基于生態安全格局的廈漳泉地區國土空間生態保護修復區與預警點識別

柳建玲,李勝鵬,范勝龍,2,*,胡 勇

1 福建農林大學公共管理學院, 福州 350002

2 自然資源部東南生態脆弱區監測修復工程技術創新中心,福州 350000

3 中國地質大學(北京)土地科學技術學院, 北京 100037

快速的土地城市化使生態系統面臨了巨大壓力,生態環境出現不同程度的退化[1],而社會發展對生態系統服務福祉提出了新需求,社會可持續發展的矛盾由此不斷激化。如何在空間上整體分析統籌布局,科學識別重點保護修復區域,是國土空間生態保護和修復的重點與難點。生態安全格局作為生態環境保護與人類福祉提升的橋接點[2],滿足了區域生態恢復、生物多樣性保護及為社會發展提供生態服務等需求[3]。構建合理的生態安全格局能夠對生態過程進行積極調控[4],識別生態保護修復區域,破解當前國土空間生態保護修復中的難題。福建省廈門市、漳州市與泉州市(即“廈漳泉地區”)是福建省極具發展活力的都市圈,但生態空間破碎化、生態用地與生物多樣性退化等生態問題較為突出,是開展生態保護修復的關鍵區域,亟需構建生態安全格局,識別與預警國土空間生態保護修復區。

20世紀90年代,俞孔堅提出生態安全格局研究的理論與方法[5],并對生態安全格局進行多空間尺度研究[6- 7]。當前研究中,“源地—阻力面—廊道”研究已成為構建生態安全格局的基本范式[1],即通過評價法[8]、形態學空間格局分析(MSPA)[9]等方法選取生態源地,利用賦值法[10]或直接選取建設用地等土地利用類型[11]等方式構建阻力面,并利用夜間燈光指數或不透水表面等對生態阻力面進行修正,再以最小累積阻力(MCR)模型[8]、重力模型[11]、電路理論[12]等提取潛在或重要生態廊道,疊加生態阻力高值區識別生態節點。但在選取生態源地時較少考慮生態源地的動態穩定性[13],偏重于考慮生態用地斑塊自身功能屬性,而忽略了斑塊在整個基質景觀中的空間結構重要性以及與周圍環境間的關系[14]。因此,本研究通過MSPA方法選取2000—2018年景觀斑塊重要性與連通性動態穩定的生態源地,利用生態系統服務價值與生境質量驗證生態源地選取的科學性。

生態安全格局構建方法、過程的研究已取得長足的進展,但如何依據生態安全格局對國土空間展開有效修復與保護,亟待深入研究。當前研究中,部分學者構建、分析生態安全格局后,提出生態保護核心區域,如Huang等提出“一個中心,兩翼和兩帶”的生態安全保護格局[15]；部分學者通過構建安全格局后模擬未來土地利用變化,通過城市建設用地擴張概率等角度以確定生態安全保護緊迫性分級[16]或進行生態安全評價以評定生態安全格局構建效果[17]。模擬未來土地利用變化情況以探索當前生態保護方向,能夠有效識別未來土地利用帶來的生態威脅,能夠幫助決策者提前識別防范未來風險。模擬土地利用變化的模型有CA-Markov、FLUS模型等,FLUS模型能夠有效處理各種土地利用類型相互轉換的不確定性和復雜性[18]。

基于此,研究通過MSPA、MCR模型等構建生態安全格局,考慮廈漳泉地區未來發展用地需求,利用FLUS模型限制生態源地變化以模擬2030年廈漳泉地區各用地空間格局,從動態變化視角探索各用地空間擴展方向,預警將受到建設用地擴張影響的區域,探索國土空間生態修復分區與預警點,以期為實現廈漳泉地區國土空間協同修復保護提供科學參考。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區概況

