基于生物多樣性保護的生態(tài)空間辨識研究

李昭陽+宋明曉+張贏月+高鏡婷+王孟

摘要：吉林省遼河流域是農(nóng)業(yè)種植和畜禽養(yǎng)殖的重點區(qū)域，由于生產(chǎn)與生活空間的不斷擴張，基于生物多樣性保護的生態(tài)空間受到侵占，科學地識別和劃定生態(tài)空間對于維持區(qū)域生態(tài)平衡、保障區(qū)域生態(tài)安全具有重要意義。在構(gòu)建包括植被覆蓋指數(shù)、植被類型、生境服務質(zhì)量指數(shù)、河流廊道連通性指數(shù)等4個指標的生態(tài)空間重要性評價體系的基礎上，綜合運用3S技術(shù)（即遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)），集成多源空間數(shù)據(jù)，運用空間分析與因子分析法對吉林省遼河流域基于生物多樣性保護的生態(tài)空間進行評價，辨識出關(guān)鍵性生物多樣性保護用地空間。研究結(jié)果表明：極重要、重要的生態(tài)空間主要分布在研究區(qū)東南部的林地和河流廊道兩側(cè)，須重點保護、嚴禁或限制開發(fā)；研究區(qū)的西北部除城鎮(zhèn)外的區(qū)域評價等級為較重要，主要為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)；建設用地的生物多樣性程度較低。研究結(jié)果可為吉林省遼河流域的生態(tài)建設規(guī)劃與生物多樣性保護提供相應理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：生態(tài)空間；遼河流域；生物多樣性保護；土地生態(tài)管理

中圖分類號： X87；X176文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）07-0220-04

2016年，我國正處于“十三五”規(guī)劃的開局之年，經(jīng)濟保持中高速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程加快，經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護間的矛盾仍然存在，土地資源開發(fā)利用不合理、資源消耗高、生態(tài)系統(tǒng)退化等問題仍較為突出。踐行生態(tài)文明理念，走可持續(xù)發(fā)展的道路，就必須加強對國土空間的科學規(guī)劃。2010年12月國務院正式頒布《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》，將國土空間的結(jié)構(gòu)劃分為農(nóng)業(yè)空間、城市空間、生態(tài)空間、其他空間。生態(tài)空間指在不同空間尺度上，對維護關(guān)鍵生態(tài)過程和提供生態(tài)系統(tǒng)服務具有重要意義的生態(tài)系統(tǒng)（土地單元）及其空間部分[1]。保留生態(tài)空間對維持生態(tài)平衡、保障生態(tài)系統(tǒng)連通性、隔離和緩沖有害的環(huán)境因素具有重要意義。生態(tài)空間的研究重點之一，就是對生態(tài)空間進行識別。

根據(jù)不同的功能，生態(tài)空間可以分為多種類型。生物多樣性是指包括地球上所有的植物、動物、微生物物種及其所擁有的基因，各物種之間及各物種與生境之間的相互作用所構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)及其生態(tài)過程[2]。基于生物多樣性保護的生態(tài)空間是指從區(qū)域?qū)哟紊献R別生物多樣性保護的關(guān)鍵過程和空間格局，保護區(qū)域生物棲息地和生態(tài)系統(tǒng)的完整性、健康性的生態(tài)空間。

國外對基于生物多樣性保護的生態(tài)空間研究多是對生態(tài)用地的劃分、生態(tài)服務功能以及生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行相關(guān)方面的評估。歐洲的研究者基于常規(guī)的土地利用體系，將具有維持生物多樣性功能的水域、林地、草地劃分出來[3]。日本學者從土地利用體系中劃分出森林和水域[4]。Malczewski提出了基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的多準則土地適宜性評價方法[5]。德國的研究人員Vester F和Hsester A V就生態(tài)靈敏度分析模型作了詳盡的闡述[6]。

國內(nèi)對基于生物多樣性保護的生態(tài)空間研究起步較晚，王智勇研究在江河湖泊、山體、風景區(qū)、自然保護區(qū)、農(nóng)田、林地等處設禁建區(qū)和限建區(qū)，通過對生態(tài)空間的保護和控制引導城市與區(qū)域發(fā)展[7]。許爾琪等結(jié)合國土規(guī)劃提取包括生物多樣性保護區(qū)、水源涵養(yǎng)區(qū)、土壤保持區(qū)、洪水調(diào)蓄區(qū)、河岸防護帶和防風固沙帶等6類國家核心生態(tài)空間，劃定維護國土安全的生態(tài)紅線[8]。近年，隨著新農(nóng)村建設取得顯著成效，呂賢軍等對城鄉(xiāng)生態(tài)空間規(guī)劃進行了探索，強調(diào)生態(tài)優(yōu)先性，既保證經(jīng)濟的穩(wěn)定增長又維護了城鄉(xiāng)生態(tài)安全格局[9]。高瑞蓮等將3S技術(shù)（即遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)）應用到生物多樣性保護的研究中，打破了傳統(tǒng)調(diào)查方法的局限性[10-11]。張黎娜等以受人為干擾劇烈的黃淮海濕地為研究對象，分析生態(tài)系統(tǒng)服務的關(guān)鍵性生態(tài)功能區(qū)[12]。Xie等在生態(tài)重要性評價中將生物多樣性保護作為重要指標之一，并用生境敏感性指數(shù)作為評價標準[13]。

