洞庭湖流域生態(tài)安全格局構建與修復分區(qū)識別

關鍵詞：生態(tài)安全格局；生態(tài)修復分區(qū)；洞庭湖流域；InVEST 模型；MSPA 模型

中圖分類號：F301.24；P901 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1329（2024）04-0141-07

黨的十八大以來，生態(tài)文明建設一直被視為關系中華民族永續(xù)發(fā)展的根本大計[1]，從理論到實踐都發(fā)生了變化，美麗中國建設邁出重大步伐。作為生態(tài)環(huán)境問題催生的新興研究領域，生態(tài)安全格局構建既能促進生態(tài)系統(tǒng)的維護和修復工作，又可以保證生態(tài)系統(tǒng)的健康與穩(wěn)定[2]，為地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供支撐。基于此，國內學者對生態(tài)安全格局進行大量研究[3-6]，有利于制定科學、合理的區(qū)域劃分方案，以及增強生態(tài)修復的目標性。

與生態(tài)安全格局相關研究中生態(tài)源地通常直接選取大面積的草地、森林和流域，但該方法受到人為干擾較大，且未考慮環(huán)境異質性[7-8]及景觀連通性。而InVEST模型和MSPA模型[9]結合選取生態(tài)源地可規(guī)避上述問題。生態(tài)阻力面準確地描繪空間景觀的異質性如何影響生態(tài)流動運動，根據(jù)影響生物擴散的因素確定不同的基礎阻力面和相應的阻力值[10]。相較于蟻群算法、電路理論模型等，MCR模型模擬異質性景觀元素對生態(tài)流動的擾動，并找出最小的代價途徑[11-12]。已有研究主要關注行政邊界，生態(tài)安全問題的出現(xiàn)和演變并不僅僅局限于行政界限之內[13-15]，還應在更大的自然地理尺度上對其進行綜合考量[16]。

洞庭湖流域作為國家級重要發(fā)展片區(qū)，對于國家糧食安全和生態(tài)環(huán)境安全具有至關重要的影響，其生態(tài)戰(zhàn)略地位突出，確保和保護該流域的生態(tài)安全尤為關鍵。本文以洞庭湖流域為研究對象，結合InVEST模型和MSPA模型（同時考慮生境的質量和斑塊的連接性）確定洞庭湖流域的生態(tài)源地，提取流域內可能存在的生態(tài)廊道和節(jié)點；識別區(qū)域生態(tài)保護和修復分區(qū)，為流域及其相似地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供有力支撐。

1研究方法

1.1研究區(qū)概況

洞庭湖流域介于N24°38′～30°24′、E107°16′～114°16′114°15′，總面積約為26.13×106hm²，湖南省境內占流域總面積的80.61%[17]。洞庭湖是一個典型的濕熱大陸性季風氣候區(qū)，具有夏熱冬冷以及春秋季多雨的特點。流域主要土地利用類型為耕地和林地[18]，農業(yè)生產基礎雄厚，流域耕地面積占全國1.41%，其水田面積占全國4.70%；林地面積占全國5.31%，水資源總量占全國水資源7.70%[19]。

1.2數(shù)據(jù)來源

研究的數(shù)據(jù)來源參見表1。

1.3研究方法

1.3.1生態(tài)源地識別

InVEST模型中的生境質量模塊能夠對區(qū)域內的棲息地質量進行量化評估[20]，并通過分析斑塊的功能特性準確確定棲息地的具體位置；形態(tài)學空間格局分析（MSPA）能識別出七種具有連通性的景觀類型[21-22]，本研究采用InVEST模型與MSPA分析相結合的方法，參考相關文獻并考慮研究區(qū)實際情況[23-24]設定參數(shù)，公式為：

1.3.2阻力面模型構建

結合洞庭湖流域實際情況，并參考相關文獻研究[25-26]選取5個阻力因子，土地利用類型與源地越接近，地形越平坦，植被覆蓋度越高，越有利于物種交流與源地擴散，其阻力值越?。灰归g燈光指數(shù)反映一個區(qū)域內夜間人類活動情況及城市發(fā)展水平，指數(shù)越大，說明人類活動活躍，不利于源地的擴散，其阻力值也越高。在ArcGIS10.2中采用自然斷點法將阻力等級分為1～5五個級別，1代表阻力最小，5代表阻力最大。熵權法確定各阻力因子權重，各阻力因子賦值及權重見表2。

