普達(dá)措國家公園生態(tài)安全格局構(gòu)建

鄭群明,申明智,*,鐘林生

1 湖南師范大學(xué)旅游學(xué)院,長沙 410081 2 湖南師范大學(xué)研學(xué)旅行研究院,長沙 410081 3 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101

國家公園是指經(jīng)國家有關(guān)部門批準(zhǔn)設(shè)立并主導(dǎo)其建設(shè)與管理的特定陸地或海洋的區(qū)域,它可以利用自然科學(xué)的保護(hù)和合理利用來維護(hù)國家生態(tài)安全,建設(shè)一個(gè)美好的中國[1]。在中共中央十八屆三中全會和十九大報(bào)告中,先后提出建立國家公園體制和以國家公園為主體的自然保護(hù)地體系。目前我國已開展了包括三江源、神農(nóng)架、普達(dá)措等10個(gè)國家公園體制試點(diǎn)。而云南普達(dá)措早在2006年便啟動了建立國家公園的探索[2],在這些國家公園試點(diǎn)中具有獨(dú)特性和代表性。通過評估普達(dá)措國家公園的生境質(zhì)量,以此構(gòu)建其生態(tài)安全格局,具有一定的意義。

目前各種強(qiáng)度和規(guī)模的人類活動對某個(gè)特定區(qū)域的自然生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和格局都產(chǎn)生了巨大沖擊。其中,土地利用方式和強(qiáng)度的改變會使生態(tài)系統(tǒng)格局和結(jié)構(gòu)以及生境質(zhì)量與生態(tài)系統(tǒng)過程發(fā)生相應(yīng)的改變,進(jìn)而削弱生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境已是當(dāng)務(wù)之急。生境質(zhì)量是指生態(tài)系統(tǒng)為物種的生存狀況以及繁衍生息提供必要充足條件的潛在力量。生境質(zhì)量與生物的豐富性有著緊密關(guān)系,同時(shí)也決定了野生動植物生存地的適宜性程度[3]。生境質(zhì)量是區(qū)域生態(tài)安全的重要體現(xiàn),能夠體現(xiàn)出區(qū)域生物多樣性的維持狀態(tài)和生態(tài)服務(wù)水平的高低,正日益成為生態(tài)安全領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。目前國內(nèi)外學(xué)者針對區(qū)域生境質(zhì)量開展了大量研究,在研究尺度方面,早期的研究主要是集中在單點(diǎn)和樣地等小尺度,如萊州灣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)[4]、漫灣庫區(qū)生境質(zhì)量研究[5]、老鐵山自然保護(hù)區(qū)生境質(zhì)量時(shí)空變化[6]。后期生境質(zhì)量的研究逐漸擴(kuò)大到城市層面和大區(qū)域,如京津冀生境質(zhì)量時(shí)空演變[7]、新疆兩大區(qū)生境質(zhì)量對比[8]。在研究方法方面,一是對動植物進(jìn)行調(diào)查、統(tǒng)計(jì)和分析,獲取特定區(qū)域的生境質(zhì)量參數(shù),并據(jù)此建立生境質(zhì)量評價(jià)體系[9]；二是借助各種模型開展生境質(zhì)量評估,這些模型主要包括MAXENT模型[10]、ARIES模型[11]、HIS模型[12]、SoIVES模型[13]、InVEST模型[14]等。由于InVEST模型具有多個(gè)模塊、運(yùn)行參數(shù)較少、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取較易、以及評價(jià)結(jié)果定量化和空間可視化等諸多優(yōu)點(diǎn),被國內(nèi)外研究者廣泛應(yīng)用在生境質(zhì)量、水源涵養(yǎng)、碳儲量和土壤侵蝕等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估領(lǐng)域。在研究內(nèi)容上,則包括針對單個(gè)物種[15]和某個(gè)特定區(qū)域開展生境質(zhì)量研究與評價(jià)[16]。在研究視角上,則多基于實(shí)地測量的物種多樣性或參量替代的生境質(zhì)量演化狀況分析[17],以及對于社會經(jīng)濟(jì)活動與生境質(zhì)量之間的互動關(guān)系進(jìn)行研究[18]。

