弓灝潔,常金生,杜雨陽

(1. 陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院,陜西 西安 710001; 2. 北京洛斯達科技發(fā)展有限公司,北京 100089; 3.西安市勘察測繪院,陜西 西安 710001)

當前,中國城鎮(zhèn)化進程加快、人與環(huán)境之間矛盾加劇,迫切需要構(gòu)建生態(tài)空間調(diào)控網(wǎng)絡(luò),以化解社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護之間的矛盾,提升社會發(fā)展水平[1]。

近年來,不少學(xué)者針對土地利用優(yōu)化、生態(tài)空間調(diào)整、景觀生態(tài)學(xué)[2]、可持續(xù)發(fā)展[3]等問題,對生態(tài)破壞嚴重區(qū)域[4]、島嶼、自然災(zāi)害高發(fā)區(qū)[5]、洪澇災(zāi)害區(qū)[6]等進行了生態(tài)空間調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的探索,逐步形成了“識別源地—構(gòu)建阻力面—提取廊道—布設(shè)節(jié)點”這一生態(tài)網(wǎng)絡(luò)框架[7]。其中,識別源地、構(gòu)建阻力面、提取廊道是形成生態(tài)空間調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。識別源地的方法有以下幾種:一是直接識別法,該方法基于源地理論,結(jié)合研究區(qū)的特征設(shè)定斑塊大小閾值[8],直接選取生態(tài)源地[9],也有學(xué)者將多年未變化的土地利用類型直接定義為生態(tài)源地[10];二是綜合指標評估法,通過選取維持生態(tài)穩(wěn)定的各類影響因子,構(gòu)建生態(tài)源地評價指標體系[11];三是空間格局分析法,利用景觀連通性指標評價生態(tài)源地斑塊[12];四是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與敏感性集成法,通過融合生態(tài)敏感性因子、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性因子識別生態(tài)功能區(qū),選取生態(tài)功能極重要和生態(tài)極敏感區(qū)域作為生態(tài)源地,并將其劃定為自然環(huán)境重要修護區(qū)[13]。構(gòu)建阻力面的方法包括單一賦值法和多要素綜合賦值法,后者構(gòu)建的阻力面相對于前者更能直觀反映空間異質(zhì)性,焦點物種的引入證實了后者的可靠性[14]。生態(tài)廊道是維持生態(tài)系統(tǒng)流動性、保護生態(tài)空間完整性的理論基礎(chǔ)[15]。廊道提取常采用最小累計阻力模型[16]、電路理論[17]、蟻群模型[18]及重力模型[19]。其中,重力模型是通過分析生態(tài)源地之間的相互作用強度,利用具體的數(shù)值反映廊道的重要性,補充了其他方法難以直觀反映生態(tài)廊道相對重要性的短板,為生態(tài)廊道的選取提供了科學(xué)依據(jù)。生態(tài)節(jié)點是保持生態(tài)廊道系統(tǒng)連通性的關(guān)鍵部分,當前研究對于生態(tài)節(jié)點的選取偏向于理論化[19],無法將導(dǎo)致景觀破碎和廊道斷裂的因素全部考慮在內(nèi)。

甘肅省白銀市景泰縣生態(tài)系統(tǒng)脆弱,為堅守生態(tài)底線,提升生態(tài)空間穩(wěn)定性,本文主要采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估模型和生態(tài)環(huán)境敏感性評估模型識別生態(tài)源地,運用MCR模型和重力模型構(gòu)建阻力面,提取生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點,建立以“源地—廊道—節(jié)點”為框架的生態(tài)空間調(diào)控網(wǎng)絡(luò),并針對不同用地類型提出相應(yīng)修復(fù)建議,以期為景泰縣生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)與修復(fù)提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

