基于連通度指數的生態安全格局構建
——以三峽庫區重慶段為例

楊彥昆,王 勇,2,*,程 先,李維杰,高 敏,王家錄,傅 俐,張 瑞

1 西南大學地理科學學院,重慶 400715 2 三峽庫區生態環境教育部重點實驗室,重慶 400715 3 西南大學資源環境學院,重慶 400715 4 安順學院,安順 561000

隨著經濟的發展、城市化的快速推進,人類對自然資源的消耗加劇,導致諸如水土流失、洪澇災害、空氣質量惡化等一系列生態環境問題[1-2]。如何協調經濟發展與生態環境之間的矛盾,已成為當今社會發展所面臨的重大課題[3-4]。生態安全是人類生產生活所需的物質資料得到充分保障,生態環境不受威脅的狀態[5]。生態安全格局遵循景觀生態學中格局與過程相互反饋的原理,識別生態系統中保障人類生境和生存安全的關鍵區域、節點和廊道,并落實于具體的空間位置,被認為是保障區域生態安全、實現精明增長的重要途徑[6]。

國外對生態安全格局的關注較早,Warntz和Woldenberg[7]于20世紀60年代提出基于阻力面構建生態安全格局。Rouget等[8]基于GIS技術對區域生物多樣性保護的重要區進行識別。Vimal等[9]從區域景觀多樣性、生態完整性和稀有動物保護角度探討了區域生態安全格局的構建。國內研究始于Yu等[10]以生物多樣性保護為目標的景觀生態安全格局構建。隨著研究的深入和技術的進步,“源-匯”理論、生態紅線、生態系統服務簇等理念的引入,使得研究理論越來越豐富[11]；研究內容也由單一目標的生態安全格局建立向多目標的生態格局優化發展[12]。源地的識別和廊道的提取是生態安全格局構建的關鍵[13]。源地是綜合區域生物多樣性保護、水資源安全、地質災害防護和景觀格局完整性等生態功能于一體的基礎生態用地。源地的識別可通過直接選取生態保護用地[14],多年遙感監測指數[15]和綜合評價等方法識別[16],其中綜合評價識別的方法得到較為廣泛的應用[3,6,11]。廊道是生態系統之間生態流和能量流遷移、交流的潛在通道,廊道的識別依賴于生態阻力面的構建。阻力面的構建主要通過對不同景觀類型的賦值得到,為考慮人類活動、氣候等因素對阻力值的影響,部分學者通過夜間燈光指數、濕潤指數和地形因子等對阻力值進行修正[15,17-18]。

區域生態安全格局強調對生物多樣性的保護和修復,對生態系統結構和功能的維持[19],這對生態安全格局的可實踐性有較高要求。當前研究大多以空間數據為基礎,對指標進行賦值,通過模型計算得到研究區的生態安全格局,其結果難以驗證,導致可實踐性不強。其次,阻力面的設定和修正仍未形成有效的方案；前人研究雖考慮到人為賦值的主觀性,但對生態阻力值在同種景觀的內部差異、各指數修正后的效果考慮不足,不同指數修正的精度也未作對比研究,故很難界定當前已有修正指數的優劣。本文以三峽庫區重慶段為例,通過生態系統服務重要性和生態敏感性評價識別生態源地,構建連通度指數修正阻力面,運用最小累積阻力模型明晰關鍵生態節點,提取生態廊道,進而構建生態安全格局；同時,利用高精度土地利用數據對廊道提取結果進行精度驗證和缺失廊道識別,并劃定具體的優化廊道路徑,提出優化方案,進一步提升生態安全格局的可實踐性。

1 研究區概況及數據來源

三峽庫區重慶段位于中國西南部(28°31′—31°44′N,105°49′—110°12′E),由重慶22個區縣組成(圖1),轄區面積46163.67 km2,占庫區總面積的85%。研究區橫跨川東平行嶺谷、大巴山褶皺帶和川鄂湘黔隆起地帶,地勢險要,地形起伏大。該區氣候溫暖濕潤,降雨充足,年均溫15℃以上,植被以暖性針葉林和亞熱帶常綠闊葉林為主,物種豐富[20]。此外,研究區地處長江流域咽喉地帶,是重要的水源保護地和生態走廊,是我國17個具有全球保護意義的生物多樣性關鍵帶之一。

