岷江流域生態(tài)安全格局評價與優(yōu)化
——基于最小累積阻力模型和重力模型

姚材儀,何艷梅,程建兄,張?zhí)煲?潘洪義,*,馬紅菊

1 四川師范大學西南土地資源評價與監(jiān)測教育部重點實驗室,成都 610066 2 四川師范大學地理與資源科學學院,成都 610066 3 四川省水產(chǎn)學校,成都 611730

生態(tài)安全格局是維護生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定和完整的基礎(chǔ),也是人類社會健康持續(xù)發(fā)展的重要前提[1]。生態(tài)安全格局評價就是通過識別出生態(tài)過程中起到重要作用的關(guān)鍵要素如源地、廊道和節(jié)點等,找出生態(tài)組分里出現(xiàn)的環(huán)境問題,提出可落實的修復措施及保護策略,確保生態(tài)系統(tǒng)良性發(fā)展[2]。當前,隨著城市化進程的不斷推進,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境承載力發(fā)生改變[3],景觀碎片化、水土流失、土壤污染、林地和草地退化以及生物多樣性的喪失等生態(tài)安全問題逐漸凸顯[4],直接或間接影響了生態(tài)環(huán)境安全。對區(qū)域生態(tài)安全格局評價能夠揭示生態(tài)環(huán)境保護過程中出現(xiàn)的盲目修復和低效保護現(xiàn)象,為有效緩解經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護之間的沖突[5—6],維持生物多樣性穩(wěn)定、促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供可行性實現(xiàn)路徑[7]。因此,以生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)為研究對象,開展以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為框架評估生態(tài)安全的研究,對區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義[8]。

開展生態(tài)安全格局評價是維護生態(tài)安全和保持生物多樣性的重要手段[9]。生態(tài)安全格局的研究最早起源于國外景觀生態(tài)學規(guī)劃領(lǐng)域,主要集中在某特定的生態(tài)要素上[10]。而近年來,隨著不斷發(fā)展完善,研究主題和范式也逐漸趨向多元化及綜合發(fā)展[11],形成“生態(tài)源地識別-阻力面構(gòu)建-生態(tài)廊道和節(jié)點提取”的基本研究框架[12]。國外學者對安全格局的研究更加注重生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)的過程模擬、生態(tài)系統(tǒng)保護、生態(tài)保護地安全政策等[13—14]方面。國內(nèi)學者俞孔堅提出以生境斑塊、廊道、緩沖區(qū)為生物保護格局的思路以來,生態(tài)安全格局逐漸發(fā)展完善[15],現(xiàn)相關(guān)學者主要集中在生態(tài)安全格局評價與優(yōu)化方面開展了較為豐富的研究[16]。例如王浩等[17]采用最小累積阻力模型及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性理論構(gòu)建并評價了廣東省生態(tài)安全格局;鄔志龍等[18]通過把脆弱性分析與最小累積阻力模型結(jié)合,完成對瑞金市生態(tài)組分提取,評價了瑞金市生態(tài)安全格局,并對低生態(tài)安全區(qū)提出優(yōu)化建議;劉金花等[19]基于生態(tài)安全格局與生態(tài)脆弱性評價將汶川縣劃分為不同的生態(tài)修復區(qū),并提出關(guān)鍵診斷區(qū)的相關(guān)保護策略。經(jīng)對文獻梳理發(fā)現(xiàn),最小累積阻力模型和重力模型結(jié)合能夠較好地反映景觀格局的變化情況對生態(tài)過程的影響,便于完成對生態(tài)脆弱區(qū)潛在廊道的提取和節(jié)點的識別,能更好的保障生態(tài)評價的客觀性和可靠性。同時,文獻中也體現(xiàn)生態(tài)安全格局在關(guān)鍵參數(shù)的確定上取得了頗為豐碩的成果[20],各自有著不同優(yōu)缺點與適應(yīng)范圍,但仍然存在著一些不足。在現(xiàn)有的源地提取方法中過于依賴生態(tài)重要性,而對于特殊研究區(qū)域既要考慮生態(tài)的重要性同時要考慮其生態(tài)敏感性;在生態(tài)廊道中重要廊道識別中一般采用疊加法進行識別,其結(jié)果的科學性存在一定缺陷,研究中為了克服這一問題逐漸出現(xiàn)了應(yīng)用重力模型對重要廊道識別的研究趨勢;而在生態(tài)節(jié)點的界定往往采用廊道交叉點直接定義為節(jié)點,此種方法得出結(jié)果往往與實際情況產(chǎn)生較大差異,應(yīng)該充分考慮廊道重要性程度和阻力值大小等多個因素綜合確定。此外,盡管目前有關(guān)生態(tài)安全格局的理論體系較為完善,研究方法逐漸成熟[21],但大多數(shù)研究仍僅停留在對生態(tài)安全格局的刻畫與評價層面。生態(tài)安全格局在刻畫與生態(tài)組分優(yōu)化修復方面未能很好的結(jié)合,缺乏總體與局部的有效銜接。因此,生態(tài)安全格局研究還應(yīng)重點關(guān)注:(1)如何快速有效的區(qū)分出安全格局中的重要生態(tài)組分,厘清組分之間的關(guān)系及其組分在實際中發(fā)揮的作用。(2)如何在“源地-阻力面-廊道節(jié)點”安全格局基本范式下,提出適當?shù)纳鷳B(tài)調(diào)控和修復方案,從而實現(xiàn)安全格局評價及優(yōu)化。

