基于生態(tài)安全格局的國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域識別
——以沈陽市為例

林鑫禹 衛(wèi)曉慶 劉恩來 顧有權(quán) 馬名楊 曲曉涵

(沈陽工學(xué)院 能源與水利學(xué)院, 遼寧 撫順 113122)

0 引言

根據(jù)自然資源部《關(guān)于開展省級國土空間生態(tài)修復(fù)規(guī)劃編制工作的通知》(自然資辦發(fā)〔2020〕45號)的要求,做好遼寧省國土空間生態(tài)修復(fù)工作的統(tǒng)籌謀劃和總體設(shè)計提出全面規(guī)劃和科學(xué)推進山、河、林、田、湖、草、沙綜合保護與恢復(fù)的總體思路、目標(biāo)和任務(wù)等一系列的相關(guān)措施,從而促進省級國土空間生態(tài)修復(fù)規(guī)劃,通過規(guī)劃實施實現(xiàn)山水林田湖草系統(tǒng)治理,構(gòu)建空間格局優(yōu)化、生態(tài)功能穩(wěn)定和生態(tài)產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)的生態(tài)安全格局,筑牢生態(tài)安全屏障,促進人與自然和諧共生。遼寧省國土空間生態(tài)修復(fù)規(guī)劃重點落實全省生態(tài)安全格局、生態(tài)修復(fù)目標(biāo)任務(wù),同時作為縣級國土空間生態(tài)修復(fù)規(guī)劃編制、生態(tài)修復(fù)目標(biāo)傳導(dǎo)落實、科學(xué)開展生態(tài)修復(fù)工作的依據(jù)。

生態(tài)安全模式是從景觀生態(tài)規(guī)劃中衍生出來的一種方法,用于識別生態(tài)恢復(fù)和適合生物保護的區(qū)域[1]。當(dāng)前,國土空間生態(tài)修復(fù)調(diào)研核心更注重于那些范圍較小的生態(tài)修復(fù)的問題[2]。我國的大部分生態(tài)修復(fù)是從2000年開始進行的,從當(dāng)初至如今這21年間生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)及森林植被覆蓋度都得到了部分程度的提高。但是想要精準(zhǔn)從頭來施行政策,還是需要人工修復(fù)處理來將過去退化嚴(yán)重的區(qū)域進行扭轉(zhuǎn)退化的趨勢,是其恢復(fù)到初期階段。把各個自然資源要素納入一起,考慮他們之間的相互作用來進行系統(tǒng)修復(fù)。

在近年來由于沈陽市城鎮(zhèn)化、工業(yè)化蓬勃發(fā)展,人類高強度的工業(yè)化活動不斷地侵蝕著生態(tài)環(huán)境,導(dǎo)致城市綠色空間急劇減少。因此急需開啟生態(tài)修復(fù)。在該篇文章中將基于生態(tài)安全格局研究與電路理論相結(jié)合,構(gòu)建出沈陽市生態(tài)廊道,找出生態(tài)夾點障礙點。以確保沈陽市的國土空間生態(tài)修復(fù)的范圍,以此提出對應(yīng)的修復(fù)策略。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概述

沈陽市位于中國東北地區(qū)的南部位置,遼寧省的中部區(qū)域,全市的總面積12 948 km2,市區(qū)面積約為3 495 km2。沈陽市主要以平原地區(qū)為主,東部為遼東丘陵山地,北部為遼北丘陵,地勢主要向西、南方向平勢開展。研究區(qū)在遼寧省的位置如圖1所示。

圖1 沈陽市位置圖

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文選取的數(shù)字高程數(shù)據(jù)(digital elevation model,DEM)和遙感影像數(shù)據(jù)均來源于地理空間數(shù)據(jù)云(www.gscloud.cn),其中,DEM數(shù)據(jù)分辨率為30 m,時間為2020年8月份,并基于ArcGIS平臺計算了沈陽市的坡度以及地形起伏度,遙感影像使用2020年遼寧省7—8月的Landsat-8數(shù)據(jù),分辨率為30 m×30 m。

2 研究方法

2.1 生態(tài)源地識別

生態(tài)源地一般具有維持生態(tài)過程的完整性、保障生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)的持續(xù)性等功能[3],是構(gòu)建生態(tài)安全格局的基礎(chǔ)所在,本文采用形態(tài)學(xué)空間格局分析方法(morphological spatial patterns analysis,MSPA)識別生態(tài)源地[4]。

根據(jù)目前沈陽市的環(huán)境狀況,對該區(qū)域2020年的土地利用數(shù)據(jù)進行MSPA研究,以林地、草地、水域和濕地為MSPA分析的前景,其他土地為背景,使用GuidosToolbox軟件和八鄰域分析方法進行MSPA分析,對照GuidosToolbox使用手冊得到核心區(qū)、島狀斑塊、邊緣區(qū)環(huán)島區(qū)、核心區(qū)、孔隙、支線、橋接區(qū)七種不壓蓋的景觀類型[5]。以成果圖片的各個生態(tài)斑塊的面積和它們之間的相互連通性,以面積前30的區(qū)域作為生態(tài)源地。利用Conefor2.6軟件來計算斑塊可能連通性指數(shù)與斑塊重要性指數(shù)來確定最終生態(tài)源地。