景泰縣隸屬甘肅省白銀市,位于甘肅省腹地北陲,地處黃土高原與騰格里沙漠過渡地帶,為河西走廊東端門戶?？h域總面積約為5486 km2,境內(nèi)山巒丘陵居多,約占全縣面積的3/4,整體地勢西南高、東北低,海拔范圍為1216～3265 m。景泰縣是甘肅省中部干旱縣之一,屬溫帶干旱型大陸性氣候,年均氣溫為8.2℃,年均風(fēng)速為3.5 m/s,年均降水量為185 mm。黃河是景泰縣唯一過境水系,經(jīng)蘭州市、白銀市、靖遠縣從尾泉流入景泰。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用數(shù)據(jù)主要包括景泰縣30 m分辨率的DEM、景泰縣2018年全國第三次土地調(diào)查數(shù)據(jù)、甘肅省行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、甘肅省氣象數(shù)據(jù)集、景泰縣重要路網(wǎng)數(shù)據(jù)、全國土壤數(shù)據(jù)集、甘肅省NPP數(shù)據(jù)集、景泰縣遙感數(shù)據(jù)集。其中,景泰縣DEM來源于地理空間數(shù)據(jù)云;甘肅省行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心;景泰縣氣象數(shù)據(jù)集來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)上的中國地面氣象站逐日觀測數(shù)據(jù)集;景泰縣重要路網(wǎng)數(shù)據(jù)來源于OpenStreetMap平臺;土壤數(shù)據(jù)集選取HarmonizedWorldSoilDatabasev1.2;MODIS遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD17A3HGF數(shù)據(jù)來源于美國NASA數(shù)據(jù)服務(wù)中心。

2 研究方法

生態(tài)空間調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建主要包括生態(tài)環(huán)境本底評估和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建兩個階段。本文參考文獻[20],基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性和生態(tài)環(huán)境敏感性進行生態(tài)本底評估;依據(jù)評估結(jié)果,選取極敏感區(qū)和極重要區(qū)作為生態(tài)源地的識別依據(jù);選取產(chǎn)生阻力的主要影響因子并賦予阻力值,利用主成分分析法求得各阻力因子權(quán)重;使用最小累計阻力模型(MCR)構(gòu)建阻力面;基于成本距離提取廊道系統(tǒng);通過重力模型提取重要生態(tài)廊道。

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評估

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評估用于明確區(qū)域各類生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能及其對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的作用與重要性。依據(jù)其重要性對每一項生態(tài)服務(wù)功能劃分出不同級別,首先明確其空間分布,然后在區(qū)域內(nèi)進行分區(qū)顯示,主要功能包括水源涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙、生物多樣性。評估方法見表1。

表1 復(fù)合維度下的生態(tài)源地識別指標系統(tǒng)構(gòu)建

各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能均按照柵格值小于50%、50%～80%、80%～100%的像元劃定為極重要、重要、一般重要的等級,形成各服務(wù)功能重要性等級評估結(jié)果。

2.2 生態(tài)環(huán)境敏感性評估

生態(tài)環(huán)境敏感性評估體現(xiàn)了生態(tài)空間對各類自然因素的敏感程度,通過分析不同地理因子判別不同程度敏感性區(qū)域,從而判定不同區(qū)域的保護等級,為生態(tài)分區(qū)提供依據(jù),主要敏感性因子包括水土流失、土地沙化、石漠化。評估方法見表1。

分別將各個生態(tài)敏感性評估結(jié)果分為3級,即一般敏感、敏感、極敏感,通過模糊疊加得到生態(tài)環(huán)境敏感性評估分級結(jié)果。

2.3 重力模型

重力模型是通過量化不同生態(tài)斑塊之間的相互作用強度,甄別生態(tài)廊道的相對重要性,以提取重要生態(tài)廊道。重力模型公式為

(1)

式中,Gab表示斑塊a與斑塊b的相互作用強度;Na和Nb分別表示兩個斑塊的權(quán)重值大小;Dab表示斑塊a和斑塊b之間潛在生態(tài)阻力標準化值;Lmax表示區(qū)域廊道系統(tǒng)內(nèi)最大生態(tài)阻力值;Sa和Sb分別表示斑塊a和斑塊b的面積;Lab表示斑塊a到斑塊b之間的累計生態(tài)阻力值;Pa和Pb分別表示斑塊a和斑塊b的阻力值。

2.4 最小累計阻力模型

最小累計阻力模型(MCR)用于表示生物遷移過程中,從某一斑塊經(jīng)過不同阻力單元到達另一斑塊所受到的阻力值。本文參考文獻[21],結(jié)合研究區(qū)特點,并考慮數(shù)據(jù)的可獲取性,采用土地利用類型、DEM、坡度、植被覆蓋度、與道路距離、與水體距離作為構(gòu)建MCR模型的指標因子,評估物種從源地到達目的地過程中所受的阻力。通過綜合相關(guān)研究[22],將各阻力因子分為5級(1、3、5、7、9),通過主成分分析法確定各阻力因子指標權(quán)重,使用ENVI軟件得到各因子合理的權(quán)重值(見表2)。阻力系數(shù)的大小決定了物種遷移時的困難程度,公式為

