典型高原湖泊流域生態(tài)安全格局構(gòu)建——以杞麓湖流域?yàn)槔?/h1>
2019-02-27 08:41:30趙筱青李思楠苗培培普軍偉
中國(guó)環(huán)境科學(xué) 2019年2期
趙筱青,譚 琨,易 琦,李思楠,苗培培,普軍偉
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典型高原湖泊流域生態(tài)安全格局構(gòu)建——以杞麓湖流域?yàn)槔?/p>
趙筱青,譚 琨,易 琦*,李思楠,苗培培,普軍偉
(云南大學(xué)資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院,云南 昆明 650091)
以“源”和生態(tài)環(huán)境保護(hù)為目標(biāo),引用最小累積阻力模型(MCR)對(duì)杞麓湖流域生態(tài)安全格局進(jìn)行定量研究.結(jié)果表明:杞麓湖流域平均生態(tài)安全指數(shù)為2.59,生態(tài)安全以較低安全為主,占流域總面積的36.33%,中度安全和不安全次之,分別占流域總面積的23.36%和22.53%,高度安全面積最少,僅占17.77%.較低安全區(qū)主要分布在西北部、東南部和西南部,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這些地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)建設(shè).此外,以天然林地、重要水庫(kù)和湖泊緩沖區(qū)100m以?xún)?nèi)區(qū)域作為生態(tài)源,選取坡度、海拔、植被覆蓋度、土地覆蓋類(lèi)型、距水體距離、距建設(shè)用地距離、距居民點(diǎn)距離、距道路距離等8個(gè)阻力因子,結(jié)合MCR模型與GIS的cost-distance分析模塊,生成最小累積耗費(fèi)距離表面,劃分5個(gè)阻力等級(jí);依據(jù)累積阻力值頻率變化特點(diǎn)及生態(tài)服務(wù)功能,確定了生態(tài)緩沖區(qū)、生態(tài)過(guò)渡區(qū)、生態(tài)邊緣區(qū)、農(nóng)業(yè)耕作區(qū)和人類(lèi)活動(dòng)區(qū)共5個(gè)生態(tài)功能區(qū).杞麓湖流域生態(tài)源總面積為126.87km2,占流域總面積的35.74% ,生態(tài)源在面積、數(shù)量和空間分布上都存在較大的差異,呈四周連片集中,中部分散破碎的分布格局,生態(tài)廊道呈四周連續(xù)緊湊,中部分散破碎的空間格局.生態(tài)節(jié)點(diǎn)的空間阻力值存在較大差異,部分生態(tài)節(jié)點(diǎn)累積阻力比較大,位于流域景觀累計(jì)阻力值最大區(qū),對(duì)生態(tài)流的流通安全性具有較大影響.基于最小累積阻力面,結(jié)合GIS的Hydrology模塊,構(gòu)建了由生態(tài)源與19個(gè)生態(tài)節(jié)點(diǎn)、23條生態(tài)廊道共同組成的具有結(jié)構(gòu)性的流域景觀生態(tài)安全格局,并提出了相應(yīng)的建議,對(duì)高原湖泊流域研究及生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有一定的參考價(jià)值.
生態(tài)安全；生態(tài)安全格局；最小累積阻力模型；生態(tài)環(huán)境；杞麓湖流域
20世紀(jì)80年代以來(lái),隨著生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益凸顯,生態(tài)安全格局構(gòu)建引起了廣泛關(guān)注[1].杞麓湖作為云南省九大高原湖泊之一,具有多種生態(tài)功能,但隨著流域內(nèi)人口迅速增加,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)加劇了用水壓力,加之“十二五”期間連續(xù)多年干旱等原因,加劇了流域生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn),生態(tài)環(huán)境保護(hù)形勢(shì)嚴(yán)峻.
生態(tài)安全格局的建立旨在為景觀生態(tài)過(guò)程的安全和健康問(wèn)題提供最優(yōu)的解決方案.一個(gè)典型的景觀生態(tài)安全格局由源、緩沖區(qū)、廊道、和生態(tài)節(jié)點(diǎn)(戰(zhàn)略點(diǎn))所組成,這些關(guān)鍵組分對(duì)維護(hù)和控制某些生態(tài)過(guò)程以及景觀格局的形成具有重要意義[2].近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生態(tài)安全格局構(gòu)建理論和方法進(jìn)行了諸多研究[3-6],國(guó)外對(duì)生態(tài)安全的研究主要表現(xiàn)在:環(huán)境污染引發(fā)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、國(guó)家層面生態(tài)安全政策的制定和微觀生態(tài)系統(tǒng)健康與質(zhì)量評(píng)估3個(gè)方面,國(guó)內(nèi)主要集中在對(duì)生態(tài)安全概念、內(nèi)容和方法、進(jìn)展等方面的研究,現(xiàn)今生態(tài)安全格局研究逐步轉(zhuǎn)向以自然生態(tài)系統(tǒng)為主,與社會(huì)經(jīng)濟(jì)耦合的相互協(xié)同格局發(fā)展趨勢(shì).生態(tài)安全格局的劃分方法主要包括基于GIS技術(shù)的適宜性評(píng)價(jià)方法、最小累積阻力模型、成本距離模型和景觀生態(tài)學(xué)“源—匯”理論的空間格局分析方法等[7].最小累積阻力(MCR)模型是建立生態(tài)安全格局的重要基礎(chǔ),表示“源”擴(kuò)展的最小累積成本距離,它可將“源”和生態(tài)過(guò)程有效的聯(lián)系起來(lái),在生態(tài)安全格局構(gòu)建方面具有良好的適用性和擴(kuò)展性[8].
本文以“源”和生態(tài)環(huán)境保護(hù)為目標(biāo),選擇具有多功能的高原湖泊杞麓湖流域?yàn)檠芯繀^(qū),運(yùn)用MCR模型并結(jié)合GIS的cost-distance與Hydrology分析模塊確定生態(tài)安全格局各基本組分,除常規(guī)生態(tài)安全格局組分構(gòu)建外,研究根據(jù)累積阻力值頻率變化特點(diǎn)及生態(tài)服務(wù)功能確定5個(gè)生態(tài)功能區(qū),并針對(duì)各生態(tài)功能分區(qū)提出了具體的落實(shí)管理建議與措施,利于加強(qiáng)生態(tài)安全格局與生態(tài)過(guò)程之間的聯(lián)系.大部分研究都是以某個(gè)縣市或區(qū)域?yàn)閷?duì)象,而對(duì)高原湖泊流域生態(tài)安全格局構(gòu)建的研究較少,因此本文以典型高原湖泊杞麓湖流域?yàn)槔?展開(kāi)生態(tài)安全評(píng)價(jià)及生態(tài)安全格局的構(gòu)建,對(duì)維護(hù)其生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、高原湖泊杞麓湖及當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的保護(hù)和生態(tài)服務(wù)功能的保障,處理生態(tài)保護(hù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,同時(shí)研究思路和方法將為其流域生態(tài)安全格局構(gòu)建提供參考.
1 研究區(qū)概況及研究方法
1.1 研究區(qū)概況
杞麓湖流域位于云南省中部,102°33￠482E~ 102°52￠362E,24°4￠362N~24°14￠22N之間(圖1).總面積354.94km2,總?cè)丝?40896人.杞麓湖是通?？h的主要水域,杞麓湖流域是一個(gè)典型的高原湖盆地,中部為湖泊,湖周為平壩區(qū),主要分布在湖泊的南、西、北三面,壩區(qū)外圍為中、低山,海拔高程多在1979~ 2100m之間.流域內(nèi)溝壑縱橫,地形復(fù)雜,氣溫、降雨、濕度、土質(zhì)等差異較大.產(chǎn)業(yè)以鋼鐵及其制品加工行業(yè)、造紙彩印包裝、食品加工、化肥制造為主,使湖泊水質(zhì)持續(xù)惡化趨勢(shì),進(jìn)一步激化了流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)—社會(huì)—生態(tài)系統(tǒng)的基本矛盾.
1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理
研究數(shù)據(jù)包括土地覆蓋類(lèi)型、植被覆蓋度、DEM數(shù)據(jù)、距水體距離、距建設(shè)用地距離、距居民點(diǎn)距離等.其中土地覆蓋類(lèi)型數(shù)據(jù)采用美國(guó)地質(zhì)勘探局(USGS)15m空間分辨率的Landsat8 OLI—TRIS遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行人機(jī)交互式室內(nèi)遙感解譯和野外驗(yàn)證得到,實(shí)地的采點(diǎn)驗(yàn)證表明,解譯精度為90.32%,符合研究需要.植被覆蓋度利用ENVI5.1軟件從遙感影像上提取;DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(30m′30m),主要用來(lái)提取所需坡度和海拔數(shù)據(jù);DEM數(shù)據(jù)和遙感影像是流域邊界提取的主要數(shù)據(jù)源,本流域邊界矢量數(shù)據(jù)由云南省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站提供;距水體距離、距建設(shè)用地距離和距居民點(diǎn)距離等數(shù)據(jù)從土地覆蓋類(lèi)型矢量數(shù)據(jù)中提取,結(jié)合GIS空間分析技術(shù),建立多級(jí)緩沖區(qū)得到;社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于通?？h統(tǒng)計(jì)年鑒;此外還有來(lái)自于環(huán)境保護(hù)局、國(guó)土資源局、通?？h人民政府等部門(mén)的相關(guān)流域治理防治規(guī)劃和專(zhuān)題報(bào)告等數(shù)據(jù)資料.
圖1 研究區(qū)位置
1.3 研究方法
研究運(yùn)用MCR模型,結(jié)合GIS分析模塊,構(gòu)建最小累積阻力面,然后識(shí)別生態(tài)源、生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點(diǎn)等生態(tài)安全格局組分.
1.3.1 生態(tài)安全評(píng)價(jià) 運(yùn)用綜合指數(shù)法結(jié)合GIS加權(quán)疊加分析技術(shù)對(duì)杞麓湖流域生態(tài)安全進(jìn)行評(píng)價(jià).評(píng)價(jià)模型如下:
式中:ESI為第個(gè)柵格單元的綜合生態(tài)安全指數(shù);P為第個(gè)柵格單元的第個(gè)指標(biāo)的安全指數(shù);W為第個(gè)指標(biāo)的權(quán)重.以ArcGIS中的Natural Break 法將得到的ESI值分為4級(jí),分別對(duì)應(yīng)不同級(jí)別的生態(tài)安全等級(jí).該方法是利用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的JENK最優(yōu)法得出的分界點(diǎn),能使各級(jí)的內(nèi)部方差之和最小[10].
