曾 真,艾婧文,王梓凌,何天友,鄭郁善 (福建農林大學風景園林與藝術學院,福建 福州 350002)

近年來,城鄉土地利用方式在快速城鎮化的推動下產生了劇烈變化,在城市化水平提高的同時,也導致區域生境斑塊的破碎化和島嶼化,生物遷徙廊道受到阻礙,部分棲息地被侵占,城鄉區域生態系統服務功能受到沖擊,對于城鄉環境的長遠發展產生了消極影響[1-3]。綠地生態網絡是指主要以自然植被為基礎,根據特定規律連接起來的線性生態空間[4-6]。綠地生態網絡以獨特的線狀空間將破碎的點狀、面狀生境進行串聯,避免景觀破碎化,維護生態多樣性,形成具有景觀連續性、棲息地連通性的有效網絡系統[7-9]。綠地生態網絡的構建需要保持大量原生態的自然環境,從一定程度上也限制了城市建設用地侵占,有利于當地的生態環境保護與可持續性發展[7-11]。因此,規劃生態網絡被認為是目前能解決城市區域生境斑塊破碎化問題的有效方案。

對于生態網絡的研究已有許多成熟的規劃模式和常用方法,其中,形態學空間格局分析(morphological spatial pattern analysis,MSPA)和最小累積阻力(minimal cumulative resistance,MCR)模型在相關研究中出現的頻率較高[12-14]。MSPA方法通過分析區域的土地利用數據來識別景觀連通性高的生態區域[15-16],通過對二值化的柵格圖像進行分析來識別出多個不重疊的景觀結構[17-18],可以用于生態源地的選擇和作為阻力面的構成要素。該方法的優勢在于不需要大量復雜的數據就可以呈現出較好的可視化效果。

MCR模型將高程、地形、植被和土地類型等多種因素進行疊加,綜合性的結果能以圖像形式進行展現。該模型的重點在于生態阻力的有效構成以及生態源地的選擇,在已有的研究中常與景觀連通性指數、重力模型、電路理論和圖譜理論等方法相結合,從多重角度對生態網絡的構建展開研究[19-22]。基于電路理論的Linkage Mapper工具在構建生態廊道的原理上與MCR模型大致相同,但對于部分重復的廊道會自動進行剔除,還增加了識別廊道中生態夾點的功能。已有研究從生態源地選取、阻力面影響因子指標、廊道重要性識別以及網絡優化等方面進行深入探索[23-27]。近年來有學者通過對研究區域不同時期的生態空間分布進行橫向比較,深入剖析研究區域各時期生態空間特征并提出優化建議[28-30],這一思路具有較強的可實施性,可結合各類區域加以深入探討。筆者研究將結合MSPA方法、MCR模型和電路理論等判定重要生態源地、構建生態廊道和識別生態節點。

三明市作為典型的山地城市,在擁有良好生態條件的同時,由于受周邊密集的山地分布與地形的影響,城市的外拓發展受到限制,不可避免地顯現出內聚化的發展特征[31]。城市人口數量與功能集聚度的持續增長,帶來城市生態系統遭到破壞、公共服務設施配置壓力大、現有的綠色基礎設施難以滿足城市居民的需求等問題。因此,山地型城市應充分利用自身的自然資源優勢,從保護城市生態系統、加強城鄉景觀連通性角度出發,構建山地城市生態網絡。因此,筆者以三明市區為研究區域,利用3期土地利用數據,通過對比2000、2010和2020年3個時期該區域的MSPA結果,剖析各時期景觀格局特征并提取核心區域。將3個時期的重要核心區域進行疊加,識別出穩定的重要核心區域作為生態源地,結合運用MCR模型、電路理論和重力模型來模擬生態廊道的規劃,并識別相關生態節點,為三明市區綠地生態網絡的優化提供參考。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區域概況

