太行山區(qū)國土空間生態(tài)修復關鍵區(qū)域識別*
——以唐縣為例

溫雪靜, 周 智, 張美麗, 張蓬濤, 張貴軍, 張秦瑞

(1.河北農業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院 保定 071000; 2.河北農業(yè)大學國土資源學院 保定 071000; 3.河北省農田生態(tài)環(huán)境重點實驗室 保定 071000; 4.四川輕化工大學 宜賓 644000)

國土空間是人類及其他生物生存與活動的場所,由生態(tài)系統(tǒng)和人類社會共同組成[1]。近年來, 不斷加重的人類活動導致土地退化、生態(tài)系統(tǒng)嚴重破壞,隨之帶來了氣候危機以及水源和糧食安全問題, 生態(tài)修復迫在眉睫[2]。目前我國對一些地區(qū)展開了生態(tài)保護與修復工作, 如京津風沙源治理工程和“三北”防護林工程, 局部區(qū)域植被覆蓋率和生態(tài)環(huán)境得到一定改善[3]。但以工程為導向的生態(tài)修復往往只針對于某一生態(tài)要素進行分析與治理, 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)安全格局角度進行國土空間生態(tài)修復, 是以山水林田湖草思想為理論基礎, 可達到統(tǒng)一保護、統(tǒng)一修復的目的[5]?；诖伺袆e生態(tài)關鍵區(qū)域具有重要生態(tài)價值[6-9]。

生態(tài)關鍵區(qū)域作為景觀格局研究的關鍵一環(huán),其內涵為: 景觀中的點、線、面等對于保證生態(tài)系統(tǒng)安全具有關鍵作用的生態(tài)要素[10]。目前關鍵區(qū)域的劃定范圍各有千秋, 國內外學者較多將生態(tài)廊道薄弱區(qū)域、廊道與廊道的交點、廊道的轉折點、廊道與生態(tài)源地的交點、廊道與山脊線的交點、脊線與谷線的交點區(qū)域作為關鍵區(qū)域[11-19], 其識別方法多為經驗判別法[20], 或是通過生態(tài)風險評價、適宜性分析、敏感性分析等單因子評價法[21-25]。而從整體格局視角界定其范圍進而對其進行判別的研究較少。近年來有學者提出將生態(tài)斷裂點[19]、生態(tài)夾點以及生態(tài)障礙點[26]引入關鍵區(qū)域研究范圍。生態(tài)夾點為物種流動較活躍且必經的路徑, 生態(tài)斷裂點、生態(tài)障礙點是在生態(tài)廊道中阻礙生物流動的區(qū)域[19], 考慮到物種流動行為多具有隨機性, 如何準確有效地模擬生物流動是識別此類區(qū)域的關鍵[27]。McRae[28]首先提出IBR模型預測遺傳分化與電阻距離之間的關系, 并將電路理論融入景觀生態(tài)學領域, 用電子隨機游走的特性模擬了物種在景觀中的流動擴散過程,因此電路理論的連接模型和隨機游走理論是識別生態(tài)廊道以及關鍵區(qū)域的有效途徑[29-31]。電路理論還被廣泛應用于神經、經濟和社會分析網絡研究。但本研究發(fā)現僅應用該理論方法進行生態(tài)關鍵區(qū)域的識別, 得到的結果中或多或少地缺失一部分需要修復的生態(tài)要素。鑒于此, 本研究將電路理論與生態(tài)質量評價相結合, 希望能夠更為全面地識別生態(tài)關鍵區(qū)域, 有效避免在生態(tài)修復規(guī)劃設計時產生遺落。

太行山區(qū)為中國東部地區(qū)的一條關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, 其地理位置和經濟條件在太行山區(qū)較為典型。該區(qū)域相關研究主要涉及生態(tài)安全格局演變、土地利用沖突測度、礦產資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展等方面的成果,涉及國土空間生態(tài)修復領域的研究較少。另外, 通過結合電路理論和生態(tài)質量評價對生態(tài)關鍵區(qū)域進行判別的研究同樣較少。在此背景下, 識別太行山區(qū)唐縣國土空間生態(tài)修復關鍵區(qū)域對于區(qū)域國土空間生態(tài)修復與治理具有現實指導意義。本文以太行山區(qū)唐縣作為研究區(qū), 選擇3期遙感影像分別計算遙感生態(tài)指數進行生態(tài)質量評價, 同時綜合生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價識別生態(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、生境質量、坡度、高程等因子, 運用最小累計阻力模型構建生態(tài)阻力面; 基于電路理論識別生態(tài)廊道及待修復關鍵區(qū)域, 進一步完善待修復關鍵區(qū)域范圍與識別方法, 并對重要區(qū)域提出相應的保護修復建議,為太行山區(qū)國土空間生態(tài)修復提供參考。

