基于生態安全格局的國土空間生態修復關鍵區域識別
——以沈陽市為例

林鑫禹 衛曉慶 劉恩來 顧有權 馬名楊 曲曉涵

(沈陽工學院 能源與水利學院, 遼寧 撫順 113122)

0 引言

根據自然資源部《關于開展省級國土空間生態修復規劃編制工作的通知》(自然資辦發〔2020〕45號)的要求,做好遼寧省國土空間生態修復工作的統籌謀劃和總體設計提出全面規劃和科學推進山、河、林、田、湖、草、沙綜合保護與恢復的總體思路、目標和任務等一系列的相關措施,從而促進省級國土空間生態修復規劃,通過規劃實施實現山水林田湖草系統治理,構建空間格局優化、生態功能穩定和生態產品優質的生態安全格局,筑牢生態安全屏障,促進人與自然和諧共生。遼寧省國土空間生態修復規劃重點落實全省生態安全格局、生態修復目標任務,同時作為縣級國土空間生態修復規劃編制、生態修復目標傳導落實、科學開展生態修復工作的依據。

生態安全模式是從景觀生態規劃中衍生出來的一種方法,用于識別生態恢復和適合生物保護的區域[1]。當前,國土空間生態修復調研核心更注重于那些范圍較小的生態修復的問題[2]。我國的大部分生態修復是從2000年開始進行的,從當初至如今這21年間生態修復系統及森林植被覆蓋度都得到了部分程度的提高。但是想要精準從頭來施行政策,還是需要人工修復處理來將過去退化嚴重的區域進行扭轉退化的趨勢,是其恢復到初期階段。把各個自然資源要素納入一起,考慮他們之間的相互作用來進行系統修復。

在近年來由于沈陽市城鎮化、工業化蓬勃發展,人類高強度的工業化活動不斷地侵蝕著生態環境,導致城市綠色空間急劇減少。因此急需開啟生態修復。在該篇文章中將基于生態安全格局研究與電路理論相結合,構建出沈陽市生態廊道,找出生態夾點障礙點。以確保沈陽市的國土空間生態修復的范圍,以此提出對應的修復策略。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概述

沈陽市位于中國東北地區的南部位置,遼寧省的中部區域,全市的總面積12 948 km2,市區面積約為3 495 km2。沈陽市主要以平原地區為主,東部為遼東丘陵山地,北部為遼北丘陵,地勢主要向西、南方向平勢開展。研究區在遼寧省的位置如圖1所示。

圖1 沈陽市位置圖

1.2 數據來源與處理

本文選取的數字高程數據(digital elevation model,DEM)和遙感影像數據均來源于地理空間數據云(www.gscloud.cn),其中,DEM數據分辨率為30 m,時間為2020年8月份,并基于ArcGIS平臺計算了沈陽市的坡度以及地形起伏度,遙感影像使用2020年遼寧省7—8月的Landsat-8數據,分辨率為30 m×30 m。

2 研究方法

2.1 生態源地識別

生態源地一般具有維持生態過程的完整性、保障生態服務系統的持續性等功能[3],是構建生態安全格局的基礎所在,本文采用形態學空間格局分析方法(morphological spatial patterns analysis,MSPA)識別生態源地[4]。

根據目前沈陽市的環境狀況,對該區域2020年的土地利用數據進行MSPA研究,以林地、草地、水域和濕地為MSPA分析的前景,其他土地為背景,使用GuidosToolbox軟件和八鄰域分析方法進行MSPA分析,對照GuidosToolbox使用手冊得到核心區、島狀斑塊、邊緣區環島區、核心區、孔隙、支線、橋接區七種不壓蓋的景觀類型[5]。以成果圖片的各個生態斑塊的面積和它們之間的相互連通性,以面積前30的區域作為生態源地。利用Conefor2.6軟件來計算斑塊可能連通性指數與斑塊重要性指數來確定最終生態源地。

2.2 生態阻力面的構建

根據生態安全格局理論,大多數物種遷徙的情況下在空間上會受到一些外界因素的干擾,而受到外界因素干擾最小的通道就是所謂的生態廊道[6-7]。根據相關研究[8-9],綜合考慮沈陽未來發展形勢,本實驗以土地利用類型為阻力面,根據MSPA的景觀數據、坡度、地形起伏度以及植被覆蓋度的數據做阻力層,建造生態阻力面。

2.3 生態廊道

生態廊道作為生物遷徙與物種交流最小阻力中最便捷途徑,是改善生態系統環境的關鍵,即彼此鄰近環境生態之間相互聯系的通道。所以本文利用最小阻力模型構建生態廊道。以最小阻力模型(minimum cumulative resistance,MCR)模擬生物穿越不同景觀基面的速度[10]。模型公式如式(1)所示。

(1)

式中,MCR表示源地的最小累積阻力;f表示待定單調遞增函數;Dij表示生態用地景觀單元i到生態源地j的空間距離;Ri是景觀單元i對某運動的阻力系數;m、n分別表示景觀單元i和生態源地j的數量。

2.4 生態夾點和生態障礙點

生態網絡中電流密度最大的區域說明該區域是物種通過最多的地方,大量物種遷徙往往也伴隨著高風險,生態夾點就是緩解此情況的關鍵區域。由于物種遷徙的隨機性,無法主觀選取最佳遷徙路徑,電路理論[11]能夠將隨機行走理論與行為生態學結合,有效地將物種隨機遷徙路徑和種群擴散概率表示出來。本文使用夾點映射器工具進行識別,并選擇可以識別整個景觀生態夾點的“all to one”模式作為計算方法,選擇位于走廊臨界點和交叉區域且唯一的高電流密度斑塊作為生態夾點。

