基于GIS的北部湾经济区生态安全格局构建与评价

张丽芳, 冉丹阳, 张鑫, 李伟健, 杨存建,*, 倪静

基于GIS的北部湾经济区生态安全格局构建与评价

张丽芳1,2, 冉丹阳1,2, 张鑫1,2, 李伟健1,2, 杨存建1,2,*, 倪静1,2

1. 四川师范大学地理与资源科学学院, 成都 610068 2. 西南土地资源评价与监测教育部重点实验室, 成都 610068

北部湾经济区喀斯特地貌广布, 生态环境脆弱, 构建生态安全格局有利于保护生态环境, 促进人与自然和谐发展。基于生态安全格局理论, 借助ArcGIS 10.1、InVEST 2.2、Fragstats 4.2等软件操作平台创建指标识别生态源地, 通过对比自然保护区边界数据验证生态源地识别精度; 采用土地利用类型、植被覆盖度、到居民点距离、到主干道距离等因子构建最小累积阻力面, 在此基础上划分北部湾生态用地的安全格局。结果表明: 北部湾经济区的生态安全源地共计3415.04 km2, 自然保护区验证源地拟合度达82.35%, 识别出生态保护核心区面34390.76 km2、缓冲区11719.13 km2、过渡区15731.95 km2、限制区9882.32 km2, 针对不同生态功能区提出相应的用地建议。研究可对北部湾经济区不同生态安全级别区域的城镇化建设和生态环境保护提供可靠的依据。

GIS; In VEST模型; 最小累积阻力模型; 生态安全格局; 北部湾经济区

0 前言

随着城市化与工业化的快速发展, 人类活动肆意的破坏与干扰自然生态系统, 导致了人地矛盾激化、生态安全问题出现, 如水土流失、土壤侵蚀、生态系统恶化、土地沙化与土壤污染等。如何解决现有的生态安全问题成为21世纪区域生态安全与可持续发展的新挑战[1-2]。生态安全格局(Ecological Security Patterns, ESP)是支撑城市自然生命系统、维系区域生态安全、实现健康可持续发展的有效途径[3]。

近十年来生态安全研究备受我国学者的高度关注,我国学者俞孔坚在Forman的理论基础上提出了景观安全格局概念, 创建识别源地、建立阻力面、构建安全格局的模式[4-5]。该模式被国内外学者广泛应用于区域案例的生态安全评价构建, 并且取得了较好的效果, 极大的推动了此方法的科学化、成熟化、应用化[6-8]。目前, 针对生态源地识别的方法多样, 多为根据斑块选取某一生态服务功能较好、或者直接提取目标斑块, 但针对识别出来的源地进行精度验证方法较少。除实地采样调查外, 利用已有的生态用地范围验证的研究较为少见。

广西省北部湾经济区位于中国的沿海西南端, 是我国与东盟国家交流的关键通道。2008年国家批准实施《广西北部湾经济区发展规划》, 把北部湾经济区建设成为重要国际区域经济合作区, 这是全国第一个国际区域经济合作区。北部湾经济区拥有广西省全部的海岸带, 自然保护区繁多、生态系统类型多样、动植物资源丰富但面临着城市扩张加快、地质灾害、石漠化、水土流失等一系列生态安全问题。因此, 本研究以北部湾经济区为例, 改善源地识别方法, 围绕生境质量、生态系统服务价值、生态脆弱度、斑块面积综合评价生态重要性来优化识别生态源地; 基于土地利用类型、植被覆盖度、居民点与主干道的距离阻力来构建生态阻力面; 运用自然保护区范围对识别的生态源地进行验证, 并利用最小累积阻力模型来识别生态廊道, 从而构建精确、科学的生态安全格局, 利用构建的生态安全格局提出相应的用地策略与方法, 以期为北部湾经济区合理保护生态用地、维护自然保护区安全、维系生物多样性、优化建设用地、建设新型城镇化提供决策建议。

