基于MCR和重力模型的縣域生態網絡構建

弓灝潔,常金生,杜雨陽

(1. 陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710001; 2. 北京洛斯達科技發展有限公司,北京 100089; 3.西安市勘察測繪院,陜西 西安 710001)

當前,中國城鎮化進程加快、人與環境之間矛盾加劇,迫切需要構建生態空間調控網絡,以化解社會發展與生態環境保護之間的矛盾,提升社會發展水平[1]。

近年來,不少學者針對土地利用優化、生態空間調整、景觀生態學[2]、可持續發展[3]等問題,對生態破壞嚴重區域[4]、島嶼、自然災害高發區[5]、洪澇災害區[6]等進行了生態空間調控網絡的探索,逐步形成了“識別源地—構建阻力面—提取廊道—布設節點”這一生態網絡框架[7]。其中,識別源地、構建阻力面、提取廊道是形成生態空間調控網絡的基礎。識別源地的方法有以下幾種:一是直接識別法,該方法基于源地理論,結合研究區的特征設定斑塊大小閾值[8],直接選取生態源地[9],也有學者將多年未變化的土地利用類型直接定義為生態源地[10];二是綜合指標評估法,通過選取維持生態穩定的各類影響因子,構建生態源地評價指標體系[11];三是空間格局分析法,利用景觀連通性指標評價生態源地斑塊[12];四是生態系統服務與敏感性集成法,通過融合生態敏感性因子、生態系統服務功能重要性因子識別生態功能區,選取生態功能極重要和生態極敏感區域作為生態源地,并將其劃定為自然環境重要修護區[13]。構建阻力面的方法包括單一賦值法和多要素綜合賦值法,后者構建的阻力面相對于前者更能直觀反映空間異質性,焦點物種的引入證實了后者的可靠性[14]。生態廊道是維持生態系統流動性、保護生態空間完整性的理論基礎[15]。廊道提取常采用最小累計阻力模型[16]、電路理論[17]、蟻群模型[18]及重力模型[19]。其中,重力模型是通過分析生態源地之間的相互作用強度,利用具體的數值反映廊道的重要性,補充了其他方法難以直觀反映生態廊道相對重要性的短板,為生態廊道的選取提供了科學依據。生態節點是保持生態廊道系統連通性的關鍵部分,當前研究對于生態節點的選取偏向于理論化[19],無法將導致景觀破碎和廊道斷裂的因素全部考慮在內。

甘肅省白銀市景泰縣生態系統脆弱,為堅守生態底線,提升生態空間穩定性,本文主要采用生態系統服務價值評估模型和生態環境敏感性評估模型識別生態源地,運用MCR模型和重力模型構建阻力面,提取生態廊道和生態節點,建立以“源地—廊道—節點”為框架的生態空間調控網絡,并針對不同用地類型提出相應修復建議,以期為景泰縣生態系統調節與修復提供參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

景泰縣隸屬甘肅省白銀市,位于甘肅省腹地北陲,地處黃土高原與騰格里沙漠過渡地帶,為河西走廊東端門戶。縣域總面積約為5486 km2,境內山巒丘陵居多,約占全縣面積的3/4,整體地勢西南高、東北低,海拔范圍為1216～3265 m。景泰縣是甘肅省中部干旱縣之一,屬溫帶干旱型大陸性氣候,年均氣溫為8.2℃,年均風速為3.5 m/s,年均降水量為185 mm。黃河是景泰縣唯一過境水系,經蘭州市、白銀市、靖遠縣從尾泉流入景泰。

1.2 數據來源

本文所用數據主要包括景泰縣30 m分辨率的DEM、景泰縣2018年全國第三次土地調查數據、甘肅省行政區劃數據、甘肅省氣象數據集、景泰縣重要路網數據、全國土壤數據集、甘肅省NPP數據集、景泰縣遙感數據集。其中,景泰縣DEM來源于地理空間數據云;甘肅省行政區劃數據來源于資源環境科學與數據中心;景泰縣氣象數據集來源于中國氣象數據網上的中國地面氣象站逐日觀測數據集;景泰縣重要路網數據來源于OpenStreetMap平臺;土壤數據集選取HarmonizedWorldSoilDatabasev1.2;MODIS遙感數據產品MOD17A3HGF數據來源于美國NASA數據服務中心。

