史芳寧, 劉世梁, 安 毅, 孫永秀

北京師范大學環(huán)境學院水環(huán)境模擬國家重點實驗室, 北京 100875

我國經濟已進入高質量發(fā)展階段,基礎設施更加完善,人民生活水平有了很大提高,但同時由于砍伐樹木、圍湖造田以及過度放牧等一系列人類活動干擾,造成生態(tài)系統(tǒng)嚴重退化,不僅環(huán)境遭到破壞,而且在很大程度上制約我國社會經濟的可持續(xù)發(fā)展。為此我國開展了一系列的生態(tài)修復措施,過去對于生態(tài)系統(tǒng)的修復多以行政單元為界限,沒有考慮生態(tài)系統(tǒng)各組成部分之間的聯系,導致治理效果甚微[1]?；谏鷳B(tài)系統(tǒng)整體性、系統(tǒng)性和綜合性的特點,習近平總書記提出“山水林田湖草是一個生命共同體”的理念,為當代生態(tài)學研究提供了新的指導方向。

近年來我國針對“山水林田湖草”生態(tài)系統(tǒng)保護修復進行了大量探索工作,陳安等在調查基礎上,圍繞這一理念開展對宜昌市生態(tài)問題的系統(tǒng)修復[2]；王波等將理論與實踐相結合,從工程技術層面把修復工作落實到具體項目區(qū)域[3]；孔登魁等分析了“山水林田湖草”的空間分布特征并探究各系統(tǒng)之間的內部聯系[4]；有學者提出“山水林田湖草是生命共同體”就是做到整體保護、系統(tǒng)修復和綜合治理,通過構建生態(tài)廊道提升生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[5]。因此,遵循統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)治理的思想進行生態(tài)網絡構建的研究,對于提升地區(qū)生態(tài)質量、改善區(qū)域生態(tài)狀況具有重要的意義。

生態(tài)網絡是在一種開放系統(tǒng)中利用廊道使景觀中各部分相互連接,形成一個空間和結構上緊密聯系的網絡體系,它能夠將濕地、農田、林地以及草地等生態(tài)系統(tǒng)有機結合[6],從而克服單一的保護和修復方式。國內外已經有多種方法及相關軟件被應用于生態(tài)網絡研究,Parker 等通過設計重要廊道連接破碎生境,從而保護生物多樣性[7]；Lookingbill等通過實地觀察動物遷移運動后結合復合動力模型,識別棲息地斑塊間的廊道連接[8]；陳小平等利用最小費用模型與重力模型相結合的方法評價了鄱陽湖經濟區(qū)的生態(tài)網絡狀況[9]；于亞平等基于MSPA與景觀連通性方法,探討了城市綠色基礎設施網絡的構建[10-11]。

生態(tài)網絡的構建和優(yōu)化可以提高區(qū)域景觀連接度,有利于保護生物多樣性、維持景觀特性[12-13],同時能夠使生態(tài)問題可視化,做到具體問題具體分析,從而有目的地對生態(tài)脆弱地區(qū)提出針對性的建議和合理的規(guī)劃,為生態(tài)安全格局的劃定提供框架。目前,“源地識別-確定阻力面-獲取廊道”已經成為生態(tài)網絡構建的基本框架,其中最小累積阻力模型方法能夠反映景觀基質對廊道提取的影響[14],因此該方法自改進以來[15],被廣泛應用于城鎮(zhèn)景觀、生境保護等生態(tài)網絡構建中。

廣西壯族自治區(qū)地處我國南疆,獨特的氣候和地形使其擁有非常豐富的自然資源,同時野生動植物種類眾多,其生態(tài)優(yōu)勢不容忽視。本文以廣西左右江流域為研究區(qū),基于“山水林田湖草”原則,充分考慮土地利用、地形因素以及野生動物活動范圍,采用最小累積阻力模型識別潛在廊道,分析生態(tài)源地的分布特點和連通狀況,并在現有網絡的基礎上,提取對優(yōu)化生態(tài)網絡有重要作用的關鍵節(jié)點,同時結合道路網找出潛在生態(tài)斷裂點,進而構建廣西左右江流域的生態(tài)網絡并提出可行的優(yōu)化建議。此研究可為其他地區(qū)山水林田湖草系統(tǒng)保護和修復以及生態(tài)網絡的構建提供參考和借鑒。