岷江作為四川盆地水循環(huán)的主體,隨著流域水環(huán)境的變化,使整個流域的景觀生態(tài)功能發(fā)生改變[22]。但目前對岷江流域生態(tài)安全的研究多集中在上游區(qū)域,較少關(guān)注中下游與全流域,生態(tài)格局研究缺乏整體性。同時,受自然因素和人為因素影響,岷江流域生態(tài)環(huán)境壓力大[23],生態(tài)平穩(wěn)性受到威脅,面臨一系列生態(tài)安全問題,如水環(huán)境污染、植被退化、滑坡等?；谏鷳B(tài)環(huán)境條件,對全流域的生態(tài)安全進行評估,提出積極的優(yōu)化策略,能為低度生態(tài)安全提供治理思路,助力岷江流域生態(tài)保護與協(xié)同管控。因此,本文以岷江流域為研究對象,綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與敏感性,使用最小累積阻力模型和重力模型等方法,對生態(tài)源地、生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點進行識別,最終刻畫岷江流域的生態(tài)安全格局。在此基礎(chǔ)上,對岷江流域的生態(tài)安全格局進行空間劃分,提出四個生態(tài)保護區(qū)和兩個生態(tài)建設(shè)帶,針對不同區(qū)域提出生態(tài)保護修復與空間優(yōu)化建議。研究結(jié)果以期為流域構(gòu)建生態(tài)安全格局和生態(tài)空間布局優(yōu)化提供一定的參考和借鑒。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

岷江流域介于(102°320′E—104°54′E,27°49′N—33°09′N)之間(圖1),面積為4.5萬km2,占四川省面積的9%,涵養(yǎng)區(qū)面積達23037km2[24],涉及阿壩州、涼山州、甘孜州、成都、雅安、眉山、自貢、內(nèi)江,樂山、宜賓10個市(州)的45個縣(市、區(qū))。上游段從源頭至都江堰以北,為典型的高原山地氣候,年平均氣溫在5.7—13.5℃之間,年降水量在500—850mm之間,河網(wǎng)密集,年總徑流量達153.5億m3,地形復雜多樣,地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),生態(tài)破壞嚴重,兩岸的人口和耕地數(shù)量較少。中下游段從都江堰往南至宜賓匯入長江,流經(jīng)盆地和丘陵地區(qū),地勢平緩,人口相對密集,交通便捷,工農(nóng)業(yè)發(fā)達,經(jīng)濟發(fā)展狀況良好。隨著人類活動范圍的不斷擴張,流域的土地功能和水文環(huán)境發(fā)生了顯著變化,導致支流斷流、水體污染、徑流水位下降和濕地退化等一些列生態(tài)環(huán)境問題,景觀由濕潤景觀向干旱景觀轉(zhuǎn)變,生物多樣性減少,生境質(zhì)量下降,嚴重威脅了流域生態(tài)安全的穩(wěn)定。因此,對岷江流域開展生態(tài)安全評價,診斷生態(tài)環(huán)境問題,找準修復方向,有利于實現(xiàn)岷江流域可持續(xù)發(fā)展。

圖1 岷江流域位置與土地利用現(xiàn)狀Fig.1 Minjiang River Basin Location and Land Use Status

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文涉及數(shù)據(jù)經(jīng)投影校對和重采樣處理為1km柵格數(shù)據(jù),具體來源與處理過程如下:①岷江流域2018年土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/),將土地利用數(shù)據(jù)重分類為6個一級類;②2018年數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/);③2015年土壤侵蝕度來源于國家青藏高原科學數(shù)據(jù)中心(http://data.tpde.ac.cn);④2000—2018年各月降雨量數(shù)據(jù)和道路數(shù)據(jù)來源于國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心(http://www. geodata.cn);⑤河網(wǎng)數(shù)據(jù)來源于全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)(https://www.webmap.cn/);⑥2018年歸一化植被指數(shù)(NDVI)和2000—2018年凈初級生產(chǎn)力(NPP)數(shù)據(jù)源于美國國家航空航天局(https://www.nasa.gov/),將16d的月度產(chǎn)品合成為年度最大值產(chǎn)品。⑦氣溫數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/),將2000—2018年氣溫平均值通過空間插值法計算到柵格。

