張 麗,王晨旭,徐建英,*,劉 鑫,溫曉金

1 首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院,北京 100048

2 北京師范大學地理科學學部地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室,北京 100875

3 內蒙古自治區(qū)地質調查研究院,呼和浩特 010020

4 德州學院生態(tài)與資源環(huán)境學院,德州 253023

人與自然和諧共生的現(xiàn)代化是當今時代的主題。國家十四五規(guī)劃綱要進一步強調,完善生態(tài)安全屏障體系,構建自然保護地體系,包括構筑生物多樣性保護網(wǎng)絡,提升生態(tài)系統(tǒng)質量和穩(wěn)定性。生態(tài)網(wǎng)絡是指在一種開放系統(tǒng)中利用廊道使景觀中各部分相互連接,形成空間和結構上緊密聯(lián)系的網(wǎng)絡體系[1],它能夠將濕地、農田、林地以及草地等生態(tài)系統(tǒng)在空間中有機聯(lián)系起來。生態(tài)網(wǎng)絡是景觀生態(tài)學研究的熱點問題,也是耦合景觀結構、生態(tài)過程和功能的重要途徑,其對于保護生物多樣性、維持生態(tài)平衡、增加景觀連接度具有重要意義[2]。因此,如何在景觀尺度上構建并優(yōu)化生態(tài)網(wǎng)絡,既是景觀生態(tài)學研究的前沿議題,又是保障生態(tài)安全、建設美麗中國的現(xiàn)實需求。

由多個生態(tài)節(jié)點、生態(tài)廊道等組成的網(wǎng)絡狀景觀格局分析多以“生態(tài)安全格局”概念出現(xiàn)在研究中[3—5]。其中,“源地識別-確定阻力面-獲取廊道”已經(jīng)成為生態(tài)網(wǎng)絡構建的基本框架[6]。在生態(tài)源地的識別上多采用直接疊加辨別法[7],主要指標基于生態(tài)敏感性[8]、生態(tài)系統(tǒng)服務重要性[9]或重要性-敏感性結合[10]。由于此類指標的疊加往往忽視了斑塊在景觀中的連接性作用,形態(tài)學空間格局分析(MSPA)方法被引入到生態(tài)源地識別指標中[11]。MSPA將斑塊或者廊道單獨提取出來,從像元的層面上識別出研究區(qū)內重要的生境斑塊和廊道等對景觀連通性起重要作用的區(qū)域,進而可以辨識出對維持連通性具有重要意義的景觀類型,增加了生態(tài)源地和生態(tài)廊道選取的科學性[12]。在廊道的構建中較為常見的方法是最小耗費距離方法[13]、圖論方法[14]與電路理論[15],此類方法地圖成果形式表達好,并且可以快速地指出生態(tài)流的最優(yōu)路徑,在區(qū)域生態(tài)安全格局的描繪中具有方法優(yōu)勢[16—17]。近年來,以生態(tài)網(wǎng)絡識別為主要手段的生態(tài)安全格局構建研究已在我國不同區(qū)域開展[2],景觀生態(tài)網(wǎng)絡構建與優(yōu)化研究已經(jīng)存在豐富的研究視角并積累了大量的研究成果。但是,目前大多數(shù)研究僅關注現(xiàn)狀景觀格局特征下的生態(tài)廊道潛在連接方式,并在此基礎上利用景觀格局指數(shù)[18]、景觀連通性指數(shù)[19]等指標從空間上測度生態(tài)網(wǎng)絡連通程度。對如何優(yōu)化網(wǎng)絡結構并對比網(wǎng)絡優(yōu)化效應的研究較少。通過情景分析手段預測提升生態(tài)網(wǎng)絡整體連通性的景觀格局優(yōu)化位置,并結合“網(wǎng)絡構建成本”及“生境連通效果”指標對不同情景優(yōu)化效應進行分析對比,將為保障區(qū)域生態(tài)安全的國土空間優(yōu)化提供重要定位支持。

中國干旱區(qū)分布面積廣大,蘊藏著豐富的生物資源。然而,近年來由于人類對自然資源的過度開發(fā)及不合理的利用方式,導致干旱區(qū)草地退化、生物多樣性減少、水土流失、土地荒漠化等生態(tài)問題頻發(fā),干旱區(qū)人地矛盾更加突出[20]。內蒙古巴彥淖爾市位于黃河幾字灣頂端,山、水、林、田、湖、草、沙等多種生態(tài)要素齊備,同時也面臨著干旱區(qū)經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護的矛盾,城市化、開礦、圍欄養(yǎng)殖、草地退化使得生境斑塊破碎,生態(tài)系統(tǒng)連通性差。以增加巴彥淖爾市及其周邊區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)連通性為基本目標,本研究通過加生態(tài)“踏腳石”、清除生態(tài)障礙點、保護生態(tài)夾點3種情景設置,識別優(yōu)化生態(tài)網(wǎng)絡連通性的關鍵位置,解決不同生態(tài)系統(tǒng)要素在空間聯(lián)系中存在的生態(tài)節(jié)點不足、廊道不通、生態(tài)流流量不強問題,即“不足、不通、不強”問題,促進生態(tài)網(wǎng)絡中生態(tài)要素和功能更有效的流通,進一步提升山、水、林、田、湖、草、沙系統(tǒng)協(xié)調及穩(wěn)定性。并通過源地數(shù)量、廊道數(shù)量、廊道總長度、阻力面平均值、生態(tài)網(wǎng)絡連通度指數(shù)等指標對3種情景下生態(tài)網(wǎng)絡連通性提升的效果與網(wǎng)絡構建成本進行比較并從中選取最優(yōu)方案,從而為黃河幾字灣頂端生態(tài)網(wǎng)絡構建提供方法依據(jù),為更好的筑牢北方生態(tài)安全屏障提供空間布局指引。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