圖1 研究區地理位置

研究所用數據主要包括土地利用數據、基本農田數據、巖溶分布數據、氣象數據、夜間燈光數據、植被覆蓋數據、土壤類型數據、植被凈初級生產力數據以及部分統計數據等,相關數據來源及分辨率見表1。

表1 數據概況

所有數據均在ArcGIS 10.2軟件的支持下進行地理校正和投影轉換,將坐標統一為WGS-1984-UTM-zone-48；同時,為保證連通度指數的計算精度及其后期修正效果,特將數據分辨率向精度較高的土地利用數據靠齊,均重采樣為30 m×30 m像元大小。

2 研究方法

本文從生態源地綜合識別出發,綜合陸地、水體、大氣三方面的因素,基于生態系統服務重要性評價和生態敏感性評價識別源地,通過連通度指數修正阻力值,運用MCR模型建立生態阻力面,進而識別關鍵節點、提取生態廊道構建生態安全格局。

2.1 生態系統服務重要性評價

生態系統服務重要性評價從為人服務的角度出發,針對區域特點,判定不同生態功能對人類生存發展的價值高低,并篩選出具有較高價值的生境斑塊。三峽庫區是我國生物多樣保護的關鍵地帶,也是我國最大的淡水資源戰略儲備庫和水土保持的重要區域,在西南地區乃至全國的生態地位都十分重要。結合當前人們對大氣安全的關注,選取生物資源保護、水資源安全、土壤保持、固碳釋氧和空氣質量安全為研究區生態系統服務重要性評價指標。

(1)生物資源保護

生物資源保護評價是識別對基因、物種的生存和發展具有重要價值的斑塊,通常從生物棲息地質量和生態服務價值進行評價。三峽庫區共有3000余種特有植物,其中60余種屬于國家重點保護對象,對庫區的生物資源保護是庫區生態安全的重要課題。本文采用謝高地等[21]提出的生態服務價值當量計算生物多樣性服務價值,并對計算結果采用氣溫、降水和海拔進行修正,以此表征生境質量的影響,具體計算公式如下[22]：

Sbio=Vi×Fpre×Ftem×Falt

(1)

式中,Sbio為生物資源保護能力；Vi是生態服務價值當量采用謝高地提出的生態服務價值當量表；Fpre為研究區多年(1980—2015年)平均降水插值的歸一化數據；Ftem為溫度參數,由多年(1980—2015年)平均溫度插值并歸一化處理得到；Falt為海拔參數,由高程數據歸一化處理得到。

(2)土壤保持

土壤保持是指生態系統削減或抑制水土流失的能力,是基礎的生態調節功能[23]。本文參考國家環保部《生態保護紅線劃定技術指南》中的方法,采用土壤保持服務能力指數計算公式作為評價方法,具體表達式如下[22]：

Spro=NPP×(1-k)×(1-Fslo)

(2)

式中,Spro是土壤保持服務能力服務指數；NPP為植被凈初級生產力；k為土壤可蝕性因子,根據宋春風等[24]的研究對不同的土壤類型賦值得到；Fslo為坡度因子,采用最大值法歸一化后得到。

(3)水資源安全

區域水資源安全主要包括區域水源涵養能力和區域洪水控制兩個方面。水源涵養關注的是對降水截留、積蓄和對土壤水資源的蒸散發的調節能力,洪水控制主要關注生態系統對洪水的調蓄能力和洪水淹沒范圍。水源涵養能力通過降水貯存量法[25]計算得到,同時疊加用水體分布格局表征不同水體大小的重要性差異；洪水安全的評價從洪水淹沒區和洪水調蓄區兩方面考慮,前者根據10年、20年和50年一遇的洪水淹沒范圍賦值,后者由距河湖的距離劃分得到(表2),最后各因子評價結果等權疊加得到區域水資源安全指數。

表2 水資源安全評價指標及方法

(4)固碳釋氧

固碳釋氧是指植被在進行光合作用產生有機物的同時,釋放O2和吸收CO2,能起到維持碳氧平衡,調節區域氣候的作用[26]。固碳釋氧物質量的計算以植被凈初級生產力(NPP)為基礎,通過光合作用方程計算得到,具體計算方法如下[27]：

FN=NPP/45%×(1.2+1.63)