中共十九大強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)對生態(tài)安全保障體系的優(yōu)化。生態(tài)安全已成為繼國防、經(jīng)濟(jì)和糧食安全的第四大安全體系,維護(hù)生態(tài)安全的有效途徑就是構(gòu)建生態(tài)安全格局。生態(tài)安全格局是指在自然景觀中,位于不同方位和空間之間聯(lián)系的某些關(guān)鍵局部區(qū)域共同構(gòu)成的某類潛在的生態(tài)系統(tǒng)空間格局[19]。生態(tài)安全格局的建設(shè)非常注重對生態(tài)環(huán)境問題開展綜合性解決,通過研究自然—社會耦合系統(tǒng),確定有關(guān)的閾值與層序,是最終得出區(qū)域生態(tài)安全建設(shè)、生態(tài)恢復(fù)與維護(hù)以及維持社會可持續(xù)發(fā)展的重要途徑和方法[20]。生態(tài)安全格局的構(gòu)建方法主要有供需分析構(gòu)建方法[21]、源地—阻力面構(gòu)建方法[22]、多因素疊加規(guī)劃方法[23]和風(fēng)險(xiǎn)分析規(guī)劃方法[24]等。目前,構(gòu)建生態(tài)安全模式的方法與范式更加成熟,基本分為三大步：識別源地、構(gòu)建阻力面和提取生態(tài)廊道。其中,生態(tài)廊道的識別方法主要包括斑塊重力模型[25]、綜合評價(jià)指標(biāo)體系[26]和最小累積阻力模型[27]等,最小累積阻力模型同傳統(tǒng)的概念和數(shù)學(xué)模型相比,具有可以較好地模擬物種在空間運(yùn)動過程中受景觀阻力作用大小的優(yōu)點(diǎn)而被大量應(yīng)用于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局和生態(tài)安全格局的構(gòu)建之中。在生態(tài)安全格局研究內(nèi)容方面,國外主要集中在保護(hù)地體系的建立方面,并依照保護(hù)程度,將其劃分為最為嚴(yán)格至可持續(xù)性利用等各種類型。研究主題涉及生態(tài)系統(tǒng)功能和過程,生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估與協(xié)同關(guān)系的研究[28- 29]；生態(tài)保護(hù)和恢復(fù),自然系統(tǒng)與社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合分析[30- 31]等。國內(nèi)主要集中在生態(tài)安全格局的識別與構(gòu)建方面。研究主題涉及格局的形成、演變和影響機(jī)制[32]；基于多種方法的生態(tài)安全格局構(gòu)建和優(yōu)化[33- 34]以及生態(tài)安全的預(yù)測、預(yù)警和調(diào)控管理[35]等。

普達(dá)措作為我國國家公園體制試點(diǎn)區(qū),其管理機(jī)制和體系已取得一定進(jìn)展,區(qū)域內(nèi)的動植物等物種也得到了有效的保護(hù),但人類活動也給普達(dá)措國家公園的生態(tài)環(huán)境帶來了巨大壓力,如何實(shí)現(xiàn)保護(hù)與發(fā)展之間的平衡,如何推動其可持續(xù)且快速發(fā)展,成為一個(gè)必須面對和解決的問題。因此,本文以普達(dá)措國家公園為研究區(qū)域,嘗試以其生境質(zhì)量為基礎(chǔ)來構(gòu)建其生態(tài)安全格局?；?000、2010、2017年三期從遙感圖像中解譯出來的土地利用數(shù)據(jù),利用InVEST模型,選擇威脅因子并賦予權(quán)重,確定各個(gè)生境類型對威脅因子(即威脅源)的敏感程度和生境適宜度,探究土地利用變化對普達(dá)措國家公園的生境質(zhì)量所產(chǎn)生的時(shí)空變化影響。同時(shí),根據(jù)前面得到的生境質(zhì)量、植被覆蓋度等提取出的普達(dá)措國家公園的生態(tài)源地,選取與研究區(qū)生態(tài)過程相關(guān)的阻力因子加權(quán)疊加生成阻力面,通過MCR模型得到生態(tài)廊道,并生成生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn),最終生成普達(dá)措國家公園生態(tài)安全格局,有望為其保護(hù)生物多樣性,制定維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的有關(guān)決策提供理論依據(jù),同時(shí)對國家公園的生態(tài)安全格局構(gòu)建和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有一定的參考價(jià)值。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

