基于生態(tài)安全格局的山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)優(yōu)先區(qū)識別
——以四川省華鎣山區(qū)為例

蘇 沖,董建權(quán),馬志剛,喬 娜,彭 建,*

1 北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,地表過程分析與模擬教育部重點實驗室, 北京 100871 2 四川省國土空間生態(tài)修復(fù)與地質(zhì)災(zāi)害防治研究院, 成都 610081 3 山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院, 太原 030001

隨著我國社會經(jīng)濟高速發(fā)展,自然生態(tài)空間遭到不合理人類活動的侵占和破壞,資源環(huán)境承載力持續(xù)下降,生態(tài)退化加劇。為了應(yīng)對日益嚴(yán)峻的生態(tài)退化問題,國土生態(tài)保護(hù)與修復(fù)勢在必行。在生態(tài)退化較為嚴(yán)重的區(qū)域,國家先后部署實施了一系列國土空間生態(tài)修復(fù)工程,如1979年“三北”防護(hù)林工程、1997年黃河上中游水土流失區(qū)重點防治工程、2002年京津風(fēng)沙源治理工程等[1]。這些工程都取得了一定成效,然而以工程為導(dǎo)向的生態(tài)修復(fù)常以單一生態(tài)要素為抓手,容易割裂生態(tài)系統(tǒng)整體性,出現(xiàn)(單要素治理)局部最優(yōu)而(全要素修復(fù))整體收益偏低甚至下降的不足。

為了強化生態(tài)保護(hù)修復(fù)整體性與系統(tǒng)性,中央提出“山水林田湖草是生命共同體,統(tǒng)籌兼顧、整體施策、多措并舉”的思路,提倡“對山水林田湖草進(jìn)行統(tǒng)一保護(hù)、統(tǒng)一修復(fù)”。國土空間生態(tài)修復(fù)工程實施存在涉及利益主體多、訴求復(fù)雜、矛盾協(xié)調(diào)難等問題, 需要自上而下的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)[2]。生態(tài)安全格局理論是將相對完整的生態(tài)區(qū)當(dāng)作一個系統(tǒng)整體,以人類福祉為目標(biāo),通過生態(tài)系統(tǒng)綜合評估確定重要生態(tài)源地[3],以生態(tài)系統(tǒng)格局-過程耦合原理和與之對應(yīng)的源地-廊道-戰(zhàn)略點空間組織原則,強化有利生態(tài)格局與過程、控制有害生態(tài)格局與過程[4],在現(xiàn)狀生態(tài)系統(tǒng)格局基礎(chǔ)上通過生態(tài)修復(fù)模擬等方法,尋求生態(tài)安全保障與優(yōu)化的空間策略。因此,生態(tài)安全格局理論與方法能夠很好地應(yīng)用于山水林田湖草系統(tǒng)治理,為生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程的有序開展提供科學(xué)指導(dǎo)。本文以山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程試點區(qū)之一的華鎣山區(qū)為例,構(gòu)建生態(tài)安全格局,識別生態(tài)保護(hù)修復(fù)優(yōu)先區(qū),為華鎣山區(qū)的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)提供策略與建議。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

華鎣山區(qū)位于四川省廣安市境內(nèi),長江支流嘉陵江下游。該區(qū)涵蓋了廣安市的華鎣市、鄰水縣、前鋒區(qū)、廣安區(qū)4個縣(市、區(qū)),地理坐標(biāo)為30°50′—30°1′N,106°32′—107°18′E,與重慶市渝北區(qū)、合川區(qū)、墊江縣、長壽區(qū)相接(圖1)。華鎣山區(qū)屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),氣候溫和,雨熱同季,雨量豐沛,日照少,霜期短；年平均氣溫14.6—17.6℃,最冷月1月平均氣溫6℃,最熱月7月平均氣溫27.8℃；多年平均降雨量為1259.13 mm。華鎣山區(qū)所在的川東平行嶺谷是我國最典型的褶皺山系,也是世界三大褶皺山系之一。受川東褶皺帶構(gòu)造影響,山谷相間,彼此平行。華鎣山山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程區(qū)位于川東平行嶺谷的核心,以中、低山及丘陵地貌為主,整體呈現(xiàn)“三山兩槽一江”的格局。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)來源于全球地表覆蓋產(chǎn)品FROM-GLC10,空間分辨率為10 m；數(shù)字高程模型(DEM)采用日本METI和美國NASA聯(lián)合研制的ASTER GDEM V2產(chǎn)品,空間分辨率為30 m；歸一化植被指數(shù)(NDVI)采用美國地質(zhì)勘查局(USGS)提供的MODIS影像MOD13Q1產(chǎn)品；蒸散發(fā)數(shù)據(jù)采用美國國家航空航天局(NASA)提供的MODIS影像MOD16產(chǎn)品；氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng),包括氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)；土壤數(shù)據(jù)來源于聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所(IIASA)構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫(Harmonized World Soil Database version 1.1 )(HWSD)；地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)據(jù)來源于地方調(diào)查；糧食產(chǎn)量分區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于四川省統(tǒng)計年鑒。