(3)

式中,FN為固碳釋氧物質量；45%是指植被固碳釋氧的過程中所產生的干物質中碳的占比為45%；1.2和1.63是常數,即每形成1 g干物質能固定1.63 g CO2,釋放1.2 g O2。

(5)空氣質量安全

空氣質量是大氣中多種成分含量的綜合反映,隨著城市化、工業化的發展,空氣質量安全狀況越發嚴峻。有研究表明植物能夠起到很好的降塵除霾的作用,且不同的物種能力有差別[28]；人口密集、人類活動頻繁、建筑密度大的區域空氣質量差,風速、溫度對空氣質量有明顯的正向影響作用[29]。基于以上研究,本文構建了研究區空氣質量安全評價指標體系,根據各指標的正負性采用自然斷點法分級賦值,并按權重疊加得到研究區空氣質量狀況等級分布,具體方法如表3。

表3 空氣質量安全評價指標和方法

2.2 生態敏感性評價

生態敏感性是指生態系統遭受外界干擾或環境變化時,發生地質災害等環境問題的難易程度[30-31]。三峽庫區巖溶分布較廣,地形起伏大,地勢陡峭,降雨豐沛是滑坡、崩塌、泥石流的多發地帶,也是我國水土流失最嚴重的地區之一。因此選取地質災害、水土流失和石漠化三個因子作為研究區生態敏感性評價指標。

(1)地質災害敏感性

研究區主要地質災害為滑坡和泥石流,屬于巖土體位移災害,主要受高程、坡度、地形起伏度、植被覆蓋情況和人類活動的影響。本文根據研究區地質災害的致災因子建立地質災害評價指標體系,由各因子對地質災害的影響程度分級賦值(表4),最后按權重疊加得到研究區地質災害敏感性分布圖[32]。

表4 地質災害評價指標及敏感性

(2)水土流失敏感性

水土流失敏感性主要關注在自然條件和人類活動的影響下發生土壤侵蝕的可能性,通常采用通用土壤流失方程計算得到[33],具體公式如下：

A=R×K×LS×C×P

(4)

式中,A為年土壤侵蝕量；R為降雨侵蝕力,由重慶地區年降雨侵蝕公式計算得到[34]；K為土壤可蝕性因子；LS為地形因子；C為植被覆蓋和管理因子；P為水土保持措施因子。各因子采用自然斷點法重分類為5級,并依次賦值1到5,最后疊加分析得到研究區水土流失敏感性分區圖。

(3)石漠化敏感性

石漠化是指巖溶地區巖石裸露,植被退化,土壤流失失去農業利用價值的一種狀態。本文選取研究區植被覆蓋度、坡度分布、降水、高程、人口密度和土地利用6種指標建立研究區石漠化敏感性評價指標體系。各指標采用自然斷點法分級賦值,根據王正雄等[35]的研究成果,對土地利用和坡度指標賦0.2的權重,其余各指標分別賦0.15。

2.3 生態阻力面的建立

生態阻力是生態源地之間的物質交換、能量傳輸或者生物遷徙等生態過程所受到的阻礙,阻力值的大小主要受自然條件和人類活動的影響。隨著城市化的推進,景觀破碎化現象加劇,不同景觀斑塊之間的連通性降低、差異化越發明顯[36]。因此,僅考慮人類活動對阻力值的影響忽略了不同景觀之間和景觀內部不同斑塊之間的連通度差異。本研究在土地類型賦值的基礎上,選取景觀指數中的鄰近度指數、連接度指數構建斑塊連通度指數[36],并以此對阻力系數進行修正。參考彭建等[37]的研究,對林地、草地、園地、水體、耕地、建設用地依次賦1、10、30、50、100和250的基本阻力值,構建基本阻力面,并運用連通度指數進行修正,具體公式如下：

Ri=R×Ci

(5)

式中,Ri為修正后的阻力系數；R為基本阻力系數值；Ci為標準化處理后的斑塊連通度,具體計算方法如式下：

C=Cpro×Ccon

(6)

(7)

式中,C為斑塊連通度指數；Cmin為斑塊連通度的最小值,Cmax為斑塊連通度的最大值；Cpro為斑塊鄰近度指數,Ccon為連接性指數,計算方法如式(8)和式(9),并對計算結果采用極差標準化法消除數量級和正負作用的影響,Cpro和Ccon均由Fragstats 4.2軟件計算得到。

