基于生态安全格局的高原城市生态修复关键区域识别——以昆明市为例.pdf
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1、17第 40 卷,第 3 期 2023 年 6 月 15 日国土资源科技管理Vol.40,No.3 Jun.15,2023Scientific and Technological Management of Land and Resourcesdoi:10.3969/j.issn.1009-4210.2023.03.002基于生态安全格局的高原城市生态修复关键区域识别以昆明市为例刘凤莲,刘艳(云南财经大学国土资源与持续发展研究所,云南昆明650221)摘要:构建区域生态安全格局,识别生态修复关键区域,是在生态文明建设背景下,实施区域生态修复、维护区域生态安全、提高区域生态环境质量的重要举措。本
2、文以典型的高原城市昆明市为研究区,利用形态学空间格局分析和景观连通性识别生态源地,通过成本路径工具提取生态廊道,运用电路理论确定生态“夹点”、生态障碍点等生态修复关键区域。研究表明:(1)昆明市生态源地面积总计 6 721.78 km2,占全市总面积的31.99%,主要土地利用类型为林地和水域。(2)共提取出 91 条生态廊道,其中重要廊道 19 条,重要生态廊道集中分布在昆明市的北部。(3)共识别生态“夹点”75 处,面积 66.06 km2;生态障碍点 4 处,面积 49.24 km2;生态断裂点 41 处。研究可为昆明市国土空间生态修复关键区域识别和区域生态保护修护工作的开展提供参考。关
3、键词:生态安全格局;生态修复分区;形态学空间格局分析;电路理论;昆明市中图分类号:X171.4文献标志码:文章编号:1009-4210-(2023)03-017-14Identification of Key Areas for Ecological Restoration in Plateau Cities Based on the Ecological Security Pattern:A Case Study of KunmingLIU Feng-lian,LIU Yan(Institute of Land&Resources and Sustainable Development,Yu
4、nnan University of Finance and Economics,Kunming 650221,Yunnan,China)Abstract:Constructing a regional ecological security pattern and identifying key areas for ecological restoration were important measures to pursue regional ecological restoration,maintain regional ecological security,and improve t
5、he regional ecological environment quality under the context of ecological civilization construction.This paper,taking Kunming,a typical plateau city,as the study area,applied morphological spatial pattern analysis and landscape connectivity to identify ecological source areas,extracted the ecologic
6、al corridors with the cost path as a tool,and identified the key areas for ecological restoration based on the circuit theory,such as ecological pinch points and ecological barrier points.The 收稿日期:2023-03-16;改回日期:2023-03-30基金项目:云南省教育厅科学研究基金项目(2021J0592);云南财经大学引进人才项目(2022D13)作者简介:刘凤莲(1981),女,博士,硕士生导师
7、,从事土地利用与区域可持续发展研究。E-mail:国土资源科技管理第 40 卷18results were shown as follows:(1)The total area of ecological source areas in Kunming was 6 721.78 km2,accounting for 31.99%of the total area of the city,with forest land and water bodies as its main land use types.(2)A total of 91 ecological corridors were e
