山水资源型城市景观生态风险评价及生态安全格局构建——以张家界市为例

于 婧,汤 昪,*,陈艳红,张 蕾,聂 艳,邓文胜

1 湖北大学资源环境学院,区域开发与环境响应湖北省重点实验室, 武汉 430062

2 华中师范大学地理过程分析与模拟湖北省重点实验室, 武汉 430079

随着城市化建设的快速发展,资源环境与土地利用的矛盾日益尖锐,维护城市生态安全的压力增加,尤其是对于维持自身系统稳定性和抵抗外界干扰的能力较弱的山水资源型城市。20世纪90年代吴良镛教授认为山水资源型城市属于“山-水-城”的发展模式,是以城市为代表的人工环境与以山水为代表的自然环境相融合的人类聚居环境[1]。山水资源型城市与以依靠采煤、冶金、采油等发展的传统资源型城市不同,山水资源型城市的地形地貌独特、山水格局明显,在统筹山水林田湖草系统治理具有一定基础,但在经济建设发展过程中也容易存在区域生态安全水平降低的风险,因此如何构建生态环境优良、城市特色明显、山水文化厚重的生态城市是当前的研究热点之一[2]。

景观生态风险评价是指在人与自然综合影响下,景观格局与景观生态相互作用下所产生的损失可能性[3—4],景观生态风险评价能够综合反映区域风险的空间分布,从多角度、多尺度为区域开发建设与生态修复提供决策参考。区域生态安全格局其实质是在诸多因素的干扰下,识别出适宜生物保护及进行生态修复的区域,构建区域生态安全格局是提升区域生态安全水平的关键环节[5—6]。十八大报告中把生态安全格局作为我国国土空间三大战略格局之一,在2020年10月发布的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二○三五年远景目标的建议》中明确提出要进一步牢固生态安全屏障,形成主体功能明显、优势互补、高质量发展的国土空间开发保护新格局。因此,在新一轮国家生态文明建设政策的指导下,及时进行区域生态风险评价并构建生态安全格局,对于生态文明建设以及进行“山水林田湖草”生态修复具有指导意义。

20世纪90年代以来,国内外学者在传统环境风险模型、景观生态学理论的支撑下,研究领域主要集中在景观格局功能与区域生态安全,并对生态风险与景观生态学、计量地理学的交叉融合进行了初步探索[7—10]。自俞孔坚[11]、马克明[12]等学者相继提出景观生态安全格局相关理论后,我国学者基于“源汇”、景观格局等理论与方法,对区域景观生态风险与生态安全格局进行了进一步的探索与研究,如娄妮等[13]基于不同时序的土地利用数据构建景观生态风险评价模型,分析了阿哈湖国家湿地公园景观生态风险的时空变化；张学斌等[14]以石羊河流域为研究区,通过解译三期高精度遥感影像,分析了在土地利用变化的背景下研究区景观生态风险空间分布的变化情况；刘焱序等[15]基于有序加权平均算法绘制了不同情景下的深圳市景观生态风险图；在生态安全格局研究方面,随着国内学者对景观生态安全关注热度逐渐增加,在构建生态安全格局方面初步形成了源地—阻力面—生态廊道—生态节点—生态安全格局的研究范式,并且逐步尝试在景观生态风险与生态安全格局构建方面搭建桥梁,因此如何科学构建生态阻力面并划分国土空间生态功能区,成为当前研究的热点内容之一。如潘竟虎等[16]基于景观生态风险评价结果,利用最小累积阻力模型,选取生态安全水平、海拔、坡度构建阻力面,建立了优化后的疏勒河流域生态安全网络；李青圃等[17]构建了基于“自然-人类社会-景观格局”维度的景观生态评价,并基于评价结果对宁江流域景观格局进行了优化；韩宗伟等[18]以环洞庭湖区域为研究对象,针对不同类型的生态廊道、源地形成的生态安全格局进行了差异化分析与评价。从研究对象上来看,目前研究以流域单元为研究对象较多,而以山水资源型城市、重点生态功能区为对象进行的研究较少；从景观生态风险评价来看,传统景观生态风险评价一般以行政单元为评价单元,而基于格网尺度进行评价更能体现结果的空间异质性；从生态安全格局构建来看,基本上形成了利用最小累积阻力模型构建阻力面,基于生态敏感性评价结果确定源地并构建生态安全格局的一般思路,但从景观生态风险评价角度出发构建生态安全格局的研究还相对较少[19—20]。基于此,本研究以山水资源型城市张家界市为研究对象,从格网尺度进行景观生态风险评价,再以景观生态风险结果为基础进一步构建生态安全格局并进行国土空间生态修复分区,最后提出生态安全保护策略。

