基于“重要性—敏感性—景觀特征”的黃土高原生態(tài)屏障帶生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

劉泓君, 牛 騰, 于 強(qiáng), 馬 駿, 楊林哲, 蘇 凱

(1.北京林業(yè)大學(xué) 精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083; 2.廣西大學(xué) 林學(xué)院, 廣西 南寧 530005)

生態(tài)文明建設(shè)在中國已被提升到前所未有的高度，國家建立了不同類型的生態(tài)屏障，實(shí)施了一系列生態(tài)工程，使生態(tài)環(huán)境得到一定的改善[1]。但還存在規(guī)劃整體性和局部環(huán)境復(fù)雜性的問題，怎樣因地制宜針對屏障區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行建設(shè)還需進(jìn)一步科學(xué)探討。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者高度關(guān)注生態(tài)安全問題，生態(tài)安全評價及生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建是生態(tài)安全研究的重要內(nèi)容。生態(tài)安全水平評估的技術(shù)方法體系尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)者們傾向于從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能、生態(tài)敏感性或景觀格局中的一個或幾個角度衡量生態(tài)安全水平，并從中選取幾個代表性指標(biāo)構(gòu)建生態(tài)安全評價體系，研究僅限于生態(tài)安全水平評價、生態(tài)安全與經(jīng)濟(jì)發(fā)展權(quán)衡關(guān)系等研究[2]。20世紀(jì)80年代，歐洲學(xué)者為了解決因景觀破碎化而威脅野生生物生存的問題，提出生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的概念[3]。國內(nèi)，俞孔堅(jiān)[4]在20世紀(jì)90年代最早提出基于“源—阻力面”的景觀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，隨后馬克明等[5]側(cè)重于景觀結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的機(jī)制研究提出區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。目前，“識別源地—構(gòu)建阻力面—提取廊道—構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)”已經(jīng)成為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的基本框架[6]。在研究尺度上，形成了從縣域[7]、市域[8]、流域[9]、省域[10]、城市群[11]、全國[12]等多尺度生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，而缺少生態(tài)屏障帶尺度研究的文獻(xiàn)；在研究方法上，多集中于基于MSPA[13]、生態(tài)紅線劃分[14]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性和生態(tài)敏感性[15]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需[16]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值重構(gòu)[17]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)多情景權(quán)衡[18]構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，但鮮有基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性、生態(tài)敏感性、景觀格局穩(wěn)定性開展生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的研究。為優(yōu)化空間格局，Pascual-Hortal等[19]結(jié)合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論將生態(tài)網(wǎng)絡(luò)抽象為生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)了生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)評價指數(shù)，作為生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的重要理論依據(jù)，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法開始成為生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究中的熱點(diǎn)之一。而在判斷網(wǎng)絡(luò)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響，如何調(diào)整網(wǎng)絡(luò)布局結(jié)構(gòu)以使區(qū)域生態(tài)效益得到更好地發(fā)揮等相關(guān)研究比較少。

