江世雄,李 熙,王重卿,陳 垚,翁孫賢

(國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學研究院,福建 福州 350007)

生態(tài)安全是指人類在生產(chǎn)、生活與健康等方面不受生態(tài)破壞與環(huán)境污染等影響的保障程度 ,包括飲用水與食物安全、空氣質(zhì)量與綠色環(huán)境等基本要素[1]?？焖俪鞘谢瘜?dǎo)致生態(tài)斑塊破碎、生物多樣性減少、空氣污染、水資源短缺、熱島效應(yīng)等區(qū)域環(huán)境問題,威脅區(qū)域生態(tài)安全[2]。2011年,國務(wù)院《關(guān)于加強環(huán)境保護重點工作的意見》提出設(shè)立生態(tài)保護紅線,旨在強化國家和區(qū)域生態(tài)安全格局,遏制生態(tài)環(huán)境惡化,維護生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定,促進自然生態(tài)與社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展。生態(tài)安全格局指為維持特定區(qū)域內(nèi)正常的生態(tài)系統(tǒng)健康和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)供應(yīng)而劃分的潛在生態(tài)系統(tǒng)空間格局[3]。有效構(gòu)建與維護區(qū)域生態(tài)安全格局,有利于生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能完整、生物多樣性保護、生態(tài)服務(wù)維持,還將提升人類福祉,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,保障區(qū)域持續(xù)性生態(tài)安全[4]。

文獻[5]基于Forman的景觀格局理論,使用最小累積阻力模型所創(chuàng)建的“生態(tài)源”“阻力面”和“區(qū)分安全格局”的研究范式沿用至今[6-7]。生態(tài)安全格局可以通過點-線-面改善不同生態(tài)生境之間的連通性,有效抵御生境破碎化對生物多樣性的持久影響,有助于維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過程的完整性[8]。生態(tài)安全格局目前涉及生態(tài)學、地理學、景觀學等多學科交叉,數(shù)據(jù)源多樣化,如NPP[9]、氣象數(shù)據(jù)[10]、土壤數(shù)據(jù)[11]等,且有InVEST模型[12]、重力模型[13]、MSPA模型[14]等;生態(tài)安全內(nèi)涵較廣泛,如生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[15]、生態(tài)敏感性[16]、生態(tài)脆弱性[17]、生態(tài)承載力[18]等。生態(tài)安全格局獲得的生態(tài)“源地-廊道-節(jié)點”明確了區(qū)域生態(tài)保護空間的邊界和熱點區(qū),使生態(tài)規(guī)劃和建設(shè)可落實執(zhí)行。

輸電線路工程建設(shè)的生態(tài)影響評估一般為在植被破壞、土壤環(huán)境、水土流失等基于“點”方面的影響[19-21],忽視線性工程對建設(shè)區(qū)域以面狀、線狀為特征的生態(tài)完整性,如生態(tài)安全的影響。本文以閩粵聯(lián)網(wǎng)工程(國家電網(wǎng)與南方電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)項目)為研究區(qū),使用MCR模型獲得閩粵聯(lián)網(wǎng)(福建段)線性工程的生態(tài)影響區(qū)(線路兩側(cè)各2 km的緩沖區(qū))內(nèi)涉及的生態(tài)“源地-廊道-節(jié)點”,作為該線性工程的生態(tài)完整性影響結(jié)果。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

閩粵聯(lián)網(wǎng)工程為國家電網(wǎng)與南方電網(wǎng)之間的聯(lián)網(wǎng)。該工程起始于漳州東林變電站,向西途經(jīng)福建省漳州市漳浦縣、云霄縣、平和縣,以及廣東省梅州市梅江區(qū)、梅縣區(qū)、大埔縣,終止于梅州嘉應(yīng)變電站。本文研究區(qū)為閩粵聯(lián)網(wǎng)工程(福建段)(如圖 1所示),平和縣位于福建省漳州市西南部,與閩粵兩省的8個縣市相鄰,森林覆蓋率達69%,農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化水平較高。云霄縣和漳浦縣均位于福建省南部沿海區(qū)域,云霄森林覆蓋率為40.1%,漳浦擁有27個優(yōu)良海灣,是國家海峽兩岸(福建)農(nóng)業(yè)合作試驗區(qū)的重要組成部分。