8、xtracted,including 19 important corridors,among which important ecological corridors were mainly distributed in the northern area of Kunming.(3)A total of 75 ecological pinch points with an area of 66.06 km2,4 ecological barrier points covering an area of 49.24 km2,and 41 ecological breakpoints had
9、been identified.As a result,this study can provide a reference for the identification of key areas for ecological restoration in Kunmings territorial space and the implementation of regional ecological protection and restoration work.Key words:ecological security pattern;ecological restoration areas
10、;morphological spatial pattern analysis;circuit theory;Kunming生产力的进步大大提高了人类开发自然改造自然的能力,人类对自然资源的需求逐渐到达全球生态环境承载能力的临界点,生态系统遭到破坏,诸如大气污染、水土流失、土地荒漠化、物种多样性锐减等生态环境问题频发。党的十八大以来,人与自然和谐共生成为新时代发展中国特色社会主义的总体方略,生态文明建设上升为国家战略1。党的二十大报告指出,要坚持山水林田湖草一体化保护和系统治理,提升生态系统的多样性、稳定性、持续性,加快实施重要生态系统保护和修复重大工程。不同于传统的针对单一生态要素的生态修复
11、工程,国土空间生态修复是以实现生态功能提升、国土空间格局优化、人与自然和谐发展为目标,对区域生态系统进行生态治理和生态修复的过程。生态安全格局是由关键景观要素构成的生态系统空间格局,其以景观生态学理论为基础,是景观安全格局研究的发展2。目前,国内关于识别生态修复重点区的研究主要是从构建生态安全格局的角度出发,通过构建生态安全格局,能够识别出对保护区域生物多样性、提升区域生境质量和维护生态系统的稳定性和完整性具有重要意义的区域。目前生态安全格局的构建已形成“源地识别阻力面构建生态廊道提取”的一般范式3,生态源地是维持区域生态稳定的重要斑块4,目前,有学者通过直接划定风景名胜区、自然保护区、森林公
12、园5-8为生态源地,也有学者通过 InVEST 的生境质量模型9-11、生境风险评估模型1、形态学空间格局分析12、生态系统服务价值13-14、粒度反推法15-16等一系列模型方法定量识别生态源地。在阻力面的构建上,以往学者多直接对土地覆被类型进行阻力赋值来构建阻力面17-18,然而直接对土地覆被类型进行阻力赋值,没有考虑到同一土地覆被类型受自然活动和人类干扰程度的差异3,学者开始采用高程、坡度、距水源距离、距道路距离、植被覆盖度、夜间灯光指数等数据构建综合阻力面19-21。廊道是生物交流迁徙的通道,目前关于生态廊道的提取多采用成本距离分析方法22-23和电路理论24-25。基于生态安全格局识
13、别国土空间生态修复关键区域,是从生态系统整体性、系统性出发,实施国土空间生态修复,有助于维护区域生态安全和提高区域生境质量。昆明地处云贵高原中部,是典型的高原湖泊城市,具备山水林田湖草生命共同体特征。滇中城市群发展规划明确指出把滇中城市群建成现代产业特色鲜明、景观生态环境优美、人民安居乐业的现代化门户城市群。昆明作为滇中城市群的主中心,近年来,经济发展迅速,正向区域性国际中心城市奋进,科学构建昆明市国土空间生态安全格局,识别生态修复关键区域,对维第 3 期刘凤莲,等:基于生态安全格局的高原城市生态修复关键区域识别19护区域生物多样性、协调生态系统服务具有重要意义。本文以昆明市为研究区,利用形态
14、学空间格局分析方法(MSPA)和景观连通性识别生态源地,基于 MCR 模型,利用 ArcGIS 成本路径工具识别生态廊道,以此构建昆明市的生态安全格局;结合电路理论,利用 Circuitscape 软件中的Linkage Mapper 插件识别生态“夹点”和生态障碍点等生态修复关键区域,并针对各种生态修复关键区提出生态修复策略,以期为昆明市国土空间生态保护和生态修复提供参考。一研究区概况与数据来源(一)研究区概况昆明市地处我国西南部、云南省中部,下辖 7区、6县、代管 1个县级市(图 1),总面积 21 012.54 km2,2020 年常住人口 846.30 万人,地区生产总值 6 733.
