基于MCR和重力模型的县域生态网络构建

弓灏洁,常金生,杜雨阳

(1. 陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001; 2. 北京洛斯达科技发展有限公司,北京 100089; 3.西安市勘察测绘院,陕西 西安 710001)

当前,中国城镇化进程加快、人与环境之间矛盾加剧,迫切需要构建生态空间调控网络,以化解社会发展与生态环境保护之间的矛盾,提升社会发展水平[1]。

近年来,不少学者针对土地利用优化、生态空间调整、景观生态学[2]、可持续发展[3]等问题,对生态破坏严重区域[4]、岛屿、自然灾害高发区[5]、洪涝灾害区[6]等进行了生态空间调控网络的探索,逐步形成了“识别源地—构建阻力面—提取廊道—布设节点”这一生态网络框架[7]。其中,识别源地、构建阻力面、提取廊道是形成生态空间调控网络的基础。识别源地的方法有以下几种:一是直接识别法,该方法基于源地理论,结合研究区的特征设定斑块大小阈值[8],直接选取生态源地[9],也有学者将多年未变化的土地利用类型直接定义为生态源地[10];二是综合指标评估法,通过选取维持生态稳定的各类影响因子,构建生态源地评价指标体系[11];三是空间格局分析法,利用景观连通性指标评价生态源地斑块[12];四是生态系统服务与敏感性集成法,通过融合生态敏感性因子、生态系统服务功能重要性因子识别生态功能区,选取生态功能极重要和生态极敏感区域作为生态源地,并将其划定为自然环境重要修护区[13]。构建阻力面的方法包括单一赋值法和多要素综合赋值法,后者构建的阻力面相对于前者更能直观反映空间异质性,焦点物种的引入证实了后者的可靠性[14]。生态廊道是维持生态系统流动性、保护生态空间完整性的理论基础[15]。廊道提取常采用最小累计阻力模型[16]、电路理论[17]、蚁群模型[18]及重力模型[19]。其中,重力模型是通过分析生态源地之间的相互作用强度,利用具体的数值反映廊道的重要性,补充了其他方法难以直观反映生态廊道相对重要性的短板,为生态廊道的选取提供了科学依据。生态节点是保持生态廊道系统连通性的关键部分,当前研究对于生态节点的选取偏向于理论化[19],无法将导致景观破碎和廊道断裂的因素全部考虑在内。

甘肃省白银市景泰县生态系统脆弱,为坚守生态底线,提升生态空间稳定性,本文主要采用生态系统服务价值评估模型和生态环境敏感性评估模型识别生态源地,运用MCR模型和重力模型构建阻力面,提取生态廊道和生态节点,建立以“源地—廊道—节点”为框架的生态空间调控网络,并针对不同用地类型提出相应修复建议,以期为景泰县生态系统调节与修复提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

景泰县隶属甘肃省白银市,位于甘肃省腹地北陲,地处黄土高原与腾格里沙漠过渡地带,为河西走廊东端门户。县域总面积约为5486 km2,境内山峦丘陵居多,约占全县面积的3/4,整体地势西南高、东北低,海拔范围为1216～3265 m。景泰县是甘肃省中部干旱县之一,属温带干旱型大陆性气候,年均气温为8.2℃,年均风速为3.5 m/s,年均降水量为185 mm。黄河是景泰县唯一过境水系,经兰州市、白银市、靖远县从尾泉流入景泰。

1.2 数据来源

本文所用数据主要包括景泰县30 m分辨率的DEM、景泰县2018年全国第三次土地调查数据、甘肃省行政区划数据、甘肃省气象数据集、景泰县重要路网数据、全国土壤数据集、甘肃省NPP数据集、景泰县遥感数据集。其中,景泰县DEM来源于地理空间数据云;甘肃省行政区划数据来源于资源环境科学与数据中心;景泰县气象数据集来源于中国气象数据网上的中国地面气象站逐日观测数据集;景泰县重要路网数据来源于OpenStreetMap平台;土壤数据集选取HarmonizedWorldSoilDatabasev1.2;MODIS遥感数据产品MOD17A3HGF数据来源于美国NASA数据服务中心。

