太湖流域生态安全格局构建与调控——基于空间形态学-最小累积阻力模型

王雪然,万荣荣,潘佩佩

1 中国科学院南京地理与湖泊研究所,中国科学院流域地理学重点实验室, 南京 210008 2 河北师范大学资源与环境科学学院,石家庄 050024 3 河北省环境变化遥感识别技术创新中心,石家庄 050024 4 中国科学院大学,北京 100049

随着城镇化的加速和人类活动的不断加剧,当前的生物多样性面临栖息地丧失[1—2]、生境破碎化[3]等威胁,同时不断加强的土地开发程度和受气候变化等因素影响下的生态环境退化,在一定程度上加剧了生态环境的脆弱性,从而影响到物种的栖息地质量[4],由此导致野生动植物数量不断减少。生态安全网络有助于维持生态系统结构过程的完整性,通过“点-线-面”提升不同生境之间的连接度,能有效抵抗生境破碎化对生物多样性带来的持久影响[5]。

国内学者俞孔坚[6]首次提出针对生物保护的景观生态安全格局,由于短时间内对生态安全格局的概念没有达成共识,因此区域生态安全格局[7]、城市生态安全格局[8—9]、土地利用安全格局[10]、文化遗产安全格局[11]、以及国土空间规划视角下的国土安全格局[12—13]等研究不断开展。随着生物多样性面临威胁的程度日益严峻,于2016 年启动的《联合国 2030 年可持续发展议程》呼吁要加强生境变化下全球生物多样性保护工作,保护生物多样性的生态安全格局受到国内外学者的重视[14—15]。目前发展出图论法[16]、电路理论[17]、最小累积模型(MCR)等研究理论与方法,其中以MCR模型应用最多[18],“确定源地-构建阻力面-设定廊道宽度”是其核心内容。源地是指对生物多样性保护具有重要作用的斑块,以往针对源地选择过程中,较多学者是根据定性的生态系统类型[18]或定量的生境重要性[19]、生态敏感性[20],还有一些学者从多视角整合生态源地[21—22],包括提供较高的生态系统服务、具有重要游憩休闲功能的绿地以及自然保护区等统一作为生态安全格局中的源地。以上对源地共性考虑较为充足而对特性研究有所缺乏,比如游憩休闲源地与自然保护区源地之间的生态廊道可能不适合物种迁移或者人类休闲。而空间形态学分析法(MSPA)因强调结构连接增加了生态源选择的科学性[11],有助于物种迁移[23]。空间阻力构建层面,以往学者立足于研究视角,从生态阻力的评价因子出发搭建不同的评价指标体系,较多以层次分析法AHP[24]或专家咨询法[25]确定生态阻力权重。走廊宽度设定上,有学者表明具有运动路径作用下宽的走廊并不一定比窄的走廊更能促进物种迁移运动,且有效的走廊能将野生动物的生态空间与土地利用政策联系起来[26]。在经济发展与生态保护的土地利用冲突下,较宽的廊道因较高的土地成本导致研究成果缺乏实施性,因此在廊道宽度设定层面应结合研究对象的运动特征,既能达到保护生态环境的目的,又能避免和经济发展产生较大的冲突,达到两者的平衡。

2019 年生态环境部启动《长江三角洲生态环境共同保护规划》,指出要加强重点跨界地区的生态环境和生物多样性保护力度,实施生物多样性保护与恢复示范；作为我国第一部流域法律《长江保护法》于 2021 年 3 月正式实施,明确了保护流域内的生物多样性以及建立健全生物多样性保护等标准体系。太湖流域作为长江流域及长三角生态保护的重要地理单元,同时也是典型跨界地区,流域内生物多样性较为丰富,而当前关于太湖流域生物多样性安全格局的研究还不够深入。因此从流域尺度出发打破行政边界壁垒,加强生物多样性共同保护、建设流域生态安全网络,在长三角一体化背景下提升太湖流域生态协同管控具有重要现实意义。

1 研究区域与研究数据

1.1 研究区概况

太湖流域位于长江三角洲核心地区(图1),流域面积36895km2,占全国面积0.4%,地理和战略位置突出,是典型跨界地区(江苏省、浙江省、上海市),流域内有特大城市上海、大中城市杭州、苏州、无锡、镇江、嘉兴、湖州及迅速发展的众多小城市和建制镇,已形成等级齐全,群体结构日趋合理的城镇体系。据统计,2018年,太湖流域人口占全国总人口的4.4%,GDP约为87663亿元,约占全国的10%左右。流域内湖泊众多,河网密集,重要的洲滩和湿地是众多候鸟的栖息地,因流域内经济高速发展,生物多样性保护和土地开发利用冲突较为严重。

