基于连通度指数的生态安全格局构建<br/>——以三峡库区重庆段为例

基于连通度指数的生态安全格局构建
——以三峡库区重庆段为例

2020-09-16杨彦昆李维杰王家录

生态学报 2020年15期

杨彦昆,王勇,2,*,程先,李维杰,高敏,王家录,傅俐,张瑞

1 西南大学地理科学学院,重庆 400715 2 三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆 400715 3 西南大学资源环境学院,重庆 400715 4 安顺学院,安顺 561000

随着经济的发展、城市化的快速推进,人类对自然资源的消耗加剧,导致诸如水土流失、洪涝灾害、空气质量恶化等一系列生态环境问题[1-2]。如何协调经济发展与生态环境之间的矛盾,已成为当今社会发展所面临的重大课题[3-4]。生态安全是人类生产生活所需的物质资料得到充分保障,生态环境不受威胁的状态[5]。生态安全格局遵循景观生态学中格局与过程相互反馈的原理,识别生态系统中保障人类生境和生存安全的关键区域、节点和廊道,并落实于具体的空间位置,被认为是保障区域生态安全、实现精明增长的重要途径[6]。

国外对生态安全格局的关注较早,Warntz和Woldenberg[7]于20世纪60年代提出基于阻力面构建生态安全格局。Rouget等[8]基于GIS技术对区域生物多样性保护的重要区进行识别。Vimal等[9]从区域景观多样性、生态完整性和稀有动物保护角度探讨了区域生态安全格局的构建。国内研究始于Yu等[10]以生物多样性保护为目标的景观生态安全格局构建。随着研究的深入和技术的进步,“源-汇”理论、生态红线、生态系统服务簇等理念的引入,使得研究理论越来越丰富[11]；研究内容也由单一目标的生态安全格局建立向多目标的生态格局优化发展[12]。源地的识别和廊道的提取是生态安全格局构建的关键[13]。源地是综合区域生物多样性保护、水资源安全、地质灾害防护和景观格局完整性等生态功能于一体的基础生态用地。源地的识别可通过直接选取生态保护用地[14],多年遥感监测指数[15]和综合评价等方法识别[16],其中综合评价识别的方法得到较为广泛的应用[3,6,11]。廊道是生态系统之间生态流和能量流迁移、交流的潜在通道,廊道的识别依赖于生态阻力面的构建。阻力面的构建主要通过对不同景观类型的赋值得到,为考虑人类活动、气候等因素对阻力值的影响,部分学者通过夜间灯光指数、湿润指数和地形因子等对阻力值进行修正[15,17-18]。

区域生态安全格局强调对生物多样性的保护和修复,对生态系统结构和功能的维持[19],这对生态安全格局的可实践性有较高要求。当前研究大多以空间数据为基础,对指标进行赋值,通过模型计算得到研究区的生态安全格局,其结果难以验证,导致可实践性不强。其次,阻力面的设定和修正仍未形成有效的方案；前人研究虽考虑到人为赋值的主观性,但对生态阻力值在同种景观的内部差异、各指数修正后的效果考虑不足,不同指数修正的精度也未作对比研究,故很难界定当前已有修正指数的优劣。本文以三峡库区重庆段为例,通过生态系统服务重要性和生态敏感性评价识别生态源地,构建连通度指数修正阻力面,运用最小累积阻力模型明晰关键生态节点,提取生态廊道,进而构建生态安全格局；同时,利用高精度土地利用数据对廊道提取结果进行精度验证和缺失廊道识别,并划定具体的优化廊道路径,提出优化方案,进一步提升生态安全格局的可实践性。

1 研究区概况及数据来源

三峡库区重庆段位于中国西南部(28°31′—31°44′N,105°49′—110°12′E),由重庆22个区县组成(图1),辖区面积46163.67 km2,占库区总面积的85%。研究区横跨川东平行岭谷、大巴山褶皱带和川鄂湘黔隆起地带,地势险要,地形起伏大。该区气候温暖湿润,降雨充足,年均温15℃以上,植被以暖性针叶林和亚热带常绿阔叶林为主,物种丰富[20]。此外,研究区地处长江流域咽喉地带,是重要的水源保护地和生态走廊,是我国17个具有全球保护意义的生物多样性关键带之一。