黃土高原生態(tài)屏障區(qū)存在農(nóng)牧交錯帶，生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定，容易生態(tài)失衡發(fā)生逆向演替，造成土地退化并加劇水土流失風(fēng)險。自實(shí)施退耕還林政策及水土保持工作以來，生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量改善明顯，但其僅考慮了某一具體空間位置上的土地治理，缺少對生態(tài)斑塊間空間相互聯(lián)系對水土流失影響的考慮。生態(tài)斑塊間的物質(zhì)能量傳遞是增強(qiáng)其抗干擾能力，防治水土流失的關(guān)鍵。本文基于景觀生態(tài)學(xué)原理，圍繞生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，聚焦水土流失等關(guān)鍵生態(tài)問題，結(jié)合景觀格局指數(shù)，構(gòu)建“重要性—敏感性—景觀特征”框架以識別生態(tài)源地；明晰生態(tài)系統(tǒng)受人類活動影響的程度，并依此構(gòu)建生態(tài)阻力面；將破碎的生境有效連接，形成空間完整的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)生態(tài)過程以降低水土流失風(fēng)險，維持區(qū)域生態(tài)安全，強(qiáng)化區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康以及保障生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的充分發(fā)揮。分析生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與土壤保持量的關(guān)系，以期為提升屏障區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供對策與建議。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原生態(tài)屏障區(qū)地處黃河中游丘陵溝壑地帶，位于105.1°—112.21°E，34.01°—38.13°N范圍內(nèi)，總面積約1.17×105km2，該區(qū)域在行政區(qū)劃上涉及甘肅、陜西、山西省及寧夏回族自治區(qū)等10個地區(qū)(市、州、盟)，60個縣。區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)類型主要以農(nóng)田、森林為主(圖1)，植被覆蓋率低，天然次生林和天然草地面積少，主要分布在林區(qū)、土石山區(qū)和高地草原區(qū)；該區(qū)域溝壑梁峁交錯，地形崎嶇復(fù)雜，平均海拔為1 200～1 600 m；境內(nèi)為溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年降雨量在400～800 mm，其中年降雨量在400～600 mm的區(qū)域面積比例為91.2%，降雨多發(fā)生在夏季；地表物質(zhì)主要由黃土狀土或第四系黃土組成，平均厚度50～100 m，所以土質(zhì)疏松，植被稀疏，水土流失嚴(yán)重。該區(qū)域人口聚集度高，人類活動強(qiáng)烈，水資源匱乏，氣候變化敏感，不僅是生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，也是中國重點(diǎn)生態(tài)恢復(fù)工程之一。

1.2 數(shù)據(jù)源

本研究所用的數(shù)據(jù)主要包括地形、植被、土地覆蓋、夜間燈光、氣象、土壤、行政區(qū)劃、交通路網(wǎng)等相關(guān)數(shù)據(jù)(表1)。

注：基于審圖號GS(2020)4632號底圖制作；底圖來自于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)系統(tǒng)http:∥bzdt.ch.mnr.gov.cn/。

表1 研究數(shù)據(jù)列表

2 研究方法

2.1 生態(tài)安全水平的評價

2.1.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評價 本文參考相關(guān)研究[20]，依據(jù)屏障區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況及特征，選取黃土高原生態(tài)屏障區(qū)較為重要的生態(tài)功能，將水源涵養(yǎng)、土壤保持和生物多樣性作為評價指標(biāo)，進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評價。

(1) 水源涵養(yǎng)。指區(qū)域總降水量與蒸散量的差值，森林生態(tài)系統(tǒng)通過對降水的截留、吸收和下滲，對于生態(tài)環(huán)境脆弱、半干旱區(qū)調(diào)節(jié)水循環(huán)，改善水文狀況有重要意義。采用水量平衡方程計算[21]，其主要計算公式如下：

WR=PRE-ET-QF

(1)

式中：WR為水源涵養(yǎng)量； PRE為年降水量； QF為地表徑流； ET為實(shí)際蒸散發(fā)。下同。

年降雨量由日氣象數(shù)據(jù)累積到年尺度上，并利用空間插值方法插值到空間上得到。實(shí)際蒸散發(fā)利用基于Budyko水熱平衡假設(shè)的zhang模型進(jìn)行計算[22]，其主要計算公式如下所示：

(2)

式中：P為降水量(mm);w為某一土地利用類型的用水系數(shù); PET為潛在蒸散發(fā)(mm)。下同。

PET計算公式如下：

(3)

式中：SR為各月月均太陽總輻射(cal/cm2)； DT為各月月均溫度(℃)。

地表徑流采用降水乘以徑流系數(shù)的方法進(jìn)行計算，其中不同的土地利用類型以及坡度對降水響應(yīng)的程度存在差異[23]。

QF=P×α

(4)

式中：α為不同土地利用/覆被類型的地表徑流系數(shù)[24]。如表2所示。

(2) 土壤保持。指潛在土壤侵蝕與實(shí)際侵蝕的差值，即生態(tài)系統(tǒng)通過自身結(jié)構(gòu)和過程的相互作用提供的水土保持的服務(wù)。采用修正土壤流失方程(RUSLE)計算黃土高原生態(tài)屏障區(qū)水土保持量[25]，計算公式如下所示：

