基于ERA 和MCR 模型的生態(tài)安全格局構(gòu)建
——以陜西沿黃地區(qū)為例

劉瑞寬,楊林朋,李同昇*,朱炳臣,李炬霖 (.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 7027；2.西北大學(xué),陜西省情研究院,陜西 西安 7027)

在快速的城鎮(zhèn)化進(jìn)程中,土地利用方式發(fā)生了巨大的變化,隨之而來的人為干擾與自然災(zāi)害深刻影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和格局,對區(qū)域生態(tài)安全和景觀格局的脅迫作用不可小覷[1],諸如生境斑塊的破碎化、島嶼化,生物遷徙的廊道被阻礙、侵占等生態(tài)系統(tǒng)問題,使城鄉(xiāng)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展受到負(fù)面影響[2].陜西沿黃地區(qū)地處西北干旱半干旱地區(qū),生態(tài)系統(tǒng)脆弱,綜合評價生態(tài)風(fēng)險等級并構(gòu)建生態(tài)安全格局有利于增強該區(qū)域抵御生態(tài)風(fēng)險能力,與促進(jìn)黃河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略相得益彰.

生態(tài)風(fēng)險(ER)[3],包括生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部某種因素或整體的健康、生產(chǎn)力、遺傳結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟價值和美學(xué)價值的減少[4],具有不確定性、危害性、客觀性、復(fù)雜性、動態(tài)性等特點[5].針對生態(tài)風(fēng)險評價(ERA),目前已有較為成熟的研究方法,如因果分析法、生態(tài)等級風(fēng)險評價法、相對風(fēng)險評價模型、景觀分析法等,相關(guān)概念包括風(fēng)險源、受體、生態(tài)終點[6].近年來,生態(tài)風(fēng)險評價在學(xué)術(shù)界的熱度不斷升高,研究領(lǐng)域擴展到海岸生態(tài)系統(tǒng)、水域、流域等,評價指標(biāo)體系從單一因子轉(zhuǎn)向多因子[7].區(qū)域生態(tài)風(fēng)險評價有助于維系生態(tài)系統(tǒng)完整性和健康,為構(gòu)建生態(tài)安全格局提供支持.

生態(tài)安全格局是溝通生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和人類社會發(fā)展的橋梁,對維持生態(tài)源、生態(tài)廊道、生態(tài)節(jié)點等生態(tài)過程具有重要作用[8].其構(gòu)建過程需綜合考慮生態(tài)過程和景觀模式之間的相互作用[9],形態(tài)學(xué)空間格局分析(MSPA)、最小累計阻力模型(MCR)及重力模型是較為常見的方法[10-11],“識別生態(tài)源地—構(gòu)建綜合阻力面—提取生態(tài)廊道”已成為構(gòu)建生態(tài)安全格局的經(jīng)典范式[12].已有研究直接將自然保護(hù)區(qū)、森林公園等視為生態(tài)源地[13],或采用指標(biāo)體系測算[14],亦或通過MSPA[11]與景觀連通性指數(shù)相結(jié)合[15];基于動物的遷移特性[16]、土地利用類型、人類活動和需求等因素構(gòu)建阻力面[17];利用MCR 模型、電路理論模型、圖論法等[18]識別生態(tài)廊道.隨著研究的深入,生態(tài)紅線[19]、生態(tài)風(fēng)險[20]等成為學(xué)者們關(guān)注的話題,基于供需視角[21],對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)體系、生境質(zhì)量進(jìn)行測算[22]之后完成生態(tài)安全格局的構(gòu)建評價與優(yōu)化[23].已有研究青睞于以不同尺度的行政區(qū)[14,24-25]或流域[26-28]為研究單元.近年來,三峽庫區(qū)[29]、雄安新區(qū)[30]、城市群[17]也成為生態(tài)安全研究的重要區(qū)域.結(jié)合黃河流域高質(zhì)量發(fā)展需求,學(xué)術(shù)界對寧夏沿黃城鎮(zhèn)帶[31]、黃河流域甘肅段[21]、陜西段[32]生態(tài)環(huán)境問題的關(guān)注度增加.