15、79 亿元。昆明市属北纬低纬度亚热带高原山地季风气候,冬无严寒,夏无酷暑,四季如春,年平均气温 15 C,年降水量 1 000 mm。昆明市地处云贵高原,东、西、北三面环山,南濒滇池,总体地势北高南低,由北向南呈阶梯状逐渐降低,中部隆起,东西两侧较低。境内水系发达,市域界于金沙江、南盘江、元江的分水岭地带,共有河流36 条,分属于三大水系。图 1研究区位置及土地利用现状(二)数据来源本研究所涉及的矢量、栅格数据均为 2020 年数据。昆明市土地利用栅格数据(30 m30 m)来 源 于 中 国 科 学 院 资 源 环 境 科 学 数 据 中 心(http:/);NPP/VIRS 夜 间 灯 光
16、 数 据 国土资源科技管理第 40 卷20(500 m500 m)来源于美国国家海洋大气管理局(NOAA)下属的国家环境信息中心(NCEI;https:/www.ngdc.noaa.gov/eog/viirs);数字高程数据(30 m30 m)来源于地理空间数据云平台(http:/),由此产生高程和坡度数据;归一化植被指数(30 m30 m)由地理空间数据云的 Landsat8 影像数据处理得到;铁路和高速公路数据来源于高德地图。二研究方法(一)生态源地识别生态源地是生态功能较为完善、生态系统服务价值高的大型高质量生境斑块。生态源地的识别是生态安全格局构建的基础26,形态学空间格局分析(MSP
17、A)是凭借腐蚀、膨胀、开运算、闭运算等数学原理对栅格图像进行处理的一种方法27-29,能有效识别出研究区高质量生境斑块。结合研究区域自然环境条件和社会经济特征,共划分耕地、草地、林地、建设用地、水域和未利用地 6 种土地利用类型,选取水域、林地作为 MSPA 分析的前景,其余地类为 MSPA 分析的背景,利用 Guidos Toolboox 软件进行 MSPA 分析,选取面积最大的 30 个核心斑块为潜在生态源地。利用Conefor 软件30-31计算潜在生态源地斑块的可能连通性指数(PC)和斑块重要性指数(dPC),根据景观连通性指数评价结果,选取 dPC 1 的 14 个斑块为生态源地。(
18、1)(2)式中:PC 是可能连通性指数;dPC 是斑块重要性指数;n 代表生态斑块的数量;Sx和 Sy分别代表斑块 x 和斑块 y 的面积;AL是景观总面积;Pxy表示斑块 x 与斑块 y 之间直接扩散的最大可能性;PCx-remove为消除斑块要素 x 后的可能连通性指数。(二)生态阻力面的构建自然地理条件的不同和人类活动程度的差异对生态系统具有不同的影响,本文选取土地覆被类型、归一化植被指数(NDVI)、高程、坡度 4 种因子构建研究区的基础阻力面,根据已有研究和研究区实际情况10,23,32,确定研究区各阻力因子的等级与阻力值,各因子的权重使用层次分析法确定,CR 0.003 0.1,满
19、足一致性检验结果要求(表 1)。夜间灯光数据可以表征人类活动程度的空间差异,是对经济状况、人口密度、城市化水平等人类活动强度的总体表达3。将夜间灯光数据重采样为 30 m30 m,利用夜间灯光数据对基础阻力面进行修正,能更科学客观地构建研究区综合阻力面。(3)式中:R 是利用夜间灯光数据修正后的栅格阻力系数;TLIe为栅格 e 的夜间灯光数据;TLIa为栅格 e 对应的不同阻力级次的平均灯光指数;R 为栅格景观类型的基本阻力系数。第 3 期刘凤莲,等:基于生态安全格局的高原城市生态修复关键区域识别21表 1研究区阻力赋值和权重阻力因子阻力分值 权重12345地覆被类型林地草地水域耕地建设用地、
20、未利用地0.39NDVI0.64,10.48,0.64)0.30,0.48)0.34,0.30)1,0.34)0.27高程/m687,1667)1667,2040)2040,2364)2364,2886)2886,42810.15坡度/0,8.80)8.80,16.66)16.66,25.46)25.46,36.47)36.47,80.170.19(三)生态廊道的识别1.基于 MCR 模型的生态廊道构建生态廊道是区域物质能量流通的重要通道,对维护区域生态安全和提升景观连通性具有重要生态意义33。最小累积阻力模型(MCR 模型),是俞孔坚34根据 Knaapen 等35的研究修改得来。本文基于
