生態(tài)安全格局時(shí)空演變分析——以太原城市群為例

祁強(qiáng)強(qiáng),徐占軍

生態(tài)安全格局時(shí)空演變分析——以太原城市群為例

祁強(qiáng)強(qiáng),徐占軍*

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,山西 太谷 030801)

以太原城市群為例,利用形態(tài)學(xué)空間格局分析(MSPA)探究2000年、2010年和2020年生態(tài)源地的變化情況,并利用電路理論識(shí)別生態(tài)廊道、生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)屏障點(diǎn),從而構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局,明晰生態(tài)安全格局的演化趨勢(shì),識(shí)別生態(tài)修復(fù)的重點(diǎn)區(qū)域,并制定了針對(duì)性的修復(fù)措施.研究表明,隨著時(shí)間的推移,研究區(qū)生態(tài)源地面積由2000年3083.38km2增長(zhǎng)至2020年3144.17km2,但空間分布不均,呈西部多、中東部少的空間格局.受生態(tài)源地增加的影響,區(qū)域內(nèi)生態(tài)廊道數(shù)量由2000年69條增長(zhǎng)至2020年90條,景觀連通性增強(qiáng).其中,西部生態(tài)廊道數(shù)量多且以短距離為主,而東西部生態(tài)廊道長(zhǎng)度長(zhǎng)、阻力大.研究期間,生態(tài)夾點(diǎn)面積整體呈增加趨勢(shì),由2000年的47.64km2增加至2010年的97.98km2,2020減少至83.77km2;障礙點(diǎn)面積呈減少趨勢(shì),由2000年的451.78km2減少2020年395.95km2,這類(lèi)區(qū)域應(yīng)作為生態(tài)保護(hù)和修復(fù)的重點(diǎn)區(qū)域.本研究可為區(qū)域生態(tài)修復(fù)和景觀規(guī)劃提供參考.

MSPA；電路理論；生態(tài)安全格局；生態(tài)修復(fù)

生態(tài)環(huán)境作為人類(lèi)生存和發(fā)展的基礎(chǔ)[1],其質(zhì)量的好壞直接影響到人類(lèi)的生存環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[2].在過(guò)去幾十年里,全球人口的激增和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展[2],嚴(yán)重影響了全球生態(tài)系統(tǒng),導(dǎo)致了棲息地喪失[3]、生物多樣性減少[4]、土壤侵蝕加劇[5]、碳儲(chǔ)量下降[6]等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,嚴(yán)重威脅著人類(lèi)的生存和發(fā)展并直接影響著區(qū)域生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展.因此,如何實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)行,并保證經(jīng)濟(jì)社會(huì)的協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展,是目前亟待解決的一個(gè)重要問(wèn)題.近年來(lái),構(gòu)建生態(tài)安全格局已成保持生態(tài)安全、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要規(guī)劃方法[7].該方法為緩解區(qū)域生態(tài)壓力、實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)之間的均衡發(fā)展提供了一種可能的空間解決方案[7-9].通過(guò)對(duì)重點(diǎn)生態(tài)保護(hù)區(qū)的識(shí)別和保護(hù),可以促進(jìn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展.