图1 太湖流域区位和土地利用现状

1.2 研究数据

本研究中土地利用数据来自2020 年 Globe30(http://www.globallandcover.com),分辨率30m；高程数据DEM来自地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/),分辨率 30m；用于生态安全分区调控的高精度生态本底数据,是依托于中国科学院 A 类战略性先导科技专项“美丽中国生态文明建设科技工程”(XDA23020201),结合高分影像、LandsatTM 解译的 30 米空间分辨率土地利用数据、1∶25 万土壤数据、30m 的 DEM、NDVI、EVI 等数据精准识别出来的太湖流域内 1:50000 重要生态用地空间分布数据集,分类包括林地、草地、水域、湿地；夜间灯光数据来自NOAA官网(https://ngdc.noaa.gov/eog/viirs/index.html),为2019年3月月度合成数据,经校正处理重采样为30m栅格数据；底图和水系数据来源于天地图影像,其中水系数据由作者矢量化得到。

2 研究思路与方法

2.1 研究思路

本研究围绕生物多样性保护以构建流域生态安全格局。采用强调结构连接的MSPA方法确定生态源,选择影响生物活动的自然因素并利用层次分析法按权重进行空间叠加,使用人为干扰因素校正后作为空间阻力因子,利用MCR模型提取生态廊道,重力模型判别重要廊道和一般廊道；通过对影响物种活动方向的生态阻力及生境质量的空间性特征分析,提出针对性的生态安全格局构建策略及立足于区县尺度的分区调控措施。

2.2 研究方法

2.2.1重要生态源地识别

结合太湖流域生物多样性现状,考虑到以白鹭为代表的物种活动范围和空间,将林地、草地、水域(含湿地)生态服务价值高且受人为干扰较少的自然景观作为MSPA分析的前景数据；耕地、建设用地受人为影响较大不适合作为物种的活动空间,裸地因缺乏物种可觅食的生存环境而作为背景数据。运用Guidos Toolbox分析,其中斑块连通性阈值参考相关文献[27],设为白鹭的最大迁徙距离10km。在对数据进行一系列的数学计算后,分别获得研究区核心区(Core)、孤岛(Islet)、孔隙(Perforation)、边缘区(Edge)、桥接区(Bridge)、环道区(Loop)、分支(Branch)7 种景观类型。基于Conefor Sensinode软件,从反映各斑块对景观连接性的可能连通性指数(Probability of Connectivity,PC)和整体连通性指数(Integral Index of Connectivity,IIC)出发,取两者的平均值以获得更为准确的生态源地重要性程度。公式如下:

(1)

(2)

2.2.2空间阻力构建与校正

科学构建生态阻力因子对生物多样性保护具有重要意义。自然因素中景观类型决定了是否适合物种生存,高程和坡度影响物种的活动范围,植被覆盖率影响其密度,到河流的距离越近则越利于生物活动。本文结合既有的文献研究[10,28—31]和太湖流域实际情况,选择高程、坡度、景观类型、植被覆盖率和距河流距离作为自然阻力因素指标,结合以往对太湖流域的实地调研对阻力值分级,利用层次分析法AHP确定各因子权重(表1)。

表1 太湖流域生态安全阻力因子重分类等级图

自然因素是影响物种生存范围的基础性因素,而人为活动对物种的干扰不可忽视。尤其在经济快速发展的太湖流域,人为干扰因素的影响在一定程度上高于自然因素,因此本文采用可表征人类干扰程度的夜间灯光指数修正生态阻力系数,公式如下[32]:

(3)

式中,R′为基于夜间灯光指数修正的栅格生态阻力系数；TLIi为栅格i的灯光指数；TLIa为栅格i对应的不同阻力等级的平均灯光指数；R为栅格景观类型的基本阻力系数。

2.2.3生态廊道提取及重要性判读

采用MCR模型构建生态安全网络。基于校正后的最小累积阻力面,利用ArcGIS软件中的成本距离分析方法,计算两两源地之间的路径并去除重复的路径后得到研究区的生态廊道[33],通过重力模型[34]计算廊道重要性程度。计算公式如下:

(4)

式中,MCR表示从生态源斑块j在空间中扩散至某点的最小累积阻力值；f为MCR与变量间乘积(Dij×Ri)的函数；Dij表示目标斑块源j至其他斑块源i所经过的空间距离；Ri表示斑块源i在空间中某一方向上的扩散阻力系数。

(5)

