基于生态安全格局的国土空间生态修复关键区域定量识别——以贵州省为例
时间：2023-02-27 19:45:08 来源：千叶帆 本文已影响人
翟 香, 兰安军, 廖艳梅, 毛春艳, 施厚军, 钟九生
(贵州师范大学 地理与环境科学学院, 贵阳 550025)
国土空间生态保护修复是指协助受损生态系统恢复的过程，起源于欧美国家20世纪初[1]。随着社会经济的快速发展，不断加剧的人类活动对自然资源可持续发展和生态系统连续性造成了严重威胁[2-3]。呈现出生产、生活空间不同程度地挤占生态空间、景观格局破碎化以及地表覆被硬化的趋势[4]。国土空间格局失序、生态环境破坏严重，国土空间生态治理和修复势在必行[5]。
生态安全格局是景观格局优化的空间表现，国土空间生态修复是对国土空间受损、退化生态系统进行恢复与重建[6]。故基于生态安全格局识别国土空间待修复关键区域更具系统性和生态学价值[1,6]。区域生态安全格局的构建能通过生态过程的有效调控来充分发挥生态系统功能及服务[7]。当前，生态安全格局构建已形成“源地—阻力面—生态廊道”的一般研究范式[8-9]。有学者把其用于山地丘陵、石漠化地区生态安全格局构建[10-11]，区域保护地或土地生态网络系统的构建[12-13]，及建设用地减量化的研究[14]。研究方法上，通常使用景观连通性、生态系统评价、生态敏感性评价、粒度反推法等识别生态源地，后构建生态阻力面并利用最小累积阻力模型和电路理论识别生态廊道[15-18]。也有学者把阻碍区纳入此研究领域，通过某一区域移除前后电流的变化情况识别该区域，并把其运用到国土空间生态修复中[19]。现阶段国土空间生态修复是学者关注的热点，如宫清华等[20]以粤港澳大湾区为例研究人地系统耦合框架下国土空间生态修复规划策略。彭建[4]、李红举[21]、王军[22]等就国土空间生态修复的景观生态学认知、统一山水林田湖生态保护修复标准体系以及国土整治和生态修复转型进行了阐述。韩博[2]、丹宇卓[5]等基于“要素—景观—系统”“退化压力—供给状态—修复潜力”等框架对江苏省、珠江三角洲等区域的国土空间生态修复进行研究。亦有学者对基于生态安全格局识别的国土空间生态修复区展开了研究，但多基于市州县域尺度如烟台市[1]、贺州市[6]、河北省阜平县[8]、徐州市贾汪区等[19]。对省域宏观尺度的研究相对匮乏，对其进行研究能充分考虑生态系统的完整性和结构的连通性。
贵州省是云贵高原生态屏障的重要组成部分，区域碳酸盐岩广布、地质基础脆弱、风化成土过程缓慢，生境环境本底脆弱。受历史不良人为活动的影响，水土流失及石漠化等生态环境问题严重。本文以贵州省为例，通过生态敏感性评价结合自然保护地识别出生态源地，加权叠加自然环境因素和人为干扰因素得到生态阻力面，基于最小累积阻力模型和电路理论识别生态廊道，由此构建贵州省生态安全格局；
并诊断生态障碍区，识别其土地利用类型并提出修复策略。以期为贵州省国土空间生态保护修复提供参考。
1.1 研究区概况
贵州省位于我国西南腹地，位于103°36′—109°35′E，24°37′—29°13′N，国土面积176 167 km2[23]。地势西高东低，平均海拔1 100 m左右，主要为高原、山地、丘陵和盆地，其中92.5%的面积为山地和丘陵[24]。地处亚热带湿润地区，具有良好的水热资源条件，但喀斯特地貌分布广泛，特殊的喀斯特山地丘陵地貌形态导致水土资源分布不均[25]。脆弱的岩溶地貌形态和高原山地及强烈的人类活动导致生态破坏，加剧了石漠化和水土流失等生态环境问题。
1.2 数据来源
本文数据来源主要包括：贵州省30 m×30 m DEM数据来自地理空间数据云，由DEM数据提取高程和坡度；
2020年贵州省土地覆盖数据来自于中国科学院地球大数据科学工程数据共享服务系统，分辨率为30 m，结合实际研究内容把土地利用类型重新合并为耕地、草地、林地、建设用地、水域及未利用地6类；
