基于主導生態功能的撫河流域國土空間生態安全格局分析

彭 潔,蔡海生,張學玲,張 婷,呂大偉

江西農業大學江西省鄱陽湖流域農業資源與生態重點實驗室/江西農業大學富硒農業產業發展研究中心, 南昌 330045

隨著社會經濟持續發展,生態環境不斷惡化,生態安全問題已經引起了社會各界的廣泛關注和各級政府的高度重視。黨的十九大報告中強調了生態安全格局的重要地位,它是國家安全體系的重要基石,對于保障國家生態安全、筑牢國家生態安全屏障具有重要作用[1]。生態安全格局的研究對于保護生態系統結構,維持生態系統功能,保障生態安全具有重要意義[2]。生態安全格局的構建其核心在于體現生態優先的理念,主導功能是指事物作為全局主體應起到支配地位、主導作用的核心功能[3]。撫河流域作為鄱陽湖五大流域之一,是重要的小流域生態系統,因此針對撫河流域開展生態系統服務功能重要性評價是體現生態優先理念、突出主導生態功能的重要途徑。

在景觀生態學中,對于景觀格局的構建主要基于“斑塊-廊道-基質”[4]這一理論模式。俞孔堅是國內提出生態安全格局的第一人[5],他創建的“識別源地-構建阻力面-提取廊道”框架,成為了國內外學者構建生態安全格局的研究范式。對于源地識別,現有研究大多基于研究區域內的自然保護區、面積較大且集中連片的生態用地等[6—8],大多只考慮某類生態功能重要性,無法全面客觀進行評價,沒有從主導生態功能的角度去進行綜合考慮。對于阻力面構建,現有研究大多只考慮土地利用類型的差異對生態安全格局造成的阻力影響[9—10],而忽略了同一地類中內部差異的影響。而從廊道提取來看,應用最廣泛的是最小累積阻力模型(MCR)[11—12],利用成本距離分析工具,針對構建的阻力面提取出連接生態源地的生態廊道,但是該方法無法直接識別廊道中的關鍵節點[13]。目前,在生態安全格局的研究中,對于生態夾點、生態障礙點及生態斷裂點等生態修復關鍵區域的研究還比較缺乏。

撫河是鄱陽湖水系五大支流之一,流域內有大量的濕地、森林資源和豐富的生物資源,在提供多重生態功能和維系區域生態安全方面意義重大。然而,隨著城鎮化進程的快速推進,流域內城鎮建設用地不斷擴張,人口激增,大量自然資源被無序開發,導致流域內的生態格局發生改變,并引發了一系列生態環境問題。本文選擇撫河流域為研究區,從主導生態功能的角度出發,按照“確定生態源地—構建阻力面—提取廊道”的研究框架,將生態系統服務功能評價、粒度分析法和熱點分析法相結合識別源地,基于Linkage Mapper構建生態安全格局并對此進行生態修復關鍵區域識別,最終確定研究區生態安全空間布局優化體系,對維護撫河流域的生態安全、實現國土空間生態修復具有重要意義。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

撫河流域位于江西省東部,地處115°36′—117°10′E,26°30′—28°50′N,流域面積20534km2,占鄱陽湖流域總面積的13.09%,是鄱陽湖流域中重要的組成部分(圖1)。流域地勢南高北低,面向鄱陽湖傾斜,主河貫穿流域南北,由贛、閩邊界武夷山西麓廣昌縣流出,上游段為盱江,主要包括南豐、廣昌等地區,中游段為南城至廖家灣,下游段為撫州市以下河段[14]。兩岸山丘多為紅砂巖,林木稀少,泥沙下傾,水土流失較為嚴重。研究區域屬亞熱帶濕潤季風氣候,氣候溫和、雨量充沛。流域內河網密集,湖泊水庫較多,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 研究區地理位置Fig.1 Location of the study area

