基于CVOR和電路理論的討賴河流域生態安全評價及生態格局優化

潘竟虎,王 云

西北師范大學地理與環境科學學院, 蘭州 730070

生態安全被認是國家穩定、社會安定、經濟繁榮、民生改善最為基礎和最為牢固的構成要素。美麗中國、新型城鎮化戰略、生態文明建設的宏觀背景下,人們對美好生活環境的需求日益增加,生態安全格局的構建也成為區域不可或缺的、底線式的生態系統宏觀管理行為[1]。生態安全格局優化能夠防止生態環境保護工作出現盲目、低效保護,有效緩解社會經濟發展及生態環境保護的沖突[1],是實現生態安全、促進可持續發展的重要途徑[2]。生態安全是以生態系統服務與健康為前提的[3],區域生態安全格局優化以維持生態系統結構和過程的完整性、穩定性為基礎,針對區域內生態環境問題,提出可落實于空間地域的綜合解決措施及策略。生態安全格局構建就是識別區域內已有的對保護、維持特定區域某種生態過程起到重要作用的關鍵生態要素(如斑塊、廊道、節點等),并優化、整合,從而對特定生態過程進行調控,確保生態系統持續提供服務和健康發展[1]。黨的十九大明確提出將生態文明建設提升為“千年大計”,并指出應“實施重要生態系統保護和修復重大工程,優化生態安全屏障體系,構建生態廊道和生物多樣性保護網絡,提升生態系統質量和穩定性”。在此背景下,開展以生態系統服務與健康框架評估生態安全并選取生態源地,識別重要生態廊道,針對生態地位重要而生態環境問題日益突出的干旱內陸河流域,進行生態安全格局優化研究,意義重大。

生態安全格局及優化的概念源于西方。1967年,Mac Arthur和Wilson提出島嶼生物地理學理論,以此為基礎提出了“生態網絡模式”[4]。目前,學者們基于土地利用、景觀格局、生態基礎設施建設等不同視角,從最初簡單定性、定量的格局、規劃分析,逐步向靜態格局優化、動態格局模擬以及生態狀態趨勢分析等更復雜、更空間化的研究發展[5]。研究方法主要有多指標綜合評價法、最小累積阻力模型分析、情景模擬、景觀生態指數等。綜合來看,生態安全格局研究的指標構建與方法還在進一步探索中,多數研究以“源地-阻力面-廊道”的框架范式構建區域生態安全格局。但已有研究在認定生態源地時多依據生態系統服務評價,考慮生態系統健康的研究較少。生態廊道的識別多采用最小累積阻力模型(MCR,Minimum cumulative resistance model),MCR選擇出的廊道是最優路徑,卻忽視了生物的隨機游走性,而且不能反映廊道的真實寬度。此外,多數研究將生態源地、生態廊道的識別作為生態安全格局構建的重要部分,卻忽略了戰略點的識別。

生態安全研究的最終目的就是要保障生態系統在持續健康的狀態下提供服務[6],關注生態安全問題,不僅要關注生態系統服務的重要性,還要關注生態系統的健康狀況[7]以及生態系統提供給人類的惠益。Costanza等在1992年提出了 “活力—組織力—恢復力”的生態系統健康評價體系[8]；陳克龍等提出應將生態系統服務和人群健康狀況納入評價體系[9]；Peng等將生態系統服務引入城市生態系統健康評價指標體系[10-11]；Kang等將生態系統服務與生態系統健康相結合,評價了京津冀城市群的生態風險[3]；袁毛寧等基于生態系統“結構—功能—過程—服務”研究范式,將傳統的三維評估框架拓展為“活力—組織力—恢復力—貢獻力(vigor, organization, resilience and contribution)”四維評估框架[12]。本文借鑒以上學者的研究思想,依據“貢獻力-活力-組織力-恢復力”框架,將生態系統健康與生態系統服務共同納入評價體系中,對討賴河流域生態安全狀況進行評價。根據評價結果識別生態源地,采用Linkage Mapper識別和繪制最優路徑,利用電路理論連通度模型識別潛在路徑及廊道寬度,采用Barrier Mapper識別影響景觀連通性的障礙點,為討賴河流域生態安全格局優化提供科學依據。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

