太行山中北段生态脆弱区阜平县,地处河北西部,地理坐标为东经113°45'—114°37',北纬38°39'—39°08',西部、北部均与山西省交界,县域面积2 527.14 km²。县域地形较为复杂,多为土石山区,山峦绵亘,沟壑纵横,地势西北高东南低,气候属大陆性季风气候。在县域西部及北部地区,多中山、高山,同时原始次生林、人工林及灌木林分布都较为广泛,植被覆盖度较高,但耕地分布较少; 在县域中南部和东部,主要为低山和丘陵,植被覆盖度相对差,荒山面积较大,水土流失现象发生较为频繁。全县河流水系较为发达,境内河流均属于大清河水系南支沙河,由西北向东南横穿全县,另有胭脂河、平阳河、鹞子河、板峪河、北流河等支流。且其位于冀西北生态涵养区,县域内包含自然保护区、森林公园等多种自然保护地,素有九山半水半田之称,但也存在生态型贫困的现状,是以针对此地区进行生态文明建设成为重中之重。

本研究中土地利用数据来自于2018年土地利用变更调查库; 高程数据(DEM)来自地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/),空间分辨率为30 m ×30 m; 阜平县交通数据来源于Open Street Map数据平台。

粒度反推法依据于反证法思想,首先采用Frgasta计算各粒度水平下的景观指数,以此为依据挑选出最佳组分结构,就此作为参考选取合适的生态源地^[17]。本文择其林地、草地、园地、水域作为生态用地,运用ArcGIS生成100 m,200 m,300 m,400 m,500 m,600 m,700 m,800 m,900 m,1 000 m,十张不同粒度下的栅格图,进而选择连接度增加百分率、最大组分斑块数(NC)、连通性(CONNECT)、聚合度(AI)、内聚力(COHESION)、CONTAG(蔓延度指数)、LSI(景观形状指数)7个指标^[18],运用Fragstats软件,计算各个粒度下的上述7个指标值,同时结合主成分分析的方法^[19],把累积贡献率>80%、特征值>1作为其提取原则,计算其各粒度下的整体连通性综合得分,将综合得分最高的景观组分结构作为初步生态源地选取的依据。

InVEST中的生境质量模块,是从生物多样性角度出发,对其生境质量作出定量评价^[20-22]。本研究中的威胁源数据为:(1)每种威胁的相对影响(2)生境栅格与威胁之间的距离、威胁所带来的影响(3):每种生境类型对每种威胁的相对敏感性,根据模型使用手册及相关文献,本文择取林地、草地、园地和水域作为生态用地,其余用地类型则为非生态用地; 将建制镇、村庄、采矿用地、公路用地、裸地定义为生境的威胁源; 模型的各类参数,通过查阅文献,并向相关专家咨询进行赋值(表1和表2)。具体计算公式如下^[20-22]:

式中:j为生境类型,为不同的栅格; Q_xj为j生境栅格的生境质量; H_j为生境适宜性,为生境栅格的总威胁水平; k为半饱和参数,Dz_xj为j生境栅格中x的总的威胁水平; k为半饱和常数; z值一般默认取2.5^[21]。

一般的生态阻力面构建,主要是根据土地利用数据,进行相关赋值,但所构造的阻力面不够精准,因此本研究参考相关文献,以土地利用阻力面作为显性阻力面^[23-24],传统显性阻力面忽略了景观间的相互影响和信息交流,而隐性阻力面能够将事物之间的相互影响考虑在内,因此本研究构建综合阻力面时,以土地利用类型作为显性阻力面,利用ArcGIS中的克里金插值法得到隐性阻力值以此构造隐性阻力面,结合坡度、地形起伏度、植被覆盖度(表3),最终得到综合阻力面。基于综合阻力面,运用ArcGIS的开发软件Linkage Mapper工具中的Linkage Mapper分析构建生态廊道,其过程所运用模型MCR(最小累积阻力)模型原理如下^[25]:

)

式中:MCR为最小累积阻力值; f为未知正函数,表示阻力值与生态过程的正相关关系; D_ij为从生态源地j到空间任意一栅格单元i的空间距离; R_i为栅格单元i对生态过程运动的阻力值^[24]。

