基于景观生态风险评价的赣州市景观格局优化

陆 晴,胡慧敏,樊欢欢,闫 冰

(1.东华理工大学自然资源部环鄱阳湖区域矿山环境监测与治理重点实验室,330013,南昌; 2.东华理工大学测绘与空间信息工程学院,330013,南昌; 3 . 江西省科学院能源研究所, 330096,南昌)

0 引言

近年来,随着人口不断增长和城镇化快速推进,生产空间和生活空间不断挤压生态空间,导致全球范围内生态风险压力增大,生态斑块规模逐渐减小、联系逐渐减弱,景观破碎化程度加重[1-2]。生态风险是生态系统的生态功能受到外界干扰时,其健康、生产力、遗传结构、经济价值和美学价值等各方面所要承受不利影响的可能性[3]。生态风险评价是生态系统及其组分在经历外界胁迫的情况下,评估其当前发生或将要发生的不良生态影响的过程的一种方法,是预估生态系统质量阈值、进行生态环境风险监控、支持生态系统管理的重要工具[4-5]。作为生态风险评价在区域尺度上的重要分支,景观生态风险评价不仅研究景观格局与生态过程的互馈过程,而且注重景观生态学时空异质性,现已成为可持续发展和生态环境变化研究的热点之一[6-7]。常用评价方法有景观格局指数法和传统景观风险源-汇理论的方法[8]。景观格局指数法主要结合 GIS 空间分析及 Fragstats 软件等方法,基于遥感影像、气候数据、土地利用数据、社会经济数据,从生态系统服务[9]、“生产-生活-生态空间”[10]及“自然-人类社会-景观格局”[11]等多维度视角,以水系流域[12-13]、单一城市与城市群[14-15]、沿海地区与海岸带[5,16]、生态敏感区[17-24]等多尺度区域生态风险评价为主,重点分析景观生态风险的时空演变[25],深入探究其驱动因素与机制[9,23,26],为后续景观格局优化[8,11]和区域生态风险管控等方面提供有效指引。

景观格局优化是基于景观生态学原理,在空间上对景观要素进行调整组合,从而优化土地利用格局,以实现景观价值与生态效益最大化[8]。景观格局优化研究多依托景观生态学,识别景观生态风险路径,干预生态风险过程,从而实现景观管理、规划和设计的优化[27]。景观格局优化研究方法多样,且大多集成使用,目前使用较多的是形态学空间格局分析方法[2],景观连通性指数[28]、最小累积阻力模型[12]、未来土地利用模拟[29]等。其中,Knaapen 等[30]提出的最小累积阻力模型(MCR)能够较好反映景观内部单元在水平方向上的空间扩散趋势,直观表现景观格局对生态过程的影响。因此,广泛应用到多种生态过程阻力的模拟中[11,31]。目前,“识别生态源地—构建阻力面—提取生态廊道和生态节点”已成为优化景观格局和构建生态网络基本范式[31]。但在具体应用上仍缺乏标准完善的方法体系。如在现有的识别生态源地方法中过于依赖生态重要性,忽略生态敏感性[32]。在构建阻力面时,阻力因子参数不一,以往研究多引入景观要素阐释研究区景观格局阻力,缺乏考虑地形、人类活动对阻力值的影响[11]。界定生态节点时,以往研究多直接采用廊道断裂点、廊道交汇点,没有将阻力值大小与廊道整体相结合。

土地作为地表景观的直观表现形式,其利用变化已成为景观格局生态风险的重要驱动力,不仅影响单一生态地理要素,对区域整体生态健康和安全也有一定作用[5]。作为我国革命老区以及南方地区重要的生态屏障,赣州市森林资源丰富,土壤类型复杂,以花岗岩风化物发育的红壤为主,崩岗侵蚀较严重且分布较广,有很高的研究价值,但关于其景观生态风险评价和景观格局优化的研究却不多见。因此,本研究以赣州为研究对象,基于土地利用数据、气候数据及高程数据,运用 Fragstats 4.2 软件计算景观格局指数并构建生态风险评价模型 ,分析赣州市土地利用变化趋势和景观生态风险的时空分异特征,再选择连通性较好的生态斑块作为生态源地,用最小累积阻力模型构建生态廊道和确定生态节点,最后根据研究区当前发展状况及未来发展需求,确定景观格局优化方案,为协同赣州生态资源开发利用与景观生态风险管控,实现综合效益最大化和可持续发展提供参考。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区概况

