基于地質災害敏感性的生態安全格局關鍵區識別與修復
——以濟南市為例

薛 強,路 路,2,*,牛 韌,張曉婧,杜文強

1 生態環境部環境規劃院戰略規劃研究所, 北京 100012 2 生態環境部環境規劃院美麗中國研究中心, 北京 100012 3 濟南市環境研究院, 濟南 250000

近年來,在城市化演變過程中,經濟社會發展會帶來諸多的生態環境問題,如生境質量退化[1- 3]、景觀碎裂化[4-5]、生態流動受阻[6]等。而現階段生態文明理念深入人心,城市發展也要求提供更多優質生態產品以滿足人民日益增長的優美生態環境需要。同時對國土空間生態保護與修復的要求也提上了一個新的高度。如何科學準確的識別生態保護修復的關鍵區域,并提出統籌“山水林田湖草”要素的生態修復措施是未來國土空間生態系統服務功能提升的重要問題[7]。

20世紀90年代,世界上諸多學者綜合多種學科知識[8],已經形成“源地選取、阻力面構建、廊道提取”生態安全格局的基本方法,在區域[8-9]、流域[10]、省[11]、城市[12]、縣[13]、局部區域[14]也得到了廣泛的應用。科學識別生態源地[14- 16]、生態阻力面的修訂[13- 14]、生態廊道的提取[16- 17]成為近年來生態學科的熱點。基于地區特殊生態環境的安全格局的構建是新時期國土空間生態保護和修復重要的一環[12]。其中,生態源地作為生態格局構建的重要基石,有守住區域生態安全底線的重要作用。生態源地主要包含自然保護區、森林公園、濕地公園等具有高生態系統服務功能的用地,它的選取目前通過評估區域生態系統服務功能重要性和敏感性[18]、生態系統服務價值和景觀連通性等方法確定,其中,主要涉及模型為生態系統服務和權衡的綜合評估模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs, InVEST)模型[19]、形態學空間格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis, MSPA)方法[20]、模型指標法[21]。其次,生態阻力面在生態安全格局構建中占有重要的地位,而大多數研究中阻力面的構建是將土地利用類型直接賦值的方法,導致不同地類內部的微觀生態流動難以表現出來[12]。也有學者利用夜間燈光數據[21- 22]、坡度數據[12]對基本生態阻力面進行修訂。然而對于地形種類多、地質情況復雜的山區和平原過渡帶,僅依靠上述數據和方法對地質災害頻發的區域進行阻力面修訂,而忽略受季節性降水導致的地質災害因素對山體的空間局部差異性,從而導致無法反映出物種在地質災害敏感性地帶遷移過程中的遇到的阻力。同時地質災害敏感性對區域生態連通性也會產生一定程度的影響,進而導致生物在遷移過程中的阻礙作用加大。因此對特殊地質狀況的研究區,在阻力面構建時需要根據實際地形進行修訂。生態廊道從本質上是基因流動、物種種群動態、種子傳播和外來入侵的主要渠道,對于生物多樣性的維持具有重要意義。生態廊道的設立可以提高斑塊之間的景觀連通性,同時在生態廊道中諸如生態“夾點”作為生態流動中高流量的關鍵點,因其在景觀連通性提升中的不可替代性和重要性而成為生態保護的優先區域[13]。生態障礙點將阻礙具有重要生態意義的斑塊之間的移動,加強恢復不同障礙點的棲息地可以最大程度地改善景觀連通性[8]。在廊道提取中以最小累計阻力模型(Minimal Cumulative Resistance, MCR)[23]、電路理論[24- 25]等模型較為成熟。雖然MCR模型可以快速識別生態流的最優路徑,但未能識別生態流動中的廊道范圍和生態“節點”和障礙點[26]。而電路模型中可以高效、科學的識別生態網絡內部的生態流動過程。在電路理論模型中將景觀類型作為導電表面,低電阻能促進生物流動的景觀類型,而阻礙了生物流動的景觀類型則被賦予高電阻。通過電路理論對生態“夾點”和障礙點進行系統識別并提出生態修復措施,在對地質情況復雜的景觀內部生物流動預測、提升景觀連通性以及區域生態安全格局的完整性和穩定性具有重要的作用[12- 13]。