(8)

(9)

2.4 生態安全格局的構建

生態安全格局的構建包括建立核心區(源地),建立緩沖區對核心區加以保護,以及建立連接各核心區的廊道[38]。因此,本文嘗試從生態源地、生態緩沖區、生態廊道和戰略點四個方面構建研究區的生態安全格局。

(1)生態源地。生態源地的選取是在綜合生態用地評價的基礎上,提取具有重要生態價值且達到一定面積的生態用地作為生態源地。考慮到研究區的尺度較大,將綜合生態用地識別結果中面積大于10 km2的斑塊作為研究區的生態源地。

(2)生態緩沖區。緩沖區的建立是根據生態阻力值與其面積的關系曲線,提取不同阻力閾值作為劃分界限進而得到不同等級的緩沖區。

(3)生態廊道。廊道的提取是利用最小累積阻力模型(Minimum Cumulative Resistance,MCR)量化生態源地到目標景觀單元之間所克服的阻力總和,進而識別累積阻力最小的通道作為物種遷移和能量流動的可能通道。具體操作時采用ArcGIS的水文分析工具來提取生物擴散的潛在通道。

(4)戰略點。戰略點的目的在于完善廊道系統,提高生態系統的完整性。本文所采用的為鞍部戰略點,一般為相鄰源地之間的等阻力值點,能起到“源”間跳板的作用,對物質和能量的流動具有重大意義[39]。

3 結果分析

3.1 生態用地識別和源地提取

將各因子的評價結果劃分為極重要、重要、中等重要、一般重要和不重要五類(圖2),可以發現：生物資源保護極重要區集中分布在巫山、奉節的南部,這一區域地勢險要、山系交叉、人類活動干擾較少,有利于生物資源的保護和生物多樣性的發展。土壤保持極重要區主要坐落于中西部地區,這些區域森林覆蓋度高,地勢相對平坦,具有重要的水土保持和水源涵養功能。水資源安全的極重要區呈現出明顯的沿江沿湖的分布特征,這些區域地勢低洼,是境內河流匯集地和水源保護地,也是洪災多發區,對于區域水源安全、洪水防護具有重要意義。

圖2 生態重要性因子空間分異

固碳釋氧方面,極重要區主要分布于東北部萬州、云陽、奉節、巫山境內的河谷兩岸和山脊兩側,區域內森林覆蓋率高,濕地、湖泊遍布,生態良好,光照充足是庫區重要的碳匯和氧源。空氣質量安全的極重要區的分布與固碳釋氧高值區相對,主要分布于庫區東北部的山脊區成條帶狀,這些地區海拔相對較高、溫度較低、人類干擾少,是境內空氣質量最好的區域,對提升人類的生境質量極其重要。

如圖3所示,地質災害高值區位于秦巴山區和武陵山區境內,區域內地形起伏大,地質構造復雜加之降水豐沛,易發生滑坡、崩塌和泥石流,對這些區域加強生態管控有利于減少地質災害的發生。水土流失極敏感區一部分呈條帶狀沿山脊分布,另一部分坐落于北部的長江沿岸；其分布特征與土壤保持分布正好相反,所處區域地勢陡峭,植被較少,土壤易受侵蝕。石漠化的極敏感區主要分布于奉節縣的南部,巫山、巫溪縣全境和開縣的北部地區,這些區域巖溶分布廣泛、土層較薄、土壤易受侵蝕是石漠化的易發生地帶。

圖3 生態敏感性因子空間分異

將生態系統服務重要性和生態敏感性的識別結果等權疊加,并提取重要和極重要區作為研究區的綜合生態用地識別結果(圖4)。由統計可知,研究區生態用地總面積為28175.82 km2,占研究區總面積的61.03%,其中各主要景觀類型的面積占比分別為林地60.74%、耕地23.20%、草地5.72%、建設用地5.35%。可見,人類活動已經對研究區的生態用地造成一定干擾,在今后的生態安全建設中應當重點關注。