NDVI数据来自美国航天局NASA的MODIS13Q1数据，分辨率为250 m，选取2020年1—12月间质量相对好的数据，经过预处理及投影定义后使用像元统计工具得到2020年贵州省NDVI，并以此为基础计算得到植被覆盖度；
河湖、主要建成区、道路数据根据ZY-3，GF-1遥感影像数据，经预处理分类后目视解释得到；
各类保护区数据源自贵州省及各市州总体规划文件以及《贵州省生态功能区划》文件。数据空间坐标统一为GCS_WGS_1984。
2.1 生态源地识别
生态源地是指提供重要生态系统服务的斑块[9]。生态敏感性是生态系统对人类活动反映的敏感程度，一定程度上可以体现出产生生态环境问题的可能性大小；
区域生态敏感性评价能确定生态环境最敏感的地区和最具有保护价值的地区[26]。因此本文对贵州省生态敏感性进行评价，并选取生态高敏感区叠加为周边生态环境提供服务的自然保护区、大型水源地、湿地保护区、森林公园及风景名胜区作为生态源地斑块。由于省级尺度较大，相关研究中表示在源地斑块较多情况下，不同面积大小生境的景观功能结构复杂程度不同，不宜直接根据所有源地构建全部廊道[12]；
且在地图制图中人眼能分辨的最小距离的最佳值0.25～0.3 mm，故本文选择大于1.05 km2的生态源地斑块，后合并相邻斑块，并把其中零散的、破碎的斑块挑除，再利用自然断点法分为一级源地、二级源地、三级源地[12,27]。
根据已有研究综合考虑贵州省地形坡度特征及地表覆盖特征选取高程、坡度、地表覆盖、植被覆盖和水域5个评价指标评价生态敏感性[16]。由于各因子对生态敏感性的影响程度不同，本文使用层次分析法计算各指标因子的权重(表1)，通过其原理构建判断矩阵并通过一致性检验(CR=0.0203<0.1)。根据生态功能区划中对生态敏感性指标体系的分类标准并结合前人的研究，将各因子划分为高敏感、敏感、中敏感、低敏感、不敏感5个等级，并分别赋值为9，7，5，3，1(表2)。利用各因子划分后敏感性结果以及计算的权重结果，使用ArcGIS加权叠加计算得到贵州省生态敏感性综合图，并通过自然断点法将其划分为高敏感、敏感、中敏感、低敏感、不敏感5个等级区，得到贵州省生态敏感性分级结果。
表1 敏感性因子权重
表2 生态因子分级
2.2 生态阻力面构建
生态阻力面指物种在水平空间上运动及生态流在斑块间流动和传递所受的阻碍，很大程度上受自然环境因素与人为干扰因素的影响[16]。结合已有研究成果与研究区实际情况，选取高程、坡度、土地利用程度、NDVI、距主要道路的距离以及距主要建成区的距离6个因子[10,16]作为构建贵州省基本生态阻力面的单阻力因子，作为构建生态廊道的基础。依据现有研究确定各阻力因子的等级和阻力值，等级越高，生态阻力值越大，越不利于生态源地向外扩张[28]。各因子的权重使用层次分析法进行确定，权重确定一致性检验结果CR=0.0306<0.1，满足一致性检验成果要求。利用各阻力因子以及权重结果，加权叠加得到基本生态阻力面。具体指标体系见表3。
表3 阻力因子及其权重值
2.3 生态廊道与障碍区识别
生态廊道是指生态网络体系中对物质、能量与信息流动具有重要连通作用的带状区域[29]，现被拓展到生态安全保护结构范畴和支撑生态系统运作的重要部分，是生态修复中最有可能改善连通性的结构要素或区域。电路理论是将生态源地斑块及生态阻力面抽象为一系列节点和电阻，研究利用最小累积阻力模型构建生态阻力面，并基于电路理论使用的Linkage Mapper模块构建生态廊道[19]。最小累积阻力模型模型原理如下：
(1)
式中:MCR为景观到源的累积阻力值;f为累积阻力值与景观生态过程的正相关关系;min表示累积阻力最小值;Dij表示景观单元i到源j的空间距离;Ri表示景观单元i对单元运动的阻力值。