式中,Gab是核心斑块a和b之间的相互作用力,Na和Nb是两斑块的权重值,Dab是a、b两斑块间潜在廊道阻力的标准化值,Pa为斑块a阻力值,Sa是斑块a的面积,Lab是斑块a、b之间廊道的累积阻力值,Lmax是研究区中所有廊道累积阻力的最大值。

2.2.4生态阻力空间性分析

生态阻力对生物活动起负向阻碍作用,而生境质量则对生物活动起正向促进作用。为明晰流域内源地-廊道-网络建设的可行性和生态安全格局构建的科学性,本文引入生境质量计算,结合生态阻力和生境质量的空间特征,明确把握不同地区面临的问题,才能更有针对性构建生态安全格局。采用InVEST模型中的Habit Quality模块计算太湖流域生境质量,参数设置参考以往学者研究[35]。以生态阻力作为基底,采用Getis-Ord G*方法(也称热点分析),来判别流域内生态阻力的空间性特征,公式如下[36]:

(6)

式中：xj为空间单元j的生态阻力变化量，Wi,j为二进制空间权重矩阵，n为空间单元个数，并且：

(7)

(8)

进一步分析生态阻力和生境质量的方向性特征,即空间分布上的轮廓和主导方向。标准差椭圆法(Standard deviational ellipse, SDE)是分析空间分布方向性特征的经典方法之一,SDE方法以中心、长轴、短轴、方位角为基本参数的空间分布椭圆定量描述研究对象的空间分布整体特征。使用标准差椭圆可以从全局的、空间的角度定量解释生态阻力和生境质量的中心性、展布性和空间形态等特征[37],公式见参考文献[38]。

3 结果分析

3.1 生态源地辨识

基于MSPA的太湖流域生态源地识别结果如图2所示。核心区为较大的生境斑块,可以为生物提供较大的栖息地,对生物多样性保护具有重要意义。根据源地可能连通性指数和整体连通性指数筛选出前20个重要核心区作为适合物种生境的生态源地[27]。水域生态源地包括太湖湖体、长荡湖、滆湖、西氿、阳澄湖、独墅湖、澄湖、淀山湖、以及湖州商林漾湿地10处；林草地生态源地有10处,以太湖湖体为明显分界线,集中在浙江西部丘陵山区。

图2 太湖流域重要生态源地

表2可见生态源地面积和重要性指数。从水域生态源地来看,太湖湖体是最重要的生态源地,也是候鸟迁徙的重要通道。太湖东部苏州市域范围内阳澄湖重要性指数为3.32、独墅湖为5.98、澄湖为2.86,而主要位于上海的淀山湖重要性指数较低,由于与其它源地之间的通道较窄且距离较远,仅为0.94。从林地生态源地来看,因浙西丘陵有大面积的森林覆盖,是物种重要的生存空间,编号为16的森林源地重要性指数仅次于太湖湖体。研究发现源地重要性指数和面积并没有呈现出显著的正相关,这表明生态源地的面积大小是影响生物生存的一个因素,更应该关注各个源地之间的连通性。

表2 生态源地重要性指数

3.2 综合阻力构建结果

以高程、坡度、景观类型、植被覆盖率、距河流距离为基础建立太湖流域生物多样性的自然综合阻力面,并使用夜间灯光数据校正后得到太湖流域校正阻力面(图3)。其空间异质性显著,高值区分布在上海市、江苏省的苏锡常等地,以及浙江的杭州、嘉兴等地,值得注意的是,太湖湖区周边生态阻力值较高,但湖区又是太湖流域最重要的生态源地,因此后续针对生物多样性保护建设生态网络过程中应重点关注太湖周边地区。

图3 太湖流域阻力面构建与校正

3.3 生态廊道分布

廊道是物种可利用的条带状生态用地,以实现连接生境、防止物种隔离、维持最小数量和保护生物多样性的目的,生态源地和廊道共同构成了生态保护网络。研究结果共得到190条生态廊道(图4),该廊道将适合物种生存的源地两两连接,可满足生物在源地之间的迁徙。由于两两源地之间引力差异较大,根据重力模型结果以及保证源地之间互相贯通的原则下筛选出重要廊道和一般廊道。重要生态廊道东至澄湖、横跨太湖连接浙西丘陵森林和湖西区重要湖泊,源地5(阳澄湖)、6(独墅湖)、8(澄湖)、9(淀山湖)与其它源地之间的引力较低,但根据源地重要性结果阳澄湖、独墅湖、澄湖的源地重要性指数较高,因此后续针对流域生态安全格局构建过程中,应加强源地阳澄湖、独墅湖、澄湖与其它源地之间的通道连接作用,以便生物能更好迁徙。