圖1 閩粵聯(lián)網(wǎng)工程(福建段)區(qū)域

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)包括遙感影像、DEM、行政區(qū)劃、公路,數(shù)據(jù)信息及來源詳見表1。

表1 數(shù)據(jù)信息及來源

2 研究方法

2.1 隨機森林算法

該算法是通過使用多顆決策樹對樣本進行訓練的一種機器學習算法[22],利用隨機森林算法對兩期Landsat 8 OLI影像進行監(jiān)督分類,獲得研究區(qū)的土地利用類型,包括林地、水域、建設(shè)用地、未利用地、耕地,且最終的分類精度大于85%。

2.2 形態(tài)學空間格局分析法

形態(tài)學空間格局分析法(morphological spatial pattern analysis, MSPA)是文獻[23]基于腐蝕、膨脹、開放和封閉操作等數(shù)學形態(tài)學原理,對柵格圖像的空間格局進行圖像處理,以區(qū)分景觀類型和結(jié)構(gòu)。MSPA劃分7種非重疊景觀形態(tài)類型(核心區(qū)、孤島、空隙、邊緣區(qū)、連接橋、環(huán)島、支線)[24],核心區(qū)為生態(tài)源地。

2.3 層次分析法

選擇自然與人文6個因子,即高程、坡度、植被覆蓋度、土地利用類型、地表溫度、公路密度為生態(tài)阻力因子,構(gòu)建生態(tài)擴張綜合阻力面評價指標體系。利用層次分析法確定各個生態(tài)擴張阻力因子的權(quán)重[25],一致性檢驗值CR=0.031 4 <0.10,判斷矩陣通過一致性檢驗。

2.4 最小累積阻力模型

最小累積阻力(minimum cumulative resistance, MCR)是指物種從某個“源”點到目標所在地的過程中所需克服的總阻力的模型[26]。其計算公式為

(1)

本文對不同量綱的阻力因子按照其生態(tài)阻力作用大小進行分級賦值(見表2)[27],最后根據(jù)式(1)獲得MCR。

表2 閩粵聯(lián)網(wǎng)工程(福建段)生態(tài)阻力因子分級及賦值

2.5 重力模型

重力模型用于定量評價源與目標間相互作用力大小,作用力越大代表廊道越重要,據(jù)此可以評價生態(tài)廊道的相對重要性[28]。在MCR模型基礎(chǔ)上,使用重力模型計算生態(tài)源地之間的相互作用強度,提取出重要生態(tài)廊道。重力模型公式為

(2)

式中,Gij為斑塊i和j之間的相互作用力;Ni、Nj為兩斑塊的權(quán)重;Dij為i和j兩斑塊間潛在廊道阻力的標準化值;Pi為斑塊i阻力值;Si為斑塊i的面積;Lij為斑塊i和j之間廊道的累積阻力值;Lmax為所有廊道累積阻力的最大值。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)源地

利用隨機森林算法獲得研究區(qū)土地利用面積,以林地為前景值,其他地類為背景值,使用MSPA得到7種景觀形態(tài)類型,即核心區(qū)、孤島、空隙、邊緣區(qū)、連接橋、環(huán)島、支線,提取核心區(qū)面積最大的前10個斑塊作為研究區(qū)生態(tài)源地(如圖2(a)—(b)所示),生態(tài)源地面積見表3。

表3 閩粵聯(lián)網(wǎng)工程(福建段)區(qū)域生態(tài)源地面積

圖2 研究區(qū)2020、2021年區(qū)域生態(tài)源地、廊道和生態(tài)保護區(qū)