生态障碍区是生物在生境斑块间运动受到阻碍的区域，影响生态廊道连接质量，移除这些区域会增加生态重要区间连通的可能性[19]。本文使用Circuitscape插件中Barrier Mapper模块识别出生态障碍区，根据已有文献研究和研究区实际情况，分别以750 m，500 m，250 m为一级源地、二级源地、三级源地的搜索半径检测研究区是否存在阻碍生态过程的潜在区域[12,19]。生态障碍区是生态修复的重点关注区域，识别该区域找出贵州省生态修复区，并结合土地利用针对具体景观类型提出不同的保护措施和修复策略。
3.1 生态源地识别
通过生态敏感性评价得到贵州省单因子敏感性分级结果及综合敏感性分级结果。由图1看出，坡度高敏感区主要分布在贵州省东北部及南部，占贵州省总面积的8.21%，地势起伏越大对生态系统的维护和保护越困难(图1A)。研究区西高东低，海拔越高，越不利于生物多样性的保护，生态系统越脆弱，高程高敏感区主要集中在毕节市威宁县、赫章县及六盘水市西部区域，占研究区面积的4.81%。水域高敏感区集中在水库、河湖及湿地周围，占研究区面积的2.56%。土地覆被高敏感区以河流、湖泊及湿地为主。植被覆盖度高敏感区零散分布在贵州省各市州山林地区域，主要集中在遵义市西北部、毕节市北部及黔西南州东部地区，占研究区总面积的3.21%。结合高程、坡度、水域缓冲区、地表覆盖及植被覆盖度敏感性分级结果，加权叠加得到贵州省生态综合敏感性分级结果(图1F)。结果显示贵州省生态高敏感区主要分布在河湖、湿地、生态林地集中分布且较陡的山地区域，占研究区面积的6.9%，空间上表现为黔中地区分布较少，黔西南及黔北分布较多。
图1 贵州省生态敏感性分级结果
根据敏感性评价结果叠加保护地并分级得到的贵州省生态源地为26 017.90 km2，占贵州省国土面积的14.77%。其中一级生态源地10 413.77 km2，占生态源地总面积的40.03%。二级生态源地占总源地的22.73%。三级生态源地占总源地面积的37.25%。空间上看，大型生境斑块主要集中在黔东南州、遵义市、铜仁市、贵阳市。分布在生态环境条件较好、生境质量高，如大片竹林地区、水域及其周边区域。
3.2 阻力面与生态廊道提取
3.2.1 阻力面的建立 单因子阻力面结果见图2，贵州省高程高阻力值主要位于西部地区，坡度高阻力值分布零散，主要集中在遵义西北部及黔西南东南部。土地利用及NDVI高阻力值在各市州的中心城区，贵阳市、遵义市尤为明显，同时NDVI高阻力值在毕节市西部威宁县也较集中。道路和主要建成区高阻力值主要在贵州省经济发展圈以及由各市州主城区为中心向外扩散，但黔东南州、黔西南州、铜仁市高阻力值相对较少。通过各阻力因子加权叠加得到的贵州省综合阻力面(图3)显示，贵州省生态阻力高值由各市州中心城区向外扩散，其中贵阳市最为显著，遵义市、六盘水市次之，黔东南州、铜仁市、黔南州较不明显，且阻力高值相对较少。研究区阻力值整体上呈现“西聚集东分散，由各市中心向外扩散”的特征，结合贵州省社会经济特点，高值区域人类活动聚集、经济发展相对较快且生态环境受人类扰动大。
图2 单因子阻力面
图3 贵州省综合阻力面示意图
3.2.2 生态廊道提取 基于生成的生态源地与阻力面，利用Linkage Mapper构建贵州省生态廊道，不同级别生境斑块之间物种传播具有一定的差异，结果见图4。贵州省共构建一级生态廊道52条，二级生态廊道168条，三级生态廊道1 194条。生态廊道总长34 765.84 km，其中一级生态廊道3 546.90 km，二级生态廊道7 565.02 km，三级生态廊道23 653.90 km。一级廊道西南至南盘江流域马岭河峡谷附近区域，东至沅江流域九龙洞，北至乌江流域大沙河自然保护区，是连接贵州大型生境斑块的重要廊道。