溫雪靜, 周 智, 張美麗, 張蓬濤, 張貴軍, 張秦瑞

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 保定 071000; 2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)土資源學(xué)院 保定 071000; 3.河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 保定 071000; 4.四川輕化工大學(xué) 宜賓 644000)

國(guó)土空間是人類及其他生物生存與活動(dòng)的場(chǎng)所,由生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)共同組成[1]。近年來, 不斷加重的人類活動(dòng)導(dǎo)致土地退化、生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重破壞,隨之帶來了氣候危機(jī)以及水源和糧食安全問題, 生態(tài)修復(fù)迫在眉睫[2]。目前我國(guó)對(duì)一些地區(qū)展開了生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工作, 如京津風(fēng)沙源治理工程和“三北”防護(hù)林工程, 局部區(qū)域植被覆蓋率和生態(tài)環(huán)境得到一定改善[3]。但以工程為導(dǎo)向的生態(tài)修復(fù)往往只針對(duì)于某一生態(tài)要素進(jìn)行分析與治理, 缺乏系統(tǒng)性考慮, 形成局部效果明顯, 而整體效果不盡理想, 因此造成生態(tài)系統(tǒng)的整體性和穩(wěn)定性不斷遭到破壞[4]。而從生態(tài)安全格局角度進(jìn)行國(guó)土空間生態(tài)修復(fù), 是以山水林田湖草思想為理論基礎(chǔ), 可達(dá)到統(tǒng)一保護(hù)、統(tǒng)一修復(fù)的目的[5]?；诖伺袆e生態(tài)關(guān)鍵區(qū)域具有重要生態(tài)價(jià)值[6-9]。

生態(tài)關(guān)鍵區(qū)域作為景觀格局研究的關(guān)鍵一環(huán),其內(nèi)涵為: 景觀中的點(diǎn)、線、面等對(duì)于保證生態(tài)系統(tǒng)安全具有關(guān)鍵作用的生態(tài)要素[10]。目前關(guān)鍵區(qū)域的劃定范圍各有千秋, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者較多將生態(tài)廊道薄弱區(qū)域、廊道與廊道的交點(diǎn)、廊道的轉(zhuǎn)折點(diǎn)、廊道與生態(tài)源地的交點(diǎn)、廊道與山脊線的交點(diǎn)、脊線與谷線的交點(diǎn)區(qū)域作為關(guān)鍵區(qū)域[11-19], 其識(shí)別方法多為經(jīng)驗(yàn)判別法[20], 或是通過生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、適宜性分析、敏感性分析等單因子評(píng)價(jià)法[21-25]。而從整體格局視角界定其范圍進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行判別的研究較少。近年來有學(xué)者提出將生態(tài)斷裂點(diǎn)[19]、生態(tài)夾點(diǎn)以及生態(tài)障礙點(diǎn)[26]引入關(guān)鍵區(qū)域研究范圍。生態(tài)夾點(diǎn)為物種流動(dòng)較活躍且必經(jīng)的路徑, 生態(tài)斷裂點(diǎn)、生態(tài)障礙點(diǎn)是在生態(tài)廊道中阻礙生物流動(dòng)的區(qū)域[19], 考慮到物種流動(dòng)行為多具有隨機(jī)性, 如何準(zhǔn)確有效地模擬生物流動(dòng)是識(shí)別此類區(qū)域的關(guān)鍵[27]。McRae[28]首先提出IBR模型預(yù)測(cè)遺傳分化與電阻距離之間的關(guān)系, 并將電路理論融入景觀生態(tài)學(xué)領(lǐng)域, 用電子隨機(jī)游走的特性模擬了物種在景觀中的流動(dòng)擴(kuò)散過程,因此電路理論的連接模型和隨機(jī)游走理論是識(shí)別生態(tài)廊道以及關(guān)鍵區(qū)域的有效途徑[29-31]。電路理論還被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)分析網(wǎng)絡(luò)研究。但本研究發(fā)現(xiàn)僅應(yīng)用該理論方法進(jìn)行生態(tài)關(guān)鍵區(qū)域的識(shí)別, 得到的結(jié)果中或多或少地缺失一部分需要修復(fù)的生態(tài)要素。鑒于此, 本研究將電路理論與生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)相結(jié)合, 希望能夠更為全面地識(shí)別生態(tài)關(guān)鍵區(qū)域, 有效避免在生態(tài)修復(fù)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)產(chǎn)生遺落。

太行山區(qū)為中國(guó)東部地區(qū)的一條關(guān)鍵地理分界線和京津冀重要生態(tài)屏障, 囊括土石山區(qū)、革命老區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)。唐縣位于太行山東麓, 其地理位置和經(jīng)濟(jì)條件在太行山區(qū)較為典型。該區(qū)域相關(guān)研究主要涉及生態(tài)安全格局演變、土地利用沖突測(cè)度、礦產(chǎn)資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展等方面的成果,涉及國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域的研究較少。另外, 通過結(jié)合電路理論和生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)對(duì)生態(tài)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行判別的研究同樣較少。在此背景下, 識(shí)別太行山區(qū)唐縣國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域?qū)τ趨^(qū)域國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)與治理具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。本文以太行山區(qū)唐縣作為研究區(qū), 選擇3期遙感影像分別計(jì)算遙感生態(tài)指數(shù)進(jìn)行生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià), 同時(shí)綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)識(shí)別生態(tài)源地, 最終選取最穩(wěn)定的斑塊作為最終生態(tài)源地; 選取土地利用類型、生境質(zhì)量、坡度、高程等因子, 運(yùn)用最小累計(jì)阻力模型構(gòu)建生態(tài)阻力面; 基于電路理論識(shí)別生態(tài)廊道及待修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域, 進(jìn)一步完善待修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域范圍與識(shí)別方法, 并對(duì)重要區(qū)域提出相應(yīng)的保護(hù)修復(fù)建議,為太行山區(qū)國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