2 研究方法

生態空間調控網絡的構建主要包括生態環境本底評估和生態網絡構建兩個階段。本文參考文獻[20],基于生態系統服務功能重要性和生態環境敏感性進行生態本底評估;依據評估結果,選取極敏感區和極重要區作為生態源地的識別依據;選取產生阻力的主要影響因子并賦予阻力值,利用主成分分析法求得各阻力因子權重;使用最小累計阻力模型(MCR)構建阻力面;基于成本距離提取廊道系統;通過重力模型提取重要生態廊道。

2.1 生態系統服務功能重要性評估

生態系統服務功能重要性評估用于明確區域各類生態系統的服務功能及其對區域可持續發展的作用與重要性。依據其重要性對每一項生態服務功能劃分出不同級別,首先明確其空間分布,然后在區域內進行分區顯示,主要功能包括水源涵養、水土保持、防風固沙、生物多樣性。評估方法見表1。

表1 復合維度下的生態源地識別指標系統構建

各生態系統服務功能均按照柵格值小于50%、50%～80%、80%～100%的像元劃定為極重要、重要、一般重要的等級,形成各服務功能重要性等級評估結果。

2.2 生態環境敏感性評估

生態環境敏感性評估體現了生態空間對各類自然因素的敏感程度,通過分析不同地理因子判別不同程度敏感性區域,從而判定不同區域的保護等級,為生態分區提供依據,主要敏感性因子包括水土流失、土地沙化、石漠化。評估方法見表1。

分別將各個生態敏感性評估結果分為3級,即一般敏感、敏感、極敏感,通過模糊疊加得到生態環境敏感性評估分級結果。

2.3 重力模型

重力模型是通過量化不同生態斑塊之間的相互作用強度,甄別生態廊道的相對重要性,以提取重要生態廊道。重力模型公式為

(1)

式中,Gab表示斑塊a與斑塊b的相互作用強度;Na和Nb分別表示兩個斑塊的權重值大小;Dab表示斑塊a和斑塊b之間潛在生態阻力標準化值;Lmax表示區域廊道系統內最大生態阻力值;Sa和Sb分別表示斑塊a和斑塊b的面積;Lab表示斑塊a到斑塊b之間的累計生態阻力值;Pa和Pb分別表示斑塊a和斑塊b的阻力值。

2.4 最小累計阻力模型

最小累計阻力模型(MCR)用于表示生物遷移過程中,從某一斑塊經過不同阻力單元到達另一斑塊所受到的阻力值。本文參考文獻[21],結合研究區特點,并考慮數據的可獲取性,采用土地利用類型、DEM、坡度、植被覆蓋度、與道路距離、與水體距離作為構建MCR模型的指標因子,評估物種從源地到達目的地過程中所受的阻力。通過綜合相關研究[22],將各阻力因子分為5級(1、3、5、7、9),通過主成分分析法確定各阻力因子指標權重,使用ENVI軟件得到各因子合理的權重值(見表2)。阻力系數的大小決定了物種遷移時的困難程度,公式為

表2 綜合阻力面、阻力系數及權重

(2)

式中,f為最小累計阻力與生態過程的正相關函數;Dij為物種從源地j到目的地i的空間距離;Ri為景觀單元i對物種移動的阻力值;n、m為生態源地與景觀類型的數量。最小累計阻力面是生態系統物種流動的潛在趨勢及可能性的直觀反映。

3 結果分析

3.1 生態系統服務功能重要性評估

將水源涵養、水土保持、防風固沙、生物多樣性劃分為極重要、重要、一般重要3個等級,疊加得到生態系統服務功能重要性評估結果,如圖1所示。可以看出,生態極重要區面積為150.78 km2,占全縣面積的2.78%,以正路鄉、紅水鎮、五佛鄉分布最密集,地類現狀以有林地為主,多表現為水源涵養林,生境質量高;生態重要區面積為1 255.83 km2,占全縣面積的23.15%,地類現狀以其他草地為主,景觀破碎化明顯,需加強系統性保護;生態一般重要區面積為4 017.75 km2,占比最多,為74.07%,地類現狀主要為高覆蓋度草地和建設用地及其周邊耕地,該區域的特點是人類活動頻繁,對生態價值需求較高。

