山水資源型城市景觀生態風險評價及生態安全格局構建
——以張家界市為例

于 婧,湯 昪,*,陳艷紅,張 蕾,聶 艷,鄧文勝

1 湖北大學資源環境學院,區域開發與環境響應湖北省重點實驗室, 武漢 430062

2 華中師范大學地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室, 武漢 430079

隨著城市化建設的快速發展,資源環境與土地利用的矛盾日益尖銳,維護城市生態安全的壓力增加,尤其是對于維持自身系統穩定性和抵抗外界干擾的能力較弱的山水資源型城市。20世紀90年代吳良鏞教授認為山水資源型城市屬于“山-水-城”的發展模式,是以城市為代表的人工環境與以山水為代表的自然環境相融合的人類聚居環境[1]。山水資源型城市與以依靠采煤、冶金、采油等發展的傳統資源型城市不同,山水資源型城市的地形地貌獨特、山水格局明顯,在統籌山水林田湖草系統治理具有一定基礎,但在經濟建設發展過程中也容易存在區域生態安全水平降低的風險,因此如何構建生態環境優良、城市特色明顯、山水文化厚重的生態城市是當前的研究熱點之一[2]。

景觀生態風險評價是指在人與自然綜合影響下,景觀格局與景觀生態相互作用下所產生的損失可能性[3—4],景觀生態風險評價能夠綜合反映區域風險的空間分布,從多角度、多尺度為區域開發建設與生態修復提供決策參考。區域生態安全格局其實質是在諸多因素的干擾下,識別出適宜生物保護及進行生態修復的區域,構建區域生態安全格局是提升區域生態安全水平的關鍵環節[5—6]。十八大報告中把生態安全格局作為我國國土空間三大戰略格局之一,在2020年10月發布的《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二○三五年遠景目標的建議》中明確提出要進一步牢固生態安全屏障,形成主體功能明顯、優勢互補、高質量發展的國土空間開發保護新格局。因此,在新一輪國家生態文明建設政策的指導下,及時進行區域生態風險評價并構建生態安全格局,對于生態文明建設以及進行“山水林田湖草”生態修復具有指導意義。

20世紀90年代以來,國內外學者在傳統環境風險模型、景觀生態學理論的支撐下,研究領域主要集中在景觀格局功能與區域生態安全,并對生態風險與景觀生態學、計量地理學的交叉融合進行了初步探索[7—10]。自俞孔堅[11]、馬克明[12]等學者相繼提出景觀生態安全格局相關理論后,我國學者基于“源匯”、景觀格局等理論與方法,對區域景觀生態風險與生態安全格局進行了進一步的探索與研究,如婁妮等[13]基于不同時序的土地利用數據構建景觀生態風險評價模型,分析了阿哈湖國家濕地公園景觀生態風險的時空變化；張學斌等[14]以石羊河流域為研究區,通過解譯三期高精度遙感影像,分析了在土地利用變化的背景下研究區景觀生態風險空間分布的變化情況；劉焱序等[15]基于有序加權平均算法繪制了不同情景下的深圳市景觀生態風險圖；在生態安全格局研究方面,隨著國內學者對景觀生態安全關注熱度逐漸增加,在構建生態安全格局方面初步形成了源地—阻力面—生態廊道—生態節點—生態安全格局的研究范式,并且逐步嘗試在景觀生態風險與生態安全格局構建方面搭建橋梁,因此如何科學構建生態阻力面并劃分國土空間生態功能區,成為當前研究的熱點內容之一。如潘竟虎等[16]基于景觀生態風險評價結果,利用最小累積阻力模型,選取生態安全水平、海拔、坡度構建阻力面,建立了優化后的疏勒河流域生態安全網絡；李青圃等[17]構建了基于“自然-人類社會-景觀格局”維度的景觀生態評價,并基于評價結果對寧江流域景觀格局進行了優化；韓宗偉等[18]以環洞庭湖區域為研究對象,針對不同類型的生態廊道、源地形成的生態安全格局進行了差異化分析與評價。從研究對象上來看,目前研究以流域單元為研究對象較多,而以山水資源型城市、重點生態功能區為對象進行的研究較少；從景觀生態風險評價來看,傳統景觀生態風險評價一般以行政單元為評價單元,而基于格網尺度進行評價更能體現結果的空間異質性；從生態安全格局構建來看,基本上形成了利用最小累積阻力模型構建阻力面,基于生態敏感性評價結果確定源地并構建生態安全格局的一般思路,但從景觀生態風險評價角度出發構建生態安全格局的研究還相對較少[19—20]。基于此,本研究以山水資源型城市張家界市為研究對象,從格網尺度進行景觀生態風險評價,再以景觀生態風險結果為基礎進一步構建生態安全格局并進行國土空間生態修復分區,最后提出生態安全保護策略。