根據(jù)我國生物多樣性保護的重要性空間格局可知，吉林省位于生物多樣性保護的重要區(qū)[14]。吉林省遼河流域水網(wǎng)密集、植被物種豐富，同時也是吉林省農(nóng)業(yè)種植和畜禽養(yǎng)殖的重點區(qū)域，流域生產(chǎn)總值占全省的25%。無論從生態(tài)學角度還是社會經(jīng)濟學角度出發(fā)，以吉林省遼河流域作為典型區(qū)，進行生物多樣性保護的生態(tài)空間識別，對區(qū)域生態(tài)建設及可持續(xù)發(fā)展有重要的指導意義。目前，從事基于生物多樣性保護方面的空間辨識研究較少，本研究在前人研究的基礎上，對影響生物多樣性保護的生態(tài)空間的指標進行篩選和補充，以便更準確地反映吉林省遼河流域的生態(tài)特征，為區(qū)域生態(tài)安全格局設計以及生態(tài)建設提供科學的理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況

吉林省遼河流域地處松遼平原中部，地理位置123°18′～125°36′E，42°36′～44°10′N（圖1），流域面積15 710 km2，占全省總土地面積的8.38%，包括遼源市、四平市2個地級市和東遼縣、公主嶺市、梨樹縣、雙遼市、伊通滿族自治縣等5個縣（縣級市），總?cè)丝?63萬人。研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候區(qū)，冬季干燥、氣候嚴寒，夏季降水集中、氣溫濕熱，年均氣溫在2～8 ℃左右，年降水量350～700 mm。研究區(qū)地處遼河流域上游，同時具備低山、丘陵和平原，地勢由東南向西北緩降，海拔655～99 m。

2研究方法和數(shù)據(jù)來源

2.1數(shù)據(jù)來源和處理

本研究主要運用遙感和GIS的空間分析技術(shù)，應用平臺為ArcGIS 10.0、Erdas 9.2、Fragstats 4.2。本研究數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)源見表1。表1研究數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)源

數(shù)據(jù)來源1 ∶165萬2012年吉林省土地現(xiàn)狀圖《吉林省地圖集》1 ∶165萬2012年吉林省水系濕地圖《吉林省地圖集》1 ∶165萬2012年吉林省植被類型圖《吉林省地圖集》NDVI數(shù)據(jù)風云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務網(wǎng)http：//fy3.satellite.cma.gov.cn/portalsite/default.aspx和LAADS WEB https：//ladsweb.nascom.nasa.gov/（空間分辨率為250 m×250 m）DEM數(shù)據(jù)國家科學數(shù)據(jù)服務平臺（分辨率為30 m）

在ArcGIS 10.0中從2012年吉林省土地利用現(xiàn)狀圖中提取主要的景觀類型，包括林地、濕地、水域、草地、農(nóng)田、建設用地，利用ArcGIS 10.0的空間分析工具對吉林省水系濕地圖作500 m緩沖區(qū)，并與提取的景觀類型圖疊加，得到2012年吉林省河流廊道空間分布圖。利用Fragstats 4.2軟件計算河流廊道的連通度，將計算結(jié)果在ArcGIS 10.0中進行賦值，得到河流廊道連通性的空間分布圖。利用柵格計算器對土地利用現(xiàn)狀圖進行計算、修正得到生境服務質(zhì)量圖，將植被覆蓋指數(shù)圖、植被類型圖、生境服務質(zhì)量圖、河流廊道連通性空間分布圖作疊加運算和重分類，最終將吉林省遼河流域生物多樣性保護的生態(tài)空間劃為4級，分別為極重要、重要、較重要、一般。

2.2研究方法

基于生物多樣性保護的生態(tài)空間是指從區(qū)域?qū)哟紊献R別生物多樣性保護的關(guān)鍵過程和空間格局，保護區(qū)域生物棲息地和生態(tài)系統(tǒng)的完整性和健康性的生態(tài)空間用地。在已有的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務定量評估的基礎上，針對研究區(qū)植被覆蓋程度高、植被物種豐富、水網(wǎng)密集的特點及演變規(guī)律，篩選和構(gòu)建生物多樣性保護的生態(tài)空間識別的指標體系，本研究以植被類型、植被覆蓋指數(shù)、生境服務質(zhì)量指數(shù)、河流廊道連通性作為評價指標，分別評價每個指標的重要性并進行賦值，最后根據(jù)各指標的評價結(jié)果完成研究區(qū)生態(tài)空間的綜合識別圖。