討賴河位于甘肅省河西走廊中部地段,是黑河流域最大的支流。發源于青海省祁連山地討賴南山東段討賴掌,主河道全長約370 km,流域面積2.8萬km2。流域北低南高,由祁連山區、酒泉盆地和金塔盆地三個地貌類型組成。冰溝出口以上區域為上游,海拔3000—5000 m,年降水量約300 mm,為討賴河主要的產流區；冰溝至金塔縣鴛鴦池水庫為中游,年蒸發量約為2150 mm,年降水量僅85 mm,是典型的干旱灌溉農業區,也是流域主要工農業經濟區；鴛鴦池水庫以下為下游,基本處于常年斷流狀態[13]。行政區劃上包括金塔縣、嘉峪關市、酒泉市肅州區、肅南縣的大部分地區及高臺縣、肅北縣、祁連縣的小部分區域(圖1)。2015年流域總人口83.1萬,城鎮化率為57.06%,GDP為420.66億元,糧食總產量為25.17萬t,大(小)牲畜共計201.15萬頭(只)。流域內農業綠洲區人口稠密,灌溉農業發達。葡萄釀造業、冶金業、裝備制造業、新能源有了長足的發展,是甘肅省區域發展戰略中的核心區域之一。討賴河作為流經縣區最重要的生活、生產、生態用水來源,其流域生態安全對社會經濟及可持續發展至關重要[14]。討賴河流域屬于典型的干旱內陸河流域,生態環境脆弱,長期不合理的開發利用加劇了流域生態環境的惡化。出現了上游超載過牧及草場水源涵養能力退化,中游用水矛盾突出,下游土地沙漠化加劇等生態環境問題。

圖1 研究區位置

1.2 數據來源與預處理

氣溫、降水和太陽輻射數據源自國家氣象科學數據共享服務平臺(http://data.cma.cn/),并利用Anuspline軟件對數據進行空間插值,得到空間分辨率500 m的氣象數據。數字高程模型(DEM)取自土地覆被數據庫(http://glcf.umd.edu/date/srtm),空間分辨率為90 m。歸一化植被指數(NDVI)數據獲取自地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/),為MODIS MYD13Q1植被指數16天合成產品,空間分辨率為250 m。土壤柵格數據(1∶100萬)來源于聯合國糧農組織(http://www.fao.org/)和維也納國際應用系統研究所(IIASA)所構建的世界和諧土壤數據庫(HWSD)。討賴河流域范圍數據來自黑河計劃數據管理中心(http://www.heihedata.org/)。

2000年討賴河流域土地利用數據為 Landsat 影像解譯結果,2015年土地利用數據為Landsat影像及當年7—8月環境衛星的CCD影像(空間分辨率為30 m)并參考谷歌地球等高分辨率影像共同解譯結果。結合討賴河流域自然環境的實際情況,根據土地的用途、利用方式和覆蓋特征等因素作為土地利用的分類依據,將土地利用分為草地、耕地、林地、水域、未利用地、建設用地6個一級地類和24個二級地類。按照先易后難、先整體后局部、先宏觀后微觀、先大類后小類的解譯順序,采用多要素、分主次和逐步判別的人工目視解譯,實地驗證和高分辨率衛星影像輔助驗證,綜合判讀精度85%以上,Kappa系數0.72,可以滿足研究的需求.考慮到數據的精度差異,本文將所有數據統一處理為500 m×500 m的柵格。

2 研究方法

2.1 生態安全狀況評估

生態安全研究的根本目標是保障生態系統健康以使其能持續發揮生態系統對人類福祉的增益功效[15]。生態系統服務反映了與生態系統結構和過程相關的生態功能的產物,而生態系統健康反映了涉及生態系統結構、過程和功能的空間實體的維持狀態。簡言之,生態系統服務可以表示功能,生態系統健康則代表保護實體[3]。健康的生態系統強調生態系統的完整性、可持續性[16],是生態系統服務的前提[6],被認為是環境管理的目標之一。本文借鑒Kang[3]、Peng[10-11]、袁毛寧[12]等學者對城市(群)生態系統健康和生態風險的評價框架及指標設置,以生態系統服務與健康共同構建“貢獻力-活力-組織力-恢復力”4個準則層的生態安全評價體系(表1),評價討賴河流域2000和2015年生態安全狀況。

表1 基于“貢獻力-活力-組織力-恢復力”的生態安全評估指標體系

2.1.1生態系統服務指標的選取及評估

根據討賴河流域生態環境狀況及能夠提供的主要生態系統服務,本文選取氣候調節、維持生物多樣性、土壤保持、水資源供給、提供美學景觀等五項服務進行評估。

(1)氣候調節。選用InVEST模型的Carbon模塊計算流域碳儲量。Carbon模塊將生態系統碳儲量Ctotal劃分為地上部分碳儲量Cabove、地下部分碳儲量Cbelow、土壤碳儲量Csoil和死亡有機物碳儲量Cdead四部分[17]。由于研究區內的死亡有機碳儲量較小且數據獲取較難,本文將其忽略不計,其余碳密度數據所需相關參數參考前人研究成果確定[18]。計算式為：