图1 研究区地理位置

研究所用数据主要包括土地利用数据、基本农田数据、岩溶分布数据、气象数据、夜间灯光数据、植被覆盖数据、土壤类型数据、植被净初级生产力数据以及部分统计数据等,相关数据来源及分辨率见表1。

表1 数据概况

所有数据均在ArcGIS 10.2软件的支持下进行地理校正和投影转换,将坐标统一为WGS-1984-UTM-zone-48；同时,为保证连通度指数的计算精度及其后期修正效果,特将数据分辨率向精度较高的土地利用数据靠齐,均重采样为30 m×30 m像元大小。

2 研究方法

本文从生态源地综合识别出发,综合陆地、水体、大气三方面的因素,基于生态系统服务重要性评价和生态敏感性评价识别源地,通过连通度指数修正阻力值,运用MCR模型建立生态阻力面,进而识别关键节点、提取生态廊道构建生态安全格局。

2.1 生态系统服务重要性评价

生态系统服务重要性评价从为人服务的角度出发,针对区域特点,判定不同生态功能对人类生存发展的价值高低,并筛选出具有较高价值的生境斑块。三峡库区是我国生物多样保护的关键地带,也是我国最大的淡水资源战略储备库和水土保持的重要区域,在西南地区乃至全国的生态地位都十分重要。结合当前人们对大气安全的关注,选取生物资源保护、水资源安全、土壤保持、固碳释氧和空气质量安全为研究区生态系统服务重要性评价指标。

(1)生物资源保护

生物资源保护评价是识别对基因、物种的生存和发展具有重要价值的斑块,通常从生物栖息地质量和生态服务价值进行评价。三峡库区共有3000余种特有植物,其中60余种属于国家重点保护对象,对库区的生物资源保护是库区生态安全的重要课题。本文采用谢高地等[21]提出的生态服务价值当量计算生物多样性服务价值,并对计算结果采用气温、降水和海拔进行修正,以此表征生境质量的影响,具体计算公式如下[22]：

Sbio=Vi×Fpre×Ftem×Falt

(1)

式中,Sbio为生物资源保护能力；Vi是生态服务价值当量采用谢高地提出的生态服务价值当量表；Fpre为研究区多年(1980—2015年)平均降水插值的归一化数据；Ftem为温度参数,由多年(1980—2015年)平均温度插值并归一化处理得到；Falt为海拔参数,由高程数据归一化处理得到。

(2)土壤保持

土壤保持是指生态系统削减或抑制水土流失的能力,是基础的生态调节功能[23]。本文参考国家环保部《生态保护红线划定技术指南》中的方法,采用土壤保持服务能力指数计算公式作为评价方法,具体表达式如下[22]：

Spro=NPP×(1-k)×(1-Fslo)

(2)

式中,Spro是土壤保持服务能力服务指数；NPP为植被净初级生产力；k为土壤可蚀性因子,根据宋春风等[24]的研究对不同的土壤类型赋值得到；Fslo为坡度因子,采用最大值法归一化后得到。

(3)水资源安全

区域水资源安全主要包括区域水源涵养能力和区域洪水控制两个方面。水源涵养关注的是对降水截留、积蓄和对土壤水资源的蒸散发的调节能力,洪水控制主要关注生态系统对洪水的调蓄能力和洪水淹没范围。水源涵养能力通过降水贮存量法[25]计算得到,同时叠加用水体分布格局表征不同水体大小的重要性差异；洪水安全的评价从洪水淹没区和洪水调蓄区两方面考虑,前者根据10年、20年和50年一遇的洪水淹没范围赋值,后者由距河湖的距离划分得到(表2),最后各因子评价结果等权叠加得到区域水资源安全指数。