表2 綜合阻力面、阻力系數(shù)及權(quán)重

(2)

式中,f為最小累計阻力與生態(tài)過程的正相關(guān)函數(shù);Dij為物種從源地j到目的地i的空間距離;Ri為景觀單元i對物種移動的阻力值;n、m為生態(tài)源地與景觀類型的數(shù)量。最小累計阻力面是生態(tài)系統(tǒng)物種流動的潛在趨勢及可能性的直觀反映。

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評估

將水源涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙、生物多樣性劃分為極重要、重要、一般重要3個等級,疊加得到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評估結(jié)果,如圖1所示?？梢钥闯?生態(tài)極重要區(qū)面積為150.78 km2,占全縣面積的2.78%,以正路鄉(xiāng)、紅水鎮(zhèn)、五佛鄉(xiāng)分布最密集,地類現(xiàn)狀以有林地為主,多表現(xiàn)為水源涵養(yǎng)林,生境質(zhì)量高;生態(tài)重要區(qū)面積為1 255.83 km2,占全縣面積的23.15%,地類現(xiàn)狀以其他草地為主,景觀破碎化明顯,需加強系統(tǒng)性保護;生態(tài)一般重要區(qū)面積為4 017.75 km2,占比最多,為74.07%,地類現(xiàn)狀主要為高覆蓋度草地和建設(shè)用地及其周邊耕地,該區(qū)域的特點是人類活動頻繁,對生態(tài)價值需求較高。

圖1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評估結(jié)果

3.2 生態(tài)環(huán)境敏感性評估

將水土流失敏感性、土地沙化敏感性、石漠化敏感性分為極敏感、敏感、一般敏感,疊加得到生態(tài)環(huán)境敏感性評估結(jié)果,如圖2所示?？梢钥闯?生態(tài)極敏感區(qū)面積為1 015.14 km2,占全縣面積的18.76%,草窩灘鎮(zhèn)占比最大,喜泉鎮(zhèn)和中泉鄉(xiāng)次之,該區(qū)域土地沙化和石漠化問題嚴重,需采取相應(yīng)措施進行整治;生態(tài)敏感區(qū)面積為4 118.74 km2,均勻分布在各個鄉(xiāng)鎮(zhèn),占全縣面積的76.13%;生態(tài)一般重要區(qū)面積為276.54 km2,占比為5.11%,地類現(xiàn)狀主要為建設(shè)用地及其周邊耕地。綜上所述,景泰縣整體敏感性偏高,石漠化極敏感區(qū)分布于城鎮(zhèn)周邊,草窩灘鎮(zhèn)由于裸地分布較多導(dǎo)致土地沙化現(xiàn)象嚴重,需采取有力措施減少裸地數(shù)量。

圖2 生態(tài)環(huán)境敏感性評估結(jié)果

3.3 生態(tài)源地識別

根據(jù)生態(tài)服務(wù)功能重要性評估結(jié)果中的極重要區(qū)和生態(tài)環(huán)境敏感性評估結(jié)果的極敏感區(qū)疊加景泰縣自然保護區(qū)、林地公園、地質(zhì)公園、風(fēng)景名勝區(qū)文化遺產(chǎn)區(qū),得到初步生態(tài)源地共計1218處。剔除10 km2以下零星源地,得到集中連片且面積較大源地21處,總面積約為1 077.3 km2,占全縣面積的19.91%。源地土地利用類型以林地和草地為主,面積為608.94 km2,占源地面積的56.52%,這些地類生境質(zhì)量較高,具備物種棲息地的條件。總體而言,生態(tài)源地呈四周集聚成片、中部分散稀疏的格局。其中,草窩灘鎮(zhèn)面積分布最廣,占比21.35%,其次為中泉鄉(xiāng)、喜泉鎮(zhèn)、正路鄉(xiāng),占比分別為16.57%、11.57%、9.64%,其余縣區(qū)源地分布較為零散。

