风景区生态安全格局构建方法研究_以北京妙峰山风景区为例

第25卷第3期2008年5月

干旱区研究

AR ID ZON E RESE AR C H

V o.l25No.3

M ay2008

文章编号:1001-4675(2008)03-0420-06

风景区生态安全格局构建方法研究

)))以北京妙峰山风景区为例*

张玉虎1,2,于长青2,塔西甫拉提#特依拜1,张自力3 (1新疆大学资源与环境科学学院,新疆乌鲁木齐830046;2清华大学生态保护研究中心,北京100084;

3北京大学遥感与地理信息系统研究所,北京100871)

摘要:景观中某些关键性点、位置的破坏对整个生态安全具有负面的后果,研究构建景观层次的生态安全格局已成为当前景观生态学研究的热点。以北京妙峰山风景区为例,运用景观生态安全格局理论,借助有效费用距离模型(ECDM),究构建了妙峰山景区生态安全格局过程。结果表明:应用有效费用距离模型(EC M D)建立的研究区景观生态安全格局能够反映该区的实际情况,整个风景区面积处于低安全区有21.46k m2,中度安全区有21.78 k m2,高安全区有6.72k m2。同时,根据生态安全格局图与实际风景区内的人为干扰因子叠加,找到主要的胁迫因素,得出应将风景区内的采石矿点作为关键战略点优先实施生态恢复与治理的对策。

关键词:有效费用;距离模型;生态安全;恢复对策;妙峰山;北京

中图分类号:X171.1文献标识码:A

北京妙峰山风景区属山地型旅游景区,近年来在山地旅游开发过程中,对自然生态和野生生物保护造成了严重影响,不科学的开发行为广泛存在,山地景区出现大广场、宽道路,有些因开路建房导致大面积开山、毁林,尤其以采矿为主的干扰,破坏风景区自然生态系统的结构与功能,导致景观破碎化、连接度降低,生物多样性减少,严重影响到当地旅游业的健康持续发展。构建区域景观生态安全格局,认识和保护日益衰退的风景保护区生态系统是当务之急,景观生态安全格局理论为此提供了帮助。景观中局部、点及位置对维护和控制某种生态过程有着重要意义,且构成了景观生态安全格局(landscape eco l o g ical sec urity pattern,SP)11-22。利用生态安全格局方法去建立整体性的生态基础设施是风景区保护规划的核心,决定着风景区的景观资源保护、旅游业可持续发展等一系列问题的解决13-52。典型的生态安全格局包括源(source)、缓冲区(buffer zone)、源间联接(inter-source linkage)、辐射道(rad i a ti o n rou tes)与战略点(strateg ic po ints)5个部分122,而有效费用距离模型(effecti v e cost distance m odel)162,即最小费用距离模型12,72是建立景观生态安全格局的重要基础,根据此模型建立有效距离阻力面,然后,根据阻力面来判别建立生态安全格局。有效距离模型是指从/源0穿过不同阻力的景观要素所花费的费用182或者克服障碍需要的最小阻力功192,它是可达性110-112(也称可接近性)的一种度量。还可以用最小累积阻力(m ini m um cu m u lative resistance, MCR)12,72等概念来表示。它与欧式距离(Euc li d ean d istance)的最大区别是它代表抽象的距离概念,表示从/源0到最近目标的累积费用距离,也就是物种在移动与扩散过程中,穿过不同景观要素或土地利用/覆盖类型所要克服阻力做的功的大小。这个模型工具最初起源于理论地理学,在土地与物种管理保护项目中逐渐得到大多数研究者的应用162。国外学者在这方面作了大量研究,大多从特定物种保护角度利用此模型进行了物种移动与栖息地或生境破碎化导致连接度丧失方面进行了研究。尤其是濒危和旗舰物种的研究应用。随着研究的深入与实践,不可能单独考虑一个物种,最终目的是既要考虑目标物种本身,还要考虑它所在的生态系统及有关生态过程,既要重视保护区,还要重视保护区与周围环境的关系,即问题(物种的稀有或濒危)发生在一个层次(种群),而问题的解决(保护和管理)需要在更高层次(整个景观上)。因此,生物保护战略

*收稿日期:2007-06-04;修订日期:2007-06-12

基金项目:北京市科委重点项目(D0605046040191-102)