2 研究方法

2.1 研究框架

本文以生態(tài)重要性為基礎(chǔ)刻畫岷江流域生態(tài)安全格局;選取生態(tài)重要性指標對研究區(qū)進行生態(tài)質(zhì)量分析,為識別生態(tài)源地提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ);基于生態(tài)重要性分級,識別生態(tài)源地;選取生態(tài)阻力因子,利用最小累積阻力模型構(gòu)建阻力面;基于重力模型,識別岷江流域重要生態(tài)廊道和重要生態(tài)節(jié)點;基于以上點、線、面要素的提取結(jié)果共同構(gòu)建岷江流域綜合生態(tài)安全格局;依據(jù)生態(tài)安全格局空間分布狀況提出相應(yīng)的優(yōu)化建議(圖2)。一定程度上增加生態(tài)安全格局刻畫的客觀性,便于岷江流域生態(tài)安全格局研究。

圖2 安全格局研究框架圖Fig.2 Framework diagram of the security landscape studyMCR: 最小累積阻力模型

2.2 生態(tài)源地識別

本文以生態(tài)重要性作為生態(tài)源地提取的依據(jù),能夠體現(xiàn)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)對自然變化和人為干擾的反映程度[25]。由于研究區(qū)位于山地-盆地過渡帶上,根據(jù)敏感性中高程和土地利用強度兩因子影響較大。因此,參照環(huán)境保護部發(fā)布的《生態(tài)保護紅線劃定技術(shù)指南》,綜合已有研究[12,25—26]和岷江流域?qū)嶋H情況,把敏感性納入生態(tài)質(zhì)量評價指標中,最終選取敏感性、水源涵養(yǎng)、水土保持和生物多樣性4個指標對岷江流域生態(tài)質(zhì)量進行綜合分析,運用ArcGIS 10.7對4個指標進行柵格疊加,通過自然斷點法將生態(tài)重要性程度劃分為一般重要、較重要、中等重要、高度重要、極重要五個等級,為減少生態(tài)源地的破碎化程度,剔除面積小于1km2的圖斑,選取柵格單元集中連片的生態(tài)重要性極高區(qū)域作為基礎(chǔ)生態(tài)源地。其中敏感性通過層次分析法將高程、植被覆蓋度、土地利用強度和土壤侵蝕度賦權(quán)疊加得出。各個指標計算公式如下:

水源涵養(yǎng)重要性:

WR=NPPmean×Fsic×Fpre×(1-Fslo)

(1)

WR:水源涵養(yǎng)重要性指數(shù);NPPmean:多年植被凈初級生產(chǎn)力平均值;Fsic:土壤滲流因子;Fpre:多年平均降水量因子;Fslo:坡度因子。

水土保持重要性:

Spro=NPPmean×(1-K)×(1-Fslo)

(2)

Spro:土壤保持重要性指數(shù);NPPmean:多年植被凈初級生產(chǎn)力平均值;K:土壤可蝕性因子;Fslo:坡度因子。

生境質(zhì)量能夠反映物種對環(huán)境的生存能力,一般用來表示生物多樣性。本文使用InVEST模型評估生物多樣性,計算方法如下:

(3)

Axj為土地利用類型j中柵格x的生境質(zhì)量;Hj為第j類土地利用的生境適宜性;Dxj是j類土地利用中斑塊x受威脅度;K為半飽和系數(shù),z為常數(shù)。

2.3 阻力面構(gòu)建

阻力面是生態(tài)過程在空間運行時受到環(huán)境阻力所形成的空間分布[27]。本文采用最小累積阻力模型(MCR)構(gòu)建阻力面,該模型最早由Knaapen等[28]提出,后經(jīng)俞孔堅等[29]學者不斷改進和完善,計算公式如下:

(4)

式中:MCR為源地某點到其他點的最小累積阻力值。f表示研究區(qū)域源地擴展能力與最小累積阻力模型正相關(guān)關(guān)系函數(shù),Dij指從源地j到別的源地某一點時受到阻力因子i影響的空間距離(單位:km)。Ri表示選取的因子i對源地的阻力值。j=n、i=m分別代表了柵格中源地經(jīng)過的單元距離之和與累積阻力的總值。

