开都河流域生态安全格局构建与生态修复分区识别

周 璟,王宏卫,*,谈 波,马 晨,王晓琴,代芯妍

1 新疆大学地理与遥感科学学院,乌鲁木齐 830017 2 新疆绿洲生态自治区重点实验室,乌鲁木齐 830017

国土空间生态修复是新时期我国深入推进生态文明建设的重大举措和提升国家治理体系治理能力现代化的重大议题[1],生态修复分区则是科学编制国土空间生态修复规划并有效进行生态修复的重要前提[2]。基于此,我国学者开展了大量生态修复的相关研究,对形成科学合理的分区划定方案,提高生态修复工作的针对性与靶向性具有重要意义[3—4],并主要形成4类研究体系：一是依据区域主导功能确定修复分区与工程模式[2,5],二是建立综合指标体系识别区域生态问题,并进行生态修复分区[6—7],三是从区域生态系统服务供需角度开展生态修复分区划定[3,8],四是运用生态安全格局研究范式进行生态修复分区研究[9—10]。其中,构建生态安全格局具有保障区域生态系统整体健康并完善空间配置方案的基础作用[10—11],有利于维持景观格局的整体性和生态系统功能的完整性[9,12],是当前生态修复领域的主流技术模式[13—14]。

目前生态安全格局构建的相关研究多采用“源地识别-阻力面构建-生态廊道提取”的研究范式,亦有学者将“夹点”、断裂点等考虑在内[15—16]。研究方法多运用斑块重力模型、蚁群模型、最小累积耗费模型和电路理论等,其中蚁群模型和斑块重力模型不能有效识别生态廊道[17],最小累积耗费模型忽视生物的随机游走性,难以直接体现廊道中的关键点[18]；而电路理论能通过源地间电流强度反映生态斑块和廊道的相对重要性,同时可以运用电子在电路中随机游走的特性,预测物种运动规律并识别可能的移动路径,该方法在一定程度上更符合生物体的行为特征,已在研究中广泛应用[19—21]。但现有研究多囿于行政边界[9—10,18],而生态安全问题的产生和发展并不完全受行政边界制约,特定行政区生态安全格局构建需要考虑更大自然地域空间范围内相关因素的影响[11]。

开都河流域位于新疆塔里木盆地北缘,流域内含我国最大的内陆淡水吞吐湖和重要的自然保护区,其生态状况对下游水域及人类生产生活都具有重要影响,保持并维护该流域生态安全至关重要。本研究以此为研究区,参考相应景观生态学理论和电路理论,在对研究区增加20%缓冲区的基础上,提取生态廊道、夹点等生态安全格局构成要素,并参考研究区生态功能区划,划分该流域生态保护与修复分区,以期为当地生态修复工程实施和国土空间管治提供参考。

1 研究区与数据来源

1.1 研究区概况

开都河 (82°28′—88°20′E,41°23′—43°31′N) 地处新疆巴音郭楞蒙古自治州境内(图1),发源于中天山,流经大、小尤鲁都斯盆地,最终注入中国最大的内陆淡水湖泊博斯腾湖,与孔雀河组成塔里木河下游源流,年径流量33. 4亿m3；流域内行政区域包括和静县、焉耆回族自治县、和硕县和博湖县[22],气候类型为温带大陆性气候,具有南北疆过渡性气候特征,土壤质地多为砂质壤土,土壤类型以潮土为主,流域内还有盘羊、北山羊、猞猁、鹅喉羚等珍稀动物及2200余种野生植物[23]；作为巴州境内最大的一条内陆河,开都河孕育了流域内的44.11万人口,被誉为巴州的“母亲河”。

图1 研究区概况Fig.1 Research area

1.2 数据来源与预处理

2018年土地利用数据、中国年度1km植被指数(NDVI)空间分布数据集和国家级自然保护区边界数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/)；夜间灯光数据来源于科罗拉多矿业大学数据下载网址(https://eogdata.mines.edu/products/vnl/)；生态功能区划数据为中国科学院生态环境研究中心的中国生态功能区划方案研究成果,来源于中国生态系统评估与生态安全数据库(http://www.ecosystem.csdb.cn/)。

本文对研究区增加20%的缓冲区,将土地利用类型划分7个一级地类(耕地、草地、水域、林地、建设用地、裸地及其他用地)和沼泽地、灌木林等23个二级地类,数据的空间坐标统一为GCS_WGS_1984坐标系和UTM投影。