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個鎮(zhèn)及石門鄉(xiāng)、倒馬關鄉(xiāng)、羊角鄉(xiāng)、黃石口鄉(xiāng)等11個鄉(xiāng), 全縣土地總面積為1417 km2, 總人口60.5萬。海拔40～1810 m, 差異較為明顯, 地勢西北高, 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。縣域多年平均降水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, 河北省四大水庫之一的西大洋水庫也位于境內。土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、建設用地以及未利用地, 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%。產業(yè)特色鮮明, 精工鑄造、文化旅游、農副產品及深加工、建筑建材等主導產業(yè)持續(xù)發(fā)展壯大, 以電子商務為代表的新興產業(yè)蓬勃發(fā)展, 2020年全縣生產總值達124.6億元, 增長1.4%;城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村居民人均可支配收入分別達25 401元和10 138元, 增長4.9%和9.3%, 全縣經濟發(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 數據與方法

2.1 數據來源與處理

以Landsat遙感影像數據、DEM數據、土地利用數據為基礎數據。Landsat遙感影像數據選擇2000年、2010年的Landsat-5影像, 2018年的Landsat-8 OLI影像, DEM數據空間分辨率為30 m, 均來源于地理空間數據云網站。為保證地表生態(tài)便于識別, 遙感數據均選自于7?9月份, 為減小因季節(jié)差異、植被生長狀態(tài)不同而造成的誤差, 保證研究結果的可比性, 3期影像日期前后相差在1個月之內,且云量均為0.2%以下。土地利用數據依據2000年、2010年和2018年的遙感影像解譯獲取, 根據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用地。對每期數據進行精度檢驗, 精度均達到85%以上, 滿足研究對土地利用分類數據的精度要求。

2.2 研究方法

2.2.1 生態(tài)源地識別

生態(tài)源地是區(qū)域范圍內生境質量較高且具有高生態(tài)服務價值的生態(tài)斑塊, 對維護區(qū)域生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。基于此, 綜合生境質量和生態(tài)服務價值兩方面對區(qū)域進行生態(tài)質量評價,從而識別生態(tài)源地。此方法可達到從斑塊自身屬性和生態(tài)系統(tǒng)兩個尺度綜合識別生態(tài)源地的目的, 所得結果較全面系統(tǒng)。

2.2.1.1 生境質量評價

選擇遙感生態(tài)指數表示生境質量評價情況, 該指數由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)利用強度越低, 生態(tài)系統(tǒng)連通性越好, 生境質量越高。指標選取綠度、濕度、干度和熱度4個指標, 分別用歸一化植被指數(NDVI)、濕度分量(Wet)、建筑裸土指數(NDBSI)、地表溫度(LST)表示, 運用主成分分析法將4指標進行耦合。其函數表達為:

遙感定義為:

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

生境質量評價的具體步驟為:

1)指標計算。利用遙感軟件ENVI分別對2000年、2010年和2018年3期經過預處理的遙感影像數據進行提取, 通過band math工具根據相關計算公式對綠度、濕度、干度、熱度4個指標進行計算。

2)歸一化處理。因4指標在量綱和數值范圍上差異較大, 為保證量綱統(tǒng)一, 對4個指標進行歸一化處理, 使其數值在[0, 1]之間。

3)圖像合成及水體掩膜。將經過歸一化處理后的4項指標作為4個波段合并成一幅影像。因研究區(qū)內有一座大型水庫, 為避免濕度指標受其影響, 造成主成分分析時載荷不準確, 最終影響評價結果, 在主成分分析前對水體進行掩膜處理。

4)主成分分析。將圖像導入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, 對其進行歸一化處理, 得到遙感生態(tài)指數RSEI, 該數值越大生態(tài)質量越好。

5)生境質量評價。導入RSEI圖像, 借助Arc-GIS將生境質量按等間距分為5級, 間斷點為0.2、0.4、0.6和0.8, 得到低等級(0～0.2)、較低等級(0.2～0.4)、中等級(0.4～0.6)、較高級(0.6～0.8)和高等級(0.8～1.0)。

