基于連通度指數(shù)的生態(tài)安全格局構(gòu)建
——以三峽庫區(qū)重慶段為例

楊彥昆,王 勇,2,*,程 先,李維杰,高 敏,王家錄,傅 俐,張 瑞

1 西南大學地理科學學院,重慶 400715 2 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶 400715 3 西南大學資源環(huán)境學院,重慶 400715 4 安順學院,安順 561000

隨著經(jīng)濟的發(fā)展、城市化的快速推進,人類對自然資源的消耗加劇,導致諸如水土流失、洪澇災害、空氣質(zhì)量惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問題[1-2]。如何協(xié)調(diào)經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾,已成為當今社會發(fā)展所面臨的重大課題[3-4]。生態(tài)安全是人類生產(chǎn)生活所需的物質(zhì)資料得到充分保障,生態(tài)環(huán)境不受威脅的狀態(tài)[5]。生態(tài)安全格局遵循景觀生態(tài)學中格局與過程相互反饋的原理,識別生態(tài)系統(tǒng)中保障人類生境和生存安全的關鍵區(qū)域、節(jié)點和廊道,并落實于具體的空間位置,被認為是保障區(qū)域生態(tài)安全、實現(xiàn)精明增長的重要途徑[6]。

國外對生態(tài)安全格局的關注較早,Warntz和Woldenberg[7]于20世紀60年代提出基于阻力面構(gòu)建生態(tài)安全格局。Rouget等[8]基于GIS技術對區(qū)域生物多樣性保護的重要區(qū)進行識別。Vimal等[9]從區(qū)域景觀多樣性、生態(tài)完整性和稀有動物保護角度探討了區(qū)域生態(tài)安全格局的構(gòu)建。國內(nèi)研究始于Yu等[10]以生物多樣性保護為目標的景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建。隨著研究的深入和技術的進步,“源-匯”理論、生態(tài)紅線、生態(tài)系統(tǒng)服務簇等理念的引入,使得研究理論越來越豐富[11]；研究內(nèi)容也由單一目標的生態(tài)安全格局建立向多目標的生態(tài)格局優(yōu)化發(fā)展[12]。源地的識別和廊道的提取是生態(tài)安全格局構(gòu)建的關鍵[13]。源地是綜合區(qū)域生物多樣性保護、水資源安全、地質(zhì)災害防護和景觀格局完整性等生態(tài)功能于一體的基礎生態(tài)用地。源地的識別可通過直接選取生態(tài)保護用地[14],多年遙感監(jiān)測指數(shù)[15]和綜合評價等方法識別[16],其中綜合評價識別的方法得到較為廣泛的應用[3,6,11]。廊道是生態(tài)系統(tǒng)之間生態(tài)流和能量流遷移、交流的潛在通道,廊道的識別依賴于生態(tài)阻力面的構(gòu)建。阻力面的構(gòu)建主要通過對不同景觀類型的賦值得到,為考慮人類活動、氣候等因素對阻力值的影響,部分學者通過夜間燈光指數(shù)、濕潤指數(shù)和地形因子等對阻力值進行修正[15,17-18]。

區(qū)域生態(tài)安全格局強調(diào)對生物多樣性的保護和修復,對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的維持[19],這對生態(tài)安全格局的可實踐性有較高要求。當前研究大多以空間數(shù)據(jù)為基礎,對指標進行賦值,通過模型計算得到研究區(qū)的生態(tài)安全格局,其結(jié)果難以驗證,導致可實踐性不強。其次,阻力面的設定和修正仍未形成有效的方案；前人研究雖考慮到人為賦值的主觀性,但對生態(tài)阻力值在同種景觀的內(nèi)部差異、各指數(shù)修正后的效果考慮不足,不同指數(shù)修正的精度也未作對比研究,故很難界定當前已有修正指數(shù)的優(yōu)劣。本文以三峽庫區(qū)重慶段為例,通過生態(tài)系統(tǒng)服務重要性和生態(tài)敏感性評價識別生態(tài)源地,構(gòu)建連通度指數(shù)修正阻力面,運用最小累積阻力模型明晰關鍵生態(tài)節(jié)點,提取生態(tài)廊道,進而構(gòu)建生態(tài)安全格局；同時,利用高精度土地利用數(shù)據(jù)對廊道提取結(jié)果進行精度驗證和缺失廊道識別,并劃定具體的優(yōu)化廊道路徑,提出優(yōu)化方案,進一步提升生態(tài)安全格局的可實踐性。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