1 研究地區(qū)與數據來源

1.1 研究區(qū)概況

廣西藏族自治區(qū)界于20°54′—26°24′N,104°28′—112°04′E之間,地處低緯度,北回歸線橫貫中部,屬亞熱帶季風氣候,雨水豐沛,光照充足,氣候宜人。地處中國地勢第二階梯中的云貴高原東南邊緣,南臨北部灣并與海南省隔海相望,土地面積23.76萬km2,管轄海域面積約4萬km2。廣西總體為山地丘陵性盆地地貌,山嶺連綿且有著復雜的水系,擁有豐富的森林和水源涵養(yǎng)地,為野生動植物造就了良好的生存環(huán)境。在廣西境內發(fā)現的陸棲脊椎野生動物約占全國總數的43%,其中包括大量的國家重點保護物種,如鱷蜥、黑管長臂猿、白頭葉猴等；野生植物的數量在各省中同樣居于前列,更有被譽為“植物界大熊貓”的金花茶。

豐富的物種資源使廣西具有許多生物多樣性熱點地區(qū),但由于工農業(yè)生產的不斷發(fā)展和擴大,以及采礦和道路建設等一系列人類活動干擾,割裂了自然保護區(qū)之間的聯系,生態(tài)廊道建設力度不足,導致物種棲息地破碎化,面積也有逐年減少的趨勢。本文研究區(qū)廣西左右江流域(圖1),位于廣西西南部,分布有盆地、丘陵和喀斯特等多種地貌,地形復雜,水系發(fā)達。區(qū)域內保護區(qū)總面積為60.66萬hm2,約占全區(qū)總面積的10.40%,卻能有效保護80%以上的國家重點保護動植物種類,在生物多樣性保護中有著重要地位。同時研究區(qū)位于華南經濟圈、西南經濟圈和東盟經濟圈的結合部,更是我國推進“一帶一路”建設的重要地區(qū),因此,如何合理規(guī)劃區(qū)域,開展“山水林田湖草”生態(tài)保護與修復工作,對推動區(qū)域乃至全國性的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

圖1 研究區(qū)位置與土地利用現狀圖Fig.1 Location of the study area and land use

1.2 數據來源

本文數據包括廣西省自然保護區(qū)分布圖、數字高程模型(DEM,分辨率30m)、2015年1∶25萬廣西省土地利用數據以及全省交通道路分布圖。利用ArcGIS軟件,通過裁剪獲得研究區(qū)域的數據。根據研究區(qū)實際情況以及構建生態(tài)廊道的需要,將土地利用類型劃分為自然林地、天然林地、草地、耕地、濕地、水域、人工表面和其他用地 8 種景觀類型。

2 研究方法

2.1 生態(tài)源地的選擇

圖2 研究區(qū)生態(tài)源地分布Fig.2 Distribution of ecological sources in the study area

生態(tài)源地作為物種生存和擴散的起點,與周圍環(huán)境進行復雜的物質、能量和信息交換,對維持生態(tài)系統(tǒng)以及景觀層面的整體功能起到重要作用[16]。研究對左右江流域的自然狀況進行調查,發(fā)現其自然林草地面積大且分布廣,很難提取出較為明顯的區(qū)域邊界,考慮到生態(tài)源地對整體環(huán)境的作用,并參考文獻[17],選取了流域內具有重要價值且物種密集的25個自然保護區(qū)作為生態(tài)源地,見圖2,包括7個國家級自然保護區(qū),省級、市級、縣級自然保護區(qū)分別為13個、2個、3個,多分布于百色市和崇左市,總面積為5229.51km2。

2.2 阻力面的確定

景觀阻力表征生物在不同用地類型生存和遷移的困難程度[18],阻力值的確定是構建生態(tài)網絡的關鍵,不同的阻力賦值對廊道提取有很大影響[19]。本次研究遵循“山水林田湖草是生命共同體”原則,考慮到植被類型和人為干擾等因素,根據研究區(qū)實際情況并參考已有研究[20- 24],對林地、草地、耕地、水域和人工表面等8種土地利用類型進行賦值；同時地形因素也會對陸生生物的擴散產生影響,因此將高程數據(DEM)分為5級后賦值,構建不同因素阻力層,最后基于ArcGIS進行疊加得到2015年景觀阻力面,見表1。

