太湖流域生態安全格局構建與調控
——基于空間形態學-最小累積阻力模型

王雪然,萬榮榮,潘佩佩

1 中國科學院南京地理與湖泊研究所,中國科學院流域地理學重點實驗室, 南京 210008 2 河北師范大學資源與環境科學學院,石家莊 050024 3 河北省環境變化遙感識別技術創新中心,石家莊 050024 4 中國科學院大學,北京 100049

隨著城鎮化的加速和人類活動的不斷加劇,當前的生物多樣性面臨棲息地喪失[1—2]、生境破碎化[3]等威脅,同時不斷加強的土地開發程度和受氣候變化等因素影響下的生態環境退化,在一定程度上加劇了生態環境的脆弱性,從而影響到物種的棲息地質量[4],由此導致野生動植物數量不斷減少。生態安全網絡有助于維持生態系統結構過程的完整性,通過“點-線-面”提升不同生境之間的連接度,能有效抵抗生境破碎化對生物多樣性帶來的持久影響[5]。

國內學者俞孔堅[6]首次提出針對生物保護的景觀生態安全格局,由于短時間內對生態安全格局的概念沒有達成共識,因此區域生態安全格局[7]、城市生態安全格局[8—9]、土地利用安全格局[10]、文化遺產安全格局[11]、以及國土空間規劃視角下的國土安全格局[12—13]等研究不斷開展。隨著生物多樣性面臨威脅的程度日益嚴峻,于2016 年啟動的《聯合國 2030 年可持續發展議程》呼吁要加強生境變化下全球生物多樣性保護工作,保護生物多樣性的生態安全格局受到國內外學者的重視[14—15]。目前發展出圖論法[16]、電路理論[17]、最小累積模型(MCR)等研究理論與方法,其中以MCR模型應用最多[18],“確定源地-構建阻力面-設定廊道寬度”是其核心內容。源地是指對生物多樣性保護具有重要作用的斑塊,以往針對源地選擇過程中,較多學者是根據定性的生態系統類型[18]或定量的生境重要性[19]、生態敏感性[20],還有一些學者從多視角整合生態源地[21—22],包括提供較高的生態系統服務、具有重要游憩休閑功能的綠地以及自然保護區等統一作為生態安全格局中的源地。以上對源地共性考慮較為充足而對特性研究有所缺乏,比如游憩休閑源地與自然保護區源地之間的生態廊道可能不適合物種遷移或者人類休閑。而空間形態學分析法(MSPA)因強調結構連接增加了生態源選擇的科學性[11],有助于物種遷移[23]。空間阻力構建層面,以往學者立足于研究視角,從生態阻力的評價因子出發搭建不同的評價指標體系,較多以層次分析法AHP[24]或專家咨詢法[25]確定生態阻力權重。走廊寬度設定上,有學者表明具有運動路徑作用下寬的走廊并不一定比窄的走廊更能促進物種遷移運動,且有效的走廊能將野生動物的生態空間與土地利用政策聯系起來[26]。在經濟發展與生態保護的土地利用沖突下,較寬的廊道因較高的土地成本導致研究成果缺乏實施性,因此在廊道寬度設定層面應結合研究對象的運動特征,既能達到保護生態環境的目的,又能避免和經濟發展產生較大的沖突,達到兩者的平衡。

2019 年生態環境部啟動《長江三角洲生態環境共同保護規劃》,指出要加強重點跨界地區的生態環境和生物多樣性保護力度,實施生物多樣性保護與恢復示范；作為我國第一部流域法律《長江保護法》于 2021 年 3 月正式實施,明確了保護流域內的生物多樣性以及建立健全生物多樣性保護等標準體系。太湖流域作為長江流域及長三角生態保護的重要地理單元,同時也是典型跨界地區,流域內生物多樣性較為豐富,而當前關于太湖流域生物多樣性安全格局的研究還不夠深入。因此從流域尺度出發打破行政邊界壁壘,加強生物多樣性共同保護、建設流域生態安全網絡,在長三角一體化背景下提升太湖流域生態協同管控具有重要現實意義。