2.4 生態(tài)組分的識別

本文基于已識別的生態(tài)源地和綜合阻力面,采用重力模型生成生態(tài)廊道。重力模型能夠定量分析源地間相互作用力的大小[30],同時剔除源地間的重復路徑,將各源地間相互作用引力值大于1的路徑確定為重要廊道,其余為一般廊道。計算公式為:

(5)

式中:Gab代表a和b源地之間的引力值;Na和Nb表示a、b源地的權(quán)重值;Dab是a、b源地間廊道的阻力值;Pa、Pb是源地a、b的阻力值;Lab是a、b源地間成本路徑值;Lmax是研究區(qū)所有廊道累計阻力最大值。

生態(tài)節(jié)點是廊道中生態(tài)環(huán)境較為脆弱的地方[29],需要重點關(guān)注和保護。本文中的生態(tài)節(jié)點為廊道重要性程度與阻力等值線的交點,并分為重要節(jié)點和一般節(jié)點,其中重要節(jié)點是重要廊道和高阻力值的交點,其余為一般節(jié)點。

3 結(jié)果分析

3.1 岷江流域生態(tài)重要性分析

岷江流域復雜多樣的地形和氣候條件使得其內(nèi)部的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能有不同的空間格局。本文選取水土保持服務(wù)重要性、水源涵養(yǎng)服務(wù)重要性、生態(tài)敏感性和生物多樣性4個指標,等權(quán)疊加即為岷江流域整體生態(tài)系統(tǒng)功能重要性,利用自然斷點法將全流域分為一般重要、較重要、中等重要、高度重要和極重要5類區(qū)域(圖3)。結(jié)果顯示,水土保持極高的區(qū)域面積為8326.65km2,占研究區(qū)面積12.2%,主要集中在岷江上游和下游段,涉及三大海山和莫策山等重要林地;水源涵養(yǎng)高值區(qū)面積為2060.75km2,占研究區(qū)面積3%,主要集中在岷江中游盆地區(qū)域,該區(qū)域受夏季風影響顯著,年均降雨量大,易涵養(yǎng)水源;高敏感性區(qū)域面積為6284.07km2,占研究區(qū)面積9.2%,集中在植被密集、坡度陡峭的岷江上游段,涉及松潘縣、黑水縣、茂縣和理縣;生物多樣性的高值區(qū)面積為12209.25km2,占研究區(qū)面積17.8%,主要分布在人類干預少區(qū)域,岷江中游段城鎮(zhèn)用地開發(fā)區(qū)生物多樣性較弱。整體上看,岷江流域生態(tài)重要性極高區(qū)面積1113.83km2,占研究區(qū)面積1.6%,總體環(huán)境水平較好,大部分地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性為中等重要以上,大致呈南-北高,中部低趨勢。極重要區(qū)分布在北部、西部和西南部植被密集的岷江上游段和下游段,而中游段重要性普遍較低。表明岷江上游段和下游段整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力較強,可為岷江流域提供較多的生態(tài)功能。

圖3 生態(tài)重要性綜合評價結(jié)果Fig.3 Results of the comprehensive evaluation of ecological importance

3.2 生態(tài)安全格局的識別

3.2.1生態(tài)源地識別

研究區(qū)位于山地-盆地過渡帶上,因此選取柵格單元集中連片的生態(tài)重要性極重要區(qū)域的同時,考慮了高敏感區(qū)作為基礎(chǔ)生態(tài)源地。為減少生態(tài)源地的破碎化程度,剔除面積小于1km2的圖斑,最終確定20個源地(圖4)。生態(tài)源地總面積為818.32km2,占研究區(qū)總面積的1.2%,從組成成分看,源地主要由林地、草地和水域組成,占比達99.19%,涉及了岷江流域重要的生境資源,從空間分布看,生態(tài)極重要區(qū)與岷江流域重要林地資源存在較大重疊,如瓦侯能和山、補波洗山、海子溝、邛崍山、篩子背山等,呈條狀集中分布在岷江流域上游段,是動物棲息的重要斑塊。

圖4 岷江流域生態(tài)源地分布圖 Fig.4 Distribution of ecological source sites in the Minjiang River Basin

3.2.2阻力面識別

科學的構(gòu)建岷江流域生態(tài)阻力面能較好界定生物生存的空間范圍,對維護其生物多樣性具有重要意義[28]。土地利用類型決定了生物分布區(qū)域,坡度高低影響了生物的活動走向,植被覆蓋度影響研究區(qū)密度,距道路和距城市距離影響生物活動范圍,距河流越近生物活動越頻繁?；诖?綜合考慮岷江流域?qū)嶋H情況和數(shù)據(jù)信息的可獲取性,從自然因素和人為影響兩方面選取了NDVI、坡度、土地利用類型、距主要道路距離、距城市建設(shè)用地距離和距河流距離6個阻力因子作為生態(tài)阻力評價指標(表3)。參考相關(guān)研究[18,31—32]并結(jié)合漢瑞因等[33]研究方法對各評價因子賦值,相對阻力值擬定在1—100之間,采用層次分析法確定單因子權(quán)重值,將各單因子阻力面(圖5)進行加權(quán)求和計算得到綜合阻力面。