圖1 生態系統服務功能重要性評估結果

3.2 生態環境敏感性評估

將水土流失敏感性、土地沙化敏感性、石漠化敏感性分為極敏感、敏感、一般敏感,疊加得到生態環境敏感性評估結果,如圖2所示。可以看出,生態極敏感區面積為1 015.14 km2,占全縣面積的18.76%,草窩灘鎮占比最大,喜泉鎮和中泉鄉次之,該區域土地沙化和石漠化問題嚴重,需采取相應措施進行整治;生態敏感區面積為4 118.74 km2,均勻分布在各個鄉鎮,占全縣面積的76.13%;生態一般重要區面積為276.54 km2,占比為5.11%,地類現狀主要為建設用地及其周邊耕地。綜上所述,景泰縣整體敏感性偏高,石漠化極敏感區分布于城鎮周邊,草窩灘鎮由于裸地分布較多導致土地沙化現象嚴重,需采取有力措施減少裸地數量。

圖2 生態環境敏感性評估結果

3.3 生態源地識別

根據生態服務功能重要性評估結果中的極重要區和生態環境敏感性評估結果的極敏感區疊加景泰縣自然保護區、林地公園、地質公園、風景名勝區文化遺產區,得到初步生態源地共計1218處。剔除10 km2以下零星源地,得到集中連片且面積較大源地21處,總面積約為1 077.3 km2,占全縣面積的19.91%。源地土地利用類型以林地和草地為主,面積為608.94 km2,占源地面積的56.52%,這些地類生境質量較高,具備物種棲息地的條件。總體而言,生態源地呈四周集聚成片、中部分散稀疏的格局。其中,草窩灘鎮面積分布最廣,占比21.35%,其次為中泉鄉、喜泉鎮、正路鄉,占比分別為16.57%、11.57%、9.64%,其余縣區源地分布較為零散。

3.4 阻力面構建

根據表2計算阻力因子與權重值形成綜合阻力面,如圖3所示。整體而言,景泰縣生態阻力面空間差異明顯,與土地覆蓋類型阻力面較為相似,高阻力區域多集中于未加以利用的裸地且距水源較遠,以草窩灘鎮和五佛鄉分布最多,其次為中泉鄉和喜泉鎮,其余高阻力地區分布細碎零散;中高阻力區域地類現狀主要表現為城鎮用地、農村居民點及農用地,主要分布于各鄉鎮居名點周邊,該區域人類活動頻繁,距離交通主干道較近,植被覆蓋度偏低且地勢相對平緩;低阻力區域地類現狀大多為林地和草地,主要分布于上沙沃鎮、寺灘鄉及盧陽鎮等林草面積占較高的地區,該區域植被覆蓋度偏高,距水源較近。

圖3 景泰縣綜合生態阻力面

3.5 生態廊道提取

以1200 m作為生態廊道寬度[23],生成景泰縣廊道網絡系統。引用重力模型計算源地之間的作用力,甄別廊道網絡系統中極重要廊道,剔除冗余廊道。生態源地間的相互作用矩陣見表3。

表3 重力模型相互作用矩陣

由表3可知,生態源地之間作用力越大,表明源地之間的廊道重要性越高,本文以300 m為界,剔除冗余廊道。理論上,生態廊道在區域內建立的數量與生物流動性成正比,廊道數量越多,表明生態空間可調控能力越強。根據相互作用矩陣,最終提取41條生態廊道,廊道長度為6.47～178.43 km,共計1 310.6 km。按生態源地間的相互作用強度,可將生態廊道分為關鍵生態廊道、重要生態廊道、一般生態廊道3個等級。從數量特征而言,關鍵廊道有23條,長度共計631.48 km,廊道中心連通性突出;重要廊道有10條,長度共計435.47 km;一般廊道有8條,長度共計243.68 km。

