森林城市建设关键点研究

毛旭鹏 翟翠红 陆禹

摘要：基于景观生态安全格局优化理念，利用GIS技术和主成分分析方法，从增强生态系统的整体性和连通性的角度出发，优化研究区江西省高安市景观生态安全格局，以确定森林城市建设的3个关键要素，即生态源地、生态廊道和生态节点。结果表明，从影响研究区生态景观连通性的11个指标中提取了2个主成分，第一主成分为内聚力指数，第二主成分为连接性指数；在270 m粒度水平下生态景观连通性最稳定，尺度最适宜，为研究区生态源地参照粒度；研究区森林城市建设关键点包含59块生态源地、59条生态廊道、21个生态节点。

关键词：景观生态安全格局；生态源地；生态廊道；生态节点；连通性；森林城市建设；高安市

中图分类号：TU984.2：X171.4（564GA） 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）06-0070-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.06.016

Abstract： Based on the concept of landscape ecological security pattern optimization， GIS technology and principal component analysis method was used to optimize the landscape ecological security pattern of the study area from the perspective of integrity and connectivity of the ecosystem， so as to determine the three key elements， namely， ecological sources， ecological corridors and ecological nodes. The results showed that two principal components were extracted from 11 indicators influencing the ecological landscape connectivity in the study area. The first principal component was named cohesion index； and the second principal component was named the connectivity index. The 270 m grain level， under which the ecological landscape was the most stable and the scale was the most suitable， was taken as the reference area. 59 ecological sources， 59 ecological corridors and 21 ecological nodes should be taken as the key points for the construction of forest city in the study area.

Key words： landscape ecological security pattern； ecological source； ecological corridor； ecological node； connectivity； forest city construction； Gaoan city

城市规模扩大后，人口增加、生态环境压力加大是城市发展的共同特点。建设生态结构合理、生态服务功能高效的城市生态系统，已成为世界城市发展的新潮流，森林城市的理念也由此应运而生。森林城市建设具有构建城市生态安全屏障、改善城市生态环境和滿足人民生态文化需求等功效，科学处理城市建设和生态保护的关系已成为生态安全领域研究的热点[1]。目前森林城市建设集中从宏观战略方面进行研究，以综合分析评价为主。张昶等[2]立足群岛的特点，从整体性与异质性2个层面，解析了森林城市建设的本底条件特点，并基于群岛型森林城市与其他类型森林城市建设条件的对比启示，以及国内外海岛城市生态建设的经验，提出了建设策略和具体对策。张燕等[3]以城市自然特点、资源环境状况、经济社会发展和历史文化为基础，通过聚焦多元化的生态空间、生态公共服务供给、森林城市的文化标识等，阐述了森林城市的特色化建设。李正诗等[4]从研究区创建森林城市的功能定位着手，结合森林城市建设的基本原则，围绕山脉绿化、通道绿化、水系绿化、村镇绿化、森林提质和矿山绿化等内容，分析了森林城市创建的绿色架构。王成等[5]根据研究区特点，确立了森林城市建设的理念、森林城市建设的思路和森林城市建设的空间格局，并提出了具体的发展对策。庄乾达等[6]通过构建适合研究区的森林城市综合评价指标体系，对森林城市建设水平进行了综合评价研究，从而确定下一步森林城市建设的重点。但基于生态安全领域的森林城市建设研究较少，从景观生态安全格局角度科学确定森林城市建设空间布局关键点的研究还没有先例。生态安全是指具有完整的生态系统结构（图1）和健康的生态服务功能，并且生态系统能够满足人类健康生存和发展基本需要的保障体系，构建合理的区域生态安全格局可以有效控制生态环境问题、持续改善区域生态安全水平和维护区域经济可持续发展[7]。生态学认为，景观中潜在的由某些关键性的局部、位置和空间组成对维护或控制某种生态过程有着异常重要意义的空间格局被称为景观生态安全格局[8]。景观生态安全格局是空间格局优化的一种方法，是维护区域与城市生态安全、维护城市生态系统结构和过程健康及完整的关键性格局[9]，优化的重点为数量结构和空间格局的优化[10]，关键在于确定生态源地，构建生态廊道和生态节点，目的是增强生态系统的整体性和连通性[11]。

