1、基于喀斯特脆弱性评价的印江流域生态安全格局构建 许幼霞 周旭 赵翠薇 杨江州 牛潜 贵州师范大学地理与环境科学学院 摘 要： 进行流域生态安全格局构建研究, 为流域生态环境保护和可持续发展提供参考。从生态系统生境、结构和功能 3 方面, 选取 8 个指标, 进行印江流域脆弱性评价;在脆弱性评价的基础上, 识别生态源地;利用最小累积阻力 (MCR) 模型计算累积耗费距离表面, 提取低阻生态廊道和关键生态节点, 构建印江流域生态安全格局, 研究表明:1) 印江流域生态脆弱性较低等级、中等等级面积较多, 分别占流域土地总面积的 31.69%和 28.61%;生态脆弱性较高等级、极高等级面积较少, 但
2、仍占总面积的 14.62%和 4.02%;流域西部印江县城地区、中部槽谷区的凹槽带和河流河谷地区生态脆弱性较高, 流域东南部、东北部和西部边缘地区生态脆弱性相对较低。2) 印江流域生态安全格局中, 主要生态源地 282.94 km2、低阻廊道 158 km、河流廊道 112 km、生态节点 64 个;印江流域中部槽谷区山岭带的生态源地, 距城区较近, 受人为干扰强烈, 建设和维护难度较大;此外, 低阻生态廊道可识别性低且易断裂, 是落实印江流域生态安全格局的重点和难点。关键词： 喀斯特; 生态安全格局; 脆弱性; 印江流域; 作者简介：周旭 (1981-) , 男, 博士, 副教授, 研究方向
3、:遥感水文与流域管理, E-mail:.收稿日期：2017-05-06基金：国家重点研发计划项目 (2016YFC0502300) Ecological security pattern construction in Yinjiang watershed based on Karst vulnerability assessmentXU Youxia ZHOU Xu ZHAO Cuiwei YANG Jiangzhou NIU Qian School of Geography and Environmental Science, Guizhou Normal University; Abst
4、ract： The construction of ecological security pattern in watershed will provide reference for the ecological environment protection and sustainable development of the watershed. There are 8 indexes were selected to assess the vulnerability of Yinjiang watershed from the habitat, the structure and th
5、e function of ecological system. Identifying the ecological sources based on the vulnerability assessment. Then using the Minimum Cumulative Resistance ( MCR) model to calculate the accumulative cost distance surface, and extracting low resistance ecological corridor and ecological key nodes. The re
6、sults show that: 1) The ecological vulnerability of lower and medium grade is more in Yinjiang watershed, and take 31. 69% and 28. 61% of the total land area respectively. The ecological vulnerability of higher and highest grade is less, but still accounted for 14. 62% and 4. 02% of the total land a