张家界市内存在大量特征鲜明、规模巨大的独特砂岩地貌类型,旅游资源丰富,是典型的山水资源型城市。作为长江流域重要的水源涵养区以及国家级重点生态功能区,其生态安全保障地位十分重要,近年来,随着张家界市全域旅游战略政策的实施,经济开发建设活动速度加快,区域生态安全功能受到严重威胁。因此,本文基于2019年土地利用数据,通过划分风险小区与构建景观生态风险评价模型,对张家界市景观生态风险空间分布进行评价分析,在景观生态风险评价结果的基础上建立生态阻力面,识别生态廊道与生态节点并构建生态安全格局,提出国土空间修复分区和生态安全保护策略,研究结果以期为张家界市在新一轮国土空间规划中进行生态风险预警、生态修复以及提升生态安全水平提供借鉴与参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

张家界市国土总面积9582.76km2,下辖永定区、武陵源区、桑植县、慈利县4个县区,设72个乡镇。地理位置为109°40′—111°20′E、28°52′—29°48′N,位于湖南省西部。西北部与湖北省鹤峰县、宣恩县接壤,东邻石门、桃源县,南接沅陵、永顺县(图1)。张家界市属中亚热带山原型季风性湿润气候,水系以澧水和溇水为主,水域总面积214km2,地貌类型以山地、丘陵为主,是依靠丰富的山水资源为发展依托的生态城市。张家界市作为国家级重点生态功能区,在发展过程中坚持“生态优先,山水融城”的城市建设目标,2019年森林覆盖率达到71.0%,生态环境质量优良,2019年地区生产总值552.1亿元,比上年增长7.6%,全市常住人口154.9万人,居民人均可支配收入18026元,但近年来随着旅游业的发展,城市生态保护与土地开发之间的矛盾逐步升级。

图1 张家界市地理位置及风险小区示意图

1.2 数据来源与处理

土地利用数据是以2019年2m分辨率的高分二号遥感影像为数据源,通过eCognition和ArcGIS 10.5软件进行人机交互解译,将土地利用划分为耕地、园地、林地、草地、建设用地、水域及未利用地等7种类型,并从中提取水域数据,对每个区县选取总图斑数的10%进行外业抽样复核,解译精度均在90%以上,解译结果见图1。用于获取植被覆盖度的30m分辨率Landsat8遥感影像来源于美国地质勘探局官方平台(https://glovis.usgs.gov/),成像时间在2019年5月,影像云量低于10%；高程、坡度数据基于中国科学院地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)30m分辨率DEM计算而成；道路数据来源于全国地理信息资源目录服务系统(http://www.webmap.cn/)；自然保护地数据来源于张家界市政府部门数据。

2 研究方法

2.1 景观生态风险评价模型

根据研究区范围和平均景观斑块面积的大小(2—5倍),采用3km×3km正方形网格进行网格化采样,把张家界市划分1182个风险小区(图1),逐个计算每个风险小区的景观生态风险指数,再利用Kriging插值方法得到张家界市景观生态风险分布状况。参考已有学者研究成果,选取景观损失度、干扰度、脆弱度来计算景观生态风险指数[21—23]。具体计算方式如下:

(1)

LLi=Si×Fi

(2)