2 研究方法

生态空间调控网络的构建主要包括生态环境本底评估和生态网络构建两个阶段。本文参考文献[20],基于生态系统服务功能重要性和生态环境敏感性进行生态本底评估;依据评估结果,选取极敏感区和极重要区作为生态源地的识别依据;选取产生阻力的主要影响因子并赋予阻力值,利用主成分分析法求得各阻力因子权重;使用最小累计阻力模型(MCR)构建阻力面;基于成本距离提取廊道系统;通过重力模型提取重要生态廊道。

2.1 生态系统服务功能重要性评估

生态系统服务功能重要性评估用于明确区域各类生态系统的服务功能及其对区域可持续发展的作用与重要性。依据其重要性对每一项生态服务功能划分出不同级别,首先明确其空间分布,然后在区域内进行分区显示,主要功能包括水源涵养、水土保持、防风固沙、生物多样性。评估方法见表1。

表1 复合维度下的生态源地识别指标系统构建

各生态系统服务功能均按照栅格值小于50%、50%～80%、80%～100%的像元划定为极重要、重要、一般重要的等级,形成各服务功能重要性等级评估结果。

2.2 生态环境敏感性评估

生态环境敏感性评估体现了生态空间对各类自然因素的敏感程度,通过分析不同地理因子判别不同程度敏感性区域,从而判定不同区域的保护等级,为生态分区提供依据,主要敏感性因子包括水土流失、土地沙化、石漠化。评估方法见表1。

分别将各个生态敏感性评估结果分为3级,即一般敏感、敏感、极敏感,通过模糊叠加得到生态环境敏感性评估分级结果。

2.3 重力模型

重力模型是通过量化不同生态斑块之间的相互作用强度,甄别生态廊道的相对重要性,以提取重要生态廊道。重力模型公式为

(1)

式中,Gab表示斑块a与斑块b的相互作用强度;Na和Nb分别表示两个斑块的权重值大小;Dab表示斑块a和斑块b之间潜在生态阻力标准化值;Lmax表示区域廊道系统内最大生态阻力值;Sa和Sb分别表示斑块a和斑块b的面积;Lab表示斑块a到斑块b之间的累计生态阻力值;Pa和Pb分别表示斑块a和斑块b的阻力值。

2.4 最小累计阻力模型

最小累计阻力模型(MCR)用于表示生物迁移过程中,从某一斑块经过不同阻力单元到达另一斑块所受到的阻力值。本文参考文献[21],结合研究区特点,并考虑数据的可获取性,采用土地利用类型、DEM、坡度、植被覆盖度、与道路距离、与水体距离作为构建MCR模型的指标因子,评估物种从源地到达目的地过程中所受的阻力。通过综合相关研究[22],将各阻力因子分为5级(1、3、5、7、9),通过主成分分析法确定各阻力因子指标权重,使用ENVI软件得到各因子合理的权重值(见表2)。阻力系数的大小决定了物种迁移时的困难程度,公式为

表2 综合阻力面、阻力系数及权重

(2)

式中,f为最小累计阻力与生态过程的正相关函数;Dij为物种从源地j到目的地i的空间距离;Ri为景观单元i对物种移动的阻力值;n、m为生态源地与景观类型的数量。最小累计阻力面是生态系统物种流动的潜在趋势及可能性的直观反映。

3 结果分析

3.1 生态系统服务功能重要性评估

将水源涵养、水土保持、防风固沙、生物多样性划分为极重要、重要、一般重要3个等级,叠加得到生态系统服务功能重要性评估结果,如图1所示。可以看出,生态极重要区面积为150.78 km2,占全县面积的2.78%,以正路乡、红水镇、五佛乡分布最密集,地类现状以有林地为主,多表现为水源涵养林,生境质量高;生态重要区面积为1 255.83 km2,占全县面积的23.15%,地类现状以其他草地为主,景观破碎化明显,需加强系统性保护;生态一般重要区面积为4 017.75 km2,占比最多,为74.07%,地类现状主要为高覆盖度草地和建设用地及其周边耕地,该区域的特点是人类活动频繁,对生态价值需求较高。