普達(dá)措國家公園位于云南省迪慶藏族自治州香格里拉市,地處青藏高原東南部的邊緣地帶,是我國國家公園體制試點(diǎn)區(qū)之一。該區(qū)域擁有眾多景觀類型和豐富的動植物等,保存著較完整的生態(tài)系統(tǒng)。強(qiáng)烈的外力作用形成了該地區(qū)以高海拔以及山脈—盆地為特征的地貌地形,其海拔在3500—4159 m之間,植被分布垂直地帶性顯著,區(qū)域總面積達(dá)到1313 km2(圖1)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文選用2000、2010、2017年三期遙感影像,均來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺,分辨率均為30 m；參照GB/T 21010—2017《土地利用現(xiàn)狀分類》以及普達(dá)措國家公園的實(shí)際情況將其分為林地、裸地、水域、草地、耕地和建設(shè)用地等六大類。利用ENVI 5.3對3個(gè)時(shí)期的遙感影像進(jìn)行預(yù)處理,并采用最大似然法,將影像土地分布進(jìn)行監(jiān)督分類操作,進(jìn)而借助谷歌地球高清晰分辨率影像并通過人工目視判讀方式對分錯(cuò)的土地利用類型進(jìn)行修正,最終得到該研究區(qū)域3期的土地利用類型結(jié)果(圖2)。

圖1 普達(dá)措國家公園所處位置和高程圖 Fig.1 Geographical location and elevation map of Pudacuo National Park

圖2 普達(dá)措國家公園2000、2010、2017三期土地利用類型Fig.2 Land use types of phase III of Pudacuo National Park 2000 、2010 and 2017

1.3 研究方法

1.3.1基于InVEST模型的生境質(zhì)量計(jì)算

InVEST模型通常是指用于評估與衡量諸如生境質(zhì)量等一系列生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的一種生態(tài)模型,從生物多樣性角度量化評估生境質(zhì)量[36]。生境質(zhì)量的分析主要是利用該模型中的生境質(zhì)量板塊來操作運(yùn)行。該方法的核心是不同的土地利用類型可能成為威脅源,將生境質(zhì)量與威脅源相關(guān)聯(lián),并計(jì)算威脅源對生境的不利影響,根據(jù)生境惡化條件和適當(dāng)?shù)纳硹l件計(jì)算出生境質(zhì)量。生態(tài)源地所受到的威脅在空間上的衰減性可用線性或指數(shù)距離衰減函數(shù)來表示,即irxy的計(jì)算公式為：

線性衰減：

(1)

指數(shù)衰減：

(2)

式中,dxy表示兩個(gè)柵格之間的距離大??；drmax為威脅因子可能影響的最大限度。生境質(zhì)量的計(jì)算公式如下：

(3)

式中,Qxj為土地的不同利用類型中x柵格的生境指數(shù)大??；Hj為j的生境適宜程度的大??；K為半飽和性質(zhì)常數(shù),一般為Dxj最大值的一半；z為默認(rèn)參數(shù)大小值,通常情況下取值為2.5。

該模型需要輸入4個(gè)必須的數(shù)據(jù),分別為當(dāng)前土地利用類型柵格數(shù)據(jù)、威脅源柵格數(shù)據(jù)集、威脅源CSV量表和土地利用類型對各個(gè)生態(tài)威脅源的敏感程度CSV量表。本文參考InVEST模型用戶指南[36]和相關(guān)的研究成果[37- 39],并根據(jù)普達(dá)措國家公園的實(shí)際情況及相關(guān)專家建議,對兩個(gè)CSV量表中的參數(shù)進(jìn)行賦值(表1,表2)。

表1 威脅因子影響范圍及權(quán)重

表2 不同生境對威脅因子的敏感度

1.3.2基于最小累積阻力(MCR)模型的生態(tài)安全格局構(gòu)建

最小累積阻力模型(MCR)又被稱為最小費(fèi)用距離模型,1992年由Knaapen第一次提出,主要研究物種的擴(kuò)散過程,隨后應(yīng)用于不同類型的自然生態(tài)學(xué)或人文科學(xué)有關(guān)研究。最小累積阻力模型在水平空間擴(kuò)展分析方面具有優(yōu)良的適應(yīng)度和擴(kuò)張度。1995年FORMAN在該模型基礎(chǔ)上第一次系統(tǒng)全面的提出了景觀格局的改進(jìn)版方案,在此基礎(chǔ)上俞孔堅(jiān)提出了景觀生態(tài)安全格局這一全新的理論[40],即景觀中具有的某種潛在性質(zhì)的空間格局,構(gòu)成內(nèi)容包括景觀中的某些重要的點(diǎn)、局部以及空間關(guān)系。生態(tài)安全格局構(gòu)建的具體內(nèi)容如下：

