型中, 物種個體或基因被視為電子, 景觀被表示為導電表面, 低電阻值被分配到能夠促進物種流動的生境質(zhì)量較高的區(qū)域, 高電阻區(qū)域則可能阻礙物種運動, 生境質(zhì)量較好的區(qū)域稱之為節(jié)點。利用電子在電路中隨機游走的特性來模擬物種個體或基因流在某一生態(tài)系統(tǒng)中的擴散過程。模擬過程中, 首先使部分斑塊接地, 對其他斑塊輸入1 A電流, 結(jié)合構(gòu)建的阻力面, 可以計算出每對斑塊之間的電流值, 電流值的高低可以表征物種沿某一路徑移動概率的大小。由于研究使用的ArcGIS10.4軟件已取得ArcInfo許可, Linkage Pathways將直接創(chuàng)建歐氏距離等工具運行所具備的環(huán)境信息, 進而計算生態(tài)廊道、夾點與障礙點, 構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)源的空間格局

三種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)從不同角度表征了生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量水平, 按自然斷點法分級, 等級1(黃色區(qū)域)為質(zhì)量水平最低等級, 等級5(深藍色區(qū)域)為質(zhì)量水平最高等級(圖3)。結(jié)果顯示金寨縣土壤保持的最高值區(qū)域共151.4 km2, 僅占縣域面積的4%, 主要分布在南部天馬自然保護區(qū)與西部金剛臺、康王寨等山脈, 植被覆蓋率極高。最低值區(qū)域達1728.458 km2, 占縣域面積的45.3%, 主要出現(xiàn)在坡度陡峭、水量充沛、人類活動頻繁的地區(qū), 包括北部縣城所在地、居民點及其周邊、梅山水庫、響洪甸水庫等水系沿線。金寨縣主要分布黃棕壤, 大多土層深度僅30 cm, 具有土層較薄、生成緩慢、抗侵蝕能力弱等基本特點, 一旦遭受破壞, 短時間內(nèi)即可使基巖暴露, 且長時間內(nèi)難以恢復。水土流失是金寨縣不容忽視的生態(tài)問題。

碳固定與植被覆蓋類型、土壤質(zhì)地、耕作方式等相關(guān)[32]。金寨縣從2009年到2018年, NDVI (植被指數(shù))穩(wěn)定在0.84上下, 反映地表植被覆蓋狀況良好[33], 整體碳固定水平較高, 其最高等級面積占全縣8.6%, 有328.22 km2, 主要分布在山脈水系集中的西部與中部地區(qū)。碳固定能力低等級區(qū)域占18.7%, 零散分布在縣域內(nèi)。

最高等級的水源涵養(yǎng)覆蓋面積達388.1 km2, 占全縣的10.2%。高值區(qū)域主要出現(xiàn)在南部復雜山區(qū), 耕地面積少, 天然森林覆蓋密集, 能有效攔截降水流失。低值區(qū)域主要分布在縣域北部, 建設(shè)用地與耕地面積最廣闊, 發(fā)生降雨后易在裸地表面形成徑流。

三類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等級最高區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量遠高于全縣平均生態(tài)質(zhì)量, 在這些區(qū)域內(nèi)對各斑塊面積進一步篩選, 共提取到19個生態(tài)源地(圖4a), 總面積達446.08 km2, 占全縣總面積11.7%, 最大的生態(tài)源斑塊面積達到185.93 km2。生態(tài)源內(nèi)主要包括林地、園地等, 其中林地面積占全部生態(tài)源地的91.3%, 達407.668 km2, 生態(tài)源地內(nèi)各類用地構(gòu)成見表3。生態(tài)源地集中分布在山脈、水系等生態(tài)良好的區(qū)域, 與境內(nèi)天馬保護區(qū)、金剛臺、懸劍山以及響洪甸水庫等自然地域在空間上契合。南部生態(tài)源地分布范圍較廣, 核心集中在天馬自然保護區(qū), 由白馬寨、馬崇嶺、窩川、五侯山、鮑家窩等林區(qū)組成。圖4a中黃色區(qū)域因地勢相對平坦, 原始自然生態(tài)條件優(yōu)越, 氣候適宜, 促使了較為頻繁的人類活動。而在長期的發(fā)展建設(shè)中, 自然生態(tài)環(huán)境被改變, 與縣域邊緣人類活動較少的山區(qū)相比生態(tài)質(zhì)量有所下降。