三峽庫區(qū)重慶段位于中國西南部(28°31′—31°44′N,105°49′—110°12′E),由重慶22個區(qū)縣組成(圖1),轄區(qū)面積46163.67 km2,占庫區(qū)總面積的85%。研究區(qū)橫跨川東平行嶺谷、大巴山褶皺帶和川鄂湘黔隆起地帶,地勢險要,地形起伏大。該區(qū)氣候溫暖濕潤,降雨充足,年均溫15℃以上,植被以暖性針葉林和亞熱帶常綠闊葉林為主,物種豐富[20]。此外,研究區(qū)地處長江流域咽喉地帶,是重要的水源保護地和生態(tài)走廊,是我國17個具有全球保護意義的生物多樣性關鍵帶之一。

圖1 研究區(qū)地理位置

研究所用數(shù)據(jù)主要包括土地利用數(shù)據(jù)、基本農(nóng)田數(shù)據(jù)、巖溶分布數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、夜間燈光數(shù)據(jù)、植被覆蓋數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)、植被凈初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)以及部分統(tǒng)計數(shù)據(jù)等,相關數(shù)據(jù)來源及分辨率見表1。

表1 數(shù)據(jù)概況

所有數(shù)據(jù)均在ArcGIS 10.2軟件的支持下進行地理校正和投影轉(zhuǎn)換,將坐標統(tǒng)一為WGS-1984-UTM-zone-48；同時,為保證連通度指數(shù)的計算精度及其后期修正效果,特將數(shù)據(jù)分辨率向精度較高的土地利用數(shù)據(jù)靠齊,均重采樣為30 m×30 m像元大小。

2 研究方法

本文從生態(tài)源地綜合識別出發(fā),綜合陸地、水體、大氣三方面的因素,基于生態(tài)系統(tǒng)服務重要性評價和生態(tài)敏感性評價識別源地,通過連通度指數(shù)修正阻力值,運用MCR模型建立生態(tài)阻力面,進而識別關鍵節(jié)點、提取生態(tài)廊道構(gòu)建生態(tài)安全格局。

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務重要性評價

生態(tài)系統(tǒng)服務重要性評價從為人服務的角度出發(fā),針對區(qū)域特點,判定不同生態(tài)功能對人類生存發(fā)展的價值高低,并篩選出具有較高價值的生境斑塊。三峽庫區(qū)是我國生物多樣保護的關鍵地帶,也是我國最大的淡水資源戰(zhàn)略儲備庫和水土保持的重要區(qū)域,在西南地區(qū)乃至全國的生態(tài)地位都十分重要。結(jié)合當前人們對大氣安全的關注,選取生物資源保護、水資源安全、土壤保持、固碳釋氧和空氣質(zhì)量安全為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務重要性評價指標。

(1)生物資源保護

生物資源保護評價是識別對基因、物種的生存和發(fā)展具有重要價值的斑塊,通常從生物棲息地質(zhì)量和生態(tài)服務價值進行評價。三峽庫區(qū)共有3000余種特有植物,其中60余種屬于國家重點保護對象,對庫區(qū)的生物資源保護是庫區(qū)生態(tài)安全的重要課題。本文采用謝高地等[21]提出的生態(tài)服務價值當量計算生物多樣性服務價值,并對計算結(jié)果采用氣溫、降水和海拔進行修正,以此表征生境質(zhì)量的影響,具體計算公式如下[22]：

Sbio=Vi×Fpre×Ftem×Falt

(1)

