生态脆弱区生物多样性保护安全格局研究——以吉林省大安市为例

尹婧博,李 红,王冬艳,刘蜀涵

(1.吉林大学 地球科学学院,吉林 长春130061;2.东北大学 文法学院,辽宁 沈阳110169)

1 引言

生态脆弱区一般维持系统自身的稳定和抵抗外界干扰能力较弱,在自然条件和人类活动多重因素胁迫下,资源环境矛盾突出,生态环境压力已接近甚至超过区域生态的承载力[1,2]。生态安全格局基于过程与格局的相互作用机制,以景观生态学为理论支持,通过模拟不同生态过程识别出对维持生态系统健康和安全具有关键意义的斑块,将优化区域生态环境的对策和措施落实到空间地域,以实现对区域生态环境问题的有效控制和改善[3,4]。从生物多样性保护角度构建区域生态安全格局,针对生态系统本底特征,优化用地结构和布局,对保护和恢复区域特别是生态脆弱区的生物多样性具有非常重要的意义[5]。

生物多样性是生物与环境形成的生态复合体以及与此相关的各种生态过程的总和,由遗传多样性、物种多样性、生态系统多样性和景观多样性4个部分组成,是生态安全和国家粮食安全的基本保障,也是人类赖以生存的物质基础[6,7]。其中,物种多样性是生物多样性中最主要的结构和功能单位,也是生态系统的重要组成部分,用来表示一定区域内物种的丰富程度[8]。

近年来一些学者从生物多样性保护角度进行了生态安全格局的相关研究。其中,俞孔坚通过模拟物种水平空间运动过程,构建了包含源、缓冲区、源间连接、辐射道和战略点等景观组分的典型生态安全格局[9]。在此基础上相关学者分别尝试在自然保护区[10]、三江平原[11]、外来物种引种区[12]、城市经济区[13]等不同空间尺度内构建生物多样性保护的安全格局。

吉林省西部生态脆弱区是农牧两种生态系统的交界过渡区域,草地退化、土地沙化、土地盐碱化、湿地退化等生态环境问题严重,致使区域物种栖息地遭到破坏,生物多样性受到损失[14]。本文选择位于吉林省西部典型生态脆弱区的大安市为研究区域,以景观生态学为理论基础,选取目标物种的现有栖息地为源地,在充分考虑物种空间运动影响因素的前提下,确定阻力因子和相对阻力值;运用MCR模型构建最小累积阻力面,并提取生态廊道和生态节点,综合分析和判别研究区的生物多样性保护安全格局,以期为大安市生物多样性的保护和生态环境的恢复提供有价值的参考。

2 研究区概况与数据来源

2.1 研究区概况

大安市位于吉林省的西北部,地处松嫩平原腹地,位于123°08′45″—124°21′56″E、44°57′00″—45°45′51″N之间。大安市东与黑龙江省隔江相望,西与洮南市、通榆县接壤,南与松原市相邻,北以洮儿河为界与镇赉县毗邻,总面积4879km2,地面海拔高程为120—160m(图1)。

大安市属半干旱温带季风气候,大陆性明显,全年四季分明,年降水量300—400mm,多集中在夏季,境内湖泊河流众多,主要有嫩江、洮儿河和霍林河等水域。大安市位于生态环境变化的敏感区域,近年来受气候条件和人类活动的影响,土壤沙化、盐碱化、湿地面积萎缩等生态环境问题日益严重,区域生物数量和种类锐减。

受地形和气候等因素的影响,研究区内形成了面积较广的沼泽和湿地,包括嫩江湾国家湿地公园、大安牛心套保国家湿地公园和月亮湾蓄洪滞洪区等。大安市鸟类和鱼类等生物资源丰富,其中嫩江湾国家湿地公园有野生动物56种,鸟类30种,鱼类47种;牛心套保国家湿地公园有野生动物142种,其中包括丹顶鹤、东方白鹳、大鸨、大天鹅、鸳鸯、灰燕、灰鹤等鸟类。研究区是这些鸟类重要的生存繁衍地和南北迁移的中转站,对这些鸟类进行生物保护安全格局分析是构建区域生态安全格局的重要内容,对保护区域生物多样性、维护生态系统服务功能具有重要意义。

