基于生态安全格局的国土空间生态修复关键区域识别——以沈阳市为例

林鑫禹 卫晓庆 刘恩来 顾有权 马名杨 曲晓涵

(沈阳工学院 能源与水利学院, 辽宁 抚顺 113122)

0 引言

根据自然资源部《关于开展省级国土空间生态修复规划编制工作的通知》(自然资办发〔2020〕45号)的要求,做好辽宁省国土空间生态修复工作的统筹谋划和总体设计提出全面规划和科学推进山、河、林、田、湖、草、沙综合保护与恢复的总体思路、目标和任务等一系列的相关措施,从而促进省级国土空间生态修复规划,通过规划实施实现山水林田湖草系统治理,构建空间格局优化、生态功能稳定和生态产品优质的生态安全格局,筑牢生态安全屏障,促进人与自然和谐共生。辽宁省国土空间生态修复规划重点落实全省生态安全格局、生态修复目标任务,同时作为县级国土空间生态修复规划编制、生态修复目标传导落实、科学开展生态修复工作的依据。

生态安全模式是从景观生态规划中衍生出来的一种方法,用于识别生态恢复和适合生物保护的区域[1]。当前,国土空间生态修复调研核心更注重于那些范围较小的生态修复的问题[2]。我国的大部分生态修复是从2000年开始进行的,从当初至如今这21年间生态修复系统及森林植被覆盖度都得到了部分程度的提高。但是想要精准从头来施行政策,还是需要人工修复处理来将过去退化严重的区域进行扭转退化的趋势,是其恢复到初期阶段。把各个自然资源要素纳入一起,考虑他们之间的相互作用来进行系统修复。

在近年来由于沈阳市城镇化、工业化蓬勃发展,人类高强度的工业化活动不断地侵蚀着生态环境,导致城市绿色空间急剧减少。因此急需开启生态修复。在该篇文章中将基于生态安全格局研究与电路理论相结合,构建出沈阳市生态廊道,找出生态夹点障碍点。以确保沈阳市的国土空间生态修复的范围,以此提出对应的修复策略。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概述

沈阳市位于中国东北地区的南部位置,辽宁省的中部区域,全市的总面积12 948 km2,市区面积约为3 495 km2。沈阳市主要以平原地区为主,东部为辽东丘陵山地,北部为辽北丘陵,地势主要向西、南方向平势开展。研究区在辽宁省的位置如图1所示。

图1 沈阳市位置图

1.2 数据来源与处理

本文选取的数字高程数据(digital elevation model,DEM)和遥感影像数据均来源于地理空间数据云(www.gscloud.cn),其中,DEM数据分辨率为30 m,时间为2020年8月份,并基于ArcGIS平台计算了沈阳市的坡度以及地形起伏度,遥感影像使用2020年辽宁省7—8月的Landsat-8数据,分辨率为30 m×30 m。

2 研究方法

2.1 生态源地识别

生态源地一般具有维持生态过程的完整性、保障生态服务系统的持续性等功能[3],是构建生态安全格局的基础所在,本文采用形态学空间格局分析方法(morphological spatial patterns analysis,MSPA)识别生态源地[4]。

根据目前沈阳市的环境状况,对该区域2020年的土地利用数据进行MSPA研究,以林地、草地、水域和湿地为MSPA分析的前景,其他土地为背景,使用GuidosToolbox软件和八邻域分析方法进行MSPA分析,对照GuidosToolbox使用手册得到核心区、岛状斑块、边缘区环岛区、核心区、孔隙、支线、桥接区七种不压盖的景观类型[5]。以成果图片的各个生态斑块的面积和它们之间的相互连通性,以面积前30的区域作为生态源地。利用Conefor2.6软件来计算斑块可能连通性指数与斑块重要性指数来确定最终生态源地。

2.2 生态阻力面的构建

根据生态安全格局理论,大多数物种迁徙的情况下在空间上会受到一些外界因素的干扰,而受到外界因素干扰最小的通道就是所谓的生态廊道[6-7]。根据相关研究[8-9],综合考虑沈阳未来发展形势,本实验以土地利用类型为阻力面,根据MSPA的景观数据、坡度、地形起伏度以及植被覆盖度的数据做阻力层,建造生态阻力面。

2.3 生态廊道

生态廊道作为生物迁徙与物种交流最小阻力中最便捷途径,是改善生态系统环境的关键,即彼此邻近环境生态之间相互联系的通道。所以本文利用最小阻力模型构建生态廊道。以最小阻力模型(minimum cumulative resistance,MCR)模拟生物穿越不同景观基面的速度[10]。模型公式如式(1)所示。

(1)

式中,MCR表示源地的最小累积阻力;f表示待定单调递增函数;Dij表示生态用地景观单元i到生态源地j的空间距离;Ri是景观单元i对某运动的阻力系数;m、n分别表示景观单元i和生态源地j的数量。

2.4 生态夹点和生态障碍点

生态网络中电流密度最大的区域说明该区域是物种通过最多的地方,大量物种迁徙往往也伴随着高风险,生态夹点就是缓解此情况的关键区域。由于物种迁徙的随机性,无法主观选取最佳迁徙路径,电路理论[11]能够将随机行走理论与行为生态学结合,有效地将物种随机迁徙路径和种群扩散概率表示出来。本文使用夹点映射器工具进行识别,并选择可以识别整个景观生态夹点的“all to one”模式作为计算方法,选择位于走廊临界点和交叉区域且唯一的高电流密度斑块作为生态夹点。

