江南丘陵典型区生态安全格局构建及优化对策研究

徐玲慧,章 磊,陈笑雨,蔡 俊

(安徽农业大学 经济管理学院,安徽 合肥 230031)

快速工业化和城镇化发展的过程中,人类各项高强度的土地开发活动与粗放的土地利用方式导致生态用地空间不断被挤压,本就脆弱的生态环境不断恶化。我国正处于经济高速增长阶段转向高质量发展阶段,即遵循自然规律的可持续发展[1]。因此生态文明建设作为高质量发展的前提,被赋予了重要的发展意义。唯有在国土开发与保护过程中贯彻生态保护和修复理念,才能完成生态文明建设这项长期性、系统性和战略性的任务[2]。

20世纪90年代,俞孔坚教授系统地提出了生态安全格局理论及方法[3],而后各学者不断完善研究成果。目前,“生态源地—生态廊道—生态节点”已经成为构建生态安全格局最成熟的研究范式[4-5],为生态保护和修复提供了研究基础。其中,识别生态源地是构建生态安全格局的第一步,从最初仅考虑生态用地自身属性到关注生态用地在整个景观格局中的连通性问题,众多学者在具体研究中采用了生态敏感性评价[6-8]、生态风险评价[9]、生态系统服务功能[10-11]、形态学空间分析(MSPA)等综合指标或方法识别[12]。阻力面表示生态流在流动过程中的受阻程度,学者大多在地类阻力赋值并修正后建立阻力模型。生态廊道作为连通各生态源地的通道,最常用的识别办法有电路理论和成本路径法。电路理论模型借助电流在电路中内随机游走模拟物种个体或基因在景观中的迁移扩散过程,利用源地间的电流强度反映生态源地与廊道间的相对重要性[13],但该理论对研究区土地利用类型数据精度要求较高,难以获取。合理构建“源地-廊道-节点”的生态安全格局是保障当地生态服务功能高效运行和经济高质量发展的基础。最小累积阻力模型可以考虑景观单元的水平联系,能较好地模拟异质景观单元对生态流的干扰,被广泛运用于格局优化的研究[9]。

南方丘陵作为首批25个山水林田湖草保护修复试点项目之一,由于其特殊的土壤条件(红壤有机质少、酸性强、土壤黏重)和自然环境现状(景观破碎、生态脆弱),其生态安全维系具有一定的区域典型性和实践代表性。

本研究以江南丘陵典型区邵阳市作为研究区,综合利用层次分析法、最小累积阻力模型、建立生态敏感性评价体系,构建市域内生态安全格局,针对现有的生态格局划分保护核心区域,提出相应的对策,以期为红壤丘陵区的国土空间利用以及经济发展保驾护航。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

1.2 数据来源

邵阳市土地利用数据源于CLCD 2021年全国土地覆数据集[14],土地利用类型分为农田、森林、灌木、草地、水体、荒地及不透水七个地类(图1);数字高程数据(DEM)源自地理空间数据云(https://www.gscloud.cn/);归一化植被指数(NDVI)源自国家青藏高原科学数据中心(https://data.tpdc.ac.cn/);道路距离数据来源于中国科学院资源环境研究中心(https://www.resdc.cn),通过裁剪、镶嵌和重分类等预处理操作获得研究数据。

图1 邵阳市土地利用现状图

2 研究方法

2.1 层次分析法

生态敏感性的影响因素包含自然因素和人类活动因素。本研究选取高程、坡度、植被覆盖度和距水域距离等自然因素,较能真实反映邵阳市的自然生态特点。地类作为人类利用土地的方式,不同的地类的利用强度,可用来表示人类活动对自然生态的干扰。此外,由于邵阳市是湘西南的经济中心发展城市,且地形特殊,城市扩张建设中造成地下水污染、滑坡、塌陷等众多环境地质问题,故将地质灾害易发程度纳入指标体系。