表2 水资源安全评价指标及方法

(4)固碳释氧

固碳释氧是指植被在进行光合作用产生有机物的同时,释放O2和吸收CO2,能起到维持碳氧平衡,调节区域气候的作用[26]。固碳释氧物质量的计算以植被净初级生产力(NPP)为基础,通过光合作用方程计算得到,具体计算方法如下[27]：

FN=NPP/45%×(1.2+1.63)

(3)

式中,FN为固碳释氧物质量；45%是指植被固碳释氧的过程中所产生的干物质中碳的占比为45%；1.2和1.63是常数,即每形成1 g干物质能固定1.63 g CO2,释放1.2 g O2。

(5)空气质量安全

空气质量是大气中多种成分含量的综合反映,随着城市化、工业化的发展,空气质量安全状况越发严峻。有研究表明植物能够起到很好的降尘除霾的作用,且不同的物种能力有差别[28]；人口密集、人类活动频繁、建筑密度大的区域空气质量差,风速、温度对空气质量有明显的正向影响作用[29]。基于以上研究,本文构建了研究区空气质量安全评价指标体系,根据各指标的正负性采用自然断点法分级赋值,并按权重叠加得到研究区空气质量状况等级分布,具体方法如表3。

表3 空气质量安全评价指标和方法

2.2 生态敏感性评价

生态敏感性是指生态系统遭受外界干扰或环境变化时,发生地质灾害等环境问题的难易程度[30-31]。三峡库区岩溶分布较广,地形起伏大,地势陡峭,降雨丰沛是滑坡、崩塌、泥石流的多发地带,也是我国水土流失最严重的地区之一。因此选取地质灾害、水土流失和石漠化三个因子作为研究区生态敏感性评价指标。

(1)地质灾害敏感性

研究区主要地质灾害为滑坡和泥石流,属于岩土体位移灾害,主要受高程、坡度、地形起伏度、植被覆盖情况和人类活动的影响。本文根据研究区地质灾害的致灾因子建立地质灾害评价指标体系,由各因子对地质灾害的影响程度分级赋值(表4),最后按权重叠加得到研究区地质灾害敏感性分布图[32]。

表4 地质灾害评价指标及敏感性

(2)水土流失敏感性

水土流失敏感性主要关注在自然条件和人类活动的影响下发生土壤侵蚀的可能性,通常采用通用土壤流失方程计算得到[33],具体公式如下：

A=R×K×LS×C×P

(4)

式中,A为年土壤侵蚀量；R为降雨侵蚀力,由重庆地区年降雨侵蚀公式计算得到[34]；K为土壤可蚀性因子；LS为地形因子；C为植被覆盖和管理因子；P为水土保持措施因子。各因子采用自然断点法重分类为5级,并依次赋值1到5,最后叠加分析得到研究区水土流失敏感性分区图。

(3)石漠化敏感性

石漠化是指岩溶地区岩石裸露,植被退化,土壤流失失去农业利用价值的一种状态。本文选取研究区植被覆盖度、坡度分布、降水、高程、人口密度和土地利用6种指标建立研究区石漠化敏感性评价指标体系。各指标采用自然断点法分级赋值,根据王正雄等[35]的研究成果,对土地利用和坡度指标赋0.2的权重,其余各指标分别赋0.15。

2.3 生态阻力面的建立

生态阻力是生态源地之间的物质交换、能量传输或者生物迁徙等生态过程所受到的阻碍,阻力值的大小主要受自然条件和人类活动的影响。随着城市化的推进,景观破碎化现象加剧,不同景观斑块之间的连通性降低、差异化越发明显[36]。因此,仅考虑人类活动对阻力值的影响忽略了不同景观之间和景观内部不同斑块之间的连通度差异。本研究在土地类型赋值的基础上,选取景观指数中的邻近度指数、连接度指数构建斑块连通度指数[36],并以此对阻力系数进行修正。参考彭建等[37]的研究,对林地、草地、园地、水体、耕地、建设用地依次赋1、10、30、50、100和250的基本阻力值,构建基本阻力面,并运用连通度指数进行修正,具体公式如下：