2 研究方法

2.1 生態(tài)源地識別

生態(tài)源地不僅是鄉(xiāng)土物種棲息地,也是生態(tài)要素流動和生態(tài)系統(tǒng)提供產(chǎn)品和服務(wù)的源點。在源地提取方法中,一種是直接識別,即選取自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)的核心區(qū)等所包含的空間范圍作為生態(tài)源地；另一種是構(gòu)建綜合評價指標(biāo)體系識別生態(tài)價值較高的區(qū)域作為生態(tài)源地[5],一般是在評價結(jié)果基礎(chǔ)上以區(qū)域需要保留的生態(tài)總價值及生態(tài)用地面積的比例來確定生態(tài)源地的邊界范圍。相對而言,直接識別法簡便快捷,但邊界劃定具有一定的行政管制屬性,時效性較差,難以反映生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀。因此,本文采用綜合指標(biāo)體系法,選取糧食供給、產(chǎn)水、碳固定、土壤保持、生境維持等5種關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行生態(tài)重要性評估。各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)測算方法詳見表1。

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估方法

生態(tài)源地的提取考慮到景觀多功能性與單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的不可替代性,將以上5種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估結(jié)果經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后等權(quán)重疊加,選取綜合評估結(jié)果的前25%,以及各單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估結(jié)果的前10%,進(jìn)行圖層疊加,剔除面積小于1 km2的破碎斑塊,得到生態(tài)源地具體范圍。

2.2 生態(tài)阻力面設(shè)置

生態(tài)要素、功能與過程在空間上通過斑塊-廊道結(jié)構(gòu)進(jìn)行流動與傳遞[10-11],其空間流動的阻力大小受到景觀類型影響,已有研究大多基于土地利用類型對阻力面進(jìn)行賦值[5, 12-19]。由于華鎣山區(qū)大規(guī)模的采礦活動,地質(zhì)結(jié)構(gòu)遭到破壞,引發(fā)了較為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害問題,顯著影響物種遷徙等生態(tài)過程的流向與流量,可以采用地質(zhì)災(zāi)害敏感性對同一土地利用類型的阻力系數(shù)進(jìn)行修正。

(1)

式中,Ri為基于地質(zhì)災(zāi)害敏感性修正的柵格i生態(tài)阻力系數(shù);HSi為柵格i的地質(zhì)災(zāi)害敏感性,基于柵格5 km范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點個數(shù)表征;HSa為柵格i對應(yīng)土地利用類型a的平均地質(zhì)災(zāi)害敏感性；R為柵格i對應(yīng)土地利用類型的基本阻力系數(shù)。

2.3 生態(tài)廊道提取

生態(tài)廊道屬于連通型廊道,作為保障生態(tài)源地之間能量和物質(zhì)流動的通道,是促進(jìn)物質(zhì)流、生態(tài)流、生態(tài)過程連通,實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能完整性的關(guān)鍵生態(tài)用地[20]。廊道的作用在于提升景觀連通性,為斑塊間提供以生物遷徙、傳粉等為代表的物質(zhì)、能量和信息流動的渠道,能夠避免孤立斑塊內(nèi)部形成孤立種群近親繁殖,降低物種滅絕風(fēng)險,對于維護(hù)生物多樣性和提升生態(tài)系統(tǒng)整體穩(wěn)定性具有重要意義。本研究采用最小累積阻力模型和電路模型進(jìn)行識別。最小累積阻力模型認(rèn)為,生態(tài)過程水平流動需要克服相應(yīng)景觀阻力,因此生態(tài)阻力反映景觀內(nèi)部遷移的受阻程度[21]。電路模型由McRac等提出,將生態(tài)源地等價為電路節(jié)點,非生態(tài)源地則視為具有不同阻力值的電阻,基于非生態(tài)源地區(qū)域所通過的電流值高低識別生態(tài)廊道及關(guān)鍵節(jié)點[13,22-24]。本研究基于ArcGIS 10.5的Linkage Mapper 2.0 Toolbox進(jìn)行生態(tài)廊道提取。

