基于生態安全格局的國土空間生態修復關鍵區域識別——以吉林省松原市為例

曹秀鳳,劉兆順,李淑杰,高振君,孫貝雯,李瑩雪

基于生態安全格局的國土空間生態修復關鍵區域識別——以吉林省松原市為例

曹秀鳳,劉兆順*,李淑杰,高振君,孫貝雯,李瑩雪

(吉林大學地球科學學院,吉林 長春 130012)

為了在生態文明建設背景下,從生態系統完整性和結構連通性角度識別生態修復關鍵區域,以吉林省松原市為研究區,綜合運用MSPA分析?景觀連通性評價和電路理論,構建生態安全格局,識別松原市國土空間生態修復關鍵區域.結果表明:松原市共識別生態源地9處,面積為787.95km2,以水域及草地為主,對區域生態安全起著至關重要的作用;識別生態廊道23條,一級廊道16條,二級廊道7條,全長1458.18km;基于生態安全格局識別松原市國土空間生態修復關鍵區域,包括生態夾點16處,面積180.70km2,生態障礙點24處,面積298.11km2.綜合分析生態修復關鍵區域空間分布和土地利用現狀,并提出針對性生態修復策略.

生態安全格局；國土空間生態修復；MSPA；電路理論；松原市

生物多樣性和生態系統服務政府間科學政策平臺(IPBES)于2019年發布《全球生物多樣性與生態系統服務評估報告》[1],指出全球正面臨著史無前例的自然衰退和加速的物種滅絕率,大規模生態系統修復是緩解氣候變化和遏制物種滅絕的關鍵.生態修復是以人為調控和自然恢復相協調統一為手段,對退化或受損生態系統的生物或環境要素進行修復,來達到退化或受損生態系統的生態功能修復和恢復的目的[2].而國土空間生態修復與傳統生態修復相比,是以不同空間尺度范圍內結構紊亂?功能受損或破壞的區域性生態系統為修復對象,通過國土要素的空間結構調整優化和生態功能修整重建等[3],實現國土空間格局優化?生態系統功能提升和區域可持續發展[4].

中國政府于20世紀末開始開展了三江源重大生態保護和修復工程、京津風沙源治理、黃土高原流域植被恢復等一系列生態修復工程[5].2020年6月印發的《全國重要生態系統保護和修復重大工程總體規劃(2021—2035年)》,提出9項重大工程,國土空間生態修復已經上升至國家戰略工程的高度,備受關注.

當前,國土空間生態修復研究主要側重于某一特定視角下小尺度區域的生態修復研究,例如河流湖泊水生態治理[6]、礦山廢棄地復墾、鹽沼濕地修復[7]等,圍繞具體的工程項目展開,缺乏空間布局上的考量,雖然局部的生態功能夠取得良好修復成效,然而對整體的生態功能提升仍然是有限的.

生態安全格局是一種起源于景觀生態規劃的方法,用于識別生態恢復和適合生物保護的區域[8].國外研究多從生態網絡模式[9]、綠色基礎設施建設[10]方面入手,將其運用于生態過程模擬和城市“綠色廊道”建設之中.國內生態安全格局相關研究起源于俞孔堅[11]以生物多樣性保護為目標的景觀生態安全格局構建,當前研究的主要內容集中于如何構建生態安全格局及其優化行為[12].生態安全格局研究現已初步形成“源地確定——廊道識別——戰略點設置”的基本范式[13].近年來,國內學者將生態安全格局與國土空間生態修復相結合,如焦勝等[14]基于整體保護與系統治理思維構建區域生態網絡,識別生態源地、生態廊道和生態夾點,針對這三類生態空間設置修復優先區并提出修復策略;王秀明等[15]綜合運用生態安全格局構建、生態連通性修復方法識別生態修復關鍵區域,進行分區分類修復.該領域已有研究表明,應用生態安全格局的研究范式能夠較為準確的判別出生態修復關鍵區域所在,故基于生態安全格局識別國土空間生態修復關鍵區域具有較高的研究意義.近年來,有學者開始將電路理論引入到研究中,識別國土空間修復關鍵節點.以此為基礎,本研究將其用于指導國土空間生態修復工作,并提出修復方向和具體措施,具有重要的現實意義和可操作性.