生態障礙點指生物在生態遷徙過程中通過比較困難的區域,通過計算清楚障礙點后電流值恢復值的大小來識別。移除這些區域可以使生態源地的連通性獲得提高[12]。運用Barrier Mapper工具,設置適合的搜索半徑和步長搜索生態障礙點[13]。

3 結果分析

3.1 生態源地的分布識別

本文以MSPA分析面積前30的初始生態源地斑塊為基礎,使用Conefor2.6軟件,由于沈陽市的動物棲息地,設置連接閾值距離為5 000 m,連接概率為0.5,進行景觀連接度評價,選擇面積大于10 km2且斑塊重要性指數≥0.5的11個斑塊為生態源地結果,如圖2所示。最終選出的生態源地面積一共1 593.97 km2。

圖2 沈陽市生態源地分布

沈陽市2020年生態源地現狀土地利用類型(圖3)耕地為主,城鄉用地為輔,其中耕地面積1 169 km2,城鄉用地126 km2分別占沈陽市生態源地的73.34%,7.90%。其他各類結果如表1所示。

圖3 沈陽市生態源地地類

表1 生態源地土地利用類型

3.2 阻力面提取

沈陽市的生態阻力面的設置(圖4),首先綜合考慮沈陽未來發展形勢,本實驗以土地利用類型為阻力面,然后在根據MSPA的景觀數據、坡度、地形起伏度以及植被覆蓋度的數據做阻力層,然后根據阻力層設置權重和值(表2)。研究結果表明某一區域的阻力值越高,穿越該區域的成本就越大。

(a)地形起伏度阻力值

(b)坡度阻力值

(c)土地利用類型阻力值

(d)植被覆蓋度阻力值

(e)形態學空間格局分析地類阻力值

(f)綜合阻力值圖4 沈陽市綜合生態阻力面

表2 阻力因子屬性

3.3 生態廊道提取

綜合考慮綜合生態阻力面與生態源地,結合電路理論進行分析,可以把沈陽市的生態廊道分為活躍性和非活躍性兩種[14]。一共識別出23條生態廊道,總長度為472.4 km。生態斑塊重要的部分可以連接起來能夠為生物向適宜生存地方遷徙提供便捷通路。綜合考慮生態廊道長度、連接板塊的重要程度與廊道可替代性等因素。保留了其中的19條廊道,并把他們分為了兩個級別,一級14條、二級5條(圖5),全長為175.14 km。

圖5 沈陽市生態廊道分布

在長度特征上看,沈陽市的一級生態廊道全長為130.89km,最長的一條是18.56 km,最短的一條是2.83 km。緊密聯結著沈北新區與法庫縣的生態源地。沈陽市的二級生態廊道全長為44.25 km,且長度由長到短分別為18.6、14.09、4.57、4.39、2.6 km。在圖3、圖4中可以發現一、二級生態廊道集中在遼中區新民市于洪區附近。

3.4 生態夾點和生態障礙點的識別

首先利用夾點映射器工具識別生態夾點(圖6),由于廊道最高電流強度為1,并且結合阻力面綜合分析可知,生物易于通過生態夾點中低阻力區域,所以生態夾點再生物遷徙過程中承擔著重要的連通性功能,需要對這種地區進行著重管理,以確保其生態完整性、穩定性[15]。沈陽市識別到的生態“夾點”一共有16個,面積498 km2。主要位于新民市、遼中區、和法庫縣東部。最大的一處生態夾點面積為80 km2,最小7 km2。再利用土地利用數據與遙感圖像的疊加表明,當前土地利用的生態夾點主要是耕地、林地和草地。這些用地占生態源地的比例為73.34%、6.96%和0.13%。

圖6 沈陽市生態夾點分布

然后再點擊軟件內的Barrier Mapper工具,利用 Barrier Mapper模塊識別生態廊道中的障礙點[16]。沈陽市生態障礙點一共16處,面積一共615.21 km2。最大的生態障礙點面積143.7 km2,最小一處2.81 km2(圖7)。生態障礙點多數位于新民市和遼中區境內,少數位于法庫縣東側。

圖7 沈陽市生態障礙點分布

4 結束語

本文以生態安全格局為基礎,識別生態修復關鍵區域,并且按照不同修復區域類型提出不同的修復計劃,優化生態安全格局,得出以下結果：

(1)現狀地類主要為耕地;生態廊道23條 , 共計472.4 km, 一級廊道14條,共計130.89 km,二級廊道5條,在空間分布上,生態源地與生態廊道集中于沈陽市南部,生境質量較好。

(2)沈陽市生態本底優化有待提高,生態源地面積一共1 593.97 km2,占沈陽市總面積的12.38%。一共構建了23條生態廊道全長大約472.4 km,以此連接生態源地。識別到的生態夾點一共有16個,面積498 km2。生態障礙點一共有16個,面積615.21 km2。它們主要分布在沈陽市的西南部、中部和法庫縣東部。結合沈陽市生態修復關鍵區域的土地利用現狀以及土地類型,提出相應合理的修復措施,完成實施方案項目,為省級修復生態安全格局提供借鑒,為區域提高可持續發展持續供給具有積極意義。需修復的生態夾點有16處,土地利用類型包含有耕地、林地和建設用地。主要修復策略有建立河流保護區、退耕還林、發展特色林業經濟等方法。待修復的生態障礙點有16處,所提及的面積615.21 km2。所包含的土地利用類型包含了耕地、草地、林地、水域、其他土地、交通運輸用地和住宅用地。

針對沈陽市土地利用現狀,本研究提出了合理的恢復策略,提供有利借鑒,對提高生態資源可持續發展及創造價值具有積極實踐意義。