廈漳泉地區(23°23′N—25°56′N,116°53′—119°05′E)位于中國福建省東南沿海,區域內主要以平原、丘陵、山地等地貌類型為主,有九龍江、晉江等流域。作為福建省東南沿海最大的都市圈,三市的產業、空間、社會、環境保護等建設密不可分。《福建省統計年鑒—2019》[19]統計顯示,2018年廈漳泉三市地區生產總值共17207.02億元,占福建全省生產總值的48%。但廈漳泉地區的生態環境顯現出較為嚴重的退化,社會可持續發展面臨挑戰。

1.2 數據來源

研究中所用土地利用分類數據、凈初級生產力(NPP)、VIIRS/DNB夜間燈光數據、氣溫與降水數據、GDP與人口密度空間格網數據等均來自中國科學院資源與環境科學數據中心(http://www.resdc.cn),其中土地利用分類數據為30m分辨率的柵格數據；坡度、坡向等數據提取于30m分辨率的DEM,來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)；道路數據來源于中國1:25萬基礎地理數據庫(http://www.webmap.cn/main.do?meth od=index)；其他數據來源于中國農產品成本收益匯編或統計年鑒等。

2 研究方法

2.1 生態安全格局構建

2.1.1生態源地識別

生態源地即生態用地保護的“源”[20],是物種生存與遷徙的源,對區域生態安全格局維持有重要意義。研究遵循景觀連通性良好、生境質量高、生態系統服務價值高等原則[14,20- 21]選取生態源地,并利用區域2018年生境質量與生態系統服務價值驗證生態源地的有效性。

研究基于廈漳泉地區2000、2010、2018年3期土地利用柵格數據進行MSPA分析,對土地利用柵格進行識別、度量與分割,識別研究區動態穩定的生境斑塊,結果可得核心區、島狀斑塊、孔隙、邊緣區、支線、環島區、橋接區等7種景觀類型。其中核心區生態適宜性高、生物多樣性良好,可作為生態過程的“源”。考慮廈漳泉地區草地呈零散分布且受人類干擾較大,生態功能性較差[22],研究選取林地、水域作為前景,其余土地利用類型作為背景,利用Guidos Toolbox軟件進行分析[9,14]。因此,研究選取2000—2018年MSPA分析結果的前30個重要核心斑塊,利用Conefor軟件[23]計算斑塊的景觀(可能)連通性(PC)與斑塊連通的重要性(dPC)。PC值越大,斑塊的連通性越強,dPC值越大,斑塊連通重要性也越強,計算公式[12]如式(1)、(2)。

(1)

(2)

2.1.2生態阻力面構建

(1)阻力因子選取

生態阻力指物種及生態功能在對空間的控制和覆蓋過程所需克服的阻力[24],阻力值越大,物種空間運動越困難,生態系統服務、功能流動過程中損失就越多。研究參考相關研究結果[11,25- 26]與專家意見,根據景觀類型、地形位指數、與道路距離、與水源距離等4方面對廈漳泉地區進行阻力賦值,賦值區間[1,1000],對相應指標權重值進行設置,如表1。

表1 生態阻力賦值表Table 1 The table of ecological resistance assignment

(2) 阻力面修正

人類活動對生態系統影響較大,而夜間燈光數據能夠有效表征人類活動的范圍和強度[27],故研究利用VIIRS/DBN夜間燈光數據對阻力值進行校正,即極差法對其逆向歸一化后修正阻力面,公式如式(3)、(4)[28]。

(3)

(4)

2.1.3生態廊道識別

(1) MCR模型

生態廊道是生態系統中物質流、能量流等交換的重要路徑[29],是生態安全格局的一部分。MCR模型即最小累積阻力模型,是俞孔堅等[5]根據Knaappen J P等[30]的研究修改而來。MCR模型可以模擬物種及生態功能在向另一生態源地遷移中對不同景觀斑塊空間的控制和覆蓋過程所需克服最小累積阻力,最小累積阻力路徑是一條極可能有效的生態廊道路徑,即潛在生態廊道,如式(5)。

(5)

