安慶市宜秀區(qū)景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建

袁 平, 何 勝, 程梓昊, 張官進(jìn), 張振國

(安徽科技學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院,安徽 鳳陽 233100)

人類高強(qiáng)度土地利用方式及對自然資源的不合理開發(fā)與利用,直接影響區(qū)域景觀生態(tài)空間格局,導(dǎo)致景觀之間的破裂程度加劇,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接性降低,對生物系統(tǒng)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。生態(tài)安全是21世紀(jì)人類面臨的一個(gè)新主題,生態(tài)安全格局構(gòu)建對生物多樣性保護(hù)、維持生態(tài)系統(tǒng)過程完整性、實(shí)現(xiàn)自然環(huán)境與人類社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義[2-4]。如何進(jìn)行生態(tài)安全格局構(gòu)建,首先要識(shí)別生態(tài)源地,保護(hù)重要生態(tài)源地穩(wěn)定性,發(fā)揮區(qū)域本地優(yōu)勢,在此基礎(chǔ)上,建設(shè)與源地協(xié)調(diào)的生態(tài)廊道,識(shí)別障礙點(diǎn),提高生態(tài)廊道數(shù)量和質(zhì)量,推進(jìn)廊道網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)化。

生態(tài)源地與“節(jié)點(diǎn)”識(shí)別是區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建的基礎(chǔ),前者由具有高生態(tài)服務(wù)價(jià)值、斑塊連片性較好的林地和水域組成,后者是研究區(qū)重要生態(tài)功能區(qū)或生態(tài)敏感區(qū)的中心點(diǎn),對整個(gè)區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)整體聯(lián)通性、穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。俞孔堅(jiān)[5]首次提出了“生態(tài)源地-阻力面-格局”三步構(gòu)建生態(tài)安全格局的方法,并在許多研究中應(yīng)用。但以往研究中,生態(tài)源地大多通過人為主觀直接選取,缺乏一定嚴(yán)謹(jǐn)性。由此出現(xiàn)“粒度反推法”的創(chuàng)新方式選擇生態(tài)源地[6-7]。生態(tài)節(jié)點(diǎn)的識(shí)別主要通過多因素評價(jià)法,Knaapen等[8]基于景觀格局變化對生態(tài)過程作用機(jī)制的研究,提出利用最小累積阻力(MCR)模型方法對景觀格局進(jìn)行優(yōu)化。張曉琳等[9]運(yùn)用ArcGIS中的Linkage Mapper插件識(shí)別生態(tài)節(jié)點(diǎn)。因此,有效識(shí)別區(qū)域生態(tài)源地、生態(tài)節(jié)點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn),保障生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能完整性對國家生態(tài)安全、解決區(qū)域生態(tài)問題具有不可替代的作用。安慶市地處長江下游北岸,皖河入江處,生態(tài)環(huán)境良好,在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的背景下,安慶市主城區(qū)(宜秀區(qū))正處于快速發(fā)展階段,如何協(xié)調(diào)好發(fā)展和保護(hù)的關(guān)系是當(dāng)前重要課題。本研究基于2018年土地利用更新數(shù)據(jù)庫、DEM數(shù)據(jù),采用粒度反推法識(shí)別生態(tài)源地,利用最小累積阻力模型構(gòu)建最小累積阻力面,將綜合生態(tài)阻力面當(dāng)做“電導(dǎo)面”,依據(jù)電路理論構(gòu)建宜秀區(qū)生態(tài)廊道,識(shí)別“夾點(diǎn)”“障礙點(diǎn)”,并通過水文分析驗(yàn)證“障礙點(diǎn)”的準(zhǔn)確性,為宜秀區(qū)的景觀生態(tài)格局保護(hù)提供建議。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

