最小累积阻力模型的闽粤联网工程(福建段)区域生态安全格局

江世雄,李 熙,王重卿,陈 垚,翁孙贤

(国网福建省电力有限公司电力科学研究院,福建 福州 350007)

生态安全是指人类在生产、生活与健康等方面不受生态破坏与环境污染等影响的保障程度 ,包括饮用水与食物安全、空气质量与绿色环境等基本要素[1]。快速城市化导致生态斑块破碎、生物多样性减少、空气污染、水资源短缺、热岛效应等区域环境问题,威胁区域生态安全[2]。2011年,国务院《关于加强环境保护重点工作的意见》提出设立生态保护红线,旨在强化国家和区域生态安全格局,遏制生态环境恶化,维护生态系统稳定,促进自然生态与社会经济协调发展。生态安全格局指为维持特定区域内正常的生态系统健康和生态系统服务的可持续供应而划分的潜在生态系统空间格局[3]。有效构建与维护区域生态安全格局,有利于生态结构与功能完整、生物多样性保护、生态服务维持,还将提升人类福祉,实现可持续发展,保障区域持续性生态安全[4]。

文献[5]基于Forman的景观格局理论,使用最小累积阻力模型所创建的“生态源”“阻力面”和“区分安全格局”的研究范式沿用至今[6-7]。生态安全格局可以通过点-线-面改善不同生态生境之间的连通性,有效抵御生境破碎化对生物多样性的持久影响,有助于维持生态系统结构和过程的完整性[8]。生态安全格局目前涉及生态学、地理学、景观学等多学科交叉,数据源多样化,如NPP[9]、气象数据[10]、土壤数据[11]等,且有InVEST模型[12]、重力模型[13]、MSPA模型[14]等;生态安全内涵较广泛,如生态系统服务功能[15]、生态敏感性[16]、生态脆弱性[17]、生态承载力[18]等。生态安全格局获得的生态“源地-廊道-节点”明确了区域生态保护空间的边界和热点区,使生态规划和建设可落实执行。

输电线路工程建设的生态影响评估一般为在植被破坏、土壤环境、水土流失等基于“点”方面的影响[19-21],忽视线性工程对建设区域以面状、线状为特征的生态完整性,如生态安全的影响。本文以闽粤联网工程(国家电网与南方电网联网项目)为研究区,使用MCR模型获得闽粤联网(福建段)线性工程的生态影响区(线路两侧各2 km的缓冲区)内涉及的生态“源地-廊道-节点”,作为该线性工程的生态完整性影响结果。

1 研究区及数据源

1.1 研究区概况

闽粤联网工程为国家电网与南方电网之间的联网。该工程起始于漳州东林变电站,向西途经福建省漳州市漳浦县、云霄县、平和县,以及广东省梅州市梅江区、梅县区、大埔县,终止于梅州嘉应变电站。本文研究区为闽粤联网工程(福建段)(如图 1所示),平和县位于福建省漳州市西南部,与闽粤两省的8个县市相邻,森林覆盖率达69%,农业产业化水平较高。云霄县和漳浦县均位于福建省南部沿海区域,云霄森林覆盖率为40.1%,漳浦拥有27个优良海湾,是国家海峡两岸(福建)农业合作试验区的重要组成部分。

图1 闽粤联网工程(福建段)区域

1.2 数据来源

数据包括遥感影像、DEM、行政区划、公路,数据信息及来源详见表1。

表1 数据信息及来源

2 研究方法

2.1 随机森林算法

该算法是通过使用多颗决策树对样本进行训练的一种机器学习算法[22],利用随机森林算法对两期Landsat 8 OLI影像进行监督分类,获得研究区的土地利用类型,包括林地、水域、建设用地、未利用地、耕地,且最终的分类精度大于85%。

2.2 形态学空间格局分析法

形态学空间格局分析法(morphological spatial pattern analysis, MSPA)是文献[23]基于腐蚀、膨胀、开放和封闭操作等数学形态学原理,对栅格图像的空间格局进行图像处理,以区分景观类型和结构。MSPA划分7种非重叠景观形态类型(核心区、孤岛、空隙、边缘区、连接桥、环岛、支线)[24],核心区为生态源地。

