基于生态源地预测的生态安全格局构建及管控思考

2022-08-04杨立焜石永洪孙道成张又天中规院北京规划设计有限公司北京100044

安徽农业科学 2022年14期

杨立焜，石永洪，孙道成，张又天 (中规院(北京)规划设计有限公司，北京 100044)

在党的十八大报告中，优化国土空间开发格局首次被提升到国家战略高度，其中三大战略格局优化目标之一就是确定生态安全格局，并要求与城市生活格局、农业发展格局相均衡。中共中央、国务院于2019年5月出台《关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》，对生态保护与国土开发协调的空间治理导向进行了明确，国土空间治理向“生态文明”新阶段迈进。生态安全格局的构建主要耦合生态系统的组织结构、功能定位、组合分布，消解对生态系统不利的因素，形成结构完整、功能完备、分布连续的生态空间布局形态。因此，在国土空间规划背景下构建生态安全格局对践行生态空间保护、推进生态文明建设和保障国土空间永续发展意义重大，对于缓解生态保护与经济发展之间的突出矛盾具有重要意义。生态安全格局研究是在景观生态学的基础上发展起来的，国内外已有大量学者开展生态格局的形成演变机制、构建优化、安全预测和调控管理等研究，取得了丰硕成果。

自20世纪90年代以来，国内外研究人员在生态学、环境学理论下，通过对土地利用、模型计算、景观生态格局与区域生态安全的研究，对生态安全与景观生态学、计量地理学进行了交叉融合的探讨，经历了以“生态功能界定—评价体系构建—生态机理挖掘”为主的发展历程，目前生态安全格局优化和构建已形成“生态源地-阻力面-生态廊道”的模式。其中，生态源地识别是构建生态安全格局的重要环节，包括基于用地类型识别方法和综合指标体系评价方法两类。然而，基于“碳达峰、碳中和”的目标，面向气候变化的复杂性，现有研究忽视未来气候变化对生态源地影响，难以直接支撑面向未来的生态保护目标制定和空间管控，需要整合现状与未来构建综合生态安全格局，以促进生态系统服务的协同，维持生态安全。该研究以唐山为例，重点面向气候变化情况下的生物栖息地预测，结合现有保护地、预测生态源地，整合多种生态系统服务重要性，基于最小累积阻力模型识别生态廊道的走向，构建生态网络；通过上述研究，融合生态廊道和区域生态肌理，构建生态安全格局，提出生态保护的空间管控要求，为唐山市国土空间规划提供支撑。

1 资料与方法

唐山市南临渤海，北依燕山，与京津毗邻，是华北通往东北的战略要地，是京津冀城市群的区域中心城市，是环渤海经济带上的重要城市。唐山市陆域总面积为13 634 km，地势北高南低，北部多山，盆地相间，中部为山前平原，南部为滨海平原(图1)。全市资源富饶，具有山水林田湖草矿盐田等要素。

图1 唐山市地理位置(a)和土地利用类型(b)Fig.1 Geographical location (a) and land use type (b) of Tangshan City

该研究所用的数据年份为2020年，其中土地利用数据是第三次全国国土调查数据，数字高程数据(DEM)来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)，降水量数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/)，蒸散量数据是由美国地质调查局提供的MODIS16A产品(https://www.usgs.gov/)，土壤组分、厚度数据来自世界土壤数据库(HWSD v1.2， http://www.fao.org/soils-portal/soil-survey/)，城市热岛效应源数据来自Landsat 8(通过地理空间数据云下载)，归一化植被指数(NDVI)数据来自中国科学院资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn/)。

该研究的方法主要有3部分，即生态源地预测、生态廊道提取、生态安全格局构建。其中本底肌理识别是通过生态本底分析，识别生物生境分布特征；生态廊道提取包括阻力面组成与构建、廊道识别提取。