唐縣位于太行山北段東麓、河北省中部、保定市西部(114°27′～115°03′E, 38°37′～39°09′N), 地理位置較為優(yōu)越, 東至順平縣和望都縣, 南接定州市, 西至曲陽、阜平, 北與淶源縣毗鄰, 下轄川里鎮(zhèn)、軍城鎮(zhèn)、白合鎮(zhèn)、高昌鎮(zhèn)等9個(gè)鎮(zhèn)及石門鄉(xiāng)、倒馬關(guān)鄉(xiāng)、羊角鄉(xiāng)、黃石口鄉(xiāng)等11個(gè)鄉(xiāng), 全縣土地總面積為1417 km2, 總?cè)丝?0.5萬。海拔40～1810 m, 差異較為明顯, 地勢(shì)西北高, 東南低。地貌類型豐富, 包括:平原、丘陵、山地、河流等, 中低山區(qū)主要分布在西部, 丘陵區(qū)主要分布在中部, 平原主要分布在東南部(圖1)。唐縣氣候特征四季分明, 夏季熾熱, 冬季干冷?？h域多年平均降水575.0 mm, 且降雨多集中在夏秋兩季, 冬春兩季降水較少。水量充沛, 唐河、通天河流入境內(nèi), 河北省四大水庫(kù)之一的西大洋水庫(kù)也位于境內(nèi)。土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地以及未利用地, 其中耕地面積442.66 km2, 占全域面積31.24%; 林地144.51 km2, 占10.20%; 草地701.42 km2, 占49.50%; 水域43.16 km2,占3.05%; 建設(shè)用地84.25 km2, 占5.95%; 未利用地1.86 km2, 占0.13%。唐縣近10年間城鎮(zhèn)化率從7.5%驟增至23.3%。產(chǎn)業(yè)特色鮮明, 精工鑄造、文化旅游、農(nóng)副產(chǎn)品及深加工、建筑建材等主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展壯大, 以電子商務(wù)為代表的新興產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展, 2020年全縣生產(chǎn)總值達(dá)124.6億元, 增長(zhǎng)1.4%;城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村居民人均可支配收入分別達(dá)25 401元和10 138元, 增長(zhǎng)4.9%和9.3%, 全縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展平穩(wěn)向好。

圖1 唐縣地理位置及高程圖Fig.1 Position and elevation map of Tang County

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

以Landsat遙感影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。Landsat遙感影像數(shù)據(jù)選擇2000年、2010年的Landsat-5影像, 2018年的Landsat-8 OLI影像, DEM數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m, 均來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站。為保證地表生態(tài)便于識(shí)別, 遙感數(shù)據(jù)均選自于7?9月份, 為減小因季節(jié)差異、植被生長(zhǎng)狀態(tài)不同而造成的誤差, 保證研究結(jié)果的可比性, 3期影像日期前后相差在1個(gè)月之內(nèi),且云量均為0.2%以下。土地利用數(shù)據(jù)依據(jù)2000年、2010年和2018年的遙感影像解譯獲取, 根據(jù)研究目的通過遙感解譯將地類劃分為林地、水域、耕地、草地、未利用地、城鄉(xiāng)、工礦、居民用地及其他建設(shè)用地。對(duì)每期數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢驗(yàn), 精度均達(dá)到85%以上, 滿足研究對(duì)土地利用分類數(shù)據(jù)的精度要求。

2.2 研究方法

2.2.1 生態(tài)源地識(shí)別

生態(tài)源地是區(qū)域范圍內(nèi)生境質(zhì)量較高且具有高生態(tài)服務(wù)價(jià)值的生態(tài)斑塊, 對(duì)維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展具有重大意義?；诖? 綜合生境質(zhì)量和生態(tài)服務(wù)價(jià)值兩方面對(duì)區(qū)域進(jìn)行生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià),從而識(shí)別生態(tài)源地。此方法可達(dá)到從斑塊自身屬性和生態(tài)系統(tǒng)兩個(gè)尺度綜合識(shí)別生態(tài)源地的目的, 所得結(jié)果較全面系統(tǒng)。

2.2.1.1 生境質(zhì)量評(píng)價(jià)

選擇遙感生態(tài)指數(shù)表示生境質(zhì)量評(píng)價(jià)情況, 該指數(shù)由0到1之間連續(xù)變化的值表示, 其值越大研究區(qū)土地開發(fā)利用強(qiáng)度越低, 生態(tài)系統(tǒng)連通性越好, 生境質(zhì)量越高。指標(biāo)選取綠度、濕度、干度和熱度4個(gè)指標(biāo), 分別用歸一化植被指數(shù)(NDVI)、濕度分量(Wet)、建筑裸土指數(shù)(NDBSI)、地表溫度(LST)表示, 運(yùn)用主成分分析法將4指標(biāo)進(jìn)行耦合。其函數(shù)表達(dá)為:

遙感定義為:

式中: RSEI為遙感生態(tài)指數(shù), Greenness表示綠度指標(biāo), Wetness表示濕度指標(biāo), Dryness表示干度指標(biāo),Heatness表示熱度指標(biāo); NDVI表示歸一化植被指數(shù),WET為纓帽變換的濕度分量, NDBSI表示裸土指數(shù)SI和建筑指數(shù)IBI的結(jié)合, LST表示地表溫度。

生境質(zhì)量評(píng)價(jià)的具體步驟為:

