方国政, 薛东剑, 陈晓杰, 方 坤
(1.成都理工大学 a.地球科学学院; b.国土资源部重点实验室, 成都 610059; 2.四川水利职业技术学院, 成都 611231;3.四川省国土科学技术研究院(四川省卫星应用技术中心), 成都 610045)
生态安全是维持经济社会与生态可持续发展的重要保障[1]。随着全球气候的恶劣变化和经济的高速发展, 在区域自然资源有限的情况下面临生态环境退化严重、耕地保护压力大等挑战, 因此, 中国开始致力于保护生态安全, 开展生态修复工作。以区域自然条件为基础的生态修复是保证生态安全的重要手段。合理构建和优化生态安全格局能够准确把握自然资源分配和变化规律[2], 为生态修复提供科学有效的数据基础和决策依据。
生态修复最早在美国和加拿大得以实践, 主要针对森林保护、修复矿坑矿山和治理水土流失等问题。例如, 20世纪30年代, 美国和加拿大开展了数十年的“大平原”生态修复工程[3]。20世纪90年代, 随着生态学发展, 生态修复受到美国等发达国家的广泛重视, 并提出了颇多生态修复技术[4]。中国的生态修复对象以水源土壤污染、森林保护和矿山复垦为主[5-8], 其特点是尺度小、目标单一、范围有限，亦有以行政单元为评价框架的基于PSR模型的三峡库区重庆段生态系统健康评价指标体系等[9]。社会期望生态学研究能够为区域和全球尺度的生态系统的利用和保护、维持人类社会可持续发展提供科学理论及系统性的解决方案[10]。生态安全格局可以在宏观上体现生态保护修复重点区域之间的各种联系, 也可以为落实每个重点区域的保护修复提供决策依据, 对维护景观格局整体性及区域生态安全具有重要意义[11-13]。当前构建“源地-阻力面-廊道”这一格局已经成为研究生态安全格局的范式[14-16]。已有学者采用了距离分析工具和基于调用电路理论的linkage mapper来提取廊道[17-18], 如何丰富这一研究范式成为当下研究的热点[19-20]。在流域尺度下统筹考虑上下游各类生态系统的连通性, 结合生态系统服务功能, 分析和构建山水林湖草整体生态安全格局, 突出生态修复重点区域与重点问题, 对维护流域生态安全具有重要意义。
岷江是长江上游的重要支流, 自然资源充足, 流域内分布着包括大熊猫自然保护基地在内的多个国家自然保护区, 人与自然关系十分密切。随着四川经济的发展以及成都经济的崛起, 研究岷江流域的生态安全格局有助于认识发展经济和保护生态之间的矛盾与联系, 识别生态修复重点区域对保障岷江流域生态安全和经济发展具有重要意义。
研究区位于四川省境内, 总面积31 996.4 km2, 穿越川西北高原山地、成都平原和川东南丘陵地区, 涵盖由北向南包括松潘、汶川、都江堰、温江、青神、乐山、宜宾等20个市、县和区(图1)。研究区水利条件优厚, 包含都江堰、眉山蟆颐堰和青神鸿化堰等众多水利工程。研究区北部地处岷山-邛崃山生态功能保护区, 物种资源丰富。岷江上游地带属岷山-邛崃山高山区, 中下游地带属四川盆地中部丘陵区。岷江流域北部地形复杂, 高原山地居多, 湿地、森林等动植物资源十分丰富；
流域南部地势相对平坦, 途经成都平原, 经济繁荣, 交通发达, 人口密集，与北部成鲜明对比。岷江上游属于高原气候区, 中下游属于亚热带气候区。
图1 研究区地理位置
数据来源: 遥感影像为Landsat 8影像, 空间分辨率30 m; NPP采用MOD17A3H数据集, 空间分辨率500 m; 气温降水数据来自中国气象局年均降雨量与平均气温数据集; DEM采用空间分辨率30 m的ALOS数据; 土壤数据来自中国科学院资源环境科学与数据中心和国家青藏高原科学数据中心。其中, NPP、降水、气温数据的时间序列为2008—2018年。
2.1 研究框架体系
构建生态安全格局的关键在于识别生态源地。本文基于景观生态学理论, 结合生态服务功能重要性和生境质量, 按照景观格局指数, 通过粒度反推法选取生态源地。使用MCR模型结合生态敏感性、景观阻力、坡度和起伏度这些阻力因素加权叠加提取生态阻力面。运用Linkage Mapper 模型提取生态廊道、生态夹点和生态障碍点并结合区域交通网络提取生态断裂点, 以国内生产总值作为经济条件划分生态断裂点等级。将得到的生态源地和生态节点作为生态修复重点区域构建生态安全格局(图2)。
