河北典型樣帶土地利用生態(tài)安全格局研究*

袁大鵬, 陳奇樂, 石 垚, 李瑾璞, 王樹濤

河北典型樣帶土地利用生態(tài)安全格局研究*

袁大鵬1,2, 陳奇樂1, 石 垚1, 李瑾璞1, 王樹濤3**

(1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 保定 071000; 2. 興隆縣自然資源和規(guī)劃局 興隆 067300; 3. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源學(xué)院 保定 071000)

“河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要”全文發(fā)布, 提到要堅持生態(tài)保護(hù)優(yōu)先, 打造以“太行山脈—渤海灣”與“京南生態(tài)綠楔－拒馬河－白洋淀”生態(tài)廊道, 形成連山通海、南北交融的區(qū)域生態(tài)安全格局。鑒于此, 本文參照陸地樣帶選取原則和依據(jù), 布設(shè)河北省典型樣帶, 并利用MCR(minimum cumulative resistance)模型, 以樣帶的林地、草地和濕地作為生態(tài)源地, 人工表面作為城鎮(zhèn)擴(kuò)張源地, 從土地內(nèi)在屬性和外在屬性兩方面, 選取高程、土地景觀類型、土壤類型、生態(tài)敏感性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值等5方面指標(biāo), 研究該樣帶土地利用生態(tài)安全格局。研究結(jié)果表明: 河北省典型樣帶劃定成: 生態(tài)核心區(qū)、生態(tài)緩沖區(qū)、生態(tài)過渡區(qū)、生態(tài)可占區(qū)和生態(tài)治理區(qū)5個生態(tài)安全區(qū)。生態(tài)源地和城鎮(zhèn)擴(kuò)張源地空間格局分布具有明顯的界限, 均呈集中連片分布, 但生態(tài)連通性較弱。生態(tài)核心區(qū)面積最小, 為1 082.42 km2, 該樣帶自然保護(hù)區(qū)核心地帶均位于樣帶的西北部; 生態(tài)緩沖區(qū)面積最大, 為6 943.63 km2, 位于樣帶的西北部和東部沿海, 是連接上、中、下游的媒介, 應(yīng)在保護(hù)的基礎(chǔ)上合理利用。生態(tài)過渡區(qū)面積為3 189.25 km2, 是今后作為城鄉(xiāng)建設(shè)后備用地開發(fā)建設(shè)重點(diǎn)區(qū)域, 應(yīng)合理規(guī)劃; 生態(tài)可占區(qū)分布在生態(tài)過渡區(qū)和生態(tài)治理區(qū)的過度地帶, 是目前城鎮(zhèn)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要區(qū)域, 面積為5 835.34 km2; 生態(tài)治理區(qū)面積為1 710.70 km2, 主要是生態(tài)脆弱區(qū), 也是未來進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)、生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)地區(qū); 以上3區(qū)交錯分布于中部和東南部。綜上, 生態(tài)核心區(qū)和生態(tài)緩沖區(qū)應(yīng)大規(guī)模植樹造林; 生態(tài)過渡區(qū)應(yīng)嚴(yán)格控制向生態(tài)用地擴(kuò)張; 生態(tài)可占區(qū)應(yīng)根據(jù)城市人口、經(jīng)濟(jì)等需求進(jìn)行因地制宜開發(fā); 生態(tài)治理區(qū)應(yīng)實施退耕還淀恢復(fù)淀泊水面, 嚴(yán)守土壤環(huán)境安全底線, 優(yōu)化生態(tài)安全屏障體系。

河北典型樣帶; 生態(tài)擴(kuò)張源地; 城鎮(zhèn)擴(kuò)張源地; 生態(tài)安全格局; MCR模型

新時代背景下, 生態(tài)安全已經(jīng)成為關(guān)系人民福祉和民族未來的大事, 生態(tài)安全格局的構(gòu)建對于緩解生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾具有重大的意義[1-2]。生態(tài)安全具體指人類的生產(chǎn)生活和對土地資源的需求以及生態(tài)環(huán)境改變的適應(yīng)方式等不會產(chǎn)生威脅的狀態(tài)[3-5]。土地利用生態(tài)安全是生態(tài)安全內(nèi)涵的延伸, 指通過優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)從而降低對生態(tài)環(huán)境變化和安全產(chǎn)生的影響, 主要方向以通過改變土地自然要素, 如土壤、水文等來改善土地生態(tài)系統(tǒng)的安全狀態(tài)[6-7]。生態(tài)安全格局是在人為技術(shù)手段和規(guī)劃設(shè)計的前提下, 實現(xiàn)多層次優(yōu)化方案, 以求實現(xiàn)最大的綜合效益, 改善土地功能, 達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的空間優(yōu)化格局[8-9]。Seppelt等[10]在GIS平臺和景觀空間分異模型的前提下以Hunting Creek流域為研究區(qū), 通過規(guī)劃土地空間優(yōu)化方案以及規(guī)范化肥的使用標(biāo)準(zhǔn)來改善土地的污染問題; Allan等[11]在GIS平臺下為保障小流域的水環(huán)境, 對小流域進(jìn)行了空間優(yōu)化。俞孔堅[12]提出了適合國內(nèi)的“景觀安全格局”理論, 主要指生物資源遷徙所克服的最小景觀阻力所做的功, 生態(tài)安全格局是將點(diǎn)、線、面相互疊加所組成; 陳利頂、傅伯杰等[13-14]從“源”和“匯”角度將景觀格局與土地生態(tài)過程結(jié)合在一起進(jìn)行研究; 魏偉等[15]采用最小累計阻力模型和預(yù)測模型構(gòu)建了石羊河流域土地利用生態(tài)安全格局, 將生態(tài)安全格局與土地利用預(yù)測情景結(jié)合, 以期得到最優(yōu)的土地利用生態(tài)安全格局。

