基于生態安全格局與生態脆弱性評價的生態修復關鍵區域識別與診斷——以汶上縣為例

劉金花,楊 朔,呂永強

基于生態安全格局與生態脆弱性評價的生態修復關鍵區域識別與診斷——以汶上縣為例

劉金花1,楊 朔2,呂永強2

(1.山東建筑大學管理工程學院,山東 濟南 250101；2.山東建筑大學測繪地理信息學院,山東 濟南 250101)

以山東省濟寧市汶上縣為研究區,基于最小阻力模型構建生態安全格局,結合脆弱性評價識別生態修復關鍵區域,對關鍵區域分類提出針對性修復保護措施.結果表明在汶上縣共識別出11處生態源地,總面積38.72km2,35條生態廊道,總長度259.56km;生態脆弱性分級以中度脆弱與低度脆弱為主,兩類型區域總面積594.32km2,占比67.40%.中部城區脆弱性較高,西南洼地脆弱性較低;識別出生態修復關鍵區域5處,總面積107.14km2,分布于中部城區及周邊;根據區位特征將關鍵區域分為三類,并分類別提出其生態修復策略,以期為國土空間生態修復提供參考.

生態安全格局；生態脆弱性評價；關鍵區域；修復措施；汶上縣

國土空間生態修復是構建新時代美麗國土空間格局的重要手段,也是落實生態文明建設的重要舉措.統籌全要素資源并診斷識別關鍵區域對落實生態修復工程具有重要意義.我國當前國土空間生態修復的重點主要體現在構建生態安全格局、劃分生態修復區,恢復受損生態系統自然風貌[1-2].而如何綜合研判全方位要素對生態空間的影響,識別國土空間生態修復關鍵區域,完善國土空間生態安全格局,提升生態系統整體服務功能是當前國土空間生態修復研究的難點之一[3].

識別并診斷生態修復關鍵區域作為生態修復的重要一環,利于實現生態系統功能提升、國土空間格局優化[4].在系統性思維的指導下,當前基于生態安全格局識別關鍵區域的研究[5-6]較多,更注重維持生態系統結構和過程的完整性以及改善區域整體生態環境[7].眾多學者基于最小阻力模型識別能量流動的最優路徑作為生態廊道,將廊道的交點、轉折點,廊道與山脊線的交點作為關鍵區域[8-10].近年也有學者將電路理論應用到景觀格局的構建[11-13],利用電子的隨機游走特性模擬物種的遷徙過程[14],將物種遷徙“必經之路”的生態夾點與阻礙物質能量流動的生態斷裂點、障礙點做為生態修復關鍵區域[15-17].總體來說,基于生態安全格局的關鍵區域識別雖然考慮到了整體保護和系統修復的理念,但受限于阻力面與土地利用現狀,不能全方面考慮包括人類活動、氣候等因素對生態環境的影響.而當前的生態脆弱性評價研究雖未體現系統性思維,但可通過構建多角度評價指標體系,全方位剖析生態環境受自然和人為因素共同作用而產生的異變[18-19],二者恰好相輔相成.鑒于此,本文嘗試將生態安全格局與生態脆弱性評價相結合,探索既能保證生態系統連通性又能準確識別生態修復關鍵區域的方法,以此識別連通性強但生態環境脆弱的關鍵區域,以指引開展相應生態修復工程.

汶上縣地處山東省西南部,東北部有少量山丘,西南部多湖洼,大部分地區處于平原地帶.,在快速城鎮化的沖擊之下,生態環境質量不斷下降,嚴重影響到糧食產量.,本文選取生態紅線、自然保護地為生態源地,基于應用最廣泛的最小阻力模型構建阻力面并提取生態廊道,進一步疊加生態脆弱性評價結果識別生態修復關鍵區域并分類別提出生態修復策略,以期為國土空間生態修復提供參考.

1 研究區概述

汶上縣東臨兗州古城,西接水泊梁山,南依微山湖,北枕泰山.地處116°41′E～116°18′E,35°30′N～35°56′N.南北最大縱距58km,東西最大橫距35km.

汶上縣轄2個街道、13處鄉鎮和1個省級經濟開發區,總面積889km2.其中耕地面積占比62.47%,多分布于中部平原與西南洼地,受地形限制較大.林地占比12.86%,多分布于東南林地片區,林地分布不均,不利于全域水土保持,同時西北丘陵區存在裸地.草地面積僅為167.58hm2,占比不足0.2%.汶上縣屬北溫帶大陸性季風濕潤氣候區,光照充足,四季分明,無霜期長,降水年季節變化大,三十年平均降水量628mm,土壤條件地域性差異不明顯[20].汶上縣整個地勢由東北傾向西南,耕地面積占比較大,存在水土流失與山體禿斑現象,生態環境脆弱性高,農業生產面臨較大威脅.

