興國(guó)縣生態(tài)源地識(shí)別及其保護(hù)分級(jí)

陸禹，毛旭鵬

1.國(guó)家林業(yè)和草原局中南調(diào)查規(guī)劃院，湖南長(zhǎng)沙 410014；

2.江西省林業(yè)資源監(jiān)測(cè)中心，江西南昌 330046

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程推進(jìn)，大量人為活動(dòng)不斷侵蝕生態(tài)用地，導(dǎo)致生境破碎化加劇，由此產(chǎn)生生物多樣性降低等一系列問題[1]?？茖W(xué)構(gòu)建生物多樣性保護(hù)空間網(wǎng)絡(luò)是保障并提升生物多樣性水平的必要措施[2]。目前關(guān)于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的相關(guān)研究趨于成熟，逐步形成了“生態(tài)源地識(shí)別—生態(tài)阻力面構(gòu)建—生態(tài)廊道提取”的基本模式[3]。生態(tài)源地識(shí)別對(duì)于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建具有重要的基礎(chǔ)作用，也是重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。當(dāng)前生態(tài)源地識(shí)別主要有兩種方法[4]：一種是直接法，即直接選擇自然保護(hù)區(qū)[5]、城市綠地[6]和生態(tài)用地類型[7]等作為生態(tài)源地；另一種是模型方法，即通過(guò)研究生態(tài)系統(tǒng)供需評(píng)估[8]、生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)[9]和形態(tài)學(xué)空間格局分析(morphological spatial pattern analysis，MSPA)方法[10]等識(shí)別生態(tài)源地。MSPA 是一種基于土地利用柵格像元的成像方法，能夠客觀地識(shí)別景觀的類型和結(jié)構(gòu)，并定量識(shí)別生態(tài)源地，近年來(lái)被廣泛用于生態(tài)源地的識(shí)別[11]。以往研究常根據(jù)面積和景觀格局指數(shù)對(duì)生態(tài)源地進(jìn)行分級(jí)，主觀性較強(qiáng)。生態(tài)源地分級(jí)不僅要關(guān)注其在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的連通重要性及數(shù)量，也要關(guān)注其內(nèi)部的生態(tài)資源價(jià)值，相關(guān)研究[12]已將InVEST 模型用于生態(tài)資源價(jià)值的定量評(píng)估，其中InVEST 模型中的生境質(zhì)量（InVEST-HQ）模塊被廣泛用于區(qū)域生境質(zhì)量評(píng)估。InVEST-HQ 模塊能夠在物種分布數(shù)據(jù)不足的條件下，使用土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)和威脅源信息生成生境質(zhì)量分布地圖[13]。興國(guó)縣位于羅霄山脈以東，武夷山以西雩山山區(qū)，生態(tài)區(qū)位重要，但同時(shí)也曾因水土流失嚴(yán)重被稱為“江南沙漠”，生態(tài)環(huán)境較為脆弱。因此，該研究以興國(guó)縣作為研究區(qū)，采用直接法和MSPA 相結(jié)合方法識(shí)別生態(tài)源地，并基于生態(tài)源地景觀連通性和生境質(zhì)量評(píng)估結(jié)果，利用矩陣法對(duì)生態(tài)源地進(jìn)行保護(hù)分級(jí)，以期為后續(xù)研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和生態(tài)保護(hù)管理提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

興國(guó)縣位于江西省中南部，贛州市北部，地處羅霄山脈以東，武夷山以西雩山山區(qū)，地理范圍介于26°03′N～26°41′N 和115°01′E～115°51′E 之間，總面積3215km2（圖1a）。境內(nèi)東、西、北三面群山環(huán)繞，逐漸向中、南方向傾斜，海拔介于127.9m～1204.0m 之間（圖1b）。地貌類型以低山、丘陵為主，丹霞地貌地質(zhì)遺跡資源豐富。屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫18.8℃，年平均降水量1560mm。河網(wǎng)密度達(dá)0.23km/km2。植被種類豐富，品種繁多，地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，森林覆蓋率72.2%，森林蓄積量296×104m3。

