李 彤,賈寶全,*,劉文瑞,張秋夢(mèng),姜莎莎

1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所,北京 100091

2 國(guó)家林業(yè)和草原局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100091

3 國(guó)家林業(yè)局城市森林研究中心,北京 100091

聚焦生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)要素的結(jié)構(gòu)機(jī)制研究是協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,保障生態(tài)安全機(jī)制的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。城市化進(jìn)程的持續(xù)發(fā)展加速了土地覆蓋的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換[1],由此導(dǎo)致的生態(tài)空間退化直接影響了區(qū)域生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展[2—4],維持自然生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和功能安全成為探索實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的焦點(diǎn)問(wèn)題[5—6],聯(lián)接生態(tài)系統(tǒng)的完整性和穩(wěn)定性的生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)框架在這一過(guò)程中逐漸獲得關(guān)注,被視為保障和監(jiān)管城市生態(tài)安全的直接橋梁[7—9],并直接服務(wù)于構(gòu)建生態(tài)安全格局,其在促進(jìn)維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)完整性和生物多樣性、維持高質(zhì)量生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、提升人類(lèi)福祉和實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展等方面具有重要意義[10—11]。

生態(tài)安全格局的概念在20世紀(jì)80年代由世界環(huán)境發(fā)展委員會(huì)(WECD,World Commission on Environment and Development)與國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所(IIASA,International Institute for Applied Systems Analysis)正式提出,通過(guò)正視生態(tài)安全問(wèn)題并建立生態(tài)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng),生態(tài)保障機(jī)制逐漸從單純的物種保護(hù)層面向生態(tài)、環(huán)境和人類(lèi)活動(dòng)等多維度保護(hù)層面轉(zhuǎn)移[12—16]。作為整合景觀結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的實(shí)用途徑,構(gòu)建生態(tài)安全格局的結(jié)構(gòu)框架已形成了“源地識(shí)別-阻力面構(gòu)建-廊道提取-節(jié)點(diǎn)分析”的研究范式[17—18],并在交叉學(xué)科理論與新技術(shù)應(yīng)用的引入影響下逐漸演化成多樣化的構(gòu)建體系[19—21]。包括生態(tài)源地、廊道和節(jié)點(diǎn)等要素在內(nèi)的生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及其空間配置是生態(tài)安全格局的戰(zhàn)略基礎(chǔ)[20]。生態(tài)源地作為維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的核心斑塊,被視為生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)骨架的核心[17—19],一直以來(lái)源地空間篩選被視為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系的重點(diǎn)環(huán)節(jié),并逐漸形成了包括直接識(shí)別(斑塊結(jié)構(gòu)尺度)[20—22]或功能評(píng)估(生態(tài)服務(wù)功能和敏感性等)[23—25]等源地提取手段;生態(tài)廊道在生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)體系中承擔(dān)聯(lián)系物質(zhì)、能量和信息流的生態(tài)職能[26],同樣存在多元的廊道提取機(jī)制,其中以電路理論[27—28]和最低成本路徑(LCP)模型應(yīng)用廣泛[29];生態(tài)節(jié)點(diǎn)要素相對(duì)于上述基礎(chǔ)性生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)要素而言,其發(fā)展機(jī)制相對(duì)不確定[30—33]。隨著生態(tài)安全研究工作的廣泛開(kāi)展,豐富而多元的生態(tài)安全要素的篩選方式得以衍生,以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[23—24],植被質(zhì)量及其生產(chǎn)力[25],土地斑塊空間結(jié)構(gòu)及其景觀格局水平[21—22]為代表的多學(xué)科參數(shù)被相繼納入到生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建體系之中。

日益綜合化的生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀在為生態(tài)系統(tǒng)研究工作提供更為豐富的技術(shù)選擇的同時(shí),也不可避免地存在不完全統(tǒng)一的指標(biāo)體系之間往往難以同步量化比較的難題。在具體構(gòu)建過(guò)程中,相關(guān)生態(tài)安全要素的選擇依據(jù)及連接機(jī)制需結(jié)合區(qū)域生態(tài)本底情況特定考量[34—36]。同時(shí)作為生態(tài)安全研究的熱點(diǎn)關(guān)注,具體的體系構(gòu)建機(jī)制仍存在不盡完善的地方,一方面,生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)是基于景觀生態(tài)學(xué)理論空間要素的組織脈絡(luò)[22],不同于傳統(tǒng)城市空間規(guī)劃的邊界約束, 其擺脫了固有模式下對(duì)某一生態(tài)元素的孤立管控,意在強(qiáng)調(diào)生態(tài)空間體系的整體優(yōu)化[33—34],目前生態(tài)安全研究往往對(duì)于某一獨(dú)立要素在指導(dǎo)城市空間建設(shè)的過(guò)程中的獨(dú)立趨向性更多關(guān)注,一定程度上忽視了對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系的綜合指導(dǎo)[22,26—27]。與此同時(shí),大量研究對(duì)生態(tài)廊道與節(jié)點(diǎn)要素的分析仍停留在線級(jí)與點(diǎn)級(jí)拓?fù)鋯卧膸缀蚊枋鯷35—36],對(duì)于更符合實(shí)際的生態(tài)流通服務(wù)面級(jí)單元的表述涉及甚少,這在很大程度上不能滿足高質(zhì)量維持與保障生態(tài)系統(tǒng)多樣性與生境完整性的空間可視化需求[30];另一方面,生態(tài)安全格局是持續(xù)、動(dòng)態(tài)的特征變量[22],作為反映區(qū)域地理、氣候和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素綜合干預(yù)的空間基礎(chǔ)信息[14],城市生態(tài)政策的擬定與實(shí)施往往需要建立在生態(tài)安全長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上完成,然而聚集其變化規(guī)律的綜合性研究尚未取得應(yīng)有的重視,這對(duì)于后續(xù)景觀要素及結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀評(píng)價(jià)在區(qū)域城市規(guī)劃、生態(tài)保護(hù)紅線劃定以及城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等長(zhǎng)期可持續(xù)性建設(shè)工作中的生態(tài)貢獻(xiàn)有所削弱[19,37—39]。