圖1 研究區地理位置

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

2.1.1 生態源地識別 生態源地是生態用地保護的“源”,是現有物種的棲息地,也是物種交流與擴散的源點,對區域的生態安全具有重要意義.本文借鑒前人研究方法[21-22],采用直接識別法劃定生態源地,具體選取依據見表1.選取生態紅線,蓮花湖濕地公園、大汶河濕地公園等自然保護地,泉河、小汶河等主要河流與曇山、彩山等山脈片區作為生態源地.

2.1.2 阻力面構建 生態廊道提取方法目前已有多種,其中最小阻力模型(MCR)的兼容性和實用性較好.本研究采用最小阻力模型提取生態廊道,MCR模型刻畫的是從“源”經過不同阻力的景觀所耗費的費用或者克服阻力所作的功[23].計算公式為:

式中:MCR為最小累計阻力值;D為物種從源到景觀單元經過的單元距離;R為景觀單元的生態阻力系數;為最小累計阻力與生態過程的正相關關系.

表1 生態源地識別依據

結合汶上縣地形地貌特點以及數據的可獲取性,因地制宜地選取了土地利用類型、高程、坡度三個對環境影響程度較大的因素作為阻力因子構建阻力面.參考前人研究成果[24],將土地利用類型、高程、坡度賦值權重0.35、0.35、0.3,并對各因子分級賦值阻力系數,最后利用柵格計算器得到阻力面.其中,三個阻力面的阻力系數如下所示.

圖2 土地利用類型阻力系數

表2 高程與坡度系數

2.1.3 生態廊道與生態節點的識別 生態廊道作為各個生態源地之間進行物質能量交互與物種遷徙的通道,是生態安全格局的基礎框架.本研究基于ArcGIS10.3軟件的cost-distance功能生成各個源地之間最低阻力路徑,當兩路徑距離過近則保留較長廊道并去除重復路徑得到生態廊道[25].生態節點一般指廊道上生態價值寶貴,對維持區域生態系統連通性、穩定性有重要意義的點.本文選取生態廊道的交點、廊道與源地的連接點作為生態節點.

2.1.4 生態脆弱性評價指標體系構建 汶上縣地處山東省西南部,農業為主導產業,植被覆蓋度、水系、土壤類型等因素對汶上縣糧食生產與生態安全有重要影響.為科學、客觀、全面評價汶上縣的生態脆弱性,通過對汶上縣實際地物研判與參考前人研究成果[26-27],選取表征人類活動、土地利用、氣候、土壤、地形地貌5個層面的7個影響因子來建立評價體系.人類活動方面選取人口密度指標;土地利用方面選取NDVI指數、距水體距離指標;氣候方面選取年均降水量指標;土壤方面選取土壤類型指標;地形地貌方面選取高程、坡度指標.基于Arcgis10.3分別生成7個指標因子的柵格圖并做歸一化處理,后通過柵格計算器計算生態脆弱性總分值,各因子權重通過層次分析法得出,詳細指標體系見表3.

表3 生態脆弱性評價指標體系

2.1.5 指標歸一化 由于各指標的量綱不同,無法直接疊加,因此需要對指標進行歸一化處理.本文采用極差法將各個指標數值歸于0～1,將7個指標因子分類成正向指標與負向指標.其中,正向指標數值越大,生態脆弱性越高;負向指標數值越小,生態脆弱性低.正向指標與負向指標采用不同的計算公式,具體公式如下.

正向指標標準化公式:

負向指標標準化公式:

式中:A為柵格上評價指標的標準化值;X為柵格上評價指標的現狀值;min(X)為指標的最小值;max(X)為指標的最大值.

對于定性指標土壤類型,為得到不同土壤類型的定量分值,本文參考前人研究成果[28]與《土壤侵蝕分類分級標準》對土壤類型分類分級賦值,標準見表4.

表4 土壤因子賦值標準

2.1.6 脆弱性等級劃分 將各因子標準化后的柵格圖層加權疊加得到最終脆弱性分值,公式如下:

=S(A′B) (4)

式中:為最終脆弱性分值;A為柵格上評價指標的標準化值;B為柵格的權重.