安慶市宜秀區(qū)位于安徽省西南部(116°57′～117°14′E,30°28′～30°42′N),區(qū)域面積為410 km2,人口總數(shù)26萬,地勢西北高東南低,主要景觀類型包括林地、水域、耕地和建設(shè)用地,分別占總面積的29.5%、25.5%、21.8%和18.7%。宜秀區(qū)屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,溫和濕潤,四季分明,雨量充沛,光照充足,年平均氣溫為16.5 ℃,年均降水量為1 389 mm,無霜期為247 d。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究主要運(yùn)用30 m分辨率的Landsat-8遙感影像數(shù)據(jù)(來源：BigMap平臺(tái)http：//www.bigemap.com)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)(來源：地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)http：//www.gscloud.cn),影像云量較少,質(zhì)量良好。遙感影像數(shù)據(jù)在ENVI 5.3軟件支持下進(jìn)行幾何精校正,采用監(jiān)督分類方法得到最新土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù),與2018年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)(來源：安慶市自然資源局)進(jìn)行對比、校驗(yàn)和更新,得到最終宜秀區(qū)土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 基于粒度反推法的生態(tài)源地選取 通過粒度反推法選取宜秀區(qū)生態(tài)源地,設(shè)置50、100、200、400、600、800、1 000、1 200 m等8種粒度的柵格數(shù)據(jù),通過Fragstats 4.2軟件分別計(jì)算不同景觀組分柵格的景觀格局指數(shù),對比指數(shù)特征變化,選取指標(biāo)最好的組分粒度,反推出生態(tài)源地。景觀指數(shù)包括景觀組分?jǐn)?shù)、最大斑塊指數(shù)、連接性指數(shù)、斑塊凝聚度、景觀分裂指數(shù)、有效粒度面積指數(shù)以及分離度。

1.3.2 基于MCR模型的生態(tài)阻力面構(gòu)建 物種在不同的景觀類型中遷移的過程中需要克服空間上的阻力,生態(tài)阻力面是構(gòu)建生態(tài)廊道的重要基礎(chǔ)[10]。本研究通過多因素綜合考慮,采用最小累積阻力模型構(gòu)建阻力面。過程如下：選取土地利用類型、坡度、距一級(jí)道路的距離和距二級(jí)道路的距離為阻力因子,分別賦予各個(gè)阻力因子類別不同的阻力值(表1)。設(shè)置各阻力因子權(quán)重依次為0.4、0.2、0.2、0.2,將4類消費(fèi)面采取疊加分析,利用ArcGIS中的成本距離工具生成最小累積阻力面[11]。

表1 阻力因子阻力及權(quán)重表Table 1 Resistance factor resistance value and weight

1.3.3 基于電路理論模型的生態(tài)廊道構(gòu)建 電路理論的原理是利用電子在電路中無規(guī)則隨機(jī)漫游、電阻小時(shí)電流大這一特性來假設(shè)生物群落在不同景觀之間的活動(dòng),群落和群體被當(dāng)做電子,不同的景觀組合被視為一個(gè)電導(dǎo)面,根據(jù)不同景觀類型設(shè)置電阻值[12]。當(dāng)增大生態(tài)廊道的密集度時(shí),生物及其群體相應(yīng)的遷移阻力就會(huì)減小,擴(kuò)散能力也會(huì)增強(qiáng)[13]。本研究基于Circuitscape 4.0平臺(tái),通過計(jì)算得到最小距離成本路徑,即為生態(tài)廊道。

1.3.4 生態(tài)“夾點(diǎn)”和“障礙點(diǎn)”的識(shí)別 采用ArcGIS軟件中Linkage Mapper插件識(shí)別生態(tài)“夾點(diǎn)”及“障礙點(diǎn)”。在生態(tài)廊道的基礎(chǔ)上,前者利用Pinchpoint Mapper工具計(jì)算電流通過廊道網(wǎng)電流強(qiáng)度最大的點(diǎn),也就是生物及其群落必須經(jīng)過的點(diǎn),是廊道中保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。后者利用Barrier Mapper工具,設(shè)置半徑為60 m,通過移動(dòng)窗口算法搜索“障礙點(diǎn)”,并且得到各點(diǎn)的改善系數(shù)。改善系數(shù)是指單位距離上聯(lián)通性恢復(fù)值的大小,改善系數(shù)越大,那么剔除該景觀區(qū)域后,景觀的連通性提升的越大,公式如下：

(1)

其中,IS為改善系數(shù),LCD1為最小成本距離,LCD0為障礙點(diǎn)移除后最小成本距離值[8]。此外,本研究采用ArcGIS中水文分析方法求解“障礙點(diǎn)”,進(jìn)一步驗(yàn)證其位置的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與分析