目前,已有研究多基于景觀格局指數(shù)評價區(qū)域生態(tài)風(fēng)險,在一定程度上忽視了區(qū)域內(nèi)自然和人為風(fēng)險源帶來的影響,且對區(qū)域內(nèi)長時間序列的景觀格局演變特征關(guān)注不足.陜西沿黃地區(qū)處于黃河流域關(guān)鍵地段,綜合評價其生態(tài)風(fēng)險對于了解區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況,改善人地關(guān)系至關(guān)重要[3],構(gòu)建合理的生態(tài)安全格局是增強區(qū)域生境斑塊聯(lián)系和保護(hù)生物多樣性的有效舉措,也是協(xié)調(diào)區(qū)域生態(tài)保護(hù)與社會經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)系.

本研究以陜西沿黃地區(qū)為案例區(qū),基于該區(qū)域自然和人文特征,對已有生態(tài)風(fēng)險指標(biāo)進(jìn)行修正,從生態(tài)本底和人為擾動兩方面構(gòu)建包含自然災(zāi)害風(fēng)險源和人為擾動風(fēng)險源的指標(biāo)體系,評估研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險等級;其次結(jié)合“源地—阻力面—廊道”的研究范式,利用MSPA 模型剖析2000 年?2010 年和2020 年3 個時期景觀格局變化特征,綜合考慮生態(tài)斑塊面積和連通性,識別出生態(tài)質(zhì)量好、連通性較高的斑塊作為生態(tài)源地,通過MCR 模型構(gòu)建綜合阻力面,通過重力模型提取重要廊道;最后,基于圖論法對生態(tài)安全格局進(jìn)行定量評價,結(jié)合生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果和生態(tài)安全格局對陜西沿黃地區(qū)提出針對性的區(qū)域生態(tài)保護(hù)對策和建議.通過探討沿黃地區(qū)的生態(tài)風(fēng)險和生態(tài)安全格局,豐富區(qū)域生態(tài)保護(hù)的研究成果,為黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供支撐.

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

陜西沿黃地區(qū)沿黃河干流分布,南北跨度大,南北長828.5km,包括13 個縣(市),沿黃觀光公路和高速公路將其南北貫通.總面積2.98 萬km2(圖1),占陜西省黃河流域面積的20.83%,是陜西省黃河流域生態(tài)治理的主戰(zhàn)場,也是脫貧攻堅的重點區(qū)域.該區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜、生態(tài)類型多樣、文化旅游資源豐富、生產(chǎn)生活活動密集;粗放的礦產(chǎn)資源開采方式使研究區(qū)出現(xiàn)采空區(qū)塌陷、河流季節(jié)性斷流等較為突出的生態(tài)問題,生態(tài)環(huán)境脆弱且敏感[33-34].陜西沿黃地區(qū)依托沿黃觀光公路和黃河西岸生態(tài)恢復(fù)治理工程建設(shè),積極打造集生態(tài)文明、特色城鎮(zhèn)化、文化旅游、區(qū)域合作為一體的沿黃生態(tài)城鎮(zhèn)帶,而沿黃城鎮(zhèn)帶的建設(shè)勢必會對生態(tài)環(huán)境造成影響.因此,評估陜西沿黃地區(qū)生態(tài)風(fēng)險等級,構(gòu)建生態(tài)安全格局,修復(fù)與提升沿線生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,對黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展具有支持作用,推進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展是亟需關(guān)注的重要命題.

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)、PM2.5數(shù)據(jù)、路網(wǎng)數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)、NDVI 數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù).氣象數(shù)據(jù)由相關(guān)評價因子計算得出,PM2.5數(shù)據(jù)來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://data.tpdc.ac.cn),路網(wǎng)數(shù)據(jù)源自O(shè)SM (https://www.openstreetmap.org);DEM 數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(https://www.gscloud.cn);坡度數(shù)據(jù)由DEM 數(shù)據(jù)生成;人口密度、GDP 密度和NDVI 數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/),土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.geodata.cn);底圖和水系數(shù)據(jù)來源于天地圖(https://www.tianditu.gov.cn/).

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)風(fēng)險評價 風(fēng)險源是指可能對生態(tài)系統(tǒng)造成不利影響的一種或多種風(fēng)險來源,包括自然災(zāi)害和人類活動兩大類[3].參考已有研究[4],結(jié)合陜西沿黃地區(qū)自然本底和人類活動兩方面,選取干旱、暴雨、洪水、水土流失、土地荒漠化、土壤鹽漬化共6 個因素為自然災(zāi)害風(fēng)險源的代表性指標(biāo).該區(qū)域是陜西省沿黃城鎮(zhèn)經(jīng)濟帶建設(shè)的重要區(qū)域,因而人類活動風(fēng)險源選取環(huán)境污染、人口因素和經(jīng)濟因素3 大類,包括PM2.5、人口密度和GDP 密度3 個代表性指標(biāo),計算公式和評價因子如表1 所示.

