基于生態(tài)安全格局的國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域識(shí)別——以賀州市為例

付鳳杰,劉珍環(huán),劉 海

1 廣東國(guó)地規(guī)劃科技股份有限公司, 廣州 510650 2 中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院, 廣州 510275

國(guó)土空間是生態(tài)文明建設(shè)的物質(zhì)基礎(chǔ),由生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)相互作用形成[1- 2]。隨著生態(tài)系統(tǒng)退化、國(guó)土空間格局失序和優(yōu)質(zhì)生態(tài)產(chǎn)品缺乏等問(wèn)題的出現(xiàn),國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)受到廣泛關(guān)注[3- 4]。優(yōu)化生態(tài)安全屏障體系,分區(qū)分類開(kāi)展受損自然生態(tài)系統(tǒng)修復(fù),建設(shè)生態(tài)廊道、開(kāi)展重要棲息地恢復(fù)和廢棄地修復(fù)等是國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)的重點(diǎn)[5- 6]。而如何識(shí)別國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域,統(tǒng)籌推進(jìn)山水林田湖草系統(tǒng)治理,構(gòu)建國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)格局,實(shí)現(xiàn)國(guó)土空間優(yōu)化和生態(tài)功能提升,是當(dāng)前國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)面臨的難題[7- 9]。

生態(tài)安全格局以景觀生態(tài)學(xué)理論為基礎(chǔ),對(duì)保護(hù)和恢復(fù)區(qū)域生物多樣性、維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過(guò)程的完整性以及改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有顯著意義[10- 12]。構(gòu)建生態(tài)安全格局逐漸成為國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)的重要抓手[13]。當(dāng)前,“源地識(shí)別-阻力面構(gòu)建-廊道提取”已成為生態(tài)安全格局研究的一般范式[14- 15]。生態(tài)源地指對(duì)區(qū)域生態(tài)安全具有重要意義的生態(tài)用地,是構(gòu)建生態(tài)安全格局的基礎(chǔ)[16- 17],通常從景觀連通性、生態(tài)敏感性、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值、生境質(zhì)量評(píng)估、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面綜合選取[18- 20]。阻力面指生態(tài)流在穿越土地利用類型時(shí)需要克服的阻力,可依據(jù)土地利用類型賦值得到[21]。廊道提取多采用最小累積阻力(Minimum Cumulative Resistance, MCR)模型[22- 24]和電路理論[25- 27]。最小累積阻力模型通過(guò)尋找源地間最小耗費(fèi)路徑構(gòu)建生態(tài)廊道,是基于現(xiàn)狀的生態(tài)安全格局[22]；電路理論利用電子在電路中隨機(jī)游走的特性(即隨機(jī)漫步理論)來(lái)模擬物種在某一景觀面中的遷移擴(kuò)散過(guò)程[25],通過(guò)計(jì)算廊道中電流的大小判別廊道的重要性,能識(shí)別潛在的生態(tài)廊道,并根據(jù)電流密度識(shí)別生態(tài)“夾點(diǎn)”,通過(guò)某一區(qū)域移除前后電流的變化情況識(shí)別生態(tài)障礙點(diǎn)。

生態(tài)安全格局是景觀格局優(yōu)化的空間表現(xiàn),國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)是對(duì)國(guó)土空間受損、退化生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)與重建,兩者對(duì)維持景觀格局整體性和生態(tài)系統(tǒng)功能完整性均有重要意義。因此,基于生態(tài)安全格局識(shí)別國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域更具生態(tài)學(xué)價(jià)值。現(xiàn)有研究重視生態(tài)安全格局構(gòu)建技術(shù)方法的改進(jìn)[28- 30],而針對(duì)生態(tài)修復(fù)區(qū)域的整體識(shí)別研究較少,且集中在生態(tài)修復(fù)區(qū)域的識(shí)別和廊道長(zhǎng)度的判定[31- 33]。在國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)規(guī)劃編制中,生態(tài)廊道寬度及“補(bǔ)丁”的大小則缺少較合理的科學(xué)研究,導(dǎo)致國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目難落實(shí),不利于生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的維持和景觀連通性的提升。此外,現(xiàn)有生態(tài)修復(fù)以工程修復(fù)措施為主,缺乏生態(tài)要素統(tǒng)籌修復(fù)意識(shí),不利于生態(tài)系統(tǒng)整體功能發(fā)揮。未來(lái)需推動(dòng)以景觀為基礎(chǔ),聚焦多尺度景觀格局研究,識(shí)別國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域和最佳生態(tài)廊道寬度,分級(jí)分類提出生態(tài)修復(fù)措施,通過(guò)整體保護(hù)、系統(tǒng)修復(fù)實(shí)現(xiàn)國(guó)土空間格局優(yōu)化。

