興國縣生態源地識別及其保護分級

陸禹，毛旭鵬

1.國家林業和草原局中南調查規劃院，湖南長沙 410014；

2.江西省林業資源監測中心，江西南昌 330046

隨著城鎮化進程推進，大量人為活動不斷侵蝕生態用地，導致生境破碎化加劇，由此產生生物多樣性降低等一系列問題[1]。科學構建生物多樣性保護空間網絡是保障并提升生物多樣性水平的必要措施[2]。目前關于生態網絡建設的相關研究趨于成熟，逐步形成了“生態源地識別—生態阻力面構建—生態廊道提取”的基本模式[3]。生態源地識別對于生態網絡構建具有重要的基礎作用，也是重點關注的對象。當前生態源地識別主要有兩種方法[4]：一種是直接法，即直接選擇自然保護區[5]、城市綠地[6]和生態用地類型[7]等作為生態源地；另一種是模型方法，即通過研究生態系統供需評估[8]、生態敏感性評價[9]和形態學空間格局分析(morphological spatial pattern analysis，MSPA)方法[10]等識別生態源地。MSPA 是一種基于土地利用柵格像元的成像方法，能夠客觀地識別景觀的類型和結構，并定量識別生態源地，近年來被廣泛用于生態源地的識別[11]。以往研究常根據面積和景觀格局指數對生態源地進行分級，主觀性較強。生態源地分級不僅要關注其在整個生態系統的連通重要性及數量，也要關注其內部的生態資源價值，相關研究[12]已將InVEST 模型用于生態資源價值的定量評估，其中InVEST 模型中的生境質量（InVEST-HQ）模塊被廣泛用于區域生境質量評估。InVEST-HQ 模塊能夠在物種分布數據不足的條件下，使用土地利用/覆蓋數據和威脅源信息生成生境質量分布地圖[13]。興國縣位于羅霄山脈以東，武夷山以西雩山山區，生態區位重要，但同時也曾因水土流失嚴重被稱為“江南沙漠”，生態環境較為脆弱。因此，該研究以興國縣作為研究區，采用直接法和MSPA 相結合方法識別生態源地，并基于生態源地景觀連通性和生境質量評估結果，利用矩陣法對生態源地進行保護分級，以期為后續研究區生態網絡的構建和生態保護管理提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

興國縣位于江西省中南部，贛州市北部，地處羅霄山脈以東，武夷山以西雩山山區，地理范圍介于26°03′N～26°41′N 和115°01′E～115°51′E 之間，總面積3215km2（圖1a）。境內東、西、北三面群山環繞，逐漸向中、南方向傾斜，海拔介于127.9m～1204.0m 之間（圖1b）。地貌類型以低山、丘陵為主，丹霞地貌地質遺跡資源豐富。屬亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫18.8℃，年平均降水量1560mm。河網密度達0.23km/km2。植被種類豐富，品種繁多，地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，森林覆蓋率72.2%，森林蓄積量296×104m3。

圖1 研究區位置及地形Fig.1 Location and Topography of the Study Area

1.2 數據來源及處理

該研究使用的基礎數據包括土地利用類型、高程及自然保護地范圍等數據。其中，土地利用類型基準數據為興國縣國土“三調”成果數據，參照最新遙感影像采用目視判讀對疑似變化地類進行標注，經實地驗證更新后得到該研究使用的土地利用類型數據。根據《土地利用現狀分類GB/T21010-2017》，將土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、草地、水域、建設用地和其他土地等7 種景觀類型（圖3a），并轉化為30m 分辨率的柵格數據。DEM 數據來自中國科學院地理空間數據云（http://www.gscloud.cn）ASTER GDEM 30m 分辨率數字高程數據，經掩膜提取后得到研究區范圍內高程數據。使用自然保護地整合優化前范圍矢量數據作為生境質量威脅源可達性數據，添加ACCESS 字段并賦值0，表示自然保護地受法律保護條件下的不可達。上述數據經投影和變換、坐標轉換等處理之后統一至CGCS2000 坐標系統。

1.3 研究方法

1.3.1 生態源地識別

首先，基于MSPA 方法識別基礎生態源地。在研究區各土地利用類型中，林地、園地和水域受人為干擾相對較小且生態價值較高，作為前景，其他幾種類型作為背景，經重分類后進行數據二值化，即前景為2、背景為1。將二值圖像導入Guidos Toolbox 軟件，參數設置為八鄰域規則，邊緣寬度為1，得到核心區、島狀斑塊、孔隙、邊緣、環道、橋接區及分支互不重疊的7 種景觀要素[14]。其中，核心區具有較好的生態條件，能夠為野生動物提供棲息地或遷徙場所，面積越大表明生態條件越好[15-16]。因此，將核心區斑塊按面積由大到小排序，依次選取累積面積大于85%的核心區斑塊作為基礎生態源地。其次，采用直接法即直接將各類自然保護地作為補充生態源地。最后，將基礎生態源地和補充生態源地疊加后得到研究區完整的生態源地。