赣州市位于江西省南部,地处赣江上游、东江、北江源头,不仅是江西省最大的设区市,还是东南沿海地区向中部内地延伸的过渡地带,现辖18个县(市、区),面积39 362.96 km2,人口983万。赣州介于北纬24°29′～27°09′、东经113°54′～116°38′之间,地处中亚热带南缘,属亚热带丘陵山区湿润季风气候,地形以山地、丘陵、盆地为主。赣州是内地通向东南沿海的重要通道,也是江西母亲河赣江和香港饮用水东江、北江的源头。赣州钨与稀土资源丰富,是全国稀有金属产业基地和先进制造业基地。同时,赣州北连长江经济带,南通粤港澳大湾区,是连接两大国家战略发展区域的中间节点。

1.2 数据来源

本研究中土地利用矢量数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn/),基于研究需要,采用ArcGIS10.2软件将研究区土地类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6个一级类。高程数据(DEM)来源于美国国家航空航天局(http://www.nasa.gov/)栅格大小为30 m。道路数据和水系数据来源于 Open Street Map 网站( http://www.openstreetmap.org) 。归一化植被指数(NDVI)数据源于国家生态数据中心资源共享服务平台 (nesdc.org.cn)。以上数据空间分辨率统一为 30 m,均为2020年数据。

图1 赣州市区位及土地利用现状图

2 研究方法

2.1 景观生态风险模型

2.1.1 风险单元划分 划分风险评价单元计算各单元内的景观生态风险指数可提高计算精确度、便于揭示生态风险分布规律。因此,本研究根据研究区面积大小和数据计算量,将研究区划分为 3 km×3 km 的风险评价单元。通过 Fragstats 4. 2 软件分别计算景观指数,从而定量评价各风险单元的景观生态风险状况。

2.2.2 景观格局指数构建 参考前人对景观生态风险的研究成果[4,8,19],本研究选取景观干扰度指数、脆弱度指数和损失度指数构建赣州市景观生态风险评价模型,揭示赣州市景观生态风险的空间分布。景观生态风险指数的计算公式见表1。

表1 景观生态风险指数计算方法

利用景观生态风险评价模型求得各风险评价单元的生态风险指数,再在 ArcGIS 10.2中利用克里金插值法以此作为各评价单元中心点的生态风险值,获得赣州市景观生态风险空间分布格局图(图2) 。参考前人研究[33-34],并结合自然断点法,将研究区生态风险水平划分为低风险、较低风险、中等风险、较高风险和高风险 5 个等级。

图2 赣州市景观生态风险等级空间分布图

2.2 景观格局优化

2.2.1 生态源地识别 生态源地是生态系统中功能完善、结构稳定的核心区域。本文确定在低风险和较低风险的生态区域,选择林地这一对研究区生态环境的功能完善、稳定发展起到较重要影响的土地利用类型的大面积斑块作为生态源地[35]。

2.2.2 生态阻力面构建 构建恰当的生态阻力面是科学提取生态廊道和生态节点的基础。因此,本研究在前人研究基础上[35],结合研究区实际生态状况,确定了景观格局、高程、坡度、归一化植被指数(NDVI)、道路、到水系的距离共 6个阻力因子,并对其进行分级赋值,从而得到各阻力因子的阻力值等级图,再基于层次分析法确定各阻力因子的权重,然后利用栅格计算工具将全部阻力因子等级图进行加权叠加运算,最终生成赣州市生态综合阻力面。阻力因子具体明细见表2,各生态阻力面空间分布见图3。

表2 生态阻力因子等级和权重

图3 赣州市景观格局优化网络图

2.2.3 最小累积阻力面模型 为提取“源地”景观的空间运行最优路径,采用最小累积阻力( minimum cumulative resistance,MCR) 模型进行计算,其公式为:

(1)

式中,MCR是从源地某点扩散到其他点的最小累积阻力值,f表示MCR与变量Dij和Ri之间正相关关系的函数,Dij是从源地j扩散到空间某点跨过景观i的空间距离,Ri是景观表面i对源地扩散方向的阻力。