Ctotal=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(1)

(2)維持生物多樣性。本文選用InVEST模型的Habitat Quality模塊,以土地利用數據、每一種威脅性土地利用類型的相對影響、生境柵格與威脅因子之間的距離、每一類生境對每一種威脅因子的相對敏感性4個因素來評價維持生物多樣性服務[19]。

(3)土壤保持。選用InVEST模型的SDR模塊計算土壤保持量,公式如下[20]：

RUSLE=RKLS-USLE

(2)

RKLS=R×K×L×S

(3)

USLE=R×K×L×S×C×P

(4)

式中,RKLS為裸地的土壤侵蝕量；USLE為實施了管理措施或有植被覆蓋的土壤侵蝕量；R為降雨侵蝕因子；K為土壤可蝕性因子；LS為地形因子；C為覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子。P、C系數參考胡勝等[21]研究結果。降雨侵蝕力利用Arnoldus[22]提出的基于逐月降雨量和年平均降雨量計算研究區各水文站點年平均降雨侵蝕力,并進行Kriging插值后重采樣為500 m×500 m的柵格。K因子的計算公式為[23]:

K={(0.2+0.3exp[-0.0256Sand(1-Silt/100)]}×[Silt/(Clay+Silt)]0.3

×{1-0.25C/[C+exp(3.72-2.95C)]}×{1-0.7SN1/[SN1+exp(-5.51+22.9SN1)]}

(5)

式中,Sand、Silt、Clay、C分別為砂礫、粉粒、黏粒和有機碳的含量(%)。SN1=(1-Sand)/100。

(4)水資源供給。利用InVEST模型的Water Yield模塊計算。首先,確定研究區每個柵格單元x的年產水量Y(x),公式為：

(6)

式中,AET(x)為柵格x的年實際蒸散量,P(x)為柵格x的年降水量。

(5)提供美學景觀。公共游憩空間具有較高的文化和觀賞價值,是衡量居民生活質量、城市社會文明的指標之一[24]。考慮到研究時段內酒泉市肅州區、金塔縣、嘉峪關市大力推進生態城市建設,本文在計算2015年討賴河流域娛樂文化指數時,按照重要性分別對不同游憩場所進行賦值[25]。根據流域游憩狀況,將嘉峪關市草湖、酒泉肅州區花城湖、金塔縣北海子國家濕地公園等重要生態功能區賦值為1.75；嘉峪關市黑山湖水庫、南湖文化生態園、明珠文化生態園,金塔縣沙漠胡楊林景區、金鼎湖風景區等賦值為1.5；嘉峪關市森林公園、討賴河公園、肅州區北郊公園、錦繡酒泉公園、航天公園、酒泉公園、肅州植物園、體育公園等賦值為1.25；其他區域均賦為1。

本文根據研究區土地利用類型和謝高地等[26]制定的娛樂文化服務價值當量表示娛樂文化指數。2015年討賴河娛樂文化指數(Recreation and culture index,RCI)根據游憩場所重要性予以修正,公式為[25]：

RCI=nl×m

(9)

式中,nl為第l種土地利用類型的娛樂文化服務當量,m為修正值。

由于五項生態系統服務評價結果的量綱不統一,直接對其進行整體評價較為困難。為消除因量綱不同而造成的影響,先對各單項服務功能評估結果進行標準化處理,再計算五項生態系統服務總指數,計算式為：

(10)

式中,ESI為生態系統服務指數；Pi為歸一化處理后指標值；Wi為第i項服務的權重,文中取均值權重。

2.1.2生態系生態系統健康指標的選取及評估

生態系統空間實體的生態系統健康體現了在壓力下保持健康結構,自我調節和恢復的能力,可以分為三類：活力、組織力和恢復力[27]。本文以活力V、組織力O、恢復力R三項指標進行離差標準化后評估生態系統健康狀況,生態系統健康指數EHI的計算式為：

EHI=W1×V+W2×O+W3×R

(11)

式中,W1、W2、W3分別為V、O和R的權重,文中權重各取1/3。

(1)活力。生態系統活力V通過生態系統的新陳代謝或初級生產力(Net Primary Production,NPP)來表征。本文使用光能利用率模型(Carnegie-Ames-Stanford Approach,CASA)評估討賴河流域2000、2015年NPP,以此來表征生態系統活力。計算方法詳見參考文獻[28]。