层次分析法是Satty等人提出的一种可以有效处理评价因子权重的实用方法[15]。本研究借助Yaahp软件输入专家打分结果,对高程、坡度、植被覆盖度、距水域距离、地质灾害易发度、地类这六个评价因子两两相比较,从而确定指标的重要程度,大大降低人为主观性与因素比较的难度,得出最终的因子权重(表1),并对其进行一致性检验,检验结果CR=0.0568<0.1,通过检验。

表1 生态敏感性评价因子等级及权重

2.2 源地识别

根据邵阳市综合生态敏感性分析结果和《生态功能区划技术暂行规程》[16],利用自然断点法将研究区划分为极敏感、高度敏感、中度敏感、低度敏感和不敏感五个敏感级数。为减少将生态敏感性评价结果作为识别生态源地的单一依据所造成的片面性,本研究结合实际土地利用现状以及生态保护现状,以生态敏感性评价结果叠加现行的自然生态保护区,以生态敏感性高且集中连片或已经是生态保护区的斑块作为生态源地。生态源地识别公式如下:

E=fmax(Ri,Rj)

(1)

式中,E为生态源地,Ri为生态敏感性评价等级高且连片的斑块,Rj为现行的自然保护区。

2.3 最小累积阻力模型

1992年,荷兰生态学家Knappen提出最小累积阻力模型(Minimal Cumulative Resistance,MCR)[6,9],计算异质空间内对于物种迁移的阻力。在构建本研究区的生态阻力面时,主要考虑到自然因素(地面高程、土地利用类型等)和社会因素(建设用地和公路的距离)的影响。其公式如下:

白酒酿造属于开放式固态发酵，工艺参数无法像液态发酵那样进行过程控制，因此仅以单一指标评价会使窖泥质量得分评价出现偏差。

(2)

式中,MCR为最小累积阻力值,即生态源地到某点的最小累积阻力;fmin为最小累积阻力与生态过程的正相关关系;Dij为生态源地j到某景观单元i的空间距离;Ri为区域某景观单元i对生态运动过程的阻力系数。

2.4 阻力面评价指标体系

本研究选取了NDVI、土地利用强度、坡度作为自然阻力因素,距主干道距离、距次干道距离作为社会阻力因素。对每个评价因子进行分级赋值,阻力值的范围在1～5,采用层次分析法进行权重设定,建立阻力面识别体系。检验结果CR=0.0568<0.1,通过一致性检验,结果如表2。

表2 生态阻力因子阻力值及权重

表3 重要生态源地

2.5 重力模型

重力模型又称引力模型,是一种定量分析两点之间相互引力作用的方法[17,18]。本研究借助重力模型将源地将引力值大于4的路径划分为重要生态廊道,其余为一般生态廊道。重力模型公式如下:

(3)

式中:Gij代表源地i和j之间的引力值;Pi、Pj分别是源地i和j的阻力值;Lij是源地i和j之间的成本路径值;Lmax是研究区所有廊道累积阻力最大值;Si、Sj分别是源地i和j的面积。

3 结果分析

3.1 生态敏感性评价

3.1.1 单因子敏感性分析

研究区单因子的生态敏感性空间分布图显示,研究区生态敏感性受丘陵地形地貌影响极大,盆地与山地敏感性差异显著(见图2)。总体上,地类、坡度因子的生态敏感性较高,植被覆盖度、高程生态敏感性中等,而水域及地质灾害生态敏感性较低。

图2 单因子生态敏感性分析

土地利用类型在某种程度可表征人类活动对于自然的干扰,建设用地、耕地大多分布于盆地,土地利用强度相对较大,生态敏感性较低,占全部面积的34.81%;高度敏感和较高敏感区域主要由林地和草地覆盖,人类活动较少,占比高达65.1%,林地是维系区域生态安全格局稳定的重要因素之一。

坡度因子的敏感性较高,大于25度的陡坡区域属于高度敏感区和较高敏感区,面积为3485.85 km2,占比为16.8%。中度敏感区为坡度在15到25之间的区域,面积为5699.51 km2,占比为27.4%。这表明研究区大部分区域坡度起伏较为平缓,主要分布在四周丘陵区。

