基于生態安全格局與多尺度景觀連通性的城市生態源地識別

吳茂全,胡蒙蒙,汪 濤,凡 宸,夏北成,*

1 中山大學環境科學與工程學院, 廣州 510000 2 深圳市自由度環保科技有限公司, 深圳 518000

經濟的高速增長伴隨著快速的城市化進程,同時帶來了一系列生態環境問題[1-2]。高度城市化區域面臨著生境斑塊減少、生物多樣性喪失及景觀破碎化程度加劇等嚴峻問題[3]。因此,緩解城市化進程中對自然資源的破壞與城市生態系統生物多樣性保護間的矛盾,已成為城市化發展中的重要問題[4-5]。緣起于景觀生態學的生態安全格局能夠有效保障城市生態系統可持續發展。生態源地,即區域物種或生態事件向外擴散和維持的源區/點,作為生態安全格局構建的重要組成部分,具有保持生態系統服務可持續性、維護現有景觀完整性的功能,對維護區域生態安全、保障城市居民健康具有重要意義[6-7]。

近年來,國內外學者對生態源地的概念、識別方法等方面的研究逐漸成熟。生態源地與生態安全格局具有高度相關性,其識別方法呈現多樣化,或將生境質量較好的風景林和自然保護區等直接定義為生態源地[8]；或通過生態系統服務功能及敏感性構建指標體系綜合評估識別生態源地[9-10]。但是,這些方法都偏重于考慮生態系統自身的功能屬性[11],忽略了生態源地在城市生態系統中受到的人類社會經濟活動的干擾,忽略了不同尺度下景觀連通性對生態過程和生態功能的影響[12-13],或缺少從區域生態安全的高度分析。

深圳,一個高度城市化的大都市,人口密集,經濟發達,空間非常有限,保護生態系統刻不容緩。因此,尋找區域生態源地,優化區域生態安全格局十分重要。也有一些類似的針對深圳市生態源地的研究,但其指標有待完善,且缺少尺度分析[14]。本文以深圳市為研究區,兼顧社會-經濟-自然三方面要素構建“驅動力(Driving forces)—壓力(Pressure)—狀態(State)—影響(Impact)—響應(Responses)”模型(DPSIR模型)評估區域生態安全,結合多尺度景觀連通性分析探討生態源地識別的最佳尺度,從而識別生態源地,為研究區及其他高度城市化區域生態安全格局的構建與優化提供案例參考。本文試圖探討：(1)如何在一個受高度人為干擾的城市生態系統中識別具有較完整自然屬性的生態斑塊/源地及其連通性？(2)如何從多尺度景觀連通性的角度探討生態源地識別的最佳尺度？

1 研究區及研究方法

1.1 研究區概況

深圳市是珠江三角洲的中心城市,位于珠江口東岸(113°46′—114°37′E,22°24′—22°52′N),全市總面積1997.27 km2(圖1)。地形類型主要有低山、丘陵、高原、梯田、平原五大類,地勢差較大。屬亞熱帶海洋性氣候,全年溫和濕潤、雨量充沛。經濟總量長期位列中國大陸城市第四位,常住人口1190.84萬且有大量的流動性人口,是中國經濟增長最快的城市之一[15]。城市化進程的加快,建設用地不斷擴張,生態用地逐漸萎縮,生物多樣性持續降低,控制城市無序蔓延和保護生態空間是保障居民健康、區域生態環境質量的關鍵所在[16]。

1.2 數據來源

本研究所使用的數據包括遙感影像、DEM數據、土地利用與NDVI數據、土壤和道路數據、降水、社會經濟及人口數據。其中,(1)DEM數據為Aster30 m分辨率的數字高程模型,來自中國科學院計算機網絡信息中心(http://www.gscloud.cn)；(2)土地利用數據、NDVI數據源自2015年(2015- 11-05-02:31:45)6 m柵格分辨率的SPOT6遙感影像解譯所得；(3)土壤數據由深圳市土壤類型圖矢量化所得；(4)道路數據源自國家基礎地理信息中心(http://ngcc.sbsm.gov.cn)；(5)降水數據源自國家氣象科學數據共享服務的中國地面累日值數據(http://data.cma.cn)；(6)社會經濟數據、人口數據源自《深圳統計年鑒——2016》。