張家界市內存在大量特征鮮明、規模巨大的獨特砂巖地貌類型,旅游資源豐富,是典型的山水資源型城市。作為長江流域重要的水源涵養區以及國家級重點生態功能區,其生態安全保障地位十分重要,近年來,隨著張家界市全域旅游戰略政策的實施,經濟開發建設活動速度加快,區域生態安全功能受到嚴重威脅。因此,本文基于2019年土地利用數據,通過劃分風險小區與構建景觀生態風險評價模型,對張家界市景觀生態風險空間分布進行評價分析,在景觀生態風險評價結果的基礎上建立生態阻力面,識別生態廊道與生態節點并構建生態安全格局,提出國土空間修復分區和生態安全保護策略,研究結果以期為張家界市在新一輪國土空間規劃中進行生態風險預警、生態修復以及提升生態安全水平提供借鑒與參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

張家界市國土總面積9582.76km2,下轄永定區、武陵源區、桑植縣、慈利縣4個縣區,設72個鄉鎮。地理位置為109°40′—111°20′E、28°52′—29°48′N,位于湖南省西部。西北部與湖北省鶴峰縣、宣恩縣接壤,東鄰石門、桃源縣,南接沅陵、永順縣(圖1)。張家界市屬中亞熱帶山原型季風性濕潤氣候,水系以澧水和溇水為主,水域總面積214km2,地貌類型以山地、丘陵為主,是依靠豐富的山水資源為發展依托的生態城市。張家界市作為國家級重點生態功能區,在發展過程中堅持“生態優先,山水融城”的城市建設目標,2019年森林覆蓋率達到71.0%,生態環境質量優良,2019年地區生產總值552.1億元,比上年增長7.6%,全市常住人口154.9萬人,居民人均可支配收入18026元,但近年來隨著旅游業的發展,城市生態保護與土地開發之間的矛盾逐步升級。

圖1 張家界市地理位置及風險小區示意圖

1.2 數據來源與處理

土地利用數據是以2019年2m分辨率的高分二號遙感影像為數據源,通過eCognition和ArcGIS 10.5軟件進行人機交互解譯,將土地利用劃分為耕地、園地、林地、草地、建設用地、水域及未利用地等7種類型,并從中提取水域數據,對每個區縣選取總圖斑數的10%進行外業抽樣復核,解譯精度均在90%以上,解譯結果見圖1。用于獲取植被覆蓋度的30m分辨率Landsat8遙感影像來源于美國地質勘探局官方平臺(https://glovis.usgs.gov/),成像時間在2019年5月,影像云量低于10%；高程、坡度數據基于中國科學院地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)30m分辨率DEM計算而成；道路數據來源于全國地理信息資源目錄服務系統(http://www.webmap.cn/)；自然保護地數據來源于張家界市政府部門數據。

2 研究方法

2.1 景觀生態風險評價模型

根據研究區范圍和平均景觀斑塊面積的大小(2—5倍),采用3km×3km正方形網格進行網格化采樣,把張家界市劃分1182個風險小區(圖1),逐個計算每個風險小區的景觀生態風險指數,再利用Kriging插值方法得到張家界市景觀生態風險分布狀況。參考已有學者研究成果,選取景觀損失度、干擾度、脆弱度來計算景觀生態風險指數[21—23]。具體計算方式如下:

(1)

LLi=Si×Fi

(2)

