沈抚新城生态安全格局的构建

师鹏飞, 李爽, 姜虎生, 马会强

沈抚新城生态安全格局的构建

师鹏飞, 李爽, 姜虎生, 马会强*

辽宁石油化工大学, 化学化工与环境学部, 辽宁 抚顺 113001

以沈抚新城为研究对象, 利用GIS空间分析功能, 分析得到基于水源涵养、生物多样性保护、土壤侵蚀敏感性、地质灾害敏感性四种单一生态过程评价的生态用地, 将评价结果叠加重分类为一般重要生态用地、重要生态用地、极重要生态用地, 并以面积＞1 km2的极重要生态用地为生态源, 现状土地类型为阻力因子, 基于MCR模型构建了沈抚新城综合安全格局体系。结果表明: 研究区内高水平安全格局缓冲区面积112.96 km2, 占研究区土地总面积的18.66%; 中水平安全格局缓冲区面积94.43 km2, 占研究区土地面积的15.60%; 低水平安全格局缓冲区面积176.23 km2, 占研究区土地面积的29.11%; 生态廊道60条, 总长275.77 km; 生态战略点49个。本研究可以摸清研究区的生态安全状况, 同时可以为城镇建设用地的扩张以及生态用地空间的保护提供定量指引。

生态用地; 生态安全格局; MCR模型; 沈抚新城

0 前言

随着我国城镇化速度的不断加快, 城市的发展与有限的资源承载力、脆弱的生态环境之间的矛盾越来越明显, 保障城市发展与区域生态环境安全之间的平衡已经成为当下城市健康发展需要解决的首要问题[1–3]。生态安全格局(ecological security pattern, ESP)缘起于景观生态规划, 通过识别和提取对区域生态环境发展具有重要意义的点-线-面, 从而构建多层次的区域空间优化方案, 它能够维护区域生态结构和过程的完整, 保障区域资源和基础设施的合理配置, 实现城市精明保护与精明增长[4–6]。最初的研究对象主要为风景名胜区和重大工程建设等领域, 近几年国内学者针对江苏、深圳、厦门等经济快速发展的地区进行了大量的探索与实践[7–9]。区域生态安全格局对于区域生态环境的维护和人类社会可持续发展的保障具有重要意义, 因此早已成为多学科学者共同关注的热点[10–12]。

随着近10年来国内学者的不断探索, 生态安全格局的概念及理论基础基本清晰, 构建模式逐渐成熟。目前, 形成了源地识别-阻力面构建-廊道提取的基本范式[13–14]。源地的确定, 需要满足三个层次的目标: 保障现存生态过程的完整、维护重要生态功能的可持续、预防生态系统退化[15]。它是生态安全格局构建的关键, 目前其识别方式主要有两种, 分别为单一要素生态源地叠加、生态重要性评价[16–17]。前者忽略了区域综合环境体系的影响, 后者评价因子的选择仍需进一步探索。构建阻力面是确定区域生态安全格局的核心环节[18–19], 设置方法多采用基于地物类型以及对各类生态功能重要性评价因子进行赋值的方式, 该方法主观性较强, 模糊了局地之间的空间差异, 无法详细的表征生态流流动的过程中可能遇到的真正的阻力。

通过在知网中检索区域生态安全格局构建方面的文献可以发现: 对于省市尺度生态安全格局的构建, 国内学者进行了大量实践, 对于小尺度区域生态安全格局的构却建鲜有提及。本文以位于沈阳市东部、抚顺市西部的沈抚新城为研究区, 探讨了该尺度区域生态源地的筛选以及生态安全格局构建的方法, 以期为区域生态安全格局的合理构建提供科学参考和依据, 为沈抚新城城镇用地的选择和空间优化提供定量指引。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

