基于生物多樣性保護的生態空間辨識研究

李昭陽+宋明曉+張贏月+高鏡婷+王孟

摘要：吉林省遼河流域是農業種植和畜禽養殖的重點區域，由于生產與生活空間的不斷擴張，基于生物多樣性保護的生態空間受到侵占，科學地識別和劃定生態空間對于維持區域生態平衡、保障區域生態安全具有重要意義。在構建包括植被覆蓋指數、植被類型、生境服務質量指數、河流廊道連通性指數等4個指標的生態空間重要性評價體系的基礎上，綜合運用3S技術（即遙感技術、地理信息系統、全球定位系統），集成多源空間數據，運用空間分析與因子分析法對吉林省遼河流域基于生物多樣性保護的生態空間進行評價，辨識出關鍵性生物多樣性保護用地空間。研究結果表明：極重要、重要的生態空間主要分布在研究區東南部的林地和河流廊道兩側，須重點保護、嚴禁或限制開發；研究區的西北部除城鎮外的區域評價等級為較重要，主要為農田生態系統；建設用地的生物多樣性程度較低。研究結果可為吉林省遼河流域的生態建設規劃與生物多樣性保護提供相應理論依據。

關鍵詞：生態空間；遼河流域；生物多樣性保護；土地生態管理

中圖分類號： X87；X176文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）07-0220-04

2016年，我國正處于“十三五”規劃的開局之年，經濟保持中高速發展，城鎮化進程加快，經濟發展與生態環境保護間的矛盾仍然存在，土地資源開發利用不合理、資源消耗高、生態系統退化等問題仍較為突出。踐行生態文明理念，走可持續發展的道路，就必須加強對國土空間的科學規劃。2010年12月國務院正式頒布《全國主體功能區規劃》，將國土空間的結構劃分為農業空間、城市空間、生態空間、其他空間。生態空間指在不同空間尺度上，對維護關鍵生態過程和提供生態系統服務具有重要意義的生態系統（土地單元）及其空間部分[1]。保留生態空間對維持生態平衡、保障生態系統連通性、隔離和緩沖有害的環境因素具有重要意義。生態空間的研究重點之一，就是對生態空間進行識別。

根據不同的功能，生態空間可以分為多種類型。生物多樣性是指包括地球上所有的植物、動物、微生物物種及其所擁有的基因，各物種之間及各物種與生境之間的相互作用所構成的生態系統及其生態過程[2]。基于生物多樣性保護的生態空間是指從區域層次上識別生物多樣性保護的關鍵過程和空間格局，保護區域生物棲息地和生態系統的完整性、健康性的生態空間。

國外對基于生物多樣性保護的生態空間研究多是對生態用地的劃分、生態服務功能以及生態系統服務價值進行相關方面的評估。歐洲的研究者基于常規的土地利用體系，將具有維持生物多樣性功能的水域、林地、草地劃分出來[3]。日本學者從土地利用體系中劃分出森林和水域[4]。Malczewski提出了基于地理信息系統（GIS）的多準則土地適宜性評價方法[5]。德國的研究人員Vester F和Hsester A V就生態靈敏度分析模型作了詳盡的闡述[6]。

國內對基于生物多樣性保護的生態空間研究起步較晚，王智勇研究在江河湖泊、山體、風景區、自然保護區、農田、林地等處設禁建區和限建區，通過對生態空間的保護和控制引導城市與區域發展[7]。許爾琪等結合國土規劃提取包括生物多樣性保護區、水源涵養區、土壤保持區、洪水調蓄區、河岸防護帶和防風固沙帶等6類國家核心生態空間，劃定維護國土安全的生態紅線[8]。近年，隨著新農村建設取得顯著成效，呂賢軍等對城鄉生態空間規劃進行了探索，強調生態優先性，既保證經濟的穩定增長又維護了城鄉生態安全格局[9]。高瑞蓮等將3S技術（即遙感技術、地理信息系統、全球定位系統）應用到生物多樣性保護的研究中，打破了傳統調查方法的局限性[10-11]。張黎娜等以受人為干擾劇烈的黃淮海濕地為研究對象，分析生態系統服務的關鍵性生態功能區[12]。Xie等在生態重要性評價中將生物多樣性保護作為重要指標之一，并用生境敏感性指數作為評價標準[13]。