随着城市化进程的加快，江西省高安市建设用地不断扩张，在人类活动对生物圈的持续作用中，林地等生态景观要素逐渐减少，景观破碎化程度加劇，生物多样性降低，且逐渐阻隔了景观水平上生态流的有效扩散、传输和运动，从而影响到景观的稳定性[12]。本研究以高安市森林城市建设为例，基于景观生态安全格局优化的理念，从增强生态系统的整体性和连通性的角度优化景观生态安全格局，确定生态源地、生态廊道和生态节点三个森林城市建设的关键要素，以期为高安市森林城市的规划及建设提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

高安市位于江西省中部偏西地带，处在南昌、新余、宜春三市交界处，是西入南昌市的“咽喉要地”，素有“赣中明珠”之称。地跨锦江中下游两岸，东接新建县和丰城市，南与樟树、新余二市为邻，西连上高、宜丰县，北倚奉新、安义县。地理坐标为北纬28°02′44″-28°38′29″，东经115°00′12″-115°34′56″，全市土地总面积2 439.33 km2。境内地形北高南低，中间舒缓平坦，低山丘陵与河谷平原相间，概称“四山一水三分田，两分道路和庄园”。海拔高度一般在40～100 m，北部有九岭山脉的余脉延伸，南部有蒙山、末山的余脉逶迤，中部偏南有荷岭、枫岭横亘其间，其中以北部华林寨为全市最高点，海拔816 m。全市林地面积100 486 hm2，森林覆盖率40.03%。研究区为高安市城市规划区范围，地貌以河谷平原为主，北部丘陵起伏，地势北高南低，林地面积4 708.20 hm2，乔木总蓄积量135 904 m3。

1.2 数据来源

本研究数据来源于《高安市城市总体规划（2010-2030）》中心城区土地利用现状数据，包括研究区范围2013年森林资源补充调查数据、1∶10 000地形图及2016年遥感影像数据。在ArcGIS软件中统一采用西安80坐标系统，中心城区土地利用现状数据及2013年补充调查数据与地形图叠加，以地形图为参照校正配准遥感影像数据，并在实地调研中建立各土地利用类型的解译标志，对照遥感影像数据对中心城区土地利用现状数据及2013年补充调查数据进行校对调整和地类合并，形成最新的土地利用现状数据。

1.3 数据处理

1.3.1 技术路线 采用空间分析理论进行研究，技术路线如图2所示。

1.3.2 连通性指标选取 采用景观组分数（NC）、斑块密度（PD）、欧氏平均最邻近距离（ENN_MN）、平均临近指数（PROX_MN）、形状指数（LSI）、相似临近比例（PLADJ）、连接度指数（CONNECT）、斑块内聚力指数（COHESION）、景观分裂指数（DIVISION）、分离度（SPLIT）和聚合度（AI）11个指标作为表征研究区生态斑块聚集性的指标。一般而言，景观水平生态斑块聚集程度越大，其连通性越强。就森林城市建设而言，适宜尺度的建设标准且生态景观连通性处于稳定状态的生态系统性能及稳定性较好。这里生态斑块是指具有较高生态服务价值的景观类型斑块，参考前人的研究成果[13-16]，选取林地、绿地和水域作为研究区生态景观类型。

1.3.3 生成不同粒度栅格数据 利用研究区土地利用现状数据，生成30、60、90、120、150、180、210、240、270、300、330、360、390、420、480、540、600、660 m等18个不同的粒度栅格图（图3），将其作为连通性分析的基础，利用Fragstats4.2软件分别计算不同粒度水平下11个生态景观连通性指数，具体见表1。