2.1 宜秀區(qū)生態(tài)源地的選取

不同粒度大小組分的各景觀指數(shù)如表2所示。從景觀組分?jǐn)?shù)來看,整體上隨著粒度的逐步增大呈減小趨勢,在粒度400 m后逐漸趨于平穩(wěn)。研究表明,粒度較大時(shí),景觀之間連接性較強(qiáng),但景觀圖斑之間的一些細(xì)節(jié)往往被忽略掉,而粒度較小時(shí),圖斑之間連接性低,圖斑細(xì)節(jié)部分過多,不能很好地表現(xiàn)主要趨勢[14]。粒度800 m之后生態(tài)斑塊之間不易再合成更小的斑塊;在粒度400 m時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)突變點(diǎn),且在該點(diǎn)最大斑塊指數(shù)處于最低水平,可以有效地去除不必要的細(xì)節(jié)。從生態(tài)景觀連接度來看,整體上隨粒度的逐漸增大呈現(xiàn)先緩慢增大后快速下降趨于平穩(wěn)的趨勢,在200 m時(shí)達(dá)到最大值,在600 m時(shí)連接度指數(shù)變?yōu)?;粒度400 m為其突變點(diǎn),連接度指數(shù)處于一個(gè)“承上啟下”的階段。從斑塊凝聚度來看,整體上隨著粒度的增大呈逐漸減小趨勢。400～600 m變化不明顯,但600 m以后出現(xiàn)下降趨勢,說明斑塊之間凝聚力、連通性在生態(tài)柵格粒度為600 m后逐漸降低,生態(tài)斑塊柵格粒度在600 m以內(nèi)的連通性符合要求。從有效粒度面積指數(shù)來看：粒度在50～400 m之間隨著粒度的增加生態(tài)斑塊合并,使有效粒度面積逐漸減少,導(dǎo)致有效粒度面積指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢;粒度在400 m以后,出現(xiàn)了有效粒度指數(shù)的上下波動(dòng),說明隨著粒度的增加,有效粒度呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的現(xiàn)象[15]。分裂指數(shù)和分離度越高,各個(gè)景觀之間的相對獨(dú)立性越高,更符合景觀格局的構(gòu)建要求,在生態(tài)柵格粒度為400 m時(shí),景觀分裂指數(shù)和分離度達(dá)到最大值。

表2 不同粒度下景觀格局指數(shù)Table 2 Landscape pattern index under different grain size

綜上,400 m粒度為宜秀區(qū)最佳生態(tài)源地選取標(biāo)準(zhǔn)(圖1)。結(jié)果表明,宜秀區(qū)生態(tài)源地的分布為南北疏,中部密,這主要是因?yàn)橐诵銋^(qū)北部丘陵、南臨長江,人口聚居,導(dǎo)致生態(tài)景觀破碎,并且北部存在大量的耕地,進(jìn)一步影響生態(tài)格局。宜秀區(qū)影響力較大的生態(tài)斑塊的數(shù)量為20,其中最大斑塊的面積為104.49 hm2,位于中心地帶的山區(qū)林地,占總面積的58.98%,該區(qū)域生態(tài)環(huán)境保持較好;最小斑塊面積為5.45 hm2,位于宜秀區(qū)北部地區(qū),土地利用類型為林地,占總面積的3.0%,該區(qū)域村莊聚居較多,生態(tài)斑塊破碎程度較大。綜上,宜秀區(qū)生態(tài)恢復(fù)能力較強(qiáng),主要得益于中心地區(qū)的核心生態(tài)斑塊對整個(gè)地區(qū)的生態(tài)格局具有支配作用。

圖1 粒度400 m生態(tài)源地分布圖Fig.1 Distribution of ecological source areas with grain size of 400 m

2.2 宜秀區(qū)綜合生態(tài)阻力面分析

單阻力因子阻力值及各阻力因子權(quán)重構(gòu)建綜合生態(tài)阻力值分布如圖2～3所示。結(jié)果表明,研究區(qū)綜合阻力值最小為1,最大為440.2,呈現(xiàn)北低南高的分布規(guī)律,其中阻力值較高的區(qū)域主要分布在宜秀區(qū)城區(qū)范圍,其他區(qū)域零星分布但面積不大,主要原因是城區(qū)附近人為活動(dòng)較為密集,并且國道、鐵路等較為發(fā)達(dá),不利于生物遷徙。

圖2 阻力因子阻力值分布圖Fig.2 Distribution of resistance factor and resistance value

圖3 綜合生態(tài)阻力面分布圖Fig.3 Distribution of comprehensive ecological resistance surface