松原市地處松嫩平原南端,素有“糧倉、林海、肉庫、魚鄉”之美譽.近年來農業生產活動愈加密集,耕地面積大幅增加,與此同時,快速城鎮化、工業化背景下,建設用地同步擴張,高度集中的人類活動不斷侵占生態空間,區域生態系統服務價值降低,生態風險增加,故亟需開展國土空間生態修復工作來限制人類活動對生態環境的干擾.本文基于生態安全格局研究方法,結合電路理論,構建生態廊道,識別生態夾點?生態障礙點,明確松原市國土空間生態保護修復關鍵區域,并提出相應的保護修復策略,對優化生態服務功能和維持生態系統穩定性具有積極作用,同時為中尺度市級國土空間生態保護修復工作提供經驗借鑒.

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

松原市(123°6′E—126°11′E,43°59′N—45°32′N)位于吉林省中西部,下轄一市一區三縣,分別為扶余市、寧江區、前郭爾羅斯蒙古族自治縣、長嶺縣和乾安縣,土地總面積21169.81km2.地處松嫩平原南部,地勢平坦開闊,起伏和緩.主要由松嫩沖積平原、松遼分水嶺臺地平原組成.氣候類型屬中溫帶大陸性季風氣候.市內江河縱橫,泡沼眾多,有三江一河過境,另有一條季節性河流霍林河.境內還有吉林省內最大的天然湖泊——查干湖.松原市作為農業大市,現狀土地利用類型主要為耕地,面積共14358.45km2,占松原市土地總面積的67.83%.

1.2 數據來源及處理

本文采用松原市最新土地利用數據.數字高程數據來源于地理空間數據云,采用ASTER GDEM V3數據,空間分辨率30m,數據時點2020年8月,基于ArcGIS10.3平臺進行數據處理,計算松原市坡度及地形起伏度.遙感影像數據來源于地理空間數據云,采用Landsat8影像數據,空間分辨率30m,數據時點選擇植被覆蓋程度較好的2020年7、8月,基于ENVI5.3處理,計算松原市植被覆蓋度.

2 研究方法

2.1 生態源地識別

生態源地是生態系統中相對穩定、且對生態安全具有重要意義的生境斑塊[16],是構建生態安全格局的基礎所在,本文采用強調結構連接的形態學空間格局分析方法(MSPA)識別生態源地[17].

圖1 松原市初步生態源地

結合松原市生物多樣性現狀,以松原市國家一級保護動物東方白鸛為指示物種,考慮其棲息和覓食空間,將林地、草地、水域和濕地這四類具有高生態服務價值的自然景觀作為MSPA分析的前景,將其余地類作為背景,利用Guidos軟件,對土地利用數據進行MSPA分析,得到7種互不重疊的景觀類型,綜合考慮斑塊面積和連通性兩方面,以面積最大的30個核心區斑塊作為初步的生態源地[18](圖1).基于Conefor2.6軟件,對初步生態源地進行景觀連接度評價,選取最終的生態源地.

2.2 生態阻力面和廊道構建

阻力面是物種在不同景觀單元之間遷移時受到的阻礙,由此計算物種在克服阻力情況下擴散路徑[19].生態服務價值越高,物種遷移受到的阻力越低,反之則越高[20].本文以土地利用類型構建阻力面為基礎,結合MSPA 7類景觀類型、植被覆蓋度?坡度和地形起伏度作為阻力層,共同構建綜合生態阻力面,各阻力因子及其權重設置參考已有文獻、研究成果[21-23].

生態廊道作為生態源地間直接傳遞物質和能量的通道,是生態修復中改善連通性的關鍵.本文生態廊道構建以綜合阻力面構建為基礎,借助Linkage pathway tool工具加以實現.基于電路理論的連接度模型考慮物種隨機游走的特性[24],能夠更為準確的模擬物種遷徙的真實狀況,特別是在缺少目標物種的遷徙數據時,采用多路徑模擬可以預測非均質景觀條件下物種遷徙的多種可能性,得到合理的物種擴散路徑[25-26].

2.3 生態夾點識別

生態夾點是生態網絡中電流高密度區域,代表生物遷徙過程中通過可能性較高或者無其他代替路徑的區域,此類節點承載著重要的連通性功能,容易面臨較高的生態風險[27],故生態夾點可作為防止棲息地退化或改變的關鍵位置.

由于物種遷移存在隨機性,無法主觀上識別最優遷徙路徑,電路理論將“隨機游走理論”與行為生態學相聯系起來[28],在預測物種隨機遷徙路徑和種群擴散概率方面表現突出[29].本文運PinchpointMapper工具進行識別,選擇能夠識別整個景觀生態夾點的“all to one”模式作為運算方法,遴選電流密度大、處于廊道瓶頸點與交匯地區且具有較強不可替代性的斑塊作為生態夾點.