目前國土空間生態保護與修復研究主要針對微觀尺度受損的生態空間修復,主要有礦山生態修復[14]、國土空間受損整治[27]、流域生態修復[28]。對維持和恢復生態安全格局的完整性具有重要的價值。而綜合考慮各類生態要素后構建的生態安全格局對系統提升生態系統服務功能也有一定的作用[9]。通過科學的技術對地質災害敏感性的生態修復的關鍵區域進行系統識別,尤其在明確提出基于本地化的系統的生態修復工程指引等方面的研究仍然有待加強。

本文以地質災害較為敏感的濟南市為例,通過形態學空間格局分析方法、結合自然保護地識別生態源地,基于地質災害敏感性構建生態阻力面,利用電路理論模型提取生態廊道,并結合土地利用現狀識別生態保護修復的關鍵區域(生態“夾點”和生態障礙點),最后進行生態修復保護分區并提出相應的生態修復策略和系統性的生態修復工程,以期為濟南市生態安全格局和生態修復提供參考。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區概況

濟南市介于116°13′—117°58′E, 35°57′—37°32′N之間,位于魯中山區北側,總面積為10244 km2。南依泰山,北跨黃河。市域地形為南高北低,具體為北部臨黃帶,中部山前平原帶,南部丘陵山區帶。多年平均氣溫為13.8℃,年平均降水量685 mm,雨季為6—9月。境內流域主要有黃河、小清河、大汶河、南四湖等。泉水豐富,包括趵突泉、黑虎泉等十大泉群,具有“山、泉、湖、河、城”的獨特風貌。主要土地利用類型為農田、林地、建設用地(圖1)。然而近年來,由于氣候變化、人類活動的影響加之特殊的地質環境,區域內發生的崩塌、滑坡、泥石流、以及地裂縫等地質災害頻發,根據《全國地質災害通報》(2019年)濟南市共發生地質災情27起,轉移受威脅群眾431人[29],給人民的生命和財產安全構成了威脅。

圖1 濟南市土地覆蓋圖Fig.1 Land cover map of Jinan City

圖2 形態學空間格局分析結果Fig.2 The Result of Morphological Spatial Pattern Analysis

1.2 數據來源與處理方法

全球地表覆蓋數據GlobeLand30(2020年)空間分辨率為30 m,樣本數超23萬個,總體精度為85.72%(http://www.globallandcover.com/)。數字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)來源于地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn/)。歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)數據來源于中國科學院資源環境數據中心(http://www.resdc.cn/Default.aspx),分辨率為1 km。月降水數據來源于國家地球系統科學數據中心(http://www.geodata.cn/)[30],分辨率為1 km。坡度數據由DEM數據經GIS軟件處理得到。高速公路、鐵路來源獲取自水經注地圖。LandScan2019全球人口動態統計分析數據庫由美國能源部橡樹嶺國家實驗室(ORNL)開發,East View Cartographic提供(https://landscan.ornl.gov/landscan-datasets)。所有數據經過投影至CGCS2000坐標系,裁剪后得到研究區數據,最后統一轉換為100 m×100 m的柵格數據。

1.2.1生態源地的識別

生態源地是區域生態網絡構建的重要基礎,對區域的生態格局、生物多樣性以及生態安全有著重要的影響[19]。生態源地面積的大小與物種多樣性的豐富程度呈現出正相關的關系[31]。本文將林地、草地、灌木、濕地、水體作為MSPA模型的前景數據,其余數據作為背景數據,最后得到七種景觀類型(圖2),將面積大于2 km2的核心區作為初選生態源地。考慮到景觀結構的空間連接程度會影響生物遷徙過程[32],因此通過計算斑塊中景觀格局指數中的可能連通性指數(dPC)識別各景觀斑塊中的連通性強度[33- 34]。確定好初選生態源地后,在Conefor 2.6設置1500 m為斑塊連通距離閾值[35- 37],當各斑塊間之間的成本值在確定閾值內部時,認為兩個斑塊之間是連通的,根據學者研究,斑塊連通性與距離閾值成正相關關系[38],連通概率設置為0.5,將生態斑塊dPC值大于0.1的生態源地劃分為最終生態源地[36]。最后將生態源地與濟南市自然保護區名錄相互對照,發現自然保護區名錄中的自然保護區和森林公園、濕地公園均包含在內。