三明市是福建省轄地級市,位于福建省中北部,地處北緯25°30′～27°07′、東經116°22′～118°39′之間。三明市境內森林覆蓋率高,以低山和丘陵為主,溪流密布,河谷與盆地錯落分布于其間。三明市境內氣候總特征為氣候溫暖濕潤,四季特征明顯,降雨量充足。由于境內地形差異很大,又可造成局部性小氣候,特別是垂直分布的小區域氣候差異更大,常有“一山有四季、十里不同天”的立體氣候。作為中國最綠省份的最綠城市,2016年三明市被授予“國家森林城市”的稱號。三明市市轄區原本為三元區和梅列區,經過重新規整,于2021年將原來的三元區和梅列區正式合并為三元區,增設沙縣區。因此,該文研究區域為三元區和沙縣區(圖1)。三明市區擁有豐富的森林資源,區域內分布有白鷺(Egrettagarzetta)、眼鏡蛇(Najaatra)、穿山甲(Manispentadactyla)和野豬(Susscrofa)等多種野生保護動物。

圖1 研究區地理位置Fig.1 Location of the study area

1.2 數據來源與處理

所用數據主要包括:(1)2000、2010和2020年3個時期30 m分辨率土地利用覆被數據來源于全球地表覆蓋產品GlobeLand30(http:∥www.globallandcover.com/)(圖2),通過對比影像圖和開展實地調研,認為其精度符合此次研究的要求;(2)30 m分辨率的高程數據來源于中國科學院地理空間數據云(https:∥www.gscloud.cn/);(3)道路數據來源于Open Street Map網站(http:∥www.openstreetmap.org)數據。(4)NDVI數據為國家生態科學數據中心(http:∥www.nesdc.org.cn/)提供的2000、2010和2020年中的NDVI最大值,該數據分辨率為30 m。

圖2 研究區3期土地利用類型Fig.2 Types of land use in the three stages in the study area

2 研究方法

2.1 基于MSPA方法的景觀格局分析

對研究區進行形態學空間格局方面的分析,需要將解譯后的研究區土地利用現狀圖進行重新賦值,提取林地、濕地和水體數據并將其設定為MSPA的前景,將其余用地類型設定為背景。將數據轉換為二值化的柵格文件[12],用Guidos軟件對數據進行分析可以得到核心區、島狀斑塊、橋接區、邊緣區、孔隙、環道區和支線7類景觀類型。由于核心區面積較大,能為物種提供較好的棲息條件,所以常被選為生態源地[14]。在對核心區進行初步篩選時,通常按核心區面積大小進行排序,選擇面積大的部分區域[32-33]。以面積≥1 km2作為核心區篩選條件。

景觀連通性是用于描述廊道、網絡或基質在空間上如何連接和延續的一種測定指標[34]。景觀連通性強弱可以采用多種指數進行判定,例如整體連通性指數(IIC)和可能連通性指數(PC)[35]。選取PC來衡量連通性大小。運用Conefor 2.6軟件對斑塊進行景觀連接度評價,對于重點核心區的選取,既要考慮面積,又要考慮斑塊重要性指數的大小。因此,通過參考文獻[32-33]以及考慮研究區域的實際情況,以景觀連通性指數(dPC)>1的斑塊作為重點核心區。將3個時期的重點核心區進行疊加,提取出穩定性強、面積大和連通性高的區域作為生態源地。

2.2 最小累積阻力模型

最小累積阻力(MCR)模型法是用于計算空間中生物移動阻力的常用方法,多用于提取、構建區域生態廊道[36-37]。基于MCR模型,采用層次分析法確定MSPA景觀類型、土地利用類型、NDVI、高程和坡度5個因子的權重(表1),將其加權疊加得到三明市區生態綜合阻力面(RMC),其計算公式[38]為

表1 阻力因子權重及阻力值Table 1 Resistance factor weights and resistance values

(1)

式(1)中,f為阻力函數,表示空間中某一點的最小阻力與其到所有源地的距離和景觀基面特征的正相關關系;Dij為第j個斑塊到第i個斑塊的距離;Ri為第i個斑塊自身擴展的阻力系數;min為取j至i阻力值中的最小值。

2.3 綠地生態網絡識別與評價

基于電路理論,借助Linkage Mapper可以直觀展示廊道寬度、重要程度和斷裂點等信息,為生態廊道規劃提供一定的寬度與范圍參考[37,39]。在構建完成研究區域的生態源地、阻力面之后,基于電路理論使用Linkage Mapper的相關工具識別出生態廊道、生態夾點和障礙點。

