基于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)功能辨識的海壇島生態(tài)保護(hù)和修復(fù)策略

陳 鵬,吳 劍,傅世鋒,潘 翔

(1.福建省海洋生態(tài)保護(hù)與修復(fù)重點實驗室，福建 廈門361005; 2.自然資源部第三海洋研究所，福建 廈門361005)

黨的十八大報告首次將生態(tài)文明建設(shè)納入中國特色社會主義事業(yè)“五位一體”總體布局，國土作為生態(tài)文明建設(shè)的空間載體，優(yōu)化國土空間開發(fā)格局和生態(tài)保護(hù)修復(fù)成為推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的重要舉措[1-2]。黨的十九大報告中明確提出了“人與自然是生命共同體”概念，以及“實施重要生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)重大工程，優(yōu)化生態(tài)安全屏障體系，構(gòu)建生態(tài)廊道和生物多樣性保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性”，這一方面將生態(tài)修復(fù)理念提升到了系統(tǒng)治理的高度，另一方面也明確了生態(tài)修復(fù)的具體路徑[3]。因此，構(gòu)建區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)并識別其關(guān)鍵生態(tài)功能區(qū)域是開展國土空間格局優(yōu)化和生態(tài)修復(fù)工作的重要切入點[4]。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的概念源自景觀生態(tài)學(xué)，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)由源地(Source Area)、廊道(Corridor)和節(jié)點(Node)組成[5-6]。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建被認(rèn)為是維持生物和景觀多樣性，且有利于政策部門開展生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)工作的有效方法[7-8]。國內(nèi)外有關(guān)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的研究多基于“源-匯”理論，以及由此而發(fā)展的“源地識別-阻力面建立-廊道構(gòu)建”范式[9-10]。20世紀(jì)末，歐美學(xué)者共同推動了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的實踐發(fā)展，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)成為一種保護(hù)生物多樣性的新方法和新政策，核心區(qū)域、生態(tài)廊道和緩沖帶逐漸成為自然保護(hù)戰(zhàn)略的關(guān)鍵要素[11-12]。俞孔堅(1999)在國內(nèi)較早提出景觀中由關(guān)鍵性的局部、點及位置關(guān)系構(gòu)成的潛在的生物保護(hù)安全格局理論和方法[13]。近十年來，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究成為景觀生態(tài)學(xué)的一個熱點領(lǐng)域。相關(guān)研究成果多集中在棲息地評估、土地利用評價和城市生態(tài)規(guī)劃等方面[14-15]，關(guān)注點在于探討在景觀尺度上生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間的構(gòu)建，缺乏生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成要素優(yōu)先等級的判定，因而在生態(tài)格局優(yōu)化和生態(tài)空間修復(fù)“精準(zhǔn)施策”方面缺乏指導(dǎo)性[16-17]。本研究選擇海壇島為研究案例，利用遙感信息源和GIS空間分析等技術(shù)方法，辨識出區(qū)域潛在的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)功能結(jié)構(gòu)，采用景觀連接度重要性評價方法，揭示海壇島生態(tài)源地和生態(tài)節(jié)點的重要性，并提出相應(yīng)的生態(tài)保護(hù)和修復(fù)策略，以期為海壇島國土空間規(guī)劃中的生態(tài)修復(fù)工作提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

海壇島地處福建省沿海中部，東臨臺灣海峽，西隔海壇海峽與福清市相望。該島是福建省第一大島，中國第五大島。島嶼南北長29 km，東西寬19 km，面積為324 km2。海壇島為大陸島，地勢低平，地形以海積平原為主，南北多孤丘，最高峰君山海拔438.2 m。有天然淡水湖三十六腳湖，是福建省最大的天然淡水湖。海岸蜿蜒曲折，岸線長度為217 km(圖1)。

圖1 平潭海壇島行政區(qū)劃示意圖Fig. 1 Sketch map of the administrative division of Haitan Island, Pingtan