《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》中提到要堅持生態(tài)保護(hù)優(yōu)先, 打造“太行山脈—渤海灣”與“京南生態(tài)綠楔－拒馬河－白洋淀”生態(tài)廊道, 形成連山通海、南北交融的區(qū)域生態(tài)安全格局。鑒于此, 本文選取“太行山脈—渤海灣”與“京南生態(tài)綠楔－拒馬河－白洋淀”兩生態(tài)廊道上15個縣(市)作為河北省典型樣帶, 利用最小阻力模型(MCR), 構(gòu)建土地利用生態(tài)安全格局, 以期能夠緩解該研究區(qū)生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾, 為“京津冀”協(xié)調(diào)發(fā)展和“雄安新區(qū)千年計劃”建設(shè)提供借鑒。

1 河北典型樣帶選取原則及依據(jù)

1.1 選取原則

參照IGBP/GCTE對陸地樣帶[16-17]設(shè)置的原則, 本文在河北省布設(shè)典型樣帶, 具體位置為張家口蔚縣, 保定市淶源縣、易縣、定興縣、徐水縣, 雄安新區(qū)的容城、雄縣、安新, 廊坊市的文安縣和大城縣, 滄州市的任丘市、青縣、滄縣、黃驊市和滄州市城區(qū)(圖1)。在選取樣帶時, 遵循以下原則: 1)典型性: 在樣帶選取地域土地類型、地形地貌、土壤類型、氣候(溫度、降水等)等土地自然要素須具有典型梯度地帶性和空間多樣性, 即樣帶能夠在最短的距離內(nèi)穿過最全的生態(tài)景觀類型且具有明顯梯度地帶性, 能夠代表一定的區(qū)域。2)易用性: 樣帶的選擇過程符合實際調(diào)查結(jié)果, 具有現(xiàn)實意義, 即后期研究中的數(shù)據(jù)獲取以及野外調(diào)查時容易實現(xiàn), 并且對于熱點(diǎn)區(qū)域、敏感地帶、生態(tài)安全等的研究具有深遠(yuǎn)影響。3)完整性: 樣帶的選取盡可能涵蓋整個區(qū)域。比如: 中國東北樣帶的選取是以研究全球氣候變暖為目的選取的典型樣帶, 具有典型的氣候、植被、土壤和土地利用過渡特征[18-20]; 中國東部南北樣帶以熱量與水熱組合規(guī)律最為顯著, 是全球獨(dú)有的以熱量為主要驅(qū)動力的全覆蓋森林連續(xù)樣帶[21-22]。

1.2 選取依據(jù)

河北典型樣帶位于114°13′~117°49′E, 38°05′~40°10′N, 起于西北部的蔚縣山區(qū), 止于東部的黃驊濱海地帶, 直線距離300 km。地處河北腹地, 京津外圍, 內(nèi)含雄安新區(qū), 既是糧食主產(chǎn)區(qū)、環(huán)京津重點(diǎn)水源涵養(yǎng)、生物多樣性等重要功能保護(hù)區(qū), 也是河湖濱海保護(hù)和鹽漬化敏感地帶。該樣帶具有典型的地貌、土地利用、氣候、土壤等地帶性特征。其中地形地貌由西北到東南主要跨越了間山盆地—山地—丘陵—山前傾斜平原—中部平原—濱海平原; 土地利用景觀類型分布主要由地形因子決定了空間分布格局, 由西北向東南主要以草原、草甸、耕地—林地、灌木—農(nóng)作物、喬木—鹽荒草地、林果、農(nóng)作物—鹽荒草地、林果、農(nóng)作物、濕地為主; 從氣候要素看, 該樣帶屬溫帶季風(fēng)氣候, 該樣帶由于經(jīng)緯度跨越不明顯, 所以氣候差異變化在宏觀尺度上相對不顯著, 主要是以山地丘陵區(qū)與平原區(qū)過渡帶為分界線, 山區(qū)年均氣溫小于4 ℃, 年累積降水量在430 mm以下, 平原區(qū)年均溫高于10 ℃, 年累積降雨量高于500 mm; 土壤由西北向東南分為地帶性與非地帶性土壤, 其中地帶性土壤分布為棕壤性土→棕壤→山地草甸土→栗褐土→淋溶褐土→褐土性土→石質(zhì)土→粗骨土→石灰性褐土→潮褐土, 適宜林草地生長, 非地帶性土壤為潮土、水稻土、灌淤土、沼澤土、鹽化潮土等人為熟化的半水成土, 適宜農(nóng)耕。另外, 該樣帶水系眾多, 屬海河流域大清河水系, 其主要為白洋淀及其支流, 以及蔚縣的壺流河和中西部眾多的人工水庫、景觀水面等。