3.6 判別生態節點

生態節點是生態廊道系統的重要補充部分,用于提高生態系統的景觀連通性,一般分布在生態廊道極脆弱區域,起鞏固廊道系統的作用。基于此,景泰縣生態節點的布設位置為:①廊道系統交錯重疊區域;②由于生態廊道距離過長可能導致生態網絡斷裂的區域;③建設用地占用生態廊道區域;④生態廊道途經大型河流湖泊等地;⑤生態廊道與生物多樣性極重要部分重疊區域;⑥生態廊道被景泰縣交通要道貫穿部分;⑦生態廊道所經生物多樣性功能極重要區域。以上節點布設條件和環境特征各不相同,所產生的生態作用也存在一定差異。將①—③類生態節點劃定為重要生態節點,④—⑦類生態節點劃定為一般生態節點。由此可得重要生態節點10處,一般生態節點33處。景泰縣生態空間調控網絡如圖4所示。

圖4 景泰縣生態空間調控網絡

3.7 關鍵區域生態修復策略

生態源地、生態廊道、生態節點作為保障生態空間穩定性的關鍵部分,應當劃定為重點保護區域。按照區域生態空間調控網絡保障原則,本文明確提出保護生態源地、建設生態廊道、修復生態節點的關鍵區域恢復策略,根據區域本底評估對生態斑塊、廊道、節點提供以下整治和恢復建議。

(1)加強生態源地環境保護。生態源地是區域生態空間調控網絡中最重要的部分,是動物生存和繁衍的主要地點,保護生態源地環境極為重要。針對生態源地與農用地交叉部分,采取退耕還林還草措施;針對土地沙化、水土流失性源地,采取生態修復類措施,保證生態源地功能完整性;重大森林生態源地應加大該地區現存動植物資源的保護力度,維持生物多樣性,使各類生物有相對適宜的生存環境;做好水污染防治措施,開展水資源保護等項目,盡可能減少人類活動對生態源地造成的影響。

(2)重點建設生態廊道工程。對未被人類活動影響的生態廊道采取必要保護措施以維持現狀,對建設用地占用的生態廊道采用生態恢復手段進行人工恢復,以保證廊道系統的完整性,并根據區域生態現狀制定適當距離的廊道保護帶,降低保護帶內人類活動的頻率;制定“廊道管理”保護制度,明晰保護具體內容。加強廊道工程建設可以增加源地之間的生物遷移和物質能量流動,進一步改善生態質量和生態環境。

(3)完善生態節點修護任務。生態節點是生態廊道系統的重要補充部分,可以提高生態系統的景觀連通性,加強其建設能夠保證生態廊道的穩定性。一方面應該建立保護機制,將生態節點作為永久點重點保護,不得改變節點在生態網絡中所發揮的作用;另一方面應降低人類活動對生態節點所產生的影響,針對其他用地占用或自然因素損毀的生態節點進行重新修復。

4 結 論

本文基于生態服務功能重要性評估模型和生態環境敏感性評估模型、MCR模型、重力模型構建了一套完整的“源地—阻力面—廊道—節點”生態空間調控網絡識別方法。選擇縣域范圍構建生態空間調控網絡,并結合各類生態環境對源地、廊道、節點等網絡要素,提出對應生態修復策略。得出結論如下。

(1)由生態功能重要性評估結果可知,景泰縣極重要區和重要區占縣域面積的21%,主要分布在正路鄉西南部和中泉鄉東南部。

(2)由生態敏感性評估結果可知,景泰縣極敏感區和敏感區占總面積的78%,表明景泰縣生態敏感性整體偏高,高敏感區主要分布在東北部和東南部,在西北部和西南部零星分布。

(3)通過生態環境敏感性評估和生態系統服務功能重要性評估,共識別21處生態源地,主要分布于縣域四周,為大面積林地和草地;綜合阻力面阻力值較大區域分布于草窩灘鎮和喜泉鎮,需重點保護與修復;通過運用MCR模型和重力模型,共提取23條關鍵生態廊道、10條重要生態廊道、8條一般生態廊道,以及10處重要生態節點、33處一般生態節點,其中耕地、草地、水體是生態廊道重要組成部分,表明生態廊道穩定性有待提升。

(4)結合土地利用現狀并依據識別出的生態空間調控網絡,合理制定生態修復策略,并針對關鍵區域提出修護建議。