表1 威胁因子属性

2.4.1 生态“夹点”识别 生态“夹点”,McRae等^[26]以电路理论为依据所提出的,是为区域内景观连通性的重要节点,生物流经此处的概率较大或无其他替代路径,如去除或损坏此类区域,会对生态稳定造成较大影响。本研究利用Linkage mapper分析中的Pinchpoint Mapper^[27]模块识别生态“夹点”,其中高电流强度区域即为夹点区域,此类区域对于防止栖息地退化有关键作用,因此对于此类区域应当重点保护,若生态“夹点”恰好位于生态阻力值较高区域,则表明此类地区退化可能性较大,更应当优先保护与修复,因此本研究选取生态“夹点”区域作为生态修复关键区域之一。此工具有adjacent pair model和raster centrality两种模式^[28],但相关研究表明“adjacent pair model”模式下得到的“夹点”区域对于维持整体景观的连接性没有意义,生物可以绕道其他核心区在两个核心区之间进行移动,因此采用raster centrality识别生态关键点,此模式又分为成对(pairwise)和多对一(all-to-one)两类^[29],本文针对两类分别进行处理,成对模式指有效电阻将在所有的成对斑块之间进行一系列的迭代运算; 多对一模式则是将一个斑块接地,遍历景观中所有的生态斑块。

表2 不同生境类型对各威胁源的敏感度

表3 阻力因子属性

2.4.2 生态障碍点识别 生态障碍点即为生物在廊道迁徙过程中,受到阻碍的区域,移除或者改善此类区域可增强区域间的景观连通性。本研究利用Linkage mapper插件的Barrier Mapper^[30]分析进行生态障碍点的识别,并且与土地利用类型相结合,确定障碍点的土地利用状况,进而提出相关修复与保护建议。进行Barrier Mmapper分析时有两种模式^[31],一种模式是选定相对于最小成本路径计算改进分数百分比选项,此类方法可识别出有一定障碍但不完全阻碍区域,另一种模式为不选定此选项,即完全阻碍区域。本研究选择同时选择两种模式下的阻碍区域作为生态障碍点,通过对障碍点进行一定的修复,进而增强区域内景观连通性。

依托Fragstats平台,得到各粒度下的景观指数见表4,采用主成分分析的方法得到两个主成分(表5),主成分1上AI,COHESION,LSI,CONTAG荷载较高,可体现出景观组分的集聚性质,将其作为整体性指标; 主成分2上NC,CONNECT以及连通性增加百分率荷载较高,表征景观结构的连通性,可将其作为连通性指标。将数据标准化处理,代入函数表达式即可得到各粒度下的整体连通性得分(图1)。景观组分结随粒度改变而改变,但当其达到某一临界值时会出现质变点,通过分析可知,随着粒度的增加,综合得分整体上表现出下降趋势,主要原因为粒度的升高使得小型斑块不断被去除、融合,从而造成景观破碎化加剧,稳定性不断下降,当景观组分结构极简状态小于其研究尺度时,造成关键局部区域不断减少,使得稳定性发生浮动。而在600 m粒度时候,综合得分突然出现升高现象,随后又呈现下降趋势,且在600 m粒度时的综合得分,明显高于其周围粒度下的综合得分,因此可看出600 m粒度时是景观组分结构产生改变的质变点,可作为初步生态源地的选取依据。

利用生境质量模块确定阜平县生境质量见图2。阜平县总体生境质量较低,平均值为0.30,最高值为0.99,最低值为0.1,其生境质量较低主要原因为其裸地较多,因此总体生境质量平均值较低,生态问题急需改善,其中高质量区域主要位于阜平县西部地区,此类地区植被覆盖度都较高,且多处于生态保护红线及自然保护区内,低值区位于高值区周围,用地类型主要为裸地及建设用地,以阜平镇、史家寨乡、大台乡、砂窝乡分布最多。

图1 整体连通性综合得分

表4 测定指标统计

表5 成分矩阵

选择源地时,应当将斑块本身的价值,以及各类型生态用地在整体景观中的结构及其所发挥的功能,同时考虑在内,而InVest模型中的生境质量模块正是基于栅格尺度进行测算,主要估算斑块自身的生态价值,因此,本研究在得出初步生态源地的基础上,统计其各斑块的生态系统服务价值,采用自然断点法将其分为不同级别,将其生境质量最高的一级当作最终的生态源地(图3)。阜平县生态源地共518.35 km²,主要用地类型为林地、水域、草地、以及部分园地,占生态用地面积的71.00%,其中以林地所占生态源地最多,达到65.67%,生态源地以城南庄镇最多为199.43 km²,以阜平镇、大台乡、北果园乡最少,均小于10 km²。