評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取不僅要考慮該區(qū)域自然和人文社會(huì)因素及潛在因素的影響,同時(shí)考慮流域指標(biāo)數(shù)據(jù)的可獲取性、代表性、全面性、綜合性.因此,根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況,選取了海拔、坡度、植被覆蓋度、土地覆蓋類(lèi)型、距水體距離、距建設(shè)用地距離、距居民點(diǎn)距離、距道路距離等8個(gè)指標(biāo)為評(píng)價(jià)因子.因子的分級(jí)賦值,參考學(xué)者蒙吉軍等[22]、謝花林等[24]、李晶[26]等、李玉平等[27]、劉孝富等[28]的研究成果,并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況,制定影響流域生態(tài)安全的各因子生態(tài)安全分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),運(yùn)用熵值法確定指標(biāo)權(quán)重(表1),界定各評(píng)價(jià)因子的安全等級(jí): 4、3、2、1分別代表不安全、較低安全、中度安全和高度安全.值越小,生態(tài)環(huán)境越安全,安全性越高.
因子中海拔和坡度可以反映地表起伏程度和侵蝕強(qiáng)度,影響杞麓湖流域的生態(tài)安全及生態(tài)環(huán)境狀況;水資源是一切生物生存和發(fā)展的基本條件,一般來(lái)說(shuō),距離水體越近生態(tài)條件越好,對(duì)生態(tài)安全性高低有較大影響.植被覆蓋度和土地覆蓋類(lèi)型能反映生物多樣性和地表的覆被狀況,對(duì)流域生態(tài)環(huán)境有重要影響;道路、建設(shè)用地和居民點(diǎn)是杞麓湖流域人類(lèi)主要活動(dòng)場(chǎng)所,越靠近道路、建設(shè)用地和居民點(diǎn),交通越便利,人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度就越大,對(duì)流域生態(tài)環(huán)境影響越大.因此,距建設(shè)用地距離、距道路距離、距居民點(diǎn)距離及距水體距離可以作為流域生態(tài)安全性狀況評(píng)價(jià)的指標(biāo),具有一定的科學(xué)合理性.
1.3.2 生態(tài)源的識(shí)別 “源－匯”理論指出,生態(tài)源一般是由受保護(hù)的物種、自然棲息地構(gòu)成,“源”斑塊其生物多樣性比較豐富,“源”地的保護(hù)對(duì)生物多樣性與生態(tài)環(huán)境保護(hù)和人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的意義重大[9].本質(zhì)上生態(tài)源是指對(duì)區(qū)域生態(tài)安全有重要意義具有提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、阻礙生態(tài)系統(tǒng)退化及具有輻射功能的斑塊.選取天然林地面積大于0.4km2、重要水庫(kù)(飲用水源地與生產(chǎn)生活主要水源地)、杞麓湖向外緩沖100m以?xún)?nèi)范圍(實(shí)地調(diào)研,杞麓湖外圍100m左右為湖濱濕地,生長(zhǎng)著多種水生植物,對(duì)入湖污水具有一定的截污凈化作用,是改善湖泊水質(zhì)的重要緩沖帶,其生態(tài)服務(wù)功能明顯,所以可為生態(tài)源)作為“生態(tài)源”.
1.3.3 阻力面的建立 阻力面的建立是生態(tài)安全格局構(gòu)建的核心,阻力因子和阻力值的確定是關(guān)鍵.根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況,選取海拔、坡度、植被覆蓋度、土地覆蓋類(lèi)型、距水體距離、距建設(shè)用地距離、距居民點(diǎn)距離、距道路距離等8個(gè)阻力因子,運(yùn)用熵值法確定因子權(quán)重(表1).景觀阻力指“源”向外擴(kuò)展時(shí)需要克服的困難大小[10].研究中獲取不同物種穿梭不同景觀類(lèi)型的絕對(duì)阻力值是十分困難的[11].論文通過(guò)文獻(xiàn)查閱和專(zhuān)家咨詢(xún)[12-15],劃分因子相對(duì)阻力值.將各阻力因子分為不同等級(jí),用4,3,2,1表示,分值越低代表阻力越小,阻力值越小,“源”越容易擴(kuò)散穿越基質(zhì)景觀.研究采用最小累積阻力模型(MCR)建立阻力面,并用Natural Break法對(duì)阻力強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí),分為低阻力、較低阻力、中等阻力、較高阻力、高阻力5級(jí).MCR模型指物種從源到目的地運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所需耗費(fèi)代價(jià)的模型,它最早由Knaapen 1992年提出[14],之后被應(yīng)用到多種自然生態(tài)或人文過(guò)程的研究中[16-20],如俞孔堅(jiān)[21]以生態(tài)環(huán)境保護(hù)為目標(biāo),用該模型構(gòu)建了一系列生態(tài)安全格局,趙筱青等[13]以常綠闊葉林和思茅松林為保護(hù)源,構(gòu)建了以物種保護(hù)為目標(biāo)的生態(tài)安全格局.公式如下:
式中:是反映MCR與變量D ×R之間正比關(guān)系的函數(shù);D是物種從源穿過(guò)某景觀到空間某點(diǎn)的距離;R是物種穿越某景觀表面的阻力值.
1.3.4 生態(tài)廊道提取 生態(tài)廊道是物種遷徙的通道,是兩源地之間的流動(dòng)通道和聯(lián)系途徑[29-30].廊道可以促進(jìn)物種在“源”間和“源”與基質(zhì)間的流動(dòng),每?jī)蓚€(gè)“源”之間連接的廊道至少有一條[31].一般認(rèn)為在一定的范圍內(nèi)廊道越多越好,多一條廊道就更有利于促進(jìn)物種之間的信息交流[32].借鑒GIS水文分析方法,對(duì)洼地填充、計(jì)算無(wú)洼地的水流方向,匯流累積量.通過(guò)反復(fù)設(shè)定閾值,確定匯流累積量的值為1600,提取大于1600的值,然后矢量化及平滑處理,即得到流域生態(tài)廊道的空間位置.
表1 流域阻力因子及權(quán)重
1.3.5 生態(tài)節(jié)點(diǎn) 相鄰“生態(tài)源”為中心的等阻力線(xiàn)相切點(diǎn),為連接不同“源”之間的關(guān)鍵點(diǎn),即生態(tài)節(jié)點(diǎn)[33],它是連通“源”之間的跳板,對(duì)生態(tài)流的運(yùn)行意義重大[34].通過(guò)對(duì)這些景觀生態(tài)節(jié)點(diǎn)的保護(hù)或改變,可以最有效地維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)健康和安全.
1.3.6 生態(tài)功能區(qū)的劃分 以最小累積阻力面為基礎(chǔ),獲得累積阻力表面中各阻力等級(jí)的格點(diǎn)頻率分布圖.在分布圖上,把頻率發(fā)生急劇變化的點(diǎn)稱(chēng)為拐點(diǎn),它反映其兩側(cè)的阻力值出現(xiàn)較大突然變化,顯示出高度的景觀異質(zhì)性,將拐點(diǎn)處的阻力值視為臨界值,根據(jù)阻力值頻率變化特點(diǎn)、生態(tài)服務(wù)功能與實(shí)地調(diào)研分析劃分出5個(gè)生態(tài)功能區(qū):生態(tài)緩沖區(qū)、生態(tài)過(guò)渡區(qū)、生態(tài)邊緣區(qū)、農(nóng)業(yè)耕作區(qū)、人類(lèi)活動(dòng)區(qū).
2 結(jié)果分析
2.1 生態(tài)安全性分析
運(yùn)用自然斷點(diǎn)法將生態(tài)安全綜合指數(shù)分為4個(gè)等級(jí),高度安全的安全指數(shù)為1.16~2.09;中度安全為2.09~2.54;較低安全為2.54~2.97;不安全為2.97~3.86.流域平均生態(tài)安全指數(shù)為2.59,處于較低安全;流域生態(tài)安全性以較低安全為主,面積為128.15km2,占流域總面積的36.33%;其次是中度安全,面積為82.41km2,占流域總面積的23.36%;不安全區(qū)面積為79.48km2,占流域總面積22.53%;最少的是高度安全,面積為62.69km2,占17.77%.流域較低安全及以下面積占到58.86%,是遏制杞麓湖流域生態(tài)持續(xù)退化和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵區(qū),故生態(tài)安全格局的構(gòu)建對(duì)該區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)意義重大.
從空間分布上來(lái)看,流域較低安全區(qū)主要分布在西北部、東南部和西南部河西鎮(zhèn)、興蒙蒙古族鄉(xiāng)、九龍街道和楊廣鎮(zhèn),中度安全區(qū)集中在中部、西部和南部的杞麓湖和林地四周,不安全主要分布在西北部和東南部的河西鎮(zhèn)、秀山街道和楊廣鎮(zhèn),高度安全主要分布在杞麓湖周?chē)土饔蛭髂喜亢捅辈康奶烊涣值?見(jiàn)圖2).
圖2 杞麓湖流域生態(tài)安全
2.2 景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建及分析
2.2.1 生態(tài)源 杞麓湖流域生態(tài)源總面積為126.87km2,占流域總面積的35.74%,共20個(gè)生態(tài)源斑塊,總體呈四周連片集中,中部分散破碎的分布格局(圖3).流域四周主要為天然林地,是研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度較高和生態(tài)環(huán)境脆弱性最低的區(qū)域,也是面積最大的生態(tài)源地,對(duì)維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全、生物多樣性及生態(tài)環(huán)境保護(hù)意義重大.對(duì)四周天然林地的生態(tài)建設(shè)保護(hù)是核心,根據(jù)地形調(diào)整農(nóng)業(yè)用地布局結(jié)構(gòu),越接近原始林地,增加鄉(xiāng)土植物的種植面積,降低其異質(zhì)性,提高水土保持能力,保護(hù)生態(tài)環(huán)境與生物多樣性;中部生態(tài)源主要由湖泊和水庫(kù)構(gòu)成,處于人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)烈和生態(tài)系統(tǒng)破壞嚴(yán)重的地區(qū),生態(tài)斑塊總體匱乏且面積較小,源間連接度低,生態(tài)流所受阻力也較大,所以較為破碎,生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性差,生態(tài)環(huán)境比較脆弱.杞麓湖是壩區(qū)最大的生態(tài)功能源區(qū),在生態(tài)環(huán)境保護(hù)建設(shè)中顯得尤為重要,種植區(qū)應(yīng)建設(shè)綠色生態(tài)示范基地,發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè),加強(qiáng)對(duì)其周?chē)I濕地保護(hù)和緩沖區(qū)建設(shè),既能提高水質(zhì),又能維持湖泊生物多樣性,緩解湖泊退化,維護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)安全,提高整個(gè)流域的生態(tài)安全性.總之,杞麓湖流域不同類(lèi)型的生態(tài)源在面積、數(shù)量和空間分布上都存在較大的差異,生態(tài)源天然林地、重要水庫(kù)和湖泊緩沖區(qū)面積分別為102.89,0.31,23.67km2,中部與四周“源”之間景觀阻力較大,生態(tài)流難以進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能較差的生態(tài)薄弱區(qū).