式中,ERI為研究區景觀生態風險指數,Ai是第i類景觀面積,A是景觀總面積,LLi是第i類景觀損失度指數。

景觀干擾度指數Si分別由景觀優勢度、景觀破碎度、景觀分離度賦予權重后得出,計算公式如下:

Si=aCi+bNi+cDi

(3)

式中,Ci、Ni和Di分別為景觀破碎度指數、景觀分離度指數和景觀優勢度指數,結合前人研究成果[24—25],將其權重分別賦予0.5、0.2和0.3。

景觀脆弱度指數Fi表示景觀類型受到外界干擾時的脆弱程度,根據張家界市土地利用分類情況并結合已有成果,對各類景觀脆弱度賦值如下:耕地4、園地5、林地2、草地3、建設用地1、水域6,未利用地7,對賦值結果進行歸一化處理后,最終得到各類景觀脆弱度指數。

2.2 最小累積阻力模型

最小累積阻力模型(MCR)被廣泛應用于構建生態安全格局研究,主要是指物種從源地向目標源地遷徙過程中所克服最小阻力形成的阻力面模型[26—30]。計算公式如下:

(4)

式中,MCR為最小累積阻力值；fmin表示生態過程中與MCR的正相關關系；Dij為源地j到目標源地i的距離；Ri表示目標源地i對物種遷徙的阻力值。

3 結果分析

3.1 景觀生態風險空間分布特征

通過Frasgstats 4.2軟件計算出每個風險小區的景觀生態風險指數后,通過ArcGIS 10.5軟件的地統計分析模塊對數據進行半變異函數擬合,半方差分析過程中的擬合結果表明,最理想的擬合模型均為球狀模型。采用球狀模型擬合后,通過Kriging插值對景觀生態風險指數進行空間插值,得到研究區景觀生態風險插值結果。為清晰顯示不同評價結果的分布特征,采用自然斷點法將景觀生態風險評價值劃分為5個等級:低生態風險[0.0142,0.1561)、較低生態風險[0.1561,0.2210)、中生態風險[0.2210,0.2982)、較高生態風險[0.2982,0.4175]、高生態風險[0.4175,0.6583],研究結果經過可視化后見圖2。

圖2 張家界市景觀生態風險空間分布圖

由圖2可知,張家界市景觀生態風險空間差異明顯,生態風險呈現“中部、四周低,高值區總體上沿澧水水系呈條帶狀延伸”的空間分布規律。其中,低生態風險區面積為2057.95km2,占比21.59%,主要分布在張家界市的西北部、東南部,西北部主要分布有八大公山自然保護區,東南部主要分布有天門山風景名勝區,區域內林地資源分布廣泛,地形坡度較高,人類生產建設活動少,生態環境質量高,由于開發強度不大,所以區域內景觀生態風險值低；較低生態風險區面積為3983.78km2,占比最大,為41.79%,主要分布在張家界市的中部地區,各個縣區分布面積都最為廣泛,呈現出以武陵源核心景區為中心,向四周擴散的分布態勢,主要得益于武陵源區“生態優先”政策的實施,因此較低生態景觀生態風險面積占比較大；中生態風險區面積為2151.37km2,占比為22.57%,主要分布在張家界市西南、東北部地區,呈現出與河流分布趨勢高度契合的連片式分布特征,區域內耕地、河流分布廣泛,地勢較為低平,但隨著張家界市旅游開發與城市建設的進一步擴大,中生態風險地區有被轉換成為更高生態風險的趨勢,應該注意防范與預警；較高生態風險區面積為1152.15km2,占比為12.08%,主要分布在張家界市西北部、南部地區,具有片狀發展的分布特征,其中慈利縣面積分布最為廣泛,近年來慈利縣旅游發展步伐加快,導致生態環境保護壓力增加,因此在發展的過程中對于水域、林地等生態較敏感區應該加大保護力度；高生態風險區面積為188.49km2,占比最低,僅為1.98%,主要分布在張家界市南部、西北部地區,對各區縣高生態風險區域按照面積大小進行壓力排序:永定區>慈利縣>桑植縣>武陵源區。其中高生態風險在各區縣中主要分布在永定區中部、慈利縣西部、桑植縣西北部地區,武陵源區無高生態風險,該區域產業建設活動最為頻繁,耕地破碎化程度較高,并且有進一步擴張的趨勢,人口的聚集化、建設的集中化使得高生態風險向外部區域蔓延發展,造成區域內生態保護的壓力最大,在未來的發展規劃中應該著重加強區域內生態建設,逐步改善城市內部環境。