面向上述生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)要素發(fā)展過(guò)程中的重難點(diǎn),本文聚焦含括三峽庫(kù)壩地的宜昌市生態(tài)安全空間展開(kāi)思考。宜昌市位于長(zhǎng)江流域生態(tài)敏感區(qū),特殊的生態(tài)定位賦予其保障長(zhǎng)江生態(tài)安全的國(guó)家重任。同時(shí)隨著三峽城市群戰(zhàn)略的推進(jìn)實(shí)施,宜昌市作為兼?zhèn)涞乩砦恢?、?jīng)濟(jì)實(shí)力,城市影響力、文化包容性等優(yōu)勢(shì)元素的中心城市,區(qū)域生態(tài)安全建設(shè)在直觀對(duì)接長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶戰(zhàn)略,打造長(zhǎng)江中上游重要戰(zhàn)略支點(diǎn)以及加快推進(jìn)長(zhǎng)江生態(tài)文明建設(shè)等方面具有重要意義。據(jù)此,本文在傳統(tǒng)生態(tài)安全框架體系的基礎(chǔ)上通過(guò)綜合景觀生態(tài)理論,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益以及區(qū)域保護(hù)地決策多項(xiàng)指標(biāo)依據(jù),系統(tǒng)分析2000—2020年宜昌市生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)要素的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征,研究過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注:(1)在引入電路理論提取生態(tài)廊道與節(jié)點(diǎn)要素背景下實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)框架的比較刻畫(huà);(2)探究生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)要素時(shí)空動(dòng)態(tài)變化的敏感性與可調(diào)控性;(3)探索核心生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)要素時(shí)空異質(zhì)性的影響機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

宜昌市地處湖北省西南,東鄰荊州市和荊門(mén)市,南抵湖南省石門(mén)縣,西接恩施土家族苗族自治州,北靠神農(nóng)架林區(qū)和襄樊市,跨東經(jīng)110°15′—112°04′、北緯29°56′—31°34′,內(nèi)部地形復(fù)雜,整體地勢(shì)自西向東逐級(jí)下降,境內(nèi)有山地、丘陵和平原3類(lèi)地形,分別覆蓋研究區(qū)域總面積的69%、21%和10%。根據(jù)中國(guó)生態(tài)環(huán)境區(qū)劃,宜昌市域涵蓋了武陵山區(qū)生態(tài)保育區(qū)、三峽庫(kù)區(qū)水土保持區(qū)、山地丘陵生態(tài)發(fā)展區(qū)、平原淺丘生態(tài)建設(shè)區(qū)和沿清江生態(tài)發(fā)展區(qū)5個(gè)分區(qū)(圖1),氣候上位于中亞熱帶與北亞熱帶的過(guò)渡地帶,屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候,多年平均氣溫16.9℃,平均降水量1215.6mm。宜昌市現(xiàn)轄5區(qū)、3市、5縣和1個(gè)國(guó)家級(jí)高新區(qū),占地面積共21084km2。2020年第七次全國(guó)人口普查結(jié)果顯示宜昌市總?cè)丝?01.76萬(wàn)人,人口密度約為190人/km2,在湖北省人口排名中居第六。截止2020年,宜昌市國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值4261.42億元,在湖北省GDP排名中居第三。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Overview of study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