2.4 生態(tài)戰(zhàn)略點識別

作為生態(tài)源地間跳板,生態(tài)戰(zhàn)略點是對于生態(tài)源地間相互聯(lián)系具有關(guān)鍵作用的節(jié)點,也是易受外界干擾的生態(tài)脆弱點,通過保護(hù)和修復(fù)這些節(jié)點,能夠有效維護(hù)或提升生態(tài)系統(tǒng)過程,對生態(tài)系統(tǒng)演替、干擾、恢復(fù)等具有重要意義。由于戰(zhàn)略點的斑塊面積一般相對較小、生態(tài)維護(hù)成本較低,更容易落地保護(hù)與修復(fù)措施。本研究識別的生態(tài)戰(zhàn)略點包括夾點和障礙點兩類。

夾點是廊道中電流密度較大的區(qū)域,承載了較高的景觀連通功能；并且,夾點的形成往往是由于周邊地區(qū)的阻力值較大,廊道在夾點地區(qū)被壓縮在了相對狹窄的范圍內(nèi)。因此,夾點在承擔(dān)重要連通功能的同時,往往亦面臨較高的生態(tài)退化風(fēng)險?；谥饢鸥竦睦鄯e電流值,依據(jù)自然斷點法劃分電流高值區(qū)為夾點[25-26]。障礙點則是修復(fù)后能夠降低生態(tài)阻力、顯著提升源地間景觀連通性的地區(qū),作為實施生態(tài)修復(fù)對區(qū)域生態(tài)安全提升最明顯的地區(qū),應(yīng)列為生態(tài)修復(fù)優(yōu)先區(qū)。本研究基于生態(tài)修復(fù)對景觀連通性提升的影響模擬來識別障礙點,具體做法是通過設(shè)定一定半徑的移動搜索窗口,基于生態(tài)修復(fù)設(shè)定窗口范圍內(nèi)新阻力值,采用生態(tài)修復(fù)后的生態(tài)阻力面,重新計算最小成本距離。對比生態(tài)修復(fù)后最小成本距離相比原始值降低的比例大小,來判斷特定節(jié)點生態(tài)修復(fù)的連通性提升效果；該比例越大,說明對該節(jié)點進(jìn)行生態(tài)修復(fù)所能達(dá)到的預(yù)期效果越好,應(yīng)該作為生態(tài)修復(fù)的優(yōu)先地區(qū)。障礙點最小成本距離的計算公式如下：

LCD′=CWD1MIN+CWD2MIN+(L×R′)

(2)

式中,LCD′是障礙移除后通過焦點柵格最佳路徑的最小成本距離, CWD1MIN和CWD2MIN分別是搜索窗口到源地1和源地2的最小累積阻力值,L是搜索窗口的最長軸長度,R′是替代(或切穿)障礙物的特征阻力值。一般使用圓形移動窗口,通過計算LCD′與初始值的變化比例作為識別障礙點的定量指標(biāo)[13]。本研究具體采用基于ArcGIS 10.5的Linkage Mapper 2.0 Toolbox進(jìn)行障礙點識別。

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性

不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要性格局體現(xiàn)了不同斑塊發(fā)揮生態(tài)價值的類型和程度差異。從糧食供給服務(wù)來看,高值區(qū)主要分布于華鎣山區(qū)域邊緣地帶,包括廣安區(qū)北部及鄰水縣東南部,相比于中部平行山區(qū),這里地勢更為平坦,距離城市較遠(yuǎn),受到城市開發(fā)建設(shè)活動的影響更??；產(chǎn)水服務(wù)低值區(qū)主要分布在東南部和西北部的林地范圍,主要是由于森林生態(tài)系統(tǒng)對降水具有很強的存蓄能力；生境維持服務(wù)高值區(qū)域分布在東南部平行山區(qū)、渠江流域及廣安區(qū)北部山區(qū),低值區(qū)則分布在人類活動集聚區(qū)；固碳服務(wù)高值區(qū)集中在廣安區(qū)北部及鄰水縣東南山區(qū)的林地；土壤保持服務(wù)高值區(qū)主要集中在東南部平行山區(qū)(圖2)。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性格局Fig.2 Spatial patterns of ecosystem services′ importance