2 研究方法

2.1 生态安全格局构建与生态修复区域识别

2.1.1生态源地识别

生态源地是对周边区域具有重要辐射功能的生境斑块,应具有较高的生境质量。InVEST模型的生境质量模块能对区域生境质量进行定量评估,以斑块功能属性指导源地识别[11,24]；形态学空间格局分析(MSPA)强调结构连接,能从像元层面识别具有连通重要性的七大景观类型,且受空间尺度影响小,两种方法的分析机制具有互补性[25—26]。本研究以InVEST模型生境质量模块结合MSPA分析方法识别生态源地。参考模型使用手册[27]、研究区实际情况及相关文献[12]设置参数,模型计算公式如下：

(1)

式中：Qxj为j地类中栅格x的生境质量指数；Hj为j地类的生境适宜度；Dxj为j地类中栅格x的生境退化度；k为半饱和常数,取0.5;z为模型默认参数。

选取生境质量指数大于0.8的高生境质量区域作为源地备选区[28],并作为MSPA分析的前景,为区分次优斑块中相同覆盖度草地植被的不同生长状况,将NDVI高、较高值区域也纳入前景中识别七类景观要素,并以50km2为阈值[29]在核心区提取本文生态源地。

2.1.2电阻面构建

电路理论中不同景观类型根据是否促进物种迁移扩散被赋予相对较低或较高的电阻[30]。电阻面即生态学中的阻力面,土地利用类型是阻力面构建的基础阻力因素[18,31]。参考相关研究[32—33],本文基础电阻面赋值如下：林地为1,高、中、低覆盖度草地分别赋值3、10、20,水域为3,耕地为30,沼泽地为25,裸地及除沼泽地外的其他用地为70,建设用地赋值100。本文引入人类居住合成指数(HSI)[34—35]对基础电阻面修正,公式如下：

(2)

(3)

式中：Ri为修正后栅格i的电阻值,HSIi为栅格i的人类居住合成指数值；HSIa为栅格i对应景观类型a的平均人类居住合成指数值,R为栅格i对应景观类型的基础电阻值；NDVI是归一化植被指数,NTL′是归一化后的夜间灯光数据。

2.1.3生态廊道提取

生态廊道是物种、信息和能量流动的沟通桥梁,承担物种迁移、生存繁衍等基础功能及防风滤污、保护隔离等生态修复功能[36—37]。本文利用Circuitscape插件中的Linkage Mapper模块构建生态廊道,选取含河流外缘 1000 m缓冲区范围的主要河流作为本文河流生态廊道[38]。运用Centrality Mapper模块进行中心度识别以量化路径重要性[20],将累积电流值前30%的廊道和河流生态廊道作为关键生态廊道,其余廊道划分为重要生态廊道。

2.1.4生态“夹点”及障碍点识别

生态“夹点”是表征生境连通性的景观关键点,其退化或损失可能会切断源地间的连通性,应优先进行保护[15,39]。本文利用Pinchpoint Mapper模块识别生态“夹点”。

障碍点是阻碍物种在斑块间移动的区域[18],可根据对障碍点清除后的电流恢复值来识别；该区域的消除或生态恢复对源地间的连通性具有增加作用[40]。本研究利用 Barrier Mapper 模块识别障碍点区域。

2.2 生态修复分区

生态修复分区是在生态区划基础上进行的,其出发点和落脚点都是“主导生态功能”[2,41],参考相关研究,本文将涵盖研究区功能基础分区的生态功能区划作为基础背景[2],结合生态安全格局构建及生态基底提取修复重点区域,并将主导生态功能作为分区修复的重要目标[5,41],最终形成不同修复单元得到本文分区结果。

3 结果与分析

3.1 基础生态安全格局构建

3.1.1生态源地识别

由图2可知,开都河流域生境质量存在明显的空间分异,总体呈西北高、东南低,湖泊、山区高,盆地、平原低的分布特征；高值区主要分布于博斯腾湖区和研究区西北部和静县山区,低值区呈半环状或条带状分布于博斯腾湖周边,原因是受地形、气候等自然条件影响,西北部的天山南麓区域分布有连接成片的大面积草地且受人类活动干扰较少,生境质量相对较高；而博湖东部大面积戈壁、裸岩石质地交错分布,西北部焉耆盆地聚落密集,受人类活动影响明显,使该区域生境质量处于相对较低水平。根据MSPA分析结果(表1),研究区内核心区面积为17106km2,占总面积的31.84%,在7种景观类型中占比95.97%；共选出12处生态源地(表2、图2),面积15468.94km2,以大面积不规则斑块为主,最大斑块面积9683.54km2,含巴音布鲁克国家级自然保护区和巩乃斯国家森林公园,占生态源地总面积的62.6%,高覆盖度草地是源地主要用地类型,面积达70.63%。

