山东省生态安全格局识别及优化策略研究

吴 可,李寒冰,韩 博

(1.山东省林业监测规划院,济南 250014；2.南京大学,南京 210023)

生态安全格局是指对维护生态过程的健康和安全具有关键意义的生态元素、空间位置和联系,包括连续完整的山水格局、湿地系统、河流水系的自然形态、绿道体系,以及已经建立的防护林体系等,它是一个多层次的、连续完整的网络[1]。生态安全格局被视为水源涵养、洪水调蓄、生物栖息地网络等维护自然生态过程的永久性地域生态空间和生态资源,用来保护区域生态安全,定义区域国土空间保护发展格局[2-3]。

生态安全格局是我国国土空间开发战略格局的重要组成部分。构建生态安全格局,是主动协调经济发展与生态环境保护的空间冲突,实现区域可持续发展的有效措施[4]。本文依据构建生态元素所具有的生态评估因子特征,对山东省和区域生态安全影响较大的生态空间和生态资源进行选取,就关键生态用地予以识别[5]。最终确认的生态源地、生态廊道和生态节点共同构成了区域生态安全格局框架。通过控制和调配这些关键资源和空间,可以达到对生态系统保护与恢复目的,维护其生物多样性[6],从而有效保障全省和区域生态安全。随着山东省城镇化和工业化快速推进,国土开发强度不断加大,生态空间不断受到城镇空间和耕地开发的挤占,生态用地面积不断减少；现有森林生态系统质量不高,破碎化严重,森林生态服务功能较低；全省水土流失和沙化问题仍然存在,保护与治理任务依然艰巨。亟需对全省生态安全格局进行认别,对重要生态区域开展生态保护修复,以优化国土空间结构和布局,实现山东省国土空间的可持续发展。

1 研究区概况

山东省地处我国东部沿海、黄河下游。境内东部缓丘起伏,中部山地连绵,西南、西北低洼平坦。总的地势特征是中部高,四周低,地形种类多样,大体可分为平原、台地、丘陵、山地等基本地貌类型。根据山东省2018年森林资源动态监测数据,全省土地总面积15.79万km2,森林面积约2.88万km2,森林覆盖率18.24%,低于全国平均水平(22.96%)。森林资源总量较大的县域主要分布在山东中部、胶东半岛地区、南四湖东侧地区。森林质量较优区域主要集中在山东省东北、东南片区。平原地区森林的分布较为分散。根据山东省第二次湿地普查数据,全省湿地总面积1.74万km2,占全省国土面积的11.02%。主要集中在滨州市、东营市、济宁市、青岛市、威海市、潍坊市、烟台市等7市,是湿地类型、规模居多的区域。

山东省生态资源禀赋较差,与生态密切相关的森林、水资源等十分匮乏。森林和湿地人均占有量大大低于全国平均水平,均列全国20位以后,生产力布局与生态资源可持续发展不相适应的矛盾十分突出。人多林少水缺、生态资源质量不高、破坏较重,综合治理形势严峻[7]。

2 研究方法

2.1 数据来源

数据来源于2018年山东省森林资源动态监测数据、山东省第二次湿地调查数据、各类自然保护地数据、2018年生态红线划定数据。另从中科院资源环境科学数据中心、美国国家海洋和大气管理局官网(http://www.noaa.gov/)地理空间数据云、中国气象局气象数据中心、中国土壤数据库等收集降水量、蒸发量、植物可利用水等数据和地面高程数据作为产水量计算因子；收集NPP净初级生产力数据、有机质含量数据、土地利用类型数据、土壤最大根系埋深数据作为固碳量计算因子。

2.2 生态源地的识别与评价

生态源地是指提供重要生态系统服务的斑块。针对区域典型生态系统,定量评估生态系统服务的供给能力,识别生态系统服务供给的重要区域,可以作为源地识别的有效方法[8]。

1) 提取重要生态功能区。通过选择数据的产水量、土壤保持量、生境质量、固碳量等指标表征及森林和湿地数据分析,对山东省水土保持、水源涵养和生物多样性保护及气候调节功能等重要生态功能区进行分析提取。