巴彥淖爾市位于內蒙古西部,在40°13′—42°28′N,105°12′—109°53′E之間,東接包頭,西連阿拉善盟、烏海市,南隔黃河與鄂爾多斯市相望,北與蒙古國接壤,總面積6.4萬km2。市域內河流、平原、草原、湖泊、山脈、森林、沙漠等多種生態(tài)要素齊備。形成“一山兩原、一河多湖、東林西沙”的生態(tài)空間格局,其中“一山”指橫貫東西的陰山山脈,“兩原”指陰山南麓的河套平原和北麓的烏拉特草原；“一河多湖”指巴彥淖爾市黃河干支流以及包括烏梁素海在內的眾多湖泊；“東林西沙”指巴彥淖爾東部烏拉山自然保護區(qū)和西部烏蘭布和沙漠、巴音溫都爾沙漠。巴彥淖爾市是我國“兩屏三帶”生態(tài)安全戰(zhàn)略格局中“北方防沙帶”的重要組成部分,是有效阻止烏蘭布和沙漠向東侵蝕,阻隔烏蘭布和沙漠和庫布其沙漠連通的“重要關口”。其生態(tài)空間中烏拉山東起包頭市昆都侖河,烏蘭布和以及巴音溫都爾沙漠跨至阿拉善盟左旗。因此為了保障生態(tài)空間和功能的完整性以及巴彥淖爾市生態(tài)網(wǎng)絡構建的科學性,同時為了體現(xiàn)巴彥淖爾市生態(tài)網(wǎng)絡優(yōu)化與周圍區(qū)域的整體關系,本研究增加包頭市、阿拉善盟左旗作為研究區(qū)(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置及土地利用類型

1.2 數(shù)據(jù)說明及來源

本研究計算過程中使用的數(shù)據(jù)及其來源、分辨率具體見表1。其中柵格數(shù)據(jù)經(jīng)過最鄰近法重采樣統(tǒng)一為1km。

表1 數(shù)據(jù)類型及來源

2 研究方法

本研究依據(jù)“源地識別-確定阻力面-獲取廊道”的生態(tài)網(wǎng)絡構建范式,首先通過5種生態(tài)系統(tǒng)服務重要區(qū)、MSPA景觀中的核心區(qū)及橋接區(qū)、自然保護區(qū)選取生態(tài)源地；然后通過土地利用類型、高程、坡度、距離道路距離、夜間燈光等自然、人為因素設置阻力面,基于選取的生態(tài)源地和設置的阻力面利用最小耗費距離法識別生態(tài)廊道,構建現(xiàn)有的生態(tài)網(wǎng)絡；最后在現(xiàn)有生態(tài)網(wǎng)絡基礎上通過增加生態(tài)踏腳石、清除生態(tài)障礙點、保護生態(tài)夾點3種情景設置進行生態(tài)網(wǎng)絡優(yōu)化。具體框架如圖2所示。

圖2 生態(tài)網(wǎng)絡構建及優(yōu)化框架

2.1 生態(tài)源地提取

作為確保區(qū)域生態(tài)安全的關鍵地塊及生態(tài)網(wǎng)絡格局的重要組成部分,生態(tài)源地應當保持生態(tài)系統(tǒng)服務的可持續(xù)性、防止生態(tài)系統(tǒng)退化帶來的各種生態(tài)問題以及維護現(xiàn)有景觀的完整性[5],本研究鑒于巴彥淖爾市多種生態(tài)要素齊備且為我國“北方防沙帶”“大興安嶺-陰山-賀蘭山水源涵養(yǎng)及生物多樣性保護屏障”重要節(jié)點,同時生態(tài)環(huán)境脆弱,面臨較高的水土流失和土壤荒漠化危險的生態(tài)空間特點選擇了生境質量、水源涵養(yǎng)、土壤保持、防風固沙、碳固定5種典型的生態(tài)系統(tǒng)服務進行評價。通過生態(tài)系統(tǒng)服務重要性高值區(qū)與生態(tài)空間核心區(qū)與橋接區(qū),提取高生態(tài)系統(tǒng)服務重要性且高景觀斑塊連通性的區(qū)域。同時疊加重要自然保護區(qū)作為生態(tài)源地。