1.2.2生態阻力面的修訂

生物在不同生態源地的遷徙過程中,需要克服不同的土地利用類型進行生物交流。本文采用土地利用、高程、以及人類可達性(距高速公路、國道/省道、鐵路距離)共計三大類因子構建基本生態阻力面。基本阻力面共包含5個阻力因子,然后使用地理空間分析中最大值的模糊疊加方法進行基本阻力柵格因子的疊加。在阻力值賦值時,通過參考已有學者[39- 40]的研究和咨詢相關專家確定,不同類別的因子權重利用層次分析法得到(表1)。

表1 基本生態阻力面賦值及權重

研究區地處山區和平原的交錯帶,地質構造復雜多樣。地質災害可能會通過改變地形地貌,進一步會影響本地固有生態廊道,從而一定程度上會影響物種之間的交流和生態廊道的連通性[41- 42]。崩塌、滑坡、泥石流等地質災害類型通過改變生態系統類型進一步會對區域內的物種遷移和生物多樣性有直接或者間接的影響[43]。這些巖土體的位移災害主要與夏季降水、植被覆蓋度、坡度有關[44- 46]。因此,本研究選取以上3個因子,將上述的因子歸一化后等權重疊加得到濟南市地質災害綜合敏感性評價,并基于該因子對上文構建的基本阻力面進行綜合因素修正。修正的公式如下,地質災害修訂因子和修正后的生態阻力面見圖3。

(1)

式中,Ri為基于地質災害修正的柵格i的生態阻力系數；NLi為第i個柵格的地質災害綜合敏感度；NLm為第i個柵格對應的基本阻力面類型m的平均地質災害綜合敏感程度；R0為第i個柵格對應第i中基本阻力面類型的阻力系數。

圖3 地質災害敏感性評估以及生態阻力面的分布Fig.3 Assessment of geological hazard sensitivity and the distribution of ecological resistance surface

1.2.3基于最小成本路徑方法識別生態廊道

本研究基于最小成本路徑的方法(Least-Cost Path method,LCP)識別生物在各種生態源地中遷徙過程中面對不同景觀阻力面時所需要克服的累計阻力值。依次對每個源地與相鄰的源地進行分析,再對所得到的廊道進行合并和去冗,將模擬得到的最小費用路徑當作為最終生態廊道。

1.2.4基于電路理論的生態夾點和障礙點的識別

電路理論是將物理學中的電子隨機游走的特性借鑒到生物在生態源地遷徙過程中,該理論可以確定預留哪些生境來加強生態網絡的連通性,從而加強整合了生物的所有可能途徑[25]。本研究使用Linkage Mapper Toolkit工具中的Pinchpoint Mapper模塊來識別生態廊道中的存在的生態“夾點”,也就是電流密度大的區域,該區域若有小面積損失也會對生態廊道連通性造成一定的損害。本文選擇“All to one”模式進行計算。考慮到區域整體景觀的連通性和生態夾點的位置并不受到廊道的寬度變化而受到影響。故本研究設置廊道加權成本距離為8000 m。

生態障礙點通過Barrier Mapper模塊進行識別,采用改進得分相對于最小成本路徑百分比的方法進行障礙點的識別。這種模式選擇既可以選擇影響區域內生態流運行的完全障礙點和也可識別部分障礙區域但不完全障礙的區域[47-49]。通過對完全障礙點和不完全障礙點的識別可以增強生態源地之間的連通性。模型計算時設置為“Maximum”計算模式,迭代半徑為設置為200 m。

一般而言,對關鍵區域進行分區研究是開展生態修復的重要一步,生態修復區是區域內具有較強改善意義的生態空間,改善此類區對提升整體生態安全和增強生物多樣性具有重要的意義[50]。本文利用Barrier Mapper插件將已識別的生態障礙區,根據障礙區的分布范圍和改善系數,將改善系數按照自然斷點法由高到低劃分為生態極重要改善區、重要改善區、一般改善區3類生態修復改善區。并對劃分后的不同類型生態改善區提出針對性的生態修復方向的措施。