1)指標(biāo)計(jì)算。利用遙感軟件ENVI分別對(duì)2000年、2010年和2018年3期經(jīng)過預(yù)處理的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行提取, 通過band math工具根據(jù)相關(guān)計(jì)算公式對(duì)綠度、濕度、干度、熱度4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

2)歸一化處理。因4指標(biāo)在量綱和數(shù)值范圍上差異較大, 為保證量綱統(tǒng)一, 對(duì)4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理, 使其數(shù)值在[0, 1]之間。

3)圖像合成及水體掩膜。將經(jīng)過歸一化處理后的4項(xiàng)指標(biāo)作為4個(gè)波段合并成一幅影像。因研究區(qū)內(nèi)有一座大型水庫(kù), 為避免濕度指標(biāo)受其影響, 造成主成分分析時(shí)載荷不準(zhǔn)確, 最終影響評(píng)價(jià)結(jié)果, 在主成分分析前對(duì)水體進(jìn)行掩膜處理。

4)主成分分析。將圖像導(dǎo)入ENVI中主成分分析(PCA)模塊, 以PCA的方法選取第1主成分PC1為RSEI初值, 對(duì)其進(jìn)行歸一化處理, 得到遙感生態(tài)指數(shù)RSEI, 該數(shù)值越大生態(tài)質(zhì)量越好。

5)生境質(zhì)量評(píng)價(jià)。導(dǎo)入RSEI圖像, 借助Arc-GIS將生境質(zhì)量按等間距分為5級(jí), 間斷點(diǎn)為0.2、0.4、0.6和0.8, 得到低等級(jí)(0～0.2)、較低等級(jí)(0.2～0.4)、中等級(jí)(0.4～0.6)、較高級(jí)(0.6～0.8)和高等級(jí)(0.8～1.0)。

2.2.1.2 生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)

因生態(tài)源地特點(diǎn)之一為具有較高的生態(tài)服務(wù)價(jià)值, 所以對(duì)研究區(qū)的不同土地利用類型進(jìn)行生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià), 參考謝高地等[32]和Vemuri等[33]建立的我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表, 基于生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值量等于當(dāng)年單位面積糧食價(jià)值的1/7規(guī)則[34]進(jìn)行修正, 獲得研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)(表1), 進(jìn)而計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值, 計(jì)算公式如下:

表1 唐縣不同土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)表Table 1 Coefficients of ecological service value of different land use types

式中: ESV為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值, 單位為元;Ai為各土地利用類型面積, 單位為hm2; V Cij為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù),i為土地利用類型,j為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。將5種土地利用類型生態(tài)服務(wù)價(jià)值結(jié)果進(jìn)行歸一化處理后分別賦與級(jí)別, 形成5個(gè)級(jí)別, 分別為低等級(jí)(0～0.2)、較低等級(jí)(0.2～0.4)、中等級(jí)(0.4～0.6)、較高級(jí)(0.6～0.8)和高等級(jí)(0.8～1.0)。

2.2.1.3 生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)和生態(tài)源地確定

將進(jìn)行歸一化處理后的生態(tài)服務(wù)價(jià)值結(jié)果等權(quán)重與生境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果疊加[35-36], 獲得生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果, 篩選出高生態(tài)質(zhì)量的斑塊為初步生態(tài)源地, 考慮到斑塊面積的大小會(huì)影響生物多樣性及分布, 通過ArcGIS統(tǒng)計(jì)初步生態(tài)源地斑塊面積, 剔除或合并一些細(xì)碎斑塊, 參考相關(guān)研究[37-38], 最終將斑塊面積大于200 hm2的生態(tài)源地確定為最終生態(tài)源地。

2.2.2 生態(tài)阻力面構(gòu)建

生態(tài)源地向外擴(kuò)散的主要阻力來源為地形和土地利用類型, 參考相關(guān)研究[37,39], 結(jié)合研究區(qū)具體情況, 遵循系統(tǒng)性、整體性及數(shù)據(jù)可獲取性等原則, 選取生境質(zhì)量、土地利用類型、高程、坡度作為阻力因子, 經(jīng)查閱資料[36,40-41], 將各阻力因子按5分制劃分等級(jí), 分別用1、2、3、4、5表示相對(duì)阻力大小, 阻力系數(shù)越大, 生態(tài)阻力越大, 越不利于物種間信息流動(dòng), 最后通過專家打分法確定權(quán)重[42](表2)。運(yùn)用柵格計(jì)算器, 將4個(gè)因子阻力面按權(quán)重疊加建立阻力基面。其中, 生境質(zhì)量因子與阻力系數(shù)呈負(fù)相關(guān), 生境質(zhì)量越高物種間信息流動(dòng)與傳遞越容易, 阻力越小; 高程、坡度因子與阻力系數(shù)呈正相關(guān), 高程越高、坡度越陡, 物種間流動(dòng)越困難, 阻力越大。利用最小累計(jì)阻力模型構(gòu)建阻力面, 計(jì)算公式為:

表2 唐縣生態(tài)阻力面因子權(quán)重與阻力系數(shù)Table 2 Factor weights and resistance coefficients of ecological resistance surface of Tangxian County

式中: MCR為生態(tài)源斑塊j擴(kuò)散至某點(diǎn)的最小累積阻力值,Dij為生物從源地柵格j到空間某一點(diǎn)所穿越的景觀基面i空間距離,Ri為景觀基面i對(duì)生態(tài)過程或物種運(yùn)動(dòng)的基本阻力系數(shù)。模型計(jì)算利用ArcGIS空間分析模塊中cost distance功能實(shí)現(xiàn)。