式中,ERI为研究区景观生态风险指数,Ai是第i类景观面积,A是景观总面积,LLi是第i类景观损失度指数。

景观干扰度指数Si分别由景观优势度、景观破碎度、景观分离度赋予权重后得出,计算公式如下:

Si=aCi+bNi+cDi

(3)

式中,Ci、Ni和Di分别为景观破碎度指数、景观分离度指数和景观优势度指数,结合前人研究成果[24—25],将其权重分别赋予0.5、0.2和0.3。

景观脆弱度指数Fi表示景观类型受到外界干扰时的脆弱程度,根据张家界市土地利用分类情况并结合已有成果,对各类景观脆弱度赋值如下:耕地4、园地5、林地2、草地3、建设用地1、水域6,未利用地7,对赋值结果进行归一化处理后,最终得到各类景观脆弱度指数。

2.2 最小累积阻力模型

最小累积阻力模型(MCR)被广泛应用于构建生态安全格局研究,主要是指物种从源地向目标源地迁徙过程中所克服最小阻力形成的阻力面模型[26—30]。计算公式如下:

(4)

式中,MCR为最小累积阻力值；fmin表示生态过程中与MCR的正相关关系；Dij为源地j到目标源地i的距离；Ri表示目标源地i对物种迁徙的阻力值。

3 结果分析

3.1 景观生态风险空间分布特征

通过Frasgstats 4.2软件计算出每个风险小区的景观生态风险指数后,通过ArcGIS 10.5软件的地统计分析模块对数据进行半变异函数拟合,半方差分析过程中的拟合结果表明,最理想的拟合模型均为球状模型。采用球状模型拟合后,通过Kriging插值对景观生态风险指数进行空间插值,得到研究区景观生态风险插值结果。为清晰显示不同评价结果的分布特征,采用自然断点法将景观生态风险评价值划分为5个等级:低生态风险[0.0142,0.1561)、较低生态风险[0.1561,0.2210)、中生态风险[0.2210,0.2982)、较高生态风险[0.2982,0.4175]、高生态风险[0.4175,0.6583],研究结果经过可视化后见图2。

图2 张家界市景观生态风险空间分布图

由图2可知,张家界市景观生态风险空间差异明显,生态风险呈现“中部、四周低,高值区总体上沿澧水水系呈条带状延伸”的空间分布规律。其中,低生态风险区面积为2057.95km2,占比21.59%,主要分布在张家界市的西北部、东南部,西北部主要分布有八大公山自然保护区,东南部主要分布有天门山风景名胜区,区域内林地资源分布广泛,地形坡度较高,人类生产建设活动少,生态环境质量高,由于开发强度不大,所以区域内景观生态风险值低；较低生态风险区面积为3983.78km2,占比最大,为41.79%,主要分布在张家界市的中部地区,各个县区分布面积都最为广泛,呈现出以武陵源核心景区为中心,向四周扩散的分布态势,主要得益于武陵源区“生态优先”政策的实施,因此较低生态景观生态风险面积占比较大；中生态风险区面积为2151.37km2,占比为22.57%,主要分布在张家界市西南、东北部地区,呈现出与河流分布趋势高度契合的连片式分布特征,区域内耕地、河流分布广泛,地势较为低平,但随着张家界市旅游开发与城市建设的进一步扩大,中生态风险地区有被转换成为更高生态风险的趋势,应该注意防范与预警；较高生态风险区面积为1152.15km2,占比为12.08%,主要分布在张家界市西北部、南部地区,具有片状发展的分布特征,其中慈利县面积分布最为广泛,近年来慈利县旅游发展步伐加快,导致生态环境保护压力增加,因此在发展的过程中对于水域、林地等生态较敏感区应该加大保护力度；高生态风险区面积为188.49km2,占比最低,仅为1.98%,主要分布在张家界市南部、西北部地区,对各区县高生态风险区域按照面积大小进行压力排序:永定区>慈利县>桑植县>武陵源区。其中高生态风险在各区县中主要分布在永定区中部、慈利县西部、桑植县西北部地区,武陵源区无高生态风险,该区域产业建设活动最为频繁,耕地破碎化程度较高,并且有进一步扩张的趋势,人口的聚集化、建设的集中化使得高生态风险向外部区域蔓延发展,造成区域内生态保护的压力最大,在未来的发展规划中应该着重加强区域内生态建设,逐步改善城市内部环境。