圖4 生態源地最小面積閾值的選取 Fig.4 Selection of the minimum size threshold of ecological sources

圖5 生態源地和生態廊道分布Fig.5 Distribution of ecological sources and ecological corridors

2 結果分析

2.1 生態源地的確定

本文在生態源地最小面積閾值選取的過程中,研究了生態斑塊數目、生態源地占MSPA模型確定的生態核心區面積的比例與源地最小面積的關系(圖4)。生態源地斑塊數隨著最小面積閾值的增大呈現出減少的趨勢,生態斑塊數最多為1731個,此時對應的生態核心區全域面積為559.25 km2。最小面積閾值在0—0.5 km2時,生態源斑塊呈現劇烈下降的趨勢,下降到138個。當最小面積閾值在0.5—2 km2時,生態源斑塊緩慢下降,從138個下降到45個。當最小面積閾值大于2 km2時,生態斑塊數目下降基本穩定,此時生態斑塊數與最小面積閾值的一階導數接近為0。可以看出,最小面積的閾值選取會對生態源地面積有一定的影響,但小于2 km2的1686個生態斑塊(占比為97.40%)占核心區的面積比例不到30%。

本研究通過MSPA模型共識別生態景觀要素面積共1359.47 km2,其中核心區567.15 km2,面積占比為41.7%,景觀類型多為林地和草地,其次為水域。南部山區部分區域景觀集聚程度明顯,面積較大且穩定性較強。西南部、中部、東南部地區生態斑塊分布較為分散且破碎化較為嚴重。說明研究區南部的核心斑塊連通性較差,生態流動相對較為困難。共識別出35個生態源地,面積為567.15 km2,占市域面積的5.54%。最大的生態源地面積為74.18 km2,最小的生態源地面積為2.15 km2。

2.2 生態廊道的提取結果

生態廊道是生態安全格局重要組成部分,一般是一定寬度的條狀區域。本文共得到63條生態廊道(圖5)長度介于0.28—58.47 km,總長度為818.42 km,平均廊道長度為12.99 km。全市廊道空間分布存在明顯差異,中南部地區廊道豐富、阻力低；北部廊道分布較為稀疏,阻力處于高值。受城市建成區擴張以及南部山區部分生態用地被占用,部分源地之間雖然有潛在的相互連接的趨勢,但并未模擬出完整的生態廊道。生態廊道是各個生態源地加強孤立斑塊之間的聯系,市域總體呈現出“一屏、一帶、三軸、多點”的生態安全格局。“一屏”指南部山區生態安全屏障,從長清區至萊蕪區北部,整體沿地勢相對較高的南部山區邊界延伸,主要承擔區域水源涵養和維持生物多樣性的重要的生態系統服務功能,是維護好濟南生態安全的重要底線。“一帶”是指沿黃生態保護帶,從西南到東北區域沿黃跨過市區,主要連接了濟西國家濕地公園、鵲山水庫等重要生態源地。“三軸”主要是自西向東依次是：玉符河、小清河、大清河生態保育軸。“多點”是由濟西國家濕地公園、鵲山水庫等生態保護區組成的生態源點。總體而言,濟南市生態廊道主要分布在植被覆蓋度高、降水量較高的山區,大部分避開了地質災害敏感度較高的區域,為生態源地彼此間增加物種信息交流、能量流動、物質循環搭建了橋梁。

2.3 生態夾點與障礙點的識別與修復策略

本研究初步識別的生態“夾點”如圖中紅色區域(圖6)。為保持生態系統的完整性、連續性和便于管理性,本研究將過于破碎的細小的生態“夾點”進行去除,最終識別的生態“夾點”共25處,總面積為16.16 km2,主要分布在山區廊道的交叉點。其中,歷城區生態“夾點”數量最多共計14個,面積為8.58 km2,占比最大；長清區3個,面積為2.60 km2；章丘區3個,面積為1.94 km2,分布面積占比最小；萊蕪區2個,面積為3.04 km2。

