在社会经济发展的进程中,我国的城镇化道路不可避免地对区域生态系统的内在结构与功能产生了影响,这一进程引发了生境斑块数量的显著减少及生态孤岛化现象的加剧[1],这些问题直接削弱了生态系统的正常运作与自我调节能力[2],进而导致生态安全面临挑战与风险｡党的二十大报告指出,坚持山水林田湖草沙一体化保护和系统治理,加快实施生态系统保护和修复重大工程,向生态环境治理､绿色高质量发展持续迈进｡构建生态网络对保障区域生态安全至关重要｡目前,生态网络的构建通常包括识别源地､构建阻力面､提取廊道3个步骤[3]｡识别生态源地的方法包括利用自然保护区和生态红线区域[4-5],也可以通过评估生态系统服务价值[6]､生态敏感性[7-8]和形态学空间分析(MSPA)[9]等来实现｡通过相关文献可知[10],InVEST模型通过评估区域生态系统服务重要性确定生态源地｡目前识别生态廊道的方法有最小累积阻力模型[11-12]､蚁群模型[13]和电路理论[14]等｡电路理论通过模拟电流在电阻面内的随机扩散行为来描绘物种迁徙过程[15],电流的强度能反映生态网络中廊道和节点的重要性,从而确定廊道的宽度和识别节点的位置｡与其他模型相比,这种方法能更好地反映内部复杂的信息交流[16]｡

基于此,本研究结合了InVEST-MSPA模型与浙江省自然保护地数据来提取生态源地,运用电路理论识别生态廊道,构建浙江省景观生态网络,并提出分级保护的建议,旨在为浙江省的生态源地保护､生态修复工作及未来的城市开发与建设提供科学指导与参考｡

1、材料与方法

1.1研究区域概况浙江省位于中国东南沿海,地处长江三角洲的南缘,陆地面积10.55万km2,拥有七山一水两分田的独特地貌格局｡地势由西南向东北倾斜,西南地区以山地丘陵为主,东北部平原地势低平｡亚热带季风气候使得浙江省的生物多样性､生态资源丰富,作为全国生态大省,浙江致力于将自身的生态优势转化为可持续发展的动力｡另外,浙江省已相继建立了311处自然保护地,但省域内仍面临生境斑块碎片化､孤岛化等挑战｡因此,需要构建生态网络,保障区域生态安全｡由于舟山市以及宁波市､台州市､温州市的岛屿对交通､水文､生境等因素的敏感性较弱,因此未被纳入本研究(图1)｡

1.2数据来源及预处理

本研究使用中国科学院资源环境科学与数据中心提供的2020年浙江省土地利用数据､归一化植被指数(NDVI);世界土壤数据库提供的土壤相关数据｡地理空间数据云网站提供的DEM数字高程模型｡全国地理信息资源目录服务系统提供的道路､主要建成区等数据｡国家气象数据中心提供的降雨量等气象数据｡自然保护地数据从浙江省“三区三线”初步划定成果中获得｡30m×30m为本研究栅格像元的统一空间分辨率,WGS1984UTMZone51N为统一使用的投影坐标｡

1.3研究方法

1.3.1识别生态源地｡①生态系统服务重要性评价:城镇化加剧栖息地破碎,影响了生物多样性｡同时碳储存降低,水源涵养能力下降,容易引发地质灾害,威胁人居环境安全｡本研究综合考虑浙江省主要生态问题,选取InVEST模型中的生境质量模块､碳储存模块､水源涵养模块和土壤保持服务模块[17-18],进行归一化并等权叠加,得到生态系统服务重要性最终评估结果;提取结果中的生态系统服务功能性高值区域,并叠合浙江省自然保护地矢量面｡②MSPA模型的运用:MSPA模型可以将二值图像像素归类为7种互斥景观类型[19],包含核心区､孤岛､孔隙､桥接区､边缘区､支线和环道｡将上述提取区域作为前景要素(Foreground),其余为背景要素(Background),导入GuidosToolbox3.0软件｡参考前人研究[20-22],将结果中的核心区按照面积区间1km2､10km2､50km2筛选为一级､二级､三级生态源地｡使用Conefor2.6软件进行生态源地连通性测试,再筛选最终生态源地｡