表1 生態(tài)阻力面賦值及權重

2.3 基于最小累積阻力模型構建潛在生態(tài)廊道

最小累積阻力模型由Knaapen于1992年首次提出[25],該模型基于生態(tài)流在源地之間運動克服一定阻力所消耗的費用,從而篩選出當前環(huán)境下的最小成本路徑[26],其優(yōu)點是所需數據量少,并且能夠與多種方法結合,從而識別最優(yōu)路徑[27-28]。根據Knaapen等[25]和俞孔堅[15],計算公式如下：

式中,MCR為最小累積阻力值,f表征MCR與(Dij×Ri)之間的正函數關系;Dij表示從源地j到空間某點i的距離,Ri為空間單元i的阻力值。MCR越小表明生態(tài)流移動受到的阻力越少。

利用ArcGIS將生態(tài)源地鑲嵌于構建的阻力面,然后基于Graphab軟件識別潛在生態(tài)廊道,這些廊道不僅僅是物種擴散的潛在路徑,也是維持景觀整體功能的潛在連接。

2.4 生態(tài)網絡結構組成及連通性分析

鑒于研究區(qū)域及所選取生態(tài)源地動物多為靈長類及鳥類,將廊道閾值設置為1.5km,通過ArcGIS軟件中的“Buffer”工具建立0.5km、1.0km兩條廊道緩沖帶,分析潛在廊道分布狀況以及景觀組成。同時,利用Graphab軟件中的指數分析功能,選取整體連通性指數(Integral Index of Connectivity,IIC)評價潛在廊道下源地對生態(tài)網絡連通性的貢獻程度,為優(yōu)化生態(tài)網絡和合理規(guī)劃土地利用提供依據。

2.5 生態(tài)網絡的優(yōu)化

生態(tài)節(jié)點是生態(tài)相對較弱卻具有關鍵生態(tài)作用的區(qū)域[29],在生態(tài)網絡中起到“墊腳石”的作用,其識別和建立不僅能為長距離的物種遷徙提供休憩場所,更能夠提升整體景觀的生態(tài)功能。將阻力面模擬的所有廊道與根據物種擴散距離篩選的廊道進行比較,選取能夠提升景觀連通性的廊道交點作為重要生態(tài)節(jié)點。

人工景觀尤其是道路網貫穿于不同的景觀類型之間,對生態(tài)過程有著直接的影響[30- 31],且不同級別的道路對生態(tài)系統(tǒng)的干擾存在差異[32]。本文選取鐵路、高速公路和國道3種道路與潛在廊道疊加,識別生態(tài)斷裂點,并根據道路干擾強度：鐵路>高速公路>國道,將斷裂點分為一、二、三級,級別越高越需要重視和修復,從而有目的性地進行生態(tài)網絡的優(yōu)化。

3 結果分析

3.1 潛在生態(tài)網絡結構評價

根據設定的阻力值,得到景觀類型及高程阻力層及疊加后的阻力面(圖3)?？紤]到研究區(qū)多為陸生生物,棲息地和活動范圍主要分布在森林,結合人類活動干擾程度對林地、草地賦以較低阻力值；同時由于水體對陸地生物的阻隔作用,故對水域賦以較高阻力值。景觀類型阻力面顯示,受人類活動較為頻繁地區(qū)的影響,阻力較大地區(qū)集中分布于東南地區(qū)的崇左市和南寧市,且阻力作用以人工建設地區(qū)為中心向周圍擴展,這與地區(qū)經濟建設和發(fā)展有密切關系；流域本身雖具有較大阻力,但其周圍阻力作用不明顯。由DEM阻力面可以看出,研究區(qū)海拔整體呈現西北高東南低的態(tài)勢,高海拔地區(qū)地形起伏,結合土地利用發(fā)現,植被多分布于海拔較高地區(qū),而低海拔且地形平坦的地區(qū)多為耕地。圖3所示的景觀疊加阻力面中,由于人類活動和海拔高度的影響,研究區(qū)中部的阻力作用最小,各區(qū)域阻力變化大?？傮w來看,研究區(qū)東南部地勢低且平緩,但由于人類活動導致該地區(qū)有較高阻力值；雖然高海拔地區(qū)會造成一定的阻力,但其作用遠不如由于人工表面和耕地所造成的影響。

圖3 研究區(qū)景觀類型、DEM阻力面和疊加阻力面Fig.3 Resistance surfaces of landscape,DEM and composition in the study area

