向愛盟,岳啟發(fā),趙筱青*,黃 佩,冉玉菊,顧澤賢,3,施馨雨

國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)識(shí)別及修復(fù)分區(qū)——以西南喀斯特山區(qū)開遠(yuǎn)市為例

向愛盟1,岳啟發(fā)1,趙筱青1*,黃 佩2,冉玉菊2,顧澤賢2,3,施馨雨1

(1.云南大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,云南 昆明 650500；2.云南大學(xué)國際河流與生態(tài)安全研究院,云南 昆明 650500；3.怒江州林業(yè)和草原局,云南 瀘水 673200)

以開遠(yuǎn)市為例,從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和生態(tài)脆弱性視角,構(gòu)建生態(tài)安全格局并識(shí)別生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域;以生態(tài)問題指數(shù)識(shí)別生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)內(nèi)存在的生態(tài)問題,劃定生態(tài)修復(fù)分區(qū)并提出相應(yīng)的修復(fù)策略.研究表明:(1)開遠(yuǎn)市生態(tài)安全格局由兩種源地和兩類廊道構(gòu)成.其中生態(tài)保護(hù)源地和生態(tài)修復(fù)源地的面積分別為190.53和16.82km2,潛在生態(tài)廊道和修復(fù)廊道總長分別為191.15和75.71km.(2)基于生態(tài)安全格局提取開遠(yuǎn)市生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域,包括15個(gè)生態(tài)修復(fù)源地、12條修復(fù)廊道、31個(gè)生態(tài)夾點(diǎn)和11個(gè)障礙區(qū).生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)石漠化主要集中于開遠(yuǎn)市西部和南部,西部石漠化程度較南部更高;土壤侵蝕以微度侵蝕為主;地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)于采礦區(qū)以及喀斯特地貌區(qū);景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)均較高;人為干擾集中在西北—東南一線.(3)根據(jù)生態(tài)問題指數(shù)(Ecological Problem Index)測算結(jié)果,將生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域分為生態(tài)保育區(qū)、功能提升區(qū)、災(zāi)害防治區(qū)和重點(diǎn)整治區(qū),并結(jié)合各區(qū)突出生態(tài)問題提出相應(yīng)的優(yōu)化策略.

生態(tài)安全格局；關(guān)鍵區(qū)域識(shí)別；生態(tài)問題指數(shù)；生態(tài)修復(fù)分區(qū)；喀斯特山區(qū)

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,人類活動(dòng)成為改變和重塑國土空間的主要驅(qū)動(dòng)力[1-2],對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的干擾日益加劇[3],引發(fā)了生態(tài)系統(tǒng)退化、生態(tài)功能失衡和生態(tài)產(chǎn)品供應(yīng)能力下降等不良后果,區(qū)域生態(tài)安全形勢嚴(yán)峻[4].為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的國土空間生態(tài)問題,黨和國家高度重視國土空間生態(tài)修復(fù),實(shí)施了一系列生態(tài)保護(hù)修復(fù)策略.國土空間生態(tài)修復(fù)是對(duì)國土空間中受損和退化的生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建,為區(qū)域生態(tài)安全問題提供了空間解決方案[5].國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域的有效識(shí)別是緩解區(qū)域生態(tài)問題,促進(jìn)生態(tài)安全的關(guān)鍵舉措,而開展修復(fù)分區(qū)則有助于統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各類生態(tài)修復(fù)工程,推動(dòng)國土空間山水林田湖草沙的整體保護(hù)、系統(tǒng)修復(fù)和綜合治理[6-7].如何有效識(shí)別國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域,分區(qū)開展生態(tài)修復(fù),提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性,成為現(xiàn)階段國土空間生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵問題.