圖5 單因子阻力面Fig.5 Single-factor resistance surface

由綜合阻力面結(jié)果(圖6)可知,岷江流域最小綜合阻力值為1,最高阻力值為74.22。整體呈現(xiàn)西北部、中部高,南和東南部較低。阻力值在城市建設(shè)區(qū)達到峰值,并由內(nèi)向外呈逐漸減小趨勢,原因在于建設(shè)用地高度集中區(qū)由于不透水表面面積較大,更大程度上阻礙了物種遷移和物質(zhì)循環(huán)等生態(tài)過程。阻力值低值區(qū)域主要位于松潘縣、黑水縣和洪雅縣等區(qū)域,這些區(qū)域人為干擾小,主要以林地覆蓋為主且地勢起伏較小。而另一個阻力值高值區(qū)域主要集中在西北部高山峽谷區(qū),該區(qū)地形起伏度大且地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),生境敏感性強,嚴重影響了生態(tài)物質(zhì)的流動。

圖6 生態(tài)阻力綜合評價Fig.6 Comprehensive evaluation of ecological resistance

3.2.3生態(tài)廊道與生態(tài)節(jié)點識別

研究區(qū)內(nèi)提取生態(tài)廊道共190條(圖7),總長度約為19633.96km,受各源地之間引力差異較大的影響,在保證源地間互相貫通的原則下,按引力大小篩選出重要廊道41條,長度為1641.49km,一般廊道149條,長度為17992.48km,提取生態(tài)節(jié)點117個,利用自然斷點法劃分出阻力值范圍,把岷江流域阻力等值線與生態(tài)廊道的交點確定為生態(tài)節(jié)點,最終得到重要節(jié)點28個,一般節(jié)點89個。從空間上看,廊道沿岷江流域的狹長走勢,呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)集中分布在岷江上、下游段,由于上游段和下游段涉及重要保護區(qū)、重要林地以及重要生境,以此為基礎(chǔ)形成了如三大海山,王朗保護區(qū),達古冰川等以山地為主的陸生廊道以及重要的區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施通道。岷江流域生態(tài)節(jié)點集中分布在岷江上游,其中重要節(jié)點沿重要廊道集中分布在岷江上游段源地間緊湊溝谷、陡坡和高海拔區(qū)域,涉及黑水縣、汶川縣、理縣和汶川縣;一般節(jié)點主要沿著一般廊道分布在地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)區(qū),涉及松潘縣、黑水縣、汶川縣、理縣和汶川縣。

表1 岷江流域生態(tài)阻力因子等級和權(quán)重Table 1 Ranking and weighting of ecological resistance factors in the Minjiang River Basin

圖7 廊道和節(jié)點分布圖Fig.7 Corridor and node distribution map

3.3 生態(tài)安全格局評價

3.3.1生態(tài)安全格局

本文采用最小累積阻力模型(MCR)生成岷江流域綜合阻力面,并利用分位數(shù)法將阻力面劃分為高度生態(tài)安全、較高生態(tài)安全、中等生態(tài)安全、較低生態(tài)安全、低度生態(tài)安全5個安全等級[33]。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合對岷江流域生態(tài)重要性、生態(tài)源地、生態(tài)廊道、節(jié)點的提取,刻畫綜合生態(tài)安全格局并開展評價(圖8)。

圖8 岷江流域綜合生態(tài)安全格局Fig.8 Minjiang River Basin Integrated Ecological Security Pattern