2.2.1.2 生態(tài)服務價值評價

因生態(tài)源地特點之一為具有較高的生態(tài)服務價值, 所以對研究區(qū)的不同土地利用類型進行生態(tài)服務價值評價, 參考謝高地等[32]和Vemuri等[33]建立的我國生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子表, 基于生態(tài)服務價值當量因子的經濟價值量等于當年單位面積糧食價值的1/7規(guī)則[34]進行修正, 獲得研究區(qū)生態(tài)服務價值系數(表1), 進而計算生態(tài)系統(tǒng)服務總價值, 計算公式如下:

表1 唐縣不同土地利用類型的生態(tài)服務價值系數表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)服務總價值, 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)服務價值系數,i為土地利用類型,j為生態(tài)系統(tǒng)服務功能。將5種土地利用類型生態(tài)服務價值結果進行歸一化處理后分別賦與級別, 形成5個級別, 分別為低等級(0～0.2)、較低等級(0.2～0.4)、中等級(0.4～0.6)、較高級(0.6～0.8)和高等級(0.8～1.0)。

2.2.1.3 生態(tài)質量評價和生態(tài)源地確定

將進行歸一化處理后的生態(tài)服務價值結果等權重與生境質量評價結果疊加[35-36], 獲得生態(tài)質量評價結果, 篩選出高生態(tài)質量的斑塊為初步生態(tài)源地, 考慮到斑塊面積的大小會影響生物多樣性及分布, 通過ArcGIS統(tǒng)計初步生態(tài)源地斑塊面積, 剔除或合并一些細碎斑塊, 參考相關研究[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)阻力面構建

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

表2 唐縣生態(tài)阻力面因子權重與阻力系數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擴散至某點的最小累積阻力值,Dij為生物從源地柵格j到空間某一點所穿越的景觀基面i空間距離,Ri為景觀基面i對生態(tài)過程或物種運動的基本阻力系數。模型計算利用ArcGIS空間分析模塊中cost distance功能實現。

2.2.3 生態(tài)廊道構建

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。電路理論中經常用到的連接模型與隨機游走相結合能夠較好地評價最小成本路徑。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)源地間耗費阻力最小的路徑為生態(tài)廊道。首先計算綜合生態(tài)阻力面上所有像元到源地的成本加權距離(cost weighted distance, CWD), 創(chuàng)建成本加權距離表面, 然后將CWD柵格與源地疊加后計算源地間累積移動成本路徑。再由路徑最小值組成最小成本距離[least cost distance, LCD; 對應路徑為最小耗費路徑(least cost path, LCP)], 最后得到關鍵廊道和潛在廊道。

2.2.4 關鍵區(qū)域識別

本文在生態(tài)安全格局的基礎上從整體角度對關鍵區(qū)域進行識別, 加入生態(tài)斷裂點和低生態(tài)質量區(qū)域作為關鍵區(qū)域。完善待修復關鍵區(qū)域范圍為生態(tài)夾點、生態(tài)障礙點、生態(tài)斷裂點、低生態(tài)質量區(qū)域,并提供相應的識別方法。

2.2.4.1 生態(tài)夾點區(qū)域識別

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

2.2.4.2 生態(tài)障礙點區(qū)域識別

生態(tài)障礙點區(qū)域是源地間對物種流動阻力較大的區(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工具可檢測出影響廊道流暢性的重要障礙物。本研究利用此工具識別生態(tài)障礙點。結合研究區(qū)實際情況, 用自然斷點法選擇結果中最高兩級為生態(tài)障礙點區(qū)域, 同時與土地利用類型圖疊加, 結合土地利用現狀提出相關建議。運行前選擇改進得分相對于最小成本路徑百分比, 得到阻止物種流動、影響生態(tài)廊道連通性的障礙區(qū)域, 以及阻礙物種流動但不完全阻止運動的障礙區(qū)域。前者在進行生態(tài)修復時應采取修復手段, 后者采取維護手段。

2.2.4.3 生態(tài)斷裂點區(qū)域識別

生態(tài)斷裂點大都與大型交通道路的阻隔有關。隨著人類生活水平的提高以及城市化加劇, 交通道路數量急劇增加, 人們出行方便的同時, 四通八達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)廊道圖與交通運輸用地圖疊加分析, 識別生態(tài)斷裂點區(qū)域。

