東江源區(qū)生態(tài)安全格局演變分析與評價

王玉青， 李恒凱*， 武鎮(zhèn)邦， 王秀麗

(1.江西理工大學(xué)土木與測繪工程學(xué)院， 贛州 341000； 2.江西理工大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院， 贛州 341000)

伴隨人口增長和經(jīng)濟社會發(fā)展，生態(tài)用地斑塊碎片化、分散化趨勢加劇，生態(tài)環(huán)境壓力加大，生態(tài)退化問題日益凸顯。十八大以來生態(tài)文明建設(shè)逐步提升至國家戰(zhàn)略高度，各地以生態(tài)安全格局為基底，構(gòu)建國土空間開發(fā)保護新格局，因此及時開展區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建及優(yōu)化舉措對當(dāng)?shù)貐^(qū)域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和生物多樣性保護具有指導(dǎo)意義。

在生態(tài)安全格局研究中，俞孔堅教授提出的選取生態(tài)源地、構(gòu)建空間阻力面再判讀安全格局各組分的流程，現(xiàn)已成為構(gòu)建生態(tài)安全格局的基本模式[1-4]。李政等[5]以此模式構(gòu)建出符合典型巖溶山地特征的生態(tài)安全格局；李明慧等[6]遵循“源地-阻力面-廊道”識別方法成功構(gòu)建三峽庫區(qū)重慶段生態(tài)安全格局。以最低成本為內(nèi)核的MCR模型(minimum cumulative resistance model)是構(gòu)建空間阻力面(趨勢面)的常用方法之一[7-8]；李恒凱等[9]利用手動矢量地圖及阻力系數(shù)；李航鶴等[10]依據(jù)土地利用數(shù)據(jù)結(jié)合生態(tài)安全評價因子構(gòu)建了其研究區(qū)內(nèi)的生態(tài)安全阻力面，此方法對數(shù)據(jù)的需求較為簡單，同時也可以較為健全地反映出區(qū)域內(nèi)的生態(tài)安全狀態(tài)；郭家新等[11]引入重力模型定量評價源地間相互作用強度判定生態(tài)廊道相對重要性問題；盧卓等[12]和張啟斌[13]在傳統(tǒng)的MCR構(gòu)建生態(tài)安全格局的基礎(chǔ)上加入最小生成樹原理提取骨架廊道，解決了廊道優(yōu)化篩選問題。當(dāng)前較多研究以行政單元為研究區(qū)，而流域是一個相對獨立的自然地理單元，內(nèi)部系統(tǒng)聯(lián)系緊密[14-15]；程植等[16]以大寧河流域為研究區(qū)，使用景觀格局指數(shù)、MCR模型、重力模型等研究方法分析了研究區(qū)生態(tài)安全水平并提出相應(yīng)的優(yōu)化治理方案。以上研究構(gòu)建、分析東江源生態(tài)安全格局有一定的借鑒意義。

東江源因其獨特的地緣優(yōu)勢，作為江西深度融入粵港澳大灣區(qū)的樞紐，政府層面高度重視其生態(tài)安全問題。2016年在財政部、生態(tài)環(huán)境部的推動下，江西、廣東兩省正式簽訂《東江流域上下游橫向生態(tài)補償協(xié)議》，成為跨省流域治理工作的全國典范。但是在學(xué)術(shù)界，針對東江源開展的相關(guān)研究較少，能夠為政府層面的科學(xué)治理提供決策的成果非常有限。因此在相關(guān)研究基礎(chǔ)上，現(xiàn)基于多時序遙感影像，依據(jù)“源”“匯”理論構(gòu)建東江源區(qū)多時相生態(tài)安全格局，分析其演變態(tài)勢、評價并提供優(yōu)化方案，以期為區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理提供科學(xué)決策。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