3.2 生態(tài)源地

基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評估結(jié)果,共得到1722.63 km2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性區(qū)域,剔除破碎斑塊后,共篩選出生態(tài)源地58個,總面積1392.63 km2(圖3),占華鎣山區(qū)總面積的35.60%。生態(tài)源地分縣(市、區(qū))對比情況如表2所示,其中廣安區(qū)生態(tài)源地斑塊數(shù)量最多(31個),但生態(tài)源地總面積較小,占廣安區(qū)面積的比例僅為12.40%。這主要是因為廣安區(qū)作為廣安市主城區(qū),人類活動密集,對生態(tài)空間的侵占與干擾程度更大,形成了破碎化的生態(tài)源地分布格局。華鎣市與鄰水縣生態(tài)源地面積的區(qū)縣面積占比相對較大,分別為37.95%和47.03%,生態(tài)源地平均斑塊面積也更大,分別為44.14、42.81 km2,這主要是由于境內(nèi)山地資源豐富,海拔高、坡度大,人類活動影響較弱,生態(tài)系統(tǒng)受干擾程度更低。

表2 生態(tài)源地面積分縣統(tǒng)計

圖3 生態(tài)源地空間格局Fig.3 Spatial pattern of ecological sources

3.3 生態(tài)廊道

基于地質(zhì)災(zāi)害敏感性修正土地利用賦值的基本阻力系數(shù),得到華鎣山區(qū)生態(tài)阻力面(圖4)。高阻力值地區(qū)分布在華鎣山的東西兩側(cè),主要原因是華鎣山東側(cè)和西側(cè)分別為華鎣市及鄰水縣的人類活動集中區(qū),同時又是地質(zhì)災(zāi)害敏感性最高的區(qū)域,受到人類活動與自然災(zāi)害的雙重威脅。

圖4 生態(tài)阻力面格局及生態(tài)廊道空間走向Fig.4 Spatial pattern of resistance surface and spatial direction of ecological corridors

基于生態(tài)源地與阻力面,利用最小累積阻力模型識別出生態(tài)廊道及其基本走向(圖4),進(jìn)一步通過電路模型識別生態(tài)廊道具體空間范圍(圖5)?？傮w而言,研究區(qū)生態(tài)廊道共計84條,總面積248 km2。從生態(tài)廊道分布格局來看,由于廣安區(qū)生態(tài)源地斑塊較為破碎,生態(tài)阻力大,該區(qū)生態(tài)廊道呈現(xiàn)出短而窄的特點。中部地區(qū)渠江與華鎣山生態(tài)源地間則缺乏廊道連接,主要是因為人類活動頻繁、地質(zhì)災(zāi)害多發(fā),生態(tài)阻力大,導(dǎo)致橫跨全境的華鎣山只有兩端延伸出兩條生態(tài)廊道,其中西南端的生態(tài)廊道相對較窄、電流值較高,面臨廊道兩側(cè)較高的自然-人為干擾,生態(tài)退化風(fēng)險大；而東北端的生態(tài)廊道寬度較大,面臨的生態(tài)壓力相對較低。此外,與華鎣山西麓有所區(qū)別,華鎣山東麓與銅鑼山之間形成了一條寬闊的帶狀生態(tài)源地,將兩山區(qū)域連接成為一個整體,不僅發(fā)揮連通生態(tài)源地的通道作用,同時自身也作為生態(tài)源地的一部分,提供著重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

圖5 生態(tài)安全格局空間分布Fig.5 Spatial distribution of ecological security patterns

3.4 生態(tài)保護(hù)修復(fù)優(yōu)先區(qū)