2.3 层次分析法

选择自然与人文6个因子,即高程、坡度、植被覆盖度、土地利用类型、地表温度、公路密度为生态阻力因子,构建生态扩张综合阻力面评价指标体系。利用层次分析法确定各个生态扩张阻力因子的权重[25],一致性检验值CR=0.031 4 <0.10,判断矩阵通过一致性检验。

2.4 最小累积阻力模型

最小累积阻力(minimum cumulative resistance, MCR)是指物种从某个“源”点到目标所在地的过程中所需克服的总阻力的模型[26]。其计算公式为

(1)

本文对不同量纲的阻力因子按照其生态阻力作用大小进行分级赋值(见表2)[27],最后根据式(1)获得MCR。

表2 闽粤联网工程(福建段)生态阻力因子分级及赋值

2.5 重力模型

重力模型用于定量评价源与目标间相互作用力大小,作用力越大代表廊道越重要,据此可以评价生态廊道的相对重要性[28]。在MCR模型基础上,使用重力模型计算生态源地之间的相互作用强度,提取出重要生态廊道。重力模型公式为

(2)

式中,Gij为斑块i和j之间的相互作用力;Ni、Nj为两斑块的权重;Dij为i和j两斑块间潜在廊道阻力的标准化值;Pi为斑块i阻力值;Si为斑块i的面积;Lij为斑块i和j之间廊道的累积阻力值;Lmax为所有廊道累积阻力的最大值。

3 结果与分析

3.1 生态源地

利用随机森林算法获得研究区土地利用面积,以林地为前景值,其他地类为背景值,使用MSPA得到7种景观形态类型,即核心区、孤岛、空隙、边缘区、连接桥、环岛、支线,提取核心区面积最大的前10个斑块作为研究区生态源地(如图2(a)—(b)所示),生态源地面积见表3。

表3 闽粤联网工程(福建段)区域生态源地面积

图2 研究区2020、2021年区域生态源地、廊道和生态保护区

由图2和表3可知,2020和2021年的生态源地总面积分别为2 268.45和1 926.50 km2,占整个研究区总面积的比例分别为47.29%与40.16%,两年之间生态源地的面积减少了341.95 km2,主要是面积最大的7、8、9、10号4个生态源地减少最多(30 km2)。7号生态源地包含安厚镇的灵龙谷、灵通岩风、漳州平和名峰山景区,霞寨镇的高峰谷,平和县的绳武楼景区。该源地为丘陵低山地貌,坡度较大,主要土地利用类型为林地,植被类型主要有松树、杉树、桉树等。8号生态源地包括平和县的三平风景区。9号生态源地靠近白鹭森林公园与天福石雕园。10号生态源地周围有马铺乡的峰头水库、常山华侨经济开发区的乌山天池、浦美镇的云霄南湖生态园、将军山公园。7号生态源地面积减少的原因为林地转变为果园,8、9、10号3个生态源地减少的主要原因为城镇建设用地的增加吞噬了生态源地。

3.2 生态廊道

生态廊道是相邻两个生态源地之间最容易连通的低阻力扩张通道,是源地间物种迁移的流动通道,在保护生物多样性方面起关键作用[29]。本文利用MCR模型和重力模型获得了区域重要生态廊道(如图2(c)—(d)所示)。

基于MCR模型,得到2020年潜在的生态廊道有120条,2021年有110条,基于重力模型提取2020与2021年的重要生态廊道均是21条。由图2(c)—(d)可知,研究区在两个时期的生态廊道大致相似,整体呈现“三角形”的空间分布,三角形的3个顶点分别位于崎岭乡、和平乡、官浔镇,且在三角形内部的生态廊道呈横纵交叉分布。根据生态源地作用力矩阵,两年2号、7号生态源地之间的连接性最强,生态关联度强。4、5、8、9号4个生态源地处于生态廊道的聚集处,需要对上述6个廊道进行保护。

