基于景觀生態學“源-匯”理論的市域尺度生態功能分區
——以內蒙古通遼市為例

張云路,李 雄,田 野

1 北京林業大學園林學院, 北京 100083 2 中國科學院遙感與數字地球研究所,遙感科學國家重點實驗室, 北京 100101

1 市域尺度生態功能分區研究現狀

城鎮化加快了我國城鄉統籌建設的步伐。隨著《城鄉規劃法》的頒布,城鄉一體化發展成為各方關注的焦點[1]。作為城鄉組團之間的綠色連接空間,市域尺度下的生態系統在維持和提高中心城區的生態環境質量,強化城鄉空間內部的有機聯系和提高整體生態系統的穩定等方面扮演著重要角色[2]。

空間規劃是對市域生態管控的有效途徑,也是科學引導其發揮獨特生態功能的關鍵所在[3]。由于較為廣闊的空間領域和復雜的組成要素,市域生態系統中的不同要素在結構和功能方面存在諸多差異性。所以,對區域生態功能進行甄別,合理劃分生態功能區,并按不同功能合理管理資源,已成為市域尺度生態空間規劃的科學依據[4],也是改善市域生態系統管理和提高生態系統服務功能重要手段和關鍵基礎工作之一。

學者們在生態功能區劃領域進行了相關積極的研究探索。歐陽志云等通過對區域生態系統服務價值的評估進行了生態功能區劃[5],Noss認為區域生態功能劃分的主要依據是生態系統的結構、功能和組分[6],進而在對市域生態系統類型及其生態過程認識基礎上進行市域生態空間規劃。賈良清等認為,生態功能區劃主要考慮生態、地理和氣候的空間分異特征[7]。諸多建立在生態系統類型認識基礎上的生態功能分區已經在市域生態空間規劃中得到了廣泛應用。

但伴隨著城市用地開發與市域生態環境保護的矛盾日益突出,當前生態功能分區研究在面對實際問題解決存在一些局限性：1)大多生態功能分區劃分主要依據研究區域生態系統當下的結構、功能和成分進行判定。但在實際的操作中,主要依靠人工進行區劃,僅從表象層面來進行功能區域的劃定,較為忽視城市化影響下市域生態空間劇烈演變的動態性特征。針對城市化對市域生態系統的作用是否會影響到生態功能分區的劃定未見研究涉及,并且對區域城市化關聯軌跡的生態管控認知也不夠重視；2)目前雖然定量和定性地開展了全方位的生態功能評價和分區研究。但對于生態系統功能區的認識較為籠統,大多以生態系統本身為單一主體,劃定研究理念方法都較為同質化。如何能夠運用定量方法將眾多生態要素進行科學的綜合,從生態系統等級的角度看生態區劃,關注生態系統各因子的相互關系尚待深入研究。3)市域尺度生態空間規劃的主要目標之一是合理配置空間資源,協調市域生態資源與城鎮發展的關系[8]。但現在諸多生態功能分區的研究思路與方法主要以生態要素為主體,較少考慮人在其中的影響因素,忽視了生態系統分區的根本目的是更好地為人和城市系統服務的主旨[9]。

2 “源-匯”理論

顯而易見,目前進行的市域尺度生態功能分區研究忽視了快速城市化建設與市域生態系統的動態聯系,無法對當今適應城鎮化的市域生態資源保護與建設提供更多的科學支撐和理性指導。為了解決這個問題,我們有必要去探索區域生態系統功能空間格局與不斷變化的生態過程之間的關系,以求可以更加合理地進行市域空間的生態功能區域劃分。而景觀生態學中的“源-匯”理論能夠將空間格局和生態過程有機結合在一起,為探索格局與過程的關系提供較好的理論基礎。

“源-匯”理論是景觀生態學研究中的一項基本理論。“源”景觀是指在格局與過程研究中, 那些能促進生態過程發展的景觀類型；而“匯”景觀是那些能阻止延緩生態過程發展的景觀類型[10]。該理論應用的積極意義就是將靜止的景觀格局和動態的生態過程耦合在一起,有助于理解生態格局與過程的關系,為提出有效的生態空間調控和管理方法提供了較為科學的依據。目前,該理論在大尺度下的生物多樣性保護、城市熱島效應研究和非點源污染控制等領域得到了較好的應用[11-12],在大尺度空間的功能分區研究上應用前景廣闊。

本文基于景觀生態學中“源-匯”理論,在相關研究的基礎上,以內蒙古通遼市為例,對基于景觀生態學“源-匯”理論的市域尺度生態功能分區進行探討,以期為快速城市化下市域空間生態系統的保護和利用提供科學依據。