1.2 數據來源

研究數據來源如表1所示。

表1 數據來源

2 研究方法

2.1 確定生態源地

生態源地是指提供重要生態系統服務的斑塊,針對區域典型生態系統,定量評估生態系統服務的供給能力,識別生態系統服務供給的重要區域,可以作為源地選取的有效方法[15—16]。針對研究區生態狀況,本文選取水源涵養、水土保持以及生物多樣性進行定量評價,其中借助InVEST模型中生境質量模塊和生境風險模塊計算撫河流域的生境質量和生境風險系數,將生境風險系數修正生境質量得到的綜合生境質量[17]作為評估對象生物多樣性的表征[18],其中,綜合生境質量=初始生境質量×(1-標準化生境風險)；其次,將水源涵養、水土保持、生物多樣性3個評價結果加權,得到生態系統服務重要性,評價結果依據自然斷點法分為極重要、重要、較重要、一般重要和不重要[19]；根據粒度反推法[20]確定景觀連通性最好的粒度水平,將該粒度下的生態斑塊與生態系統服務極重要和重要斑塊相交得到初級生態源地；最后采用熱點分析法[21]提取生態源地。

(1)生態系統服務功能

①水源涵養

水源涵養功能指生態系統在涵養水源的過程中參與流域水循環、調節水文過程并產生生態效益的能力,對維持生態系統平衡至關重要。本文通過水量平衡方程來評價水源涵養功能,水量平衡法是計算降水量與蒸散發量及其他消耗水量的差值[22],計算公式為：

(1)

(2)

②水土保持

水土流失是一個由降雨作為主要侵蝕動力的自然過程,以降水直接沖走表層土壤為主要表現形式。水土保持是避免水土流失的措施,水土保持功能評價是針對水土流失過程中土壤保持能力的評價。水土保持評價模型根據修正土壤流失模型RUSLE估算潛在土壤侵蝕量和實際土壤侵蝕量,兩者作差后得到土壤保持量。

Ac=Ap-Ar=R×K×LS-R×K×LS×C×P=R×K×LS×(1-C×P)

(3)

式中：Ac為土壤保持量(t hm-2a-1)；Ap為潛在土壤侵蝕量；Ar為實際土壤侵蝕量；R為降雨侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1a-1)；K為土壤可蝕性因子(t hm2h hm-2MJ-1mm-1)；L、S為地形因子；C為地表植被覆蓋因子；P為水土保持措施因子[19,26—27]。

③生物多樣性

a. 生境質量模型

生境質量表明棲息地能夠為物種提供生存資源和環境的潛力以及繁育的潛力,與生物多樣性存在一定的正相關性,因此在一定程度上能夠表征生物多樣性的高低[2]。本文利用InVEST模型中的生境質量模塊(HQ)計算生境質量。根據InVEST模型指南、相關文獻以及撫河流域自然條件[28—29],選取洼地、風景名勝及林地、河流湖泊、草地、灘涂為生態用地,其他用地為非生態用地,將農田、城鎮、村莊、工礦及水工建筑用地作為生境脅迫因子。

b. 生境風險評價模型

生境風險被定義為人類活動減少近岸棲息地的質量從而使其生態系統服務受損的可能性。InVEST模型中生境風險評價模塊(HRA)能幫助評價人類活動給生態系統健康帶來的威脅[30]。本文生境和脅迫因子的選擇與生境質量模型相同,并且按照InVEST模型的指南設置參數。

(2)粒度反推法

粒度反推法是根據反證法思想,先基于景觀格局現狀生成多種不同粒度的景觀組分結構,再利用測定指標反映景觀組分結構隨粒度變化的特征,通過連通性分析確定最優生態景觀組分結構和景觀組分數后,從景觀整體效應的角度為分析生態源地的選取提供參考[20,31]。本文選擇林地、草地、水域作為生態用地,生成50m、100m、200m、400m、600m、800m、1000m、1200m不同粒度的柵格圖,選取景觀格局指數中NP、PD、LSI、PLADJ、COHESION、DIVISION、AI、CONNECT八大指標[23]來表征景觀的連通性和整體性并利用Fragstats軟件來計算,通過分析選取最優粒度大小,將該粒度下的生態斑塊與得到的生態系統服務極重要和重要斑塊相交,得到初級生態用地。