具體來看,較高生態(tài)安全和高生態(tài)安全的面積為36737.88km2,占研究區(qū)面積的55.02%,說明岷江流域總體的生態(tài)安全較好。其中高安全和較高安全區(qū)主要分布在岷江流域上游和下游段的重要林地、國家級自然保護區(qū)和重要生境周圍,包括理縣、茂縣和汶川縣等44個區(qū)(縣)。高安全生態(tài)安全區(qū)域,廊道連通性強,源地生境質(zhì)量高,形成了具有良好的生態(tài)安全空間網(wǎng)絡(luò)格局。較高生態(tài)安全區(qū)多數(shù)位于山地丘陵和盆地的緩坡過渡帶上,總體海拔較低,坡度較緩,植被覆蓋度較高,是生態(tài)環(huán)境過渡到人類活動的邊緣區(qū)域;其次,中等生態(tài)安全的面積為16067.46km2,占研究區(qū)面積的24.06%,主要分布在岷江流域山地丘陵下方的河谷和溝谷經(jīng)濟帶,包含都江堰市、邛崍市、新津縣和大邑縣等43個區(qū)(縣)。由于地勢平坦,土壤肥沃,降水充足,人類活動更為頻繁,多數(shù)為耕地區(qū)域和人工林地經(jīng)濟區(qū),但總體生態(tài)安全維持在相對穩(wěn)定狀態(tài);最后,較低生態(tài)安全和低度生態(tài)安全的總面積為13965.19km2,占研究區(qū)面積的20.91%,主要集中在岷江流域上游段的高海拔、坡度陡且生態(tài)環(huán)境脆弱的區(qū)域和中游段的盆地區(qū)域,包括崇州市、洪雅縣、敘州區(qū)、青神縣和沐川縣等43個區(qū)(縣)。上游段部分區(qū)域主要是受自然因素的影響,土層較薄,土壤質(zhì)地疏松,多以礫巖為主,夏季常有滑坡泥石流的現(xiàn)象,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較低,生態(tài)安全不穩(wěn)定。中游盆地區(qū)域是建設(shè)用地集中區(qū),人類活動頻繁,林地面積少,景觀破碎化嚴重,水體污染形勢嚴峻,生態(tài)系統(tǒng)完整性受損,生態(tài)安全水平較低。

綜上所述,岷江流域上游大部分區(qū)域由于人跡罕至,主要生態(tài)系統(tǒng)為森林和草地,總體處于較高和高度生態(tài)安全,但個別區(qū)域受地形起伏和海拔高度等自然因素影響,生態(tài)安全受到威脅,使得該區(qū)域處于較低生態(tài)安全區(qū),總體承載力呈現(xiàn)西南高-東北低。此研究結(jié)果與李剛[24]等對于岷江上游生態(tài)資源承載力進行評價,得出的上游總體承載力呈東高西低的結(jié)果有較強一致性。岷江中游由于城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴展,人類活動的加劇,總體的安全處于較低生態(tài)安全。岷江下游大部分屬于平原丘陵區(qū),近年來,隨著河道和環(huán)境修復等相關(guān)政策的推行,生境質(zhì)量有很大提升,總體處于較高和高度生態(tài)安全,生態(tài)承載力較高,該結(jié)果與李婷[22]等基于岷江全域,開展生態(tài)質(zhì)量變化特征分析,得出的下游生態(tài)質(zhì)量顯著提高的結(jié)論基本一致,給予了本文評價結(jié)果一定的科學性和可靠性。

3.3.2生態(tài)修復與優(yōu)化

本文基于岷江流域的生態(tài)安全格局空間特征,劃分為岷江上游山林生態(tài)保護區(qū)、岷江上游重點生態(tài)修復區(qū)、岷江中游生態(tài)管控區(qū)、岷江下游重要生態(tài)保育區(qū)、廊道節(jié)點修復帶、生態(tài)廊道建設(shè)帶,形成“四區(qū)兩帶”的生態(tài)安全保護格局(圖9)。在此基礎(chǔ)上,針對區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境變化情況,本著問題導向的原則,重點解決了岷江上游生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)修復、岷江中游源地和水環(huán)境恢復以及岷江下游供水需求和航道建設(shè)等問題,提出可落實于空間地域的綜合解決措施及策略(圖10)。

圖9 生態(tài)安全保護格局與生態(tài)屬性Fig.9 Ecological Conservation Patterns and Ecological Properties

岷江上游山林生態(tài)保護區(qū)主要位于松潘縣,總體處于高度生態(tài)安全,阻力值低,目前受人為干擾程度小,總體生境質(zhì)量高,對整個岷江流域起到了涵養(yǎng)水源的作用,但該區(qū)域深受自然環(huán)境的約束如夏季風帶來的強降水影響以及泥石流等地質(zhì)災(zāi)害,對生態(tài)安全質(zhì)量造成了威脅。基于此,該區(qū)域應(yīng)繼續(xù)減少人為活動,實施林地保護與水源涵養(yǎng)工作,重點開展防洪工程建設(shè),減少特大暴雨對生境資源的破壞;

