“两区”建设背景下坝上生态安全格局构建与优化研究

王彦芳,代庭继,刘孟竹,裴宏伟,郭晓楠

(1.河北地质大学 土地科学与空间规划学院 自然资源与环境遥感研究中心,石家庄 050031;2.河北建筑工程学院 市政与环境工程系,河北 张家口 075000)

随着我国社会经济建设不断发展,城镇化进程不断加快,土地利用类型结构发生了很大变化,区域的生态系统生物多样性逐渐降低,各种生态安全问题不断凸显,区域生态环境状况和自然资源逐渐成为国家健康可持续发展的重要约束。生态安全格局是指在景观中现有的以及潜在的某种重要的生态系统空间,是由生态源地、生态节点、生态廊道、生态安全分区等构成的生态网络景观,或由一系列生态要素所构成的自然生态系统[1-2]。通过建立有效合理的国土生态安全格局,可以有效应对城市化发展带来的生态安全问题[3]。

国内外学者对生态安全格局进行了深入研究,如,Fu等[4]提出了ESP的长期策略以及两轴、四核、六带、八带”的生态框架,为生态安全格局构建提供了新的思路,对区域规划发展和生态保护提供了重要的参考；汤峰等[5]通过生态保护红线划定和生态网络构建相结合的方法,对河北省青龙县生态安全格局进行构建,两种方法相结合有效地解决了格局构建中保护要素缺失、不连通的问题；黄木易等[6]运用空间数据探索分析方法、最小累积阻力模型和重力模型对生态安全进行诊断和生态廊道的识别,对大别山核心区生态安全格局进行了优化。

坝上地区地处河北最北部,是京津冀重要的生态安全屏障之一。2017年1月,国家主席习近平在河北张家口调研,作出“走生态兴市的路子带动张家口地区经济社会发展”的讲话,明确提出“建成首都水源涵养功能区和生态环境支撑区”(简称“两区”建设)的生态定位。2019年8月,国家发展改革委员会联合河北省政府发布《张家口首都水源涵养功能区和生态环境支撑区建设规划(2019—2035年)》[7],意味着首都“两区”建设的正式实施。坝上地区是京津冀重要生态屏障,位于生态环境十分脆弱的农牧交错带,其生态安全成为“两区”建设的关键和难点。作为河北发展的“一翼”,坝上地区生态安全格局的构建和优化,是“两区”建设的需要,同时对构筑京津冀的生态安全和实现坝上自身的协调可持续发展都具有重要意义。

1 研究区概况

本文以河北省建设京津冀生态环境支撑区的五大生态区之一的坝上高原生态防护区为研究区(图1)。坝上高原生态防护区地处河北省北部地带,地跨张家口坝上四县全部范围和承德丰宁县和围场县部分地区,处于首都“两区”建设的关键区域,是京津冀地区的重要生态屏障。研究区地处内蒙古高原南缘,位于北纬41°～43°,东经114°～116°之间(图1),坝上地区气候比较恶劣,年平均降水量不足400mm,生态环境脆弱。截至2018年,坝上地区总人口约为112万人,地区GDP总和为525.318亿元。坝上地区的人口流失相对严重,迁出人口达到迁入人口的1.95倍,城镇化发展不平衡,张北县城镇化率可达50.53%,但坝上地区平均城镇化率仅为28.82%。

图1 坝上高原生态防护区位置与地形

2 数据与方法

2.1 数据及来源

2018年土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn),该数据基于Landsat遥感影像,通过人工目视解译获得,数据空间分辨率为30m。土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6个一级类型以及25个二级类型。2018年坝上地区道路、河流的矢量数据来自于全国地理信息资源目录系统(https://www.webmap.cn)；社会经济统计数据来自于《2019河北经济年鉴》、《2019张家口经济年鉴》和《2019承德统计年鉴》等。

2.2 生境质量评估

2.2.1基于 InVEST模型的生境质量评估

生境质量指数的值代表生境被破坏的程度以及斑块应对人类活动干扰的抵抗能力,生境质量指数的高低反映出生境质量的好坏[8]。本研究采用生态系统服务评估与权衡模型InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)的生境质量模块计算生境质量指数。结合InVEST模型的必需数据,本次研究选取土地利用类型、威胁因子可达性、生境类型对威胁因子敏感性、威胁因子数据4个指标计算坝上地区的生境质量指数。

不同的生境类型感知的威胁大小不同,对不同的威胁因子做出的反应程度也不相同,威胁因子离生境类型的距离越远、那么生境受到的威胁就会很小,反之,则生境类型所受到的威胁就会很大。根据作用随距离的衰减速率可以采用线性和指数型影响模型表达[9]:

(1)

(2)

式中:irxy表示威胁r在栅格x的生境对栅格y的影响,dxy是栅格x和y之间的线性距离；dr max是威胁r的最大作用距离。

根据土地利用类型,结合InVEST模型的运行要求,本研究选取居民点(包含城镇用地和农村居民点用地)、除居民点外的其他建设用地以及旱地、裸地作为威胁因子,水域、林地等其他地类作为生境类型,将有林地、疏林地等其他土地利用类型作为生境类型。综合相关研究[9-14]及InVEST模型3.50版本使用手册和专家的建议,确定模型运行所需的参数如表1、表2所示。

表1 威胁因子最大影响距离和权重

表2 生境类型对威胁因子敏感性

2.2.2基于生境质量的生态源地识别

生态源地是生态安全格局构建的重要组成部分,是能够为周围景观提供较高生态保障服务的区域,具有较高的生态安全价值[15]。生态源地的斑块越密集,空间分布越广,那么其带来的生态价值就越高,能够起到很好的生态规模效应作用[16]。通过InVEST模型得到2018年的生境质量指数,其值范围在0～1之间,值越高表明生境质量越好,根据生境质量指数大小,对坝上地区生境质量进行等级划分。选取高等级生境质量区域,对面积小于10km2的区域进行剔除,提取生态源地。

2.3 基于最小累积阻力模型(MCR)的阻力面构建

2.3.1阻力因子评价体系

根据河北坝上地区的实际情况和考虑各类阻力因子数据的可获得及处理性,通过土地利用类型、植被覆盖度、生境质量指数、距河流距离、距道路距离阻力因子,来构建评价指标体系。参考郝月等[9]、慕正隆[10]、刘媛[17]、王君一[18]的方法,将阻力值分为5个等级。选取层次分析法来计算阻力因子的权重,结合专家打分,填写判断矩阵,构建主观评价矩阵,采用方根法计算得到各阻力因子的权重,并对权重结果进行一致性检验,分析构造的主观评价矩阵是否符合逻辑要求。利用公式CR=CI/RI来判断一致性是否合理,其中CR是一致性比率,CI是不一致程度指标,RI表示一致性指标,为固定的值,本次构建的为5阶矩阵,参照RI值表,其RI为1.12；经过计算CR值为0.03<0.1,所以一致性检验通过,各阻力因子阻力值及权重如表3所示。

表3 阻力因子分级大小及权重

2.3.2最小累积阻力表面构建

通过MCR模型构建最小累积阻力表面,MCR模型用来计算任意两个源地之间进行物质、能量、信息交流所需的最小耗费成本。其计算公式[19]为:

(3)

式中:Rmc为最小累积阻力值,f是指任意一点的最小阻力到其他所有源之间的距离的相关函数,Dij为从源j到空间景观基面i的空间距离,Ri为景观i对运动物种的阻力大小。在坝上地区生态源地的基础上,结合坝上地区的生态阻力表面,进行成本距离分析,根据MCR模型计算最小累积阻力表面,将生态源地作为输入的要素源,以基于生态扩张的生态阻力表面为输出成本,设置输出栅格路径,并输出回溯链接栅格数据,以便之后进行生态廊道提取。最小累积阻力值越大,说明生态向外扩张的阻力越大,越不利于生态的扩张,也不利于物种的迁移。

2.4 生态安全格局构建

通过寻找阻力突变点来划分不同等级的生态安全区,阻力突变点是生态中的物质和能量流动跨越某一临界点时,阻力值发生明显变化的点。根据最小累积阻力表面分析的结果,结合阻力值的大小及栅格面积的变化情况,对坝上地区的生态安全区进行分等定级。生态廊道是连接生态源地斑块之间的条状或者带状的要素[21],是源地斑块间物质、能量交流的重要途径,对生态系统的多样性、物种的交流等具有十分重要的影响；生态节点是斑块之间用来联系的关键节点,具有重要的生态价值,对构建的生态安全格局的稳定、连通性具有重要作用。结合生态源地和生态最小累积阻力表面,基于MCR模型,计算最小成本路径,对生态源地任意两个图斑块之间的生态廊道进行提取,并将提取的生态廊道的交点和节点作为本次研究的生态节点。

3 结果与分析

3.1 坝上地区生境质量分析

3.1.1土地利用现状分析

如图2所示,林地和草地主要集中在围场满族蒙古族自治县、丰宁满族自治县,但二者在整个坝上地区,空间分布很不均衡。林地、草地的面积分别占坝上总面积的18.62%,23.11%,在围场满族蒙古族自治县空间分布较广,在康保县和张北县分布则较为稀疏,耕地在空间上主要集中分布在康保县、张北县和沽源县,耕地以外的其他土地利用类型在该区内分布较少。有林地和灌木林地是林地的主要组成部分,对生态安全保护有较高价值。坝上地区未利用地和建设用地占比较小,仅为7.74%。