7、rea. The ecologicalvulnerability of the county zone in the western part, the valley area in the middle part and the river valley area is high, while, the southeast, northeast and the west edge of the watershed is lower; 2) During the Yinjiang watershed ecological security pattern, the total area of
8、ecological sources is 282. 94 km2, the low resistance gallery is 158 km, the river corridor is 112 km, and there are 64 nodes; The construction and maintenance of ecological sources on the mountain in the trough valley area of Yinjiang watershed is difficult due to the close distance to the urban ar
9、ea and strong human interference.Besides, the low resistance ecological corridor is difficult to identify and easy to break, so it is the key and difficult point to implement the ecological security pattern in Yinjiang watershed.Keyword： Karst; ecological security pattern; vulnerability; Yinjiang wa
10、tershed; Received： 2017-05-060 引言生态安全关系着区域资源环境和经济社会可持续发展, 已成为多学科共同关注的热点1。以生态、经济、社会效益最优为目标, 对区域内自然和人文要素进行科学合理的规划与布局, 构建由点、线、面、网组成的生态安全格局, 已成为提高区域生态安全性, 缓解生态保护与经济发展之间矛盾的重要空间途径2。关于生态安全格局构建, 俞孔坚3提出生态安全格局构建的基本步骤, 即识别源地、构建阻力面和提取廊道。生态源地识别是生态安全格局构建的基础, 一些学者4将研究区内斑块面积较大的林地、湿地或水域确定为生态源地, 也有学者5,6从生态系统服务价值、生态敏感
11、性等方面识别生态源地。然而, 区域生态环境的本底特征、主要退化问题和生态建设目标等不同, 生态源地的选择存在差异。喀斯特生态系统变异敏感度高、灾变承受能力低、环境容量小7。脆弱的生态基底叠加强烈的人类活动, 造成喀斯特地区生态与经济协调发展面临极大挑战。针对生态脆弱性特征构建生态安全格局, 对保障喀斯特地区经济与生态协调可持续发展有重要意义。贵州地处长江与珠江上游分水岭地带, 是两江中下游地区重要的生态安全屏障8。印江流域位于贵州东部水源涵养和生物多样性保护核心地带, 是典型的喀斯特槽谷区。因此, 以印江流域为例, 利用生态脆弱性评价结果约束生态源地识别, 运用土地利用类型赋值得到生态阻力面,
12、 结合最小累积阻力模型提取低阻生态廊道。构建由生态源地、廊道和节点组成的生态安全格局, 以期为喀斯特槽谷区生态环境保护和可持续发展提供参考。1 研究区概况印江流域地处贵州高原向四川盆地过渡的黔东北凹陷地带, 与武陵山脉主峰梵净山西麓相连。地理坐标 1081310847E、28132853N (图 1) , 属长江水系乌江流域, 流域面积约 901.38km。流域内部由一系列北北东向相间分布的褶皱及断裂构造组成, 有蔓庖背斜、麻柳向斜、泡木背斜、大尧寨向斜和梵净山穹状背斜, 背斜与向斜交错分布, 属于典型的喀斯特槽谷区9。气候属中亚热带季风湿润气候, 多年降水量在 897.41 356.77 m