2.3 重力模型

重力模型可以定量评价斑块间相互作用强度的大小,作用强度越大,生态廊道越重要。因此,采用重力模型判定生态廊道对区域景观格局的相对重要性。具体见表3。公式如下:

表3 基于重力模型的生态源地相互作用矩阵

(2)

式中,Gij表示源地i、j之间引力值,Ni、Nj是源地i和j的权重系数,Dij为源地i和j之间廊道累积阻力值,Si、Sj表示源地i和j的面积,Lmax是研究区内所有生态廊道累积阻力的最大值,Lij为源地i、j之间廊道的累积阻力值,Pi、Pj为源地i、j的阻力值。

将各斑块间相互作用引力值按照自然断点法进行分级,取引力值大的前两级划分为一级生态廊道,其余划为二级生态廊道。

生态节点是生态网络中需要重点关注和保护的生态脆弱区域。结合研究区的实际情况,本研究利用成本距离和成本路径工具提取累计阻力值最高的“山脊线”和最低的“山谷线”,以“山谷线”作为生态廊道,将“山脊线”与生态廊道的交汇点作为生态节点。

3 结果与分析

3.1 景观生态风险分析

赣州市5 种生态风险等级中,低风险区和较低风险区面积较多,中等风险区、较高风险区和高风险区面积所占比例较少,呈现北高南低,中间高、四周低的空间分布格局。

低生态风险区和较低生态风险区集中在崇义县、大余县、上犹县、安远县、信丰县、寻乌县、定南县、龙南市和全南县等赣州西南部,分属南岭山地水源涵养区和岭南山地丘陵保土水源涵养区,该区域森林结构相对稳定,林草覆盖率较高,有九连山和齐云山两大国家自然保护区,是东江和北江的两江源头。因此土地开发利用程度较低,人为扰动较为轻微,景观脆弱度和破碎度较低,整体景观生态风险水平低于其他区域。

中高生态风险区域分布较集中,主要分布在于都县、兴国县、石城县和瑞金市、赣县区、南康县和章贡区等赣州东北部和中部。章贡区、赣县区和南康区是赣州市核心城区,人口密集,人类活动频繁,土地利用开发程度强,生产建设项目较为集中,属于中高生态风险地区。宁都县、于都县、兴国县和石城县位于贡江流域上中游,属赣南山地土壤保持区,经济发展水平相对落后,既是传统革命老区,也是全国水土流失重点治理“八大片区”之一,历史上水土流失严重,虽经综合治理取得良好效果,但仍未有效改善生态脆弱的基础条件,且现有植被多为人工恢复的马尾松低效纯林,植被群落结构单一,林下水土流失严重,景观破碎度和干扰度较高,仍属于高生态风险地区。

3.2 生态网络构建

3.2.1 生态源地 生态源地应该具有持续提供丰富生态系统服务的特性。参考相关研究[35],在景观生态低和较低风险区域,选择研究区连续的大面积林斑地块作为生态源地。筛选出生态源地共有8个,对比《赣州市国土空间总体规划(2021—2035年)》,生态保护红线保护的连片重点区域大部分也落在筛选的生态源地中,这说明结合景观风险的生态源地提取方法具有一定的合理性。生态源地分布与规划中“四屏三区三源多廊”生态安全格局的生态功能区相似,其中,生态源地1以安远县为中心,向章贡区、瑞金市和龙南县方向延伸,沿九龙山脉和武夷山脉分布广泛;生态源地2位于定南县和全南县;生态源地3和7位于研究区西部大余县、崇义县和上犹县,大庾岭和罗霄山脉之间;生态源地4和6沿雩山山脉,分别主要在兴国县和宁都县;生态源地5在龙门县沿罗霄山脉,并向内延伸 入瑞金市;生态源地8贴近区域发展中心,位于章贡区、赣县区和南康区的交接地带。