圖1 河北典型樣帶區(qū)位圖

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 遙感影像數(shù)據(jù)獲取與處理

2.1.1 土地利用/覆被數(shù)據(jù)

本文采用的遙感數(shù)據(jù)均下載于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/), 包括5景圖像(獲取月份均為當(dāng)年7—9月植被最為旺盛時段), 為保證遙感解譯時空間尺度一致性和土地利用數(shù)據(jù)精度, 本文所用影像空間分辨率均為30 m。利用ENVI 5.3軟件對影像進(jìn)行波段組合、幾何校正(誤差值不超過0.5個像元)、圖像鑲嵌及行政區(qū)裁剪等前期基本處理, 并進(jìn)行投影變換。根據(jù)土地覆被分類系統(tǒng)分為6類, 即耕地、草地、林地、濕地、人工表面、其他用地(圖2), 解譯精度達(dá)90%以上。

2.1.2 NDVI數(shù)據(jù)

首先對Landsat影像進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理, 經(jīng)過輻射定標(biāo)、大氣校正消除輻射誤差, 后進(jìn)行幾何校正, 經(jīng)過鑲嵌裁剪得到預(yù)處理后的研究區(qū)遙感影像。

NDVI是表示植被生長好壞、覆蓋度多少的指標(biāo), 值域為[-1, 1], 小于0代表云、水、雪等高反射的附著物, 0代表巖石或裸土, 大于0代表有植被覆蓋。NDVI計算公式為:

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R) (1)

式中:NIR是近紅外反射率;R是紅光反射率, 在OLI影像中分別為波段5和波段4。

2.1.3 DEM數(shù)據(jù)

本文DEM數(shù)據(jù)下載于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)的GDEMV2 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù), 共有8幅影像, 軌道號分別為114/40、115/40、114/39、115/39、115/38、116/39、116/38、117/38。運(yùn)用ENVI 5.3軟件進(jìn)行影像鑲嵌及行政區(qū)裁剪等前期基本處理。

2.2 其他獲取與處理

1)分別收集到了研究區(qū)15個地級市(縣)1∶25萬土壤掃描圖, 運(yùn)用MAPGIS、ARCGIS等軟件經(jīng)過數(shù)字化得到樣帶土壤圖。2)高程、坡度等數(shù)據(jù)均通過DEM提取得到。3)水體圖通過ARCGIS軟件對土地利用覆被進(jìn)行提取得到。4)收集到了各縣級行政區(qū)的土地利用現(xiàn)狀圖和行政區(qū)界線(來源于全國第2次土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫), 以用于遙感數(shù)據(jù)解譯和數(shù)據(jù)裁剪。5)氣溫數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)。6)降雨數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/), 經(jīng)過克里金插值得到。7)社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于《河北農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》及相關(guān)地市及統(tǒng)計年鑒。8)《河北雄安新區(qū)總體規(guī)劃(2018—2035年)》《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》。以上數(shù)據(jù)在運(yùn)用過程中均根據(jù)需要進(jìn)行了相同的格式轉(zhuǎn)換和投影轉(zhuǎn)換, 柵格數(shù)據(jù)像元大小均重采樣為30 m×30 m。

2.3 生態(tài)安全格局構(gòu)建方法及步驟

2.3.1 “源地”提取

1)生態(tài)用地保護(hù)“源”的提取

本文主要側(cè)重于該樣帶土地利用模式對京津冀和雄安新區(qū)的發(fā)展起到生態(tài)保護(hù)作用, 尤其是連片的林地、草地和濕地等。該研究區(qū)成片林地主要集中分布在上游的蔚縣、淶源和易縣的山地丘陵區(qū), 是國家未來重點(diǎn)關(guān)注的水源涵養(yǎng)林保護(hù)區(qū), 因此作為生態(tài)保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域; 草地主要分布在蔚縣山間盆地外圍邊緣地帶、淶源東部中、低山地帶以及易縣山前傾斜平原地帶, 也是作為生態(tài)恢復(fù)和防風(fēng)固沙的主要區(qū)域; 此外, 白洋淀及其上游萍河、瀑河、漕河、唐河、府河、白溝引河等支流以及人工建設(shè)的水庫、城市景觀水面等對干旱內(nèi)陸地區(qū)來講是維系生態(tài)系統(tǒng)得以發(fā)展的“生命線”, 因此也是劃定生態(tài)保護(hù)區(qū)時考慮的重點(diǎn)(圖3)?！吧鷳B(tài)源”是構(gòu)成高安全水平的生態(tài)用地, 是保障自然生態(tài)系統(tǒng)的最小土地底線, 原則上任何城市擴(kuò)張行為不得侵占這類生態(tài)用地。