岷江上游重點生態(tài)修復區(qū)主要涉及理縣、汶川縣、茂縣和黑水縣,該區(qū)域源地、廊道和節(jié)點分布密集,地形復雜多樣,以高山峽谷為主且位于大地震帶-南北地震帶上,目前主要受到人為活動和自然災(zāi)害兩大因素的威脅,其中人類活動主要是上游水利工程建設(shè)過多,導致長期濕潤狀況下發(fā)生地質(zhì)疏松, 土壤穩(wěn)固能力低,對中下游水環(huán)境造成了影響,但該區(qū)不規(guī)律地震疊加滑坡、泥石流等山地災(zāi)害是造成該區(qū)域生態(tài)脆弱性加劇的主要原因。鑒于此,該區(qū)域應(yīng)減少多余水利工程項目,做到改善水環(huán)境的同時緩解下游供水壓力;在源地修復上,應(yīng)以自然恢復為主,提升源地生態(tài)價值;對災(zāi)害頻發(fā)區(qū)的居民可實施必要的易地搬遷政策,而對居民聚居點應(yīng)因地制宜開展退耕還林工程,建設(shè)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)點的預警系統(tǒng),完善災(zāi)害防治應(yīng)急預案。

岷江中游生態(tài)管控區(qū)內(nèi)建設(shè)用地呈現(xiàn)出規(guī)模集聚效應(yīng),人口及交通路網(wǎng)分布密集,主要涉及郫都區(qū)、崇州市和新津縣等19個區(qū)(縣),該區(qū)總體阻力值較大,生境質(zhì)量較低且處于低度生態(tài)安全區(qū),目前,長期受人類影響,衍生出了光污染和水污染等一系列環(huán)境問題,對岷江流域的生境質(zhì)量造成很大的破壞。因此,該區(qū)域應(yīng)該加強人口分流工作,出臺相關(guān)政治來控制建設(shè)用地擴張速度,著力改善受污染水體,建立水污染事件應(yīng)急處理預案,以此來維護岷江水環(huán)境質(zhì)量。

岷江下游重要生態(tài)保育區(qū)是四川省糧食主產(chǎn)區(qū)和供水區(qū),主要涉及美姑縣、雷波縣和屏山縣等15個區(qū)(縣),分布著岷江流域重要源地和重要廊道,阻力值較低,總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量維持在穩(wěn)定狀態(tài)且位于較高和高度生態(tài)安全區(qū),但隨著上中游段水利工程的建設(shè),下游供水壓力有所增長,導致該區(qū)域耕地質(zhì)量下降,水環(huán)境安全受損。因此,對于該區(qū)應(yīng)抓高標準農(nóng)田建設(shè),采用科學的手段如灌溉網(wǎng)建設(shè),著力改善耕地環(huán)境質(zhì)量,而對供水壓力應(yīng)適當開發(fā)不可用水,優(yōu)化配置環(huán)境需水量,緩解水環(huán)境壓力。

生態(tài)源地廊道建設(shè)帶是連接中下游的生態(tài)通道,以岷江中下游安全格局組分缺失為基礎(chǔ),并結(jié)合中下游重要水運航道而構(gòu)建,但隨著中下游人口密度增加以及城鎮(zhèn)用地擴張,目前“汶川縣-仁壽縣-屏山縣”一帶廊道源地缺乏,運輸通道上的林地、草地等自然資源遭到破壞,造成源地和廊道破碎化的現(xiàn)象。鑒于此,對該區(qū)域應(yīng)在尊重流域自然規(guī)律的前提下,開展以航道整治為主,源地廊道構(gòu)建為輔的工作,根據(jù)航道環(huán)境狀況,定時開展生態(tài)評估與源地修復工作,保證經(jīng)濟價值的同時提升航道的生態(tài)價值。

廊道節(jié)點修復帶主要包括理縣、汶川縣、黑水縣和茂縣,位于中高山陡崖區(qū),地勢起伏大。其重要節(jié)點和重要廊道數(shù)量多且分布密集,常年受地震、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的影響,阻力值較高且處于較低生態(tài)安全,生態(tài)敏感性和脆弱性強。因此,該區(qū)域應(yīng)根據(jù)海拔和自然資源特征,因地制宜開展立體生態(tài)修復模式,加強對地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)區(qū)、生態(tài)高敏感區(qū)以及生境質(zhì)量高值區(qū)的監(jiān)管。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