式中,MCR指源地斑塊間最小累積阻力值,f指最小累積阻力與生態過程的正相關關系,Dij表示從源點j到柵格i的空間距離,Ri為修正后的阻力系數。

(2)重力模型

重力模型可用于定量表征生態源地間潛在廊道重要性,計算源地與目標間的相互作用大小,源與目標間的作用力越大則廊道越重要[11],研究利用重力模型(式(6))構建相互作用矩陣,識別源地間重要生態廊道,完善生態安全格局。

(6)

式中,Gij是生態源地i與j之間的相互作用力,Lmax是研究區所有廊道累積阻力的最大值,Si、Sj是源地i與j的斑塊面積,PiPj是源地i與j之間的阻力值[11]。

2.2 土地利用變化模擬分析

2.2.1FLUS模型

FLUS模型采用ANN模型測算各類用地出現概率,根據自適應慣性競爭機制模擬未來用地變化[31]。研究將生態源地設定為限制變化區,參考Liang等[31]研究成果,選取與高速公路距離、與普通公路距離、與鐵路距離、與城鎮居民點距離、DEM、坡度、坡向、人口密度、降水、氣溫等12個驅動因子用以模擬社會經濟發展過程中土地利用變化。由于政策影響,2015年至2018年研究區沿海存在較大面積的其他建設用地轉為水域,這是短時間內進行的用地調整,未來可能不會再有類似的轉換。若無政策影響,水域的轉換速率基本較為穩定。故使用2010至2015年水域的變化速率作為未來水域的轉換速率,其他各用地類型的轉換速率以2015—2018年各用地之間的轉換速率為基準?？紤]2015年之后區域用地政策較為穩定,研究以2015年土地利用類型柵格數據為基礎模擬2018年土地利用類型,并作精度驗證,所預測Kappa系數為0.94,總體精度為0.96,符合精度要求。

2.2.2核密度分析

研究提取2018—2030年建設用地擴張數據進行核密度分析,從而探究發生建設用地擴張的熱點區域,刻畫建設用地擴張對生態安全格局的威脅,分析生態保護空間預警點,計算公式如下：

(7)

式中,Fn(x)是核密度值,h表示帶寬,n表示帶寬范圍內的點數[32]。

3 結果分析

3.1 生態安全格局構建

3.1.1生態源地分布

研究通過選取2000—2018年穩定的核心區斑塊、景觀連通性計算等,最終選取dPC穩定且面積較大的12個核心區斑塊作為生態源地。對照現有研究成果[33- 34](圖1),驗證所選取的生態源地分布同生境質量以及生態系統服務價值高值區空間分布基本一致,所選取的生態源地符合各項原則。生態源地總面積6978.02km2,占研究區總面積的27.56%。廈漳泉地區生態源地呈“E”狀分布,主要分布于廈漳泉地區內陸丘陵山地區,或其與河流湖泊的連接區域、沿海漳浦縣等海灣與丘陵山地連接區等。但晉江市、石獅市基本無生態源地覆蓋,主要是由于兩市境內地勢較為平坦,林地較少,在2000—2018年間建設用地面積不斷擴張且集中連片趨勢得到強化。

圖1 生境質量、生態系統服務價值(ESV)與生態源地分布圖Fig.1 The map of habitat quality, ecosystem service value (ESV) and ecological sources

3.1.2阻力面的空間分布

研究利用2018年夜間燈光數據修正阻力面,生態阻力值范圍為[0,840],為更好地體現阻力值空間分布規律與層次,研究通過自然斷點法將阻力值分為7類,將阻力值大于530.35劃分為高值區,對生態源地間的物流與能流有較大的干擾阻礙作用,如圖2。廈漳泉地區生態阻力值呈現中北部高、南部低的趨勢,生態阻力高值區在沿海地區呈現大范圍面狀集中分布、在內陸呈現零星分布,與城鎮建成區的分布基本一致,但內陸的中阻力值區域較為集中,主要是坡度產生的影響。