圖3 杞麓湖流域景觀累積阻力面、生態(tài)廊道和節(jié)點(diǎn)分布
A~T分別表示20個(gè)生態(tài)源斑塊;1~23分別表示23條生態(tài)廊道
2.2.2 生態(tài)廊道 杞麓湖流域共構(gòu)建了23條生態(tài)廊道,廊道總體呈四周連續(xù)緊湊,中部分散破碎的分布格局.流域四周廊道密集且連續(xù)主要是因?yàn)樵搮^(qū)土地利用以林地為主,阻力值低,生態(tài)廊道較短及累積阻力相對(duì)較小,利于促進(jìn)生態(tài)流的流通,提高其生態(tài)安全性.中部廊道識(shí)別較困難,生態(tài)阻力值高,累積耗費(fèi)距離大,從生物多樣性保護(hù)和物種空間遷徙的角度來(lái)看,由于中部建設(shè)用地分布較多且極易受到人為活動(dòng)影響而發(fā)生斷裂,使得廊道比較分散,低阻力廊道數(shù)量較少且之間的連通性相對(duì)較薄弱,但它是維護(hù)整個(gè)流域生態(tài)系統(tǒng)完整性的重要通道,是流域生態(tài)安全格局構(gòu)建的重點(diǎn)和難點(diǎn),所以增強(qiáng)現(xiàn)有生態(tài)廊道的貫通性、增加廊道的數(shù)量、加強(qiáng)廊道保護(hù)建設(shè)力度,是提高研究區(qū)生態(tài)廊道的完整性,擴(kuò)大其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要舉措.生態(tài)斑塊間的距離對(duì)生態(tài)廊道長(zhǎng)度和累積阻力大小有重大影響,源之間距離越長(zhǎng),廊道越長(zhǎng),所經(jīng)過(guò)的阻力等級(jí)越多,累積阻力值就越大,越不利于源間物種的信息交流和遷徙,景觀生態(tài)安全格局組成就比較簡(jiǎn)單且不完整,連接度較低,從而會(huì)降低其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值,影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量;流域“源”地越集中連片,廊道越短且較多處于低阻力區(qū),景觀生態(tài)安全格局就越復(fù)雜完整,越有利于生態(tài)流的流通,越利于流域生態(tài)安全水平的提高和生態(tài)環(huán)境保護(hù).
2.2.3 生態(tài)節(jié)點(diǎn) 生態(tài)節(jié)點(diǎn)指景觀中物種遷徙或擴(kuò)散過(guò)程具有關(guān)鍵作用的節(jié)點(diǎn),是聯(lián)系相鄰“源”間具有關(guān)鍵意義的“跳板”.本研究共識(shí)別生態(tài)節(jié)點(diǎn)19個(gè),從其分布的阻力區(qū)來(lái)看,部分生態(tài)節(jié)點(diǎn)累積阻力比較大,位于流域景觀累計(jì)阻力值最大區(qū).根據(jù)生態(tài)節(jié)點(diǎn)的空間分布差異,可以采取不同的建設(shè)保護(hù)方法,對(duì)于分布在建設(shè)用地上的生態(tài)節(jié)點(diǎn),可將其建設(shè)為綠地公園;而分布在坡耕地上的生態(tài)節(jié)點(diǎn),可適當(dāng)退耕還林進(jìn)行生態(tài)建設(shè).生態(tài)節(jié)點(diǎn)是生態(tài)源間物種流動(dòng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn),通過(guò)改善保護(hù)生態(tài)節(jié)點(diǎn)處的景觀及其生態(tài)環(huán)境,既能在很大程度上降低其生態(tài)廊道景觀阻力,又能促進(jìn)廊道上物種空間流動(dòng),進(jìn)一步提高整個(gè)生態(tài)安全格局的生態(tài)價(jià)值,從而有力改善景觀生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的完整性及生態(tài)環(huán)境狀況,增強(qiáng)其連通性,促進(jìn)流域生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各組分間信息交流轉(zhuǎn)換可持續(xù)進(jìn)行.
2.2.4 生態(tài)功能分區(qū) 依據(jù)格點(diǎn)頻率分布圖(圖4),用Natural Break法將阻力閾值劃分a1,a2,a3,a4,a5, a6,a7,a8共8個(gè)區(qū)域.依據(jù)阻力值頻率變化特點(diǎn)、生態(tài)服務(wù)功能與實(shí)地調(diào)研分析確定生態(tài)功能區(qū)(圖5).
Ⅰ區(qū):生態(tài)緩沖區(qū) “源”的四周是低阻力等級(jí)區(qū).隨阻力值的增大,“源”地?cái)U(kuò)展面積急劇減少;如果人類(lèi)對(duì)低阻力區(qū)開(kāi)發(fā)利用,會(huì)使源地可發(fā)展面積大大減少.因此,這一地區(qū)無(wú)論是開(kāi)發(fā)還是保護(hù)都很敏感,既不應(yīng)作為生態(tài)保護(hù)區(qū),也不應(yīng)開(kāi)發(fā)為耕作區(qū).但這一區(qū)域離“源”地非常近,對(duì)維護(hù)景觀連通性和保護(hù)“源”不受人類(lèi)干擾具有關(guān)鍵作用,因此可劃為生態(tài)緩沖區(qū).主要功能是保護(hù)“源”及其生態(tài)過(guò)程的發(fā)展演替,是保護(hù)“源”地不受破壞的有效屏障.可把該區(qū)作為生態(tài)保護(hù)管理的對(duì)象,如設(shè)置“自然保護(hù)區(qū)”、“水源保護(hù)區(qū)”或“生態(tài)功能保護(hù)區(qū)”等,并設(shè)專(zhuān)人負(fù)責(zé)日常維護(hù)管理,禁止農(nóng)業(yè)開(kāi)墾和毀林開(kāi)荒等人類(lèi)行為,但可適當(dāng)種植生態(tài)林.同時(shí),對(duì)該區(qū)的保護(hù)最好要與土地利用規(guī)劃和城市規(guī)劃等銜接起來(lái),使其納入到規(guī)劃的保護(hù)范圍中去.
Ⅱ區(qū):生態(tài)過(guò)渡區(qū) 隨著緩沖區(qū)向外圍擴(kuò)展,雖然格點(diǎn)頻率的趨勢(shì)不變,但明顯趨于緩和,反映其對(duì)開(kāi)發(fā)利用的敏感性有較大程度的降低.但阻力等級(jí)已提高,阻力值較大,已不適合“源”的發(fā)展.與此同時(shí)它對(duì)“源”又有外圍保護(hù)的作用,可劃為生態(tài)過(guò)渡區(qū),可作為“源”發(fā)展的儲(chǔ)備區(qū)域.該區(qū)可發(fā)展部分生態(tài)林或生態(tài)經(jīng)濟(jì)林種植,注重生態(tài)廊道的保護(hù)和建設(shè),廊道既可促進(jìn)生態(tài)流通又可保護(hù)“源”地,所以加強(qiáng)該區(qū)的廊道保護(hù)和建設(shè)對(duì)該區(qū)和“源”地的保護(hù)意義重大.
Ⅲ區(qū):生態(tài)邊緣區(qū) 該區(qū)域頻率趨勢(shì)無(wú)明顯變化,已處于較高阻力區(qū),對(duì)人類(lèi)活動(dòng)影響的敏感性降低,“源”地發(fā)展的阻力較大,主要作為人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用的區(qū)域.作為“源”與人類(lèi)生產(chǎn)生活區(qū)隔離帶,要科學(xué)規(guī)劃其開(kāi)發(fā)利用,可劃為生態(tài)邊緣區(qū).該區(qū)應(yīng)制定科學(xué)的開(kāi)發(fā)利用計(jì)劃,可進(jìn)行人工經(jīng)濟(jì)林種植、園地種植及開(kāi)展部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng).同時(shí),加大對(duì)居民的生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)宣傳教育力度,提高居民生態(tài)保護(hù)意識(shí),這是對(duì)“源”地保護(hù)切實(shí)可行且具有重要意義的舉措.
Ⅳ區(qū):農(nóng)業(yè)耕作區(qū) 隨阻力等級(jí)的進(jìn)一步提高,發(fā)展林業(yè)的效益將大大降低,受人類(lèi)干擾程度加大,對(duì)人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)敏感度極低.可進(jìn)行各種農(nóng)業(yè)種植開(kāi)發(fā)利用,但必須注意地形地貌的影響,不應(yīng)在陡坡上耕作,防止水土流失和土地退化;坡度<25°的區(qū)域必須保證基本農(nóng)田不被占用,合理規(guī)劃各類(lèi)農(nóng)業(yè)用地.可考慮結(jié)合其特殊氣候條件和地形地貌條件發(fā)展“高原特色農(nóng)業(yè)”和“生態(tài)農(nóng)業(yè)”,這樣既可獲得較高的經(jīng)濟(jì)收入,又對(duì)生態(tài)環(huán)境具有一定保護(hù)作用.
圖4 阻力面格點(diǎn)頻率分布
圖5 杞麓湖流域生態(tài)安全格局
Ⅴ區(qū):人類(lèi)活動(dòng)區(qū) 該區(qū)阻力水平屬于高值區(qū),“源”地發(fā)展的效益幾乎為零,受人類(lèi)干擾最大,可作為人類(lèi)生產(chǎn)生活、居住、商業(yè)金融和娛樂(lè)等人類(lèi)活動(dòng)區(qū).人類(lèi)活動(dòng)區(qū)與農(nóng)業(yè)耕作區(qū)有較密切的聯(lián)系,一般會(huì)有交叉區(qū)域,可通過(guò)健全交通網(wǎng)絡(luò)等方法促進(jìn)兩者之間的聯(lián)系,進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施和公共服務(wù)設(shè)施建設(shè),科學(xué)合理規(guī)劃各類(lèi)活動(dòng)區(qū),逐漸達(dá)到最優(yōu)的空間分布格局.同時(shí),通過(guò)公益廣告、電視電影和互聯(lián)網(wǎng)等各種媒介手段提高居民環(huán)保意識(shí),增強(qiáng)全社會(huì)公民參與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的積極性,共建生態(tài)文明.