3.2 构建生态安全格局

3.2.1确定生态源地

“源地”作为物种扩散的源点,应该具有较高的生态系统服务功能、生境质量以及图斑的连续性。根据张家界自然保护地数据,从类型、级别层面选取9处国家级、省级的国家森林公园、自然保护区、风景名胜区等作为生态源地,见表1。张家界市生态源地总面积达750.45km2,占研究区面积的8.78%。

表1 生态源地斑块一览表

3.2.2构建生态阻力面

为了直观反映出物种迁徙过程中遇到的阻力值大小,研究基于景观生态风险评价结果并结合张家界市生态环境状况,从景观生态、地形坡度、距离因子3个方面,分别选取景观生态风险指数、植被覆盖度、高程、坡度、与道路距离、与水域距离等6个阻力因子,将各阻力因子划分为5个等级并赋予不同阻力值,利用层次分析法确定各个阻力因子权重,一致性检查结果CR=0.0328<0.1,达到一致性检验要求。再使用GIS空间分析方法进行多因子加权叠加,得到综合阻力面阻力值,各个阻力因子分级与赋值见表2。

表2 生态阻力面评价指标体系

景观生态因素包括景观生态风险指数、植被覆盖度因子。景观生态风险指数主要体现了区域生态风险的高低,其值越大,阻力值也就越大；植被覆盖度与阻力值成反比,植被覆盖度越高的区域,物种越能顺利通过。地形坡度因素包括高程、坡度因子,两者与阻力值大小成正比,高程、坡度值越大,阻力值也越大。距离因素包括与道路距离、与水域距离,两者与阻力值大小成反比,本研究主要考虑物种到达目标源地需要穿越道路、水域的阻力,未考虑水源对物种的补给能力。综合景观生态风险指数、植被覆盖度、高程、坡度、与道路距离、与水域距离6个单因子的评价结果,利用ArcGIS 10.5软件中的栅格计算器进行叠加分析,结果如图3所示。从图3可知,张家界市中北部、东南部阻力值较低,西南部、东北部阻力值较高,高阻力值区呈条带状分布的空间规律。

图3 生态阻力面与最小累积阻力值

3.2.3识别生态廊道与生态节点

生态廊道是物种迁徙过程中的阻力最低的路径,研究使用ArcGIS 10.5软件中的cost-distance工具计算得到最小累积阻力值(图3),再利用cost-path工具,结合生态源地与最小累积阻力值确定生态廊道。生态节点一般位于生态功能较脆弱的区域,利用水文分析从DEM中提取水系的思路,确定最高阻力值分布的“脊线”,将其与生态廊道进行相交,得到的最低与最高阻力路径的交汇点,即为生态节点。为了划分不同廊道的重要性程度,把生态节点数超过4个的生态廊道定义为关键廊道,其余为辅助廊道。

经过ArcGIS 10.5软件计算后,得到张家界市生态廊道与生态节点,见图4。张家界市的24条生态廊道累计长达872.35km。其中关键廊道共7条,长达410.47km,占研究区生态廊道总长度的47.05%；辅助廊道共17条,累计长达461.88km,占研究区生态廊道总长度的52.95%。整个研究区生态廊道大致呈“三横四纵”的空间分布格局,“三横”连接东西,分别沿八大公山自然保护区-溇水风景名胜区-五雷山风景名胜区,天泉山森林公园-张家界国家森林公园-江垭森林公园,红石林国家石漠公园-天门山国家森林公园-大鲵自然保护区-五雷山风景名胜区一带分布；“四纵”贯穿南北,分别沿八大公山自然保护区-天泉山森林公园-红石林国家石漠公园-天门山国家森林公园,八大公山自然保护区-张家界国家森林公园-天门山国家森林公园,溇水风景名胜区-张家界国家森林公园-天门山国家森林公园,溇水风景名胜区-江垭森林公园-大鲵自然保护区一带分布。关键廊道主要分布在研究区东、中地区,该区域内生态风险值较高,需要进一步加强廊道保护与建设,辅助廊道主要分布在研究区西部、南部地区,主要为物种迁徙提供保障功能,辅助廊道与关键廊道一起构成了物种迁徙流动的网络通道。