圖3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等級分布

Figure 3 Ecosystem service level distribution

圖4 生態(tài)源與阻力面分布

Figure 4 Distribution of ecological and resistance surfaces

表3 生態(tài)源的用地構(gòu)成

注: 我國現(xiàn)行《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標準(GB50137- 2011)》中“建設(shè)用地”包含有“公園綠地、防護綠地、廣場等公共開放空間用地”, 表內(nèi)建設(shè)用地專指此類開放綠地。

2.2 阻力面與生態(tài)廊道空間格局

使用InVEST模型中的Habit Quality模塊計算金寨縣生境質(zhì)量水平, 得到質(zhì)量處于0—1之間的結(jié)果(圖4b), 數(shù)值越高則質(zhì)量越好。全縣平均生境質(zhì)量水平為0.82, 表明金寨縣生態(tài)系統(tǒng)整體現(xiàn)狀良好。

生態(tài)廊道是生態(tài)源之間物種流動、信息傳遞的重要線路, 也是最低阻力障礙的通道。生態(tài)廊道通過聯(lián)系不同生態(tài)源, 增加了區(qū)域生態(tài)斑塊的連通性, 維護了生態(tài)安全。生態(tài)廊道的識別是生態(tài)安全格局構(gòu)建的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 基于電路理論使用Linkage Mapper工具, 進行網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)與廊道識別。重要生態(tài)廊道表示生態(tài)源地之間的最低阻力路徑, 潛在生態(tài)廊道表示源地之間可能存在的聯(lián)系通道。

將Linkage Mapper計算得到的生態(tài)廊道與研究區(qū)內(nèi)生態(tài)源、主要山脈水系及遙感影像圖進行疊加, 得到結(jié)果如圖5(a)所示, 廊道呈現(xiàn)“三橫三縱”較規(guī)整的網(wǎng)絡(luò)分布, 相鄰斑塊之間均有廊道連接, 表明整體生態(tài)質(zhì)量良好, 連接受阻小。圖中紅色表示28條重要生態(tài)廊道, 藍色表示2條潛在生態(tài)廊道。重要生態(tài)廊道中最長的達28.24 km, 長度在10 km以上的有11條, 占39%; 1 km以上的有21條, 占75%, 是源地之間連接的主要路線。兩條潛在生態(tài)廊道的長度分別為6.58km和9.1km, 能夠加強研究區(qū)中部斑塊的連接。

圖5 生態(tài)廊道與生態(tài)安全格局

Figure 5 Ecological corridor and ecological security pattern

三條縱向廊道中, 西線連接金剛臺、康王寨, 中線連接懸劍山、梅山水庫、馬鬃嶺、窩川林場, 東線連接響洪甸、五猴山、鮑家窩、白馬寨; 三條橫向廊道中, 北線連接金剛臺北部、懸劍山、響洪甸, 中線連接金剛臺南部、梅山水庫、響山嶺, 南線連接康王寨、天馬自然保護區(qū)。橫縱向廊道交織形成格網(wǎng)化生態(tài)安全格局, 依自然條件形成四大片區(qū): 金剛臺—懸劍山—梅山水庫—響山嶺片區(qū)、響洪甸水庫片區(qū)、康王寨片區(qū)、天馬片區(qū)。梅、響水庫片區(qū)資源豐富, 地勢起伏相對較小, 可進入性強, 土地利用強度較大。而康王寨、天馬片區(qū)山地起伏、溝谷縱橫, 相對較為封閉, 受外界干擾少。因此, 梅、響水庫片區(qū)應(yīng)以恢復為主, 而康王寨、天馬片區(qū)則應(yīng)以保護為主。

2.3 生態(tài)安全格局構(gòu)建

在廊道提取的基礎(chǔ)上, 對廊道中的關(guān)鍵節(jié)點進行進一步的識別, 得到金寨縣生態(tài)廊道與生態(tài)安全格局分布如圖5(b)。金寨縣生態(tài)安全格局由19個生態(tài)源地斑塊、28條關(guān)鍵廊道、2條潛在廊道、15個夾點區(qū)域、16個障礙點斑塊。