2)城鎮(zhèn)用地擴(kuò)張“源”的提取

城鎮(zhèn)用地擴(kuò)張的“源”是城鎮(zhèn)擴(kuò)張的核心動力。在生活用地中, 主要指各類人工表面用地, 本文通過河北典型樣帶2017年土地利用圖提取各類人工表面用地得到河北典型樣帶城鎮(zhèn)源地面積為1 650.04 km2, 占研究區(qū)總面積的8.71%, 呈點(diǎn)狀分布, 且平原地帶居民點(diǎn)密集度高于山區(qū)(圖4)。

2.3.2 最小累積阻力面構(gòu)建

從土地系統(tǒng)的生態(tài)過程角度來看, 生態(tài)和生活用地是一對具有競爭性質(zhì)的關(guān)系, 突破這種競爭關(guān)系需要克服阻力, 而克服這種阻力在不同景觀空間格局下所做的功不同, 所以二者在競爭過程中克服的阻力大小也不同, 為使研究具有意義, 必須建立相同標(biāo)準(zhǔn)下的阻力評價體系, 但所賦分值必須是相反的。

本文從地形地貌、土地景觀、土壤、生態(tài)敏感性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值5個方面建立阻力表面評價體系(表1)。以系統(tǒng)論[23]為基礎(chǔ), 將上述因子分為土地內(nèi)在固有屬性和外在生態(tài)屬性, 其中土地固有屬性指土地自然的本底要素與要素之間的相互作用, 決定了土地結(jié)構(gòu)和功能的外部特征, 包括地形地貌、土壤, 反映土地利用空間格局分布受固有屬性的約束; 土地外在生態(tài)屬性是指土地系統(tǒng)功能和外部環(huán)境發(fā)生作用時所表現(xiàn)出來的特征, 包括土地景觀類型、生態(tài)敏感性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值, 反映該地區(qū)受生態(tài)約束的能力[23-25]。

在構(gòu)建過程源的阻力表面時, 把評價指標(biāo)分為1、2、3、4、5等級, 其值越小, 代表所克服阻力越小, 反之越大, 賦分時除參考Li等[26]對植被、土壤、景觀類型的賦值方法外, 主要通過AHP法確定指標(biāo)相對重要度。

1)生態(tài)源阻力因子的選擇及權(quán)重的確定

生態(tài)源阻力因子是從土地內(nèi)在固有屬性和外在生態(tài)屬性兩方面選取的, 其中內(nèi)在屬性包括高程和土壤類型, 地形用海拔分區(qū)來表達(dá); 土壤類型依據(jù)土壤質(zhì)地和肥力情況進(jìn)行等級劃分。外在生態(tài)屬性包括土地景觀類型、生態(tài)敏感性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。土地景觀類型指上文解譯的六大地類; 生態(tài)敏感性分級參考《HJ19—2011: 環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則: 生態(tài)影響》所提供的分值和權(quán)重, 采用坡度、植被覆蓋度、氣溫、降水4個要素進(jìn)行評價分級; 在對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行評價時, 采用以NDVI和空間各像元距水體像元的距離為基準(zhǔn)的分類矩陣法來分析[27]。生態(tài)源阻力表面的評價指標(biāo)體系如表2所示。本文通過借鑒前人[25]研究成果, 結(jié)合專家打分法和AHP法確定各指標(biāo)權(quán)重, 將各個阻力表面空間分布圖經(jīng)過Arcgis軟件的空間分析功能的柵格計算器進(jìn)行求和后根據(jù)值域大小分為5個等級, 綜合后的結(jié)果如圖5所示。

2)城鎮(zhèn)擴(kuò)張源阻力因子的選擇及權(quán)重的確定

對生活用地構(gòu)建阻力表面評價指標(biāo)時賦予分值與生態(tài)源地相反, 同時指標(biāo)選取也通過內(nèi)在固有屬性和外在生態(tài)屬性兩方面選取。詳細(xì)指標(biāo)見表3, 綜合后的阻力值空間分布如圖6所示。

2.3.3 最小累積阻力模型

本文參考劉孝富等[25]研究結(jié)果, 將研究區(qū)土地利用的優(yōu)化劃分為適宜生態(tài)的用地和適宜生活的用地兩大類, 為平衡生態(tài)用地保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾, 在相同標(biāo)準(zhǔn)下選取生態(tài)保護(hù)用地擴(kuò)張和城鎮(zhèn)用地擴(kuò)張阻力因子, 并賦予阻力分值及權(quán)重, 通過MCR模型分別計算生態(tài)用地擴(kuò)張和城鎮(zhèn)用地擴(kuò)張阻力面。

MCR模型由Knaapen等[28]于1992年提出, 最初用于景觀規(guī)劃, 后由俞孔堅等[29]用于生物保護(hù)的生態(tài)安全格局構(gòu)建中。其基本原理是指生物資源從“源點(diǎn)”到“源地”克服景觀阻力所做的功, 反映了生物資源遷徙過程的一種可達(dá)性[22]。公式如下:

2.3.4 生態(tài)安全格局分區(qū)