Ac=Ap-Ar=R·K·L·S·(1-C·P)

(5)

式中：Ac為土壤保持量〔t/(m2·a)〕;Ap和Ar分別為潛在土壤侵蝕量和實(shí)際土壤侵蝕量〔t/(m2·a)〕;R為降雨侵蝕力因子〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕;K為土壤可蝕性因子〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕;L表示坡長因子;S為坡度因子;C,P分別為地形因子、植被覆蓋因子。

表2 黃土高原地表徑流系數(shù)

(3) 生物多樣性。InVEST模型根據(jù)區(qū)域的土地利用類型以及威脅因子對生境的影響程度評估區(qū)域生境質(zhì)量，來反映生物多樣性[26]。屏障區(qū)內(nèi)天然林草地面積少，但動植物資源較人工林草地多。土壤含水量是影響生物多樣性的顯著因子，且天然林草地土壤水分狀況明顯優(yōu)于人工林草地，結(jié)合不同地區(qū)的土壤水分條件加以區(qū)分，將天然林草地與人工林草地的生境適宜性分別賦值為1，0.5，得到更為精準(zhǔn)的生物多樣性，公式如下：

(6)

式中：Qxj表示j類型土地利用斑塊x的生境質(zhì)量;Hj表示j類型土地利用斑塊x的生境適宜性;Dxj表示j類型土地利用斑塊x受威脅水平;z為常數(shù)值為2.5;k是半飽和常數(shù)值為0.5。

2.1.2 生態(tài)敏感性評價 考慮屏障區(qū)面臨的主要生態(tài)問題，選取水土流失指標(biāo)作為生態(tài)敏感性評價因子。生態(tài)環(huán)境敏感性評價指標(biāo)分級如表3所示。將各項(xiàng)指標(biāo)重分類賦值后按公式(7)計算得到水土流失敏感性[27]。

(7)

式中：A為水土流失敏感性;R為降雨侵蝕力因子;K為土壤可蝕性因子;LS為地形起伏度因子;C為植被覆蓋度因子。

表3 黃土高原生態(tài)環(huán)境敏感性評價指標(biāo)及量化分級

2.1.3 景觀格局指標(biāo)評價 景觀格局決定生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，其穩(wěn)定性受景觀破碎化、景觀連通度的影響。選取景觀破碎度、景觀連通度兩個指標(biāo)進(jìn)行景觀格局穩(wěn)定性評價。

景觀破碎化能反映出自然環(huán)境或人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的干擾程度，破碎度低，景觀穩(wěn)定性越高[28]，計算公式如下：

(8)

式中：N指景觀斑塊總數(shù);A指景觀總面積(m2)。

景觀連通度能夠反映生態(tài)系統(tǒng)中生物、物質(zhì)、基因流、能量等在斑塊間運(yùn)動的難易程度。CONTAG代表景觀中不同斑塊類型的集聚程度或延展趨勢。評價單元的CONTAG值越高，說明景觀連通度越好[29]，計算公式如下：

(9)

式中：Cmax為聚集度指數(shù)的最大值;n為景觀中斑塊類型總數(shù);Pij為斑塊類型i與j相鄰的概率。

2.1.4 生態(tài)安全指數(shù)的計算 本研究使用極值標(biāo)準(zhǔn)化法對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理以消除量級的影響。水源涵養(yǎng)量、水土保持量、生物多樣性、景觀連通度屬于正向指標(biāo)，通過公式(10)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。生態(tài)敏感性、景觀破碎化屬于負(fù)向指標(biāo)，通過公式(11)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。將各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后，按熵權(quán)法得到權(quán)重系數(shù)(表4)，分別疊加得到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性、生態(tài)環(huán)境敏感性、景觀格局穩(wěn)定性。

(10)

(11)

式中：Vij是指標(biāo)j的第i個評價單元的標(biāo)準(zhǔn)值；Xij是指標(biāo)j的第i個評價單元的原始值； max{Xj}是指標(biāo)j的最大值； min{Xj}是指標(biāo)j的最小值。

