基于生态安全格局的国土空间生态修复关键区域识别——以吉林省松原市为例

曹秀凤,刘兆顺,李淑杰,高振君,孙贝雯,李莹雪

基于生态安全格局的国土空间生态修复关键区域识别——以吉林省松原市为例

曹秀凤,刘兆顺*,李淑杰,高振君,孙贝雯,李莹雪

(吉林大学地球科学学院,吉林 长春 130012)

为了在生态文明建设背景下,从生态系统完整性和结构连通性角度识别生态修复关键区域,以吉林省松原市为研究区,综合运用MSPA分析､景观连通性评价和电路理论,构建生态安全格局,识别松原市国土空间生态修复关键区域.结果表明:松原市共识别生态源地9处,面积为787.95km2,以水域及草地为主,对区域生态安全起着至关重要的作用;识别生态廊道23条,一级廊道16条,二级廊道7条,全长1458.18km;基于生态安全格局识别松原市国土空间生态修复关键区域,包括生态夹点16处,面积180.70km2,生态障碍点24处,面积298.11km2.综合分析生态修复关键区域空间分布和土地利用现状,并提出针对性生态修复策略.

生态安全格局；国土空间生态修复；MSPA；电路理论；松原市

生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台(IPBES)于2019年发布《全球生物多样性与生态系统服务评估报告》[1],指出全球正面临着史无前例的自然衰退和加速的物种灭绝率,大规模生态系统修复是缓解气候变化和遏制物种灭绝的关键.生态修复是以人为调控和自然恢复相协调统一为手段,对退化或受损生态系统的生物或环境要素进行修复,来达到退化或受损生态系统的生态功能修复和恢复的目的[2].而国土空间生态修复与传统生态修复相比,是以不同空间尺度范围内结构紊乱､功能受损或破坏的区域性生态系统为修复对象,通过国土要素的空间结构调整优化和生态功能修整重建等[3],实现国土空间格局优化､生态系统功能提升和区域可持续发展[4].

中国政府于20世纪末开始开展了三江源重大生态保护和修复工程、京津风沙源治理、黄土高原流域植被恢复等一系列生态修复工程[5].2020年6月印发的《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划(2021—2035年)》,提出9项重大工程,国土空间生态修复已经上升至国家战略工程的高度,备受关注.

当前,国土空间生态修复研究主要侧重于某一特定视角下小尺度区域的生态修复研究,例如河流湖泊水生态治理[6]、矿山废弃地复垦、盐沼湿地修复[7]等,围绕具体的工程项目展开,缺乏空间布局上的考量,虽然局部的生态功能够取得良好修复成效,然而对整体的生态功能提升仍然是有限的.

生态安全格局是一种起源于景观生态规划的方法,用于识别生态恢复和适合生物保护的区域[8].国外研究多从生态网络模式[9]、绿色基础设施建设[10]方面入手,将其运用于生态过程模拟和城市“绿色廊道”建设之中.国内生态安全格局相关研究起源于俞孔坚[11]以生物多样性保护为目标的景观生态安全格局构建,当前研究的主要内容集中于如何构建生态安全格局及其优化行为[12].生态安全格局研究现已初步形成“源地确定——廊道识别——战略点设置”的基本范式[13].近年来,国内学者将生态安全格局与国土空间生态修复相结合,如焦胜等[14]基于整体保护与系统治理思维构建区域生态网络,识别生态源地、生态廊道和生态夹点,针对这三类生态空间设置修复优先区并提出修复策略;王秀明等[15]综合运用生态安全格局构建、生态连通性修复方法识别生态修复关键区域,进行分区分类修复.该领域已有研究表明,应用生态安全格局的研究范式能够较为准确的判别出生态修复关键区域所在,故基于生态安全格局识别国土空间生态修复关键区域具有较高的研究意义.近年来,有学者开始将电路理论引入到研究中,识别国土空间修复关键节点.以此为基础,本研究将其用于指导国土空间生态修复工作,并提出修复方向和具体措施,具有重要的现实意义和可操作性.