3.2.2 阻力面 对比各个阻力因子阻力值空间分布图(图4)可以发现,植被覆盖度和坡度的阻力值分布趋势恰好相反,这是因为植被覆盖度低、坡度低的区域适宜开发生产建设,多是各中心城区所在地,生产建设活动频繁。高程阻力值分布呈现西南以及四周阻力值高趋势,也契合赣州市四周有武夷山、诸广山及南岭的九连山、大庾岭等群山,形成周高中低、南高北低的地势。道路阻力值分布呈现出围绕章贡区等核心城区以京广铁路、赣龙铁路、赣韶铁路、昌赣高铁等主要交通路线为中心向外逐渐降低的趋势。与水系距离的阻力高值区呈带状分布,与主要铁路干线大致重合,其余基本为低值区,这是因为赣州市河流纵横,基本属富水区,水系呈辐辏状向中心章贡区汇集。

图4 赣州市其余生态阻力因子包括NDVI(a)、DEM(b)、坡度(c)、与道路距离(d)、与水系距离(e)和综合阻力面(f)空间分布图

从综合阻力面可以看出赣州市整体呈现出阻力值北高南低,由西南向东北延伸逐渐升高的空间规律。阻力值高值区主要集中在章贡区等核心城区,并沿主要交通线路呈条带状分布,原因在于城市建筑高度集中,人类活动剧烈,更大程度上加强了生态流动过程受到的环境阻力。而另一个阻力值高值区域主要分布在东北部区,该区水土流失严重,生态环境更脆弱,严重影响了生态物质循环。阻力值低值区主要位于西南部,该区植被覆盖度高,河流众多,人为扰动轻微。

3.2.3 生态廊道 在保证源地间互相连接的原则下,按路径累计成本最低原则提取生态廊道共28条。其中一级廊道5条,累计长达369.85 km,二级廊道23条,累计长达4 120.97 km。从整体空间分布上观察,廊道较为密集分布在赣州市的西部和中部,一级廊道零散分布在研究区北、中、南三区,而二级廊道以生态源地8为中心,连接其他各源地呈五角星网状分布。连接源地1、2之间的一级廊道贯通定南县南部,横向穿越九连山国家自然保护区,该区稀土资源十分丰富,应以废弃矿山生态修复,完善水源涵养、土壤保持等生态功能为重点。连接源地3、7、8之间的一级廊道横向经过崇义县、大余县及南康县等区域,廊道中部两侧建设用地和耕地居多,主要增加生态源地8与其他源地之间的物质交换与生态流动,提供物种迁徙路径。连接源地4、5、6之间的一级廊道由西北向东南穿越赣州市北部的宁都县、兴国县、于都县、瑞金市等区域,经过雩山山脉及武夷山脉的北段,该区植被覆盖度较低,地质条件差,崩岗普遍存在,水土流失严重,因此要加强重要生态屏障建设,由廊道向两侧延伸多植树造林,增加植被覆盖率,以此充分发挥生态廊道功能。除了研究区东北部没有识别生态源地,导致缺乏生态廊道,二级生态廊道总体分布较为均匀,可很好地促进研究区内部生态循环和流动, 从而缓解城市经济发展与生态保护之间的矛盾。今后可再在东北部增补生态源地或生态踏脚石来完善生态网络,打造生态高效、空间均衡、全域联通的生态网络布局。

3.2.4 生态节点 本研究结合研究区实际状况,将一级生态廊道与最小累计阻力面的最大成本路径即“山脊线”的交汇点划分为一级生态节点,将二级生态廊道与“山脊线”的交汇点划分为二级生态节点,共判别出研究区生态节点63个(图3)。生态节点为生态网络中的薄弱点,如不注意防护,容易遭受破化成为生态断裂点,极大影响生态源地间的物质能量流通和物种迁徙。地区生态节点总体呈现“西多东少、北多南少”的空间分布格局。其中一级生态节点12个,零散均匀分布于一级生态廊道和生态源地内部,土地利用类型以林地为主,可通过加强林地保护与管理来减弱外界活动的胁迫。二级生态节点51个,主要沿着二级廊道集中分布在研究区西部,所连接的区域多为高阻力值的建设用地和耕地,这些生态节点对人类活动响应剧烈,可通过限制开发建设活动和建设生态缓冲带来提高与源地间的连接性。