(2)組織力。生態系統組織O是指由景觀格局決定的生態系統的結構穩定性。景觀異質性(Landscape Heterogeneity,LH)和景觀連通性(Landscape Connectivity,LC)都會影響生態系統的組織[3]。景觀異質性是由景觀多樣性支持,以面積加權平均斑塊分維數指數(Area Weighted Mean Shape Index,AWMPFD)、香農多樣性指數(Shannon′s Diversity Index,SDI)、修正的辛普森多樣性指數(Modified Simpson′s Diversity Index,MSDI)來表征景觀多樣性,指數值越高,景觀多樣性越高[12]。

景觀連通性由整體景觀和重要生態斑塊(例如本文中的林地與水域)的連通性決定。景觀連通性越高,組織力越強。本文選用蔓延度(Contagion,CONTAG)量化整體景觀連通性,用分離度指數(Splitting Index,SPLIT)和景觀連接指數(Connectance Index,CONNECT)量化林地和水域的連通性[12]。參考Kang等[3]的研究,將景觀異質性和景觀連通性權重均賦為0.35。此外,林地和水域對整個流域景觀極其重要,是維護流域生態環境的重要斑塊,應優先保護,將重要生態斑塊連通性權重設定為0.3。利用Fragstates軟件計算,公式如下[3]：

EO=0.35×LC+0.35×LH+0.3×IC

=0.1×AWMPED+0.25×SPLIT+0.15×SDI+0.1×MSDI+0.1×CONTAG

+0.1×(SPLIT1+SPLIT2)+0.05×(CONNECT1+CONNECT2)

(12)

式中,EO為評估單元的生態系統組織,IC為重要生態斑塊連通性,SPLIT1、SPLIT2分別為林地、水域分離度指數,CONNECT1、CONNECT2分別為林地、水域連接度指數。權重的設置參考了Kang等[3]的研究結果。

(3)恢復力。生態系統恢復力R是指區域生態系統在受到自然、人文因素干擾后恢復其原有結構和功能的能力,反映區域在生態系統過程中抵御與適應外來干擾的能力[3]。本文參考劉明華等[29]的研究,對不同土地利用類型恢復力系數(Resilience Coefficient,RC)進行賦值,并基于研究區的NDVI數據對其修正。公式為：

(13)

式中,RCi為第i個柵格的恢復力系數；NDVIi表示第i個柵格的NDVI值；NDVImeanj為第i個柵格所在土地利用類型j的NDVI平均值,RCj為地類j的恢復力系數。

基于生態系統服務指數ESI及生態健康指數EHI計算生態安全值(Ecological Security Value, ESV),計算式為：

(14)

2.2 生態安全格局優化

2.2.1電路理論連通度模型

生物個體流或基因流在特定景觀中的流動具有隨機性,正如電路中的電荷同樣是隨機游走的。因此,根據兩者共有的隨機游走特性,電路理論把電路與運動生態學聯系起來,將復雜景觀中的物種個體或基因流類比于電荷,將景觀視為電阻面(即生態學中的阻力面),根據是否利于某種生態過程為各類景觀賦予相應的電阻值(即阻力值)[30]。例如,可將草地、林地等易于物種遷移或促進基因流動的土地利用類型賦予低電阻值,將建設用地、裸巖裸土等阻礙遷移、流動的土地利用類型賦予高電阻值。據此,異質景觀可被視為一系列節點(動物棲息地、生態保護區等)和電阻組成的電路[31]。Circuitscape軟件可根據用戶提供的節點數據及電阻數據計算橫跨景觀的電流和電壓圖。電流可反映游走者沿某一節點或路徑遷移的概率。電流越大,則該地區通過水平越高[30]。該軟件有成對、高級、一對多和多對一4種測算連接度的計算模式。

2.2.2生態源地提取

本文將每個生態源作為電路節點處理。生態源地不僅需要提供多種高質量的生態系統服務,而且需要維持高水平的綜合生態系統健康[3]。已有研究在識別生態源地時,往往直接選取水域、林地、自然保護區等重要生態斑塊做為生態源地,或利用指標體系對斑塊生態系統服務重要性進行評價,很少有研究根據生態系統服務與生態系統健康選擇生態源地,這忽略了生態安全就是要保障生態系統能夠在持續健康的狀態下提供服務的根本目的[6]。因此,本文根據2015年討賴河流域生態安全評估結果來選取生態源地。考慮到流域高度安全區生態斑塊較少,生態環境脆弱,水資源有限,一旦遭到破壞,將很難恢復,應首先保護現有生態安全狀況相對較好的區域。本文選取高度安全區、較高安全區作為質量較高的生態源地備選區,將中等安全區作為應繼續維護和恢復的生態源地備選區。由于生態源地須具有一定面積才能使核心區不受外界干擾,結合討賴河流域特征,剔去備選區中面積小于0.3 km2的斑塊作為生態源地[20]。

