趙昊天, 陳繼春, 覃亮, 劉康林, 白錦程, 譚小林, 唐鑫, 羅茂婷
1. 四川省華地建設工程有限責任公司,四川 成都 610081;2. 四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)中心,四川 成都610081;3. 四川省地質(zhì)災害防治工程技術(shù)研究中心,四川 成都 610081;4. 攀枝花市仁和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站,四川 攀枝花 617000;5. 攀枝花市自然資源和規(guī)劃局,四川 攀枝花 617000;6. 攀枝花市地理信息中心,四川 攀枝花 617000
近幾年,隨著城鎮(zhèn)化的推進,大量地表被人工建設用地侵蝕,導致生態(tài)斑塊呈現(xiàn)出破碎化、孤島化、異質(zhì)化特征,降低了生態(tài)景觀的連通性,正常的物種遷徙受到阻礙,不利于區(qū)域生物多樣性的維護和可持續(xù)發(fā)展[1-2]。經(jīng)研究論證,單純將物種棲息地進行保護很難緩解生境破壞問題[3]。搭建生態(tài)網(wǎng)絡可貫通被割裂的生境斑塊,促進物種在殘留生境斑塊間的遷移、擴散和種群基因交流,維持區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)動態(tài)循環(huán)和能量流動,可有效改善區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)服務功能和保障區(qū)域生態(tài)安全[4-7]。
自20世紀70年代起,對生態(tài)網(wǎng)絡的研究已備受國內(nèi)外學者關(guān)注,在模型搭建、生態(tài)系統(tǒng)保護、景觀連通性分析等方面已有了一定的成果[8]。生態(tài)網(wǎng)絡的構(gòu)建已形成了“源地選取—生態(tài)阻力面構(gòu)建—生態(tài)廊道提取”的常見模式[9],研究手段也不斷向著定量化發(fā)展,包括最小累積阻力模型、形態(tài)學空間格局分析、InVEST模型、生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價、電路理論、網(wǎng)絡分析等研究手段。其中,形態(tài)學空間格局分析(MSPA)是生態(tài)源地提取的重要手段,該方法基于數(shù)理形態(tài)原理提出,考慮斑塊的整體連通性,通過土地利用二值圖對柵格數(shù)據(jù)在景觀結(jié)構(gòu)上進行準確分類,科學識別物種重要棲息地[10-11]。最小累積阻力模型(MCR)通過構(gòu)建生態(tài)阻力面來提取潛在生態(tài)廊道,能綜合分析各因素與生態(tài)廊道連通性的關(guān)系,有較好的兼容性和普適性,可結(jié)合重力模型、圖譜理論等對廊道相對重要成程度進行分級提取,是運用較為廣泛的方法[12-14]。眾多學者已通過耦合MSPA及MCR模型構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡,為區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)修復規(guī)劃、土地整治及城市健康發(fā)展提供了科學參考[13,15-17]。攀枝花市是長江上游的重要組成部分,區(qū)域自然資源豐富,是一座資源型城市,長期的礦業(yè)經(jīng)濟活動給攀枝花市生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的壓力,露天采礦區(qū)的增加,地質(zhì)災害風險加大,區(qū)域內(nèi)水土流失面積增加[18],生境斑塊破碎化加劇,面臨的生態(tài)問題較為嚴峻[19-20]。在推進生態(tài)空間修復工程的背景下,構(gòu)建攀枝花市生態(tài)網(wǎng)絡對于維護我國西南地區(qū)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定及筑牢長江上游生態(tài)屏障有重要意義。