基于景觀生態風險評價的贛州市景觀格局優化

陸 晴,胡慧敏,樊歡歡,閆 冰

(1.東華理工大學自然資源部環鄱陽湖區域礦山環境監測與治理重點實驗室,330013,南昌; 2.東華理工大學測繪與空間信息工程學院,330013,南昌; 3 . 江西省科學院能源研究所, 330096,南昌)

0 引言

近年來,隨著人口不斷增長和城鎮化快速推進,生產空間和生活空間不斷擠壓生態空間,導致全球范圍內生態風險壓力增大,生態斑塊規模逐漸減小、聯系逐漸減弱,景觀破碎化程度加重[1-2]。生態風險是生態系統的生態功能受到外界干擾時,其健康、生產力、遺傳結構、經濟價值和美學價值等各方面所要承受不利影響的可能性[3]。生態風險評價是生態系統及其組分在經歷外界脅迫的情況下,評估其當前發生或將要發生的不良生態影響的過程的一種方法,是預估生態系統質量閾值、進行生態環境風險監控、支持生態系統管理的重要工具[4-5]。作為生態風險評價在區域尺度上的重要分支,景觀生態風險評價不僅研究景觀格局與生態過程的互饋過程,而且注重景觀生態學時空異質性,現已成為可持續發展和生態環境變化研究的熱點之一[6-7]。常用評價方法有景觀格局指數法和傳統景觀風險源-匯理論的方法[8]。景觀格局指數法主要結合 GIS 空間分析及 Fragstats 軟件等方法,基于遙感影像、氣候數據、土地利用數據、社會經濟數據,從生態系統服務[9]、“生產-生活-生態空間”[10]及“自然-人類社會-景觀格局”[11]等多維度視角,以水系流域[12-13]、單一城市與城市群[14-15]、沿海地區與海岸帶[5,16]、生態敏感區[17-24]等多尺度區域生態風險評價為主,重點分析景觀生態風險的時空演變[25],深入探究其驅動因素與機制[9,23,26],為后續景觀格局優化[8,11]和區域生態風險管控等方面提供有效指引。

景觀格局優化是基于景觀生態學原理,在空間上對景觀要素進行調整組合,從而優化土地利用格局,以實現景觀價值與生態效益最大化[8]。景觀格局優化研究多依托景觀生態學,識別景觀生態風險路徑,干預生態風險過程,從而實現景觀管理、規劃和設計的優化[27]。景觀格局優化研究方法多樣,且大多集成使用,目前使用較多的是形態學空間格局分析方法[2],景觀連通性指數[28]、最小累積阻力模型[12]、未來土地利用模擬[29]等。其中,Knaapen 等[30]提出的最小累積阻力模型(MCR)能夠較好反映景觀內部單元在水平方向上的空間擴散趨勢,直觀表現景觀格局對生態過程的影響。因此,廣泛應用到多種生態過程阻力的模擬中[11,31]。目前,“識別生態源地—構建阻力面—提取生態廊道和生態節點”已成為優化景觀格局和構建生態網絡基本范式[31]。但在具體應用上仍缺乏標準完善的方法體系。如在現有的識別生態源地方法中過于依賴生態重要性,忽略生態敏感性[32]。在構建阻力面時,阻力因子參數不一,以往研究多引入景觀要素闡釋研究區景觀格局阻力,缺乏考慮地形、人類活動對阻力值的影響[11]。界定生態節點時,以往研究多直接采用廊道斷裂點、廊道交匯點,沒有將阻力值大小與廊道整體相結合。

土地作為地表景觀的直觀表現形式,其利用變化已成為景觀格局生態風險的重要驅動力,不僅影響單一生態地理要素,對區域整體生態健康和安全也有一定作用[5]。作為我國革命老區以及南方地區重要的生態屏障,贛州市森林資源豐富,土壤類型復雜,以花崗巖風化物發育的紅壤為主,崩崗侵蝕較嚴重且分布較廣,有很高的研究價值,但關于其景觀生態風險評價和景觀格局優化的研究卻不多見。因此,本研究以贛州為研究對象,基于土地利用數據、氣候數據及高程數據,運用 Fragstats 4.2 軟件計算景觀格局指數并構建生態風險評價模型 ,分析贛州市土地利用變化趨勢和景觀生態風險的時空分異特征,再選擇連通性較好的生態斑塊作為生態源地,用最小累積阻力模型構建生態廊道和確定生態節點,最后根據研究區當前發展狀況及未來發展需求,確定景觀格局優化方案,為協同贛州生態資源開發利用與景觀生態風險管控,實現綜合效益最大化和可持續發展提供參考。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區概況