依循“生態(tài)阻力面構(gòu)建-生態(tài)源地,廊道,節(jié)點(diǎn)識(shí)別與提取-影響機(jī)制分析”的研究框架分別匯總3個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)集應(yīng)用信息。(1)生態(tài)阻力面數(shù)據(jù)源包括地形數(shù)據(jù)集(30m分辨率的NASA數(shù)字高程模型產(chǎn)品)(https://lpdaac.usgs.gov),本文以此為基礎(chǔ)利用ArcGis水文分析工具獲取坡度、坡向與地形起伏度信息);植被質(zhì)量指數(shù)NDVI和植被凈初級(jí)生產(chǎn)力NPP數(shù)據(jù)集(取自250m分辨率的全球MODIS MOD13Q1植被質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)集和500m分辨率的MODIS MOD17A3凈初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù)集)(https://lpdaac.usgs.gov/products/mod13q1v006)(https://lpdaac.usgs.gov/products/mod17a3hv006/);(2)生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)要素?cái)?shù)據(jù)源包括土地利用數(shù)據(jù)集(來(lái)自30m分辨率的國(guó)際基礎(chǔ)地理信息中心生產(chǎn)的GlobeLand30全球地表覆蓋數(shù)據(jù)集(http://mulu.tianditu.gov.cn),該數(shù)據(jù)在宜昌市域包含耕地、林地、草地、灌木地、濕地、水體、人造地表、裸地共8個(gè)地表覆蓋類(lèi)型,基于宜昌市空間抽樣與混淆矩陣建立進(jìn)行數(shù)據(jù)分類(lèi)精度驗(yàn)證,結(jié)果顯示該產(chǎn)品分類(lèi)精度達(dá)80%以上,具備較好的數(shù)據(jù)質(zhì)量);自然保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)(中國(guó)自然保護(hù)區(qū)標(biāo)本資源共享平臺(tái)的地理信息庫(kù)欄目)(http://www.papc.cn/html/folder/946895-1.htm);(3)影響因素分析數(shù)據(jù)源包括氣象數(shù)據(jù)集(2000—2020年全國(guó)氣象站點(diǎn)的平均氣溫以及降雨量年度數(shù)據(jù),基于ANUSPLIN氣候插值軟件平臺(tái)提取30m分辨率氣候柵格);土壤數(shù)據(jù)集(世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(Harmonized World Soil Database, HWSD);道路、水系及居民點(diǎn)數(shù)據(jù)集(OpenStreetMap(OSM)網(wǎng)站下載)(https://www.openstreetmap.org);人口和GDP數(shù)據(jù)集(來(lái)自研究區(qū)各行政單位統(tǒng)計(jì)年鑒以及中國(guó)科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的1000m空間分布柵格數(shù)據(jù))。為保證數(shù)據(jù)可度量性,上述柵格數(shù)據(jù)需統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為覆蓋研究區(qū)域同一坐標(biāo)系,相同空間分辨率(30m)的空間柵格數(shù)據(jù)集。

1.3 生態(tài)阻力面構(gòu)建

生態(tài)阻力面是建立生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)體系的前提。在既有研究基礎(chǔ)上,高程、坡度、地形起伏度和植被指數(shù)以及土地覆蓋類(lèi)型被視為生態(tài)阻力的核心干擾因素[40]。參考了生態(tài)安全研究的阻力值判斷經(jīng)驗(yàn)[40—41],本文通過(guò)對(duì)區(qū)域生境質(zhì)量水平進(jìn)行分級(jí),并按照不同層級(jí)依序賦值,即生境質(zhì)量水平越高的區(qū)域?qū)ξ锓N遷移的阻礙越小,對(duì)應(yīng)阻力值即越小[38](表1)。最后通過(guò)加權(quán)求和構(gòu)建綜合阻力面,各要素權(quán)重系數(shù)通過(guò)熵權(quán)法獲得[42]。

表1 生態(tài)阻力因子分級(jí)賦值及權(quán)重Table 1 Assignment and weight of ecological resistance factor

1.4 生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)要素的識(shí)別與提取

1.4.1生態(tài)源地識(shí)別

生態(tài)源地是代表城市生態(tài)系統(tǒng)完整性、連續(xù)性以及生物多樣性最高水平的核心斑塊[13],本文基于“景觀形態(tài)空間格局分析(MSPA,Morphological spatial pattern analysis) —生境質(zhì)量分析—景觀連通性分析—自然保護(hù)地提取 ”模式進(jìn)行源地識(shí)別(圖2)。首先,基于MSPA分析篩選土地利用核心區(qū)斑塊作為源地初級(jí)篩選區(qū)[41];其次,提取宜昌市生境質(zhì)量水平熱點(diǎn)區(qū)斑塊[42—45],景觀連通性較佳(即連通性指數(shù)>1)的土地斑塊[46]和自然保護(hù)地斑塊[47](包括自然保護(hù)區(qū)、國(guó)家公園、森林公園、濕地公園和地質(zhì)公園)三類(lèi)空間斑塊相互疊加的空間覆蓋范圍作為生態(tài)源地二級(jí)篩選區(qū);在此基礎(chǔ)上,將MSPA分析得到的生態(tài)源地初級(jí)篩選區(qū)與生態(tài)源地二級(jí)篩選區(qū)進(jìn)行空間交疊并提取其重疊空間作為生態(tài)源地三級(jí)篩選區(qū);最后,考慮到生態(tài)源地在發(fā)揮生態(tài)效益和阻隔外界干擾等生態(tài)過(guò)程中的規(guī)模性需求[48],篩選出符合生態(tài)效益發(fā)揮需求的源地空間,即剔除掉規(guī)模小于1000hm2斑塊[48],最終篩選斑塊為生態(tài)源地空間。

圖2 生態(tài)源地提取過(guò)程Fig.2 Extraction process of ecological sourceMSPA:形態(tài)學(xué)空間格局分析Morphological spatial pattern analysis