目前,國土空間生態(tài)修復(fù)多從生態(tài)安全格局開展研究,構(gòu)建生態(tài)安全格局是推進(jìn)國土空間生態(tài)修復(fù)的前提和基礎(chǔ),并形成了源地—廊道—節(jié)點(diǎn)的研究范式,這種研究范式是從孤立的生態(tài)系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)向綜合生態(tài)治理[8].國外學(xué)者更加關(guān)注生態(tài)安全格局的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估與過程模擬[9]、生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)與恢復(fù)[10]、生態(tài)安全政策[11]等方面的研究.國內(nèi)則主要集中于生態(tài)安全格局的構(gòu)建與優(yōu)化實(shí)踐,如覃彬桂等[12]融合生態(tài)服務(wù)重要性、景觀連通性、生態(tài)保護(hù)紅線多視角構(gòu)建生態(tài)源地,彌補(bǔ)以往源地識(shí)別方法單一且缺乏理論支撐不足;倪慶琳等[13]針對(duì)資源枯竭型城市徐州市賈汪區(qū)開展國土空間生態(tài)修復(fù)分區(qū),開展對(duì)資源枯竭型城市生態(tài)轉(zhuǎn)型發(fā)展的有益探索;沈振等[14]在生態(tài)安全格局構(gòu)建中引入空間句法,對(duì)生態(tài)源地及廊道優(yōu)先級(jí)確定提供了有益補(bǔ)充.而隨著山水林田湖草沙生命共同體和系統(tǒng)修復(fù)、整體治理理念的提出,源于景觀生態(tài)學(xué)理論的國土空間生態(tài)修復(fù)逐漸成為研究熱點(diǎn).在現(xiàn)有的研究中,國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域集中在生態(tài)夾點(diǎn)和障礙區(qū)[15-16],但僅將生態(tài)夾點(diǎn)和障礙區(qū)作為國土空間生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵區(qū)域,忽視了生態(tài)系統(tǒng)極脆弱斑塊及其與高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)斑塊間物質(zhì)和能量流通,難以保障區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的完整性與流通性,不足以發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)的整體功能[17].因而,基于生態(tài)安全格局的生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)識(shí)別方法體系有待進(jìn)一步構(gòu)建.此外,在修復(fù)方案制訂上,現(xiàn)有的修復(fù)方案多是在劃定生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域后,政策制定者根據(jù)對(duì)區(qū)域的熟悉程度提出,缺乏理論支撐和指導(dǎo)[18-19].而通過構(gòu)建生態(tài)問題指數(shù)有助于明晰生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)部突出生態(tài)問題,結(jié)合區(qū)域自然環(huán)境特征,提出差異化生態(tài)修復(fù)方向和策略,有助于彌補(bǔ)以往修復(fù)方案主觀性強(qiáng)的不足,增強(qiáng)修復(fù)策略的準(zhǔn)確性和靶向性.因此,本文嘗試從生態(tài)系統(tǒng)的整體性出發(fā),基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和生態(tài)脆弱性視角構(gòu)建生態(tài)安全格局,識(shí)別生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域,構(gòu)建生態(tài)問題指數(shù)量化關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)突出生態(tài)問題,開展生態(tài)修復(fù)分區(qū)并提出針對(duì)性修復(fù)措施.

西南喀斯特山區(qū)是長江上游重點(diǎn)生態(tài)區(qū)和珠江源頭,生態(tài)區(qū)位突出,在穩(wěn)定長江上游區(qū)域氣候、保護(hù)水資源和生物多樣性發(fā)揮著重要作用[20].但西南喀斯特山區(qū)生態(tài)基底脆弱,石漠化面積廣布;隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化快速發(fā)展,生態(tài)環(huán)境受損嚴(yán)重[21].亟需識(shí)別國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域,開展生態(tài)修復(fù).鑒于此,本文以西南喀斯特山區(qū)工礦城市開遠(yuǎn)市為例,首先,通過計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和生態(tài)脆弱性來提取生態(tài)保護(hù)源地和生態(tài)修復(fù)源地;其次,基于電路理論和最小累積阻力模型識(shí)別潛在生態(tài)廊道、修復(fù)廊道和生態(tài)節(jié)點(diǎn),構(gòu)建生態(tài)安全格局并識(shí)別國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域;最后,疊加生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域與主導(dǎo)生態(tài)問題空間分布,量化其突出生態(tài)問題,劃定修復(fù)分區(qū)并提出針對(duì)性的生態(tài)保護(hù)修復(fù)策略,以期為西南喀斯特山區(qū)乃至全國生態(tài)安全格局構(gòu)建及其優(yōu)化提供參考借鑒.

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

開遠(yuǎn)市位于云南省東南部(23°30′～23°58′ N,103°04′～103°43′ E),地處珠江上游支流盤龍江流域,國土面積1941.32km2;地形以山地丘陵為主,地勢東高西低,平均海拔為1624m(圖1).氣候?yàn)閬啛釒Ц咴撅L(fēng)氣候,全年干濕分明;區(qū)域喀斯特地貌廣布,石漠化問題突出,被列為石漠化綜合治理縣.隨著煤炭等工礦資源的大量開采,粗放資源開發(fā)模式和城鎮(zhèn)化無序擴(kuò)張對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞,生態(tài)環(huán)境保護(hù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾日益突出.

圖1 研究區(qū)地理位置和土地利用類型

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

研究數(shù)據(jù)主要包括遙感影像、氣候、地形、交通、人口和規(guī)劃文本等多源數(shù)據(jù)(表1),數(shù)據(jù)時(shí)間為2020年.參考中國《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T21010-2017)[22],劃分林地、園地、草地、耕地、水域、未利用地、交通運(yùn)輸用地和建設(shè)用地8種土地利用類型,解譯精度為88.64%.空間分辨率為30m′30m,坐標(biāo)系統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為WGS_1984_UTM_48N.

表1 數(shù)據(jù)信息

2 研究方法

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及生態(tài)脆弱性量化

2.1.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量化 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)即人類從生態(tài)系統(tǒng)功能與過程中獲取到的各種惠益[23].開遠(yuǎn)市地處珠江上游南盤江流域,水資源豐富,生物種類多樣,生態(tài)區(qū)位突出.結(jié)合開遠(yuǎn)市自然基底特征,選取水源涵養(yǎng)[24]、水土保持[25]、生境質(zhì)量[26]和固碳釋氧[27]四種主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能以評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要性(表2),極差標(biāo)準(zhǔn)化后,利用ArcGIS軟件等權(quán)疊加得到開遠(yuǎn)市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間布局,并利用自然斷點(diǎn)法將其劃分為一般重要、比較重要、重要、非常重要、極重要五級(jí).