植被覆盖度对生态系统健康运行具有重要作用,研究区农业发展历史悠久。植被覆盖率高,生态高度敏感及较高敏感区占比为48.9%,主要分布在西南西北的高大山地以及周边的丘陵地区;生态低度敏感及较低敏感区占比30.0%,主要分布在东北及中部的经济较发达地区,植被覆盖度较低。

高程与地形变化密切相关,研究区总体上呈现“南北高中间低”的空间格局。生态高敏感和较高敏感区域主要分布在西北部和西南部的高大山地,共3212.64 km2,占比为15.4%;生态低敏感区域主要分布中部盆地地区,面积为3212.6 km2,占比为15.4%。

邵阳市境内有资江、沅江的支流贯穿,其水系发达。但由于山地地形面积占比大,其水域面积辐射较小,因此水域因子的生态敏感性总体较低。其生态高度敏感和较高敏感区的面积为1959.02 km2,仅占全部面积的9.4%。

从地质灾害易发性来看,研究区地质灾害敏感性主要表现为低敏感和较低敏感,其面积为15992.73 km2,占比76.8%;生态高度敏感区面积为1807.67 km2,占全部面积的9.0%。灾害类型主要包括滑坡、泥石流以及地面塌陷。滑坡、泥石流主要分布在主要集中分布在山地、山地与盆地过渡地带,例如隆回县、城步县;地面塌陷主要分布在城镇建成区以及研究区上部矿区,例如邵阳区踩空塌陷和武冈市四和山附近煤矿塌陷。

3.1.2 综合敏感性分析

综合生态敏感性是指对上述6种单因子敏感性进行加权叠加计算,得出邵阳市综合生态敏感性空间分布图(图3a)。其中,对邵阳市生态敏感性影响程度最大的指标层是坡度。邵阳市生态综合敏感性表现为“盆地低敏感,丘陵山地高敏感”的总体特征。生态低敏感和中度敏感的区域面积和为13358.54 km2,共占比64.2%。生态高敏感区域面积为7442.54 km2,占比为35.8%,主要零星地分布在丘陵山地和山地向盆地过渡带附近。这些区域坡度较缓、植被覆盖度高、生物多样性好,土地开发强度较低,是生态保护得较好的区域。

图3 综合生态敏感性评价结果、生态源地及生态源地缓冲区分布

3.2 生态安全格局评价

3.2.1 生态源地识别

依据生态敏感性评价结果,在高度敏感区域选取大于27 km2的斑块作为生态源地,符合条件的有19处,同时增加未识别到的两个国家级生态保护区,一共得到21个生态源地(图3b),最终生态源地总面积1654.14 km2,占整个研究区面积的7.95%。从所列举生态源地(表2)的特征来看,主要是以国家级森林公园、风景名胜地、大型水库以及大片林地辐射区所形成。其次,在生态高度敏感与较高敏感区域提取大于10 km2的斑块作为生态缓冲区,是除生态源地外生境质量较好的区域,也是生态源地与其他区域的过渡区域。

3.2.2 生态廊道和生态节点识别

通过ArcGIS栅格计算器叠加六个阻力因子最终得到综合阻力面(图4)。图中可以发现,生态流通阻力值高的区域主要集中在经济发达、土地利用强度大的城镇以及道路沿线区域,且主要聚集于城镇中心地区,沿主要道路向外辐射逐渐降低。而后在综合阻力面的基础上,使用成本距离工具构建最小累积阻力面,再运用成本路径识别潜在生态廊道,共计识别63条潜在生态廊道,总长2396.68 km,利用重力模型识别出29条重要廊道,长为1138.31 km。

图4 生态阻力综合评价

生态节点是生态廊道与生态源地的交点,也是生态环境系统极为脆弱的部分,在生态网络中具有关键作用[19]。本研究以最大阻力值等值线与潜在生态廊道的交点提取到34个生态节点,节点主要分布于山地向盆地过渡地带。

