林鑫禹 衛(wèi)曉慶 劉恩來 顧有權(quán) 馬名楊 曲曉涵

(沈陽工學(xué)院 能源與水利學(xué)院, 遼寧 撫順 113122)

0 引言

根據(jù)自然資源部《關(guān)于開展省級國土空間生態(tài)修復(fù)規(guī)劃編制工作的通知》(自然資辦發(fā)〔2020〕45號)的要求,做好遼寧省國土空間生態(tài)修復(fù)工作的統(tǒng)籌謀劃和總體設(shè)計(jì)提出全面規(guī)劃和科學(xué)推進(jìn)山、河、林、田、湖、草、沙綜合保護(hù)與恢復(fù)的總體思路、目標(biāo)和任務(wù)等一系列的相關(guān)措施,從而促進(jìn)省級國土空間生態(tài)修復(fù)規(guī)劃,通過規(guī)劃實(shí)施實(shí)現(xiàn)山水林田湖草系統(tǒng)治理,構(gòu)建空間格局優(yōu)化、生態(tài)功能穩(wěn)定和生態(tài)產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)的生態(tài)安全格局,筑牢生態(tài)安全屏障,促進(jìn)人與自然和諧共生。遼寧省國土空間生態(tài)修復(fù)規(guī)劃重點(diǎn)落實(shí)全省生態(tài)安全格局、生態(tài)修復(fù)目標(biāo)任務(wù),同時(shí)作為縣級國土空間生態(tài)修復(fù)規(guī)劃編制、生態(tài)修復(fù)目標(biāo)傳導(dǎo)落實(shí)、科學(xué)開展生態(tài)修復(fù)工作的依據(jù)。

生態(tài)安全模式是從景觀生態(tài)規(guī)劃中衍生出來的一種方法,用于識別生態(tài)恢復(fù)和適合生物保護(hù)的區(qū)域[1]。當(dāng)前,國土空間生態(tài)修復(fù)調(diào)研核心更注重于那些范圍較小的生態(tài)修復(fù)的問題[2]。我國的大部分生態(tài)修復(fù)是從2000年開始進(jìn)行的,從當(dāng)初至如今這21年間生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)及森林植被覆蓋度都得到了部分程度的提高。但是想要精準(zhǔn)從頭來施行政策,還是需要人工修復(fù)處理來將過去退化嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行扭轉(zhuǎn)退化的趨勢,是其恢復(fù)到初期階段。把各個(gè)自然資源要素納入一起,考慮他們之間的相互作用來進(jìn)行系統(tǒng)修復(fù)。

在近年來由于沈陽市城鎮(zhèn)化、工業(yè)化蓬勃發(fā)展,人類高強(qiáng)度的工業(yè)化活動不斷地侵蝕著生態(tài)環(huán)境,導(dǎo)致城市綠色空間急劇減少。因此急需開啟生態(tài)修復(fù)。在該篇文章中將基于生態(tài)安全格局研究與電路理論相結(jié)合,構(gòu)建出沈陽市生態(tài)廊道,找出生態(tài)夾點(diǎn)障礙點(diǎn)。以確保沈陽市的國土空間生態(tài)修復(fù)的范圍,以此提出對應(yīng)的修復(fù)策略。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概述

沈陽市位于中國東北地區(qū)的南部位置,遼寧省的中部區(qū)域,全市的總面積12 948 km2,市區(qū)面積約為3 495 km2。沈陽市主要以平原地區(qū)為主,東部為遼東丘陵山地,北部為遼北丘陵,地勢主要向西、南方向平勢開展。研究區(qū)在遼寧省的位置如圖1所示。

