基于MSPA的郑州市城区绿地生态网络构建及优化

宋利利 夏艺菲

1 河南科技学院园艺园林学院 河南新乡 453003

2 河南省园艺植物资源利用与种质创新工程研究中心 河南新乡 453003

随着城市化进程的不断推进,大量的自然地表不断被道路、高楼建筑等人工地表所取代,生态用地被大量挤占,生态斑块连接度降低,城市呈现出“高度破碎化”的特征,城市生态功能和调控能力受到干扰,进而影响城市生态系统服务功能[1-3]。绿地具有自然属性和人工属性,能在一定程度上缓解城市扩张与生态用地缩减之间的矛盾,构建合理的城市绿地生态网络可以引导城市与自然健康协调发展,因而成为维护城市生态系统服务功能的有效途径[4]。

城市绿地生态网络将城市内孤立、零散的绿地斑块,通过生态廊道连接成为一个具有高度连接性且具有一定自我维持能力的复合网络结构体系,以此维护城市的生物多样性以及景观完整性[5-6]。目前,景观生态学方法在绿地生态网络的定量化研究中应用较为广泛[7],主要是通过识别生态源地、构建景观阻力面、模拟生态廊道来连接研究区的绿地斑块。现状绿地生态网络研究多根据面积、生态类型和生态服务价值等斑块自身的功能属性选择生态源地,忽略了斑块的连通性特征,具有较强的主观性[8]。近年来,形态学空间格局分析法(Morphological Spatial Pattern Analysis,MSPA)应用于生态网络研究中,MSPA法从像元层面得到精确的景观要素和景观结构,有利于识别景观连通性指数较高的区域,使生态源地和生态廊道的选取更具有科学性[9]。

郑州是河南省的省会,国家十大中心城市之一,其快速的城市发展使生态景观破碎化程度加剧[10],城区内绿地分布不均匀,多采用“见缝插绿”的方式来增加绿地面积,但生态效益不能达到预期标准[11]。本文以郑州环城高速公路围合区作为研究区域,采用MSPA法提取生态源地,基于GIS平台构建城市绿地生态网络并提出优化建议,以期为郑州市国土空间规划提供参考。

1 研究区概况

郑州市地处河南省中北部、黄河下游,是国家重要的综合交通枢纽。本文研究区域(34°38′-34°51′N,113°27′-113°50′E)为连霍高速公路、郑州绕城高速公路和京港澳高速公路组成的郑州环城高速公路围合区,包括中原区、金水区、二七区和管城区,总面积约691.07 km2。该区域属于北温带大陆性季风气候,四季分明,年平均气温15.6℃,年平均降水量542.15 mm。地势西南高、东北低,较为平坦。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源及预处理

郑州市2019年7月谷歌卫星遥感影像数据源于91卫图；郑州市中心城区用地规划图(2010—2020年)等专题数据源于郑州市自然资源和规划局网站(http://zrzyhghj.zhengzhou.gov.cn/)。将遥感影像图导入ArcGIS 10.0软件中,并根据研究区范围裁剪影像数据,进行目视解译得到研究区土地利用现状数据。依据《城市绿地分类标准》(CJJ/T85-2017)及《城市用地分类及规划建设用地标准》(GB50137-2011)将研究区分为城市绿地、水域、农田、其他建设用地、道路用地和其他用地(未利用土地和裸地)6类。为满足研究数据的精度需要,最终获得5 m×5 m的研究区栅格数据。

2.2 研究方法

2.2.1 基于MSPA方法的景观要素提取

提取城市绿地作为前景,赋值为2；其余用地类型作为背景,赋值为1；缺失数据赋值为0。将研究区土地利用现状数据重新分类,并运用GuidosToolbox软件对其进行空间格局分析,得到核心区、边缘区、桥接区、支线、孔隙、环道、孤岛7类景观[12],其中,核心区对维护景观连通性具有重要的生态意义[13]。

2.2.2 景观连通性评价

本文采用能综合考虑物种迁移和扩散能力的可能连通性指数(Probability of Connectivity,PC)和斑块重要性指数(delta values for Probability of Connectivity,dPC)对核心区斑块连接关系进行定量评价[14]:

式(1)和式(2)中:n为斑块总数；ai和aj为斑块i和斑块j的面积；AL为研究区总面积；为斑块i与斑块j间所有路径上的最大潜在扩散概率[15]；PCremove为去除某斑块后的景观连通性数值；dPC随PC变化,用来评价斑块对景观连通性的重要程度[16]。

本文依据前人研究经验,选取面积大于10 hm2的核心区斑块作为数据源[17],运用Conefor 2.6软件,分别计算500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m、2 500 m和3 000 m共6个距离阈值下斑块重要性指数dLCP[18]、dIIC[19]、dPC的数值,选取在6个距离阈值下dPC值均排在前10的斑块进行指数分析,分别为28、127、133、136和140号(根据斑块面积大小进行编号,总共有155个斑块),与图1中的斑块序号1～5分别对应,确定3个指数值变化趋势最小的1 000 m作为研究区距离阈值,连通概率设置为0.5[20],进行景观连接性分析,选择dPC≥1的斑块作为研究区的生态源地。