作者简介:张玉虎(1975-),男,江苏徐州人,博士研究生,主要从事景观生态、恢复生态学及RS/G IS技术应用研究.E-m ai:l Zh ang_ Yuhu@163.co m

通讯作者:于长青.E-m ai:l cqyu@m ai.l ts i https://www.wendangku.net/doc/0516344459.html,

应从单纯的目标物种途径扩展到区域景观途径

14,122

。所以,建立综合的区域安全生态格局是十分必要的。

本文以景观生态安全格局理论为基础,以有效费用距离模型为基本方法,在基本理论的基础上进行延伸,同时,考虑研究区内的各种人工干扰作为一种对自然景观的干扰和侵入过程,自然保护(对栖息地核心区和廊道的保护)与人为干扰(采矿开山、城镇建设及农业垦殖等对自然景观的占领)之间存在空间博弈

1132

。构建全面、包容的景观保护格局,

最大程度地保护生物多样性的北京妙峰山风景区。

1 研究区域

妙峰山风景区位于北京门头沟区,地理坐标115b 25c ~126b 10c E ,39b 48c ~40b 10c N (图1)。风景区面积约50km 2

,景区山体为中生代晚侏罗系火山岩构成,属过渡性的山涧盆地碎片及泥质沉积,土壤以棕壤为主。气候属暖温带大陆性半湿润季风气候,植被以暖温带阔叶林为主,全年降雨量主要集中在6~8月份,平均降雨量为600~700mm,7月平均气温22e ,1月平均气温为-10e 。永定河穿越风景区南部。

2 研究方法

2.1 最小(有效)费用距离模型计算

景观阻力根据最小累积阻力模型(m ini m um cu -m ulati v e resistance ,MCR )来建立阻力面,综合考虑源、距离和景观基面因素11-22

。这一公式根据

Knaapen 等

172

的模型和地理信息系统中常用的费用

距离(cost d iatance)获得1142

。

MCR =f m in E i =m

i =n

(D ij @R i )式中:f 是某未知的正函数,反映空间中任一点的最小阻力与其所穿越的某景观的基面i 的空间距离和景观基面特征的正相关关系;D ij 是从源j 到空间某一点所穿越的某景观基面i 的空间距离;R i 是景观i 对某运动的阻力。其中,从所有源到该点阻力的最大值被用来衡量该点的易达性。因此,阻力面反映了自然生态运动的潜在可能性及趋势。

2.1.1 /源0的界定 /源0是指一个过程的源头,

是那些能促进生态过程发展的景观类型;对于生物多样性保护来说,能为目标物种提供栖息环境、满足种群生存基本条件,以及利于物种向外扩散的资源

斑块,可以称为/源0景观

16,82

。在确定/源0的过程

中,主要是根据研究区的实际景观生态特征,通常的作法是针对两栖类、爬行类、哺乳类受栖息地丧失和

破碎化影响明显的特点,选择河流廊道、连片针叶林及落叶阔叶林等作为野生动物的重要栖息地,即景观生态安全格局的源

1152

。由于研究区为山区风景

区,河流水系是该区生态源的重要组成部分。多种鸟类和其他水生生物栖息于水中和两岸植被,说明永定河水域和两岸植被带发挥着生物栖息地和廊道的作用。研究区境内植被属暖温带落叶阔叶林类型1162

,已无原始森林,仅在部分深山区残存天然次生林。鉴于该区以山地为主、相对海拔较高,且远离集镇和农耕地集中分布的地带,选择了一些较大面积的现存林地斑块作为景观生态保护的/源地0。2.1.2 景观要素阻力层的确定 在妙峰山风景区,地形和地表覆盖类型是影响景观分异变化的重要因子之一,同时,径流对于植被生长状况以及泥石流等灾害的发生也起着决定性作用

13,172

。因此,选择景

观要素类型、海拔、坡度和径流为阻力因子。

表1 研究区景观要素阻力值

Tab .1 Th e relati ve resistance va l ues of the

l and scape factors i n the study area

阻力因子

重要性

系数/%

阻力等级

相对

阻力值地表覆盖

类型

40

1河流湿地、水域、针叶阔叶林

12灌木林、高覆盖度草153灌草、低覆盖度草204山区耕地、旱地305居民区、裸岩地406采石矿场507

交通道路70坡度

30

10b ~10b 0210b ~20b 5320b ~30b 10430b ~40b 20440b ~60b 406

>60b

80

地表径流

30

根据径流等级值在(0~100范围内变化)