沈抚新城位于沈阳市东部、抚顺市西部(41.52N,123.55E), 地处沈阳经济区的中心位置, 研究区土地总面积605.34 km2, 属于沈阳、抚顺共管区域(图1), 其中沈阳管辖区域为东陵区部分区域、棋盘山风景区, 面积分别为132.54 km2和203 km2, 抚顺市管辖区域包括高湾经济开发区50 km2, 抚顺市经济技术开发区68 km2, 方晓、抚顺县、塔峪地区、望花区部分区域共140.8 km2(图1)。研究区整体地势北侧低南侧高, 整体海拔在60到70米之间。主导风向冬季为东北风, 其他季节以西南风为主, 年均气温为7摄氏度, 浑河、拉古河、小沙河、沈抚灌渠流经其中。研究区地貌类型丰富, 奇山、险谷、森林、草地、河流交错分布, 生态环境良好, 林地和水域面积分别为100 km2和15 km2。

1.2 数据来源及处理

1.2.1 遥感数据

本研究中遥感影像数据主要为2017 年的OLI影像, 数据选择的时间范围为9到10月份。利用遥感图像处理软件ENVI5.0对影像数据进行了校正、裁剪、投影转换等。

1.2.2 SRTMDEM数据

本研究中的高程数据来源于地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn/)上发布的GDEM数字高程数据, 空间分辨率为30米。利用遥感图像处理软件ENVI5.0对以上高程数据分别进行了投影转换、裁剪等处理。

1.2.3 其他辅助数据

其他辅助数据具体包括土地利用类型数据、NDVI数据。其中土地利用数据课题组采用监督分类的方法解译自30米分辨率的Landsat8-OLI遥感数据, 对OLI遥感影像以7/5/4波段进行彩色合成, 土地类型具体划分为6类, 分别为耕地、林地、草地、水域、建设用地、裸地, 主要用于阻力面的建立; NDVI数据通过遥感影像波段运算获得。

2 研究方法

本文首先对研究区进行生态系统服务功能重要性评价以及生态系统敏感性评价, 识别生态用地, 然后以极重要生态用地为生态源, 构建研究区生态安全格局。通过在知网中查阅相关研究文献可以发现: 国内学者在进行生态系统服务功能重要性评价时用到较多的因子为水源涵养功能、生物多样性保护功能、水土保持功能、防风固沙等因子, 结合沈抚新城生态环境现状发现, 水土保持、防风固沙对于该尺度区域意义不大, 研究区的主要生态问题是水资源保护以及城镇化引起的生物多样性减少等问题, 因此本文选取水源涵养功能、生物多样性保护功能对区域生态系统服务功能进行综合评估。在进行生态系统敏感性评价中主要考虑因子为土壤侵蚀、土地沙化、地质灾害、盐渍化、酸雨危害、石漠化等因子, 由于酸雨危害、盐渍化评价的数据无法获取, 在生态系统敏感性评价中舍弃这2个因子, 土地沙化和石漠化对研究区的危害程度有限, 不予考虑, 由上, 本文生态系统敏感性评价主要考虑土壤侵蚀、地质灾害2个因子。

图1 区位及行政区划图

Figure 1 Location and administrative divisions

综上, 本文首先基于水源涵养功能重要性评价、生物多样性保护重要性评价、土壤侵蚀敏感性评价、地质灾害敏感性评价的单一生态过程, 分别完成各因子一般重要、重要、极重要和一般敏感、敏感、极敏感三个等级生态系统服务功能重要性和生态系统敏感性的评价。然后将以上四个单一过程的评价结果进行等权叠加得到一般重要、重要、极重要三个级别的生态用地。最后以极重要生态用地为生态源, 利用最小累积阻力模型完成研究区生态用地安全格局的构建。

2.1 单一生态过程评价

2.1.1 水源涵养功能重要性评价

相关研究表明, 影响区域水源涵养功能因素主要包括地表覆盖层植被类型和土壤, 本文以前人研究成果为基础[20], 综合考虑沈抚新城的地理位置、生态环境现状以及数据获取的难易程度, 选择地形和现状土地类型两个因子作为评价指标, 根据表1中的标准进行分级赋值。利用ArcGIS10.1软件空间分析模块中的栅格计算器功能进行计算, 方法如下:

