最小累積阻力模型的閩粵聯網工程(福建段)區域生態安全格局

江世雄,李 熙,王重卿,陳 垚,翁孫賢

(國網福建省電力有限公司電力科學研究院,福建 福州 350007)

生態安全是指人類在生產、生活與健康等方面不受生態破壞與環境污染等影響的保障程度 ,包括飲用水與食物安全、空氣質量與綠色環境等基本要素[1]。快速城市化導致生態斑塊破碎、生物多樣性減少、空氣污染、水資源短缺、熱島效應等區域環境問題,威脅區域生態安全[2]。2011年,國務院《關于加強環境保護重點工作的意見》提出設立生態保護紅線,旨在強化國家和區域生態安全格局,遏制生態環境惡化,維護生態系統穩定,促進自然生態與社會經濟協調發展。生態安全格局指為維持特定區域內正常的生態系統健康和生態系統服務的可持續供應而劃分的潛在生態系統空間格局[3]。有效構建與維護區域生態安全格局,有利于生態結構與功能完整、生物多樣性保護、生態服務維持,還將提升人類福祉,實現可持續發展,保障區域持續性生態安全[4]。

文獻[5]基于Forman的景觀格局理論,使用最小累積阻力模型所創建的“生態源”“阻力面”和“區分安全格局”的研究范式沿用至今[6-7]。生態安全格局可以通過點-線-面改善不同生態生境之間的連通性,有效抵御生境破碎化對生物多樣性的持久影響,有助于維持生態系統結構和過程的完整性[8]。生態安全格局目前涉及生態學、地理學、景觀學等多學科交叉,數據源多樣化,如NPP[9]、氣象數據[10]、土壤數據[11]等,且有InVEST模型[12]、重力模型[13]、MSPA模型[14]等;生態安全內涵較廣泛,如生態系統服務功能[15]、生態敏感性[16]、生態脆弱性[17]、生態承載力[18]等。生態安全格局獲得的生態“源地-廊道-節點”明確了區域生態保護空間的邊界和熱點區,使生態規劃和建設可落實執行。

輸電線路工程建設的生態影響評估一般為在植被破壞、土壤環境、水土流失等基于“點”方面的影響[19-21],忽視線性工程對建設區域以面狀、線狀為特征的生態完整性,如生態安全的影響。本文以閩粵聯網工程(國家電網與南方電網聯網項目)為研究區,使用MCR模型獲得閩粵聯網(福建段)線性工程的生態影響區(線路兩側各2 km的緩沖區)內涉及的生態“源地-廊道-節點”,作為該線性工程的生態完整性影響結果。

1 研究區及數據源

1.1 研究區概況

閩粵聯網工程為國家電網與南方電網之間的聯網。該工程起始于漳州東林變電站,向西途經福建省漳州市漳浦縣、云霄縣、平和縣,以及廣東省梅州市梅江區、梅縣區、大埔縣,終止于梅州嘉應變電站。本文研究區為閩粵聯網工程(福建段)(如圖 1所示),平和縣位于福建省漳州市西南部,與閩粵兩省的8個縣市相鄰,森林覆蓋率達69%,農業產業化水平較高。云霄縣和漳浦縣均位于福建省南部沿海區域,云霄森林覆蓋率為40.1%,漳浦擁有27個優良海灣,是國家海峽兩岸(福建)農業合作試驗區的重要組成部分。

圖1 閩粵聯網工程(福建段)區域

1.2 數據來源

數據包括遙感影像、DEM、行政區劃、公路,數據信息及來源詳見表1。

表1 數據信息及來源

2 研究方法

2.1 隨機森林算法

該算法是通過使用多顆決策樹對樣本進行訓練的一種機器學習算法[22],利用隨機森林算法對兩期Landsat 8 OLI影像進行監督分類,獲得研究區的土地利用類型,包括林地、水域、建設用地、未利用地、耕地,且最終的分類精度大于85%。

2.2 形態學空間格局分析法

形態學空間格局分析法(morphological spatial pattern analysis, MSPA)是文獻[23]基于腐蝕、膨脹、開放和封閉操作等數學形態學原理,對柵格圖像的空間格局進行圖像處理,以區分景觀類型和結構。MSPA劃分7種非重疊景觀形態類型(核心區、孤島、空隙、邊緣區、連接橋、環島、支線)[24],核心區為生態源地。