本研究的生態(tài)安全定義：對于生態(tài)功能重要性、生態(tài)敏感性及穩(wěn)定性的一種綜合性表達(dá)，可用生態(tài)安全指數(shù)(ESI)進(jìn)行量化，以對黃土高原生態(tài)屏障區(qū)的生態(tài)安全水平開展評價，公式如下：

(12)

式中：ESIi為第i個評價單元的生態(tài)安全指數(shù)；ωj代表指標(biāo)j的權(quán)重;Vij是指標(biāo)j的第i個評價單元標(biāo)準(zhǔn)值;m代表指標(biāo)的數(shù)量。

表4 黃土高原生態(tài)安全評價體系指標(biāo)權(quán)重

2.2 生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

2.2.1 源地的提取 生態(tài)源地是指可持續(xù)提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、維持景觀格局穩(wěn)定以及生態(tài)環(huán)境脆弱性低的地區(qū)。通過綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性、生態(tài)敏感性、景觀格局穩(wěn)定性，將三者標(biāo)準(zhǔn)化后疊加構(gòu)建生態(tài)安全指數(shù)，最后采用自然間斷法將生態(tài)安全指數(shù)分為5級，考慮到優(yōu)先保護(hù)生態(tài)安全水平較好且生境質(zhì)量較高的區(qū)域，提取分類后重要和極重要區(qū)作為生態(tài)源地。由于部分面積小的斑塊分布零碎、輻射功能弱，對整體生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)影響較小，本文剔除了面積小、分布零碎的斑塊。

2.2.2 最小累積阻力模型構(gòu)建 景觀生態(tài)流從源流向匯需要克服多種阻力，阻力大小受自然和人為因素的影響。本文將基本生態(tài)阻力系數(shù)設(shè)定為：水域1，林地10，草地20，耕地30，建筑用地50，未利用地80，構(gòu)建基本生態(tài)阻力面[30]。由于“源”向外傳播克服阻力還會受到人類活動干擾，本文基于夜間燈光數(shù)據(jù)對各柵格的阻力系數(shù)進(jìn)行修正，公式如下：

(13)

式中：R′為基于夜間燈光數(shù)據(jù)修正的柵格生態(tài)阻力系數(shù);Ti為柵格i的燈光指數(shù);Ta為柵格i對應(yīng)景觀類型a的平均燈光指數(shù);R為柵格i的景觀類型基本阻力系數(shù)。

2.2.3 生態(tài)廊道及戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)提取 生態(tài)廊道是聯(lián)通相鄰生態(tài)源地間的條狀或帶狀區(qū)域。空間上，生態(tài)廊道是景觀生態(tài)流從“源”流向“匯”時通過阻力面克服最小阻力路線[31]。本文利用MCR模型構(gòu)建出最小累積阻力面提取生態(tài)廊道，公式如下：

(14)

式中：Rmc為最小累積阻力值;f為未知負(fù)函數(shù),表示最小累積阻力與傳播或者擴(kuò)散過程的負(fù)相關(guān)關(guān)系;Dij為從源i到景觀單元j的空間距離;Ri為景觀單元對傳播及擴(kuò)散過程的阻力系數(shù)。

將生態(tài)廊道與對應(yīng)最小累積阻力面“山脊線”的交點(diǎn)的位置確定為生態(tài)薄弱型節(jié)點(diǎn)，生態(tài)源地中心點(diǎn)抽象為生態(tài)源地節(jié)點(diǎn)，共同作為生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)。

2.2.4 復(fù)雜生態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是由區(qū)域內(nèi)生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點(diǎn)兩種景觀格局組成的潛在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。本研究認(rèn)為屏障區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中所有廊道同樣重要且節(jié)點(diǎn)間生態(tài)流呈多向流動，故將其理解為無向無權(quán)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)[32]，本文選取度作為評價節(jié)點(diǎn)重要性的指標(biāo)(表5)，進(jìn)行定量化分析統(tǒng)計，探討其與土壤保持量的關(guān)系，為生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化策略的制定提供理論參考。