21、MCR 模型,通过 ArcGIS 的距离分析工具计算成本距离和成本回溯链接,再使用成本路径工具得到源地斑块之间的生态廊道。MCR 模型的公式如下:(4)式中:MCR 是最小累积阻力值;f 代表最小累积阻力与生态过程的正相关关系;Dij表示生态源地栅格 j 到达另一个栅格单元 i 的空间距离;Ri为栅格 i 对生物运动的阻力系数。2.基于重力模型的重要廊道提取利用重力模型计算生态源地之间的相互作用强度,得到源地之间廊道的重要程度36,重力模型的公式如下:(5)式中:Gab是核心斑块 a 和 b 之间的相互作用力;Na和 Nb分别为斑块 a、b 的权重;Dab代表斑块 a与斑块 b 间廊道阻力的标
22、准化值;Pa、Pb分别为斑块 a、b 阻力值;Sa、Sb分别是斑块 a、b 的面积;Lab是斑块 a、b 之间廊道的累积阻力值;Lmax是研究区域全部廊道阻力的最高值。(四)生态节点的识别1.生态“夹点”识别生态“夹点”是 McRae 等37以电路理论为基础提出的,是廊道中的高电流密度区,生物经过此类区域概率极高,对防止生态源地退化具有重要作用17。本研究利用 Linkage Mapper 工具箱中的 Pinchpoint Mapper模块,选择 raster centrality模式下的成对(pairwise)模式38识别生态“夹点”。2.生态障碍点识别生态障碍点是物种在生态源地斑块间流动受
23、阻的区域,消除此类区域会提高研究区的景观连通性。本文利用 Linkage Mapper 工具中的 Barrier Mapper 模块判别研究区的生态障碍点,运行国土资源科技管理第 40 卷22Barrier Mapper 中的移动窗口搜索法,经过反复的阈值迭代计算,将迭代半径设置为 100 m 时结果最佳,利用改善分数表征障碍点消除对研究区景观连通性的提升作用,改善分值越高,代表修复此类区域对改善区域景观连通性的作用越大38。3.生态断裂点识别城市化进程的加快和科技水平的不断提高,伴随着轨道交通迅速发展,四通八达的交通网络会阻断生态廊道,阻碍物种的迁徙交流,加剧景观破碎化。本文将大型交通设施,
24、如铁路、高速公路与生态廊道的相交处识别为生态断裂点。三结果与分析(一)区域生态安全格局的构建1.基于 MSPA 与景观连接性的生态源地分析以林地和水域为前景,对昆明市土地利用数据进行 MSPA 分析,得到研究区各个景观类型的面积及比例(表 2,图 2)。分析可知,前景要素中核心区面积最大(9 033.49 km2),占前景要素总面积的 90.43%,主要分布在研究区的西部。前景要素中面积次之和再次之的分别为边缘区和孔隙,分别占前景要素总面积的 6.48%和 2.86%,说明核心区斑块稳定性较好,并且有较好的边缘效应,抵抗外界干扰的能力较强。表 2基于 MSPA 的各景观类型面积景观类型面积/k
25、m2占前景要素的景观比例/%景观类型面积/km2占前景要素的景观比例/%核心区9033.4990.43环道区1.280.01孤岛0.160桥接区4.330.05孔隙285.632.86分支17.240.17边缘区647.396.48图 2基于 MSPA 的昆明市景观格局第 3 期刘凤莲,等:基于生态安全格局的高原城市生态修复关键区域识别23对核心区各个斑块按面积大小排序,选出面积较大的前 30 个斑块,计算其连通性指数,选取dPC 1 的核心斑块 14 个作为研究区的生态源地(表 3,图 3)。由图可知,研究区生态源地主要分布在研究区西部生境质量较好的地区,总面积为 6 721.78 km2,
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