由圖2和表3可知,2020和2021年的生態(tài)源地總面積分別為2 268.45和1 926.50 km2,占整個研究區(qū)總面積的比例分別為47.29%與40.16%,兩年之間生態(tài)源地的面積減少了341.95 km2,主要是面積最大的7、8、9、10號4個生態(tài)源地減少最多(30 km2)。7號生態(tài)源地包含安厚鎮(zhèn)的靈龍谷、靈通巖風、漳州平和名峰山景區(qū),霞寨鎮(zhèn)的高峰谷,平和縣的繩武樓景區(qū)。該源地為丘陵低山地貌,坡度較大,主要土地利用類型為林地,植被類型主要有松樹、杉樹、桉樹等。8號生態(tài)源地包括平和縣的三平風景區(qū)。9號生態(tài)源地靠近白鷺森林公園與天福石雕園。10號生態(tài)源地周圍有馬鋪鄉(xiāng)的峰頭水庫、常山華僑經(jīng)濟開發(fā)區(qū)的烏山天池、浦美鎮(zhèn)的云霄南湖生態(tài)園、將軍山公園。7號生態(tài)源地面積減少的原因為林地轉(zhuǎn)變?yōu)楣麍@,8、9、10號3個生態(tài)源地減少的主要原因為城鎮(zhèn)建設(shè)用地的增加吞噬了生態(tài)源地。

3.2 生態(tài)廊道

生態(tài)廊道是相鄰兩個生態(tài)源地之間最容易連通的低阻力擴張通道,是源地間物種遷移的流動通道,在保護生物多樣性方面起關(guān)鍵作用[29]。本文利用MCR模型和重力模型獲得了區(qū)域重要生態(tài)廊道(如圖2(c)—(d)所示)。

基于MCR模型,得到2020年潛在的生態(tài)廊道有120條,2021年有110條,基于重力模型提取2020與2021年的重要生態(tài)廊道均是21條。由圖2(c)—(d)可知,研究區(qū)在兩個時期的生態(tài)廊道大致相似,整體呈現(xiàn)“三角形”的空間分布,三角形的3個頂點分別位于崎嶺鄉(xiāng)、和平鄉(xiāng)、官潯鎮(zhèn),且在三角形內(nèi)部的生態(tài)廊道呈橫縱交叉分布。根據(jù)生態(tài)源地作用力矩陣,兩年2號、7號生態(tài)源地之間的連接性最強,生態(tài)關(guān)聯(lián)度強。4、5、8、9號4個生態(tài)源地處于生態(tài)廊道的聚集處,需要對上述6個廊道進行保護。

3.3 生態(tài)安全保護區(qū)

生態(tài)節(jié)點是兩個相鄰的生態(tài)源地之間具有重要意義的“跳板”,該點若受外界的破壞和干擾會導(dǎo)致生物擴散受到阻隔[30]。將所有生態(tài)廊道之間的交點設(shè)置為生態(tài)節(jié)點,經(jīng)統(tǒng)計,研究區(qū)在2020年的生態(tài)節(jié)點為75個,在2021年的生態(tài)節(jié)點總計為77個。

一個區(qū)域的生態(tài)安全格局主要是由生態(tài)源地-廊道-節(jié)點組成,按照研究區(qū)內(nèi)部的生態(tài)源地、生態(tài)廊道、生態(tài)節(jié)點的集聚程度,劃分4個生態(tài)安全保護區(qū)域(如圖2(e)—(f))所示),分別是位于漳浦縣五寨鄉(xiāng)的大帽山、云霄縣馬鋪鄉(xiāng)的峰頭水庫、平和縣霞寨鎮(zhèn)的高峰谷、漳浦縣赤土鄉(xiāng)的白鷺森林公園生態(tài)安全保護區(qū)域。