東江源區(qū)位于114°47′36″E～115°52′36″E、24°30′30″N～25°12′18″N，包含江西省贛州市境內(nèi)尋烏、安遠和定南3個縣，位置如圖1所示，源區(qū)面積3 524 km2，約占東江流域面積的10%，東臨福建省，南接廣東省。此區(qū)域既是贛南果業(yè)產(chǎn)業(yè)的核心區(qū)，也是礦產(chǎn)資源開采的核心區(qū)，其早期過度依賴自然資源發(fā)展經(jīng)濟，如礦產(chǎn)資源無序開發(fā)、林木資源亂砍濫伐以及果業(yè)過度發(fā)展等追求經(jīng)濟而忽略治理的傳統(tǒng)模式使部分地區(qū)生態(tài)受到嚴重破壞，森林質(zhì)量下降，水土流失嚴重，經(jīng)多年治理后東江源區(qū)的生態(tài)環(huán)境形勢依然嚴峻。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

使用的數(shù)據(jù)主要為矢量數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)。矢量數(shù)據(jù)包括行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、東江源水系數(shù)據(jù)等，進行統(tǒng)一坐標系處理。數(shù)字高程數(shù)據(jù)分辨率為30 m，來源于ASTER GDEM V2，遙感數(shù)據(jù)為Landsat系列影像，選取5期，如表1所示，將研究區(qū)監(jiān)督分類為林地、耕地、果園、水體、裸地、建設(shè)用地及礦區(qū)。

表1 遙感數(shù)據(jù)一覽表Table 1 Data list of remote sensing

2 研究方法

2.1 生態(tài)安全格局構(gòu)建

2.1.1 生態(tài)源地選取

生態(tài)源地對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定起決定作用，有學(xué)者以自然生態(tài)斑塊面積進行識別[9,17]。東江源位于贛南丘陵地帶，擁有多個森林公園，全區(qū)森林覆蓋率達80%。以加強東江源區(qū)物種在不同地理單元間交流作為主要衡量標準，故選取面積大于100 km2的林地斑塊(足夠物種活動的棲息地[18])作為生態(tài)源地。

2.1.2 建立阻力因子評價體系

東江源多丘陵、山地地貌，故選取土地利用類型、高程、坡度3個在研究區(qū)內(nèi)對物種流動有較大影響程度的阻力因子建立阻力因子評價體系，如表2所示。

(1)土地利用類型阻力因子：土地利用類型反映出人類對此區(qū)域的使用強度。許多研究學(xué)者在通過MCR模型構(gòu)建生態(tài)安全格局時都將土地利用類型納入阻力因子評價體系，且作為最主要的評價指標[9,19-20]，故本文研究賦予土地利用類型的權(quán)重值為0.8。

研究區(qū)內(nèi)分布有400多種野生動物，林地、水域通常為生態(tài)棲息地；農(nóng)業(yè)用地為野生動物提供活動空間的同時也常有人為活動，有一定阻礙作用；裸地、建設(shè)用地和礦區(qū)對野生動物的活動有較大的阻礙作用，其中稀土開采屬重污染行業(yè)，物種難以在此環(huán)境下流動。

(2)高程阻力因子：東江源內(nèi)相對高度超過1 200 m，高程上的差異會在物種遷移的過程中造成障礙，本文研究將高程的權(quán)重值賦為0.1。

(3)坡度阻力因子：東江源內(nèi)存在嚴重的水土流失現(xiàn)象，坡度是一個很主要的誘發(fā)因子，同時坡度過大也會為物種的擴散造成阻礙。

表2 阻力因子評價體系表Table 2 Resistance factor evaluation system

2.1.3 構(gòu)建綜合最小累積阻力面

最小累積阻力模型以量化的方式來表達物種由源開始擴散到某一地點時需耗費代價的最小值。通常阻力值最小處為源點，各景觀單元的阻力系數(shù)以對物種流動的影響程度而定，模型的具體計算公式為

(1)

式(1)中：f為最小累積阻力與生態(tài)運動過程呈正相關(guān)；Dij為物種從源點j到達單元i的空間距離；Ri為經(jīng)過單元i阻力系數(shù)。

基于土地利用類型、高程、坡度各單阻力因子得到最小累積阻力面后按因子權(quán)重系數(shù)進行加權(quán)計算得到研究區(qū)綜合最小累積阻力。

2.1.4 判讀生態(tài)安全格局組分

(1)輻射通道。輻射通道是生態(tài)源地的物種由源地向外圍擴散的低阻力通道，在最小累積阻力面上體現(xiàn)為低阻力谷線。物種存在從生態(tài)源地主動向外運動的過程中，沿此通道更容易進行流動。