数据来源于1B 10000研究区矢量图(等高线、土地利用、水系、河流、植被类型),2005年5月7日TM 遥感影像。

2.1.3 景观要素阻力值的确定 景观阻力就是指物种在穿越景观要素或土地利用类型时的难易程度,物种在不适宜生境移动时要克服较高的阻力值。在实践中获取不同物种穿越不同景观要素的绝对阻力值是十分困难的

1182

。多数国外学者在阻力值的

421

3期 张玉虎等:风景区生态安全格局构建方法研究)))以北京妙峰山风景区为例

图1 北京妙峰山风景区地理位置F i g .1 G eograph ical l oca tion o f the scenic area

i n the M iaofeng M ounta i n ,Be iji ng

界定方面做了较多讨论,Knaapen 172

认为,阻力值的确定要根据已有经验积累与物种的行为特性等为基

础,给定一个合理的相对值,设定相对值的目的是反映不同阻力因子的差异性是最重要的。本文对景观阻力值的设定是根据大量的文献成果与专家判断为基础。鉴于本文是基于区域景观途径的安全格局构建,所以,阻力值的赋予是通盘考虑的,以全面体现人工干扰对自然景观的干扰程度,即不同景观要素具有不同的阻力值(费用)。2.2 生态安全格局构建的计算过程

最小费用距离的计算是生态安全格局建立的基础,根据ARC /G I S 的空间分析(spatial analysis)功

能,利用费用距离(costdistance)模块,计算地表覆盖类型、坡度与地表径流3个阻力因子的阻力面(图2),根据因子比重进行叠加,得到综合生态阻力面,利用已界定的斑块/源0,计算综合最小费用距离图(阻力面)

。

图2 3个阻力因子(a .地表覆盖类型;b .坡度;c .地表径流)阻力面

F i g.2 M ini m u m cumu l a tive resistance surfaces of t he t hree fac t o rs (a .L and cover ;b .S l ope ;c .Surface runo ff)

图3 最小累积阻力图层(a)和研究区生态安全格局图(b)F ig .3 M i ni m u m cu mu lati ve resistance (a)and t he eco l og ica l

security patte rn (b)of the study area

2.3 研究结果

根据以上计算得到综合最小累积阻力图,然后建立判别生态安全格局图。图3(a)是根据标准方差分类(间隔为1/2)得到的研究区9类最小累积阻力图层。表2为最小累积的标准方差分类,共计9类,每类之间的间隔为1/2方差。表2详细说明了1/2标准方差分类类别阻力(费用)值与栅格数之间的对应关系。已有的研究

119-202

大部分是以划分不

同等级生态安全程度来分析比较研究区安全状态的,为了说明研究区的整体生态安全情况,把划分的9类归并为高、中、低安全等级。图3(b)是标准方

差分类类别合并后,与水系建立的生态安全格局图,从图3(b)可以看出,风景区整体安全格局不完整,分布不均衡,生态安全总体处于低安全水平。统计

422

干 旱 区 研 究 25卷

高、中、低安全栅格数(像元)面积,得到整个风景区面积处于低安全区有21.46km2,中度安全区有21.78km2,高安全区有6.72km2,分别占42.95%,43.59%,13.45%,可以看出,整个风景区处于极度不安全状态。许多/源0之间缺少源间联结,辐射道几乎不存在,风景区生态安全格局十分脆弱。

表2研究区安全等级阻力面标准方差分类(1/2方差间隔)表

Tab.2S ecur ity ranks based on the standard devi ation of the m i n i m u m cumu lati ve resistance surfaces

in the study area(1/2variance i n terval)

安全等级类别定义像元值方差区间像元个数低A1安全缓冲区10~374

A3安全缓冲区32142~3907m ean-0.75std~m ean-0.25std9015中A4安全外围区13908~5674m ean-0.25std~m ean+0.25std2794 A5安全外围区25675~7441m ean+0.25std~m ean+0.75std9858

A6安全外围区37442~9207m ean+0.75std~m ean+1.25std2768

A7安全外围区49208~10974m ean+1.25std~m ean+1.75std7058高A8安全核心区110975~12741m ean+1.75std~m ean+2.25std4679 A9安全核心区212742~35887>m ean+2.25std4119注:m ean表示累积阻力值平均数;std表示标准差。

