沈撫新城生態安全格局的構建

師鵬飛, 李爽, 姜虎生, 馬會強

沈撫新城生態安全格局的構建

師鵬飛, 李爽, 姜虎生, 馬會強*

遼寧石油化工大學, 化學化工與環境學部, 遼寧 撫順 113001

以沈撫新城為研究對象, 利用GIS空間分析功能, 分析得到基于水源涵養、生物多樣性保護、土壤侵蝕敏感性、地質災害敏感性四種單一生態過程評價的生態用地, 將評價結果疊加重分類為一般重要生態用地、重要生態用地、極重要生態用地, 并以面積＞1 km2的極重要生態用地為生態源, 現狀土地類型為阻力因子, 基于MCR模型構建了沈撫新城綜合安全格局體系。結果表明: 研究區內高水平安全格局緩沖區面積112.96 km2, 占研究區土地總面積的18.66%; 中水平安全格局緩沖區面積94.43 km2, 占研究區土地面積的15.60%; 低水平安全格局緩沖區面積176.23 km2, 占研究區土地面積的29.11%; 生態廊道60條, 總長275.77 km; 生態戰略點49個。本研究可以摸清研究區的生態安全狀況, 同時可以為城鎮建設用地的擴張以及生態用地空間的保護提供定量指引。

生態用地; 生態安全格局; MCR模型; 沈撫新城

0 前言

隨著我國城鎮化速度的不斷加快, 城市的發展與有限的資源承載力、脆弱的生態環境之間的矛盾越來越明顯, 保障城市發展與區域生態環境安全之間的平衡已經成為當下城市健康發展需要解決的首要問題[1–3]。生態安全格局(ecological security pattern, ESP)緣起于景觀生態規劃, 通過識別和提取對區域生態環境發展具有重要意義的點-線-面, 從而構建多層次的區域空間優化方案, 它能夠維護區域生態結構和過程的完整, 保障區域資源和基礎設施的合理配置, 實現城市精明保護與精明增長[4–6]。最初的研究對象主要為風景名勝區和重大工程建設等領域, 近幾年國內學者針對江蘇、深圳、廈門等經濟快速發展的地區進行了大量的探索與實踐[7–9]。區域生態安全格局對于區域生態環境的維護和人類社會可持續發展的保障具有重要意義, 因此早已成為多學科學者共同關注的熱點[10–12]。

隨著近10年來國內學者的不斷探索, 生態安全格局的概念及理論基礎基本清晰, 構建模式逐漸成熟。目前, 形成了源地識別-阻力面構建-廊道提取的基本范式[13–14]。源地的確定, 需要滿足三個層次的目標: 保障現存生態過程的完整、維護重要生態功能的可持續、預防生態系統退化[15]。它是生態安全格局構建的關鍵, 目前其識別方式主要有兩種, 分別為單一要素生態源地疊加、生態重要性評價[16–17]。前者忽略了區域綜合環境體系的影響, 后者評價因子的選擇仍需進一步探索。構建阻力面是確定區域生態安全格局的核心環節[18–19], 設置方法多采用基于地物類型以及對各類生態功能重要性評價因子進行賦值的方式, 該方法主觀性較強, 模糊了局地之間的空間差異, 無法詳細的表征生態流流動的過程中可能遇到的真正的阻力。

通過在知網中檢索區域生態安全格局構建方面的文獻可以發現: 對于省市尺度生態安全格局的構建, 國內學者進行了大量實踐, 對于小尺度區域生態安全格局的構卻建鮮有提及。本文以位于沈陽市東部、撫順市西部的沈撫新城為研究區, 探討了該尺度區域生態源地的篩選以及生態安全格局構建的方法, 以期為區域生態安全格局的合理構建提供科學參考和依據, 為沈撫新城城鎮用地的選擇和空間優化提供定量指引。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