表5 黃土高原復(fù)雜生態(tài)網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)特征量

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性、生態(tài)環(huán)境敏感性以及景觀格局穩(wěn)定性

屏障區(qū)內(nèi)不同的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈現(xiàn)較強(qiáng)的空間異質(zhì)性，并對生態(tài)安全有一定影響(圖2)。屏障區(qū)水源涵養(yǎng)量高值區(qū)主要分布在西南六盤山、秦嶺一帶，該地山坡陡峭、谷地深邃狹窄、植被茂盛、水系發(fā)達(dá)且降雨量大、地表蒸散量低，故水源涵養(yǎng)量高；土壤保持高值區(qū)面積占比較小，主要分布在陜西黃陵縣、黃龍縣、宜川縣，該地為黃土梁狀丘陵，地表水系相對發(fā)達(dá)、輸沙強(qiáng)度大，但植被覆蓋度較高，植被根系固土及泥沙截留能力強(qiáng)；黃龍山東側(cè)及子午嶺西側(cè)的區(qū)縣土壤保持服務(wù)較低，且呂梁山西側(cè)水土流失嚴(yán)重，黃土連續(xù)分布；區(qū)域內(nèi)以人工林為主，生物多樣性高值區(qū)主要位于以秦嶺、六盤山、子午嶺主脊東側(cè)關(guān)中平原的天然林及天然次生林中。

圖2 黃土高原生態(tài)屏障帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估結(jié)果

從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性、敏感性、穩(wěn)定性空間格局來看(圖3)，屏障區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)較重要和極重要區(qū)主要集中分布在陜西延安市的黃龍縣、富縣，寶雞市的渭濱區(qū)、太白縣以及山西省的交城縣。生態(tài)環(huán)境高敏感區(qū)面積為41 188 km2，占比為34.52%，基本涵蓋在國家劃分的重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)內(nèi)，主要分布在甘肅省天水市的秦州區(qū)、張家川回族自治縣、慶陽市的鎮(zhèn)原縣、榆林市毛烏素沙漠以及山西省的臨縣、柳林縣。研究表明，生態(tài)敏感高值區(qū)地形陡峭、降雨侵蝕強(qiáng)度高、粉壤土和砂壤土集中分布、植被稀少、粗放耕作、地表千溝萬壑、故嚴(yán)重的土壤侵蝕不僅會導(dǎo)致土地退化，而且同時會給生態(tài)環(huán)境造成破壞，并直接影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能?；谑杏騿卧嬎憔坝^格局指數(shù)結(jié)果顯示，景觀格局穩(wěn)定性差的區(qū)域面積為18 450 km2，僅占15.24%，主要分布在山西太原市、陜西延安市、甘肅慶陽市，這些地方經(jīng)濟(jì)活動強(qiáng)度大，城鎮(zhèn)建設(shè)面積大、斑塊破碎化程度較高。

圖3 黃土高原生態(tài)屏障帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性、生態(tài)環(huán)境敏感性、景觀格局穩(wěn)定性等級分布

3.2 生態(tài)安全評價及源地的提取

本研究通過計算ESI值對黃土高原生態(tài)屏障區(qū)的生態(tài)安全水平開展評價，ESI值越大意味著區(qū)域有著更高的生態(tài)安全水平。將生態(tài)安全較高及高值區(qū)作為生態(tài)源地(圖4)，生態(tài)源地斑塊共97個，總面積為46 245 km2，占屏障區(qū)總面積的38.8%。主要分布在陜西寶雞市的渭濱區(qū)、太白縣、甘肅省天水市清水縣、平?jīng)鍪徐`臺縣，陜西延安市黃龍縣、黃陵縣、山西呂梁市方山縣、文水縣。將國家自然保護(hù)區(qū)與生態(tài)源地疊加，自然保護(hù)區(qū)與生態(tài)源地高度契合，山西省的五鹿山、黑茶山、陜西省太白山、隴縣秦嶺、黃陵國家森林公園、黃龍山原始森林景區(qū)、甘肅省的太統(tǒng)—崆峒山以及寧夏六盤山自然保護(hù)區(qū)都落在生態(tài)源地內(nèi)，證明生態(tài)源地提取結(jié)果較為可靠。