2.2.3 生態(tài)廊道構(gòu)建

生態(tài)廊道是連接生態(tài)源地的橋梁, 也是相鄰生態(tài)源間生態(tài)流的低阻力生態(tài)通道。電路理論中經(jīng)常用到的連接模型與隨機(jī)游走相結(jié)合能夠較好地評(píng)價(jià)最小成本路徑。本研究基于電路理論, 利用ArcGIS的Linkage Mapper插件提取連接兩塊生態(tài)源地間耗費(fèi)阻力最小的路徑為生態(tài)廊道。首先計(jì)算綜合生態(tài)阻力面上所有像元到源地的成本加權(quán)距離(cost weighted distance, CWD), 創(chuàng)建成本加權(quán)距離表面, 然后將CWD柵格與源地疊加后計(jì)算源地間累積移動(dòng)成本路徑。再由路徑最小值組成最小成本距離[least cost distance, LCD; 對(duì)應(yīng)路徑為最小耗費(fèi)路徑(least cost path, LCP)], 最后得到關(guān)鍵廊道和潛在廊道。

2.2.4 關(guān)鍵區(qū)域識(shí)別

本文在生態(tài)安全格局的基礎(chǔ)上從整體角度對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行識(shí)別, 加入生態(tài)斷裂點(diǎn)和低生態(tài)質(zhì)量區(qū)域作為關(guān)鍵區(qū)域。完善待修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域范圍為生態(tài)夾點(diǎn)、生態(tài)障礙點(diǎn)、生態(tài)斷裂點(diǎn)、低生態(tài)質(zhì)量區(qū)域,并提供相應(yīng)的識(shí)別方法。

2.2.4.1 生態(tài)夾點(diǎn)區(qū)域識(shí)別

生態(tài)夾點(diǎn)區(qū)域是生物遷徙交流中的必經(jīng)之路或無其他可替代的區(qū)域[43]。若此類區(qū)域發(fā)生斷裂將會(huì)影響整體生態(tài)網(wǎng)的正常運(yùn)行。識(shí)別夾點(diǎn)區(qū)域并給予優(yōu)先保護(hù), 可保障生態(tài)系統(tǒng)健康。本研究以電路理論為理論依據(jù), 在Circuitscape 4.0.1版本基礎(chǔ)上, 運(yùn)用Pinchpoint Mapper工具, 選擇“all to one model”模式進(jìn)行夾點(diǎn)識(shí)別。該理論中高電流密度區(qū)域表示生物活動(dòng)較活躍, 物種在遷移過程中通過概率較高的區(qū)域, 即夾點(diǎn)區(qū)域。

2.2.4.2 生態(tài)障礙點(diǎn)區(qū)域識(shí)別

生態(tài)障礙點(diǎn)區(qū)域是源地間對(duì)物種流動(dòng)阻力較大的區(qū)域。移除后可改善源地間連通性, 提升物種遷徙成功率[43-44]。Linkage Mapper工具包中的Barrier Mapper工具可檢測(cè)出影響廊道流暢性的重要障礙物。本研究利用此工具識(shí)別生態(tài)障礙點(diǎn)。結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況, 用自然斷點(diǎn)法選擇結(jié)果中最高兩級(jí)為生態(tài)障礙點(diǎn)區(qū)域, 同時(shí)與土地利用類型圖疊加, 結(jié)合土地利用現(xiàn)狀提出相關(guān)建議。運(yùn)行前選擇改進(jìn)得分相對(duì)于最小成本路徑百分比, 得到阻止物種流動(dòng)、影響生態(tài)廊道連通性的障礙區(qū)域, 以及阻礙物種流動(dòng)但不完全阻止運(yùn)動(dòng)的障礙區(qū)域。前者在進(jìn)行生態(tài)修復(fù)時(shí)應(yīng)采取修復(fù)手段, 后者采取維護(hù)手段。

2.2.4.3 生態(tài)斷裂點(diǎn)區(qū)域識(shí)別

生態(tài)斷裂點(diǎn)大都與大型交通道路的阻隔有關(guān)。隨著人類生活水平的提高以及城市化加劇, 交通道路數(shù)量急劇增加, 人們出行方便的同時(shí), 四通八達(dá)的道路也造成了景觀破碎化, 大型交通道路使部分生態(tài)廊道被切斷, 對(duì)景觀連通性造成了不同程度的影響。本研究將生態(tài)廊道圖與交通運(yùn)輸用地圖疊加分析, 識(shí)別生態(tài)斷裂點(diǎn)區(qū)域。

2.2.4.4 低生態(tài)質(zhì)量區(qū)域識(shí)別

低生態(tài)質(zhì)量區(qū)域?yàn)樵谶M(jìn)行生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí), 綜合生態(tài)質(zhì)量和生態(tài)服務(wù)價(jià)值最低的斑塊, 這些區(qū)域存在嚴(yán)重的生態(tài)問題, 其規(guī)模及分布直接影響景觀破碎程度, 對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響不容忽視, 在本文作為待生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域之一。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)質(zhì)量的變化

采用自然斷點(diǎn)法將研究區(qū)2000年、2010年和2018年3年期RSEI結(jié)果分成5級(jí), 依次為低等級(jí)(0～0.2)、較低等級(jí)(0.2～0.4)、中等級(jí)(0.4～0.6)、較高等級(jí)(0.6～0.8)、高等級(jí)(0.8～1.0)。經(jīng)計(jì)算均值3年的RSEI分別為0.57、0.64和0.56, 表明近20年間生境質(zhì)量為中等及以上, 且呈先變好后變差的趨勢(shì)。

