干旱区绿洲城镇绿色基础设施网络构建研究——以新疆阿拉尔市为例

魏家星

张昱镇

梁继业

周禧琳

1 背景

干旱区是“一带一路”陆域空间占比最大的气候区域[1]。干旱区绿洲作为干旱地区荒漠环境下的非地带性景观[2]，除少量滩涂湿地、灌丛草甸及河岸林为主的自然绿洲外，大部分是由人类改造形成的人工绿洲，为人类在荒漠地区的生存、繁衍创造条件和场所。这些区域往往以水系为支撑，以农林生产为主体，由农田系统、人工林系统、乡村聚落以及部分城市相耦合，构成独特的绿洲生态系统[3]。其抵抗外部干扰的韧性较差，时刻面临荒漠化的侵蚀。其中，水土资源与植物资源的退化甚至消失是制约该类型区域可持续发展的关键因素。绿洲城镇中有限的水系与植被覆盖不仅要承担改善城市环境质量、提高城市生态效益的任务，还要承担保护城市生态安全的重任。

随着近年来中国“一带一路”战略的逐步实施与不断深化，突出生态文明理念，共同防范生态环境风险，已是“一带一路”沿线国家的重要共识。2017年环保部等四部委联合发文，明确了绿色基础设施互联互通是绿色“一带一路”建设的优先领域。其中，边境地区作为连接中国与众多邻国的门户和纽带，在“一带一路”建设中具有独特的地位和作用。新疆作为我国边境地区“丝绸之路经济带”上的重要支撑点，城镇发展面临着开发建设和生态治理的双重压力，如何针对干旱区特有的环境特质和资源禀赋，基于有限的自然资源、建设能力与资金成本，通过合理布局绿色基础设施网络，最大化提高绿色空间利用效能[4]，不仅是我国干旱区绿洲城镇生态治理与开发建设亟待解决的问题，也是“丝绸之路经济带”沿线国家生态保护的一项重要挑战。

2 绿色基础设施网络概述

绿色基础设施(Green Infrastructure，GI)作为自然生命支持系统，被认为是可指导土地利用和经济发展模式向可持续方向发展的关键战略[5]。作为GI理念在空间层次上的落实，GI网络重点关注如何将破碎的生境系统重新联络与整合，强调“以生态为中心”和“以人为中心”相平衡的发展观，其构建范式主要为三大步骤：源地(hubs)的确定-廊道(links)的识别-战略点(sites)的设置[6]。其中，源地指具备重要生态保护价值与连通作用的生境斑块，能够为城市与居民提供高质量的生态系统服务功能[7]；廊道是源地间物质与能量交流中起重要作用、相互连接构成整体网络的线性空间，同时具备保护生物资源、调节生态过程等生态功能[8-9]；战略点则指景观中影响和控制区域生态安全的重要空间节点，对于物种的迁移和扩散过程具有关键作用[10]。通过增设、改造和恢复战略点，将有助于提升和优化区域内GI网络的生态效能。

近年来，形态学空间格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA)方法与基于最小累积阻力模型的最小路径法(Least-Cost Path，LCP)被较多地运用于GI网络要素的识别与可视化分析中[11-13]。前者对原始数据量要求较低，通过像元分析分辨景观类型与结构并提取核心斑块，提高了各类指标指数的计算效率；后者通过计算物种在从源到目的地运动的过程中所需耗费代价的大小构建廊道，反映了不同景观或土地利用类型对生物迁徙的影响。二者结合能够根据研究区域的基础地理资料较为快速准确地对整体景观格局进行分析与研究，增加了源地和廊道选取的科学性。整体而言，生态源地的确定和生态廊道的识别是GI网络构建过程中2个核心环节，而战略点设置目前尚未受到足够关注。当前我国城镇GI网络的研究对象多为中东部高密度城市化地区，如于亚平等[14]对南京市1988—2013年GI网络格局的空间分布变化特征进行了研究；黄河等[15]、杨志广等[16]基于MSPA方法分别构建了福州市和广州市绿色基础设施网络，而对干旱、半干旱地区的城镇研究相对较少。实质上，干旱区更需要利用有限的绿色空间资源形成高效的GI网络以缓解城镇发展和生态保护间的矛盾。本研究在前人研究的基础上进一步运用MSPA方法，其一，将本方法与干旱区的特点相结合，不仅将MSPA方法用于重要源地的识别，在廊道提取方面通过地表湿润指数对阻力面进行修正，使廊道的规划与提取更为合理；其二，通过设置战略点以识别和保护景观中影响、控制区域生态安全的重要空间节点，为干旱区绿洲的GI网络优化提供一种补充性的方法与途径。