表1 生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)體系Table 1 Ecological risk assessment index system

1.3.2 MSPA 模型與景觀連通性 MSPA 模型是以土地利用類型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),基于空間形態(tài)和連通性角度,從像元層面識別研究區(qū)重要的生境斑塊和廊道等重要區(qū)域,該模型強調(diào)結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系,將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)重新分類為前景和背景二值數(shù)據(jù),采用系列的圖像處理方法將前景按照形態(tài)分為互不重疊的7 大類,從而提升生態(tài)源地選取的科學(xué)性和客觀性[13,35].經(jīng)過多種方法模擬實驗對比分析發(fā)現(xiàn),MSPA 模型更適合陜西沿黃地區(qū)景觀破碎、生態(tài)源地較為分散的研究.因此,通過MSPA 模型識別出7 類景觀(表2).

表2 基于MSPA 的景觀類型及生態(tài)學(xué)含義Table 2 Landscape types and ecological implications based on MSPA

景觀連通度指數(shù)對于衡量斑塊間連接程度、物質(zhì)能量交換和物種遷移具有重要參考價值[36].根據(jù)研究區(qū)內(nèi)生態(tài)源地分布情況以及生物多樣性現(xiàn)狀,設(shè)置連接性閾值和連通概率,識別出連通性較高的斑塊.基于MSPA 分析結(jié)果,計算景觀連通度,測度研究區(qū)內(nèi)生態(tài)斑塊的連通性水平,相關(guān)指數(shù)包括PC、IIC、DPC,分別代表可能連通性指數(shù)、整體連通性指數(shù)和斑塊重要性指數(shù).公式如下:

式中:i≠j;n為生態(tài)斑塊數(shù)量;ai和aj分別表示斑塊i和j的面積;nlij表示斑塊i和j之間的連接數(shù);A 代表景觀總面積;表示斑塊i和j之間所有路徑的最大乘積概率擴散的最大可能性.PC 和IIC 取值范圍均為[0,1],越接近于1,斑塊之間的連通性越高.removePC表示斑塊剔除后剩余斑塊的整體連通性指數(shù).dPC通過PC 的變化衡量各斑塊的重要程度.

1.3.3 綜合阻力面構(gòu)建 綜合阻力是指物種在遷移過程中受到各類景觀阻力大小的程度[10].景觀阻力面的設(shè)置受自然要素、環(huán)境變遷以及人類活動等多因素的影響.參考已有文獻(xiàn)和研究區(qū)實際情況,篩選出地形、地貌等自然要素及交通道路等人類活動要素構(gòu)建阻力面.其中,自然要素主要有高程、坡度、土地利用類型、距河流距離和NDVI 指數(shù),人類活動因素主要包括距主干道距離、距高速公路距離.根據(jù)熵權(quán)法和專家打分法賦阻力等級值[36-38],各阻力因子阻力分值為1,3,5,7,9,阻力值越大代表等級越高,詳見表3.

表3 不同類型的景觀阻力值及權(quán)重Table 3 Different types of landscape resistance values and weights

1.3.4 MCR 模型與重力模型 生態(tài)廊道,又稱生物廊道,在生態(tài)環(huán)境中呈線狀或帶狀分布,為物種的棲息、遷徙和交換提供重要通道.本文利用MCR 模型計算物種從源斑塊遷移至目標(biāo)斑塊的最小累積成本路徑,以反應(yīng)物種遷徙過程中需要消耗的成本,從而得知物種從源地遷徙到目的地的可能性.相較于傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,最小累計阻力模型能夠以快捷的方式提取最優(yōu)生態(tài)廊道,量化生物潛在運動趨勢與景觀格局變化之間的關(guān)系.公式如下:

式中:MCR 表示物種從生態(tài)源地到另一生態(tài)源地的最小累積成本;函數(shù)f反映最小累計阻力模型與變量;Dij表示物種從源點i到源點j的距離;Ri表示景觀i阻力值.