(1)形態(tài)學(xué)空間格局分析MSPA

形態(tài)空間格局分析MSPA是在數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理基礎(chǔ)上對(duì)柵格圖像進(jìn)行空間度量、識(shí)別與分割的一種圖像處理方法[27,41],具體成果包括核心區(qū)、支線、邊緣區(qū)、孔隙、孤島、連接橋和環(huán)線區(qū)7類(lèi)空間信息。核心區(qū)是指前景像元中面積較大、與周邊區(qū)域具有明確界限的生境斑塊,具有連續(xù)物種棲息地和安全生存保障等生態(tài)功能,在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中多處于生態(tài)系統(tǒng)物種流動(dòng)與交換的來(lái)源空間[41]。據(jù)此,本文基于30m分辨率水平用地?cái)?shù)據(jù)支撐(其中林地、草地、灌木地、濕地和水體要素為前景象元,人造地表,耕地和裸地要素為背景象元),利用Guidos軟件提取宜昌市核心區(qū)斑塊類(lèi)型并以此作為生態(tài)源地的初始備選數(shù)據(jù)。

(2)生境質(zhì)量評(píng)估

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能逐步得到重視并被廣泛納入生態(tài)源地識(shí)別范疇中,生境質(zhì)量作為反映生態(tài)系統(tǒng)健康程度的重要生態(tài)服務(wù)[38],極大程度代表了區(qū)域內(nèi)部生物多樣性的綜合質(zhì)量,是區(qū)域生態(tài)源地的核心提取依據(jù)之一[43]。以往對(duì)生境質(zhì)量的考量多通過(guò)等級(jí)劃分擇優(yōu)提取[44],考慮到生境質(zhì)量等級(jí)結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)趨勢(shì)、分級(jí)方法的主觀性以及生境質(zhì)量的極端聚集效應(yīng),本文試圖從生境質(zhì)量空間分異特征著手進(jìn)行篩選。首先利用InVEST模型進(jìn)行生境質(zhì)量評(píng)估[43—45],其次在符合空間自相關(guān)性的基礎(chǔ)上,通過(guò)Arcgis軟件Getis OrdGi*熱點(diǎn)分析工具析提取90%顯著性水平以上的生境質(zhì)量高值區(qū)(熱點(diǎn)區(qū))作為提取生態(tài)源地的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一。生境質(zhì)量的具體計(jì)算公式為:

(1)

(2)

(3)景觀連通性評(píng)估

景觀連通性代表了景觀應(yīng)對(duì)生態(tài)流動(dòng)的適宜性,是提升生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性以及維持生物多樣性的關(guān)鍵因素[49—50]。斑塊重要性指數(shù)(dPC)是景觀連通性的直接指標(biāo),廣泛適用于斑塊重要性識(shí)別。在廣泛研究的參考基礎(chǔ)上提取斑塊重要性指數(shù)大于1的空間作為生態(tài)源地備選區(qū)[50]。具體計(jì)算公式如下:

(3)

(4)

1.4.2生態(tài)廊道、夾點(diǎn),障礙點(diǎn)識(shí)別

生態(tài)廊道與節(jié)點(diǎn)要素在源地與阻力面基礎(chǔ)上引入電路理論進(jìn)行提取,通過(guò)計(jì)算相鄰電路節(jié)點(diǎn)(即生態(tài)源地)之間的累積電流獲取廊道信息(包括廊道數(shù)量、里程和覆蓋面積)[27],在廊道提取基礎(chǔ)上,將累積電流高值區(qū)段和恢復(fù)區(qū)段分別定義為生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn),分別代表生態(tài)廊道能量流動(dòng)的開(kāi)發(fā)建設(shè)重點(diǎn)和恢復(fù)建設(shè)重點(diǎn),節(jié)點(diǎn)要素信息(包括數(shù)量和覆蓋面積)可通過(guò)Arcgis平臺(tái)下Linkage Mapper工具中Circuitscapee插件的Pinchpoint Mapper模塊和Barrier Mapper模塊進(jìn)行提取[46,49]。

1.5 地理探測(cè)器

地理探測(cè)器模型是一種基于空間異質(zhì)性理論的分析模型,可以定量檢測(cè)和識(shí)別空間屬性及其解釋因素間的相互作用,由風(fēng)險(xiǎn)探測(cè)器、因素探測(cè)器、生態(tài)探測(cè)器和交互式探測(cè)器組成[51]。本研究基于因子檢測(cè)和交互探測(cè)模塊探索生態(tài)源地影響機(jī)制,因子探測(cè)模塊計(jì)算如下:

(5)

式中,h...L表示為影響因素類(lèi)型分層;Nh和N分別為層h 和全區(qū)的樣本單元數(shù);σh2和σ2分別為層h 和全區(qū)的離散方差;q為探測(cè)因子的探測(cè)力值,q∈[0,1],q值越大,表示自變量x對(duì)屬性y的解釋力越強(qiáng),反之則越弱。

交互探測(cè)模塊用于評(píng)估不同因子共同作用時(shí)因變量影響作用的解釋力,可以劃分為雙因素增強(qiáng)q(X1∩X2)>Maxq(X1)、非線性減弱q(X1∩X2)q(X1)+q(X2)、單因子非線性減弱Min(q(X1),q(X2))