2.2.3阻力面建立

人類活動及引起的土地利用/覆被變化會影響生態系統間的物質流動和能量交換。物種在空間上的的遷移需克服不同景觀單元間的阻礙,阻力面可以反映景觀異質性對生態過程流動的影響[32]。阻力值一般依據土地利用類型差異導致的生境適宜性差異來賦值,根據本文構建生態廊道所用到的Circuitscape軟件及Linkage Mapper工具對阻力值的要求,參考劉佳等[33]的研究構建阻力面。

2.2.4生態廊道構建

構建討賴河流域生態廊道首先須確定生態源地,然后分析生物隨機游走特征,識別最優路徑和次優潛在路徑。

(1)最優路徑識別。Linkage Mapper可利用生態源地及阻力面來識別和繪制核心區域之間的最小成本路徑(least cost path,LCP),LCP是物種遷移的最優路徑[30]。Linkage Mapper通過確定相鄰源地、用鄰接關系和距離數據構建源地間網絡、計算成本加權距離和LCP、計算成本最低的走廊并將其鑲嵌到一張地圖中,按照以上四個步驟繪制最優路徑圖。LCP的成本加權距離與路徑長度的比值用以描述沿該路徑移動的相對阻力[30]。

(2)次優潛在路徑識別。LCP識別出了物種在棲息地之間遷徙或擴散時具有最大生存幾率的路徑,但這是基于物種在遷徙時“知道哪條路是最容易的”的假設[34]。事實上,物種對周圍景觀并沒有選擇偏好,而是隨意游走。電路理論連通度模型與最小成本分析方法都是基于阻力面來考察連接度的模型,但該模型并不識別最優路徑,而是借助物理學電路知識,將電流回路類比為物種擴散和遷移過程,通過歐姆定律確定有效電阻和電流,有效電阻可衡量生境或種群間有效距離,電流可表征預測目標物種沿著節點間模擬路徑移動的凈流量概率[30]。電路理論通盤考慮了存在于景觀中的多條連接路徑,可以補充最小成本路徑,并有助于優先考慮重要的連通性保護領域,有研究已證明該模型在各種尺度上均能較好模擬生物在異質性景觀中的移動[34],因此,本文采用基于電路理論的Circuitscape 5.0軟件成對模式來識別討賴河流域次優潛在路徑。

2.2.5障礙點識別

障礙點是阻礙物種在生態斑塊間移動的區域,障礙點識別可為決策者進行景觀規劃提供參考。借助Linkage Mapper計算得出的斑塊間歐式距離結果,將Barrier Mapper工具的最小搜索半徑設置為與柵格大小相同的500 m,最大搜索半徑設置為1500 m,通過移動窗口法搜索障礙點。得分越高的障礙點被清除后對整體景觀連通性改善越大。

3 結果分析

3.1 討賴河流域生態安全評價及其時空演變

3.1.1生態系統服務

討賴河流域2000、2015年碳儲量、生境質量、土壤保持量、產水量和美學景觀服務的空間分布如圖2所示。五項生態系統服務評估指數ESI的空間分布如圖3所示。2000年流域ESI的數值范圍為0—0.47,平均值為0.050,且大部分區域以中低值居多,表明討賴河流域生態系統服務發揮有待提高。ESI的高值區主要分布在肅南縣祁連山區,中值區以酒泉市肅州區、金塔縣的城市綠地、耕地等土地利用類型為主,低值區在全流域均有分布。2015年五項生態系統服務指數為0—0.51,平均值提升至0.054。由于土地利用類型轉換引發了生態系統服務功能變化。例如金塔北海子濕地、嘉峪關草湖濕地、酒泉肅州區花城湖等濕地的恢復,金塔縣鴛鴦池水庫的擴大,嘉峪關市新城鎮、酒泉市肅州區下河清鎮、金塔縣西壩鎮等地的耕地面積增大,都給討賴河流域生態系統服務功能帶來了正向影響。