(2)生態(tài)廊道。生態(tài)廊道是兩生態(tài)源地間最容易發(fā)生聯(lián)系、互相交流的低阻力通道，物質(zhì)交換與信息流通最大化。

(3)生態(tài)節(jié)點。生態(tài)節(jié)點是整個生態(tài)廊道上的戰(zhàn)略節(jié)點，是物種沿生態(tài)廊道移動時最難逾越的一片同類景觀單，在生態(tài)廊道上體現(xiàn)為該點阻力變化值最大。

2.2 重力模型

生態(tài)源地間的物質(zhì)流通和種間聯(lián)系的程度定義為相互作用強度，相互作用強度越大表明源地間聯(lián)系越密切。通過引入重力模型對生態(tài)源地間的生物交流的緊密性進行定量評估[20-22]，其計算公式為

(2)

式(2)中：Na、Nb為各源地相應(yīng)的權(quán)重；Dab為此生態(tài)廊道的標準化阻力值；Pa、Sa為a生態(tài)源地的阻力及面積；Lab為a、b生態(tài)源地間生態(tài)廊道的累積阻力值；Lmax為所有生態(tài)廊道累積阻力中的最大值。

2.3 最小生成樹

“源地-廊道”構(gòu)成了生物交流聯(lián)通網(wǎng)，采用最小生成樹原理，將生態(tài)源地作為頂點，連接生態(tài)源地的生態(tài)廊道作為邊，利用Kruskal算法找到連接所有生態(tài)源地且累積阻力之和最小的廊道即為骨干廊道[12]。骨干廊道的存在保證了區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)和能量流動的暢通，計算公式為

G=(V，E)

(3)

(4)

式中：G為廊道連通網(wǎng)無向圖；V為生態(tài)源地的集合；E為生態(tài)廊道的集合；(u，v)為連接源地u與源地v的生態(tài)廊道，w(u，v)為此廊道累積阻力。若存在T為E的子集且無循環(huán)圖使w(T)最小，則T為G的骨干廊道。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)安全格局時序分析

圖2 東江源生態(tài)安全格局Fig.2 Ecological security pattern in headwaters region of the Dongjiang River

由源地、廊道、輻射道、節(jié)點構(gòu)成的多時相東江源區(qū)生態(tài)安全格局，如圖2所示，從區(qū)域地理單元中重點突出局部關(guān)鍵位置，有效指導(dǎo)后期生態(tài)投入，合理分配自然及社會資源。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)A生態(tài)源地是東江源核心區(qū)域，以骨干廊道聯(lián)系著周邊源地，此源地位于三縣交界處，包含三百山國家級風(fēng)景區(qū)，年際間格局變化反映了物種活動范圍從最初的全區(qū)域逐步縮小為中部內(nèi)部以及中東部活動，如今僅集中在萎縮、破碎后的中部生態(tài)源地內(nèi)，生物多樣性受到威脅。

東江源在經(jīng)濟發(fā)展前期(1995—2008年)，生態(tài)環(huán)境在受到擾動后，自我恢復(fù)能力較強，但隨著時間的推移，生態(tài)環(huán)境問題逐漸突顯，2013年時在當(dāng)?shù)亻_發(fā)林業(yè)資源大力發(fā)展果業(yè)的背景下，研究區(qū)內(nèi)生態(tài)源地銳減，東江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性大大降低，隨后相關(guān)部門在《國務(wù)院關(guān)于支持贛南等原中央蘇區(qū)振興發(fā)展的若干意見》的指示下出臺了一系列封山育林、植被復(fù)墾等保護措施。生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與治理是一個相當(dāng)漫長的過程，江西省在2008年時出臺東江源保護區(qū)生態(tài)保護“以獎代補”政策，提高了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)保護的積極性，但對生態(tài)環(huán)境的治理未達到明顯成效，江西、廣東兩省在2016年簽訂《東江流域上下游橫向生態(tài)補償協(xié)議》加大生態(tài)投資，至2017年東江源區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)稍有成效。當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境監(jiān)管部門當(dāng)前的主要工作還是應(yīng)該放在增加林地面積，為物種創(chuàng)造適宜的棲息地條件，并將棲息地相連，擴大生物活動范圍。