圖1 研究區地理位置示意及土地利用類型圖Fig.1 Geographical location and land use map of the study area

1.3 研究方法

1.3.1DPSIR評價指標體系

影響生態系統變化的因素很多,DPSIR作為一個概念模型,考慮了多方面的因素作用,常用于評價生態環境系統的狀態與變化。該模型從因果關系的角度將人類社會經濟活動和生態環境系統間的相互作用緊密結合[17-18]。其中,“驅動力”是引發環境變化的潛在因素,如區域的自然災變與社會經濟活動；“壓力”是指人類社會經濟活動對生態系統的資源需求壓力；“狀態”是在驅動力和壓力作用下,生態系統的生態環境狀況；“影響”是指生態系統對人類健康和社會結構的影響；“響應”表征人類促進可持續發展進程中所采取的對策[19-20]。

基于DPSIR概念模型原理,兼顧社會-經濟-自然三方面因素,將目標層生態安全總體水平分解為驅動力、壓力、狀態、影響和響應5個準則層。各準則層根據深圳市經濟發達、人口密集呈現出的高度城市化特征與環境問題,結合指標的可獲取性、簡潔性,并經相關性分析去除冗余指標,分別選擇反映其生態安全主要特征的因子,篩選出15個指標構建評價指標體系[21](表1)。

1.3.2評價指標的空間量化

研究區以100 m×100 m劃分柵格單元,每一個單元均為信息的空間載體。按照各指標的計算公式,在ArcGIS平臺將指標信息賦值到對應柵格單元。

表1 深圳市生態安全評價指標體系

(1)自然、景觀指標

自然地表信息或景觀空間信息,如地形位指數、道路影響度、城鎮影響度[23]、植被覆蓋度[24]、土壤侵蝕模數[25]等指標,先通過Raster Calculator工具實現指標值柵格計算,再重采樣至各柵格單元。

(2)社會、經濟指標

采用面積權重內插法與鄰域平均法將社會、經濟指標從行政區降尺度到柵格單元[26],具體步驟為：先將人口數量、GDP、第三產業產值和水利、環境保護投入等以行政區為單位統計的數據按照每個評價單元內建設用地或生態用地面積所占行政區建設用地或生態用地總面積的權重,分配至對應柵格單元；再根據ArcGIS的鄰域分析,以每個單元周圍1000 m×1000 m的范圍為影響半徑,以各指標在該范圍內的均值確定為該單元的指標數值；最后通過Raster Calculator工具實現柵格賦值。

1.3.3指標的標準化

各指標來源不同、單位量綱不統一,指標間不具有可比性,故需對各指標進行標準化處理。

(1)極差標準化法

評價指標與區域生態安全存在正相關(正向)或負相關(負向)關系的指標分布為：

正向指標：

Ki=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

負向指標：

Ki=(Xmax-Xi)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中,Xi為指標i實測值；Xmax為指標i的最大值；Xmin為指標i的最小值；Ki為指標i經標準化后的指標值。

(2)分等級賦值法

土壤侵蝕模數不適合用極差標準化,根據相關技術規范,采用分等級賦值的方法進行標準化。以500、2500、5000、8000、15000 t km-2a-1的侵蝕模數為閾值分別劃定土壤侵蝕敏感性為1(微度)、0.8(輕度)、0.6(中度)、0.4(強烈)、0.2(極強烈)、0(劇烈)6個等級,土壤侵蝕量越高等級值越小[27]。

1.3.4指標權重賦值

采用層次分析法確定各指標的權重。根據遞階層次結構構造判斷矩陣,評定各相關指標的相對重要程度；再計算判斷矩陣的最大特征值及對應的特征向量,特征向量歸一化后即為指標權重(表2)。一致性檢驗結果CI=0.1461,CR=0.0919<0.1,判斷矩陣的一致性可以接受。其中,植被覆蓋度、生物豐度指數和生態系統服務價值的權重均較大,地形位指數的權重最小。

表2 評價指標權重

1.3.5生態安全指數

采用綜合指數法計算生態系統安全指數ESI[28],將安全性等級分為中警、預警、基本安全、較安全、安全5級,指數區間對應為0—0.35、0.35—0.45、0.45—0.55、0.55—0.65、0.65—1[29-30]。