1 研究区概况

广西壮族自治区北部湾经济区位于北纬 20° 26′—24°02′, 东经 106°33′—110°53′, 地处我国沿海西南端, 南部濒临北部湾, 拥有广西全部的海岸线, 由南宁、北海、钦州、防城港、玉林和崇左6个市所辖行政区域组成, 土地面积7.22×104km2, 占广西总面积的31%。地形以山地丘陵为主, 海拔-47 m—1738 m。年均降水量1554 mm, 年均温22℃, 属典型的亚热带季风气候, 温和多雨、光照充足、生态系统多样、生物资源丰富。区域水文资源丰富, 主要有邕江、南流江、钦江等河流。经济区设立十年来, 实施优先发展战略, 综合实力显著增强, 经济增速领跑广西。2016年2016年末人口数达2070.31万人,人均GDP 42549元, 生产总值较2006年的1418.19亿元翻了4倍, 生产总值年均增长约16%[9]。

2 数据与方法

2.1 数据来源与处理

北部湾经济区土地利用现状数据采用2015年的Landsat 8 OLI(空间分辨率15 m)遥感影像数据进行预处理后解译获得, 基础遥感影像与全球数字高程数据(DEM)下载于地理空间数据云网站(http://www. gscloud.cn/), 数据经过拼接、裁剪得到北部湾经济区30 m分辨率的DEM数据。运用ArcGIS软件对DEM数据进行表面分析, 计算出坡度并进行重分类处理; 北部湾经济区行政边界、自然保护区边界等数据来源于广西省自然保护区遥感监测项目; 气象数据、土壤类型数据、土壤侵蚀数据、地貌类型数据均来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www. resdc.cn)。

2.2 研究方法

根据最小阻力模型使用Arc GIS 10.1、Fragstats 4.2、InVEST 2.2软件首先对北部湾经济区进行优质生态源地的识别, 利用自然保护区边界对识别后的源地进行验证, 并在基于生态源地的基础上建立生态源地的综合阻力面, 确定最小累积阻力面、识别生态廊道与构建生态安全格局, 最终确立北部湾经济区安全格局。研究方法的优化在于源地识别不仅利用了斑块面积、生态系统服务价值、生态脆弱性指标, 还借助了InVEST模型得出的生境质量作为识别源地的一项关键性指标。

2.2.1 生态源地识别

源地作为区域生态功能最佳、能量与物质流通性好、水源涵养功能强的地带, 通常包括、林地、草地以及水源和自然保护区等。因此, 本文选取耕地、林地、草地、水域四大类作为源地。为在前人识别源地的基础上获得质量更佳的源地, 综合考虑了斑块属性与外界环境的影响对源地进行识别。

斑块面积的大小直接影响其斑块的生态价值, 大斑块是物种与能量散布的种源与核心, 对维持斑块内部的种群生境有着重要的作用; 生态系统服务价值与人类发展息息相关, 指的是人类能够从生态系统中获取的价值与利益, 为人类提供服务; 生境是指存在于一个区域的资源与条件, 为有机体提供栖息、繁殖、生存条件, 生境质量的好坏取决于人类土地利用强度; 生态脆弱性是生态系统在一定区域、时间内相对于外界环境刺激做出的敏感反应和自我恢复能力。因此, 采用斑块面积、生态系统服务价值2项指标反映斑块自身属性的指标, 选取生境质量、生态脆弱性作为外界环境影响的指标, 采用AHP专家打分法确定权重, 利用加权模型, 参考相关科研成果[27-28], 进行构建源地质量评价指标体系(表1)。

(1)斑块面积。斑块面积借助Fragstats 4.2软件进行, 并运用GIS软件将计算结果转换为栅格格式。

(2)生态系统服务价值。生态服务价值的取值借鉴谢高地等人测算的生态服务价值当量表来实现[10]。最终得到各生态用地类型生态服务价值, 其中耕地为1.05, 林地4.51, 草地1.87和水体3.43。

(3)生境质量。生境指环境可以维持生物多样性、提供动植物适宜性栖息地的空间, 一般指生态服务价值高的生态用地[11-12]。生境质量利用InVEST 2.2软件下的Biodiversity 模型, 基于土地利用与威胁因子的栅格数据计算对各生境的影响程度, 得到生境质量指数。InVEST(Integrated Valuation of Ecosy­stem Services and Trade-offs)模型自美国斯坦福大学、大自然保护协会(TNC)与世界自然基金会(WWF)联合开发以来, 被广泛应用于生态系统服务功能的评价中[13-15], 王雅、蒙吉军[15]等人对InVEST模型的评估、权衡、决策等方面进行了评述, 研究认为InVEST模型具有科学性、直观性等特点。研究根据前人研究经验与研究区的地理特征对威胁因子和威胁因子敏感度进行赋值[16-17,12](表2、表3、表4)。