2000年、2010年和2018年的生境質(zhì)量基本為中等偏高, 表示研究區(qū)生境質(zhì)量基本情況較好, 但整體呈略微下降趨勢(shì)。結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)分析, 此情況與河漫灘的減少、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、其他建設(shè)用地的大幅度增加有關(guān)。從3期各等級(jí)占比情況來看(表3 ), 低級(jí)占比均低于10%, 較低級(jí)占比在20%以下, 中等、較高等、高等的累積面積占比均高于70%。2000?2010年, 中等及以上面積占比均有所增加, 低級(jí)、較低級(jí)有一定程度的減少;2010?2018年, 中等及以下面積占比小幅度增加, 較高及高等級(jí)相對(duì)減少, 2000?2018年總體來看, 中等、較高等面積及占比有不同程度增加, 低級(jí)、較低級(jí)和高等面積及占比有一定減少。

表3 2000—2018年唐縣綜合生境質(zhì)量各等級(jí)面積占比Table 3 Area proportion of each grade of comprehensive habitat quality in the study area from 2000 to 2018

從總體上看生境質(zhì)量各等級(jí)空間分布情況(圖2a), 3個(gè)年份生境質(zhì)量整體先提升再下降。2000年研究區(qū)中部及北部生境質(zhì)量低于南部, 2010年中部及北部較2000年整體有明顯提高, 這與中、高覆蓋草地部分變?yōu)楣嗄玖钟嘘P(guān)。2018年整體生境質(zhì)量降低, 南部尤為明顯, 主要受城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、其他建設(shè)用地以及未利用地增加的影響, 由實(shí)際調(diào)查得知, 唐縣人口集中分布在南部, 數(shù)據(jù)分析結(jié)果的合理性得到證明。

分析生態(tài)服務(wù)價(jià)值各等級(jí)空間分布情況(圖2b)可知: 2000年、2010年和2018年北半部區(qū)域的生態(tài)服務(wù)價(jià)值均高于南半部區(qū)域, 這與土地利用類型的分布密切相關(guān), 北半部多分布林地與草地, 這些土地利用類型可為生物活動(dòng)提供物質(zhì)能量和棲息場(chǎng)所, 具有較高的生態(tài)服務(wù)價(jià)值, 而南半部區(qū)域多分布城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)等, 所具有的生態(tài)服務(wù)價(jià)值則較低。

圖2 2000年、2010年和2018年唐縣生境質(zhì)量(a)、生態(tài)服務(wù)價(jià)值(b)各等級(jí)空間分布情況Fig.2 Spatial distribution of each level of habitat quality (a), ecological service value (b) in the study area in 2000, 2010 and 2018

3.2 生態(tài)源地的選取

生態(tài)源地的選取是構(gòu)建生態(tài)安全格局的基礎(chǔ),對(duì)識(shí)別關(guān)鍵區(qū)域也有著十分重要的作用。本文對(duì)2000年、2010年和2018年的生態(tài)源地進(jìn)行研究比較, 篩選出穩(wěn)定性較高的區(qū)域作為唐縣生態(tài)安全格局的生態(tài)源地。

分別將唐縣3期生境質(zhì)量評(píng)價(jià)圖和生態(tài)服務(wù)價(jià)值評(píng)價(jià)圖進(jìn)行疊加, 得到綜合生態(tài)質(zhì)量情況, 篩選出高生態(tài)質(zhì)量斑塊中面積大于200 hm2的斑塊并分別導(dǎo)出進(jìn)行對(duì)比(圖3a?c), 將3期都包含的源地作為構(gòu)建唐縣生態(tài)安全格局的生態(tài)源地(圖3d)。最終確定生態(tài)源地10塊, 面積91.22 km2, 占總面積的6.4%。主要分布在唐縣北部的石門鄉(xiāng)、倒馬關(guān)鄉(xiāng)、川里鎮(zhèn)、黃石口鄉(xiāng)、南齊家佐鄉(xiāng); 南部的迷城鄉(xiāng)和羅莊鄉(xiāng)分布有兩處生態(tài)源地, 面積較大一處為西大洋水庫(kù), 數(shù)據(jù)處理結(jié)果與實(shí)際情況相符。

圖3 2000年、2010年和2018年唐縣生態(tài)源地的分布(a-c)和選取的研究區(qū)生態(tài)源地分布(d)Fig.3 Distribution of ecological sources in 2000, 2010 and 2018 (a?c), and the selected ecological sources in the study area (d)

源地土地利用類型多為林地及高質(zhì)量草地, 植被覆蓋率高可發(fā)展綠色產(chǎn)業(yè); 原有林地應(yīng)加強(qiáng)保護(hù),為研究區(qū)提供水源涵養(yǎng)、土壤保持等多種服務(wù)功能。大面積水域作為特殊源地之一, 具有提供水源供給、氣候調(diào)節(jié)、保護(hù)生物多樣性等服務(wù)功能和極強(qiáng)的不可替代性, 而研究區(qū)在2000?2018近20年間, 農(nóng)村居民點(diǎn)和建設(shè)用地侵占了部分水域, 使其面積逐漸縮小, 應(yīng)嚴(yán)格控制人類活動(dòng)以防加深對(duì)水源的威脅。此外還需加強(qiáng)對(duì)生態(tài)源地周圍一定范圍內(nèi)區(qū)域的管理和保護(hù), 此類區(qū)域不僅是生態(tài)源地的緩沖地帶, 更是重要屏障, 對(duì)其進(jìn)行管控有利于減緩?fù)饨缫蛩貙?duì)重要生態(tài)源地的干擾, 不斷擴(kuò)大源地面積和保持源地生態(tài)穩(wěn)定性。