圖1 沈陽市位置圖

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文選取的數(shù)字高程數(shù)據(jù)(digital elevation model,DEM)和遙感影像數(shù)據(jù)均來源于地理空間數(shù)據(jù)云(www.gscloud.cn),其中,DEM數(shù)據(jù)分辨率為30 m,時(shí)間為2020年8月份,并基于ArcGIS平臺計(jì)算了沈陽市的坡度以及地形起伏度,遙感影像使用2020年遼寧省7—8月的Landsat-8數(shù)據(jù),分辨率為30 m×30 m。

2 研究方法

2.1 生態(tài)源地識別

生態(tài)源地一般具有維持生態(tài)過程的完整性、保障生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)的持續(xù)性等功能[3],是構(gòu)建生態(tài)安全格局的基礎(chǔ)所在,本文采用形態(tài)學(xué)空間格局分析方法(morphological spatial patterns analysis,MSPA)識別生態(tài)源地[4]。

根據(jù)目前沈陽市的環(huán)境狀況,對該區(qū)域2020年的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行MSPA研究,以林地、草地、水域和濕地為MSPA分析的前景,其他土地為背景,使用GuidosToolbox軟件和八鄰域分析方法進(jìn)行MSPA分析,對照GuidosToolbox使用手冊得到核心區(qū)、島狀斑塊、邊緣區(qū)環(huán)島區(qū)、核心區(qū)、孔隙、支線、橋接區(qū)七種不壓蓋的景觀類型[5]。以成果圖片的各個(gè)生態(tài)斑塊的面積和它們之間的相互連通性,以面積前30的區(qū)域作為生態(tài)源地。利用Conefor2.6軟件來計(jì)算斑塊可能連通性指數(shù)與斑塊重要性指數(shù)來確定最終生態(tài)源地。

2.2 生態(tài)阻力面的構(gòu)建

根據(jù)生態(tài)安全格局理論,大多數(shù)物種遷徙的情況下在空間上會受到一些外界因素的干擾,而受到外界因素干擾最小的通道就是所謂的生態(tài)廊道[6-7]。根據(jù)相關(guān)研究[8-9],綜合考慮沈陽未來發(fā)展形勢,本實(shí)驗(yàn)以土地利用類型為阻力面,根據(jù)MSPA的景觀數(shù)據(jù)、坡度、地形起伏度以及植被覆蓋度的數(shù)據(jù)做阻力層,建造生態(tài)阻力面。

2.3 生態(tài)廊道

生態(tài)廊道作為生物遷徙與物種交流最小阻力中最便捷途徑,是改善生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的關(guān)鍵,即彼此鄰近環(huán)境生態(tài)之間相互聯(lián)系的通道。所以本文利用最小阻力模型構(gòu)建生態(tài)廊道。以最小阻力模型(minimum cumulative resistance,MCR)模擬生物穿越不同景觀基面的速度[10]。模型公式如式(1)所示。

(1)

式中,MCR表示源地的最小累積阻力;f表示待定單調(diào)遞增函數(shù);Dij表示生態(tài)用地景觀單元i到生態(tài)源地j的空間距離;Ri是景觀單元i對某運(yùn)動的阻力系數(shù);m、n分別表示景觀單元i和生態(tài)源地j的數(shù)量。

2.4 生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn)

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中電流密度最大的區(qū)域說明該區(qū)域是物種通過最多的地方,大量物種遷徙往往也伴隨著高風(fēng)險(xiǎn),生態(tài)夾點(diǎn)就是緩解此情況的關(guān)鍵區(qū)域。由于物種遷徙的隨機(jī)性,無法主觀選取最佳遷徙路徑,電路理論[11]能夠?qū)㈦S機(jī)行走理論與行為生態(tài)學(xué)結(jié)合,有效地將物種隨機(jī)遷徙路徑和種群擴(kuò)散概率表示出來。本文使用夾點(diǎn)映射器工具進(jìn)行識別,并選擇可以識別整個(gè)景觀生態(tài)夾點(diǎn)的“all to one”模式作為計(jì)算方法,選擇位于走廊臨界點(diǎn)和交叉區(qū)域且唯一的高電流密度斑塊作為生態(tài)夾點(diǎn)。