式中ss为第个栅格像元的水源涵养功能重要性评价指数,C表示第i个评价因子在第个像元的评价分值。利用ArcGIS10.1软件空间分析模块中的重分类功能以2和4为分割点将水源涵养功能重要性评价结果分为3级, 即一般重要、重要、极重要。

2.1.2 生物多样性重要性评价

结合研究区的实际情况, 选择土地利用类型、坡度为指标, 对沈抚新城生物多样性功能进行评价,分级标准详见表2[21]。土地利用类型数据以及坡度数据按照表2进行重新分类赋值后, 利用ArcGIS10.1软件空间分析模块中的叠加求和功能进行计算, 具体方法如下:

表1 水源涵养功能评价指标及分级标准

式中ss为第个栅格像元的生物多样性评价值,C表示第i个评价因子在第个像元的单元值,P表示第i个因子的权重值。利用ArcGIS的自然断裂法将叠加求和结果划分为一般重要、重要、极重要3级。

2.1.3 土壤侵蚀敏感性评价

本文采用水利部土壤侵蚀强度标准(SL190- 2007)进行土壤侵蚀敏感性评价[22], 评价标准详见表3。在将沈抚新城土地利用类型分为耕地和非耕地的基础上, 利用ArcGIS中的坡度计算工具, 基于研究区DEM数据计算研究区的坡度, 计算结果按照表3中坡度分级标准进行重分类。非耕地部分与植被覆盖度进行掩膜分析, 分析结果根据表3中的植被覆盖度分级标准进行重分类。然后对重分类之后矢量的坡度和植被覆盖度进行镶嵌至新栅格处理, 对新栅格中耕地、<30、30—45、45—60、60—75依次赋值1、2、3、4、5, 对坡度5°—8°、8°—15°、15°—25°、25°—35°、>35°依次赋值1、10、100、1000、10000, 利用栅格计算器对以上两个结果进行乘计算, 计算结果根据表3中标准进行重分类, 最终得到研究区土壤侵蚀敏感性评价结果(轻度敏感、中度敏感、强烈敏感、极强烈敏感、剧烈敏感)。

2.1.4 地质灾害敏感性评价

本研究区主要受到地面塌陷地质灾害的威胁, 通过总结相关研究成果可以发现, 影响地面塌陷的因素主要包括植被覆盖度、高程、坡度、地形起伏度以及人类活动强度等。本文在总结前人研究成果的基础上[23], 对以上地质灾害影响因子进行分级赋值(表4), 利用ArcGIS空间分析模块中的叠加求和功能对分级赋值结果进行加权求和计算, 然后将计算结果以60和130为分割点进行分级(一般敏感、敏感、极敏感), 最终得到地质灾害敏感性评价图。

表2 生物多样性保护功能评价分级标准

表3 土壤侵蚀分级指标

表4 地质灾害影响因子及敏感性划分标准

2.2 综合生态用地识别

本文基于单一生态过程评价结果识别综合生态用地, 利用ArcGIS空间分析模块中的叠加求和功能将以上评价结果进行等权叠加, 采用自然间断点分级法对叠加结果进行重分类, 将生态用地分为一般重要生态用地、重要生态用地、极重要生态用地, 得到沈抚新城综合生态用地空间分布图。同时以单一生过程评价结果为基础, 提取生态系统服务功能极重要区、生态系统极敏感区划定生态红线。

2.3 生态安全格局构建

关于区域生态安全格局的构建方法国内学者进行了大量的探索和实践, 本文在参考已有学者研究成果的基础上[24], 采用了源地选取-阻力面建立-廊道提取的基本模式基于MCR模型构建了沈抚新城综合生态安全格局体系, 探究了此模式在该尺度区域构建安全格局的可行性。

2.3.1 源的识别

生态源是乡土物种的栖息地,具有内部同质性和向四周扩散或吸引的能力, 它本身生态环境质量较高[27–29]。极重要生态用地是保护区域生态安全的关键区域, 是保障生态空间正常为社会提供服务的基础, 因此本文选取面积大于1 km2的极重要生态用地作为生态源地, 该识别方法考虑了区域综合环境体系的影响, 避免了单一要素叠加的方式确定生态源地的缺陷。