贛州市位于江西省南部,地處贛江上游、東江、北江源頭,不僅是江西省最大的設區市,還是東南沿海地區向中部內地延伸的過渡地帶,現轄18個縣(市、區),面積39 362.96 km2,人口983萬。贛州介于北緯24°29′～27°09′、東經113°54′～116°38′之間,地處中亞熱帶南緣,屬亞熱帶丘陵山區濕潤季風氣候,地形以山地、丘陵、盆地為主。贛州是內地通向東南沿海的重要通道,也是江西母親河贛江和香港飲用水東江、北江的源頭。贛州鎢與稀土資源豐富,是全國稀有金屬產業基地和先進制造業基地。同時,贛州北連長江經濟帶,南通粵港澳大灣區,是連接兩大國家戰略發展區域的中間節點。

1.2 數據來源

本研究中土地利用矢量數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心(http://www.resdc.cn/),基于研究需要,采用ArcGIS10.2軟件將研究區土地類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6個一級類。高程數據(DEM)來源于美國國家航空航天局(http://www.nasa.gov/)柵格大小為30 m。道路數據和水系數據來源于 Open Street Map 網站( http://www.openstreetmap.org) 。歸一化植被指數(NDVI)數據源于國家生態數據中心資源共享服務平臺 (nesdc.org.cn)。以上數據空間分辨率統一為 30 m,均為2020年數據。

圖1 贛州市區位及土地利用現狀圖

2 研究方法

2.1 景觀生態風險模型

2.1.1 風險單元劃分 劃分風險評價單元計算各單元內的景觀生態風險指數可提高計算精確度、便于揭示生態風險分布規律。因此,本研究根據研究區面積大小和數據計算量,將研究區劃分為 3 km×3 km 的風險評價單元。通過 Fragstats 4. 2 軟件分別計算景觀指數,從而定量評價各風險單元的景觀生態風險狀況。

2.2.2 景觀格局指數構建 參考前人對景觀生態風險的研究成果[4,8,19],本研究選取景觀干擾度指數、脆弱度指數和損失度指數構建贛州市景觀生態風險評價模型,揭示贛州市景觀生態風險的空間分布。景觀生態風險指數的計算公式見表1。

表1 景觀生態風險指數計算方法

利用景觀生態風險評價模型求得各風險評價單元的生態風險指數,再在 ArcGIS 10.2中利用克里金插值法以此作為各評價單元中心點的生態風險值,獲得贛州市景觀生態風險空間分布格局圖(圖2) 。參考前人研究[33-34],并結合自然斷點法,將研究區生態風險水平劃分為低風險、較低風險、中等風險、較高風險和高風險 5 個等級。

圖2 贛州市景觀生態風險等級空間分布圖

2.2 景觀格局優化

2.2.1 生態源地識別 生態源地是生態系統中功能完善、結構穩定的核心區域。本文確定在低風險和較低風險的生態區域,選擇林地這一對研究區生態環境的功能完善、穩定發展起到較重要影響的土地利用類型的大面積斑塊作為生態源地[35]。

2.2.2 生態阻力面構建 構建恰當的生態阻力面是科學提取生態廊道和生態節點的基礎。因此,本研究在前人研究基礎上[35],結合研究區實際生態狀況,確定了景觀格局、高程、坡度、歸一化植被指數(NDVI)、道路、到水系的距離共 6個阻力因子,并對其進行分級賦值,從而得到各阻力因子的阻力值等級圖,再基于層次分析法確定各阻力因子的權重,然后利用柵格計算工具將全部阻力因子等級圖進行加權疊加運算,最終生成贛州市生態綜合阻力面。阻力因子具體明細見表2,各生態阻力面空間分布見圖3。

表2 生態阻力因子等級和權重

圖3 贛州市景觀格局優化網絡圖

2.2.3 最小累積阻力面模型 為提取“源地”景觀的空間運行最優路徑,采用最小累積阻力( minimum cumulative resistance,MCR) 模型進行計算,其公式為:

(1)