2.1.1 重要區(qū)識別

生態(tài)系統(tǒng)服務重要性評價主要針對區(qū)域的特定生態(tài)環(huán)境狀況,分析生態(tài)系統(tǒng)服務的地域分異規(guī)律,明確各種生態(tài)系統(tǒng)服務的重要區(qū)域,篩選出具有重要生態(tài)價值的關鍵斑塊加以保護[21]。考慮到5種重要的生態(tài)系統(tǒng)服務在生物多樣性、水土保持、氣候調節(jié)等方面的不可替代性,本研究在疊加圖層過程中賦予這5種生態(tài)系統(tǒng)服務同樣的權重。并且將各種服務進行歸一化操作后疊加(圖3),根據(jù)自然斷點法劃分為5個等級從1到5級分別代表從低到高的綜合服務的重要水平,當綜合生態(tài)系統(tǒng)服務等級大于3時,意味著這些區(qū)域的生態(tài)質量高于平均水平[22]。因此,取綜合生態(tài)系統(tǒng)服務等級中的4級和5級作為生態(tài)系統(tǒng)服務的重要區(qū)(圖4)。

(1)生境質量

生境質量是指基于生存資源可獲得性,生境為個體和種群的持續(xù)生存和發(fā)展提供適宜條件的能力,對于生物多樣性的維系有著重要作用。生境質量取決于一個生境對人類土地利用和這些土地利用強度的可接近性。本文采用InVEST模型中的Habitat Quality模塊,依據(jù)土地利用數(shù)據(jù)構建生態(tài)威脅源以及生境類型對威脅源的敏感性數(shù)據(jù)(本研究的威脅源及敏感性數(shù)據(jù)通過參考廖珍梅、徐建英等的研究[23—24], 結合研究區(qū)實際情況確定)形成生境質量地圖。計算公式如下：

(1)

(2)

式中,Qxj為土地利用類型j中的柵格x的生境質量;Dxj為土地利用類型j中柵格x的總威脅水平;K和Z為比例因子;Hj為土地利用類型j的生境適宜度;R為脅迫因子;Yr為脅迫因子r所占的柵格數(shù);Wr為威脅因子權重,值在 0—1之間;ry為柵格y的脅迫因子值;irxy為柵格y的脅迫因子值ry對柵格x的脅迫水平;βx為柵格x的可達性水平;Sjr為生境類型j對脅迫因子r的敏感性。

(2)水源涵養(yǎng)

利用InVEST模型中的 Water Yield模塊計算研究區(qū)域產水量,計算公式如下：

(3)

式中,Y(x)為研究區(qū)每個柵格單元x的年產水量(mm);AET(x)為柵格單元x的年實際蒸散量(mm);P(x)為柵格單元x的年降水量(mm)。獲得產水量之后再用地形指數(shù)、土壤飽和導水率和流速系數(shù)對產水量進行修正獲得水源涵養(yǎng)量[25]。

(3)土壤保持

本文采用修正通用水土流失方程(RUSLE)的水土保持服務模型評價[26],計算公式如下：

A=R×K×LS×(1-C×P)

(4)

式中,A表示年平均土壤保持量(t hm-2a-1);R表示降雨侵蝕因子 (MJmmt-1hm2a);K為土壤可蝕性因子(thMJ-1mm-1);LS表示地形因子(坡長、坡度);C為植被覆蓋與作物管理因子;P為水土保持因子。

(4)防風固沙

本文采用修正風蝕方程來計算防風固沙量[27],公式如下:

SR=Sl-Sp

(5)

(6)

Ql=150.71×(WF×EF×SCF×K′)-0.3711

(7)

Qlmax=109.8×(WF×EF×SCF×K′)

(8)

(9)

Qp=150.71×(WF×EF×SCF×K′×COG)-0.3711

(10)

Qpmax=109.8×(WF×EF×SCF×K′×COG)

(11)

式中,SR為防風固沙量(kg/m2);Sl為潛在侵蝕量(kg/m2);SP為實際風蝕量(kg/m2);Ql為潛在風沙轉移量(kg/m);Qlmax為潛在風沙最大轉移量(kg/m);Qp為實際風沙轉移量(kg/m);Qpmax實際風沙最大轉移量(kg/m);z為最大風蝕出現(xiàn)距離(m)本次計算取100m；WF表示氣象因子(kg/m);EF表示土壤可侵蝕程度;SCF表示土壤結皮因子;K′表示土壤粗糙度因子;COG 表示綜合植被因子。

(5)碳固定

NPP 是指在單位面積、單位時間內植物所固定的有機物總量,是地表碳循環(huán)的主要組成部分,也是判定生態(tài)系統(tǒng)碳源及碳匯和調節(jié)生態(tài)過程的主要因子[24]。本研究碳固定服務用MODIS NPP予以指代[22]。

然后將上述5種數(shù)據(jù)分別進行標準化處理[28],公式如下：

Ki=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(12)