图2 研究框架图
2.2 生态系统服务功能性和敏感性
生态系统服务功能性和敏感性评价能突出生态系统中的价值主体、修复对象和主要的生态问题。基于生态敏感性及生态服务功能性选取生态价值, 优于直接选取自然保护区, 具有科学性[21]。研究区主要生态系统服务功能为生物多样性和水源涵养, 其中生物多样性保护功能是生态系统在维持基因、物种、生态系统多样性发挥的作用, 是生态系统提供的主要功能之一。基于NPP模型的生物多样性保护服务能力指数(Sbio)计算公式为[22]
Sbio=NPPm×Fpre×T×(1-H),
(1)
式中:NPPm为研究区10年(2008—2018)平均净初级生产力;Fpre为10年平均降水数据；
T为10年平均气温数据；
H为区域海拔高度。经计算并对服务重要性分级，结果如图3a所示。
水源涵养是生态系统通过其特有的结构与水相互作用, 对降水进行截留、渗透、蓄积, 并通过蒸散发实现对水流、水循环的调控[22]。研究区水资源丰富, 水生动植物繁多, 提取水源涵养量能更好地反映区域生态价值, 为生态源地选取提供科学依据。基于NPP模型的水源涵养服务能力指数(W)计算公式为[22]
W=NPPm×Fsic×Fpre×(1-Fslo),
(2)
式中:Fsic为土壤渗流因子;Fslo为研究区坡度栅格。分级结果如图3b所示。
图3 岷江地区生态系统服务功能重要性和敏感性分级
水土流失敏感性和石漠化敏感性作为评价生态系统的重要指标可以突出区域生态问题, 经过分级处理可以对比研究区内的敏感性问题, 将其作为生态学阻力因子加入MCR模型中，其计算公式为[22]
(3)
式中:SSi为i空间单元水土流失敏感性指数; 评价因子包括降雨侵蚀力(Ri)、土壤可蚀性(Ki)、坡长坡度(LSi)和地表植被覆盖(Ci)。分级结果如图3c所示。
(4)
式中:Si为i评价区域石漠化敏感性指数;Di、Pi、Ci为i评价区域碳酸盐类岩石出露面积百分比、地形坡度和植被覆盖度。分级结果如图3d所示。
2.3 生境质量模型
根据土地利用类型设置生境系数和威胁系数, 提取生境质量。结合研究区实际情况, 选取耕地、铁路、公路、城镇建设用地、农村建设用地以及工矿用地作为研究区的威胁源。按照已有研究和文献[23]完善和优化威胁系数, 以林地、草地、湿地和水系等大类所包含的景观类型作为生境, 结合实际情况和文献[24]得到生境敏感系数。通过模型计算出生境质量
(5)
式中:Qxj表示地类j中的栅格x的生境质量;Hj表示地类j的生境系数;Dxj表示地类j中栅格x的总威胁水平;z为模型默认参数,z=2.5;k=0.5，为半饱和参数。
2.4 粒度反推法
粒度反推法基于反证法思想, 通过测算不同粒度下景观格局指数确定最优景观组分, 从而根据该景观组分反选生态源地[25]。基于景观格局的整体性和连通性选择最大斑块指数(LPI)、有效网眼大小(MESH)、斑块内聚力指数(COHESION)以及景观分离度(DIVISION)这4种景观格局指数, 经Fragstats 4.2计算不同粒度水平下4种指数, 分析指数曲线选取最优栅格粒度大小, 并根据该粒度水平提取生态源地。
2.5 最小累积阻力面模型
阻力面是指生物在生态源地间迁徙时所受到的环境阻碍的大小在二维平面上的表示。基于景观类型提取阻力, 结合研究区坡度、起伏度和生态敏感性等阻力因子加权叠加来构建综合阻力面。根据研究区的实际情况和相关文献, 选择水土流失敏感性和石漠化敏感性作为阻力因子参与计算。最小累计阻力面模型为[26]
(6)
式中:MCR为研究区内某一景观类型到生态源地的累计阻力值;fmin是一个未知的正函数，反映空间中任一点的最小阻力与其到所有源的距离和景观基面特征的正相关关系；
Dij为物种从生态源地j到景观单元i的空间距离；
Ri表示景观i阻力大小。根据分位数方法对生态敏感性分为5级, 各因子阻力系数和权重根据实际情况，并参考已有研究和专家意见打分(表1)。
表1 研究区生态阻力面模型因子系数
2.6 生态廊道和生态节点