图4 太湖流域生态廊道分布

3.4 生态阻力空间特征

明晰影响生物多样性的生态阻力热点区域和方向性特征,才能更好为生态网络搭建及调控提供指导。在ArcGIS中将整个太湖流域划分成1km×1km的网格,利用该网格对生态阻力面进行空间统计,将栅格平均阻力值连接到网格并进行空间化显示。如图5所示,生态阻力热点区域呈现显著的点-面格局分布,集聚的中心点多为较小的经济中心,而无锡-苏州-上海一线则呈连续面状分布。从生态阻力方向分析结果来看,整体方向布局在太湖以东和以北地区,与生态阻力热点的连续面状方向基本相符。

图5 太湖流域生态阻力空间特征

太湖流域生境质量空间异质性显著(图6),以太湖湖体、浙西区森林为显著高值区,空间上冷热点差异极为显著,在方向上偏移太湖西南地区。结合生态源地研究结果,太湖湖体和浙西区森林生态源地生境质量较高,而面积较小的生态源地,尤其是阳澄湖、独墅湖、澄湖和淀山湖的生境质量偏低,受人为因素影响较大。

图6 太湖流域生境质量空间特征

3.5 生态安全格局构建

生态节点是物种的跳板和转折点,一般位于廊道功能的最薄弱处,主要由最小路径和最大路径交叉点或最小路径交叉点构成[39]。但节点对生物重要性程度存在一定的差异,在筛选重要节点和一般节点的过程中,最小路径交叉处是物种跳板但同时生态阻力最低,生态功能比较重要,作为重要生态节点；最大路径与重要生态廊道交叉处影响物种迁移但同时人为干扰严重,生态阻力较高,需要重点修复,因此在本研究中将其作为重要生态节点。在ArcGIS中通过对阻力面进行“山脊线”和“山谷线”的分析,提取重要生态节点79个,一般生态节点22个。在分析问题的基础上,本文提出针对太湖流域的生态安全格局构建策略,结合区位命名为浙西重要生态保育区、湖西生态保护修复区、环太湖生态修复区、阳澄淀泖-浦西生态重点管控区,以及太湖东南生态廊道建设带的“四区一带”生态保护格局(图7)。(1)浙西重要生态保育区。该区分布有太湖流域重要的生态源地,生态阻力低,生境质量高,因此该区应严禁人为因素对自然生态的干扰,禁止一切与生态保护无关的开发活动,避免对生物生存环境造成影响。(2)湖西生态保护修复区。包括湖州、无锡、常州等市,该区分布有水域和森林源地,生态环境较好,是生物较为优良的生存环境。但常州等地经济发展较快,且处于生态阻力和生境质量冷热点交界地区,人为干扰因素对生物活动会产生较为重要的影响,因此该地应合理划定生态红线进行保护,修复受到破坏的生态环境,避免由于经济快速发展而带来的对生物重要节点和生态廊道的占用,导致生态阻力热点和方向的进一步侵蚀和生境质量热点地区的进一步退化。(3)环太湖生态修复区。该区包括无锡、苏州、湖州等市,由于太湖湖体是整个太湖流域最重要的生态源地,也是候鸟迁徙的重要途径,但太湖周边也是生态阻力较高的地区,阻碍了陆域动物至太湖的迁徙通道,应加强推进以太湖周边湿地重建和水生植被恢复为核心的水生态修复工程[40],建设生态防护林,打通太湖至各个源地的陆域生态廊道。(4)阳澄淀泖-浦西生态重点管控区。主要包括苏州、上海、嘉兴三市,该地区只有4处生态源地,且与太湖的连通性不足,生境质量偏低且大多位于生态阻力热点地区和环形范围内,严重影响生态源地功能的发挥。因此该地应加强对生态环境的重点管控,加强连接太湖和淀山湖的太浦河两边生态防护缓冲区建设,拓宽河流廊道宽度。(5)太湖东南生态廊道建设带。主要包括上海、嘉兴、湖州等地,当前淀山湖等生态源地至浙西丘陵源地之间缺少生态廊道,廊道规划内生态用地比例较低且生物多样性保护功能不明显,因此该地应适当缩减建设用地,强化河网湖荡环境治理与生态修复,构筑滨水生态缓冲带,促进东西向的源地连通。

图7 太湖流域生态安全格局

鉴于以往的研究多停留在格局构建阶段,面对国家和区域战略发展新要求,为提升生态安全策略的可实施性,本文结合流域生态网络-生态阻力空间特征研究,进一步在生态安全格局基础上提出立足于区县尺度的调控策略。因太湖流域河网密集,流域内一些重要河流具有可供物种迁徙的廊道作用[41—42],同时考虑到环境保护和经济发展之间的冲突,廊道仅连接源地边缘即可,因此本文提出流域生态廊道调整方案(图8)。