2) 融合重要生态功能区、自然保护地和生态保护红线。基于ArcGIS平台,采用Dissolve工具,将重要生态功能区、自然保护地、生态保护红线矢量数据进行空间融合。使用Multipart to single part工具将融合后的图层分解为空间上不相连的图斑。计算各图斑的面积,按照自然断点法对图斑面积进行分级。根据图斑面积分级结果,筛选面积大小为最高的两级且将位于陆域范围内的图斑作为生态源地。并按照面积大小可以将生态源地划分为五级(一级生态源地面积最小,五级生态源地面积最大)。

3) 分析评价生态源地。生态源地的用地类型、数量、结构决定了生态源地的功能。生态源地内生态用地面积比例越大、空间越集聚,越能发挥生态源地的生态规模效应[9]。以小流域为评价单元,分析各小流域内生态源地中生态用地的规模和空间集聚性,以此为依据计算生态源地规模提升潜力和格局优化潜力。

2.3 生态廊道的布局与优化

1) 生态廊道是区域内源地斑块间物质流与能量流的连通载体,可以为物种迁徙提供重要通道。通过建立最小阻力模型,分析各区域不同生态源地间形成生态廊道的最小耗费距离[8],从而生成省域尺度的生态廊道格局。选择夜间灯光修正的土地利用类型、坡度、交通线三类因素作为生态阻力。将各类土地利用类型对物种迁移的基本生态阻力系数设定为:林地1,草地-30,耕地50,水面滩涂80,河流100,未利用地150,海洋200,建设用地500,构建基本生态阻力面。

2) 基于ArcGIS平台Linkage工具,以生态源地及生态阻力为输入数据,可以得到生态廊道计算结果。根据生态廊道所连接生态源地的等级可以将连接一、二、三级生态源地的生态廊道确定为一级生态廊道,将连接四、五级源地的生态廊道确定为二级生态廊道。

3) 以小流域为评价单元,通过分析单元内生态廊道密度评价不同单元生态廊道的重要性,以此为依据得到山东省生态廊道优化重点区域。

2.4 生态节点和障碍点分析

1) 基于ArcGIS平台Network analysis工具,分析山东省各生态廊道相交状况,从而确定生态节点。以生态节点拥有生态廊道的数量、等级为依据确定生态节点的等级。

2) 基于ArcGIS平台Intersect工具,分析生态廊道与县级以上道路交汇情况,提取生态障碍点。综合分析山东省各小流域单元不同等级生态节点密度及生态障碍点密度,选取生态节点及障碍点密度较高区域作为生态节点保护修复重点区域。

3 结果与分析

3.1 生态安全格局识别

1) 重要的生态源地。山东省共有生态源地图斑59块,总面积50 918.21 km2,占全省陆域面积的32.25%。平均每个生态源地图斑面积为863.02 km2,最大的生态源地图斑面积为鲁中南山区生态源地图斑,面积为13 100.78 km2。各级生态源地斑块数量分别为28，17，8，4，2块,但生态源地等级越高,总面积越大。五级生态源地分别为鲁中南山区生态源地及胶东半岛生态源地；四级生态源地包括黄河三角洲生态源地、南四湖生态源地等。各级生态源地主要分布区域如表1所示。

按小流域为分析单元,统计各小流域的生态源地面积与生态源地面积占小流域面积比。分析可知,生态源地面积较大的小流域位于胶东半岛、南四湖区域、鲁西平原等地。而生态源地面积占比较大的区域主要是鲁中南山区和胶东半岛地区。各级生态源地面积占比如图1所示。

表1 各级生态源地主要分布区域

图1 各级生态源地面积占比

全省生态源地呈现“两区、多点”的分布格局,“两区”分别指鲁中南山地生态功能区和胶东半岛生态功能区,主要生态功能为水土保持、生物多样性维护和水源涵养；“多点”指以各类禁止开发区域和其他自然保护地为主的点状分布的生态区域[10]。生态源地是全省生态建设的核心载体,在保护生物物种、保存自然遗迹、改善生态环境和维护区域生态安全等方面起着非常重要的作用,应加大生态源地的保护与修复力度。