(3)

式中,ESI為生態安全指數；Ki為指標i標準值；Wi為指標i的權重。

1.3.6多尺度景觀連通性分析

生態源地不僅是指具有較高生態服務價值、物種棲息的景觀類型,同時也是生態功能發揮的核心。景觀連通性是指景觀對生態流的便利或阻礙程度,是衡量景觀生態過程和功能關系的重要指標。維持良好的景觀連通性是保護生物多樣性、維持生態系統安全、穩定性和整體性的關鍵因素,也對區域生態過程的發展具有主導性影響[31]。景觀連通性有很強的尺度依賴性,當景觀組分結構發生變化時,規模較小且零星分布的生態斑塊不斷被剔除,相連和相離較近的生態斑塊不斷合并形成規模較大的生態源地,整體連通性水平也隨之發生變化[32]。

以生態安全等級較高的“安全區”作為生態源地識別的景觀類型,基于數學反證法,先假設區域存在多種尺度的生態景觀組分結構,考慮尺度分析的連續性,設定100、200、400、800、1600 m 5個尺度的深圳市生態景觀組分結構。再基于Fragstats軟件,從景觀組分結構整體連通性角度選取內聚力、連接度、聚合度、分離度作為測度指標。內聚力、連接度、聚合度越大,景觀組分結構的整體連通性越高；分離度越大,整體連通性越低。采用主成分分析法對不同尺度的景觀組分結構的整體連通性優劣進行客觀定量評價,獲得生態源地識別的最佳尺度。

2 結果

2.1 單一指標重要性空間分布

深圳市單一指標重要性的空間格局揭示了不同生態過程對于區域生態安全的影響與作用(圖2)。驅動力低值區域主要位于城市建成區和交通干線兩側,受人類活動影響明顯,對生態系統過程具有較大的負面影響；福田區、南山區及羅湖區人口高度聚集,且經濟密度超高,承受著巨大的生態資源需求壓力,作為負向指標,形成一個低值區；狀態高值區域位于東南部山區等海拔較高的區域,這類區域植被覆蓋度高、生物多樣性豐富、土壤保持較好,具有較高的生態系統服務功能價值；影響的高值區域主要分布在水源保護區和較高海拔的區域,這類區域不利于城市用地開發,但有利于生態空間的保護,是保障區域生態環境質量、控制城市的無序蔓延、緩解生物多樣性破壞的重要區域；響應高值區域主要分布在福田區、南山區等第三產業高比重區域及龍華區、坪山新區的山區地帶,該區域人類生態系統保護意識強,環境保護投入水平高。

2.2 城市生態安全格局

研究區生態安全指數范圍為0—1,平均值為0.53,基于5級劃分得到深圳市生態安全格局圖(圖3),呈現東南部、東北部及西部中心區部分地區優良,中部、西部安全性相對較低。生態安全區、較安全區、基本安全區、預警區和中警區面積分別為30.34%、13.49%、9.85%、53.68%、9.15%和37.17%。

2.3 景觀連通性及其尺度變化

由連接度、聚合度、內聚力和分離度4個景觀連通性測度指標在100、200、400、800 m及1600 m柵格尺度下的散點圖(圖4)可知,連接度指數在尺度為400 m時取得最大值,聚集度指數隨著尺度變大而急劇變小,斑塊內聚力指數從100 m到800 m變化很小,但800 m后則急劇下降,分離度指數僅在尺度100 m時出現高值。

圖4 不同尺度的生態景觀連通性指數Fig.4 The connectivity index of ecological component of different scales

針對4個指標對應不同尺度的分布,進行主成分分析,從方差貢獻率統計表(表3)提取了2個主成分構成主成分矩陣(表4),主成分1上內聚力、連接度、聚合度荷載較高,反映了生態安全區的聚集連接性；主成分2上分離度荷載較高,反映出安全區的分離破碎程度。

表3 方差貢獻率統計表

表4 成分矩陣

整理得到主成分函數表達式：

Z1=0.681X1+0.628X2+0.703X3-0.361X4

(4)