(3)熱點分析法

通過生態系統服務和粒度反推法選取的初級生態源地的斑塊較分散,規模較小、不連片且零星分布,熱點分析法基于Getis-Ord-Gi*統計法[32],對生態系統服務重要值的高低在空間上的聚類情況進行分析,破碎且不集中連片的斑塊隨著距離閾值的增加而不斷被剔除,距離相近且相連的斑塊聚集,形成規模較大的斑塊[33—34],高值聚類區域則是最終生態源地。

2.2 阻力面和廊道構建

本文選取8個評價因子作為綜合生態阻力面指標體系,并進行10—100內的阻力賦值,數值越大代表阻力越大,同時運用層次分析法[19]對評價因子的權重進行賦值,將各個評價因子加權后得到綜合阻力面。各評價因子的阻力值設置主要參考現有研究,如表2所示。

基于綜合生態阻力面,運用Linkage Mapper插件中的Linkage Pathway Tool模塊,根據綜合生態阻力面和生態源地繪制源間生態廊道。

表2 綜合生態阻力面權重因子賦值

2.3 識別關鍵節點

(1)生態夾點識別

生態夾點是由McRae等[42]基于電路理論提出的概念,是指區域生態安全格局中體現景觀連通性的重要節點。將生物流比作電流,生物經過此處的概率相當于電流流經此處的密度,密度越大則將該區域去除或破壞后對生態系統穩定性造成的影響越大,則該區域就稱為生態夾點。本研究利用Linkage Mapper插件中的Pinchpoint Mapper[43]工具對生態夾點進行識別,其中電流密度高值區則為夾點區,該區域對防止生態源地退化具有重要作用,因此對其應該重點保護,是生態修復的關鍵區域之一[44]。

(2)生態障礙點

生態障礙點是指生物在生境斑塊中運動時的受阻區域,通過計算清除障礙點后電流恢復值的大小來識別[45],去除或修復該區域可以增加整體的景觀連通性。本研究利用Linkage Mapper插件中的Barrier Mapper[46]工具對生態障礙點進行識別,并與土地利用類型相結合,分析障礙點的土地利用狀況,從而提出相應的保護修復措施。

3 結果與分析

3.1 綜合提取生態源地

經計算得到生態系統服務重要性(圖2)。利用Fragstats計算不同粒度水平下的景觀格局指數(表3)。經主成分分析(見表4、表5),成分1和成分2的特征值大于1,且累計貢獻率為96.061%,因此提取前兩個成分,其次主成分1中表征整體性的指數成分載荷較高,主成分2中表征連通性的指數成分載荷較高,因此將主成分1選為整體性指標,主成分2選為連通性指標。基于成分矩陣中的數據,經計算得不同粒度下綜合整體連通性得分(圖3),隨著粒度的增加,景觀結構綜合得分呈下降趨勢,在粒度為400m時開始轉為負值,此時得分的絕對值最小,表明400m粒度下的景觀整體連通性最為穩定,因此選擇400m粒度為最優粒度大小。將400m粒度的景觀格局與生態服務系統重要性進行相交,對結果進行冷熱點分析,選取熱點區域為最終生態源地,生態源地與撫河流域生態保護紅線重疊率達71.11%,如圖4所示,選取生態源地的科學性和準確性得到了驗證。撫河流域生態源地共25塊,共5574.63km2,占研究區面積的27.14%,主要集中在撫河流域南部地區,貫穿流域南北的撫河將生態源地一分為二,西部地區是維護生物多樣性功能的重要區域。生態源地包括草地、耕地、林地、水域用地和未利用地,其中林地、草地、水域用地占撫河流域生態用地面積的36.87%,而林地在生態源地內面積占比最大,達到了91.58%。

圖2 生態系統服務重要性評價過程及分級結果Fig.2 Evaluation process and classification results of the importance of ecosystem services