式中,Xi為指標i的實測值;Xmax為指標i的最大值;Xmin為指標i的最小值;Ki為指標i經(jīng)標準化后的指標值。

2.1.2 連通區(qū)識別

MSPA方法強調結構性連接,僅依賴于土地利用數(shù)據(jù),將其重新分類后提取森林、灌木、草地這3種自然生態(tài)要素作為前景,其他土地利用類型作為背景。將數(shù)據(jù)轉換為二值柵格文件,然后基于Guidos軟件,對數(shù)據(jù)進行MSPA分析,得到互不重疊的七類景觀[29—30]并對分析結果進行統(tǒng)計(表2)。最后,提取出對維持連通性具有重要意義的核心區(qū)和橋接區(qū)景觀作為源地識別的另一重要圖層。

表2 形態(tài)學空間格局分析法(MSPA)的景觀類型及其生態(tài)學含義

2.2 阻力面

阻力面設置是廊道準確識別的關鍵。本文考慮土地利用類型、高程、坡度、與道路的距離設立阻力面。具體比例和賦值見表3[31—32]。

表3 不同因素的阻力面賦值

基于數(shù)據(jù)精度,城市土地覆被分類體系不可能無限細分,因此有必要選取能夠定量表征不同空間單元生態(tài)阻力差異的指數(shù),修正基于土地覆被類型賦值的生態(tài)阻力面[3]。夜間燈光數(shù)據(jù)可以較好地表征城市化水平、經(jīng)濟狀況、人口密度、能源消耗等人類活動因子,是人類活動強度的良好體現(xiàn)。為了進一步區(qū)分在相同土地利用類型下,不同的人為干擾程度,本文使用夜間燈光指數(shù)對阻力面進行修正,公式如下：

(13)

式中,R′為修正后的阻力值；NLIi為像素i的一般夜光NLIa為土地類型a的平均夜光；R為景觀類型a的基本阻力值。

2.3 生態(tài)廊道提取和生態(tài)戰(zhàn)略點識別

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)服務功能完整性的關鍵生態(tài)用地。本研究采用最小成本加權方法(最小累積阻力方法),通過ArcGIS 10.3 Linkage Mapper插件中的Linkage Pathways Tool繪制最小成本路徑(LCPs)。最小成本加權計算方法計算公式如下：

NLCCAB=CWDA+CWDB-LCDAB

(14)

式中,NLCCAB連接源地A和B的標準化最小成本廊道；CWDA為搜索窗口到源地A的成本加權距離,CWDB為到搜索窗口到源地B的成本加權距離；LCDAB表示連接源地A和B的理想(最小成本)路徑的累積成本加權距離。

生態(tài)戰(zhàn)略點,被認作是在生態(tài)過程中起有效控制作用或促進作用的關鍵點,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[33—34]。本研究對障礙點和夾點兩類戰(zhàn)略點進行識別。

障礙點指物種在生境斑塊間運動受到阻礙的區(qū)域[35]。本研究利用Linkage Mapper Toolkit工具中的Barrier Mapper模塊設定1500m的搜索半徑,采用移動窗口法搜索“障礙點”。取改善系數(shù)高值前15%的區(qū)域為主要障礙區(qū)域。

夾點又稱瓶頸點,是生態(tài)廊道中電流密度較高的區(qū)域,表明物種或生態(tài)流在源地間運動通過該區(qū)域的可能性比較高或者沒有其他可以選擇的替代路徑是區(qū)域生態(tài)保護的優(yōu)先區(qū)[36]。本研究利用Linkage Mapper Toolkit工具中的Pinchpoint Mapper模塊選擇Pairwise模式進行計算。相鄰關鍵生態(tài)源地間夾點區(qū)域僅為相鄰兩個源地間廊道的“瓶頸”,對維持整個景觀的連接性沒有任何意義[37],故本文將對影響整個研究區(qū)景觀連通性的夾點區(qū)域即raster centrality進行夾點識別。

2.4 生態(tài)網(wǎng)絡優(yōu)化情景設置

景觀連通性是指景觀對生態(tài)流的便利或阻礙程度,是衡量景觀生態(tài)過程的重要指標。維持良好的連通性是保護生物多樣性和維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性與整體性的關鍵因素之一[38]。通過改善阻力面,修復及保護生態(tài)節(jié)點的方法提高景觀連通性操作簡便且可快速實現(xiàn)生態(tài)網(wǎng)絡優(yōu)化目的。另外,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。因此,本研究通過3種情景設置從阻力面、障礙點及夾點出發(fā)解決生態(tài)網(wǎng)絡的不足、不通、不強問題(表4)。為了更好的比較3種情景下生態(tài)網(wǎng)絡優(yōu)化效果,3種情景設定下需修復及保護的區(qū)域面積一致。