2.1.2 生態(tài)脆弱性量化 生態(tài)脆弱性直接反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,是衡量生態(tài)系統(tǒng)健康平衡發(fā)展的重要指標(biāo)之一[28].結(jié)合開遠(yuǎn)市突出生態(tài)問題.研究選取地質(zhì)災(zāi)害、土壤侵蝕、石漠化和景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[29-30]4個(gè)指標(biāo)(表3),極差標(biāo)準(zhǔn)化后,利用ArcGIS軟件等權(quán)疊加得到開遠(yuǎn)市生態(tài)脆弱性空間布局,并利用自然斷點(diǎn)法將其劃分為一般脆弱、比較脆弱、脆弱、非常脆弱、極脆弱.

表2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量化方法

表3 生態(tài)脆弱性量化方法

2.2 生態(tài)安全格局構(gòu)建

2.2.1 生態(tài)源地識(shí)別 本研究中的源地包括生態(tài)保護(hù)源地和生態(tài)修復(fù)源地.生態(tài)保護(hù)源地提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),是生物物種地主要活動(dòng)范圍和重要棲息地,為物種的生存和繁衍提供重要保障.生態(tài)修復(fù)源地則是區(qū)域生態(tài)極度脆弱,生態(tài)問題多發(fā),亟待修復(fù)的關(guān)鍵區(qū)域.兩者都是生態(tài)過程中極其重要的因素.根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和生態(tài)脆弱性的計(jì)算結(jié)果,剔除細(xì)碎斑塊后,將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)最高的地區(qū)視為生態(tài)保護(hù)源地,將生態(tài)脆弱性最高的地區(qū)視為生態(tài)修復(fù)源地.

2.2.2 阻力面修正與廊道提取 生態(tài)阻力是源地之間進(jìn)行能量傳輸、物質(zhì)交換或物種遷徙過程中遭遇的阻礙,土地利用類型和地形是“源”對(duì)外擴(kuò)散時(shí)受到阻力的主要來源[31-32].本文參考已有學(xué)者研究并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際選取土地利用類型、坡度、海拔和植被覆蓋度因子劃分阻力值,運(yùn)用層次分析法計(jì)算各阻力因子對(duì)應(yīng)權(quán)重值[33-34],如表4所示.同時(shí),開遠(yuǎn)市為典型的工礦城市,人類活動(dòng)對(duì)物種遷移的阻礙不容忽視.為此,引入人口密度、土地利用、夜間燈光及工礦開采強(qiáng)度構(gòu)建人為干擾指數(shù)[35]作為修正指標(biāo),對(duì)基本阻力面進(jìn)行修正,相應(yīng)的計(jì)算公式如下:

式中:HII為人為干擾指數(shù);POP為人口密度;LUI為土地利用強(qiáng)度;NL為夜間燈光指數(shù);MI為工礦開采強(qiáng)度;R為基于人類干擾指數(shù)修正的柵格的阻力值;為柵格對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)阻力值;HI為柵格的人為干擾指數(shù);HIImean為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的人為干擾指數(shù);HIImin、HIImax分別為人為干擾指數(shù)最小值和最大值.

表4 研究區(qū)各阻力因子及權(quán)重

廊道是區(qū)域能量和物質(zhì)的載體,是維持生態(tài)流動(dòng)、生態(tài)過程和生態(tài)功能連通的關(guān)鍵生態(tài)組成部分[36].利用ArcGIS軟件提取了潛在生態(tài)廊道和修復(fù)廊道兩種廊道.

潛在生態(tài)廊道是電路理論模擬的線性通道,也是生態(tài)保護(hù)源地之間的最小阻力廊道,利用電路理論的Linkage Mapper插件提取.Linkage Mapper插件基于隨機(jī)游走理論定義物種的運(yùn)動(dòng)行為,認(rèn)為物種在穿越異質(zhì)景觀時(shí)缺乏可預(yù)測性,他們不一定選擇最優(yōu)路徑,而是有多條路徑可供選擇.因此本研究基于Linkage Mapper插件來模擬異質(zhì)景觀條件下的物種遷徙[37].

修復(fù)廊道是生態(tài)保護(hù)源地和生態(tài)修復(fù)源地之間阻力最小的線性通道,是聯(lián)通生態(tài)保護(hù)源與生態(tài)修復(fù)源的橋梁,其有助于促進(jìn)高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與高生態(tài)脆弱斑塊間物質(zhì)和能量流通[38].具體操作如下:根據(jù)MCR模型,利用ArcGIS軟件空間分析模塊中的成本距離工具,以生態(tài)阻力面為基礎(chǔ),結(jié)合源分布,在生態(tài)阻力面上生成各斑塊到相鄰斑塊的最小累積成本距離,而后利用成本路徑分析方法[39],識(shí)別出從生態(tài)修復(fù)源地到生態(tài)保護(hù)源地的最小成本路徑,即修復(fù)廊道.其原理如下:

式中:MCR為最小累積阻力值;為反映MCR與變量D和R之間正比關(guān)系的函數(shù)D為生態(tài)源地斑塊到景觀單元的空間距離;R為景觀單元對(duì)生物物種遷徙的阻力.