本文根據(jù)重力值判斷生態(tài)廊道的重要性程度.重力值越大代表生態(tài)源地間的相互作用力越大,進(jìn)而表示生態(tài)廊道越重要,公式如下:

式中:Gij代表源點i和j之間的相互作用力,即i-j廊道的重力值;Ni和Nj分別表示生態(tài)源斑塊i和j的權(quán)重值,由不同斑塊的阻力值(Pi、Pj)及面積(Si、Sj)獲取;Dij是從點i到j(luò)潛在廊道標(biāo)準(zhǔn)化累積阻力;Lij表示生態(tài)源斑塊i到j(luò)潛在廊道的累積阻力值,Lmax表示生態(tài)廊道中的最大累積阻力值.

1.3.5 圖論法 參考已有研究[39],將廊道與廊道之間的交點視作生態(tài)節(jié)點.基于圖論法評價生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[18].利用網(wǎng)絡(luò)閉合度、線點率、網(wǎng)絡(luò)連接度指數(shù)定量分析網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的閉合、復(fù)雜和連通程度[40].計算公式如下:

式中:L表示廊道數(shù)量;V表示節(jié)點數(shù)量;指數(shù)值域為[0,1],值越接近于1,網(wǎng)絡(luò)中閉合環(huán)路越多;指數(shù)值域[0,3],值越接近于3,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜;指數(shù)值域[0,1],值越接近于1,網(wǎng)絡(luò)連通率越高.

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)風(fēng)險等級評價

將生態(tài)風(fēng)險源等權(quán)疊加得出綜合生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果,并通過自然間斷點法將結(jié)果劃分為低?中、高3 個等級.由圖2 可知,陜西沿黃地區(qū)生態(tài)風(fēng)險存在顯著的空間差異,低風(fēng)險區(qū)主要分布在研究區(qū)北部和南部,該區(qū)域地形起伏度相對較小,植被覆蓋率較高,受人口和經(jīng)濟因素干擾的影響較小,因而生態(tài)風(fēng)險值較低.高風(fēng)險區(qū)主要分布在研究區(qū)中部,該區(qū)域地形起伏度和坡度較大,且受到人為活動干擾較大,水土流失嚴(yán)重,生態(tài)風(fēng)險較高.

圖2 綜合生態(tài)風(fēng)險等級Fig.2 Ranking of integrated ecological risks

2.2 生態(tài)安全格局構(gòu)建

2.2.1 重要生態(tài)源地識別 基于土地利用數(shù)據(jù),將林地、灌叢、草地和水域等生態(tài)服務(wù)價值較高的景觀作為生態(tài)用地,其他用地類型為非生態(tài)用地.在Guidos Toolbox 中,將生態(tài)用地設(shè)置為前景,賦值為2,非生態(tài)用地設(shè)為背景,并賦值為1,將其轉(zhuǎn)化為TIFF 格式的二值柵格數(shù)據(jù).根據(jù)MSPA 分析,將Edge width 為2(代表邊緣距離為60m)[15].

分別對2000,2010 和2020 年的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行景觀類型識別,并對7 類景觀面積與比例進(jìn)行統(tǒng)計(表4,圖3).結(jié)合圖3 與表4 發(fā)現(xiàn),經(jīng)過20a 的發(fā)展,研究區(qū)生態(tài)源地面積明顯增多,核心區(qū)面積占比由22.40%增至36.44%,但碎片化特征依然顯著.與2000年對比,2020 年橋接區(qū)面積有所下降,占比由64.74%降到47.07%,考慮是受到建設(shè)用地增加、修建交通線路等人類活動影響,降低了研究區(qū)內(nèi)部連通可能性.盡管邊緣區(qū)占比由5.44%增至8.72%,孔隙占比由0.70%增至1.68%,但面積相對較小,表明核心區(qū)斑塊的穩(wěn)定性依舊較差,對外界的抗干擾能力較低.環(huán)道為物種遷移提供可選擇的捷徑,占比由1.42%增至3.30%,在研究區(qū)內(nèi)面積較小,導(dǎo)致物種進(jìn)行遷移活動時的能量消耗較大.孤島是景觀中孤立的生境斑塊,占比由2.06%減至0.89%能夠為物種遷徙提供踏腳石作用,零星分布于研究區(qū)內(nèi),面積占比較小,且近20a 來逐漸減少,對生物遷徙和生態(tài)保護(hù)產(chǎn)生不利影響.支線在研究區(qū)內(nèi)面積占比較小,占比由3.24%減至1.88%,進(jìn)一步表明核心區(qū)與外界能量交換容易受到干擾.