3.4 閩粵聯(lián)網(wǎng)工程(福建段)生態(tài)安全格局

根據(jù)《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 19—2022)生態(tài)影響,以及本線路工程所在區(qū)域的生態(tài)環(huán)境特征,將閩粵聯(lián)網(wǎng)線路工程(福建段)兩側(cè)向外各延伸2 km作為項目的生態(tài)影響區(qū)。該影響區(qū)內(nèi)生態(tài)源地、生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點如圖3所示。2020年生態(tài)影響區(qū)內(nèi)部有3個生態(tài)節(jié)點,生態(tài)廊道的總長為52.09 km,生態(tài)源地的總面積為185.63 km2;2021年有3個生態(tài)節(jié)點,生態(tài)廊道總長為58.46 km,生態(tài)源地的總面積為154.42 km2。該工程生態(tài)影響區(qū)包括14.70 km2的高峰谷生態(tài)保護區(qū)、0.58 km2的峰頭水庫生態(tài)保護區(qū)和85.16 km2的大帽山生態(tài)保護區(qū)域。閩粵聯(lián)網(wǎng)工程(福建段)共有150個塔基。其中,有43個塔基位于本文劃定的生態(tài)保護區(qū)域且全部在大帽山生態(tài)保護區(qū)域,塔基編號為1—43號。4、5、38、39、62、63、95、96號塔基在兩個時期都有生態(tài)廊道穿過,這些塔基在區(qū)域生態(tài)環(huán)境中處于生態(tài)信息交流高頻區(qū)。因此項目建設(shè)運營期的生態(tài)重點防護區(qū)為1—43、62、63、95、96號塔基施工區(qū)和臨時施工道路區(qū),占地面積為0.32 km2,占生態(tài)影響區(qū)面積的0.01%。

圖3 閩粵聯(lián)網(wǎng)工程(福建段)生態(tài)影響區(qū)的生態(tài)安全格局

閩粵輸電線路工程于2021年4月開工,2022年完工。2021年為施工擾動高峰期,其生態(tài)影響重點范圍為1—43、62、63、95、96號塔基施工區(qū)及其周邊施工道路區(qū)。該工程主要影響時段為項目施工期,因此,在上述重點塔基施工階段要做好生態(tài)防護措施,如物理覆蓋、邊坡固化、植被恢復(fù)、合理安排施工時段等,即可以將項目生態(tài)影響降低至最小。在項目運營期,該線路的生態(tài)影響輕微,長期的生態(tài)監(jiān)測防護范圍仍是上述的重點塔基周邊。

4 結(jié) 論

本文基于MSPA、MCR模型與重力模型構(gòu)建區(qū)域生態(tài)“源地-廊道-節(jié)點”生態(tài)安全格局和輸電線路工程的生態(tài)安全格局。研究結(jié)論如下:

(1)閩粵聯(lián)網(wǎng)工程(福建段)區(qū)域生態(tài)格局特征:2020和2021年重要生態(tài)源地總面積分別為2 268.45和1 926.50 km2,分別占研究區(qū)總面積的47.29%和40.16%。2020和2021年重要生態(tài)廊道均為21條,生態(tài)廊道均呈現(xiàn)“三角形”空間分布。根據(jù)研究區(qū)生態(tài)“源地-廊道-節(jié)點”的集聚程度,區(qū)內(nèi)有大帽山、峰頭水庫、高峰谷、白鷺森林公園生態(tài)保護區(qū)4個,大帽山與白鷺森林公園生態(tài)保護區(qū)是整個研究區(qū)生態(tài)保護重點。

(2)閩粵聯(lián)網(wǎng)工程(福建段)的生態(tài)安全格局特征:2020與2021年,閩粵聯(lián)網(wǎng)線路的生態(tài)影響區(qū)內(nèi)有生態(tài)節(jié)點3個,生態(tài)廊道總長分別為52.09、58.46 km,生態(tài)源地的總面積分別為185.63、154.42 km2。工程生態(tài)影響區(qū)包含高峰谷、峰頭水庫和大帽山生態(tài)保護區(qū),其面積分別為14.70、0.58、85.16 km2。生態(tài)影響重點為1—43、62、63、95、96號塔基施工區(qū)及其周邊施工道路區(qū)。但生態(tài)擴張阻力因子本文選擇了6個因子,還有待擴充。而且選擇10個面積最大的斑塊作為生態(tài)源地有一定的主觀性,若疊加生態(tài)服務(wù)功能區(qū)和重要生態(tài)敏感區(qū)可能會更全面。