本文參考劉孝富等[25]的研究結(jié)果, 生態(tài)安全分區(qū)通過采用最小累積阻力差值與柵格面積關(guān)系曲線確定, 把頻率發(fā)生急劇變化的點(diǎn)稱為拐點(diǎn), 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)與實地情況分析劃分生態(tài)安全區(qū)。本文運(yùn)用Arcgis軟件平臺對“生態(tài)擴(kuò)張阻力面”和“城鎮(zhèn)擴(kuò)張阻力面”進(jìn)行差值計算, 以二者差值進(jìn)行生態(tài)安全分區(qū)。公式如下:

式中: MCR生態(tài)用地擴(kuò)張為生態(tài)擴(kuò)張綜合最小累積阻力值, MCR城鎮(zhèn)用地擴(kuò)張為城鎮(zhèn)用地擴(kuò)張綜合最小累積阻力值。當(dāng)MCR差值<0時, 即該區(qū)域生態(tài)用地擴(kuò)張阻力小于城鎮(zhèn)用地擴(kuò)張阻力, 適合生態(tài)用地擴(kuò)張, 并且差值越小越適宜生態(tài)用地擴(kuò)張; 當(dāng)MCR差值>0時, 該區(qū)域生態(tài)用地擴(kuò)張阻力大于城鎮(zhèn)用地擴(kuò)張阻力, 適合城鎮(zhèn)用地擴(kuò)張, 并且值越大越適宜城鎮(zhèn)用地擴(kuò)張; 當(dāng)MCR差值=0時, 為該區(qū)域的生態(tài)用地擴(kuò)張與城鎮(zhèn)用地擴(kuò)張的分界線。

3 結(jié)果與分析

3.1 最小累計阻力面的生成

根據(jù)公式(1), 分別計算生態(tài)擴(kuò)張最小累積阻力面和城鎮(zhèn)擴(kuò)張最小累積阻力面。由圖7可知, 生態(tài)源與城鎮(zhèn)擴(kuò)張源的最小累積阻力空間分布差異較為明顯。生態(tài)源最小和最高累積阻力值分別為0和29 708.5。其中高阻力值區(qū)主要分布在各縣域城鎮(zhèn)聚集區(qū)及鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村等人為活動強(qiáng)烈地區(qū), 且這類區(qū)域基本處于海拔低、氣溫高、降雨量大, 經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)擴(kuò)張較快, 以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鎮(zhèn)建設(shè)為主的平原地區(qū), 生態(tài)保護(hù)過程的阻力較強(qiáng), 其內(nèi)部生態(tài)流和能量流傳遞十分有限, 因此其累積阻力值較高, 是生態(tài)治理的重點(diǎn)地區(qū)。低阻力值在整個樣帶均有分布, 主要分布在蔚縣、淶源、易縣的西北部山地丘陵區(qū), 以及中部平原白洋淀流域外圍和各個濕地外圍緩沖地帶。生態(tài)源低阻力值分布區(qū)域基本涵蓋兩個特點(diǎn): 一是河網(wǎng)密布, 水源較為豐富, 尤其在山前傾斜平原和中部平原地帶, 上游出山口地區(qū)水量較大并匯聚于白洋淀, 地處國家自然保護(hù)區(qū)的核心區(qū); 二是這些地方植被覆蓋度較高, 上游山地丘陵區(qū)是典型的水源涵養(yǎng)林分布區(qū), 中下游平原地帶是重要的農(nóng)耕區(qū), 白洋淀流域及各大支流從西北至東匯聚, 沿河林、草、耕地分布較多。以上兩個特點(diǎn)使得河北典型樣帶內(nèi)部生態(tài)流和能量流交換傳遞的速度加快, 因此其生態(tài)源最小累積阻力較低, 是生態(tài)保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。

表1 河北典型樣帶阻力表面綜合評價指標(biāo)體系

表2 河北典型樣帶生態(tài)源阻力表面評價指標(biāo)體系

表中每個指標(biāo)名稱后的數(shù)據(jù)為指標(biāo)的權(quán)重。Data following the index name is the weight of the index.

圖2 河北典型樣帶2017年土地利用類型圖

圖3 河北典型樣帶綜合生態(tài)擴(kuò)張源地分布圖

圖4 河北典型樣帶綜合城鎮(zhèn)擴(kuò)張源地分布圖

圖5 河北典型樣帶生態(tài)源綜合阻力表面等級分布圖

城鎮(zhèn)擴(kuò)張源的累積阻力最低值和最高值分別為0和31 831.0。低值區(qū)主要分布在蔚縣山間盆地和平原地區(qū), 這些地區(qū)既有豐富的水源, 又有便利的交通, 也有較為發(fā)達(dá)的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)繁榮的城鎮(zhèn), 承載著河北典型樣帶絕大多數(shù)人口, 因此對于城鎮(zhèn)發(fā)展而言, 所受阻力值較小, 適合城鄉(xiāng)建設(shè)用地優(yōu)化布局; 而高值區(qū)主要分布在海拔相對較高的蔚縣、淶源、易縣的山地丘陵區(qū), 以及中部平原白洋淀流域和黃花濱海地帶, 其原因是山地丘陵區(qū)海拔高、氣溫低、植被茂密, 為人居環(huán)境不適宜區(qū), 其他累積阻力高值區(qū)生態(tài)環(huán)境惡劣, 交通水源不便, 也不適合人類居住, 因此這些地方對于城鎮(zhèn)發(fā)展和城鎮(zhèn)擴(kuò)張源而言, 其內(nèi)部生態(tài)流、能力流所受阻力較大, 其最小累積阻力也較高。