(1)確定源地

生態(tài)源地是物種擴(kuò)展以及維持的源頭,其內(nèi)涵包括了提供關(guān)鍵性和重要性的生態(tài)性服務(wù)、景觀格局表現(xiàn)出連續(xù)和完整等特性、對生態(tài)系統(tǒng)退化原因造成的各種問題進(jìn)行預(yù)防3個(gè)最為重要的特點(diǎn)。確定生態(tài)源地是整個(gè)生態(tài)安全格局構(gòu)建過程中的基礎(chǔ)工作。在大部分情況下,把需要保護(hù)的對象作為源地,它可以是具有不同類型的生物物種,種族群落居住地的生態(tài)系統(tǒng),具有普遍的象征性,并且足以表征研究區(qū)域的不同棲息地。

(2)構(gòu)建阻力面

物種對環(huán)境的利用可以看作是空間覆蓋和競爭管理的過程,必須通過克服其相應(yīng)阻力來實(shí)現(xiàn)其覆蓋與管理,阻力面也表現(xiàn)出物種和生態(tài)流擴(kuò)散的趨勢。由于物種在不同類型景觀中運(yùn)動會遇到某些阻力,阻力面的構(gòu)造已成為物種擴(kuò)散路徑中克服阻力的基本內(nèi)容。在阻力面的構(gòu)建過程中需要選取一定量和相關(guān)的阻力因子并確定阻力因子的阻力值和權(quán)重,本文從普達(dá)措國家公園的實(shí)際情況出發(fā),按照整體系統(tǒng)性、數(shù)據(jù)易獲得性和思路可實(shí)現(xiàn)性的原則,選取與研究區(qū)生態(tài)過程相關(guān)的坡度、土地利用類型、生境質(zhì)量指數(shù)、植被覆蓋度(歸一化植被指數(shù)表示)和距水域距離等五個(gè)因素作為阻力因子,各個(gè)阻力因子按照五級制分類標(biāo)準(zhǔn),用1、2、3、4、5分別表示各個(gè)等級,等級越低則阻力越低,相反則越高,同時(shí)運(yùn)用層次分析法求出各個(gè)阻力因子的權(quán)重。(表3)

在阻力面的構(gòu)建過程中,需要先構(gòu)建綜合阻力面,其計(jì)算公式為：

(4)

式中,Fi指i柵格阻力數(shù)值大??；Wj指j阻力因子所占份額大??；Aij表示在整個(gè)圖層中第i個(gè)柵格數(shù)據(jù)、第j個(gè)阻力因子所表現(xiàn)出的阻力值大??；n表示阻力因子的總個(gè)數(shù)。

最小累積阻力面的構(gòu)建可以運(yùn)用地理學(xué)理論中的表面模型即最小累積阻力模型,其公式如下：

(5)

式中,MCR表示最小累積阻力面值,f表示空間中任一點(diǎn)的最小距離與其到全部源地的距離和景觀特點(diǎn)的正相關(guān)關(guān)系,是一個(gè)未知的正函數(shù)；min表示不同的評估斑塊在不同的生態(tài)源地中累計(jì)阻力值中的最小值；Dij表示目標(biāo)物種從生態(tài)源地j擴(kuò)展到某一景觀單元i之間的空間間隔大??；Ri表示某一景觀單元對物種在運(yùn)動過程所產(chǎn)生的阻力值大?。?Dij×Ri)的累積阻力值表示物種從生態(tài)源地運(yùn)動到空間上某一點(diǎn)的某一道路的易達(dá)性。最小累計(jì)阻力值的大小可以作為判斷源地向外擴(kuò)展的可能性,展現(xiàn)了空間單元與源地的連通性和相似性,一般情況下源地在整個(gè)生態(tài)過程中是最適宜的。

表3 普達(dá)措國家公園生態(tài)阻力因子及其權(quán)重

(3)生態(tài)廊道識別

生態(tài)廊道可作為生物物種、生態(tài)信息以及生態(tài)環(huán)境能量流動的主要通道,也可作為源地之間生態(tài)斑塊的連接通道,能夠提升景觀之間的溝通聯(lián)絡(luò)以及強(qiáng)有力防護(hù)的能力。對生態(tài)廊道的識別需要建立相應(yīng)的阻力面,其中確定阻力值是最重要的步驟。另外對主要生態(tài)走廊的提取對于實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能的完整性發(fā)揮著重要作用。

(4)生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)識別

生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)是阻力面上兩個(gè)相鄰生態(tài)源區(qū)域之間的等阻線接觸點(diǎn),并且是不同源區(qū)域之間(例如走廊和生態(tài)源區(qū)域之間)的連接點(diǎn)[41]。它是一個(gè)相互聯(lián)系的節(jié)點(diǎn),具有重要的戰(zhàn)略意義,對于促進(jìn)地區(qū)的生態(tài)可持續(xù)性發(fā)展具有重要意義。生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)還是兩個(gè)相近的源地之間生物物種擴(kuò)展的“跳板”,對地區(qū)生態(tài)安全格局具有重大影響。