2.2.1植被覆蓋指數(shù)由于植被覆蓋指數(shù)與生物量、光有效輻射等生物物理參數(shù)有較強的相關(guān)性，能夠有效反映地表植被的生長狀況、植被種植特征、生物量大小和覆蓋程度，本研究將植被覆蓋指數(shù)作為基于生物多樣性保護的生態(tài)空間辨識的重要指標，分級標準見表2。

2.2.2植被類型植被作為地表生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，受光照、溫度、降水量等環(huán)境因素影響生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)流和能量流的傳遞。本研究區(qū)主要以人工植被為主，即為吉林省耕地的主要分布區(qū)。本研究區(qū)北部的主要植被類型為草地，東南部植被類型較多并以次生林、闊葉林為主，中部為耕地，耕地周圍多種植人工楊林作為農(nóng)田保護林。本研究參閱已有的國內(nèi)外研究，結(jié)合研究區(qū)實際情況，運用專家咨詢的方法對植被類型進行分級賦值，具體分級標準見表2。

2.2.3生境服務質(zhì)量指數(shù)一般而言，生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性服務功能較高的地區(qū)都能為瀕危物種提供良好的生境[15]。通過保護生物多樣性服務功能，能維持生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎。參考謝高地等核算的生物多樣性服務當量[16]，結(jié)合研究區(qū)實際情況，根據(jù)保護級別予以修正，計算公式如下：

式中：S為生境服務質(zhì)量指數(shù)；l為各土地利用類型面積；n為生物多樣性服務當量；m為保護級別修訂值。運用ArcGIS 10.0的柵格計算器計算每個柵格單元的生境服務質(zhì)量指數(shù)，再進行重分類，分別為極重要、重要、較重要、一般4類，并分別賦值為7、5、3、1，具體分級標準見表2。

2.2.4河流廊道連通性指數(shù)所有景觀都會被廊道分割，同時又被廊道連接在一起[17]。連通性作為河流廊道的重要結(jié)構(gòu)特性，能提供良好的生境，利于植物體傳播，是能量、物質(zhì)和生物的源和匯[18]。利用Fragstats 4.2軟件計算河流廊道空間的連通性，將計算結(jié)果在ArcGIS 10.0中賦值，得到河流廊道連通性的空間分布圖，運用自然斷點法重新分類，分別為極重要、重要、較重要、一般4類，并分別賦值為7、5、3、1，具體分級標準見表2。

2.2.5生物多樣性保護用地綜合評價利用層次分析法對植被覆蓋指數(shù)、植被類型、生境服務質(zhì)量指數(shù)劃分權(quán)重，運用ArcGIS 10.0的空間疊加分析功能，得到基于生物多樣性保護的綜合生態(tài)空間評價圖，計算公式如下：

式中：SS為生物多樣性保護用地綜合指數(shù)；Ci為第i個指標的重要性等級值；Wi為第i個指標的權(quán)重。表2基于生物多樣性保護的生態(tài)空間評價指標

指標各生態(tài)元素對生物多樣性保護的貢獻分級極重要重要較重要一般植被覆蓋指數(shù)>0.6～1.0>0.4～0.6>0.2～0.40～0.2植被類型櫟楊樺林疏林草地、灌叢草地、蘆葦草地雜類草地、水田旱地生境服務質(zhì)量指數(shù)>15 000>1 300～15 000300～1 300<300河流廊道連通性指數(shù)>65.00>50.00～65.0035.00～50.00<35.00分級賦值7531

3結(jié)果與分析

根據(jù)上述識別方法，利用GIS 10.0對吉林省遼河流域關(guān)鍵性生態(tài)保護用地各單因子進行評價，得到評價結(jié)果見表3。

由植被覆蓋方面的重要性空間分布情況（圖2）和表3可知，研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋分布差異較大，呈現(xiàn)由西北向東南遞增的趨勢，極重要的地區(qū)出現(xiàn)在遼源市和四平市南部，主要的植被類型為溫帶落葉林區(qū)。植被覆蓋評價為極重要、重要的地區(qū)面積分別為656.68、1 850.64 km2，合計占研究區(qū)總面積的15.96%，該地區(qū)植被覆蓋程度較好。較重要的地區(qū)主要分布在四平市中部，該地區(qū)以旱地居多。