连接了贵州省水源涵养功能及生物多样性维护的重点区域，由黔南月亮湾水源涵养与生物多样性维护片区—黔东武陵山水源涵养与生物多样性维护片区—黔北赤水河流域—黔中贵阳市阿哈湖、百花湖和红枫湖，同时良好的东部生态环境，构建了贵州省东部较好的生态网络系统。二级廊道西起于毕节市威宁县妥打白冠长尾雉自然保护区附近，东至黔东南州黎平太平山自然保护区附近，南起黔西南州坝朝水库附近，北至遵义市黄莲柏箐自然保护区附近。连接了贵州省具有较重要生态功能的生境，与一级生态廊道相比，贵州省西部地区相对集中，弥补贵州省西部重要生态系统的连接。三级生态廊道连接了贵州省各地区小生境生态斑块，较均匀分布在贵州省各地区，为物种迁移提供重要途径。生态廊道连接生态源地时，分布在低阻力值区域，主要沿着河流廊道、林地丰富区及平坦地区，为生态源地间物种传播提供良好的环境，对阻碍生态廊道形成和物种迁移、传播的区域应加以修复和维护。
图4 贵州省生态源地及生态廊道分布
3.3 生态障碍区识别
基于生态安全格局识别生态障碍区，贵州省生态障碍区识别结果见图5，电流强度由浅至深逐渐增大，深色区域为生态障碍区，由于栅格分辨率重采样为250 m×250 m，故最终生态障碍区矢量排除面积小于62 500 m2的斑块，避免图斑过度破碎及分辨率精度达不到造成的误差。最终结果表明贵州省生态障碍区共1 374处，面积3 903.04 km2，集中分布在贵州省西部及北部，尤其以黔中地区最为明显。统计贵州省各市州生态障碍区分布情况(表4)，结果显示毕节市障碍区分布个数最多为272处，占比19.94%；
铜仁市分布个数最少为84处，占比6.55%。生态障碍区面积分布毕节市最大为792.43 km2，占比20.30%；
黔东南州障碍区分布面积最少为144.67 km2，占比3.71%。生态障碍区分布特征为贵阳市集中连片多分布，黔东南州、铜仁市零散破碎少分布。这与贵州省经济发展特征和本底生态建设有一定联系，贵阳市作为贵州省的省会城市，是贵州省经济发展的核心区域，建设用地及受人为扰动的区域较多，生态环境建设存在一定困难。黔东南州位于贵州低海拔地区，年均降水量较高，蒸发量较小，且区域范围内多为非喀斯特区，地表径流相对其他区域较丰富，是贵州省生物多样性的重要区域，且受区域居民特殊生活方式和习惯的影响，生态系统破坏较少。
图5 贵州省生态障碍区及其电流强度空间分布
表4 贵州省各市州生态障碍区分布情况
基于构建的贵州省生态安全格局，建立了贵州省生态网络系统，对生态源地提出强化保护措施，对生态廊道存在的生态障碍区提出修复意见。保障和提高贵州省生态基质和生态空间的稳定性，提升生态系统服务供给能力。
4.1 强化生态源地的保护
生态源地作为区域生态系统服务功能供给的主要核心区域，其稳定性影响着研究区生态安全，因此生态源地的强化保护极其重要。受地形地貌影响，研究区生态源地分布零散，以各类保护区、森林公园、风景名胜区、湿地保护区、水库及高覆盖林区为主。区域内除向游客提供观光功能外，应禁止其他建设用地的开发和建设，强调用地的自然属性和生态维持功能。对于湿地和水域范围，应加强入河排污口监测、水生态系统保护、水源地保护以及限制河流开发，并加强河湖周边绿化及湿地绿化建设，增强水域和湿地的生态功能，有效防止城市建设扩张对生态源地造成威胁。
4.2 生态障碍区修复策略
利用识别的生态障碍区与土地利用数据相交，结果见表5，障碍区土地利用主要为耕地、林地，辅以草地和建设用地。障碍区内耕地占障碍区总面积的42.75%，其次的林地占比36.73%，草地和建设用地占比分别为11.24%，8.79%。障碍区土地利用空间分布(图6)显示，耕地散落分布在各市州，其中贵阳市、毕节市、遵义市分布较集中。林地与草地在毕节市、六盘水市及黔西南州分布较集中。建设用地在贵阳市、遵义市、六盘水市、安顺市中心城区分布较明显。
