生态脆弱区生物多样性保护安全格局研究———以吉林省大安市为例

发布时间：2020-02-04

　　摘要:以位于吉林省西部典型生态脆弱区的大安市为研究区域，运用MCR模型构建最小累积阻力面，并提取生态廊道和节点，从而分析和判别吉林省大安市的生物多样性保护空间安全格局。结果表明:①研究区范围内共提取生态廊道56条，总长度为165.77km，生态节点53个。从空间分布上看，研究区北部生态廊道和节点数量相对较少，南部分布集中。②不同安全水平区具有一定的空间差异性，低安全水平区为2255.59km2，占研究区总面积的46.23%;较低安全水平区为1287.35km2，占研究区总面积的26.39%;中等安全水平区和高等安全水平区分别为959.15km2和376.82km2，这两类区域分别占研究区总面积的19.66%和7.72%。③合理安排人类生产活动，优化区域生态廊道网络连接，对维护区域生态安全、缓解生态环境压力具有重要的作用。

　　关键词:生态脆弱区;生物多样性;生态安全格局;最小累积阻力模型;生态廊道

　　1引言

　　生态脆弱区一般维持系统自身的稳定和抵抗外界干扰能力较弱，在自然条件和人类活动多重因素胁迫下，资源环境矛盾突出，生态环境压力已接近甚至超过区域生态的承载力[1，2]。生态安全格局基于过程与格局的相互作用机制，以景观生态学为理论支持，通过模拟不同生态过程识别出对维持生态系统健康和安全具有关键意义的斑块，将优化区域生态环境的对策和措施落实到空间地域，以实现对区域生态环境问题的有效控制和改善[3，4]。从生物多样性保护角度构建区域生态安全格局，针对生态系统本底特征，优化用地结构和布局，对保护和恢复区域特别是生态脆弱区的生物多样性具有非常重要的意义[5]。

　　生物多样性是生物与环境形成的生态复合体以及与此相关的各种生态过程的总和，由遗传多样性、物种多样性、生态系统多样性和景观多样性4个部分组成，是生态安全和国家粮食安全的基本保障，也是人类赖以生存的物质基础[6，7]。其中，物种多样性是生物多样性中最主要的结构和功能单位，也是生态系统的重要组成部分，用来表示一定区域内物种的丰富程度[8]。

　　近年来一些学者从生物多样性保护角度进行了生态安全格局的相关研究。其中，俞孔坚通过模拟物种水平空间运动过程，构建了包含源、缓冲区、源间连接、辐射道和战略点等景观组分的典型生态安全格局[9]。在此基础上相关学者分别尝试在自然保护区[10]、三江平原[11]、外来物种引种区[12]、城市经济区[13]等不同空间尺度内构建生物多样性保护的安全格局。

　　吉林省西部生态脆弱区是农牧两种生态系统的交界过渡区域，草地退化、土地沙化、土地盐碱化、湿地退化等生态环境问题严重，致使区域物种栖息地遭到破坏，生物多样性受到损失[14]。本文选择位于吉林省西部典型生态脆弱区的大安市为研究区域，以景观生态学为理论基础，选取目标物种的现有栖息地为源地，在充分考虑物种空间运动影响因素的前提下，确定阻力因子和相对阻力值;运用MCR模型构建最小累积阻力面，并提取生态廊道和生态节点，综合分析和判别研究区的生物多样性保护安全格局，以期为大安市生物多样性的保护和生态环境的恢复提供有价值的参考。

　　2研究区概况与数据来源

　　2.1研究区概况

　　大安市位于吉林省的西北部，地处松嫩平原腹地，位于123°08'45″—124°21'56″E、44°57'00″—45°45'51″N之间。大安市东与黑龙江省隔江相望，西与洮南市、通榆县接壤，南与松原市相邻，北以洮儿河为界与镇赉县毗邻，总面积4879km2，地面海拔高程为120—160m(图1)。

　　大安市属半干旱温带季风气候，大陆性明显，全年四季分明，年降水量300—400mm，多集中在夏季，境内湖泊河流众多，主要有嫩江、洮儿河和霍林河等水域。大安市位于生态环境变化的敏感区域，近年来受气候条件和人类活动的影响，土壤沙化、盐碱化、湿地面积萎缩等生态环境问题日益严重，区域生物数量和种类锐减。

　　生态脆弱区生物多样性保护安全格局研究———以吉林省大安市为例相关期刊推荐：《资源开发与市场》(月刊)创刊于1985年，是四川省科学技术厅主管，四川省自然资源研究所主办的综合性自然科学学术期刊，涵盖自然科学的各个学科。国内外公开发行。本刊重点刊登国内以自然资源为主、兼顾社会经济资源的科学理论研究的创新成果，资源开发中的新技术、新方法、新工艺以及资源与环境、资源管理、开发与保护等具有创新性的科研成果。有投稿需求的作者，可以咨询在线编辑老师。