表3 不同粒度下的景觀格局指數

表4 方差貢獻率

表5 成分矩陣

圖3 不同粒度下整體連通性得分Fig.3 Overall connectivity score under different granularities

3.2 構建區域生態安全格局

3.2.1構建生態阻力面

基于之前表3構建的指標體系得到單因子阻力面以及綜合阻力面(圖5)。結果表明：撫河流域高阻力區域主要分布于撫河流域北部,是人類活動的主要區域,主要受到城鎮建設用地、交通用地的阻礙作用,阻力值越大,表明生物流穿過該斑塊所耗費的成本越高。最終構建的綜合阻力面為后續生態廊道的構建搭建了框架。

3.2.2構建生態廊道

生態廊道是聯系生態源地之間的紐帶,為物種的遷徙提供場所,具有維護生物多樣性、保障生物流安全等生態服務的功能,是景觀格局中重要的線狀景觀要素。基于生態源地和綜合阻力面,借助Linkage Mapper識別生態廊道,構建撫河流域生態安全格局(圖6)。研究區中識別出60條生態廊道,共1126.91km。廊道在臨川區分布最多,區內總長度為423.88km,占比37.61%,在資溪縣最少,只有0.18km,占比0.02%。河流湖泊是重要的天然生態廊道,所有生態廊道中有23條廊道經過撫河流域內河流湖泊,其中有11條廊道經過撫河,4條廊道經過崇仁河,4條廊道經過盱江,2條廊道經過黎灘河,2條廊道經過洪源湖。

3.3 生態修復關鍵區域識別及其修復對策

3.3.1生態夾點區域識別與修復對策

基于生態安全格局識別生態夾點。撫河流域生態廊道的電流密度由藍到深紅逐漸加強,深紅色區域為夾點區域,對景觀生態具有重要作用。將電流密度與綜合阻力面進行疊加,用自然斷點法分為4級,最高一級則為生態夾點,如圖7所示。識別出生態夾點區域共26處,總長度為182.99km,其中最長為11.93km,位于臨川區北部地區,最短為0.021km,位于黎川縣東部地區。在所有生態夾點中,共有3處位于河流廊道,7處位于水庫。河流廊道作為天然的生物通道,在整個生態安全格局中具有重要地位,但由于受到如用地侵占、填河造田、污染排放等人類活動的影響,河流廊道不斷減少,且河流健康狀況也每況愈下。因此針對河流廊道中的生態夾點區域,重點實施控排治污項目,提高水的流動性,建立河流保護區,加強對河流違法排污的監督及清淤工作。水庫作為許多生物的棲息場所,相當于一個小型的水下生態系統,因此構建健康的水生態系統顯得至關重要,提高水的自凈能力,建立健全水庫管護機制,做到源頭控輸入,周圍重生態,庫內抓管理。另有部分生態夾點位于林地和草地,此類區域應注重加強綠色種養,人工修復退化草地,提高植被覆蓋度、物種豐度,對退化林地進行工程修復,加強林地保護,建立自然保護區等。

圖4 撫河流域生態源地識別情況及與生態保護紅線對比Fig.4 Identification of ecological sources in Fuhe River Basin and comparison with ecological protection red line

圖5 撫河流域單因子阻力面及綜合阻力面Fig.5 Single-factor resistance surface and comprehensive resistance surface in Fuhe River Basin

圖6 撫河流域生態安全格局空間分布Fig.6 Spatial distribution of ecological security pattern in Fuhe River Basin

3.3.2生態障礙點識別與修復對策

研究識別出撫河流域生態障礙點的電流密度,同樣將結果與綜合阻力面進行疊加并分級,選取最高一級為生態障礙點,如圖8所示。撫河流域生態障礙點區域共19處,總面積為167.09km2,其中面積最大的2個縣區分別為：臨川區47.81km2,占比28.62%,東鄉縣37.60km2,占比22.50%。而南豐縣面積最小,只有0.78km2,占總面積的0.47%。從土地利用類型來看,撫河流域生態障礙點區域均為非生態用地,主要為城鎮村、工礦用地、耕地和未利用地。因此對生態障礙點的修復可以采取人工造林的方式,提高森林覆蓋率,在保證耕地紅線的基礎上進行適量退耕還林,加強生態修復,對廢棄礦山進行礦山生態修復,同時減少農業面源污染,控制污染物排放,并根據各縣市發展情況,適當進行綠地建設。