根據我國生物多樣性保護的重要性空間格局可知，吉林省位于生物多樣性保護的重要區[14]。吉林省遼河流域水網密集、植被物種豐富，同時也是吉林省農業種植和畜禽養殖的重點區域，流域生產總值占全省的25%。無論從生態學角度還是社會經濟學角度出發，以吉林省遼河流域作為典型區，進行生物多樣性保護的生態空間識別，對區域生態建設及可持續發展有重要的指導意義。目前，從事基于生物多樣性保護方面的空間辨識研究較少，本研究在前人研究的基礎上，對影響生物多樣性保護的生態空間的指標進行篩選和補充，以便更準確地反映吉林省遼河流域的生態特征，為區域生態安全格局設計以及生態建設提供科學的理論依據。

1研究區概況

吉林省遼河流域地處松遼平原中部，地理位置123°18′～125°36′E，42°36′～44°10′N（圖1），流域面積15 710 km2，占全省總土地面積的8.38%，包括遼源市、四平市2個地級市和東遼縣、公主嶺市、梨樹縣、雙遼市、伊通滿族自治縣等5個縣（縣級市），總人口463萬人。研究區屬于溫帶大陸性季風氣候區，冬季干燥、氣候嚴寒，夏季降水集中、氣溫濕熱，年均氣溫在2～8 ℃左右，年降水量350～700 mm。研究區地處遼河流域上游，同時具備低山、丘陵和平原，地勢由東南向西北緩降，海拔655～99 m。

2研究方法和數據來源

2.1數據來源和處理

本研究主要運用遙感和GIS的空間分析技術，應用平臺為ArcGIS 10.0、Erdas 9.2、Fragstats 4.2。本研究數據及數據源見表1。表1研究數據及數據源

數據來源1 ∶165萬2012年吉林省土地現狀圖《吉林省地圖集》1 ∶165萬2012年吉林省水系濕地圖《吉林省地圖集》1 ∶165萬2012年吉林省植被類型圖《吉林省地圖集》NDVI數據風云衛星遙感數據服務網http：//fy3.satellite.cma.gov.cn/portalsite/default.aspx和LAADS WEB https：//ladsweb.nascom.nasa.gov/（空間分辨率為250 m×250 m）DEM數據國家科學數據服務平臺（分辨率為30 m）

在ArcGIS 10.0中從2012年吉林省土地利用現狀圖中提取主要的景觀類型，包括林地、濕地、水域、草地、農田、建設用地，利用ArcGIS 10.0的空間分析工具對吉林省水系濕地圖作500 m緩沖區，并與提取的景觀類型圖疊加，得到2012年吉林省河流廊道空間分布圖。利用Fragstats 4.2軟件計算河流廊道的連通度，將計算結果在ArcGIS 10.0中進行賦值，得到河流廊道連通性的空間分布圖。利用柵格計算器對土地利用現狀圖進行計算、修正得到生境服務質量圖，將植被覆蓋指數圖、植被類型圖、生境服務質量圖、河流廊道連通性空間分布圖作疊加運算和重分類，最終將吉林省遼河流域生物多樣性保護的生態空間劃為4級，分別為極重要、重要、較重要、一般。

2.2研究方法

基于生物多樣性保護的生態空間是指從區域層次上識別生物多樣性保護的關鍵過程和空間格局，保護區域生物棲息地和生態系統的完整性和健康性的生態空間用地。在已有的區域生態系統服務定量評估的基礎上，針對研究區植被覆蓋程度高、植被物種豐富、水網密集的特點及演變規律，篩選和構建生物多樣性保護的生態空間識別的指標體系，本研究以植被類型、植被覆蓋指數、生境服務質量指數、河流廊道連通性作為評價指標，分別評價每個指標的重要性并進行賦值，最后根據各指標的評價結果完成研究區生態空間的綜合識別圖。