海壇島屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年均溫19.5 ℃，年降水量1 196.2 mm，年7級以上大風(fēng)125 d，7—9月常受臺風(fēng)影響。該島是平潭縣的主島，縣人民政府設(shè)在潭城鎮(zhèn)，全島有7鎮(zhèn)4鄉(xiāng)，人口約46萬人[15]。2009年獲批設(shè)立海峽西岸經(jīng)濟區(qū)綜合實驗區(qū)，發(fā)展定位為：“一島”(國際旅游島)、“兩窗”(閩臺合作窗口和對外開放窗口)、“三區(qū)”(新興產(chǎn)業(yè)區(qū)、高端服務(wù)區(qū)和宜居生活區(qū))。平潭縣與平潭綜合實驗區(qū)實行“政區(qū)合一”的管理體制。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源與處理 遙感影像數(shù)據(jù)源為2017年SPOT(分辨率2.5 m)數(shù)據(jù)，參考《第三次全國國土調(diào)查技術(shù)規(guī)程》[18]，將研究區(qū)域內(nèi)的土地利用類型分為8類：林地、農(nóng)用地、居民地、建設(shè)用地、交通運輸用地、水庫坑塘、養(yǎng)殖區(qū)和沙灘。在遙感影像處理軟件ENVI支持下，對遙感影像進(jìn)行幾何校正、空間配準(zhǔn)、影像融合等預(yù)處理；野外調(diào)查建立遙感解譯標(biāo)志，采用監(jiān)督分類與人機交互相結(jié)合方法解譯，提取出土地利用矢量數(shù)據(jù)。經(jīng)野外隨機采樣驗證，解譯精度可達(dá)78%，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的坐標(biāo)系(WGS_1984)。地形數(shù)據(jù)來自ASTER GDEM(分辨率30 m×30 m，中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心科學(xué)數(shù)據(jù)中心：http://www.gscloud.cn)，其他輔助數(shù)據(jù)包括平潭縣行政區(qū)劃圖、平潭統(tǒng)計年鑒[19]等。

1.2.2 阻力面模型 根據(jù)“源(Source)-匯(Sink)”景觀理論，“源”指促進(jìn)生態(tài)過程發(fā)展與正向演變的景觀類型，“匯”指阻止或延緩生態(tài)過程發(fā)展與正向演變的景觀類型[9]。通過構(gòu)建阻力面模型(MCR)來反映“源匯”景觀運行的空間情況，該模型主要考慮源、距離和地表阻力三個因子，在一定程度上將景觀功能和格局聯(lián)系起來[13-14]。本研究基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)當(dāng)量方法，并考慮海壇島不同土地利用類型開發(fā)強度，通過專家賦值法作為阻力賦值參考依據(jù)[20-21]：水庫坑塘阻力值設(shè)為1；建設(shè)用地與交通運輸用地阻力值設(shè)為100；其他土地利用類型阻力值的范圍在1～100，分別為居民地90、農(nóng)用地60、沙灘50、養(yǎng)殖區(qū)40。利用ArcGIS空間分析模塊中的成本距離(Cost Distance)模型生成累積耗費距離表面，進(jìn)一步利用ArcGIS軟件中水文分析(Hydrology)模塊，在累積耗費距離表面上提取谷線和脊線。以此確定海壇島的生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點空間分布，其中，脊線為最大耗費路徑，谷線為最小耗費路徑，谷線和脊線的交點為生態(tài)節(jié)點。

1.2.3 景觀連接度測度 景觀連接度定義為描述景觀要素在空間上連續(xù)與延續(xù)的指標(biāo)，用于生態(tài)過程與生態(tài)功能的測量[6]。針對景觀連接度，許多學(xué)者在圖論基礎(chǔ)上提出了各種計算指數(shù)，這些指數(shù)既可以量化生境區(qū)域的重要性，又可以評估生境和土地利用變化對連通性的影響[22-24]。綜合各種景觀連接度指數(shù)優(yōu)劣基礎(chǔ)上[25-28]，選取生態(tài)流指數(shù) (Flux Index,F)、整體連接度指數(shù) (Integral Index of Connectivity,IIC)和可能連接度指數(shù) (Probability of Connectivity,PC) 進(jìn)行重要值 (dM)計算，以此判定斑塊和節(jié)點的對于維持景觀連接度的重要程度。

(1)

varM=M-Mafter

(2)