3.2 生態(tài)源地緊密度時序分析

圖3 多時相生態(tài)源地連通圖Fig.3 Multi-temporal connectivity graph of ecological source areas

以生態(tài)源地作為頂點，重力模型量化的源地間緊密度作為邊的權(quán)值，構(gòu)成東江源區(qū)生態(tài)源地間的時序連通圖，如圖3所示，以虛線表示連接源地間的生態(tài)廊道，其中最小生成樹方法提取的骨干廊道以實線表示；數(shù)值代表兩源地間的相互作用強度。骨干廊道和生態(tài)源地構(gòu)成了區(qū)域內(nèi)最初級的生態(tài)結(jié)構(gòu)。1995年時東江源內(nèi)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)較為完整，物種在整個區(qū)域內(nèi)流通性較強；2003年時西南地區(qū)林地受農(nóng)業(yè)發(fā)展擾動導(dǎo)致D生態(tài)源地消失，與其他源地間物種交流降低，A源地破碎成多部分聯(lián)系緊密源地，故A與B、A與C間連接的廊道位置分布無大幅變化，但聯(lián)系緊密度略微降低；2008年時C源地受果業(yè)開發(fā)影響繼而破碎消失，喪失與其余源地的交流，A生態(tài)源地恢復(fù)后聚合，A、B源地間有了更小累積阻力的路徑，A、D源地間南側(cè)的城鎮(zhèn)擴張使得連接的骨干廊道轉(zhuǎn)移至北側(cè)水域附近；2013年A生態(tài)源地受礦產(chǎn)開發(fā)環(huán)境污染影響萎縮嚴重，A、B間廊道在2003年基礎(chǔ)上位置無變化、阻力成本增加；2017年A源地生態(tài)改善，B、C、D源地均在城鎮(zhèn)擴張、農(nóng)業(yè)發(fā)展后萎縮、破碎化，骨干廊道僅存在于破碎的A源地內(nèi)，物種向外部流動可能性較低。

4 生態(tài)安全格局優(yōu)化

對生態(tài)環(huán)境采取保護、修復(fù)措施時，生態(tài)環(huán)境的改善效果并不是立竿見影的，長期的、合理的優(yōu)化措施才能使生態(tài)環(huán)境逐步進行恢復(fù)。

4.1 優(yōu)化生態(tài)源地

東江源區(qū)域內(nèi)生態(tài)源地主要分布在中部，在區(qū)域四周多分布面積較小的生態(tài)源地。中部以三百山景區(qū)為中心的生態(tài)源地在多年內(nèi)變化較小，對維持該區(qū)域的生態(tài)安全的作用中占主導(dǎo)地位，景區(qū)應(yīng)推進生態(tài)旅游，在省政府已劃定的生態(tài)紅線周圍預(yù)留一定的緩沖帶區(qū)域，使生態(tài)源地以自然的方式輻射周邊環(huán)境，同時山下城鎮(zhèn)避免過度建設(shè)，防止對生態(tài)源地產(chǎn)生負面影響。源地斑塊面積與相互作用強度呈正相關(guān)，由中部的大斑塊生態(tài)源地向外建設(shè)與周圍源地相連的生態(tài)廊道，將極大增強區(qū)域內(nèi)物種流動的效率。四周的小面積生態(tài)源地易受礦產(chǎn)開發(fā)、農(nóng)業(yè)發(fā)展等人為擾動，當(dāng)?shù)乇O(jiān)管部門應(yīng)建立生態(tài)保護機制，及時采取礦區(qū)治理、退耕還林、采礦監(jiān)管等措施，逐步減少人類生產(chǎn)活動，努力恢復(fù)到原始生態(tài)環(huán)境水平。