以賀州市為研究區(qū),通過(guò)生態(tài)保護(hù)重要性、景觀連通性、生態(tài)功能重要區(qū)域和自然保護(hù)區(qū)四個(gè)方面識(shí)別生態(tài)源地；根據(jù)土地利用類型的植被覆蓋程度設(shè)定阻力值；依據(jù)電路理論提取生態(tài)廊道,識(shí)別研究區(qū)域的生態(tài)“夾點(diǎn)”和生態(tài)障礙點(diǎn),利用核密度分析,綜合判定生態(tài)廊道寬度；并提出生態(tài)修復(fù)策略,優(yōu)化生態(tài)安全格局,研究可為國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

賀州市位于廣西壯族自治區(qū)東部(23°39′—25°10′N,110°34′—112°03′E),處于湘、粵、桂三省(區(qū))的結(jié)合部,下轄兩區(qū)三縣,即八步區(qū)、平桂區(qū)、鐘山縣、昭平縣和富川瑤族自治縣,面積11752.46 km2,常住人口約207萬(wàn)人。地勢(shì)四周高,中間低,總體上由西北向東南傾斜,是南嶺山地丘陵地貌。屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū),四季分明,光熱充足,雨量豐沛,夏季炎熱,冬有霜雪,年平均氣溫19.2—19.9℃。

賀州市生態(tài)本底較好,國(guó)土綠化成效顯著。土地覆被以林地為主,是廣西重要林區(qū)之一,森林覆蓋率高達(dá)72.62%,是“國(guó)家森林城市”。得益于“山清水秀生態(tài)美,城古茶香人長(zhǎng)壽”的資源,賀州市被評(píng)為“世界長(zhǎng)壽市”。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括矢量和柵格數(shù)據(jù)。生態(tài)保護(hù)重要性數(shù)據(jù)來(lái)源于《廣西壯族自治區(qū)資源環(huán)境承載能力和國(guó)土空間開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)價(jià)》階段性成果；土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來(lái)源于賀州市第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查階段性成果；自然保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)來(lái)源于賀州市自然資源局等；數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)數(shù)據(jù),空間分辨率為30 m,來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn/)。

2.2 研究方法

2.2.1生態(tài)源地識(shí)別

研究從生態(tài)保護(hù)重要性、景觀連通性、生態(tài)功能重要區(qū)域和自然保護(hù)區(qū)等方面識(shí)別具有重要生態(tài)價(jià)值的斑塊作為生態(tài)源地。生態(tài)保護(hù)重要性是通過(guò)開(kāi)展生態(tài)服務(wù)功能重要性和生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)集成得到[34],按斑塊重要程度劃分為5級(jí)；斑塊重要性指斑塊保持景觀連通性的重要程度,通過(guò)斑塊移除前后景觀連通性的變化量識(shí)別斑塊重要性[35-36],研究利用Conefor Sensinode計(jì)算得到,并將斑塊重要性值劃分為5級(jí)；生態(tài)功能重要區(qū)域是利用反地形DEM提取山頂?shù)姆椒ㄌ崛⊙芯繀^(qū)域所有山體的頂點(diǎn)[22],設(shè)定閾值篩選得到；同時(shí),再疊加自然保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù),根據(jù)各斑塊四個(gè)方面綜合重要性高低及空間分布情況,選取賀州市生態(tài)源地。

2.2.2阻力面構(gòu)建與生態(tài)廊道提取

阻力面指物種在不同景觀單元之間遷移時(shí)受到的阻礙,是計(jì)算物種在克服阻力情況下擴(kuò)散路徑的基礎(chǔ)[37]。研究以土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),根據(jù)植被覆蓋情況,劃分為耕地、林地、草地、種植園用地、濕地、水域及水利設(shè)施用地、建設(shè)用地和未利用土地8類土地利用類型,參考他人研究[14,23-24],設(shè)定不同土地利用類型的阻力值,構(gòu)建生態(tài)阻力面。