式(1)至(2)中：M表示景觀中所有源地(或節(jié)點)都存在時的整體連接度指數(shù)，Mafter是景觀中去除某斑塊(或節(jié)點)后剩下的斑塊(或節(jié)點)的整體指數(shù)值，dM和varM則分別量化了特定節(jié)點和斑塊去除后整體連接性值的相對變化和絕對變化。上述指數(shù)計算在Conefor2.6軟件中進(jìn)行(www.conefor.org)，相關(guān)指數(shù)含義及計算公式參見該軟件幫助手冊。

2 結(jié)果與討論

2.1 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)功能辨識

生態(tài)源地對景觀整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和景觀功能的良性發(fā)展具有關(guān)鍵意義和促進(jìn)作用，如大面積的林地、水體等，其生態(tài)效益可以對周邊環(huán)境產(chǎn)生有效的輻射作用。基于ArcGIS數(shù)據(jù)屬性查詢功能，選擇在空間上連續(xù)、核心斑塊面積大的林地和水域作為生態(tài)源地。根據(jù)整體連接度指數(shù)IIC[21]計算結(jié)果，在距離閾值為1 200 m時，IIC數(shù)值發(fā)生突變。因此以整體連接度指數(shù)的重要值(dIIC>2.0，距離閾值1 200 m)作為源地篩選依據(jù)，共計30個源地斑塊，包括17個林地源地、13個水域源地[圖2(a)]，林地源地包括海壇島君山-上樓山、龍頭山-青峰山、牛寨山-南寨山-牛鼻山-筆架山、將軍山；水域生態(tài)源地包括三十六腳湖、竹嶼湖、嵐城湖、君山湖、金井湖、三橋水庫、六橋水庫和玉井水庫，生態(tài)源地總面積為6 170.97 hm2。其中，林地源地最小斑塊面積為95.8 hm2，最大斑塊面積為1 471.7 hm2；水體源地最小斑塊面積為6.8 hm2，最大斑塊面積為115.4 hm2。

生態(tài)廊道既可以起到滲透源地斑塊的連接作用，又可起到維持或重建自然連續(xù)性的作用。其生態(tài)功能主要體現(xiàn)在斑塊間的物流、能流的交流，以及生物物種的遷移、擴散等方面。不同生態(tài)源地之間景觀流的空間運行要克服一定的阻力才能實現(xiàn)。利用累積耗費距離模型，結(jié)合源地和生態(tài)功能阻力分布[圖2(b)]，基于GIS空間分布功能獲得了海壇島累積耗費距離表面[圖2(c)]。由累積耗費距離表面，確定景觀流運行的最小耗費距離，得到生態(tài)廊道空間分布。生態(tài)廊道共有219條，總長度為209.8 km[圖3(a)]。西部填海區(qū)域耗費阻力最強，并沿著主要交通干線蔓延，此區(qū)域的生態(tài)廊道呈現(xiàn)較大面積的空缺和斷裂；城鎮(zhèn)建成區(qū)域?qū)ι鷳B(tài)流運行的耗費阻力較大，生態(tài)廊道呈現(xiàn)數(shù)量少且不連續(xù)特點。

圖2 海壇島累積耗費距離表面Fig. 2 Accumulative cost distance surface of Haitan Island

生態(tài)節(jié)點在景觀格局中起到建立源地之間溝通聯(lián)系的關(guān)鍵點，一般分布于生態(tài)流交匯處，具有發(fā)揮源地生態(tài)效應(yīng)、生態(tài)敏感和易受干擾的特點。生態(tài)節(jié)點的識別和構(gòu)建，有助于為物種擴散遷移提供多樣化資源，維持景觀生態(tài)功能的穩(wěn)定性。由以上分析的最小和最大耗費路徑[圖3(a)]，在最大和最小耗費路徑的交匯，可以得到生態(tài)節(jié)點的空間分布位置，共計有67個節(jié)點[圖3(a)]。這些節(jié)點主要分布在海壇島君山-上樓山源地、三十六腳湖源地周邊，以及填海造地新區(qū)和城鎮(zhèn)區(qū)域的生態(tài)廊道斷裂處，起到踏腳石(Stepping Stone)作用。

圖3 海壇島生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間分布格局Fig. 3 Spatial distribution pattern of ecological network of Haitan Island