图2 2018年河北坝上地区土地利用

3.1.2生境质量结果分析

根据InVEST模型计算得到坝上地区2018年的生境质量指数,结合当地实际情况进行生境质量分等定级。其分级结果为:0.80～1.00为高等生境质量；0.60～0.80为中高等生境质量；0.40～0.60为中等生境质量；0.20～0.40为低等生境质量；0.00～0.20为较低等生境质量。由图3可知,高等生境质量主要分布在林地、草地土地利用类型,低等生境质量分布区域多为耕地；高等生境质量在围场满族蒙古族自治县、尚义县分布比较集中。

图3 2018年河北坝上地区生境质量等级分布图

根据表4可知,2018年中等级以上生境类型面积占总面积的46.00%,低等及以下等级的生境质量区面积占54%,即坝上地区54%以上的区域的生境质量等级较低,从分布特征来看,中等、中高等、高等生境质量区主要分布在土地利用类型为林地、草地的区域,而在耕地较为集中的张北县、沽源县、康保县,则主要以低等生境质量区为主。生境质量等级较低,说明坝上地区的生态系统多样性、生物多样性较低,生物丰富度不高,这也可以从坝上地区的土地利用类型中看出,其土地利用类型较为简单,而且空间分布不平衡。

表4 2018年河北坝上地区生境质量面积及所占百分比

3.2 坝上地区生态安全格局构建

3.2.1坝上地区生态源地的提取

对2018年坝上地区高等级生境质量区域进行提取,最终将斑块面积大于等于10km2的区域确定为最终的生态源地,此次提取的生态源地一共有30个斑块。生态源地如图4所示。生态源地的分布以坝上地区的丰宁满族自治县、围场满族蒙古族自治县以及尚义县为主,且主要集中在林地、草地以及水域等对生态安全建设作用较大的土地利用类型。张北县、康保县多以旱地类型的耕地为主,一般而言,耕地属于半人工生态系统,因此在生境质量评估中属于威胁因子,导致其生境质量等级较低。根据表5可知,生态源地总面积为3 313.44km2,生态源地主要分布在围场满族蒙古族自治县、尚义县、丰宁满族自治县,三县生态源地总面积占整个研究区的为82.25%,康保县生态源地分布最少,仅为116.69km2。

图4 生态源地的分布

表5 河北坝上地区各县生态源地面积及所占百分比

3.2.2最小累积阻力表面的构建

如图5可以看出,最小累计阻力面的最小阻力值为0,最大阻力值为119 791,低阻力值均在生态源地的附近,距离生态源地越远,其阻力值越大。阻力值较高的集中在康保县、张北县、沽源县3个县区。

图5 河北坝上地区最小累计阻力值分布图

3.3 生态安全分区

根据最小累积阻力表面分析的结果,结合阻力的大小及栅格面积的变化情况,将坝上地区的生态安全区分为高等质量生态安全区、中等质量生态安全区、低等质量生态安全区。坝上地区的高等质量生态安全区占总面积的25.92%,尚义县、丰宁满族自治县、满族蒙古族自治县的中高等级生境质量区面积的和占总面积的7.35%,而低等质量的生态安全区则集中在了张北县、康保县、沽源县,占比达43.48%,其余三县仅占13.97%。高等质量生态安全区在尚义县的乌拉哈达杜松林、大青山森林公园、尚义森林公园、麒麟山生态园,围场满族蒙古族自治县的塞罕坝国家森林公园、御道口草原森林公园区域,丰宁满族自治县的千松坝国家森林公园区域分布最为集中,这些区域的林地和草地面积所占比例较大,生境质量也相对较高。坝上地区生态安全分区结果如图6所示,面积及百分比如表6所示。

表6 河北坝上地区各县生态安全等级面积及所占百分比

3.4 生态廊道和生态节点确定

结合生态源地和生态最小累积阻力表面,通过成本距离和成本路径分析,对生态源地的30个图斑块进行生态廊道的提取,提取到生态廊道一共30条。并将生态廊道的交点作为此次研究的生态节点,一共生成53个生态节点。如图7、表7所示。在高等质量生态安全区分布较集中的三县,生态廊道总长度为350.59km,占生态廊道总长度的54.71%；沽源县生态源地较为分散稀疏,因为其生态廊道较多,生态节点数为19个,生态节点分布最多。生态廊道和生态节点分布比较离散,在康保县、张北县一带由于生态源地分布较少,所以生态廊道比较少,生态节点也比较的分散；由于沽源县、丰宁满族自治县的生态源地斑块数量较集中,所以生态廊道和生态节点的密度比较大,需要用来为生态源地之间提供物质转换、信息交流的通道较多。