圖2 2000和2015年討賴河流域生態系統服務空間分布

圖3 2000年和2015年討賴河流域生態系統服務指數ESI空間分布

3.1.2生態系統健康

討賴河流域2000、2015年生態系統活力(NPP)、組織力(EO)和恢復力(RC)的空間分布如圖4所示。圖5是EHI的空間分布圖,由圖5可知,2000年討賴河流域EHI為0—0.62,中高值區以流域南部祁連山區低海拔的林草地、中部農業區為主；北部農業區的耕地斑塊更破碎,與中部農業區相比EHI較低；祁連山區高海拔區為高寒戈壁,將部分林地、草地割裂成面積較小的斑塊,這些斑塊EHI較低；戈壁荒漠區土地利用單一,植被覆蓋率低,EHI最低。2015年流域部分區域生態系統健康有明顯好轉,城市綠地、水域、耕地的增加使得嘉峪關市城區、肅南縣明花鄉EHI指數上升。

圖4 2000年和2015年討賴河流域生態系統活力(NPP)、組織力系數和恢復力系數空間分布

圖5 2000年和2015年討賴河流域生態系統健康指數空間分布

3.1.3生態安全時空格局

依據自然斷點法將生態安全指數劃分為低度安全、較低安全、中等安全、較高安全和高度安全5個安全等級(圖6)。2000年、2015年討賴河流域低度安全等級區面積最大,分別占流域總面積的63.68%、61.25%,較高安全區、高安全區僅占總面積的13.93%、15.80%。從空間分布來看,2000年與2015年討賴河流域生態安全總體格局變化不大。高度安全區主要分布在肅南縣祁連山區,較高安全區主要分布于酒泉市肅州區銀達鎮、總寨鎮、東洞鎮、紅山鄉、豐樂鎮、嘉峪關市新城鎮及金塔縣西壩鎮、東壩鎮等耕地斑塊。低度安全區以沙地、裸巖、裸土等土地利用類型為主,生態環境非常惡劣,難以提供良好的生態系統服務,與實際狀態相符。嘉峪關市、酒泉市肅州區城區是討賴河流域的人口和產業集中區,城市化推進相對較快,土地開發和利用力度較大,生態破壞較嚴重,生態安全等級較低。2015年嘉峪關市、肅州區較低安全區域隨城市擴展而擴展,嘉峪關市新城鎮、肅州區明花鄉一部分由未利用地轉換而來的耕地生態安全等級由低度安全提升為中等安全。2000—2015年,安全等級升高的區域面積為5431 km2,占總面積的34.30%；安全等級下降的區域面積有6952.75 km2,占總面積的43.90%。

圖6 2000和2015年討賴河流域生態安全等級空間分布

3.2 生態安全格局優化

3.2.1生態安全格局組分識別

(1)生態源地及阻力面。剔除面積小于0.3 km2的斑塊后,討賴河流域生態源地斑塊分布如圖7所示。全流域共有源地891個,面積3006.16 km2。最大斑塊面積625.41 km2,最小斑塊面積僅0.34 km2,平均面積3.37 km2,破碎化程度高。生態源地主要分布在嘉峪關市、酒泉市肅州區、金塔縣灌溉綠洲農業區以及南部祁連山區。基于生態源地及阻力面數據(圖7),利用Circuitscape模型多對一模式模擬電流密度(圖8)。斑塊的電流密度值越高,則該斑塊對流域景觀連通性貢獻越大,斑塊重要性越高[33]。結果可知,電流密度高值區主要分布于流域祁連山區,該區域的冰川融水與高山積雪融水是河流補給的重要來源,草地、森林及野生動物資源豐富,是討賴河流域重要的生物多樣性分布區及水源涵養區。除此之外,流域中部如嘉峪關市東北部新城鎮新城草湖,為天然亞高山草甸草場,是北部沙地與農田的過渡地帶,是重要的生態屏障,該區域也為電流密度高值區。中值區主要分布于嘉峪關市、酒泉市肅州區、金塔縣農業經濟區,該區域受人類活動影響大,斑塊類型單一,生物多樣性較低。流域中面積大于10 km2的水域及冰川電流密度較小,這是由于一定程度上阻擋了生物物種的遷移,影響了整體景觀的連通性。

圖7 阻力面

圖8 多對一模式模擬結果

(2)生態廊道。生態源地之間共生成1122條最小成本路徑,共長3468.15 km,平均長度2.16 km,最長的路徑長度為24.35 km,最短為0.5 km。長度小于2 km的路徑占總路徑的67.41%,最小成本路徑破碎度較高。平均歐式距離為2.95 km,最長為3.765 km,最短為0.09 km。從圖9可知,討賴河流域最優廊道的空間分布差異明顯：流域北部戈壁灘缺少生態源地,沒有廊道連通；中部斑塊間廊道的數量較多且網絡密度大,連通性強；南部祁連山區片狀源地內阻力小,廊道數量較多,但片狀源地間相隔高原荒漠,阻力相對較大,其中分布有面積較小的源地起到“踏腳石”作用,將各個片狀源地連接起來,生成多條生態廊道,共同構成流域最優廊道網。