2.2 生態(tài)功能分區(qū)

在ArcGIS空間分析模塊中選擇“標(biāo)準(zhǔn)方差(Stand Deviation)”分類模型，將阻力面表面劃分為9類(C1～C9)，每類之間的間隔為1/2方差。阻力面按照標(biāo)準(zhǔn)方差的1/2間隔重分類后，從C2到C3類別上出現(xiàn)一個明顯的突變過程，從C6到C7類別處同樣存在一個突變拐點。以突變拐點處為臨界值，參考相關(guān)學(xué)者對生態(tài)可占用性分區(qū)研究成果[29]，將海壇島阻力面表面歸并為生態(tài)可占用性的高值區(qū)、中值區(qū)與低值區(qū)三個等級的區(qū)域，三者分別占研究區(qū)面積的19.9%、25.3%、54.8%[圖3(b)]。低值區(qū)主要為海壇島的生態(tài)源地及其外圍緩沖區(qū)域，中值區(qū)主要為城鎮(zhèn)區(qū)域和農(nóng)用地區(qū)域，高值區(qū)則為填海造地新區(qū)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況差的區(qū)域。

2.3 生態(tài)功能關(guān)鍵點重要性評價

從整體連接度指數(shù)(dIIC)空間分布而言，總體上整體連接度較差。對景觀整體連接度影響最大的點主要位于海壇島南部的敖東鎮(zhèn)西南小部分區(qū)域，其次位于北厝鎮(zhèn)部分區(qū)域，其他區(qū)域兩個指數(shù)值域范圍均較小[圖4(a)]。

生態(tài)流指數(shù)(dF)空間分布呈現(xiàn)自西南至東北分布的特點，位于海壇島中部的中樓鄉(xiāng)-嵐城鄉(xiāng)-北厝鎮(zhèn)-敖東鎮(zhèn)范圍內(nèi)的生態(tài)節(jié)點的生態(tài)流指數(shù)較大，這些區(qū)域也是海壇島南北兩大生態(tài)源地的中間過渡地帶[圖4(b)]。

可能連接度指數(shù)(dPC)的空間分布呈現(xiàn)從南向北圈層梯度過渡的特點。對可能連接度影響最大的點主要位于海壇島南部的敖東鎮(zhèn)，其次是位于北厝鎮(zhèn)-澳前鎮(zhèn)區(qū)域，而蘇澳鎮(zhèn)-平原鎮(zhèn)-白青鄉(xiāng)區(qū)域的指數(shù)值域范圍最小[圖4(c)]。

圖4 生態(tài)功能關(guān)鍵點景觀連接度重要性評價Fig. 4 Evaluation on the importance of landscape connectivity at key points of ecological function

2.4 生態(tài)保護(hù)與修復(fù)策略

上述確定的生態(tài)源地、生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點，構(gòu)成了海壇島潛在的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)[圖2(c)]，該生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵點及特定的格局對景觀生態(tài)過程起到潛在的決定性影響。因此，基于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)功能的辨識結(jié)果，可識別出海壇島生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的關(guān)鍵區(qū)域，進(jìn)一步引導(dǎo)城市開發(fā)建設(shè)和生態(tài)保護(hù)，加強海壇島的景觀結(jié)構(gòu)和功能聯(lián)系，維護(hù)海島生態(tài)系統(tǒng)安全與穩(wěn)定性。

重要生態(tài)源地應(yīng)劃定為生態(tài)紅線區(qū)，實施強制性保護(hù)，嚴(yán)格控制城市建設(shè)侵占和人為干擾。生態(tài)源地外圍設(shè)置一定寬度的緩沖保護(hù)地帶，進(jìn)行限制性開發(fā)，避免開發(fā)建設(shè)與生態(tài)保護(hù)相沖突。構(gòu)建和修復(fù)海壇島大型山地林斑塊，加強東部沿海防護(hù)林建設(shè)，形成海壇島東部、北部綠色保護(hù)屏障。對水域源地可優(yōu)先開展湖庫的整治清淤和擴容補水等生態(tài)修復(fù)工程，并確保水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