生態(tài)障礙點(diǎn)指生物在生態(tài)遷徙過程中通過比較困難的區(qū)域,通過計(jì)算清楚障礙點(diǎn)后電流值恢復(fù)值的大小來識別。移除這些區(qū)域可以使生態(tài)源地的連通性獲得提高[12]。運(yùn)用Barrier Mapper工具,設(shè)置適合的搜索半徑和步長搜索生態(tài)障礙點(diǎn)[13]。

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)源地的分布識別

本文以MSPA分析面積前30的初始生態(tài)源地斑塊為基礎(chǔ),使用Conefor2.6軟件,由于沈陽市的動物棲息地,設(shè)置連接閾值距離為5 000 m,連接概率為0.5,進(jìn)行景觀連接度評價(jià),選擇面積大于10 km2且斑塊重要性指數(shù)≥0.5的11個(gè)斑塊為生態(tài)源地結(jié)果,如圖2所示。最終選出的生態(tài)源地面積一共1 593.97 km2。

圖2 沈陽市生態(tài)源地分布

沈陽市2020年生態(tài)源地現(xiàn)狀土地利用類型(圖3)耕地為主,城鄉(xiāng)用地為輔,其中耕地面積1 169 km2,城鄉(xiāng)用地126 km2分別占沈陽市生態(tài)源地的73.34%,7.90%。其他各類結(jié)果如表1所示。

圖3 沈陽市生態(tài)源地地類

表1 生態(tài)源地土地利用類型

3.2 阻力面提取

沈陽市的生態(tài)阻力面的設(shè)置(圖4),首先綜合考慮沈陽未來發(fā)展形勢,本實(shí)驗(yàn)以土地利用類型為阻力面,然后在根據(jù)MSPA的景觀數(shù)據(jù)、坡度、地形起伏度以及植被覆蓋度的數(shù)據(jù)做阻力層,然后根據(jù)阻力層設(shè)置權(quán)重和值(表2)。研究結(jié)果表明某一區(qū)域的阻力值越高,穿越該區(qū)域的成本就越大。

(a)地形起伏度阻力值

(b)坡度阻力值

(c)土地利用類型阻力值

(d)植被覆蓋度阻力值

(e)形態(tài)學(xué)空間格局分析地類阻力值

(f)綜合阻力值圖4 沈陽市綜合生態(tài)阻力面

表2 阻力因子屬性

3.3 生態(tài)廊道提取

綜合考慮綜合生態(tài)阻力面與生態(tài)源地,結(jié)合電路理論進(jìn)行分析,可以把沈陽市的生態(tài)廊道分為活躍性和非活躍性兩種[14]。一共識別出23條生態(tài)廊道,總長度為472.4 km。生態(tài)斑塊重要的部分可以連接起來能夠?yàn)樯锵蜻m宜生存地方遷徙提供便捷通路。綜合考慮生態(tài)廊道長度、連接板塊的重要程度與廊道可替代性等因素。保留了其中的19條廊道,并把他們分為了兩個(gè)級別,一級14條、二級5條(圖5),全長為175.14 km。

圖5 沈陽市生態(tài)廊道分布

在長度特征上看,沈陽市的一級生態(tài)廊道全長為130.89km,最長的一條是18.56 km,最短的一條是2.83 km。緊密聯(lián)結(jié)著沈北新區(qū)與法庫縣的生態(tài)源地。沈陽市的二級生態(tài)廊道全長為44.25 km,且長度由長到短分別為18.6、14.09、4.57、4.39、2.6 km。在圖3、圖4中可以發(fā)現(xiàn)一、二級生態(tài)廊道集中在遼中區(qū)新民市于洪區(qū)附近。

