基于最小阻力模型的北京市延庆区自然保护区生态网络构建

1研究背景1.1延庆区——北京市生物多样性最丰富的生态涵养区党的十九大报告指出，生态文明建设是中华民族永续发展的千年大计，关乎人民福祉。北京市延庆区是京西北重要生态涵养区、生态保育和区域生态治理协作区，拥有全市最大湿地保护区以及最多的自然保护地。生态本底良好，生物种类丰富，是全国第一批生态文明先行示范区[1]。近年来，延庆区通过对山水林田湖草沙系统统筹治理以及在生态环境保护方面的诸多实践，使森林覆盖率增至61.7%，陆生野生动物30目95科450种，物种数量达到北京市物种总数的75%，成为北京市生物多样性最丰富的生态涵养区。生物多样性是生态文明建设的重要指标，延庆区应立足生态涵养区的功能定位和生态文明示范区的建设要求，采取更先进有效的生物多样性保护办法，改善生态环境质量，全面提升生态本底，有效保护生物多样性，形成可复制、可推广生态文明建设典型模式。1.2生态网络构建的方法和意义生态网络又被称为生态廊道，是由景观生态斑块构成，并由线性空间廊道连接结合的系统，对维持区域内生态平衡、保护生物多样性、修复受损的自然生态斑块具有重要作用[2]。生态网络的构建可以分解为源地选择和最小阻力模型构建2个步骤。目前研究中，源地选择主要使用形态学空间分析法（MSPA）或主观选择法，最小阻力模型构建则是通过ArcGIS软件构建阻力面并生成廊道。由于生态网络可以连接孤立的生态斑块，有效缓解生态斑块的破碎化，提高生物在斑块间物质交流、能量与信息传递的有效性，保障动物迁徙安全。因此，延庆区内亟待构建生态网络，不仅是保护生物多样性的重要途径，也可作为延庆区生态文明示范区建设中先进、典型的重点工程，并使之成为可复制、可推广的有效措施。2研究区域概况延庆区位于北京市西北部，全域面积1995km2，北、东、南三面环山，西邻官厅水库。地势自东北向西南倾斜，中部凹陷形成平坦开阔的山间盆地。延庆区的母亲河——妫水河自东向西流入官厅水库。由于其地形特征，延庆区形成森林茂密的山区，以及平原林田密布、河网交错的川区，并呈现“七山一水二分田”的生态空间布局。因其绿色本底良好，是北京市生物多样性最丰富的生态涵养区，现有各类保护地16处，包括松山国家级自然保护区、野鸭湖市级自然保护区以及白河堡区级自然保护区等10个自然保护区（见图1）。图1延庆区自然保护区3研究方法3.1源地选择自然保护区建设是保护生物多样性的最有效途径[3]。由于延庆区自然保护区建设较完善，生物多样性较高，但同时也存在保护区分布较为分散、栖息地破碎化的问题[4]。因此，选择延庆区自然保护区作为生态源地（延庆区自然保护区位置数据来源于北京市延庆区人民政府网站），构建区域内自然保护区与生态廊道共同组成的生态网络体系，旨在提高自然保护区的连通性，提升生物多样性保护的功能效果，完善延庆区自然保护区管理体系，形成延庆区生物多样性保护重点工程[5]。3.2最小阻力模型构建选取土地利用类型、坡度、归一化植被指数（NDVI）、距道路距离以及距河流距离5个要素构建生物迁徙阻力面，各要素的阻力值和权重见表1。表1延庆区最小阻力模型评价体系表通过ArcGIS软件的“要素转点”工具将自然保护区面数据转换成点数据。选取其中一个点作为“源点”，其他点作为“目标点”，通过“成本距离”工具得到距离栅格和回溯连接栅格，再使用“成本路径”工具，得到“源点1”到其他目标点的最小成本路径。之后，在除源点1的其他点中选取一个作为“源点2”，剩余点作为新“目标点”。参照以上步骤分析得到“源点2”到其他点的最小成本路径，并以此类推得到所有自然保护区之间的最小成本路径数据。