式中,Sbio為生物資源保護能力；Vi是生態(tài)服務價值當量采用謝高地提出的生態(tài)服務價值當量表；Fpre為研究區(qū)多年(1980—2015年)平均降水插值的歸一化數(shù)據(jù)；Ftem為溫度參數(shù),由多年(1980—2015年)平均溫度插值并歸一化處理得到；Falt為海拔參數(shù),由高程數(shù)據(jù)歸一化處理得到。

(2)土壤保持

土壤保持是指生態(tài)系統(tǒng)削減或抑制水土流失的能力,是基礎的生態(tài)調(diào)節(jié)功能[23]。本文參考國家環(huán)保部《生態(tài)保護紅線劃定技術指南》中的方法,采用土壤保持服務能力指數(shù)計算公式作為評價方法,具體表達式如下[22]：

Spro=NPP×(1-k)×(1-Fslo)

(2)

式中,Spro是土壤保持服務能力服務指數(shù)；NPP為植被凈初級生產(chǎn)力；k為土壤可蝕性因子,根據(jù)宋春風等[24]的研究對不同的土壤類型賦值得到；Fslo為坡度因子,采用最大值法歸一化后得到。

(3)水資源安全

區(qū)域水資源安全主要包括區(qū)域水源涵養(yǎng)能力和區(qū)域洪水控制兩個方面。水源涵養(yǎng)關注的是對降水截留、積蓄和對土壤水資源的蒸散發(fā)的調(diào)節(jié)能力,洪水控制主要關注生態(tài)系統(tǒng)對洪水的調(diào)蓄能力和洪水淹沒范圍。水源涵養(yǎng)能力通過降水貯存量法[25]計算得到,同時疊加用水體分布格局表征不同水體大小的重要性差異；洪水安全的評價從洪水淹沒區(qū)和洪水調(diào)蓄區(qū)兩方面考慮,前者根據(jù)10年、20年和50年一遇的洪水淹沒范圍賦值,后者由距河湖的距離劃分得到(表2),最后各因子評價結(jié)果等權(quán)疊加得到區(qū)域水資源安全指數(shù)。

表2 水資源安全評價指標及方法

(4)固碳釋氧

固碳釋氧是指植被在進行光合作用產(chǎn)生有機物的同時,釋放O2和吸收CO2,能起到維持碳氧平衡,調(diào)節(jié)區(qū)域氣候的作用[26]。固碳釋氧物質(zhì)量的計算以植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)為基礎,通過光合作用方程計算得到,具體計算方法如下[27]：

FN=NPP/45%×(1.2+1.63)

(3)

式中,FN為固碳釋氧物質(zhì)量；45%是指植被固碳釋氧的過程中所產(chǎn)生的干物質(zhì)中碳的占比為45%；1.2和1.63是常數(shù),即每形成1 g干物質(zhì)能固定1.63 g CO2,釋放1.2 g O2。

(5)空氣質(zhì)量安全

空氣質(zhì)量是大氣中多種成分含量的綜合反映,隨著城市化、工業(yè)化的發(fā)展,空氣質(zhì)量安全狀況越發(fā)嚴峻。有研究表明植物能夠起到很好的降塵除霾的作用,且不同的物種能力有差別[28]；人口密集、人類活動頻繁、建筑密度大的區(qū)域空氣質(zhì)量差,風速、溫度對空氣質(zhì)量有明顯的正向影響作用[29]?；谝陨涎芯?本文構(gòu)建了研究區(qū)空氣質(zhì)量安全評價指標體系,根據(jù)各指標的正負性采用自然斷點法分級賦值,并按權(quán)重疊加得到研究區(qū)空氣質(zhì)量狀況等級分布,具體方法如表3。

表3 空氣質(zhì)量安全評價指標和方法

2.2 生態(tài)敏感性評價

生態(tài)敏感性是指生態(tài)系統(tǒng)遭受外界干擾或環(huán)境變化時,發(fā)生地質(zhì)災害等環(huán)境問題的難易程度[30-31]。三峽庫區(qū)巖溶分布較廣,地形起伏大,地勢陡峭,降雨豐沛是滑坡、崩塌、泥石流的多發(fā)地帶,也是我國水土流失最嚴重的地區(qū)之一。因此選取地質(zhì)災害、水土流失和石漠化三個因子作為研究區(qū)生態(tài)敏感性評價指標。