2.4 基于重力模型的重要廊道提取

重力模型可用于分析源與目標間的相互作用力大小,將其引入廊道提取的研究中,可以通過分析作用力大小來衡量廊道的重要性。

(2)

式(2)中,Pa、Pb分別為斑塊a、b阻力值,Sa、Sb分別為斑塊a、b面積;Lab為斑塊a、b之間廊道的累積阻力值;Lmax為研究區中所有廊道累積阻力的最大值。

3 結果與分析

3.1 不同時期MSPA分析

由表2、圖3可知,2000、2010和2020年三明市區核心區面積分別為1 545.20、1 542.35和1 476.58 km2,分別占研究區總面積的52.42%、52.32%和50.09%,均超過50%。2000、2010和2020年維持景觀連通性的橋接區面積分別為68.19、68.50和66.23 km2,分別占總面積的2.31%、2.32%和2.25%,面積較少,核心斑塊的聯系性較弱。作為核心區與外面背景區域的過渡斑塊,3個時期的邊緣區面積均占總面積的6.8%以上,具有一定的邊緣效應。環道區是核心區內部遷移和物質流動的通道,2000、2010和2020年環道區面積分別占總面積的2.19%、2.20%和2.05%。孔隙是核心區域的內部邊緣,與邊緣區一樣具有邊緣效應,2000—2020年孔隙面積在逐漸減少,說明核心區內部邊緣效應在減弱。

表2 形態學空間格局分析(MSPA)分類統計Table 2 Classification statistical table of morphological spatial pattern analysis (MSPA)

圖3 研究區3期景觀格局功能類型Fig.3 Functional types of landscape pattern in the three stages in the study area

支線具有一定的連通作用,只與核心區、橋接區和環道區等的一端相連,2000—2020年支線面積變化幅度較小,2000、2010和2020年支線面積分別占總面積的2.52%、2.53%和2.48%。島狀斑塊由于其散落在核心區的中部且孤立存在,常被選為生物的踏腳石。島狀斑塊在3個時期的景觀類型中所占面積均為最小,2000、2010和2020年島狀斑塊面積分別為11.67、11.71和12.29 km2,占研究區總面積的0.40%、0.40%和0.42%,說明研究區踏腳石較為缺乏。

3.2 生態源地的變化分析

對2000、2010和2020年3個時期核心區進行提取和初步篩選,2000、2010和2020年面積≥1 km2的核心區分別為47、47和56個,以連通性作為篩選條件,提取dPC>1的斑塊,最終得到2000、2010和2020年3個時期重點核心區數量為9、9和15。如圖4所示,可以發現2000—2010年核心區分布變化較小,2010—2020年核心區變化相對更明顯,雖然2020年重點核心區數量高于2000和2010年,但其重點核心區域總面積相對于2000、2010年卻有所下降,但總體而言,三明市區近20年核心區變化較為穩定。將2000、2010和2020年重點核心區進行疊加,提取出11個穩定性強、面積大和連通性高的區域作為此次研究的重要生態源地。

圖4 研究區生態源地結果Fig.4 Ecological sources in the study area

3.3 生態網絡構建

3.3.1生態阻力分析

將MSPA景觀類型、土地利用類型和NDVI等因素進行疊加分析,得到三明市區2000、2010和2020年綜合阻力面(圖5)。圖5顯示,高阻力區域仍集中于城市用地較為集中的區域,研究區域的西部、北部阻力較低。從時空演變的視角來看,2000—2020年研究區高阻力區域呈現逐步擴張的趨勢,主要集中在商業經濟發達、人口活動較多的區域。城市化的快速發展使得城市人口增加,人口活動用地的需求隨之增大,人造地表逐步侵蝕了其他類型用地。