夾點是生態(tài)系統(tǒng)運動過程中的高電流量的關(guān)鍵節(jié)點和生態(tài)保護的首要區(qū)域, 夾點與障礙均出現(xiàn)在運動路線(生態(tài)廊道)中, 源地是廊道的起止點, 質(zhì)量較低區(qū)域則廊道不會抵達。在電路理論中, 依次對不同生態(tài)源地(節(jié)點)輸入電流, 其他生態(tài)源地接地, 以求得每對連接的生態(tài)源地斑塊之間的電流值, 不斷重復這一過程, 使所有斑塊都曾接地, 疊加得到累積電流, 電流累積值較大的柵格即組成夾點區(qū)域, 以表征該區(qū)域被生態(tài)流穿過的概率, 破壞夾點可能對區(qū)域生態(tài)安全格局造成較大的影響。因縣域內(nèi)森林覆蓋范圍廣, 生態(tài)源地均勻分布, 夾點區(qū)域在金寨縣內(nèi)表現(xiàn)較為均質(zhì), 其整體連通性好, 但在縣域北部地區(qū)夾點相對稀疏, 連通性較差。該區(qū)域為縣城所在地, 人類活動密集, 一定程度上破壞了景觀連通性。

障礙點是阻礙生態(tài)斑塊之間連接的區(qū)域, 恢復區(qū)域內(nèi)障礙點的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量, 能夠極大地改善景觀連通性與生態(tài)穩(wěn)定性。在電流運動過程中, 金寨縣內(nèi)出現(xiàn)有16個障礙點, 斑塊面積均在0.2 km2以上, 所有障礙點總面積達18.16 km2, 主要分布在金寨縣東南部區(qū)域。結(jié)合金寨縣影像圖(圖5a)觀察可以發(fā)現(xiàn), 障礙點大多出現(xiàn)在主要道路或高差較大的區(qū)域內(nèi)。較寬路幅、硬質(zhì)地面、高速車流都會對生態(tài)流的傳遞造成較強的干擾。而較大的高差在充沛的雨水沖刷下易形成溝谷, 阻礙生態(tài)流的傳遞。最大面積的障礙點出現(xiàn)在金寨縣西部, 該處最高點1044 m, 最低處248 m, 高差達796 m, 多變的地形增加了生態(tài)聯(lián)系的困難。

2.4 閾值變化對生態(tài)安全格局的影響

生態(tài)廊道的空間分布, 能夠影響到生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如圖6所示, 分別調(diào)整生態(tài)廊道的閾值為120、600、1200, 以探究閾值變化對生態(tài)安全格局的影響。結(jié)果表明隨著閾值增大, 廊道寬度增加, 生態(tài)廊道的面積占比分別為16.6%、28.6%、40%, 面積增幅較大, 說明采取適當?shù)谋Ｗo措施能夠較明顯增加生態(tài)走廊范圍, 從而增加生態(tài)安全格局的穩(wěn)定性。但在此過程中, 生態(tài)廊道的空間分布沒有顯著變化。

同時, 隨著閾值增加, 夾點區(qū)域也在擴張, 生態(tài)流運動的路線增多, 夾點的累積電流值減小, 但夾點的位置始終出現(xiàn)在廊道一定范圍內(nèi), 這表明廊道中關(guān)鍵節(jié)點的地位沒有隨著閾值變化而發(fā)生波動。且障礙點也沒有發(fā)生變化, 這可能與障礙點形成的原因有關(guān)。綜合而言, 閾值的增大能夠促進生態(tài)安全格局的穩(wěn)定, 但對其的分布構(gòu)成沒有明顯影響。

金寨縣因豐富的森林、發(fā)達的水系、復雜的地形具備良好的生態(tài)安全格局, 現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較高, 對其質(zhì)量水平的維護以及進一步提高有著良好的基礎(chǔ)。但人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的連通性產(chǎn)生了一定影響, 威脅著生態(tài)安全。因此, 維護現(xiàn)有生態(tài)源地格局、恢復夾點區(qū)域生態(tài)水平、提升廊道生境質(zhì)量是金寨縣總體規(guī)劃與生態(tài)安全格局構(gòu)建的重要內(nèi)容。

3 討論

3.1 生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)化對生態(tài)安全格局的影響

金寨縣生態(tài)安全格局由于較均勻分布的生態(tài)源地和電路理論構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的特點, 而呈現(xiàn)高效的近似格網(wǎng)狀的形態(tài)。多層次、網(wǎng)絡(luò)化的空間結(jié)構(gòu), 有利于擴大生態(tài)源地的服務(wù)范圍, 從而在空間上形成集聚與擴散效應(yīng), 增強生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。新時期國土空間規(guī)劃也正是需要著重考慮區(qū)域環(huán)境的復雜整體性, 從全局出發(fā), 通盤考量。