2.3 國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域識(shí)別

研究區(qū)國土空間生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵區(qū)域包括生態(tài)修復(fù)源地、修復(fù)廊道、生態(tài)夾點(diǎn)和障礙區(qū).

2.3.1 生態(tài)修復(fù)源地 上述源地識(shí)別中的生態(tài)修復(fù)源地也應(yīng)被視為生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵區(qū)域,生態(tài)修復(fù)源地位于高生態(tài)脆弱區(qū),這些區(qū)域生態(tài)基底較差,極易發(fā)生生態(tài)環(huán)境問題,致使區(qū)域整體生態(tài)環(huán)境惡化,因此,應(yīng)將其視為生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域.

2.3.2 修復(fù)廊道 修復(fù)廊道是連通高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與高生態(tài)脆弱區(qū)的通道,其退化將阻斷生態(tài)保護(hù)源地與修復(fù)源地之間的物質(zhì)、能量流動(dòng),加劇生態(tài)脆弱區(qū)域環(huán)境惡化,影響區(qū)域整體生態(tài)功能,應(yīng)視為生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域.

2.3.3 生態(tài)夾點(diǎn) 生態(tài)夾點(diǎn)是生態(tài)廊道中電流密度較大的區(qū)域,是影響景觀連通性的“瓶頸”區(qū)域,其退化或損失極大可能切斷生境的連通性[30],故生態(tài)夾點(diǎn)應(yīng)視為生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵區(qū)域,需要優(yōu)先考慮.研究通過Circuitscape插件的Pitchpoint Mapper模塊,選取“all to one”模式進(jìn)行迭代運(yùn)算,并采用自然斷點(diǎn)法提取電流密度最高的區(qū)域作為生態(tài)夾點(diǎn).

2.3.4 障礙區(qū) 障礙區(qū)是阻礙正常生態(tài)流動(dòng)的高阻力值點(diǎn),通過修復(fù)障礙區(qū),可以增強(qiáng)自然景觀的連通性,保證生物遷徙過程的平穩(wěn)性和完整性[33].本文通過Circuitscape插件的Barrier Mapper模塊,采用移動(dòng)窗口搜索法,將移動(dòng)窗口搜索半徑設(shè)置為100m,選擇“Maximum”模式進(jìn)行迭代運(yùn)算,識(shí)別障礙區(qū).

2.4 國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域生態(tài)問題識(shí)別

基于上文所識(shí)別的國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域,結(jié)合開遠(yuǎn)市突出生態(tài)問題,即土壤侵蝕、地質(zhì)災(zāi)害、石漠化、景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和人為干擾指數(shù),等權(quán)疊加構(gòu)建生態(tài)問題指數(shù)[40](EPI),計(jì)算公式為:

式中:EPI為生態(tài)問題指數(shù);X為標(biāo)準(zhǔn)化后生態(tài)問題指標(biāo)值;為生態(tài)問題指標(biāo)數(shù);W為各生態(tài)問題指標(biāo)權(quán)重.當(dāng)EPI值越大,代表待修復(fù)的關(guān)鍵區(qū)域生態(tài)問題越突出,反之越小.依據(jù)生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)EPI指數(shù)的直方圖分布情況,采用自然斷點(diǎn)法將生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域分為四區(qū),分別為生態(tài)保育區(qū)、功能提升區(qū)、災(zāi)害防治區(qū)、重點(diǎn)整治區(qū).

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及生態(tài)脆弱性空間分布

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性與土地資源狀況密切相關(guān).開遠(yuǎn)市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高值區(qū)域主要分布在東部,西部地區(qū)也有少量高值區(qū)域(圖2a).這些區(qū)域海拔高、植被密集,具有良好的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力.生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)低值區(qū)集中于西部地區(qū),尤其是樂百道街道、羊街鄉(xiāng)和小龍?zhí)睹旱V附近,這些區(qū)域地類以建設(shè)用地、耕地為主,人為干擾頻繁.

生態(tài)脆弱性的空間分布格局存在顯著差異.開遠(yuǎn)市生態(tài)脆弱性空間格局總體呈南高北低、西高東低特征(圖2b).其中一般脆弱和比較脆弱區(qū)域分布于東部、北部生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高值區(qū)域和中部城區(qū).生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高值區(qū)域海拔高、植被密集,生境質(zhì)量較好因而生態(tài)脆弱性較低,中部城區(qū)地勢平坦、地質(zhì)穩(wěn)定,地類以建設(shè)用地為主,抗干擾能力較強(qiáng),因而生態(tài)脆弱性較低.脆弱區(qū)域分布較為零散,在開遠(yuǎn)市各處均有分布,地類以耕地為主.非常脆弱和極脆弱區(qū)分布于西部、南部的石漠化區(qū)域,這些區(qū)域石漠化面積廣布、水土流失嚴(yán)重,生態(tài)脆弱性較高,亟待開展生態(tài)修復(fù),避免極脆弱區(qū)域的擴(kuò)散.