图1 生态系统服务功能重要性评估结果

3.2 生态环境敏感性评估

将水土流失敏感性、土地沙化敏感性、石漠化敏感性分为极敏感、敏感、一般敏感,叠加得到生态环境敏感性评估结果,如图2所示。可以看出,生态极敏感区面积为1 015.14 km2,占全县面积的18.76%,草窝滩镇占比最大,喜泉镇和中泉乡次之,该区域土地沙化和石漠化问题严重,需采取相应措施进行整治;生态敏感区面积为4 118.74 km2,均匀分布在各个乡镇,占全县面积的76.13%;生态一般重要区面积为276.54 km2,占比为5.11%,地类现状主要为建设用地及其周边耕地。综上所述,景泰县整体敏感性偏高,石漠化极敏感区分布于城镇周边,草窝滩镇由于裸地分布较多导致土地沙化现象严重,需采取有力措施减少裸地数量。

图2 生态环境敏感性评估结果

3.3 生态源地识别

根据生态服务功能重要性评估结果中的极重要区和生态环境敏感性评估结果的极敏感区叠加景泰县自然保护区、林地公园、地质公园、风景名胜区文化遗产区,得到初步生态源地共计1218处。剔除10 km2以下零星源地,得到集中连片且面积较大源地21处,总面积约为1 077.3 km2,占全县面积的19.91%。源地土地利用类型以林地和草地为主,面积为608.94 km2,占源地面积的56.52%,这些地类生境质量较高,具备物种栖息地的条件。总体而言,生态源地呈四周集聚成片、中部分散稀疏的格局。其中,草窝滩镇面积分布最广,占比21.35%,其次为中泉乡、喜泉镇、正路乡,占比分别为16.57%、11.57%、9.64%,其余县区源地分布较为零散。

3.4 阻力面构建

根据表2计算阻力因子与权重值形成综合阻力面,如图3所示。整体而言,景泰县生态阻力面空间差异明显,与土地覆盖类型阻力面较为相似,高阻力区域多集中于未加以利用的裸地且距水源较远,以草窝滩镇和五佛乡分布最多,其次为中泉乡和喜泉镇,其余高阻力地区分布细碎零散;中高阻力区域地类现状主要表现为城镇用地、农村居民点及农用地,主要分布于各乡镇居名点周边,该区域人类活动频繁,距离交通主干道较近,植被覆盖度偏低且地势相对平缓;低阻力区域地类现状大多为林地和草地,主要分布于上沙沃镇、寺滩乡及卢阳镇等林草面积占较高的地区,该区域植被覆盖度偏高,距水源较近。

图3 景泰县综合生态阻力面

3.5 生态廊道提取

以1200 m作为生态廊道宽度[23],生成景泰县廊道网络系统。引用重力模型计算源地之间的作用力,甄别廊道网络系统中极重要廊道,剔除冗余廊道。生态源地间的相互作用矩阵见表3。

表3 重力模型相互作用矩阵

由表3可知,生态源地之间作用力越大,表明源地之间的廊道重要性越高,本文以300 m为界,剔除冗余廊道。理论上,生态廊道在区域内建立的数量与生物流动性成正比,廊道数量越多,表明生态空间可调控能力越强。根据相互作用矩阵,最终提取41条生态廊道,廊道长度为6.47～178.43 km,共计1 310.6 km。按生态源地间的相互作用强度,可将生态廊道分为关键生态廊道、重要生态廊道、一般生态廊道3个等级。从数量特征而言,关键廊道有23条,长度共计631.48 km,廊道中心连通性突出;重要廊道有10条,长度共计435.47 km;一般廊道有8条,长度共计243.68 km。