提取面積大于10 km2的生態用地作為源地,得到生態源地面積19227.04 km2,占研究區總面積的41.65%(圖4)。從空間分布上看,生態源地主要集中于北部的巫山、巫溪、奉節、開州、云陽、萬州和中部的石柱、豐都、武隆；從地形上看,85.76%的源地海拔在500 m以上,主要包括境內幾大山脈(巫山、大婁山、武陵山、縉云山、銅鑼山和明月山),這些區域森林覆蓋率高、自然資源豐富,是重要的生態服務輸出地,在今后的規劃中應列為禁止建設區域進行重點保護。

圖4 生態用地綜合識別結果和生態源地

3.2 阻力面及生態廊道

基于連通度指數修正的最小累積阻力面如圖5所示。可以看出最小累積阻力值的分布呈現出明顯的空間分異特征,阻力值由西南部重慶主城核心區向東北部遞減。相較于夜間燈光指數修正的阻力值(圖5),景觀連通度指數修正的阻力值高低分異更加明顯,高阻力值的分布也更加廣泛。這種分異在研究區西部更為明顯,特別是長壽、江津等地,這些區域地勢較為平坦、土地肥沃、人口密集、人類活動對生態系統的干擾也更加突出,導致景觀破碎、斑塊之間的連通性較差,故生態擴散阻力值較高。

通過計算林地、建設用地的斑塊密度和景觀分離度可以發現,江津和長壽的林地斑塊密度和景觀分離度水平明顯高于研究區整體水平；在建設用地斑塊密度方面江津最高,長壽略低于庫區平均水平；這說明江津和長壽地區林地破碎化嚴重、連通性差,故生態阻力高于其他地區(表5)。

表5 各地區景觀破碎度指數

生態廊道是源地之間物質和能量傳輸的通道。河流兩側能量和物質交換頻繁,阻力較小能夠很好的起到源間廊道的作用。大型河流即是重要的生態源地,又是關鍵生態廊道,故將境內一二級河流和部分能夠連通源地的支系河流作為天然廊道加以保護,共計識別天然廊道9條,總長880.91 km。將基于最小累積阻力面提取的生態廊道定義為阻力廊道。研究區共識別重要阻力廊道36條,總長729.57 km。如圖5所示,西部的阻力廊道受地形和人類活動的影響較為狹長,沿山脈分布,大致呈南北走向；中部和東北部的阻力廊道相對密集散亂,主體呈東西走向。

為進一步對比分析連通度指數和夜間燈光指數修正阻力面的差異,本文基于夜間燈光指數修正的阻力面采用相同的方法提取33條阻力廊道,共計579.72 km,并將二者所提取的阻力廊道與居民點等建設用地進行沖突分析(圖5)。據統計,基于連通度指數修正的阻力面所提取的阻力廊道與居民點的沖突區域為46處,與交通道路的沖突區域為4處；基于夜間燈光指數修正的阻力面所提取的阻力廊道與居民點的沖突區域為219處,與交通道路的沖突區域為6處,后者居民點沖突區域為前者的4.76倍。可見,無論從阻力廊道與建設用地沖突總數還是沖突密度,基于連通度指數修正的阻力面效果都要明顯優于夜間燈光指數修正的阻力面。

圖5 基于連通度指數和夜間燈光指數修正的阻力面及廊道

3.3 戰略點和緩沖區分析

研究區共識別戰略點30個,主要是阻力值較高的農村居民點和耕地(圖5)。西部的阻力廊道受地形和人類活動的影響較為狹長,沿山脈分布,大致呈南北走向；中部和東北部的阻力廊道相對密集散亂,主體呈東西走向。采用自然斷點發提取阻力閾值,將生態源地以外的阻力值劃分為4個等級,提取最小阻力區作為生態源地的緩沖區,得到緩沖區的面積為10539.97 km2,占研究區總面積的22.83%(圖6)。這些區域是生態源地的屏障區,對于保護生態源地的連通性和完整性具有不可替代的作用,在城市的土地利用規劃中應納入限制建設區的范圍,減少人類活動的干擾。

圖6 生態緩沖區和優化格局

3.4 優化廊道構建

生態安全格局強調戰略節點、生態廊道、生態源地的空間位置及其他們的相互聯系[40]。其中,戰略點和重要廊道的疏通是保證生態系統完整性重要途徑。根據生態廊道的分布和土地利用開發強度的相對強弱,將研究區分為東、中、西3個生態組團,可以看出3個組團均在不同程度的廊道缺失。其中,東部和中部組團主要是長江南北兩側的源地缺少溝通的渠道；西部組團連通性最差,南北和東西方向的源地之間廊道均有缺失。此外,研究區30個戰略點中有1個位于道路附近、7個位于農村居民點附近還有11坐落于耕地區。可見,對研究區進行廊道疏通和戰略點修復的迫切性。