2.3.2 阻力面的建立

物种在水平空间的运动以及生态功能的流动主要受到土地覆被类型的影响, 土地覆被类型与生态源中的景观特征越相近, 对生态流的阻力越小; 而人类活动干扰强度较大的覆被类型对生态流的阻力越大。本文在参考已有学者研究成果[30–31]的基础上, 以对生态源内生物多样性以及生态基础设施的保护为目标, 选择土地覆被类型作为影响因子, 根据各类土地受人类活动的干扰强度, 采用专家打分法依据土地覆被类型进行阻力赋值, 从而建立生态源地扩张的阻力面(表5)。

2.3.3 生态安全格局构建

本文选取面积>1 km2的极重要生态用地作为沈抚新城生态安全格局的生态源地, 选择土地覆盖类型作为影响因子, 建立阻力面, 基于MCR模型最终确定了构成研究区生态安全格局的各要素的空间分布情况。

本文以最小累积阻力差值与面积的关系曲线为依据, 以阻力阈值作为划分安全格局缓冲区的潜在边界, 确定了研究区高、中、低三种水平的生态安全格局缓冲区的范围[32]。

“源”间廊道是各生态源地之间的低累积阻力谷线区域, 是相互靠近的的生态源之间最容发生联系的低阻力生态通道[33]。本文首先以阻力面为基础数据, 通过水文分析的方法, 提取了研究区的生态廊道, 其次以中国地图出版社的专题地图和研究区影像数据为基础, 对地物的几何形状, 颜色特征、纹理特征和空间分布情况进行分析, 采用全数字化人机交互方法获取了研究区的河流生态廊道。

生态张略点对于生态流的控制以及区域内景观连通度的提高具有关键作用, 在MCR阻力面上, 它是以相邻“生态源地”为中心的等阻力谷线的切点。本文提取了各生态廊道之间以及各生态廊道与最大累积阻力谷线的交点作为生态战略点。

表5 生态源地扩张阻力因子与阻力赋值

3 结果与分析

3.1 单一生态过程评价结果分析

通过上述评价方法对研究区水源涵养、生物多样性保护、土壤侵蚀敏感性、地质灾害敏感性进行评价, 具体评价结果和空间分布情况见表6、图2。

在水源涵养功能重要性评价结果中(图2a): 一般重要区面积为420.07 km2, 占研究区土地面积的69.39%, 主要分布在棋盘山风景名胜区南部、高湾经济区南部、沈阳市东陵区、抚顺经济开发区、塔峪等区域, 重要区面积184.80 km2, 占研究区土地面积的30.53%, 主要分布在棋盘山风景名胜区北部、高湾经济区、方晓北部、抚顺县北部等区域,将此区域划定为水源涵养红线区(图2b), 这些区域对于新城水资源的安全具有重要意义, 应该加大保护力度, 禁止开发建设; 在生物多样性保护评价结果中(图2c): 一般重要区面积312.72 km2, 占研究区土地面积的51.66%, 主要分布在研究区中部棋盘山风景名胜区南部、沈阳市东陵区、抚顺经济开发区、塔峪等区域, 重要区面积125.83 km2, 占研究区土地面积20.79%, 主要分布在抚顺经济开发区、沈阳市东陵区以及浑河两侧等区域, 极重要区面积166.79 km2, 占研究区土地面积的27.55%, 主要分布在棋盘山风景名胜区北部、高湾经济区北部、方晓等区域, 将此区域划定为生物多样性保护红线区(图2d), 这些区域植被茂密、动物种类繁多, 应该严格保护; 在土壤侵蚀敏感性评价结果中(图2e): 一般敏感区面积512.89 km2, 占研究区土地面积的84.73%, 敏感区面积81.91km2, 占研究区土地面积的13.53%, 极敏感区面积9.60 km2, 占研究区土地面积的1.59%, 结果表明研究区大部分区域为土壤侵蚀一般敏感区, 土壤侵蚀敏感区主要分布在研究区内的主要水体区域, 应该加强该区域的保护力度, 由于评价结果在研究区内比较分散, 未划定土壤侵蚀红线区; 在地质灾害敏感性评价结果中(图2f): 一般敏感区面积221.23 km2, 占研究区土地面积的36.55%, 主要分布在高湾经济区南部、方晓中部、棋盘山风景名胜区南部、抚顺经济开发区、沈阳东陵等区域, 敏感区面积323.31 km2, 占研究区土地面积的53.41%, 主要位于棋盘山风景名胜区南部、高湾经济区南部、沈阳市东陵区、塔峪等区域, 极敏感区面积60.8 km2, 占研究区土地面积的10.04%, 主要分布在棋盘山风景名胜区北部、高湾经济区北部、方晓、抚顺县北部等区域, 将此区域划定为地质灾害红线区(图2g), 这些区域地势较高、坡度较大, 多易发生山体滑坡和坍塌等地质灾害, 不适宜开发建设, 应该采取生态治理措施加以保护。