基于Arcgis10.3將脆弱性分值通過自然斷點法重分類為4個等級,分別為非脆弱、低度脆弱、中度脆弱、高度脆弱.

2.1.7 生態修復關鍵區域識別 在整體性思維的指導下,生態修復不僅要注重單一區域的生態修復與治理,更要考慮各個生態源地間的整體性與連通性.故本文將生態安全格局與生態脆弱性評價疊加,首先以中、高脆弱區范圍為基礎,后結合生態安全格局中的生態廊道與生態節點,將中、高脆弱區內廊道與節點分布密集的區域進一步劃定為關鍵區域.

表5 數據來源

2.2 數據來源

本文所用生態紅線與三調數據來源于汶上縣自然資源與規劃局,DEM與NDVI數據來源于地理空間數據云平臺,分辨率均為30m′30m,人口密度數據來源于汶上縣統計手冊,降水量與土壤數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心.

3 結果與分析

3.1 生態安全格局構建

3.1.1 生態源地識別 本研究共識別11處生態源地,其中河湖濕地類7處,山林類4處(表6),總面積38.72km2,僅占汶上縣總面積的4.3%,空間上,東北部分布密集,西南部分布稀疏山地片區分布于軍屯鄉、楊店鎮、白石鎮;三大濕地公園沿北泉河依次分布;河流方面西部分布密集,東南分布稀疏.

圖3 生態源地

表6 生態源地

3.1.2 阻力面構建 利用GIS柵格計算器將各阻力因子按照權重疊加,得到綜合阻力面(圖4),阻力值呈現出東北高西南低的特點.高值區分布在東北山地,主要與高程與坡度有關;次高值區分布于縣域中部,該區域建設用地集中,周邊耕地、林地板塊被分割;低值區位于西南部,土地利用以耕地與林地為主,生態環境質量較好.

圖4 綜合阻力面

3.1.3 生態廊道提取與生態節點識別 基于生態源地與綜合阻力面,運用GIS成本距離工具提取生態廊道(圖5),共提取35條廊道,總長度259.56km.為了區分各廊道重要程度,綜合考慮廊道長度,連接斑塊重要性等因素,將汶上縣生態廊道劃分為三個等級(表7).一級廊道9條,連接汶上縣三大省級濕地公園,維持東西各源地與中軸線的連通性,平均長度10.55km,總長度占比36.58%;二級廊道15條,作為各河流間物質能量交互的通道共同保障“汶水”的生態安全,平均長度8.62km,總長度占比49.83%,占比最高;三級廊道11條,是東北部各山地片區間生物遷徙、物質交流的重要通道,平均長度3.21km,總長度占比13.59%.共識別49處生態節點,作為生態廊道的交點是物質能量轉移與生物遷徙的樞紐,具有重要的生態價值.節點主要分布于汶上縣中部與西北部,在兩街道處分布密集.

圖5 態安全格局

表7 生態廊道分類

3.2 生態脆弱性評價

3.2.1 單指標分析 根據各評價指標歸一化柵格圖(圖6)所示,在人類活動影響方面,汶上縣城區與鄉鎮間人口密度差異較大,中心兩街道人口密度較高,人類活動相對頻繁,是造成生態環境脆弱的一大重要因素.土地利用方面,植被覆蓋度對生態環境的影響尤為重要,林地可以起到涵養水源、調節氣候等作用,草地可起到防止土地沙化和水土流失的作用,通常植被覆蓋度高的區域生態穩定性強.根據4月份云量在3%以下的衛星遙感影像提取到的NDVI指數柵格圖顯示,汶上縣NDVI指數整體上南高北低,北方山地植被覆蓋較少,南方洼地植被覆蓋高,此外,中心城區建設用地面積較大,相對NDVI指數較低,白石鎮境內因礦山開采造成山體禿斑現象嚴重,NDVI指數也相對較低;水系作為生態環境的重要組成部分,一方面河流的流動性連通各個生態系統,提高各區域間的連通性,另一方面,汶上縣作為“國家糧倉”,密集的水源也為灌溉提供保障.通過DEM提取水系并且通過歐式距離工具生成水系距離柵格,主要河流為北泉河,北泉河貫通汶上縣南北地域,流經紅紗河、蓮花湖濕地公園,其余河流也分布較密集,水系影響的地域性差異不明顯;氣候方面,降水利于植被與農作物生長,對生態環境起到重要影響作用.汶上縣屬北溫帶大陸性季風濕潤氣候區,相對干燥少雨,降水量多年平均628mm,東部降水量高于西部約20mm.土壤方面,土壤作為自然界組成部分起到調節、提供動植物棲息地、作物生產的功能,山東半島主要土壤為棕壤、褐土,有機質含量較高,是北方較好的農業土壤.對汶上縣而言,東邊地域土壤優于西邊.地形地貌方面,東北山地區域海拔明顯高于西南洼地,山地區域坡度數值也較高,通常而言,坡度越大,發生水土流失等地質災害的可能性較高,也不利于植被的生長,生態脆弱性高.