圖2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性及生態(tài)脆弱性空間分布

3.2 生態(tài)安全格局

3.2.1 源地空間分布 源地由生態(tài)保護(hù)源地和生態(tài)修復(fù)源地構(gòu)成,其空間分布如圖3所示.源地最小面積閾值直接影響源地的數(shù)量[41],由圖4a可知,隨著生態(tài)源地斑塊最小面積閾值的不斷增大,生態(tài)保護(hù)源地斑塊數(shù)量快速減少.在最小面積閾值增加到0.5km2后,生態(tài)保護(hù)源地斑塊數(shù)量減少速度減緩,在最小面積閾值設(shè)定為2km2后,開遠(yuǎn)市生態(tài)保護(hù)源地斑塊數(shù)量下降趨于平緩.生態(tài)保護(hù)源地的總面積雖然受到最小面積閾值的影響,但生態(tài)保護(hù)源地占區(qū)域土地總面積的比例始終維持在9%～20%,說明被剔除的斑塊雖然數(shù)量眾多,但面積較小、分布較為離散,對(duì)生態(tài)保護(hù)源地的整體格局影響較小.因此本研究最終選取2km2這一斑塊數(shù)量下降和緩點(diǎn)作為生態(tài)保護(hù)源地斑塊最小面積閾值,最終識(shí)別的保護(hù)源地斑塊數(shù)量為14個(gè),總面積190.53km2,集中分布于開遠(yuǎn)市東部區(qū)域,如樂百道街道東部、中和營鎮(zhèn)、碑格鄉(xiāng)等.

與確定生態(tài)保護(hù)源地最小面積閾值的方法一致(圖4b),研究以0.5km2為生態(tài)修復(fù)源地的最小面積閾值,最終識(shí)別15個(gè)生態(tài)修復(fù)源地,總面積16.82km2.從空間位置來看,生態(tài)保護(hù)源地的面積較大且分布集中,多位于研究區(qū)東部山地,如大黑山、中山河谷等,區(qū)域植被密集、生態(tài)斑塊集中連片、人口密度低,受人類活動(dòng)影響較小.生態(tài)修復(fù)源地多位于研究區(qū)西部、南部,面積較小且分布零散,如小龍?zhí)舵?zhèn)的小龍?zhí)睹旱V和南部的靈泉街道、羊街鄉(xiāng)等的石漠化地區(qū),區(qū)域生態(tài)基底較差、人為干擾強(qiáng)烈.

3.2.2 阻力面和廊道空間分布 阻力面與廊道空間分布如圖5所示,高阻力值區(qū)域主要分布在開遠(yuǎn)市西部、南部人類活動(dòng)集中區(qū)和生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū),如小龍?zhí)舵?zhèn)、樂百道街道西部、大莊回族鄉(xiāng)東部.各城鎮(zhèn)居民用地和工礦區(qū)、工業(yè)區(qū)之間通過道路連接形成生態(tài)阻力高值網(wǎng)絡(luò),切斷本就脆弱的生態(tài)過程.低阻力值區(qū)主要分布在開遠(yuǎn)市自然環(huán)境條件相對(duì)較好的東部、北部,如中和營鎮(zhèn)、樂百道街道東部,與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高值區(qū)域的空間分布特征一致.

圖3 生態(tài)源地空間分布

圖4 生態(tài)源地斑塊最小面積閾值

研究共識(shí)別廊道38條,包括潛在生態(tài)廊道和修復(fù)廊道.研究區(qū)潛在生態(tài)廊道共26條,總長度191.15km,潛在修復(fù)廊道空間分布呈明顯的區(qū)域差異,研究區(qū)西部廊道分布稀疏,長度較長,路徑平均耗費(fèi)成本值高;研究區(qū)東部廊道分布密集,長度較短,路徑平均耗費(fèi)成本值低.修復(fù)廊道共12條,總長度75.71km.呈短樹枝狀分布于生態(tài)保護(hù)源地與修復(fù)源地之間,空間分布上,受修復(fù)源地空間布局影響,研究區(qū)西部修復(fù)廊道的數(shù)量和長度遠(yuǎn)勝東部.

3.3 國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域識(shí)別

3.3.1 生態(tài)修復(fù)源地 研究共確定了15個(gè)生態(tài)修復(fù)源地,總面積16.82km2,占研究區(qū)總面積的0.87%,生態(tài)修復(fù)源地分布特征與研究區(qū)石漠化分布相似,地類以未利用地和耕地為主,且多位于高阻力值區(qū)域附近.脆弱的生態(tài)基底疊加高強(qiáng)度人類干擾,致使生境質(zhì)量不斷下降.因此,為了維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的完整性,有必要采取相應(yīng)措施對(duì)修復(fù)源開展生態(tài)修復(fù),保障研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定.

3.3.2 修復(fù)廊道 研究共提取修復(fù)廊道12條,總長度75.71km.主要分布在開遠(yuǎn)市西部、南部的小龍?zhí)舵?zhèn)、靈泉街道、樂百道街道.修復(fù)廊道整體分布上較為離散,長度較長,路徑平均耗費(fèi)成本高,且地類以耕地、未利用地為主,斑塊破碎度高,抗干擾能力較弱,廊道任意一處受損后將阻斷生態(tài)保護(hù)源地與修復(fù)源地之間的物質(zhì)、能量流動(dòng),加劇生態(tài)脆弱區(qū)域環(huán)境惡化.