2.4 生態障礙點識別

生態障礙點指物種在生境斑塊間運動受到阻礙的區域,通過計算清除障礙點后電流恢復值的大小來識別,移除這些區域可顯著提高生態源地間的連通性,得分越高的障礙點被清除后對整體景觀連通性改善越大,其修復可明顯減小生物遷徙過程中受到的阻力[30].本文運用Barrier Mapper工具,設定100m為最小搜索半徑、500m為最大搜索半徑、100m為步長,采用窗口移動法搜索生態障礙點,得出累積電流恢復值示意圖作為生態障礙點選取依據[31],并結合土地利用現狀,提出具體的生態保護與修復的建議.

3 結果與分析

3.1 生態源地識別

本文以MSPA分析選擇的面積前30的初步生態源地斑塊為基礎,利用Conefor2.6軟件,考慮松原市指示物種東方白鸛的棲息范圍和覓食距離,設置連接距離閾值為5000m,連接概率0.5,進行景觀連接度評價,選擇面積大于8km2且dPC30.5的9個斑塊作為最終的生態源地(圖2).生態源地面積共計787.95km2,占松原市土地總面積的3.72%,占MSPA分析中前景地類的16.19%.生態源地現狀土地利用類型以水域和草地為主,其中水域面積為430.57km2、草地面積為177.54km2,分別占生態源地總面積的54.64%和22.53%.所識別生態源地集中分布于松原市中東部的前郭縣和寧江區兩地,前郭縣生態源地面積最大,面積達407.41km2,占生態源地總面積的51.71%.

圖2 松原市生態源地

3.1 阻力面設置

參考已有文獻和研究成果,選取土地利用類型[32]、MSPA景觀類型[21]、植被覆蓋度、坡度和地形起伏度[33]5種阻力因子,合理設置阻力層次權重和阻力值(表1),構建綜合生態阻力面(圖3).對應阻力值越高,則表示穿越該斑塊所耗費的代價越高,松原市高阻力地區多集中分布于人為活動密集區域.綜合阻力面分布從整體上而言,呈現較為細碎的狀態,且與土地利用類型阻力面較為相似,除高值區域集中于寧江區中心建成區之外,其余分布零散.

圖3 松原市綜合生態阻力面

表1 阻力因子屬性

續表1

圖4 松原市生態廊道

3.3 生態廊道提取

基于生態源地和綜合生態阻力面的構建,結合電路理論,松原市生態廊道識別出活躍和非活躍兩種生態廊道[34],共計36條,全長2752.89km.綜合考慮生態廊道長度?連接斑塊的重要程度和廊道可替代性等因素,保留其中23條廊道,并將其分為兩級,其中一級生態廊道16條,二級生態廊道7條(圖4).

從生態廊道的數量特征上來看,松原市一級生態廊道長度共計841.87km,其中最長的一級廊道長度為171.79km,最短的一級廊道長度僅為72.43m,連接第二松花江上兩處緊鄰的生態源地;松原市二級生態廊道長度共計616.31km,其中最長的二級廊道長度為192.77km,最短的二級廊道長度為30.72km.從生態廊道的空間分布上看,一級生態廊道主要分布于乾安縣與前郭縣,二級生態廊道分布于扶余市、寧江區和前郭縣.松原市中南部地區的長嶺縣和前郭縣地類以耕地為主,缺少生態源地,該區域的廊道密度遠低于中東部地區生態源地分布密集區域的密度,具有明顯的空間分布差異性.整體自西南向中東部逐漸呈現復雜化態勢,連通性逐漸增強,形成由源地和廊道構成的基本生態安全格局.

3.4 生態夾點識別

在“all to one”模式下,廊道電流強度最高為2.125.松原市共識別生態夾點16處,面積共計180.71km2,主要位于前郭縣和乾安縣,松原市生態夾點分布狀況詳見表2,其中最大一處生態夾點面積為51.03km2,最小一處面積僅為0.56km2.從生態夾點位置分布上來看,主要位于生態源地附近,即出入生態源地的關鍵廊道區域(圖5).疊合土地利用數據與遙感影像可知,生態夾點區域現狀地類以耕地?林地?草地?水域為主,占比分別為60.36%?16.14%?9.44%和7.88%,所識別生態夾點體現出景觀類型單一且結構較為完整的狀態.