3.2 综合生态用地识别结果分析

在综合生态用地评价结果中(图2h、表6): 一般重要生态用地面积321.38 km2, 占研究区土地面积的53.09%, 主要分布在棋盘山风景名胜区南部、高湾经济区南部、抚顺经济开发区、沈阳东陵区等区域, 重要生态用地面积91.46 km2, 占研究区土地面积的15.11%, 在研究区内比较分散,主要分布在研究区南部和北部, 极重要生态用地面积192.51 km2, 占研究区土地面积的31.80%, 主要分布在棋盘山风景名胜区北部、高湾经济区北部、方晓、抚顺县北部等区域, 将此区域划定为综合红线区(图2i), 这些区域是保障为新城提供正常生态服务功能的最小生态空间, 应该严格保护, 禁止任何工程开发建设活动。

3.3 生态安全格局构建结果分析

本文选择＞1 km2的极重要生态用地作为生态源, 面积为136 km2, 占研究区土地面积的22.47%, 主要分布在棋盘山风景名胜区、高湾经济区北部、方晓地区、浑河水域等区域, 利用MCR模型建立生态源地扩张(图3)的阻力面。通过结果可以发现, 在研究区的北部和南部形成了生态流扩张的低阻力谷线区。

本文依据最小累积阻力差值与面积的关系曲线, 最终划定沈抚新城高、中、低三种水平生态安全格局缓冲区(图4)。其中高水平安全格局缓冲区面积112.96 km2, 占研究区土地总面积的18.66%, 主要分布在研究区西南部; 中水平安全格局缓冲区面积94.43 km2, 占研究区土地面积的15.60%, 主要分布在浑河南侧以及东陵区东侧; 低水平安全格局缓冲区面积176.23 km2, 占研究区土地面积的29.11%, 主要分布在研究区的南部和北部生态源地周围。

表6 单一生态过程评价及综合生态用地识别结果(km2)

图2 单一生态过程评价及综合生态用地识别图

Figure 2 Single ecological process assessment and compre­he­nsive ecological land recognition

本文共识别了研究区内部的生态廊道60条(图4), 总长275.77 km。其中通过水文分析方法提取生态廊道41条, 总长114.47 km, 河流生态廊道19条, 总长161.30 km。共识别生态战略点49个(图4), 其中生态廊道之间的交叉点25个, 生态廊道与最大的阻力路径之间交叉点24个。生态战略点对于生态流的控制具有至关重要的意义, 应该加强对于该区域的保护和建设。通过源地识别-阻力面设置-生态安全格局构建等关键步骤之后最终完成了沈抚新城综合生态安全格局的创建, 确定了研究区内高、中、低三种水平的生态安全格局缓冲区的范围以及生态廊道、生态战略点的空间分布情况。