3.4 生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn)的識別

首先利用夾點(diǎn)映射器工具識別生態(tài)夾點(diǎn)(圖6),由于廊道最高電流強(qiáng)度為1,并且結(jié)合阻力面綜合分析可知,生物易于通過生態(tài)夾點(diǎn)中低阻力區(qū)域,所以生態(tài)夾點(diǎn)再生物遷徙過程中承擔(dān)著重要的連通性功能,需要對這種地區(qū)進(jìn)行著重管理,以確保其生態(tài)完整性、穩(wěn)定性[15]。沈陽市識別到的生態(tài)“夾點(diǎn)”一共有16個(gè),面積498 km2。主要位于新民市、遼中區(qū)、和法庫縣東部。最大的一處生態(tài)夾點(diǎn)面積為80 km2,最小7 km2。再利用土地利用數(shù)據(jù)與遙感圖像的疊加表明,當(dāng)前土地利用的生態(tài)夾點(diǎn)主要是耕地、林地和草地。這些用地占生態(tài)源地的比例為73.34%、6.96%和0.13%。

圖6 沈陽市生態(tài)夾點(diǎn)分布

然后再點(diǎn)擊軟件內(nèi)的Barrier Mapper工具,利用 Barrier Mapper模塊識別生態(tài)廊道中的障礙點(diǎn)[16]。沈陽市生態(tài)障礙點(diǎn)一共16處,面積一共615.21 km2。最大的生態(tài)障礙點(diǎn)面積143.7 km2,最小一處2.81 km2(圖7)。生態(tài)障礙點(diǎn)多數(shù)位于新民市和遼中區(qū)境內(nèi),少數(shù)位于法庫縣東側(cè)。

圖7 沈陽市生態(tài)障礙點(diǎn)分布

4 結(jié)束語

本文以生態(tài)安全格局為基礎(chǔ),識別生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域,并且按照不同修復(fù)區(qū)域類型提出不同的修復(fù)計(jì)劃,優(yōu)化生態(tài)安全格局,得出以下結(jié)果：

(1)現(xiàn)狀地類主要為耕地;生態(tài)廊道23條 , 共計(jì)472.4 km, 一級廊道14條,共計(jì)130.89 km,二級廊道5條,在空間分布上,生態(tài)源地與生態(tài)廊道集中于沈陽市南部,生境質(zhì)量較好。

(2)沈陽市生態(tài)本底優(yōu)化有待提高,生態(tài)源地面積一共1 593.97 km2,占沈陽市總面積的12.38%。一共構(gòu)建了23條生態(tài)廊道全長大約472.4 km,以此連接生態(tài)源地。識別到的生態(tài)夾點(diǎn)一共有16個(gè),面積498 km2。生態(tài)障礙點(diǎn)一共有16個(gè),面積615.21 km2。它們主要分布在沈陽市的西南部、中部和法庫縣東部。結(jié)合沈陽市生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域的土地利用現(xiàn)狀以及土地類型,提出相應(yīng)合理的修復(fù)措施,完成實(shí)施方案項(xiàng)目,為省級修復(fù)生態(tài)安全格局提供借鑒,為區(qū)域提高可持續(xù)發(fā)展持續(xù)供給具有積極意義。需修復(fù)的生態(tài)夾點(diǎn)有16處,土地利用類型包含有耕地、林地和建設(shè)用地。主要修復(fù)策略有建立河流保護(hù)區(qū)、退耕還林、發(fā)展特色林業(yè)經(jīng)濟(jì)等方法。待修復(fù)的生態(tài)障礙點(diǎn)有16處,所提及的面積615.21 km2。所包含的土地利用類型包含了耕地、草地、林地、水域、其他土地、交通運(yùn)輸用地和住宅用地。

針對沈陽市土地利用現(xiàn)狀,本研究提出了合理的恢復(fù)策略,提供有利借鑒,對提高生態(tài)資源可持續(xù)發(fā)展及創(chuàng)造價(jià)值具有積極實(shí)踐意義。