圖6 閾值變化影響

Figure 6 Threshold change impact

對此, 建議金寨縣生態(tài)安全格局優(yōu)化的主要思路是: 強化生態(tài)源地服務(wù)能力、注重生態(tài)走廊連通性、恢復區(qū)域生態(tài)本底的質(zhì)量, 從而構(gòu)建穩(wěn)定的生態(tài)安全格局。首先, 生態(tài)源地的保護應(yīng)考慮劃定核心區(qū), 保障種群棲居與完整的天然景觀; 在核心區(qū)外建立緩沖區(qū), 盡可能減少人類活動對生態(tài)源地天然性的干擾; 并綜合考慮資源環(huán)境承載力與適度開發(fā)的原則, 合理經(jīng)營非生態(tài)源地。其次, 在不同時空尺度上劃定生態(tài)廊道, 連接生態(tài)源地, 構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

3.2 生態(tài)安全格局與國土空間規(guī)劃

從當前國土空間規(guī)劃“五級三類”體系來看, “雙評價”成為工作基礎(chǔ), 而生態(tài)紅線與生態(tài)空間的劃定是其中的重要內(nèi)容, 國土空間生態(tài)修復的核心則是系統(tǒng)性保護與整體性治理。通過構(gòu)建生態(tài)安全格局能夠識別區(qū)域范圍內(nèi)重要生態(tài)源地、生態(tài)修復的關(guān)鍵節(jié)點(障礙點)、生態(tài)廊道等, 從而有利于在多尺度空間范圍內(nèi)開展國土空間生態(tài)修復和保護等工作, 并與“雙評價”結(jié)果協(xié)調(diào)指導“三區(qū)三線”的劃定。因此, 生態(tài)安全格局的構(gòu)建對于國土空間規(guī)劃有著一定的借鑒參考價值。但在不同尺度、不同地域條件下, 劃定生態(tài)安全格局所采取的指標因子及其取值應(yīng)有所差異。

縱覽既有研究以及在本項研究過程中, 發(fā)現(xiàn)對生態(tài)安全問題產(chǎn)生的原因識別仍然不夠深入, 對根源問題的治理措施缺乏研究, 與此同時, 結(jié)合電路理論對生態(tài)安全格局構(gòu)建的預警機制、不同區(qū)域的評價標準與方法等仍有待完善, 這些對于生態(tài)安全格局具有追本溯源的研究意義的探索應(yīng)當?shù)靡赃M一步深入。

4 結(jié)論

1)金寨縣共有19個生態(tài)源地斑塊, 占總面積的11.7%, 主要分布在縣域南部及山脈河流集中的區(qū)域; 金寨縣共有生態(tài)廊道30條, 其中重要生態(tài)廊道28條, 潛在生態(tài)廊道2條, 呈“三橫三縱”網(wǎng)絡(luò)狀分布在植被覆蓋較高、地形較為復雜的山地; 識別夾點15處, 障礙點16處, 對夾點與障礙點采取相應(yīng)的措施能夠極大的保障區(qū)域生態(tài)安全。

2)高效的生態(tài)安全格局得益于三方面: 均勻分布的生態(tài)源地、聯(lián)系密切的廊道與良好的自然本底。兩大水庫片區(qū)應(yīng)以生態(tài)恢復為當前主題, 康王寨與天馬片區(qū)應(yīng)以環(huán)境保護為長遠目標?？h域內(nèi)障礙點的成因主要是垂直高差與道路阻隔, 夾點相應(yīng)出現(xiàn)在水系密集的區(qū)域。

[1] ZHANG L, Peng J, LIU Y, et al. Coupling ecosystem services supply and human ecological demand to identify landscape ecological security pattern: A case study in Beijing-Tianjin-Hebei region, China[J]. Urban Ecosystems, 2017, 20(3): 701–714.

[2] 金鳳君, 馬麗, 許堞. 黃河流域產(chǎn)業(yè)發(fā)展對生態(tài)環(huán)境的脅迫診斷與優(yōu)化路徑識別[J]. 資源科學, 2020, 42(1): 127–136.

[3] GREG P, MORITZ V, INGO K. Untangling the role of urban ecosystems as habitats for endangered plant species[J]. Landscape and Urban Planning, 2019, 189, doi: 10.1016/j.landurbplan.2019.05.007.

[4] DE L, SHARPE D, GOTANDA K, et al. Urbanization erodes niche segregation in Darwin's finches[J]. Evolutionary Applications, 2019, 12(7): 1329–1343.

[5] DADASHPOOR H, AZIZI P, MOGHADASI M. Land use change, urbanization, and change in landscape pattern in a metropolitan area[J]. Science of the Total Environment, 2019, 655: 707–719.