3.4 阻力面構(gòu)建

根據(jù)表2計算阻力因子與權(quán)重值形成綜合阻力面,如圖3所示。整體而言,景泰縣生態(tài)阻力面空間差異明顯,與土地覆蓋類型阻力面較為相似,高阻力區(qū)域多集中于未加以利用的裸地且距水源較遠,以草窩灘鎮(zhèn)和五佛鄉(xiāng)分布最多,其次為中泉鄉(xiāng)和喜泉鎮(zhèn),其余高阻力地區(qū)分布細碎零散;中高阻力區(qū)域地類現(xiàn)狀主要表現(xiàn)為城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點及農(nóng)用地,主要分布于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)居名點周邊,該區(qū)域人類活動頻繁,距離交通主干道較近,植被覆蓋度偏低且地勢相對平緩;低阻力區(qū)域地類現(xiàn)狀大多為林地和草地,主要分布于上沙沃鎮(zhèn)、寺灘鄉(xiāng)及盧陽鎮(zhèn)等林草面積占較高的地區(qū),該區(qū)域植被覆蓋度偏高,距水源較近。

圖3 景泰縣綜合生態(tài)阻力面

3.5 生態(tài)廊道提取

以1200 m作為生態(tài)廊道寬度[23],生成景泰縣廊道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。引用重力模型計算源地之間的作用力,甄別廊道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中極重要廊道,剔除冗余廊道。生態(tài)源地間的相互作用矩陣見表3。

表3 重力模型相互作用矩陣

由表3可知,生態(tài)源地之間作用力越大,表明源地之間的廊道重要性越高,本文以300 m為界,剔除冗余廊道。理論上,生態(tài)廊道在區(qū)域內(nèi)建立的數(shù)量與生物流動性成正比,廊道數(shù)量越多,表明生態(tài)空間可調(diào)控能力越強。根據(jù)相互作用矩陣,最終提取41條生態(tài)廊道,廊道長度為6.47～178.43 km,共計1 310.6 km。按生態(tài)源地間的相互作用強度,可將生態(tài)廊道分為關(guān)鍵生態(tài)廊道、重要生態(tài)廊道、一般生態(tài)廊道3個等級。從數(shù)量特征而言,關(guān)鍵廊道有23條,長度共計631.48 km,廊道中心連通性突出;重要廊道有10條,長度共計435.47 km;一般廊道有8條,長度共計243.68 km。

3.6 判別生態(tài)節(jié)點

生態(tài)節(jié)點是生態(tài)廊道系統(tǒng)的重要補充部分,用于提高生態(tài)系統(tǒng)的景觀連通性,一般分布在生態(tài)廊道極脆弱區(qū)域,起鞏固廊道系統(tǒng)的作用?；诖?景泰縣生態(tài)節(jié)點的布設(shè)位置為:①廊道系統(tǒng)交錯重疊區(qū)域;②由于生態(tài)廊道距離過長可能導(dǎo)致生態(tài)網(wǎng)絡(luò)斷裂的區(qū)域;③建設(shè)用地占用生態(tài)廊道區(qū)域;④生態(tài)廊道途經(jīng)大型河流湖泊等地;⑤生態(tài)廊道與生物多樣性極重要部分重疊區(qū)域;⑥生態(tài)廊道被景泰縣交通要道貫穿部分;⑦生態(tài)廊道所經(jīng)生物多樣性功能極重要區(qū)域。以上節(jié)點布設(shè)條件和環(huán)境特征各不相同,所產(chǎn)生的生態(tài)作用也存在一定差異。將①—③類生態(tài)節(jié)點劃定為重要生態(tài)節(jié)點,④—⑦類生態(tài)節(jié)點劃定為一般生態(tài)節(jié)點。由此可得重要生態(tài)節(jié)點10處,一般生態(tài)節(jié)點33處。景泰縣生態(tài)空間調(diào)控網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 景泰縣生態(tài)空間調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

3.7 關(guān)鍵區(qū)域生態(tài)修復(fù)策略

生態(tài)源地、生態(tài)廊道、生態(tài)節(jié)點作為保障生態(tài)空間穩(wěn)定性的關(guān)鍵部分,應(yīng)當劃定為重點保護區(qū)域。按照區(qū)域生態(tài)空間調(diào)控網(wǎng)絡(luò)保障原則,本文明確提出保護生態(tài)源地、建設(shè)生態(tài)廊道、修復(fù)生態(tài)節(jié)點的關(guān)鍵區(qū)域恢復(fù)策略,根據(jù)區(qū)域本底評估對生態(tài)斑塊、廊道、節(jié)點提供以下整治和恢復(fù)建議。