Ri=R×Ci

(5)

式中,Ri为修正后的阻力系数；R为基本阻力系数值；Ci为标准化处理后的斑块连通度,具体计算方法如式下：

C=Cpro×Ccon

(6)

(7)

式中,C为斑块连通度指数；Cmin为斑块连通度的最小值,Cmax为斑块连通度的最大值；Cpro为斑块邻近度指数,Ccon为连接性指数,计算方法如式(8)和式(9),并对计算结果采用极差标准化法消除数量级和正负作用的影响,Cpro和Ccon均由Fragstats 4.2软件计算得到。

(8)

(9)

2.4 生态安全格局的构建

生态安全格局的构建包括建立核心区(源地),建立缓冲区对核心区加以保护,以及建立连接各核心区的廊道[38]。因此,本文尝试从生态源地、生态缓冲区、生态廊道和战略点四个方面构建研究区的生态安全格局。

(1)生态源地。生态源地的选取是在综合生态用地评价的基础上,提取具有重要生态价值且达到一定面积的生态用地作为生态源地。考虑到研究区的尺度较大,将综合生态用地识别结果中面积大于10 km2的斑块作为研究区的生态源地。

(2)生态缓冲区。缓冲区的建立是根据生态阻力值与其面积的关系曲线,提取不同阻力阈值作为划分界限进而得到不同等级的缓冲区。

(3)生态廊道。廊道的提取是利用最小累积阻力模型(Minimum Cumulative Resistance,MCR)量化生态源地到目标景观单元之间所克服的阻力总和,进而识别累积阻力最小的通道作为物种迁移和能量流动的可能通道。具体操作时采用ArcGIS的水文分析工具来提取生物扩散的潜在通道。

(4)战略点。战略点的目的在于完善廊道系统,提高生态系统的完整性。本文所采用的为鞍部战略点,一般为相邻源地之间的等阻力值点,能起到“源”间跳板的作用,对物质和能量的流动具有重大意义[39]。

3 结果分析

3.1 生态用地识别和源地提取

将各因子的评价结果划分为极重要、重要、中等重要、一般重要和不重要五类(图2),可以发现：生物资源保护极重要区集中分布在巫山、奉节的南部,这一区域地势险要、山系交叉、人类活动干扰较少,有利于生物资源的保护和生物多样性的发展。土壤保持极重要区主要坐落于中西部地区,这些区域森林覆盖度高,地势相对平坦,具有重要的水土保持和水源涵养功能。水资源安全的极重要区呈现出明显的沿江沿湖的分布特征,这些区域地势低洼,是境内河流汇集地和水源保护地,也是洪灾多发区,对于区域水源安全、洪水防护具有重要意义。

图2 生态重要性因子空间分异

固碳释氧方面,极重要区主要分布于东北部万州、云阳、奉节、巫山境内的河谷两岸和山脊两侧,区域内森林覆盖率高,湿地、湖泊遍布,生态良好,光照充足是库区重要的碳汇和氧源。空气质量安全的极重要区的分布与固碳释氧高值区相对,主要分布于库区东北部的山脊区成条带状,这些地区海拔相对较高、温度较低、人类干扰少,是境内空气质量最好的区域,对提升人类的生境质量极其重要。

如图3所示,地质灾害高值区位于秦巴山区和武陵山区境内,区域内地形起伏大,地质构造复杂加之降水丰沛,易发生滑坡、崩塌和泥石流,对这些区域加强生态管控有利于减少地质灾害的发生。水土流失极敏感区一部分呈条带状沿山脊分布,另一部分坐落于北部的长江沿岸；其分布特征与土壤保持分布正好相反,所处区域地势陡峭,植被较少,土壤易受侵蚀。石漠化的极敏感区主要分布于奉节县的南部,巫山、巫溪县全境和开县的北部地区,这些区域岩溶分布广泛、土层较薄、土壤易受侵蚀是石漠化的易发生地带。