3.2 構建生態安全格局

3.2.1確定生態源地

“源地”作為物種擴散的源點,應該具有較高的生態系統服務功能、生境質量以及圖斑的連續性。根據張家界自然保護地數據,從類型、級別層面選取9處國家級、省級的國家森林公園、自然保護區、風景名勝區等作為生態源地,見表1。張家界市生態源地總面積達750.45km2,占研究區面積的8.78%。

表1 生態源地斑塊一覽表

3.2.2構建生態阻力面

為了直觀反映出物種遷徙過程中遇到的阻力值大小,研究基于景觀生態風險評價結果并結合張家界市生態環境狀況,從景觀生態、地形坡度、距離因子3個方面,分別選取景觀生態風險指數、植被覆蓋度、高程、坡度、與道路距離、與水域距離等6個阻力因子,將各阻力因子劃分為5個等級并賦予不同阻力值,利用層次分析法確定各個阻力因子權重,一致性檢查結果CR=0.0328<0.1,達到一致性檢驗要求。再使用GIS空間分析方法進行多因子加權疊加,得到綜合阻力面阻力值,各個阻力因子分級與賦值見表2。

表2 生態阻力面評價指標體系

景觀生態因素包括景觀生態風險指數、植被覆蓋度因子。景觀生態風險指數主要體現了區域生態風險的高低,其值越大,阻力值也就越大；植被覆蓋度與阻力值成反比,植被覆蓋度越高的區域,物種越能順利通過。地形坡度因素包括高程、坡度因子,兩者與阻力值大小成正比,高程、坡度值越大,阻力值也越大。距離因素包括與道路距離、與水域距離,兩者與阻力值大小成反比,本研究主要考慮物種到達目標源地需要穿越道路、水域的阻力,未考慮水源對物種的補給能力。綜合景觀生態風險指數、植被覆蓋度、高程、坡度、與道路距離、與水域距離6個單因子的評價結果,利用ArcGIS 10.5軟件中的柵格計算器進行疊加分析,結果如圖3所示。從圖3可知,張家界市中北部、東南部阻力值較低,西南部、東北部阻力值較高,高阻力值區呈條帶狀分布的空間規律。

圖3 生態阻力面與最小累積阻力值

3.2.3識別生態廊道與生態節點

生態廊道是物種遷徙過程中的阻力最低的路徑,研究使用ArcGIS 10.5軟件中的cost-distance工具計算得到最小累積阻力值(圖3),再利用cost-path工具,結合生態源地與最小累積阻力值確定生態廊道。生態節點一般位于生態功能較脆弱的區域,利用水文分析從DEM中提取水系的思路,確定最高阻力值分布的“脊線”,將其與生態廊道進行相交,得到的最低與最高阻力路徑的交匯點,即為生態節點。為了劃分不同廊道的重要性程度,把生態節點數超過4個的生態廊道定義為關鍵廊道,其余為輔助廊道。

經過ArcGIS 10.5軟件計算后,得到張家界市生態廊道與生態節點,見圖4。張家界市的24條生態廊道累計長達872.35km。其中關鍵廊道共7條,長達410.47km,占研究區生態廊道總長度的47.05%；輔助廊道共17條,累計長達461.88km,占研究區生態廊道總長度的52.95%。整個研究區生態廊道大致呈“三橫四縱”的空間分布格局,“三橫”連接東西,分別沿八大公山自然保護區-溇水風景名勝區-五雷山風景名勝區,天泉山森林公園-張家界國家森林公園-江埡森林公園,紅石林國家石漠公園-天門山國家森林公園-大鯢自然保護區-五雷山風景名勝區一帶分布；“四縱”貫穿南北,分別沿八大公山自然保護區-天泉山森林公園-紅石林國家石漠公園-天門山國家森林公園,八大公山自然保護區-張家界國家森林公園-天門山國家森林公園,溇水風景名勝區-張家界國家森林公園-天門山國家森林公園,溇水風景名勝區-江埡森林公園-大鯢自然保護區一帶分布。關鍵廊道主要分布在研究區東、中地區,該區域內生態風險值較高,需要進一步加強廊道保護與建設,輔助廊道主要分布在研究區西部、南部地區,主要為物種遷徙提供保障功能,輔助廊道與關鍵廊道一起構成了物種遷徙流動的網絡通道。