2.2.4.4 低生態(tài)質量區(qū)域識別

低生態(tài)質量區(qū)域為在進行生態(tài)質量評價時, 綜合生態(tài)質量和生態(tài)服務價值最低的斑塊, 這些區(qū)域存在嚴重的生態(tài)問題, 其規(guī)模及分布直接影響景觀破碎程度, 對生態(tài)系統(tǒng)的影響不容忽視, 在本文作為待生態(tài)修復關鍵區(qū)域之一。

3 結果與分析

3.1 生態(tài)質量的變化

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

2000年、2010年和2018年的生境質量基本為中等偏高, 表示研究區(qū)生境質量基本情況較好, 但整體呈略微下降趨勢。結合土地利用數據分析, 此情況與河漫灘的減少、城鎮(zhèn)用地、農村居民點、其他建設用地的大幅度增加有關。從3期各等級占比情況來看(表3 ), 低級占比均低于10%, 較低級占比在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、較低級有一定程度的減少;2010?2018年, 中等及以下面積占比小幅度增加, 較高及高等級相對減少, 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、較低級和高等面積及占比有一定減少。

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

從總體上看生境質量各等級空間分布情況(圖2a), 3個年份生境質量整體先提升再下降。2000年研究區(qū)中部及北部生境質量低于南部, 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。2018年整體生境質量降低, 南部尤為明顯, 主要受城鎮(zhèn)用地、農村居民點、其他建設用地以及未利用地增加的影響, 由實際調查得知, 唐縣人口集中分布在南部, 數據分析結果的合理性得到證明。

分析生態(tài)服務價值各等級空間分布情況(圖2b)可知: 2000年、2010年和2018年北半部區(qū)域的生態(tài)服務價值均高于南半部區(qū)域, 這與土地利用類型的分布密切相關, 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提供物質能量和棲息場所, 具有較高的生態(tài)服務價值, 而南半部區(qū)域多分布城鎮(zhèn)用地、農村居民點等, 所具有的生態(tài)服務價值則較低。

圖2 2000年、2010年和2018年唐縣生境質量(a)、生態(tài)服務價值(b)各等級空間分布情況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)源地的選取是構建生態(tài)安全格局的基礎,對識別關鍵區(qū)域也有著十分重要的作用。本文對2000年、2010年和2018年的生態(tài)源地進行研究比較, 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期生境質量評價圖和生態(tài)服務價值評價圖進行疊加, 得到綜合生態(tài)質量情況, 篩選出高生態(tài)質量斑塊中面積大于200 hm2的斑塊并分別導出進行對比(圖3a?c), 將3期都包含的源地作為構建唐縣生態(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, 數據處理結果與實際情況相符。

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量草地, 植被覆蓋率高可發(fā)展綠色產業(yè); 原有林地應加強保護,為研究區(qū)提供水源涵養(yǎng)、土壤保持等多種服務功能。大面積水域作為特殊源地之一, 具有提供水源供給、氣候調節(jié)、保護生物多樣性等服務功能和極強的不可替代性, 而研究區(qū)在2000?2018近20年間, 農村居民點和建設用地侵占了部分水域, 使其面積逐漸縮小, 應嚴格控制人類活動以防加深對水源的威脅。此外還需加強對生態(tài)源地周圍一定范圍內區(qū)域的管理和保護, 此類區(qū)域不僅是生態(tài)源地的緩沖地帶, 更是重要屏障, 對其進行管控有利于減緩外界因素對重要生態(tài)源地的干擾, 不斷擴大源地面積和保持源地生態(tài)穩(wěn)定性。

3.3 生態(tài)阻力面的構建

利用ArcGIS的柵格計算器將各阻力因子的阻力面按照權重疊加, 獲得綜合阻力基面。從圖4a中可以看出綜合阻力值呈現東南高、中部及北部低的特點。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)、長古城鎮(zhèn)、王京鎮(zhèn), 主要與當地人類活動有關, 該區(qū)域集中了大量農村居民點, 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。

基于綜合阻力基面, 利用最小累計阻力模型通過ArcGIS成本距離工具生成最小累計阻力面(圖4b),最小累計阻力值在0～66 670之間。高阻力區(qū)域主要集中在遠離生態(tài)源地, 地勢相對平坦的東南部, 低阻力區(qū)域分布在人類活動較少的北部及西南部的倒馬關鄉(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, 與實際情況相符。