图1 阿拉尔市地理区位(底图引自中国科学院地理科学与资源研究所)

综上，本文以新疆地区塔克拉玛干沙漠北缘城市阿拉尔为例，首先通过MSPA方法识别出对GI网络构建具有关键意义的核心区(core)和桥接区(bridge)，并结合景观连通性评价遴选出重要源地；再基于最小路径分析构建若干潜在廊道，进一步依据廊道结构、区域特点等对战略点进行识别。在遵循“源地确定-廊道识别-战略点设置”的范式基础上，结合干旱区城镇现状特点优化GI网络体系，以期为阿拉尔市的GI网络布局提供理论和实证依据，也为“一带一路”其他干旱气候区国家或地域的生态治理提供可资借鉴的思路和方法。本文尝试解决以下问题：1)在绿色资源极其稀缺的干旱区，如何快速识别绿色基础设施网络的源地和结构性连接廊道? 2)如何通过合理设置战略点的方法优化绿色基础设施网络？

3 阿拉尔市绿色基础设施网络构建流程

3.1 研究区概况与数据来源

阿拉尔市(79°22′33″～81°53′45″E，40°20′～41°47′18″N)为典型的干旱区绿洲城市，位于新疆维吾尔自治区、塔克拉玛干沙漠北部的河流冲积细土平原(图1)，傍依阿克苏河、塔里木河等多条自然水系；市域面积 6 256.68km2，属大陆性干旱荒漠气候，降水稀少、蒸发量大，受风沙影响较大；资源环境特征与同为“一带一路”沿线的中亚各国相似，具有较强的代表性。水资源缺乏是阿拉尔市的核心发展瓶颈，加之城镇、农业的无序扩展蔓延及不合理的资源利用，导致水源污染、土地荒漠化与盐碱化等问题不断加剧；而市域范围内防护林、水体等GI要素间缺乏有机联系，难以发挥切实有效的生态系统服务功能，综合抵御生态风险的能力较弱。

本研究的主要数据中，阿拉尔市土地利用现状数据来源于2017年Landset8影像数据，基于Envi平台进行预处理后利用监督分类与目视解译方法获得30m×30m的土地利用栅格数据，结合实地调研将其分为建筑用地、沙漠、农用地、乔木林地、草地、盐碱地、灌木林地及水域8类(图2)；阿拉尔市2015年绿地系统规划资料由阿拉尔市自然资源与规划局提供；阿拉尔市基础数据(行政区划、道路交通、河流水系等)及年均气温与年降水量空间插值数据等均来源于中国科学院地理科学与资源研究所。从研究区的实际情况和研究目的出发，考虑到农用地面积占比较大，在干旱地区以旱作农田(水浇地)为主，能够发挥的生态功能相对有限，且果园等园地已纳入乔木林地的统计中，因此将土地利用类型中的乔木林地、草地、灌木林地及水域作为GI景观类型进行分析。

3.2 基于MSPA方法的源地识别

图2 阿拉尔市土地利用现状

图3 MSPA景观类型

图4 源地空间分布

图5 潜在廊道分布

首先将研究区土地利用数据转换为栅格类型，利用ArcGIS平台的重分类工具将土地利用类型中的乔木林地、草地、灌木林地及水域分类为前景像元，其余用地作为背景像元；其次利用Guidos Toolbox软件识别各前景像元的空间位置进行空间格局分析，通过腐蚀、扩张重建和骨架抽取等数学运算得到核心区、孤岛、环、桥接区、孔隙、边缘和支线7类景观功能类型[17]。其中，考虑到研究区面积较大，以识别河流水系与植被覆盖较为清晰统一为前提，通过采取不同尺度(30、60、90及120m)对比分析，最终选用90m×90m作为MSPA分析中像元大小与边缘宽度的基本单位。

由表1、图3可知，核心区面积为1 129.65km2， 占GI总面积的45.44%，主要分布于东西两侧靠近行政区边缘的位置，横贯东西的带状GI核心区为塔里木河，是研究区内城市、团场及农田的主要用水来源；中部核心区占比较少，分布较为破碎。桥接区和支线作为线性结构均能起到类似于廊道的促进生物交流的作用，分别占GI总面积的12.41%和10.33%；由于阿拉尔市地处沙漠边缘地带，当地依托农田道路和灌溉水渠积极建设防护林网，因此大量分布的桥接区与支线也成为研究区的特色景观之一。边缘是斑块的外部边界，可减少由外界因素干扰带来的冲击，占GI总面积的22.19%。孤岛、环与孔隙在研究区内数量较少，分别占GI总面积的12.41%和10.33%。