生态源地预测。生态源地是生态空间中对区域生态安全有重要意义的区域，是具有提供生态系统服务、阻碍生态系统退化及具有辐射功能的特殊斑块，综合生态系统服务重要性中生物多样性保护重要性极重要区，结合自然保护地中的自然保护区，选取作为现状生态源地。最大熵(MaxEnt)模型在生态源地预测研究中进行应用，该方法基于生态位理论模型，由气候、地形等多因子组成，Elith等利用不同生态模型分别进行预测模拟，其中使用不同地区的200多种物种的生物栖息地分布进行了分析，结果表明MaxEnt模型更加准确，并且接近实际分布。MaxEnt模型在生态源地的原理是将生态空间与地理空间进行关联，根据物种现有栖息地分布和栖息地环境影响因子，使用最大熵理论模拟物种的生态需求，通过计算获得范围内物种栖息地分布概率，实现现状和预测生物栖息地在空间上的分布。MaxEnt模型首先对研究区内空间进行有限数量的网格划分，并对各个网格的物种栖息概率进行赋值，公式如下：

(1)

生态廊道提取。根据唐山市地理位置、气候条件，结合已有研究成果，主要选取水源涵养、水土保持、固碳能力、生境质量、热岛效应5类生态系统服务功能建立评价模型，对5类生态系统服务进行重要性评价，最后采用多因子平均加权求和模型建立阻力面模型。

(1)水源涵养。水源涵养根据水量平衡原理构建水量平衡方程，方程中各收入项、支出项和蓄水变量随地区不同而不同，水源的主要来源是降水，而输出的方向主要是地表径流和蒸发等。采用水量平衡方程计算陆地水源涵养功能，计算公式如下：

(2)

式中,TQ为总水源涵养量(m)；为类生态系统多年平均降水量(mm)；为类生态系统多年平均地表径流量(mm)；ET为蒸散发量(mm)；为类生态系统面积(km)；为研究区第类生态系统类型；为生态系统类型的数量。其中，=×，为地表径流系数，不同生态系统类型的地表径流系数不同，一般来说，植被覆盖越高的地方，地表径流系数越小。

(2)水土保持。采用RUSLE方程的水土保持服务模型估算生态系统水土保持功能。计算公式如下：

SC=Ap-Ar=×××-×××××

(3)

式中,SC为土壤保持量[t/(hm·a)]；Ap为潜在土壤侵蚀量[t/(hm·a)]；Ar为实际土壤侵蚀量[t/(hm·a)]。为降水侵蚀力因子[(MJ·mm)/(hm·h·a)]；为土壤可蚀性因子(t·hm·h)/(hm·MJ·mm)；为坡长因子；为坡度因子；为植被覆盖因子；为水土保持措施因子。

(3)固碳能力。陆地生态系统通过对大气CO的吸收并转化为自身生物量的方式，实现碳固定与碳封存，从而维持碳循环平衡，起到调节全球气候的作用。生态系统碳储存由地上生物量(树干、枝和叶、灌丛、草本)、地下生物量(植物根系)、地表枯枝落叶、土壤有机碳构成。土地利用变化是引起陆地生态系统格局和质量变化的主要驱动力，从而影响生态系统的固碳服务能力。InVEST 固碳模型能够针对不同土地利用类型的地上物质、地下物质、枯枝落叶和土壤有机碳量化评估总固碳能力，从而实现碳平衡视角下的陆地生态系统优化管理和决策支撑。具体计算如下:

C_stored=C_above+C_below+C_soil+C_dead

(4)

式中，C_stored为总碳储量(t/hm)；C_above为地上物质碳储量(t/hm)；C_below为地下物质碳储量(t/hm)；C_soil为土壤碳储量(t/hm)；C_dead为枯枝落叶碳储量(t/hm)。各部分碳储量参数根据文献资料获得。

(4)生境质量。生境维持重要性评价常用来反映区域生物多样性，因此使用InVEST 模型评估生境维持重要性，公式如下：

(5)

式中,为生境类型b中a栅格的生境质量指数；为生境类型b的生境适宜度，取值为[0，1]；为半饱和常数，取最大生境退化度的1/2；为归一化常量，通常设为2.5。

(5)热岛效应。该研究用来计算热岛效应的方法为单窗算法，该方式通过使用大气平均作用温度、大气透射率和地表比辐射率这3个参数，对城市热岛进行反演，计算公式如下：

={×(1--)+[×(1-+)++]×-×}

(6)