1 研究區域與研究數據

1.1 研究區概況

太湖流域位于長江三角洲核心地區(圖1),流域面積36895km2,占全國面積0.4%,地理和戰略位置突出,是典型跨界地區(江蘇省、浙江省、上海市),流域內有特大城市上海、大中城市杭州、蘇州、無錫、鎮江、嘉興、湖州及迅速發展的眾多小城市和建制鎮,已形成等級齊全,群體結構日趨合理的城鎮體系。據統計,2018年,太湖流域人口占全國總人口的4.4%,GDP約為87663億元,約占全國的10%左右。流域內湖泊眾多,河網密集,重要的洲灘和濕地是眾多候鳥的棲息地,因流域內經濟高速發展,生物多樣性保護和土地開發利用沖突較為嚴重。

圖1 太湖流域區位和土地利用現狀

1.2 研究數據

本研究中土地利用數據來自2020 年 Globe30(http://www.globallandcover.com),分辨率30m；高程數據DEM來自地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/),分辨率 30m；用于生態安全分區調控的高精度生態本底數據,是依托于中國科學院 A 類戰略性先導科技專項“美麗中國生態文明建設科技工程”(XDA23020201),結合高分影像、LandsatTM 解譯的 30 米空間分辨率土地利用數據、1∶25 萬土壤數據、30m 的 DEM、NDVI、EVI 等數據精準識別出來的太湖流域內 1:50000 重要生態用地空間分布數據集,分類包括林地、草地、水域、濕地；夜間燈光數據來自NOAA官網(https://ngdc.noaa.gov/eog/viirs/index.html),為2019年3月月度合成數據,經校正處理重采樣為30m柵格數據；底圖和水系數據來源于天地圖影像,其中水系數據由作者矢量化得到。

2 研究思路與方法

2.1 研究思路

本研究圍繞生物多樣性保護以構建流域生態安全格局。采用強調結構連接的MSPA方法確定生態源,選擇影響生物活動的自然因素并利用層次分析法按權重進行空間疊加,使用人為干擾因素校正后作為空間阻力因子,利用MCR模型提取生態廊道,重力模型判別重要廊道和一般廊道；通過對影響物種活動方向的生態阻力及生境質量的空間性特征分析,提出針對性的生態安全格局構建策略及立足于區縣尺度的分區調控措施。

2.2 研究方法

2.2.1重要生態源地識別

結合太湖流域生物多樣性現狀,考慮到以白鷺為代表的物種活動范圍和空間,將林地、草地、水域(含濕地)生態服務價值高且受人為干擾較少的自然景觀作為MSPA分析的前景數據；耕地、建設用地受人為影響較大不適合作為物種的活動空間,裸地因缺乏物種可覓食的生存環境而作為背景數據。運用Guidos Toolbox分析,其中斑塊連通性閾值參考相關文獻[27],設為白鷺的最大遷徙距離10km。在對數據進行一系列的數學計算后,分別獲得研究區核心區(Core)、孤島(Islet)、孔隙(Perforation)、邊緣區(Edge)、橋接區(Bridge)、環道區(Loop)、分支(Branch)7 種景觀類型。基于Conefor Sensinode軟件,從反映各斑塊對景觀連接性的可能連通性指數(Probability of Connectivity,PC)和整體連通性指數(Integral Index of Connectivity,IIC)出發,取兩者的平均值以獲得更為準確的生態源地重要性程度。公式如下:

(1)

(2)

2.2.2空間阻力構建與校正

科學構建生態阻力因子對生物多樣性保護具有重要意義。自然因素中景觀類型決定了是否適合物種生存,高程和坡度影響物種的活動范圍,植被覆蓋率影響其密度,到河流的距離越近則越利于生物活動。本文結合既有的文獻研究[10,28—31]和太湖流域實際情況,選擇高程、坡度、景觀類型、植被覆蓋率和距河流距離作為自然阻力因素指標,結合以往對太湖流域的實地調研對阻力值分級,利用層次分析法AHP確定各因子權重(表1)。