3 討論
3.1 基于MCR模型的生態(tài)安全格局構(gòu)建
生態(tài)安全格局的建立旨在為景觀生態(tài)過(guò)程的安全和健康問(wèn)題提供最優(yōu)的解決方案.目前,構(gòu)建生態(tài)安全格局的方法包括基于適宜性構(gòu)建的生態(tài)安全格局、多元素景觀安全格局綜合評(píng)估與識(shí)別、基于系統(tǒng)分析和模擬的生態(tài)安全格局構(gòu)建等[35-37].MCR模型是建立生態(tài)安全格局的重要基礎(chǔ),它可將“源”和生態(tài)過(guò)程有效的聯(lián)系起來(lái).它是抽象的距離概念,表示“源”擴(kuò)展的最小累積成本距離.換言之,它是物種在遷移擴(kuò)散及信息傳播過(guò)程中克服不同景觀阻力因子所做的功,這是MCR模型與其他距離模型之間最顯著的區(qū)別.在本文中,確定了保護(hù)的“源”,識(shí)別了生態(tài)安全格局各組分,利用MCR模型和GIS空間分析技術(shù)劃分了5個(gè)阻力等級(jí)區(qū)和生態(tài)功能區(qū).與其他方法相比,MCR模型能夠?qū)⑽锓N運(yùn)動(dòng)過(guò)程與生態(tài)安全格局聯(lián)系起來(lái),因此研究結(jié)果客觀科學(xué).MCR模型的弱點(diǎn)在于它在假設(shè)條件下,只考慮了源的位置,空間距離和景觀類(lèi)型.其他因素(如“源”的組成和結(jié)構(gòu),及人文驅(qū)動(dòng)因子)也可能影響累積阻力表面的形成.總之,MCR模型的研究方法和框架可為保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供有價(jià)值的參考.綜上所述,認(rèn)為該模型較適合本研究,同時(shí)為其他類(lèi)似區(qū)域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)安全格局構(gòu)建提供了理論和實(shí)踐參考.
3.2 阻力因子的選擇和阻力值的探討
合理選擇阻力因子和確定阻力值是構(gòu)建科學(xué)合理生態(tài)安全格局的前提.許多學(xué)者對(duì)阻力因素進(jìn)行了深入分析和討論,王瑤選取道路和土地覆蓋類(lèi)型因子模擬文化景觀可達(dá)性[38].趙筱青選擇海拔、坡度和植被覆蓋類(lèi)型因子,建立瀾滄縣土地生態(tài)安全格局[10].張惠遠(yuǎn)選取植被覆蓋類(lèi)型、坡度和水土流失因子建立山地景觀生態(tài)安全格局[39].影響“源”拓展的因素很多,如本研究未考慮的生物多樣性和土壤等.因此,在接下來(lái)的研究中考慮把這些因素納入.諸多學(xué)者對(duì)阻力值的確定進(jìn)行了深入探討[21-22].阻力值可以反映被保護(hù)的“源”對(duì)異質(zhì)景觀的分散趨勢(shì).而阻力值的確定通常取決于專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)或感官理解,因此存在一定的主觀性與實(shí)際情形不符的情況.盡管該方法仍有待討論,但它可以相對(duì)客觀地反映異質(zhì)景觀對(duì)被保護(hù)“源”擴(kuò)展的綜合阻力,可以滿(mǎn)足MCR模型的要求.
3.3 生態(tài)安全格局與生態(tài)過(guò)程的探討
生態(tài)安全格局與生態(tài)過(guò)程密切相關(guān),如何理解生態(tài)安全格局變化對(duì)生態(tài)過(guò)程的影響,是景觀生態(tài)學(xué)的一個(gè)重要研究課題[40-41].生態(tài)安全格局的關(guān)鍵組分對(duì)維護(hù)和控制某些生態(tài)過(guò)程以及景觀格局的形成具有重要意義.生態(tài)安全格局對(duì)各種生態(tài)過(guò)程具有限制作用(如生物和生態(tài)過(guò)程,包括物種分布與遷徙、水土流失和土地退化等).隨著人類(lèi)對(duì)杞麓湖流域生態(tài)環(huán)境的破壞,一方面,它直接影響了研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并加速了景觀的破碎化;另一方面,它改變了物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng),從而影響了區(qū)域生態(tài)過(guò)程[42-43].基于MCR模型的生態(tài)安全格局研究方法為揭示景觀格局如何控制生態(tài)過(guò)程提供了新的方法[44-45].特別是MCR方法在物種資源管理、生物多樣性保護(hù)和景觀生態(tài)規(guī)劃中具有重要的應(yīng)用價(jià)值.在本研究中,水平生態(tài)過(guò)程被認(rèn)為是格局的控制過(guò)程,通過(guò)控制生態(tài)安全格局的關(guān)鍵組分、空間位置和關(guān)系,確定被保護(hù)的“源”,形成安全格局,有效維護(hù)“源”生態(tài)過(guò)程的健康和安全.
4 結(jié)論
4.1 杞麓湖流域生態(tài)安全以較低安全為主,占流域總面積的36.33%,中度安全和不安全次之,高度安全面積最少,僅占17.77%;從空間分布看,較低安全區(qū)主要分布在流域西北部、東南部和西南部,應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)這些區(qū)域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和建設(shè).
4.2 以天然林地、重要水庫(kù)和杞麓湖緩沖區(qū)100m以?xún)?nèi)區(qū)域?yàn)楸Ｗo(hù)“源”,選取8個(gè)阻力因子,基于MCR模型,劃分低阻力、較低阻力、中等阻力、較高阻力、高阻力5級(jí)阻力等級(jí)區(qū),識(shí)別對(duì)保護(hù)“源”具有關(guān)鍵作用的生態(tài)廊道和節(jié)點(diǎn),并提出了相應(yīng)的建設(shè)和保護(hù)措施;確定有利于生態(tài)安全的5個(gè)生態(tài)功能區(qū):生態(tài)緩沖區(qū)、生態(tài)過(guò)渡區(qū)、生態(tài)邊緣區(qū)、農(nóng)業(yè)耕作區(qū)和人類(lèi)活動(dòng)區(qū),有利于緩和發(fā)展與保護(hù)的矛盾.
4.3 杞麓湖流域生態(tài)源總面積為126.87km2,占流域總面積的35.74% ,流域內(nèi)不同類(lèi)型的生態(tài)源在面積、數(shù)量和空間分布上都存在較大的差異,主要“源”間的生態(tài)廊道較少及連通性較低,生態(tài)節(jié)點(diǎn)空間分布差異較大,部分生態(tài)節(jié)點(diǎn)累積阻力比較大,位于流域景觀累計(jì)阻力值最大區(qū).
4.4 杞麓湖流域景觀累積阻力的空間分布與人類(lèi)開(kāi)發(fā)建設(shè)活動(dòng)強(qiáng)度緊密相關(guān),人類(lèi)開(kāi)發(fā)強(qiáng)度越大的地區(qū)阻力值越大,建設(shè)用地和道路的大量開(kāi)發(fā)利用,成為了“源”間的高值阻力區(qū),降低了流域生態(tài)安全水平.
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Construction of ecological security pattern in typical plateau lake basin——A case of the Qilu lake basin.
ZHAO Xiao-qing, TAN Kun, YI Qi*, LI Si-nan, MIAO Pei-pei, PU Jun-wei
(College of Resource Environment and Earth Science, Yunnan University, Kunming 650091, China)., 2019,39(2)：768~777
With the goal of “source” and environment protection, the minimum accumulated resistance model (MCR) was used to quantitatively study the ecological security pattern in the Qilu lake basin. The results showed that: The average eco-safety index of the Qilu Basin was 2.59 and the ecological safety was mainly dominated by a lower degree of safety,accounting for 36.33% of the total area of the basin; Then it is followed by the levels of moderate safety and insecurity, accounting for 23.36% and 22.53% of the total basin area, respectively; the safest area was the smallest, accounting for only 17.77% of the total basin area; the lower safety zones were mainly distributed in the northwest, southeast and southwest, and ecological protection construction in these areas should be strengthened; Regarding as the ecological source, the slope, elevation, vegetation coverage, land cover type, distance from water body, distance from construction land, distance from residential area, distance from road were selected as indexes. The ecological source which was the area of the natural forest land, important reservoir and lake buffer within 100m. These factors combined with the MCR model and the cost-distance analysis module of GIS, generated the minimum cumulative distance of consumption surface and it was divided into five levels; based on the characteristics of the frequency of cumulative resistance changes, five ecological functional zones were identified: ecological buffer zone, ecological transition zone, ecological marginal zone, agricultural cultivation zone and human activity zone. The total area of ecological resources in the Qilu Lake basin was 126.87km2, accounting for 35.74% of the total area of the basin. Ecological sources have large differences in area, number, and spatial distribution. The spatial distribution pattern of ecological sources was concentrated around the corners but scattered in the middle. The ecological corridor is continuous and compact, with a scattered and fragmented space in the middle. There was a big difference in the spatial resistance values of ecological nodes, and some ecological nodes have a relatively large accumulated resistance. Those nodes are located in the area which had the largest basin's landscape cumulative resistance value and have a great influence on the flow security of ecological flows. Based on the minimum cumulative resistance surface, combined with the Hydrology module of GIS, a structured watershed landscape ecological security pattern was constructed with an ecological source, 19ecological nodes, and 23ecological corridors. Moreover corresponding suggestions were put forward. It has a certain reference value for the study of plateau lake basins and ecological environment protection.
ecological security；ecological security pattern；minimum cumulative resistance model；ecological environment；Qilu lake basin
X524
A
1000-6923(2019)02-0768-10
趙筱青(1969-),女,云南大理人,教授,博士,主要從事土地生態(tài)安全、土地利用覆被變化環(huán)境效應(yīng)、土地利用優(yōu)化研究.發(fā)表論文50余篇.