图7 河北坝上地区生态廊道和生态节点分布图

表7 河北坝上地区各县生态廊道长度和生态节点数

3.5 综合生态安全格局

将生态源地、生态廊道、生态安全分区、生态节点叠加,得到坝上地区的生态安全格局构建结果,如图8所示。此次研究构建的安全格局,由53个生态节点、30条生态廊道、高等质量生态安全区、中等质量生态安全区、低等质量生态安全区、30个生态源地图斑组成。张北县、沽源县、康保县是未来生态建设的重点县区,提高这几个区域的林地、草地土地利用类型的占有率,推进高等生境质量区的建设,扩大生态源地的面积,可为保护坝上地区整体生态安全提供有力的保障。

图8 河北坝上地区生态安全格局构建图

4 坝上地区生态安全格局优化建议

4.1 存在的问题

坝上生境质量存在明显的两极分化。中高等、高等生境质量面积占比为46.01%,低等及以下等级的生境质量区比例略高于中高等以上,为53.69%,中等生境质量占比仅为0.3%。可以看出,坝上生境质量等级存在明显的高级和低级两极分化,中等生境质量区微乎其微,这也是整个北方农牧交错带的的特征[11]。

生态安全格局空间异质性大,区域极不平衡。张北县、康保县、沽源县生态源地较少,生境等级较低,没有合适的生态廊道用来连接尚义县、丰宁满族自治县,整个区域的生物间进行能量转换、信息交流在张北等三县极其容易被阻断,对生态安全的建设造成很大威胁。

部分生态源地和节点存在较为严重的生态威胁。由于基于生境质量的源地提取考虑的主要是土地利用类型,而土地利用类型是定性的分类,并没有考虑其生态环境质量的特点,有一些源地虽然是湖泊或者林地,但存在已干涸或者枯死的现象,受到严重的生态威胁,无法发挥源地和节点的生态功能。以安固里淖和察汗淖尔为例,根据生境质量等级均为中高等级以上,被划分为源地,但安固里淖于2004年就已经干涸,随后变成季节性湖泊,仅部分时间有少量的水,生态功能大大降低,察汗淖尔也存在类似的情况。

4.2 生态安全格局优化建议

对坝上地区生态安全划分等级,制定严格的政策法规,确保高等级生态安全区不被破坏,严格保护生态源地。加大对存在生态威胁的生态源地、节点等区域的生态恢复和提升力度,强化内部生态系统结构和功能的完整性,确保其能够发挥关键生态功能。着力推进张北县、康保县、沽源县高等生境质量区的建设,建设优化生态廊道,让更多的生态源地以及生态安全区之间建立联系,改变区域较为单一的生态模式,有助于推进生物多样性、物种多样性的发展。

提升中、低等质量生态安全区的土地多功能性,加快推进由低等级生态安全区向高等级生态安全区的建设,为区域可持续发展多种目标的协同实现提供保障。在未来的生态建设过程中,应该重点加强张北县的生态廊道建设,推进土地利用类型的多元性,改变其生态源地极少的局面。同时可以有序地部署开发、建设利用,有效地利用土地资源,推动坝上地区的城市化进程,提高居民的生活水平,带动社会经济的可持续健康发展。

5 结论

本研究基于InVEST模型评估生境质量,提取生态源地构建的生态安全格局，对坝上地区推进生态建设，进行县域尺度的国土空间规划制定和生态修复及保护工程的建设具有一定的参考价值。结果表明:1)坝上地区生境质量等级较低,具有较高生态价值的高等生境质量区分布较少,生境质量存在一定的两极分化；2)坝上地区生态源地面积为3 313.44km2,占坝上地区总面积的17.50%,生态源地斑块30个,空间分布主要集中在尚义县、围场满族蒙古族自治县、丰宁满族自治县地区,分布的土地利用类型基本为林地、草地、水域；3)生态廊道长度为640.86km,生态节点53个,张北县、康保县用来提供信息、能量交流的生态节点极少,因此生态廊道跨度较大；4)坝上地区的生态安全区主要集中分布在生态源地及周边地区,尚义县、围场满族蒙古族自治县、丰宁满族自治县生态安全质量较好,生态环境质量高于其他县区。坝上地区的生态源地、生态节点、生态廊道以及生态安全区在空间上分布不均,未来应加大张北县、康保县、沽源县生态源地和节点的修复和建设,提升区域整体生态安全。