13、m 之间, 多年气温变化在-939.9之间。2000 年后持续开展的退耕还林还草工程和石漠化综合治理工程, 虽然在较大程度上提高了森林覆盖度, 但森林种类比例失调, 森林质量不高, 生态系统结构、功能和稳定性等还有待改善10。梵净山国家级自然保护区位于印江流域东南部, 是贵州省森林保护、生物多样性保护和水源涵养重点保护区域。2 数据与方法2.1 数据来源基础数据主要包括印江流域数字高程模型 (Digital Elevation Model) 、气象数据 (2015 年) 、Landsat 遥感影像数据 (2015 年) 、土地利用数据 (2015 年) 、MOD16 蒸散数据 (2014 年)
14、 、MOD17 净初级生产力 (Net Primary Productivity) 数据 (2014 年) 和土壤数据。DEM 数据和遥感影像数据从地理空间数据云平台 (http:/ 下载。气象数据来源中国气象数据共享网 (http:/ , 包括积温和降水数据。土地利用数据采用2015 年土地利用现状变更调查数据。MOD16 蒸散数据和 MOD17 NPP 数据从美国蒙大拿大学网站 (http:/www.ntsg.umt.edu) 下载。土壤数据来源于寒区旱区科学数据中心 (http:/:808) 。2.2 研究方法2.2.1 喀斯特脆弱性评价方法生态系统中生境条件是系统正常运作的基础, 结构
15、和功能是生态系统的重要特征, 任何生态系统均须借助一定的结构实现其功能11。生态系统生境条件越好、结构越合理、功能越强大, 其稳定性就越高, 脆弱性程度就越低12。因此, 生态系统生境、结构、功能的优劣程度能系统反映生态系统脆弱性状况。借鉴相关研究13, 从生态系统生境、结构和功能 3 个方面, 选取 8 个指标, 构建喀斯特生态脆弱性评价指标体系 (表 1) 。按照评价指标对脆弱性的作用方向, 对所有指标数据进行正向或负向标准化处理, 标准化后的指标数据均无量纲。利用层次分析法逐层计算指标权重, 计算结果见表 1。通过公式 (1) 对指标数据叠加运算, 得到印江流域生态脆弱性评价结果, 再运
16、用自然断裂法对生态脆弱性评价结果划分等级。表 1 喀斯特生态系统脆弱性评价指标体系 Tab.1 Karst ecological vulnerability assessment index system 下载原表 生态脆弱性评价公式4,18如下:(1) 式中, EV 表示生态脆弱性评价指数, w i表示第 i 个指标的权重值, p i表示第 i 个指标的标准化值, n 表示评价指标的总数量。2.2.2 生态安全格局构建方法生态安全格局是指由生态源地、生态廊道和生态节点构成的区域生态安全网络19。生态源地是物种栖息和扩散的源点, 具有空间扩展性、连续性, 一般生境质量高且对生态系统稳定性和服务
17、功能起到正向推动作用20。生态廊道指连接生态源地之间的线状或带状生态景观, 通常由植被、水体等自然要素构成21。生态节点是指对生态流的运行起关键作用的块状景观22。生态源地识别是构建区域生态安全格局的基础环节, 其准确性极其关键, 应依据格局优化所针对的生态过程决定生态系统功能发挥的作用不同而确定23。喀斯特地区生态安全格局构建应以缓解生态脆弱性, 提高生态系统稳定性为根本目标。故在印江流域生态脆弱性评价的基础上, 将生态脆弱性低值分布区内的自然保护区和空间上具有连续性、面积较大的林地斑块确定为生态源地。生态廊道分为河流廊道和低阻廊道, 河流是生物和物质流通的天然通道, 低阻廊道是指生物和物质
18、能量容易流通的线状或带状景观24。参考彭建等25研究, 利用印江流域各土地利用类型相对于物种的阻力系数值 (表 2) , 建立生态阻力面。基于生态阻力面, 通过最小累积阻力模型 (Minimum Cumulative Resistance, MCR) 计算得到累积耗费距离表面。以累积耗费距离表面为基础, 利用 Arcgis 中的 Hydrology-Fill-Flow Direction-Flow Accumulation 工具, 得到汇流累积量。提取汇流累积量大于 4 000 的值, 矢量化后得到低阻廊道。表 2 土地利用类型阻力系数值 Tab.2 Resistance numerical
19、value of each land use type 下载原表 MCR 模型通过计算物种从源地到目的地运动过程中所需要耗费的代价, 提取相邻源地之间的低阻力通道作为生态源地之间的沟通廊道22,26。计算公式如下:(2) 式中, MCR 表示生态源地到空间某一点的最小累积阻力, f min表示最小累积阻力与生态过程的正相关函数;j 表示生态源在, n 表示生态源地的总数量, i表示景观单元, n 表示景观单元的总数量;D ij表示生态源地 j 到景观单元 i 的距离;R i表示景观单元 i 对向某个方向扩散的阻力系数, R i根据生态阻力面的阻力系数值计算得到。生态节点一般位于生态廊道上生态功