3.3 生态修复与优化

针对以上地区生态风险和生态网络分析,为提升地区生态系统的稳定,提出以下建议。

1)建立生态优化分区管控体系。西南地区生态风险等级较低,但矿产资源丰富、矿产开发集中,易产生一系列地质灾害、环境污染和水土流失等生态环境问题,因此,矿业开发的产业监管和生态修复是这一区域的重点工作之一。宁都县、于都县、兴国县等东北地区处于中高生态风险等级,应加大对生态保护修复方面的投入,继续推进低质低效林改造,优化森林植被群落结构,加强监管山地林果产业开发。赣县区、南康县及章贡区等核心城区生产建设项目多,就以坚守环境底线、协同发展社会经济为指引,重点建设政策制度和监管平台以实施环境治理修复。

2)对于生态源地,必须落实最严格的生态保护政策,使其能够发挥最大生态价值。对于已经遭到破坏,趋于破碎化的生态源地,整治理念从过度干预、过度利用向自然修复转变,禁止其内部的建设活动侵占生态用地的行为,并开展针对性的整治工作。如规划推进国家级湿地公园开展湿地恢复工程。

3)对人类活动响应剧烈的生态廊道和生态节点加强保护和管理,通过提升区域内生态用地的比重,减少周边开发利用活动,从而提高景观斑块连通性。如协同推进赣江及主要河流岸线修复与水生态建设,建设河湖生态缓冲带。

4)注重生态保护和整治的系统性、整体性和协同性,与其他部门互联互通,持续推进重点生态区域保护修复,突出抓好水源地及重要林地区、生态敏感区的生态安全优化,促进区域生态环境质量整体提升。

5)加强生产建设活动和林地开发活动信息化监管,打破部门和区域界限,有效整合资源,形成切合赣州实际的景观生态预防保护、景观风险动态监测、生态源地综合治理、景观格局整体优化的生态安全新格局。

6)构建多元化投入机制,引导和鼓励企业和公众参与生态保护和修复。激发绿色动能,将生态优势转化为经济优势、发展优势,大力发展生态经济,壮大绿色产业,助推兴国、于都、瑞金等革命老区乡村振兴发展,实现绿色发展。

4 结论

本研究以赣州为研究区,计算景观格局指数并构建生态风险评价模型,分析了2020年赣州市景观生态风险的空间分布特征,在识别生态源地基础上,利用最小累积阻力模型提取生态廊道和生态节点,并最终确定景观格局优化方案。研究结论如下。

1) 研究区景观生态风险空间分布差异显著,低风险区和较低风险区面积较多,中等风险区、较高风险区和高风险区面积所占比例较少,呈现北高南低,中间高、四周低的空间分布格局。低生态风险区和较低风险区集中在崇义县、大余县、定南县、龙南市和全南县等赣州西南部,中高生态风险区域主要分布在于都县、兴国县、石城县和瑞金市、赣县区、南康县和章贡区等赣州东北部和中部。

2) 研究区形成了由 8处生态源地、28条生态廊道、63处生态节点构成的景观优化网络格局。生态源地分布与规划中“四屏三区三源多廊”生态安全格局的生态功能区相似,为九龙山脉、武夷山脉、罗霄山脉和雩山山脉地区林地。生态廊道累积长达4 490.82 km,整个研究区生态廊道较为密集分布在赣州市的西部和中部,其中5条一级廊道零散分布在研究区北、中、南三区,促进源地之间生态流动;23条二级廊道围绕生态源地8,连接其他各源地呈五角星网状分布全域,构成多层次全方位的生态屏障。生态节点总体呈现“西多东少、北多南少”的空间分布格局。其中一级生态节点12个,较均匀分布于一级生态廊道和生态源地内部;二级生态节点 51 个,主要沿着二级廊道集中分布在研究区西部,所连接的区域多为高阻力值的建设用地和耕地。

3) 针对景观生态风险强度不同,建议构建生态优化分区管控体系。针对生态源地、生态节点、生态廊道提出不同的保护管理策略,加强生态源地保护,重视廊道和节点建设,提升生态安全水平,使其能够发挥最大生态价值。此外还应加强信息动态化监管,实现各部门资源共享,激发绿色动能,大力发展生态经济,促进赣州市经济发展与环境保护协同发展。