3.5 生態障礙點識別

基于累積電流恢復值高值區,松原市共識別生態障礙點24個,總面積298.10km2,其中生態障礙點最大面積為42.73km2,最小面積為2.07km2,從生態障礙點分布狀況看,主要分布于乾安縣(12處)與前郭縣(9處)兩縣(圖6),松原市生態障礙點分布狀況詳見表3,多位于生態源地和生態廊道連接處與多條廊道交叉重疊處,并與土地利用數據和遙感影像疊合可知,生態障礙點區域現狀地類以耕地?其他土地、交通運輸用地和住宅用地為主,占比分別為71.26%?3.08%、2.64%和2.14%,所識別生態夾點與生態障礙點存在少量重疊,面積31.31km2,說明該處對于物種遷徙而言極為重要,且生態障礙點景觀不同于生態夾點景觀類型,以大量受到人為活動干擾的景觀為主,且景觀呈現出明顯的破碎化現象.,耕地、建設用地等長期受到人類活動影響,由于下墊面性質發生改變,均可對物種遷徙產生不同程度的阻礙作用,可直接反映出人類活動對生態及景觀連通性的負面影響.

圖5 松原市生態夾點

表2 松原市生態夾點分布狀況

圖6 松原市生態障礙點

表3 松原市生態障礙點分布狀況

4 關鍵區域生態修復策略

基于生態安全格局理論,結合生態阻力面?生態廊道?生態夾點?生態障礙點等相關概念,識別松原市生態修復的關鍵區域.所識別生態夾點區域與生態障礙點區域存在重疊?相交現象,對于物種遷徙而言極為重要.生態夾點和生態障礙點的分布多位于生態源地附近,為源地與廊道交匯處.對于關鍵生態節點的有效識別與修復,可有力保障松原市生態空間穩定性,提升生態系統服務能力.

4.1 生態夾點保護措施

綜合考慮國土空間生態保護與修復以及生態夾點識別區域現狀土地利用情況,生態夾點主要以保護為主,人為修復為輔的方向,提出如下分類修復建議:

生態夾點區域土地利用現狀為耕地的,可通過在該區域耕地周圍多種植林木,構建林帶,降低生態阻力,以達到提高景觀連通性、生態功能的目的.

生態夾點區域現狀為林地、草地的,需加強植被培護、林種搭配,采取林分改造、林農混作、森林生態工程等措施,改善林地群落結構[35],為物種的遷徙、棲息、繁衍等提供良好的生態空間.

針對河流湖泊等水域用地,需著重維持水域空間的數量、結構與整體功能的穩定性[36].應注重污染防治、河道清淤等工程,加強水域自然岸線的構建,適當拓寬河岸綠地,注重生態養護,盡可能營造良好的優質綠色空間.

4.2 生態障礙點保護措施

生態障礙點區域的修復可極大地減少生態過程中的阻力、增強景觀連通性,有效優化區域整體的生態安全格局,理應作為國土空間生態修復的優先區域,該區域理應采取修復為主,保護并重的修復措施,結合現狀土地利用情況,提出如下建議:

生態障礙區域的修復關鍵在于重點提升耕地的生態服務能力,若各方面條件允許,可按照綠色、生態、高效的原則實施退耕還林、還草.

對于生態障礙區域內的林地、草地需加強管護,擴大林草地面積,提高植被覆蓋率,以達到提高該片區域整體景觀連通性的目的.

生態障礙區域內的存在少量水域及水利設施用地,需將其放置于一個流域體系內、綜合上下游、左右岸現狀[37],綜合考慮流域各類生態系統,如水岸植被生態系統、濕地生態系統等.針對水域面積萎縮、流域種植業面源污染、湖濱緩沖帶生境破碎、底泥內源污染累積和水生態功能退化等具體問題,圍繞“控源截污——清水廊道構建——湖濱攔截凈化——湖體生態修復”的邏輯采取外源污染系統控制、湖濱緩沖帶生境修復、底泥污染控制、水生態功能調整等措施,以增強水域調節徑流、供給水源、提供生物棲息地、維護生物多樣性等功能.

生態障礙區域的其他土地以裸土地和鹽堿地為主,對于此類土地,應采取相應的生物、技術措施,力求根本上減輕土壤鹽堿化危害,推進耐鹽耐堿的牧草種植,抑制土壤鹽分上升,綜合運用土地整治、土壤改良等方法,促進退化土地修復,實現該片區域的生態功能逐步恢復.