松原市地处松嫩平原南端,素有“粮仓、林海、肉库、鱼乡”之美誉.近年来农业生产活动愈加密集,耕地面积大幅增加,与此同时,快速城镇化、工业化背景下,建设用地同步扩张,高度集中的人类活动不断侵占生态空间,区域生态系统服务价值降低,生态风险增加,故亟需开展国土空间生态修复工作来限制人类活动对生态环境的干扰.本文基于生态安全格局研究方法,结合电路理论,构建生态廊道,识别生态夹点､生态障碍点,明确松原市国土空间生态保护修复关键区域,并提出相应的保护修复策略,对优化生态服务功能和维持生态系统稳定性具有积极作用,同时为中尺度市级国土空间生态保护修复工作提供经验借鉴.

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

松原市(123°6′E—126°11′E,43°59′N—45°32′N)位于吉林省中西部,下辖一市一区三县,分别为扶余市、宁江区、前郭尔罗斯蒙古族自治县、长岭县和乾安县,土地总面积21169.81km2.地处松嫩平原南部,地势平坦开阔,起伏和缓.主要由松嫩冲积平原、松辽分水岭台地平原组成.气候类型属中温带大陆性季风气候.市内江河纵横,泡沼众多,有三江一河过境,另有一条季节性河流霍林河.境内还有吉林省内最大的天然湖泊——查干湖.松原市作为农业大市,现状土地利用类型主要为耕地,面积共14358.45km2,占松原市土地总面积的67.83%.

1.2 数据来源及处理

本文采用松原市最新土地利用数据.数字高程数据来源于地理空间数据云,采用ASTER GDEM V3数据,空间分辨率30m,数据时点2020年8月,基于ArcGIS10.3平台进行数据处理,计算松原市坡度及地形起伏度.遥感影像数据来源于地理空间数据云,采用Landsat8影像数据,空间分辨率30m,数据时点选择植被覆盖程度较好的2020年7、8月,基于ENVI5.3处理,计算松原市植被覆盖度.

2 研究方法

2.1 生态源地识别

生态源地是生态系统中相对稳定、且对生态安全具有重要意义的生境斑块[16],是构建生态安全格局的基础所在,本文采用强调结构连接的形态学空间格局分析方法(MSPA)识别生态源地[17].

图1 松原市初步生态源地

结合松原市生物多样性现状,以松原市国家一级保护动物东方白鹳为指示物种,考虑其栖息和觅食空间,将林地、草地、水域和湿地这四类具有高生态服务价值的自然景观作为MSPA分析的前景,将其余地类作为背景,利用Guidos软件,对土地利用数据进行MSPA分析,得到7种互不重叠的景观类型,综合考虑斑块面积和连通性两方面,以面积最大的30个核心区斑块作为初步的生态源地[18](图1).基于Conefor2.6软件,对初步生态源地进行景观连接度评价,选取最终的生态源地.

2.2 生态阻力面和廊道构建

阻力面是物种在不同景观单元之间迁移时受到的阻碍,由此计算物种在克服阻力情况下扩散路径[19].生态服务价值越高,物种迁移受到的阻力越低,反之则越高[20].本文以土地利用类型构建阻力面为基础,结合MSPA 7类景观类型、植被覆盖度､坡度和地形起伏度作为阻力层,共同构建综合生态阻力面,各阻力因子及其权重设置参考已有文献、研究成果[21-23].

生态廊道作为生态源地间直接传递物质和能量的通道,是生态修复中改善连通性的关键.本文生态廊道构建以综合阻力面构建为基础,借助Linkage pathway tool工具加以实现.基于电路理论的连接度模型考虑物种随机游走的特性[24],能够更为准确的模拟物种迁徙的真实状况,特别是在缺少目标物种的迁徙数据时,采用多路径模拟可以预测非均质景观条件下物种迁徙的多种可能性,得到合理的物种扩散路径[25-26].

2.3 生态夹点识别

生态夹点是生态网络中电流高密度区域,代表生物迁徙过程中通过可能性较高或者无其他代替路径的区域,此类节点承载着重要的连通性功能,容易面临较高的生态风险[27],故生态夹点可作为防止栖息地退化或改变的关键位置.

由于物种迁移存在随机性,无法主观上识别最优迁徙路径,电路理论将“随机游走理论”与行为生态学相联系起来[28],在预测物种随机迁徙路径和种群扩散概率方面表现突出[29].本文运PinchpointMapper工具进行识别,选择能够识别整个景观生态夹点的“all to one”模式作为运算方法,遴选电流密度大、处于廊道瓶颈点与交汇地区且具有较强不可替代性的斑块作为生态夹点.