表4 生態(tài)網(wǎng)絡優(yōu)化情景設置

(1)增加“踏腳石”,在重要的生態(tài)源地之間合理配置點狀生態(tài)斑塊,起到“踏腳石”的作用,有益于壓縮斑塊之間的距離構成廊道,增強生態(tài)系統(tǒng)的連通性。解決生態(tài)節(jié)點“不足”問題。此情景將通過選定研究區(qū)西部烏拉特后旗適合草地修復區(qū)域,對裸地或低密度草地進行修復,條帶狀草地修復區(qū)域將起到生態(tài)“踏腳石”的作用。

(2)清除障礙點,修復生態(tài)廊道中確定的障礙點,有助于改善廊道質量,清除物種遷移及生態(tài)流流通阻礙,解決“不通”問題。此情景中將對障礙點具體分析,對道路、居民區(qū)、沙地等不同類型通過不同的方法進行清除或改善,源地和廊道數(shù)量均不發(fā)生改變。

(3)保護夾點,夾點作為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[33]。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。所以夾點的保護至關重要。因此本情景模擬了夾點不注重保護發(fā)生生態(tài)退化情況下未來生態(tài)網(wǎng)絡的狀況,反推夾點保護對保障廊道質量,解決廊道流量“不強”問題的重要意義。

然后通過廊道長度對生態(tài)網(wǎng)絡進行成本評估,利用生態(tài)網(wǎng)絡連通度指數(shù)：網(wǎng)絡閉合度指數(shù)α、線點率指數(shù)β、網(wǎng)絡連接度指數(shù)γ,對生態(tài)網(wǎng)絡連通度變化進行分析,該方法廣泛用于單個指標計算區(qū)域整體生態(tài)網(wǎng)絡連接度[39]。α指數(shù)反映網(wǎng)絡出現(xiàn)回路的程度,值越大說明該網(wǎng)絡的物質循環(huán)和流通越流暢；β指數(shù)反映每節(jié)點對應的連線數(shù),β<1 說明網(wǎng)絡結構為樹狀形態(tài),β=1說明網(wǎng)絡是單一回路的結構,β>1表明網(wǎng)絡連接復雜,每個節(jié)點對應的連接線較多；γ指數(shù)則反映網(wǎng)絡中所有節(jié)點的連接程度,γ值越大表明節(jié)點連接程度越高。各指數(shù)的計算公式如下[40]:

(15)

β=l/v

(16)

(17)

式中,l為廊道數(shù);v為節(jié)點數(shù)。生態(tài)節(jié)點指生態(tài)空間中連接兩個相鄰生態(tài)源,并對景觀生態(tài)過程起到關鍵性作用的地段[41]。本研究中生態(tài)節(jié)點選取廊道交點。

3 結果

3.1 生態(tài)源地

研究結果表明生境質量、土壤保持、水源涵養(yǎng)、固碳釋氧4種生態(tài)系統(tǒng)服務的高值區(qū)相對集中,主要位研究區(qū)東部,中部陰山區(qū)域,以及西部賀蘭山區(qū)域(圖3)。

圖3 生態(tài)系統(tǒng)服務空間格局

防風固沙服務的重要區(qū)與上述4種服務的分布有較大差異,高值區(qū)主要集中在景觀類型中的耕地和草地,由于森林和灌木的潛在風蝕量和實際風蝕量都較低,所以根據(jù)模型法計算出的防風固沙值較低,但不能忽視山地以及防護林對風沙的阻擋作用(圖3)。綜上,高生態(tài)系統(tǒng)服務重要性區(qū)域主要位于阿拉善盟左旗西部,巴彥淖爾市中部和東部,包頭市(圖4)。

圖4 綜合生態(tài)系統(tǒng)服務等級和生態(tài)系統(tǒng)服務重要區(qū)

基于 MSPA 方法得到的景觀結構性連接結果(圖5)。核心區(qū)主要圍繞研究區(qū)自然林草格局,研究區(qū)南部河套平原地區(qū)城鎮(zhèn)開發(fā)面積大、生態(tài)斑塊面積小且分布零散,連通性差。研究區(qū)西部和北部景觀類型多為荒漠草原或荒漠,為背景區(qū)。本文將核心區(qū)、橋接區(qū)進行提取,作為連通區(qū)。與提取出的生態(tài)系統(tǒng)服務重要區(qū)進行疊加提取值為2的部分作為生態(tài)源地,即既連通又重要的區(qū)域,面積為37268km2。由于生態(tài)源地須具有一定面積才能使核心區(qū)不受外界干擾[42],結合研究區(qū)生態(tài)源地斑塊面積遞減梯度大且分布集中的特征,本研究基于1000km2的閾值,剔除破碎斑塊后,共篩選出生態(tài)源地5個,總面積30688km2,占研究區(qū)總面積的17.82%?？傮w上,生態(tài)源地占研究區(qū)的總面積的比例小,且50%位于巴彥淖爾市境內。