(5)保護(hù)關(guān)鍵區(qū)劃定

保護(hù)關(guān)鍵區(qū)是指在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局中的重要地區(qū),對人為干擾很敏感并且對生態(tài)景觀的穩(wěn)定影響較大的生態(tài)景觀單元,以及對生態(tài)景觀的健康持續(xù)發(fā)展具有戰(zhàn)略作用的區(qū)域。保護(hù)關(guān)鍵區(qū)一旦遭到外部破壞或長時(shí)間得不到有效修復(fù)和治理,區(qū)域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)將失去平衡,個(gè)別的還會喪失生態(tài)功能并且無法得到恢復(fù),甚至使得珍稀物種遭受滅頂之災(zāi),輕則人類生產(chǎn)活動受到影響,重則損害人類健康。

2 結(jié)果與分析

2.1 普達(dá)措國家公園生境質(zhì)量時(shí)空演變

在InVEST模型中,棲息地質(zhì)量水平由0到1之間連續(xù)變化的值表示。值越接近1,棲息地的質(zhì)量越高,土地開發(fā)與利用的強(qiáng)度越低,土地所展現(xiàn)出來的生態(tài)效益就越高。通過運(yùn)行InVEST模型的生境質(zhì)量模塊可以得到普達(dá)措國家公園的生境質(zhì)量分布圖(圖3),同時(shí)為了能夠更直觀形象地展現(xiàn)生境質(zhì)量在空間上的分布情況,在ArcGIS中將分布結(jié)果圖分為5個(gè)等級,分別為低等級(0—0.2)、較低等級(0.2—0.4)、中等級(0.4—0.6)、較高等級(0.6—0.8)和高等級(0.8—1)等5個(gè)等級(圖3)。通過統(tǒng)計(jì)各個(gè)等級的面積占比,得到各個(gè)等級的生境情況表(表4)以及各個(gè)年份之間面積的變化情況表(表5)。

圖3 普達(dá)措國家公園2000、2010和2017三期生境質(zhì)量空間分布Fig.3 Spatial distribution of habitat quality in phase III of Pudacuo National Park 2000, 2010 and 2017

表4 2000、2010年和2017年普達(dá)措國家公園各等級生境情況

在空間格局上,從圖3中可以看出普達(dá)措國家公園三期的生境質(zhì)量總體上呈現(xiàn)出中間高、四周低的特征,總體生境質(zhì)量處于較高水平,生境質(zhì)量空間分布差異顯著。在棲息地質(zhì)量高、生物多樣性非常豐富、人類活動少和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)水平高的地區(qū),林地是占據(jù)相當(dāng)大面積的土地利用類型,在普達(dá)措國家公園大部分地區(qū)都有分布,面積占比80%以上；生境質(zhì)量較高的區(qū)域主要位于碧塔海、屬都湖以及公園東西兩側(cè)的河流,這些區(qū)域以水域?yàn)橹?適合水生動植物的生存,生物多樣性較為豐富,生態(tài)環(huán)境良好；生境質(zhì)量中等的區(qū)域主要位于中部耕地附近的裸地以及東側(cè)河流附近的裸地和西側(cè)的裸地部分,該區(qū)域受到自然與人為雙重因素影響,使得生境質(zhì)量比林地和水域相對較差；生境質(zhì)量較低的區(qū)域主要位于中部地區(qū)的耕地部分,該地區(qū)人類耕種活動頻繁,生態(tài)系統(tǒng)相對來說較單一,地表植被數(shù)量較小,生態(tài)環(huán)境容易受到外部因素的干擾,該片區(qū)在整個(gè)區(qū)域面積所占的份額也相對較小,低于5%；生境質(zhì)量差的區(qū)域主要位于西南處的公園入口接待設(shè)施、耕地附近的農(nóng)村居民點(diǎn)以及環(huán)繞公園的公路和穿插在公園內(nèi)的公路,該區(qū)域生物多樣性單一,人類活動相對來說比較多,對生態(tài)環(huán)境的干擾和破壞比其他土地利用類型的影響更為嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境易于惡化。

