三明市区景观格局时空演变及生态网络构建研究

曾 真,艾婧文,王梓凌,何天友,郑郁善 (福建农林大学风景园林与艺术学院,福建 福州 350002)

近年来,城乡土地利用方式在快速城镇化的推动下产生了剧烈变化,在城市化水平提高的同时,也导致区域生境斑块的破碎化和岛屿化,生物迁徙廊道受到阻碍,部分栖息地被侵占,城乡区域生态系统服务功能受到冲击,对于城乡环境的长远发展产生了消极影响[1-3]。绿地生态网络是指主要以自然植被为基础,根据特定规律连接起来的线性生态空间[4-6]。绿地生态网络以独特的线状空间将破碎的点状、面状生境进行串联,避免景观破碎化,维护生态多样性,形成具有景观连续性、栖息地连通性的有效网络系统[7-9]。绿地生态网络的构建需要保持大量原生态的自然环境,从一定程度上也限制了城市建设用地侵占,有利于当地的生态环境保护与可持续性发展[7-11]。因此,规划生态网络被认为是目前能解决城市区域生境斑块破碎化问题的有效方案。

对于生态网络的研究已有许多成熟的规划模式和常用方法,其中,形态学空间格局分析(morphological spatial pattern analysis,MSPA)和最小累积阻力(minimal cumulative resistance,MCR)模型在相关研究中出现的频率较高[12-14]。MSPA方法通过分析区域的土地利用数据来识别景观连通性高的生态区域[15-16],通过对二值化的栅格图像进行分析来识别出多个不重叠的景观结构[17-18],可以用于生态源地的选择和作为阻力面的构成要素。该方法的优势在于不需要大量复杂的数据就可以呈现出较好的可视化效果。

MCR模型将高程、地形、植被和土地类型等多种因素进行叠加,综合性的结果能以图像形式进行展现。该模型的重点在于生态阻力的有效构成以及生态源地的选择,在已有的研究中常与景观连通性指数、重力模型、电路理论和图谱理论等方法相结合,从多重角度对生态网络的构建展开研究[19-22]。基于电路理论的Linkage Mapper工具在构建生态廊道的原理上与MCR模型大致相同,但对于部分重复的廊道会自动进行剔除,还增加了识别廊道中生态夹点的功能。已有研究从生态源地选取、阻力面影响因子指标、廊道重要性识别以及网络优化等方面进行深入探索[23-27]。近年来有学者通过对研究区域不同时期的生态空间分布进行横向比较,深入剖析研究区域各时期生态空间特征并提出优化建议[28-30],这一思路具有较强的可实施性,可结合各类区域加以深入探讨。笔者研究将结合MSPA方法、MCR模型和电路理论等判定重要生态源地、构建生态廊道和识别生态节点。

三明市作为典型的山地城市,在拥有良好生态条件的同时,由于受周边密集的山地分布与地形的影响,城市的外拓发展受到限制,不可避免地显现出内聚化的发展特征[31]。城市人口数量与功能集聚度的持续增长,带来城市生态系统遭到破坏、公共服务设施配置压力大、现有的绿色基础设施难以满足城市居民的需求等问题。因此,山地型城市应充分利用自身的自然资源优势,从保护城市生态系统、加强城乡景观连通性角度出发,构建山地城市生态网络。因此,笔者以三明市区为研究区域,利用3期土地利用数据,通过对比2000、2010和2020年3个时期该区域的MSPA结果,剖析各时期景观格局特征并提取核心区域。将3个时期的重要核心区域进行叠加,识别出稳定的重要核心区域作为生态源地,结合运用MCR模型、电路理论和重力模型来模拟生态廊道的规划,并识别相关生态节点,为三明市区绿地生态网络的优化提供参考。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域概况

三明市是福建省辖地级市,位于福建省中北部,地处北纬25°30′～27°07′、东经116°22′～118°39′之间。三明市境内森林覆盖率高,以低山和丘陵为主,溪流密布,河谷与盆地错落分布于其间。三明市境内气候总特征为气候温暖湿润,四季特征明显,降雨量充足。由于境内地形差异很大,又可造成局部性小气候,特别是垂直分布的小区域气候差异更大,常有“一山有四季、十里不同天”的立体气候。作为中国最绿省份的最绿城市,2016年三明市被授予“国家森林城市”的称号。三明市市辖区原本为三元区和梅列区,经过重新规整,于2021年将原来的三元区和梅列区正式合并为三元区,增设沙县区。因此,该文研究区域为三元区和沙县区(图1)。三明市区拥有丰富的森林资源,区域内分布有白鹭(Egrettagarzetta)、眼镜蛇(Najaatra)、穿山甲(Manispentadactyla)和野猪(Susscrofa)等多种野生保护动物。