(1)加強生態(tài)源地環(huán)境保護。生態(tài)源地是區(qū)域生態(tài)空間調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中最重要的部分,是動物生存和繁衍的主要地點,保護生態(tài)源地環(huán)境極為重要。針對生態(tài)源地與農(nóng)用地交叉部分,采取退耕還林還草措施;針對土地沙化、水土流失性源地,采取生態(tài)修復(fù)類措施,保證生態(tài)源地功能完整性;重大森林生態(tài)源地應(yīng)加大該地區(qū)現(xiàn)存動植物資源的保護力度,維持生物多樣性,使各類生物有相對適宜的生存環(huán)境;做好水污染防治措施,開展水資源保護等項目,盡可能減少人類活動對生態(tài)源地造成的影響。

(2)重點建設(shè)生態(tài)廊道工程。對未被人類活動影響的生態(tài)廊道采取必要保護措施以維持現(xiàn)狀,對建設(shè)用地占用的生態(tài)廊道采用生態(tài)恢復(fù)手段進行人工恢復(fù),以保證廊道系統(tǒng)的完整性,并根據(jù)區(qū)域生態(tài)現(xiàn)狀制定適當距離的廊道保護帶,降低保護帶內(nèi)人類活動的頻率;制定“廊道管理”保護制度,明晰保護具體內(nèi)容。加強廊道工程建設(shè)可以增加源地之間的生物遷移和物質(zhì)能量流動,進一步改善生態(tài)質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境。

(3)完善生態(tài)節(jié)點修護任務(wù)。生態(tài)節(jié)點是生態(tài)廊道系統(tǒng)的重要補充部分,可以提高生態(tài)系統(tǒng)的景觀連通性,加強其建設(shè)能夠保證生態(tài)廊道的穩(wěn)定性。一方面應(yīng)該建立保護機制,將生態(tài)節(jié)點作為永久點重點保護,不得改變節(jié)點在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中所發(fā)揮的作用;另一方面應(yīng)降低人類活動對生態(tài)節(jié)點所產(chǎn)生的影響,針對其他用地占用或自然因素損毀的生態(tài)節(jié)點進行重新修復(fù)。

4 結(jié) 論

本文基于生態(tài)服務(wù)功能重要性評估模型和生態(tài)環(huán)境敏感性評估模型、MCR模型、重力模型構(gòu)建了一套完整的“源地—阻力面—廊道—節(jié)點”生態(tài)空間調(diào)控網(wǎng)絡(luò)識別方法。選擇縣域范圍構(gòu)建生態(tài)空間調(diào)控網(wǎng)絡(luò),并結(jié)合各類生態(tài)環(huán)境對源地、廊道、節(jié)點等網(wǎng)絡(luò)要素,提出對應(yīng)生態(tài)修復(fù)策略。得出結(jié)論如下。

(1)由生態(tài)功能重要性評估結(jié)果可知,景泰縣極重要區(qū)和重要區(qū)占縣域面積的21%,主要分布在正路鄉(xiāng)西南部和中泉鄉(xiāng)東南部。

(2)由生態(tài)敏感性評估結(jié)果可知,景泰縣極敏感區(qū)和敏感區(qū)占總面積的78%,表明景泰縣生態(tài)敏感性整體偏高,高敏感區(qū)主要分布在東北部和東南部,在西北部和西南部零星分布。

(3)通過生態(tài)環(huán)境敏感性評估和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評估,共識別21處生態(tài)源地,主要分布于縣域四周,為大面積林地和草地;綜合阻力面阻力值較大區(qū)域分布于草窩灘鎮(zhèn)和喜泉鎮(zhèn),需重點保護與修復(fù);通過運用MCR模型和重力模型,共提取23條關(guān)鍵生態(tài)廊道、10條重要生態(tài)廊道、8條一般生態(tài)廊道,以及10處重要生態(tài)節(jié)點、33處一般生態(tài)節(jié)點,其中耕地、草地、水體是生態(tài)廊道重要組成部分,表明生態(tài)廊道穩(wěn)定性有待提升。

(4)結(jié)合土地利用現(xiàn)狀并依據(jù)識別出的生態(tài)空間調(diào)控網(wǎng)絡(luò),合理制定生態(tài)修復(fù)策略,并針對關(guān)鍵區(qū)域提出修護建議。