本文運用MSPA方法,結(jié)合斑塊重要性( dPC) 、可能連通性( PC) 、整體連通性指數(shù)(IIC)指標科學提取市域重要生態(tài)源地;考慮人為及自然因素,依據(jù)坡度、土地利用類型、道路交通、植被覆蓋等因素構(gòu)建生態(tài)阻力面;結(jié)合MCR及重力模型搭建攀枝花市生態(tài)空間網(wǎng)絡架構(gòu),多角度探究生態(tài)網(wǎng)絡優(yōu)化方向,科學提高攀枝花市域整體生態(tài)安全水平。
攀枝花市位于四川省南部,與涼山州和云南省北部的永仁、華坪縣接壤,包括仁和區(qū)、東區(qū)、西區(qū)、鹽邊、米易5個區(qū)縣。處于東經(jīng)101°08′至102°15′,北緯26°05′之間,面積約7 440 km2,境內(nèi)交通便利。近年來經(jīng)濟增勢穩(wěn)定,成了川西南、滇西北區(qū)域性中心城市。攀枝花市位于著名的攀西大裂谷處,地形呈現(xiàn)出西北高、東南低的特征,地形條件復雜,海拔落差較大,市域范圍內(nèi)以山地為主,山高谷深,盆地僅占0.16%,最高落差達3 000 m以上,在地貌上屬山原峽谷。氣候上為亞熱帶地區(qū),處于干熱河谷地帶。
數(shù)據(jù)主要包括:攀枝花市行政邊界數(shù)據(jù)、攀枝花市景區(qū)分布點數(shù)據(jù)、2021年土地利用數(shù)據(jù)、植被覆蓋數(shù)據(jù)、路網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)、12.5 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)。其中,土地利用數(shù)據(jù)以2021年Sentinel-2遙感影像為基礎,數(shù)據(jù)來源于ESRI官網(wǎng)的數(shù)據(jù)下載中心(www.arcgis.com),該數(shù)據(jù)分辨率為10 m,運用深度學習模型生成,使用超過50億個手工標記的Sentinel-2像素進行訓練,本文將其整合提取為森林、灌木、水體、建筑用地、耕地和裸露地表6種地類;植被覆蓋數(shù)據(jù)基于2020年Landsat-8 OLI遙感數(shù)據(jù)(來自地理空間數(shù)據(jù)云http://www.gscloud.cn/),通過ENVI和ArcGIS軟件對遙感影像進行預處理,經(jīng)過FLAASH大氣校正、影像鑲嵌、裁剪等預處理,采用NDVI指數(shù)來表示攀枝花市植被覆蓋度;路網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)源自OpenStreet-Map,提取攀枝花市鐵路、高速路、國道、省道4類道路信息;12.5 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)由ALOS衛(wèi)星相控陣型L波段合成孔徑雷達(PALSAR)采集。
根據(jù)攀枝花市土地利用數(shù)據(jù),將森林地類作為MSPA分析的前景,其他用地類型歸為背景值,結(jié)合研究區(qū)大小,在滿足數(shù)據(jù)精度要求的前提下,導出二值化TIFF格式文件,柵格單元大小為15 m×15 m,導入guidostoolbox軟件進行MSPA景觀格局分析,通過對柵格圖像的斑塊空間關(guān)系進行計算,得到7類景觀類型數(shù)據(jù),依次為核心區(qū)、橋接區(qū)、邊緣區(qū)、孔隙、島狀斑塊、支線、環(huán)道區(qū),并對其面積占比進行統(tǒng)計分析。核心區(qū)即是對生態(tài)系統(tǒng)完整性起維護作用的重要生境斑塊,一般來說,面積越大,斑塊的連通性越強、生態(tài)質(zhì)量越高[21],故選取面積前30的斑塊作為攀枝花市潛在生態(tài)源地。