2018-07-03
云南大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(YDY17117,YDY17119);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41361020,41761109);云南省科技廳—云南大學(xué)聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(2018FY001(-017));云南大學(xué)一流學(xué)科——地理學(xué)學(xué)科建設(shè)資助項(xiàng)目(C176210103,C176210215);“第二批云嶺學(xué)者培養(yǎng)”項(xiàng)目(C6153001)
* 責(zé)任作者, 副教授, yiqi@ynu.edu.cn
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趙筱青,譚 琨,易 琦,李思楠,苗培培,普軍偉
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典型高原湖泊流域生態(tài)安全格局構(gòu)建——以杞麓湖流域?yàn)槔?/p>
趙筱青,譚 琨,易 琦*,李思楠,苗培培,普軍偉
(云南大學(xué)資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院,云南 昆明 650091)
以“源”和生態(tài)環(huán)境保護(hù)為目標(biāo),引用最小累積阻力模型(MCR)對(duì)杞麓湖流域生態(tài)安全格局進(jìn)行定量研究.結(jié)果表明:杞麓湖流域平均生態(tài)安全指數(shù)為2.59,生態(tài)安全以較低安全為主,占流域總面積的36.33%,中度安全和不安全次之,分別占流域總面積的23.36%和22.53%,高度安全面積最少,僅占17.77%.較低安全區(qū)主要分布在西北部、東南部和西南部,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這些地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)建設(shè).此外,以天然林地、重要水庫(kù)和湖泊緩沖區(qū)100m以?xún)?nèi)區(qū)域作為生態(tài)源,選取坡度、海拔、植被覆蓋度、土地覆蓋類(lèi)型、距水體距離、距建設(shè)用地距離、距居民點(diǎn)距離、距道路距離等8個(gè)阻力因子,結(jié)合MCR模型與GIS的cost-distance分析模塊,生成最小累積耗費(fèi)距離表面,劃分5個(gè)阻力等級(jí);依據(jù)累積阻力值頻率變化特點(diǎn)及生態(tài)服務(wù)功能,確定了生態(tài)緩沖區(qū)、生態(tài)過(guò)渡區(qū)、生態(tài)邊緣區(qū)、農(nóng)業(yè)耕作區(qū)和人類(lèi)活動(dòng)區(qū)共5個(gè)生態(tài)功能區(qū).杞麓湖流域生態(tài)源總面積為126.87km2,占流域總面積的35.74% ,生態(tài)源在面積、數(shù)量和空間分布上都存在較大的差異,呈四周連片集中,中部分散破碎的分布格局,生態(tài)廊道呈四周連續(xù)緊湊,中部分散破碎的空間格局.生態(tài)節(jié)點(diǎn)的空間阻力值存在較大差異,部分生態(tài)節(jié)點(diǎn)累積阻力比較大,位于流域景觀累計(jì)阻力值最大區(qū),對(duì)生態(tài)流的流通安全性具有較大影響.基于最小累積阻力面,結(jié)合GIS的Hydrology模塊,構(gòu)建了由生態(tài)源與19個(gè)生態(tài)節(jié)點(diǎn)、23條生態(tài)廊道共同組成的具有結(jié)構(gòu)性的流域景觀生態(tài)安全格局,并提出了相應(yīng)的建議,對(duì)高原湖泊流域研究及生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有一定的參考價(jià)值.
生態(tài)安全；生態(tài)安全格局；最小累積阻力模型；生態(tài)環(huán)境；杞麓湖流域
20世紀(jì)80年代以來(lái),隨著生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益凸顯,生態(tài)安全格局構(gòu)建引起了廣泛關(guān)注[1].杞麓湖作為云南省九大高原湖泊之一,具有多種生態(tài)功能,但隨著流域內(nèi)人口迅速增加,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)加劇了用水壓力,加之“十二五”期間連續(xù)多年干旱等原因,加劇了流域生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn),生態(tài)環(huán)境保護(hù)形勢(shì)嚴(yán)峻.
生態(tài)安全格局的建立旨在為景觀生態(tài)過(guò)程的安全和健康問(wèn)題提供最優(yōu)的解決方案.一個(gè)典型的景觀生態(tài)安全格局由源、緩沖區(qū)、廊道、和生態(tài)節(jié)點(diǎn)(戰(zhàn)略點(diǎn))所組成,這些關(guān)鍵組分對(duì)維護(hù)和控制某些生態(tài)過(guò)程以及景觀格局的形成具有重要意義[2].近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生態(tài)安全格局構(gòu)建理論和方法進(jìn)行了諸多研究[3-6],國(guó)外對(duì)生態(tài)安全的研究主要表現(xiàn)在:環(huán)境污染引發(fā)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、國(guó)家層面生態(tài)安全政策的制定和微觀生態(tài)系統(tǒng)健康與質(zhì)量評(píng)估3個(gè)方面,國(guó)內(nèi)主要集中在對(duì)生態(tài)安全概念、內(nèi)容和方法、進(jìn)展等方面的研究,現(xiàn)今生態(tài)安全格局研究逐步轉(zhuǎn)向以自然生態(tài)系統(tǒng)為主,與社會(huì)經(jīng)濟(jì)耦合的相互協(xié)同格局發(fā)展趨勢(shì).生態(tài)安全格局的劃分方法主要包括基于GIS技術(shù)的適宜性評(píng)價(jià)方法、最小累積阻力模型、成本距離模型和景觀生態(tài)學(xué)“源—匯”理論的空間格局分析方法等[7].最小累積阻力(MCR)模型是建立生態(tài)安全格局的重要基礎(chǔ),表示“源”擴(kuò)展的最小累積成本距離,它可將“源”和生態(tài)過(guò)程有效的聯(lián)系起來(lái),在生態(tài)安全格局構(gòu)建方面具有良好的適用性和擴(kuò)展性[8].
本文以“源”和生態(tài)環(huán)境保護(hù)為目標(biāo),選擇具有多功能的高原湖泊杞麓湖流域?yàn)檠芯繀^(qū),運(yùn)用MCR模型并結(jié)合GIS的cost-distance與Hydrology分析模塊確定生態(tài)安全格局各基本組分,除常規(guī)生態(tài)安全格局組分構(gòu)建外,研究根據(jù)累積阻力值頻率變化特點(diǎn)及生態(tài)服務(wù)功能確定5個(gè)生態(tài)功能區(qū),并針對(duì)各生態(tài)功能分區(qū)提出了具體的落實(shí)管理建議與措施,利于加強(qiáng)生態(tài)安全格局與生態(tài)過(guò)程之間的聯(lián)系.大部分研究都是以某個(gè)縣市或區(qū)域?yàn)閷?duì)象,而對(duì)高原湖泊流域生態(tài)安全格局構(gòu)建的研究較少,因此本文以典型高原湖泊杞麓湖流域?yàn)槔?展開(kāi)生態(tài)安全評(píng)價(jià)及生態(tài)安全格局的構(gòu)建,對(duì)維護(hù)其生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、高原湖泊杞麓湖及當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的保護(hù)和生態(tài)服務(wù)功能的保障,處理生態(tài)保護(hù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,同時(shí)研究思路和方法將為其流域生態(tài)安全格局構(gòu)建提供參考.
1 研究區(qū)概況及研究方法
1.1 研究區(qū)概況
杞麓湖流域位于云南省中部,102°33￠482E~ 102°52￠362E,24°4￠362N~24°14￠22N之間(圖1).總面積354.94km2,總?cè)丝?40896人.杞麓湖是通?？h的主要水域,杞麓湖流域是一個(gè)典型的高原湖盆地,中部為湖泊,湖周為平壩區(qū),主要分布在湖泊的南、西、北三面,壩區(qū)外圍為中、低山,海拔高程多在1979~ 2100m之間.流域內(nèi)溝壑縱橫,地形復(fù)雜,氣溫、降雨、濕度、土質(zhì)等差異較大.產(chǎn)業(yè)以鋼鐵及其制品加工行業(yè)、造紙彩印包裝、食品加工、化肥制造為主,使湖泊水質(zhì)持續(xù)惡化趨勢(shì),進(jìn)一步激化了流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)—社會(huì)—生態(tài)系統(tǒng)的基本矛盾.
1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理
研究數(shù)據(jù)包括土地覆蓋類(lèi)型、植被覆蓋度、DEM數(shù)據(jù)、距水體距離、距建設(shè)用地距離、距居民點(diǎn)距離等.其中土地覆蓋類(lèi)型數(shù)據(jù)采用美國(guó)地質(zhì)勘探局(USGS)15m空間分辨率的Landsat8 OLI—TRIS遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行人機(jī)交互式室內(nèi)遙感解譯和野外驗(yàn)證得到,實(shí)地的采點(diǎn)驗(yàn)證表明,解譯精度為90.32%,符合研究需要.植被覆蓋度利用ENVI5.1軟件從遙感影像上提取;DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(30m′30m),主要用來(lái)提取所需坡度和海拔數(shù)據(jù);DEM數(shù)據(jù)和遙感影像是流域邊界提取的主要數(shù)據(jù)源,本流域邊界矢量數(shù)據(jù)由云南省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站提供;距水體距離、距建設(shè)用地距離和距居民點(diǎn)距離等數(shù)據(jù)從土地覆蓋類(lèi)型矢量數(shù)據(jù)中提取,結(jié)合GIS空間分析技術(shù),建立多級(jí)緩沖區(qū)得到;社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于通?？h統(tǒng)計(jì)年鑒;此外還有來(lái)自于環(huán)境保護(hù)局、國(guó)土資源局、通?？h人民政府等部門(mén)的相關(guān)流域治理防治規(guī)劃和專(zhuān)題報(bào)告等數(shù)據(jù)資料.
圖1 研究區(qū)位置
1.3 研究方法
研究運(yùn)用MCR模型,結(jié)合GIS分析模塊,構(gòu)建最小累積阻力面,然后識(shí)別生態(tài)源、生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點(diǎn)等生態(tài)安全格局組分.
1.3.1 生態(tài)安全評(píng)價(jià) 運(yùn)用綜合指數(shù)法結(jié)合GIS加權(quán)疊加分析技術(shù)對(duì)杞麓湖流域生態(tài)安全進(jìn)行評(píng)價(jià).評(píng)價(jià)模型如下:
式中:ESI為第個(gè)柵格單元的綜合生態(tài)安全指數(shù);P為第個(gè)柵格單元的第個(gè)指標(biāo)的安全指數(shù);W為第個(gè)指標(biāo)的權(quán)重.以ArcGIS中的Natural Break 法將得到的ESI值分為4級(jí),分別對(duì)應(yīng)不同級(jí)別的生態(tài)安全等級(jí).該方法是利用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的JENK最優(yōu)法得出的分界點(diǎn),能使各級(jí)的內(nèi)部方差之和最小[10].