3.2.3 综合生态安全格局评价

以邵阳市综合阻力面为底图,利用分位数法将其划分为高度生态安全、较高生态安全、中等生态安全、较低生态安全以及低度生态安全五个等级[18]。结合基于生态敏感性评价结果得出的生态源地,提取生态廊道、生态节点,构建完整的生态安全格局(图5)。

图5 邵阳市综合生态安全格局

邵阳市总体生态安全性较好,高度和较高生态安全的总面积为11704.06 km2,占比为56.2%,主要分布在国家级森林公园、自然保护区以及成片林地附近区域,包括城步苗族自治县、绥宁县以及新宁县南部。高生态安全区生态源地较密集,生态廊道连通性强,形成了稳定安全的生态网络。较高生态安全大多分布于山地丘陵向盆地过渡的边缘地带,坡度较缓,植被覆盖度与盆地相比较高,包括洞口县中部以及武冈市中部等区域。中等生态安全的面积为4360.79 km2,占比为21%,主要分布在土壤肥沃、地势平坦的河谷地区,土地覆被以耕地为主,总体处于稳定状态,受到农业耕作一定程度的影响。低度和较低生态安全的总面积为4736.23 km2,占比为22.8%,主要集中于盆地中心城市建设区,例如邵阳市集中建设区和邵东市西侧,该区域土地开发强度较大,铁路、公路等交通线路汇集,人类活动频繁,生态系统易遭到破坏,生态安全级别较低。此外,在邵阳市集中建设区和邵东市未识别到较大的生态源地,生态廊道也较缺乏,生态连通性较差。

3.3 生态安全优化对策

基于邵阳市综合生态安全格局,将整个研究区划分为城镇生态修复区、丘陵盆地过渡地带生态保护区、山林生态保育区和生态廊道建设带(图6),形成“三区一带”的生态安全保护格局。针对目前不同的生态安全现状和特征,因地制宜地提出科学合理的生态安全优化对策。城镇生态修复区主要位于研究区东北部的邵阳市区、邵阳县及邵东市,这部分区域人口稠密、土地利用强度大、城镇化水平高,加上滑坡、地面塌陷等自然灾害影响,人类活动与自然灾害的双重作用对生态环境造成威胁,生态阻力值较高且生态安全等级较低,亟须进行生态修复和改良工作。第一,在未来城市发展中,需以增加城市绿化面积和公园等休闲用地范围的方式,增加城市内部的植被覆盖率,提高生态安全的稳定性;第二,严格执行建设用地的新建与改扩建审批,避免一味粗放地扩大建设用地面积而挤压林地、草地等生态用地面积;第三,定期监测地质灾害易发地,对于灾害频发或潜在发生地的居民可实施必要的易地搬迁政策,减少自然灾害带来的人员伤亡和财产损失;第四,政府出台相应的经济发展政策,分流过于稠密的人口,减少城市的人口压力。

图6 邵阳市生态属性及生态安全保护格局

丘陵盆地过渡地带生态保护区水热充足,农业发展历史悠久,是重要的粮食供应地。其特点是由丘陵地形向盆地地形过渡四周有较多的以林地为主的生态安全等级较高的生态源地分布,中间盆地以耕地利用为主。在城市化建设中,林草地面积会变得碎片化[20],因此稳定林地规模是生态发展的必要举措。第一,建议建立长期的以规划基期为基础的生态安全承载力评估,积极探索政府与高校和科研院所的合作评估模式。第二,以植树造林、封山育林、等措施为主,大力发展林产业、经果产业和畜牧业。在保证生态源地稳定发展的同时,需要加强各生态源地的联系,用生态安全等级高区域带动生态安全较低区域。此外,加大高标准农田建设力度,提高耕地质量,发展生态旅游、乡村特色旅游等绿色旅游业也是改善生态环境的重要举措。山林生态保育区总体处于高度生态安全,主要分布在研究区的南部,包括绥宁县、城步苗族自治县及新宁县等区域,主要是由于其山地地形位置特殊,植被覆盖度高,人类干扰程度低。维护其生态系统及其服务功能是该区域未来的重要发展目标,具体措施可以包括:划定禁止开发区域;对于湖泊等重要水源涵养区减少人类钓捕活动;开展地质灾害、气象灾害监测和防护工程,减少特大暴雨导致的泥石流滑坡现象破坏山林生态。