景观连接度能够定量表征区域内某一景观组分对于生态系统物质能量交流的适宜性，对于生境保护和生态系统稳定具有重要意义。作为GI格局的核心组成部分，对于斑块的景观连通性评价是衡量其能否作为关键源地的主要方法之一。本研究基于Conefor软件，选取景观巧合指数(LCP)、整体连通性指数(IIC)及可能连通性指数(PC)对提取出的核心区进行计算，并按照公式(1)计算每个核心区斑块在整体景观中的重要值，分别记为dLCP、dIIC和dPC：

式中，dI代表单个核心区斑块的指数值；I代表景观中所有斑块的整体指数值；Iremove代表去除单个斑块后剩余斑块的整体指数值。采用Jenkos自然间断法筛选dPC值大于0.6的15处斑块作为关键源地(表2)。

由图4、表2可知，横贯研究区东西的塔里木河(Node68)和胜利水库(Node32)是重要性显著较高的核心斑块，位于沙漠边缘的东北与东南部集中了多个景观连通性较好的源地，表明这些区域能够为生物提供较好的栖息、迁徙场所，同时也时刻面临周围沙漠化的威胁。从整体来看，研究区中部与西部源地斑块数量较少、连通性较差，同时又分布有多个城镇聚集点，因此需要在优先保护现有关键源地的基础上，加强对阿拉尔市中、西部地区生态绿地的建设。

3.3 基于最小成本路径分析的生态廊道构建

图6 战略点分布

图7 阿拉尔市GI网络体系

本研究依据最小累积阻力模型(Minimal Cumulative Resistance，MCR)理论，采用最小费用路径法，分析对生物迁徙和扩散有利的最短路径作为潜在廊道[18]。综合分析当地气候环境特征，确定各土地利用类型的基础阻力值大小(乔木林地10、水域20、灌木林地30、耕地50、草地80、沙漠800、盐碱地800、建筑用地 1 000)，并选取地表湿润指数进行修正[19]后构建综合阻力面；地表湿润指数综合考虑了干旱区影响生态功能的关键因子——降水和蒸散，其计算公式如下：

式中，H为地表湿润指数，可表示为年降水量与年蒸散量的比值；Ri为基于地表湿润指数修正后土地利用栅格i的阻力系数；Hi为栅格i的地表湿润指数；Ha为栅格i对应的土地利用类型a的平均地表湿润指数；R为栅格i对应土地利用类型的基础阻力系数。基于之前筛选得到的15个源地斑块，通过ArcGIS平台的CostPath工具模块计算各源地间的最小成本路径，由此生成研究区105条潜在廊道(图5)。

通过与现状土地利用类型图和遥感卫星影像图对比可知，廊道的空间分布以中部的塔里木河近岸区域为对称中心，集中于西北、东南两侧并围合成环状。在塔里木河北岸，廊道从多浪水库(Node1290)南部由西向东延伸，穿过第一师各团场所在农场，东至塔里木河流域自然形成的大面积灌丛草甸；南岸的廊道多从上游胜利水库(Node1、32)沿东西走向，顺阿拉尔南部塔克拉玛干沙漠与农田交界处的防护林带到达东南部的源地集中区，进而转向北部跨越塔里木河与自然绿洲区域相连。总体上，潜在廊道所通过的区域内部通常含有较多分布在耕地间破碎化的乔木、灌木林地及水体，因此使其能够有效地在东西较长的距离上连接各个生态源地，为物种迁移起到桥梁作用。

表1 基于MSPA的景观类型分类统计

表2 核心区景观斑块重要值排序筛选结果

3.4 基于关键空间节点判别的战略点提取

源地是GI网络构建的基础，廊道则将不同的源地相连以维护网络的稳定性。距离过长的廊道由于缺乏主要源地斑块的生态服务支撑，在源地辐射影响不到的部位相对结构稳定性较低，不利于生物的潜在沟通[20]。与此同时，研究区内现有的高等级交通道路可能会对网络分割形成“生态断点”，对景观连续性和整体连通性造成影响[21]。因此，对战略点进行识别和分析非常必要，可进一步提高网络空间生态过程中传递物质和能量的效率。