式中，为实际地温；为亮度温度；为等效气温；和为系数，分别为-67355 351和0458 606；和为变量，使用=和=(1-)[1+(1-)]可计算获得。

生态安全格局构建。以现状和预测的生态源地作为生态空间的基准，其中生态斑块之间仍缺乏必要的空间联系，生态廊道对生态源地连接有积极的影响，是生态源地斑块间物种、信息和能量流通的主要通道。因此该研究采用最小累积阻力模型计算生态廊道分布，在此基础上将生态源地与生态廊道空间叠合形成生态网络。依据水源涵养、水土保持、固碳能力、生境质量、热岛效应5类生态系统服务功能结果，并在此基础上设等权值的生态阻力系数，利用最小累积阻力模型(minimal cumulative resistance，MCR)分析生物从生态关键区扩散到空间某点的最小累积阻力，其计算公式如下：

式中,MCR为从源扩散到空间范围内某一点的累积阻力值；表示物种从源到景观单元的空间距离；表示物种穿越景观单元的阻力值；反映MCR与景观生态过程的正相关函数关系。生态节点一般为廊道的相交或转折点，用来连接相邻生态源地，将关键生态廊道所通过的阻力最大的地方作为生态节点首先区位，通过源地-生态廊道-生态节点的模式构建完整的生态安全格局。

2 结果与分析

通过生态本底分析，唐山市域体现出山陆海自然交互、林水盐系统平衡，决定了不同生物生境分布。基于生态生境空间分布和生态肌理分析，形成北部燕山山区、平原淡水区、平原咸水区、海洋滩涂区四大生态空间分区，以河流为链条，串联四大生态空间分区(图2)。其中，北部山区以林地和草地为主，平原淡水区以林地和耕地为主，平原咸水区以湿地、盐田和耕地为主，南部滩涂海洋区以滩涂湿地、坑塘和海洋为主。

图2 唐山市生态肌理分析Fig.2 Ecological mechanism analysis of Tangshan City

基于生态肌理分布，唐山市形成北部燕山屏障区、中部林田互养区、滨海城海互融区、南部滩涂海洋区四大生态空间分区，以河流为链条，串联四大生态空间分区(图3)。

图3 唐山市生态空间分区Fig.3 Ecological spatial zoning of Tangshan City

气候数据选择来自WorldClim数据库，结合我国2030年碳达峰、2060年碳中和的要求，为提高预测准确性，选取2050年的rcp26场景进行模拟。利用ArcGIS软件提取唐山市具有较强的生物学意义、可反映温度与降水的特点及季节性变化特征的生物气候因子，包括月平均降水量、月平均最高及最低气温等气候指标数据。将现状自然保护地及生物多样性保护重要性分析结果作为现状生物栖息地，并作为物种分布源点，结合筛选后的现状和未来气象预测数据导入MaxEnt模型进行计算，将模拟所得的概率结果数据转为栅格格式并进行重分类，根据适生区值的大小，将潜在分布区等比例划分为低、较低、一般、较高、高5个等级(图4)。

根据潜在分布区分布图，增加的适生区主要集中于北部山区、山前丘陵区和延滦河区域，新增生态源点9处，作为生态保护建设重点空间；主要丧失区域位于曹妃甸延线，受填海及大量工业厂区迁入影响，生态适生性下降，作为生态修复建设重点空间。将现状16处生态源地与9处预测生态源地作为生态网络输入数据。

通过对水源涵养、水土保持、固碳能力、生境质量、热岛效应5类生态系统服务功能确定权重和空间叠加分析，水源涵养、水土保持生态服务功能使用《生态保护红线划定指南》方法进行分级，分为极重要、重要(赋值为5、3)；固碳能力、生境质量、热岛效应采用自然断点法将重要性分为高、较高、中等、较低、低5个评价等级(赋值为5、4、3、2、1)，结果见图5。

从空间分布(图5)看，唐山市水源涵养极重要区主要分布在北部燕山区域和沿河湖水库区域，包括清东陵国家森林公园、鹭峰山省级森林公园、喜峰口风景名胜区、青山关风景名胜区，以及上官水库水源地、潘家口水库等大型湖泊水库水面等。水土保持极重要区分布相对集中在北部燕山区域，主要在鹭峰山省级森林公园、喜峰口风景名胜区、青山关风景名胜区。固碳释氧能力高区主要集中分布在鹭峰山省级森林公园、喜峰口风景名胜区、青山关风景名胜区以及北部山区公益林区。生境质量高区和热岛效应低区分布相对集中，主要在北部山区和南部沿海滩涂海域。