式中,MCR是從源地某點擴散到其他點的最小累積阻力值,f表示MCR與變量Dij和Ri之間正相關關系的函數,Dij是從源地j擴散到空間某點跨過景觀i的空間距離,Ri是景觀表面i對源地擴散方向的阻力。

2.3 重力模型

重力模型可以定量評價斑塊間相互作用強度的大小,作用強度越大,生態廊道越重要。因此,采用重力模型判定生態廊道對區域景觀格局的相對重要性。具體見表3。公式如下:

表3 基于重力模型的生態源地相互作用矩陣

(2)

式中,Gij表示源地i、j之間引力值,Ni、Nj是源地i和j的權重系數,Dij為源地i和j之間廊道累積阻力值,Si、Sj表示源地i和j的面積,Lmax是研究區內所有生態廊道累積阻力的最大值,Lij為源地i、j之間廊道的累積阻力值,Pi、Pj為源地i、j的阻力值。

將各斑塊間相互作用引力值按照自然斷點法進行分級,取引力值大的前兩級劃分為一級生態廊道,其余劃為二級生態廊道。

生態節點是生態網絡中需要重點關注和保護的生態脆弱區域。結合研究區的實際情況,本研究利用成本距離和成本路徑工具提取累計阻力值最高的“山脊線”和最低的“山谷線”,以“山谷線”作為生態廊道,將“山脊線”與生態廊道的交匯點作為生態節點。

3 結果與分析

3.1 景觀生態風險分析

贛州市5 種生態風險等級中,低風險區和較低風險區面積較多,中等風險區、較高風險區和高風險區面積所占比例較少,呈現北高南低,中間高、四周低的空間分布格局。

低生態風險區和較低生態風險區集中在崇義縣、大余縣、上猶縣、安遠縣、信豐縣、尋烏縣、定南縣、龍南市和全南縣等贛州西南部,分屬南嶺山地水源涵養區和嶺南山地丘陵保土水源涵養區,該區域森林結構相對穩定,林草覆蓋率較高,有九連山和齊云山兩大國家自然保護區,是東江和北江的兩江源頭。因此土地開發利用程度較低,人為擾動較為輕微,景觀脆弱度和破碎度較低,整體景觀生態風險水平低于其他區域。

中高生態風險區域分布較集中,主要分布在于都縣、興國縣、石城縣和瑞金市、贛縣區、南康縣和章貢區等贛州東北部和中部。章貢區、贛縣區和南康區是贛州市核心城區,人口密集,人類活動頻繁,土地利用開發程度強,生產建設項目較為集中,屬于中高生態風險地區。寧都縣、于都縣、興國縣和石城縣位于貢江流域上中游,屬贛南山地土壤保持區,經濟發展水平相對落后,既是傳統革命老區,也是全國水土流失重點治理“八大片區”之一,歷史上水土流失嚴重,雖經綜合治理取得良好效果,但仍未有效改善生態脆弱的基礎條件,且現有植被多為人工恢復的馬尾松低效純林,植被群落結構單一,林下水土流失嚴重,景觀破碎度和干擾度較高,仍屬于高生態風險地區。

3.2 生態網絡構建

3.2.1 生態源地 生態源地應該具有持續提供豐富生態系統服務的特性。參考相關研究[35],在景觀生態低和較低風險區域,選擇研究區連續的大面積林斑地塊作為生態源地。篩選出生態源地共有8個,對比《贛州市國土空間總體規劃(2021—2035年)》,生態保護紅線保護的連片重點區域大部分也落在篩選的生態源地中,這說明結合景觀風險的生態源地提取方法具有一定的合理性。生態源地分布與規劃中“四屏三區三源多廊”生態安全格局的生態功能區相似,其中,生態源地1以安遠縣為中心,向章貢區、瑞金市和龍南縣方向延伸,沿九龍山脈和武夷山脈分布廣泛;生態源地2位于定南縣和全南縣;生態源地3和7位于研究區西部大余縣、崇義縣和上猶縣,大庾嶺和羅霄山脈之間;生態源地4和6沿雩山山脈,分別主要在興國縣和寧都縣;生態源地5在龍門縣沿羅霄山脈,并向內延伸 入瑞金市;生態源地8貼近區域發展中心,位于章貢區、贛縣區和南康區的交接地帶。