图2 生境质量及生态源地空间分布Fig.2 The distribution of habitat quality and ecological source areas

表1 形态学空间格局(MSPA)分析景观分类统计

表2 生态要素分类统计

3.1.2电阻面构建

根据地类赋值结果,研究区基本阻力值西北低、东南高,有以东北-西南走向为界限呈两级分异的趋势(图3)。其中西北部高、低阻力值相间分布,形态与新疆“三山夹两盆”地形类似,东南部较高阻力区环博斯腾湖分布并有较低阻力区对其进行带状分割。经人类居住合成指数修正后,研究区最高综合阻力值达2060.43,相应阻力分布特征与修正前大致相当,但修正结果对地类内部阻力值变化的刻画更加精细,能为本文构建区域生态安全格局并进行生态修复分区提供重要支撑。

图3 生态阻力值空间分异Fig.3 Spatial differentiation of ecological resistance value

3.1.3生态廊道提取

研究区内共含24条生态廊道(图4),长度介于0.77—72.41km之间,共498.87km(表2),以研究区北部及中部区域较为密集,博斯腾湖以东区域无廊道分布,原因是东部区域戈壁、荒漠连片,既无适宜生物栖息生存或中转的源地分布,也不适宜生态廊道在此延伸；同时该区域平均廊道长度20.36km,低于平均长度的短距离廊道占比达62.5%,多分布于靠近研究区外围的西南部及北部边界区域,原因是研究区西部、北部天山山脉的森林草地连片分布,形成生境质量与植被长势较好的源地,且源地间阻力较小、距离较近,连通性强。此外,根据中心度识别结果,研究区累积电流值为6.56—87.79,选出7条关键生态廊道的最小累积电流值为30.36,能直接联通中心度排名前3的大面积源地,并与研究区内重要河段有路径重合,结合主要河流廊道分布情况,本文共选出15条关键生态廊道；同时本文河流廊道与其他重要生态廊道也有路径相交及相接情况,共同形成廊道网络,为沟通生态源地提供多种可能。

图4 生态安全格局Fig.4 Ecological security patterna—b为生态安全格局局部细节图代号：显示典型区域各生态安全格局构成要素分布情况

3.2 生态修复区域识别

3.2.1生态“夹点”及障碍点识别

将电流强度分为3级,识别31处“夹点”区域(图4、图5),面积91.29km2,以条带状分布为主；其中最大“夹点”为东西走向,位于和静县南端,面积17.08km2,该区域可通过河流廊道直接沟通西部最大源地斑块与博斯腾湖湖区,且与一条高中心度生态廊道重合,是沟通源地斑块的重要区域,具有极高的生态价值,因而形成“夹点”；另有8个“夹点”位于河流关键廊道上,其余分布在源地与廊道交点处及研究区边界处,原因是河流廊道本身就有较强的生态流动性,形成“夹点”的可能性高,而源地间廊道连接时,交界处为物质能量流动的关键区域,也易形成“夹点”；此外和静县西北部廊道存在多个“夹点”区域,在保护生态网络完整性及生态修复过程中需予以重视,纳入全局考虑。

图5 “夹点”生态电流强度及障碍点改善得分Fig.5 Pinch points ecological current intensity and barrier points improvement scorea—b为“夹点”电流强度局部细节图代号：电流值越高,越易形成“夹点”；c—d为障碍点改善得分局部细节图代号：得分越高,越易形成障碍点

将障碍点识别结果3段分级,一级改善区作为障碍点区域,改善得分30.14—83.55。共识别障碍点9处(图4,图5),面积240.32km2,其中191.32 km2的障碍点位于生态廊道上,对区域景观连通性具有重要影响,原因是障碍点区域主要为裸岩石质地及戈壁,林地、草地等生态用地仅占14.14%,生态廊道在此延伸受阻或很难稳定维持廊道生态基底的稳定性,故形成本文障碍点区域；同时本文障碍点为大面积斑块,消除难度大,源地间连通性在现有基础上提升的可能性较低。而涵盖障碍点的二级改善区有6处,相关生态用地占比32.69%,可尝试对该区域生态用地加以保护,在一定程度上提升源地间联通的可能性,为廊道延伸提供便利。