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

3.4 生態(tài)廊道的構建

利用ArcGIS的Linkage Mapper插件提取生態(tài)廊道(圖5), 共獲得關鍵廊道和潛在廊道20條, 總長度240.66 km。廊道最長達39 km, 最短為0.36 km。多數廊道較長, 易受人類活動影響發(fā)生斷裂, 且存在廊道與大面積水域的交點, 均應重點給予保護。

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, 沿低阻力通道向外輻射?？臻g分布差異明顯, 主要分布在北部和中部, 穿過倒馬關鄉(xiāng)、川里鄉(xiāng)、石門鄉(xiāng)、羊角鄉(xiāng)等行政區(qū), 少數分布在西南部。結合研究區(qū)土地利用類型, 廊道多穿過林地、草地, 對其應采取維護、提高植被豐度等方式進行保護與修復, 嚴格控制耕地對植被的大面積侵占和破壞, 必要時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、數量、距離有關, 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, 因此斑塊間廊道數量較多且網絡密度較大。北部生態(tài)源地間距離較近, 廊道長度相對較短, 連通性強, 中部源地與北部、西南部源地距離較遠, 生態(tài)廊道相對較長, 需重點保護廊道中心位置, 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, 物質難以流動。東南部多為水田、旱地、農村居民點, 沒有生態(tài)源地, 不存在廊道連通, 建議增加生態(tài)源地的同時適當增加廊道建設, 完善生態(tài)廊道空間網絡布局。

3.5 關鍵區(qū)域的識別

在廊道基礎上, 運用工具箱中的Pinchpoint Mapper工具識別生態(tài)夾點區(qū)域, 經篩選最終確定夾點共計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, 少數為林地、低覆蓋草地。生境質量較高的林地與草地應嚴禁非生態(tài)建設工程侵占, 退化區(qū)域的草地與林地可與周圍景觀結合, 種植適應本土環(huán)境的植物, 積極發(fā)展林下經濟; 針對耕地地區(qū), 可采取退耕還林措施, 若與水域較近, 可考慮將耕地轉換為濕地。

障礙點區(qū)域的識別基于工具箱中的Barrier Mapper工具, 運用自然斷點法將1.35以上的區(qū)域作為障礙點區(qū)域, 將相鄰相近的障礙點區(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)障礙點區(qū)域主要分布在廊道的中心或兩端。需重點關注: 疊加生態(tài)夾點和生態(tài)障礙點圖, 有3處障礙點與夾點區(qū)域重合, 表明在物種流動必經的路線上存在著阻礙其流動的區(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。此類區(qū)域主要為草地和建設用地, 對于該區(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, 對于建設用地可拆除區(qū)域進行拆除, 不可拆除區(qū)域采取加強綠地建設等措施。有3處障礙點位于長距離生態(tài)廊道的中心位置, 該位置處于重要轉折點, 多為生物在遷移過程中的棲息點,對物種活動阻礙作用較大, 此類區(qū)域的土地利用類型均為旱地, 且為礫質土壤, 適合以退耕還林還草的方式使其自然恢復成為草地生態(tài)保護區(qū)和景觀草地區(qū)。

圖6 生態(tài)夾點(a)、生態(tài)障礙點(b)、生態(tài)斷裂點(c)和低生態(tài)質量區(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)斷裂點區(qū)域, 共識別此類區(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, 保證動物移動暢通; 在道路兩旁做好植物綠化、修建隔音墻, 達到吸附沙塵、減少行駛車輛產生的噪音對生物造成干擾的效果。

提取除農村居民點和建設用地之外生態(tài)質量最差的斑塊, 作為低生態(tài)質量關鍵區(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, 修復方式可參考障礙點區(qū)域中對兩種地類的修復方法。需重點關注西大洋水庫被低生態(tài)質量區(qū)域包圍, 應盡快采取退耕還湖、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,人類活動的不斷擴張使得農村居民點及建設用地面積劇增, 區(qū)域生境質量整體性降低, 應重視農村居民點及建設用地周邊環(huán)境保護, 修復建設用地應積極響應鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略, 發(fā)展觀光農業(yè), 控制研究區(qū)東南部開發(fā)強度, 加快村莊綠化建設。