表5 2000、2010年和2017年各年份之間面積變化情況

在時(shí)間尺度上,從表4、表5中可以看出,2000、2010和2017年普達(dá)措國家公園平均生境質(zhì)量分別為0.8392、0.8295和0.8294,生境質(zhì)量總體上較高,整體上呈下降態(tài)勢,但下降幅度較低。從3期的各等級生境面積占比可以看出,生境質(zhì)量低和較低占比極小,都在5%以下,生境質(zhì)量中等和較高也較低,都在10%以下,生境質(zhì)量基本上沒有發(fā)生太大變化,其中高生境占比最高,都在80%以上,表明普達(dá)措國家公園生境質(zhì)量總體上處于較高的水平。2000—2010年,公園北部、中部、南部部分地區(qū)以及東部邊緣地區(qū)生境質(zhì)量明顯降低,生境質(zhì)量中等和高面積變化分別減少了1.29和1.27,低等級面積增加40.91%,增幅較大,主要是因?yàn)檫@一時(shí)期該區(qū)域因建設(shè)國家公園,需要相應(yīng)的風(fēng)景名勝設(shè)施用地和必要的交通用地所致。2010—2017年,較高生境增加了0.66%,增加了部分建設(shè)用地和水域地塊,其他無明顯變化,該時(shí)期生境質(zhì)量有小幅度降低,但是總體上還是處于較高水平。2000—2017年間,低生境增加了41.82%,其他等級生境變化較小,主要在于該時(shí)間段的風(fēng)景名勝設(shè)施以及必要的交通設(shè)施和其他相關(guān)的建設(shè)用地有所增加,大大降低了普達(dá)措國家公園的生境質(zhì)量,因此需要合理規(guī)劃并且控制好建設(shè)用地的面積。

2.2 普達(dá)措國家公園生態(tài)安全格局構(gòu)建

2.2.1生態(tài)源地識別結(jié)果

圖4 普達(dá)措國家公園生態(tài)安全格局Fig.4 Ecological security pattern of Pudacuo National Park

圖5 綜合阻力面Fig.5 Comprehensive resistance surface

從數(shù)據(jù)可獲得性的角度出發(fā),根據(jù)InVEST模型生境質(zhì)量模塊計(jì)算出來的結(jié)果和生態(tài)源地的代表性,擬選取高生境質(zhì)量區(qū)域(即生境質(zhì)量指數(shù)為0.8以上)、植被覆蓋度大于0.9以及斑塊面積大于40000 m2的區(qū)域作為普達(dá)措國家公園的生態(tài)源地(圖4)。

從圖4中可以看出生態(tài)源地基本上都位于普達(dá)措國家公園北部、中部等生境質(zhì)量和植被覆蓋度高的林地地區(qū),生態(tài)源地共11處,總面積為1665900 m2,占普達(dá)措國家公園總面積的2.30%。

2.2.2阻力面建立結(jié)果

在此過程中需要首先建立各個(gè)阻力因子所組成的綜合阻力面,將各阻力因子轉(zhuǎn)換為分辨率為30m的柵格屬性數(shù)據(jù),根據(jù)表3和公式4,利用ArcGIS中的柵格計(jì)算器工具計(jì)算出綜合阻力面(圖5)。

其次,基于上文中的綜合阻力面,利用ArcGIS生成本文所需的最小累積阻力面。從圖4中可以看出,普達(dá)措國家公園最小累積阻力面中最低阻力值為0,最高阻力值為4400.31。高阻力值主要分布在公園的西南部、中部、北部、南部和東北部等區(qū)域,在這些區(qū)域,人類活動頻繁,對這些地區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成的影響和破壞程度較大。低阻力值區(qū)域在公園內(nèi)廣泛分布,這些地方是生態(tài)環(huán)境較好的區(qū)域。

2.2.3生態(tài)廊道生成結(jié)果

運(yùn)用ArcGIS 10.2軟件,以選取的生態(tài)源地和生成的綜合阻力面為基礎(chǔ)。首先計(jì)算出生態(tài)源地的幾何中心作為生態(tài)源點(diǎn),其次利用成本距離(Cost distance)工具計(jì)算得出各個(gè)生態(tài)源地之間所表現(xiàn)出的累積阻力面,再次運(yùn)用最小累計(jì)阻力模型和成本路徑(Cost path)工具生成各個(gè)生態(tài)源地間的生態(tài)廊道,最后去除重復(fù)路徑并進(jìn)行疊加,最終得到普達(dá)措國家公園總的生態(tài)廊道66條,總長度72.957 km。從圖4中可以看出,公園的生態(tài)廊道整體上呈現(xiàn)出由中心向四周輻射且四周閉合的環(huán)狀形態(tài)格局。