通過(guò)MCR模型模擬物種穿越不同景觀基面的過(guò)程[38]。模型原理如下:

(1)

式中,MCR為最小累積阻力值；f為最小累積阻力與生態(tài)過(guò)程的正相關(guān)關(guān)系；Dij為物種從源地j到景觀單元i的空間距離；Ri為景觀單元i對(duì)物種運(yùn)動(dòng)的阻力系數(shù)。研究利用Linkage Mapper模塊構(gòu)建生態(tài)廊道。

2.2.3生態(tài)“夾點(diǎn)”和生態(tài)障礙點(diǎn)識(shí)別

生態(tài)“夾點(diǎn)”指對(duì)生態(tài)保護(hù)具有重要作用的區(qū)域。生態(tài)“夾點(diǎn)”的識(shí)別是將一個(gè)節(jié)點(diǎn)(生態(tài)源地)接地,其他節(jié)點(diǎn)(生態(tài)源地)分別輸入相同的電流,通過(guò)迭代運(yùn)算得到每個(gè)像元的累積電流值,電流值較大的區(qū)域即為生態(tài)“夾點(diǎn)”[39]。生態(tài)“夾點(diǎn)”具有高電流密度和不可替代性,該區(qū)域的退化或損失極有可能切斷生態(tài)源地之間的連通[40],應(yīng)優(yōu)先考慮棲息地保護(hù)。研究通過(guò)Pinchpoint Mapper模塊識(shí)別生態(tài)廊道中的“夾點(diǎn)”。

生態(tài)障礙點(diǎn)指物種在生境斑塊間運(yùn)動(dòng)受到阻礙的區(qū)域,通過(guò)計(jì)算清除障礙點(diǎn)后電流恢復(fù)值的大小來(lái)識(shí)別,移除這些區(qū)域可增加生態(tài)源地間的連通性[41],應(yīng)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。研究利用Barrier Mapper模塊識(shí)別生態(tài)廊道中的障礙點(diǎn)。

2.2.4生態(tài)廊道寬度選取

參考Peng等[42]的研究方法,在生態(tài)“夾點(diǎn)”和生態(tài)障礙點(diǎn)識(shí)別的基礎(chǔ)上,利用核密度分析得到電流密度分布。鑒于核密度分析結(jié)果默認(rèn)為9級(jí),研究提取生態(tài)“夾點(diǎn)”和生態(tài)障礙點(diǎn)核密度結(jié)果中的6—9級(jí),通過(guò)聯(lián)合得到生態(tài)廊道寬度。

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)源地識(shí)別

研究共選取18處生態(tài)源地,面積3656.89 km2,占賀州市域面積的31.12%,呈現(xiàn)“東西重,中部輕”的空間分布特征。從區(qū)縣分布看,生態(tài)源地主要集中在八步區(qū),占生態(tài)源地總面積的42.27%,其次為昭平縣,占生態(tài)源地總面積比35.64%,鐘山縣生態(tài)源地最少,僅占生態(tài)源地總面積的2.39%。

3.2 阻力面和生態(tài)廊道提取

通過(guò)對(duì)不同土地利用類型的植被覆蓋程度進(jìn)行賦值,得到生態(tài)阻力面(圖1)。值越高,表示穿越該斑塊所耗費(fèi)的代價(jià)越高,如穿越建設(shè)用地比穿越耕地所耗費(fèi)的代價(jià)高。參考他人研究并結(jié)合賀州市實(shí)際情況,阻力值設(shè)置如表1所示。

圖1 賀州市生態(tài)安全格局圖Fig.1 Ecological security pattern in Hezhou City

表1 不同土地利用類型阻力系數(shù)