圖2 生態阻力面Fig.2 Ecological resistance surface

3.1.3生態廊道

研究共計識別66條潛在生態廊道(圖3),各潛在廊道之間形成了縱橫交錯“梯形狀”的網絡并基本貫穿全域,總長度3892.03km。有林地、灌木林地、高覆蓋度草地等是生態廊道的重要組成部分,部分生態廊道沿九龍江等河流走向。石獅市與晉江市全域、龍海市沿海以及廈門島、東山縣等區域無生態廊道覆蓋,主要有三點原因：一是以上區域的土地利用類型缺少林地與水域,且建設用地大部分呈集中分布,生態阻力值高,生態源地間交流障礙大；二是以上區域的部分建設用地零星分布在生態斑塊之間,生態斑塊斷裂無法形成良好的生態集中面；三是島嶼面積有限,無生態源地覆蓋,天然的生態阻斷使生態系統交流受到較大干擾。

通過重力模型計算生態源地間相互作用力矩陣(表2),可知源地斑塊6與10之間的相互作用力最大,說明兩個生態源地之間的相互作用與關聯性最強,生態系統物流與能流在兩個生態源地之間交換所需克服的阻力最小,物種遷徙的可能性最大,應該重視此類源地斑塊之間的生態廊道建設與保護。因研究設置阻力值較大,故研究根據計算結果將相互作用力大于10的廊道作為重要廊道,共計13條重要廊道(圖3)。所構建的生態廊道網絡中,生態廊道南北間的連通性較差,在漳州市與廈門市生態源地間的連通性較好,重要生態廊道主要集中在主要集中漳州市。重要生態廊道鏈接的源地間物種遷移可能性較大,主要得益于源地間廊道較短或阻力較小,有利于物質與信息交流或交換。部分重要生態廊道是其他生態源地之間的必經廊道,輻射范圍較廣。因此,重要生態廊道對物種遷移和擴散具有重要意義,在保護修復規劃中應重點關注。

圖3 生態安全格局Fig.3 Ecological security pattern

表2 生態源地斑塊間的相互作用矩陣Table 2 Interaction matrix between patches of ecological sources

3.1.4生態節點識別

生態節點是生態源地間物流與能流等交流過程中受阻力較大的點[21],是生態廊道中迫切需要修復的位置。將生態廊道與阻力值在[530.35,632.47]的阻力面相交得到二級生態節點,與大于632.47的阻力面相交得到一級生態節點(圖3)。一級生態節點的分布較為零散,數量相對較少,對于生態廊道的阻斷作用較大,不利于生態源地間的物質與能流交換；二級生態節點在數量相對較多且分布相對集中。一級與二級生態節點分布較為緊密,存在一條生態廊道可能被若干一級與二級生態節點阻斷的現象,不利于區域生態安全,該現象主要發生在漳州市轄區內。研究區中生態廊道被建設用地與道路的阻斷效應顯著,生態節點主要是生態廊道與建設用地或道路交界處,或建設用地與水域對林地、草地之間產生的阻斷等情況,顯著集中在廈門市、漳州市轄區、龍海市、長泰縣、平和縣與漳浦縣等地區。

3.2 土地利用變化模擬

2018—2030年土地利用變化轉移矩陣(如表3)顯示,變化較為顯著的是建設用地、耕地與林地,其中建設用地增加了3.5%,耕地與林地分別減少2.59%、1.14%。2018—2030年間最大的地類轉換情形是耕地、林地向建設用地轉換,耕地轉換為建設用地主要集中在惠安縣、石獅市、晉江市、廈門市、龍海市與廈門市毗鄰地區、九龍江兩岸等快速城鎮化地區；林地向建設用地轉換的地區較為分散。沿海的建設用地主要呈現帶狀擴張,而內陸主要是原有建成區向外環狀擴張。