2.2.4生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)生成結(jié)果

各個(gè)生態(tài)廊道相交的點(diǎn)即為生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn),利用ArcGIS 10.2軟件中的要素工具生成生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn),最終確定的節(jié)點(diǎn)共64個(gè)。普達(dá)措國家公園生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)的具體分布見圖4。從圖中可以看出,公園的生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)在生態(tài)源地范圍內(nèi)廣泛分布,主要位于各個(gè)距離緊湊的生態(tài)源地之間生態(tài)廊道環(huán)狀中心和環(huán)狀上部區(qū)域。

2.2.5保護(hù)關(guān)鍵區(qū)識別結(jié)果

本文根據(jù)阻力閾值法對保護(hù)關(guān)鍵區(qū)的范圍進(jìn)行確定。阻力閾值法是指在某一過程的擴(kuò)展中穿過某一個(gè)突變點(diǎn)時(shí),相應(yīng)的阻力值會發(fā)生驟變。利用ArcGIS 10.2軟件可生成最小累積阻力值與柵格面積關(guān)系圖(圖6)。從圖中可以看出,阻力值在2969.03—3931.94范圍內(nèi)發(fā)生了突變,此處取該范圍平均值,即阻力值3450.485作為確定保護(hù)關(guān)鍵區(qū)范圍的閾值。從圖4中可以看出,保護(hù)關(guān)鍵區(qū)主要分布在公園的北部和中部的生態(tài)環(huán)境較好的林地區(qū)域,它以生態(tài)源地為中心,向四周擴(kuò)展,保護(hù)關(guān)鍵區(qū)可以作為生態(tài)源地的緩沖地帶,更好地保護(hù)生態(tài)源地。從其整體的形狀來看,形似一大一小的兩個(gè)三角形,作者在此將其稱為“雙三角”。

2.2.6生態(tài)安全格局構(gòu)建結(jié)果

通過對生態(tài)源點(diǎn)、生態(tài)源地、保護(hù)關(guān)鍵區(qū)、普達(dá)措國家公園邊界線、生態(tài)廊道等圖層進(jìn)行疊加組合,得到普達(dá)措國家公園生態(tài)安全格局圖(圖4)。如圖4所示,最終得到普達(dá)措生態(tài)源地11處,生態(tài)源點(diǎn)11個(gè),生態(tài)廊道66條,生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)64個(gè),一條國家公園邊界線,一個(gè)最小累積阻力面,兩大片保護(hù)關(guān)鍵區(qū)即緩沖地帶,共同組成普達(dá)措國家公園生態(tài)安全格局。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

本研究嘗試建立國家公園尺度的生態(tài)安全格局構(gòu)建方法和體系,首先利用InVEST模型得出國家公園的生境質(zhì)量,以得出的生境質(zhì)量作為生態(tài)安全格局構(gòu)建的基礎(chǔ),運(yùn)用最小累計(jì)阻力模型構(gòu)建生態(tài)安全格局。運(yùn)用國內(nèi)外較多學(xué)者采用的InVEST模型評估生境質(zhì)量,較為科學(xué),并以此結(jié)果確定生態(tài)源地,較為客觀,避免了主觀因素的干擾；國內(nèi)外學(xué)者利用MCR模型建立研究區(qū)生態(tài)廊道的方法也較為廣泛,具有良好的科學(xué)性。通過揭示研究區(qū)生境質(zhì)量的時(shí)空演變,通過建立生態(tài)安全格局這一關(guān)鍵舉措,有利于緩解國家公園發(fā)展與保護(hù)兩者之間存在的矛盾,促進(jìn)國家公園可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)相協(xié)調(diào)。誠然,一方面由于數(shù)據(jù)限制,本文未能考慮外部威脅源對生境質(zhì)量的影響,同時(shí)部分參數(shù)是根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)等主觀打分而來,這些都會使評估結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差,但這不會顯著影響生境質(zhì)量的總體變化。將來需要收集研究區(qū)域以外的威脅因素?cái)?shù)據(jù),以加強(qiáng)對棲息地質(zhì)量機(jī)制的研究,并開展實(shí)地調(diào)查獲取實(shí)際數(shù)據(jù),以此更加準(zhǔn)確地評估研究區(qū)生境質(zhì)量的時(shí)空演變特征；另一方面,本文在生態(tài)源地的提取和阻力面的建立等方面,僅僅以柵格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),未考慮空間數(shù)據(jù)可能存在的區(qū)劃效應(yīng)和尺度效應(yīng)；同時(shí)利用MCR模型生成的生態(tài)廊道,未考慮廊道的寬度問題,今后應(yīng)把柵格數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合起來提取生態(tài)源地、建立阻力面等,將生態(tài)廊道的寬度問題納入生態(tài)安全格局構(gòu)建過程。當(dāng)前,我國國家公園建設(shè)正處于起步階段,如何處理好國家公園建設(shè)中出現(xiàn)的生境問題,以維持發(fā)展與保護(hù)之間的平衡,評估國家公園范圍內(nèi)的生境質(zhì)量,構(gòu)建國家公園尺度的生態(tài)安全格局是路徑之一。