從斷開的連接的生態源地出發,尋求次小耗費路徑得到4條優化廊道和重點修復的戰略節點(圖6)。1號優化廊道由綦江四面山源地出發,穿過北部的鳳凰山經長江與縉云山源地連接；2號優化廊道從巴南區的尖峰頂山脈出發穿長江與明月山源地連接；3號優化廊道從涪陵境內的五寶山出發經佛唐山與忠縣源地連通；4號優化廊道由方斗山出發過長江與北部源地相連。相對而言,2號優化廊道的修復難度最大,需打通與廊道相交的繞城高速、渝懷鐵路、滬渝高速等高阻力區；4號優化廊道路徑最短,阻力最小,僅受部分居民點的影響；1號優化廊道則需克服北部成渝環線帶來的阻力；3號環線主要打通忠縣境內的滬渝高速以實現南北源地互通。綜合考慮研究區的生態網絡現狀和修復廊道所面臨的阻力,本文建議優先修復1、3、4號優化廊道,以實現南北和東西方向重要生態源地的互通。對于位于道路、居民點和耕地附近的戰略點可通過架設橋梁、鋪設道路綠帶、生態移民、退耕還林等方式擴大戰略點的生態景觀面積,降低生態阻力。

4 討論

阻力面的科學構建和修正一直是生態安全格局構建的難點,長期以來學者們對阻力面的修正和生態廊道的落地做了大量研究和嘗試[11-12,18,41],但一直未形成有效的解決方案。本文選取景觀鄰近度和連接度指數來構建生態阻力面的修正指數,從斑塊尺度上強調了生態阻力面的內部差異和聯系更符合阻力面構建的本質和要求。除此之外,本文還通過對新構建的修正指數進行自我評價和與常用指數對比評價兩個方面驗證了新指數具有較強可行性和修正效果。在景觀規劃中,連接度十分重要[12],本文在阻力面的構建中考慮景觀連接度能使研究結果更符合實際,有利于景觀管理和生態流評價。

與此同時,本文還通過對研究區現有格局進行評價,識別研究區生態連通性薄弱的區域并提出4條優化廊道對研究區生態網絡進行修復,進一步增加了研究結果落地的可行性,對研究區生態安全格局的優化有一定參考價值。需要指出的是在區域尺度上,本研究通過構建連通度指數對阻力面進行修正,能夠體現出景觀破碎化和人類活動對阻力值的影響,但在小尺度地區或干旱地區其可行性還有待驗證。其次,生態廊道的寬度的設定、源地面積的下限取值對生態功能的發揮有著直接的影響[18-19],如何從模型和實驗的角度探討不同尺度廊道和源地的閾值劃定將是下一步研究的重點。

5 結論

本文以三峽庫區重慶段為研究區,基于景觀生態學理論,選取5個生態重要性指標和3個生態敏感性指標,綜合評價識別研究區生態源地,并構建景觀連通度指數修正基本生態阻力面,運用最小累積阻力模型識別重要生態廊道和戰略點,從而構建研究區生態安全格局,并在此基礎上提出廊道修復方案。得出主要結論如下：

(1)基于連通度指數修正的生態阻力面空間分異明顯,阻力值由西南部重慶主城核心區向東北部遞減；相較于夜間燈光指數,基于景觀連通度指數修正的阻力面所提取的生態廊道對人類活動區的避讓效果更好。

(2)研究區重要生態源地面積19227.04 km2,占總面積41.65%,主要集中在東北部和中東部的林地；生態廊道總長度1610.48 km,包括天然廊道和阻力廊道；戰略點30個,主要位于耕地、居民點和水域附近。

(3)研究區生態連通性較好,但部分地區存在廊道缺失、戰略點阻斷的現象。針對研究區的生態網絡現狀,提出4條優化廊道,其中位于巴南區的2號廊道修復阻力最大,應先打通其他3條阻力較小的優化廊道。