從生態(tài)源和城鎮(zhèn)擴(kuò)張源值域分布來看, 生態(tài)源整體累積阻力小于生活擴(kuò)張源累積阻力, 說明在河北典型樣帶城鄉(xiāng)建設(shè)用地生態(tài)流和能量流內(nèi)部傳遞交換的阻力遠(yuǎn)大于生態(tài)用地。綜合累積阻力高值區(qū)分布范圍來看, 無論是生態(tài)源還是擴(kuò)張源, 在雄安新區(qū)以及上游定興和徐水地區(qū), 其值都很高, 證明這些地方生態(tài)阻力很強(qiáng), 應(yīng)是生態(tài)治理的重點(diǎn)地區(qū), 從流域可持續(xù)發(fā)展來說, 生態(tài)保護(hù)重要性大于城鎮(zhèn)建設(shè), 該樣帶應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)。

3.2 生態(tài)安全格局構(gòu)建

3.2.1 生態(tài)安全分區(qū)閾值確定

依據(jù)公式(2), 運(yùn)用Arc GIS中的柵格計算器將生態(tài)擴(kuò)張和城鎮(zhèn)擴(kuò)張的累積阻力表面進(jìn)行差值計算, 最終生成最小累積阻力差值表面, 如圖8所示。從圖中可以看出, 生成的最小累積阻力差值范圍為-31 138.74~27 695.06, 累積阻力差值大于0的區(qū)域主要分布在建設(shè)用地集聚、人口密度較大、水源較豐富的區(qū)域, 其中平原屬于高值密集區(qū), 該區(qū)域人類活動劇烈, 對土地的利用程度較強(qiáng), 對于生態(tài)擴(kuò)張阻力較大; 累積阻力差值小于0的區(qū)域, 主要分布在蔚縣東南部、淶源山地區(qū)域以及易縣東部山地丘陵區(qū), 該區(qū)域海拔較高、氣溫低、坡度大, 土壤主要為山地草甸土、棕壤、栗褐土、褐土性土等不宜耕種的土壤, 不適于人類居住和建設(shè)用地的開發(fā), 因此是主要生態(tài)源地所處的區(qū)域。

表3 河北典型樣帶城鎮(zhèn)擴(kuò)張源阻力表面評價指標(biāo)體系

表中每個指標(biāo)名稱后的數(shù)據(jù)為指標(biāo)的權(quán)重。Data following the index name are the weight of the index.

根據(jù)圖8, 以最小累積阻力值差值與柵格面積的變化的突變點(diǎn)來確定閾值并劃分土地利用生態(tài)安全分區(qū)。在前文敘述基礎(chǔ)上, 將生態(tài)適宜用地進(jìn)一步劃分為生態(tài)核心區(qū)和生態(tài)緩沖區(qū), 適宜建設(shè)用地進(jìn)一步劃分為生態(tài)過渡區(qū)、生態(tài)可占區(qū)和生態(tài)治理區(qū)。在累積阻力差值小于0的部分, 于MCR差值等于-10 225.163 2處斜率發(fā)生突變; 在累積阻力差值大于0的部分, 于MCR差值等于1 725.453 4和6 781.483 5處斜率發(fā)生突變。突變點(diǎn)前后的土地變化較大, 因此, 將MCR差值等于-10 225.163 2處、MCR差值等于1 725.453 4和6 781.483 5處作為分區(qū)點(diǎn), 劃分結(jié)果見表4。

3.2.2 土地利用生態(tài)安全分區(qū)

根據(jù)分區(qū)閾值劃分標(biāo)準(zhǔn)得到生態(tài)安全格局分區(qū)的數(shù)值及空間分布, 如表5和圖9所示。其中, 生態(tài)核心區(qū)主要分布在樣帶西北部, 具體位于蔚縣東南部2 000 m以上、淶源和易縣1 500 m以上的高海拔區(qū)域, 面積約1 082.42 km2, 占比5.77%。這里森林密布、氣溫低、坡度大、河網(wǎng)溝壑密集, 是河北典型樣帶自然保護(hù)區(qū)核心地帶, 嚴(yán)禁從事礦產(chǎn)開發(fā)和破壞環(huán)境等行為。

生態(tài)緩沖區(qū)主要分布在樣帶中部和東部, 具體位于蔚縣北部、東南部, 淶源全域和易縣中東部的中低山地區(qū), 以及國家自然濕地保護(hù)區(qū)白洋淀和黃驊濱海地帶, 總面積最大為6 943.63 km2, 占比37.01%, 這里主要由灌木林、天然草地以及濕地組成, 是連接上、中、下游的媒介, 也是保障整個河北樣帶生態(tài)安全的屏障, 因此應(yīng)該在保護(hù)的基礎(chǔ)上合理利用, 防止出現(xiàn)過度開發(fā)。