以阜平县综合阻力面为基础,借助ArcGIS中的Linkage Mapper插件识别出廊道,基于源地及廊道形成阜平县生态格局。阜平县高阻力地区主要集中位于砂窝乡、史家寨乡,阜平镇、大台乡、台峪乡、吴王口乡有少量分布,主要是其受城镇建设用地、及交通用地的阻碍,且其含有大量裸地。生态源地主要位于河北省省级银河山自然保护区、河北驼梁国家级自然保护区、水源保护区王快水库范围内,廊道承接各大源地,共计481.85 km,主要土地利用类型为河流,河流廊道主要包含大沙河、板峪河、鹞子河、北流河、胭脂河、平阳河等河流的部分河段。

3.3.1 生态夹点区域识别与修复 运用all-to-one与all-pairs两种模式分别识别阜平县生物迁徙流动强度(即廊道的电流强度),成对模式下识别的高电流区域较多最高为108.163,多对一模式下识别的电流最大值为189.936,与生态阻力面叠加可发现此类区域多位于高阻力区域,因此本研究选择两种模式下的高电流区域与生态阻力面的高阻力区域叠加,综合分析得出28处生态“夹点”区域(附图4)。共计73.42 km。其中最长7.96 km,位于砂窝乡,最短0.11 km,位于城南庄镇。待修复区域中,共22处于河流廊道上,分别为砂窝乡1处,龙泉关镇3处,天生桥镇1处,城南庄镇6处,王林口镇2处,大台乡3处,台峪乡1处,史家寨乡3处,阜平镇2处(表6)。河流廊道被视为自然形成的生态廊道,其生态作用极强且其地位不可取代,但近年来,由于其他商业用途不断占用以及人类不合理的进行填河造田等活动,使得河流愈加萎缩,且县域公众及相关企业投放的污染物过多,超出其自身的修复能力,使得河流生态功能日况愈下,从而受到不同程度的胁迫。因此针对河流廊道,在其“夹点”区域,应当首先进行清淤及治理相关污染等工程措施,同时可为其修建保护区,实施河流跨界治理与修复工程,多地共享河流污染源监测等相关信息,形成绿色、开放、共享机制,同时应加强监督管理,严防一切损害河流生态功能的现象重现,对于河流入口应当做好土壤修复与保护等措施。另有4处待修复区域用地类型属林地,位于史家寨乡,此类区域应当严禁随意占用林地,严控林地退化等现象发生,保护和利用森林植被的自然生态修复功能,加强对退化林地的治理,同时由于阜平属生态型贫困县,因此可适当考虑林业合理开发利用,确保主要林产品产量和产品结构满足市场需求。2处为草地位于阜平镇.,此类地区应加强退化草地修复,增强植被覆盖度,同时防止此类地区不断被建设用地占用,设置禁建区,对于当地规模发展,政府部门应当严格把控。

图2 阜平县生境质量空间分布

图3 生态源地

3.3.3 生态断裂点区域识别与修复 本研究选择大型交通设施(高速公路、国道、省道)与廊道交汇处,作为生态断裂点(图4)。主要考虑纵横交叉的道路对生物流动产生阻碍作用,使景观破碎化现象加剧,造成生物迁徙受到威胁。如图所示,生态断裂点共23处,其中砂窝乡、吴王口乡、大台乡、平阳镇分布最为集中。5处与高速相交,5处与国道相交,与省道交汇区域为13处。由于这3类都属与不可替代的交通设施,因此不能轻易将其拆卸,故对于断裂点区域可考虑与研究区实际情况相结合,提出相关改良措施,如建造桥下涵洞、或者修建天桥等,作为动物迁徙的廊道,且可在通道处制作标志牌,禁止破坏,保障动物能够较为通畅的完成迁徙,政府部门可考虑实行生态廊道监测,及时为生物流动排除阻碍因素。

表6 阜平县国土空间生态保护修复关键区域

修复区域 土地利用现状 位置 具体分布 建议修复方向

生态夹点区域 河流 阜平县西北部砂窝乡 大沙河百亩台村河段

加强污染河流治理工作,建造河流保护区,提出河流违法监督相关政策,开展水资源修复等工程; 对于退化草地进行人工修复,加强绿地种植,提高植被覆盖度、丰富度; 进行退化林地修复等工程,并加强林地保护,建造林地保护区。 河流、林地、草地 北部史家寨乡 大沙河葛家台沟河段、鹞子河铁岭口沟河段、铁岭口村林地 河流 西部龙泉关镇、天生桥镇 北流河支流八里庄村河段、北流河支流平石头村河段、北流河支流朱家营河段 河流、草地 中部阜平镇 大沙河城厢村与大元村交界河段、楼房村草地、色岭口村草地 河流 西南部城南庄镇 胭脂河岔河沟河段、胭脂河主流大案底村河段 东部王林口镇 大沙河五丈湾村河段 东北部大台乡、台峪乡 平阳河平房村河段、板峪河柏崖村河段