图8 调整后的太湖流域生态廊道

3.6 生态安全格局分区调控

廊道宽度决定廊道作用的发挥,太窄难以满足生物运动的基本需要[43],太宽的廊道又需要更多的土地而增加与土地所有者的冲突。生物学家表明,60—100m的廊道宽度可满足动植物迁徙和传播以及生物多样性保护的功能[44],因此本文将重要廊道宽度设定为100m,一般性廊道宽度设定为60m。本研究结合重要性/一般性廊道贯穿的区县,利用高精度的生态本底数据,在ArcGIS中分区统计不同区县内廊道面积和需新增廊道面积,结果如图9所示。重要性新增廊道主要分布在吴江区(3.52 km2)、长兴县(3.29 km2)、吴兴区(2.15 km2),吴江区承担着连接太湖湖体和东部湖泊型源地的重要通道功能,但由于廊道内生态用地较少,因此需新增生态用地较多,该地毗邻太湖,可通过水生态修复等工程达到新增生态用地的目的。长兴县位于浙西区和湖西区交界处,对连接两分区的源地至关重要,但廊道内村镇等建设用地较多,因此应合理布局村镇等建设用地,通过合并或削减廊道内的建设用地以留出供生物迁徙的生态通道。吴兴区北部紧邻太湖,该地在建设廊道过程中应注重生态用地的修复和保育功能。一般性生态廊道新增范围多分布在太湖以东区县,包括苏州、嘉兴、常州等市内部分区县以及上海市青浦区,但该地生境质量较低,是生态阻力热点区,因此在建设连通性廊道时应更加关注生态用地的质量,抵抗生态阻力高值区的边缘效应。

图9 各区县廊道总面积及新增廊道面积

4 结论与讨论

4.1 结论

本文以太湖流域为研究单元,重点从生物生境视角出发,提出在安全格局的基础上依据生态阻力和生境质量空间特征进行针对性的生态安全调控框架。研究结论如下:(1)基于空间形态学MSPA识别流域内可供生物生存的核心区源地,并依据重要性指数dPC和dIIC进行加权排序筛选出20个生态源地,包括重要湖泊和森林等,其中太湖湖体是最重要的生态源地,以太湖为明显的分界线,源地多分布在浙西区和湖西区。(2)从影响生物活动空间的自然因素出发建立生态阻力指标,同时以代表人为干扰因素的夜间灯光数据进行阻力面的校正,作为影响物种活动的累积生态阻力面。(3)依据重力模型判断重要廊道和一般廊道,重要廊道贯穿太湖湖体将源地相互贯连,一般廊道主要集中在生态环境质量较好的浙西区和湖西区。(4)为针对性识别不同区域的问题提高生态安全格局构建的科学性,本文引入生境质量,并分析生态阻力和生境质量的空间性特征。生态阻力热点地区集中分布在太湖东北部,椭圆方向也向东北偏离,而生境质量则与其相反,热点集中于太湖西南地区。(5)根据“节点(点)-廊道(线)-源地(面)”并结合生态阻力和生境质量的空间特征构建太湖流域“四区一带”的生态安全格局,包括浙西重要生态保育区、湖西生态保护修复区、环太湖生态修复区、阳澄淀泖-浦西生态重点管控区以及太湖东南生态廊道建设带,并提出立足于区县尺度的调控策略。

4.2 讨论

本研究基于MSPA识别的生态源地考虑了其重要连通性,更加具有科学性,阻力因子综合考虑自然因素和人为因素对生物的双重影响,结合流域生态阻力和生境质量的空间特征,建立太湖流域生态安全格局,提出相应调控策略。从国内外研究来看,廊道本质上是可供生物迁徙的通道,本研究在构建生态网络的核心要素源地识别-阻力因素-廊道宽度上更加偏重生物多样性保护的视角,研究结果对太湖流域生物多样性保护具有重要指导意义。太湖流域是长江流域的重要组成部分,引江济太工程的建设,加强了新沟河、新孟河等沟通长江和太湖的重要通道[45],而河流所具有的生物通道功能,势必会加强长江和太湖流域之间的生物迁徙,因此后续应加强太湖流域和北岸长江生态格局建设及调控等相关研究工作。同时生态廊道的建设势必会改变流域内的土地利用结构,明晰由土地利用结构改变导致的生态环境变化也是未来应关注的研究方向。