圖1 研究區(qū)位置及地形Fig.1 Location and Topography of the Study Area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

該研究使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括土地利用類型、高程及自然保護(hù)地范圍等數(shù)據(jù)。其中，土地利用類型基準(zhǔn)數(shù)據(jù)為興國(guó)縣國(guó)土“三調(diào)”成果數(shù)據(jù)，參照最新遙感影像采用目視判讀對(duì)疑似變化地類進(jìn)行標(biāo)注，經(jīng)實(shí)地驗(yàn)證更新后得到該研究使用的土地利用類型數(shù)據(jù)。根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類GB/T21010-2017》，將土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和其他土地等7 種景觀類型（圖3a），并轉(zhuǎn)化為30m 分辨率的柵格數(shù)據(jù)。DEM 數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn）ASTER GDEM 30m 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，經(jīng)掩膜提取后得到研究區(qū)范圍內(nèi)高程數(shù)據(jù)。使用自然保護(hù)地整合優(yōu)化前范圍矢量數(shù)據(jù)作為生境質(zhì)量威脅源可達(dá)性數(shù)據(jù)，添加ACCESS 字段并賦值0，表示自然保護(hù)地受法律保護(hù)條件下的不可達(dá)。上述數(shù)據(jù)經(jīng)投影和變換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等處理之后統(tǒng)一至CGCS2000 坐標(biāo)系統(tǒng)。

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)源地識(shí)別

首先，基于MSPA 方法識(shí)別基礎(chǔ)生態(tài)源地。在研究區(qū)各土地利用類型中，林地、園地和水域受人為干擾相對(duì)較小且生態(tài)價(jià)值較高，作為前景，其他幾種類型作為背景，經(jīng)重分類后進(jìn)行數(shù)據(jù)二值化，即前景為2、背景為1。將二值圖像導(dǎo)入Guidos Toolbox 軟件，參數(shù)設(shè)置為八鄰域規(guī)則，邊緣寬度為1，得到核心區(qū)、島狀斑塊、孔隙、邊緣、環(huán)道、橋接區(qū)及分支互不重疊的7 種景觀要素[14]。其中，核心區(qū)具有較好的生態(tài)條件，能夠?yàn)橐吧鷦?dòng)物提供棲息地或遷徙場(chǎng)所，面積越大表明生態(tài)條件越好[15-16]。因此，將核心區(qū)斑塊按面積由大到小排序，依次選取累積面積大于85%的核心區(qū)斑塊作為基礎(chǔ)生態(tài)源地。其次，采用直接法即直接將各類自然保護(hù)地作為補(bǔ)充生態(tài)源地。最后，將基礎(chǔ)生態(tài)源地和補(bǔ)充生態(tài)源地疊加后得到研究區(qū)完整的生態(tài)源地。

1.3.2 景觀連通性分析

首先選定景觀連通性分析最佳距離閾值。在100m～2500m 距離范圍內(nèi)，以300m 為步長(zhǎng)共設(shè)置9個(gè)距離閾值，使用Conefor Inputs 插件和Conefor2.6 軟件計(jì)算各距離閾值下生態(tài)源地斑塊的景觀組分?jǐn)?shù)（NC）和最大組分斑塊數(shù)，根據(jù)NC 隨距離閾值的變化規(guī)律確定最佳距離閾值。然后在最佳距離閾值下，利用Conefor2.6 軟件計(jì)算的概率連通指數(shù)（PC）來(lái)反映生態(tài)源地景觀連通性和各斑塊對(duì)景觀連通性的重要性，計(jì)算公式為：

其中，n 為生態(tài)源地斑塊數(shù)量，ai和aj分別為斑塊i 和j 的面積，P*ij為斑塊i 和j 之間所有連通路徑概率的乘積最大值，AL為研究區(qū)總面積。PC 值越大，生態(tài)源地斑塊間的連通度越高；DPC 值越大，生態(tài)源地斑塊對(duì)景觀連通性影響越大。