圖4 黃土高原生態(tài)屏障帶生態(tài)安全水平及生態(tài)源地空間分布

3.3 廊道的提取及生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

生態(tài)廊道共125條，共長9 071.40 km，平均長度72.57 km，最長路徑長度526.75 km，最短為12.41 km；廊道空間分異明顯(圖5)：屏障區(qū)西北部生態(tài)斑塊缺失，缺少廊道連通，生態(tài)本底與生態(tài)流通性有待提升加強(qiáng)；中部生態(tài)源地面積廣闊，廊道數(shù)量少；南部廊道呈網(wǎng)狀分布。整體生態(tài)廊道呈樹枝狀從東北向西南衍生。這種分布格局將屏障區(qū)南北方連接成了一個緊密的整體，為生態(tài)流流動提供了有利條件。生態(tài)薄弱型節(jié)點(diǎn)處于生態(tài)廊道中阻力高值區(qū)，是脆弱敏感性的關(guān)鍵地段，研究發(fā)現(xiàn)其恰好處于土壤保持低值區(qū)。應(yīng)對其生態(tài)節(jié)點(diǎn)重點(diǎn)保護(hù)建設(shè)，以提升生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的能量流通。

圖5 黃土高原生態(tài)屏障帶阻力面及生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)分布

3.4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與土壤保持量的關(guān)系

本研究構(gòu)建的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)共提取45個生態(tài)薄弱型節(jié)點(diǎn)，97個生態(tài)源地節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)平均度為2.842 7，其分布如圖6所示。其中，存在度值為0的節(jié)點(diǎn)，即該生態(tài)網(wǎng)絡(luò)不完全相通。度為2的節(jié)點(diǎn)數(shù)量最多，有83個。度最大的值為14，僅有一個節(jié)點(diǎn)。為進(jìn)一步研究網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與土壤保持量的關(guān)系，以研究區(qū)生態(tài)源地節(jié)點(diǎn)的度為x軸，相應(yīng)的土壤保持量為y軸建立散點(diǎn)圖(圖7)，隨著度值的增大，每個度值對應(yīng)的土壤保持量整體有上升的趨勢；在低度值節(jié)點(diǎn)，土壤保持量較小。為了更加清晰地了解趨勢變化，將度值與對應(yīng)的土壤保持量最大值和最小值分別進(jìn)行趨勢線的擬合(圖8)。度與其對應(yīng)的土壤保持量最大值與最小值的線性擬合R2均達(dá)到0.6以上，反映出度與相應(yīng)土壤保持量間的正相關(guān)趨勢，即節(jié)點(diǎn)的度越大，對應(yīng)的土壤保持量最大值也越大。生態(tài)建設(shè)中，可考慮提升源地節(jié)點(diǎn)的度，合理增添廊道，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淦胶?，提升網(wǎng)絡(luò)整體性能。

圖6 黃土高原復(fù)雜生態(tài)網(wǎng)絡(luò)度分布

圖7 黃土高原生態(tài)屏障帶生態(tài)空間度與土壤保持量散點(diǎn)

4 討論與結(jié)論

4.1 結(jié) 論

(1) 屏障區(qū)各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分異明顯。生物多樣性呈現(xiàn)東高西低的空間分布格局，高值區(qū)位于中部及呂梁山脈一帶。呂梁山脈西側(cè)—黃龍山東側(cè)及子午嶺西側(cè)的區(qū)縣土壤保持量低，屏障區(qū)西南方水源涵養(yǎng)量相對較高;生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)主要分布在地形陡峭、土壤侵蝕大的西部地區(qū);屏障區(qū)整體景觀格局穩(wěn)定性較高。