4 討論與結論

4.1 討論

在整體保護與系統(tǒng)治理的思路引導下, 本文考慮到生態(tài)景觀連通性, 在“識別生態(tài)源地?構建生態(tài)阻力面?構建生態(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別國土空間生態(tài)修復關鍵區(qū)域, 對比傳統(tǒng)的針對特定點位或局地面狀修復工程, 更好地滿足了生態(tài)修復的協(xié)同性、系統(tǒng)性。參考前人對生態(tài)源地內涵的定義以及識別方法的研究, 遵循系統(tǒng)整體性、科學性原則, 結合研究區(qū)具體情況, 綜合生境質量和生態(tài)系統(tǒng)服務價值確定生態(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)網絡構建的研究提供了更為科學的方式, 本文在該理論的基礎上識別生態(tài)夾點、生態(tài)障礙點、生態(tài)斷裂點此3類關鍵區(qū)域之外, 加入低生態(tài)質量區(qū)域作為待修復關鍵區(qū)域之一, 該類區(qū)域存在的生態(tài)問題同樣不容忽視, 對其進行補充可以進一步完善生態(tài)修復區(qū)域的范圍, 維護生態(tài)斑塊的完整性與生態(tài)系統(tǒng)整體穩(wěn)定性, 現實具體指導太行山區(qū)域國土空間生態(tài)修復工作。

基于生態(tài)安全格局將太行山區(qū)唐縣的國土空間生態(tài)修復關鍵區(qū)域劃分為生態(tài)夾點區(qū)域、生態(tài)障礙點區(qū)域、生態(tài)斷裂點區(qū)域、低生態(tài)質量區(qū)域等4類關鍵區(qū)域, 并提出相應的開發(fā)引導和規(guī)劃管控內容。待修復生態(tài)關鍵區(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,應采取生態(tài)夾點區(qū)域優(yōu)先保護、生態(tài)障礙點區(qū)域優(yōu)先修復、生態(tài)斷裂點區(qū)域加強維護的戰(zhàn)略, 通過維護、提高植被豐度、退耕還林、還草等方式進行生態(tài)保護與修復; 低生態(tài)質量區(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)水庫人工種草、大力發(fā)展觀光農業(yè)、推進景觀綠化等措施以達到防止破壞程度加深和提升生態(tài)質量的效果。此外,2018年唐縣東南部的居民點及建設用地增加明顯,反映出城鎮(zhèn)擴張形勢迅猛, 而建設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)質量持續(xù)下降。將近10年來生態(tài)質量持續(xù)下降區(qū)域列入禁止建設區(qū), 并采用生態(tài)工程措施加以修復, 方可保障生態(tài)健康持續(xù)發(fā)展。

限于數據獲取及處理量等原因, 本文仍存在一些不足: 構建生態(tài)廊道時尚未考慮其寬度的要求, 在今后研究中將嘗試結合研究區(qū)實際情況探究生態(tài)廊道寬度的具體應用需求; 此外, 本研究尚未明確關鍵區(qū)域修復順序, 在今后研究中可針對修復順序進行深入探討, 以期為研究區(qū)生態(tài)建設提供現實指導。

4.2 結論

本文以太行山區(qū)的唐縣為研究區(qū), 基于遙感生態(tài)指數評價生態(tài)質量, 綜合生態(tài)質量與生態(tài)服務價值確定生態(tài)源地; 基于最小累計阻力模型和電路理論識別生態(tài)修復關鍵區(qū)域, 主要結論如下:

1)生態(tài)質量評價表明, 研究區(qū)唐縣3年的生態(tài)質量基本為中等偏高, 表示研究區(qū)生態(tài)質量基本情況較好, 但總體出現先上升后下降的變化情況。高等級生態(tài)質量區(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)質量區(qū)域土地利用類型主要為耕地、建設用地和居民點。

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)指數計算獲得的生境質量評價結果來識別生態(tài)源地是合理可信的。生態(tài)阻力高值區(qū)主要分布在遠離生態(tài)源地的東南部, 低值區(qū)分布在受人類活動較小的西北部。

3)生態(tài)廊道包括關鍵廊道和潛在廊道共20條,總長度為240.66 km。在廊道基礎上對關鍵區(qū)域進行識別, 關鍵區(qū)域包括生態(tài)夾點區(qū)域、生態(tài)障礙點區(qū)域、生態(tài)斷裂點區(qū)域以及低生態(tài)質量區(qū)域。最終識別的生態(tài)夾點區(qū)域15個, 生態(tài)障礙點區(qū)域42個, 生態(tài)斷裂點區(qū)域28個, 低生態(tài)質量區(qū)域面積178 km2。