評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取不僅要考慮該區(qū)域自然和人文社會(huì)因素及潛在因素的影響,同時(shí)考慮流域指標(biāo)數(shù)據(jù)的可獲取性、代表性、全面性、綜合性.因此,根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況,選取了海拔、坡度、植被覆蓋度、土地覆蓋類(lèi)型、距水體距離、距建設(shè)用地距離、距居民點(diǎn)距離、距道路距離等8個(gè)指標(biāo)為評(píng)價(jià)因子.因子的分級(jí)賦值,參考學(xué)者蒙吉軍等[22]、謝花林等[24]、李晶[26]等、李玉平等[27]、劉孝富等[28]的研究成果,并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況,制定影響流域生態(tài)安全的各因子生態(tài)安全分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),運(yùn)用熵值法確定指標(biāo)權(quán)重(表1),界定各評(píng)價(jià)因子的安全等級(jí): 4、3、2、1分別代表不安全、較低安全、中度安全和高度安全.值越小,生態(tài)環(huán)境越安全,安全性越高.
因子中海拔和坡度可以反映地表起伏程度和侵蝕強(qiáng)度,影響杞麓湖流域的生態(tài)安全及生態(tài)環(huán)境狀況;水資源是一切生物生存和發(fā)展的基本條件,一般來(lái)說(shuō),距離水體越近生態(tài)條件越好,對(duì)生態(tài)安全性高低有較大影響.植被覆蓋度和土地覆蓋類(lèi)型能反映生物多樣性和地表的覆被狀況,對(duì)流域生態(tài)環(huán)境有重要影響;道路、建設(shè)用地和居民點(diǎn)是杞麓湖流域人類(lèi)主要活動(dòng)場(chǎng)所,越靠近道路、建設(shè)用地和居民點(diǎn),交通越便利,人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度就越大,對(duì)流域生態(tài)環(huán)境影響越大.因此,距建設(shè)用地距離、距道路距離、距居民點(diǎn)距離及距水體距離可以作為流域生態(tài)安全性狀況評(píng)價(jià)的指標(biāo),具有一定的科學(xué)合理性.
1.3.2 生態(tài)源的識(shí)別 “源－匯”理論指出,生態(tài)源一般是由受保護(hù)的物種、自然棲息地構(gòu)成,“源”斑塊其生物多樣性比較豐富,“源”地的保護(hù)對(duì)生物多樣性與生態(tài)環(huán)境保護(hù)和人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的意義重大[9].本質(zhì)上生態(tài)源是指對(duì)區(qū)域生態(tài)安全有重要意義具有提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、阻礙生態(tài)系統(tǒng)退化及具有輻射功能的斑塊.選取天然林地面積大于0.4km2、重要水庫(kù)(飲用水源地與生產(chǎn)生活主要水源地)、杞麓湖向外緩沖100m以?xún)?nèi)范圍(實(shí)地調(diào)研,杞麓湖外圍100m左右為湖濱濕地,生長(zhǎng)著多種水生植物,對(duì)入湖污水具有一定的截污凈化作用,是改善湖泊水質(zhì)的重要緩沖帶,其生態(tài)服務(wù)功能明顯,所以可為生態(tài)源)作為“生態(tài)源”.
1.3.3 阻力面的建立 阻力面的建立是生態(tài)安全格局構(gòu)建的核心,阻力因子和阻力值的確定是關(guān)鍵.根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況,選取海拔、坡度、植被覆蓋度、土地覆蓋類(lèi)型、距水體距離、距建設(shè)用地距離、距居民點(diǎn)距離、距道路距離等8個(gè)阻力因子,運(yùn)用熵值法確定因子權(quán)重(表1).景觀阻力指“源”向外擴(kuò)展時(shí)需要克服的困難大小[10].研究中獲取不同物種穿梭不同景觀類(lèi)型的絕對(duì)阻力值是十分困難的[11].論文通過(guò)文獻(xiàn)查閱和專(zhuān)家咨詢(xún)[12-15],劃分因子相對(duì)阻力值.將各阻力因子分為不同等級(jí),用4,3,2,1表示,分值越低代表阻力越小,阻力值越小,“源”越容易擴(kuò)散穿越基質(zhì)景觀.研究采用最小累積阻力模型(MCR)建立阻力面,并用Natural Break法對(duì)阻力強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí),分為低阻力、較低阻力、中等阻力、較高阻力、高阻力5級(jí).MCR模型指物種從源到目的地運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所需耗費(fèi)代價(jià)的模型,它最早由Knaapen 1992年提出[14],之后被應(yīng)用到多種自然生態(tài)或人文過(guò)程的研究中[16-20],如俞孔堅(jiān)[21]以生態(tài)環(huán)境保護(hù)為目標(biāo),用該模型構(gòu)建了一系列生態(tài)安全格局,趙筱青等[13]以常綠闊葉林和思茅松林為保護(hù)源,構(gòu)建了以物種保護(hù)為目標(biāo)的生態(tài)安全格局.公式如下:
式中:是反映MCR與變量D ×R之間正比關(guān)系的函數(shù);D是物種從源穿過(guò)某景觀到空間某點(diǎn)的距離;R是物種穿越某景觀表面的阻力值.
1.3.4 生態(tài)廊道提取 生態(tài)廊道是物種遷徙的通道,是兩源地之間的流動(dòng)通道和聯(lián)系途徑[29-30].廊道可以促進(jìn)物種在“源”間和“源”與基質(zhì)間的流動(dòng),每?jī)蓚€(gè)“源”之間連接的廊道至少有一條[31].一般認(rèn)為在一定的范圍內(nèi)廊道越多越好,多一條廊道就更有利于促進(jìn)物種之間的信息交流[32].借鑒GIS水文分析方法,對(duì)洼地填充、計(jì)算無(wú)洼地的水流方向,匯流累積量.通過(guò)反復(fù)設(shè)定閾值,確定匯流累積量的值為1600,提取大于1600的值,然后矢量化及平滑處理,即得到流域生態(tài)廊道的空間位置.
表1 流域阻力因子及權(quán)重
1.3.5 生態(tài)節(jié)點(diǎn) 相鄰“生態(tài)源”為中心的等阻力線(xiàn)相切點(diǎn),為連接不同“源”之間的關(guān)鍵點(diǎn),即生態(tài)節(jié)點(diǎn)[33],它是連通“源”之間的跳板,對(duì)生態(tài)流的運(yùn)行意義重大[34].通過(guò)對(duì)這些景觀生態(tài)節(jié)點(diǎn)的保護(hù)或改變,可以最有效地維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)健康和安全.
1.3.6 生態(tài)功能區(qū)的劃分 以最小累積阻力面為基礎(chǔ),獲得累積阻力表面中各阻力等級(jí)的格點(diǎn)頻率分布圖.在分布圖上,把頻率發(fā)生急劇變化的點(diǎn)稱(chēng)為拐點(diǎn),它反映其兩側(cè)的阻力值出現(xiàn)較大突然變化,顯示出高度的景觀異質(zhì)性,將拐點(diǎn)處的阻力值視為臨界值,根據(jù)阻力值頻率變化特點(diǎn)、生態(tài)服務(wù)功能與實(shí)地調(diào)研分析劃分出5個(gè)生態(tài)功能區(qū):生態(tài)緩沖區(qū)、生態(tài)過(guò)渡區(qū)、生態(tài)邊緣區(qū)、農(nóng)業(yè)耕作區(qū)、人類(lèi)活動(dòng)區(qū).
2 結(jié)果分析
2.1 生態(tài)安全性分析
運(yùn)用自然斷點(diǎn)法將生態(tài)安全綜合指數(shù)分為4個(gè)等級(jí),高度安全的安全指數(shù)為1.16~2.09;中度安全為2.09~2.54;較低安全為2.54~2.97;不安全為2.97~3.86.流域平均生態(tài)安全指數(shù)為2.59,處于較低安全;流域生態(tài)安全性以較低安全為主,面積為128.15km2,占流域總面積的36.33%;其次是中度安全,面積為82.41km2,占流域總面積的23.36%;不安全區(qū)面積為79.48km2,占流域總面積22.53%;最少的是高度安全,面積為62.69km2,占17.77%.流域較低安全及以下面積占到58.86%,是遏制杞麓湖流域生態(tài)持續(xù)退化和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵區(qū),故生態(tài)安全格局的構(gòu)建對(duì)該區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)意義重大.
從空間分布上來(lái)看,流域較低安全區(qū)主要分布在西北部、東南部和西南部河西鎮(zhèn)、興蒙蒙古族鄉(xiāng)、九龍街道和楊廣鎮(zhèn),中度安全區(qū)集中在中部、西部和南部的杞麓湖和林地四周,不安全主要分布在西北部和東南部的河西鎮(zhèn)、秀山街道和楊廣鎮(zhèn),高度安全主要分布在杞麓湖周?chē)土饔蛭髂喜亢捅辈康奶烊涣值?見(jiàn)圖2).
圖2 杞麓湖流域生態(tài)安全
2.2 景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建及分析
2.2.1 生態(tài)源 杞麓湖流域生態(tài)源總面積為126.87km2,占流域總面積的35.74%,共20個(gè)生態(tài)源斑塊,總體呈四周連片集中,中部分散破碎的分布格局(圖3).流域四周主要為天然林地,是研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度較高和生態(tài)環(huán)境脆弱性最低的區(qū)域,也是面積最大的生態(tài)源地,對(duì)維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全、生物多樣性及生態(tài)環(huán)境保護(hù)意義重大.對(duì)四周天然林地的生態(tài)建設(shè)保護(hù)是核心,根據(jù)地形調(diào)整農(nóng)業(yè)用地布局結(jié)構(gòu),越接近原始林地,增加鄉(xiāng)土植物的種植面積,降低其異質(zhì)性,提高水土保持能力,保護(hù)生態(tài)環(huán)境與生物多樣性;中部生態(tài)源主要由湖泊和水庫(kù)構(gòu)成,處于人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)烈和生態(tài)系統(tǒng)破壞嚴(yán)重的地區(qū),生態(tài)斑塊總體匱乏且面積較小,源間連接度低,生態(tài)流所受阻力也較大,所以較為破碎,生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性差,生態(tài)環(huán)境比較脆弱.杞麓湖是壩區(qū)最大的生態(tài)功能源區(qū),在生態(tài)環(huán)境保護(hù)建設(shè)中顯得尤為重要,種植區(qū)應(yīng)建設(shè)綠色生態(tài)示范基地,發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè),加強(qiáng)對(duì)其周?chē)I濕地保護(hù)和緩沖區(qū)建設(shè),既能提高水質(zhì),又能維持湖泊生物多樣性,緩解湖泊退化,維護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)安全,提高整個(gè)流域的生態(tài)安全性.總之,杞麓湖流域不同類(lèi)型的生態(tài)源在面積、數(shù)量和空間分布上都存在較大的差異,生態(tài)源天然林地、重要水庫(kù)和湖泊緩沖區(qū)面積分別為102.89,0.31,23.67km2,中部與四周“源”之間景觀阻力較大,生態(tài)流難以進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能較差的生態(tài)薄弱區(qū).