生態(tài)過渡區(qū)主要分布在樣帶中部和東南部, 具體位于蔚縣間山盆地、淶源縣城和易縣東部山前傾斜平原區(qū), 以及中部平原和濱海平原大部分地區(qū), 總面積達(dá)3 189.25 km2, 占比17%。該區(qū)由部分生態(tài)型用地和一般型生態(tài)用地以及大部分耕地組成, 這里生態(tài)保護(hù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鎮(zhèn)建設(shè)矛盾較為突出, 也是生態(tài)擴(kuò)張與城鎮(zhèn)擴(kuò)張的交界處。

生態(tài)可占區(qū)主要分布在樣帶中部和東南部, 具體位于生態(tài)過渡區(qū)和生態(tài)治理區(qū)的過度地帶, 主要包括現(xiàn)已開發(fā)的城市建成區(qū)和重點(diǎn)建設(shè)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及周邊具有開發(fā)和發(fā)展?jié)摿Φ膮^(qū)域, 是今后作為城鎮(zhèn)擴(kuò)張重點(diǎn)開發(fā)建設(shè)區(qū)域, 應(yīng)合理規(guī)劃。同時該區(qū)外圍分布著部分質(zhì)量較差的耕地, 也包括大部分低效建設(shè)用地, 也是今后進(jìn)行土地整治和開發(fā)的重點(diǎn)后備區(qū)域, 面積為5 835.34 km2, 占比31.10%。

表4 河北典型樣帶土地利用生態(tài)安全分區(qū)最小累計阻力差值閾值劃分標(biāo)準(zhǔn)

表5 河北典型樣帶土地利用生態(tài)安全分區(qū)統(tǒng)計表

生態(tài)治理區(qū)主要分布在樣帶中部和東南部, 具體位于白洋淀上游的徐水縣東北部、定興縣東南部、容城和雄縣地區(qū), 滄縣東部以及零散分布在平原的各個生態(tài)可占區(qū)的外圍, 這以耕地和濕地為主, 不但是生態(tài)脆弱區(qū), 也是未來進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)、生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)地區(qū), 面積為1 710.70 km2, 占比9.12%。該區(qū)應(yīng)加強(qiáng)治理力度, 積極探索自然生態(tài)恢復(fù), 并嘗試生態(tài)產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。

4 討論與結(jié)論

彭建等[4]的研究認(rèn)為, 生態(tài)安全格局作為溝通生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和人類社會發(fā)展的橋梁, 目前被視為區(qū)域生態(tài)安全保障和人類福祉提升的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文以描述生態(tài)過程的最小累積阻力模型構(gòu)建了以最小累積阻力差值表面進(jìn)行生態(tài)安全分區(qū)模式, 利用此種方法研究生態(tài)安全格局也已較為成熟。劉孝富等[25]、李穎麗[3]的研究結(jié)果, 以最小累積阻力值差值與柵格面積的變化的突變點(diǎn)來確定閾值并劃分土地利用生態(tài)安全分區(qū), 將河北省典型樣帶劃分為5個區(qū)域, 分別為生態(tài)核心區(qū)、生態(tài)緩沖區(qū)、生態(tài)過渡區(qū)、生態(tài)可占區(qū)、生態(tài)治理區(qū)。因此, 在構(gòu)建生態(tài)安全格局的基礎(chǔ)上, 針對樣帶不同的生態(tài)安全區(qū)問題提出可行性的生態(tài)環(huán)境安全可持續(xù)發(fā)展對策。生態(tài)核心區(qū)和生態(tài)緩沖區(qū)共同構(gòu)成中水平的生態(tài)安全格局, 因地制宜大規(guī)模植樹造林, 尤其是在裸巖、裸土等區(qū)域, 提高植被覆蓋度, 減少自然災(zāi)害, 嚴(yán)格禁止任何破壞行為; 生態(tài)過渡區(qū)以生態(tài)保護(hù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主, 屬于限制建設(shè)區(qū), 與生態(tài)核心區(qū)和生態(tài)緩沖區(qū)共同構(gòu)成高水平生態(tài)安全格局, 在保障水土資源基礎(chǔ)上進(jìn)行農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)開發(fā), 嚴(yán)格控制向生態(tài)用地擴(kuò)張。生態(tài)可占區(qū)是該條帶的核心建設(shè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)域, 以生態(tài)建設(shè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展并重, 協(xié)同雄安新區(qū)的發(fā)展規(guī)劃, 根據(jù)城市人口、經(jīng)濟(jì)等需求進(jìn)行因地制宜開發(fā)和合力建設(shè), 打造綠色智慧城市; 生態(tài)治理區(qū)是該條帶亟待解決的重點(diǎn)區(qū)域, 恢復(fù)淀泊水面, 實施退耕還淀, 增強(qiáng)白洋淀生態(tài)自我修復(fù)能力, 推動區(qū)域環(huán)境協(xié)同治理, 嚴(yán)守土壤環(huán)境安全底線, 優(yōu)化生態(tài)安全屏障體系, 提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量。