加強生態(tài)廊道建設(shè)，針對廊道斷裂點，確定生態(tài)空間修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域。構(gòu)建橫貫海壇島南北、東西的主干生態(tài)廊道，以增強生態(tài)源地與建成區(qū)內(nèi)景觀生態(tài)組分之間的連接，引導(dǎo)外圍生態(tài)流進(jìn)入城鎮(zhèn)建成區(qū)內(nèi)部。進(jìn)行海壇島交通道路網(wǎng)絡(luò)的植被綠化，以拓展生態(tài)廊道覆蓋長度。

生態(tài)節(jié)點的保護(hù)和修復(fù)，可根據(jù)其連接度重要值評價結(jié)果，按照等級高低先后開展生態(tài)修復(fù)和建設(shè)。優(yōu)化調(diào)控城鎮(zhèn)建成區(qū)內(nèi)部空間布局，加強更新改造和環(huán)境整治工程，通過城市公園、公共綠地和社區(qū)綠化等多層次綠地生態(tài)節(jié)點結(jié)構(gòu)，重建源地與生態(tài)廊道之間的聯(lián)系，提升海壇島景觀多樣性和良好的人居環(huán)境。

生態(tài)可占用分區(qū)中的低值區(qū)是維護(hù)海壇島生態(tài)安全和景觀多樣性的綠色屏障區(qū)域，該區(qū)域應(yīng)以生態(tài)保護(hù)為導(dǎo)向，并對各類開發(fā)建設(shè)活動加以嚴(yán)格限制。可占用性中值區(qū)內(nèi)可以進(jìn)行適當(dāng)規(guī)模的開發(fā)利用，中值區(qū)的存在對于限制開發(fā)空間的無序蔓延具有重要意義；此區(qū)域起到緩沖區(qū)作用，要加強關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點的保護(hù)，優(yōu)化生態(tài)廊道。可占用高值區(qū)在整個研究區(qū)內(nèi)分布較小，此區(qū)域可占用性最高，可以進(jìn)行大規(guī)模的開發(fā)利用，但應(yīng)加強生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點的恢復(fù)構(gòu)建。

人類干擾活動在改造自然過程中，也嚴(yán)重地破壞了自然景觀的完整性，造成生態(tài)斑塊零散分布、物種多樣性降低、動植物生境破壞、環(huán)境質(zhì)量下降以及生態(tài)系統(tǒng)脆弱等一系列問題。在保護(hù)生態(tài)源地的同時，對已經(jīng)遭受破壞的生態(tài)斑塊、生態(tài)廊道和節(jié)點進(jìn)行恢復(fù)，是優(yōu)化生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的重點內(nèi)容。

3 結(jié)論

(1)本研究利用遙感信息源和GIS空間分析等技術(shù)方法，辨識出區(qū)域潛在的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)功能結(jié)構(gòu)，通過景觀連接度重要性評價，揭示海壇島生態(tài)源地和生態(tài)節(jié)點的重要性。目的在于從景觀格局和生態(tài)過程出發(fā)，確定區(qū)域生態(tài)保護(hù)和修復(fù)的關(guān)鍵區(qū)域，并探討有利于調(diào)控生態(tài)過程的途徑和方法，進(jìn)而提升生態(tài)系統(tǒng)健康、穩(wěn)定和安全。

(2)運用景觀生態(tài)學(xué)解決實際問題時，必須充分考慮所用方法適用的尺度。因此，對一個區(qū)域進(jìn)行景觀連接度評價時，首要解決的關(guān)鍵問題是確定生態(tài)過程的距離閾值。本研究采用整體連接度指數(shù)(IIC)突變點法確定了景觀連接度的距離閾值，但連接距離閾值選擇仍需要在底層技術(shù)實現(xiàn)過程中經(jīng)過大量的模擬運算獲取。

(3)本研究成果可為合理地進(jìn)行國土空間規(guī)劃與生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工作提供一定的參考依據(jù)，但研究工作尚欠缺與實際生態(tài)修復(fù)案例相結(jié)合的具體分析，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的真實性和有效性也需要進(jìn)行野外實地驗證。與研究區(qū)生態(tài)本底調(diào)查資料相結(jié)合，細(xì)化景觀尺度上的區(qū)域生態(tài)修復(fù)方案，則是未來有待深入的研究內(nèi)容。