2.2.1植被覆蓋指數由于植被覆蓋指數與生物量、光有效輻射等生物物理參數有較強的相關性，能夠有效反映地表植被的生長狀況、植被種植特征、生物量大小和覆蓋程度，本研究將植被覆蓋指數作為基于生物多樣性保護的生態空間辨識的重要指標，分級標準見表2。

2.2.2植被類型植被作為地表生態系統的重要組成部分，受光照、溫度、降水量等環境因素影響生態系統物質流和能量流的傳遞。本研究區主要以人工植被為主，即為吉林省耕地的主要分布區。本研究區北部的主要植被類型為草地，東南部植被類型較多并以次生林、闊葉林為主，中部為耕地，耕地周圍多種植人工楊林作為農田保護林。本研究參閱已有的國內外研究，結合研究區實際情況，運用專家咨詢的方法對植被類型進行分級賦值，具體分級標準見表2。

2.2.3生境服務質量指數一般而言，生態系統生物多樣性服務功能較高的地區都能為瀕危物種提供良好的生境[15]。通過保護生物多樣性服務功能，能維持生態環境的穩定性，是實現可持續發展的基礎。參考謝高地等核算的生物多樣性服務當量[16]，結合研究區實際情況，根據保護級別予以修正，計算公式如下：

式中：S為生境服務質量指數；l為各土地利用類型面積；n為生物多樣性服務當量；m為保護級別修訂值。運用ArcGIS 10.0的柵格計算器計算每個柵格單元的生境服務質量指數，再進行重分類，分別為極重要、重要、較重要、一般4類，并分別賦值為7、5、3、1，具體分級標準見表2。

2.2.4河流廊道連通性指數所有景觀都會被廊道分割，同時又被廊道連接在一起[17]。連通性作為河流廊道的重要結構特性，能提供良好的生境，利于植物體傳播，是能量、物質和生物的源和匯[18]。利用Fragstats 4.2軟件計算河流廊道空間的連通性，將計算結果在ArcGIS 10.0中賦值，得到河流廊道連通性的空間分布圖，運用自然斷點法重新分類，分別為極重要、重要、較重要、一般4類，并分別賦值為7、5、3、1，具體分級標準見表2。

2.2.5生物多樣性保護用地綜合評價利用層次分析法對植被覆蓋指數、植被類型、生境服務質量指數劃分權重，運用ArcGIS 10.0的空間疊加分析功能，得到基于生物多樣性保護的綜合生態空間評價圖，計算公式如下：

式中：SS為生物多樣性保護用地綜合指數；Ci為第i個指標的重要性等級值；Wi為第i個指標的權重。表2基于生物多樣性保護的生態空間評價指標

指標各生態元素對生物多樣性保護的貢獻分級極重要重要較重要一般植被覆蓋指數>0.6～1.0>0.4～0.6>0.2～0.40～0.2植被類型櫟楊樺林疏林草地、灌叢草地、蘆葦草地雜類草地、水田旱地生境服務質量指數>15 000>1 300～15 000300～1 300<300河流廊道連通性指數>65.00>50.00～65.0035.00～50.00<35.00分級賦值7531

3結果與分析

根據上述識別方法，利用GIS 10.0對吉林省遼河流域關鍵性生態保護用地各單因子進行評價，得到評價結果見表3。

由植被覆蓋方面的重要性空間分布情況（圖2）和表3可知，研究區內植被覆蓋分布差異較大，呈現由西北向東南遞增的趨勢，極重要的地區出現在遼源市和四平市南部，主要的植被類型為溫帶落葉林區。植被覆蓋評價為極重要、重要的地區面積分別為656.68、1 850.64 km2，合計占研究區總面積的15.96%，該地區植被覆蓋程度較好。較重要的地區主要分布在四平市中部，該地區以旱地居多。