圖6 河北典型樣帶城鎮(zhèn)擴(kuò)張源綜合阻力表面等級分布圖

圖7 河北典型樣帶最小累計阻力表面分布圖

圖8 河北典型樣帶最小累計阻力差值表面分布圖

圖9 河北典型樣帶土地利用生態(tài)安全分區(qū)分布圖

本文以土地利用現(xiàn)狀確定生態(tài)源地和城鎮(zhèn)擴(kuò)張園地, 避免主觀人為和模型誤差的影響; 在指標(biāo)選取上以系統(tǒng)論為基礎(chǔ), 從土地內(nèi)在固有屬性和外在生態(tài)屬性兩方面進(jìn)行選取, 結(jié)合MCR模型, 進(jìn)一步加強(qiáng)了“源”與生態(tài)過程的聯(lián)系。但本文也存在著不足, “源”的位置、空間距離、阻力面等的影響因素很多(人文驅(qū)動、社會經(jīng)濟(jì)等); 另外在賦指標(biāo)分值和指標(biāo)權(quán)重測算過程中, 人為主觀影響較大, 對生成的最小累積阻力表面有一定的誤差; 數(shù)據(jù)來源全部為遙感數(shù)據(jù), 沒有外業(yè)調(diào)查和對指標(biāo)進(jìn)行驗證, 對結(jié)果有一定的影響。綜上部分不足應(yīng)有待進(jìn)一步研究。

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Ecological security pattern of land use in a typical transect of Hebei Province*

YUAN Dapeng1,2, CHEN Qile1, SHI Yao1, LI Jinpu1, WANG Shutao3**

(1. College of Resources and Environmental Sciences, Hebei Agricultural University, Baoding 071000, China; 2. Xinglong County Natural Resources and Planning Bureau, Xinglong 067300, China; 3. College of Land and Resources, Hebei Agricultural University, Baoding 071000, China)

The “Planning Outline of Hebei Xiong’an New District”, which has been published recently in full text, states that it is necessary to adhere to the priority of ecological protection and build an ecological corridor taking in “Taihang Mountain Range–Bohai Bay”, and “Jingnan Ecological Green Wedge–Juma River–Baiyangdian”. In view of this, this paper referred to the principle and basis of land sample selection, laid out the typical sample belt of Hebei Province, and used the minimum cumulative resistance model, with the forest land, grassland and wetland of the sample belt as the ecological source land, and the artificial surface as the source of urban expansion. In terms of attributes and external attributes, five indicators — elevation, land landscape type, soil type, ecological sensitivity, and ecosystem service value — have been selected to investigate the ecological security pattern of land use. The findings were as follows: five ecological safety areas were designated for the typical sample area in Hebei Province; these were ecological core area, ecological buffer area, ecological transition area, ecological occupation area, and ecological management area. The spatial pattern distribution of ecological source areas and urban expansion sources showed clear boundaries, all of which were concentrated and contiguous, though the ecological connectivity was weak. The ecological core area, which was the core area of the nature reserve, was at least 1 082.42 km2. The buffer area, which was the medium connecting the upper, middle and lower reaches, was as much as 6 943.63 km2. This area should be used rationally for protection. The ecological transition area, which was the key area for the development and construction of the reserve following the urban and rural construction, was 3 189.25 km2. The ecological occupation area, with an area of 5 835.34 km2,was distributed in the ecological transition area and the ecological governance zone. It was the main area of urban construction and economic development. The ecological management area was 1 710.70 km2; it was primarily an ecologically fragile area and was a key region for ecological restoration and future ecological industry development. In summary, There should be a large-scale planting of the ecological core area and the ecological buffer zone. The ecological transition area should be controlled strictly to expand to the ecological land, and the ecological occupation area should be developed according to the needs of the urban population and the economy. It is necessary to return farmland to the lake to restore the water surface, strictly to the soil environmental safety bottom line, and optimize the ecological safety barrier system.

Typical transect; Source of ecological expansion; Source of urban expansion; Ecological security pattern; MCR model

袁大鵬, 陳奇樂, 石垚, 李瑾璞, 王樹濤. 河北典型樣帶土地利用生態(tài)安全格局研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文), 2019, 27(11): 1767-1778

YUAN D P, CHEN Q L, SHI Y, LI J P, WANG S T.Ecological security pattern of land use in a typical transect of Hebei Province[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(11): 1767-1778

* 國土資源部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費(fèi)(201311060)和河北省科技支撐計劃項目(132276329)資助

王樹濤, 主要從事土地生態(tài)方向研究。E-mail: 55381040@qq.com

袁大鵬, 主要研究方向為土壤與土地資源持續(xù)利用。E-mail: 1020081065@qq.com

2019-04-02

2019-05-21

* This study was supported by the Special Fund for Public Welfare Industry Research of the Ministry of Land and Resources (201311060) and the Hebei Science and Technology Support Plan (132276329).

, E-mail: 55381040@qq.com

May 21, 2019

Apr. 2, 2019;

X524

2096-6237(2019)11-1767-12

10.13930/j.cnki.cjea.190247