表1 太湖流域生態安全阻力因子重分類等級圖

自然因素是影響物種生存范圍的基礎性因素,而人為活動對物種的干擾不可忽視。尤其在經濟快速發展的太湖流域,人為干擾因素的影響在一定程度上高于自然因素,因此本文采用可表征人類干擾程度的夜間燈光指數修正生態阻力系數,公式如下[32]:

(3)

式中,R′為基于夜間燈光指數修正的柵格生態阻力系數；TLIi為柵格i的燈光指數；TLIa為柵格i對應的不同阻力等級的平均燈光指數；R為柵格景觀類型的基本阻力系數。

2.2.3生態廊道提取及重要性判讀

采用MCR模型構建生態安全網絡。基于校正后的最小累積阻力面,利用ArcGIS軟件中的成本距離分析方法,計算兩兩源地之間的路徑并去除重復的路徑后得到研究區的生態廊道[33],通過重力模型[34]計算廊道重要性程度。計算公式如下:

(4)

式中,MCR表示從生態源斑塊j在空間中擴散至某點的最小累積阻力值；f為MCR與變量間乘積(Dij×Ri)的函數；Dij表示目標斑塊源j至其他斑塊源i所經過的空間距離；Ri表示斑塊源i在空間中某一方向上的擴散阻力系數。

(5)

式中,Gab是核心斑塊a和b之間的相互作用力,Na和Nb是兩斑塊的權重值,Dab是a、b兩斑塊間潛在廊道阻力的標準化值,Pa為斑塊a阻力值,Sa是斑塊a的面積,Lab是斑塊a、b之間廊道的累積阻力值,Lmax是研究區中所有廊道累積阻力的最大值。

2.2.4生態阻力空間性分析

生態阻力對生物活動起負向阻礙作用,而生境質量則對生物活動起正向促進作用。為明晰流域內源地-廊道-網絡建設的可行性和生態安全格局構建的科學性,本文引入生境質量計算,結合生態阻力和生境質量的空間特征,明確把握不同地區面臨的問題,才能更有針對性構建生態安全格局。采用InVEST模型中的Habit Quality模塊計算太湖流域生境質量,參數設置參考以往學者研究[35]。以生態阻力作為基底,采用Getis-Ord G*方法(也稱熱點分析),來判別流域內生態阻力的空間性特征,公式如下[36]:

(6)

式中：xj為空間單元j的生態阻力變化量，Wi,j為二進制空間權重矩陣，n為空間單元個數，并且：

(7)

(8)

進一步分析生態阻力和生境質量的方向性特征,即空間分布上的輪廓和主導方向。標準差橢圓法(Standard deviational ellipse, SDE)是分析空間分布方向性特征的經典方法之一,SDE方法以中心、長軸、短軸、方位角為基本參數的空間分布橢圓定量描述研究對象的空間分布整體特征。使用標準差橢圓可以從全局的、空間的角度定量解釋生態阻力和生境質量的中心性、展布性和空間形態等特征[37],公式見參考文獻[38]。

3 結果分析

3.1 生態源地辨識

基于MSPA的太湖流域生態源地識別結果如圖2所示。核心區為較大的生境斑塊,可以為生物提供較大的棲息地,對生物多樣性保護具有重要意義。根據源地可能連通性指數和整體連通性指數篩選出前20個重要核心區作為適合物種生境的生態源地[27]。水域生態源地包括太湖湖體、長蕩湖、滆湖、西氿、陽澄湖、獨墅湖、澄湖、淀山湖、以及湖州商林漾濕地10處；林草地生態源地有10處,以太湖湖體為明顯分界線,集中在浙江西部丘陵山區。