图4 生态廊道与生态节点分布图

张家界市的47个生态节点在空间分布上总体呈现“中多西少、南多北少”的格局。具体来看,主要分布在八大公山自然保护区-五雷山风景名胜区、溇水风景名胜区-大鲵自然保护区、江垭森林公园-大鲵自然保护区、张家界国家森林公园-江垭森林公园等关键生态廊道上。

3.2.4生态安全分区

为了进一步对研究区内不同生态安全区提出差别化管控策略,根据阻力值大小以及综合考虑生态源地、生态廊道的重要生态地位,将张家界市生态安全区划分为生态保育区、生态过渡区、生态重建区(图5)。根据相关学者的研究[31—32],生态廊道200m缓冲区是保护生物多样性比较合适的宽度,因此将生态廊道200m缓冲区划入生态保育区进行优先保护,而生态源地已经包含了生态缓冲区的范围,不再单独设置缓冲区。

图5 生态安全分区图

其中生态保育区面积为4053.50km2,占总面积的42.26%,区域内生态安全水平较高,主要包括生态服务价值较高的森林公园、风景名胜区等,主要土地利用类型为林地、草地等,林草地是自然中维护生态系统的重要基础,对该类区域应禁止破坏生态的开发建设活动,并对区域内人类建设活动实施限制性方针政策,加强生物多样性保护与水土流失治理,保障区域整体生态安全水平。

生态过渡区面积为3721.59km2,占总面积的38.80%,区域内生态安全水平介于生态保育区与生态重建区之间,生态过渡区面积占比较大,在空间形态上具有过渡性特征,在功能上主要平衡区域生态,主要土地利用类型为耕地、园地等,对该类区域在开发建设上应坚持规划后再建设的方针,避免重复建设带来的生态破坏,此外应积极发展高效现代生态农业,强化区域之间联系以及过渡区的稳定功能。

生态重建区面积为1817.25km2,占总面积的18.94%,区域内生态安全水平较低,生态重建区是人类进行社会经济活动的主要区域,区域内主要土地利用类型有建设用地、未利用地、水域等,对该区域需要强化各区县的主体功能,进一步提高区域绿化水平,提升公众生态环境保护意识,发挥沿河优势,打造沿河生态保护带。

3.2.5张家界市生态安全格局小结

根据生态源地和最小累积阻力模型分析,提取重要生态功能“点”-9处生态源地、47处生态节点,“轴”-24条生态廊道,“面”-生态保育区、生态过渡区、生态重建区等3个生态功能区,共同构成了张家界市的生态安全格局(图6)。

图6 张家界市生态安全格局

3.3 生态安全保护策略

基于张家界市自然山水本底特征,结合张家界市生态源地、生态廊道与生态节点以及城市总体规划的空间布局状况,在现有格局的基础上提出生态安全保护策略。

强化生态源地保护。生态源地作为生态安全格局的重要组成部分,其稳定性影响到区域生态安全。张家界国家森林公园、红石林国家石漠公园、溇水风景名胜区等生态源地,以自然旅游景观为主,应该全面坚持生态优先原则,严格限制区域内建设用地开发,对生态林地进行修复与保护,合理规划游览设施,以防止建设用地过度开发导致生态源地生态环境质量下降；进一步发挥张家界市国家森林公园的核心功能,其作为连接不同源地之间的关键源地,应继续坚持保护山林生态系统策略,并进行适当的生态建设。