1.3.3生態(tài)廊道提取

生態(tài)廊道是物種間信息交流紐帶[27]，承擔著物種遷徙、繁衍、防風、過濾、防護、隔離等基本功能。

（1）MCR模型

最小累計阻力是用于描述和預測物體或個體在空間中運動的模型，在最小累積阻力模型中，運動物體會選擇一條路徑，該路徑將導致它在其移動過程中所受到的累積阻力最小化。MCR模型被應用于生成最小成本路徑，即將景觀層面上的最小成本路徑看作廊道。計算公式為：

1.3.4生態(tài)節(jié)點識別

生態(tài)節(jié)點是景觀基質中對生物擴散和遷移具有重要影響的位置[28]，本研究主要指生態(tài)斷裂點。對生態(tài)阻力面反向賦值得到最高成本路徑，選取最高成本路徑與最低成本路徑的交點[31]作為流域潛在生態(tài)自然間斷節(jié)點。盡管交通設施為經濟網絡的擴展提供動力，但同時也會阻礙生態(tài)流。因此選擇鐵路、國道和最低成本路徑交匯的區(qū)域作為潛在的生態(tài)間斷節(jié)點。

2結果與分析

2.1生態(tài)安全格局構建結果

2.1.1生態(tài)源地識別結果

洞庭湖流域的生境質量在空間上呈現(xiàn)顯著的差異性（圖2），整體上西南部較高，東北部較低，而湖泊和山區(qū)則相對較高，丘陵地帶則相對較低。洞庭湖湖區(qū)以及研究區(qū)的西南部和東部是高值區(qū)的主要分布區(qū)域；而低值區(qū)在研究區(qū)中部呈條帶狀分布，受地形和氣候等自然因素的影響；黔東南苗族侗族自治州和邵陽市位于西南部，海拔相對較高，生境質量指數(shù)相對較高；研究區(qū)東北、中部社會經濟活動活躍，生境質量低。

MSPA分析得出核心區(qū)總面積為140764.31km²，占研究區(qū)總面積的53.76%（表3），主要分布于研究區(qū)東部和西北部；結合生境質量分析結果共選出10處生態(tài)源地（圖2），面積24581.96km²，以大面積不規(guī)則斑塊為主，林地是源地主要用地類型，面積達97%。

2.1.2阻力面模型構建結果

當生境質量指數(shù)越大、夜間燈光數(shù)據(jù)值越小、植被覆蓋度越高、地形越平坦，生態(tài)源地的交流與擴展進行得越順利，按照表2將各阻力因子指標值加權綜合得到洞庭湖流域綜合阻力面（圖3）。阻力值較大的區(qū)域主要在中部的長沙市、湘潭市、株洲市、衡陽市、邵陽市、婁底市以及西北部的黔東南苗族侗族自治州，中部多為建設用地，西北部海拔相對較高；阻力值較低的區(qū)域呈條狀環(huán)繞阻力值高的區(qū)域分布，土地利用類型多為林地、草地等生態(tài)用地，地形平緩。

2.1.3生態(tài)廊道提取結果

本研究共識別出洞庭湖流域潛在生態(tài)廊道共計59條，總長7001.85km（圖4）?；谠吹亻g相互作用，判斷源地間廊道重要性級別，將源地間重力值大于12作為一級生態(tài)廊道，9～12為二級廊道，小于9為三級廊道（表4，表中1～10代表10處生態(tài)源地）。一級生態(tài)廊道8條，總長1464.76km，占比19.4%，自東南往西北延伸，經過郴州、永州、株洲、衡陽、長沙等市，主要分布在流域東南部。二級生態(tài)廊道8條，總長832.57km，占比11.03%，經過黔東南苗族侗族自治州、懷化市、永州市、桂林市。三級生態(tài)廊道43條，廊道總長4704.52km，占比69.57%，集中分布在流域中部。研究區(qū)東北角沒有廊道，一則因為城市內人為活動強烈，對自然因素有強烈的擾動；二則沒有生態(tài)源地作為廊道擴展的依據(jù)，因此穿越人為干擾最少的西部自治州，尤其銅仁市、永州市和株洲市周邊的多條廊道，更有利于生態(tài)源地的順暢流動。