生態(tài)安全格局自提出以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了大量的研究.現(xiàn)相關(guān)的研究主要集中于生態(tài)安全格局的構(gòu)建[10-11]、評(píng)價(jià)與優(yōu)化[12-13]及構(gòu)建框架的優(yōu)化[14-16],研究對(duì)象涉及城市、流域、工礦區(qū)、國(guó)家公園、高原湖泊等多種類(lèi)型[17-20],研究尺度也從單一尺度轉(zhuǎn)向尺度整合[21].總體來(lái)看,研究視角已從最初的理論研究逐漸向構(gòu)建方法與實(shí)證研究轉(zhuǎn)變.從構(gòu)建方法來(lái)看,目前的主流構(gòu)建范式為“源地-廊道”研究框架[22].其中源地是區(qū)域內(nèi)生境質(zhì)量較高、結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)穩(wěn)定、對(duì)周邊區(qū)域具有重要輻射功能的斑塊[23-24].源地的識(shí)別主要包括兩種方法:一是直接選取生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較高的自然保護(hù)區(qū)、森林公園、風(fēng)景名勝區(qū)等作為生態(tài)源地;二是采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)、環(huán)境敏感性測(cè)算、生態(tài)承載力評(píng)估等定量評(píng)估方法[22].但上述方法多偏重斑塊自身的屬性,而未充分考慮斑塊在景觀空間內(nèi)的整體性和連通性[10].形態(tài)學(xué)空間格局分析(MSPA)基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理對(duì)柵格進(jìn)行度量和分割[23],在空間形態(tài)上更強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)連通性、在原理上更強(qiáng)調(diào)生態(tài)過(guò)程和生態(tài)網(wǎng)絡(luò),增強(qiáng)生態(tài)源地選取的科學(xué)性、客觀性[24-25].近年來(lái),學(xué)者們將MSPA應(yīng)用到熱環(huán)境[25-26]、藍(lán)綠基礎(chǔ)設(shè)施[27-28]及生態(tài)安全格局[29-31]等源地的識(shí)別.因此本文在借鑒相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,采用MSPA進(jìn)行生態(tài)源地的識(shí)別.生態(tài)廊道是保持區(qū)域內(nèi)物質(zhì)流、生態(tài)流、生態(tài)過(guò)程及能量連續(xù)、連通的帶狀生態(tài)用地[32].廊道的識(shí)別方法主要包括最小累計(jì)阻力(MCR)及電路理論.MCR模型根據(jù) KNAAPEN 等建立的費(fèi)用距離修改而來(lái),綜合考慮距離、源地和景觀界面特征,計(jì)算物種從源運(yùn)動(dòng)到目的斑塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所需要耗費(fèi)的最小代價(jià)[32-33].MCR模型選擇出的生態(tài)廊道是最優(yōu)路徑,但卻忽視了生物的隨機(jī)游走性,且無(wú)法體現(xiàn)廊道的真實(shí)寬度[34].電路理論借鑒了物理學(xué)中電子隨機(jī)游走的特性[35],模擬物種個(gè)體或基因在景觀中的遷移過(guò)程,基于電流強(qiáng)度反映生態(tài)斑塊和廊道的相對(duì)重要性,從而預(yù)測(cè)物種擴(kuò)散與遷移路徑、識(shí)別移動(dòng)路徑,這一方法更加符合物種真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況[36].

城市群作為中國(guó)區(qū)域發(fā)展中最具活力和潛力的地區(qū)[37],借助高度連通的交通網(wǎng)絡(luò)和有利的區(qū)域激勵(lì)政策,推動(dòng)產(chǎn)業(yè)和人口集聚,是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)調(diào)整和區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵引擎[11].構(gòu)建城市群內(nèi)生態(tài)安全格局有利于區(qū)域生態(tài)-生產(chǎn)-生活空間的整合和優(yōu)化配置,可有效減少城市化的負(fù)面影響,實(shí)現(xiàn)城市群的高質(zhì)量發(fā)展[11].然而,上述研究大多集中于珠江三角洲[38]、京津冀[39]、長(zhǎng)江三角洲[40]等城市化水平較高的城市群,而針對(duì)太原城市群開(kāi)展的研究較少.太原城市群位于山西省中心地帶,經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高、發(fā)展?jié)摿^大,在全省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位[41].與中部其他城市群相比,太原城市群發(fā)展緩慢,是尚在發(fā)育階段的城市群[41].近年來(lái),太原城市群在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)了一系列環(huán)境問(wèn)題[42],嚴(yán)重制約城市群的高質(zhì)量發(fā)展.生態(tài)安全格局作為識(shí)別、優(yōu)化國(guó)土空間保護(hù)修復(fù)區(qū)域的主要手段,可為國(guó)土空間修復(fù)提供參考.而目前對(duì)生態(tài)安全格局的研究大多集中于生態(tài)源地和廊道的空間分布[43],很少有研究關(guān)注生態(tài)源地和斑塊的重要性.對(duì)促進(jìn)區(qū)域生態(tài)進(jìn)程、保障區(qū)域生態(tài)安全至關(guān)重要的斑塊、廊道和關(guān)鍵區(qū)域的空間格局和數(shù)量范圍的識(shí)別較少[44],無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域生態(tài)過(guò)程的有效調(diào)控,保障區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)供給.本研究以太原城市群為例,分析20年來(lái)土地利用變化,通過(guò)MSPA進(jìn)行生態(tài)源地識(shí)別,利用電路理論進(jìn)行生態(tài)廊道、夾點(diǎn)和障礙點(diǎn)提取,構(gòu)建生態(tài)安全格局.從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太原城市群生態(tài)安全格局的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、明晰生態(tài)安全格局的演化特點(diǎn)和趨勢(shì)、制定針對(duì)性的修復(fù)措施以防止生態(tài)功能的退化.以期為區(qū)域生態(tài)修復(fù)和景觀規(guī)劃提供參考.