根據研究區植被類型空間分布情況（圖3）和表3可知，評價級別為極重要的地區主要位于四平市南部和遼源市大部分地區，主要植被類型為櫟楊樺林、松林。該地區面積為 2 675.41 km2，占研究區總面積的17.03%。四平市西北部的人工楊林、遼源南部的落葉松林、灌叢草地、疏林草地等為研究區重要的植被類型，面積為589.13 km2，較重要的植被類型為水田，分布于遼河沿岸，極重要、重要以及較重要的植被類型用地占研究區總面積的32.20%。重要性等級為一般的植被類型為旱田，分布在研究區的中部，占研究區總面積的 67.80%。

從圖4和表3研究區生境服務質量可以看出，極重要、重要的地區分別占研究區總面積的17.25%、64.64%。極重要地區分布在四平市南部和遼源市大部分地區，該區域林地、灌叢、草地為重要的景觀類型，物種豐富，能提供較好的生態系統服務功能。研究區西北部的堿蓬堿蒿草地、針茅草地生態系統服務價值較低，生境服務質量等級為一般。

吉林省遼河流域的河流廊道面積為1 245.64 km2，占研究區總面積的11.04%。河流廊道內所發生的傳輸或遷移取決于河流廊道的連通性，同時對廊道兩側的生境獨特性有明顯影響[19]。由研究區河流廊道的空間分布情況（圖5）和表3可知，研究區河流廊道保持較高的連通性。連同程度為極重要、重要的區域占研究區河流廊道總面積的73.60%，主要分布在研究區中部和南部，表現的景觀類型為農田、水域。連通程度較重要的地區占研究區河流廊道總面積的11.11%，主要的景觀類型為少量的濕地和草地。連通性一般的地區多為建筑用地。

綜合評價結果（圖6）表明，極重要的地區主要位于研究區的南部以及河流廊道，少量分布在研究區北部，評價結果為極重要的地區植被覆蓋度高，主要植被類型為櫟楊樺林、松林，同時連通度較高的河流廊道提供極高生境服務質量。分布在極重要的地區周圍的植被類型為落葉松林、灌叢草地、疏林草地等，與沿遼河流域種植的水田共同構成生物多樣性保護用地的重要用地。研究區的中部種植大面積的旱田，雖然植被覆蓋度較高，但它提供的生境服務質量受季節影響較大，評價結果為較重要。研究區內的建設用地評價等級為一般。

4結論

結合吉林省遼河流域的生態特點，從植被覆蓋指數、植被類型和生物服務質量、河流廊道連通性4個方面出發，構建生物多樣性保護用地識別的指標體系。按照分級標準對植被覆蓋指數、植被類型和生物服務質量、河流廊道連通性進行重要性分級，利用GIS的空間疊加分析功能，得到生物多樣性保護用地的綜合空間評價分級圖，分級結果能準確反映關鍵性生物多樣性保護用地的空間分布特征。

研究區東南部以及主要的水系周圍植被覆蓋度高，植被類型以林地、灌叢、草地為主，生境服務質量高，同時河流廊道具有較好的連通性，能提供較高的生物多樣性服務價值，被評為極重要的生物多樣性保護用地。須對這些區域加以重點保護，禁止開發建設。

隨著人口增長，人類活動加劇、對環境的不合理開發等都造成對生態空間用地的破壞。對關鍵性生物多樣性保護用地的識別研究，有助于明確生態空間用地存在的問題，通過研究關鍵性生物多樣性保護用地的空間分布特征，有利于把握生態系統脆弱性特征，指導土地的生態管理，實現生態、經濟、社會可持續發展。

本研究能較好地對研究區關鍵性生物多樣性保護用地進行識別，對本研究區的生態安全、生態空間用地的辨識等具有指導意義。由于本研究區內沒有國家級自然保護區和森林公園等重要的生態功能區，因此本研究未涉及重要功能區對生物多樣性保護用地的影響。此外，在今后的研究中，可進一步擴展指標體系，提高研究尺度，使研究結果更具有指導性和操作性。

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