(1)地質(zhì)災害敏感性

研究區(qū)主要地質(zhì)災害為滑坡和泥石流,屬于巖土體位移災害,主要受高程、坡度、地形起伏度、植被覆蓋情況和人類活動的影響。本文根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)災害的致災因子建立地質(zhì)災害評價指標體系,由各因子對地質(zhì)災害的影響程度分級賦值(表4),最后按權(quán)重疊加得到研究區(qū)地質(zhì)災害敏感性分布圖[32]。

表4 地質(zhì)災害評價指標及敏感性

(2)水土流失敏感性

水土流失敏感性主要關注在自然條件和人類活動的影響下發(fā)生土壤侵蝕的可能性,通常采用通用土壤流失方程計算得到[33],具體公式如下：

A=R×K×LS×C×P

(4)

式中,A為年土壤侵蝕量；R為降雨侵蝕力,由重慶地區(qū)年降雨侵蝕公式計算得到[34]；K為土壤可蝕性因子；LS為地形因子；C為植被覆蓋和管理因子；P為水土保持措施因子。各因子采用自然斷點法重分類為5級,并依次賦值1到5,最后疊加分析得到研究區(qū)水土流失敏感性分區(qū)圖。

(3)石漠化敏感性

石漠化是指巖溶地區(qū)巖石裸露,植被退化,土壤流失失去農(nóng)業(yè)利用價值的一種狀態(tài)。本文選取研究區(qū)植被覆蓋度、坡度分布、降水、高程、人口密度和土地利用6種指標建立研究區(qū)石漠化敏感性評價指標體系。各指標采用自然斷點法分級賦值,根據(jù)王正雄等[35]的研究成果,對土地利用和坡度指標賦0.2的權(quán)重,其余各指標分別賦0.15。

2.3 生態(tài)阻力面的建立

生態(tài)阻力是生態(tài)源地之間的物質(zhì)交換、能量傳輸或者生物遷徙等生態(tài)過程所受到的阻礙,阻力值的大小主要受自然條件和人類活動的影響。隨著城市化的推進,景觀破碎化現(xiàn)象加劇,不同景觀斑塊之間的連通性降低、差異化越發(fā)明顯[36]。因此,僅考慮人類活動對阻力值的影響忽略了不同景觀之間和景觀內(nèi)部不同斑塊之間的連通度差異。本研究在土地類型賦值的基礎上,選取景觀指數(shù)中的鄰近度指數(shù)、連接度指數(shù)構(gòu)建斑塊連通度指數(shù)[36],并以此對阻力系數(shù)進行修正。參考彭建等[37]的研究,對林地、草地、園地、水體、耕地、建設用地依次賦1、10、30、50、100和250的基本阻力值,構(gòu)建基本阻力面,并運用連通度指數(shù)進行修正,具體公式如下：

Ri=R×Ci

(5)

式中,Ri為修正后的阻力系數(shù)；R為基本阻力系數(shù)值；Ci為標準化處理后的斑塊連通度,具體計算方法如式下：

C=Cpro×Ccon

(6)

(7)

式中,C為斑塊連通度指數(shù)；Cmin為斑塊連通度的最小值,Cmax為斑塊連通度的最大值；Cpro為斑塊鄰近度指數(shù),Ccon為連接性指數(shù),計算方法如式(8)和式(9),并對計算結(jié)果采用極差標準化法消除數(shù)量級和正負作用的影響,Cpro和Ccon均由Fragstats 4.2軟件計算得到。

(8)

(9)