表4 景觀類型分類統(tǒng)計Table 4 Classification statistics of landscape types

圖3 基于MSPA 的景觀分類Fig.3 Landscape classification based on MSPA

為更好的探討研究區(qū)生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò),對2020 年生態(tài)源地深入分析,由于研究區(qū)內(nèi)生態(tài)源地面積差異較大,且破碎化特征極為突出,因而按照面積由大到小排序,選取排名前30 的核心區(qū)斑塊計算連通性,使用Conefor 2.6 進(jìn)行多次模擬實驗,在連通閾值為2km,連通概率為0.5 的情況下,識別出的重要生態(tài)源地最符合研究區(qū)的景觀特征.根據(jù)計算結(jié)果,將dpc>0.1 確定為重要生態(tài)源地,22 個重要生態(tài)源地總面積為4655.73km2(圖4).對生態(tài)源地進(jìn)行分級,其中共有5 個一級生態(tài)源地(dPC>10),6 個二級生態(tài)源地(10>dPC>1),11 個三級生態(tài)源地(1>dPC>0.1).重要生態(tài)源地相對集中在研究區(qū)的北部、中部、南部,與陜西省政府頒布的《陜西省沿黃地區(qū)規(guī)劃(2015-2030年)》提出的“一帶三區(qū)多廊”生態(tài)安全格局一致性較高.研究區(qū)內(nèi),河流是主要的生態(tài)廊道,防風(fēng)固沙林區(qū)及兩個生態(tài)屏障區(qū)在空間分布與重要生態(tài)源地基本一致,重要生態(tài)源地涵蓋了森林公園、生態(tài)保護(hù)區(qū)及合陽黃河濕地等大型水體.在延安北部和渭南由于受人類活動影響較大,耕地面積大,生態(tài)面積較小且各源地之間連通性較差,不利于物種遷徙和生態(tài)多樣性保護(hù).亟需構(gòu)建以黃河干流為主體,以重要生態(tài)源地和水體為核心,且能夠促進(jìn)物種遷徙的生態(tài)安全格局.

圖4 生態(tài)源地空間分布Fig.4 Spatial distribution of ecological sources

2.2.2 綜合阻力值分析 基于上述7 類生態(tài)阻力因子及權(quán)重值,得到研究區(qū)各類因子阻力值及生態(tài)格局(圖5),各生態(tài)因子阻力等級面積占比如表5 所示.其中,DEM、坡度、NDVI 阻力值的中高值居多,考慮研究區(qū)地形、地貌特征是導(dǎo)致DEM 和坡度阻力值高的原因;研究區(qū)植被覆蓋率低,因而NDVI 指數(shù)阻力值較高;研究區(qū)內(nèi)河流眾多,因而距河流距離的阻力值較低,黃河干流、支流沿線阻力較小,便于構(gòu)建河流及周邊濕地、綠地為主體的廊道;當(dāng)前,研究區(qū)內(nèi)路網(wǎng)密度尚且不大,因而距主干道和高速公路距離的阻力值較小;在近年來退耕還林、防風(fēng)固沙等政策的影響下,研究區(qū)內(nèi)土地類型發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變,林地草地面積增長,因而該因子阻力值相對較低.綜合來看,研究區(qū)阻力值的高低主要受自然因素影響,人類的生產(chǎn)與開發(fā)等活動在一定程度上降低了生態(tài)源地之間的互通程度.研究區(qū)北部綜合阻力值較高,南部較低,高值區(qū)和低值區(qū)連通過度區(qū)較少,不利于生態(tài)風(fēng)險的疏散,陜西沿黃地區(qū)的重要生態(tài)源地在南北方向呈現(xiàn)斷裂式分布,這將會導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)生態(tài)服務(wù)流通不暢.