圖2 太湖流域重要生態源地

表2可見生態源地面積和重要性指數。從水域生態源地來看,太湖湖體是最重要的生態源地,也是候鳥遷徙的重要通道。太湖東部蘇州市域范圍內陽澄湖重要性指數為3.32、獨墅湖為5.98、澄湖為2.86,而主要位于上海的淀山湖重要性指數較低,由于與其它源地之間的通道較窄且距離較遠,僅為0.94。從林地生態源地來看,因浙西丘陵有大面積的森林覆蓋,是物種重要的生存空間,編號為16的森林源地重要性指數僅次于太湖湖體。研究發現源地重要性指數和面積并沒有呈現出顯著的正相關,這表明生態源地的面積大小是影響生物生存的一個因素,更應該關注各個源地之間的連通性。

表2 生態源地重要性指數

3.2 綜合阻力構建結果

以高程、坡度、景觀類型、植被覆蓋率、距河流距離為基礎建立太湖流域生物多樣性的自然綜合阻力面,并使用夜間燈光數據校正后得到太湖流域校正阻力面(圖3)。其空間異質性顯著,高值區分布在上海市、江蘇省的蘇錫常等地,以及浙江的杭州、嘉興等地,值得注意的是,太湖湖區周邊生態阻力值較高,但湖區又是太湖流域最重要的生態源地,因此后續針對生物多樣性保護建設生態網絡過程中應重點關注太湖周邊地區。

圖3 太湖流域阻力面構建與校正

3.3 生態廊道分布

廊道是物種可利用的條帶狀生態用地,以實現連接生境、防止物種隔離、維持最小數量和保護生物多樣性的目的,生態源地和廊道共同構成了生態保護網絡。研究結果共得到190條生態廊道(圖4),該廊道將適合物種生存的源地兩兩連接,可滿足生物在源地之間的遷徙。由于兩兩源地之間引力差異較大,根據重力模型結果以及保證源地之間互相貫通的原則下篩選出重要廊道和一般廊道。重要生態廊道東至澄湖、橫跨太湖連接浙西丘陵森林和湖西區重要湖泊,源地5(陽澄湖)、6(獨墅湖)、8(澄湖)、9(淀山湖)與其它源地之間的引力較低,但根據源地重要性結果陽澄湖、獨墅湖、澄湖的源地重要性指數較高,因此后續針對流域生態安全格局構建過程中,應加強源地陽澄湖、獨墅湖、澄湖與其它源地之間的通道連接作用,以便生物能更好遷徙。

圖4 太湖流域生態廊道分布

3.4 生態阻力空間特征

明晰影響生物多樣性的生態阻力熱點區域和方向性特征,才能更好為生態網絡搭建及調控提供指導。在ArcGIS中將整個太湖流域劃分成1km×1km的網格,利用該網格對生態阻力面進行空間統計,將柵格平均阻力值連接到網格并進行空間化顯示。如圖5所示,生態阻力熱點區域呈現顯著的點-面格局分布,集聚的中心點多為較小的經濟中心,而無錫-蘇州-上海一線則呈連續面狀分布。從生態阻力方向分析結果來看,整體方向布局在太湖以東和以北地區,與生態阻力熱點的連續面狀方向基本相符。

圖5 太湖流域生態阻力空間特征

太湖流域生境質量空間異質性顯著(圖6),以太湖湖體、浙西區森林為顯著高值區,空間上冷熱點差異極為顯著,在方向上偏移太湖西南地區。結合生態源地研究結果,太湖湖體和浙西區森林生態源地生境質量較高,而面積較小的生態源地,尤其是陽澄湖、獨墅湖、澄湖和淀山湖的生境質量偏低,受人為因素影響較大。