3.2 結(jié)論

以普達(dá)措國家公園為研究區(qū)域,以其生境質(zhì)量為基礎(chǔ)來構(gòu)建其生態(tài)安全格局。一方面利用InVEST模型和ArcGIS軟件分析普達(dá)措國家公園生境質(zhì)量的時(shí)空演變,另一方面基于該生境質(zhì)量結(jié)果,運(yùn)用MCR模型構(gòu)建出普達(dá)措國家公園的生態(tài)安全格局,研究區(qū)選擇我國的國家公園試點(diǎn)區(qū),對我國國家公園的生態(tài)環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)安全格局構(gòu)建具有一定的借鑒意義。研究結(jié)果表明：

(1)普達(dá)措國家公園生境質(zhì)量空間分布差異較大,與土地利用類型有一定的關(guān)聯(lián)性,生境質(zhì)量在總體上處于較高水平。高水平生境地區(qū)主要分布在植被覆蓋率較高的針葉林林地區(qū)域以及水量豐沛的碧塔海、屬都湖和分布于公園各處的河流,低水平生境地區(qū)主要分布在公園游客接待設(shè)施、公園內(nèi)部的交通建設(shè)以及洛茸村的居民點(diǎn)和耕地等,在這些區(qū)域,人類活動頻繁。

(2)2000—2017年,研究區(qū)域平均生境質(zhì)量呈現(xiàn)出先下降后穩(wěn)定,總體保持較高水平的特征,面積占比隨著生境質(zhì)量的變化而發(fā)生相應(yīng)的變化。各等級生境質(zhì)量面積變化在各個(gè)年份之間的變化情況差別較大,低等級生境質(zhì)量在2000—2010年、2000—2017年發(fā)生了較大變化,變化率達(dá)到40%以上；較低等級生境質(zhì)量無變化；中等等級生境質(zhì)量在2000—2010年增加了0.23%、2010—2017和2000—2017分別減少了0.47%和0.24%；較高等級生境質(zhì)量在2010—2017年增加了0.66%,在2000—2010年、2000—2017分別減少了1.29%和0.63%；高等級生境質(zhì)量變化也較小,整體上變化率也在2%以下。同時(shí),各個(gè)年份中高等級生境質(zhì)量所占面積最大,均達(dá)到了80%以上。

(3)研究區(qū)生態(tài)源地分布整體上較為集中,最小累積阻力值分布總體上較為分散。本文根據(jù)前文得出的生境質(zhì)量結(jié)果等指標(biāo)選取普達(dá)措國家公園的生態(tài)源地,可以看出生態(tài)源地主要分布在公園北部及中部的生境質(zhì)量和植被覆蓋度高的林地區(qū)域,生態(tài)源地共11處,總面積為1665900 m2,占公園總面積的2.30%。最小累積阻力面中,高阻力值主要分布在公園的各個(gè)區(qū)域,低阻力值區(qū)域在公園內(nèi)分布廣泛,在公園各處基本上都有分布。

圖6 最小累積阻力值與柵格面積直方圖Fig.6 Histogram of minimum cumulative resistance value and grid area

(4)生態(tài)廊道呈現(xiàn)環(huán)狀形態(tài)格局,生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)位于環(huán)狀中心和環(huán)狀上部區(qū)域,保護(hù)關(guān)鍵區(qū)表現(xiàn)出“雙三角”形態(tài)。普達(dá)措國家公園的生態(tài)廊道共有66條,總長度為72.957 km,生態(tài)廊道整體上呈現(xiàn)出由中心向四周輻射且四周閉合的環(huán)狀形態(tài)。生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)在生態(tài)源地范圍內(nèi)廣泛分布,主要位于各個(gè)距離緊湊的生態(tài)源地之間生態(tài)廊道環(huán)狀中心和環(huán)狀上部區(qū)域。保護(hù)關(guān)鍵區(qū)主要分布在公園北部和中部的生態(tài)環(huán)境較好的林地區(qū)域,其以生態(tài)源地為中心,向四周擴(kuò)展,形似一大一小的兩個(gè)三角形,形成“雙三角”形態(tài)。