生態障礙區內散布有少量交通運輸用地與住宅用地,對于物種的遷徙構成較大威脅,但由于公路、鐵路等基礎設施無法移除,在對該類土地的進行修復時,優先考慮在道路附近添加小型生境斑塊來弱化阻力,若有必要,可根據實際情況采取修建涵洞、隧道等生物通道,零星居民點的合村并居的措施,以保障物種遷徙的順利進行.

5 討論

本文基于MSPA分析識別生態源地,能夠以較少的數據獲得較為精確的景觀分布狀況.MSPA分析方法對景觀尺度比較敏感,設置不同的柵格大小,其結果會發生變化,比如柵格設置過大容易使較小的核心區斑塊變為孤島影像分析結果,在多次對比試驗和考慮松原市實際土地利用情況下,選擇30m×30m的柵格大小,設置邊緣寬度為60m,基本可以滿足要求.

綜合阻力面中阻力因子的選取和賦值,國內外目前尚無統一標準,本文以具有代表性的高程、坡度、植被覆蓋度、土地利用類型和MSPA景觀類型作為阻力因子,構建綜合阻力面.研究區內詳細物種資料收集存在困難,難以全面衡量物種特性進行阻力賦值,本文以松原市國家一級保護動物的東方白鸛作為指示物種,考慮其棲息地范圍和覓食距離,存在片面性,該部分數據的科學性和準確性有待加強,今后的研究將進一步細化研究本地物種種群,探究更為合理的廊道寬度.

從生態節點的組成地類和分布狀況可知,每個待修復的生態節點中均含有多種不同的景觀類型,景觀的破碎化和差異化致使其生態功能極易受到破壞,與研究區內實際情況相符合.生態夾點作為物種遷徙的必經之地,含有較多的生態景觀斑塊,景觀連通性好.生態障礙點則明顯具有人工干擾痕跡,包含大量的耕地?建設用地等,導致景觀連通性較差.生態關鍵節點的保護與修復能極大的改善研究區整體的生態穩定性和景觀連通性.

6 結論

6.1 松原市共識別生態源地9個,面積共計787.95km2,占生態用地的16.19%.現狀地類主要為生態功能及生物多樣性較為豐富的水域和草地;生態廊道23條,共計1458.18km,一級廊道16條, 841.87km,二級廊道7條,616.31km.空間分布上,生態源地與生態廊道集中于松原市中部,生境質量具有較大的提升空間.

6.2 松原市識別待修復的生態夾點16個,涉及區域面積共計180.70km2,現狀地類主要為耕地、林地、草地、水域;生態障礙點24個,涉及區域面積298.11km2,現狀地類主要為耕地、其他土地、交通運輸用地和住宅用地,生態夾點與生態障礙點識別區域重疊面積31.31km2.生態夾點與生態障礙點的修復,應強化生態服務供給能力,恢復生態本底,將對松原市生境連通性能起到較大的提升作用.

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Identification of key areas of ecological protection and restoration based on the pattern of ecological security: A case of Songyuan City, Jilin province.

CAO Xiu-feng, LIU Zhao-shun*, LI Shu-jie, GAO Zhen-jun, SUN Bei-wen, LI Ying-xue

(College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130012, China)., 2022,42(6)：2779～2787

From the perspective of ecosystem integrity and structural connectivity in the context of ecological civilization construction, this paper takes Songyuan City, Jilin Province, as the study area. This paper integrated MSPA analysis, landscape connectivity evaluation, and circuit theory to construct an ecological security pattern and identify key areas for ecological restoration in Songyuan City. The results showed that: In Songyuan, a total of 9 ecological sources covering an area of 787.95km2have been identified, with water and grassland being the main components, that plays an important role in regional ecological security. A total of 23 ecological corridors are identified in Songyuan, including 16 primary corridors and 7secondary corridors, with a total length of 1458.18km. Based on the ecological security pattern, the key areas of ecological restoration in Songyuan City are identified, including 16 ecological pinch points with an area of 180.70km2and 24 ecological barrier points with an area of 298.11km2. Based on a comprehensive analysis of the spatial distribution and land use status of key ecological restoration areas, targeted ecological restoration strategies are proposed.

ecological security pattern；ecological restoration for territorial space；MSPA；circuit theory；Songyuan City

X171

A

1000-6923(2022)06-2779-08

曹秀鳳(1998-),女,上海人,吉林大學碩士研究生,主要從事土地生態經濟系統優化方向研究.

2021-11-09

國家自然科學基金項目(71303006);松原市自然資源“十四五”規劃項目(JLXB2021010)

* 責任作者, 副教授, zhaoshun@jlu.edu.cn