为了找出造成风景区生态安全格局低下的主要胁迫因子,进一步将生态安全格局图与采矿点分布图叠加1图3(b)2,发现绝大多数采石矿点处于作为源间联结的径流廊道上,采石矿场所处部位由于割断了最为关键的生态廊道,对生态过程的连续性具有重要影响。因而对它们首先实施生态恢复对于构建整体性风景区生态安全格局具有高效优势和战略性意义。根据采石场破坏程度,分别进行生态恢复规划,按照采矿地从低到高安全水平等级区域逐步实施恢复治理。

3结论

研究构建的景观生态安全格局反映了全面、包容的景观保护格局以最大程度地保护生物多样性的北京妙峰山风景区的一种人为界定,探讨了E MD模型应用于景观生态安全格局构建的可行性,从/源0和阻力层的选定、阻力值的赋予。该方法和操作框架可以推广到相关研究区中,同时,方法的应用为其他区域进行景观尺度的生态恢复与保护规划提供理论与实践帮助。

(1)景观生态安全格局定量方法探讨。详细探讨了应用有效距离模型(E MD)进行景观生态安全格局构建的过程,将生物和景观等综合因素(地形、水系)融入到有效距离模型中,提出了利用有效距离模型(E MD)进行区域景观安全格局建立的可行性和操作方法。

(2)阻力值的界定。最小费用距离模型中阻力值的正确赋予是计算结果合理性的前提。不同景观类型对物种移动的阻力影响了物种对生境的不同选择,本文选取海拔、坡度、水系、地表覆盖类型,通过对阻力层的分类,赋予了相对的阻力值。阻力值的大小主要是根据已有文献与专家经验,可以相对客观地反映景观类型的综合阻力大小,目的是为了定量化研究。

(3)针对安全格局的生态恢复规划。景观生态安全格局图建立后,与实际风景区内的人为干扰(地表覆盖类型)叠加,找到研究区中某些局部、点及位置,对维护和控制整个研究区生态过程具有重要意义,可以优先治理这些关键战略点。从景观层次制定生态恢复规划,以尽量小的代价控制自然过程和人类活动,最大程度地保护和恢复风景区的生态功能。

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424干旱区研究25卷

M ethodology for Constructi ng the Landscape E col ogical

Security Pattern in Scenic A rea

)A Case study i n the Scenic A rea i n the M iaofeng M ountai n ,Beiji ng

Z HANG Yu -hu 1,2

, YU Chang -qi n g 2

, Tashpo latT iy i p 1

,

Z HANG Z-i li

3

(1.Colle ge of R esources and Environm ent al Sciences ,X i njiang Universit y,Uru mq i 830046,China ;2.Research C enter for Eco log ical Conservation ,T singhua Universit y,Beij i ng 100084,China;

3.Ins titute of R e mo te S ensi ng and GIS,B eij i ng Universit y,B eij i ng 100871,China )

Abst ract : Deg radati o n or destructi o n o f certai n strateg ic portions and positions of landscapes resu lts i n so m e nega -ti v e i m pacts to landscape eco l o g ical security .To st u dy and construct the eco l o g ica l security patter n a t landscape sca le has beco m e as one o f t h e hot fields in landscape eco logy .I n this paper ,a case study on constructi n g the eco -l o g ica l security pattern at landscape sca le at a scenic spot inM iaofeng M ountain ,B eiji n g is carried out using land -scape eco log ica l security pattern theor y and effecti v e cost distance m odel (E MD).The results sho w that the land -scape eco log ica l security pattern deve l o ped w ith E MD can reflect the actua l situa ti o n o f the st u dy area ,and the are -as under the lo w security ,m oderate security and h i g h security i n the study area are 21.46km 2,21.78k m 2and 6.72k m 2

respectively .M oreover ,the m ain factors a ffecting the landscape eco l o g i c al secur ity in t h e st u dy area are found according to the overlay of the graph o f landscape ecolog ical security pattern and the artificia ld isturbance fac -to rs .It is conc l u ded that the quarries should be regar ded as the key strateg ic portions to preferen tially regenerate t h e eco logy by taking so m e i m prov i n g m easures .

K ey w ords : e ffecti v e cost d istance m ode;l landscape eco l o g ica l security pattern ;strateg ic porti o n ;restoration m easure .

425

3期 张玉虎等:风景区生态安全格局构建方法研究)))以北京妙峰山风景区为例