1.3.2 景觀連通性分析

首先選定景觀連通性分析最佳距離閾值。在100m～2500m 距離范圍內，以300m 為步長共設置9個距離閾值，使用Conefor Inputs 插件和Conefor2.6 軟件計算各距離閾值下生態源地斑塊的景觀組分數（NC）和最大組分斑塊數，根據NC 隨距離閾值的變化規律確定最佳距離閾值。然后在最佳距離閾值下，利用Conefor2.6 軟件計算的概率連通指數（PC）來反映生態源地景觀連通性和各斑塊對景觀連通性的重要性，計算公式為：

其中，n 為生態源地斑塊數量，ai和aj分別為斑塊i 和j 的面積，P*ij為斑塊i 和j 之間所有連通路徑概率的乘積最大值，AL為研究區總面積。PC 值越大，生態源地斑塊間的連通度越高；DPC 值越大，生態源地斑塊對景觀連通性影響越大。

1.3.3 生境質量評估

使用InVEST-HQ 模塊對基于直接法和MSPA 方法識別的生態源地斑塊進行生境質量評估。生境質量高的地區生物多樣性水平高，生境質量低和生境范圍小的則意味著生物多樣性低[17]。計算公式為：

其中，Qxj為生境類型j 的柵格x 的生境質量指數；Hj生境類型j 的生境適宜性；Dxj表示生境類型j的柵格x 的生境退化度；Z 為歸一化常量，通常設為2.5；k 為半飽和常數，取在默認值0.5 下運行一次最大生境退化度的一半；R 為威脅源的數量；Yr為威脅源r 柵格圖層的柵格數量；wr為威脅源r 的權重；ry表示柵格y 的威脅強度；irxy為柵格y 的威脅強度ry對生境柵格x 的脅迫水平；βx為柵格x 的可達性水平；Sjr為生境類型j 對威脅源r 的敏感性。該研究生境類型為生態源地，j=1。irxy的線性和指數距離衰減函數為：

其中，dxy為柵格x 和柵格y 之間的線性距離，drmax表示威脅源r 最大影響距離。

參考相關文獻[18]并結合研究區實際，選取耕地、城鎮用地、農村居民地、工業和交通用地作為生境威脅源。各威脅源最大影響距離、權重、距離衰減函數及生態源地斑塊對4 種威脅源敏感性參數的設置見表1 和表2。

表1 威脅源參數設置Tab.1 Threat Source Parameter Settings

表2 生境類型對威脅源的敏感性Tab.2 Sensitivity of Habitat Types to Threats

1.3.4 生態源地保護分級

首先將生態源地斑塊重要性和生境質量分別按照自然間斷點分級法劃分為5 類，分別賦值1～5分，分值越大表示其斑塊在保持景觀連通性方面越重要，生境質量越高。然后結合生態源地斑塊重要性和生境質量評分值計算生態源地斑塊綜合保護價值得分（式7），使用矩陣法將生態源地劃分為4 個等級（圖2），即Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級，等級越高表示生態源地斑塊對于整個研究區生態支撐力度越大，其遭到破壞所引發的生態風險越高，綜合保護價值越大。

圖2 生態源地保護等級矩陣Fig.2 Matrix of Protection Grade for Ecological Sources

其中，為生態源地斑塊綜合保護價值得分，和分別為生態源地斑塊重要性和生境質量得分。

2 結果與分析

2.1 生態源地識別

研究區MSPA 分析結果如圖3b 所示，結果顯示核心區總面積92807.82hm2，占前景總面積的36.67%，主要分布在研究區北部和中部，靠近縣城的南部區域分布較少。因此，研究區整體核心區景觀在靠近縣城的南部區域聯系較弱。邊緣面積16359.84hm2，占總前景面積的6.46%，表明研究區生態景觀具有較好的邊緣效應。支線和孔隙面積分別占前景面積的2.51%和0.71%。橋接區面積在前景中所占比例最大，占前景總面積的48.67%，可以間接提高景觀的連通性，表明研究區物質和能量的生態通道建設基礎條件較好。島狀斑塊面積僅占前景面積的1.67%。支持生態斑塊中物質和能量循環的環道占前景總面積的3.31%。將累積面積大于85%的核心區斑塊和自然保護地疊加后得到199 個生態源地斑塊（圖3c），總面積83383.79hm2，占研究區總面積的25.92%，主要分布在研究區北部和中部，與核心區景觀類型分布狀況趨于一致。