　　受地形和气候等因素的影响，研究区内形成了面积较广的沼泽和湿地，包括嫩江湾国家湿地公园、大安牛心套保国家湿地公园和月亮湾蓄洪滞洪区等。大安市鸟类和鱼类等生物资源丰富，其中嫩江湾国家湿地公园有野生动物56种，鸟类30种，鱼类47种;牛心套保国家湿地公园有野生动物142种，其中包括丹顶鹤、东方白鹳、大鸨、大天鹅、鸳鸯、灰燕、灰鹤等鸟类。研究区是这些鸟类重要的生存繁衍地和南北迁移的中转站，对这些鸟类进行生物保护安全格局分析是构建区域生态安全格局的重要内容，对保护区域生物多样性、维护生态系统服务功能具有重要意义。

　　2.2数据来源与处理

　　本研究中所采用数据主要包括2015年大安市土地利用现状数据与ASTERGDEM30m分辨率高程数据。根据研究区土地利用现状和研究目的，将土地利用数据重新整合分类，共分为湿地、林地、草地、耕地、盐碱地、居民点及工矿用地和交通用地七种土地利用类型;DEM数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据的云平台(http://www.gscloud.cn)，进一步利用ENVI5.1软件对DEM数据进行拼接和裁剪，并运用ArcGIS10.2软件进行坡度等数据的提取。

　　3研究方法

　　3.1源地的识别

　　“源”是一切生态过程的起点，源地是对区域生态过程和格局发展起正向推动作用的景观类型，是构建生态安全格局的基础[15]。一般情况下，生物多样性保护安全格局中的源地为目标物种的现有自然栖息地，能够充分反映研究区物种的生境特点，具有广泛的代表性和内部同质性[9，16]。

　　3.2最小累积阻力面

　　物种对环境的利用表现为对空间的控制和覆盖过程，阻力面是物种从一种景观类型向另一种景观类型扩散时克服阻力所形成的趋势面，反映了物种从源地到达目的地的相对难易程度[17，18]。最小累积阻力是指物种从源地通过不同阻力的景观类型所累积耗费的最小成本，反映了景观格局与生态过程之间的相互关系[19-21]。

　　3.3生态廊道和生态节点

　　在景观生态学中，廊道一般被定义为景观中与相邻两边环境不同的线性或带状结构[23]。生态廊道将区域内因破碎化而分离的小面积源地连接起来，为各个独立的源地提供空间上接触的可能性，使之形成更大的生态系统，减少因源地分离而引起的“孤岛”效应，是目标物种生存繁衍和扩散迁徙的低阻力通道[24]。生态节点是廊道上生态功能最薄弱的点，是对目标物种的迁徙和扩散具有关键作用的战略点[17，25]。

　　本文中生态廊道和生态节点的提取采用ArcGIS10.2空间分析模块中的水文分析工具，通过正负地形提取、填洼、流向分析、计算流水累积量、邻域分析等步骤提取最小累积阻力面的“谷线”和“脊线”，将生成的低阻力谷线作为生态廊道，“谷线”和“脊线”的交点作为生态节点。

　　3.4生物多样性保护安全格局

　　在建立研究区最小累积阻力面后，为了对区域整体生态安全水平有更清晰的认识，以最小累积阻力面中阻力值的突变点作为不同安全水平区的分界点，将研究区划分为低安全水平区、较低安全水平区、中等安全水平区和高安全水平区四个等级。其中，低安全水平区物种水平运动克服的阻力最小，是物种在源地间扩散迁移的必经区域。高安全水平区是物种空间水平运动的阻力高值区，物种克服阻力到达该区域的难度较大，就生物多样性保护安全格局而言，该区域安全水平较高。

　　4结果与分析

　　4.1源地的识别

　　吉林省大安市虽然属于生态脆弱区，但是动植物资源非常丰富，由于植物受外界干扰的反映不易观察，对其他物种的代表性不强;鱼类的栖息地类型比较单一，且水平空间运动范围受限，因此植物和鱼类不适宜作为构建生物多样性保护安全格局的目标物种[26，27]。