2.4 生態(tài)安全格局的構(gòu)建

生態(tài)安全格局的構(gòu)建包括建立核心區(qū)(源地),建立緩沖區(qū)對核心區(qū)加以保護,以及建立連接各核心區(qū)的廊道[38]。因此,本文嘗試從生態(tài)源地、生態(tài)緩沖區(qū)、生態(tài)廊道和戰(zhàn)略點四個方面構(gòu)建研究區(qū)的生態(tài)安全格局。

(1)生態(tài)源地。生態(tài)源地的選取是在綜合生態(tài)用地評價的基礎上,提取具有重要生態(tài)價值且達到一定面積的生態(tài)用地作為生態(tài)源地?？紤]到研究區(qū)的尺度較大,將綜合生態(tài)用地識別結(jié)果中面積大于10 km2的斑塊作為研究區(qū)的生態(tài)源地。

(2)生態(tài)緩沖區(qū)。緩沖區(qū)的建立是根據(jù)生態(tài)阻力值與其面積的關系曲線,提取不同阻力閾值作為劃分界限進而得到不同等級的緩沖區(qū)。

(3)生態(tài)廊道。廊道的提取是利用最小累積阻力模型(Minimum Cumulative Resistance,MCR)量化生態(tài)源地到目標景觀單元之間所克服的阻力總和,進而識別累積阻力最小的通道作為物種遷移和能量流動的可能通道。具體操作時采用ArcGIS的水文分析工具來提取生物擴散的潛在通道。

(4)戰(zhàn)略點。戰(zhàn)略點的目的在于完善廊道系統(tǒng),提高生態(tài)系統(tǒng)的完整性。本文所采用的為鞍部戰(zhàn)略點,一般為相鄰源地之間的等阻力值點,能起到“源”間跳板的作用,對物質(zhì)和能量的流動具有重大意義[39]。

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)用地識別和源地提取

將各因子的評價結(jié)果劃分為極重要、重要、中等重要、一般重要和不重要五類(圖2),可以發(fā)現(xiàn)：生物資源保護極重要區(qū)集中分布在巫山、奉節(jié)的南部,這一區(qū)域地勢險要、山系交叉、人類活動干擾較少,有利于生物資源的保護和生物多樣性的發(fā)展。土壤保持極重要區(qū)主要坐落于中西部地區(qū),這些區(qū)域森林覆蓋度高,地勢相對平坦,具有重要的水土保持和水源涵養(yǎng)功能。水資源安全的極重要區(qū)呈現(xiàn)出明顯的沿江沿湖的分布特征,這些區(qū)域地勢低洼,是境內(nèi)河流匯集地和水源保護地,也是洪災多發(fā)區(qū),對于區(qū)域水源安全、洪水防護具有重要意義。

圖2 生態(tài)重要性因子空間分異

固碳釋氧方面,極重要區(qū)主要分布于東北部萬州、云陽、奉節(jié)、巫山境內(nèi)的河谷兩岸和山脊兩側(cè),區(qū)域內(nèi)森林覆蓋率高,濕地、湖泊遍布,生態(tài)良好,光照充足是庫區(qū)重要的碳匯和氧源?？諝赓|(zhì)量安全的極重要區(qū)的分布與固碳釋氧高值區(qū)相對,主要分布于庫區(qū)東北部的山脊區(qū)成條帶狀,這些地區(qū)海拔相對較高、溫度較低、人類干擾少,是境內(nèi)空氣質(zhì)量最好的區(qū)域,對提升人類的生境質(zhì)量極其重要。

如圖3所示,地質(zhì)災害高值區(qū)位于秦巴山區(qū)和武陵山區(qū)境內(nèi),區(qū)域內(nèi)地形起伏大,地質(zhì)構(gòu)造復雜加之降水豐沛,易發(fā)生滑坡、崩塌和泥石流,對這些區(qū)域加強生態(tài)管控有利于減少地質(zhì)災害的發(fā)生。水土流失極敏感區(qū)一部分呈條帶狀沿山脊分布,另一部分坐落于北部的長江沿岸；其分布特征與土壤保持分布正好相反,所處區(qū)域地勢陡峭,植被較少,土壤易受侵蝕。石漠化的極敏感區(qū)主要分布于奉節(jié)縣的南部,巫山、巫溪縣全境和開縣的北部地區(qū),這些區(qū)域巖溶分布廣泛、土層較薄、土壤易受侵蝕是石漠化的易發(fā)生地帶。