圖9 最小成本廊道分布圖

成本加權距離與路徑長度的平均比值為248.56,最大比值是640.83,而最小比值是10,將各廊道比值按自然斷點法分為阻力較小、阻力中等、阻力較大三等(圖10),較大阻力廊道有242條,分布在距離相對較遠且相隔裸巖、裸土等阻力較大的的源地間。中等阻力廊道有386條,大部分分布在祁連山地區相隔較遠的生態源地間。較小阻力廊道有494條,主要分布于金塔縣、嘉峪關市、肅州區距離近且密集的耕地斑塊間。

圖10 不同阻力等級廊道分布圖

由Circuitscape多對一模式模擬結果及獲得的次優路徑分布圖(圖11)可得,流域北部無電流,而中部農業區與南部祁連山區均有電流值,這與生態源地斑塊的分布、數量、距離有關,斑塊數量越多、距離越近,功能連通性會越高[33]。嘉峪關市、肅州區城區均出現電流高值,這是由于城市建成區將周圍的耕地、綠地等生態斑塊隔離,這些斑塊間的聯系需經過城區生態廊道。根據電流密度圖得到的次優廊道分布圖,流域北部無廊道,中部廊道通過解放村水庫、鴛鴦池水庫將金塔縣與嘉峪關市、肅州區的生態源地連接,又通過祁文鄉、紅山鄉、豐樂鎮耕地斑塊將肅南縣山地區連接起來,構成流域次優生態廊道。

圖11 成對模式模擬結果和次優路徑分布圖

3.2.2生態安全格局優化策略

生態安全格局優化的目標是針對特定區域環境問題,通過設計、規劃區域內景觀組分的數量、分布空間格局,保護生物多樣性,維持生態系統過程完整性,實現區域內自然環境與人類社會協調發展。在進行討賴河流域生態安格局優化時,首先要保護流域重要生態源地,保護源地生態系統穩定性,發揮區域本底優勢,在此基礎上,建設與源地協調的生態廊道,清除障礙點、增添“踏腳石”斑塊,以提高生態廊道數量與質量,推進廊道網絡化、系統化結構轉變。根據流域狀況劃分功能區,實現流域綜合治理,提高流域生態環境安全。

由障礙點識別結果可知,在討賴河流域內,阻礙景觀連通性的障礙點分布較廣(圖12)。流域內障礙點的總面積9405.25 km2,占流域總面積的59.4%。障礙點改善得分最高值為762.462,最低值0.017,平均值215.45,約有25.8%的區域改善得分大于平均值。改善得分較低的區域主要分布于肅州區、金塔縣、嘉峪關市的綠洲農業區。由于耕地斑塊數量眾多且密集,清除該部分障礙點對整體景觀連通度提升不大。流域內廣闊分布的戈壁、沙地,雖為改善得分高值區,但由于干旱內陸河流域降水稀少,生態環境惡劣,未利用地轉化為草地的幾率很小,加上斑塊破碎度高,實施難度極大。