表1 北部湾经济区源地质量识别评价指标与权重

(4)生态脆弱性测算。生态脆弱度的测算参考《全国生态功能区划(修编版)》与相关文献获取[18-21]。利用地形、年降水量、土壤类型、植被覆盖度进行加权赋值得出(见表5)。

表2 北部湾经济区生境威胁因子影响程度与最大影响距离

表3 北部湾经济区生境质量对各威胁因子的敏感度

表4 北部湾经济区各保护区威胁可达度

(5)综合评价与源地识别。在权重确定和指标无量纲化的基础上, 按加权模型来运算, 结果为五个级别, 级别数值越小, 斑块质量越好。叠加斑块质量综合评价结果, 选取综合斑块质量最优的1级斑块作为源地。

2.2.2 阻力面建立

(1)综合阻力面建立

研究选取土地利用类型、植被覆盖度、到居民点的距离、到主干道的距离4项阻力因子构建综合阻力面。在参照前人相关研究的基础上, 结合专家经验将各阻力因子的相对阻力值划分为6个等级,并赋予阻力系数。其中, 坡度越大、植被覆盖度越密、距离人类活动扰动区越远、阻力值越小, 生态安全级别越高, 反之, 生态安全级别越低, 阻力值越大。各个因子的相对阻力值系数与权重通过专家打分并结合实际情况获得(见表6)。最后, 对各阻力因子进行加权叠加得到综合阻力面。

(2)最小累积阻力面建立

生态源地间生物水平方向的空间运动与生态竞争演变过程, 主要是克服人类活动与自然环境的各个阻力实现的, 阻力面反映了生态用地克服阻力的空间连通性[22]。研究利用地理学中的表面模型——最小累积阻力(MCR)模型建立最小累积阻力面, 它反映了从源地出发到达空间的某一个点所克服的最小阻力、成本耗费最小的距离[23]。其公式如下:

表5 北部湾经济区生态脆弱性指标体系

式中,反映空间中任意一点的最小阻力到左右源的距离和景观特征的正相关关系[23]。D表示从空间中的某一景观到源地的实地距离,R表示景观的阻力值。最小累积阻力模型是根据Knaapen等人提出的模型和GIS中的成本距离发展得来的[24-26]。得到的阻力值越小, 意味着生态价值与生态位越高, 生物多样性越丰富, 需要加强保护, 减少人类干扰活动。最后将得到的生态安全评价结果与保护区边界进行叠加验证精度, 并分析各个生态安全级别中的土地利用类型的比例, 从而针对研究结果, 得到生态安全用地的情况。

2.2.3 生态廊道构建

在生态景观格局中, 生态廊道为各个生态源地之间联系所耗费成本最低的路径, 是物种与能量流通的一个载体, 能够为生态空间流通提供更佳的线性路径, 借助ArcGIS中的距离分析工具, 基于生态源地、综合阻力面与最小累积阻力面, 构建成本耗费最低、生态功能最佳的生态廊道。

3 结果与分析

3.1 源地识别结果与验证

根据2.2.1创建的识别源地各个指标体系, 得到斑块综合评价结果、源地识别结果(图1)。统计得出, 北部湾经济区的源地面积为3415.04 km2, 占研究区总面积的4.73 %。

将提取的北部湾经济区自然保护区边界与生态源地结果进行相交分析, 根据图1可以看出, 区域内的自然保护区基本在生态源地范围内。主要包括弄岗自然保护区、十万大山保护区、王岗山自然保护区、青龙山自然保护区等; 根据统计分析, 27个保护区与源地的生态面积拟合度达82.35%, 其中国家级保护区与源地面积拟合度为77.50%,省保护区与生态源地面积拟合度72.29%; 在保护区拟合类型方面, 主要有红树林生态系统保护区、北热带石灰岩山地季雨林及叉叶苏铁、黑叶猴等珍稀动植物保护区、儒艮及海洋生态系统保护区等。自然保护区与生态源地拟合度较高，说明生态源地识别结果较精准、可靠。