圖6 生態夾點的識別Fig.6 Identification of ecological pinch point

圖7 生態障礙點的識別Fig.7 Recognition of ecological obstacle points

生態障礙點的識別結果如圖7所示,由藍到紅的代表著改善區域的重要性,紅色代表亟需改善的區域就是生態障礙點。共識別生態障礙點34處,面積為6.90 km2。其中,長清區的障礙點最為8個,面積為1.26 km2,占比為18.26%；萊蕪區9個,面積為1.46 km2；歷城區10個,面積0.74 km2；章丘區7個,面積為3.44 km2,占比最大為49.86%。其中面積低于0.2 km2的障礙點個數為23個,個數占比為67.6%,此類障礙點修復難度較小,修復完成后對區域整體生態連通性有較大提升幅度。障礙點大部分位于生態廊道的范圍生境內。現狀用地類型為園地、農田、建設用地、居民點等,此類用地的共同點就是下墊面硬化程度較高,對生境質量的連通性有一定的割裂行為。

針對識別出的關鍵區域的生態“夾點”和障礙點,提出相應的生態保護修復措施(表2)。在生態“夾點”中,待保護修復的林地、農田、園地分別占總節點面積的58.20%、15.35%、12.90%。在障礙點中,待保護修復的農業用地、林地、建設用地分別占總節點面積的57.61%、36.53%、5.09%。針對關鍵區域的修復提出以下修復方向的建議。針對林地的保護修復,一是應該展開山地丘陵地區森林資源生態修復,注重實施新一輪退耕還林,因地制宜降低景觀破碎化程度。二是在地質災害防治為主的區域,需通過加強邊坡植被的管理,加強地質災害防治工程建設。三是對低效林和疏林地,通過優化樹種結構,提高森林質量,進一步提升林業碳匯能力。針對農業用地的保護修復,一是應該積極推進全域土地綜合整治工作,整體推進農用地整理,加強農田整治工程,實行生態農業。二是著力改善農田及周邊生境,恢復田間生物群落和生態鏈,提高農田生態系統生物多樣性。三是進行鄉村道路整治,提高道路兩旁的植被覆蓋度以及植物多樣性。針對建設用地的修復,一是道路布局方面應該注重避讓周圍生態用地,避免進一步影響生態空間破碎化。二是加強城市綠廊、綠楔、綠心等系統建設,提高城市生態系統服務功能。三是利用低影響開發的理念改變路面和建筑屋頂的結構與特性,改變路面的透水性質,提高城市用地的生態系統的韌性。

表2 濟南市關鍵區域生態保護與生態修復策略

3 討論

生態恢復區的改善是城市生態規劃和生態修復工程規劃重要的組成部分[51],以往的研究對部分關鍵區域進行識別并給出比較通用的生態修復措施,并沒有以加強市域整體生態連通性的視角給出明確的生態恢復改善區域[27]。在一些已確定的生態改善恢復區域[13],僅提出了較為模糊的生態修復措施。這種方法對開展落地性的市域尺度的生態修復難以起到明確的參考意義。本研究基于電路理論模型,構建了分區域、分層次的生態恢復改善區域,并提出相關的措施。

圖8 生態保護與修復分區Fig.8 Ecological protection and restoration zones

研究得到需要生態改善面積為2994.84 km2(圖8)。極重要改善區面積為96.1 km2,占生態修復分區比例為3.21%,主要分布在長清區東部、歷城區西南部、萊蕪區北部,用地類型主要為林地、農業用地,兩者共占極重要改善區面積的78.03%。重要改善區面積為340.481 km2,面積占比為11.37%,用地類型主要為林地、農業用地、建設用地,三者占重要改善區面積的91%。首先,可以看出極重要和重要改善區與生態“夾點”、生態障礙點的范圍分布較為重合,生態修復改善區的面積也幾乎包含了所有的廊道。其次,通過疊加經過地質災害敏感性修正后的生態阻力面,可以發現極重要和重要改善區同時也包含了阻力值較大、易發生地質災害的區域,如歷城區的部分重要改善區。通過對上述區域進行生態修復對提升濟南市的景觀連通性以及生態安全格局穩定程度有重要意義。