图4 唐山市现状和预测生物栖息地、适生性概率分布Fig.4 Current and predicted biological habitats and habitat suitability distribution in Tangshan City

通过等权值方法，计算得到生态累积阻力面，结果如图6所示。由图6可知，位于北部燕山山区的源地面积较大，且该区域属于低阻力区，源地间连通性条件好，具有重要的生态价值；位于南部平原区，陆地植被覆盖较好，但破碎化严重，阻力较大。

在现状和预测的25个生态源基础上，利用最小累积阻力模型计算生态源地节点与目标节点之间的景观阻力来确定最短路径和最小成本路径，节点之间两两生成廊道，即为潜在的生态廊道。结合考虑重复廊道，根据重叠个数进行赋值并且进行分级(图7)，重叠次数越多，等级和概率越高，代表该生态廊道存在的价值和意义越大。

结合唐山市现状生态环境与未来发展需求，综合考虑区域综合交通和河流水面，将等级和概率较高的生态廊道进行提取，形成稳定的网络结构(图8)，对提升区域生态连通性具有重要意义。一级生态廊道由主干河流水面组成，结合水源涵养重要性，以保障水源涵养生物多样性、生态景观的生态功能为主，其生态修复建设主要内容为依托现状河流水系，把控制堤线或蓝线以外50～200 m区域作为生态绿带，以保护河流两侧生态环境，提升河流两侧景观风貌。二级生态廊道由铁路和高速等区域交通廊道组成，以保障生物多样性、生态景观生态功能为主，其生态修复建设主要内容是在铁路沿线两侧50～100 m、高速公路沿线两侧50～100 m构建区域交通廊道，以提升区域交通线两侧生态景观。

图5 生态系统服务功能评价结果空间分布Fig.5 Spatial distribution of ecosystem service function evaluation result

生态系统服务功能之间存在着复杂的权衡与协同关系，一种生态系统服务的变化会引起其他服务的变化。在国土空间生态安全格局构建中，简单叠加多种生态系统服务识别的生态源地无法兼顾多重生态保护目标。面向不同生态保护目标叠加多种生态系统服务功能，可以促进生态系统服务的协同，实现生态效益最大化。将唐山市生态肌理、生态源地及生态廊道空间整合，获得唐山市生态安全格局(图9)。从图9可以看出，生态功能重要区和源地集中分布在唐山北部燕山区域，形成区域生态屏障，能保障多重生态系统服务的供给，但粮食生产服务的供给能力相对较差。通过生态廊道将中部农林区、海湾生态带进行串联，形成整合的生态安全格局结果。

结合唐山市生态空间格局、生态要素分布和生态修复与国土整治需求，以及北部燕山生态屏障区、中部农林生态屏障区和南部滩涂海洋区空间要求，具体生态保护管控要求如下：北部燕山生态屏障区主要由自然保护地、生态保护极重要区、生态保护重要区、矿山修复区组成，其生态功能以保护保育为主，生态修复为辅；中部农林生态屏障区主要由生态保护重要区、生态廊道建设区、采矿修复区组成，其生态功能以生态修复、生态提质为主；南部滩涂海洋区主要由自然保护地、生态保护极重要区、生态保护重要区、岸线修复区组成，其生态功能以保护保育、生态修复为主。

3 结论

该研究以唐山市为例，提出了基于气候变化下的重要生态源地识别，整合多种生态服务功能评价结果，构建区域生态安全格局。研究结果表明，针对我国“碳达峰、碳中和”目标，结合气候变化情景下生态源地变化，利用最小累积阻力模型，识别了唐山市生态源地、生态廊道，构成由生态肌理—生态源地—生态廊道组成的生态安全格局，形成区域生态网络体系，构建生态安全格局，有效提升生态系统之间的连通性，促进生态物质和能量的流动。整合多种生态服务功能评价，并应用于阻力面构建和生态廊道提取，结合唐山市生态保护修复需要重点、现状河湖水体及河岸带的水生态安全、未来发展需求，构建两级生态廊道体系，以提升生态廊道的连通性。