將生態(tài)源地數據和阻力值輸入Graphab,計算獲取了 69 條潛在生態(tài)廊道,從圖4所示的為潛在生態(tài)網絡拓撲模式,可以清晰地看到,位于右江區(qū)的保護區(qū)之間連通性較好,崇左市擁有多條廊道,但由于源地面積較小,其區(qū)域連通度沒有達到較優(yōu)狀態(tài)。圖4 所示,廊道多分布在崇左市西部以及百色市北部地區(qū),結合阻力面情況,雖然研究區(qū)中部阻力值較小,但受到生物擴散能力以及保護區(qū)規(guī)劃等影響,在1.5km的廊道閾值下中部地區(qū)沒有可利用的潛在生態(tài)廊道,區(qū)域整體被阻隔為四個板塊,表現出較差的連通性。圖4 可以看出,通過對整體連通性指數的分析,由于潛在廊道的缺失,板塊 1、2 的保護區(qū)重要性最低,這可能是由于海拔高度對生境分布造成影響。位于崇左市地區(qū)的板塊 4,雖然有一定數量的生態(tài)廊道,但源地面積小且破碎,導致區(qū)域連接度較低?？梢娫诂F有條件下,自然保護區(qū)沒有受到較好的規(guī)劃和保護,潛在生態(tài)廊道的缺失導致生態(tài)源地之間聯系程度不夠,生態(tài)網絡整體上質量較差。

圖4 基于最小累積阻力模型的拓撲模式、潛在生態(tài)廊道及重要源地分布Fig.4 The topo and realistic view of potential ecological corridor based on MCR method and distribution of impotent ecological sources圖中1、2、3、4代表研究區(qū)內無潛在生態(tài)廊道連接的4個區(qū)域板塊

3.2 生態(tài)廊道緩沖帶分析

為研究所得潛在生態(tài)廊道的可達性程度,參考研究區(qū)生物活動范圍,建立了0.5、1.0km兩種不同寬度的緩沖帶,用以分析廊道的景觀組成。由表2可知,林地是構成廊道的主要景觀類型,約占潛在生態(tài)廊道總面積的70%,可以看出在景觀中,自然林地對物種的擴散起主要連接作用,而草地占廊道面積遠小于林地,僅為3%,這不僅與左右江流域野生動物的生活習性有很大關系,也與草地種類和覆被程度有關；耕地是僅次于林地的景觀類型,占廊道面積的20%還要多,遠大于面積占比第三的草地,且隨廊道寬度的增加有增長的趨勢,這表明耕地與研究區(qū)生態(tài)網絡的構建密切相關,其作為人工景觀很容易對生態(tài)系統(tǒng)造成影響；水域、人工用地和裸地面積雖占比不大,但對物種遷移和景觀連接有明顯的阻隔作用,應加以重視,避免對現有廊道造成破壞。因此,合理規(guī)劃土地利用,尤其是耕地的調整對優(yōu)化生態(tài)網絡至關重要。

3.3 生態(tài)網絡問題識別

結合研究區(qū)潛在廊道的存在現狀,根據已有阻力面模擬生態(tài)廊道,找出生態(tài)網絡的薄弱區(qū)域,即關鍵生態(tài)節(jié)點建立“踏腳石”斑塊,從而有效改善景觀生態(tài)結構和功能。前期研究表明,廣西左右江流域中部地區(qū)連通性較差,有很大的提升空間,圖5對比了現有廊道和模擬廊道的分布,發(fā)現在研究區(qū)的北部和中部地區(qū)存在可構建的生態(tài)節(jié)點,并且這些地區(qū)多為天然林地構成,如果加以規(guī)劃和保護,形成對生態(tài)網絡有顯著連接作用的“踏腳石”斑塊,不僅能夠促進物種的擴散,而且有利于物質循環(huán)和能量流動過程。

表2 潛在生態(tài)廊道的景觀構成

在生態(tài)網絡的構建和優(yōu)化中,不僅要關注重要節(jié)點的建立,生態(tài)斷裂點的存在也不容忽視。本文將道路網和潛在廊道疊加,得到研究區(qū)范圍內23個生態(tài)斷裂點,其中一、二、三級分別為7個、9個和7個,分別對應廊道與鐵路、高速公路和國道的交點, 如圖5所示,這些生態(tài)斷裂點多分布于百色市和崇左市工農業(yè)發(fā)達地區(qū)。圖中看出道路網甚至穿過保護區(qū),如果不采取特殊措施,那將會對自然保護區(qū)產生嚴重破壞。生態(tài)斷裂點為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的修復提供了具體的方向,根據分級能夠有主次地采取相應的措施。