圖6 太湖流域生境質量空間特征

3.5 生態安全格局構建

生態節點是物種的跳板和轉折點,一般位于廊道功能的最薄弱處,主要由最小路徑和最大路徑交叉點或最小路徑交叉點構成[39]。但節點對生物重要性程度存在一定的差異,在篩選重要節點和一般節點的過程中,最小路徑交叉處是物種跳板但同時生態阻力最低,生態功能比較重要,作為重要生態節點；最大路徑與重要生態廊道交叉處影響物種遷移但同時人為干擾嚴重,生態阻力較高,需要重點修復,因此在本研究中將其作為重要生態節點。在ArcGIS中通過對阻力面進行“山脊線”和“山谷線”的分析,提取重要生態節點79個,一般生態節點22個。在分析問題的基礎上,本文提出針對太湖流域的生態安全格局構建策略,結合區位命名為浙西重要生態保育區、湖西生態保護修復區、環太湖生態修復區、陽澄淀泖-浦西生態重點管控區,以及太湖東南生態廊道建設帶的“四區一帶”生態保護格局(圖7)。(1)浙西重要生態保育區。該區分布有太湖流域重要的生態源地,生態阻力低,生境質量高,因此該區應嚴禁人為因素對自然生態的干擾,禁止一切與生態保護無關的開發活動,避免對生物生存環境造成影響。(2)湖西生態保護修復區。包括湖州、無錫、常州等市,該區分布有水域和森林源地,生態環境較好,是生物較為優良的生存環境。但常州等地經濟發展較快,且處于生態阻力和生境質量冷熱點交界地區,人為干擾因素對生物活動會產生較為重要的影響,因此該地應合理劃定生態紅線進行保護,修復受到破壞的生態環境,避免由于經濟快速發展而帶來的對生物重要節點和生態廊道的占用,導致生態阻力熱點和方向的進一步侵蝕和生境質量熱點地區的進一步退化。(3)環太湖生態修復區。該區包括無錫、蘇州、湖州等市,由于太湖湖體是整個太湖流域最重要的生態源地,也是候鳥遷徙的重要途徑,但太湖周邊也是生態阻力較高的地區,阻礙了陸域動物至太湖的遷徙通道,應加強推進以太湖周邊濕地重建和水生植被恢復為核心的水生態修復工程[40],建設生態防護林,打通太湖至各個源地的陸域生態廊道。(4)陽澄淀泖-浦西生態重點管控區。主要包括蘇州、上海、嘉興三市,該地區只有4處生態源地,且與太湖的連通性不足,生境質量偏低且大多位于生態阻力熱點地區和環形范圍內,嚴重影響生態源地功能的發揮。因此該地應加強對生態環境的重點管控,加強連接太湖和淀山湖的太浦河兩邊生態防護緩沖區建設,拓寬河流廊道寬度。(5)太湖東南生態廊道建設帶。主要包括上海、嘉興、湖州等地,當前淀山湖等生態源地至浙西丘陵源地之間缺少生態廊道,廊道規劃內生態用地比例較低且生物多樣性保護功能不明顯,因此該地應適當縮減建設用地,強化河網湖蕩環境治理與生態修復,構筑濱水生態緩沖帶,促進東西向的源地連通。

圖7 太湖流域生態安全格局

鑒于以往的研究多停留在格局構建階段,面對國家和區域戰略發展新要求,為提升生態安全策略的可實施性,本文結合流域生態網絡-生態阻力空間特征研究,進一步在生態安全格局基礎上提出立足于區縣尺度的調控策略。因太湖流域河網密集,流域內一些重要河流具有可供物種遷徙的廊道作用[41—42],同時考慮到環境保護和經濟發展之間的沖突,廊道僅連接源地邊緣即可,因此本文提出流域生態廊道調整方案(圖8)。