3.3 生態(tài)阻力面的構(gòu)建

利用ArcGIS的柵格計(jì)算器將各阻力因子的阻力面按照權(quán)重疊加, 獲得綜合阻力基面。從圖4a中可以看出綜合阻力值呈現(xiàn)東南高、中部及北部低的特點(diǎn)。阻力高值區(qū)分布在東南部的高昌鎮(zhèn)、仁厚鎮(zhèn)、都亭鄉(xiāng)、北羅鎮(zhèn)、長(zhǎng)古城鎮(zhèn)、王京鎮(zhèn), 主要與當(dāng)?shù)厝祟惢顒?dòng)有關(guān), 該區(qū)域集中了大量農(nóng)村居民點(diǎn), 周圍的耕地、綠地等生態(tài)斑塊被隔離; 低值區(qū)在北部和中部的倒馬關(guān)鄉(xiāng)、川里鎮(zhèn)、石門鄉(xiāng)、羊角鄉(xiāng)、黃石口鄉(xiāng)、軍城鎮(zhèn)、南齊家佐鄉(xiāng)、迷城鄉(xiāng)、白合鎮(zhèn)、大洋鄉(xiāng)、北店頭鄉(xiāng)、羅莊鄉(xiāng)等, 與這些區(qū)域的土地利用類型為高覆蓋草地和灌木林有關(guān)。

基于綜合阻力基面, 利用最小累計(jì)阻力模型通過ArcGIS成本距離工具生成最小累計(jì)阻力面(圖4b),最小累計(jì)阻力值在0～66 670之間。高阻力區(qū)域主要集中在遠(yuǎn)離生態(tài)源地, 地勢(shì)相對(duì)平坦的東南部, 低阻力區(qū)域分布在人類活動(dòng)較少的北部及西南部的倒馬關(guān)鄉(xiāng)、川里鎮(zhèn)、石門鄉(xiāng)、羊角鄉(xiāng)、黃石口鄉(xiāng)、軍城鎮(zhèn)、南齊家佐鄉(xiāng)、迷城鄉(xiāng)、大洋鄉(xiāng)、北店頭鄉(xiāng)、羅莊鄉(xiāng), 土地利用類型多以林地、草地為主, 與實(shí)際情況相符。

圖4 研究區(qū)綜合阻力值(a)和最小累計(jì)阻力值(b)Fig.4 Comprehensive resistance value (a) and minimum cumulative resistance (MCR) value (b) of the study area

3.4 生態(tài)廊道的構(gòu)建

利用ArcGIS的Linkage Mapper插件提取生態(tài)廊道(圖5), 共獲得關(guān)鍵廊道和潛在廊道20條, 總長(zhǎng)度240.66 km。廊道最長(zhǎng)達(dá)39 km, 最短為0.36 km。多數(shù)廊道較長(zhǎng), 易受人類活動(dòng)影響發(fā)生斷裂, 且存在廊道與大面積水域的交點(diǎn), 均應(yīng)重點(diǎn)給予保護(hù)。

圖5 研究區(qū)生態(tài)廊道的空間分布Fig.5 Spatial distribution of ecological corridors in the study area

生態(tài)廊道以生態(tài)源地為起點(diǎn), 沿低阻力通道向外輻射。空間分布差異明顯, 主要分布在北部和中部, 穿過倒馬關(guān)鄉(xiāng)、川里鄉(xiāng)、石門鄉(xiāng)、羊角鄉(xiāng)等行政區(qū), 少數(shù)分布在西南部。結(jié)合研究區(qū)土地利用類型, 廊道多穿過林地、草地, 對(duì)其應(yīng)采取維護(hù)、提高植被豐度等方式進(jìn)行保護(hù)與修復(fù), 嚴(yán)格控制耕地對(duì)植被的大面積侵占和破壞, 必要時(shí)可采取退耕還草等措施。廊道的分布與生態(tài)源地斑塊的分布、數(shù)量、距離有關(guān), 北部、中部多為灌木林和中覆蓋草地, 生態(tài)源地多分布于此類區(qū)域, 因此斑塊間廊道數(shù)量較多且網(wǎng)絡(luò)密度較大。北部生態(tài)源地間距離較近, 廊道長(zhǎng)度相對(duì)較短, 連通性強(qiáng), 中部源地與北部、西南部源地距離較遠(yuǎn), 生態(tài)廊道相對(duì)較長(zhǎng), 需重點(diǎn)保護(hù)廊道中心位置, 該位置為生物遷徙過程中的重要棲息地, 一旦被破壞, 生態(tài)廊道將被切斷, 物質(zhì)難以流動(dòng)。東南部多為水田、旱地、農(nóng)村居民點(diǎn), 沒有生態(tài)源地, 不存在廊道連通, 建議增加生態(tài)源地的同時(shí)適當(dāng)增加廊道建設(shè), 完善生態(tài)廊道空間網(wǎng)絡(luò)布局。

3.5 關(guān)鍵區(qū)域的識(shí)別

在廊道基礎(chǔ)上, 運(yùn)用工具箱中的Pinchpoint Mapper工具識(shí)別生態(tài)夾點(diǎn)區(qū)域, 經(jīng)篩選最終確定夾點(diǎn)共計(jì)15處?？臻g分布情況如圖6a, 主要分布在生態(tài)廊道的中心或頂端位置。土地利用類型多為高、中覆蓋草地, 少數(shù)為林地、低覆蓋草地。生境質(zhì)量較高的林地與草地應(yīng)嚴(yán)禁非生態(tài)建設(shè)工程侵占, 退化區(qū)域的草地與林地可與周圍景觀結(jié)合, 種植適應(yīng)本土環(huán)境的植物, 積極發(fā)展林下經(jīng)濟(jì); 針對(duì)耕地地區(qū), 可采取退耕還林措施, 若與水域較近, 可考慮將耕地轉(zhuǎn)換為濕地。