景觀連通性是可以定量描述景觀之間相互連接和延續(xù)的一種測定指標,可作為生態(tài)源地識別及評價的重要參數(shù)。采用Conefor2.6進行運算,整體連通性指數(shù)(IIC)、選用常用的可能連通性指數(shù)(PC)、斑塊重要程度指數(shù)(dPC)3個景觀指數(shù),能直觀看出不同斑塊間的連通指數(shù)水平,公式如下:
式中:n為核心區(qū)個數(shù);nlij指斑塊i和j之間的連接數(shù)量;a i和aj為核心區(qū)i和j的面積;P ij*是物種在斑塊i到斑塊j之間擴散的最大可能性;AL表示研究區(qū)景觀的總值;PC表示某一景觀的可能連接度指數(shù),PC值域范圍在0到1,值越大,說明景觀斑塊的連通程度越高;dPC表示斑塊的重要程度,PCremove表示刪除某斑塊后的可能連接度指數(shù)。
閾值的設定會影響各個指數(shù)的大小,當閾值小于不同核心區(qū)之間的距離時,會被認為連通性較差[22];因此,綜合研究區(qū)的大小、核心區(qū)之間的連通情況及相關(guān)研究等,連通閾值設在2 000~2 500之間較為合理,經(jīng)過測試,最終設置為2 500,連通性概率設為0.5。最后選用dPC>4且IIC>2.5的10個核心斑塊作為研究區(qū)生態(tài)源地,其余作為潛在生態(tài)源地。
2.4.1 生態(tài)阻力面構(gòu)建
生物在生境變化及面臨生存競爭的情況下會進行遷徙,但隨著生態(tài)源地間的距離擴大,在遷徙中將面臨各種生態(tài)阻力。攀枝花市地勢起伏較大,地形因素將迫使生態(tài)廊道沿地勢平緩的區(qū)域布設。同樣,交通要道也基本沿河谷延伸,為避免生態(tài)廊道的部署與主要道路重疊,在用地類型的基礎上,加入道路阻力因子。因此,綜合考慮自然和人為因素,分別選取土地利用類型、坡度、高程、NDVI、距鐵路距離、距國道距離、距主要道路距離(包含省道及高速路)作為生態(tài)阻力因子,在GIS中通過疊加分析構(gòu)建綜合生態(tài)阻力面。參照研究區(qū)實際情況,將各因子劃分為5級或6級,并賦予阻力值,通過層次分析確定權(quán)重(見表1)。
2.4.2 基于MCR模型的生態(tài)網(wǎng)絡構(gòu)建
最小路徑法指物質(zhì)在流通中從起始地出發(fā)穿過各類生態(tài)阻力而到達目的地的最小消耗路徑,是物種遷徙及相關(guān)生態(tài)物質(zhì)交流擴散中最有效的路徑。通過最小累積阻力模型可反映出物質(zhì)能量及生物物種在克服各類阻力時在景觀面之間流動的可能途徑及變化趨向。計算公式如下:
2)大力推行“項目驅(qū)動、案例教學、1+2+3課程改革”等教學模式,實施“1+2+3”校企深度融合課程改革,即在專業(yè)課程中遴選8-10門課程,每一門課程至少兩位教師(在校教師和企業(yè)資深工程師)協(xié)作完成教學,至少有三種以上的考核方式(項目答辯、小組討論、期中測試、期末測試、實驗考核等)完成課程考核。
式中:Dij是一個點j穿過景觀類型到另一個點i的空間距離,Ri是生態(tài)物質(zhì)經(jīng)過空間i所需克服的阻力值。
基于前面分析提取的生態(tài)源地,在ArcGIS 10.8軟件通過“Cost Path”工具,以生成的生態(tài)阻力面作為每個生態(tài)源地的累計成本面,構(gòu)建各個源地間的最小成本路徑線。結(jié)合重力模型,對生態(tài)源地斑塊之間的相互作用矩陣進行分析,可定量評判各個板塊之間相對重要程度,提取出攀枝花市相對重要的生態(tài)廊道。具體計算方式如下:
Gij表示斑塊i和j的相互作用力大小,Ni和Nj表示兩斑塊的權(quán)重值,Dij是i和j斑塊間潛在生態(tài)阻力的標準值,P i為斑塊i的生態(tài)阻力值,S i為斑塊i的面積,Lij是斑塊i到j之間的累積生態(tài)阻力值,Lmax表示最大生態(tài)阻力值。