圖5 重要生態(tài)斷裂點和生態(tài)節(jié)點分布Fig.5 Distribution of important ecological breaking points and ecological nodes

4 結論與討論

生態(tài)系統(tǒng)各組成部分之間是相互作用、相互影響的,因此在實施生態(tài)保護和修復時務必要處理好局部與整體的關系,避免對生態(tài)系統(tǒng)各要素實施分隔式管理,自習近平總書記提出“山水林田湖草是生命共同體“的原則以來,更加明確了這一科學理念。廣西作為擁有豐富資源的地區(qū),其生態(tài)問題一直受到黨中央的高度重視,本文以左右江流域為研究區(qū),根據2015年土地利用數據、高程、道路數據以及保護區(qū)分布狀況,對”山水林田湖草“系統(tǒng)保護和修復方法進行初步探索,從生態(tài)系統(tǒng)各要素空間分布及聯系入手,借助最小累積阻力模型構建生態(tài)廊道,分析研究區(qū)潛在生態(tài)網絡的結構并提出優(yōu)化對策。研究結果表明：

(1)基于最小累積阻力模型和整體景觀連接度,同時考慮到生物特性識別潛在生態(tài)廊道,發(fā)現在現有基礎上廊道對景觀連接度沒有起到非常重要的作用。研究區(qū)中部地區(qū)缺乏對自然生境的保護,導致區(qū)域潛在生態(tài)網絡被分隔開。

(2)整體連通性指數(IIC)表明,由于人類活動干擾和生態(tài)廊道的缺失,不僅景觀整體連通質量差,生態(tài)源地對區(qū)域的連接重要性也較低,尤其是南部地區(qū)的自然保護區(qū),呈現出面積小且分散的狀態(tài)。

(3)通過建立緩沖帶,分析了潛在生態(tài)廊道的景觀構成,耕地是面積占比僅次于林地的景觀組成,表明耕地會對廊道的組成和功能產生直接或間接的影響。

本研究采用Graphab軟件,能夠將所得結果在空間水平上直觀地表現出來,其應用范圍廣,能夠綜合分析各種數據且將物種的實際運動狀況納入運算中,對多種網絡結構進行分析。除了關注生態(tài)源地和潛在生態(tài)廊道本身,還圍繞“山水林田湖草是生命共同體”的理念,探究源地和廊道周圍各景觀類型的結構和分布狀況。因此,生態(tài)網絡的構建能夠全面考慮山、水、林、田、湖、草對區(qū)域的綜合影響,解決了在生態(tài)修復過程中由于忽略生態(tài)系統(tǒng)之間相互聯系而盲目治理的問題。

耕地的變化會造成潛在生態(tài)廊道較明顯的改變,因此應實行退耕還林還草或其他相關的保護措施,盡量減少廊道周圍的人類活動,以避免不必要的損失；同時也要關注阻力作用較大的人工表面,雖然這類景觀面積占比小,但對生態(tài)系統(tǒng)的影響要比耕地更加深遠和持久,因此在實施建設時要合理規(guī)劃,避開重要生態(tài)區(qū)域,將對生態(tài)網絡的影響降到最低。

此外,通過模擬廊道以及道路網數據,識別能夠優(yōu)化生態(tài)網絡結構和功能的關鍵生態(tài)節(jié)點和生態(tài)斷裂點,彌補由于規(guī)劃不合理或保護力度不夠而造成的生態(tài)損失。在識別的生態(tài)節(jié)點中,研究區(qū)西北部和中部地區(qū)的節(jié)點的增加能夠有效改善生態(tài)網絡結構,對生態(tài)流起到“墊腳石”的作用,因此可以對這些節(jié)點進行實地勘探和考察,對符合條件的生態(tài)節(jié)點可以增加植被種群密度,或者建立自然保護區(qū)。生態(tài)斷裂點會很大程度上削弱潛在廊道的作用,甚至阻斷廊道,因此在識別生態(tài)斷裂點的基礎上,選取影響較大、級別較高的斷裂點,通過建設地下通道、過境隧道和天橋等方式促進物種遷徙,恢復和維持景觀連通性,促進物質、能量和信息的正常流通。本研究方法作為初步嘗試,能夠為“山水林田湖草”系統(tǒng)保護和修復提供理論和方法參考。