生態(tài)廊道將重要生態(tài)斑塊連接起來(lái),為物種的擴(kuò)散、遷徙提供通道。研究綜合考慮生態(tài)廊道長(zhǎng)度、連接斑塊的重要程度和廊道可替代性等因素,將賀州市域生態(tài)廊道分為三個(gè)等級(jí),即關(guān)鍵生態(tài)廊道、重要生態(tài)廊道和一般生態(tài)廊道(表2)。關(guān)鍵生態(tài)廊道分散于賀州市域,數(shù)量最多,長(zhǎng)度占比20.95%,是所有生態(tài)源地間最佳連通通道,對(duì)維持市域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)連通性和功能連通性具有重要意義；重要生態(tài)廊道指大塊生態(tài)源地間聯(lián)系橋梁,其數(shù)量和長(zhǎng)度占比均不高；一般生態(tài)廊道指生態(tài)源地間連接廊道,有助于增加市域內(nèi)部的連通性,但廊道可替代性較高,主要分布于市域中部,廊道數(shù)量占比第二,長(zhǎng)度占比超過(guò)50%。

表2 賀州市生態(tài)廊道分類表

3.3 生態(tài)“夾點(diǎn)”和生態(tài)障礙點(diǎn)識(shí)別

基于生態(tài)安全格局識(shí)別生態(tài)“夾點(diǎn)”,賀州市域生態(tài)廊道電流分布如圖2所示,電流強(qiáng)度由藍(lán)至紅逐漸增大,紅色區(qū)域?yàn)樯鷳B(tài)“夾點(diǎn)”。市域需修復(fù)的生態(tài)“夾點(diǎn)”共16處,面積124.24 km2,主要分布在市域中部。生態(tài)“夾點(diǎn)”數(shù)量以鐘山縣最多,有6處,主要分布在鐘山縣域中南部,占比37.50%。生態(tài)“夾點(diǎn)”面積以平桂區(qū)最大,為57.59 km2,占比46.35%,橫向分布于平桂區(qū)北、中、南部(表3)。

表3 賀州市各區(qū)縣生態(tài)“夾點(diǎn)”分布情況統(tǒng)計(jì)表

圖2 賀州市生態(tài)“夾點(diǎn)”及其生態(tài)電流強(qiáng)度分布圖Fig.2 The current intensity of ecological pinch-points and their location in Hezhou City

賀州市域生態(tài)障礙點(diǎn)識(shí)別結(jié)果如圖3所示,紅色區(qū)域?yàn)殡娏鞲咧祬^(qū),即生態(tài)障礙點(diǎn)。研究識(shí)別賀州市域生態(tài)障礙點(diǎn)共32處,面積426.56 km2,集中分布在賀州市域東部和南部。昭平縣生態(tài)障礙點(diǎn)數(shù)量最多,有10處,呈環(huán)狀空間分布特征,占比31.25%；生態(tài)障礙點(diǎn)面積以平桂區(qū)最大,面積189.36 km2,占比高達(dá)44.39%,集中分布在南部(表4)。

圖3 賀州市生態(tài)障礙點(diǎn)及其生態(tài)電流強(qiáng)度空間分布圖Fig.3 The current intensity of ecological barriers and their spatial distribution in Hezhou City

表4 賀州市各區(qū)縣生態(tài)障礙點(diǎn)分布情況表

4 關(guān)鍵區(qū)域生態(tài)修復(fù)策略

為保障生態(tài)修復(fù)達(dá)到預(yù)期效果,建議將空間上連續(xù),但被行政界線割裂的待修復(fù)區(qū)域作為聯(lián)合修復(fù)區(qū)域統(tǒng)一修復(fù)。位于關(guān)鍵生態(tài)廊道上的生態(tài)“夾點(diǎn)”有8處,面積45.02 km2(表5),分布范圍較廣且景觀類型多樣。生態(tài)“夾點(diǎn)”上的水域及水利設(shè)施用地主要分布在賀江和桂江,建設(shè)用地包含農(nóng)村宅基地和采礦用地。河流廊道作為天然廊道,其修復(fù)涉及水域治理、護(hù)坡護(hù)岸整治和河岸綠化等工作。水域的修復(fù)多以河道清淤、