相邻生态源地之间可以通过生态廊道进行连接, 生态廊道内进行能量和物质流动交换, 是实现生态流、生态过程、能量的互通连续的关键生态用地[27-28]。连接路径使用核心栖息地区域的矢量图和移动阻力的栅格图来识别和绘制核心区域之间成本最低的联系, 也就是生态廊道。
生态夹点是基于生态廊道层面计算得到的廊道关键区域, 显示了最有效的移动路径和其中的关键夹点。生态夹点是电流的高密集区域, 体现了该处廊道的不可替代性, 是能左右生态源地之间连通性的存在, 因此, 应该作为生态保护修复的重点区域。对比廊道内的生物流动强度, 提取生态夹点。生态障碍点可以检测出影响廊道质量和位置的重要障碍, 也可以解释为阻碍动植物在生态源地之间迁徙的关键区域。
生态断裂点是指中断生态廊道的区域。高速公路是人类社会物流交通最重要的场所, 车流量大且道路使用频繁, 公路两侧装有隔离带、隔音墙等, 穿梭在崇山峻岭之中, 严重影响到了生物物质的流动。因此, 以高速公路为阻隔识别生态断裂点, 并结合国内生产总值(GDP)对断裂点划分为4个等级,GDPij计算公式如下:
GDPij=GDP×(Qij/Q),
(7)
式中,GDPij是空间化之后的GDP栅格单元值;GDP为该栅格单元所在的县级行政区单元的GDP统计值;Qij为该栅格单元的土地利用类型、夜间灯光亮度、居民点密度的总权重;Q为该栅格单元所在县级行政单元的总权重。
3.1 生态源地的识别
结合Fragstats 4.2计算研究区最优粒度水平(图4), 经计算最大斑块指数在粒度为360 m处达到平衡状态, 有效网眼大小在粒度360 m后先增后减, 并与粒度为1 500 m时水平相当, 景观分离度在360 m处到达最小值, 因此, 选取360 m作为最佳粒度水平反选生态源地。
图4 研究区不同粒度景观格局指数
以Invest生境质量模型为基础结合生态服务功能重要性评价得到的综合生境质量(图5a)。根据统计研究区综合生境质量极高的面积为12 881 km2, 占研究区总面积的40.26%；
综合生境质量低于0.3为最低级, 仅占18.18%, 主要集中在崇州市、郫都区、青羊区、武侯区、双流区、温江区、新泽县、彭山区和东坡区, 整体生境质量较好。自松潘县起岷江上游的岷山-邛崃山山区综合生境质量较高, 到中游成都平原地区社会经济发达生境质量较差, 再到下游宜宾和屏山县生境质量中等, 整体生境质量从北到南呈高—低—高的格局。研究区生态源地总面积为7 111.32 km2, 占研究总面积的22.23%。其中属于岷山-邛崃山生态保护地的面积为5 040.81 km2, 占生态源地的70.89%。生态源地集中在犍为县、宜宾县、汶川县、茂县和松潘县, 总面积为5 562.83 km2, 占生态源地总面积的78.23%(图5b)。
3.2 研究区基础生态安全格局构建
基于综合阻力面和生态源地提取生态廊道, 构建基础生态安全格局(图5d)。廊道总长3 713.62 km, 总体走势伴随岷江由北向南, 多集中在生态源地密集的岷山-邛崃山山区, 穿梭在林地和草地之间，靠近岷江中游, 成都平原地区, 经济发达, 城镇建设用地覆盖全域, GDP剧增, 导致该地区廊道网络密集程度骤减, 形成了沿岷江运动的单一格局, 对水生生物影响较小, 逼迫部分陆生生物绕道而行, 到岷江下游乐山、宜宾地区逐渐恢复密集的廊道网。
图5 以各模型为基础的岷江地区生态安全格局
3.3 生态保护修复重点区域识别与修复分析
3.3.1 重点生态节点识别 研究区生态夹点(图6a)总长390.15 km, 最长夹点位于新泽县。整体沿岷江分布在崇州市、大邑县、新泽县、彭山区、东坡区、青神县、乐山市、五通桥区, 该地区生态受到经济发展的严重影响, 生态廊道极其重要, 生物流动强度大, 生态夹点集中分布。
识别生态障碍点的目的是尽可能的修复这些阻碍生物运动的区域, 本文共识别出生态障碍点53个, 在整个研究区皆有分布(图6b)。有 21个障碍点分布在岷江上游的松潘县, 这些点集中分布在山顶顶点或山谷的底点, 由于高差过大阻碍生物物质流动。岷江中下游共有24个障碍点, 其中, 中游的东坡区有6个, 下游的翠屏区有6个分布较集中, 该区域障碍点的成因是生物在城镇建设用地之间的生态源地运动, 交通、建筑、工矿等用地成为切断生物迁徙的关键区域。城镇规划要给生态保护修复让步, 根据生态安全格局合理分配资源, 合理建设。