夾點作為高累積電流區(qū)是區(qū)域生態(tài)保護(hù)的優(yōu)先區(qū),本研究共識別出存在大量夾點的廊道10條,除73、74號生態(tài)廊道外,其他夾點所在生態(tài)廊道都分布在廣安區(qū)(圖6),說明人類活動密集區(qū)域需要更多關(guān)注對生態(tài)廊道的保護(hù)。結(jié)合土地覆被狀況可以發(fā)現(xiàn),夾點地區(qū)總面積約0.1 km2,林地占絕對比重(70.81%),耕地也占相當(dāng)比重(20.50%)；而生態(tài)廊道的土地覆被類型構(gòu)成中,林地僅占13.11%,耕地占比高達(dá)77.90%；因此,盡管耕地的生態(tài)功能在區(qū)域生態(tài)保護(hù)中不容忽視,林地等高植被覆蓋區(qū)在生態(tài)保護(hù)廊道及網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點作用,亦需高度關(guān)注。

圖6 生態(tài)保護(hù)與修復(fù)優(yōu)先區(qū)空間分布Fig.6 Spatial distribution of priority areas for ecological protection and restoration

障礙點指實施生態(tài)修復(fù)對區(qū)域生態(tài)源地連通性提升最顯著的地域,是實施生態(tài)修復(fù)的優(yōu)先區(qū)。本研究共識別出障礙點93.86 km2(圖6),重點分兩片：(1)廣安區(qū)由于景觀破碎、生態(tài)廊道數(shù)量多、生態(tài)阻力較大,導(dǎo)致障礙點數(shù)量多、面積較大,多分布在人類活動密集區(qū)域；(2)鄰水縣障礙點面積也較大,除人類活動因素外,還受地質(zhì)災(zāi)害影響。對這些障礙點進(jìn)行生態(tài)修復(fù),需要考慮脅迫因素的差異。從土地覆被類型來看,障礙點地區(qū)大多為耕地(72.44%),生態(tài)修復(fù)過程中可以考慮對低質(zhì)量耕地實施退耕還林；亦有一定部分為林地(18.55%),由于林地本身阻力值低,其成為高阻力值的障礙點,主要是由于地處地質(zhì)災(zāi)害高敏感性地區(qū),相應(yīng)的障礙點生態(tài)修復(fù)則需要同時考慮礦山地質(zhì)環(huán)境修復(fù)與植被恢復(fù)。

4 結(jié)論與討論

本研究以華鎣山區(qū)為例,基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性、景觀連通性,通過生態(tài)源地、廊道、夾點及障礙點識別,提出山水林田湖草生態(tài)保護(hù)與修復(fù)優(yōu)先區(qū)識別的生態(tài)安全格局途徑。保護(hù)優(yōu)先區(qū)重點在夾點地區(qū),主要分布在景觀破碎化較為嚴(yán)重的廣安區(qū)境內(nèi)與華鎣山西南端；修復(fù)優(yōu)先區(qū)則分兩部分,一部分為廣安區(qū)境內(nèi)受到人類活動干擾的破碎化生態(tài)空間,主要的生態(tài)修復(fù)策略為植被恢復(fù)與退耕還林；另一部分為華鎣山、銅鑼山、明月山的地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)區(qū),主要生態(tài)修復(fù)策略是礦山地質(zhì)修復(fù)、植被恢復(fù)。

目前,區(qū)域生態(tài)保護(hù)的方法與路徑已較為成熟,如主體功能區(qū)規(guī)劃、生態(tài)紅線劃定、三生空間識別、生態(tài)功能區(qū)劃等工作都從不同的視角、尺度與方法提供了比較成熟可行的保護(hù)策略。但僅僅通過靜態(tài)的、被動的保護(hù)難以解決日益加劇的生態(tài)退化問題,生態(tài)修復(fù)的作用不可替代。本研究提出基于生態(tài)安全格局的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)優(yōu)先區(qū)識別方法,雖然能夠有效識別出生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的優(yōu)先區(qū)域,但在諸多方面仍有待進(jìn)一步提升。例如,生態(tài)廊道的構(gòu)建需要如何精細(xì)到以本地關(guān)鍵物種保護(hù)為對象？對于生態(tài)源地提取的斑塊規(guī)模閾值如何確定？此外,對于生態(tài)修復(fù),更為重要的是,不僅需要識別生態(tài)修復(fù)的空間范圍,更需要明確生態(tài)修復(fù)的核心目標(biāo)、主要措施、關(guān)鍵環(huán)節(jié)和成本收益；尤其是如何通過生態(tài)修復(fù)提升山水林田湖草的完整性與系統(tǒng)性[27],及其與城市、鄉(xiāng)村等人類聚落的協(xié)同耦合,從而整合形成人類-自然生命共同體。