2.1.4生態(tài)節(jié)點識別結果

本研究將鐵路、國道和廊道交匯的87處區(qū)域確定為生態(tài)間斷節(jié)點，其中京廣和滬昆鐵路與廊道產生的生態(tài)間斷節(jié)點數(shù)量最多，高達39處；與國道產生生態(tài)間斷節(jié)點38處，主要集中于益陽市、湘潭市以及湘西苗族土家族自治州。識別生態(tài)自然間斷節(jié)點48處，主要分布于黔東南苗族侗族自治州和郴州市，靠近源地、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。據(jù)其周邊景觀要素的類別，將其劃分為“綠地型”、“河流型”及“道路”三大類。

2.2生態(tài)修復分區(qū)及優(yōu)化

2.2.1生態(tài)修復分區(qū)

綜合考量研究區(qū)生態(tài)基礎、自然保護區(qū)的具體位置以及各種生態(tài)安全構成要素的分布（圖3、圖4），本文提出洞庭湖流域生態(tài)保護與修復新格局，即“一軸、三核、一網絡、多片區(qū)（圖5）”。

“一軸”為洞庭湖流域生態(tài)保護和修復發(fā)展軸。該軸以北生態(tài)源地數(shù)量較少、生態(tài)廊道幾乎沒有，并且多為城鎮(zhèn)，生態(tài)修復可行性相對較低。因此，該地區(qū)的生態(tài)保護十分重要，劃分為北部平原修復保護區(qū)。該軸以南生態(tài)網絡分布復雜，多條廊道交錯分布，同時本文所有生態(tài)節(jié)點分布于此，為最大限度防止對廊道完整性和區(qū)域連通性的破壞，需要對斷裂點進行修復，劃分為南部丘陵修復區(qū)。

“三核”為3個生態(tài)保護與修復核心。北部是張家界大鯢國家級自然保護區(qū)，境內地形起伏，主要保護動物為大鯢，確定為北部生態(tài)保護與修復核心。南部為舜皇山國家級自然保護區(qū)和九嶷山國家級自然保護區(qū)，境內野生動植物種類繁多，確定為兩大生態(tài)保護與修復核心。

“一網絡”為橫縱交錯的廊道網絡。廊道多分布于東西兩側，其中一級廊道貫穿永州、株洲、衡陽等市，二級廊道自西南往東北方向延伸，一二級廊道在研究區(qū)中部交匯并串聯(lián)各個源地構建關鍵區(qū)域廊道網絡。

“多片區(qū)”為9個生態(tài)保護與修復的區(qū)域。北部的張家界大鯢國家級自然保護區(qū)以及南部的舜皇山、九嶷山國家級自然保護區(qū)三處為本研究的生態(tài)保護核心區(qū)域;北部洞庭湖區(qū)自然資源豐富，同時能生態(tài)修復、防洪、補水，將其劃分為湖泊濕地修復區(qū)，其余軸北區(qū)參考生態(tài)功能區(qū)劃方案劃分為生態(tài)保護關鍵區(qū)和生態(tài)保育發(fā)展區(qū)；南部丘陵修復區(qū)作為生態(tài)平衡的過渡點，眾多生態(tài)安全的關鍵構成因素交織于此，劃定為生態(tài)保質提升區(qū)和生態(tài)保育修復區(qū)，其余軸南區(qū)在生態(tài)功能區(qū)劃方案中作為水源涵養(yǎng)，將其劃分為生態(tài)保護關鍵區(qū)。

2.2.2生態(tài)保護與修復策略

北部平原保護修復區(qū)：對該區(qū)域的生態(tài)保護核心區(qū)應當高度重視自然保護區(qū)內的生物多樣性維護以及旅游業(yè)發(fā)展與管理，針對區(qū)域非法采砂和違規(guī)水電項目進行整改，修復生態(tài)棲息地，重點保護大鯢保護區(qū)。對生態(tài)保護關鍵區(qū)，重點保護水源地和生物多樣性，與境內大圍山國家森林公園攜手進行生態(tài)功能的保護。對生態(tài)保育發(fā)展區(qū)實施區(qū)域生態(tài)保護措施時，必須充分考慮到各種限制性因素，根據(jù)實際情況指導相應區(qū)域的封育和人工培植等措施的實施。對湖泊濕地修復區(qū)，加快修復淤積河湖清淤，增強洞庭湖調蓄功能，改善通航條件。