評價流域生態(tài)安全格局對于緩解流域內(nèi)人為過度干擾,增加源地面積以及提高流域整體生境質(zhì)量有著重要意義。根據(jù)岷江流域生態(tài)變化的情況,在順應(yīng)流域自然規(guī)律的同時,積極開展了以生態(tài)恢復為主,人工干預為輔的生態(tài)修復工作,此舉更符合生態(tài)文明建設(shè)理念。在生態(tài)安全修復方面國外學者Sylvain[13]等對源地恢復工作展開積極探討,著力解決人類干擾區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復問題,得出的分區(qū)修復策略與本文相似。在流域劃定分區(qū)和調(diào)控方面國內(nèi)學者王雪然[34]和潘竟虎[35]等分別就流域分區(qū)劃定和流域區(qū)域調(diào)控,得出的結(jié)論與本文區(qū)域劃定和調(diào)控意見基本一致。另外,相較于岷江流域已有的研究結(jié)果,多數(shù)學者集中在岷江上游段的生態(tài)脆弱區(qū)域進行研究,從尺度上忽略了對岷江全域的探討,從內(nèi)容上看側(cè)重于對岷江上游段單一敏感性研究,缺乏對流域整體生態(tài)重要性保護的探討。而本文以生態(tài)重要性分析為基礎(chǔ),從全域視角切入,將綜合成本面劃分成5個安全等級,結(jié)合安全等級和安全格局提出了“四區(qū)兩帶”的生態(tài)保護格局,并根據(jù)分區(qū)提出相應(yīng)的保護和修復建議,實現(xiàn)岷江流域總體生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定。

岷江流域位于我國第一、二級階梯的交界地區(qū),地勢落差大。流經(jīng)的地形區(qū)復雜多樣,兼具山地、平原和丘陵,在受土壤侵蝕的影響同時水文因素和徑流因子一定程度上也會對該區(qū)域水土流失造成影響。但本文研究范圍為岷江流域全域,以縣域為單元統(tǒng)計數(shù)據(jù),水文和徑流實際觀測數(shù)據(jù)較難收集,未來應(yīng)進一步分析研究水文與徑流因素,探討其變化對岷江流域生態(tài)景觀和生態(tài)安全的影響。本文僅從空間尺度對流域進行安全格局構(gòu)建和調(diào)控,而生態(tài)安全體系的構(gòu)建和優(yōu)化是一個長時段和系統(tǒng)性的問題,且時間應(yīng)該至少維持10年一個間隔才能進一步分析安全格局景觀變化情況,后續(xù)研究還應(yīng)以時間段為依據(jù),結(jié)合空間尺度開展流域環(huán)境變化特征分析。由于數(shù)據(jù)可獲取性和方法限制,道路數(shù)據(jù)本文中只提取了高速和省道,對下一級如縣道、鄉(xiāng)道以及農(nóng)村道路未進行考慮,而這些因子在不僅在現(xiàn)實中會影響物種遷徙,同時對阻力值細化和賦值的準確性上也存在一定的影響。后續(xù)研究應(yīng)該細化阻力因子,并從多源和模擬的角度對安全格局體系進行分析,展現(xiàn)生態(tài)空間的時間總序列變化情況,進一步把握生態(tài)安全格局的全過程演變,明晰研究區(qū)域未來的發(fā)展方向,進而實現(xiàn)對岷江流域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化管控。

4.2 結(jié)論

(1)岷江流域生態(tài)安全空間差異顯著,但總體格局處于安全范圍。較高生態(tài)安全和高生態(tài)安全的面積為36737.88km2,占研究區(qū)面積的55.02%,;中等生態(tài)安全的面積16067.46km2,占研究區(qū)面積的24.06%,;較低生態(tài)安全和低度生態(tài)安全的總面積為13965.19km2,占研究區(qū)面積的20.91%。

(2)本文識別生態(tài)源地20塊,總面積為818.32km2,呈斑塊狀分布在上游和下游段,涉及地區(qū)包括松潘縣、黑水縣和峨邊彝族自治縣等11個縣,涉及地類以林地和草地為主,耕地和水域較少;提取190條生態(tài)廊道和117個生態(tài)節(jié)點。生態(tài)廊道總長度為19633.96km,其中重要廊道41條,一般廊道149條。重要廊道主要集中在上游和下游段,一般廊道貫穿岷江流域,連接各源地,包括松潘縣、黑水縣、茂縣和雷波縣等30個區(qū)(縣)。生態(tài)節(jié)點主要集中分布在岷江流域上游段,該區(qū)域生態(tài)脆弱性強。

(3)評價了岷江流域“四區(qū)兩帶”的生態(tài)保護格局,包括岷江上游山林生態(tài)保護區(qū)、岷江上游重點生態(tài)修復區(qū)、岷江中游生態(tài)管控區(qū)、岷江下游重要生態(tài)保育區(qū)、廊道節(jié)點修復帶以及生態(tài)廊道建設(shè)帶?？傮w來看,岷江流域的生態(tài)環(huán)境總體處于較高和高安全水平,但局部區(qū)域仍然存在安全隱患,重點需要關(guān)注黑水縣、松潘縣、理縣、汶川縣和茂縣,需加強該類脆弱地區(qū)安全修復和生態(tài)保護,實現(xiàn)區(qū)域因地制宜維護。