圖5 研究區綜合阻力面Fig.5 Comprehensive resistance surface in the study area

3.3.2生態網絡構建

將挑選出的11個重要生態源地和2020年綜合阻力面作為構建生態網絡的數據基礎,運用Linkage Mapper工具生成生態廊道,引入重力模型對廊道的重要程度進行劃分。作用力大于100歸為1級廊道,作用力在30～100之間歸為2級廊道,作用力小于30歸為3級廊道。如圖6所示,最終生成24條生態廊道,包括2條1級廊道、5條2級廊道和17條3級廊道。1級廊道需要重視廊道的建設與保護,避免受到城市化建設的影響,保證研究區之間連通性和物種保護。2級廊道可以考慮納入城市景觀帶的范疇,在保護物種連通性的同時提升城市景觀的美感。3級廊道在研究區域中分布較為廣泛,涵蓋了多個區域,距離人類活動區域較近,受人類活動干擾頻繁,斑塊面積較小,不適宜大范圍的物種遷移活動,可以作為城市綠道的參考路線,將豐富的森林景觀與城市空間進行連通,進一步推動森林城市的建設。

圖6 研究區生態網絡Fig.6 Ecological network in the study area

3.4 生態網絡的節點識別

區域生態網絡的構建除了通過各種模型、研究方法生成有效的線性廊道之外,還需對生態網絡的結構及相關生態要素進行科學判斷。因此,生態網絡中各類型節點的識別對于維護整個生態網絡的穩定性和科學性顯得尤為重要。只有在對生態網絡及相關節點展開分析探討之后提出有針對性的優化提升策略,才能最大程度地保持區域生態多樣性,提升生態系統的可持續發展。研究區各類生態節點識別結果見圖7。踏腳石斑塊可以為物種遷移提供一個短暫的棲息地,有利于提高物種遷移成功率和生物存活率,通常將生態廊道之間的交匯點作為踏腳石的首選。此次研究以生態廊道之間的交點作為選擇依據,識別出22個踏腳石。夾點是生態系統運動過程中高電流量的關鍵節點和生態保護的首要區域,破壞夾點可能對區域生態安全格局造成較大影響。使用Linkage Mapper插件的Pinchpoint Mapper工具,獲得電流密度圖,運用自然斷點法將電流高密度區域作為夾點區域,識別出47個生態夾點。障礙點是阻礙生態斑塊之間連接的區域,恢復區域內障礙點的生態環境質量,能夠極大地改善景觀連通性與生態穩定性。利用Linkage Mapper插件的Barrier Mapper工具對源間生態廊道進行障礙點分析,將障礙點區域與生態廊道的重疊區域進行提取,得到54個障礙點。道路與生態廊道相交處是生態廊道容易斷裂的區域,會對景觀功能造成影響。分別將鐵路、城市道路與生態廊道進行相交分析,得到19個與鐵路的斷裂點,95個與城市道路的斷裂點,總計114個生態斷裂點。

圖7 研究區各類生態節點識別結果Fig.7 Identification of various ecological points in the research area

3.5 生態網絡結構優化

3.5.1修復生態斷裂點

道路與生態廊道的交匯處往往是生態廊道較為脆弱的區域,在生物的遷徙過程中,現有的城市道路系統對生物遷移造成影響,已有許多因車輛撞擊造成動物死亡的案例發生,因此,需重視對于生態斷裂點的修復。三明市區內生態斷裂點數量較多,應結合實際情況采取措施,避免建造成本過于巨大。對于鐵路、城市主要道路與生態廊道的相交區域,應采取設置野生動物地下通道、隧道、天橋等措施。來往車流量小、人群密集度不高的道路與生態廊道的相交區域就不一定都需要開展生態斷裂點修復工作。

3.5.2建設踏腳石

生物在尋找食物和棲息地的過程中,踏腳石可以作為休息場所的中轉站。因此,在生態網絡的構建中,設置踏腳石無疑可以增加生態廊道的穩定性,使得部分生物在長距離的遷徙途中能得到有效的生存保障。長距離的生態廊道由于人為因素與其自身的特性,相對更容易受到干擾。踏腳石的設置對于需要遷徙較長距離的動物發揮著重要作用。研究區內踏腳石的分布主要集中于三明市區西部和北部,在踏腳石的修建工作中,可以將節點區域面積放大,保護重點踏腳石區域的原生態環境。可結合三明市區具有豐富的自然資源和大量天然風景林的優勢將部分踏腳石區域建設成林場、森林公園等多功能場所,為生態流通提供便利,也可促進市區范圍內的綠色基礎設施建設。