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

太原城市群是國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)的14個(gè)城市群之一、是以山西省省會(huì)太原為中心、以太原盆地城鎮(zhèn)密集區(qū)為主體構(gòu)成的城市群,是山西省經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū).依據(jù)《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃》將太原市10個(gè)縣(市、區(qū));晉中市榆次區(qū)、太谷區(qū)、祁縣、平遙縣、介休市;呂梁市交城縣、文水縣、汾陽(yáng)市、孝義市、嵐縣;忻州市靜樂(lè)縣納入太原城市群.研究區(qū)位于黃土高原生態(tài)脆弱區(qū)東部、東南部為太原盆地、西側(cè)為呂梁山區(qū)、東側(cè)為太行山區(qū),呈現(xiàn)“中間低、東西高”的地形特征,以溫帶大陸性氣候?yàn)橹?研究區(qū)總面積為2.07×104km2.

圖1 研究區(qū)位置

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于CLCD(China Land Cover Dataset),該數(shù)據(jù)集是由武漢大學(xué)楊杰和黃昕基于GEE(Google Earth Engine)所制作的中國(guó)年度土地覆蓋數(shù)據(jù)集(annual China Land Cover Dataset, CLCD),空間分辨率為30m,一級(jí)分類(lèi)包括耕地、森林、灌木、草地、水域、雪/冰、荒地、建設(shè)用地和濕地.根據(jù)研究需要,將土地利用數(shù)據(jù)重新劃分為耕地、林地、草地、水域、未利用地和建設(shè)用地.數(shù)據(jù)時(shí)間為2000年、2010年和2020年.Dem數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn),分辨率為30m.基于ArcGIS10.0軟件平臺(tái),利用DEM數(shù)據(jù)計(jì)算坡度.以土地利用數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)坐標(biāo)系和分辨率的統(tǒng)一,嚴(yán)格保證數(shù)據(jù)行列數(shù)一致.

2 研究方法

2.1 生態(tài)源地識(shí)別

生態(tài)源地是區(qū)域內(nèi)生境質(zhì)量較高、結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)穩(wěn)定、對(duì)周邊區(qū)域具有重要輻射功能的斑塊,在維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和促進(jìn)區(qū)域生態(tài)安全等方面具有重要作用[45-46].MSPA是基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理而提出,能夠更為精準(zhǔn)的對(duì)柵格圖像的空間格局在功能型結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分類(lèi),從像元層面上識(shí)別出對(duì)景觀連通性具有主要作用的區(qū)域[47],從而提高生態(tài)源地選取的科學(xué)性[30].本研究采用MSPA并結(jié)合已有研究進(jìn)行生態(tài)源地的選擇,將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較高的林地作為MSPA分析的前景數(shù)據(jù),其他地類(lèi)作為背景數(shù)據(jù);基于Guidos分析軟件,得到互不重疊的七類(lèi)景觀要素;選取對(duì)維持景觀連通性具有重要意義的核心區(qū)作為生態(tài)源地,并剔除面積小于5km2的斑塊.

2.2 電阻面的構(gòu)建

在電路理論中,景觀被抽象為具有不同阻力的單元,將物種個(gè)體或生態(tài)因素視為電子,阻力面反映了物種和生態(tài)因素在景觀單元上移動(dòng)時(shí)受到的阻礙程度[43,48].本文參考已有研究,選取土地利用、高程、坡度、MSPA景觀類(lèi)型構(gòu)建阻力面[49-51];在阻力值賦值時(shí),參考已有研究并結(jié)合專(zhuān)家意見(jiàn)確定,并利用層次分析法得到不同阻力因子的權(quán)重.

2.3 生態(tài)廊道提取

生態(tài)廊道是生態(tài)源地間物質(zhì)、能量和信息流動(dòng)與交換的通道、是生態(tài)源地間最容易聯(lián)系的低阻力生態(tài)通道[43].將電路理論的連接模型與隨機(jī)游走相結(jié)合能夠較高的評(píng)價(jià)最小成本路徑[52].本研究基于電路理論,通過(guò)電流密度來(lái)識(shí)別生態(tài)廊道;若該區(qū)域電流密度較高,則表示該生態(tài)阻力較低,連接度較好.