圖12 障礙點的改善得分及空間分布圖

為保證討賴河流域生態系統能在持續健康的狀況下提供生態系統服務,以生態系統健康及服務為評估依據提取生態源地。為更貼近生物遷移真實狀況,識別成本最低的最優路徑,同時以電路連通度模型識別生物遷移可能的潛在路徑,共同構建流域生態安全格局(圖13)。結合流域生態狀況劃分功能區,實現流域生態空間管制,提高生態安全。具體措施上,要著力保護生態源地,并逐步提高源地質量。祁連山區的自然生態源地要優先保護,也要注重發揮綠洲農用地、綠地的生態功能。其次要加強廊道建設,完善流域廊道網絡。流域內戈壁面積較大且與綠洲區交錯分布,導致現有生態廊道阻力較大、連接度不夠,無法實現生態流的良好流通。應加強廊道建設,在廊道外圍設置緩沖區,拓寬廊道以提高其對連通性的貢獻率；加大荒漠化治理力度,建設阻沙墻、草方格沙障,抑制沙漠化,逐步提高植被覆蓋率,減小廊道阻力。第三,要清除障礙點,提高生態廊道質量。對于居民區類障礙點,可合理利用空間增加綠地面積,改善人居環境；對于道路障礙點,可擴寬兩側綠化帶、增加綠化植被群落層次；對于河道兩側障礙點,可擴展綠地、護岸林面積,打造濱河景觀；對于沙地、戈壁等類型的障礙點,可通過鋪設草方格截留水分、提高沙層含水量,提高固沙植物的存活率。對于范圍較廣的障礙點,可先對障礙點內部進行調整,建立斑塊間連接路徑。對于面積廣、阻力大的障礙點,如金塔縣生態源地與嘉峪關、酒泉市肅州區生態源地間的戈壁灘,雖然該障礙點改善得分高,清除后對整個流域連通性產生積極影響,但需花費大量人力物力,因此不建議盲目復綠,應先控制沙化蔓延勢頭,防止沙漠化侵害農業綠洲區。第四,要建立“踏腳石”,增強斑塊連通性。在南部祁連山區,重要的生態源地之間應合理配置點狀狀生態斑塊,起到“踏腳石”的作用,壓縮斑塊之間的距離,期望構成廊道,增大生態服務功能的連通性。

圖13 優化后的討賴河流域生態安全格局

生態穩定區土地利用類型均為戈壁、裸巖石礫地、裸土等未利用地,該區域應當防止土壤沙化蔓延,合理開發沙漠戈壁旅游和發展沙產業。生態發展區主要為中部耕地區,人口稠密、水土資源緊缺,應嚴格遵循保護耕地和基本農田的原則,以環境承載力為基礎,提高水土資源利用率,尋求生產、生活、生態、生意等“四生”空間協調發展。重點保護區主要為祁連山區的草地、林地等,生態環境脆弱,措施上應保護冰川、濕地、林地、草原,加強退化草地治理、天然林保護和水土流失防治,提升水源涵養和生物多樣性保護服務功能。

水資源是影響討賴河流域發展的關鍵因素,但一味追求“恢復”生態系統,使其回到低效能自然平衡狀態是不可取的。在進行水資源的配置時,應考慮現有水資源承載能力,尋求最佳發展規模；協調生態用水及城市生活、工業用水關系,上游、中游、下游用水關系,以實現水資源的有效利用。2000年討賴河流域人口為63.48萬,至2015年增長了19.62萬。為提供足夠的糧食和農副產品,草地、未利用地等被大面積開墾以補充耕地、園地。流域應以資源環境承載力為前提,發展綠色循環農業,提高水土資源利用率,增強農業可持續發展。推進流域生態綜合治理,提高流域生態環境安全和社會經濟高質量發展。

4 結論

從生態系統服務與健康角度出發,構建“貢獻力-活力-組織力-恢復力”生態安全評價框架,評估2000、2015年討賴河流域生態安全狀況,識別生態源地。借鑒電路理論思想,利用Linkage Mapper及Circuitscape工具,構建最適宜生物流遷移、擴散的最優廊道及潛在的次優路徑。借助Barrier Mapper工具識別影響景觀聯通度的“障礙點”,分析影響流域生態安全格局的因素。主要結論如下：討賴河流域總體生態安全狀況不樂觀,2000和2015年低度安全等級區分別占流域總面積的63.68%、61.25%,高安全區和較高安全區僅占總面積的13.93%、15.80%。生態安全狀況差異顯著,呈現南高北低的分布格局。生態源地面積3165.41 km2,破碎度高,分布于流域南部山區及中部綠洲農業區。最小成本路徑共1122條,共長3468.15 km,較大阻力廊道有242條。生態源地、最優生態廊道及具有一定寬度的次優廊道共同構成討賴河流域生態安全格局。將流域生態格局優化分區劃分為生態穩定區、生態發展區和重點保護區。根據討賴河流域生態環境特點,提出了保護生態源地、加強廊道建設、提高生態廊道質量、清除障礙點,增加“踏腳石”斑塊、因地制宜分區治理等優化措施。

千年生態系統評估(Millennium Ecosystem Assessment,MA)所建議的生態系統服務多達十余種,本文僅根據討賴河流域的實際選取了五種服務進行評估,存在片面性。文中使用了InVEST等模型用于量化關鍵指標,但這些模型對現實問題的假設、簡化及參數的設置,可能會造成結果的不確定性[36]。此外,由于數據可獲取性和方法限制,一些重要的社會經濟數據難以空間化,降低了研究的全面性。今后將在獲取更多期數據和測度更多種生態服務的基礎上,對流域生態安全格局優化展開深入研究。