1.3.2设置阻力面｡生态阻力面是用来计算物种在面对阻力时扩散路径的基础,环境水平与物种迁徙过程中所遇阻力之间呈正相关关系[21]｡本研究选择自然环境､人为干扰程度和环境响应3个方面的阻力因子形成综合阻力因子评估表(表1),参考相关文献[23]和现实因素进行赋值｡自然环境阻力因子选用高程､坡度和土地覆被｡植被资源对环境响应选用植被归一化指数(NDVI)｡选取主干道及主要建成区的距离来体现人类干扰和浙东北平原各区县;不重要区5189.47km2,占总面积的24.70%,主要分布于北部杭嘉湖平原以及环杭州湾一带,为人类活动高频的建设用地及耕地,该区域受人为影响较大,对生态的要求也更高｡

2.2MSPA及景观连通性分析

将生态系统服务重要性综合评估结果为重要的区程度,距离越近则阻力越大｡

1.3.3基于电路理论的廊道提取｡生态廊道是连通生态网络各要素流动和生态源地之间的低阻力生态通道｡本研究通过电路理论识别生态廊道的方向和边界｡其中,电路理论中的节点为生态源地,电流大小为物种在路径中扩散的概率｡在模拟过程中,将三类生态源地和阻力面导入Circuitscape4.0软件中,由其中的LinkageMapper模块运行生成三类对应廊道｡

图3MSPA分类结果

2、结果与分析

2.1生态系统服务重要性评估

归一化并等权叠加4个模块的评估值,获得生态系统服务重要性评价结果(图2)｡依据自然断点法划定重要､较重要､一般､不重要四类区域,分别对应高､较高､中､低4个等级｡浙江省高生态系统服务重要性地区面积为35977.03km2,占全省研究区面积的35.60%,以浙南山区､浙西丘陵､浙东丘陵为主,中北部山脉重要性较高;较重要区面积30217.62km2,占总面积的29.90%,地类现状以林地为主,斑块呈现破碎化;一般重要区面积为23548.55km2,占总面积的23.30%,地类现状主要是耕地,主要分布于浙中盆地图2生态系统服务重要性评价域叠加浙江省自然保护地区域,导入GuidosToolbox进行MSPA分析,得到景观要素的MSPA分类结果(图3),提取核心区斑块,并统计不同景观类型的面积并计算其占比(表2)｡

结果可知,核心区(17250.67km2)在前景要素中面积最大,斑块总数达4386个,占前景要素总面积的45.35%｡其中,≥10km2的大型斑块有303个,占核心区面积的86.95%,占总斑块数量的6.91%｡最大斑块位于富春江-新安江国家风景名胜区范围内,面积为1783.79km2,对核心区面积的贡献为10.34%｡而<1km2的斑块数量为2844个,占总斑块数量的64.84%｡表明研究范围内核心斑块的破碎化程度很高｡

表2MSPA景观类型与其占比

将斑块导入Conefor2.6软件进行斑块连通性分析,选择dPC>0.2且面积≥1km2的景观斑块作为研究区域的生态源地｡省域范围生态网络研究的相关文献中指出[24],大尺度研究中源地较多时,面积大小各异的斑块景观功能复杂程度不同,不宜直接构建所有生态廊道｡因此本研究根据生态源地面积将浙江省生态源地分为三级,最终共识别生态源地583处,总面积16664.41km(表3)

表3研究区生态源地分级统计结果

图4研究区三级生态源地空间分布情况

根据浙江省研究区生态源地空间分布情况可知(图4),浙江省生态源地空间分布总体上东部多于西部,其中一级生态源地的这一分布特征最为显著｡一级生态源地分布以丽水市､衢州市､温州市及杭州市为主,其他地区分布较少｡二级生态源地分布较均匀,除嘉兴市较空缺以外,其余地区空间上都有分散分布｡三级生态源地面积较小,可为小范围区域提供生态系统服务的生境斑块,在全省范围内均匀分布｡生态源地的生境质量相对其他地区较高,包含灌木林､竹林､森林､水域､湿地等区域,其中一级生态源地相对于其他两级生态源地,生物多样性相对更丰富,生态功能辐射范围相对更广｡