3.3.3生態斷裂點識別與修復對策

本研究中主要將大型交通道路(高速公路、國道、省道)與生態廊道的交匯處作為生態斷裂點區域。縱橫交錯的交通道路對生物流動過程會產生阻礙作用,并且會使景觀的破碎化程度加劇,對生物流動安全造成一定的威脅。撫河流域生態斷裂點區域共146處(圖9),其中生態廊道與高速公路相交62處,與國道相交33處,與省道相交51處。由于高速、國道和省道屬于不可拆卸的交通設施,故可以在生態斷裂點處開展相關修復措施,如搭建天橋,建立橋下涵洞等人工生態廊道,保證野生動物流動通暢,建立廊道監測機制,及時排除廊道干擾因素等。

圖7 撫河流域生態夾點及其生態電流密度空間分布Fig.7 Spatial distribution of ecological pinchpoints and ecological current density in Fuhe River Basin

圖8 撫河流域生態障礙點及其生態電流密度空間分布Fig.8 Spatial distribution of ecological barrierpoints and ecological current density in Fuhe River Basin

3.3.4破碎生態空間識別與修復對策

在生態系統服務重要性的冷熱點分析中,冷點區域代表生態系統服務重要性較低,而且斑塊聚集程度較為破碎,因此將其定為關鍵修復區域之一。撫河流域中破碎生態空間面積共3283.79km2,集中分布于臨川區、崇仁縣、宜黃縣、豐城市、樂安縣、南豐縣、進賢縣的林地、耕地以及水域中(圖10)。生態空間破碎化主要由建設用地無序擴張、地質災害頻發、道路截斷等因素引起,由于斑塊較為破碎,難以開展集中統一的修復工程,因此應因地制宜對生態用地進行重組,例如針對斑塊較大區域可以開展地形修復等工程,在景觀連通性上進行相應提升,對于其他較為分散的斑塊,可以結合當地的規劃采取異地造林等生態修復工程,逐步恢復景觀的整體性,詳見表6。

圖9 撫河流域生態斷裂點空間分布Fig.9 Spatial distribution of ecological breakpoints in Fuhe River Basin

圖10 撫河流域生態破碎空間分布Fig.10 Spatial distribution of ecological fragmentation in Fuhe River Basin

表6 撫河流域生態保護待修復關鍵區域

圖11 撫河流域生態安全空間優化總體方案Fig.11 The overall plan for the optimization of the ecological safety space in the Fuhe River Basin 圖11中①—⑥分別表示下游西岸生態治理區、下游東岸水土保持生態修復區、中游西岸生態修復區、中游東岸生態保護修復區、上游西岸生態保育區、上游東岸生態保育區

3.4 生態安全空間布局優化體系建設

根據郭榮朝等[47]提出的空間“廊道組團網絡化”模式構建,以及潘竟虎等[48]在黃河流域甘肅段的研究,結合撫河流域生態環境實際情況,依據空間相互作用、協調并進以及保障整體連通性原則,以基于主導生態功能識別出的生態源地,利用綜合阻力面構建的生態廊道以及識別出的生態修復關鍵區域等核心要素為基礎,將其進行優化重組,構建以撫河為主軸的“三軸六區”生態安全空間布局優化體系(圖11)。

“三軸”主要指結合研究區生態狀況、廊道分布進行劃分得到的關鍵生態廊道,包括黎山-仙桂峰-沁湖生態廊道、長壟水庫-清芝峰-芙蓉山-清涼山生態廊道以及以撫河為主的清豐山溪-金山嶺-芙蓉山-撫河源生態廊道,依據生態安全的差異,關鍵生態廊道將研究區劃分為不同生態功能區。