生态障碍点区域 城镇村及工矿用地、其他用地 西北部吴王口乡、砂窝乡

采用植树造林等手段,增加森林覆盖率,适当进行退耕还林,加强生态环境质量,可结合各乡镇发展情况,适当进行荒山治理与修复、公园绿地建造等工程,同时设禁止建设区,防止建设用地占用 其他用地、耕地 西南部夏庄乡、城南庄镇 其他用地 西部龙泉关镇 其他用地 中部阜平镇 其他用地 北部史家寨乡 其他用地、耕地 东北部大台乡、台峪乡、 其他用地、耕地 东部平阳镇、王林口镇、北果园乡 生态断裂点区域 高速公路 5处高速公路交叉点

人工打造生态廊道,建立“天桥”,在桥下建立涵洞,实行野生动物廊道监测 省道 13处省道交叉点 国道 5处国道交叉点 破碎生态空间 生态用地 - 地形修复,实行异地绿化等人工植树造林工程

3.3.4 破碎生态空间修复 初步源地中生境质量较低的区域,将其作为关键修复区域之一。本研究共得出破碎空间100.20 km²,镶嵌于林地及水域之间,集中分布于城南庄镇、龙泉关镇、阜平镇,分别为16.58 km²,11.76 km²,11.61 km²(图5)。造成低质量生态空间原因较多,主要由建设用地不断扩张、频发地质灾害、道路切割等因素造成,此类区域斑块较为分散,无法进行统一修复,因此应当与各个乡镇具体发展方向相结合,重新配置生态用地。例如,可选择较大的斑块修复其地形,稳步提高其景观连通性; 对于过于分散的斑块,可因时因地,进行植树造林,联合提高各乡镇森林资源,不断扩大各乡镇绿地面积。

图4 待修复生态断裂点

以生态安全格局为基础,综合考虑阻力面、生态廊道、“夹点”等理论基础,得出阜平县生态修复关键区域,见表6所示。研究区“夹点”、断裂点及障碍点区域,存在重合状况,部分断裂点则位于“夹点”之中,障碍点多是位于源地与廊道交汇处,上述3类区域,均是维持生物流在系统中正常循环的重要保障。通过分析3类节点,提出修复策略,可提高阜平县景观连通性,保障生态稳定性。综上,提出以下修复策略:关键点待修复区域主要包含水域、草地、林地,针对水域类型,增强各乡镇水环境整治力度,加强水质目标管理等工作,全方位控制工业污染源,加强管理各乡镇对于污水的收集与处理,及时有效的针对农业面源污染进行整治,营造高质量河流生态环境,开展河流排污口整治、水环境质量检测、水资源修复与保护监测等工程,加大河流两岸河道管理力度,全方位清污截污,修复受损河流区域,提高其生态水平; 针对草地区域,加强退化草地修复,可利用本地特色物种,促进植被演替,提高植被覆盖度; 针对林地,加保护和治理,对于退化林地进行生态修复,提高森林覆盖率,严格禁止因其他商业用途占用林地,尽量保证林地逆转流失等现象的发生愈来愈少,保护和利用森林植被的自然修复能力,为当地全面进行生态文明建设给予保障。针对断裂点区域,可与研究区地形地貌相结合,建造生物通道,并实施监测工作,严格禁止其他用途占用通道、捕杀动物等行为。针对障碍点区域,县域中心镇待修复区域除加强公园绿地的修建,也应针对居民生活垃圾以及日常排放的污水,采取相应工程措施进行治理,提高城镇中心区域生态环境水平; 基本农田保护区以外的耕地,可适当采取退耕还林、退耕还湿等措施,保护区内的,在保障质量不下降前提下,开展农田综合整治项目,促其向生态保育、文化景观等方向发展,促进各地区生态环境质量稳步提升。为保各地区切实落实生态修复的相关政策,且能够及时获取一手信息,可设置长期监管体系,以便及时有效了解进行修复过程中遇到的问题,使其修复方法不断扩充。同时创建生态修复分享与交流平台,树立生态保护意识,切实保证修复区村民的实际利益,不断增强公众生态保护意愿。

图5 待修复破碎空间