沈撫新城位于沈陽市東部、撫順市西部(41.52N,123.55E), 地處沈陽經濟區的中心位置, 研究區土地總面積605.34 km2, 屬于沈陽、撫順共管區域(圖1), 其中沈陽管轄區域為東陵區部分區域、棋盤山風景區, 面積分別為132.54 km2和203 km2, 撫順市管轄區域包括高灣經濟開發區50 km2, 撫順市經濟技術開發區68 km2, 方曉、撫順縣、塔峪地區、望花區部分區域共140.8 km2(圖1)。研究區整體地勢北側低南側高, 整體海拔在60到70米之間。主導風向冬季為東北風, 其他季節以西南風為主, 年均氣溫為7攝氏度, 渾河、拉古河、小沙河、沈撫灌渠流經其中。研究區地貌類型豐富, 奇山、險谷、森林、草地、河流交錯分布, 生態環境良好, 林地和水域面積分別為100 km2和15 km2。

1.2 數據來源及處理

1.2.1 遙感數據

本研究中遙感影像數據主要為2017 年的OLI影像, 數據選擇的時間范圍為9到10月份。利用遙感圖像處理軟件ENVI5.0對影像數據進行了校正、裁剪、投影轉換等。

1.2.2 SRTMDEM數據

本研究中的高程數據來源于地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn/)上發布的GDEM數字高程數據, 空間分辨率為30米。利用遙感圖像處理軟件ENVI5.0對以上高程數據分別進行了投影轉換、裁剪等處理。

1.2.3 其他輔助數據

其他輔助數據具體包括土地利用類型數據、NDVI數據。其中土地利用數據課題組采用監督分類的方法解譯自30米分辨率的Landsat8-OLI遙感數據, 對OLI遙感影像以7/5/4波段進行彩色合成, 土地類型具體劃分為6類, 分別為耕地、林地、草地、水域、建設用地、裸地, 主要用于阻力面的建立; NDVI數據通過遙感影像波段運算獲得。

2 研究方法

本文首先對研究區進行生態系統服務功能重要性評價以及生態系統敏感性評價, 識別生態用地, 然后以極重要生態用地為生態源, 構建研究區生態安全格局。通過在知網中查閱相關研究文獻可以發現: 國內學者在進行生態系統服務功能重要性評價時用到較多的因子為水源涵養功能、生物多樣性保護功能、水土保持功能、防風固沙等因子, 結合沈撫新城生態環境現狀發現, 水土保持、防風固沙對于該尺度區域意義不大, 研究區的主要生態問題是水資源保護以及城鎮化引起的生物多樣性減少等問題, 因此本文選取水源涵養功能、生物多樣性保護功能對區域生態系統服務功能進行綜合評估。在進行生態系統敏感性評價中主要考慮因子為土壤侵蝕、土地沙化、地質災害、鹽漬化、酸雨危害、石漠化等因子, 由于酸雨危害、鹽漬化評價的數據無法獲取, 在生態系統敏感性評價中舍棄這2個因子, 土地沙化和石漠化對研究區的危害程度有限, 不予考慮, 由上, 本文生態系統敏感性評價主要考慮土壤侵蝕、地質災害2個因子。

圖1 區位及行政區劃圖

Figure 1 Location and administrative divisions

綜上, 本文首先基于水源涵養功能重要性評價、生物多樣性保護重要性評價、土壤侵蝕敏感性評價、地質災害敏感性評價的單一生態過程, 分別完成各因子一般重要、重要、極重要和一般敏感、敏感、極敏感三個等級生態系統服務功能重要性和生態系統敏感性的評價。然后將以上四個單一過程的評價結果進行等權疊加得到一般重要、重要、極重要三個級別的生態用地。最后以極重要生態用地為生態源, 利用最小累積阻力模型完成研究區生態用地安全格局的構建。

2.1 單一生態過程評價

2.1.1 水源涵養功能重要性評價

相關研究表明, 影響區域水源涵養功能因素主要包括地表覆蓋層植被類型和土壤, 本文以前人研究成果為基礎[20], 綜合考慮沈撫新城的地理位置、生態環境現狀以及數據獲取的難易程度, 選擇地形和現狀土地類型兩個因子作為評價指標, 根據表1中的標準進行分級賦值。利用ArcGIS10.1軟件空間分析模塊中的柵格計算器功能進行計算, 方法如下:

式中ss為第個柵格像元的水源涵養功能重要性評價指數,C表示第i個評價因子在第個像元的評價分值。利用ArcGIS10.1軟件空間分析模塊中的重分類功能以2和4為分割點將水源涵養功能重要性評價結果分為3級, 即一般重要、重要、極重要。

2.1.2 生物多樣性重要性評價

結合研究區的實際情況, 選擇土地利用類型、坡度為指標, 對沈撫新城生物多樣性功能進行評價,分級標準詳見表2[21]。土地利用類型數據以及坡度數據按照表2進行重新分類賦值后, 利用ArcGIS10.1軟件空間分析模塊中的疊加求和功能進行計算, 具體方法如下:

表1 水源涵養功能評價指標及分級標準

式中ss為第個柵格像元的生物多樣性評價值,C表示第i個評價因子在第個像元的單元值,P表示第i個因子的權重值。利用ArcGIS的自然斷裂法將疊加求和結果劃分為一般重要、重要、極重要3級。

2.1.3 土壤侵蝕敏感性評價

本文采用水利部土壤侵蝕強度標準(SL190- 2007)進行土壤侵蝕敏感性評價[22], 評價標準詳見表3。在將沈撫新城土地利用類型分為耕地和非耕地的基礎上, 利用ArcGIS中的坡度計算工具, 基于研究區DEM數據計算研究區的坡度, 計算結果按照表3中坡度分級標準進行重分類。非耕地部分與植被覆蓋度進行掩膜分析, 分析結果根據表3中的植被覆蓋度分級標準進行重分類。然后對重分類之后矢量的坡度和植被覆蓋度進行鑲嵌至新柵格處理, 對新柵格中耕地、<30、30—45、45—60、60—75依次賦值1、2、3、4、5, 對坡度5°—8°、8°—15°、15°—25°、25°—35°、>35°依次賦值1、10、100、1000、10000, 利用柵格計算器對以上兩個結果進行乘計算, 計算結果根據表3中標準進行重分類, 最終得到研究區土壤侵蝕敏感性評價結果(輕度敏感、中度敏感、強烈敏感、極強烈敏感、劇烈敏感)。

2.1.4 地質災害敏感性評價

本研究區主要受到地面塌陷地質災害的威脅, 通過總結相關研究成果可以發現, 影響地面塌陷的因素主要包括植被覆蓋度、高程、坡度、地形起伏度以及人類活動強度等。本文在總結前人研究成果的基礎上[23], 對以上地質災害影響因子進行分級賦值(表4), 利用ArcGIS空間分析模塊中的疊加求和功能對分級賦值結果進行加權求和計算, 然后將計算結果以60和130為分割點進行分級(一般敏感、敏感、極敏感), 最終得到地質災害敏感性評價圖。

表2 生物多樣性保護功能評價分級標準

表3 土壤侵蝕分級指標

表4 地質災害影響因子及敏感性劃分標準

2.2 綜合生態用地識別

本文基于單一生態過程評價結果識別綜合生態用地, 利用ArcGIS空間分析模塊中的疊加求和功能將以上評價結果進行等權疊加, 采用自然間斷點分級法對疊加結果進行重分類, 將生態用地分為一般重要生態用地、重要生態用地、極重要生態用地, 得到沈撫新城綜合生態用地空間分布圖。同時以單一生過程評價結果為基礎, 提取生態系統服務功能極重要區、生態系統極敏感區劃定生態紅線。

2.3 生態安全格局構建

關于區域生態安全格局的構建方法國內學者進行了大量的探索和實踐, 本文在參考已有學者研究成果的基礎上[24], 采用了源地選取-阻力面建立-廊道提取的基本模式基于MCR模型構建了沈撫新城綜合生態安全格局體系, 探究了此模式在該尺度區域構建安全格局的可行性。

2.3.1 源的識別

生態源是鄉土物種的棲息地,具有內部同質性和向四周擴散或吸引的能力, 它本身生態環境質量較高[27–29]。極重要生態用地是保護區域生態安全的關鍵區域, 是保障生態空間正常為社會提供服務的基礎, 因此本文選取面積大于1 km2的極重要生態用地作為生態源地, 該識別方法考慮了區域綜合環境體系的影響, 避免了單一要素疊加的方式確定生態源地的缺陷。