表5 各生態(tài)因子阻力等級面積占比(%)Table 5 Area proportion of resistance levels of each ecological factor(%)

圖5 各因子阻力值及綜合阻力面構(gòu)建Fig.5 Resistance value of each factor and construction of integrated resistance surface

2.2.3 生態(tài)廊道分布特征 生態(tài)廊道為生物物種提供生存、遷徙擴散的可能路徑,與生態(tài)源地共同構(gòu)成生態(tài)安全格局[41].根據(jù)以上研究結(jié)果,剔除重復(fù)廊道后,最終生成225條生態(tài)廊道,將重力閾值設(shè)為500,共篩選出 53 條廊道作為重要廊道,總長度為2164.69km.根據(jù)重力模型,將生態(tài)廊道劃分為3 個等級,如圖6(b)所示.

圖6 生態(tài)廊道提取及等級劃分Fig.6 Extraction and classification of ecological corridors

其中一級廊道13 條(重力值大于2000),二級廊道18 條(重力值大于1000),三級廊道22 條(重力值大于500).由圖6 可知,生態(tài)廊道呈現(xiàn)為較為密集的網(wǎng)狀.黃河干流與眾多黃河支流是物種遷徙擴散重要的生態(tài)廊道,在研究區(qū)北部神木的臭柏自然保護(hù)區(qū)、紅堿淖自然保護(hù)區(qū),中部的延安黃龍山褐馬雞自然保護(hù)區(qū)以及南部的合陽黃河濕地等重要生態(tài)源地之間連通性較好,形成關(guān)鍵生態(tài)廊道,為物種遷徙提供路徑.榆林南部、延安北部和合陽縣、大荔縣生態(tài)源地之間的相互作用明顯較低,該區(qū)域受自然因素和人類活動雙重影響,耕地面積較大,綜合阻力值較大,同時也是生態(tài)風(fēng)險高值區(qū),不利于生態(tài)廊道的形成.河流是天然廊道,應(yīng)加強對黃河干流、支流的保護(hù)以及兩邊重要生態(tài)源地的建設(shè).

2.3 生態(tài)安全格局評價及優(yōu)化

2.3.1 格局評價 生態(tài)節(jié)點一般是廊道功能的最薄弱處,為物種遷徙提供跳板和轉(zhuǎn)折點.根據(jù)已有研究[39],將廊道的交點視為生態(tài)節(jié)點,由研究區(qū)內(nèi)53 條重要生態(tài)廊道,43 個生態(tài)節(jié)點計算可知,=0.14,=1.17,=0.41.結(jié)合圖7(a)可以看出,生態(tài)節(jié)點多分布于研究區(qū)北部,如神木市,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)在北部閉合環(huán)路較多,該范圍內(nèi)生態(tài)風(fēng)險較低,內(nèi)部物質(zhì)、能量流動相較于南部更為通暢.佳縣、綏德縣和吳堡縣生態(tài)源地較少,生態(tài)風(fēng)險較高,研究區(qū)生態(tài)源地南北連通性較差.每一生態(tài)節(jié)點連接廊道數(shù)量較少,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對簡單,現(xiàn)有生態(tài)安全格局連通程度較低.

圖7 優(yōu)化的生態(tài)安全格局Fig.7 Optimized ecological security pattern

2.3.2 優(yōu)化建議 在促進(jìn)陜西沿黃地區(qū)高質(zhì)量發(fā)展時,應(yīng)當(dāng)充分尊重生態(tài)本底,重視沿線生態(tài)保護(hù)與修復(fù),提升水土保持、維護(hù)生物多樣性等重要的生態(tài)功能;加強黃河沿岸與沿黃觀光公路的生態(tài)涵養(yǎng),保護(hù)黃河支流及沿岸綠地構(gòu)成的生態(tài)廊道,修復(fù)與恢復(fù)重要濕地,因地制宜推進(jìn)小流域綜合治理,疏散研究區(qū)內(nèi)生態(tài)風(fēng)險,科學(xué)合理的布局三生空間.根據(jù)研究結(jié)果,建議采用規(guī)劃踏腳石斑塊[41]、修復(fù)生態(tài)斷裂點[42],優(yōu)化提升潛在廊道的方式提升生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接度,提升區(qū)域整體生態(tài)功能.

(1)規(guī)劃“踏腳石”斑塊:踏腳石斑塊是物種遷徙過程中重要的一部分.增加踏腳石斑塊的數(shù)量和縮短踏腳石之間的距離是提高物種遷徙過程中存活率的重要舉措[42].因此,結(jié)合陜西沿黃地區(qū)實際情況,將生態(tài)節(jié)點(圖7(a))、河流、潛在廊道以及橋接區(qū)結(jié)合分析,規(guī)劃研究區(qū)內(nèi)18 個“踏腳石”斑塊(圖7(c)),為物種遠(yuǎn)距離遷徙提供可能.