3.3.3 生態(tài)夾點(diǎn) 基于電路理論識(shí)別出的生態(tài)夾點(diǎn)如圖5所示,研究共識(shí)別出31個(gè)生態(tài)夾點(diǎn),面積共0.58km2.地類以未利用地和林地為主,從空間分布來看,生態(tài)夾點(diǎn)主要以帶狀分布在開遠(yuǎn)市南部和東南部區(qū)域,以點(diǎn)狀分布在開遠(yuǎn)市西部區(qū)域,南部和東南部區(qū)域受人類活動(dòng)帶來的負(fù)面反饋較大,且東南部地區(qū)分布有較大面積的石漠化區(qū)域,整體生態(tài)阻力大,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性弱.

3.3.4 障礙區(qū) 利用Barrier Mapper插件識(shí)別出的障礙區(qū)如圖5所示.研究共識(shí)別出障礙區(qū)11處,面積共計(jì)5.97km2,地類以耕地和未利用地為主.從空間分布來看,障礙區(qū)呈團(tuán)塊狀集中分布于開遠(yuǎn)市東南部的大莊回族鄉(xiāng)、碑格鄉(xiāng),以離散點(diǎn)狀分布于開遠(yuǎn)市西部區(qū)域,部分障礙區(qū)與生態(tài)修復(fù)源地、生態(tài)夾點(diǎn)重疊.東南部人類活動(dòng)頻繁,人為干擾指數(shù)高,石漠化面積廣布,障礙區(qū)呈團(tuán)塊狀分布;而西部區(qū)域雖受高人類活動(dòng)干擾,但植被條件較好,石漠化等未利用地區(qū)域也較東南部少,障礙區(qū)呈離散點(diǎn)分布.

圖5 開遠(yuǎn)市生態(tài)安全格局

3.4 生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域生態(tài)問題定量診斷與修復(fù)分區(qū)

3.4.1 生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域生態(tài)問題定量診斷 開遠(yuǎn)市生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)各生態(tài)問題定量診斷結(jié)果如圖6所示.受未利用地空間分布和人類活動(dòng)影響,開遠(yuǎn)市生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)石漠化主要集中于西部和南部的生態(tài)修復(fù)源地(圖6a).并且受坡度和降水影響,西部石漠化程度較南部更高.受礦產(chǎn)資源開發(fā)和喀斯特地貌特征等因素影響,開遠(yuǎn)市生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害(圖6b)主要以滑坡、崩塌、泥石流和地面塌陷為主,多發(fā)于西部采礦區(qū)和東南部的喀斯特地貌區(qū),并且采礦區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害較喀斯特地貌區(qū)更為集中.

開遠(yuǎn)市生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕量為0～934.61t/(hm2×a)(圖6c),根據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)[42],土壤侵蝕等級(jí)主要為微度侵蝕(<500t/(hm2×a))和中度侵蝕(500～2500t/(hm2×a)),并且以微度侵蝕為主,分布廣泛,而輕度侵蝕則零星分布在人類活動(dòng)頻繁的城鄉(xiāng)、工礦、建設(shè)用地附近.

開遠(yuǎn)市生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(圖6d)均較高,同時(shí)相較于北部,南部區(qū)域多位于地形破碎的喀斯特地貌區(qū),生境斑塊破碎,地類以耕地和未利用地為主,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)更高.

與開遠(yuǎn)市人為干擾空間分布一致,生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)人為干擾(圖6e)集中在西北—東南一線,呈現(xiàn)西北—東南一線高,兩側(cè)人為干擾低的空間分布特點(diǎn),西北—東南沿線建設(shè)用地、耕地廣布,人為干擾高.

3.4.2 生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域修復(fù)分區(qū) 根據(jù)開遠(yuǎn)市生態(tài)問題指數(shù)測算結(jié)果,開遠(yuǎn)市生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域可劃分為生態(tài)保育區(qū)(0～0.197)、功能提升區(qū)(0.197～0.294)、災(zāi)害防治區(qū)(0.294～0.398)和重點(diǎn)整治區(qū)(0.398～0.577)(圖7).其中生態(tài)保育區(qū)面積為9.58km2,占生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域總面積的25.84%,主要分布在修復(fù)廊道的林地上,生態(tài)問題主要為生境斑塊破碎,景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)高.未來生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)在于提升林地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,降低其景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).一方面,科學(xué)確定引種樹種,通過營造天然林、人工林等方式,促進(jìn)植被恢復(fù),增強(qiáng)其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能;另一方面,應(yīng)嚴(yán)格控制人類活動(dòng),通過封山育林等方式,減輕人為擾動(dòng),降低區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).

功能提升區(qū)面積為9.07km2,占生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域的24.41% ,主要分布在障礙區(qū)、修復(fù)廊道和生態(tài)夾點(diǎn)的耕地、林地和未利用地上,區(qū)域的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、土壤侵蝕和人為干擾較為突出.未來生態(tài)修復(fù)應(yīng)嚴(yán)格控制人類活動(dòng),根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境條件,持續(xù)推進(jìn)宜林荒山綠化,對(duì)未利用地通過營造人工林、修建魚鱗坑等工程措施,提高植被覆蓋度,增強(qiáng)區(qū)域水土保持能力,全面治理水土流失,形成穩(wěn)定性強(qiáng),生態(tài)功能好的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng).