2.3 宜秀區(qū)生態(tài)廊道識(shí)別與分析

基于綜合阻力面,利用Circuitscape 4.0軟件計(jì)算各生態(tài)源地之間的最小成本路徑,構(gòu)建宜秀區(qū)各分散生態(tài)斑塊之間的生態(tài)連接網(wǎng)絡(luò)[16]。宜秀區(qū)共構(gòu)建了38條生態(tài)廊道,合計(jì)56.3 km(圖4)。從空間分布來看,北部地區(qū)廊道較為密集且長度在2 km左右,占總廊道數(shù)的76%,表明此處生物的活動(dòng)比較頻繁;而南部斑塊較為分散,廊道長度在5 km左右,生物遷移相對困難。

圖4 宜秀區(qū)生態(tài)廊道分布圖Fig.4 Distribution map of ecological corridor in Yixiu District

2.4 宜秀區(qū)生態(tài)安全格局構(gòu)建

根據(jù)宜秀區(qū)生態(tài)改善區(qū)和發(fā)展區(qū)(圖5),由生物運(yùn)動(dòng)密度(電流強(qiáng)度)得出該區(qū)域生態(tài)廊道整體呈現(xiàn)出強(qiáng)流通的特性。研究區(qū)共識(shí)別生態(tài)“夾點(diǎn)”5個(gè),均在改善區(qū)且一級(jí)改善區(qū)居多,對“夾點(diǎn)”的保護(hù)可以對宜秀區(qū)景觀格局的保護(hù)起到重要作用(表3)。從“夾點(diǎn)”的主要土地利用類型來看,3個(gè)水域“夾點(diǎn)”位于羅嶺村(2處)和總鋪居委會(huì)(1處);2個(gè)林地“夾點(diǎn)”位于羅嶺村和林春村。同時(shí)識(shí)別研究區(qū)“障礙點(diǎn)”38處(圖6、表3),主要分布于人類活動(dòng)較為頻繁的區(qū)域,建筑用地、公路用地、耕地是其中的主體部分,且每條廊道的障礙點(diǎn)平均2個(gè),表明宜秀區(qū)的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)阻力比較大。從“障礙點(diǎn)”的空間分布來看,北部障礙點(diǎn)較為密集,主要分布在羅嶺村、林春村、鳳溪村,占障礙點(diǎn)總數(shù)的39.5%,南部地區(qū)分布較為分散,每條廊道上障礙點(diǎn)的分布過于密集,提升難度較大。

圖5 改善區(qū)及電流強(qiáng)度圖Fig.5 Distribution map of ecological corridor

圖6 宜秀區(qū)綜合“障礙點(diǎn)”分布圖Fig.6 Distribution map of comprehensive "obstacle points" in Yixiu District

表3 宜秀區(qū)重點(diǎn)生態(tài)節(jié)點(diǎn)總覽表Table 3 Distribution of ecological node area in Yixiu District

宜秀區(qū)最終選取17個(gè)生態(tài)源地斑塊、35條生態(tài)廊道和46個(gè)生態(tài)節(jié)點(diǎn),初步構(gòu)建起“點(diǎn)-線-面”相互交融的生態(tài)安全格局,為后續(xù)生態(tài)安全格局的穩(wěn)定打下了基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

為保證長江流域生態(tài)系統(tǒng)能在持續(xù)健康的狀況下為人類提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),本研究運(yùn)用最新土地利用數(shù)據(jù)得到不同距離閾值的柵格數(shù)據(jù),通過對景觀格局指數(shù)的變化分析得到最優(yōu)生態(tài)源地。為更貼近生物遷移真實(shí)狀況,本研究識(shí)別成本最低的最優(yōu)路徑,同時(shí)以電路連通度模型識(shí)別生物遷移路徑,共同構(gòu)建研究區(qū)生態(tài)安全格局。得出以下結(jié)論：宜秀區(qū)的生態(tài)柵格粒度最終確定為400 m,生態(tài)源地共計(jì)20個(gè),面積為177.16 hm2,劃定38條廊道,共計(jì)56.3 km。根據(jù)生態(tài)阻力面,識(shí)別生態(tài)“夾點(diǎn)”5個(gè),待修復(fù)的“障礙點(diǎn)”38個(gè),“障礙點(diǎn)”類型主要為建設(shè)用地、公路用地、耕地等。