生態(tài)廊道、夾點(diǎn)和障礙點(diǎn)基于生態(tài)源地識(shí)別的前提指導(dǎo)與強(qiáng)烈干預(yù)進(jìn)行提取,并與其共同構(gòu)成生態(tài)安全格局主干脈絡(luò)。生態(tài)源地是反映生態(tài)安全格局特征的核心要素[52],因而本文中對(duì)生態(tài)安全格局的影響機(jī)制分析圍繞生態(tài)源地這一要素空間分布的影響因素展開(kāi)。參考既往研究[40,53]以及宜昌自身生態(tài)現(xiàn)狀,基于地理探測(cè)模型就高程DEM、坡度SLOPE、地形起伏度TUD、植被質(zhì)量指數(shù)NDVI、人口密度POP、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值GDP、溫度TEM、降水量PREP以及居民點(diǎn)密度SETTLE共10項(xiàng)因子對(duì)2000—2020年生態(tài)源地空間分布解釋力及其之間的相互作用展開(kāi)測(cè)算[51],全面探索生態(tài)安全格局形成與演化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

2 研究結(jié)果

2.1 宜昌市生態(tài)源地提取過(guò)程動(dòng)態(tài)分析

2.1.1宜昌市景觀核心區(qū)時(shí)空動(dòng)態(tài)變化

2000—2020年宜昌市土地覆蓋核心區(qū)斑塊整體占比分別為60.80%、60.12%和59.93%,各時(shí)期年際差異較小,呈現(xiàn)出中西部山地帶集中,東部平原帶碎片化的分布趨勢(shì)(圖2)。不同時(shí)期各生態(tài)環(huán)境分區(qū)內(nèi)部核心區(qū)斑塊面積比重顯示以三峽庫(kù)區(qū)水土保持區(qū)最大,占宜昌市全域面積70%以上,武陵山區(qū)生態(tài)保育區(qū)、沿清江生態(tài)發(fā)展區(qū)和山地丘陵生態(tài)發(fā)展區(qū)次之,平原淺丘生態(tài)建設(shè)區(qū)最小(表2)。

表2 核心區(qū)分區(qū)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Core area in different zones

2.1.2宜昌市生境質(zhì)量時(shí)空動(dòng)態(tài)變化

2000—2020年宜昌市整體生境質(zhì)量指數(shù)分別為0.761、0.770和0.765。生境質(zhì)量的空間分布顯示自西向東逐漸減小(表3)。考慮到生境質(zhì)量指數(shù)的聚集效應(yīng),本文對(duì)其進(jìn)行Getis OrdGi*熱點(diǎn)分析,不同時(shí)期生境質(zhì)量全局莫蘭指數(shù)分別為0.793、0.795和0.799,且顯著性較高(表4)。熱點(diǎn)分析結(jié)果顯示冷點(diǎn)區(qū)與熱點(diǎn)區(qū)面積趨于均衡,前者多集中在平原淺丘生態(tài)建設(shè)區(qū),后者主要分布于除平原淺丘生態(tài)建設(shè)區(qū)之外的其他分區(qū),整體分布較為零散(圖2),冷點(diǎn)區(qū)和熱點(diǎn)區(qū)總體均呈減少的變化趨勢(shì)(表5)。

表3 生境質(zhì)量分區(qū)統(tǒng)計(jì)Table 3 Habitat quality in different zones

表4 生境質(zhì)量空間自相關(guān)分析Table 4 Spatial autocorrelation analysis of habitat quality

表5 生境質(zhì)量空間格局冷熱點(diǎn)分析Table 5 Cold/hot spot analysis of spatial pattern of habitat quality

2.2 宜昌市綜合阻力面時(shí)空動(dòng)態(tài)變化

2000—2020年宜昌市全域阻力值分別為38.90、42.19和40.66,阻力值空間分布自西向東逐漸增加,不同分區(qū)生態(tài)阻力強(qiáng)度顯示平原淺丘生態(tài)建設(shè)區(qū)顯著高于其他分區(qū)(表6)。為進(jìn)一步刻畫(huà)研究區(qū)阻力值的空間異質(zhì)性,本文基于自然斷點(diǎn)法進(jìn)行阻力分級(jí),其等級(jí)結(jié)構(gòu)顯示中低阻力區(qū)較高阻力區(qū)范圍更大,整體變化表現(xiàn)為低阻力區(qū)的先減后增以及高阻力區(qū)的先增后降。不同分區(qū)阻力等級(jí)構(gòu)成顯示武陵山區(qū)生態(tài)保育區(qū)、山地丘陵生態(tài)發(fā)展區(qū)和沿清江生態(tài)發(fā)展區(qū)以低阻力區(qū)和中阻力區(qū)占主導(dǎo),面積比重超90%,平原淺丘生態(tài)建設(shè)區(qū)完全相反,高阻力區(qū)占比最高(圖3)。

表6 生態(tài)阻力面等級(jí)結(jié)構(gòu)分區(qū)統(tǒng)計(jì)Table 6 Classification of ecological resistance surface in different zones

圖3 生態(tài)阻力面等級(jí)結(jié)構(gòu)空間分布Fig.3 Spatial distribution of ecological resistance surface classification