表3 2018年至2030年土地利用轉移矩陣/km2Table 3 Land use transfer matrix from 2018 to 2030

3.3 生態保護修復區域識別

研究中所構建的生態安全格局明確了生態源地與生態廊道的位置、數量與特征等,明晰了生態阻力值的空間分布,這均為廈漳泉地區國土空間生態保護修復分區的基礎參照。研究根據其基本屬性與生態學意義,劃分廈漳泉地區國土空間生態保護修復分區。其中,生態源地是絕對的保護區,部分生態阻力面高值區不利于生態系統物質交換,對生態系統有一定的干擾,生態阻力高值區內的生態保護與修復工作勢在必行,而生態廊道建設與保護以及生態廊道中的戰略節點的修復也是國土空間生態修復保護的重點關注區域。因此,研究將廈漳泉地區待保護修復主要區域分為“一帶、兩核心”,其中“一帶”是生態源地保護帶,“兩核心”是生態節點修復核心區與生態阻力高值修復核心區,如圖4。

圖4 生態保護修復區域Fig.4 The places of ecological protection and restoration

研究將12個生態源地劃分為生態源地保護帶,生態源地是生態安全格局構建的基礎,以林地和水域為主,所在區域受到人類活動干擾較小,生態資源豐富,需要加以保護以維持穩定的生態供給。生態源地保護帶主要分布于研究區內陸縣市區及漳州市沿海部分地區,在泉州地區的流通性較差。依托于區域生態保護政策,生態源地消失的可能性低。因此,對生態源地的保護應遵循自然規律,在生態源地區域周圍構筑生態屏障緩沖區,維持生態源地的生態質量與生態效益,維護生物多樣性,避免生態源地受到損害?；莅部h、晉江市等基本無生態源地覆蓋區域,隨著建設用地的擴張,生態服務功能將會出現短缺。研究建議,對生態源地保護帶以“保護保育為主,抗干擾為輔”,在無生態源地覆蓋區域培育綠色基礎設施,以期形成次級生態源地服務,對現有的生態源地服務功能形成一定的補充,增強區域生態連通性,使生態源地功能效用最大化。

研究根據生態阻力面與生態節點的分布劃分兩個生態修復核心區：一是生態廊道密布但生態節點聚集的生態節點修復核心區,生態節點是物質交換過程的障礙點與生態脆弱點,使物種在生態源地間的遷徙等活動受限制,不利于區域生態適宜性的保護,如漳州市轄區與龍海市邊緣地區、平和縣、漳浦縣等。對于生態節點的修復,建議要合理確定生態廊道寬度,結合廊道寬度與廊道受阻實際情況開展相應的自然或人工修復,以暢通生態廊道,最大程度地聯動區域生態系統服務功能,提高區域整體生態效益。二是生態阻力高值修復核心區,生態阻力高值區對應生境質量與生態系統服務價值低值區,該區域生境適宜性與生態效益較低,對生態源地間的物質交流阻礙較大。區域內主要是建設用地集中區與部分林地間夾雜的建設用地與未利用地等,集中分布于廈門、泉州地區。區域內林地數量較少且零星分布、耕地與建設用地間套分布、水域如晉江等河流兩岸基本為建設用地,無法形成良好的生態源地。因此,該區域生態用地受到的威脅較大,修復與保護區域內生態用地,結合區域受損生態系統特征展開修復,以提升區域生態本底條件為主,結合區域規劃布局,在生態阻力高值區建構一定的綠地設施,以保障區域有一定的生態供給；在維持原有生態景觀的同時擴大生態用地的影響,增強區域生態系統服務。綜上,研究建議該區域的生態保護修復要結合區域受損生態系統特征,跨區域協同修復,以提升區域生態安全格局的整體性并期望形成覆蓋全域的生態網絡,將有助于提升區域可持續發展水平。