图3 生态敏感性因子空间分异

将生态系统服务重要性和生态敏感性的识别结果等权叠加,并提取重要和极重要区作为研究区的综合生态用地识别结果(图4)。由统计可知,研究区生态用地总面积为28175.82 km2,占研究区总面积的61.03%,其中各主要景观类型的面积占比分别为林地60.74%、耕地23.20%、草地5.72%、建设用地5.35%。可见,人类活动已经对研究区的生态用地造成一定干扰,在今后的生态安全建设中应当重点关注。

提取面积大于10 km2的生态用地作为源地,得到生态源地面积19227.04 km2,占研究区总面积的41.65%(图4)。从空间分布上看,生态源地主要集中于北部的巫山、巫溪、奉节、开州、云阳、万州和中部的石柱、丰都、武隆；从地形上看,85.76%的源地海拔在500 m以上,主要包括境内几大山脉(巫山、大娄山、武陵山、缙云山、铜锣山和明月山),这些区域森林覆盖率高、自然资源丰富,是重要的生态服务输出地,在今后的规划中应列为禁止建设区域进行重点保护。

图4 生态用地综合识别结果和生态源地

3.2 阻力面及生态廊道

基于连通度指数修正的最小累积阻力面如图5所示。可以看出最小累积阻力值的分布呈现出明显的空间分异特征,阻力值由西南部重庆主城核心区向东北部递减。相较于夜间灯光指数修正的阻力值(图5),景观连通度指数修正的阻力值高低分异更加明显,高阻力值的分布也更加广泛。这种分异在研究区西部更为明显,特别是长寿、江津等地,这些区域地势较为平坦、土地肥沃、人口密集、人类活动对生态系统的干扰也更加突出,导致景观破碎、斑块之间的连通性较差,故生态扩散阻力值较高。

通过计算林地、建设用地的斑块密度和景观分离度可以发现,江津和长寿的林地斑块密度和景观分离度水平明显高于研究区整体水平；在建设用地斑块密度方面江津最高,长寿略低于库区平均水平；这说明江津和长寿地区林地破碎化严重、连通性差,故生态阻力高于其他地区(表5)。

表5 各地区景观破碎度指数

生态廊道是源地之间物质和能量传输的通道。河流两侧能量和物质交换频繁,阻力较小能够很好的起到源间廊道的作用。大型河流即是重要的生态源地,又是关键生态廊道,故将境内一二级河流和部分能够连通源地的支系河流作为天然廊道加以保护,共计识别天然廊道9条,总长880.91 km。将基于最小累积阻力面提取的生态廊道定义为阻力廊道。研究区共识别重要阻力廊道36条,总长729.57 km。如图5所示,西部的阻力廊道受地形和人类活动的影响较为狭长,沿山脉分布,大致呈南北走向；中部和东北部的阻力廊道相对密集散乱,主体呈东西走向。

为进一步对比分析连通度指数和夜间灯光指数修正阻力面的差异,本文基于夜间灯光指数修正的阻力面采用相同的方法提取33条阻力廊道,共计579.72 km,并将二者所提取的阻力廊道与居民点等建设用地进行冲突分析(图5)。据统计,基于连通度指数修正的阻力面所提取的阻力廊道与居民点的冲突区域为46处,与交通道路的冲突区域为4处；基于夜间灯光指数修正的阻力面所提取的阻力廊道与居民点的冲突区域为219处,与交通道路的冲突区域为6处,后者居民点冲突区域为前者的4.76倍。可见,无论从阻力廊道与建设用地冲突总数还是冲突密度,基于连通度指数修正的阻力面效果都要明显优于夜间灯光指数修正的阻力面。