圖4 生態廊道與生態節點分布圖

張家界市的47個生態節點在空間分布上總體呈現“中多西少、南多北少”的格局。具體來看,主要分布在八大公山自然保護區-五雷山風景名勝區、溇水風景名勝區-大鯢自然保護區、江埡森林公園-大鯢自然保護區、張家界國家森林公園-江埡森林公園等關鍵生態廊道上。

3.2.4生態安全分區

為了進一步對研究區內不同生態安全區提出差別化管控策略,根據阻力值大小以及綜合考慮生態源地、生態廊道的重要生態地位,將張家界市生態安全區劃分為生態保育區、生態過渡區、生態重建區(圖5)。根據相關學者的研究[31—32],生態廊道200m緩沖區是保護生物多樣性比較合適的寬度,因此將生態廊道200m緩沖區劃入生態保育區進行優先保護,而生態源地已經包含了生態緩沖區的范圍,不再單獨設置緩沖區。

圖5 生態安全分區圖

其中生態保育區面積為4053.50km2,占總面積的42.26%,區域內生態安全水平較高,主要包括生態服務價值較高的森林公園、風景名勝區等,主要土地利用類型為林地、草地等,林草地是自然中維護生態系統的重要基礎,對該類區域應禁止破壞生態的開發建設活動,并對區域內人類建設活動實施限制性方針政策,加強生物多樣性保護與水土流失治理,保障區域整體生態安全水平。

生態過渡區面積為3721.59km2,占總面積的38.80%,區域內生態安全水平介于生態保育區與生態重建區之間,生態過渡區面積占比較大,在空間形態上具有過渡性特征,在功能上主要平衡區域生態,主要土地利用類型為耕地、園地等,對該類區域在開發建設上應堅持規劃后再建設的方針,避免重復建設帶來的生態破壞,此外應積極發展高效現代生態農業,強化區域之間聯系以及過渡區的穩定功能。

生態重建區面積為1817.25km2,占總面積的18.94%,區域內生態安全水平較低,生態重建區是人類進行社會經濟活動的主要區域,區域內主要土地利用類型有建設用地、未利用地、水域等,對該區域需要強化各區縣的主體功能,進一步提高區域綠化水平,提升公眾生態環境保護意識,發揮沿河優勢,打造沿河生態保護帶。

3.2.5張家界市生態安全格局小結

根據生態源地和最小累積阻力模型分析,提取重要生態功能“點”-9處生態源地、47處生態節點,“軸”-24條生態廊道,“面”-生態保育區、生態過渡區、生態重建區等3個生態功能區,共同構成了張家界市的生態安全格局(圖6)。

圖6 張家界市生態安全格局

3.3 生態安全保護策略

基于張家界市自然山水本底特征,結合張家界市生態源地、生態廊道與生態節點以及城市總體規劃的空間布局狀況,在現有格局的基礎上提出生態安全保護策略。

強化生態源地保護。生態源地作為生態安全格局的重要組成部分,其穩定性影響到區域生態安全。張家界國家森林公園、紅石林國家石漠公園、溇水風景名勝區等生態源地,以自然旅游景觀為主,應該全面堅持生態優先原則,嚴格限制區域內建設用地開發,對生態林地進行修復與保護,合理規劃游覽設施,以防止建設用地過度開發導致生態源地生態環境質量下降；進一步發揮張家界市國家森林公園的核心功能,其作為連接不同源地之間的關鍵源地,應繼續堅持保護山林生態系統策略,并進行適當的生態建設。