3 研究區域

3.1 研究區域概況

通遼市位于內蒙古自治區的東部、松遼平原的西端,東與吉林省接壤南與遼寧省毗鄰,西與內蒙古赤峰市、錫林郭勒盟交界,北與興安盟相連,市域總面積59535km2。通遼地處東北和華北地區的交匯處,既屬東北經濟區和環渤海經濟區,又是中國西部大開發區域中的東部地區。

在通遼市59535km2的土地中,沙區、山區約占80%,其中科爾沁沙地是我國四大沙地之一,也是京津冀和遼中南地區風沙的主要來源。同時由于地處東北、華北、內蒙古高原三大自然地理區的交匯處,通遼處于森林向草原、中溫帶半濕潤向半干旱過渡的地區,作為農耕區和游牧區分界的400 mm等降水線自市域中部穿過,生態資源本底較為薄弱,生態環境也較為脆弱。

3.2 存在問題

隨著經濟和社會的發展,通遼城市化快速推進。按通遼統計年鑒2013年數據,2011—2013年間通遼城鎮化水平年均提高近1.3個百分點。而從2000年到2015年間,通遼建設用地面積年均增長率達6.27%。城鎮和鄉村建設用地規模不斷增加直接導致了外圍生態資源受到一定程度的占有和破壞。過度放牧、草原開墾、天然植被的破壞、水資源嚴重短缺與水資源過度開發利用導致植被退化、土地沙化、沙塵暴。不合理的土地利用,以及交通、礦產開發、城鎮建設等人類活動讓本就脆弱的通遼市域生態系統面臨更大的威脅,生態系統的調節能力逐漸降低。進行科學合理的市域生態功能分區,并運用其開展有針對性的生態調控和管理已迫在眉睫。

3.3 數據收集與處理

本次研究區域定為通遼市行政區范圍內的生態空間,參照國土資源部《土地利用現狀分類標準》(GB/T21010—2007),并根據通遼市域生態資源實際條件,將林地、牧草地、農地、裸地、水域和建設用地作為本次研究中市域空間的6大主要構成要素。

研究數據主要來源是2015年的Landsat MSS/TM/ETM+遙感影像。通過多光譜遙感影像合成及其與全色波段影像的融合、幾何精糾正、掩膜、圖像輻射增強和圖像光譜增強處理等,對遙感影像進行識別與分類。進而利用最大似然法對2015年的Landsat遙感影像進行解譯,獲取這個時期通遼市域空間要素的基本信息,將其導入ArcGIS軟件中,再次通過配準控制點進行幾何校正,定義坐標系統,完成圖像的預處理,獲得相應圖件和數據。

4 研究思路

市域空間的生態功能分區可以看作是對市域生態資源的有效保護和合理利用的一種關系平衡與協調。開發層面的適宜開發、限制開發和禁止開發等區域則是對應區域的生態完善、生態敏感和生態脆弱等不同的狀態和特征。市域空間生態功能劃分的關鍵是通過甄別市域范圍內不同空間要素的生態狀況和特征,并依據此將地理空間劃分為具有多級結構的區域單元。

景觀生態學視角下的“源”景觀是指那些能促進生態過程發展的景觀類型,“匯”景觀是那些能阻止、延緩生態過程發展的景觀類型[13]。市域尺度生態功能和特征可以看作是生態要素由“源”經過不同的景觀介質克服的阻力大小的一種過程反映。在生態較為完善區域的區域內移動需要克服的景觀阻力最小；在生態較為脆弱區域內移動需要克服的景觀阻力最大；而在生態較為敏感的區域內移動所克服的阻力的大小介于兩者之間。本次研究運用景觀生態學“源-匯”理論將通遼市域空間景觀要素的生態過程與格局聯系起來,并以此為依據劃定相應的空間單元進行科學的管控引導。

5 研究方法

5.1 “源”、“匯”景觀類型的劃分

圖1 通遼市域景觀格局圖(2015年)Fig.1 City landscape pattern of Tongliao(2015)

遙感影像選取2015年的Landsat遙感影像進行解譯,獲取這個時期研究區域中6大空間景觀要素的基本信息,將其導入ArcGIS軟件中,再次通過配準控制點進行幾何校正,定義坐標系統,完成圖像的預處理,獲得這個時間點的通遼市域空間景觀要素類型相關圖件和數據(圖1)。