2.3.2 阻力面的建立

物種在水平空間的運動以及生態功能的流動主要受到土地覆被類型的影響, 土地覆被類型與生態源中的景觀特征越相近, 對生態流的阻力越小; 而人類活動干擾強度較大的覆被類型對生態流的阻力越大。本文在參考已有學者研究成果[30–31]的基礎上, 以對生態源內生物多樣性以及生態基礎設施的保護為目標, 選擇土地覆被類型作為影響因子, 根據各類土地受人類活動的干擾強度, 采用專家打分法依據土地覆被類型進行阻力賦值, 從而建立生態源地擴張的阻力面(表5)。

2.3.3 生態安全格局構建

本文選取面積>1 km2的極重要生態用地作為沈撫新城生態安全格局的生態源地, 選擇土地覆蓋類型作為影響因子, 建立阻力面, 基于MCR模型最終確定了構成研究區生態安全格局的各要素的空間分布情況。

本文以最小累積阻力差值與面積的關系曲線為依據, 以阻力閾值作為劃分安全格局緩沖區的潛在邊界, 確定了研究區高、中、低三種水平的生態安全格局緩沖區的范圍[32]。

“源”間廊道是各生態源地之間的低累積阻力谷線區域, 是相互靠近的的生態源之間最容發生聯系的低阻力生態通道[33]。本文首先以阻力面為基礎數據, 通過水文分析的方法, 提取了研究區的生態廊道, 其次以中國地圖出版社的專題地圖和研究區影像數據為基礎, 對地物的幾何形狀, 顏色特征、紋理特征和空間分布情況進行分析, 采用全數字化人機交互方法獲取了研究區的河流生態廊道。

生態張略點對于生態流的控制以及區域內景觀連通度的提高具有關鍵作用, 在MCR阻力面上, 它是以相鄰“生態源地”為中心的等阻力谷線的切點。本文提取了各生態廊道之間以及各生態廊道與最大累積阻力谷線的交點作為生態戰略點。

表5 生態源地擴張阻力因子與阻力賦值

3 結果與分析

3.1 單一生態過程評價結果分析

通過上述評價方法對研究區水源涵養、生物多樣性保護、土壤侵蝕敏感性、地質災害敏感性進行評價, 具體評價結果和空間分布情況見表6、圖2。

在水源涵養功能重要性評價結果中(圖2a): 一般重要區面積為420.07 km2, 占研究區土地面積的69.39%, 主要分布在棋盤山風景名勝區南部、高灣經濟區南部、沈陽市東陵區、撫順經濟開發區、塔峪等區域, 重要區面積184.80 km2, 占研究區土地面積的30.53%, 主要分布在棋盤山風景名勝區北部、高灣經濟區、方曉北部、撫順縣北部等區域,將此區域劃定為水源涵養紅線區(圖2b), 這些區域對于新城水資源的安全具有重要意義, 應該加大保護力度, 禁止開發建設; 在生物多樣性保護評價結果中(圖2c): 一般重要區面積312.72 km2, 占研究區土地面積的51.66%, 主要分布在研究區中部棋盤山風景名勝區南部、沈陽市東陵區、撫順經濟開發區、塔峪等區域, 重要區面積125.83 km2, 占研究區土地面積20.79%, 主要分布在撫順經濟開發區、沈陽市東陵區以及渾河兩側等區域, 極重要區面積166.79 km2, 占研究區土地面積的27.55%, 主要分布在棋盤山風景名勝區北部、高灣經濟區北部、方曉等區域, 將此區域劃定為生物多樣性保護紅線區(圖2d), 這些區域植被茂密、動物種類繁多, 應該嚴格保護; 在土壤侵蝕敏感性評價結果中(圖2e): 一般敏感區面積512.89 km2, 占研究區土地面積的84.73%, 敏感區面積81.91km2, 占研究區土地面積的13.53%, 極敏感區面積9.60 km2, 占研究區土地面積的1.59%, 結果表明研究區大部分區域為土壤侵蝕一般敏感區, 土壤侵蝕敏感區主要分布在研究區內的主要水體區域, 應該加強該區域的保護力度, 由于評價結果在研究區內比較分散, 未劃定土壤侵蝕紅線區; 在地質災害敏感性評價結果中(圖2f): 一般敏感區面積221.23 km2, 占研究區土地面積的36.55%, 主要分布在高灣經濟區南部、方曉中部、棋盤山風景名勝區南部、撫順經濟開發區、沈陽東陵等區域, 敏感區面積323.31 km2, 占研究區土地面積的53.41%, 主要位于棋盤山風景名勝區南部、高灣經濟區南部、沈陽市東陵區、塔峪等區域, 極敏感區面積60.8 km2, 占研究區土地面積的10.04%, 主要分布在棋盤山風景名勝區北部、高灣經濟區北部、方曉、撫順縣北部等區域, 將此區域劃定為地質災害紅線區(圖2g), 這些區域地勢較高、坡度較大, 多易發生山體滑坡和坍塌等地質災害, 不適宜開發建設, 應該采取生態治理措施加以保護。