2.4 生态障碍点识别

生态障碍点指物种在生境斑块间运动受到阻碍的区域,通过计算清除障碍点后电流恢复值的大小来识别,移除这些区域可显著提高生态源地间的连通性,得分越高的障碍点被清除后对整体景观连通性改善越大,其修复可明显减小生物迁徙过程中受到的阻力[30].本文运用Barrier Mapper工具,设定100m为最小搜索半径、500m为最大搜索半径、100m为步长,采用窗口移动法搜索生态障碍点,得出累积电流恢复值示意图作为生态障碍点选取依据[31],并结合土地利用现状,提出具体的生态保护与修复的建议.

3 结果与分析

3.1 生态源地识别

本文以MSPA分析选择的面积前30的初步生态源地斑块为基础,利用Conefor2.6软件,考虑松原市指示物种东方白鹳的栖息范围和觅食距离,设置连接距离阈值为5000m,连接概率0.5,进行景观连接度评价,选择面积大于8km2且dPC³0.5的9个斑块作为最终的生态源地(图2).生态源地面积共计787.95km2,占松原市土地总面积的3.72%,占MSPA分析中前景地类的16.19%.生态源地现状土地利用类型以水域和草地为主,其中水域面积为430.57km2、草地面积为177.54km2,分别占生态源地总面积的54.64%和22.53%.所识别生态源地集中分布于松原市中东部的前郭县和宁江区两地,前郭县生态源地面积最大,面积达407.41km2,占生态源地总面积的51.71%.

图2 松原市生态源地

3.1 阻力面设置

参考已有文献和研究成果,选取土地利用类型[32]、MSPA景观类型[21]、植被覆盖度、坡度和地形起伏度[33]5种阻力因子,合理设置阻力层次权重和阻力值(表1),构建综合生态阻力面(图3).对应阻力值越高,则表示穿越该斑块所耗费的代价越高,松原市高阻力地区多集中分布于人为活动密集区域.综合阻力面分布从整体上而言,呈现较为细碎的状态,且与土地利用类型阻力面较为相似,除高值区域集中于宁江区中心建成区之外,其余分布零散.

图3 松原市综合生态阻力面

表1 阻力因子属性

续表1

图4 松原市生态廊道

3.3 生态廊道提取

基于生态源地和综合生态阻力面的构建,结合电路理论,松原市生态廊道识别出活跃和非活跃两种生态廊道[34],共计36条,全长2752.89km.综合考虑生态廊道长度､连接斑块的重要程度和廊道可替代性等因素,保留其中23条廊道,并将其分为两级,其中一级生态廊道16条,二级生态廊道7条(图4).

从生态廊道的数量特征上来看,松原市一级生态廊道长度共计841.87km,其中最长的一级廊道长度为171.79km,最短的一级廊道长度仅为72.43m,连接第二松花江上两处紧邻的生态源地;松原市二级生态廊道长度共计616.31km,其中最长的二级廊道长度为192.77km,最短的二级廊道长度为30.72km.从生态廊道的空间分布上看,一级生态廊道主要分布于乾安县与前郭县,二级生态廊道分布于扶余市、宁江区和前郭县.松原市中南部地区的长岭县和前郭县地类以耕地为主,缺少生态源地,该区域的廊道密度远低于中东部地区生态源地分布密集区域的密度,具有明显的空间分布差异性.整体自西南向中东部逐渐呈现复杂化态势,连通性逐渐增强,形成由源地和廊道构成的基本生态安全格局.

3.4 生态夹点识别

在“all to one”模式下,廊道电流强度最高为2.125.松原市共识别生态夹点16处,面积共计180.71km2,主要位于前郭县和乾安县,松原市生态夹点分布状况详见表2,其中最大一处生态夹点面积为51.03km2,最小一处面积仅为0.56km2.从生态夹点位置分布上来看,主要位于生态源地附近,即出入生态源地的关键廊道区域(图5).叠合土地利用数据与遥感影像可知,生态夹点区域现状地类以耕地､林地､草地､水域为主,占比分别为60.36%､16.14%､9.44%和7.88%,所识别生态夹点体现出景观类型单一且结构较为完整的状态.