通過MSPA景觀格局特征分析發(fā)現(xiàn)攀枝花市具備一定的生態(tài)基質(zhì)條件,如表2、圖1所示,提取出的前景面積為3 693 km2,占攀枝花市總面積約49%。其中,核心區(qū)面積為2 728.71 km2,占前景總面積73.88%,占全市總面積的36.79%。核心區(qū)大面積的斑塊集中分布于研究區(qū)北部,南部的核心區(qū)則主要集中分布在西南方向,這些區(qū)域的山體及河流較多,受人為因素影響相對較??;中部沿著金沙江兩岸是主要城區(qū)所在地,該區(qū)域建筑用地面積占比大,受人為因素影響最大,核心區(qū)分布的斑塊稀少,形成了打破南北貫通的“斷裂帶”。其次面積占比最高的是邊緣區(qū),占前景總面積14.86%,邊緣區(qū)作為核心區(qū)與外部區(qū)域的緩沖地帶,起著保護核心區(qū)的關(guān)鍵作用,應維護該區(qū)域的穩(wěn)定性。島狀斑塊可直觀表現(xiàn)生態(tài)斑塊的破碎度,占前景面積比例僅為1%,說明核心區(qū)的斑塊整體性較好。橋接區(qū)和環(huán)道是斑塊之間的連通途徑,支線具備一定的連通性能,孔隙則是核心區(qū)內(nèi)部空白區(qū)域,這四個值均不大,占前景的比例依次為1.79%、2.02%、2.452%、4.00%。整體來看,研究區(qū)核心區(qū)斑塊之間的獨立性較強,但斑塊內(nèi)部存在一定量的孔隙,斑塊形狀不飽和,容易被外部因素干擾。
表 1 生態(tài)阻力因子賦值Tab. 1 Ecological resistance factor assignment
表 2 基于MSPA的攀枝花市各景觀類型面積Tab. 2 Areas of landscape types in Panzhihua city based on MSPA
對照攀枝花市的景觀分布數(shù)據(jù),提取的生態(tài)源地基本囊括了二灘國家森林公園、格薩拉生態(tài)旅游區(qū)、綠石林景區(qū)、菁河瀑布、白坡山生態(tài)保護區(qū)、啊喇自然生態(tài)旅游風景區(qū)、迤沙拉民族生態(tài)旅游區(qū)、普威鎮(zhèn)綠野花鄉(xiāng)景點,總面積1686.38 km2,(見圖2),生態(tài)源地集中分布在北部,可見北部生境斑塊的連通性最好。
結(jié)合生成的生態(tài)阻力面(見圖3),發(fā)現(xiàn)攀枝花市中部、東南部、北部頂端部分的阻力值最大,阻力值較小的區(qū)域主要位于西北部及南部區(qū)域,這是由于攀枝花市是沿江流及河谷發(fā)展的城市,以水系為軸線,向外擴展城市用地、道路建設用地及一些工礦用地,人為活動的加劇影響了物種的遷徙環(huán)境;北部高山多,坡陡,加大了生態(tài)廊道建立的阻力;河流可為生物遷徙提供一定的能量保障,地形平緩、人類活動少、沿途有河流經(jīng)過的區(qū)域生態(tài)阻力值小。基于最小阻力模型,提取出45條生態(tài)廊道,刪除重復、冗余的生態(tài)廊道,共得到28條有效生態(tài)廊道。
生態(tài)源地斑塊的相互作用力越大,意味著生態(tài)廊道的建設及維護更有價值,對物種的物質(zhì)能量交換也更有利。通過重力模型構(gòu)成源地間相互作用強度矩陣(見表3),對相互作用力大小進行分級,大于5的一級生態(tài)廊道7條,在2至5間的二級生態(tài)廊道10條,小于2的一般生態(tài)廊道11條,最終構(gòu)建出攀枝花市生態(tài)空間網(wǎng)絡(見圖4)。可看出,源地4與源地6斑塊間的相互作用力最大,為33.93,這是由于兩個生境斑塊的環(huán)境質(zhì)量較好,兩地的空間距離較近,生態(tài)累積阻力小,為生物提供了良好的遷徙環(huán)境。源地10與源地1之間的相互作用力強度最小,僅為0.27,這是由于源地1在攀枝花市北部頂端,而源地10則在最南部,相隔距離遠,阻力值大。一級生態(tài)廊道主要分布在源地2,3,4,5,6之間,該區(qū)域位于西北部,呈環(huán)狀、線狀相連,與多個生態(tài)景點相關(guān)聯(lián),生態(tài)價值極其重要,應重點維護此區(qū)域的生態(tài)網(wǎng)絡構(gòu)造,可匯聚成更大的生態(tài)源地,作為區(qū)域生態(tài)保護的核心。