考慮到進行不同級別的改善恢復區生態修復需要不同的經濟成本,例如部分改善區的土地利用類型為建設用地等開發強度較大的區域,所以在生態修復過程中要堅持“尊重自然、順應自然、保護自然,自然恢復”的理念,堅持“宜林則林、宜草則草、宜荒則荒”的修復原則,分類施策,科學治理。基于此,本文確定的改善區提出如下生態修復措施。一是針對森林生態系統注意高效保護和重點培育,加強森林資源的調查與保護,運用多種樹種混交原則,培育綠色生態廊道建設,優化樹種結構,提升林地質量。加強破損山體綜合治理修復,實施一批國土綠化和森林生態屏障建設工程、破損山體生態修復工程、采空塌陷區治理工程、地質災害防治示范工程等系列工程。二是針對農業用地生態系統實施新一輪土地綜合整治,實施高標準農田建設,大力發展綠色農業,提高土地的節約化和資源化水平。對存在退化的農田實施農田改善工程,充分依靠農田道路恢復本地的生物群落、田間生物棲息和繁衍的生態環境,構建農田生態網絡以維護農田生物多樣性。實施一批生態化設計的土地平整工程、基于自然的解決方案的全域土地綜合整治試點示范工程、新型農村社區建設工程、田間生態化道路工程、田間生態溝渠、生物棲息地生態保護工程等。三是針對城市建設用地生態系統加強城市水土修復,加強城市科學綠化,通過拆遷建綠、見縫插綠、立體綠化、屋頂綠化等措施拓展城市生態空間,厚植“綠”的底色。探索“生態保育+氣候適應性城市”、“海綿城市”等生態概念融入城市建設,加強城市綠色基礎設施的建設,尤其是針對城市邊界的大肆擴張造成的生境缺失空間。增加城市應對氣候變化的能力。進一步優化地面設計,改變下墊面的滲透性。注重實施一批城市綠色生態網絡碳匯建設工程、海綿城市建設工程、老舊公園綠色化改造工程。

然而,本研究雖然在一定程度上識別濟南的生態修復重點區域,也提出相應的生態修復措施,但考慮到濟南特殊的地質環境,如果采用單一的工程措施進行生態修復,必然對區域本地生態系統有一定的影響。首先,例如識別的有8處關鍵區域位于鐵路和公路附近,極重要和重要區中存在部分建設用地,如何統籌利用最低的修復成本和以最低的生態環境影響進行生態修復？其次,如何將基于自然的解決方案(Nature Based Solution, NBS)的理念融入國土空間生態保護修復全過程中,既減少現有生境質量的干擾,又使得修復區域的利益相關方參與進來并獲取生態效益。同時如何設計不同的生態修復情景,并根據生態修復代價進行修復的重點和順序,在未來是一個重點也是難點。

4 結論

本研究基于生態源地、地質災害敏感性修訂的生態阻力面,利用電路理論模型提取生態廊道、生態夾點以及障礙點,進一步劃分生態改善區,系統構建了“點—線—面”的生態安全格局同時為未來濟南市生態修復提供了方向。主要結論如下：

(1)濟南市生態源地數量為35個,面積為567.15 km2,占市域面積的5.54%。生態廊道長度為818.42 km。待修復生態“夾點”和障礙點分布為25處和35處,面積分別為16.16 km2和7.44 km2,其中共有5處生態“夾點”與生態障礙點幾乎重合,是未來亟需開展生態修復與保護的區域。其中生態修復關鍵區域主要分布在歷城區、章丘區、萊蕪區、長清區。生態改善區面積共為2994.84 km2。

(2)基于識別的生態保護修復的關鍵區域和生態改善區的空間格局分布,結合土地利用現狀和衛星影像,本文提出各類生態保護與修復的重點方向以及生態修復重要工程措施指引。研究可為濟南市國土空間生態保護與修復規劃和“十四五”生態保護規劃提供參考,同時對市域生態修復重大工程謀劃具有一定的參考價值。