2.4 生態(tài)“夾點(diǎn)”及障礙點(diǎn)識(shí)別

生態(tài)夾點(diǎn)是廊道中電流密度較大的區(qū)域[53]、是物種遷移交流的必經(jīng)之路或無(wú)其他可替代的區(qū)域;若此類(lèi)區(qū)域生態(tài)環(huán)境遭到破壞或生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生退化,極大可能切斷生態(tài)網(wǎng)絡(luò)之間的連通性和完整性.夾點(diǎn)的形成往往是由于周邊地區(qū)阻力值較大,廊道在夾點(diǎn)區(qū)域被壓縮在相對(duì)狹窄的范圍內(nèi).本文利用Circuitscape與Linkage Mapper工具箱中的Pinchpoint Mapper模塊來(lái)識(shí)別生態(tài)廊道中的“夾點(diǎn)”,即電流密度較高的區(qū)域.本文選擇“All to one”模型進(jìn)行夾點(diǎn)識(shí)別.生態(tài)障礙點(diǎn)可視為阻礙生態(tài)源地間連通性的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)[54],移除后可以改善源地之間的連通性.本文利用Linkage Mapper工具箱中的Barrier Mapper模塊來(lái)識(shí)別障礙點(diǎn).

2.5 生態(tài)修復(fù)區(qū)識(shí)別

2.5.1 生態(tài)源地重要性評(píng)估 Centrality Mapper是Linkage Mapper Toolkit的一部分,它包括Linkage Mapper和其他旨在支持區(qū)域野生動(dòng)物棲息地連通性分析的模塊.利用Centrality Mapper分析得到連接網(wǎng)絡(luò),計(jì)算當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)流中心性.當(dāng)前生態(tài)流中心性是衡量一個(gè)鏈接或核心區(qū)域?qū)τ诒３终麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)連接的重要程度.最終,在本研究中,為評(píng)估生態(tài)源地的重要性,生態(tài)源地中心性被分為低、中、高三個(gè)等級(jí),等級(jí)越高,生態(tài)源地越重要.

2.5.2 生態(tài)廊道阻力值評(píng)估 利用Linkage Mapper軟件輸入生態(tài)源地和綜合阻力面,計(jì)算生態(tài)源地之間的成本加權(quán)距離(CWD)和最小成本路徑(LCP_Length).用CWD/LCP_Length反映最小成本路徑的性質(zhì),當(dāng)CWD/LCP值越大時(shí),表示物種通過(guò)此路徑時(shí)遭受的阻力較大,景觀連通性較差,反之亦然[55].

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化

2000～2020年,太原城市群的土地利用類(lèi)型以草地和耕地為主(圖1),面積平均占比(表1)分別為34.13%和32.80%,其次是林地,面積平均占比為25.58%,建設(shè)用地和水域面積平均占比分別為7.28%和0.20%,未利用地面積占比最少,不足0.01%. 2000～2020年林地、建設(shè)用地面積呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì),分別增加了525.20和689.95km2.耕地面積呈現(xiàn)先減少后增加趨勢(shì),草地面積呈現(xiàn)先增加后減少,兩者總體均呈減少趨勢(shì),分別減少885.52和360.93km2.水域和未利用地面積增加較少,分別增加了29.50和1.79km2.

表1 2000～2020年土地利用類(lèi)型占比(%)

圖2 2000～2020年土地利用類(lèi)型空間分布

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣圖(圖3)顯示了2000～2020年土地利用轉(zhuǎn)移模式.從凈轉(zhuǎn)出來(lái)看,耕地轉(zhuǎn)出面積最大,其次為草地,轉(zhuǎn)出面積分別為2011.5和1998.91km2,累計(jì)占凈轉(zhuǎn)出面積85.91%.其中,耕地轉(zhuǎn)為草地1129.11km2,轉(zhuǎn)為建設(shè)用地735.43km2.草地主要轉(zhuǎn)為耕地和林地,分別轉(zhuǎn)出988.94和930.51km2.從凈轉(zhuǎn)入來(lái)看,草地、耕地、林地、建設(shè)用地轉(zhuǎn)入面積都較多,分別轉(zhuǎn)入1637.98、1125.99、1055.64、和812.14km2,占總轉(zhuǎn)入面積35.09%、24.12%、22.61%、17.40%,其中林地和耕地與草地之間相互轉(zhuǎn)換,建設(shè)用地主要來(lái)源于耕地.