3.2.2 阻力面 對比各個阻力因子阻力值空間分布圖(圖4)可以發現,植被覆蓋度和坡度的阻力值分布趨勢恰好相反,這是因為植被覆蓋度低、坡度低的區域適宜開發生產建設,多是各中心城區所在地,生產建設活動頻繁。高程阻力值分布呈現西南以及四周阻力值高趨勢,也契合贛州市四周有武夷山、諸廣山及南嶺的九連山、大庾嶺等群山,形成周高中低、南高北低的地勢。道路阻力值分布呈現出圍繞章貢區等核心城區以京廣鐵路、贛龍鐵路、贛韶鐵路、昌贛高鐵等主要交通路線為中心向外逐漸降低的趨勢。與水系距離的阻力高值區呈帶狀分布,與主要鐵路干線大致重合,其余基本為低值區,這是因為贛州市河流縱橫,基本屬富水區,水系呈輻輳狀向中心章貢區匯集。

圖4 贛州市其余生態阻力因子包括NDVI(a)、DEM(b)、坡度(c)、與道路距離(d)、與水系距離(e)和綜合阻力面(f)空間分布圖

從綜合阻力面可以看出贛州市整體呈現出阻力值北高南低,由西南向東北延伸逐漸升高的空間規律。阻力值高值區主要集中在章貢區等核心城區,并沿主要交通線路呈條帶狀分布,原因在于城市建筑高度集中,人類活動劇烈,更大程度上加強了生態流動過程受到的環境阻力。而另一個阻力值高值區域主要分布在東北部區,該區水土流失嚴重,生態環境更脆弱,嚴重影響了生態物質循環。阻力值低值區主要位于西南部,該區植被覆蓋度高,河流眾多,人為擾動輕微。

3.2.3 生態廊道 在保證源地間互相連接的原則下,按路徑累計成本最低原則提取生態廊道共28條。其中一級廊道5條,累計長達369.85 km,二級廊道23條,累計長達4 120.97 km。從整體空間分布上觀察,廊道較為密集分布在贛州市的西部和中部,一級廊道零散分布在研究區北、中、南三區,而二級廊道以生態源地8為中心,連接其他各源地呈五角星網狀分布。連接源地1、2之間的一級廊道貫通定南縣南部,橫向穿越九連山國家自然保護區,該區稀土資源十分豐富,應以廢棄礦山生態修復,完善水源涵養、土壤保持等生態功能為重點。連接源地3、7、8之間的一級廊道橫向經過崇義縣、大余縣及南康縣等區域,廊道中部兩側建設用地和耕地居多,主要增加生態源地8與其他源地之間的物質交換與生態流動,提供物種遷徙路徑。連接源地4、5、6之間的一級廊道由西北向東南穿越贛州市北部的寧都縣、興國縣、于都縣、瑞金市等區域,經過雩山山脈及武夷山脈的北段,該區植被覆蓋度較低,地質條件差,崩崗普遍存在,水土流失嚴重,因此要加強重要生態屏障建設,由廊道向兩側延伸多植樹造林,增加植被覆蓋率,以此充分發揮生態廊道功能。除了研究區東北部沒有識別生態源地,導致缺乏生態廊道,二級生態廊道總體分布較為均勻,可很好地促進研究區內部生態循環和流動, 從而緩解城市經濟發展與生態保護之間的矛盾。今后可再在東北部增補生態源地或生態踏腳石來完善生態網絡,打造生態高效、空間均衡、全域聯通的生態網絡布局。

3.2.4 生態節點 本研究結合研究區實際狀況,將一級生態廊道與最小累計阻力面的最大成本路徑即“山脊線”的交匯點劃分為一級生態節點,將二級生態廊道與“山脊線”的交匯點劃分為二級生態節點,共判別出研究區生態節點63個(圖3)。生態節點為生態網絡中的薄弱點,如不注意防護,容易遭受破化成為生態斷裂點,極大影響生態源地間的物質能量流通和物種遷徙。地區生態節點總體呈現“西多東少、北多南少”的空間分布格局。其中一級生態節點12個,零散均勻分布于一級生態廊道和生態源地內部,土地利用類型以林地為主,可通過加強林地保護與管理來減弱外界活動的脅迫。二級生態節點51個,主要沿著二級廊道集中分布在研究區西部,所連接的區域多為高阻力值的建設用地和耕地,這些生態節點對人類活動響應劇烈,可通過限制開發建設活動和建設生態緩沖帶來提高與源地間的連接性。