[6] Haberman D, Bennett E. Ecosystem service bundles in global hinterlands[J]. Environmental Research Letters, 2019, 14(8): 84005.

[7] MIRTL M, T B, DJUKIC I, et al. Genesis, goals and achievements of Long-Term Ecological Research at the global scale: A critical review of ILTER and future directions[J]. Science of the Total Environment, 2018, 626: 1439–1462.

[8] 方瑩, 王靜, 黃隆楊, 等. 基于生態(tài)安全格局的國土空間生態(tài)保護修復關(guān)鍵區(qū)域診斷與識別——以煙臺市為例[J]. 自然資源學報, 2020, 35(1): 190–203.

[9] SU Y, CHEN X, LIAO J, et al. Modeling the optimal ecological security pattern for guiding the urban constructed land expansions[J]. Urban Forestry & Urban Greening, 2016, 19: 35–46.

[10] 邱碩, 王宇欣, 王平智, 等. 基于MCR模型的城鎮(zhèn)生態(tài)安全格局構(gòu)建和建設(shè)用地開發(fā)模式[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2018, 34(17): 257–265.

[11] DONG R, ZHANG X, LI H. Constructing the Ecological Security Pattern for Sponge City: A Case Study in Zheng-zhou, China[J]. Water, 2019, 11(2): doi: 10.3390/w11020284.

[12] 熊星, 唐曉嵐, 劉瀾, 等. 基于“源-匯”理論的傳統(tǒng)鄉(xiāng)村景觀安全格局構(gòu)建[J]. 南京林業(yè)大學學報(自然科學版), 2019, 43(6): 143–151.

[13] 張曉琳, 金曉斌, 趙慶利, 等. 基于多目標遺傳算法的層級生態(tài)節(jié)點識別與優(yōu)化——以常州市金壇區(qū)為例[J]. 自然資源學報, 2020, 35(1): 174–189.

[14] YANG Q, LIU G, HAO Y, et al. Quantitative analysis of the dynamic changes of ecological security in the provinces of China through emergy-ecological footprint hybrid indicators[J]. Journal of Cleaner Production, 2018, 184: 678–695.

[15] 曹秉帥, 鄒長新, 高吉喜, 等. 生態(tài)安全評價方法及其應(yīng)用[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報, 2019(8): 953–963.

[16] 王戈, 于強, YANG Di, 等. 包頭市層級生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報. 2019, 50(9): 235–242.

[17] LIN W, LIN Y, WANG Y, et al. Systematically designating conservation areas for protecting habitat quality and multiple ecosystem services[J]. Environmental Modelling and Software. 2017, 90: 126–146.

[18] SUN Y X, LIU S L, DONG Y H, et al. Spatio-temporal evolution scenarios and the coupling analysis of ecosystem services with land use change in China[J]. Science of The Total Environemt, 2019, 681: 211–225.

[19] KEELEY A, BEIER P, GAGNON J. Estimating landscape resistance from habitat suitability: effects of data source and nonlinearities[J]. Landscape Ecology, 2016, 31(9): 2151–2162.

[20] WANG D, CHEN J, ZHANG L, et al. Establishing an ecological security pattern for urban agglomeration, taking ecosystem services and human interference factors into considera-tion[J]. PeerJ, 2019, 7: e7306.

[21] PENG Jian, PAN Yajing, LIU Yanxu, et al. Linking ecological degradation risk to identify ecological security patterns in a rapidly urbanizing landscape[J]. Habitat International, 2018, 71 doi: 10.1016/j.habitatint. 2017.11.010.

[22] PENG J, ZHAO S, DONG J, et al. Applying ant colony algorithm to identify ecological security patterns in megacities[J]. Environmental Modelling and Software, 2019, 117: 214–22.

[23] PENG J, YANG Y, LIU Y, et al. Linking ecosystem services and circuit theory to identify ecological security patterns[J]. Science of the Total Environment, 2018, 644: 781–790.

[24] 韓會慶, 羅緒強, 蔡廣鵬. 山地城市園地時空變化及對生態(tài)服務(wù)價值的影響[J]. 南京林業(yè)大學學報(自然科學版), 2017, 41(1): 103–108.

[25] 蘇沖, 董建權(quán), 馬志剛, 等. 基于生態(tài)安全格局的山水林田湖草生態(tài)保護修復優(yōu)先區(qū)識別——以四川省華鎣山區(qū)為例[J]. 生態(tài)學報, 2019, 39(23): 8948–8956.