重视生态廊道建设。对于北部山区的八大公山自然保护区-溇水风景名胜区-江垭森林公园-五雷山风景名胜区生态廊道,须进一步增强北部山区源地之间的连接程度,在考虑不同栖息地之间物种迁徙、交换的基础上,增设适宜生境廊道,避免生态源地成为“生态孤岛”,以维护北部山区作为张家界市生态屏障的重要地位。对于途径澧水、溇水的关键廊道,如溇水风景名胜区-五雷山风景区、张家界国家森林公园-大鲵自然保护区等,要按照生态廊道建设需求,对现有防洪堤进行改造,确保水系的贯通,并适当为物种流动提供辅助通道,形成完整的滨河绿地生态系统。充分发挥张家界市的自然条件优势,将张家界市北部山区与澧水生态带融合发展,推动张家界市保持其自然山水生态格局与城市形态平衡,提高区域生态环境承载能力。

修复与优化生态节点。生态节点是物种需要在最小阻力通道上通过最大阻力的点,处于生态环境脆弱的地区,且容易遭到破坏,对于源地之间的连通性以及流动程度具有决定意义。张家界市中西部地区生态节点较多,是进行动态监管与修复的重要地区,宜在区域国土空间规划、生态修复规划中予以重点关注,并提出相应的工程及生物措施,以促进物种之间的能量流动与物质循环,降低区域生态风险,保障区域生态安全。

4 结论与讨论

(1)研究区景观生态风险空间差异明显,生态风险呈现“中部、四周低,高值区总体上沿澧水水系呈条带状延伸”的空间分布规律；低、较低、中、较高、高生态风险分别占比21.59%、41.79%、22.57%、12.08%、1.98%,其中较低生态风险占比最高,高生态风险占比最低,各区县高生态风险压力排序为:永定区>慈利县>桑植县>武陵源区。其中高生态风险在各区县中主要分布在永定区中部、慈利县西部、桑植县西北部地区,武陵源区无高生态风险。高生态风险在各区县中主要分布在永定区中部、慈利县西部、桑植县西北部地区,该区域由于产业建设活动频繁,耕地破碎化程度较高,使得高生态风险有进一步向外部区域蔓延发展的趋势,应该逐步改善城市内部环境,提升生态安全水平。

(2)研究区形成了由9处生态源地、47处生态节点、24条生态廊道、以及不同3个生态安全区构成的生态安全格局,生态廊道累积长达872.35km,其中关键廊道共7条,长达410.47km,占研究区生态廊道总长度的47.05%,整个研究区生态廊道大致呈“三横四纵”的空间分布格局,“三横”连接东西,“四纵”贯穿南北；生态节点在空间分布上总体呈现“中多西少,南多北少”的格局；生态保育区内实施限制性方针政策,生态过渡区在开发建设上应坚持规划后再建设的方针,强化过渡区的稳定功能,生态重建区内坚持以人为修复为主,自然恢复为辅的方针,打造沿河生态保护带。

(3)针对生态源地、生态节点、生态廊道以及不同生态安全区提出不同的保护策略,进一步加强生态源地保护,严格限制区域内建设用地开发,对生态林地进行修复与保护,合理规划游览设施；重视生态廊道建设,加强八大公山自然保护区-溇水风景名胜区-江垭森林公园-五雷山风景名胜区、张家界国家森林公园-大鲵自然保护区等生态廊道的建设,推动张家界市北部山区与澧水生态带融合发展；修复与优化生态节点,对生态节点较多的张家界市中西部地区进行动态监管与修复,提出相应的工程及生物措施,保障区域生态安全。

本文以经济发展与生态保护冲突明显的山水资源型城市张家界市为研究区,分析了目前张家界市景观生态风险空间分布并构建了生态安全格局优化方案,研究结论一方面可以为张家界市进行生态风险预警、提升生态安全水平以及长期稳定发挥国家重点生态功能区作用提供理论参考,另一方面能够为张家界市在新一轮国土空间规划中进行“山水林田湖草”要素配置以及土地利用规划提供依据。