3.2 綜合生態用地識別結果分析

在綜合生態用地評價結果中(圖2h、表6): 一般重要生態用地面積321.38 km2, 占研究區土地面積的53.09%, 主要分布在棋盤山風景名勝區南部、高灣經濟區南部、撫順經濟開發區、沈陽東陵區等區域, 重要生態用地面積91.46 km2, 占研究區土地面積的15.11%, 在研究區內比較分散,主要分布在研究區南部和北部, 極重要生態用地面積192.51 km2, 占研究區土地面積的31.80%, 主要分布在棋盤山風景名勝區北部、高灣經濟區北部、方曉、撫順縣北部等區域, 將此區域劃定為綜合紅線區(圖2i), 這些區域是保障為新城提供正常生態服務功能的最小生態空間, 應該嚴格保護, 禁止任何工程開發建設活動。

3.3 生態安全格局構建結果分析

本文選擇＞1 km2的極重要生態用地作為生態源, 面積為136 km2, 占研究區土地面積的22.47%, 主要分布在棋盤山風景名勝區、高灣經濟區北部、方曉地區、渾河水域等區域, 利用MCR模型建立生態源地擴張(圖3)的阻力面。通過結果可以發現, 在研究區的北部和南部形成了生態流擴張的低阻力谷線區。

本文依據最小累積阻力差值與面積的關系曲線, 最終劃定沈撫新城高、中、低三種水平生態安全格局緩沖區(圖4)。其中高水平安全格局緩沖區面積112.96 km2, 占研究區土地總面積的18.66%, 主要分布在研究區西南部; 中水平安全格局緩沖區面積94.43 km2, 占研究區土地面積的15.60%, 主要分布在渾河南側以及東陵區東側; 低水平安全格局緩沖區面積176.23 km2, 占研究區土地面積的29.11%, 主要分布在研究區的南部和北部生態源地周圍。

表6 單一生態過程評價及綜合生態用地識別結果(km2)

圖2 單一生態過程評價及綜合生態用地識別圖

Figure 2 Single ecological process assessment and compre-he-nsive ecological land recognition

本文共識別了研究區內部的生態廊道60條(圖4), 總長275.77 km。其中通過水文分析方法提取生態廊道41條, 總長114.47 km, 河流生態廊道19條, 總長161.30 km。共識別生態戰略點49個(圖4), 其中生態廊道之間的交叉點25個, 生態廊道與最大的阻力路徑之間交叉點24個。生態戰略點對于生態流的控制具有至關重要的意義, 應該加強對于該區域的保護和建設。通過源地識別-阻力面設置-生態安全格局構建等關鍵步驟之后最終完成了沈撫新城綜合生態安全格局的創建, 確定了研究區內高、中、低三種水平的生態安全格局緩沖區的范圍以及生態廊道、生態戰略點的空間分布情況。