其余二級生態(tài)廊道多分布在北部,串聯(lián)了該區(qū)域的生態(tài)源地斑塊,源地間聯(lián)系緊密,需對這部分生態(tài)廊道進行重點維護,為攀枝花市北部生態(tài)屏障建設提供保障。整體來看,結(jié)合生態(tài)網(wǎng)絡核密度分析(見圖5),生態(tài)廊道核密度值在空間分布上不均勻,生態(tài)廊道分布最為密集的區(qū)域集中在西北部,但中部、南部區(qū)域的廊道分布密度較低,且生態(tài)網(wǎng)絡未能擴散至整個研究區(qū),生態(tài)流動性整體偏弱。
表 3 生態(tài)廊道間相互作用強度矩陣Tab. 3 Intensity matrix of interaction between ecological corridors
圖 1 基于 MSPA 的景觀格局分析Fig. 1 Landscape pattern analysis based on MSPA
圖 2 生態(tài)源地分布Fig. 2 Distribution of ecological sources
圖 3 綜合生態(tài)阻力面Fig. 3 Comprehensive ecological resistance surface
3.3.1 增設生態(tài)源地及生態(tài)節(jié)點
生態(tài)源地具備一定的生態(tài)服務范圍,以提升研究區(qū)整體生態(tài)系統(tǒng)效益為目標,通過識別已有生態(tài)源地輻射區(qū)的較大缺口來鎖定新增源地區(qū)域[23]。以10個生態(tài)源地的幾何中心點為圓心,根據(jù)源地面積大小依次設置20 km、17 km、15 km半徑作為源地緩沖的輻射距離,發(fā)現(xiàn)生態(tài)源地輻射區(qū)在3個區(qū)域有較大空缺,主要在東北部米易縣、中部金沙江流域、西北部格薩拉景區(qū)附近。根據(jù)生態(tài)源地特征,將5處潛在生態(tài)源地新增優(yōu)化為生態(tài)源地,通過刪除重復冗余廊道,新增生態(tài)廊道16條,實現(xiàn)生態(tài)廊道的優(yōu)化(見圖6)。生態(tài)節(jié)點在生態(tài)網(wǎng)絡中起連接鄰近生態(tài)源地、為生物空間運動提供休息場所的作用。結(jié)合源地的空間分布,選取生態(tài)廊道交接點作為生態(tài)節(jié)點,并剔除位于生態(tài)源地和距離較近的生態(tài)節(jié)點,共得到26個生態(tài)節(jié)點。
圖 4 攀枝花市生態(tài)空間網(wǎng)絡Fig. 4 Ecological space network of Panzhihua city
圖 5 生態(tài)網(wǎng)絡核密度分析Fig. 5 Kernel density analysis of ecological network
圖 6 優(yōu)化后的生態(tài)空間網(wǎng)絡Fig. 6 Optimized ecological spatial network
3.3.2 加強生態(tài)斷裂點修復
交通道路網(wǎng)對生態(tài)網(wǎng)絡的破壞較大,并形成斷裂點,阻礙物種的交流。提取攀枝花市道路級別較高的鐵路、國道、高速公路矢量數(shù)據(jù),與生態(tài)廊道相交后識別出64處生態(tài)斷裂點(見圖6)。需注重生態(tài)斷裂點的修復,如建設動物通道、天橋等設施。
圖 7 攀枝花市生態(tài)空間網(wǎng)絡框架布局Fig. 7 Framework layout of ecological space network in Panzhihua city
3.3.3 攀枝花市生態(tài)空間網(wǎng)絡框架布局對策