圖6 生態(tài)問題診斷結(jié)果

災(zāi)害防治區(qū)面積最大,達(dá)12.48km2,占生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域的33.59%,主要分布在生態(tài)修復(fù)源地的林地、未利用地和耕地上,生態(tài)問題以生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和石漠化為主,土壤侵蝕、地質(zhì)災(zāi)害也占有一定比重.未來生態(tài)修復(fù)應(yīng)著重于石漠化災(zāi)害整治,工程措施與生物措施相結(jié)合,實(shí)施高標(biāo)準(zhǔn)的生態(tài)防護(hù)防范工程,避免石漠化區(qū)域擴(kuò)散和石漠化程度加深;同時(shí),注重防止地質(zhì)災(zāi)害,做好地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與生態(tài)修復(fù)工作,修復(fù)區(qū)域植被,加大生態(tài)用地的封育力度,促使生境斑塊集中連片,降低區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).

重點(diǎn)整治區(qū)面積最小,為6.01km2,占生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域的16.16%,零星分布于生態(tài)修復(fù)源地和障礙區(qū),是生態(tài)問題最為復(fù)雜的區(qū)域,也是生態(tài)保護(hù)與修復(fù)重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域.未來要積極開展生態(tài)保護(hù)和修復(fù)工程,通過自然恢復(fù)為主、人為修復(fù)為輔的修復(fù)措施,提高生物多樣性;此外,通過合理布局和規(guī)劃人類活動(dòng),整合破碎的生境斑塊,提高生態(tài)網(wǎng)絡(luò)完整性,注重建設(shè)用地和交通用地生態(tài)帶、生態(tài)緩沖區(qū)建設(shè),提高生態(tài)用地的生態(tài)系統(tǒng)完整性和連通性,提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給能力.

圖7 生態(tài)修復(fù)分區(qū)

4 討論

國土空間生態(tài)修復(fù)的保護(hù)修復(fù)對(duì)象是由相互聯(lián)系相互作用的各類要素組成的有機(jī)整體,因而在國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域識(shí)別過程中應(yīng)綜合考慮自然生態(tài)系統(tǒng)的系統(tǒng)性和完整性[42].相較其他區(qū)域,開遠(yuǎn)市兼具生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要和生態(tài)環(huán)境脆弱的特點(diǎn),其國土空間生態(tài)修復(fù)需更兼顧保護(hù)與修復(fù)兩個(gè)層面.因此,在借鑒前人研究基礎(chǔ)上,研究從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性和生態(tài)脆弱性兩個(gè)視角出發(fā)結(jié)合生態(tài)安全格局,提取開遠(yuǎn)市國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域.結(jié)果表明,國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域集中分布于開遠(yuǎn)市西部、南部的礦區(qū)、石漠化區(qū)域,與開遠(yuǎn)市生態(tài)修復(fù)的重點(diǎn)一致,結(jié)果基本可靠.另外,考慮到區(qū)域內(nèi)高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)斑塊與生態(tài)極脆弱斑塊間的物質(zhì)和能量流通問題,研究引入修復(fù)廊道作為國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域,以此保障不同類型生態(tài)源地斑塊間的連通,有助于生態(tài)系統(tǒng)完整性和連通性的提升.

此外,生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域的改善是城市生態(tài)規(guī)劃和生態(tài)修復(fù)工程規(guī)劃重要的組成部分,而生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域的改善離不開相應(yīng)的生態(tài)修復(fù)措施[43].《山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程指南》指出山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)要調(diào)查現(xiàn)狀,查清區(qū)域生態(tài)本底情況;并診斷問題,提升保護(hù)修復(fù)的針對(duì)性.基于此,研究在前文國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域的識(shí)別基礎(chǔ)上,結(jié)合區(qū)域突出生態(tài)問題構(gòu)建生態(tài)問題指數(shù),開展生態(tài)本底調(diào)查和生態(tài)問題診斷,考慮生態(tài)修復(fù)的緊迫性和優(yōu)先次序,將關(guān)鍵區(qū)域劃分為生態(tài)保育區(qū)、功能提升區(qū)、災(zāi)害防治區(qū)和重點(diǎn)整治區(qū),結(jié)合各分區(qū)土地利用類型和突出生態(tài)分體做出不同的部署安排,有助于統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各類生態(tài)修復(fù)工程,實(shí)現(xiàn)多層次協(xié)同優(yōu)化,達(dá)到生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善、生態(tài)系統(tǒng)間整體性與連通性增強(qiáng)效果.

然而,生態(tài)保護(hù)與修復(fù)是人與自然交互作用的復(fù)雜過程,研究在生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域的生態(tài)問題識(shí)別和修復(fù)策略制訂上主要考慮開遠(yuǎn)市突出生態(tài)問題,但生態(tài)問題的識(shí)別和修復(fù)策略制訂要求充分了解研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平,后續(xù)研究仍需基于自然生態(tài)過程與人類生態(tài)需求開展進(jìn)一步空間解析,深入探討生態(tài)問題形成機(jī)制,從而為生態(tài)修復(fù)工程的具體實(shí)施提供更為精細(xì)化的定量分析和評(píng)價(jià).