研究区中共有生态断裂点36个, 其中一级断裂点有7个, 分布在汶川县和宜宾县; 二级断裂点有4个, 分布在都江堰市、青神县和犍为县; 三级断裂点20个, 分布在崇州市、东坡区、乐山市、五通桥区和翠屏区; 四级断裂点有5个，分布在新泽县和彭山区(图6c)。
3.3.2 基于生态安全格局的国土空间保护修复分析 基于景观格局, 识别出生态源地、廊道、夹点、障碍点等国土空间修复保护重点区域(图6d)。当重点修复保护区域的主体功能为生物多样性生态服务功能性时, 例如松潘县和茂县内部的生态源地, 建议: ① 开展区域性的生物物种调查与监测, 评估区域生物保护现状, 查出威胁源头; ② 严禁对珍稀物种的滥捕、乱采、偷猎; ③ 限制损害生态源地或物种栖息地的社会经济活动和生产方式; ④ 严防物种入侵。当重点修复保护区域的主体功能为水源涵养服务功能重要性时, 例如岷江沿岸, 特别是岷江下游的屏山县, 建议: ① 保护岷江水系的森林、草地、湿地等生态系统, 坚持以自然修复为主; ② 控制岷江干支流水污染, 严格检查研究区的水质问题, 严格监督水域工厂排污状况; ③ 发展生态产业, 减缓岷江水系作为工农业用水的压力。根据生态修复重点区域的分布结合不同, 主体功能的修复措施可以更好地服务于山水林田湖草生态修复工程。
图6 研究区生态修复重点区域
3.4 流域生态安全格局验证分析
岷江上游湿地和森林资源丰富, 生态结构完整, 包含多种动植物保护地。因此, 选取生态源地、廊道等重点区域分布密集的松潘县和汶川县为例, 并结合流域内的河流网络、湖泊和沼泽对岷江地区流域生态安全格局进行合理性验证与分析。由松潘县卫星影像解译可知，流域内生态源地主要包含森林、湿地以及地势平缓的有林地带，实地调研表明，符合实际情况(表2)。生态廊道连接各个生态源地与流域内河流湿地交织形成通畅的生物物种流动网络, 特别是在松潘县多山地带, 生态廊道沿水系分布更加明显, 并没有直接穿过山脊线或者山谷线, 沿线地形高差相对平缓符合生物迁徙规律等实际情况。生态障碍点多分布在生态源地之间的连接线上, 松潘县内突出分布在东部大山冰雪覆盖区和中西部山地岩体出露处, 寒冷的冰雪以及干旱的裸岩阻隔生物物质流动, 证明结果与实际情况基本吻合(图7a)。由汶川县卫星影像解译可知生态源地在汶川县腹地分布较少, 生态廊道对耕种区的连接较少(图7b), 说明人类活动对生物物质流动产生了消极影响, 在一定程度上阻碍了生物圈的正常流动, 这也直观体现了权衡生态安全与人类社会发展的必然性和重要性。生态廊道在汶川县表现出由东北向西南沿山脚线分布的特征, 由于人类活动影响偏离了围绕岷江干流分布。生态障碍点依然分布在山区裸岩处, 没有过多分布在城镇的原因是生物并不向城镇方向迁徙。松潘县和汶川县这两组卫星影像直观地证明了岷江流域生态安全格局的合理性和必要性。
表2 岷江地区生态关键区域景观分布情况
图7 岷江上游流域保护修复重点区域验证
本文以岷江地区作为研究区, 按照景观生态学的基本思路, 利用Invest模型提取生境质量并结合生态服务功能重要性来识别, 经粒度反推法来选取生态源地, 得到源地集中分布在岷江上游和下游与金沙江交汇处; 把生态敏感性作为因子加入MCR模型构建研究区的综合阻力面; 基于生物物质电流强度模型识别生态廊道、夹点、障碍点; 基于研究区高速公路网识别生态断裂点并结合国内生产总值对生态断裂点进行等级划分，更加完善地构建生态安全格局, 识别研究区国土空间生态保护修复重点区域, 并针对不同主体服务价值的重点区域提出不同的保护修复建议。
岷江流域应当以保护保育为主、修复为辅, 主要针对森林抚育及各类生态系统要素、地质灾害。继续加强生态保护与恢复, 恢复与重建水源涵养区森林、草地、湿地等生态系统, 提高生态系统的水源涵养能力。坚持自然恢复为主, 严格限制在水源涵养区大规模人工造林。控制水污染, 减轻水污染负荷, 禁止导致水体污染的产业发展, 开展生态清洁小流域的建设。严格控制载畜量, 实行以草定畜, 在农牧交错区提倡农牧结合, 发展生态产业, 培育替代产业, 减轻区内畜牧业对水源和生态系统的压力。
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