图1 核心区斑块重要性指数随距离阈值变化情况

2.2.3 生态网络构建

本文通过参考已有研究[21-22]和专家打分,参照物种迁移难度和植被覆盖率因素,结合MSPA分析结果确定不同景观类型的阻力值,将作为生态源地的绿地阻力值赋值为1,其余绿地赋值为20,农田、水域、其他用地、道路、其他建设用地分别赋值为100、200、600、800、1000,并基于ArcGIS平台生成研究区景观阻力面(图2)。

图2 研究区景观阻力面

本文运用最小费用距离模型(Least-cost distance model),将已获得的景观阻力面和生态源地导入Linkage Mapper中,模拟创建最小成本路径[23-24],构建研究区绿地生态网络。

2.2.4 基于电路理论的生态夹点识别和中心性分析

“夹点”与景观生态学理论中的“踏脚石”类似[25]。本文运用Linkage Mapper中的Pinchpoint Mapper模块,选择“All-to-one”模式进行运算。由于廊道宽度对夹点位置影响较小且对整体景观连通性没有影响[26],本文将廊道在成本加权距离下的“宽度”设为20000,提取电流密度较高的区域；然后再运用Centrality Mapper计算每一个生态源地和最小成本路径的电流量之和,生成中心性得分,根据分值大小确定生态源地和最小成本路径在保持网络体系连通性方面的重要程度[27-28]。

3 结果与分析

3.1 生态源地提取

由MSPA分析结果(表1、图3)可知:核心区面积为9 807.22 hm2,占研究区景观总面积的14.19%,占前景面积的84.70%；大型核心区斑块主要分布在东北部和西南部,西北部和东南部多为狭长的带状斑块,中部区域小面积核心区斑块零散分布；从整体上看,核心区占研究区总面积比重小且破碎化程度较高。边缘区是核心区与外部背景的过渡带,面积为1 651.49 hm2,占前景面积的14.26%,说明核心区斑块具有良好的边缘效应。桥接区是连接核心区的带状用地,相当于生态网络中的廊道,仅占前景面积的0.29%,表明斑块间的连接性较差。

表1 前景类型统计

图3 MSPA景观分类

通过景观连通性分析,提取景观连接度较高的生态源地共37个(图4、表2),总面积为3 348.33 hm2,主要为分布在东北部的郑州龙湖公园、龙子湖公园、郑州国家森林公园、西运河足球公园等依河滨建设的公园绿地,以及西南部的郑州树木园、葡萄园、樱桃园等区域绿地。其中,龙湖湿地公园和郑州树木园的dPC值较高于其他绿地斑块,表明这两地生态环境良好。中原区和管城区内生态源地较少,且研究区中部生态源地缺失,景观连通性较差,在一定程度上削弱了区域绿地生态网络的稳定性和完整性。

表2 生态源地景观连通性指数统计

图4 研究区绿地生态网络

3.2 绿地生态网络构建

运用最小费用距离模型构建绿地生态网络,模拟得到研究区生态廊道共58条,结果如图4所示。廊道总长度为165.29 km,最长为22.98 km,位于31号南水北调生态公园与17号蝶湖公园之间。研究区生态廊道景观组成多为南水北调河、东风渠、金水河、七里河等滨河带状绿地,能够为景观生态流的传输提供良好的环境条件；道路绿地、城市公园和防护绿地占比较少；水域更少；农田用地最少。廊道在西南和东北部较为密集,但部分廊道较为曲折,不利于物质和能量流通,西北、中部和东南地区廊道较长易发生断裂。

依据中心性分析判断生态源地和廊道的重要性,利用自然间断点分级法将中心性得分分为4级(图5):19、14、1、2、12、8号生态源地的中心性得分较高,且分值依次上升,对整体生态网络连通性贡献度较大,分别为郑州市西流湖公园、西运河足球公园、郑州国家森林公园及郑州龙湖公园、郑州树木园、南水北调河旁绿地、贾鲁河公园,应加强对这些生态源地的保护。19和8、8和12、12和31、1和14号生态源地间的廊道中心性分值较高,并且和生境良好的生态源地相连接,是生物进行物质和能量交换的重要通道,其景观构成为南水北调河滨河绿地和龙子湖,应对其进行重点保护。研究区东西和南北的连接主要依靠18号东风渠滨河公园和19号源地、36号郑州之林和12号源地、20号金沙湖高尔夫官邸和29号熊耳河滨河绿地之间的廊道,3条生态廊道均过长且无可供生物停歇的栖息地斑块,可增设生态源地,完善研究区整体绿地生态网络结构。