20、能最薄弱处, 并对生态流的运行起关键作用27。将低阻廊道、河流廊道的交叉点及断裂处确定为生态节点。3 结果与分析3.1 印江流域喀斯特脆弱性分布特征3.1.1 脆弱性测度准则分析利用公式 (1) 进行印江流域生态系统生境、结构和功能脆弱性评价, 用自然断裂法划分脆弱性等级, 划分结果如图 2a、2b 和 2c 所示。流域内生境脆弱性极高等级、极低等级面积为 166.97 km 和 51.59 km, 分别占流域土地总面积的18.52%和 5.7%;从图 2a 可见, 生境脆弱性极高等级主要分布在流域的中部地区, 原因在于中部地区湿润度和积温条件相对较差;生境脆弱性极低等级主要分布在流域的西部边
21、缘地区, 该区积温条件较好且地形坡度相对较低。流域内结构脆弱性极高等级、极低等级面积为 52.04 km 和 124.43 km, 分别占总面积的 5.77%和13.8%;从图 2b 可看出, 结构脆弱性极高等级主要分布在流域西部印江县城地区、中部槽谷区的凹槽带和河流谷地地区, 植被覆盖度低是导致这些地区结构脆弱性较高的主要原因;而中部槽谷区的山岭带结构脆弱性较低的主要原因在于山岭带受人类破坏少, 生态系统结构相对完整。流域内功能脆弱性极高等级、极低等级面积为 20.45 km 和 181.54 km, 分别占总面积的 2.27%和 20.13%;功能脆弱性呈由东南部向西北部递增的空间分布格局
22、 (图 2c) , 流域东南部为梵净山自然保护区, 生态系统结构相对完整, 功能脆弱性最低。3.1.2 脆弱性评价结果分析利用公式 (1) , 综合生境、结构和功能脆弱性得到印江流域生态脆弱性评价结果。将生态脆弱性划分为极低、较低、中等、较高和极高 5 个等级 (图 2e) , 面积分别为 189.86 km、285.62 km、257.93 km、131.77 km、36.2 km。生态脆弱性极低等级、较低等级、中等等级面积分别占流域土地总面积的21.06%、31.69%、28.61%, 这些地区生态系统稳定性高, 生态服务功能好, 是生态源地的主要分布区。生态脆弱性较高等级、极高等级面积较
23、少, 分别占总面积的 14.62%和 4.02%, 这些地区需要加强生态建设力度, 防止生态系统脆弱性程度进一步加深。从图 2e 可看出, 流域西部印江县城地区、中部槽谷区的凹槽带和河流河谷地区生态脆弱性较高, 原因在于这些地区结构脆弱性高。流域东南部、东北部和西部边缘地区生态脆弱性相对较低;东南部、东北部地区生态脆弱性较低的主要原因在于结构和功能脆弱性较低;西部边缘地区生态脆弱性较低的主要原因在于生境脆弱性极低。3.2 印江流域生态安全格局构建3.2.1 印江流域生态源地分布基于印江流域生态脆弱性评价结果, 将脆弱性极低等级、较低等级、中等等级分布区内的自然保护区和面积较大的林地斑块确定为生
24、态源地 (图 3) 。从图3 可看出, 印江流域的生态源地主要有 8 块 (分别用罗马数字、表示) , 总面积为 282.94 km, 占流域土地总面积的 31.38%, 总体呈东部连片集中, 中西部分散破碎的分布格局。印江流域东南部的生态源地号片区为梵净山自然保护区, 是研究区内植被覆盖度最高、生态脆弱性最低的区域, 也是面积最大的生态源地, 在维护区域生态安全和保持生态系统稳定性方面发挥着巨大效用。印江流域中部的生态源地号、号、号和号片区处于槽谷区的纵向山岭带, 凹槽区的土壤和地形条件较好, 人类活动强烈, 生态系统破坏严重, 而山岭区受人类活动影响较弱, 生态系统结构较完整, 生态脆弱性
25、较低。印江流域东北部的生态源地号片区和西部边缘地区的生态源地号、号片区有林地覆盖率较高, 也是印江流域生态源地的重要组成部分。3.2.2 印江流域生态廊道、节点分布基于生态阻力面 (图 4) , 利用公式 2, 计算得到累积耗费距离表面 (图 5) 。再以累积耗费距离表面为基础, 提取低阻廊道。计算得到印江流域低阻廊道为158 km, 河流廊道为 112 km。河流廊道沟通印江流域内所有的生态源地, 其连通性高且不受生态阻力面制约, 是生态源地之间物质能量流通的主动脉。印江流域低阻廊道总体呈东部密集连续, 中西部分散破碎的分布格局。流域东部低阻廊道密集且连续的主要原因在于该区土地利用以林地为主