图1 研究区位置

2.2 数据来源与处理

本研究中所采用数据主要包括2015年大安市土地利用现状数据与ASTER GDEM 30m 分辨率高程数据。根据研究区土地利用现状和研究目的,将土地利用数据重新整合分类,共分为湿地、林地、草地、耕地、盐碱地、居民点及工矿用地和交通用地七种土地利用类型;DEM数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据的云平台(http://www.gscloud.cn),进一步利用ENVI 5.1软件对DEM数据进行拼接和裁剪,并运用ArcGIS 10.2软件进行坡度等数据的提取。

3 研究方法

3.1 源地的识别

“源”是一切生态过程的起点,源地是对区域生态过程和格局发展起正向推动作用的景观类型,是构建生态安全格局的基础[15]。一般情况下,生物多样性保护安全格局中的源地为目标物种的现有自然栖息地,能够充分反映研究区物种的生境特点,具有广泛的代表性和内部同质性[9,16]。

3.2 最小累积阻力面

物种对环境的利用表现为对空间的控制和覆盖过程,阻力面是物种从一种景观类型向另一种景观类型扩散时克服阻力所形成的趋势面,反映了物种从源地到达目的地的相对难易程度[17,18]。最小累积阻力是指物种从源地通过不同阻力的景观类型所累积耗费的最小成本,反映了景观格局与生态过程之间的相互关系[19-21]。本文采用最小累积阻力模型(MCR),以源地、相对阻力、空间距离三个要素为基础建立阻力面,计算公式为[22]:

(1)

式中,MCR为最小累积阻力;f为景观类型与生态过程之间的正相关函数;Dij为空间中任意一点i到源地j的距离;Ri为景观i对物种运动的相对阻力。

3.3 生态廊道和生态节点

在景观生态学中,廊道一般被定义为景观中与相邻两边环境不同的线性或带状结构[23]。生态廊道将区域内因破碎化而分离的小面积源地连接起来,为各个独立的源地提供空间上接触的可能性,使之形成更大的生态系统,减少因源地分离而引起的“孤岛”效应,是目标物种生存繁衍和扩散迁徙的低阻力通道[24]。生态节点是廊道上生态功能最薄弱的点,是对目标物种的迁徙和扩散具有关键作用的战略点[17,25]。

本文中生态廊道和生态节点的提取采用ArcGIS10.2空间分析模块中的水文分析工具,通过正负地形提取、填洼、流向分析、计算流水累积量、邻域分析等步骤提取最小累积阻力面的“谷线”和“脊线”,将生成的低阻力谷线作为生态廊道,“谷线”和“脊线”的交点作为生态节点。

3.4 生物多样性保护安全格局

在建立研究区最小累积阻力面后,为了对区域整体生态安全水平有更清晰的认识,以最小累积阻力面中阻力值的突变点作为不同安全水平区的分界点,将研究区划分为低安全水平区、较低安全水平区、中等安全水平区和高安全水平区四个等级。其中,低安全水平区物种水平运动克服的阻力最小,是物种在源地间扩散迁移的必经区域。高安全水平区是物种空间水平运动的阻力高值区,物种克服阻力到达该区域的难度较大,就生物多样性保护安全格局而言,该区域安全水平较高。

4 结果与分析

4.1 源地的识别

吉林省大安市虽然属于生态脆弱区,但是动植物资源非常丰富,由于植物受外界干扰的反映不易观察,对其他物种的代表性不强;鱼类的栖息地类型比较单一,且水平空间运动范围受限,因此植物和鱼类不适宜作为构建生物多样性保护安全格局的目标物种[26,27]。