2.2 生態(tài)阻力面的構(gòu)建

根據(jù)生態(tài)安全格局理論,大多數(shù)物種遷徙的情況下在空間上會受到一些外界因素的干擾,而受到外界因素干擾最小的通道就是所謂的生態(tài)廊道[6-7]。根據(jù)相關(guān)研究[8-9],綜合考慮沈陽未來發(fā)展形勢,本實驗以土地利用類型為阻力面,根據(jù)MSPA的景觀數(shù)據(jù)、坡度、地形起伏度以及植被覆蓋度的數(shù)據(jù)做阻力層,建造生態(tài)阻力面。

2.3 生態(tài)廊道

生態(tài)廊道作為生物遷徙與物種交流最小阻力中最便捷途徑,是改善生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的關(guān)鍵,即彼此鄰近環(huán)境生態(tài)之間相互聯(lián)系的通道。所以本文利用最小阻力模型構(gòu)建生態(tài)廊道。以最小阻力模型(minimum cumulative resistance,MCR)模擬生物穿越不同景觀基面的速度[10]。模型公式如式(1)所示。

(1)

式中,MCR表示源地的最小累積阻力;f表示待定單調(diào)遞增函數(shù);Dij表示生態(tài)用地景觀單元i到生態(tài)源地j的空間距離;Ri是景觀單元i對某運動的阻力系數(shù);m、n分別表示景觀單元i和生態(tài)源地j的數(shù)量。

2.4 生態(tài)夾點和生態(tài)障礙點

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中電流密度最大的區(qū)域說明該區(qū)域是物種通過最多的地方,大量物種遷徙往往也伴隨著高風(fēng)險,生態(tài)夾點就是緩解此情況的關(guān)鍵區(qū)域。由于物種遷徙的隨機性,無法主觀選取最佳遷徙路徑,電路理論[11]能夠?qū)㈦S機行走理論與行為生態(tài)學(xué)結(jié)合,有效地將物種隨機遷徙路徑和種群擴散概率表示出來。本文使用夾點映射器工具進行識別,并選擇可以識別整個景觀生態(tài)夾點的“all to one”模式作為計算方法,選擇位于走廊臨界點和交叉區(qū)域且唯一的高電流密度斑塊作為生態(tài)夾點。

生態(tài)障礙點指生物在生態(tài)遷徙過程中通過比較困難的區(qū)域,通過計算清楚障礙點后電流值恢復(fù)值的大小來識別。移除這些區(qū)域可以使生態(tài)源地的連通性獲得提高[12]。運用Barrier Mapper工具,設(shè)置適合的搜索半徑和步長搜索生態(tài)障礙點[13]。

3 結(jié)果分析

3.1 生態(tài)源地的分布識別

本文以MSPA分析面積前30的初始生態(tài)源地斑塊為基礎(chǔ),使用Conefor2.6軟件,由于沈陽市的動物棲息地,設(shè)置連接閾值距離為5 000 m,連接概率為0.5,進行景觀連接度評價,選擇面積大于10 km2且斑塊重要性指數(shù)≥0.5的11個斑塊為生態(tài)源地結(jié)果,如圖2所示。最終選出的生態(tài)源地面積一共1 593.97 km2。

圖2 沈陽市生態(tài)源地分布

沈陽市2020年生態(tài)源地現(xiàn)狀土地利用類型(圖3)耕地為主,城鄉(xiāng)用地為輔,其中耕地面積1 169 km2,城鄉(xiāng)用地126 km2分別占沈陽市生態(tài)源地的73.34%,7.90%。其他各類結(jié)果如表1所示。

圖3 沈陽市生態(tài)源地地類

表1 生態(tài)源地土地利用類型

3.2 阻力面提取

沈陽市的生態(tài)阻力面的設(shè)置(圖4),首先綜合考慮沈陽未來發(fā)展形勢,本實驗以土地利用類型為阻力面,然后在根據(jù)MSPA的景觀數(shù)據(jù)、坡度、地形起伏度以及植被覆蓋度的數(shù)據(jù)做阻力層,然后根據(jù)阻力層設(shè)置權(quán)重和值(表2)。研究結(jié)果表明某一區(qū)域的阻力值越高,穿越該區(qū)域的成本就越大。