2.3 宜昌市生態(tài)源地-廊道-夾點(diǎn)-障礙點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)要素時(shí)空動(dòng)態(tài)變化

2000—2020年宜昌市生態(tài)源地斑塊面積分別為43.41、49.03萬(wàn)hm2和47.76萬(wàn)hm2,斑塊數(shù)量分別為34、26和26,主要集中分布于三峽庫(kù)區(qū)水土保持區(qū)(圖4)。不同時(shí)期生態(tài)廊道數(shù)量分別為78、59和56,廊道里程為552.27、486.32 km和473.75km,基于linkage mapper模塊下的生態(tài)流通道信息可以獲取帶有寬度信息的生態(tài)廊道覆蓋面積,不同時(shí)期生態(tài)廊道總面積分別為8.42、7.56萬(wàn)hm2和7.37萬(wàn)hm2,廊道面積與里程分布產(chǎn)生背離,廊道數(shù)量和里程集中在平原淺丘生態(tài)建設(shè)區(qū),但廊道覆蓋面積分布并未占據(jù)優(yōu)勢(shì),可見(jiàn)該區(qū)域廊道生境營(yíng)建潛力較大;生態(tài)夾點(diǎn)基于生態(tài)廊道電流強(qiáng)度高值空間提取,不同時(shí)期宜昌市生態(tài)夾點(diǎn)數(shù)量分別為120、155和109,覆蓋面積分別為1.62、2.03萬(wàn)hm2和1.71萬(wàn)hm2,均以三峽庫(kù)區(qū)水土保持區(qū)空間分布最為集中;不同時(shí)期生態(tài)障礙點(diǎn)分別為125、115和71處,覆蓋面積分別為2.22、1.68萬(wàn)hm2和1.15萬(wàn)hm2,在三峽庫(kù)區(qū)水土保持區(qū)呈現(xiàn)“數(shù)量多且面積小”,在平原淺丘生態(tài)建設(shè)區(qū)生態(tài)障礙點(diǎn)呈現(xiàn)“數(shù)量少而面積大”(圖5)。

圖4 生態(tài)源地-廊道-夾點(diǎn)-障礙點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)要素空間分布Fig.4 Spatial distribution of ecological source-ecological corridors-ecological pinch points-ecological barriers

圖5 生態(tài)源地-廊道-夾點(diǎn)-障礙點(diǎn)要素分區(qū)統(tǒng)計(jì)Fig.5 Ecological corridors-ecological pinchpoints-ecological barriers in different zonesS:武陵山區(qū)生態(tài)保育區(qū);W-N:三峽庫(kù)區(qū)水土保持區(qū);E-N:山地丘陵生態(tài)發(fā)展區(qū);E-S:平原淺丘生態(tài)建設(shè)區(qū);W:沿清江生態(tài)發(fā)展區(qū)

2.4 宜昌市生態(tài)源地時(shí)空分布影響因素分析

本文通過(guò)探索生態(tài)源地分布影響因素的規(guī)律以反映生態(tài)安全格局驅(qū)動(dòng)機(jī)制,通過(guò)篩選因子相關(guān)性驗(yàn)證剔除掉不符合顯著性檢驗(yàn)(顯著性小于95%)的影響因子,即人口密度。因子探測(cè)結(jié)果顯示,生態(tài)源地空間分布影響機(jī)制整體趨勢(shì)一致,降水量干預(yù)性最強(qiáng),足見(jiàn)氣候要素對(duì)區(qū)域生態(tài)安全質(zhì)量評(píng)估的強(qiáng)烈干預(yù),土壤類(lèi)型對(duì)生態(tài)源地的作用強(qiáng)度最為薄弱,不同時(shí)期考察因素以植被質(zhì)量指數(shù)NDVI和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值GDP是影響強(qiáng)度差異較明顯。影響因素交互探測(cè)結(jié)果表現(xiàn)為雙因子增強(qiáng)和非線性增強(qiáng)兩種形式,以降水量因子與其他影響因素的交互作用表現(xiàn)最突出,總體變化差異較小,其中NDVI &SOIL的交互作用強(qiáng)度存在顯著增強(qiáng)(圖6)。

圖6 生態(tài)源地時(shí)空分布影響因素因子探測(cè)和交互探測(cè)結(jié)果Fig.6 Influence and interaction influence of ecological source influencing factorDEM:高程;SLOPE:坡度;TUD:地形起伏度;SOIL:土壤類(lèi)型;SETTLE:居民點(diǎn)密度;NDVI:植被質(zhì)量指數(shù); GDP:國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值;TEM:溫度;PREP:降水量;**:P <0.05

3 討論

3.1 生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)要素動(dòng)態(tài)分析是實(shí)施國(guó)土空間規(guī)劃的必要環(huán)節(jié)