Z2=0.059X1+0.123X2-0.047X3+0.233X4

(5)

Z=Z1+Z2

(6)

圖5 整體連通性綜合指數Fig.5 Synthesis index of integral connectivity

將4個指標標準化數據代入式(4)-(6)中,計算得到不同尺度下的整體連通性綜合指數Z(圖5)。綜合指數的總體趨勢是,當尺度較小時,隨著尺度增大綜合指數會有所增加,但是隨著尺度持續增大,綜合指數急劇下降。基于綜合指數選擇400 m作為源地識別的最佳尺度。

2.4 生態源地的識別

2.4.1最小面積閾值的設定

生態源地由符合條件的斑塊構成,識別過程中對斑塊最小面積的設定將直接影響斑塊的數量。隨著最小面積閾值的不斷增大,生態源地斑塊數量快速減少。在最小面積閾值增加到0.8 km2之后,生態源地斑塊數量減少趨于平緩(圖6)。生態源地的總面積雖受到最小面積閾值的影響,但生態源地占區域總面積的比例始終維持在36.5%—40%,說明被剔除的斑塊雖然數量眾多,但面積較小、分布較為離散,對生態源地的整體格局影響較小(圖6)。圖6均在0.8 km2處出現緩和下降,故設定斑塊最小面積閾值為0.8 km2。

圖6 生態源地斑塊最小面積閾值設定的影響Fig.6 Impact of the minimum size threshold of ecological source patches

2.4.2生態源地識別

圖7 生態源地分布Fig.7 Distribution of ecological source

在“安全+較安全”區內相互連接的柵格形成斑塊,以最小面積0.8 km2作為斑塊入選閾值,共得到38個生態源地斑塊(圖7),總面積753.78 km2,占深圳市總面積的37.74%。

疊置研究區的土地利用圖,生態源地中林地和水域占比分別為76.40%和7.61%。源地空間分布主要位于大鵬新區及鹽田區大部分地區、坪山區南部、龍崗區北部、寶安區東部區域；源地的景觀組分主體為生態系統服務價值較高的林地和水域用地構成。如鳳凰山、羊臺山、塘朗山、梧桐山、馬巒山、筆架山、排牙山、七娘山、羅田水庫、茜坑水庫、西瀝水庫、清林徑水庫、松子坑水庫等。這些區域是城市中受人為干擾較小的重要生態功能區,是研究區生態系統的核心組分,是城市擴張的生態底線。

3 討論

3.1 生態源地識別方法

已有基于生態系統服務功能性及敏感性構建指標體系綜合評估的識別方法,如基于生態紅線和通過生態系統服務重要性對江西省進行的生態源地識別[13],又如基于“重要性-敏感性-連通性”框架的云浮市生態源地識別[33]和基于景觀生態格局的深圳市生態源地識別[14]。而在生態源地識別的相關研究中鮮有結合生態安全的研究,當生態文明定位為國家的“五位一體”總體布局時,生態安全就已經上升至國家安全的高度,所以結合生態安全識別生態源地具有特別重要的意義。本文以研究區自然、社會及經濟指標構建DPSIR生態安全評估模型,基于高等級生態安全區進行生態源地識別,并從景觀連通性角度探討了源地最佳尺度,其結論可作為改善區域生態安全的依據。

3.2 尺度優化

3.2.1多尺度景觀連通性分析

在生態源地識別研究中大多缺少尺度問題的考量[14],在區域生態安全格局研究中多采用傳統的尺度分析方法——粒度分析[32,34],但粒度分析中仍有較多的主觀判斷。本文通過尺度變化下的連接度、內聚力、聚集度和分離度多景觀連通性指數響應的綜合評估獲得最佳尺度,較好的避免了尺度選擇的主觀性,對指導區域生態修復和生態建設具有更強的針對性。

3.2.2斑塊大小的影響

選取合適的斑塊尺度來表征區域生態源地應考慮幾個因素,一是表征生態源地的斑塊面積應盡可能大,二是斑塊數量及破碎度必須在合理的范圍,同時還要考慮最小斑塊尺度與區域大小的匹配關系。在生態源地識別的研究中斑塊面積多在0.1—1 km2之間,如海口市美蘭區和海南省東方市分別為0.44 km2和2.96 km2[34]。本研究區總面積僅為1997.27 km2,基于0.8 km2的斑塊最小閾值面積識別了38塊生態源地,占區域總面積37.74%,斑塊連接度指數為1.57%,大幅降低斑塊破碎度,提高斑塊連通性,并最大可能地保持生態源地面積。