本研究采用以下方法对战略点进行识别：1)各潜在生态廊道间的交汇点，此类区域为多种生态信息交汇处，生物种群丰富，又能为长距离迁徙的物种提供良好的暂栖地，需纳入城乡绿地系统中结合灌溉蓄水、景观游憩等功能重点建设或修复；2)在构建源地综合阻力面时，其阻力分布可表示为从中心向四周扩散的等阻力线，各源地间的等阻力线相切的部位形成鞍部，即相对阻力较高的区域，因此，潜在廊道所通过谷线的交点以及多个鞍部的交汇点便是生态功能最为薄弱的位置，也是控制生态安全的重要战略点[22]，需予以重点保护；3)将研究区现有省道路网与潜在廊道网络相叠加，其交叉形成的生态断点作为战略点识别，这些区域可能会对生物的交流和扩散造成威胁，可考虑建设供野生动物迁徙的安全通道，如地下隧道、涵洞等工程设施[13]。通过上述识别方法得到的空间位置，剔除重复冗余的节点、在节点密度较低区域进行适当补充，最终确定75处战略点(图6)。这些战略点也是除源地外未来城镇绿地系统规划和生态建设优先考虑的重点区域。

3.5 结合现有规划布局的绿网优化

通过“源地-廊道-战略点”的识别提取，已初步构建“点-线-面”相结合的GI网络体系，本研究结合南疆自然地理特征，依据总体规划中布局的四大城镇建设组团，并考虑人口密度、现状路网、河流水系现状及潜在廊道建设实施的可操作性等因素，对GI网络进行优化，进而形成了“一带、七核、四轴、多点”的阿拉尔市GI网络架构(图7)。其中，“一带”指横贯研究区东西的塔里木河及沿岸地区，其作为最重要的生态源地的同时也承担着关键的连通功能；“七核”指以识别出的关键源地为生态核心，是构筑生态安全屏障的基础；“四轴”主要结合现状人口密度较大区域的潜在廊道及多鲁曼江、塔北干渠等现状廊道，形成具备空间连接属性的廊道系统；“多点”是将前文提取的战略点作为未来GI建设的优先节点，进而构筑完整的GI网络体系。

4 结论与讨论

4.1 结论

1)在城市绿色空间极为有限的情况下，通过MSPA方法提取出重要的核心区和桥接区，利用现有资源优化城镇GI网络是经济可行的。

2)在干旱区绿洲城市，基于MSPA、连通性评估和最小路径方法的分析仍是GI网络构建的重要方法，本研究在阻力面设置时选取地表湿润指数对其进行修正，可使干旱区的GI网络构建更加合理。

3)在地广人稀的干旱区域，战略点的选择应是GI网络的重要内容，本研究选择多处阻力面的切点、潜在廊道间的交汇点、现有道路系统与廊道间的交叉点作为未来城镇生态建设优先考虑的关键空间节点。研究结果对我国干旱区绿洲城镇的GI网络构建具有一定的指导意义和实践价值，同时可为“一带一路”其他内陆干旱地区GI网络的构建提供参考与借鉴。

4.2 讨论

由于MSPA对景观的研究尺度较为敏感，于亚平等专门研究了不同粒度和边缘宽度情况下绿色基础设施的尺度效应[23]，为本研究提供了方法指导。因此，综合考虑源地和现有防护林网的识别，将栅格大小设置为90m×90m。

源地是GI网络构建的基础，目前在源地选取上主要有3种模式：1)直接识别受法定保护的自然区域[24]；2)构建生态系统价值或生态敏感性等综合指标评价体系[25-26]；3)基于MSPA与景观连通性评估[16]方法进行。本研究主要基于形态学原理，采用MSPA结合连通性分析的方法对源地进行识别。在后续研究中，可结合生态系统服务重要性、生态敏感性等其他功能性指标进一步改善评估方法。同时，由于部分廊道与现状土地利用格局冲突较大或距离较长，增加了实际建设的难度，故本研究借鉴俞孔坚提出的“景观战略点”概念[27]，通过“以点代线”的思路对GI网络的构建进行了完善。未来还可结合电流“夹点”法[28]、多目标遗传算法[29]等对战略点的选择展开进一步的优化。

此外，本研究虽然构建了完整的GI网络，并为阿拉尔市未来的绿地系统规划提供了理论依据，但仍需与我国目前以“多规合一”为宗旨进行的空间规划体系构建紧密结合，并将GI网络的保护和规划融入国土空间规划体系。本研究的后续工作可围绕GI网络分析评估在国土空间规划体系中的应用与实践展开，具体包括(但不限于)：生态空间用途管制，生态红线的划定、补充与修正，以及生态修复策略及管控等。同时，未来可考虑结合周边“一带一路”国家和地区现状，开展多尺度、多城市的GI网络空间协同规划等研究，以传播分享我国生态文明理念，推进绿色经济及可持续发展。

注：文中图片均由作者绘制。