3.3 生態修復與優化

針對以上地區生態風險和生態網絡分析,為提升地區生態系統的穩定,提出以下建議。

1)建立生態優化分區管控體系。西南地區生態風險等級較低,但礦產資源豐富、礦產開發集中,易產生一系列地質災害、環境污染和水土流失等生態環境問題,因此,礦業開發的產業監管和生態修復是這一區域的重點工作之一。寧都縣、于都縣、興國縣等東北地區處于中高生態風險等級,應加大對生態保護修復方面的投入,繼續推進低質低效林改造,優化森林植被群落結構,加強監管山地林果產業開發。贛縣區、南康縣及章貢區等核心城區生產建設項目多,就以堅守環境底線、協同發展社會經濟為指引,重點建設政策制度和監管平臺以實施環境治理修復。

2)對于生態源地,必須落實最嚴格的生態保護政策,使其能夠發揮最大生態價值。對于已經遭到破壞,趨于破碎化的生態源地,整治理念從過度干預、過度利用向自然修復轉變,禁止其內部的建設活動侵占生態用地的行為,并開展針對性的整治工作。如規劃推進國家級濕地公園開展濕地恢復工程。

3)對人類活動響應劇烈的生態廊道和生態節點加強保護和管理,通過提升區域內生態用地的比重,減少周邊開發利用活動,從而提高景觀斑塊連通性。如協同推進贛江及主要河流岸線修復與水生態建設,建設河湖生態緩沖帶。

4)注重生態保護和整治的系統性、整體性和協同性,與其他部門互聯互通,持續推進重點生態區域保護修復,突出抓好水源地及重要林地區、生態敏感區的生態安全優化,促進區域生態環境質量整體提升。

5)加強生產建設活動和林地開發活動信息化監管,打破部門和區域界限,有效整合資源,形成切合贛州實際的景觀生態預防保護、景觀風險動態監測、生態源地綜合治理、景觀格局整體優化的生態安全新格局。

6)構建多元化投入機制,引導和鼓勵企業和公眾參與生態保護和修復。激發綠色動能,將生態優勢轉化為經濟優勢、發展優勢,大力發展生態經濟,壯大綠色產業,助推興國、于都、瑞金等革命老區鄉村振興發展,實現綠色發展。

4 結論

本研究以贛州為研究區,計算景觀格局指數并構建生態風險評價模型,分析了2020年贛州市景觀生態風險的空間分布特征,在識別生態源地基礎上,利用最小累積阻力模型提取生態廊道和生態節點,并最終確定景觀格局優化方案。研究結論如下。

1) 研究區景觀生態風險空間分布差異顯著,低風險區和較低風險區面積較多,中等風險區、較高風險區和高風險區面積所占比例較少,呈現北高南低,中間高、四周低的空間分布格局。低生態風險區和較低風險區集中在崇義縣、大余縣、定南縣、龍南市和全南縣等贛州西南部,中高生態風險區域主要分布在于都縣、興國縣、石城縣和瑞金市、贛縣區、南康縣和章貢區等贛州東北部和中部。

2) 研究區形成了由 8處生態源地、28條生態廊道、63處生態節點構成的景觀優化網絡格局。生態源地分布與規劃中“四屏三區三源多廊”生態安全格局的生態功能區相似,為九龍山脈、武夷山脈、羅霄山脈和雩山山脈地區林地。生態廊道累積長達4 490.82 km,整個研究區生態廊道較為密集分布在贛州市的西部和中部,其中5條一級廊道零散分布在研究區北、中、南三區,促進源地之間生態流動;23條二級廊道圍繞生態源地8,連接其他各源地呈五角星網狀分布全域,構成多層次全方位的生態屏障。生態節點總體呈現“西多東少、北多南少”的空間分布格局。其中一級生態節點12個,較均勻分布于一級生態廊道和生態源地內部;二級生態節點 51 個,主要沿著二級廊道集中分布在研究區西部,所連接的區域多為高阻力值的建設用地和耕地。

3) 針對景觀生態風險強度不同,建議構建生態優化分區管控體系。針對生態源地、生態節點、生態廊道提出不同的保護管理策略,加強生態源地保護,重視廊道和節點建設,提升生態安全水平,使其能夠發揮最大生態價值。此外還應加強信息動態化監管,實現各部門資源共享,激發綠色動能,大力發展生態經濟,促進贛州市經濟發展與環境保護協同發展。