5 結(jié)論

5.1 開遠(yuǎn)市生態(tài)安全格局由兩種源地和兩類廊道構(gòu)成.其中生態(tài)保護(hù)源地14個(gè),生態(tài)修復(fù)源地15個(gè),生態(tài)保護(hù)源地、修復(fù)源地分別呈半環(huán)狀分布于北部、東部和西部、南部.潛在生態(tài)廊道26條,修復(fù)廊道12條,其中潛在生態(tài)廊道多呈橫向分布,修復(fù)廊道多呈縱向分布.

5.2 生態(tài)修復(fù)源地、修復(fù)廊道、生態(tài)夾點(diǎn)和障礙區(qū)共同構(gòu)成開遠(yuǎn)市生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域.其中生態(tài)修復(fù)源地15個(gè),面積共計(jì)16.82km2;修復(fù)廊道12條,總長度75.71km;生態(tài)夾點(diǎn)31個(gè),面積共0.58km2;障礙區(qū)11處,面積共計(jì)5.97km2.

5.3 生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)內(nèi)石漠化主要集中于西部和南部;土壤侵蝕主要以微度侵蝕為主;地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)于采礦區(qū)以及喀斯特地貌區(qū);生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)均較高;人為干擾呈西北—東南一線高,兩側(cè)低分布.

5.4 生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域共劃分為四區(qū),針對(duì)生態(tài)保育區(qū)、功能提升區(qū)、災(zāi)害防治區(qū)和重點(diǎn)整治區(qū),結(jié)合各區(qū)空間分布和突出生態(tài)問題,提出提升生態(tài)功能,限制人為擾動(dòng);推進(jìn)生態(tài)綠化,構(gòu)建復(fù)合生態(tài)系統(tǒng);防治石漠化、地質(zhì)災(zāi)害,降低景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);開展生態(tài)整治,保障生態(tài)流動(dòng)的修復(fù)策略.

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Identification and restoration zoning of key areas for ecological restoration of territorial space in southwestern karst mountainous areas: A case study of Kaiyuan City in karst mountainous area of Southwest China.

XIANG Ai-meng1, YUE Qi-fa1, ZHAO Xiao-qing1*, HUANG Pei2, RAN Yu-ju2, GU Ze-xian2,3, SHI Xin-yu1

(1.College of Earth Science, Yunnan University, Kunming 650500, China；2.Institute of International Rivers and Ecological Security, Yunnan University, Kunming 650500, China；3.Nujiang Forestry and Grassland Administration, Lushui 673200, China)., 2023,43(12)：6571～6582

Taking Kaiyuan City as an example, this paper has constructed the ecological security pattern and identified the key areas of ecological restoration from the perspective of ecosystem services and ecological vulnerability. The ecological problem index was used to quantify the existing ecological problems in the key areas of ecological restoration, and the ecological restoration zoning was delineated and the corresponding restoration strategies were proposed. The research showed that: (1) The ecological security pattern of Kaiyuan City consisted of two sources and two types of corridors. The area of ecological protection source and ecological restoration source was 190.53km2and 16.82km2respectively, and the total length of potential ecological corridor and restoration corridor was 191.15km and 75.71km respectively. (2) Based on the ecological security pattern, the key areas of ecological restoration in Kaiyuan City were extracted, including 15 ecological restoration sources, 12 ecological restoration corridors, 31 ecological pinch points and 11 ecological obstacle areas. The rocky desertification in the key areas of ecological restoration was mainly concentrated in the west and south of Kaiyuan city, and the degree of rocky desertification in the west was higher than that in the south. Soil erosion was mainly micro-erosion; geological disasters occured frequently in mining areas and karst landform areas; ecological risks were high; human disturbance was concentrated in the northwest-southeast line. (3) According to the calculation results of ecological problem index, the key areas of ecological restoration were divided into ecological conservation areas, functional improvement areas, disaster prevention areas and key remediation areas, and corresponding optimization strategies were proposed in combination with the prominent ecological problems in each area. The research results could provide some reference for the identification and restoration strategy of key areas of territorial space ecological restoration.

ecological security pattern；key area identification；ecological problem index；ecological restoration zoning；karst mountain

X171.4

A

1000-6923(2023)12-6571-12

向愛盟,岳啟發(fā),趙筱青,等.國土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)識(shí)別及修復(fù)分區(qū)——以西南喀斯特山區(qū)開遠(yuǎn)市為例 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2023,43(12):6571-6582.

Xiang A M, Yue Q F, Zhao X Q, et al. Identification and restoration zoning of key areas for ecological restoration of territorial space in southwestern karst mountainous areas: a case study of Kaiyuan City in karst mountainous area of Southwest China [J]. China Environmental Science, 2023,43(12):6571-6582.

2023-04-26

云南省科技廳-云南大學(xué)聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(2018FY001-017);云南大學(xué)研究生人才培養(yǎng)模式改革計(jì)劃:云南大學(xué)-云南省國土資源規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院產(chǎn)教融合研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地建設(shè)項(xiàng)目(CZ22622203-2022-29)

* 責(zé)任作者, 教授, xqzhao@ynu.edu.cn

向愛盟(1999-),男,湖北江陵人,云南大學(xué)碩士研究生,主要從事生態(tài)保護(hù),土地利用優(yōu)化方面的研究.發(fā)表論文3篇. xam15320218607@163.com.