本文首先选取研究区内具有广泛代表性的珍稀濒危鸟类——东方白鹳、丹顶鹤、白鹤和大鸨作为目标物种,它们均为国家一级保护鸟类,喜生活在沼泽地、湖泊、水塘以及河岸沼泽地带,研究区是它们重要的生存繁衍地，也是南北迁移途中的中转站。其次以目标物种的栖息地——湿地为源地,主要包括沼泽地、河流水面、湖泊水面、坑塘水面、内陆滩涂等土地利用类型,剔除部分面积小、分布零散、对生物保护安全格局影响较小的湿地斑块,将部分面积较小但分布集中的斑块与邻接的大面积斑块进行合并处理。

本文最后识别出研究区的源地总面积为547.93km2,占研究区总面积的11.23%,北部源地相对集中连片,包括东北部的嫩江湾国家湿地公园、月亮泡水库、洮儿河流域和五间房水库等水域;南部源地斑块面积普遍较小,且呈离散破碎化分布,包括南部的牛心套保国家湿地公园、霍林河流域下游以及东部查干湖的部分地区。

表1 研究区各阻力因子的相对阻力值

图2 研究区单因子阻力面

4.2 最小累积阻力面的构建

已有研究表明,土地利用类型和人类活动干扰是影响物种生存和繁衍的主要因素,物种栖息地的质量取决于物种与人类利用土地的距离和人类活动的强度[21]。本文首先通过模拟分析了目标物种的空间扩散过程,将土地利用类型、距道路的距离、距居民点的距离和坡度作为影响物种空间运动的阻力因子。其次依据大量文献资料设定各阻力因子的相对阻力值(表1),用层次分析法确定阻力因子权重,将相对阻力值拟定在0—100之间,景观类型与物种栖息地越相似,物种运动过程中所克服的阻力越小,相对阻力值就越接近于0[19,20,28]。最后以源地为要素源数据,以综合阻力因子阻力面为成本数据,采用成本—距离模型,生成研究区最小累积阻力面(图2、图3)。

4.3 生态廊道和生态节点的判别

生态廊道和节点是目标物种在源地间交流的关键通道和战略点[18]。在最小累积阻力面中,生态廊道是相邻两源地间的低阻力通道,生态节点是最小累积阻力面上低阻力通道和高阻力通道的交点[19]。经筛选共提取研究区范围内的生态廊道56条,总长度165.77km,生态节点53个(图4)。从整体上看,大安市生态廊道和节点呈南北两极化分布,北部地区的源地面积较大且分布集中,因此该区域生态廊道和节点数量相对较少;南部地区的单个源地面积较小且零星分布,生态廊道和节点分布集中且连通性较好,生态系统相对稳定(图5)。

图3 研究区最小累积阻力面

图4 研究区生态廊道和生态节点分布

图5 研究区生物多样性保护安全格局

4.4 生物多样性保护安全格局的建立

从图5、表2可见出,大安市不同安全水平区在数量和空间分布上具有一定的差异性。大安市低安全水平区的面积共计2255.59km2,占研究区总面积的46.23%,主要分布在龙沼镇、海坨乡、大岗子镇和月亮泡镇,还包括大安市北部地区的嫩江沿岸和洮儿河沿岸的湿地保护区,涵盖了月亮湾蓄洪滞洪区、五间房水库和大安牛心套保自然保护区等大面积水域和湿地,土地利用类型以湿地、草地、耕地和盐碱地为主;南部地区的龙沼镇、大岗子镇和海坨乡的土地利用率较低,区域内有一定面积的盐碱地,且交通设施不完善,经济发展相对落后;低安全水平区是涵盖目标物种的核心栖息场所,也是维护研究区生物多样性的重点地区。