圖8 調整后的太湖流域生態廊道

3.6 生態安全格局分區調控

廊道寬度決定廊道作用的發揮,太窄難以滿足生物運動的基本需要[43],太寬的廊道又需要更多的土地而增加與土地所有者的沖突。生物學家表明,60—100m的廊道寬度可滿足動植物遷徙和傳播以及生物多樣性保護的功能[44],因此本文將重要廊道寬度設定為100m,一般性廊道寬度設定為60m。本研究結合重要性/一般性廊道貫穿的區縣,利用高精度的生態本底數據,在ArcGIS中分區統計不同區縣內廊道面積和需新增廊道面積,結果如圖9所示。重要性新增廊道主要分布在吳江區(3.52 km2)、長興縣(3.29 km2)、吳興區(2.15 km2),吳江區承擔著連接太湖湖體和東部湖泊型源地的重要通道功能,但由于廊道內生態用地較少,因此需新增生態用地較多,該地毗鄰太湖,可通過水生態修復等工程達到新增生態用地的目的。長興縣位于浙西區和湖西區交界處,對連接兩分區的源地至關重要,但廊道內村鎮等建設用地較多,因此應合理布局村鎮等建設用地,通過合并或削減廊道內的建設用地以留出供生物遷徙的生態通道。吳興區北部緊鄰太湖,該地在建設廊道過程中應注重生態用地的修復和保育功能。一般性生態廊道新增范圍多分布在太湖以東區縣,包括蘇州、嘉興、常州等市內部分區縣以及上海市青浦區,但該地生境質量較低,是生態阻力熱點區,因此在建設連通性廊道時應更加關注生態用地的質量,抵抗生態阻力高值區的邊緣效應。

圖9 各區縣廊道總面積及新增廊道面積

4 結論與討論

4.1 結論

本文以太湖流域為研究單元,重點從生物生境視角出發,提出在安全格局的基礎上依據生態阻力和生境質量空間特征進行針對性的生態安全調控框架。研究結論如下:(1)基于空間形態學MSPA識別流域內可供生物生存的核心區源地,并依據重要性指數dPC和dIIC進行加權排序篩選出20個生態源地,包括重要湖泊和森林等,其中太湖湖體是最重要的生態源地,以太湖為明顯的分界線,源地多分布在浙西區和湖西區。(2)從影響生物活動空間的自然因素出發建立生態阻力指標,同時以代表人為干擾因素的夜間燈光數據進行阻力面的校正,作為影響物種活動的累積生態阻力面。(3)依據重力模型判斷重要廊道和一般廊道,重要廊道貫穿太湖湖體將源地相互貫連,一般廊道主要集中在生態環境質量較好的浙西區和湖西區。(4)為針對性識別不同區域的問題提高生態安全格局構建的科學性,本文引入生境質量,并分析生態阻力和生境質量的空間性特征。生態阻力熱點地區集中分布在太湖東北部,橢圓方向也向東北偏離,而生境質量則與其相反,熱點集中于太湖西南地區。(5)根據“節點(點)-廊道(線)-源地(面)”并結合生態阻力和生境質量的空間特征構建太湖流域“四區一帶”的生態安全格局,包括浙西重要生態保育區、湖西生態保護修復區、環太湖生態修復區、陽澄淀泖-浦西生態重點管控區以及太湖東南生態廊道建設帶,并提出立足于區縣尺度的調控策略。

4.2 討論

本研究基于MSPA識別的生態源地考慮了其重要連通性,更加具有科學性,阻力因子綜合考慮自然因素和人為因素對生物的雙重影響,結合流域生態阻力和生境質量的空間特征,建立太湖流域生態安全格局,提出相應調控策略。從國內外研究來看,廊道本質上是可供生物遷徙的通道,本研究在構建生態網絡的核心要素源地識別-阻力因素-廊道寬度上更加偏重生物多樣性保護的視角,研究結果對太湖流域生物多樣性保護具有重要指導意義。太湖流域是長江流域的重要組成部分,引江濟太工程的建設,加強了新溝河、新孟河等溝通長江和太湖的重要通道[45],而河流所具有的生物通道功能,勢必會加強長江和太湖流域之間的生物遷徙,因此后續應加強太湖流域和北岸長江生態格局建設及調控等相關研究工作。同時生態廊道的建設勢必會改變流域內的土地利用結構,明晰由土地利用結構改變導致的生態環境變化也是未來應關注的研究方向。