圖3 生態源地識別Fig.3 Identification of Ecological Sources

2.2 生態源地分級

由圖4 可以看出，生態源地斑塊組分數（NC）隨距離閾值的增加而呈先急劇下降后逐漸平穩的趨勢。當距離閾值為1300m 時，NC 值為11，最大組分包含184 個生態源地斑塊，分別占生態源地斑塊總數量和總面積的92.4%和97.72%。表明在1300m 距離閾值下各生態源地斑塊總體上呈組團狀連接，景觀連通性較強，1300m 為研究區生態源地斑塊最佳連通性分析距離閾值。在最佳距離閾值下，利用Conefor2.6 軟件計算得到生態源地斑塊重要性指數（dPC），按自然間斷點分級法劃分為5 類（圖5a）。運行InVEST 軟件中的生境質量模塊，得到研究區生態源地范圍內各像元尺度下的生境質量指數，以生態源地斑塊為單位經分區統計后得到各生態源地斑塊尺度下的平均生境質量指數，按自然間斷點分級法劃分為5 類（圖5b）。

圖4 NC 隨距離閾值的變化趨勢Fig.4 Variation Trend of NC with Distance Threshold

圖5 生態源地分級Fig.5 Classification of Ecological Sources

采用矩陣法得到研究區生態源地等級劃分結果如圖5c 所示。Ⅰ級生態源地4 個，面積25304.10hm2，占生態源地總面積的30.35%，包含除興國丹霞地質公園寶石寨園區的所有自然保護地范圍；Ⅱ級生態源地23 個，面積28735.72hm2，占生態源地總面積的34.46%；Ⅲ級生態源地88 個，面積17397.36hm2，占生態源地總面積的20.86%；Ⅳ級生態源地84 個，面積11946.61hm2，占生態源地總面積的14.33%。Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級生態源地平均斑塊面積分別為6326.03hm2、1249.38hm2、197.70hm2、142.22hm2，表明隨著生態源地等級的降低，其平均斑塊面積隨之降低，斑塊破碎化加劇。

如圖6 所示，Ⅰ級生態源地分布在研究區14 個鄉鎮，其中主要分布在長岡鄉、崇賢鄉、高興鎮、古龍岡鎮、江背鎮、南坑鄉、鼎龍鄉及興江鄉等8 個鄉鎮，總面積為22048.61hm2，占Ⅰ級生態源地總面積的87.13%；Ⅱ級生態源地分布在19 個鄉鎮，其中主要分布在均村鄉、高興鎮、興江鄉、楓邊鄉、良村鎮、茶園鄉、崇賢鄉、南坑鄉及方太鄉等9 個鄉鎮，總面積為23983.46hm2，占Ⅱ級生態源地總面積的83.46%；Ⅲ級生態源地分布在23 個鄉鎮，其中面積大于1000hm2的鄉鎮為楓邊鄉、高興鎮、茶園鄉、崇賢鄉、社富鄉、樟木鄉及良村鎮等7 個鄉鎮，總面積為10453.15hm2，占Ⅲ級生態源地總面積的60.08%；Ⅳ級生態源地分布在24 個鄉鎮，其中面積大于500hm2的鄉鎮為城崗鎮、梅窖鎮、杰村鄉、社富鄉、良村鎮、永豐鎮、方太鄉及均村鄉等8 個鄉鎮，總面積為8360.56hm2，占Ⅳ級生態源地總面積的69.98%。

圖6 生態源地各等級在鄉鎮的分布Fig.6 Distribution of Ecological Sources of Different Grades in Townships

3 結論與討論

3.1 結論

該研究以興國縣為研究區，采用直接法和MSPA相結合的方法識別生態源地，并利用斑塊重要性指數和生境質量指數對生態源地進行分級，研究結果能夠為區域統籌鄉鎮發展，明確重點生態保護區域以及制定分類生態管理措施提供科學參考。主要結論如下：

（1）依據形態學原理確定研究區具有重要生態意義的各種景觀類型：核心區（36.67%）、島狀斑塊（1.67%）、孔隙（0.71%）、邊緣（6.46%）、環道（3.31%）、橋接區（48.67%）和支線（2.51%）。共識別199 個生態源地斑塊。

（2）生態源地斑塊劃分為4 個等級，其中Ⅰ級生態源地4 個、面積25304.10hm2；Ⅱ級生態源地23個、面積28735.72hm2；Ⅲ級生態源地88 個、面積17397.36hm2；Ⅳ級生態源地84 個、面積11946.61hm2。隨著生態源地等級的降低，斑塊分布更加廣泛，破碎化程度加劇。

3.2 討論

該研究以MSPA 方法提取核心區作為基礎生態源地，同時將各類自然保護地范圍作為補充生態源地，在很大程度上避免了單純使用直接法選取生態源地的主觀性。但在生境質量評估過程中，該研究參考相關文獻設置生態源地對威脅源敏感性參數，而實地條件的差異會影響評估結果的準確性，因此有必要進一步研究符合區域實際的相關參數設置。另外對生態源地進行分級并實行差異化管理，對于提升生態源地質量，維持區域生態具有重要意義，下一步有必要根據不同的等級提出相應的管理措施。