3.3 生态安全保护区

生态节点是两个相邻的生态源地之间具有重要意义的“跳板”,该点若受外界的破坏和干扰会导致生物扩散受到阻隔[30]。将所有生态廊道之间的交点设置为生态节点,经统计,研究区在2020年的生态节点为75个,在2021年的生态节点总计为77个。

一个区域的生态安全格局主要是由生态源地-廊道-节点组成,按照研究区内部的生态源地、生态廊道、生态节点的集聚程度,划分4个生态安全保护区域(如图2(e)—(f))所示),分别是位于漳浦县五寨乡的大帽山、云霄县马铺乡的峰头水库、平和县霞寨镇的高峰谷、漳浦县赤土乡的白鹭森林公园生态安全保护区域。

3.4 闽粤联网工程(福建段)生态安全格局

根据《环境影响评价技术导则》(HJ 19—2022)生态影响,以及本线路工程所在区域的生态环境特征,将闽粤联网线路工程(福建段)两侧向外各延伸2 km作为项目的生态影响区。该影响区内生态源地、生态廊道和生态节点如图3所示。2020年生态影响区内部有3个生态节点,生态廊道的总长为52.09 km,生态源地的总面积为185.63 km2;2021年有3个生态节点,生态廊道总长为58.46 km,生态源地的总面积为154.42 km2。该工程生态影响区包括14.70 km2的高峰谷生态保护区、0.58 km2的峰头水库生态保护区和85.16 km2的大帽山生态保护区域。闽粤联网工程(福建段)共有150个塔基。其中,有43个塔基位于本文划定的生态保护区域且全部在大帽山生态保护区域,塔基编号为1—43号。4、5、38、39、62、63、95、96号塔基在两个时期都有生态廊道穿过,这些塔基在区域生态环境中处于生态信息交流高频区。因此项目建设运营期的生态重点防护区为1—43、62、63、95、96号塔基施工区和临时施工道路区,占地面积为0.32 km2,占生态影响区面积的0.01%。

图3 闽粤联网工程(福建段)生态影响区的生态安全格局

闽粤输电线路工程于2021年4月开工,2022年完工。2021年为施工扰动高峰期,其生态影响重点范围为1—43、62、63、95、96号塔基施工区及其周边施工道路区。该工程主要影响时段为项目施工期,因此,在上述重点塔基施工阶段要做好生态防护措施,如物理覆盖、边坡固化、植被恢复、合理安排施工时段等,即可以将项目生态影响降低至最小。在项目运营期,该线路的生态影响轻微,长期的生态监测防护范围仍是上述的重点塔基周边。

4 结 论

本文基于MSPA、MCR模型与重力模型构建区域生态“源地-廊道-节点”生态安全格局和输电线路工程的生态安全格局。研究结论如下:

(1)闽粤联网工程(福建段)区域生态格局特征:2020和2021年重要生态源地总面积分别为2 268.45和1 926.50 km2,分别占研究区总面积的47.29%和40.16%。2020和2021年重要生态廊道均为21条,生态廊道均呈现“三角形”空间分布。根据研究区生态“源地-廊道-节点”的集聚程度,区内有大帽山、峰头水库、高峰谷、白鹭森林公园生态保护区4个,大帽山与白鹭森林公园生态保护区是整个研究区生态保护重点。

(2)闽粤联网工程(福建段)的生态安全格局特征:2020与2021年,闽粤联网线路的生态影响区内有生态节点3个,生态廊道总长分别为52.09、58.46 km,生态源地的总面积分别为185.63、154.42 km2。工程生态影响区包含高峰谷、峰头水库和大帽山生态保护区,其面积分别为14.70、0.58、85.16 km2。生态影响重点为1—43、62、63、95、96号塔基施工区及其周边施工道路区。但生态扩张阻力因子本文选择了6个因子,还有待扩充。而且选择10个面积最大的斑块作为生态源地有一定的主观性,若叠加生态服务功能区和重要生态敏感区可能会更全面。