按照景觀生態學“源-匯”理論,依據通遼市域生態環境演變過程,將市域景觀要素6種類型劃分為“源”和“匯”景觀(表1)。林地和牧草地作為通遼市域空間內植物覆蓋率較高的土地類型,對于生態資源的保護和生態系統的穩定具有重要的作用。而通遼市域范圍內遼河水系、柳河水系、大凌河水系、嫩江水系等河流與人工水庫具有涵養生態和調節氣候等生態功能。所以本研究將林地、牧草地和水域視為通遼市域范圍內的3類“源”景觀。而近年來,由于盲目毀林開墾和進行陡坡地、沙化地耕種,造成了通遼地區,特別是科爾沁沙地周邊嚴重的水土流失和風沙危害,洪澇、干旱、沙塵暴等自然災害頻頻發生,人民群眾的生產、生活受到嚴重影響。基于這個現象,本文認為盲目的農地開發對于生態環境的破壞存在一定的威脅,所以將農地和建設用地與荒地一起歸為“匯”景觀。

5.2 基于“源”動態特征的最小累計阻力模型

為了將“源”景觀經過不同介質克服阻力的過程進行反映,需要進行基于“源”景觀動態特征的景觀阻力評估。本文借助GIS技術, 采用最小累積阻力模型來表達景觀介質對景觀“源”空間擴散的影響,即景觀阻力面的建立[14]。最小累積阻力模型考慮景觀“源”、距離和景觀界面特征[15],公式如式(1)：

MCR =fmin∑(Dij×Ri) (i=1,2,3,…,m;j=1,2,3,…,n)

(1)

式中,Dij指從景觀“源”j到空間某一個景觀單元i的實地距離；Ri指空間中某一景觀單元i的阻力系數,代表運動通過的難易程度。最小累積阻力模型實質是對某景觀從“源”到空間某一點的某一路徑的易達性的衡量和評估,阻力值越小說明源到該點的易達性越高。因此,阻力模型能夠反映景觀單元運動的潛在可能性及趨勢,是對景觀變化的一種抽象表達,可為景觀功能特征提供分析依據。對于市域生態系統的保護與利用而言,市域生態系統結構較為穩定的區域,有利于景觀單元的遷移與擴散,其對遷移和擴散的阻力就越小；反之,其對單元運動和擴散的阻力就越大。

5.3 景觀阻力系數設定

相關研究表明,不同景觀要素在運動和遷移過程中受到的阻力是有差異的,取決于景觀界面對要素生存、繁衍和遷移的適宜程度[16]。而阻力系數但也是相對的,只要能夠相對地反映不同阻力因子的差異性就可以用來進行費用距離的計算[17]。本文設定1為最小阻力系數,代表某一景觀單位可以自由移動,所在區域為最適宜空間,而100為最大阻力系數,假定景觀單元無法移動,為最不適宜空間。就本次研究區域而言,對于市域“源”景觀來說,城鎮的阻力值最大,取值100；荒地次之,取值70；裸地和農地分別為60和50；林地阻力系數最小取值為1；牧草地為10。

表1 通遼市域景觀要素“源”“匯”分類Table 1 Classification of “source” and “sink” of landscape elements in Tongliao

5.4 基于“源”景觀阻力面建立的市域尺度生態功能分區與管控建議

在以上研究工作的基礎上,在ARCGIS平臺上進行計算,分析相關數據,最終得出“源”景觀要素的阻力面圖層(圖2、圖3和圖4)。景觀阻力面圖層所反應的不同阻力程度能夠反映出生態要素在不同空間的生態特征,為生態功能分區提供有力的依據。阻力值越來越大,說明該區域生態要素特征不夠穩定,需要進行生態修復,相反則生態特征較為穩定,需要保護與穩定。

利用ARCGIS的分析疊加功能, 把作為“源”的林地、牧草地和水域阻力面圖層進行相互疊加,可得通遼市域“源”景觀阻力面(圖5)。并進一步通過尋找突變點來確定分區閾值,依據分區閾值確定通遼市域生態功能的4大空間,并通過景觀類型的現狀問題和發展需求,提出了通遼市域森林保育區、草原生態恢復區、水域生態保護區和沙地生態建設區的分區方案(圖6)。

由圖6可見,森林保育區主要分布在市域的北部和西部地區,南部地區也有零星分布,大多是自然保護區的分布區域。這些區域是保障市域生態安全的關鍵區域,其建設對策主要包括劃定保護區域進行嚴格保護,嚴禁開山采石、毀壞林木等行為；禁止任何其他設施的開發建設行為；在該區域應對宜林荒山全部實施育林和造林,完成退耕還林和荒山造林；并加快水源保護林和水土保持林的建設,形成防御風沙入侵的屏障；保護原有的動植物資源及動物的繁衍生境,加強林木保護和培育。