图6 生态障碍区土地利用类型空间分布
表5 障碍区土地利用类型分布情况
生态障碍区中除永久基本农田以外的耕地可有序进行退耕还林还草，永久基本农田内的应加强整治、适应地方特色加强环境工程建设，充分发挥耕地的生态功能。林地区域的生态修复应重视其生长和采伐利用动态平衡，并对低质低效林进行改造和退化，加强森林抚育，提高森林质量。草地生态薄弱区域可种植常见本土优势草本植物或植树造林。建设用地修复主要包括了城乡及矿区3个主体，针对城镇建设用地应有条件的引导入口逐步有序转移，积极开展城镇绿地、绿心建设及垃圾整治工程等，最大限度减少人类活动对生态环境的影响，建立环境恢复体制；
对于乡村建设用地修复可依托乡村振兴战略，加快村庄绿化建设，发展特色农林业经济，改善农村生态环境；
对于矿区范围，针对矿渣堆积的地貌景观破坏以及采矿造成的塌陷等问题，改善周期较长，需有序退出并开展污染治理工程，恢复矿区生态系统。河流水域修复主要以淤泥清理，水质监测、污染治理及岸边绿化种植为主。通过对各种生态景观进行恢复，联动各级各类修复工程，改善生态环境质量，提高生态系统连通，优化贵州省生态安全格局。另外还应注重生态自然恢复，生态修复是一个长期的过程，人为修复工程能最快地恢复受损区域，但生境质量和生态功能的最优化需靠本底生态环境的提高。
(1) 贵州省生态高敏感区主要集中在河湖、湿地周边以及自然林地集中较陡的山地，占贵州省国土面积的6.9%。识别出生态源地26 017.90 km2，其中一级源地比重最大，三级源地次之，二级最少，大型生境斑块主要分布在贵州省东部地区，分布区域生态环境条件好，生境质量高。生态阻力面高值具有“西聚集东分散，由市中心向外扩散”的特征，高值区域人类活动频繁聚集、经济建设较好且生态环境受人类影响大。
(2) 贵州省共构建生态廊道1 414条，长34 765.84 km。主要分布在河流廊道、林地丰富、较平坦的地区，为生态源地物种的传播及迁移提供良好的环境。一级生态廊道主要在东部区域，连接贵州省大型生境斑块；
二级生态廊道连接了贵州省较重要生境斑块区域，弥补了一级生境在西部地区的缺失；
三级廊道连接了贵州省各区域的小生境斑块，构建了贵州省完整的生态网络系统。
(3) 研究区识别出需修复障碍区1 374处共3 903.04 km2，主要集中分布在贵州省西部及西北部，其中贵阳市集中连片，黔东南州、铜仁市零散分布。分布差异与贵州省各市州社会经济条件、地形地貌及本底生态环境质量有关。
(4) 基于生态安全格局，强化生态源地保护，提出生态障碍区修复策略，其中需修复生态障碍区主要为耕地及林地，不同生态景观需采取具有差异的修复措施并联动各类修复工程，以增强本底生境，改善生态环境质量，提高生态系统连通性，优化贵州省生态安全格局。
本文基于生态安全格局探索贵州省国土空间生态修复障碍区，融入景观格局优化理念，考虑了景观格局整体性和生态功能重要性。研究通过生态敏感性评价耦合保护区，防止具有重要生态功能生态源地的遗漏；
综合自然环境因素和人为干扰因素加权叠加获得生态阻力面，充分考虑人类活动对生态环境系统的扰动；
基于最小累积模型和电路理论，利用最短成本路径获得生态廊道，考虑了景观连通性。根据不同生境斑块识别出不同范围大小的生态障碍区。较完整、系统地表现了贵州省国土空间生态保护修复的空间分布格局及其重点区域，后期将结合贵州省区位因素及地理环境，对贵州省生态景观连通性进行评价，并对贵州省石漠化敏感性、水土流失敏感性、生物多样性、水源涵养功能重要性、水土保持功能重要性等进行研究，以全面表现贵州省的生态系统情况。另外增加对生态“夹点”、生态断裂点等需修复区域的研究，以较完整的体现贵州省的生态修复区，以期为贵州省国土空间生态修复提供更精确和全面的评估。