圖3 杞麓湖流域景觀累積阻力面、生態(tài)廊道和節(jié)點(diǎn)分布
A~T分別表示20個(gè)生態(tài)源斑塊;1~23分別表示23條生態(tài)廊道
2.2.2 生態(tài)廊道 杞麓湖流域共構(gòu)建了23條生態(tài)廊道,廊道總體呈四周連續(xù)緊湊,中部分散破碎的分布格局.流域四周廊道密集且連續(xù)主要是因?yàn)樵搮^(qū)土地利用以林地為主,阻力值低,生態(tài)廊道較短及累積阻力相對(duì)較小,利于促進(jìn)生態(tài)流的流通,提高其生態(tài)安全性.中部廊道識(shí)別較困難,生態(tài)阻力值高,累積耗費(fèi)距離大,從生物多樣性保護(hù)和物種空間遷徙的角度來(lái)看,由于中部建設(shè)用地分布較多且極易受到人為活動(dòng)影響而發(fā)生斷裂,使得廊道比較分散,低阻力廊道數(shù)量較少且之間的連通性相對(duì)較薄弱,但它是維護(hù)整個(gè)流域生態(tài)系統(tǒng)完整性的重要通道,是流域生態(tài)安全格局構(gòu)建的重點(diǎn)和難點(diǎn),所以增強(qiáng)現(xiàn)有生態(tài)廊道的貫通性、增加廊道的數(shù)量、加強(qiáng)廊道保護(hù)建設(shè)力度,是提高研究區(qū)生態(tài)廊道的完整性,擴(kuò)大其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要舉措.生態(tài)斑塊間的距離對(duì)生態(tài)廊道長(zhǎng)度和累積阻力大小有重大影響,源之間距離越長(zhǎng),廊道越長(zhǎng),所經(jīng)過(guò)的阻力等級(jí)越多,累積阻力值就越大,越不利于源間物種的信息交流和遷徙,景觀生態(tài)安全格局組成就比較簡(jiǎn)單且不完整,連接度較低,從而會(huì)降低其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值,影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量;流域“源”地越集中連片,廊道越短且較多處于低阻力區(qū),景觀生態(tài)安全格局就越復(fù)雜完整,越有利于生態(tài)流的流通,越利于流域生態(tài)安全水平的提高和生態(tài)環(huán)境保護(hù).
2.2.3 生態(tài)節(jié)點(diǎn) 生態(tài)節(jié)點(diǎn)指景觀中物種遷徙或擴(kuò)散過(guò)程具有關(guān)鍵作用的節(jié)點(diǎn),是聯(lián)系相鄰“源”間具有關(guān)鍵意義的“跳板”.本研究共識(shí)別生態(tài)節(jié)點(diǎn)19個(gè),從其分布的阻力區(qū)來(lái)看,部分生態(tài)節(jié)點(diǎn)累積阻力比較大,位于流域景觀累計(jì)阻力值最大區(qū).根據(jù)生態(tài)節(jié)點(diǎn)的空間分布差異,可以采取不同的建設(shè)保護(hù)方法,對(duì)于分布在建設(shè)用地上的生態(tài)節(jié)點(diǎn),可將其建設(shè)為綠地公園;而分布在坡耕地上的生態(tài)節(jié)點(diǎn),可適當(dāng)退耕還林進(jìn)行生態(tài)建設(shè).生態(tài)節(jié)點(diǎn)是生態(tài)源間物種流動(dòng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn),通過(guò)改善保護(hù)生態(tài)節(jié)點(diǎn)處的景觀及其生態(tài)環(huán)境,既能在很大程度上降低其生態(tài)廊道景觀阻力,又能促進(jìn)廊道上物種空間流動(dòng),進(jìn)一步提高整個(gè)生態(tài)安全格局的生態(tài)價(jià)值,從而有力改善景觀生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的完整性及生態(tài)環(huán)境狀況,增強(qiáng)其連通性,促進(jìn)流域生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各組分間信息交流轉(zhuǎn)換可持續(xù)進(jìn)行.
2.2.4 生態(tài)功能分區(qū) 依據(jù)格點(diǎn)頻率分布圖(圖4),用Natural Break法將阻力閾值劃分a1,a2,a3,a4,a5, a6,a7,a8共8個(gè)區(qū)域.依據(jù)阻力值頻率變化特點(diǎn)、生態(tài)服務(wù)功能與實(shí)地調(diào)研分析確定生態(tài)功能區(qū)(圖5).
Ⅰ區(qū):生態(tài)緩沖區(qū) “源”的四周是低阻力等級(jí)區(qū).隨阻力值的增大,“源”地?cái)U(kuò)展面積急劇減少;如果人類(lèi)對(duì)低阻力區(qū)開(kāi)發(fā)利用,會(huì)使源地可發(fā)展面積大大減少.因此,這一地區(qū)無(wú)論是開(kāi)發(fā)還是保護(hù)都很敏感,既不應(yīng)作為生態(tài)保護(hù)區(qū),也不應(yīng)開(kāi)發(fā)為耕作區(qū).但這一區(qū)域離“源”地非常近,對(duì)維護(hù)景觀連通性和保護(hù)“源”不受人類(lèi)干擾具有關(guān)鍵作用,因此可劃為生態(tài)緩沖區(qū).主要功能是保護(hù)“源”及其生態(tài)過(guò)程的發(fā)展演替,是保護(hù)“源”地不受破壞的有效屏障.可把該區(qū)作為生態(tài)保護(hù)管理的對(duì)象,如設(shè)置“自然保護(hù)區(qū)”、“水源保護(hù)區(qū)”或“生態(tài)功能保護(hù)區(qū)”等,并設(shè)專(zhuān)人負(fù)責(zé)日常維護(hù)管理,禁止農(nóng)業(yè)開(kāi)墾和毀林開(kāi)荒等人類(lèi)行為,但可適當(dāng)種植生態(tài)林.同時(shí),對(duì)該區(qū)的保護(hù)最好要與土地利用規(guī)劃和城市規(guī)劃等銜接起來(lái),使其納入到規(guī)劃的保護(hù)范圍中去.
Ⅱ區(qū):生態(tài)過(guò)渡區(qū) 隨著緩沖區(qū)向外圍擴(kuò)展,雖然格點(diǎn)頻率的趨勢(shì)不變,但明顯趨于緩和,反映其對(duì)開(kāi)發(fā)利用的敏感性有較大程度的降低.但阻力等級(jí)已提高,阻力值較大,已不適合“源”的發(fā)展.與此同時(shí)它對(duì)“源”又有外圍保護(hù)的作用,可劃為生態(tài)過(guò)渡區(qū),可作為“源”發(fā)展的儲(chǔ)備區(qū)域.該區(qū)可發(fā)展部分生態(tài)林或生態(tài)經(jīng)濟(jì)林種植,注重生態(tài)廊道的保護(hù)和建設(shè),廊道既可促進(jìn)生態(tài)流通又可保護(hù)“源”地,所以加強(qiáng)該區(qū)的廊道保護(hù)和建設(shè)對(duì)該區(qū)和“源”地的保護(hù)意義重大.
Ⅲ區(qū):生態(tài)邊緣區(qū) 該區(qū)域頻率趨勢(shì)無(wú)明顯變化,已處于較高阻力區(qū),對(duì)人類(lèi)活動(dòng)影響的敏感性降低,“源”地發(fā)展的阻力較大,主要作為人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用的區(qū)域.作為“源”與人類(lèi)生產(chǎn)生活區(qū)隔離帶,要科學(xué)規(guī)劃其開(kāi)發(fā)利用,可劃為生態(tài)邊緣區(qū).該區(qū)應(yīng)制定科學(xué)的開(kāi)發(fā)利用計(jì)劃,可進(jìn)行人工經(jīng)濟(jì)林種植、園地種植及開(kāi)展部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng).同時(shí),加大對(duì)居民的生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)宣傳教育力度,提高居民生態(tài)保護(hù)意識(shí),這是對(duì)“源”地保護(hù)切實(shí)可行且具有重要意義的舉措.
Ⅳ區(qū):農(nóng)業(yè)耕作區(qū) 隨阻力等級(jí)的進(jìn)一步提高,發(fā)展林業(yè)的效益將大大降低,受人類(lèi)干擾程度加大,對(duì)人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)敏感度極低.可進(jìn)行各種農(nóng)業(yè)種植開(kāi)發(fā)利用,但必須注意地形地貌的影響,不應(yīng)在陡坡上耕作,防止水土流失和土地退化;坡度<25°的區(qū)域必須保證基本農(nóng)田不被占用,合理規(guī)劃各類(lèi)農(nóng)業(yè)用地.可考慮結(jié)合其特殊氣候條件和地形地貌條件發(fā)展“高原特色農(nóng)業(yè)”和“生態(tài)農(nóng)業(yè)”,這樣既可獲得較高的經(jīng)濟(jì)收入,又對(duì)生態(tài)環(huán)境具有一定保護(hù)作用.
圖4 阻力面格點(diǎn)頻率分布
圖5 杞麓湖流域生態(tài)安全格局
Ⅴ區(qū):人類(lèi)活動(dòng)區(qū) 該區(qū)阻力水平屬于高值區(qū),“源”地發(fā)展的效益幾乎為零,受人類(lèi)干擾最大,可作為人類(lèi)生產(chǎn)生活、居住、商業(yè)金融和娛樂(lè)等人類(lèi)活動(dòng)區(qū).人類(lèi)活動(dòng)區(qū)與農(nóng)業(yè)耕作區(qū)有較密切的聯(lián)系,一般會(huì)有交叉區(qū)域,可通過(guò)健全交通網(wǎng)絡(luò)等方法促進(jìn)兩者之間的聯(lián)系,進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施和公共服務(wù)設(shè)施建設(shè),科學(xué)合理規(guī)劃各類(lèi)活動(dòng)區(qū),逐漸達(dá)到最優(yōu)的空間分布格局.同時(shí),通過(guò)公益廣告、電視電影和互聯(lián)網(wǎng)等各種媒介手段提高居民環(huán)保意識(shí),增強(qiáng)全社會(huì)公民參與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的積極性,共建生態(tài)文明.