圖3 生態(tài)敏感性因子空間分異

將生態(tài)系統(tǒng)服務重要性和生態(tài)敏感性的識別結(jié)果等權(quán)疊加,并提取重要和極重要區(qū)作為研究區(qū)的綜合生態(tài)用地識別結(jié)果(圖4)。由統(tǒng)計可知,研究區(qū)生態(tài)用地總面積為28175.82 km2,占研究區(qū)總面積的61.03%,其中各主要景觀類型的面積占比分別為林地60.74%、耕地23.20%、草地5.72%、建設用地5.35%?？梢?人類活動已經(jīng)對研究區(qū)的生態(tài)用地造成一定干擾,在今后的生態(tài)安全建設中應當重點關注。

提取面積大于10 km2的生態(tài)用地作為源地,得到生態(tài)源地面積19227.04 km2,占研究區(qū)總面積的41.65%(圖4)。從空間分布上看,生態(tài)源地主要集中于北部的巫山、巫溪、奉節(jié)、開州、云陽、萬州和中部的石柱、豐都、武隆；從地形上看,85.76%的源地海拔在500 m以上,主要包括境內(nèi)幾大山脈(巫山、大婁山、武陵山、縉云山、銅鑼山和明月山),這些區(qū)域森林覆蓋率高、自然資源豐富,是重要的生態(tài)服務輸出地,在今后的規(guī)劃中應列為禁止建設區(qū)域進行重點保護。

圖4 生態(tài)用地綜合識別結(jié)果和生態(tài)源地

3.2 阻力面及生態(tài)廊道

基于連通度指數(shù)修正的最小累積阻力面如圖5所示。可以看出最小累積阻力值的分布呈現(xiàn)出明顯的空間分異特征,阻力值由西南部重慶主城核心區(qū)向東北部遞減。相較于夜間燈光指數(shù)修正的阻力值(圖5),景觀連通度指數(shù)修正的阻力值高低分異更加明顯,高阻力值的分布也更加廣泛。這種分異在研究區(qū)西部更為明顯,特別是長壽、江津等地,這些區(qū)域地勢較為平坦、土地肥沃、人口密集、人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的干擾也更加突出,導致景觀破碎、斑塊之間的連通性較差,故生態(tài)擴散阻力值較高。

通過計算林地、建設用地的斑塊密度和景觀分離度可以發(fā)現(xiàn),江津和長壽的林地斑塊密度和景觀分離度水平明顯高于研究區(qū)整體水平；在建設用地斑塊密度方面江津最高,長壽略低于庫區(qū)平均水平；這說明江津和長壽地區(qū)林地破碎化嚴重、連通性差,故生態(tài)阻力高于其他地區(qū)(表5)。

表5 各地區(qū)景觀破碎度指數(shù)

生態(tài)廊道是源地之間物質(zhì)和能量傳輸?shù)耐ǖ?。河流兩?cè)能量和物質(zhì)交換頻繁,阻力較小能夠很好的起到源間廊道的作用。大型河流即是重要的生態(tài)源地,又是關鍵生態(tài)廊道,故將境內(nèi)一二級河流和部分能夠連通源地的支系河流作為天然廊道加以保護,共計識別天然廊道9條,總長880.91 km。將基于最小累積阻力面提取的生態(tài)廊道定義為阻力廊道。研究區(qū)共識別重要阻力廊道36條,總長729.57 km。如圖5所示,西部的阻力廊道受地形和人類活動的影響較為狹長,沿山脈分布,大致呈南北走向；中部和東北部的阻力廊道相對密集散亂,主體呈東西走向。