南部丘陵修復區(qū)：對該區(qū)域的生態(tài)保護核心區(qū)，注重保護與開發(fā)相結合，進行造林綠化和封山育林管理，確保森林資源的增量和質量，開發(fā)森林生態(tài)旅游和水能資源；對生態(tài)保護關鍵區(qū)加快人工林種植速度，提升土壤保持能力，改善區(qū)域內廊道間斷問題；生態(tài)保質提升區(qū)需維護基本農田、避免鹽堿化并重視生態(tài)斷點的修復，需要詳細評估當前通道的實用性和節(jié)點修復的可能性；對生態(tài)保育發(fā)展區(qū)，需要加大對森林的保護力度，加強對森林的管理，并對森林結構進行調整和優(yōu)化，提升生態(tài)公共服務能力。

3結論與討論

3.1結論

本文以洞庭湖流域為研究區(qū)，綜合運用生境質量模型、形態(tài)學空間格局分析、最小累計阻力模型及景觀生態(tài)學理論相關方法，構建洞庭湖流域生態(tài)安全格局，提出各分區(qū)保護和修復策略，得出以下結論：

（1）洞庭湖流域的生境質量空間分布差異顯著，整體上西南部較高，東北部較低，東北部經濟活動活躍，生境質量受人類因素干擾大，而西南部海拔、夜間燈光等阻力值都比較低，經濟相對不發(fā)達，生境質量指數(shù)也較高；生態(tài)源地的總面積為24581.96km²，源地選取以大面積不規(guī)則斑塊為主，大部分源地土地利用類型為林地。

（2）本文共提取生態(tài)廊道59條，總長度7001.85km，一級廊道占比占比19.4%，二級廊道占比11.03%，一二級廊道主要分布于研究區(qū)中部，其中短距離廊道比較多，研究區(qū)的南部和中部地帶尤為集中；共識別出135處生態(tài)節(jié)點，生態(tài)間斷節(jié)點87處，以京廣和滬昆鐵路與廊道產生的生態(tài)間斷節(jié)點最多，達39處；生態(tài)自然間斷節(jié)點48處，多分布于生態(tài)源地附近，生態(tài)系統(tǒng)比較穩(wěn)定。

（3）本研究為洞庭湖流域提出“一軸、三核、一網絡、多片區(qū)”的生態(tài)保護和修復策略。北部平原保護修復區(qū)生態(tài)源地和生態(tài)廊道數(shù)量少，并且受人類活動影響，生態(tài)修復可行性相對較低，側重于區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護；南部丘陵平原修復區(qū)生態(tài)網絡分布復雜，廊道交錯分布，在進行保護的同時，強調結合生物和工程手段，重視生態(tài)節(jié)點的修復。最后，對各修復分區(qū)提出針對性保護和修復策略。

3.2討論

本研究在采用InVEST模型的基礎上，疊加MSPA模型，將InVEST模型得出的生境質量指數(shù)大于0.8、并且植被覆蓋指數(shù)高的區(qū)域作為MSPA模型前景再次篩選，在考慮景觀斑塊的生態(tài)特性同時，進行全面的評估，從而使源地的選取更為合理。結果表明，本文所選取的源地與歷史上已確立的保護區(qū)和源地高度重疊，能有效地降低后期施工費用。在構建阻力面時選取生境質量、土地利用類型、夜間燈光指數(shù)、高程、歸一化植被指數(shù)5個阻力因子，熵權法確定因子權重，權重值更為客觀。研究使用最小累計阻力模型提取生態(tài)廊道，該模型能模擬異質性景觀元素對生態(tài)流動的擾動，并找出最小的代價途徑，即最小成本路徑，在此基礎上結合重力模型對廊道進行分級，確定廊道重要性級別。提取生態(tài)節(jié)點時，研究考慮現(xiàn)實因素和自然因素，交通線路與最小成本路徑交匯處作為生態(tài)間斷節(jié)點，最小成本路徑與最大成本路徑相交點生態(tài)自然間斷節(jié)點。

研究使用的方法技術和已有結果將為洞庭湖流域景觀格局的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)，為洞庭湖的生態(tài)環(huán)境整體進步提供科學的支撐。但下列限制依然存在：一是對洞庭湖流域阻力面構建因子選擇只考慮自然因素，而沒有選取社會經濟因素，人類活動也會干擾生態(tài)安全格局構建，后續(xù)研究應該考慮更多因素構建阻力面；二是沒有將流域生態(tài)安全網絡作為一個整體來看，其對策仍然是概括性的，還有待于多個部門共同努力；最后，論文以某一時段為研究對象，對其進行系統(tǒng)的分析，但是，由于景觀元素是在不斷變動的。因此，要根據(jù)實際情況對其進行適當調整，并分層次逐步落實。

（責任編輯：龔士良）