1.3.3 生境質(zhì)量評(píng)估

使用InVEST-HQ 模塊對(duì)基于直接法和MSPA 方法識(shí)別的生態(tài)源地斑塊進(jìn)行生境質(zhì)量評(píng)估。生境質(zhì)量高的地區(qū)生物多樣性水平高，生境質(zhì)量低和生境范圍小的則意味著生物多樣性低[17]。計(jì)算公式為：

其中，Qxj為生境類型j 的柵格x 的生境質(zhì)量指數(shù)；Hj生境類型j 的生境適宜性；Dxj表示生境類型j的柵格x 的生境退化度；Z 為歸一化常量，通常設(shè)為2.5；k 為半飽和常數(shù)，取在默認(rèn)值0.5 下運(yùn)行一次最大生境退化度的一半；R 為威脅源的數(shù)量；Yr為威脅源r 柵格圖層的柵格數(shù)量；wr為威脅源r 的權(quán)重；ry表示柵格y 的威脅強(qiáng)度；irxy為柵格y 的威脅強(qiáng)度ry對(duì)生境柵格x 的脅迫水平；βx為柵格x 的可達(dá)性水平；Sjr為生境類型j 對(duì)威脅源r 的敏感性。該研究生境類型為生態(tài)源地，j=1。irxy的線性和指數(shù)距離衰減函數(shù)為：

其中，dxy為柵格x 和柵格y 之間的線性距離，drmax表示威脅源r 最大影響距離。

參考相關(guān)文獻(xiàn)[18]并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際，選取耕地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民地、工業(yè)和交通用地作為生境威脅源。各威脅源最大影響距離、權(quán)重、距離衰減函數(shù)及生態(tài)源地斑塊對(duì)4 種威脅源敏感性參數(shù)的設(shè)置見表1 和表2。

表1 威脅源參數(shù)設(shè)置Tab.1 Threat Source Parameter Settings

表2 生境類型對(duì)威脅源的敏感性Tab.2 Sensitivity of Habitat Types to Threats

1.3.4 生態(tài)源地保護(hù)分級(jí)

首先將生態(tài)源地斑塊重要性和生境質(zhì)量分別按照自然間斷點(diǎn)分級(jí)法劃分為5 類，分別賦值1～5分，分值越大表示其斑塊在保持景觀連通性方面越重要，生境質(zhì)量越高。然后結(jié)合生態(tài)源地斑塊重要性和生境質(zhì)量評(píng)分值計(jì)算生態(tài)源地斑塊綜合保護(hù)價(jià)值得分（式7），使用矩陣法將生態(tài)源地劃分為4 個(gè)等級(jí)（圖2），即Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)，等級(jí)越高表示生態(tài)源地斑塊對(duì)于整個(gè)研究區(qū)生態(tài)支撐力度越大，其遭到破壞所引發(fā)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)越高，綜合保護(hù)價(jià)值越大。

圖2 生態(tài)源地保護(hù)等級(jí)矩陣Fig.2 Matrix of Protection Grade for Ecological Sources

其中，為生態(tài)源地斑塊綜合保護(hù)價(jià)值得分，和分別為生態(tài)源地斑塊重要性和生境質(zhì)量得分。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)源地識(shí)別

研究區(qū)MSPA 分析結(jié)果如圖3b 所示，結(jié)果顯示核心區(qū)總面積92807.82hm2，占前景總面積的36.67%，主要分布在研究區(qū)北部和中部，靠近縣城的南部區(qū)域分布較少。因此，研究區(qū)整體核心區(qū)景觀在靠近縣城的南部區(qū)域聯(lián)系較弱。邊緣面積16359.84hm2，占總前景面積的6.46%，表明研究區(qū)生態(tài)景觀具有較好的邊緣效應(yīng)。支線和孔隙面積分別占前景面積的2.51%和0.71%。橋接區(qū)面積在前景中所占比例最大，占前景總面積的48.67%，可以間接提高景觀的連通性，表明研究區(qū)物質(zhì)和能量的生態(tài)通道建設(shè)基礎(chǔ)條件較好。島狀斑塊面積僅占前景面積的1.67%。支持生態(tài)斑塊中物質(zhì)和能量循環(huán)的環(huán)道占前景總面積的3.31%。將累積面積大于85%的核心區(qū)斑塊和自然保護(hù)地疊加后得到199 個(gè)生態(tài)源地斑塊（圖3c），總面積83383.79hm2，占研究區(qū)總面積的25.92%，主要分布在研究區(qū)北部和中部，與核心區(qū)景觀類型分布狀況趨于一致。