障礙點(diǎn)區(qū)域的識(shí)別基于工具箱中的Barrier Mapper工具, 運(yùn)用自然斷點(diǎn)法將1.35以上的區(qū)域作為障礙點(diǎn)區(qū)域, 將相鄰相近的障礙點(diǎn)區(qū)域合并后共確定此類區(qū)域42處(圖6b), 從圖中可知, 生態(tài)障礙點(diǎn)區(qū)域主要分布在廊道的中心或兩端。需重點(diǎn)關(guān)注: 疊加生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn)圖, 有3處障礙點(diǎn)與夾點(diǎn)區(qū)域重合, 表明在物種流動(dòng)必經(jīng)的路線上存在著阻礙其流動(dòng)的區(qū)域, 鑒于該區(qū)域面積較小且其阻礙較易清除, 可優(yōu)先修復(fù)。此類區(qū)域主要為草地和建設(shè)用地, 對(duì)于該區(qū)域草地可采取大力發(fā)展人工種草的方式提高草地蓋度, 對(duì)于建設(shè)用地可拆除區(qū)域進(jìn)行拆除, 不可拆除區(qū)域采取加強(qiáng)綠地建設(shè)等措施。有3處障礙點(diǎn)位于長(zhǎng)距離生態(tài)廊道的中心位置, 該位置處于重要轉(zhuǎn)折點(diǎn), 多為生物在遷移過程中的棲息點(diǎn),對(duì)物種活動(dòng)阻礙作用較大, 此類區(qū)域的土地利用類型均為旱地, 且為礫質(zhì)土壤, 適合以退耕還林還草的方式使其自然恢復(fù)成為草地生態(tài)保護(hù)區(qū)和景觀草地區(qū)。

圖6 生態(tài)夾點(diǎn)(a)、生態(tài)障礙點(diǎn)(b)、生態(tài)斷裂點(diǎn)(c)和低生態(tài)質(zhì)量區(qū)域(d)分布Fig.6 Distribution of ecological pinch (a), ecological barrier points (b), ecological break points (c) and low ecological quality area (d)

大型交通道路會(huì)切斷生態(tài)廊道, 成為阻礙物種流通的因素。將研究區(qū)交通運(yùn)輸用地圖與生態(tài)廊道圖疊加分析, 重合區(qū)域即生態(tài)斷裂點(diǎn)區(qū)域, 共識(shí)別此類區(qū)域28處, 分布情況如圖6c, 其中8處位于鄉(xiāng)鎮(zhèn)村道的公路用地, 3處位于軍白線縣道, 14處分別位于S322、S335、S241省道, 3處位于S52保阜高速公路。所有道路均未穿過生態(tài)源地, 因此源地斑塊的完整性得到一定保障。高速公路、省道的封閉性較好車速較快, 物種通過的難度較大, 可通過修建涵洞、隧道等生物通道, 保證動(dòng)物移動(dòng)暢通; 在道路兩旁做好植物綠化、修建隔音墻, 達(dá)到吸附沙塵、減少行駛車輛產(chǎn)生的噪音對(duì)生物造成干擾的效果。

提取除農(nóng)村居民點(diǎn)和建設(shè)用地之外生態(tài)質(zhì)量最差的斑塊, 作為低生態(tài)質(zhì)量關(guān)鍵區(qū)域(圖6d), 面積178 km2, 約占研究區(qū)總面積的十分之一, 散落分布在全域, 中南部尤為集中。土地利用類型主要為旱地和草地, 修復(fù)方式可參考障礙點(diǎn)區(qū)域中對(duì)兩種地類的修復(fù)方法。需重點(diǎn)關(guān)注西大洋水庫(kù)被低生態(tài)質(zhì)量區(qū)域包圍, 應(yīng)盡快采取退耕還湖、人工種草改善植被等方式防止重要源地受破壞程度加深。除此之外,人類活動(dòng)的不斷擴(kuò)張使得農(nóng)村居民點(diǎn)及建設(shè)用地面積劇增, 區(qū)域生境質(zhì)量整體性降低, 應(yīng)重視農(nóng)村居民點(diǎn)及建設(shè)用地周邊環(huán)境保護(hù), 修復(fù)建設(shè)用地應(yīng)積極響應(yīng)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略, 發(fā)展觀光農(nóng)業(yè), 控制研究區(qū)東南部開發(fā)強(qiáng)度, 加快村莊綠化建設(shè)。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

在整體保護(hù)與系統(tǒng)治理的思路引導(dǎo)下, 本文考慮到生態(tài)景觀連通性, 在“識(shí)別生態(tài)源地?構(gòu)建生態(tài)阻力面?構(gòu)建生態(tài)廊道”的研究范式支撐下, 基于生態(tài)安全格局從整體綜合視角識(shí)別國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域, 對(duì)比傳統(tǒng)的針對(duì)特定點(diǎn)位或局地面狀修復(fù)工程, 更好地滿足了生態(tài)修復(fù)的協(xié)同性、系統(tǒng)性。參考前人對(duì)生態(tài)源地內(nèi)涵的定義以及識(shí)別方法的研究, 遵循系統(tǒng)整體性、科學(xué)性原則, 結(jié)合研究區(qū)具體情況, 綜合生境質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值確定生態(tài)源地, 兼顧了生態(tài)系統(tǒng)單元和整體, 本研究識(shí)別的生態(tài)源地基本可靠。近年來電路理論的融入為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的研究提供了更為科學(xué)的方式, 本文在該理論的基礎(chǔ)上識(shí)別生態(tài)夾點(diǎn)、生態(tài)障礙點(diǎn)、生態(tài)斷裂點(diǎn)此3類關(guān)鍵區(qū)域之外, 加入低生態(tài)質(zhì)量區(qū)域作為待修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域之一, 該類區(qū)域存在的生態(tài)問題同樣不容忽視, 對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充可以進(jìn)一步完善生態(tài)修復(fù)區(qū)域的范圍, 維護(hù)生態(tài)斑塊的完整性與生態(tài)系統(tǒng)整體穩(wěn)定性, 現(xiàn)實(shí)具體指導(dǎo)太行山區(qū)域國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)工作。