图5 基于连通度指数和夜间灯光指数修正的阻力面及廊道

3.3 战略点和缓冲区分析

研究区共识别战略点30个,主要是阻力值较高的农村居民点和耕地(图5)。西部的阻力廊道受地形和人类活动的影响较为狭长,沿山脉分布,大致呈南北走向；中部和东北部的阻力廊道相对密集散乱,主体呈东西走向。采用自然断点发提取阻力阈值,将生态源地以外的阻力值划分为4个等级,提取最小阻力区作为生态源地的缓冲区,得到缓冲区的面积为10539.97 km2,占研究区总面积的22.83%(图6)。这些区域是生态源地的屏障区,对于保护生态源地的连通性和完整性具有不可替代的作用,在城市的土地利用规划中应纳入限制建设区的范围,减少人类活动的干扰。

图6 生态缓冲区和优化格局

3.4 优化廊道构建

生态安全格局强调战略节点、生态廊道、生态源地的空间位置及其他们的相互联系[40]。其中,战略点和重要廊道的疏通是保证生态系统完整性重要途径。根据生态廊道的分布和土地利用开发强度的相对强弱,将研究区分为东、中、西3个生态组团,可以看出3个组团均在不同程度的廊道缺失。其中,东部和中部组团主要是长江南北两侧的源地缺少沟通的渠道；西部组团连通性最差,南北和东西方向的源地之间廊道均有缺失。此外,研究区30个战略点中有1个位于道路附近、7个位于农村居民点附近还有11坐落于耕地区。可见,对研究区进行廊道疏通和战略点修复的迫切性。

从断开的连接的生态源地出发,寻求次小耗费路径得到4条优化廊道和重点修复的战略节点(图6)。1号优化廊道由綦江四面山源地出发,穿过北部的凤凰山经长江与缙云山源地连接；2号优化廊道从巴南区的尖峰顶山脉出发穿长江与明月山源地连接；3号优化廊道从涪陵境内的五宝山出发经佛唐山与忠县源地连通；4号优化廊道由方斗山出发过长江与北部源地相连。相对而言,2号优化廊道的修复难度最大,需打通与廊道相交的绕城高速、渝怀铁路、沪渝高速等高阻力区；4号优化廊道路径最短,阻力最小,仅受部分居民点的影响；1号优化廊道则需克服北部成渝环线带来的阻力；3号环线主要打通忠县境内的沪渝高速以实现南北源地互通。综合考虑研究区的生态网络现状和修复廊道所面临的阻力,本文建议优先修复1、3、4号优化廊道,以实现南北和东西方向重要生态源地的互通。对于位于道路、居民点和耕地附近的战略点可通过架设桥梁、铺设道路绿带、生态移民、退耕还林等方式扩大战略点的生态景观面积,降低生态阻力。

4 讨论

阻力面的科学构建和修正一直是生态安全格局构建的难点,长期以来学者们对阻力面的修正和生态廊道的落地做了大量研究和尝试[11-12,18,41],但一直未形成有效的解决方案。本文选取景观邻近度和连接度指数来构建生态阻力面的修正指数,从斑块尺度上强调了生态阻力面的内部差异和联系更符合阻力面构建的本质和要求。除此之外,本文还通过对新构建的修正指数进行自我评价和与常用指数对比评价两个方面验证了新指数具有较强可行性和修正效果。在景观规划中,连接度十分重要[12],本文在阻力面的构建中考虑景观连接度能使研究结果更符合实际,有利于景观管理和生态流评价。

与此同时,本文还通过对研究区现有格局进行评价,识别研究区生态连通性薄弱的区域并提出4条优化廊道对研究区生态网络进行修复,进一步增加了研究结果落地的可行性,对研究区生态安全格局的优化有一定参考价值。需要指出的是在区域尺度上,本研究通过构建连通度指数对阻力面进行修正,能够体现出景观破碎化和人类活动对阻力值的影响,但在小尺度地区或干旱地区其可行性还有待验证。其次,生态廊道的宽度的设定、源地面积的下限取值对生态功能的发挥有着直接的影响[18-19],如何从模型和实验的角度探讨不同尺度廊道和源地的阈值划定将是下一步研究的重点。