重視生態廊道建設。對于北部山區的八大公山自然保護區-溇水風景名勝區-江埡森林公園-五雷山風景名勝區生態廊道,須進一步增強北部山區源地之間的連接程度,在考慮不同棲息地之間物種遷徙、交換的基礎上,增設適宜生境廊道,避免生態源地成為“生態孤島”,以維護北部山區作為張家界市生態屏障的重要地位。對于途徑澧水、溇水的關鍵廊道,如溇水風景名勝區-五雷山風景區、張家界國家森林公園-大鯢自然保護區等,要按照生態廊道建設需求,對現有防洪堤進行改造,確保水系的貫通,并適當為物種流動提供輔助通道,形成完整的濱河綠地生態系統。充分發揮張家界市的自然條件優勢,將張家界市北部山區與澧水生態帶融合發展,推動張家界市保持其自然山水生態格局與城市形態平衡,提高區域生態環境承載能力。

修復與優化生態節點。生態節點是物種需要在最小阻力通道上通過最大阻力的點,處于生態環境脆弱的地區,且容易遭到破壞,對于源地之間的連通性以及流動程度具有決定意義。張家界市中西部地區生態節點較多,是進行動態監管與修復的重要地區,宜在區域國土空間規劃、生態修復規劃中予以重點關注,并提出相應的工程及生物措施,以促進物種之間的能量流動與物質循環,降低區域生態風險,保障區域生態安全。

4 結論與討論

(1)研究區景觀生態風險空間差異明顯,生態風險呈現“中部、四周低,高值區總體上沿澧水水系呈條帶狀延伸”的空間分布規律；低、較低、中、較高、高生態風險分別占比21.59%、41.79%、22.57%、12.08%、1.98%,其中較低生態風險占比最高,高生態風險占比最低,各區縣高生態風險壓力排序為:永定區>慈利縣>桑植縣>武陵源區。其中高生態風險在各區縣中主要分布在永定區中部、慈利縣西部、桑植縣西北部地區,武陵源區無高生態風險。高生態風險在各區縣中主要分布在永定區中部、慈利縣西部、桑植縣西北部地區,該區域由于產業建設活動頻繁,耕地破碎化程度較高,使得高生態風險有進一步向外部區域蔓延發展的趨勢,應該逐步改善城市內部環境,提升生態安全水平。

(2)研究區形成了由9處生態源地、47處生態節點、24條生態廊道、以及不同3個生態安全區構成的生態安全格局,生態廊道累積長達872.35km,其中關鍵廊道共7條,長達410.47km,占研究區生態廊道總長度的47.05%,整個研究區生態廊道大致呈“三橫四縱”的空間分布格局,“三橫”連接東西,“四縱”貫穿南北；生態節點在空間分布上總體呈現“中多西少,南多北少”的格局；生態保育區內實施限制性方針政策,生態過渡區在開發建設上應堅持規劃后再建設的方針,強化過渡區的穩定功能,生態重建區內堅持以人為修復為主,自然恢復為輔的方針,打造沿河生態保護帶。

(3)針對生態源地、生態節點、生態廊道以及不同生態安全區提出不同的保護策略,進一步加強生態源地保護,嚴格限制區域內建設用地開發,對生態林地進行修復與保護,合理規劃游覽設施；重視生態廊道建設,加強八大公山自然保護區-溇水風景名勝區-江埡森林公園-五雷山風景名勝區、張家界國家森林公園-大鯢自然保護區等生態廊道的建設,推動張家界市北部山區與澧水生態帶融合發展；修復與優化生態節點,對生態節點較多的張家界市中西部地區進行動態監管與修復,提出相應的工程及生物措施,保障區域生態安全。

本文以經濟發展與生態保護沖突明顯的山水資源型城市張家界市為研究區,分析了目前張家界市景觀生態風險空間分布并構建了生態安全格局優化方案,研究結論一方面可以為張家界市進行生態風險預警、提升生態安全水平以及長期穩定發揮國家重點生態功能區作用提供理論參考,另一方面能夠為張家界市在新一輪國土空間規劃中進行“山水林田湖草”要素配置以及土地利用規劃提供依據。