草原生態恢復區主要位于通遼市域的中部平原區和北部草原區,該地區主要以地形開闊平坦的耕地、草地為主,生態系統相對簡單但也較為薄弱。因此,有限的限制建設區原則上避免規劃期內的各類開發建設活動,特別是避免未經特別限定功能,或者未經嚴格審查和特定程序允許的開發建設行為；同時逐漸完成產品農業向商品農業、高效農業的過渡,發展生態農牧業和觀光農牧業,實現農牧業專業化和產業化的轉變。對于這一區域的建設控制,為適應其風貌特征,可以采取彈性的土地補償等控制措施。

圖2 林地阻力面圖Fig.2 Resistance surface of woodland

圖3 牧草地阻力面圖Fig.3 Resistance surface of grassland

圖4 水域阻力面圖Fig.4 Resistance surface of water

圖5 “源”景觀阻力面圖Fig.5 Resistance surface of source landscape

圖6 市域尺度生態功能分區Fig.6 Function zoning in the municipal administrative area

水域生態保護區主要涵蓋由遼河、柳河和大凌河等水域,以及自然湖泊609個,總蓄水能力3.46億 m3和21座人工水庫,總庫容11.7億m3。在規劃管控中,應重點關注市域中部受城市化和人類活動干預較大的自然河流,加強生態環境保護。在西遼河道及兩側約200 m范圍和其他河流沿線100—200 m寬地帶劃定為河流濕地生態景觀保護區。在河流濕地的生態控制區,以綠化恢復和生態基礎設施建設為主,局部地區可進行生態產業等小規模開發建設。在保證河流水質的同時做好水域生態旅游和歷史人文文脈的傳承保護工作。

沙地生態建設區主要分布在市域的南部和西部地區,以科爾沁沙地為主體,這些地區生態環境脆弱,大多是中部草原和南部沙地區。空氣相對適度偏低、降水量少、全年大鳳天氣多、土地鹽漬化沙化嚴重、植被覆蓋率低。該地區應實施退耕還林和退牧還草工程,嚴禁過渡開墾和過度放牧。在沙地和沙漠邊緣以草治沙,大力種植旱生、超旱生牧草與灌木,提高植被覆蓋度,已達到防風固沙和遏制草原沙化的目的。

6 討論與展望

科學合理的生態功能分區將為當前快速城鎮化過程中市域自然資源有效保護與合理利用提供可行的參考與依據[18-19]。傳統的生態功能分區主要以靜止狀態下的土地現狀性質為依據進行劃分,范圍較為模糊,不具備對于市域空間生態管控的科學指導價值。而本文在基于景觀生態學“源-匯”理論下,通過建立“源”景觀阻力面對市域尺度進行生態功能分區,充分考慮了不同要素之間的生態功能差異性[18],通過市域空間內不同要素的生態過程來制定不同的功能分區,并提出不同的管控措施,讓分區規劃更加具有針對性。同時研究還充分考慮了城鎮化發展與生態資源保護的動態關聯,為城市規劃管理建設者在市域空間利用層面提供了參考與依據,有助于從空間層面協調城鎮建設用地擴張與生態資源保護的沖突。

本文在生態功能分區方法上做了一定新的嘗試,但是由于受研究時間、基礎資料和個人水平的限制,研究存在著一些問題與不足,尚需進行進一步研究和思考。主要包含：

1)阻力值設定

在基于“源”動態特征的最小累計阻力模型構建中對于阻力系數的賦值方面筆者參考了國內外的相關研究成果,但是是否適用于本次研究地,尚未進行仔細探討。未來還需結合研究區域特點和生態功能來制定更為精確而合理的阻力值,并進一步對阻力模型進行優化和檢驗,提高模型計算的科學性。

2)分區依據

研究中分區主要依據是“源”景觀要素在運動和遷移中的阻力差異。但是需要考慮的是景觀要素在運動中所受到的影響因素很多。本文構建的阻力模型是較為理想的狀態評估,實際的情況除了所使用的科學方法外,更依賴于對本底資源狀況的掌握。由于時間和技術所限,本研究中的本底資源狀況主要是通過資料收集、文獻檢索、衛星影像解讀等方式獲得。所以筆者希望未來能夠加大力度對通遼市域內的各類資源本底情況進行更加縝密地調查研究,借助最新的科學手段和檢測儀器徹底摸清資源的基本情況,為研究的深入與優化提供準確有效的基礎數據。

3)與實際城鄉規劃與土地規劃協調

本次研究的目的還是需要回歸到具體指導通遼市域空間景觀要素保護與合理利用的實際工作中。而在現行規劃體制下,城鄉總體規劃、土地利用規劃等上位規劃已經從不同的角度對市域空間資源保護利用做出了相應的規劃指引。本文結論則應充分地與其他規劃進行結合與協調,具體到實際應用中時需要在此基礎上根據不同區域的具體情況和需求加以調整,最終得出一個較為科學合理的方案。

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