[26] 郝月, 張娜, 杜亞娟, 等. 基于生境質(zhì)量的唐縣生態(tài)安全格局構(gòu)建[J]. 應(yīng)用生態(tài)學報, 2019, 30(3): 1015–1024.

[27] 黃木易, 岳文澤, 馮少茹, 等. 基于MCR模型的大別山核心區(qū)生態(tài)安全格局異質(zhì)性及優(yōu)化[J]. 自然資源學報, 2019, 34(4): 771–784.

[28] 顧羊羊, 黃賢峰, 鄒長新, 等. 沅江源自然保護區(qū)生境質(zhì)量變化遙感監(jiān)測[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報, 2019, 35(6): 764–772.

[29] 王惠, 許月卿, 劉超, 等. 基于地理加權(quán)回歸的生境質(zhì)量對土地利用變化的響應(yīng)——以河北省張家口市為例[J]. 北京大學學報(自然科學版), 2019, 55(3): 509–518.

[30] 吳健生, 毛家穎, 林倩, 等. 基于生境質(zhì)量的城市增長邊界研究——以長三角地區(qū)為例[J]. 地理科學, 2017, 37(1): 28–36.

[31] 任涵, 張靜靜, 朱文博, 等. 太行山淇河流域土地利用變化對生境的影響[J]. 地理科學進展, 2018, 37(12): 1693– 1704.

[32] 田思惠, 柳鑫, 金寶成, 等. 三工河流域琵琶柴群落凋落物對土壤有機碳固定的影響[J]. 生態(tài)學報, 2019, 39(14): 5339–5347.

[33] 徐新良. 中國季度植被指數(shù)(NDVI)空間分布數(shù)據(jù)集[DB/OL]. (2018-06-06)[2020-05-06]. 北京: 中國科學院地理科學與資源研究所, https://www.resdc.cn /DOI/DOI. aspx?DOIid=51.

Construction of ecological security pattern based on Circuit Theory in Jinzhai County

LI Yao1, LI Jiulin2,3, CHU Jinlong2,*

1. School of Social Development and Public Policy, Beijing Normal University, Beijing 100875, China 2. School of Architecture and Urban Planning, Anhui Jianzhu University, Hefei 230022, China 3. School of Architecture and Urban Planning, Nanjing University, Nanjing 210093, China

Establishing an ecological security pattern is of great significance for protecting and restoring national ecological space, ensuring regional ecological security, and responding to public health emergencies. Taking Jinzhai County as an example, three ecosystem services of soil conservation, carbon fixation, and water conservation were used as indicators for extracting ecological sources. The habitat quality module in the InVEST model was used to construct the resistance surface. Finally, the ecological security pattern of Jinzhai County was constructed based on circuit theory. The results show that the ecological security pattern of Jinzhai County is composed of 19 ecological sources, 28 key corridors, 2 potential corridors, 15 pinch points, and 16 obstacle points. The ecological source areas are concentrated in the south of the county and the area where the mountain rivers are located. They are mainly composed of forest land and garden land. Weak ecosystem services within the scope of construction land show the threat of human activities to ecological security. The results are of great significance for balancing the relationship between Jinzhai ecological protection and economic development pressure. Constructing a security pattern based on circuit theory provides a new technological path for ecological protection and restoration.

ecological security pattern; circuit theory; ecological corridor; ecological service function; InVEST

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.02.027

X321

A

1008-8873(2022)02-227-10

2020-04-24;

2020-05-06

安徽省哲學社會科學規(guī)劃青年項目(AHSKQ2021D77); 國家重點研發(fā)計劃課題(2017YFC0702503); 國家自然科學基金項目(51678001)

李瑤(1995—)男, 安徽潛山人, 博士研究生, 主要從事應(yīng)急管理與城市規(guī)劃技術(shù)研究, E-mail: 1146504623@qq.com

通信作者:儲金龍(1964—)男, 安徽安慶人, 博士, 教授, 主要從事城市規(guī)劃理論與方法研究, E-mail: jlchu@ahjzu.edu.cn

李瑤, 李久林, 儲金龍. 基于電路理論的金寨縣生態(tài)安全格局構(gòu)建[J]. 生態(tài)科學, 2022, 41(2): 227–236.

LI Yao, LI Jiulin, Chu Jinlong. Construction of ecological security pattern based on Circuit Theory in Jinzhai County[J]. Ecological Science, 2022, 41(2): 227–236.