根據(jù)全球保護區(qū)數(shù)據(jù),烏拉特梭梭林-蒙古野驢國家級自然保護區(qū)、哈騰套海國家級自然保護區(qū),均處于荒漠草原地區(qū),綜合生態(tài)系統(tǒng)服務等級低、連通性差,但是存在很多寶貴的野生動物和基因資源對生物多樣性保護具有重要意義為國家級自然保護區(qū),生態(tài)源地中需要增加這兩個保護區(qū)。另外除了提供生態(tài)系統(tǒng)服務的地表植被等綠色生態(tài)空間,水體等藍色生態(tài)空間也是城市生態(tài)空間的重要組成部分[43]。巴彥淖爾市烏梁素海流域是關系到黃河中下游水生態(tài)安全的“重要節(jié)點”,流域內眾多的河流、濕地、湖泊為野生生物提供了生存和繁衍的家園,是黃河流域生物多樣性保護的“重要地區(qū)”和國際候鳥遷徙的“重要通道”。但烏梁素海流域是我國三大灌區(qū)之一,農業(yè)和城市化發(fā)展水平高道路密集,不符合生態(tài)源地的選取要求且阻力值較高。因此需增加對緩解黃河凌汛壓力,有效凈化水質,增加區(qū)域生物多樣性,提升社會服務功能具有重要作用的主要沿黃濕地(磴口縣奈倫湖國家濕地公園片區(qū)、五原縣黃河濕地水禽自然保護區(qū)片區(qū)、臨河區(qū)黃河國家濕地公園片區(qū)、烏拉特前旗烏梁素海入黃河河口濕地片區(qū)4個片區(qū)),和對促進生物多樣性保護、河湖連通具有重要作用的湖泊海子(包括烏梁素海、冬青湖、大堿湖、永明海子、河桶湖、大卜洞海子、牧羊海)作為生態(tài)源地。綜上所述,共計選取了24塊生態(tài)源地,共計58337km2,占研究區(qū)總面積的33.88%(圖6)。

圖6 生態(tài)網(wǎng)絡格局

3.2 生態(tài)廊道和戰(zhàn)略點

生態(tài)源地呈現(xiàn)不均勻的空間分布,研究區(qū)東部、南部的生態(tài)源地密度較高,連接生態(tài)源地的生態(tài)廊道具有與生態(tài)源相似的分布趨勢(圖6)。在現(xiàn)狀生態(tài)網(wǎng)絡格局中共有44條生態(tài)廊道,長度介于1—234.06km之間廊道總長度為2428.513km,研究區(qū)東部地區(qū)源地面積大且分布相隔距離較小,因此廊道較為密集且長度較短,為質量較高的物種遷移廊道,有利于林草湖要素的連通。研究區(qū)西部,廊道少且距離長,主要涉及4條廊道,部分廊道重合,規(guī)劃過程中應進行則優(yōu)考慮選取。西部廊道對防止烏蘭布和沙漠東移,以及促進黃河古河道的恢復起著至關重要的作用。研究區(qū)南部即陰山以南烏梁素海流域,廊道豐富,多為河湖連通網(wǎng)絡有利于水田湖要素的連通。流域北部(陰山腳下)受城市建成區(qū)擴張、山區(qū)部分生態(tài)用地被占用、部分湖泊面積過小影響,有些源地之間雖然有潛在的相互連接的趨勢,但并未模擬出完整的生態(tài)廊道。研究區(qū)北部主要有一條廊道,連接烏拉特梭梭林-蒙古野驢國家級自然保護區(qū)和陰山,途經(jīng)烏拉特草原,是重要的物種(移動)遷移廊道,有利于林草山要素的連通。

生態(tài)障礙點的識別結果如圖7所示,由藍到紅代表著改善區(qū)域的重要性,紅色代表亟需改善的區(qū)域就是生態(tài)障礙點。本研究共識別生態(tài)障礙點 39處,面積為211km2。障礙點大部分位于生態(tài)廊道的范圍生境內?，F(xiàn)狀用地類型為農田、建設用地、裸地等,此類用地的共同點就是下墊面硬化程度較高,對生境質量的連通性有一定的割裂行為。本研究障礙點多出現(xiàn)與道路交匯處。

圖7 生態(tài)障礙點識別

生態(tài)夾點的識別結果如圖8所示。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)。為增進后續(xù)情景優(yōu)化效果比較的科學性,本研究篩選前20%的電流密度高值區(qū)作為夾點。共識別出生態(tài)夾點41處,面積為211km2(同障礙點面積)。夾點主要分布在烏梁素海流域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。烏梁素海流域廊道中夾點多由水域、草地和林地組成,該區(qū)域生態(tài)廊道耕地占比高。因此,需高度重視該區(qū)域生態(tài)夾點的保護,防止人類活動導致的生態(tài)退化。