表5 關(guān)鍵生態(tài)廊道待修復(fù)生態(tài)“夾點(diǎn)”分布情況表

水污染治理為主；常見(jiàn)的本土優(yōu)勢(shì)草本植物多用于河岸綠化,在種植過(guò)程中應(yīng)注重景觀配置；護(hù)坡護(hù)岸則由傳統(tǒng)的硬質(zhì)鋪裝逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀换謴?fù)。建設(shè)用地的修復(fù)應(yīng)依托鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略,加快村莊綠化建設(shè),發(fā)展特色農(nóng)業(yè)和林業(yè)經(jīng)濟(jì),改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境,提升景觀連通性。位于采礦用地的生態(tài)“夾點(diǎn)”區(qū)域,可采用耐性較好的本土植物進(jìn)行復(fù)綠,加快礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)。

位于關(guān)鍵生態(tài)廊道上的生態(tài)障礙點(diǎn)有6處,面積166.05 km2(表6),主要分布在賀州市域東部,平桂區(qū)面積最大,景觀類型以林地(商品林)為主。生態(tài)修復(fù)應(yīng)重視森林生長(zhǎng)和采伐利用的動(dòng)態(tài)平衡,注重林地垂直立面的建設(shè),積極發(fā)展林下經(jīng)濟(jì)(中草藥種植、林菌種植等)。樹(shù)木種植優(yōu)先考慮本土樹(shù)種,加強(qiáng)林帶建設(shè),提高林地景觀連通性,減少破碎生態(tài)空間。

表6 關(guān)鍵生態(tài)廊道待修復(fù)生態(tài)障礙點(diǎn)分布情況統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

研究基于生態(tài)安全格局識(shí)別生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域,分級(jí)分類提出生態(tài)修復(fù)措施,優(yōu)化生態(tài)安全格局,獲得如下結(jié)論:

(1)賀州市生態(tài)本底良好,生態(tài)源地面積3656.89 km2,占市域面積的31.12%?？赏ㄟ^(guò)構(gòu)建37條生態(tài)廊道,約639.50 km連接生態(tài)源地。識(shí)別生態(tài)“夾點(diǎn)”共16處,面積124.24 km2,主要分布在賀州市域中部。生態(tài)障礙點(diǎn)共32處,面積426.56 km2,集中分布在賀州市域東部和南部。賀州市生態(tài)修復(fù)應(yīng)以自然恢復(fù)為主,人工修復(fù)為輔,人工修復(fù)措施以林帶改造提升和植被復(fù)綠為主。針對(duì)關(guān)鍵生態(tài)廊道的優(yōu)先保護(hù)修復(fù)分區(qū)分級(jí)策略表明,需重點(diǎn)修復(fù)的生態(tài)“夾點(diǎn)”有8處,土地利用類型包含水域及水利設(shè)施用地、耕地、林地和建設(shè)用地等,生態(tài)修復(fù)策略主要有建立河流保護(hù)區(qū)、推進(jìn)鄉(xiāng)村景觀綠化以及發(fā)展特色農(nóng)業(yè)、林業(yè)經(jīng)濟(jì)等。待修復(fù)的生態(tài)障礙點(diǎn)有6處,土地利用類型以林地(商品林)為主,生態(tài)修復(fù)優(yōu)先考慮發(fā)展林下經(jīng)濟(jì),種植本土樹(shù)種,加強(qiáng)林帶建設(shè)等。

(2)研究基于生態(tài)安全格局構(gòu)建范式,從維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)完整性視角出發(fā),識(shí)別國(guó)土空間退化、受損斑塊,按照保護(hù)重要生態(tài)空間,整治低效空間,修復(fù)退化受損空間為目標(biāo),分級(jí)分類制定生態(tài)修復(fù)措施。研究可為科學(xué)確定國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域、統(tǒng)籌謀劃生態(tài)修復(fù)重大工程、實(shí)現(xiàn)自然資源優(yōu)化配置提供參考。

然而,修復(fù)后生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)連通性和功能連通性的提升程度仍有待進(jìn)一步的研究。此外,研究通過(guò)對(duì)生態(tài)“夾點(diǎn)”和生態(tài)障礙點(diǎn)電流密度的核密度分析,綜合判定生態(tài)廊道寬度,實(shí)現(xiàn)生態(tài)廊道由線轉(zhuǎn)面,此方法在具體的生態(tài)保護(hù)修復(fù)實(shí)踐中,需結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整,以確定最佳廊道寬度。