3.3生态廊道分级与生态节点识别对各自然保护区之间的最小成本路径数据进行重要性分析，划分生态廊道级别。若一条路径重复出现次数≥3，则此条路径重要性较高，为一级廊道，其他路径为二级廊道；识别一级廊道间的交点为一级生态节点，一级廊道与二级廊道的交点为二级节点。4结果分析4.1综合阻力面基于各项阻力因子，构建延庆区综合阻力面（见图2）。由综合阻力面图可知，阻力值较高的区域主要集中在中部川区，其中延庆新城、康庄镇、旧县等建设用地较密集的地区阻力值最高，此类区域人类活动频繁，植被覆盖度较低，生物迁徙阻力较大。阻力值较低区域主要分布在延庆区外围山区，以西部的野鸭湖市级自然保护区、西北部的松山国家级自然保护区和东部的大滩区级自然保护区等区域为代表。此类区域人类干扰较低，森林覆盖度较高，生态环境良好，生物迁徙阻力较小，适宜动物迁徙。图2延庆区阻力面4.2生态廊道通过最小阻力模型生成延庆区生态网络如图3所示。由于自然保护区多位于北部山区，因而生态廊道在北部山区密度较大，中部川区其次，南部山区密度最低，并形成廊道密度较高的西北部和东北部2个组团。其中，红色一级生态廊道长度共255.54km，在西北部山区、川区湿地河流和东北部山区密度较高。以松山、玉渡山、太安山、野鸭湖和金牛湖保护区之间的浅山区和平原地区密度最高，该区域生态源地面积较大、聚集分布，是生物在中部川区湿地水域与北部林地山区迁徙的重要区域，生态廊道等级较高。另外，北部山区以太安山和白河堡保护区为中心，联通东西部各保护区，形成东西向动物迁徙的重要廊道。蓝色的二级生态廊道长度共343.34km，主要位于东部山区和中部川区。由于东南部莲花山和中部金牛湖保护区位置较为独立，二级生态廊道主要连接莲花山和金牛湖2个保护区与其他保护区，成为南部山区和中部川区水网2个区域与东部自然保护区动物迁徙的主要通道。此外，二级廊道还分布于西北部和东北部2个廊道密度较高的组团内部，起到沟通连接组团内部保护区的功能，满足生物在组团内部保护区之间短距离迁徙的需求。4.3生态节点由廊道相交所形成生态节点共26个（如图3所示）。生态节点主要分布在北部山区，其次是中部川区的河流湿地，南部山区节点数量较少。图3延庆区生态网络红色一级生态节点共11个，其中3个位于中部川区，其余7个位于北部山区，1个位于南部山区。一级生态节点在西北部山区和西部川区湿地区域分布密集，主要为联通西部和东北部自然保护区组团的生态廊道，与联通西北部和川区及南部自然保护区的生态廊道相交的节点，作为动物在延庆区内迁徙时的重要“生态踏脚石”。蓝色的二级生态节点共15个，其中11个位于北部山区，其余4个位于中部川区，呈现西北部山区、东北部山区和中部川区三组团分布的特征。其中，西北部和东北部自然保护区组团内的二级生态节点主要为组团内保护区间生态廊道的交点，其余二级节点为川区中部金牛湖与南部山区莲花山2个自然保护区联通其他自然保护区生态廊道上的交点。5结论与讨论本研究以第一批生态文明示范区——北京市延庆区为研究对象，以延庆区内自然保护区为生态源地，通过构建综合土地利用类型、坡度、归一化植被指数（NDVI）、距道路距离以及距河流距离5个要素的阻力面。基于最小阻力模型构建了延庆区生态网络，包括一级生态廊道255.54km，二级生态廊道343.34km，以及一级生态节点11个，二级生态节点15个，形成了连接各自然保护区，保障动物迁徙，有效保护和提高生物多样性的延庆区生态网络。针对本研究的不足之处，未来深入研究可以细化优化生态源地的选择方法，例如选取自然保护区内核心保护区（原核心区和缓冲区）作为生态源地[6]，或通过先进科学的生物多样性预测模型选取生物多样性