圖8 生態(tài)夾點識別

3.3 情景優(yōu)化

在情景一中,將劃定的四塊條帶狀修復區(qū)由裸地轉化為草地,增加“生態(tài)踏腳石”共計211 km2(圖9)。劃定區(qū)域周圍有高密度草地的分布,且所選區(qū)域不涉及道路和城市,修復成本較低。此情景下最小成本路徑的數(shù)量增加到了45條,廊道總長度增加到2487.183km,增加了58.67km。平均阻力值降低到118.836,降低了0.002。該情景下網(wǎng)絡閉合度指數(shù)0.148、線點率指數(shù)1.25、網(wǎng)絡連接度指數(shù)0.441,由于新增廊道與其他廊道聯(lián)系性差,且廊道所處地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡劣與現(xiàn)有生態(tài)網(wǎng)絡格局相比網(wǎng)絡連通度并沒有提高。但此新增廊道有利于全域網(wǎng)絡的構建。且四塊帶狀修復區(qū)與哈騰套海及賀蘭山之間的連接廊道共同形成沙漠鎖邊帶,對防止西部沙漠東侵具有重要意義。

在情景二中,障礙點的面積為211 km2,主要分布在北部廊道和西部廊道(圖9)。改善和修復障礙點提升生態(tài)連通性是情景2背后的主要理論基礎。研究區(qū)障礙點出現(xiàn)的原因主要為廊道途徑道路和沙地。一般通過架橋、通隧道、人工造林、封沙育林、草方格沙障等形式清除障礙點。此情景下最小成本路徑數(shù)量增加兩條,廊道總長度增加到2633.022,增加了240.509km,平均阻力值降低了0.036到118.802。網(wǎng)絡閉合指數(shù)此情景增加0.007至0.308。線點率指數(shù)增加0.016至1.533說明區(qū)域網(wǎng)絡已經(jīng)超越樹狀結構向方格狀發(fā)展,結構比較完善,廊道連通性較好。網(wǎng)絡連接度指數(shù)提高了0.005至0.548,生態(tài)節(jié)點連接度略有增加但仍相對較低。

在情景三中,強調對現(xiàn)有夾點生態(tài)環(huán)境的保護(圖9)。通過模擬未來關鍵生態(tài)夾點退化情景來反推生態(tài)夾點保護對生態(tài)網(wǎng)絡優(yōu)化的重要意義。在夾點退化情景下,廊道數(shù)量增加至48條,由于對生態(tài)夾點的繞行,廊道長度增加至2581.767km,廊道中耕地比重進一步增加,生態(tài)廊道構建成本急劇增加,平均阻力值增加0.11至118.948。網(wǎng)絡閉合度、線點率指數(shù)、網(wǎng)絡連接度指數(shù)較現(xiàn)有網(wǎng)絡格局分別降低了0.029、0.156、0.063,變動幅度較情景二大,生態(tài)網(wǎng)絡連通度降低明顯。應加強通過河湖連通與生物多樣性保護工程、農田面源及城鎮(zhèn)點源污染治理工程、烏梁素海湖體水環(huán)境保護與修復工程進行水域生態(tài)夾點保護。

3種情景在現(xiàn)有生態(tài)網(wǎng)絡條件下,通過修復或保護相同面積、不同位置生態(tài)網(wǎng)絡區(qū)域,進行生態(tài)網(wǎng)絡優(yōu)化,經(jīng)比較3種情景中,情景三對生態(tài)網(wǎng)絡連通保護作用最為明顯,且夾點保護下的生態(tài)廊道的數(shù)量和長度與現(xiàn)有格局保持一致,較情景一二,生態(tài)網(wǎng)絡優(yōu)化成本低,規(guī)劃和應用性強。

4 討論與結論

4.1 討論

本研究在生態(tài)網(wǎng)絡構建過程利用生態(tài)系統(tǒng)服務重要性和形態(tài)學空間分析法疊加自然保護區(qū)選取生態(tài)源地,綜合考慮土地利用類型、高程、坡度、與道路的距離設立阻力面；利用最小耗費距離方法識別生態(tài)廊道。在生態(tài)源地選取中本研究既考慮了生態(tài)系統(tǒng)自身的功能屬性,又考慮了斑塊內部的連通性,同時考慮了面積閾值以及區(qū)域需要保留的生態(tài)總價值及生態(tài)用地面積的比例具有科學性。

景觀連通性是景觀保護生物多樣性和保持城市生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性和完整性的關鍵。巴彥淖爾市景觀生態(tài)功能空間強度分布極不平衡,需要通過提升景觀連通性加強區(qū)域內各生態(tài)系統(tǒng)之間相互的聯(lián)系。為了在景觀尺度上優(yōu)化巴彥淖爾市及周邊區(qū)域的生態(tài)空間,夯實不同生態(tài)系統(tǒng)“山、水、林、田、湖、草、沙”的穩(wěn)定性,本研究提出的面向連通性提升的旱區(qū)城市生態(tài)網(wǎng)絡優(yōu)化方案。考慮到多數(shù)研究僅從單一角度進行生態(tài)網(wǎng)絡優(yōu)化,如單從生態(tài)用地擴張的角度構建區(qū)域生態(tài)安全格局或單從修復及保護生態(tài)戰(zhàn)略點角度進行生態(tài)網(wǎng)絡的優(yōu)化[44—45]。本研究以生態(tài)網(wǎng)絡構成要素為切入點,進行了3種網(wǎng)絡優(yōu)化情景的模擬與分析。另外本研究通過八項指標綜合衡量3種情景的“構建成本”“連通效果”比較出最適合研究區(qū)規(guī)劃目標的情景,旨在提供生態(tài)安全格局優(yōu)化的一種方法參考,即生態(tài)網(wǎng)絡優(yōu)化不僅需要加強區(qū)域景觀的連通性,而且需要確保城市土地利用轉化的低成本。