圖3 生態(tài)源地識(shí)別Fig.3 Identification of Ecological Sources

2.2 生態(tài)源地分級(jí)

由圖4 可以看出，生態(tài)源地斑塊組分?jǐn)?shù)（NC）隨距離閾值的增加而呈先急劇下降后逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì)。當(dāng)距離閾值為1300m 時(shí)，NC 值為11，最大組分包含184 個(gè)生態(tài)源地斑塊，分別占生態(tài)源地斑塊總數(shù)量和總面積的92.4%和97.72%。表明在1300m 距離閾值下各生態(tài)源地斑塊總體上呈組團(tuán)狀連接，景觀連通性較強(qiáng)，1300m 為研究區(qū)生態(tài)源地斑塊最佳連通性分析距離閾值。在最佳距離閾值下，利用Conefor2.6 軟件計(jì)算得到生態(tài)源地斑塊重要性指數(shù)（dPC），按自然間斷點(diǎn)分級(jí)法劃分為5 類（圖5a）。運(yùn)行InVEST 軟件中的生境質(zhì)量模塊，得到研究區(qū)生態(tài)源地范圍內(nèi)各像元尺度下的生境質(zhì)量指數(shù)，以生態(tài)源地斑塊為單位經(jīng)分區(qū)統(tǒng)計(jì)后得到各生態(tài)源地斑塊尺度下的平均生境質(zhì)量指數(shù)，按自然間斷點(diǎn)分級(jí)法劃分為5 類（圖5b）。

圖4 NC 隨距離閾值的變化趨勢(shì)Fig.4 Variation Trend of NC with Distance Threshold

圖5 生態(tài)源地分級(jí)Fig.5 Classification of Ecological Sources

采用矩陣法得到研究區(qū)生態(tài)源地等級(jí)劃分結(jié)果如圖5c 所示。Ⅰ級(jí)生態(tài)源地4 個(gè)，面積25304.10hm2，占生態(tài)源地總面積的30.35%，包含除興國(guó)丹霞地質(zhì)公園寶石寨園區(qū)的所有自然保護(hù)地范圍；Ⅱ級(jí)生態(tài)源地23 個(gè)，面積28735.72hm2，占生態(tài)源地總面積的34.46%；Ⅲ級(jí)生態(tài)源地88 個(gè)，面積17397.36hm2，占生態(tài)源地總面積的20.86%；Ⅳ級(jí)生態(tài)源地84 個(gè)，面積11946.61hm2，占生態(tài)源地總面積的14.33%。Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)生態(tài)源地平均斑塊面積分別為6326.03hm2、1249.38hm2、197.70hm2、142.22hm2，表明隨著生態(tài)源地等級(jí)的降低，其平均斑塊面積隨之降低，斑塊破碎化加劇。