图3 生态源扩张阻力面

Figure 3 Resistance surface of ecological source

图4 综合生态安全格局体系

Figure 4 Comprehensive ecological security pattern system

4 讨论与结论

本研究基于对水源涵养、生物多样性保护、土壤侵蚀、地质灾害单一生态过程的评价分析, 得到沈抚新城生态用地综合识别结果, 并将评价结果划分为一般重要生态用地、重要生态用地、极重要生态用地。其中极重要生态用地是保护沈抚新城生态安全所划定的最小生态空间, 面积为192.51 km2, 占研究区土地面积的31.80%, 主要分布在棋盘山风景名胜区北部、高湾经济区北部、方晓、抚顺县北部等区域。

本文以面积＞1 km2的极重要生态用地为生态源, 基于MCR模型构建了沈抚新城综合安全格局体系, 确定了不同安全格局缓冲区的范围, 明确了生态廊道、生态战略点的空间分布情况, 并提出了相应的管控和保护对策。沈抚新城生态安全格局的构建对于研究区生态用地空间的保护具有重要作用, 对于同类尺度区域生态安全格局的构建具有现实指导意义。

随着城镇化速度的不断提高, 城镇快速扩张对保障区域生态功能可持续发展的生态用地的影响程度日益增强。区域生态安全格局构作为区域生态管理的重要依据, 不仅可以指导城镇建设进行合理的空间布局, 同时对于重点地区的生态恢复以及建设的管控都具有关键意义, 并能够作为城市总体规划以及各类专项规划进行科学合理布局的重要依据。

本文在生态用地识别方面, 仅选取水源涵养、生物多样性保护、土壤侵蚀、地质灾害四个重要生态过程, 出于对于研究区尺度的考虑, 没有将气候因子纳入识别体系, 生态用地的识别应考虑到各因子的全面性和综合性, 所以应该根据研究区的实际情况选择关键因子的生态过程。除此之外, 各单一生态过程影响因子的体系和各阻力因子的选择与赋值, 主要是在前人研究成果的基础上获得, 其合理性仍需在日后的研究中进一步探讨。

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Construction of regional ecological security pattern for Shenfu new town

shi Pengfei, LI Shuang, JIANG Husheng, MA Huiqiang*

College of Chemistry, Chemical Engineering and Environmental Engineering, Liaoning Shihua University, Fushun 113001, China

Taking Shenfu New Town as the research object, and utilizing the spatial analysis function of GIS, the ecological land based on water conservation, biodiversity conservation, soil erosion sensitivity and geological hazard sensitivity were analyzed. The results are overlapped and classified into general important ecological land, important ecological land and extremely important ecological land. Based on the MCR model, the comprehensive security pattern system of Shenfu New Town was constructed with the extremely important ecological land with an area larger than 1 km2as the ecological source and the current land type as the resistance factor. The results show that the buffer area of high level security pattern in the study area is 112.96 km2, accounting for 18.66% of the total land area of the study area; the buffer area of medium level security pattern is 94.43 km2, accounting for 15.60% of the land area of the study area; the buffer area of low level security pattern is 176.23 km2, accounting for 29.11% of the land area of the study area; including 60 ecological corridors with a total length of 275.77 km and 49 ecological strategic points. In this study, the ecological security situation of the study area was figured out, and quantitative guidance for the expansion of urban construction land and the protection of ecological land space was provided.

ecological land; ecological security pattern; MCR; Shenfu New Town

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.02.006

X321

A

1008-8873(2020)02-041-09

2018-10-10;

2019-01-01

国家自然科学基金项目(41372236); 辽宁省高等学校创新人才支持计划(LR2016059); 辽宁省自然科学基金指导计划(201602469); 辽宁省教育厅基本科研项目(L2017LQN001)

师鹏飞(1990—), 男, 内蒙通辽人, 硕士研究生, 主要从事生态评价与生态安全研究, E-mail: 1329370013@qq.com

马会强, 男, 博士, 教授,主要从事环境修复及规划咨询研究, E-mail:mahuiqiang0921@126.com

师鹏飞, 李爽, 姜虎生, 等. 沈抚新城生态安全格局的构建[J]. 生态科学, 2020, 39(2): 41-49.

SHI Pengfei, LI Shuang, JIANG Husheng, et al. Construction of regional ecological security pattern for Shenfu new town[J]. Ecological Science, 2020, 39(2): 41-49.