草地是中國干旱區(qū)主要的植被類型,不僅能夠支持較高的生產力,還能發(fā)揮較強的生態(tài)系統(tǒng)服務功能。本研究3種情景設置中,均涉及草地的保護與修復,因此旱區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡的優(yōu)化草地發(fā)揮著至關重要的作用。在草地的修復和人工建植的過程中除了選取的面積外,工程的規(guī)劃、草種的選擇、林草的分配結構,均影響網(wǎng)絡優(yōu)化的成本。同時巴彥淖爾市烏梁素海流域河湖連通網(wǎng)絡的構架和優(yōu)化亦十分重要,該區(qū)廊道密集,識別的生態(tài)戰(zhàn)略點也主要集中于此。在情景優(yōu)化效果對比中強調構建成本,然而,當前流域生態(tài)修復和重建項目多數(shù)側重于高維護、高成本的工程,且極大依賴于外部的資源和資金投入。因此如何利用好基于自然的解決方案(Nature-based Solutions,NbS)探索以自然修復為主、人工修復為輔的低成本治理；鼓勵并包容多方利益相關者參與治理在多目標需求權衡中取得平衡,是今后生態(tài)網(wǎng)絡優(yōu)化探索社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合關系的重點和難點。

本研究雖設置了3種生態(tài)網(wǎng)絡優(yōu)化情景識別出了巴彥淖爾市生態(tài)修復及保護的重點區(qū)域,并以生態(tài)廊道長度作為成本指標,生態(tài)網(wǎng)絡連通度指數(shù)作為連通效果指標,對3種生態(tài)網(wǎng)絡優(yōu)化情景進行對比分析。但生態(tài)網(wǎng)絡優(yōu)化“成本”和“效果”評價指標較為單一。之后的研究將在基于“優(yōu)化生態(tài)-生產范式”的生態(tài)網(wǎng)絡優(yōu)化原則下進行更加細化的成本考量和效果評估[20]。同時基于自然的解決方案理念,在烏梁素海流域山水林田湖草生態(tài)保護修復試點工程基礎上繼續(xù)探究巴彥淖爾市如何最大程度利用自然做工原理減少工程技術手段的人工強干預修復保護生態(tài)障礙點及生態(tài)夾點,實現(xiàn)生態(tài)網(wǎng)絡優(yōu)化效益的最大化。

4.2 結論

構建生態(tài)網(wǎng)絡是增加生態(tài)系統(tǒng)連通性的有力途徑。本研究通過增加生態(tài)節(jié)點改善阻力面的3種情景設置手段,識別優(yōu)化生態(tài)網(wǎng)絡連通性的關鍵位置,結果表明：

(1)巴彥淖爾市及周圍區(qū)域的生態(tài)網(wǎng)絡格局由24個生態(tài)源地、44條廊道、39個障礙點和41個生態(tài)障礙點組成,基于生態(tài)系統(tǒng)服務重要性和連通性疊加識別的生態(tài)源地50%位于巴彥淖爾市境內,巴彥淖爾市生態(tài)網(wǎng)絡的優(yōu)化對周圍區(qū)域存在重要影響。研究區(qū)生態(tài)源地和生態(tài)網(wǎng)絡分布不均勻,東部和南部密集,廣闊的西部和北部地區(qū)源地廊道稀少,生態(tài)網(wǎng)絡面臨著不足、不通、不強問題,亟待優(yōu)化。

(2)通過增加生態(tài)“踏腳石”、清除障礙點、保護3種情景設置,分別解決“不足”“不通”“不強”問題,然后通過源地數(shù)量、廊道數(shù)量、廊道總長度、阻力面平均值、網(wǎng)絡閉合度指數(shù)、線點率指數(shù)、網(wǎng)絡連接度指數(shù)7項指標對3種情景進行評價。經(jīng)綜合評定得：在修復或保護區(qū)域面積相同的情況下,進行生態(tài)夾點保護效益最大,對生態(tài)網(wǎng)絡連通度的影響最明顯。但情景一中新增廊道對蒙古野驢的遷移和活動以及生物多樣性保護,阻止西部沙漠東移都具有重要意義,也應注重研究區(qū)西部荒漠及荒漠草原地區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡建設與規(guī)劃,促進生態(tài)網(wǎng)絡的全域覆蓋。研究結果對區(qū)域生態(tài)安全格局構建提供了方法支撐,為筑牢北疆萬里綠色長城提供了區(qū)域國土空間優(yōu)化方案指引。