3.5.3保護生態夾點

夾點是生態系統運動過程中物種遷移可能性較大的區域,生態夾點若遭到破壞,會影響整個區域的生態安全格局。因此,針對研究區域生態夾點應采取有效的保護措施與管理機制,保證區域生態夾點的物種流通性,將夾點區域設定為自然保護區,避免其遭到人為破壞。

3.5.4去除生態障礙點

障礙點是阻礙物種在生態斑塊之間進行遷徙活動的區域,去除區域內障礙點有益于提升生態多樣性和景觀連通性。可采取改變障礙點區域用地類型,或是根據場地實際情況建造生態橋、涵洞等人造生態通道,保證物種的通達性。除此之外,對于廊道周邊的綠化建設也需要重視,避免人造地表的無序擴張,為生態廊道的后續規劃保存足夠的空間。

4 討論與結論

4.1 討論

該研究剖析了2000—2020年三明市區景觀格局及生態空間的演變,城市化的快速發展對于山地城市生態環境具有一定影響,人為活動區域的持續擴張以及生態源地的破碎化一直在動態地影響區域生態格局。近20年來,以各級城市為中心的快速城鎮化發展導致山地城市的生態空間呈現出減少和破碎化的現象,并且,近年來城鎮化進程仍然在動態地影響著區域生態格局。在國土空間規劃背景下,各級城市需要形成生產空間集約高效、生活空間宜居適度、生態空間山清水秀的可持續發展國土空間格局。生態網絡的構建對于生態空間規劃顯得尤為重要,將區域內生態空間分布進行可視化分析并量化其生態安全格局,可為后續區域生態紅線的劃定提供一定參考,也可為區域山水林田湖草沙的系統性修復提供基礎框架。對于三明市這類山地城市來說,需要結合自身的地理格局特征及自然資源,全面考慮人口分布、經濟發展和生態保護等問題,劃定生態紅線,保護好生態源地及永久基本農田。以生態廊道為媒介對生態源地進行連接從而形成生態網絡,對于生態廊道中的各種生態節點進行科學規劃,遵循“斑塊-廊道-基底”的總體思路來規劃生態網絡,將城市化建設鑲嵌在自然生態系統的基底上,進一步改善大規模城鎮化建設對于區域生態系統的影響,促進三明市域國土空間規劃工作的有效進行。

研究區域內模擬生成的廊道路線、廊道的等級劃分以及各類生態節點的識別,給三明市區在重新劃分市轄區后的城市綠色基礎設施布局及后續優化提供了一定的科學參考,以便重新對三明市區生態網絡分布進行梳理。以生態廊道建設為媒介,將各區域之間進行串聯,進一步推動了三元區與沙縣區兩個新的市轄區之間的自然資源整合,對各類生態節點的識別則進一步完善了生態網絡的構建。此外,生態網絡的構建緩解了三明市這類山地城市因內聚化發展所導致的城市綠色空間不足的壓力,在增強城鄉區域之間景觀連通性的同時也會拉動各區域城市居民之間的互動性與參與性。

4.2 結論

基于MSPA方法、電路理論和重力模型等技術手段,對比分析了2000、2010和2020年三明市區景觀格局、生態源地和生態阻力面的變化,構建了三明市區綠地生態網絡的形成路徑以及各類節點的位置。研究結果表明:(1)2000—2020年核心區面積占研究區域總面積的比例均超過50%,但呈現逐年下降趨勢。(2)通過對3個時期選取出的核心區域進行疊加,最終得到11處重要生態源地。(3)2000—2020年三明市區阻力空間分布主要以中心城區作為高阻力區域,形成由內向外的輻射圈層結構。(4)構建了三明市區24條生態廊道,包括2條1級廊道、5條2級廊道和17條3級廊道。(5)三明市區生態網絡有22個踏腳石、47個生態夾點、54個障礙點和114個斷裂點。