生态障碍点指生物在生态迁徙过程中通过比较困难的区域,通过计算清楚障碍点后电流值恢复值的大小来识别。移除这些区域可以使生态源地的连通性获得提高[12]。运用Barrier Mapper工具,设置适合的搜索半径和步长搜索生态障碍点[13]。

3 结果分析

3.1 生态源地的分布识别

本文以MSPA分析面积前30的初始生态源地斑块为基础,使用Conefor2.6软件,由于沈阳市的动物栖息地,设置连接阈值距离为5 000 m,连接概率为0.5,进行景观连接度评价,选择面积大于10 km2且斑块重要性指数≥0.5的11个斑块为生态源地结果,如图2所示。最终选出的生态源地面积一共1 593.97 km2。

图2 沈阳市生态源地分布

沈阳市2020年生态源地现状土地利用类型(图3)耕地为主,城乡用地为辅,其中耕地面积1 169 km2,城乡用地126 km2分别占沈阳市生态源地的73.34%,7.90%。其他各类结果如表1所示。

图3 沈阳市生态源地地类

表1 生态源地土地利用类型

3.2 阻力面提取

沈阳市的生态阻力面的设置(图4),首先综合考虑沈阳未来发展形势,本实验以土地利用类型为阻力面,然后在根据MSPA的景观数据、坡度、地形起伏度以及植被覆盖度的数据做阻力层,然后根据阻力层设置权重和值(表2)。研究结果表明某一区域的阻力值越高,穿越该区域的成本就越大。

(a)地形起伏度阻力值

(b)坡度阻力值

(c)土地利用类型阻力值

(d)植被覆盖度阻力值

(e)形态学空间格局分析地类阻力值

(f)综合阻力值图4 沈阳市综合生态阻力面

表2 阻力因子属性

3.3 生态廊道提取

综合考虑综合生态阻力面与生态源地,结合电路理论进行分析,可以把沈阳市的生态廊道分为活跃性和非活跃性两种[14]。一共识别出23条生态廊道,总长度为472.4 km。生态斑块重要的部分可以连接起来能够为生物向适宜生存地方迁徙提供便捷通路。综合考虑生态廊道长度、连接板块的重要程度与廊道可替代性等因素。保留了其中的19条廊道,并把他们分为了两个级别,一级14条、二级5条(图5),全长为175.14 km。

图5 沈阳市生态廊道分布

在长度特征上看,沈阳市的一级生态廊道全长为130.89km,最长的一条是18.56 km,最短的一条是2.83 km。紧密联结着沈北新区与法库县的生态源地。沈阳市的二级生态廊道全长为44.25 km,且长度由长到短分别为18.6、14.09、4.57、4.39、2.6 km。在图3、图4中可以发现一、二级生态廊道集中在辽中区新民市于洪区附近。

3.4 生态夹点和生态障碍点的识别

首先利用夹点映射器工具识别生态夹点(图6),由于廊道最高电流强度为1,并且结合阻力面综合分析可知,生物易于通过生态夹点中低阻力区域,所以生态夹点再生物迁徙过程中承担着重要的连通性功能,需要对这种地区进行着重管理,以确保其生态完整性、稳定性[15]。沈阳市识别到的生态“夹点”一共有16个,面积498 km2。主要位于新民市、辽中区、和法库县东部。最大的一处生态夹点面积为80 km2,最小7 km2。再利用土地利用数据与遥感图像的叠加表明,当前土地利用的生态夹点主要是耕地、林地和草地。这些用地占生态源地的比例为73.34%、6.96%和0.13%。

图6 沈阳市生态夹点分布

然后再点击软件内的Barrier Mapper工具,利用 Barrier Mapper模块识别生态廊道中的障碍点[16]。沈阳市生态障碍点一共16处,面积一共615.21 km2。最大的生态障碍点面积143.7 km2,最小一处2.81 km2(图7)。生态障碍点多数位于新民市和辽中区境内,少数位于法库县东侧。

图7 沈阳市生态障碍点分布

4 结束语

本文以生态安全格局为基础,识别生态修复关键区域,并且按照不同修复区域类型提出不同的修复计划,优化生态安全格局,得出以下结果：

(1)现状地类主要为耕地;生态廊道23条 , 共计472.4 km, 一级廊道14条,共计130.89 km,二级廊道5条,在空间分布上,生态源地与生态廊道集中于沈阳市南部,生境质量较好。

(2)沈阳市生态本底优化有待提高,生态源地面积一共1 593.97 km2,占沈阳市总面积的12.38%。一共构建了23条生态廊道全长大约472.4 km,以此连接生态源地。识别到的生态夹点一共有16个,面积498 km2。生态障碍点一共有16个,面积615.21 km2。它们主要分布在沈阳市的西南部、中部和法库县东部。结合沈阳市生态修复关键区域的土地利用现状以及土地类型,提出相应合理的修复措施,完成实施方案项目,为省级修复生态安全格局提供借鉴,为区域提高可持续发展持续供给具有积极意义。需修复的生态夹点有16处,土地利用类型包含有耕地、林地和建设用地。主要修复策略有建立河流保护区、退耕还林、发展特色林业经济等方法。待修复的生态障碍点有16处,所提及的面积615.21 km2。所包含的土地利用类型包含了耕地、草地、林地、水域、其他土地、交通运输用地和住宅用地。

针对沈阳市土地利用现状,本研究提出了合理的恢复策略,提供有利借鉴,对提高生态资源可持续发展及创造价值具有积极实践意义。