圖3 2000～2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣圖

3.2 生態(tài)源地識(shí)別

通過(guò)MSPA模型分析,選取核心區(qū)作為生態(tài)源地,并剔除面積小于5km2的斑塊,生態(tài)源地識(shí)別結(jié)果如圖4所示.三期分別識(shí)別出39、44、48塊生態(tài)源地,面積分別為3083.38km2、3140.64km2、3144.17km2,分別占研究區(qū)總面積的14.92%、15.19%和15.21%.研究區(qū)生態(tài)源地整體分布不均,呈西部多,中、東部少的空間格局.整體而言生態(tài)源地呈空間集聚分布,主要分布于呂梁的交城縣、汾陽(yáng)市、文水縣及太原的古交市和陽(yáng)曲縣,累計(jì)約占總生態(tài)源地面積的71.74%.小店區(qū)、尖草坪區(qū)、迎澤區(qū)、杏花嶺區(qū)及清徐縣生態(tài)源地面積較少,累計(jì)占總面積比例不足1%.原因是受研究區(qū)特殊的地形條件影響,研究區(qū)西部主要為呂梁山區(qū),以大面積的林草地為主,生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能完整,生態(tài)服務(wù)價(jià)值較高.中部為河谷平原,受人為活動(dòng)擾動(dòng)較大,主要以農(nóng)田和建設(shè)用地為主.東部雖分布有生態(tài)用地,但整體面積較少,生態(tài)功能作用較弱.

3.3 生態(tài)廊道提取

基于Linkage mapper進(jìn)行研究區(qū)生態(tài)廊道的識(shí)別(圖4).經(jīng)統(tǒng)計(jì),2000年、2010年、2020年生態(tài)廊道分別是69、79、90條,總長(zhǎng)度分別是1099.74km、1242.62km、1365.00km.廊道的平均長(zhǎng)度約15.61km,且呈現(xiàn)下降趨勢(shì).主要是由于受人類(lèi)活動(dòng)、退耕還林還草以及草地轉(zhuǎn)林地等的影響,研究區(qū)生態(tài)源地面積減少,數(shù)量增多,從而引起生態(tài)廊道數(shù)目不斷增多,總長(zhǎng)度增加,平均長(zhǎng)度減少.由圖4可知,研究區(qū)廊道空間差異明顯,西部生態(tài)源地分布相對(duì)密集、廊道數(shù)量較多、且以短距離廊道為主、景觀連通性較強(qiáng).研究區(qū)西部與東部之間距離相對(duì)較長(zhǎng),生態(tài)廊道數(shù)量較少.并且受西部生態(tài)源地增加的影響,東西部間發(fā)散狀廊道數(shù)量增多.因此,西部和東部整體景觀連通性受文水縣,晉源區(qū)以及萬(wàn)柏林區(qū)與古交市交界處斑塊的影響較大,今后應(yīng)對(duì)此類(lèi)生態(tài)源地加大保護(hù).

3.4 生態(tài)“夾點(diǎn)”及障礙點(diǎn)識(shí)別

利用自然斷點(diǎn)法將電流密度分為三級(jí),選取電流密度最高一級(jí)作為夾點(diǎn)區(qū)域(圖5),夾點(diǎn)區(qū)域面積由2000年47.64km2增加至2010年97.98km2,增幅105.67%,2020減少至83.77km2,減少14.50%;總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì).將生態(tài)夾點(diǎn)與生態(tài)廊道進(jìn)行疊加分析,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)幾乎所有的生態(tài)廊道都存在生態(tài)夾點(diǎn),且生態(tài)夾點(diǎn)多位于出入生態(tài)源地的位置以及生態(tài)廊道的中間位置.因此,急需對(duì)生態(tài)夾點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行保護(hù),以維持區(qū)域整體景觀連通性;一旦夾點(diǎn)區(qū)域斷裂,整體景觀功能極有可能發(fā)生紊亂

圖4 生態(tài)源地及生態(tài)廊道空間分布

圖6 生態(tài)障礙點(diǎn)空間分布

研究區(qū)障礙點(diǎn)面積呈不斷減少的趨勢(shì),由2000年的451.78km2減少至2010年413.94km2,至2020年達(dá)到395.95km2(圖6).疊加生態(tài)夾點(diǎn)和障礙點(diǎn),發(fā)現(xiàn)在物種遷移的必經(jīng)之路上存在阻礙其流動(dòng)的區(qū)域,對(duì)于此類(lèi)區(qū)域,可優(yōu)先進(jìn)行修復(fù).其中,研究區(qū)西部生態(tài)障礙點(diǎn)變化較小,生態(tài)障礙點(diǎn)變化較大的主要集中于中部地區(qū).從生態(tài)障礙點(diǎn)空間分布來(lái)看,西部山區(qū)生態(tài)障礙點(diǎn)多分布于生態(tài)廊道的中間或者生態(tài)源地邊緣位置.研究區(qū)中部生態(tài)障礙點(diǎn)沿生態(tài)廊道呈現(xiàn)帶狀分布,分布范圍廣泛.從縣域來(lái)看,文水縣、清徐縣、平遙縣、太谷縣、祁縣等縣域障礙點(diǎn)面積始終居于前列,主要原因是隨著生態(tài)源地的增加,導(dǎo)致物種遷移路徑增多,但此類(lèi)地區(qū)多以農(nóng)田和建設(shè)用地為主,導(dǎo)致受到的阻力較大,極易形成生態(tài)障礙點(diǎn).