3.5 生态障碍点识别

基于累积电流恢复值高值区,松原市共识别生态障碍点24个,总面积298.10km2,其中生态障碍点最大面积为42.73km2,最小面积为2.07km2,从生态障碍点分布状况看,主要分布于乾安县(12处)与前郭县(9处)两县(图6),松原市生态障碍点分布状况详见表3,多位于生态源地和生态廊道连接处与多条廊道交叉重叠处,并与土地利用数据和遥感影像叠合可知,生态障碍点区域现状地类以耕地､其他土地、交通运输用地和住宅用地为主,占比分别为71.26%､3.08%、2.64%和2.14%,所识别生态夹点与生态障碍点存在少量重叠,面积31.31km2,说明该处对于物种迁徙而言极为重要,且生态障碍点景观不同于生态夹点景观类型,以大量受到人为活动干扰的景观为主,且景观呈现出明显的破碎化现象.,耕地、建设用地等长期受到人类活动影响,由于下垫面性质发生改变,均可对物种迁徙产生不同程度的阻碍作用,可直接反映出人类活动对生态及景观连通性的负面影响.

图5 松原市生态夹点

表2 松原市生态夹点分布状况

图6 松原市生态障碍点

表3 松原市生态障碍点分布状况

4 关键区域生态修复策略

基于生态安全格局理论,结合生态阻力面､生态廊道､生态夹点､生态障碍点等相关概念,识别松原市生态修复的关键区域.所识别生态夹点区域与生态障碍点区域存在重叠､相交现象,对于物种迁徙而言极为重要.生态夹点和生态障碍点的分布多位于生态源地附近,为源地与廊道交汇处.对于关键生态节点的有效识别与修复,可有力保障松原市生态空间稳定性,提升生态系统服务能力.

4.1 生态夹点保护措施

综合考虑国土空间生态保护与修复以及生态夹点识别区域现状土地利用情况,生态夹点主要以保护为主,人为修复为辅的方向,提出如下分类修复建议:

生态夹点区域土地利用现状为耕地的,可通过在该区域耕地周围多种植林木,构建林带,降低生态阻力,以达到提高景观连通性、生态功能的目的.

生态夹点区域现状为林地、草地的,需加强植被培护、林种搭配,采取林分改造、林农混作、森林生态工程等措施,改善林地群落结构[35],为物种的迁徙、栖息、繁衍等提供良好的生态空间.

针对河流湖泊等水域用地,需着重维持水域空间的数量、结构与整体功能的稳定性[36].应注重污染防治、河道清淤等工程,加强水域自然岸线的构建,适当拓宽河岸绿地,注重生态养护,尽可能营造良好的优质绿色空间.

4.2 生态障碍点保护措施

生态障碍点区域的修复可极大地减少生态过程中的阻力、增强景观连通性,有效优化区域整体的生态安全格局,理应作为国土空间生态修复的优先区域,该区域理应采取修复为主,保护并重的修复措施,结合现状土地利用情况,提出如下建议:

生态障碍区域的修复关键在于重点提升耕地的生态服务能力,若各方面条件允许,可按照绿色、生态、高效的原则实施退耕还林、还草.

对于生态障碍区域内的林地、草地需加强管护,扩大林草地面积,提高植被覆盖率,以达到提高该片区域整体景观连通性的目的.

生态障碍区域内的存在少量水域及水利设施用地,需将其放置于一个流域体系内、综合上下游、左右岸现状[37],综合考虑流域各类生态系统,如水岸植被生态系统、湿地生态系统等.针对水域面积萎缩、流域种植业面源污染、湖滨缓冲带生境破碎、底泥内源污染累积和水生态功能退化等具体问题,围绕“控源截污——清水廊道构建——湖滨拦截净化——湖体生态修复”的逻辑采取外源污染系统控制、湖滨缓冲带生境修复、底泥污染控制、水生态功能调整等措施,以增强水域调节径流、供给水源、提供生物栖息地、维护生物多样性等功能.

生态障碍区域的其他土地以裸土地和盐碱地为主,对于此类土地,应采取相应的生物、技术措施,力求根本上减轻土壤盐碱化危害,推进耐盐耐碱的牧草种植,抑制土壤盐分上升,综合运用土地整治、土壤改良等方法,促进退化土地修复,实现该片区域的生态功能逐步恢复.

生态障碍区内散布有少量交通运输用地与住宅用地,对于物种的迁徙构成较大威胁,但由于公路、铁路等基础设施无法移除,在对该类土地的进行修复时,优先考虑在道路附近添加小型生境斑块来弱化阻力,若有必要,可根据实际情况采取修建涵洞、隧道等生物通道,零星居民点的合村并居的措施,以保障物种迁徙的顺利进行.