基于尺度400 m所構建的生態源地最小斑塊面積為0.8 km2,可以認為該尺度較精細。在此尺度下,還有大量的有條件成為生態源地的柵格空間,基于這些柵格的格局通過生態修復等工程措施加強連通性,增加區域生態源地,提高區域生態安全水平。如對最小斑塊面積為0.64—0.8 km2之間的19個生態斑塊的周邊區域進行生態修復得到較大斑塊的生態源地,增加源地數量至57塊,對未來深圳市城市規劃提供參考意義。

3.3 生態源地與生態資源及生態控制線的空間關系

3.3.1生態源地與生態資源的空間相關性

深圳市有不同級別的自然保護區、水源涵養區等35個法定保護區,這些是深圳市重要的生態資源。將所識別的生態源地與法定保護區做空間疊加(圖8),經統計計算,深圳市法定保護區與基于“安全區”識別的生態源地總體重合率達到65.22%,而與基于“安全區+較安全區”識別的生態源地總體重合率高達86.87%,其中31個保護區與源地重合率超過50%,22個保護區和源地重合率超過80%,大鵬半島自然保護區重合率高達92.37%。

3.3.2生態源地與生態控制線的空間相關性

生態源地與研究區生態控制線做空間疊加(圖8),經統計計算,基于“安全區”識別的生態源地,有463.55 km2落在生態控制線內,占生態控制線面積的47.74%,占所識別生態源地的99.39%；基于“安全區+較安全區”識別的生態源地,有676.62 km2落入生態控制線范圍內,占生態控制線面積的69.69%,占所識別生態源地的89.76%,僅有77.16 km2的生態源地未落在生態控制線內。

圖8 生態源地與生態資源及生態控制線的空間差異Fig.8 The spatial difference between ecological sources and ecological resources / ecological control lines

結果表明,(1)基于“安全區+較安全區”等級所識別的生態源地具有更高的準確性、嚴謹性；(2)生態源地與生態安全、生態資源和生態控制線三者具有高度一致性。生態源地與生態控制線存在差異的斑塊中,林地面積為30.13 km2,城市綠地面積為8.13 km2,建設用地面積為17.2 km2；法定保護區內非生態源地斑塊中,林地面積為18.45 km2,城市綠地面積為3.03 km2,建設用地面積為3.83 km2。上述三類土地類型緊密相鄰,主要分布在東南及西部城市區域與林地或水域用地的交錯區域,其生態系統受到自然和人為干擾雙方面的影響,生態系統較復雜,生態安全指數在小范圍內變化劇烈。其中,需加強對大鵬半島市級自然保護區、鐵崗水庫、茜坑水庫、西瀝水庫等水源保護區與城市交界地帶的保護。

4 結論

(1)深圳市是經濟發達,人口聚集的高度城市化區域,本文兼顧社會-經濟-自然三項因素,從驅動力、壓力、狀態、影響、響應五個準則層評估區域生態安全格局,采用多尺度景觀連通性分析,基于高等級生態安全區識別生態源地,獲得了生態安全、生態資源、生態控制線和生態源地高度一致的結果。

(2)基于100 m×100 m小尺度柵格評估研究區深圳市生態安全格局,呈現東南部和東北部優良,中部和西部區域相對較差的格局。

(3)研究區生態源地識別的最佳尺度為400 m,斑塊最小識別閾值面積為0.8 km2。深圳市生態源地總面積為753.78 km2,占研究區總面積的37.74%。生態源地主要由生態系統服務價值較高的林地和水域構成,其中包含了86.87%的法定保護區,且源地91.92%的區域落入生態控制線范圍內

(4)本文所獲得的生態源地及其格局對于指導、制訂深圳市生態保護策略、城市規劃、土地管理等具有重要的意義。所優選的尺度對于優化生態修復措施具有重要的指導意義。