城镇发展边界的扩张导致生态源地减少,从而生态廊道在东北部的邵阳县和邵东市出现缺失。生态廊道保育建设带是针对研究区整个生态网络中生态廊道不完整所提出的保护措施。生态廊道保育建设带从中部生态较好的新宁县向东北沿着邵阳县和邵东市延伸。在该建设带上,应当以增加城镇郊区绿化带、适宜规划建设用地为主要举措,作为源地间沟通的桥梁,以生态较好区域沿线带动生态等级较低区域,完善整个生态网络。除此之外,区域内生态节点的建设也不容忽视,作为环境较为脆弱的节点,生态阻力值也较高,需要重点监测且减少人类活动。

4 讨论

4.1 丘陵地区的生态安全格局分析

江南丘陵地区作为“两屏三带”国家生态屏障区之一,对维护华南地区的生态安全起着至关重要的作用[21]。目前对于丘陵地带的研究,主要集中于生态系统服务系统评估以及“两屏三带”产水、土壤保持和固碳等服务的权衡协同关系等[22-23]。本研究所采用的生态敏感性评价以及最小累计阻力模型简单易操作,能够快速解构邵阳市作为典型丘陵城市的生态安全格局及其空间要素。在研究方法上,既遵循前人积累的“源地-廊道-节点”的研究范式,又融入层次分析法中专家学者的意见以及基于生态阻力分级划分的生态安全分区,并提出了具有针对性的生态修复与保护对策,对补充丘陵地区生态安全理论,缓解人地矛盾具有一定的现实意义。

随着“多规合一”被提出,国土空间规划将逐步取代城市总体规划、土地利用总体规划及主体功能区规划,按照“三区三线”的管理理念对土地进行用途管制。在对生态功能区、生态保护红线等硬性指标划定的同时,也应充分地考虑到区域内部的生态安全,重视生态网络的构建。在实践中,地方需要建立生态修复和保护的监督制度,与国家五年规划期同步,相应设立五年或十年为节点,对区域内生态安全格局进行评价和优化调整,以期不断适应变化的区域经济和生态发展策略。

4.2 展望

本研究从生态敏感性出发,从邵阳市这个行政区的角度研究其生态安全格局,划分生态安全保护格局,分区提出生态发展建议对策。本研究仅采取生态敏感性最为主要指标,并未评价生态系统服务价值。而生态系统服务价值作为生态保护、生态功能区划定的依据和基础[24],对于丘陵山地这一特殊的地区,或将成为识别生态网络的重要依据之一。此外,受到数据获取的局限性,本研究仅以行政边界为研究界限,对研究区邻近区域的相似地形区的空间相关性分析存在空白,后续在研究尺度中应探讨如何打破行政边界,进一步完善丘陵地区的生态安全保护格局,以期为国土空间规划提供科学依据。

5 结论

本研究从生态敏感性评价入手,基于层次分析法、最小累积阻力模型以及重力模型,评价邵阳市生态安全格局,并提出相应的优化建议。本研究结论如下:(1)邵阳市作为南方丘陵区的典型区域,总体生态格局处于安全范围,但境内生态安全空间差异显著,地形地貌和人类活动强度影响尤为突出。研究区整体生态安全性较高,较高生态安全和高生态安全的总面积为11704.06 km2,占比为56.2%,较低生态安全和低生态安全的面积为4736.23 km2,占比为22.8%。(2)本研究构建的生态网络包括21块生态源地,总面积1654.14 km2;共识别63条生态廊道,全长2396.68 km;识别生态节点34处。(3)本研究构建了邵阳市“三区一带”的生态安全保护格局,包括城镇生态修复区、丘陵山地过渡地带保护区、山林生态保育区以及生态廊道保育修复带,根据区划不同特点提出相应的生态优化对策建议。