“六區”包括下游西岸生態治理區、下游東岸水土保持生態修復區、中游西岸生態修復區、中游東岸生態保護修復區、上游西岸生態保育區、上游東岸生態保育區。其中,下游西岸生態治理區內部除了清豐山河北側外,大部分被破碎生態空間覆蓋,存有少量生態源地,并且含有部分生態夾點、障礙點和斷裂點,由于生態夾點區域對生態系統穩定性的維護有重要作用,并且生態斷裂點會阻礙生物流動過程,對生物流動安全造成一定的威脅,因此該區需要重點保護生態夾點區域并對生態斷裂點和障礙點實行相應生修復治理工程。下游東岸水土保持生態修復區的水土保持功能較低,水土流失較嚴重,基本無生態源地,斑塊破碎化也較嚴重,且生態斷裂點占該區比重較大,因此針對該區需進行相關水土流失治理和生態修復工程。中游西岸生態保護修復區內含有大量破碎生態空間,生態廊道占全區最多,但同時生態斷裂點也相應較多,說明該區道路廊道對生態環境的阻隔影響較大,加劇了生態空間破碎化,因此該區應針對斷裂點進行相應廊道疏通生態修復工程,并且對于生態廊道和生態源地進行相應生態保護工程。中游東岸生態修復區內含有一定數量的生態斷裂點,破碎生態空間較少,因此該區針對斷裂點和破碎斑塊應進行相應生態修復工程。上游西岸生態保育區和上游東岸生態保育區分布有撫河流域主要生態源地,生態系統服務重要性高,并且源地斑塊集中連片,故該區應阻止人類活動對生態環境的侵擾,盡量禁止對生態環境有害的開發活動,避免對棲息地環境造成惡劣影響。

4 結論與討論

本文以撫河流域為研究對象,從主導生態功能的視角出發,按照“確定生態源地-構建阻力面-提取廊道-識別關鍵節點”的研究框架,構建生態安全格局并進行生態修復關鍵區域識別,最終確定研究區生態安全空間戰略優化布局。結論如下：

(1)撫河流域生態源地25塊,共5574.63km2,林地、草地、水域用地占撫河流域生態用地面積的36.87%,而林地在生態源地面積占比最大,達到了91.58%；生態廊道60條,共1126.91km,廊道在臨川區分布最多,區內總長度為423.88km,占比37.61%。

(2)研究識別出撫河流域生態修復關鍵區域包括：生態夾點共26處,總長度為182.99km,其中3處位于河流廊道,7處位于水庫；生態障礙點19處,總面積為167.09km2,均為非生態用地,主要為城鎮村、工礦用地、耕地和未利用地；生態斷裂點共146處,生態廊道與高速公路相交62處,與國道相交33處,與省道相交51處；破碎生態空間共3283.79km2,其中臨川區、崇仁縣分布最廣。

(3)結合生態安全格局和生態修復關鍵區域,將其進行優化重組,構建以撫河為主軸的“三軸六區”生態安全空間布局優化體系。“三軸”包括黎山-仙桂峰-沁湖生態廊道、長壟水庫-清芝峰-芙蓉山-清涼山生態廊道以及以撫河為主的清豐山溪-金山嶺-芙蓉山-撫河源生態廊道。“六區”包括下游西岸生態治理區、下游東岸水土保持生態修復區、中游西岸生態修復區、中游東岸生態保護修復區、上游西岸生態保育區、上游東岸生態保育區。

本文基于生態安全格局理論,融入了主導生態功能的概念,突出了生態優先的理念,并結合粒度反推法和熱點分析法對源地進行識別,全面考慮了生態系統的整體性和連通性,使結果更具科學性；阻力面結合了自然和人為因素的綜合影響,并結合電路理論,使廊道結果更加客觀；在運用Linkage Mapper識別生態修復關鍵區域的基礎上形成生態安全空間布局優化體系,對維護撫河流域的生態安全、實行生態系統修復具有指導意義。最后提出本文需要進一步深入研究的問題：首先,用生境風險系數修正生境質量得到綜合生境質量還有待進一步深入驗證；其次,識別出的生態修復關鍵區域在修復之后連通性是否提升還有待進一步研究；此外,按照生態安全空間優化布局進行修復勢必會改變撫河流域的土地利用結構,因此明晰由土地利用結構的改變導致生態系統穩定性的變化也是未來研究的方向。