26、, 生态阻力值低, 累积耗费距离小。中西部地区建设用地面积较多, 生态阻力值高, 累积耗费距离大, 使得该区低阻廊道分散且破碎。低阻廊道可识别性低, 极易受到人为干扰而发生断裂, 是落实印江流域生态安全格局的重点和难点。将低阻廊道、河流廊道的交叉点及断裂处确定为生态节点, 统计生态节点为 64 个。印江流域生态节点分布较均匀, 生态节点的建设有助于增加生态安全格局的稳定性。构建的印江流域生态安全格局如图 6 所示, 基本涵盖全流域。4 结论与建议4.1 结论从生态系统生境、结构和功能 3 个方面, 选取 8 个指标评价印江流域生态脆弱性, 在脆弱性评价的基础上识别生态源地, 利用 MCR 模型
27、计算累积耗费距离表面, 提取低阻廊道和节点, 构建喀斯特印江流域生态安全格局。研究结论如下:1) 印江流域生态脆弱性较低等级、中等等级面积较多, 分别占流域土地总面积的 31.69%和 28.61%, 生态脆弱性较高等级、极高等级面积较少, 但仍占总面积的 14.62%和 4.02%。流域西部印江县城地区、中部槽谷区的凹槽带和河流河谷地区生态脆弱性较高, 流域东南部、东北部和西部边缘地区生态脆弱性相对较低。构建科学合理的生态安全格局, 有助于强化流域东部和西部边缘地区的生态保护, 同时防止西部和中部地区生态脆弱性程度进一步加深。2) 印江流域生态安全格局中, 生态源地有 282.94 km,
28、低阻廊道 158 km, 河流廊道 112 km, 生态节点 64 个。构建成以生态源地为重点, 以河流廊道为主动脉, 以低阻廊道为毛细血管的印江流域生态安全格局, 为印江流域生态环境保护与可持续发展提供参考。4.2 建议根据印江流域生态源地、廊道和节点分布特点, 对印江流域生态安全格局构建提出以下建议:1) 强化“源地”保护与建设。生态源地是研究区最重要的生态用地, 是开发建设不可逾越的底线。印江流域东南部的生态源地号片区为梵净山自然保护区, 该源地生态系统结构较完整且脆弱性较低, 维持现有的保护状态即可。印江流域东北部的生态源地号片区和西部边缘地区的生态源地号、号片区在保护现有林地的同时,
29、 应调整森林结构, 增加乡土植物比例, 提高森林质量。印江流域中部槽谷区的生态源地号、号、号和号片区距离城市较近, 受人类活动干扰较大, 应严格控制开发建设用地扩张, 并加强人工生态重建。2) 重点建设“廊道”和“节点”。生态廊道和生态节点建设可以有效提升生态系统的连通性和稳定性。印江流域内河流水系广布, 应加强水污染治理和监控, 推动全流域河岸缓冲区的生态保护与建设, 保障河流廊道的连通性。低阻廊道的识别性低, 且极易受到人为干扰而发生断裂。低阻廊道建设以人工生态重建为主, 建设中应绕过道路、桥梁等人工设施, 如果无法避免可以设置动物天桥和地下通道等设施。根据生态节点的空间位置差异, 采取不
30、同的建设方法, 对于分布在建设用地上的生态节点, 可将其建成森林公园;对分布在耕地上的生态节点, 可采用退耕还林方式进行生态建设。图 1 研究区位置图 Fig.1 Location of study area 下载原图图 2 印江流域脆弱性特征分布图 Fig.2 Spatial distribution of vulnerability characteristic in Yinjiang watershed 下载原图图 3 印江流域生态源地分布 Fig.3 Spatial distribution of ecological source regions in Yinjiang waters
31、hed 下载原图图 4 印江流域生态阻力面 Fig.4 Resistance surface in Yinjiang watershed 下载原图图 5 印江流域累积耗费距离表面 Fig.5 Cumulative cost distance surface in Yinjiang watershed 下载原图图 6 印江流域生态安全格局 Fig.6 Ecological security pattern in Yinjiang watershed 下载原图参考文献1刘国华.西南生态安全格局形成机制及演变机理J.生态学报, 2016, 36 (22) :7088-7091. 2杨天荣, 匡文慧,
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