图6 生态断裂点分布Fig.6 Distribution of ecological breakpoints

3.2.2生态断裂点识别

大型交通线路及设施是区域间人类活动联系的纽带,也是经济网络的重要组成部分；但从生态角度出发,交通线路布局会影响区域景观完整性,具有使景观破碎化加剧的可能,在一定程度上影响或阻碍生物流动及迁徙。本文识别高速公路、铁路、国道与廊道相交的24处区域作为生态断裂点(图6),以南疆铁路与廊道产生交汇的断裂点最多,达12处,与国道产生断裂点7处,高速公路断裂点5处,主要集中于和静县东南部及焉耆回族自治县东北部,多沿开都河水系分布；其中焉耆境内高速公路G3012和南疆铁路与开都河有多处相交,同时南疆铁路与216国道、218国道在和静县境内与开都河南北走向段距离较近且汇集延伸,呈路网与天然河流廊道并行态势,形成重要的带状保护修复区。

3.3 生态修复分区及优化

3.3.1生态修复分区

以涵盖研究区功能基础分区的生态功能区划为基础背景,综合考虑研究区生态基底、自然保护区位置及各生态安全格局构成要素分布(图3、图4),提出本文“一轴、两核、一网络、多片区”的开都河流域生态保护与修复格局(图7)。

“一轴”为开都河流域生态保护与修复发展轴。从生态安全格局角度看,该轴以北含影响景观连通性的全部障碍点区域,因修复可行性低侧重生态保护,加之该区域含国家级自然保护区和70.97%的“夹点”区域,使该片区生态保护至关重要；从生态基底和生态功能区划角度看,该轴以北侧重水源涵养与生物多样性保护功能,在生态保护上具有共性,故划分为北部山地保护修复区,面积达37136.72km2。该轴以南70%的“夹点”在河流廊道上,且河流经焉耆盆地注入博斯腾湖,区域水生态治理和保护具有重要意义；同时本文62.5%的断裂点分布与此,为避免影响廊道完整性和区域连通性,亟需进行断裂点修复；此外该区域分属不同生态功能区,各功能区具有特性,生态问题各有侧重,划分为南部盆地平原修复区,面积16590.16km2。

图7 开都河流域生态保护与修复格局Fig.7 The pattern of ecological protection and restoration in the Kaidu River Basin

“两核”为两个生态保护与修复核心。北部巴音布鲁克是全国第一个天鹅自然保护区,含野生动物145种,植物704余种[42],划分为北部生态保护与修复的核心。南部博斯腾湖是重要的鸟类繁殖地及新疆最大的渔业生产基地,也是孔雀河的唯一源头,划分为南部生态保护与修复的核心。

“一网络”为“两横一纵”的关键廊道网络。其中,北部廊道网络由“夹点”最多且长度最长的单一生态廊道与三条高中心度关键廊道横向串联组成,南部廊道网络由东西向河流廊道、最大“夹点”区域和两条高中心度关键廊道构成,横纵廊道在研究区中部相交并将各源地斑块串联,形成重要的区域关键廊道网络。

“多片区”为6个生态保护与修复分区。巴音布鲁克作为和静县重要牧区含乌兰恩格等重要牧场,参考生态功能区划方案及自然保护区范围,将尤尔都斯盆地草原牧业、湿地生物多样性保护生态功能区界定为本文生态保护核心区,维护湿地生态的同时注重周边畜牧业开发及管理；核心区外的源地区域生境质量及NDVI相对较高且综合阻力相对较小,划分为本文生态保护关键区,其余轴北区域是源地间流通的缓冲过渡区域,各生态安全格局构成要素穿梭于此,划定为生态保质提升区。南部盆地平原修复区参考生态功能区划、现有博斯腾湖国家湿地公园建设及各生态安全格局构成要素的分布,划分为湖泊湿地修复区、焉耆盆地绿洲区和荒漠植被脆弱区。

3.3.2生态保护与修复策略

北部山地保护修复区：对该区域的生态保护核心区,要注重湿地生物多样性保护及草原牧业开发和管理,针对区域典型的草原退化、病虫鼠害问题开展定期筛查及生态承载力测算,另要开展牧民转场迁徙廊道研究,并对相应廊道进行针对性保护。对生态保护关键区,要以维护山区水源涵养和生物多样性保护功能为指引,与缓冲区范围内的自然保护区、森林公园等合作,共同开展保障草原生态功能的实践活动。对生态保质提升区要考虑各要素生态本底涉及的非生态用地对区域生态保护的限制性,针对“夹点”、障碍点等区域开展实地考察,并以实际情况指引相应区域缓冲区划定、封育、人工培植等措施实施。