图5 中心性分析示意

3.3 研究区绿地生态网络优化

3.3.1 新增生态源地

本研究基于MSPA和景观连通性分析结果,选择面积大于10 hm2且0.1＜dPC＜1的核心区绿地斑块作为新添加的生态源地(图6)。研究区中部处于城市建设的中心地带,绿地斑块数量少且连通性较差,本文提取出1个绿地斑块(1号郑州市人民公园)作为中部区域的生态源地,补充生态空白区。北部、东部和南部的4条生态廊道是研究区绿地生态网络的重要组成部分,为增强廊道的生态效益,保护区域景观的连通性,增加5个生态源地,分别为2号绿谷公园、3号郑州市世纪公园、4号滨河公园和尚岗杨遗址公园、5号七里河河滨市政公园、6号南水北调河旁绿地。为提高研究区东部和西部网络的南北连通性,增加3个生态源地,以优化研究区绿地生态网络结构。将9个补充生态源地与原有生态源地利用LCP模型进行运算,得到新增规划廊道20条。

图6 绿地生态网络规划示意

3.3.2 建设脚踏石

脚踏石能够提高生物在迁徙过程中的存活率[18],对提高城市绿地生态网络连通性和完整性具有重要的生态意义。本文共选出19个踏脚石(图7),其中12个分布于研究区河流(南水北调河、七里河为主)和水库(尖岗水库)附近,且周围已建有绿地,应加强对水域和绿地的生态保护,完善绿地植物群落组成和结构,提高绿地生境质量；7个位于城市道路附近,可完善道路绿地建设或增设街头绿地,增加区域内绿色活动空间,提高城市生态服务功能。

图7 脚踏石识别

3.3.3 修复绿地生态网络断裂点

道路分割绿地斑块,造成绿地景观破碎化,影响生态斑块间的连接性、空间的连续性和区域间的物质能量交流[27],进而影响景观生态功能。道路与潜在生态廊道的交汇处易发生断裂,形成廊道断裂点,本文将完善后的研究区生态廊道数据和道路矢量数据叠加,生成断裂点共60个,其中,与国道的交叉点共17个,与铁路的交叉点共37个,与高速公路的交叉点共6个(图8)。在城市后期规划建设中,可通过修建地下通行道、天桥、林荫道等措施修复生态断裂点,促进绿地生态系统的自我完善。

图8 生态断裂点分布

4 结论与讨论

4.1 结论

生态源地主要为分布在金水区北部依河滨建设的公园绿地和二七区南部以自然资源为主的区域绿地,中原区和管城区内生态源地较少,城市中部存在大面积的生态源地空白区,对生物和生态过程的扩散形成较大阻力。城市内水系较为丰富,且河滨建设绿化带有利于网络连通,是组成研究区生态廊道的主要景观类型,南水北调河是研究区内重要的结构性廊道,连接研究区东部和西部的生态源地。

总体来说,研究区东北和西南部的景观连接性较好,西北和东南方向的连接性较差。中部廊道过长,易发生断裂,受城市建设影响,部分生态源地之间难以构建生态廊道。通过新增生态源地、增设脚踏石斑块、修复生态断裂点等措施优化绿地生态网络结构,使生态源地和潜在生态廊道基本覆盖整个研究区域,有利于城市生态系统服务功能的发挥,促进城市可持续发展,为城市居民提供生态良好、宜居宜业的生活环境。

4.2 讨论

城市绿地生态网络处于自然生态与城市建设的交叉地带,服务于城市生物和人类,有利于维护城市生物多样性、优化城市生态景观格局、为人类提供舒适的游憩环境[29]。基于MSPA和最小费用距离模型识别和优化绿地生态网络,可为郑州市绿地生态网络的识别和优化提供方法参考,但仍具有不足。首先,MSPA方法对景观的研究尺度比较敏感,不同的研究尺度可能会导致MSPA的分析结果不同,本研究考虑到研究区绿地生态斑块的特点,选择了5 m×5 m的栅格分辨率,在实际应用中,还需要根据研究区域的特点,对MSPA的尺度选择做进一步的研究和探讨。其次,在距离阈值的设定上,确定特定物种或目标物种后以扩散距离来设定距离阈值更具有针对性[30],但反映区域景观连接度水平的适宜距离阈值有助于寻找景观连接的薄弱环节,识别重要小型斑块[31],本研究没有根据研究区内的特定目标物种来进行设定,而是根据斑块重要性指数筛选出研究区景观连通性分析的最佳距离阈值,但适宜距离阈值与生态过程、景观格局相互作用机制并不明确,还有待探讨。另外,研究区绿地生态网络构建中景观阻力值的设定目前还没有形成公认的标准,本研究在参考相关文献的基础上,根据土地利用/覆被类型确定阻力值,景观阻力赋值相对简单,如何进行科学合理的景观阻力赋值还有待研究。