5 讨论

本文基于MSPA分析识别生态源地,能够以较少的数据获得较为精确的景观分布状况.MSPA分析方法对景观尺度比较敏感,设置不同的栅格大小,其结果会发生变化,比如栅格设置过大容易使较小的核心区斑块变为孤岛影像分析结果,在多次对比试验和考虑松原市实际土地利用情况下,选择30m×30m的栅格大小,设置边缘宽度为60m,基本可以满足要求.

综合阻力面中阻力因子的选取和赋值,国内外目前尚无统一标准,本文以具有代表性的高程、坡度、植被覆盖度、土地利用类型和MSPA景观类型作为阻力因子,构建综合阻力面.研究区内详细物种资料收集存在困难,难以全面衡量物种特性进行阻力赋值,本文以松原市国家一级保护动物的东方白鹳作为指示物种,考虑其栖息地范围和觅食距离,存在片面性,该部分数据的科学性和准确性有待加强,今后的研究将进一步细化研究本地物种种群,探究更为合理的廊道宽度.

从生态节点的组成地类和分布状况可知,每个待修复的生态节点中均含有多种不同的景观类型,景观的破碎化和差异化致使其生态功能极易受到破坏,与研究区内实际情况相符合.生态夹点作为物种迁徙的必经之地,含有较多的生态景观斑块,景观连通性好.生态障碍点则明显具有人工干扰痕迹,包含大量的耕地､建设用地等,导致景观连通性较差.生态关键节点的保护与修复能极大的改善研究区整体的生态稳定性和景观连通性.

6 结论

6.1 松原市共识别生态源地9个,面积共计787.95km2,占生态用地的16.19%.现状地类主要为生态功能及生物多样性较为丰富的水域和草地;生态廊道23条,共计1458.18km,一级廊道16条, 841.87km,二级廊道7条,616.31km.空间分布上,生态源地与生态廊道集中于松原市中部,生境质量具有较大的提升空间.

6.2 松原市识别待修复的生态夹点16个,涉及区域面积共计180.70km2,现状地类主要为耕地、林地、草地、水域;生态障碍点24个,涉及区域面积298.11km2,现状地类主要为耕地、其他土地、交通运输用地和住宅用地,生态夹点与生态障碍点识别区域重叠面积31.31km2.生态夹点与生态障碍点的修复,应强化生态服务供给能力,恢复生态本底,将对松原市生境连通性能起到较大的提升作用.

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Identification of key areas of ecological protection and restoration based on the pattern of ecological security: A case of Songyuan City, Jilin province.

CAO Xiu-feng, LIU Zhao-shun*, LI Shu-jie, GAO Zhen-jun, SUN Bei-wen, LI Ying-xue

(College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130012, China)., 2022,42(6)：2779～2787

From the perspective of ecosystem integrity and structural connectivity in the context of ecological civilization construction, this paper takes Songyuan City, Jilin Province, as the study area. This paper integrated MSPA analysis, landscape connectivity evaluation, and circuit theory to construct an ecological security pattern and identify key areas for ecological restoration in Songyuan City. The results showed that: In Songyuan, a total of 9 ecological sources covering an area of 787.95km2have been identified, with water and grassland being the main components, that plays an important role in regional ecological security. A total of 23 ecological corridors are identified in Songyuan, including 16 primary corridors and 7secondary corridors, with a total length of 1458.18km. Based on the ecological security pattern, the key areas of ecological restoration in Songyuan City are identified, including 16 ecological pinch points with an area of 180.70km2and 24 ecological barrier points with an area of 298.11km2. Based on a comprehensive analysis of the spatial distribution and land use status of key ecological restoration areas, targeted ecological restoration strategies are proposed.

ecological security pattern；ecological restoration for territorial space；MSPA；circuit theory；Songyuan City

X171

A

1000-6923(2022)06-2779-08

曹秀凤(1998-),女,上海人,吉林大学硕士研究生,主要从事土地生态经济系统优化方向研究.

2021-11-09

国家自然科学基金项目(71303006);松原市自然资源“十四五”规划项目(JLXB2021010)

* 责任作者, 副教授, zhaoshun@jlu.edu.cn