根據(jù)研究區(qū)植被類型空間分布情況（圖3）和表3可知，評價級別為極重要的地區(qū)主要位于四平市南部和遼源市大部分地區(qū)，主要植被類型為櫟楊樺林、松林。該地區(qū)面積為 2 675.41 km2，占研究區(qū)總面積的17.03%。四平市西北部的人工楊林、遼源南部的落葉松林、灌叢草地、疏林草地等為研究區(qū)重要的植被類型，面積為589.13 km2，較重要的植被類型為水田，分布于遼河沿岸，極重要、重要以及較重要的植被類型用地占研究區(qū)總面積的32.20%。重要性等級為一般的植被類型為旱田，分布在研究區(qū)的中部，占研究區(qū)總面積的 67.80%。

從圖4和表3研究區(qū)生境服務質(zhì)量可以看出，極重要、重要的地區(qū)分別占研究區(qū)總面積的17.25%、64.64%。極重要地區(qū)分布在四平市南部和遼源市大部分地區(qū)，該區(qū)域林地、灌叢、草地為重要的景觀類型，物種豐富，能提供較好的生態(tài)系統(tǒng)服務功能。研究區(qū)西北部的堿蓬堿蒿草地、針茅草地生態(tài)系統(tǒng)服務價值較低，生境服務質(zhì)量等級為一般。

吉林省遼河流域的河流廊道面積為1 245.64 km2，占研究區(qū)總面積的11.04%。河流廊道內(nèi)所發(fā)生的傳輸或遷移取決于河流廊道的連通性，同時對廊道兩側(cè)的生境獨特性有明顯影響[19]。由研究區(qū)河流廊道的空間分布情況（圖5）和表3可知，研究區(qū)河流廊道保持較高的連通性。連同程度為極重要、重要的區(qū)域占研究區(qū)河流廊道總面積的73.60%，主要分布在研究區(qū)中部和南部，表現(xiàn)的景觀類型為農(nóng)田、水域。連通程度較重要的地區(qū)占研究區(qū)河流廊道總面積的11.11%，主要的景觀類型為少量的濕地和草地。連通性一般的地區(qū)多為建筑用地。

綜合評價結(jié)果（圖6）表明，極重要的地區(qū)主要位于研究區(qū)的南部以及河流廊道，少量分布在研究區(qū)北部，評價結(jié)果為極重要的地區(qū)植被覆蓋度高，主要植被類型為櫟楊樺林、松林，同時連通度較高的河流廊道提供極高生境服務質(zhì)量。分布在極重要的地區(qū)周圍的植被類型為落葉松林、灌叢草地、疏林草地等，與沿遼河流域種植的水田共同構(gòu)成生物多樣性保護用地的重要用地。研究區(qū)的中部種植大面積的旱田，雖然植被覆蓋度較高，但它提供的生境服務質(zhì)量受季節(jié)影響較大，評價結(jié)果為較重要。研究區(qū)內(nèi)的建設用地評價等級為一般。

4結(jié)論

結(jié)合吉林省遼河流域的生態(tài)特點，從植被覆蓋指數(shù)、植被類型和生物服務質(zhì)量、河流廊道連通性4個方面出發(fā)，構(gòu)建生物多樣性保護用地識別的指標體系。按照分級標準對植被覆蓋指數(shù)、植被類型和生物服務質(zhì)量、河流廊道連通性進行重要性分級，利用GIS的空間疊加分析功能，得到生物多樣性保護用地的綜合空間評價分級圖，分級結(jié)果能準確反映關(guān)鍵性生物多樣性保護用地的空間分布特征。

研究區(qū)東南部以及主要的水系周圍植被覆蓋度高，植被類型以林地、灌叢、草地為主，生境服務質(zhì)量高，同時河流廊道具有較好的連通性，能提供較高的生物多樣性服務價值，被評為極重要的生物多樣性保護用地。須對這些區(qū)域加以重點保護，禁止開發(fā)建設。

隨著人口增長，人類活動加劇、對環(huán)境的不合理開發(fā)等都造成對生態(tài)空間用地的破壞。對關(guān)鍵性生物多樣性保護用地的識別研究，有助于明確生態(tài)空間用地存在的問題，通過研究關(guān)鍵性生物多樣性保護用地的空間分布特征，有利于把握生態(tài)系統(tǒng)脆弱性特征，指導土地的生態(tài)管理，實現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟、社會可持續(xù)發(fā)展。

本研究能較好地對研究區(qū)關(guān)鍵性生物多樣性保護用地進行識別，對本研究區(qū)的生態(tài)安全、生態(tài)空間用地的辨識等具有指導意義。由于本研究區(qū)內(nèi)沒有國家級自然保護區(qū)和森林公園等重要的生態(tài)功能區(qū)，因此本研究未涉及重要功能區(qū)對生物多樣性保護用地的影響。此外，在今后的研究中，可進一步擴展指標體系，提高研究尺度，使研究結(jié)果更具有指導性和操作性。

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