圖3 生態源擴張阻力面

Figure 3 Resistance surface of ecological source

圖4 綜合生態安全格局體系

Figure 4 Comprehensive ecological security pattern system

4 討論與結論

本研究基于對水源涵養、生物多樣性保護、土壤侵蝕、地質災害單一生態過程的評價分析, 得到沈撫新城生態用地綜合識別結果, 并將評價結果劃分為一般重要生態用地、重要生態用地、極重要生態用地。其中極重要生態用地是保護沈撫新城生態安全所劃定的最小生態空間, 面積為192.51 km2, 占研究區土地面積的31.80%, 主要分布在棋盤山風景名勝區北部、高灣經濟區北部、方曉、撫順縣北部等區域。

本文以面積＞1 km2的極重要生態用地為生態源, 基于MCR模型構建了沈撫新城綜合安全格局體系, 確定了不同安全格局緩沖區的范圍, 明確了生態廊道、生態戰略點的空間分布情況, 并提出了相應的管控和保護對策。沈撫新城生態安全格局的構建對于研究區生態用地空間的保護具有重要作用, 對于同類尺度區域生態安全格局的構建具有現實指導意義。

隨著城鎮化速度的不斷提高, 城鎮快速擴張對保障區域生態功能可持續發展的生態用地的影響程度日益增強。區域生態安全格局構作為區域生態管理的重要依據, 不僅可以指導城鎮建設進行合理的空間布局, 同時對于重點地區的生態恢復以及建設的管控都具有關鍵意義, 并能夠作為城市總體規劃以及各類專項規劃進行科學合理布局的重要依據。

本文在生態用地識別方面, 僅選取水源涵養、生物多樣性保護、土壤侵蝕、地質災害四個重要生態過程, 出于對于研究區尺度的考慮, 沒有將氣候因子納入識別體系, 生態用地的識別應考慮到各因子的全面性和綜合性, 所以應該根據研究區的實際情況選擇關鍵因子的生態過程。除此之外, 各單一生態過程影響因子的體系和各阻力因子的選擇與賦值, 主要是在前人研究成果的基礎上獲得, 其合理性仍需在日后的研究中進一步探討。

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Construction of regional ecological security pattern for Shenfu new town

shi Pengfei, LI Shuang, JIANG Husheng, MA Huiqiang*

College of Chemistry, Chemical Engineering and Environmental Engineering, Liaoning Shihua University, Fushun 113001, China

Taking Shenfu New Town as the research object, and utilizing the spatial analysis function of GIS, the ecological land based on water conservation, biodiversity conservation, soil erosion sensitivity and geological hazard sensitivity were analyzed. The results are overlapped and classified into general important ecological land, important ecological land and extremely important ecological land. Based on the MCR model, the comprehensive security pattern system of Shenfu New Town was constructed with the extremely important ecological land with an area larger than 1 km2as the ecological source and the current land type as the resistance factor. The results show that the buffer area of high level security pattern in the study area is 112.96 km2, accounting for 18.66% of the total land area of the study area; the buffer area of medium level security pattern is 94.43 km2, accounting for 15.60% of the land area of the study area; the buffer area of low level security pattern is 176.23 km2, accounting for 29.11% of the land area of the study area; including 60 ecological corridors with a total length of 275.77 km and 49 ecological strategic points. In this study, the ecological security situation of the study area was figured out, and quantitative guidance for the expansion of urban construction land and the protection of ecological land space was provided.

ecological land; ecological security pattern; MCR; Shenfu New Town

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.02.006

X321

A

1008-8873(2020)02-041-09

2018-10-10;

2019-01-01

國家自然科學基金項目(41372236); 遼寧省高等學校創新人才支持計劃(LR2016059); 遼寧省自然科學基金指導計劃(201602469); 遼寧省教育廳基本科研項目(L2017LQN001)

師鵬飛(1990—), 男, 內蒙通遼人, 碩士研究生, 主要從事生態評價與生態安全研究, E-mail: 1329370013@qq.com

馬會強, 男, 博士, 教授,主要從事環境修復及規劃咨詢研究, E-mail:mahuiqiang0921@126.com

師鵬飛, 李爽, 姜虎生, 等. 沈撫新城生態安全格局的構建[J]. 生態科學, 2020, 39(2): 41-49.

SHI Pengfei, LI Shuang, JIANG Husheng, et al. Construction of regional ecological security pattern for Shenfu new town[J]. Ecological Science, 2020, 39(2): 41-49.