圖6 指標歸一化結果

Fig.6 Index normalization results

3.2.2 脆弱性綜合評價 將生態脆弱性單因子評價柵格圖加權疊加,生成脆弱性綜合評價圖(圖7).通過自然斷點法將脆弱性等級分為高度脆弱、中度脆弱、低度脆弱、非脆弱4個等級,各級別面積依次占比6.12%、29.27%、38.13%及26.48%.汶上縣生態脆弱性以中度脆弱與低度脆弱為主,兩類型區域總面積594.32km2,整體生態環境面臨較大威脅.空間分布上,汶上縣生態脆弱性的地域差異較明顯,南北向以兩街道為中心,脆弱性等級向兩極逐級遞減,東西向則由內向外呈現出“高低高”的分布特征,脆弱性低的區域被脆弱性高的區域包圍.具體而言,高度脆弱區主要分布于中心兩街道,受人類活動影響較大,建設用地擴張現象嚴重,在發展經濟的同時不能忽略生態問題;中度脆弱區分布于東部與西部邊緣土壤條件較差,植被覆蓋度較低的區域;中度脆弱區與低度脆弱區分布鄰近,形成脆弱性等級遞減的緩沖地帶,大部分分布于西南洼地,呈現出大斑塊孤立,小斑塊破碎的分布特征[29];非脆弱區分布于西南洼地水熱條件較好的地區.

圖7 生態脆弱性綜合評價

表8 脆弱性等級

圖8 生態修復關鍵區域

3.3 關鍵區域識別與診斷

3.3.1 關鍵區域識別 以中、高度脆弱區范圍為基礎,在此基礎上進一步篩選生態廊道與生態節點密集的區域,將該部分區域劃定為生態修復關鍵區域.共識別5處生態修復關鍵區域,總面積107.14km2,分布于中部,北部與東西邊境.中部區域面積最大,其余四處零散分布于周邊.汶上縣南部無生態修復關鍵區域,生態環境條件較好.

圖9 生態修復關鍵區域分類

3.3.2 關鍵區域診斷與修復策略 綜上所識別關鍵區域為連通性強但生態環境脆弱的區域,需開展生態修復工程以提高生態環境質量并保障各源地間物質能量流通.以便對關鍵區域開展針對性生態修復工程,本文基于區域內實際地物研判與主要土地利用類型,如東北山地片區因開山采礦存在山體禿斑;東側區域內湖東排水河與西側區域內進軍渠存在水體污染;中部區域內建設用地規模大,植被覆蓋率較低等,將關鍵區分為三類(圖9),分類別提出生態修復策略.一類關鍵區面積57.38km2,分布于汶上、中都街道,土地利用類型主要為耕地與建設用地,建設用地包含農村宅基地和公路用地.該區域人口密度大,生態環境極易受人類活動影響,建設用地的修復建議依托鄉村振興戰略,通過社會經濟建設活動來增強生態建設,以充分發揮生態效能[30].二類關鍵區面積13.26km2,分布于東北山地片區,土地利用類型以林地、耕地為主.區域修復以自然恢復為主,人工修復為輔,實施嚴格的封山育林,恢復鄉土植被群落,豐富生物多樣性,強化山地間的景觀連通性.三類關鍵區面積36.50km2,分布于東西邊境處,以耕地、林地、水域為主,修復涉及水域治理和河岸綠化,加快水源涵養林和水土保持林的建設,打造汶水之上美麗鄉鎮.