2.3 層次分析法

選擇自然與人文6個因子,即高程、坡度、植被覆蓋度、土地利用類型、地表溫度、公路密度為生態阻力因子,構建生態擴張綜合阻力面評價指標體系。利用層次分析法確定各個生態擴張阻力因子的權重[25],一致性檢驗值CR=0.031 4 <0.10,判斷矩陣通過一致性檢驗。

2.4 最小累積阻力模型

最小累積阻力(minimum cumulative resistance, MCR)是指物種從某個“源”點到目標所在地的過程中所需克服的總阻力的模型[26]。其計算公式為

(1)

本文對不同量綱的阻力因子按照其生態阻力作用大小進行分級賦值(見表2)[27],最后根據式(1)獲得MCR。

表2 閩粵聯網工程(福建段)生態阻力因子分級及賦值

2.5 重力模型

重力模型用于定量評價源與目標間相互作用力大小,作用力越大代表廊道越重要,據此可以評價生態廊道的相對重要性[28]。在MCR模型基礎上,使用重力模型計算生態源地之間的相互作用強度,提取出重要生態廊道。重力模型公式為

(2)

式中,Gij為斑塊i和j之間的相互作用力;Ni、Nj為兩斑塊的權重;Dij為i和j兩斑塊間潛在廊道阻力的標準化值;Pi為斑塊i阻力值;Si為斑塊i的面積;Lij為斑塊i和j之間廊道的累積阻力值;Lmax為所有廊道累積阻力的最大值。

3 結果與分析

3.1 生態源地

利用隨機森林算法獲得研究區土地利用面積,以林地為前景值,其他地類為背景值,使用MSPA得到7種景觀形態類型,即核心區、孤島、空隙、邊緣區、連接橋、環島、支線,提取核心區面積最大的前10個斑塊作為研究區生態源地(如圖2(a)—(b)所示),生態源地面積見表3。

表3 閩粵聯網工程(福建段)區域生態源地面積

圖2 研究區2020、2021年區域生態源地、廊道和生態保護區

由圖2和表3可知,2020和2021年的生態源地總面積分別為2 268.45和1 926.50 km2,占整個研究區總面積的比例分別為47.29%與40.16%,兩年之間生態源地的面積減少了341.95 km2,主要是面積最大的7、8、9、10號4個生態源地減少最多(30 km2)。7號生態源地包含安厚鎮的靈龍谷、靈通巖風、漳州平和名峰山景區,霞寨鎮的高峰谷,平和縣的繩武樓景區。該源地為丘陵低山地貌,坡度較大,主要土地利用類型為林地,植被類型主要有松樹、杉樹、桉樹等。8號生態源地包括平和縣的三平風景區。9號生態源地靠近白鷺森林公園與天福石雕園。10號生態源地周圍有馬鋪鄉的峰頭水庫、常山華僑經濟開發區的烏山天池、浦美鎮的云霄南湖生態園、將軍山公園。7號生態源地面積減少的原因為林地轉變為果園,8、9、10號3個生態源地減少的主要原因為城鎮建設用地的增加吞噬了生態源地。

3.2 生態廊道

生態廊道是相鄰兩個生態源地之間最容易連通的低阻力擴張通道,是源地間物種遷移的流動通道,在保護生物多樣性方面起關鍵作用[29]。本文利用MCR模型和重力模型獲得了區域重要生態廊道(如圖2(c)—(d)所示)。

基于MCR模型,得到2020年潛在的生態廊道有120條,2021年有110條,基于重力模型提取2020與2021年的重要生態廊道均是21條。由圖2(c)—(d)可知,研究區在兩個時期的生態廊道大致相似,整體呈現“三角形”的空間分布,三角形的3個頂點分別位于崎嶺鄉、和平鄉、官潯鎮,且在三角形內部的生態廊道呈橫縱交叉分布。根據生態源地作用力矩陣,兩年2號、7號生態源地之間的連接性最強,生態關聯度強。4、5、8、9號4個生態源地處于生態廊道的聚集處,需要對上述6個廊道進行保護。