2) 主要生态廊道。山东省生态廊道总共有284条,总长度为1.02万km。主要依托黄河、徒骇河、沂河、小清河、大汶河、漳卫河、马颊河等流域面积1 000km2及以上河流生态带。全省一级生态廊道主要分布于胶东半岛区域,连接胶东半岛山地丘陵生态源地及日照、临沂沿海生态源地；二级生态廊道集中分布于鲁西和鲁北平原,主要连通鲁中南山区与黄河三角洲生态源地、南四湖片区生态源地以及河北省境内生态源地。其中,潍坊、日照境内一、二级生态廊道交叉密集分布,是生态连通的重要区域。通过数据变化分析,目前山东省内质量比较好的生态廊道宽度依然较小,现有的生态廊道极易受外界因素的干扰而导致生态功能削弱或阻断。

3) 生态节点与障碍点。山东省生态节点共350个,其中,一级生态节点共204个,二级生态节点共28个,三级生态节点共108个,四级生态节点共10个。生态节点主要分布在鲁北平原、胶东半岛东部沿海一线、鲁西南片区等区域,与生态障碍点分布高度重合,表明重合区域作为生态交汇重要区域,同时面临着生态阻隔的胁迫。生态节点是生态廊道最脆弱区域,应加强该区域的生态保护和修复,对于区域生态系统结构和功能完整性具有重要作用[4,9]。各级生态节点主要分布区域如表2所示。

3.2 生态安全格局优化

1) 生态源地提升区域。山东省生态源地规模提升潜力较高和高的区域主要位于鲁北平原、胶东半岛地区,规模提升潜力较低和低的区域主要位于黄河三角洲区域、鲁西平原和鲁南地区。山东省生态源地格局优化潜力较高和高的区域主要位于鲁西平原、鲁北平原及胶东半岛地区北部沿海地区,生态源地格局优化潜力较低和低的区域主要位于鲁中南山地区、黄河三角洲地区、南四湖区域及胶东半岛东部沿海地区。

表2 各级生态节点主要分布区域

按照生态源地规模提升及格局优化潜力分级结果,选择潜力等级较高与高的区域作为生态源地功能提升的重点区域。结果显示山东省生态源地规模提升一级重点区域主要位于滨州、德州、东营、泰安、济宁等市；生态源地规模提升二级重点区域主要位于潍坊、青岛、日照、菏泽等市。山东省生态源地格局优化一级重点区域主要包括潍坊、青岛、烟台、滨州、东营、德州等市,格局优化二级重点区域主要包括烟台、青岛、淄博、滨州、菏泽等市。

2) 生态廊道格局优化区域。山东省生态廊道优化的重点区域主要分布于胶东半岛生态源地片区与鲁中南山地区中间地带、胶东半岛南部沿海地区等,包括青岛、潍坊、日照、临沂等市。其中二级重点区主要位于潍坊青岛交界、临沂、日照等市。

3) 生态节点保护修复区域。山东省生态节点建设一级重点区域主要位于鲁北平原部分地区、南四湖区域、临沂、青岛、潍坊、日照等区域；生态节点建设二级重点区域主要位于青岛、潍坊、临沂等市。

4 结论与讨论

4.1 结论

1) 生态安全格局识别与优化是协调经济发展与生态环境保护的空间冲突,实现区域可持续发展的有效措施,是当前国土空间规划工作的重要内容。本文以山东省为研究区,基于ArcGIS平台相关空间分析方法,构建了包括生态源地、廊道、节点的生态安全格局。结果表明:山东省生态源占全省陆域面积的32.25%,包含生态源地图斑59块,主要集中分布在鲁中南山地、胶东半岛、南四湖和黄河三角洲区域；生态廊道总长度1.02万km,主要依托流域面积1 000km2及以上河流生态带。目前山东省内质量比较好的生态廊道宽度依然较小,现有的生态廊道极易受外界因素的干扰而导致生态功能削弱或阻断；生态节点350个,主要分布在鲁北平原、胶东半岛东部沿海一线、鲁西南片区等区域,与生态障碍点分布高度重合,表明重合区域作为生态交汇重要区域,同时面临着生态阻隔的胁迫。