3.4 生態保護空間預警點

研究將未來土地利用模擬中對生態安全格局造成脅迫的位置設為關鍵生態保護空間預警點,如圖4。研究通過核密度方法識別2030年建設用地擴張熱點區域,通過自然斷點法將其分為低、中、高與嚴重敏感區等4個擴張級別(圖5),其中高度與嚴重敏感區主要分布在惠安縣、南安市、石獅市、廈門市、龍海市、漳浦縣等區域。疊加建設用地擴張熱點區與生態安全格局,可知未來擴張的建設用地不斷迫近生態源地,擠壓生態源地外的生態空間,也對部分生態廊道也造成了阻斷,不利于區域整體生態安全格局保護,如德化縣、南安市、廈門市、漳州市轄區、漳浦縣等區域。生態源地與建設用地之間越鄰近,生態源地邊緣區受到的脅迫越大,這些潛在受到脅迫的地區作為生態空間預警點應注重構建生態源地緩沖區,以使生態源地受到干擾的程度降到最小。研究中所提取的潛在生態廊道指示了區域生態源地之間相互交流與物質交換的可能有效路徑,生態廊道建設的寬度未定,通過生態空間預警點的劃分有助于進一步確定生態廊道保護與建設的具體范圍與寬度。社會經濟與城鎮化過程中,建設用地的增長是不可避免的。根據研究結果,研究區建設用地擴張切不可延續當前擴張速率,把握增量建設用地的布局,盤活存量建設用地,確定城鎮開發邊界,并在國土空間規劃中進行重新規劃布局,是生態保護的重要措施。因此,研究建議重點關注可能對生態空間造成極大威脅的區域用地類型變化,在滿足社會經濟發展需求的前提下,盡量減少新增建設用地,合理布局新增建設用地；盤活存量用地,調整原有建設用地規劃布局,結合生態保護修復格局確定重點生態保護修復區域,規劃具有彈性的國土空間布局,保障生態安全格局的完整性,合理規避相關人為影響的生態脅迫,保證人與自然和諧共生。

圖5 生態保護空間預警點Fig.5 The early warning area of ecological protection space

4 討論與結論

在網格尺度下,研究劃分與預警生態保護修復區可為廈漳泉地區生態修復保護提供基礎信息,并對國內其他區域識別國土空間生態修復區提供借鑒。研究綜合利用多源數據考慮生態源地的動態穩定性選取12個斑塊作為生態源地,并通過研究區的生境質量與生態系統服務價值驗證了所選取生態源地的有效性,避免了部分研究選取林地、水域等單一土地類型作為生態源地的不足。利用MSPA、MCR模型等方法識別了66條潛在生態廊道和13條重要生態廊道,識別兩級生態節點,以此構建了廈漳泉地區的生態安全格局。以生態安全格局為依據劃分生態保護修復分區能夠以人類福祉為目標,從系統整體出發識別和配置區域空間要素,以進行國土空間生態保護修復分區識別與劃分。且生態保護修復不僅要“治已病”,更要“治未病”,僅停留與過去或現狀評價量化研究成果開展保護修復存在一定的弊端。因此,研究通過模擬生態安全格局限制下的2030年土地利用變化,對可能受到建設用地擴張脅迫的區域做出預警?；谝陨?研究識別了“一帶、兩核心”生態保護修復分區與未來生態保護空間預警點,基本明晰廈漳泉地區亟待生態保護修復空間位置主要集中在泉州市轄區、晉江市、石獅市、漳州市轄區與龍海市等區域。

研究主要是基于全域綜合角度進行構建生態安全格局,暫未考慮區域具體特殊的物種或尺度的生態安全格局,未來研究可考慮針對不同目的的生態修復構筑不同尺度的生態安全格局以識別待保護修復空間。同時,未來可針對研究建議中次級生態源地與預警點緩沖區等的有效構建、生態廊道寬度閾值的設定以及生態修復措施等更加具體化的問題開展深入研究,如研究中建議在廈門市、晉江市、石獅市等地方構建一定規模的城市綠色基礎設施形成次級生態源地,但當前城鎮化仍在快速發展,區域建設用地本就欠缺,在城市內部如何平衡生態用地和建設用地之間比例的配置以最好地發揮效用是一個亟待解決的問題。

廈漳泉地區生境質量與生態系統服務價值相對較低,基于景觀生態學視角構建生態安全格局和生態保護修復分區,以及從土地利用動態變化的角度提出生態保護空間預警是保護區域生態安全的一種有效途徑。研究建議,要協同生態保護修復核心區與預警區域以確定區域生態保護修復等級以開展區域整體生態保護修復工作,合理控制建設用地增長,并優化區域國土空間格局以維護區域生態安全格局的完整性。