3.3 生態安全保護區

生態節點是兩個相鄰的生態源地之間具有重要意義的“跳板”,該點若受外界的破壞和干擾會導致生物擴散受到阻隔[30]。將所有生態廊道之間的交點設置為生態節點,經統計,研究區在2020年的生態節點為75個,在2021年的生態節點總計為77個。

一個區域的生態安全格局主要是由生態源地-廊道-節點組成,按照研究區內部的生態源地、生態廊道、生態節點的集聚程度,劃分4個生態安全保護區域(如圖2(e)—(f))所示),分別是位于漳浦縣五寨鄉的大帽山、云霄縣馬鋪鄉的峰頭水庫、平和縣霞寨鎮的高峰谷、漳浦縣赤土鄉的白鷺森林公園生態安全保護區域。

3.4 閩粵聯網工程(福建段)生態安全格局

根據《環境影響評價技術導則》(HJ 19—2022)生態影響,以及本線路工程所在區域的生態環境特征,將閩粵聯網線路工程(福建段)兩側向外各延伸2 km作為項目的生態影響區。該影響區內生態源地、生態廊道和生態節點如圖3所示。2020年生態影響區內部有3個生態節點,生態廊道的總長為52.09 km,生態源地的總面積為185.63 km2;2021年有3個生態節點,生態廊道總長為58.46 km,生態源地的總面積為154.42 km2。該工程生態影響區包括14.70 km2的高峰谷生態保護區、0.58 km2的峰頭水庫生態保護區和85.16 km2的大帽山生態保護區域。閩粵聯網工程(福建段)共有150個塔基。其中,有43個塔基位于本文劃定的生態保護區域且全部在大帽山生態保護區域,塔基編號為1—43號。4、5、38、39、62、63、95、96號塔基在兩個時期都有生態廊道穿過,這些塔基在區域生態環境中處于生態信息交流高頻區。因此項目建設運營期的生態重點防護區為1—43、62、63、95、96號塔基施工區和臨時施工道路區,占地面積為0.32 km2,占生態影響區面積的0.01%。

圖3 閩粵聯網工程(福建段)生態影響區的生態安全格局

閩粵輸電線路工程于2021年4月開工,2022年完工。2021年為施工擾動高峰期,其生態影響重點范圍為1—43、62、63、95、96號塔基施工區及其周邊施工道路區。該工程主要影響時段為項目施工期,因此,在上述重點塔基施工階段要做好生態防護措施,如物理覆蓋、邊坡固化、植被恢復、合理安排施工時段等,即可以將項目生態影響降低至最小。在項目運營期,該線路的生態影響輕微,長期的生態監測防護范圍仍是上述的重點塔基周邊。

4 結 論

本文基于MSPA、MCR模型與重力模型構建區域生態“源地-廊道-節點”生態安全格局和輸電線路工程的生態安全格局。研究結論如下:

(1)閩粵聯網工程(福建段)區域生態格局特征:2020和2021年重要生態源地總面積分別為2 268.45和1 926.50 km2,分別占研究區總面積的47.29%和40.16%。2020和2021年重要生態廊道均為21條,生態廊道均呈現“三角形”空間分布。根據研究區生態“源地-廊道-節點”的集聚程度,區內有大帽山、峰頭水庫、高峰谷、白鷺森林公園生態保護區4個,大帽山與白鷺森林公園生態保護區是整個研究區生態保護重點。

(2)閩粵聯網工程(福建段)的生態安全格局特征:2020與2021年,閩粵聯網線路的生態影響區內有生態節點3個,生態廊道總長分別為52.09、58.46 km,生態源地的總面積分別為185.63、154.42 km2。工程生態影響區包含高峰谷、峰頭水庫和大帽山生態保護區,其面積分別為14.70、0.58、85.16 km2。生態影響重點為1—43、62、63、95、96號塔基施工區及其周邊施工道路區。但生態擴張阻力因子本文選擇了6個因子,還有待擴充。而且選擇10個面積最大的斑塊作為生態源地有一定的主觀性,若疊加生態服務功能區和重要生態敏感區可能會更全面。