如圖6 所示，Ⅰ級(jí)生態(tài)源地分布在研究區(qū)14 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其中主要分布在長(zhǎng)岡鄉(xiāng)、崇賢鄉(xiāng)、高興鎮(zhèn)、古龍岡鎮(zhèn)、江背鎮(zhèn)、南坑鄉(xiāng)、鼎龍鄉(xiāng)及興江鄉(xiāng)等8 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積為22048.61hm2，占Ⅰ級(jí)生態(tài)源地總面積的87.13%；Ⅱ級(jí)生態(tài)源地分布在19 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其中主要分布在均村鄉(xiāng)、高興鎮(zhèn)、興江鄉(xiāng)、楓邊鄉(xiāng)、良村鎮(zhèn)、茶園鄉(xiāng)、崇賢鄉(xiāng)、南坑鄉(xiāng)及方太鄉(xiāng)等9 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積為23983.46hm2，占Ⅱ級(jí)生態(tài)源地總面積的83.46%；Ⅲ級(jí)生態(tài)源地分布在23 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其中面積大于1000hm2的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為楓邊鄉(xiāng)、高興鎮(zhèn)、茶園鄉(xiāng)、崇賢鄉(xiāng)、社富鄉(xiāng)、樟木鄉(xiāng)及良村鎮(zhèn)等7 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積為10453.15hm2，占Ⅲ級(jí)生態(tài)源地總面積的60.08%；Ⅳ級(jí)生態(tài)源地分布在24 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其中面積大于500hm2的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為城崗鎮(zhèn)、梅窖鎮(zhèn)、杰村鄉(xiāng)、社富鄉(xiāng)、良村鎮(zhèn)、永豐鎮(zhèn)、方太鄉(xiāng)及均村鄉(xiāng)等8 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積為8360.56hm2，占Ⅳ級(jí)生態(tài)源地總面積的69.98%。

圖6 生態(tài)源地各等級(jí)在鄉(xiāng)鎮(zhèn)的分布Fig.6 Distribution of Ecological Sources of Different Grades in Townships

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

該研究以興國(guó)縣為研究區(qū)，采用直接法和MSPA相結(jié)合的方法識(shí)別生態(tài)源地，并利用斑塊重要性指數(shù)和生境質(zhì)量指數(shù)對(duì)生態(tài)源地進(jìn)行分級(jí)，研究結(jié)果能夠?yàn)閰^(qū)域統(tǒng)籌鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)展，明確重點(diǎn)生態(tài)保護(hù)區(qū)域以及制定分類生態(tài)管理措施提供科學(xué)參考。主要結(jié)論如下：

（1）依據(jù)形態(tài)學(xué)原理確定研究區(qū)具有重要生態(tài)意義的各種景觀類型：核心區(qū)（36.67%）、島狀斑塊（1.67%）、孔隙（0.71%）、邊緣（6.46%）、環(huán)道（3.31%）、橋接區(qū)（48.67%）和支線（2.51%）。共識(shí)別199 個(gè)生態(tài)源地斑塊。

（2）生態(tài)源地斑塊劃分為4 個(gè)等級(jí)，其中Ⅰ級(jí)生態(tài)源地4 個(gè)、面積25304.10hm2；Ⅱ級(jí)生態(tài)源地23個(gè)、面積28735.72hm2；Ⅲ級(jí)生態(tài)源地88 個(gè)、面積17397.36hm2；Ⅳ級(jí)生態(tài)源地84 個(gè)、面積11946.61hm2。隨著生態(tài)源地等級(jí)的降低，斑塊分布更加廣泛，破碎化程度加劇。

3.2 討論

該研究以MSPA 方法提取核心區(qū)作為基礎(chǔ)生態(tài)源地，同時(shí)將各類自然保護(hù)地范圍作為補(bǔ)充生態(tài)源地，在很大程度上避免了單純使用直接法選取生態(tài)源地的主觀性。但在生境質(zhì)量評(píng)估過(guò)程中，該研究參考相關(guān)文獻(xiàn)設(shè)置生態(tài)源地對(duì)威脅源敏感性參數(shù)，而實(shí)地條件的差異會(huì)影響評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此有必要進(jìn)一步研究符合區(qū)域?qū)嶋H的相關(guān)參數(shù)設(shè)置。另外對(duì)生態(tài)源地進(jìn)行分級(jí)并實(shí)行差異化管理，對(duì)于提升生態(tài)源地質(zhì)量，維持區(qū)域生態(tài)具有重要意義，下一步有必要根據(jù)不同的等級(jí)提出相應(yīng)的管理措施。