(2) 屏障區(qū)生態(tài)源地面積共計46 245 km2，占區(qū)域總面積的38.8%。主要分布在陜西省寶雞市渭濱區(qū)及黃龍縣、甘肅省清水縣、山西省方山縣等生態(tài)安全高值區(qū)。生態(tài)廊道共125條，呈樹枝狀從東北向西南延伸，保障了源地間物質(zhì)、能量流動的暢通。生態(tài)節(jié)點(diǎn)共142個，薄弱型節(jié)點(diǎn)主要分布在西部生態(tài)環(huán)境較脆弱的地區(qū)。

(3) 研究發(fā)現(xiàn)生態(tài)源地節(jié)點(diǎn)度與土壤保持量呈正相關(guān)關(guān)系。證明生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有相關(guān)性。生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)在后續(xù)優(yōu)化方案的制定上，可通過調(diào)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

4.2 討 論

(1) 針對屏障區(qū)生態(tài)脆弱問題，基于格局與過程相互作用原理，構(gòu)建生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)，連接破碎生境斑塊以促進(jìn)生態(tài)流流動，形成 “點(diǎn)—線—面”多層次、高效率的生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，降低水土流失風(fēng)險，維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全。從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)角度，探究網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與土壤保持量的關(guān)系，以提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)供給提出相關(guān)建議，為管理者制定生態(tài)保護(hù)策略提供科學(xué)依據(jù)。

(2) 屏障區(qū)內(nèi)生態(tài)斑塊及廊道在東西部分異大。東部源地大面積集中分布，是區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要區(qū)，針對該地應(yīng)以縣域?yàn)閱挝粚⑵湓O(shè)為禁止開發(fā)區(qū)，嚴(yán)格保護(hù)天然植被，改善森林結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化造林治理，鞏固提高水源涵養(yǎng)以降低長江、黃河中下游水土流失。并適當(dāng)增添廊道提升源地型節(jié)點(diǎn)度值，鞏固區(qū)域內(nèi)水土保持功能并促進(jìn)源地間能量流通，使該區(qū)土壤保持服務(wù)發(fā)揮更大生態(tài)效益。針對生態(tài)薄弱型節(jié)點(diǎn)，應(yīng)因地制宜制定嚴(yán)格耕作措施，加大退耕還林的力度，在不適宜種樹的區(qū)域?qū)嵭写驂斡俚氐裙こ檀胧刂破渌亮魇栴}。同時，加大對生態(tài)廊道綠化建設(shè)，保護(hù)野生動物遷徙，維護(hù)生物多樣性。

(3) 相較于以往研究僅局限于對林草地、森林公園、自然保護(hù)區(qū)的簡單提取，本文將生態(tài)安全水平高值區(qū)作為源地，不僅具有高生態(tài)價值，還具有較好的連通性，且與自然保護(hù)區(qū)高度重合，提高了源地識別的全面性和準(zhǔn)確性。目前，傳統(tǒng)的景觀格局分析方法無法量化源地斑塊之間的關(guān)系，源地之間的聯(lián)系與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系并未被探明，而復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論在大尺度下定量研究生態(tài)網(wǎng)絡(luò)特征上提供了新視角。

(4) 基于“重要性—敏感性—景觀特征”的生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，明晰了黃土高原屏障區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況，準(zhǔn)確客觀地辨識屏障區(qū)需進(jìn)行嚴(yán)格生態(tài)保護(hù)的國土空間，即保護(hù)生態(tài)意義重大，并且景觀穩(wěn)定的生態(tài)斑塊。8個自然保護(hù)區(qū)都落在該框架提取的生態(tài)源地內(nèi)，且源地生態(tài)節(jié)點(diǎn)與土壤保持呈正相關(guān)關(guān)系，證明了該框架表征生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)的合理性。另外，黃土高原肩負(fù)著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重任，應(yīng)進(jìn)一步基于長時間序列分析生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)與經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展間的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系，并對未來最優(yōu)生態(tài)安全演化格局進(jìn)行預(yù)測，針對研究區(qū)提出差異化的可持續(xù)發(fā)展策略，并給其他生態(tài)屏障區(qū)的建設(shè)提供借鑒與參考。