1.3.4 应用主成分分析法计算研究区生态景观综合连通性 为了获取研究区生态景观连通性，采用11个指标进行全面分析，这些指标都能在不同程度上反映生态景观连通性的某些信息；但这些指标之间存在一定的相关性，为了找出支配研究区生态景观连通性的主要因素，采用SPSS主成分分析模块计算研究区生态景观综合连通性。经KMO和Bartlett检验、主成分提取、指标分组，得到不同粒度水平下生态景观综合连通性得分，具体见表2和图4。

1.3.5 确定生态源地 根据不同粒度水平下生态景观综合连通性的分析结果，发现粒度为270 m尺度下生态景观连通性处于稳定状态，因此，选择粒度为270 m的栅格图作为生态源地选择参照。叠加270 m粒度栅格图和土地利用现状图，叠加分析中心城区将现有的非生态景观类型转变为生态景观类型小斑，即中心城区有待加强生态建设的斑块（图5）。

1.3.6 构建生态阻力面 参考前人研究成果[14-16]，获取各生态景观类型的阻力值（表3）。在ArcGIS中输入各生态景观类型阻力值，利用空间分析模块，根据土地利用类型构建生态阻力面，结果见图6。

1.3.7 构建生态廊道 廊道是物种迁移的通道，是生态流之间的连通道和联系途径，有利于物种在“源”间及“源”与基质间的流动，其对增强生态系统整体性和改善区域安全格局意义重大[17]。在生态阻力面图上，廊道就是相邻两“源”之间的阻力低谷和最容易联系的低阻力通道，用ArcGIS最短路径确定，每两个“源”之间联系的廊道至少应该有一条，廊道的格局以环状组合形式较好[18]。依据生态源地确定生态质心，以生态阻力面为基础，利用空间分析模块计算生态质心之间的最小成本路径，即为生态廊道（图6）。

1.3.8 确定生态节点 生态节点是生态安全格局中易受外界干扰的脆弱点，对维护区域景观生态结构的整体性、连续性和发挥生态功能具有重要的功效，是优化中需要重点维护和建设的部位。本研究利用水文分析模块提取山脊线，即为研究区生态阻力面最大的成本路径，其与生态廊道的交叉点为生态节点（图6）。

2 结果与分析

2.1 不同粒度水平下生态景观综合连通性

利用SPSS对影响研究区生态景观连通性的11个指标进行主成分分析结果表明，KMO>0.7，P<0.05，说明可以使用主成分分析方法；为此提取了2个主成分，其中第一主成分的方差贡献率为75.687%，第二主成分的方差贡献率为12.573%，累计方差贡献率88.260%，>85%；根据旋转空间中的成分图将11个指标分为两组，第一主成分为内聚力指数，第二主成分为连接性指数，这两个主成分共同组成了生态景观综合连通性。

不同粒度水平下生态景观综合连通性随着粒度的逐渐增大而降低，当粒度达到270 m时，生态景观综合连通性处于稳定状态，根据森林城市建設特点，此尺度可以作为最佳研究尺度。当粒度达到600 m时，生态景观综合连通性最弱，因此，600 m为研究区生态景观组分间连通的临界距离，即研究区生态源地的最大服务半径为600 m。

2.2 生态源地

依据粒度为270 m的栅格图和表1，研究区存在59块主要的（面积最大）生态源地，选择59块生态景观组分作为生态源地。从图5可知，研究区生态源地的空间分布主要集中在北部地区，且较为分散，南部生态源地以锦河为主，这主要是因为南部为中心城区，建设用地面积大，阻隔并制约了生态源地。研究区最南部无生态源地，因此该区应优先新增生态源地，以完善区域生态系统。

2.3 生态廊道

研究区生态廊道共有59条（图5），组成了环状格局，其中生态质心59-1、1-2、2-3、3-4、4-5、5-6、6-7为建设用地与生态源地连接的通道，是人为活动与生态流物质和能量交换的关键点，应加强此生态廊道的建设，必要时对生态廊道设置一定的缓冲区，以减少外界的干扰。