3 討論
3.1 基于MCR模型的生態(tài)安全格局構(gòu)建
生態(tài)安全格局的建立旨在為景觀生態(tài)過(guò)程的安全和健康問(wèn)題提供最優(yōu)的解決方案.目前,構(gòu)建生態(tài)安全格局的方法包括基于適宜性構(gòu)建的生態(tài)安全格局、多元素景觀安全格局綜合評(píng)估與識(shí)別、基于系統(tǒng)分析和模擬的生態(tài)安全格局構(gòu)建等[35-37].MCR模型是建立生態(tài)安全格局的重要基礎(chǔ),它可將“源”和生態(tài)過(guò)程有效的聯(lián)系起來(lái).它是抽象的距離概念,表示“源”擴(kuò)展的最小累積成本距離.換言之,它是物種在遷移擴(kuò)散及信息傳播過(guò)程中克服不同景觀阻力因子所做的功,這是MCR模型與其他距離模型之間最顯著的區(qū)別.在本文中,確定了保護(hù)的“源”,識(shí)別了生態(tài)安全格局各組分,利用MCR模型和GIS空間分析技術(shù)劃分了5個(gè)阻力等級(jí)區(qū)和生態(tài)功能區(qū).與其他方法相比,MCR模型能夠?qū)⑽锓N運(yùn)動(dòng)過(guò)程與生態(tài)安全格局聯(lián)系起來(lái),因此研究結(jié)果客觀科學(xué).MCR模型的弱點(diǎn)在于它在假設(shè)條件下,只考慮了源的位置,空間距離和景觀類(lèi)型.其他因素(如“源”的組成和結(jié)構(gòu),及人文驅(qū)動(dòng)因子)也可能影響累積阻力表面的形成.總之,MCR模型的研究方法和框架可為保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供有價(jià)值的參考.綜上所述,認(rèn)為該模型較適合本研究,同時(shí)為其他類(lèi)似區(qū)域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)安全格局構(gòu)建提供了理論和實(shí)踐參考.
3.2 阻力因子的選擇和阻力值的探討
合理選擇阻力因子和確定阻力值是構(gòu)建科學(xué)合理生態(tài)安全格局的前提.許多學(xué)者對(duì)阻力因素進(jìn)行了深入分析和討論,王瑤選取道路和土地覆蓋類(lèi)型因子模擬文化景觀可達(dá)性[38].趙筱青選擇海拔、坡度和植被覆蓋類(lèi)型因子,建立瀾滄縣土地生態(tài)安全格局[10].張惠遠(yuǎn)選取植被覆蓋類(lèi)型、坡度和水土流失因子建立山地景觀生態(tài)安全格局[39].影響“源”拓展的因素很多,如本研究未考慮的生物多樣性和土壤等.因此,在接下來(lái)的研究中考慮把這些因素納入.諸多學(xué)者對(duì)阻力值的確定進(jìn)行了深入探討[21-22].阻力值可以反映被保護(hù)的“源”對(duì)異質(zhì)景觀的分散趨勢(shì).而阻力值的確定通常取決于專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)或感官理解,因此存在一定的主觀性與實(shí)際情形不符的情況.盡管該方法仍有待討論,但它可以相對(duì)客觀地反映異質(zhì)景觀對(duì)被保護(hù)“源”擴(kuò)展的綜合阻力,可以滿(mǎn)足MCR模型的要求.
3.3 生態(tài)安全格局與生態(tài)過(guò)程的探討
生態(tài)安全格局與生態(tài)過(guò)程密切相關(guān),如何理解生態(tài)安全格局變化對(duì)生態(tài)過(guò)程的影響,是景觀生態(tài)學(xué)的一個(gè)重要研究課題[40-41].生態(tài)安全格局的關(guān)鍵組分對(duì)維護(hù)和控制某些生態(tài)過(guò)程以及景觀格局的形成具有重要意義.生態(tài)安全格局對(duì)各種生態(tài)過(guò)程具有限制作用(如生物和生態(tài)過(guò)程,包括物種分布與遷徙、水土流失和土地退化等).隨著人類(lèi)對(duì)杞麓湖流域生態(tài)環(huán)境的破壞,一方面,它直接影響了研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并加速了景觀的破碎化;另一方面,它改變了物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng),從而影響了區(qū)域生態(tài)過(guò)程[42-43].基于MCR模型的生態(tài)安全格局研究方法為揭示景觀格局如何控制生態(tài)過(guò)程提供了新的方法[44-45].特別是MCR方法在物種資源管理、生物多樣性保護(hù)和景觀生態(tài)規(guī)劃中具有重要的應(yīng)用價(jià)值.在本研究中,水平生態(tài)過(guò)程被認(rèn)為是格局的控制過(guò)程,通過(guò)控制生態(tài)安全格局的關(guān)鍵組分、空間位置和關(guān)系,確定被保護(hù)的“源”,形成安全格局,有效維護(hù)“源”生態(tài)過(guò)程的健康和安全.
4 結(jié)論
4.1 杞麓湖流域生態(tài)安全以較低安全為主,占流域總面積的36.33%,中度安全和不安全次之,高度安全面積最少,僅占17.77%;從空間分布看,較低安全區(qū)主要分布在流域西北部、東南部和西南部,應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)這些區(qū)域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和建設(shè).
4.2 以天然林地、重要水庫(kù)和杞麓湖緩沖區(qū)100m以?xún)?nèi)區(qū)域?yàn)楸Ｗo(hù)“源”,選取8個(gè)阻力因子,基于MCR模型,劃分低阻力、較低阻力、中等阻力、較高阻力、高阻力5級(jí)阻力等級(jí)區(qū),識(shí)別對(duì)保護(hù)“源”具有關(guān)鍵作用的生態(tài)廊道和節(jié)點(diǎn),并提出了相應(yīng)的建設(shè)和保護(hù)措施;確定有利于生態(tài)安全的5個(gè)生態(tài)功能區(qū):生態(tài)緩沖區(qū)、生態(tài)過(guò)渡區(qū)、生態(tài)邊緣區(qū)、農(nóng)業(yè)耕作區(qū)和人類(lèi)活動(dòng)區(qū),有利于緩和發(fā)展與保護(hù)的矛盾.
4.3 杞麓湖流域生態(tài)源總面積為126.87km2,占流域總面積的35.74% ,流域內(nèi)不同類(lèi)型的生態(tài)源在面積、數(shù)量和空間分布上都存在較大的差異,主要“源”間的生態(tài)廊道較少及連通性較低,生態(tài)節(jié)點(diǎn)空間分布差異較大,部分生態(tài)節(jié)點(diǎn)累積阻力比較大,位于流域景觀累計(jì)阻力值最大區(qū).
4.4 杞麓湖流域景觀累積阻力的空間分布與人類(lèi)開(kāi)發(fā)建設(shè)活動(dòng)強(qiáng)度緊密相關(guān),人類(lèi)開(kāi)發(fā)強(qiáng)度越大的地區(qū)阻力值越大,建設(shè)用地和道路的大量開(kāi)發(fā)利用,成為了“源”間的高值阻力區(qū),降低了流域生態(tài)安全水平.
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Construction of ecological security pattern in typical plateau lake basin——A case of the Qilu lake basin.
ZHAO Xiao-qing, TAN Kun, YI Qi*, LI Si-nan, MIAO Pei-pei, PU Jun-wei
(College of Resource Environment and Earth Science, Yunnan University, Kunming 650091, China)., 2019,39(2)：768~777
With the goal of “source” and environment protection, the minimum accumulated resistance model (MCR) was used to quantitatively study the ecological security pattern in the Qilu lake basin. The results showed that: The average eco-safety index of the Qilu Basin was 2.59 and the ecological safety was mainly dominated by a lower degree of safety,accounting for 36.33% of the total area of the basin; Then it is followed by the levels of moderate safety and insecurity, accounting for 23.36% and 22.53% of the total basin area, respectively; the safest area was the smallest, accounting for only 17.77% of the total basin area; the lower safety zones were mainly distributed in the northwest, southeast and southwest, and ecological protection construction in these areas should be strengthened; Regarding as the ecological source, the slope, elevation, vegetation coverage, land cover type, distance from water body, distance from construction land, distance from residential area, distance from road were selected as indexes. The ecological source which was the area of the natural forest land, important reservoir and lake buffer within 100m. These factors combined with the MCR model and the cost-distance analysis module of GIS, generated the minimum cumulative distance of consumption surface and it was divided into five levels; based on the characteristics of the frequency of cumulative resistance changes, five ecological functional zones were identified: ecological buffer zone, ecological transition zone, ecological marginal zone, agricultural cultivation zone and human activity zone. The total area of ecological resources in the Qilu Lake basin was 126.87km2, accounting for 35.74% of the total area of the basin. Ecological sources have large differences in area, number, and spatial distribution. The spatial distribution pattern of ecological sources was concentrated around the corners but scattered in the middle. The ecological corridor is continuous and compact, with a scattered and fragmented space in the middle. There was a big difference in the spatial resistance values of ecological nodes, and some ecological nodes have a relatively large accumulated resistance. Those nodes are located in the area which had the largest basin's landscape cumulative resistance value and have a great influence on the flow security of ecological flows. Based on the minimum cumulative resistance surface, combined with the Hydrology module of GIS, a structured watershed landscape ecological security pattern was constructed with an ecological source, 19ecological nodes, and 23ecological corridors. Moreover corresponding suggestions were put forward. It has a certain reference value for the study of plateau lake basins and ecological environment protection.
ecological security；ecological security pattern；minimum cumulative resistance model；ecological environment；Qilu lake basin
X524
A
1000-6923(2019)02-0768-10
趙筱青(1969-),女,云南大理人,教授,博士,主要從事土地生態(tài)安全、土地利用覆被變化環(huán)境效應(yīng)、土地利用優(yōu)化研究.發(fā)表論文50余篇.
2018-07-03
云南大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(YDY17117,YDY17119);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41361020,41761109);云南省科技廳—云南大學(xué)聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(2018FY001(-017));云南大學(xué)一流學(xué)科——地理學(xué)學(xué)科建設(shè)資助項(xiàng)目(C176210103,C176210215);“第二批云嶺學(xué)者培養(yǎng)”項(xiàng)目(C6153001)
* 責(zé)任作者, 副教授, yiqi@ynu.edu.cn
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