表6 北部湾经济区各阻力面体系、权重及阻力系数

图1 北部湾经济区自然保护区与源地识别情况

Figure 1 Distribution and source identification of nature reserves in Beibu Gulf Economic Zone

3.2 阻力面建立结果

依据2.2.2所建立的各阻力因子权重与指标体系, 运用空间分析工具对不同要素的阻力值进行加权叠加分析, 最终得到北部湾经济区最小累积阻力分布图(图2)。从图中可以看出, 距离源地越远, 阻力值越大, 反之越小。

图2 a土地利用类型阻力面、b植被覆盖度阻力面、c到居民点距离阻力面、d到主干道距离阻力面、e综合阻力面和f最小累积阻力面

Figure 2 a.resistance surfaces of land use types , b.vegetation coverage resistance surface , c.residential distance resistance surface , d.main road distance resistance surface , e.synthesis resistance surface and f. MCR surface

3.3 生态廊道识别与生态安全格局构建

生态廊道能够提供源地之间的损失最小的生态通道, 由图3可见, 从一个源地到另一个相邻源地之间。至少有一条生态廊道与之相联系, 为能量与物质的流通提供关键通道。生态廊道虽然通常来讲是对生态源地的一个保护通道, 但是实际操作中, 应该是达到一定的宽度, 才能发挥其生态效应, 否则, 会带来外界物种入侵、影响生态源地的负面影响。利用ArcGIS 10.1距离分析工具, 得出源地间的生态廊道, 并根据不同阻力等级的发展阈值, 分析将研究区的景观生态阻力面分析图进行重分类, 划分出四个不同安全水平的景观生态区生态保护核心区、缓冲区、过渡区、限制区(如图3), 并统计出不同功能区域土地利用类型的面积。

(1)生态保护核心区。面积为34390.76 km2, 占研究区总面积的47.68%。该区主要是林地和耕地, 其中林地占70.73%, 耕地占19.76% , 未利用地林地和耕地的比例较缓冲区林地和耕地比例都有所增大。该区域生态系统的核心地带, 对北部湾的水土调节、生物多样性保护、涵养气候等起重要作用。同时, 经源地拟合度验证, 该区域自然保护区较多、应该首先列为重点保护区域, 应当禁止开发。

(2)生态保护缓冲区。面积为11719.13 km2, 占研究区总面积的16.25%。其中林地占49.35%, 耕地占比有所下降, 占生态保护缓冲区的36.75%。该区域是生态源地恢复、扩展的缓冲地带, 又是核心区域天然生态屏障区域, 对维护源地的生态稳定性、保证物种质量具有重要作用。该区应适当合理开发、构建生态屏障、保障物种与能量流通的安全性。

图3 北部湾经济区生态安全保护格局

Figure 3 Ecological security protection pattern of Beibu Gulf Economic Zone

(3)生态保护过渡区。面积为15731.95 km2, 占研究区总面积的21.81%。该区域为生态缓冲区和高强度人类活动限制区的过渡地带, 对人类的开发和干扰敏感度相对较低, 具有一定的抗干扰能力。该区域划分为适度开发区域, 在不影响源地景观稳定性的情况下, 适度开发土地资源, 优化土地资源配置。

(4)生态保护限制区。面积为9882.32 km2, 占研究区总面积的13.70%。其中建设用地占比较大, 占8.37%, 该区是人类活动较强的的地区, 对于生态源地的阻力较大, 对于人类干扰度和城市化建设的敏感性低, 不适合作为物种的栖息地, 适合优先开发区域。但在土地利用与城镇建设时, 应该合理布局, 营造人类宜居环境。

(5)根据图3可知, 生态廊道为沟通了生态保护核心区之间的重要通道, 促进了生物多样性和物种迁移。生态廊道也是保护生态源地功能的天然屏障, 应重视生态廊道的功能建设。同时, 天然的河流也是生态源地的廊道, 但是要注意河流的安全性与周边景观的保护, 为物种提供更多的生态廊道, 维持生物多样性的安全。