表9 關鍵區修復策略

4 討論

在整體保護與系統治理的生態修復宗旨下,本文首先考慮到生態系統間的連通性與整體性,依照“選取源地—構建阻力面—識別生態廊道”的基本范式構建生態安全格局.通過對眾多學者研究成果的梳理,發現當前構建阻力面所選用因子多為土地利用類型、高程、坡度等,并不能反映降水、土壤等諸多因素對生態環境的影響.故本文嘗試將生態脆弱性評價與生態安全格局相結合,通過構建包括人類活動、土地利用、氣候、土壤、地形地貌5個層面的指標體系來評價生態系統脆弱性,以彌補因構建阻力面選用因素不全面,所導致的僅通過生態安全格局識別關鍵區域不夠準確這一不足.本文將生態安全格局與中度脆弱、高度脆弱區域疊加,將中、高度脆弱區內生態廊道與生態節點分布密集的區域劃定為關鍵區域,即對維持生態系統間連通性有重要作用,但生態環境質量較差的區域.根據土地利用現狀與研究區實際情況將關鍵區域分為三類,分類別提出生態修復策略,以達到改善生態環境質量并維護生態系統間整體性與連通性的生態修復目的,以期為國土空間生態修復提供借鑒.

本文基于較為傳統的最小阻力模型構建生態安全格局.將各源地間的最低阻力路徑作為生態廊道,雖然可識別自然界物種遷徙與能量流動的最優路徑,但也存在一定的局限性,即不能確定潛在廊道.近年越來越多學者將電路理論應用到生態安全格局的構建,以電子的隨機游走特性模擬物種遷徙過程,通過計算電流強度識別主要廊道與潛在廊道,可更直觀反映自然界物質能量的隨機流動性.故下一步可探索基于電路理論構建生態安全格局與生態脆弱性評價結合識生態修復關鍵區域.

5 結論

5.1 本文共識別生態源地38.72km2,占比4.3%,源地面積過小;生態廊道35條,總長度259.55km,其中連接重要生態斑塊的一級廊道9條,總長度94.94km;生態節點49處,廊道與節點在中部城區分布密集,南部分布稀疏.

5.2 汶上縣生態脆弱性以中度脆弱與低度脆弱為主,兩類區域總面積594.32km2,占比67.40%;極度脆弱區面54km2,占比僅為6.12%;非脆弱區面積233.49km2,占比26.48%.汶上縣生態脆弱性問題較嚴重,生態安全問題不容忽視.

5.3 結合生態安全格局與生態脆弱性評價,識別5處生態修復關鍵區域,總面積107.14km2,分布于汶上縣中部城區、東北部山地、東西邊界.

5.4 一類關鍵區位于中部城區,面積57.38km2,適宜構建城鎮新型生態系統;二類關鍵區位于東北山地片區,面積13.26km2,建議封山育林,提高生物多樣性;三類關鍵區位于東西邊界處,面積36.50km2,建議加快水源涵養林和水土保持林的建設.

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Identification and diagnosis of critical areas for ecological rehabilitation based on eco-security patterns and ecological vulnerability assessment - a case study over Wenshang County.

LIU Jin-hua1, YANG Shuo2, Lü Yong-qiang2

(1.School of surveying, mapping and geographic information, Shandong Jianzhu University, Ji’nan 250101, China；2.School of Survey, Mapping and Geographic Information, Shandong Jianzhu University, Ji’nan 250101, China)., 2022,42(7)：3343～3352

Selecting Wenshang County, Jining, Shandong Province as the study area, ecological security pattern was constructed based on the minimum resistance model, then the critical areas of ecological restoration were identified by using vulnerability assessment. Finally this study makes recommendations for protecting and restorating the ecology of the critical areas respectively. The results showed that Wenshang County contained 11ecological source areas, occupying 38.72km2, this county also had 35 ecological corridors with total length of 259.55km; the moderate and severe vulnerability area (594.32km2) dominated and shared 67.64% of total study area in Wenshang County. What’s more, the vulnerability of the central urban area was relatively high, and vulnerability of the southwestern low-lying area was low. In addition, five key areas of ecological restoration were identified, with a total area of 107.14km2, and they were mainly distributed in and around the central urban area. According to the location characteristics, these key areas were divided into three categories, and the strategies of ecological restoration were put forward separately to provide references for the overall protection and restoration of the ecosystem.

eco-security pattern；ecological vulnerability assessment；key areas；restoration measures；Wenshang County

X171

A

1000-6923(2022)07-3343-10

劉金花(1979-),女,山東濰坊人,教授,博士,主要從事國土空間規劃與評價、土地信息建模研究.發表論文20余篇.

2021-12-27

國家自然科學基金資助項目(41801173)

* 責任作者, 教授, liujinhua@sdjzu.edu.cn