南部盆地平原修复区：对该区域的湖泊湿地修复区,要巩固已有生态修复基础,注重湖泊水源涵养的主导生态功能,可针对性开展湖滨缓冲带划定及水生态修复相关研究,以保护湖区生态环境。对焉耆盆地绿洲区要保护基本农田、防治盐渍化及注重生态断裂点修复,具体要评估现有通道的有效性和断裂点修复的可行性,另可参考国道216动物天桥架设经验,在可能的情况下分离生态廊道与交通线路。对无源地、廊道分布的荒漠植被脆弱区,要跟进优良植物种质资源在该区域的生长状况,并尝试改良盐碱环境,以增加多种植被生长的可能性；同时要严格矿山管理,积极进行植被恢复,避免当地生态状况恶化。

4 讨论

图8 样例源地斑块示例Fig.8 Example of ecological source plaque

本文不同于以往直接以行政边界为界限进行生态安全格局构建的研究,而是对研究区增加20%的缓冲区进行各生态安全格局构成要素的识别,具有以下三方面优势：一是能全面提取各生态安全格局构成要素,使局部地域研究具有了全局性考量,研究结果更具可靠性；二是增加缓冲区范围能达到降低研究区边缘阻力值估计偏高的效果[43]；三是避免人工边界对电子游走产生障碍,能在一定程度上消除软件自身的误差[19,21]。其中 Koen等指出缓冲区能移除节点附近电流估计较高造成的偏差,且≥20%的缓冲宽度足以用于研究不同比例和形状的栖息地区域[44]。根据本文研究结果,以缓冲区边界为界提取源地时(图8),斑块1和斑块2为一个整体,同属西部最大源地斑块,且以50km2为阈值筛选源地时,源地包含斑块3和斑块4；而以研究区行政边界进行源地提取,会使斑块1、斑块2人为割裂,斑块3、4因面积较小被剔除,相应的会造成其他生态安全格局构成要素遗失或不当识别,如连接斑块3和斑块5的研究区最长生态廊道及相应“夹点”、障碍点区域未识别。但本文未能详细探讨具体的边界效应及缓冲区对电阻估计过高的消除作用,是本文后续深入研究的方向。

同时以往研究主要运用TDVI/NDVI数据、不透水面数据[45]、夜间灯光数据[16,25]及引入隐形阻力面[10,15](坡度、地形起伏度、植被覆盖度等)等方法,对基础阻力值进行修正,也有研究采用土地覆被类型、容积率和建筑密度进行阻力值设定[21],但阻力值高低是自然基底和人为影响共同作用的结果,在进行阻力值修正时,应将二者同时考虑；因此本文结合NDVI与夜间灯光数据,引入人类居住合成指数(HSI)进行阻力值修正,既反映人类活动强度的影响,也考虑隐形阻力面的作用,为今后生态安全格局构建的相关研究提供新思路。

5 结论

本研究以开都河流域4个县市为研究区,综合运用InVEST模型、MSPA分析及电路理论相关方法,构建开都河流域生态安全格局,并结合生态功能区划等,划分流域生态保护与修复格局,提出相应保护与修复策略,主要结论如下：

(1)开都河流域生境质量总体呈西北高、东南低,湖泊、山区高,盆地、平原低的分布特征；生态源地共15468.94km2,源地斑块呈大面积不规则特征,以高覆盖度草地分布为主；生态廊道共498.87km,但短途廊道居多,以研究区北部及中部区域较为密集,共选出15条关键生态廊道。

(2)本文共识别出31处“夹点”,9处障碍点及24处生态断裂点区域,“夹点”多具有分布在河流廊道处、源地与廊道交点处及研究区边界处的特征；障碍点具有单个面积较大、生态用地占比较少,消除难度大的特征；以铁路产生的生态断裂点最多,整体以沿水系分布为主要特征。

(3)本文提出开都河流域“一轴、两核、一网络、多片区”的生态保护与修复格局。根据各分区主导生态功能及各生态安全格局构成要素分布差异,北部山地保护修复区侧重保护辅以修复；南部盆地平原修复区在保护基础上侧重生物措施与工程措施结合,尤其重视断裂点生态修复。最终针对6个生态保护与修复分区,提出相应保护与修复策略。