　　本文首先选取研究区内具有广泛代表性的珍稀濒危鸟类———东方白鹳、丹顶鹤、白鹤和大鸨作为目标物种，它们均为国家一级保护鸟类，喜生活在沼泽地、湖泊、水塘以及河岸沼泽地带，研究区是它们重要的生存繁衍地，也是南北迁移途中的中转站。其次以目标物种的栖息地———湿地为源地，主要包括沼泽地、河流水面、湖泊水面、坑塘水面、内陆滩涂等土地利用类型，剔除部分面积小、分布零散、对生物保护安全格局影响较小的湿地斑块，将部分面积较小但分布集中的斑块与邻接的大面积斑块进行合并处理。

　　本文最后识别出研究区的源地总面积为547.93km2，占研究区总面积的11.23%，北部源地相对集中连片，包括东北部的嫩江湾国家湿地公园、月亮泡水库、洮儿河流域和五间房水库等水域;南部源地斑块面积普遍较小，且呈离散破碎化分布，包括南部的牛心套保国家湿地公园、霍林河流域下游以及东部查干湖的部分地区。

　　4.2最小累积阻力面的构建

　　已有研究表明，土地利用类型和人类活动干扰是影响物种生存和繁衍的主要因素，物种栖息地的质量取决于物种与人类利用土地的距离和人类活动的强度[21]。本文首先通过模拟分析了目标物种的空间扩散过程，将土地利用类型、距道路的距离、距居民点的距离和坡度作为影响物种空间运动的阻力因子。其次依据大量文献资料设定各阻力因子的相对阻力值(表1)，用层次分析法确定阻力因子权重，将相对阻力值拟定在0—100之间，景观类型与物种栖息地越相似，物种运动过程中所克服的阻力越小，相对阻力值就越接近于0[19，20，28]。最后以源地为要素源数据，以综合阻力因子阻力面为成本数据，采用成本—距离模型，生成研究区最小累积阻力面(图2、图3)。

　　4.3生态廊道和生态节点的判别

　　生态廊道和节点是目标物种在源地间交流的关键通道和战略点[18]。在最小累积阻力面中，生态廊道是相邻两源地间的低阻力通道，生态节点是最小累积阻力面上低阻力通道和高阻力通道的交点[19]。经筛选共提取研究区范围内的生态廊道56条，总长度165.77km，生态节点53个(图4)。从整体上看，大安市生态廊道和节点呈南北两极化分布，北部地区的源地面积较大且分布集中，因此该区域生态廊道和节点数量相对较少;南部地区的单个源地面积较小且零星分布，生态廊道和节点分布集中且连通性较好，生态系统相对稳定(图5)。

　　4.4生物多样性保护安全格局的建立

　　从图5、表2可见出，大安市不同安全水平区在数量和空间分布上具有一定的差异性。大安市低安全水平区的面积共计2255.59km2，占研究区总面积的46.23%，主要分布在龙沼镇、海坨乡、大岗子镇和月亮泡镇，还包括大安市北部地区的嫩江沿岸和洮儿河沿岸的湿地保护区，涵盖了月亮湾蓄洪滞洪区、五间房水库和大安牛心套保自然保护区等大面积水域和湿地，土地利用类型以湿地、草地、耕地和盐碱地为主;南部地区的龙沼镇、大岗子镇和海坨乡的土地利用率较低，区域内有一定面积的盐碱地，且交通设施不完善，经济发展相对落后;低安全水平区是涵盖目标物种的核心栖息场所，也是维护研究区生物多样性的重点地区。

　　大安市较低安全水平区面积为1287.35km2，占研究区总面积的26.39%，主要分布在两家子镇的东南部、大岗子镇的北部、新平安镇的中部，用地类型以耕地和草地为主，是典型的农牧交错区，因此合理适度的农业开发和草地保护是维护大安市生态安全的主要途径。该区域主要分布在低安全水平区的外围，是低安全水平区的重要保护屏障，对人类干扰活动有一定的缓冲作用。大安市较低安全水平区总体的生态服务功能处于较高水平，是低水平区和中水平区、高水平区之间能量流动和物质循环的“桥梁”。

　　大安市中等安全水平区的土地面积共计为959.15km2，占研究区土地总面积的19.66%，主要位于大安市联合乡中部、两家子镇的北部，乐胜乡的东南部、叉干镇的东部以及舍力镇、烧锅镇乡和新平安镇的部分地区，土地利用类型主要以草地、耕地、居民点用地和交通用地为主，是研究区内的限制性建设区。

　　大安市高安全水平区面积最小为376.82km2，占全区土地总面积的7.72%，集中分布在大安市乐胜乡、烧锅镇乡、舍力镇和叉干镇的相接处，区域的用地类型以居民点、交通用地、耕地和草地为主。大安市高安全水平区是研究区的适宜建设区，可以适度开展工农业生产经营活动。