3.5 生態(tài)重要區(qū)識(shí)別

基于中心性Mapper,計(jì)算了各生態(tài)源地的中心性(圖7).利用自然斷點(diǎn)法將生態(tài)源地中心性分為3個(gè)等級(jí),中心性等級(jí)越高,生態(tài)源地越重要.圖中顯示了研究期間中心性較高的生態(tài)源地分布狀況,中高中心性生態(tài)源地主要分布在呂梁的文水縣、交城縣、汾陽(yáng)市和太原市的古交市、陽(yáng)曲縣,主要是由于該地區(qū)生態(tài)源地面積較大.隨著生態(tài)源地破碎化,高中心性生態(tài)源地的面積減少.因此,保護(hù)上述地區(qū)生態(tài)源地對(duì)促進(jìn)整體景觀格局的穩(wěn)定具有重要意義.

為進(jìn)一步衡量生態(tài)廊道的相對(duì)阻力,本文采用CWD/LCP_Length的比值來(lái)反映生態(tài)廊道的相對(duì)阻力(圖7),比值越大,說(shuō)明生態(tài)廊道的相對(duì)阻力越大,連通性越差.利用自然斷點(diǎn)法將生態(tài)廊道的阻力值分為高、中、低三個(gè)等級(jí).高阻力生態(tài)廊道主要為東西向生態(tài)廊道.2020年,阻力值較高的生態(tài)廊道分布在研究區(qū)中部.該地區(qū)生態(tài)廊道的長(zhǎng)度較長(zhǎng),并跨越了建筑用地和農(nóng)田等阻力較大的地區(qū).中低阻力生態(tài)廊道主要分布在西部和東部,以西部地區(qū)為主.西部地區(qū)土地利用類(lèi)型為森林和草地,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較高,阻力價(jià)值較低.

圖7 生態(tài)源地重要性和生態(tài)廊道阻力值的空間格局

4 討論

目前生態(tài)廊道的識(shí)別多采用MCR模型[34]. MCR模型基于ArcGIS的成本路徑工具識(shí)別生態(tài)源地間最小耗費(fèi)距離作為生態(tài)廊道,卻忽略了生物的隨機(jī)游走特性,并且不能明確生態(tài)廊道的具體范圍和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)[56].電路理論基于電子在電路中隨機(jī)游走的特性,能夠更為準(zhǔn)確的模擬物種遷移的狀況,識(shí)別待保護(hù)的“節(jié)點(diǎn)”,待移除的“障礙點(diǎn)”等國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)的區(qū)域[57].彌補(bǔ)目前單點(diǎn)、單要素、單過(guò)程生態(tài)修復(fù)方式的不足,解決生態(tài)修復(fù)活動(dòng)的空間割裂問(wèn)題,為系統(tǒng)性和針對(duì)性國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)提供重要的決策參考[20].本研究采用電路理論對(duì)生態(tài)廊道、節(jié)點(diǎn)和障礙點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別,并提出了具體的修復(fù)方向和措施.

4.1 加強(qiáng)生態(tài)源地保護(hù)

在生態(tài)安全格局構(gòu)建的基礎(chǔ)上,本文比較了2000年、2010年、2020年三個(gè)時(shí)間點(diǎn)生態(tài)安全格局變化.結(jié)果表明,太原城市群生態(tài)源地分布不均,呈西部多,中東部少的空間格局.生態(tài)源地集中分布于交城市、汾陽(yáng)市、文水市、古交市以及陽(yáng)曲縣等地.生態(tài)源地作為區(qū)域內(nèi)景觀結(jié)構(gòu)和功能較為完整的斑塊,應(yīng)著力進(jìn)行保護(hù),并逐步提高生態(tài)源地質(zhì)量[43].重點(diǎn)保護(hù)整體性較好且中心度較高生態(tài)斑塊,此類(lèi)型斑塊對(duì)于維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,增強(qiáng)區(qū)域整體景觀連通性具有重要作用.