生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其空間分異機(jī)制深受土地規(guī)劃和生態(tài)政策的干預(yù),同樣其自身波動(dòng)也引導(dǎo)、輻射并帶動(dòng)區(qū)域生態(tài)建設(shè)工程乃至國(guó)土空間規(guī)劃的優(yōu)化管控[39]。近年來(lái),加劇的人口壓力、有限的空間資源、脆弱的生態(tài)系統(tǒng)以及大規(guī)模展開(kāi)的城市建設(shè)活動(dòng)制約生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展并直接威脅國(guó)土空間生態(tài)安全,在研究中表現(xiàn)為顯著的阻力效應(yīng)(圖3),而不同生態(tài)網(wǎng)絡(luò)要素的結(jié)構(gòu)差異是區(qū)域生態(tài)安全內(nèi)核質(zhì)量的真實(shí)反饋[40]。與廣泛的關(guān)注生態(tài)安全格局構(gòu)建的文獻(xiàn)不同,聚焦于生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其組成要素的研究?jī)?nèi)容立足于基礎(chǔ)生態(tài)系統(tǒng)單元的時(shí)空異質(zhì)性,既關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)的空間分布和相互聯(lián)系的總體形態(tài)表征[20—22,31],又重視基于空間規(guī)劃層面對(duì)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和健康的有效保障[36]。與之對(duì)應(yīng),生態(tài)安全格局構(gòu)建體系則將討論重點(diǎn)凝聚在基于現(xiàn)狀提出的生態(tài)規(guī)劃方案解讀[32,36],在此過(guò)程中對(duì)生態(tài)安全結(jié)構(gòu)要素的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)考量往往未能得到全面的重視[40],本研究在這一層面上可以從“添加不同要素動(dòng)態(tài)因子”的視角對(duì)后續(xù)生態(tài)安全格局構(gòu)建體系進(jìn)行優(yōu)化。隨著生態(tài)安全格局研究體系的逐步完善,集成多模型、多方法和多技術(shù)應(yīng)用的生態(tài)安全結(jié)構(gòu)體系逐步取代了傳統(tǒng)以數(shù)量結(jié)構(gòu)為重點(diǎn)的生態(tài)資源指標(biāo)調(diào)整[53],相關(guān)研究通過(guò)引入并應(yīng)用元胞自動(dòng)機(jī)(CA)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[54—57]等城市空間模擬模型促進(jìn)實(shí)現(xiàn)生態(tài)安全建設(shè)評(píng)估和優(yōu)化。

3.2 源地質(zhì)量提升建設(shè)承擔(dān)著有序保障生態(tài)安全的重要角色

生態(tài)源地作為生態(tài)系統(tǒng)物種擴(kuò)散和維持的源點(diǎn)[58],擔(dān)負(fù)著生態(tài)網(wǎng)絡(luò)安全的要素連接與輻射功能,其質(zhì)量提升工作是保障區(qū)域生態(tài)安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)。大量研究通過(guò)生態(tài)源地功能評(píng)價(jià)[22—23],管理修復(fù)[13],開(kāi)發(fā)強(qiáng)度[46]等分析方式證實(shí)了生態(tài)源地質(zhì)量提升對(duì)生態(tài)系統(tǒng)具有重要價(jià)值[58]。宜昌市頭頂“三峽庫(kù)壩區(qū)生態(tài)屏障區(qū)”、“長(zhǎng)江流域生態(tài)敏感區(qū)”和“國(guó)家重要珍稀瀕危物種棲息地”等生態(tài)標(biāo)簽,區(qū)域生態(tài)源地是構(gòu)建三峽生態(tài)屏障的核心地帶,其生態(tài)功能質(zhì)量提升工作往往面臨更高標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)需求。本文研究過(guò)程發(fā)現(xiàn)不同時(shí)期生態(tài)源地空間的生境和植被質(zhì)量等參數(shù)呈現(xiàn)出源地空間生態(tài)功能的微弱上漲趨勢(shì),且在山地丘陵生態(tài)發(fā)展區(qū)最為突出。綜合2020年宜昌市森林資源二類(lèi)調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)天然林占比近80%,這一森林結(jié)構(gòu)賦予生態(tài)源地空間在森林管護(hù)和撫育的巨大經(jīng)營(yíng)潛力,一方面,建立健全森林管護(hù)體系及完善管護(hù)模式是全面提升森林資源質(zhì)量的重要措施;另一方面,加強(qiáng)森林撫育也有助于促進(jìn)森林群落結(jié)構(gòu)完善,林分質(zhì)量精準(zhǔn)提升以及生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定。

3.3 電路理論模型引入在廊道提取工作中具有空間適宜性優(yōu)勢(shì)