為進一步對比分析連通度指數(shù)和夜間燈光指數(shù)修正阻力面的差異,本文基于夜間燈光指數(shù)修正的阻力面采用相同的方法提取33條阻力廊道,共計579.72 km,并將二者所提取的阻力廊道與居民點等建設用地進行沖突分析(圖5)。據(jù)統(tǒng)計,基于連通度指數(shù)修正的阻力面所提取的阻力廊道與居民點的沖突區(qū)域為46處,與交通道路的沖突區(qū)域為4處；基于夜間燈光指數(shù)修正的阻力面所提取的阻力廊道與居民點的沖突區(qū)域為219處,與交通道路的沖突區(qū)域為6處,后者居民點沖突區(qū)域為前者的4.76倍?？梢?無論從阻力廊道與建設用地沖突總數(shù)還是沖突密度,基于連通度指數(shù)修正的阻力面效果都要明顯優(yōu)于夜間燈光指數(shù)修正的阻力面。

圖5 基于連通度指數(shù)和夜間燈光指數(shù)修正的阻力面及廊道

3.3 戰(zhàn)略點和緩沖區(qū)分析

研究區(qū)共識別戰(zhàn)略點30個,主要是阻力值較高的農(nóng)村居民點和耕地(圖5)。西部的阻力廊道受地形和人類活動的影響較為狹長,沿山脈分布,大致呈南北走向；中部和東北部的阻力廊道相對密集散亂,主體呈東西走向。采用自然斷點發(fā)提取阻力閾值,將生態(tài)源地以外的阻力值劃分為4個等級,提取最小阻力區(qū)作為生態(tài)源地的緩沖區(qū),得到緩沖區(qū)的面積為10539.97 km2,占研究區(qū)總面積的22.83%(圖6)。這些區(qū)域是生態(tài)源地的屏障區(qū),對于保護生態(tài)源地的連通性和完整性具有不可替代的作用,在城市的土地利用規(guī)劃中應納入限制建設區(qū)的范圍,減少人類活動的干擾。

圖6 生態(tài)緩沖區(qū)和優(yōu)化格局

3.4 優(yōu)化廊道構(gòu)建

生態(tài)安全格局強調(diào)戰(zhàn)略節(jié)點、生態(tài)廊道、生態(tài)源地的空間位置及其他們的相互聯(lián)系[40]。其中,戰(zhàn)略點和重要廊道的疏通是保證生態(tài)系統(tǒng)完整性重要途徑。根據(jù)生態(tài)廊道的分布和土地利用開發(fā)強度的相對強弱,將研究區(qū)分為東、中、西3個生態(tài)組團,可以看出3個組團均在不同程度的廊道缺失。其中,東部和中部組團主要是長江南北兩側(cè)的源地缺少溝通的渠道；西部組團連通性最差,南北和東西方向的源地之間廊道均有缺失。此外,研究區(qū)30個戰(zhàn)略點中有1個位于道路附近、7個位于農(nóng)村居民點附近還有11坐落于耕地區(qū)?？梢?對研究區(qū)進行廊道疏通和戰(zhàn)略點修復的迫切性。

從斷開的連接的生態(tài)源地出發(fā),尋求次小耗費路徑得到4條優(yōu)化廊道和重點修復的戰(zhàn)略節(jié)點(圖6)。1號優(yōu)化廊道由綦江四面山源地出發(fā),穿過北部的鳳凰山經(jīng)長江與縉云山源地連接；2號優(yōu)化廊道從巴南區(qū)的尖峰頂山脈出發(fā)穿長江與明月山源地連接；3號優(yōu)化廊道從涪陵境內(nèi)的五寶山出發(fā)經(jīng)佛唐山與忠縣源地連通；4號優(yōu)化廊道由方斗山出發(fā)過長江與北部源地相連。相對而言,2號優(yōu)化廊道的修復難度最大,需打通與廊道相交的繞城高速、渝懷鐵路、滬渝高速等高阻力區(qū)；4號優(yōu)化廊道路徑最短,阻力最小,僅受部分居民點的影響；1號優(yōu)化廊道則需克服北部成渝環(huán)線帶來的阻力；3號環(huán)線主要打通忠縣境內(nèi)的滬渝高速以實現(xiàn)南北源地互通。綜合考慮研究區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡現(xiàn)狀和修復廊道所面臨的阻力,本文建議優(yōu)先修復1、3、4號優(yōu)化廊道,以實現(xiàn)南北和東西方向重要生態(tài)源地的互通。對于位于道路、居民點和耕地附近的戰(zhàn)略點可通過架設橋梁、鋪設道路綠帶、生態(tài)移民、退耕還林等方式擴大戰(zhàn)略點的生態(tài)景觀面積,降低生態(tài)阻力。