2) 在小流域尺度对生态安全格局进行评价与优化,结果表明:山东省生态源地规模提升潜力较高和高的区域主要位于鲁北平原、胶东半岛地区；生态廊道优化的重点区域主要分布于胶东半岛生态源地片区与鲁中南山地区中间地带、胶东半岛南部沿海地区；生态节点建设重点区域主要位于鲁北平原部分地区、南四湖区域、临沂、青岛、潍坊、日照等区域。生态源地规模提升、生态廊道优化和生态节点建设的重点区域也是国土空间规划中平衡生态用地、界定生态空间值得关注的区域,如何加强此区域生态建设,优化生态用地布局,将是国土综合整治与生态保护修复需要解决的内容。

4.2 讨论

1) 加大生态源地保护与修复力度。生态源地作为生态建设的核心载体,应遵循“生态优先、严格保护”的原则,优化整合现有各类生态源地,构建新型保护地体系,编制保护地规划,建设统一、规范、高效的管理体制,实现生态源地依法有效保护。对现有各类生态源地开展综合评价、梳理和归类,按照山水林田湖草综合治理理念,分区分类开展受损生态系统修复。一是以泰山山水林田湖生态保护修复工程国家试点为契机,积极推进区域生态系统保护与修复,增强鲁中南山地水土保持、水源涵养和生态服务保障功能；二是完善各类自然保护区的建设与管理,重要水域及湿地的生态修复,保持各生态源地和节点之间的生态连通,维护和提高胶东丘陵生物多样性及生态系统的完整性；三是实施退化湿地生态保护与恢复专项行动计划,逐步健全退化湿地修复和保护机制,强化南四湖等湖泊生态系统功能；四积极实施黄河三角洲国际重要湿地保护与恢复工程、湿地生态多样性工程,改善区域湿地生态环境,提高黄河三角洲生物多样性维护功能。

2) 加强生态廊道保护与综合整治。生态廊道主要分布在河流、湖泊、山谷等地,能够有效地串联河流、湖泊、水库和湿地等水体。对于经识别和评估纳入生态保护红线的重要生态廊道,严格按照红线的有关要求进行管理；对于生态保护红线外的生态廊道,要加强保护和修复,充分发挥生态廊道的作用。要重视河道缓冲区和湿地环境建设,对重点河道周边按照适地适树的原则,选择珍贵乡土树种、水生植物进行生态护坡和河岸绿化,按照乔、灌、花、草复合立体种植模式,营建滨河森林生态廊道。适当增挖必要的沟渠,提高区域生态廊道的连通性、完整性和系统性,增强洪水调蓄能力[11]。一是结合黄河滩区迁建,开展滩区生态治理与修复,完善黄河生态廊道建设；二是采取工程与生物措施相结合、人工治理与自然修复相结合的方式,加强重要饮用水水源及南水北调等重点流域水环境综合治理；三是积极推动小流域生态廊道综合整治,构建水土流失综合防治体系。

3) 积极推进生态节点与障碍点修复。生态节点与障碍点主要分布在平原区域,且二者分布高度重合。平原区域是山东省粮食主产区,耕地保护压力大,如何平衡耕地保护与生态建设,是国土空间规划及国土综合整治修复面临的重要课题。建议:一是按照《山东省绿道建设技术指引》,遵循“生态优先、因地制宜、适地适树、地域特色”的原则,积极开展郊野绿道建设,尽可能扩大其绿化范围及植被盖度,减少或消除生态障碍点,增强物种运动的连通性；二是实施全域国土综合整治与生态修复,优化生态用地布局,建设城乡生态节点,完善其生态系统服务功能,全面提升国土空间质量,构建山东省稳定的生态安全格局。