4.2 生態(tài)廊道修復(fù)措施

生態(tài)廊道是物種可以遷移的狹長(zhǎng)地帶.它們連接棲息地、防止物種隔離,維持最低數(shù)量的種群,并有助于生物多樣性保護(hù)[58].受生態(tài)源地?cái)?shù)增加的影響,研究期內(nèi)生態(tài)廊道數(shù)量增多,但廊道阻力值偏大,物種遷移路徑較長(zhǎng).對(duì)于西部相對(duì)密集的短距離生態(tài)廊道,其土地利用類(lèi)型主要是林草地,今后應(yīng)以生態(tài)維護(hù)為主,以保障區(qū)域景觀生態(tài)流的暢通.研究區(qū)中部為河谷平原,以阻力值較大的農(nóng)田和建設(shè)用地為主;且該區(qū)域是城市擴(kuò)張的主要區(qū)域,建設(shè)用地不斷侵占耕地,導(dǎo)致區(qū)域阻力值增大.因此,今后應(yīng)防止該地區(qū)建設(shè)用地過(guò)快增長(zhǎng)[43].在對(duì)自然生態(tài)廊道維護(hù)的基礎(chǔ)上,加強(qiáng)規(guī)劃廊道的建設(shè).綜合考慮總體規(guī)劃布局以及城市資本效用,積極進(jìn)行g(shù)reen corridors的建設(shè)、在建筑周邊和必要的生態(tài)區(qū)域種植植被,以加速物種的遷移和傳播[54].對(duì)生態(tài)空間已被占用,僅保護(hù)現(xiàn)有生態(tài)空間無(wú)法維持正常生態(tài)過(guò)程的生態(tài)廊道,應(yīng)進(jìn)行生態(tài)廊道的重建[59].

4.3 生態(tài)夾點(diǎn)及障礙點(diǎn)修復(fù)措施

生態(tài)夾點(diǎn)作為表征景觀連通性的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),其退化或者損失可能會(huì)切斷源地間的連通性,應(yīng)優(yōu)先保護(hù)[46].研究期內(nèi)生態(tài)夾點(diǎn)呈現(xiàn)不斷增加趨勢(shì),生態(tài)夾點(diǎn)的增加主要有兩方面原因:一方面,受退耕還林還草以及草地轉(zhuǎn)林地等影響,導(dǎo)致經(jīng)過(guò)該地區(qū)的物種遷移路徑增多,生態(tài)夾點(diǎn)面積增加.另一方面,由于部分縣域本身生態(tài)源地較多,隨著生態(tài)源地的增加,縣域內(nèi)生態(tài)廊道增加,網(wǎng)絡(luò)密度加大,此類(lèi)地區(qū)生態(tài)夾點(diǎn)的土地利用類(lèi)型以林草地為主.研究期內(nèi)生態(tài)障礙點(diǎn)面積不斷減少,主要原因是受城市擴(kuò)張的影響,導(dǎo)致物種原有遷移發(fā)生斷裂,新增長(zhǎng)的遷移路徑受城市擴(kuò)張等因素影響,導(dǎo)致物種遷移路徑變窄,障礙區(qū)面積隨之減少.由此可見(jiàn),改善區(qū)域景觀連通性,僅依靠增加生態(tài)源地而不對(duì)生態(tài)廊道加以維護(hù),會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)有廊道阻力值不斷加大,連通性不夠,最終無(wú)法實(shí)現(xiàn)生態(tài)流的良好流通[59].針對(duì)識(shí)別出的生態(tài)夾點(diǎn)和障礙點(diǎn),應(yīng)針對(duì)特定區(qū)域生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,應(yīng)用生態(tài)工程措施加以修復(fù),保障生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展.

4.4 持續(xù)推進(jìn)城市群內(nèi)生態(tài)補(bǔ)償

城市群作為最具活力和競(jìng)爭(zhēng)力的城市空間單元,依靠城市之間的職能分工和經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)以實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置,以最大化城市群的整體效益[60].由于自然資源稟賦、環(huán)境承載能力和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的差異[60-61],使得各城市功能定位的不同,具有經(jīng)濟(jì)發(fā)展比較優(yōu)勢(shì)的城市往往會(huì)過(guò)度消耗生態(tài)資源甚至破壞生態(tài)環(huán)境,產(chǎn)生負(fù)外部性,而這種負(fù)外部性需要具有生態(tài)比較優(yōu)勢(shì)的城市通過(guò)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)進(jìn)行緩解,這種行為將會(huì)導(dǎo)致該類(lèi)城市發(fā)展機(jī)會(huì)成本的增加[62].這種城市之間利益分配的不均若不通過(guò)政府的手段或者市場(chǎng)機(jī)制進(jìn)行調(diào)節(jié),將會(huì)導(dǎo)致城市群內(nèi)部環(huán)境不公平問(wèn)題,進(jìn)而引起城市間不公平的競(jìng)爭(zhēng)和合作.生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制可以在一定程度上改善區(qū)域發(fā)展的不平衡,因此應(yīng)秉承“誰(shuí)受益,誰(shuí)補(bǔ)償,誰(shuí)污染,誰(shuí)付費(fèi)”的原則,對(duì)城市之間的利益關(guān)系進(jìn)行調(diào)整[63].對(duì)于交城、文水、陽(yáng)曲等生態(tài)資源稟賦較高,能夠?yàn)橹苓叺貐^(qū)提供生態(tài)產(chǎn)品和服務(wù)的生態(tài)貢獻(xiàn)縣域,應(yīng)該從小店、尖草坪等生態(tài)受益縣域得到生態(tài)補(bǔ)償,并且應(yīng)持續(xù)推進(jìn)生態(tài)貢獻(xiàn)縣域的生態(tài)管理工作,從而保障生態(tài)服務(wù)服務(wù)供給的可持續(xù)性[64].積極探究補(bǔ)償?shù)亩鄻踊?將區(qū)域的生態(tài)補(bǔ)償與綠色發(fā)展相結(jié)合,優(yōu)先支持綠色產(chǎn)業(yè)和生態(tài)農(nóng)業(yè),促進(jìn)區(qū)域發(fā)展的良性循環(huán).