3.6 判别生态节点

生态节点是生态廊道系统的重要补充部分,用于提高生态系统的景观连通性,一般分布在生态廊道极脆弱区域,起巩固廊道系统的作用。基于此,景泰县生态节点的布设位置为:①廊道系统交错重叠区域;②由于生态廊道距离过长可能导致生态网络断裂的区域;③建设用地占用生态廊道区域;④生态廊道途经大型河流湖泊等地;⑤生态廊道与生物多样性极重要部分重叠区域;⑥生态廊道被景泰县交通要道贯穿部分;⑦生态廊道所经生物多样性功能极重要区域。以上节点布设条件和环境特征各不相同,所产生的生态作用也存在一定差异。将①—③类生态节点划定为重要生态节点,④—⑦类生态节点划定为一般生态节点。由此可得重要生态节点10处,一般生态节点33处。景泰县生态空间调控网络如图4所示。

图4 景泰县生态空间调控网络

3.7 关键区域生态修复策略

生态源地、生态廊道、生态节点作为保障生态空间稳定性的关键部分,应当划定为重点保护区域。按照区域生态空间调控网络保障原则,本文明确提出保护生态源地、建设生态廊道、修复生态节点的关键区域恢复策略,根据区域本底评估对生态斑块、廊道、节点提供以下整治和恢复建议。

(1)加强生态源地环境保护。生态源地是区域生态空间调控网络中最重要的部分,是动物生存和繁衍的主要地点,保护生态源地环境极为重要。针对生态源地与农用地交叉部分,采取退耕还林还草措施;针对土地沙化、水土流失性源地,采取生态修复类措施,保证生态源地功能完整性;重大森林生态源地应加大该地区现存动植物资源的保护力度,维持生物多样性,使各类生物有相对适宜的生存环境;做好水污染防治措施,开展水资源保护等项目,尽可能减少人类活动对生态源地造成的影响。

(2)重点建设生态廊道工程。对未被人类活动影响的生态廊道采取必要保护措施以维持现状,对建设用地占用的生态廊道采用生态恢复手段进行人工恢复,以保证廊道系统的完整性,并根据区域生态现状制定适当距离的廊道保护带,降低保护带内人类活动的频率;制定“廊道管理”保护制度,明晰保护具体内容。加强廊道工程建设可以增加源地之间的生物迁移和物质能量流动,进一步改善生态质量和生态环境。

(3)完善生态节点修护任务。生态节点是生态廊道系统的重要补充部分,可以提高生态系统的景观连通性,加强其建设能够保证生态廊道的稳定性。一方面应该建立保护机制,将生态节点作为永久点重点保护,不得改变节点在生态网络中所发挥的作用;另一方面应降低人类活动对生态节点所产生的影响,针对其他用地占用或自然因素损毁的生态节点进行重新修复。

4 结 论

本文基于生态服务功能重要性评估模型和生态环境敏感性评估模型、MCR模型、重力模型构建了一套完整的“源地—阻力面—廊道—节点”生态空间调控网络识别方法。选择县域范围构建生态空间调控网络,并结合各类生态环境对源地、廊道、节点等网络要素,提出对应生态修复策略。得出结论如下。

(1)由生态功能重要性评估结果可知,景泰县极重要区和重要区占县域面积的21%,主要分布在正路乡西南部和中泉乡东南部。

(2)由生态敏感性评估结果可知,景泰县极敏感区和敏感区占总面积的78%,表明景泰县生态敏感性整体偏高,高敏感区主要分布在东北部和东南部,在西北部和西南部零星分布。

(3)通过生态环境敏感性评估和生态系统服务功能重要性评估,共识别21处生态源地,主要分布于县域四周,为大面积林地和草地;综合阻力面阻力值较大区域分布于草窝滩镇和喜泉镇,需重点保护与修复;通过运用MCR模型和重力模型,共提取23条关键生态廊道、10条重要生态廊道、8条一般生态廊道,以及10处重要生态节点、33处一般生态节点,其中耕地、草地、水体是生态廊道重要组成部分,表明生态廊道稳定性有待提升。

(4)结合土地利用现状并依据识别出的生态空间调控网络,合理制定生态修复策略,并针对关键区域提出修护建议。