(2)修復(fù)生態(tài)斷裂點:本文將生態(tài)廊道與主干道、高速公路的交叉點視為生態(tài)斷裂點,共有98 個,如圖7(b)所示.交通線路阻斷了生態(tài)廊道,為生物遷徙過程帶來阻礙.因而,修復(fù)生態(tài)斷裂點對物種遷徙具有重要意義.在修建道路尤其是高級別道路時,應(yīng)著重考慮區(qū)域內(nèi)物種遷徙所需生態(tài)環(huán)境條件,為保護(hù)生物多樣性提供途徑.

(3)優(yōu)化提升潛在廊道:潛在廊道的優(yōu)化提升對生態(tài)安全格局具有重要意義.由上述內(nèi)容可知,研究區(qū)內(nèi)南北連通性差,生態(tài)源地缺失區(qū)域也是生態(tài)風(fēng)險高值區(qū),因此需要結(jié)合研究區(qū)內(nèi)重要生態(tài)源地以及黃河干流、支流走向,優(yōu)化提升潛在廊道9 條(圖7(c)),增強生態(tài)網(wǎng)絡(luò)南北通達(dá)性,降低區(qū)域內(nèi)生態(tài)風(fēng)險,為物種遷徙提供多樣性路徑.

2.4 討論

較以往研究,本研究從自然環(huán)境和人為擾動兩方面構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險評價指標(biāo)體系,能夠較為全面客觀的評價研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險.目前,學(xué)界對生態(tài)安全格局的概念以及生態(tài)源地面積、構(gòu)建阻力面的方法及重力值的權(quán)重和閾值設(shè)置尚未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),往往根據(jù)已有成果和研究區(qū)特殊性進(jìn)行調(diào)整,因而對生態(tài)廊道的確定也會產(chǎn)生一定影響.基于研究區(qū)發(fā)展歷程以及實地調(diào)研所見的生態(tài)環(huán)境狀況,本研究將符合研究區(qū)實際的自然因素和人類活動因素納入MCR 模型,由此構(gòu)建的重要生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點有利于疏散區(qū)域生態(tài)風(fēng)險,增強生態(tài)源地之間的連通性.然而在構(gòu)建MCR 模型時,尚未將土壤和生物物種多樣性納入指標(biāo)體系,今后將綜合考慮這些影響因素深入探討,以期為同類型區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供參考.

3 結(jié)論

3.1 研究區(qū)內(nèi)生態(tài)風(fēng)險低值區(qū)位于北部和南部,重要生態(tài)源地面積較大;生態(tài)風(fēng)險高值區(qū)域位于中部,同時受制于生態(tài)本底和人為活動干擾,生態(tài)風(fēng)險較大.

3.2 對比分析2000 年?2010 年和2020 年的景觀分布特征發(fā)現(xiàn),自實施退耕還林還草和生態(tài)治理等政策以來,陜西沿黃地區(qū)的各類景觀均有變化,核心區(qū)面積有一定上升;支線?孔隙和邊緣區(qū)面積占比較小,抗外界干擾能力較弱;橋接區(qū)面積占比有所降低.總體來看,陜西沿黃地區(qū)景觀格局相對穩(wěn)定,核心區(qū)較為破碎,斑塊連通度較低.

3.3 在研究區(qū)內(nèi)共識別出22個重要生態(tài)源地,與現(xiàn)有自然保護(hù)地和實際情況基本吻合;識別出以黃河干流為主體的53 條重要生態(tài)廊道,構(gòu)成“一帶三區(qū)多廊”的生態(tài)安全格局.

3.4 生態(tài)節(jié)點集中分布在研究區(qū)北部,生態(tài)廊道北密南疏,網(wǎng)絡(luò)閉合度低,南北連通度較差.未來需要規(guī)劃18 個踏腳石斑塊以修復(fù)生態(tài)斷裂點,優(yōu)化提升潛在生態(tài)廊道9 條,建設(shè)以黃河干流為依托的水域廊道,并利用現(xiàn)有的水體和綠地,提升陜西沿黃地區(qū)生態(tài)源地的南北連通度.