大安市较低安全水平区面积为1287.35km2,占研究区总面积的26.39%,主要分布在两家子镇的东南部、大岗子镇的北部、新平安镇的中部,用地类型以耕地和草地为主,是典型的农牧交错区,因此合理适度的农业开发和草地保护是维护大安市生态安全的主要途径。该区域主要分布在低安全水平区的外围,是低安全水平区的重要保护屏障,对人类干扰活动有一定的缓冲作用。大安市较低安全水平区总体的生态服务功能处于较高水平,是低水平区和中水平区、高水平区之间能量流动和物质循环的“桥梁”。

表2 研究区生物多样性保护安全格局

大安市中等安全水平区的土地面积共计为959.15km2,占研究区土地总面积的19.66%,主要位于大安市联合乡中部、两家子镇的北部,乐胜乡的东南部、叉干镇的东部以及舍力镇、烧锅镇乡和新平安镇的部分地区,土地利用类型主要以草地、耕地、居民点用地和交通用地为主,是研究区内的限制性建设区。

大安市高安全水平区面积最小为376.82km2,占全区土地总面积的7.72%,集中分布在大安市乐胜乡、烧锅镇乡、舍力镇和叉干镇的相接处,区域的用地类型以居民点、交通用地、耕地和草地为主。大安市高安全水平区是研究区的适宜建设区,可以适度开展工农业生产经营活动。

4.5 生态安全格局优化建议

生态廊道作为物种迁徙扩散的低阻力通道,是各个安全水平区之间能量流动和物质循环的高效通道。部分生态廊道跨越不同的安全水平区而实现源地间的连通,使生态系统的信息流在不同安全水平区间进行传递。构建和优化区域生态廊道网络对强化生态环境的抗干扰能力、维护区域生态系统的生态安全具有关键作用。

从整体上看,研究区生态廊道和节点分布不均衡,形成南北两大组团,仅有大安市的五间房水库和牛心套保湿地公园之间一条连接南北源地的生态廊道。因此，建议在大安市安广镇的他拉红泡和同建乡渔场之间、大赉乡和四棵树乡之间以及同建乡水库和查干湖之间增设三条生态廊道,以增强研究区南北生态系统的连通性。此外，综合考虑区域的自然条件、人文条件和廊道建设的难易程度,建议优先建设大安市同建乡水库和查干湖之间的生态廊道和节点,在不破坏物种现有栖息地自然属性的基础之上,修筑河道、水渠等与目标物种栖息地生境相近的廊道作为物种远距离迁徙的低阻力通道,并在廊道两侧修建绿化带以减弱对周围环境的干扰。由于源地距离较远，需跨越多个安全水平区,可以在物种空间运动阻力较大的节点处修建水库、河泡等可供目标物种停歇的中转站。

安广镇的他拉红泡和同建乡渔场之间、大赉乡和四棵树乡之间的两条生态廊道,由于其间有珲乌高速、G302国道和长白铁路穿过,且大赉乡位于大安市市区,进行生态廊道和节点建设的难度较大,建议设置供物种迁徙扩散的空中走廊,同时在道路两侧修建绿化隔离带,增加城市绿地面积,推进城市的生态文明建设,以减小生态廊道和节点建设面临的阻力,最大程度地降低城市经济建设和道路交通对生态环境的影响。该区域的道路和城市的生态化管理对维护生态系统的完整性和连通性是至关重要的(图6)。此外,生态廊道和节点的建设还需要各安全水平区之间的协同配合,任何一个安全水平区生态环境的质量下降,都可能导致生态廊道的断裂甚至消失。因此,各安全水平区应加强生态系统的修复和治理,避免人类活动破坏生态环境,影响物种在源地间的迁移和扩散。