基于生態(tài)安全格局將太行山區(qū)唐縣的國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域劃分為生態(tài)夾點(diǎn)區(qū)域、生態(tài)障礙點(diǎn)區(qū)域、生態(tài)斷裂點(diǎn)區(qū)域、低生態(tài)質(zhì)量區(qū)域等4類關(guān)鍵區(qū)域, 并提出相應(yīng)的開發(fā)引導(dǎo)和規(guī)劃管控內(nèi)容。待修復(fù)生態(tài)關(guān)鍵區(qū)域集中分布于研究區(qū)北部和西南部, 土地利用類型主要為林地、草地、水域和耕地,應(yīng)采取生態(tài)夾點(diǎn)區(qū)域優(yōu)先保護(hù)、生態(tài)障礙點(diǎn)區(qū)域優(yōu)先修復(fù)、生態(tài)斷裂點(diǎn)區(qū)域加強(qiáng)維護(hù)的戰(zhàn)略, 通過維護(hù)、提高植被豐度、退耕還林、還草等方式進(jìn)行生態(tài)保護(hù)與修復(fù); 低生態(tài)質(zhì)量區(qū)域主要分布于研究區(qū)中南部的草地和旱地區(qū)域, 可采取環(huán)水庫(kù)人工種草、大力發(fā)展觀光農(nóng)業(yè)、推進(jìn)景觀綠化等措施以達(dá)到防止破壞程度加深和提升生態(tài)質(zhì)量的效果。此外,2018年唐縣東南部的居民點(diǎn)及建設(shè)用地增加明顯,反映出城鎮(zhèn)擴(kuò)張形勢(shì)迅猛, 而建設(shè)用地的增加伴隨著的是植被減少, 隨之帶來的是區(qū)域生態(tài)質(zhì)量持續(xù)下降。將近10年來生態(tài)質(zhì)量持續(xù)下降區(qū)域列入禁止建設(shè)區(qū), 并采用生態(tài)工程措施加以修復(fù), 方可保障生態(tài)健康持續(xù)發(fā)展。

限于數(shù)據(jù)獲取及處理量等原因, 本文仍存在一些不足: 構(gòu)建生態(tài)廊道時(shí)尚未考慮其寬度的要求, 在今后研究中將嘗試結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況探究生態(tài)廊道寬度的具體應(yīng)用需求; 此外, 本研究尚未明確關(guān)鍵區(qū)域修復(fù)順序, 在今后研究中可針對(duì)修復(fù)順序進(jìn)行深入探討, 以期為研究區(qū)生態(tài)建設(shè)提供現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)。

4.2 結(jié)論

本文以太行山區(qū)的唐縣為研究區(qū), 基于遙感生態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)生態(tài)質(zhì)量, 綜合生態(tài)質(zhì)量與生態(tài)服務(wù)價(jià)值確定生態(tài)源地; 基于最小累計(jì)阻力模型和電路理論識(shí)別生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域, 主要結(jié)論如下:

1)生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)表明, 研究區(qū)唐縣3年的生態(tài)質(zhì)量基本為中等偏高, 表示研究區(qū)生態(tài)質(zhì)量基本情況較好, 但總體出現(xiàn)先上升后下降的變化情況。高等級(jí)生態(tài)質(zhì)量區(qū)域主要的覆被類型為林地和不同覆蓋程度的草地, 低生態(tài)質(zhì)量區(qū)域土地利用類型主要為耕地、建設(shè)用地和居民點(diǎn)。

2)生態(tài)源地先增多后減少但變化幅度不大。從穩(wěn)定性考慮, 綜合3個(gè)年份生態(tài)源地分布情況, 最終選擇近20年中最穩(wěn)定的生態(tài)源地10塊, 面積91.22 km2, 占唐縣總面積的6.4%, 主要分布在研究區(qū)北部的林地、草地和西南部大面積水域, 這也證明了通過遙感生態(tài)指數(shù)計(jì)算獲得的生境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果來識(shí)別生態(tài)源地是合理可信的。生態(tài)阻力高值區(qū)主要分布在遠(yuǎn)離生態(tài)源地的東南部, 低值區(qū)分布在受人類活動(dòng)較小的西北部。

3)生態(tài)廊道包括關(guān)鍵廊道和潛在廊道共20條,總長(zhǎng)度為240.66 km。在廊道基礎(chǔ)上對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行識(shí)別, 關(guān)鍵區(qū)域包括生態(tài)夾點(diǎn)區(qū)域、生態(tài)障礙點(diǎn)區(qū)域、生態(tài)斷裂點(diǎn)區(qū)域以及低生態(tài)質(zhì)量區(qū)域。最終識(shí)別的生態(tài)夾點(diǎn)區(qū)域15個(gè), 生態(tài)障礙點(diǎn)區(qū)域42個(gè), 生態(tài)斷裂點(diǎn)區(qū)域28個(gè), 低生態(tài)質(zhì)量區(qū)域面積178 km2。