生態(tài)廊道是生態(tài)安全格局的脈絡(luò)基礎(chǔ),其提取過(guò)程已逐漸演化為生態(tài)安全格局構(gòu)建過(guò)程中一大熱點(diǎn)。近年來(lái),生態(tài)廊道主要依附于累積阻力模型(MCR)的最小成本路徑、累積耗費(fèi)距離的山谷線、水系流域圖論提取、動(dòng)物遷徙追蹤以及電流密度值提取等方式[27—28],其中電路理論模型的引入應(yīng)用創(chuàng)新地解決了傳統(tǒng)廊道與水系、山脊線等生態(tài)阻力線空間不匹配的矛盾沖突,并相較傳統(tǒng)線級(jí)路徑能夠有效描述生態(tài)廊道寬度信息,廊道覆蓋面積是綜合地形、土地利用、走廊功能、保護(hù)目標(biāo)以及生態(tài)過(guò)程和功能的綜合指標(biāo),對(duì)于區(qū)域生態(tài)安全調(diào)控具有重要價(jià)值。同時(shí)廊道提取過(guò)程中通過(guò)綜合考慮區(qū)域規(guī)模的局限性、電流密度的穩(wěn)定性和后續(xù)節(jié)點(diǎn)的精準(zhǔn)性以及建設(shè)成本的現(xiàn)實(shí)需求等因素探索最佳閾值,有效避免了目前廣泛存在的臨界閾值主觀性等問(wèn)題[28]。因此本文權(quán)衡宜昌市環(huán)境要素現(xiàn)狀需求,通過(guò)電流表面類(lèi)比景觀,有效電阻、電流流動(dòng)和電壓值類(lèi)比生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)交換與能量流動(dòng)過(guò)程實(shí)現(xiàn)廊道路徑及其范圍可視化。

3.4 研究的局限性

生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)特征本質(zhì)上反映了生態(tài)系統(tǒng)要素的系統(tǒng)統(tǒng)籌與合理調(diào)控,因而趨于完整精細(xì)的空間異質(zhì)化信息一定程度上能夠?yàn)樯鷳B(tài)安全結(jié)構(gòu)的分析工作帶來(lái)更加科學(xué)合理的發(fā)展機(jī)遇,本研究基于Globeland30土地利用數(shù)據(jù)展開(kāi),30m的中尺度分辨率可能存在尺度局限性。同時(shí),參考地形和植被等自然要素的空間異質(zhì)化信息并不能完全覆蓋城市生態(tài)系統(tǒng)流動(dòng)機(jī)制,以人類(lèi)干擾為導(dǎo)向的社會(huì)活動(dòng)數(shù)據(jù)的不完全覆蓋一定程度制約了生態(tài)安全研究的全面性。隨著后續(xù)數(shù)據(jù)收集工作的逐步完善,可考慮采用閾值控制等方式[46],探索出最適宜體現(xiàn)人文干擾因素的指標(biāo),以實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)安全格局構(gòu)建模式的補(bǔ)充與優(yōu)化。此外,多功能有序穩(wěn)定的植被生態(tài)系統(tǒng)在區(qū)域生態(tài)安全工作中具有重要貢獻(xiàn),特別是以植被演替信息為代表的生態(tài)系統(tǒng)空間要素,直接干預(yù)甚至決定了區(qū)域生態(tài)安全的發(fā)展水平,將植被演替階段等區(qū)域植被系統(tǒng)質(zhì)量水平的指標(biāo)納入生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)要素提取過(guò)程是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

4 結(jié)論

本研究基于生境質(zhì)量與電路理論等概念指導(dǎo),對(duì)2000—2020年宜昌市包括生態(tài)源地、生態(tài)廊道、生態(tài)夾點(diǎn)以及障礙點(diǎn)等生態(tài)網(wǎng)絡(luò)要素的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征及其影響機(jī)制展開(kāi)探索。(1)不同時(shí)期宜昌市生態(tài)阻力值分別為38.90、42.19和40.66,空間分布呈自西向東增加。(2)生態(tài)源地基于MSPA分析、生境質(zhì)量熱點(diǎn)分析、景觀連通性以及自然保護(hù)地篩選綜合提取,不同時(shí)期生態(tài)源地面積分別為43.41、49.03萬(wàn)hm2和47.76萬(wàn)hm2,以三峽庫(kù)區(qū)水土保持區(qū)生態(tài)源地面積比重最高;生態(tài)廊道數(shù)量分別為78、59個(gè)和56個(gè),廊道里程分別為552.27、486.32 km和473.75km,廊道面積分別為8.42、7.56萬(wàn)hm2和7.37萬(wàn)hm2,生態(tài)廊道數(shù)量及里程多聚集在平原淺丘生態(tài)建設(shè)區(qū),廊道面積以三峽庫(kù)區(qū)水土保持區(qū)居多;生態(tài)夾點(diǎn)數(shù)量分別為120、155個(gè)和109個(gè),覆蓋面積分別為1.62、2.03萬(wàn)hm2和1.71萬(wàn)hm2,均集中在三峽庫(kù)區(qū)水土保持區(qū);生態(tài)障礙點(diǎn)數(shù)量與面積集中在三峽庫(kù)區(qū)水土保持區(qū)和平原淺丘生態(tài)建設(shè)區(qū)。(3)基于地理探測(cè)模型對(duì)生態(tài)源地影響因素進(jìn)行模擬,降雨量對(duì)生態(tài)源地的解釋強(qiáng)度最高,土壤類(lèi)型最為薄弱,各因子交互作用均為雙因子增強(qiáng)和非線性增強(qiáng)形式,以降水量與其他因子的交互影響最突出。聚焦生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)要素的動(dòng)態(tài)研究過(guò)程在表征區(qū)域生態(tài)現(xiàn)狀的同時(shí),更有助于探索后續(xù)生態(tài)工作的空間潛力,對(duì)同步推進(jìn)生態(tài)保護(hù)管理與經(jīng)濟(jì)建設(shè)實(shí)施具有重要意義。