图6 研究区生态廊道和生态节点优化

大安市低安全水平区是维护区域生态系统服务功能的基本保障,该区是生态廊道和节点的集中分布区。该区域仅南部龙沼镇、大岗子镇和海坨乡就分布了研究区近60%的生态廊道,这些廊道距离小、分布密集,可将霍林河流域破碎化的湿地连接成一个完整的生态网络。因此，应加强大安市低安全水平区的盐碱地治理,合理开展以生物、压沙和化学等多种方法为主的盐碱地治理工程,主动防治盐碱地的扩张和恶化;在湿地保护方面,可利用区域的水源优势,修筑湿地引水、蓄水工程,保证大面积集中连片的湿地不萎缩,在面积小、分布零散的湿地之间建设生态廊道,使这些区域形成生态网络,发挥整体的生态服务功能;大安市低安全水平区内的湿地公园应实施严格的规划和管理,划定旅游业等第三产业的开发范围,在旅游高峰期限制公园内的游客数量,注意对公园内游客丢弃的垃圾及时进行清理,保持湿地的自然形态,避免人类活动的过度开发对湿地生态系统造成破坏和威胁。此外，禁止在湿地上进行油田开采,特别是查干湖湿地及其周边区域的油田开发工程应尽早搬迁，杜绝人类活动对湿地生态系统的破坏。

低安全水平区是对人类的开发利用活动最为敏感的区域,为充分保护研究区的生态环境和生物多样性,应将这些区域划定为大安市的禁止开发建设区。大安市较低安全水平区内应对该区域的土地用途加以管制,发展以农牧业为主的第一产业,分别划定耕地和草地用地红线,避免因过度开垦而导致出现土壤沙化、盐碱化等问题。此外，应限制耕地的农药和化肥的使用量,减少对水体和湿地系统的污染。大安市中等安全水平区对人类活动干扰的敏感度较低,可继续发展农业和畜牧业等第一产业,并且合理利用区位优势发展交通运输业、旅游业等第三产业。大安市高安全水平区也应注重对生态环境的保护,限制经济开发的强度和规模,对区域内的企业进行实时监控,避免污染型企业和工厂破坏生态环境。

5 结论与展望

5.1 结论

本文以吉林省西部典型生态脆弱区的大安市作为研究区域，针对典型生态脆弱区面临的生态环境问题,从生物多样性保护角度入手,以景观生态学为理论基础,运用MCR模型建立最小累积阻力面,构建了以源地为核心,以生态廊道为桥梁,以最小累积阻力面为基础的生物保护安全格局,为有效保护吉林省大安市东方白鹳、丹顶鹤、白鹤和大鸨等珍贵物种栖息地,缓解区域资源环境压力提供现实可行的方法。

基于最小累积阻力面共识别大安市生态廊道56条,总长度165.77km,生态节点53个。从空间分布上看,大安市北部源地的面积普遍较大且分布比较集中,该区域生态廊道和节点数量相对较少;南部地区单个源地面积较小且零星分布,是生态廊道和节点的集中分布区。因此，大安市应构建基于“源地—廊道—节点”的生态网络,修复和优化生物多样性保护的安全格局,平衡各安全水平区间的物质循环和能量流动,对维护该区域生态安全具有十分重要的意义。

在生物多样性保护安全格局中，不同的安全水平区具有一定的空间差异性,该区域的低安全水平区面积为2255.59km2,占研究区总面积的46.23%;较低安全水平区总面积为1287.35km2,占研究区总面积的26.39%;中等安全水平区总面积为959.15km2,占研究区土地总面积的19.66%;高安全水平区面积最小为376.82km2,占研究区总面积的7.72%。其中，低安全水平区是该区域物种扩散迁移的必经区域。该区域是生物多样性保护的重点,也是维持区域生态系统服务功能的底线,应将其划定为研究区的禁止建设区,加大生态修复力度,保护区域的生态环境。

5.2 展望

本文囿于行政边界和数据获取的影响,在源地选择上仅选取了洮儿河流域、查干湖及嫩江水域在大安市内的部分区域,而物种的空间运动很大程度上受到自然地物整体性和分布范围的影响,因此在生态源地的选择、生态廊道的识别和建立等方面还有待进一步完善。在今后的研究中可以考虑基于自然地理事物的完整性及其对生物多样性的影响,构建更大尺度的区域生态系统安全格局，并进行深入的研究。