(a)地形起伏度阻力值

(b)坡度阻力值

(c)土地利用類型阻力值

(d)植被覆蓋度阻力值

(e)形態(tài)學(xué)空間格局分析地類阻力值

(f)綜合阻力值圖4 沈陽市綜合生態(tài)阻力面

表2 阻力因子屬性

3.3 生態(tài)廊道提取

綜合考慮綜合生態(tài)阻力面與生態(tài)源地,結(jié)合電路理論進行分析,可以把沈陽市的生態(tài)廊道分為活躍性和非活躍性兩種[14]。一共識別出23條生態(tài)廊道,總長度為472.4 km。生態(tài)斑塊重要的部分可以連接起來能夠為生物向適宜生存地方遷徙提供便捷通路。綜合考慮生態(tài)廊道長度、連接板塊的重要程度與廊道可替代性等因素。保留了其中的19條廊道,并把他們分為了兩個級別,一級14條、二級5條(圖5),全長為175.14 km。

圖5 沈陽市生態(tài)廊道分布

在長度特征上看,沈陽市的一級生態(tài)廊道全長為130.89km,最長的一條是18.56 km,最短的一條是2.83 km。緊密聯(lián)結(jié)著沈北新區(qū)與法庫縣的生態(tài)源地。沈陽市的二級生態(tài)廊道全長為44.25 km,且長度由長到短分別為18.6、14.09、4.57、4.39、2.6 km。在圖3、圖4中可以發(fā)現(xiàn)一、二級生態(tài)廊道集中在遼中區(qū)新民市于洪區(qū)附近。

3.4 生態(tài)夾點和生態(tài)障礙點的識別

首先利用夾點映射器工具識別生態(tài)夾點(圖6),由于廊道最高電流強度為1,并且結(jié)合阻力面綜合分析可知,生物易于通過生態(tài)夾點中低阻力區(qū)域,所以生態(tài)夾點再生物遷徙過程中承擔(dān)著重要的連通性功能,需要對這種地區(qū)進行著重管理,以確保其生態(tài)完整性、穩(wěn)定性[15]。沈陽市識別到的生態(tài)“夾點”一共有16個,面積498 km2。主要位于新民市、遼中區(qū)、和法庫縣東部。最大的一處生態(tài)夾點面積為80 km2,最小7 km2。再利用土地利用數(shù)據(jù)與遙感圖像的疊加表明,當(dāng)前土地利用的生態(tài)夾點主要是耕地、林地和草地。這些用地占生態(tài)源地的比例為73.34%、6.96%和0.13%。

圖6 沈陽市生態(tài)夾點分布

然后再點擊軟件內(nèi)的Barrier Mapper工具,利用 Barrier Mapper模塊識別生態(tài)廊道中的障礙點[16]。沈陽市生態(tài)障礙點一共16處,面積一共615.21 km2。最大的生態(tài)障礙點面積143.7 km2,最小一處2.81 km2(圖7)。生態(tài)障礙點多數(shù)位于新民市和遼中區(qū)境內(nèi),少數(shù)位于法庫縣東側(cè)。

圖7 沈陽市生態(tài)障礙點分布

4 結(jié)束語

本文以生態(tài)安全格局為基礎(chǔ),識別生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域,并且按照不同修復(fù)區(qū)域類型提出不同的修復(fù)計劃,優(yōu)化生態(tài)安全格局,得出以下結(jié)果：

(1)現(xiàn)狀地類主要為耕地;生態(tài)廊道23條 , 共計472.4 km, 一級廊道14條,共計130.89 km,二級廊道5條,在空間分布上,生態(tài)源地與生態(tài)廊道集中于沈陽市南部,生境質(zhì)量較好。

(2)沈陽市生態(tài)本底優(yōu)化有待提高,生態(tài)源地面積一共1 593.97 km2,占沈陽市總面積的12.38%。一共構(gòu)建了23條生態(tài)廊道全長大約472.4 km,以此連接生態(tài)源地。識別到的生態(tài)夾點一共有16個,面積498 km2。生態(tài)障礙點一共有16個,面積615.21 km2。它們主要分布在沈陽市的西南部、中部和法庫縣東部。結(jié)合沈陽市生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域的土地利用現(xiàn)狀以及土地類型,提出相應(yīng)合理的修復(fù)措施,完成實施方案項目,為省級修復(fù)生態(tài)安全格局提供借鑒,為區(qū)域提高可持續(xù)發(fā)展持續(xù)供給具有積極意義。需修復(fù)的生態(tài)夾點有16處,土地利用類型包含有耕地、林地和建設(shè)用地。主要修復(fù)策略有建立河流保護區(qū)、退耕還林、發(fā)展特色林業(yè)經(jīng)濟等方法。待修復(fù)的生態(tài)障礙點有16處,所提及的面積615.21 km2。所包含的土地利用類型包含了耕地、草地、林地、水域、其他土地、交通運輸用地和住宅用地。

針對沈陽市土地利用現(xiàn)狀,本研究提出了合理的恢復(fù)策略,提供有利借鑒,對提高生態(tài)資源可持續(xù)發(fā)展及創(chuàng)造價值具有積極實踐意義。