根據(jù)攀枝花市生態(tài)空間網(wǎng)絡生態(tài)結(jié)構(gòu)特征,形成“一心一軸三片區(qū)、兩帶多廊道”的發(fā)展布局對策(見圖7)。一心為北部連接成片的重要生態(tài)源區(qū),應進行重點保護,劃定生態(tài)保育區(qū),嚴格管控人為干擾行為;一軸為跨過攀枝花市主城區(qū)的連通南北生態(tài)源地的軸線,在此軸線周邊適當修建綠地公園等設施,加強綠地斑塊的連通性,打造良好人居環(huán)境;三片區(qū)分別為東北部米易生態(tài)片區(qū)、西北部山地生態(tài)片區(qū)、南部迤沙拉旅游生態(tài)片區(qū),這幾個片區(qū)可作為區(qū)域生態(tài)中心,繼續(xù)加強區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡的流動性;兩帶是指安寧河流域及金沙江流域,是研究區(qū)物種遷徙的生命線,應加強水流帶沿線的生態(tài)保護及治理工程等工作;多廊道指構(gòu)成生態(tài)網(wǎng)絡的各級生態(tài)廊道,維護著攀枝花市生態(tài)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性,穿過山區(qū)、林區(qū)的生態(tài)廊道應加強區(qū)域生態(tài)修復及森林保育等措施,靠近或經(jīng)過主干道路、地形平緩區(qū)域的生態(tài)廊道應注意生態(tài)斷裂點的修補,并完善道路綠地的建設。
本研究利用MSPA-MCR模型構(gòu)建攀枝花市的生態(tài)網(wǎng)絡空間,結(jié)合重力模型識別重要生態(tài)廊道,通過核密度分析生態(tài)網(wǎng)絡分布情況。通過增設生態(tài)源地、識別生態(tài)斷裂點、提出生態(tài)網(wǎng)絡框架空間布局對策來優(yōu)化生態(tài)網(wǎng)絡。結(jié)果表明:
(1) 采用MSPA對研究區(qū)森林地類景觀格局進行分析,發(fā)現(xiàn)攀枝花市具備一定的生態(tài)環(huán)境基礎條件,核心區(qū)面積為2 728.71 km2,占全市總面積的36.79%,大多分布在研究區(qū)北部,小部分在西南部,中部區(qū)域最少,甚至出現(xiàn)空白區(qū)域;在形態(tài)上核心區(qū)大面積核心斑塊多,斑塊整體獨立性較強,斑塊內(nèi)部存在一定量的孔隙,且形狀不飽和,容易被外部因素干擾?;谶B接度分析,最終選擇dPC>4且IIC>2.5的10個核心區(qū)斑塊作為生態(tài)源地。
(2) 基于MCR模型,綜合自然及人為因素,構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡。提取研究區(qū)生態(tài)源地間的潛在有效生態(tài)廊道28條,根據(jù)源地間相互作用強度,通過重力模型評價廊道的重要程度,定量提取7條一級生態(tài)廊道、10條二級生態(tài)廊道,結(jié)合核密度分析,研究區(qū)西北部區(qū)域是生態(tài)網(wǎng)絡的重點維護區(qū)域。
(3) 通過生態(tài)源地輻射范圍覆蓋度緩沖區(qū)分析,識別出生態(tài)效益空缺較大的三個片區(qū),新增5塊生態(tài)源地、16條生態(tài)廊道、26個生態(tài)節(jié)點;結(jié)合交通干線分布,識別出64個生態(tài)斷裂點;提出生態(tài)空間網(wǎng)絡框架布局對策。
MSPA-MCR模型在應用于生態(tài)評價、空間網(wǎng)絡分析中具備一定的科學性。本文在構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡的基礎上,對下一步優(yōu)化策略進行了探究,并形成生態(tài)網(wǎng)絡空間布局對策,對攀枝花市生態(tài)網(wǎng)絡的具體規(guī)劃設計方案有一定理論及實踐意義,可為區(qū)域國土空間規(guī)劃、生態(tài)系統(tǒng)修復策略等提供科學參考。同時,本文限于數(shù)據(jù)原因,考慮得還是不夠全面,評價模型較為單一,進一步的研究中可綜合多學科知識構(gòu)建復合型模型,以更加合理地識別生態(tài)源地及構(gòu)建阻力值指標體系。