4 结论与讨论

北部湾经济区作为我国重要的一个对外开放的濒海区域, 地理位置十分重要。城市扩张的加快导致了人地矛盾问题的日益突出, 水体流失、土壤侵蚀、动植物濒临灭绝等一系列的生态问题也随之出现。因此，解决北部湾经济区日趋紧张的人地矛盾、创建新型城镇化、绿色可持续发展问题至关重要。研究利用最小累积阻力面模型, 基于景观安全格局理论与InVEST模型构建评价体系, 对北部湾经济区的生态用地安全进行科学的分析与评价。主要结论: 1)识别源地总面积为3415.05 km2, 占研究区总面积的4.73%, 识别源地精度较高, 利用保护区生态用地验证源地拟合度达82.35%。2)研究得出北部湾经济区生态安全核心区占研究区的47.68%, 缓冲区占16.25%, 过渡区占21.81%, 限制区占13.70%。3)生态源地的新识别与自然保护区验证方法可为后续深入研究生态安全格局构建与识别上提供参考方法, 对北部湾经济区不同生态安全级别的区域的城镇化建设、生态环境保护提供切实可行的定量化的指导。

本研究在生态源地识别上主要利用了斑块质量、生态系统服务价值、生境质量、生态脆弱性等指标,没有考虑气象、地质与经济情况, 需要进一步考虑生态承载力、地质气象灾害等指标。同时，在指标创建的过程中, 阻力系数与生态系统服务价值指标的确定主要是利用专家打分法、参考前人的研究经验[27-29]。这种方法虽然在某种程度上可以得到较为科学、准确的结果, 但主观性较强。因此, 后面的研究中还学要综合考虑更加科学的赋值模型与数学方法来完善指标的创建。

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Construction and evaluation of ecological security pattern in Beibu Gulf Economic Zone based on GIS

ZHANG Lifang1,2, RAN Danyang1,2, ZHANG Xin1,2, LI Weijian1,2, YANG Cunjian1,2,*, NI Jing1,2

1.The Institute of Geography and Resources Science, Sichuan Normal University, Chengdu 610068, China 2.Key Laboratory of land resources evaluation and monitoring in Southwest, Chengdu 610068, China

In Beibu Gulf Economic Area, the karst landform is extensive, the ecological environment is fragile, and the construction of the ecological security pattern is favorable for protecting the ecological environment and promoting the harmonious development of human and nature. Based on the theory of ecological security pattern, by means of the software operating platform such as ArcGIS 10.1, Investment 2.2, and Fragstats 4.2, the ecological origin of the ecological source is identified, and the identification accuracy of the ecological source is verified by comparing the boundary data of the natural reserve. The land use type, the vegetation coverage and the distance to the residential area are adopted. The minimum cumulative resistance surface is constructed by the factors such as the distance between the main road and the main road, and the safety pattern of the ecological land in the Beibu Gulf is divided. The results show that the ecological safety area of the Beibu Gulf Economic Area is 3415.04 km2, the fitting degree of the natural reserve is 82.35%, the ecological protection core area is 34390.76 km2, the buffer area is 11719.13 km2, the transition area is 15731.95 km2, and the limit area is 9882.32 km2. The corresponding land use suggestions are proposed for different ecological functional areas. The study can provide a reliable basis for urbanization construction and ecological environment protection in different ecological security level regions of Beibu Gulf Economic Area.

GIS; InVEST model; MCR model; ecological security patterns; Beibu Gulf Economic Zone

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.04.027

X826; P901

A

1008-8873(2019)04-202-07

2018-07-19;

2018-08-08

国家973项目(2015CB452706); 国家自然科学基金项目(40771144)

张丽芳(1993—), 女, 山东菏泽人.硕士研究生, 主要从事土地资源评价、景观生态方面的研究, E-mail:zhanglf_edu@163.com

杨存建, 男, 博士, 教授, 主要从事遥感和地理信息系统应用研究, E-mail:yangcj2008@126.com

张丽芳, 冉丹阳, 张鑫, 等. 基于GIS的北部湾经济区生态安全格局构建与评价[J]. 生态科学, 2019, 38(4): 202-208.

ZHANG Lifang, RAN Danyang, ZHANG Xin, et al. Construction and evaluation of ecological security pattern in Beibu Gulf Economic Zone based on GIS[J]. Ecological Science, 2019, 38(4): 202-208.