2.3阻力面构建

根据阻力因子指标表(表1)得到综合阻力面(图5)｡结果显示,浙江省研究区内生态阻力面高值集中于北部,空间分布差异明显;人类密集地区常为高阻力区域,以杭嘉湖平原以及环杭州湾一带的高阻力集中区域最大,其次是台州市和温州市沿海区域､金华市和衢州市平原地区;其余高阻力地区比较分散,以城镇用地､农村居民点和工矿用地为主｡

图5阻力面构建结果

2.4生态廊道提取

一级生态源地识别生态廊道136条,总长度3.83×103km;二级生态源地识别生态廊道1795条,总长度9.97×104km;三级生态源地识别生态廊道933条,总长度6.06×103km｡根据源地和廊道识别结果,形成三组研究区源地-廊道网络(图6)｡

图6三组研究区源地-廊道网络

2.5浙江省生态网络保护修复与优化

针对生态网络中的不同源地等级以及源地现状,应制定相应的生态保护与维护措施,具体如下｡

(1)对重要生态源地实施严格保护｡对于生境质量特别优秀､面积特大的生态源地,例如识别出的一级生态源地,往往在生态网络中最为重要,其辐射范围广,对整体生态安全格局具有重要影响,在提供生物多样性方面起着至关重要的作用｡应划定明确的生态源地红线范围,确保该区域的自然资源和生物多样性得到充分尊重与保护｡同时,还应设立生态安全缓冲区,以有效保护区域内的自然栖息地｡

(2)将碎片化生态源地合理利用｡研究区有大量碎片化的生态源地,应充分利用,发挥其在生态网络中的作用｡对于生态脆弱空间,需减少人为干扰,提升其生态功能,促进物种交流和保护｡

(3)划定生态廊道控制范围｡根据生态廊道与城市开发边界的距离,设置适当缓冲区,以提高生态廊道的抗干扰能力,钝化城市扩张对生态秩序的破坏｡因浙江省内水网密布､水域丰富,可将水域廊道与陆地动物生态廊道相结合,建立一个整合蓝绿空间的生态网络体系｡

3、结论

以浙江省内的自然保护地区域作为研究范围,应用InVEST-MSPA模型识别生态源地,使用电路理论构建生态廊道,构建研究区的区域生态网络,得出结论如下｡

(1)浙江省生态本底良好,存在许多优质生境,但存在生境斑块面积大小不一､重要生态源地分布不均的现象,同时存在大量碎片化的小型斑块,可在一定程度上为小范围区域提供生态系统服务｡

(2)研究区内识别生态源地共583处,总面积16664.41km2,其中一级生态源地59处,二级生态源地214处,三级生态源地310处｡但源地､廊道的空间分布不均,一级源地及廊道重点集中分布在丽水市､衢州市､温州市及杭州市｡一级生态源地相对于其他两级生态源地生物多样性更丰富,生态功能辐射范围更广｡

(3)根据研究结果,提出保护､修复和优化措施｡保护关键的生态源地,合理利用碎片化源地,划定生态廊道的控制区域,并增强廊道的连通性｡同时,在规划和建设过程中,应尽可能规避生态源地和生态廊道,以更好地保护自然栖息地｡还需重点加强生态网络的保护和修复,减少大规模生产建设活动和人类活动对生态系统造成干扰｡本研究基于InVEST模型的生态系统服务重要性评估结果,叠加自然保护地范围,使用MSPA分析识别核心区斑块,在相关研究基础上,使用面积阈值对生态源地进行分级,对生态网络构建具有一定的借鉴意义｡另外,鉴于地区生物数据获取的限制性,本研究未聚焦于单一物种的深入分析,而是采用了具有生态代表性的生态源地作为研究基础｡行政区域的界限并不是生物迁徙的自然障碍,但在具体研究中,人为划定的边界往往决定了生境斑块的面积,并进一步影响不同尺度下同一区域内生态网络的构建方式以及行政边界内外生境斑块之间的结构与功能联系｡此外,关于尺度变化如何具体作用于生态网络的构建过程,以及不同尺度间生态网络如何实现良好耦合,仍需后续研究深入探讨｡

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文章来源:季甜忆.基于InVEST-MSPA模型的浙江省生态网络构建[J].现代园艺,2025,48(17):54-57.