2.4 生态节点

研究区生态节点共有21个（图5），其中生态质心59-1、1-2、2-3、3-4、4-5、5-6、6-7之间的几个生态节点为建设用地生态节点，对完善区域生态系统、改善人居环境、提高人民生活质量具有积极意义，需重点优化，可以参照生态源地的尺度建设，并减少外界的干扰。

3 小结与讨论

研究表明，高安市森林城市建设的关键为重点保护59块生态源地，加强构建59条生态廊道和21个生态节点，新建生态源地参照尺度为270 m。

本研究创新点在于第一次将景观生态安全格局优化理念应用到森林城市规划及建设中来，可以定量判定区域最优生态源地结构，理论性和客观性较强，研究方法科学，对于判断森林城市建设的重点区域具有现实指导意义。但生态廊道建设标准、影响区域生态阻力的可测因素需进一步探讨。

参考文献：

[1] 杨青生，乔纪纲，艾 彬.快速城市化地区景观生态安全时空演化过程分析——以东莞市为例[J].生态学报，2013，33（4）：1230-1239.

[2] 张 昶，郝泽周，王 成，等.群岛型森林城市建设策略研究——以浙江舟山市为例[J].中国城市林业，2016，14（6）：24-28.

[3] 张 燕，黄桂林，班 勇.森林城市特色化建设的思考与实践——以江西萍乡市为例[J].中国城市林业，2016，14（4）：59-63.

[4] 李正诗，姚延梼.森林城市建设途径与策略——以晋城市为例[J].森林工程，2014，30（4）：178-181.

[5] 王 成，郄光发，董建文，等.厦门森林城市建设理念与布局研究[J].中国城市林业，2011，9（3）：8-11.

[6] 庄乾达，郑国全.浙江省森林城市建设综合评价研究——以杭州市为例[J].林业资源管理，2016（3）：122-127.

[7] 李咏红，香 宝，袁兴中，等.区域尺度景观生态安全格局构建——以成渝经济区为例[J].草地学报，2013，21（1）：18-24.

[8] 李 绥，石铁矛，付士磊，等.南充城市扩展中的景观生态安全格局[J].应用生态学报，2011，22（3）：734-740.

[9] 俞孔坚.生物保护的景观生态安全格局[J].生态学报，1999，19（1）：8-15.

[10] 刘 洋，蒙吉军，朱利凯.区域生态安全格局研究进展[J].生态学报，2010，30（24）：6980-6989.

[11] 陆 禹，佘济云，陈彩虹，等.基于粒度反推法的景观生态安全格局优化——以海口市秀英区为例[J].生态学报，2015，35（19）：6384-6393.

[12] 郑新奇，付梅臣.景观格局空间分析技术及其应用[M].北京：科学出版社，2010.4-8.

[13] LIU J，YE J，YANG W，et al. A GIS-Based landscape pattern optimization approach for lake dianchi watershed[J].Journal of Natural Resources，2012，27（5）：801-808.

[14] COSTANZA R，ARGE R，GROOT R，et al. The value of the world′s ecosystem services and natural capital[J].Nature，1987（387）：253-260.

[15] XIE G D，LU C X，LENG Y F，et al. Ecological assets valuation of the Tibetan Plateau[J].Journal of Natural Resources，2003，18（2）：189-196.

[16] CHEN Z X，ZHANG X S. Values of ecosystem effects in China[J].Chinese Science Bulletin，2000，45（1）：17-22.

[17] KUPFER J A，MALANSON G P. Structure and compositing of a riparian forest edge[J].Physical Geography，1993，22（14）：154-170.

[18] 赵筱青，和春兰.外来树种桉树引种的景观生态安全格局[J].生态学报，2013，33（6）：1860-1871.