4.2 優(yōu)化生態(tài)廊道

東江源內(nèi)分布有數(shù)十個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，從生態(tài)安全格局變化中發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)厝罕娫诎l(fā)展經(jīng)濟時未意識到生態(tài)安全的重要性，生態(tài)廊道并沒有得到合理的規(guī)劃和建設(shè)，生態(tài)廊道阻力值呈上升趨勢，源地間聯(lián)系程度降低。未來在東江源內(nèi)的生態(tài)廊道上分布當(dāng)?shù)刂参锲贩N中生命力強的植被，可以降低廊道阻力值、增加物種移動的頻率；東江源處于三省交界處，交通道路穿越源區(qū)，對物種的移動造成干擾，在未來的道路建設(shè)中可以通過增設(shè)天橋及地下通道的方法避免破壞地表景觀，以此減少影響；生態(tài)廊道的寬度因地制宜進行設(shè)置，至少要保證物種可以進行移動，并在廊道周圍應(yīng)預(yù)留出一定范圍的緩沖區(qū)，減少外界環(huán)境對廊道產(chǎn)生的干擾，對穿越東江源內(nèi)城鎮(zhèn)的生態(tài)廊道可以將其打造成城市公園，通過一系列舉措增強源地間聯(lián)系的緊密度。

4.3 優(yōu)化輻射通道

輻射通道經(jīng)長期優(yōu)化后，可以使相鄰源地的輻射通道連通成為新的生態(tài)廊道。對東江源已有的輻射通道上進行補植、綠化，降低其阻力值，延長通道范圍，擴大物種活動的區(qū)域。對生態(tài)源地繼續(xù)采取現(xiàn)有的退耕還林、封山育林、限制開采的政策，增強生態(tài)源地穩(wěn)定性，從而使源地向周圍散發(fā)的低阻力通道和輻射通道相應(yīng)地增加，對這些延伸到東江源城鎮(zhèn)地區(qū)的通道要進行及時的保護措施，引導(dǎo)其發(fā)展方向。

4.4 優(yōu)化生態(tài)節(jié)點

生態(tài)節(jié)點是整個生態(tài)安全格局中最值得關(guān)注的地方，生態(tài)節(jié)點會對物種流動產(chǎn)生較大程度的阻礙作用，要以降低節(jié)點處阻力值及減少人為影響為優(yōu)化目的。對生態(tài)節(jié)點處進行優(yōu)化可以增強源地間的溝通、聯(lián)系，提高整個生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連通性、穩(wěn)定性、安全性[23]。東江源的生態(tài)節(jié)點多為裸地及交通道路。裸地為節(jié)點時應(yīng)及時進行復(fù)墾措施，種植耐旱樹種，套種適宜生長的混合草種，并禁止在區(qū)域附近進行破化性強的經(jīng)濟活動，避免節(jié)點處的生態(tài)環(huán)境造成不可逆的威脅；交通道路為節(jié)點時，可以在不影響當(dāng)?shù)厣钚枰臈l件下采取分時段通車的方式，盡量減少此處的人為影響。

5 結(jié)論

選取滿足物種棲息條件的林地斑塊為生態(tài)源地，地理模擬生成動物交流的自然環(huán)境阻力面，然后判讀出相應(yīng)的輻射通道、生態(tài)廊道、生態(tài)節(jié)點等生態(tài)安全格局組分，構(gòu)建以保護生物多樣性為目的的東江源區(qū)生態(tài)安全格局。得出如下結(jié)論。

(1)東江源主要生態(tài)源地斑塊處于中部區(qū)域，長年來基本保持穩(wěn)定、保護較好，東西尋烏、定南兩縣林地前期受砍伐、資源開發(fā)等影響后面積減少，后期在采取一系列退耕還林、尾砂地復(fù)墾舉措后恢復(fù)較慢。繼續(xù)保護現(xiàn)有林地并持續(xù)增加林地面積，營造適宜生物棲息環(huán)境，同時加強對生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點的保護建設(shè)，增強東江源生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的高效流通，形成更穩(wěn)定的生態(tài)安全格局。

(2)1995—2013年階段，東江源生態(tài)安全呈惡化趨勢，大面積生態(tài)源地斑塊破碎成多部分小面積生態(tài)源地斑塊，生態(tài)穩(wěn)定性降低，2017年生態(tài)安全格局相比較2013年有所好轉(zhuǎn)，但低于1995年的最佳水平，說明此區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境保護措施起到了一定的作用，贛、粵間的跨省流域治理初見成效。