5 結(jié)論

5.1 研究區(qū)生態(tài)源地和廊道空間分布不均,呈西部多、中東部少的空間格局,西部生態(tài)源地分布相對(duì)密集,廊道數(shù)量較多,且以短距離廊道為主;西部與東部之間距離相對(duì)較長(zhǎng),生態(tài)廊道數(shù)量較少.

5.2 源地的增加導(dǎo)致了生態(tài)廊道數(shù)量的增加,但受景觀界面阻力值增大的影響,導(dǎo)致生態(tài)遷移路徑變窄,夾點(diǎn)面積增加.

5.3 本研究基于對(duì)研究區(qū)生態(tài)安全格局的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),提出了針對(duì)性的修復(fù)措施,可為區(qū)域景觀規(guī)劃與管理提供參考.

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Analysis on the spatio-temporal evolution of ecological security patterns: A case study over Taiyuan Urban Agglomeration.

QIQiang-qiang, XU Zhan-jun*

(College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China)., 2023,43(11)：5987～5997

Taking the Taiyuan urban agglomeration as an instance, Morphological Spatial Pattern Analysis (MSPA) was applied to explore the changes in ecological source areas in the years of 2000, 2010, and 2020, and circuit theory was adopted to identify ecological corridors, ecological pinch points, and ecological barrier points, so as to construct a regional ecological security pattern, clarify the evolution trend of ecological security pattern, recognize the key areas for ecological restoration, and formulate targeted restoration measures. The research showed that the ecological source area of the study area increased from 3083.38km2in 2000 to 3144.17km2in 2020 with time, which faced the challenge of uneven spatial distribution, showing a spatial structure of sufficiency in the west and inadequacy in the central and eastern regions. Influenced by the increased ecological source areas, the number of ecological corridors in the region increased from 69 in 2000 to 90 in 2020, enhancing landscape connectivity, of which, the western ecological corridors showed the features of large quantities and short distances, while the eastern and western ecological corridors were of long lengths and high resistance. During the research period, the overall area of ecological pinch points showed an increasing trend, with an increased area of 47.64km2in 2000 to 97.98km2in 2010 and a decreased area of 83.77km2; the area of barrier points showed a decreasing trend, with a decreased area of 451.78km2in 2000 to 395.95km2in 2020. Those areas should be deemed as a crucial area for ecological protection and restoration. This study was of great significance, providing guidance for regional ecological restoration and landscape planning.

morphological spatial pattern analysis model；circuit theory；ecological security patterns；ecological restoration

X87

A

1000-6923(2023)11-5987-11

祁強(qiáng)強(qiáng)(1996-),女,甘肅平?jīng)鋈?山西農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要從事土地資源管理及低碳管理方面研究.q15095538261@126.com.

祁強(qiáng)強(qiáng),徐占軍.生態(tài)安全格局時(shí)空演變分析——以太原城市群為例 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2023,43(11):5987-5997.

QIQiang-qiang, XU Zhan-jun. Analysis on the spatio-temporal evolution of ecological security patterns: A case study over Taiyuan Urban Agglomeration [J]. China Environmental Science, 2023,43(11):5987-5997.

2023-03-03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51304130);山西省人民政府重大決策咨詢課題(ZB20211703);山西省高等學(xué)校哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究項(xiàng)目(201803010);山西省軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2018041060-2);山西省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃課題(2020YJ052);山西省基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(20210302123403)

* 責(zé)任作者, 教授, zjxu163@126.com