4 討論

阻力面的科學構(gòu)建和修正一直是生態(tài)安全格局構(gòu)建的難點,長期以來學者們對阻力面的修正和生態(tài)廊道的落地做了大量研究和嘗試[11-12,18,41],但一直未形成有效的解決方案。本文選取景觀鄰近度和連接度指數(shù)來構(gòu)建生態(tài)阻力面的修正指數(shù),從斑塊尺度上強調(diào)了生態(tài)阻力面的內(nèi)部差異和聯(lián)系更符合阻力面構(gòu)建的本質(zhì)和要求。除此之外,本文還通過對新構(gòu)建的修正指數(shù)進行自我評價和與常用指數(shù)對比評價兩個方面驗證了新指數(shù)具有較強可行性和修正效果。在景觀規(guī)劃中,連接度十分重要[12],本文在阻力面的構(gòu)建中考慮景觀連接度能使研究結(jié)果更符合實際,有利于景觀管理和生態(tài)流評價。

與此同時,本文還通過對研究區(qū)現(xiàn)有格局進行評價,識別研究區(qū)生態(tài)連通性薄弱的區(qū)域并提出4條優(yōu)化廊道對研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡進行修復,進一步增加了研究結(jié)果落地的可行性,對研究區(qū)生態(tài)安全格局的優(yōu)化有一定參考價值。需要指出的是在區(qū)域尺度上,本研究通過構(gòu)建連通度指數(shù)對阻力面進行修正,能夠體現(xiàn)出景觀破碎化和人類活動對阻力值的影響,但在小尺度地區(qū)或干旱地區(qū)其可行性還有待驗證。其次,生態(tài)廊道的寬度的設定、源地面積的下限取值對生態(tài)功能的發(fā)揮有著直接的影響[18-19],如何從模型和實驗的角度探討不同尺度廊道和源地的閾值劃定將是下一步研究的重點。

5 結(jié)論

本文以三峽庫區(qū)重慶段為研究區(qū),基于景觀生態(tài)學理論,選取5個生態(tài)重要性指標和3個生態(tài)敏感性指標,綜合評價識別研究區(qū)生態(tài)源地,并構(gòu)建景觀連通度指數(shù)修正基本生態(tài)阻力面,運用最小累積阻力模型識別重要生態(tài)廊道和戰(zhàn)略點,從而構(gòu)建研究區(qū)生態(tài)安全格局,并在此基礎上提出廊道修復方案。得出主要結(jié)論如下：

(1)基于連通度指數(shù)修正的生態(tài)阻力面空間分異明顯,阻力值由西南部重慶主城核心區(qū)向東北部遞減；相較于夜間燈光指數(shù),基于景觀連通度指數(shù)修正的阻力面所提取的生態(tài)廊道對人類活動區(qū)的避讓效果更好。

(2)研究區(qū)重要生態(tài)源地面積19227.04 km2,占總面積41.65%,主要集中在東北部和中東部的林地；生態(tài)廊道總長度1610.48 km,包括天然廊道和阻力廊道；戰(zhàn)略點30個,主要位于耕地、居民點和水域附近。

(3)研究區(qū)生態(tài)連通性較好,但部分地區(qū)存在廊道缺失、戰(zhàn)略點阻斷的現(xiàn)象。針對研究區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡現(xiàn)狀,提出4條優(yōu)化廊道,其中位于巴南區(qū)的2號廊道修復阻力最大,應先打通其他3條阻力較小的優(yōu)化廊道。