图1 研究区地理位置Fig.1 Location of the study area

1.2 数据来源与处理

所用数据主要包括:(1)2000、2010和2020年3个时期30 m分辨率土地利用覆被数据来源于全球地表覆盖产品GlobeLand30(http:∥www.globallandcover.com/)(图2),通过对比影像图和开展实地调研,认为其精度符合此次研究的要求;(2)30 m分辨率的高程数据来源于中国科学院地理空间数据云(https:∥www.gscloud.cn/);(3)道路数据来源于Open Street Map网站(http:∥www.openstreetmap.org)数据。(4)NDVI数据为国家生态科学数据中心(http:∥www.nesdc.org.cn/)提供的2000、2010和2020年中的NDVI最大值,该数据分辨率为30 m。

图2 研究区3期土地利用类型Fig.2 Types of land use in the three stages in the study area

2 研究方法

2.1 基于MSPA方法的景观格局分析

对研究区进行形态学空间格局方面的分析,需要将解译后的研究区土地利用现状图进行重新赋值,提取林地、湿地和水体数据并将其设定为MSPA的前景,将其余用地类型设定为背景。将数据转换为二值化的栅格文件[12],用Guidos软件对数据进行分析可以得到核心区、岛状斑块、桥接区、边缘区、孔隙、环道区和支线7类景观类型。由于核心区面积较大,能为物种提供较好的栖息条件,所以常被选为生态源地[14]。在对核心区进行初步筛选时,通常按核心区面积大小进行排序,选择面积大的部分区域[32-33]。以面积≥1 km2作为核心区筛选条件。

景观连通性是用于描述廊道、网络或基质在空间上如何连接和延续的一种测定指标[34]。景观连通性强弱可以采用多种指数进行判定,例如整体连通性指数(IIC)和可能连通性指数(PC)[35]。选取PC来衡量连通性大小。运用Conefor 2.6软件对斑块进行景观连接度评价,对于重点核心区的选取,既要考虑面积,又要考虑斑块重要性指数的大小。因此,通过参考文献[32-33]以及考虑研究区域的实际情况,以景观连通性指数(dPC)>1的斑块作为重点核心区。将3个时期的重点核心区进行叠加,提取出稳定性强、面积大和连通性高的区域作为生态源地。

2.2 最小累积阻力模型

最小累积阻力(MCR)模型法是用于计算空间中生物移动阻力的常用方法,多用于提取、构建区域生态廊道[36-37]。基于MCR模型,采用层次分析法确定MSPA景观类型、土地利用类型、NDVI、高程和坡度5个因子的权重(表1),将其加权叠加得到三明市区生态综合阻力面(RMC),其计算公式[38]为

表1 阻力因子权重及阻力值Table 1 Resistance factor weights and resistance values

(1)

式(1)中,f为阻力函数,表示空间中某一点的最小阻力与其到所有源地的距离和景观基面特征的正相关关系;Dij为第j个斑块到第i个斑块的距离;Ri为第i个斑块自身扩展的阻力系数;min为取j至i阻力值中的最小值。

2.3 绿地生态网络识别与评价

基于电路理论,借助Linkage Mapper可以直观展示廊道宽度、重要程度和断裂点等信息,为生态廊道规划提供一定的宽度与范围参考[37,39]。在构建完成研究区域的生态源地、阻力面之后,基于电路理论使用Linkage Mapper的相关工具识别出生态廊道、生态夹点和障碍点。

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与目标间的相互作用力大小,将其引入廊道提取的研究中,可以通过分析作用力大小来衡量廊道的重要性。

(2)

式(2)中,Pa、Pb分别为斑块a、b阻力值,Sa、Sb分别为斑块a、b面积;Lab为斑块a、b之间廊道的累积阻力值;Lmax为研究区中所有廊道累积阻力的最大值。

3 结果与分析

3.1 不同时期MSPA分析

由表2、图3可知,2000、2010和2020年三明市区核心区面积分别为1 545.20、1 542.35和1 476.58 km2,分别占研究区总面积的52.42%、52.32%和50.09%,均超过50%。2000、2010和2020年维持景观连通性的桥接区面积分别为68.19、68.50和66.23 km2,分别占总面积的2.31%、2.32%和2.25%,面积较少,核心斑块的联系性较弱。作为核心区与外面背景区域的过渡斑块,3个时期的边缘区面积均占总面积的6.8%以上,具有一定的边缘效应。环道区是核心区内部迁移和物质流动的通道,2000、2010和2020年环道区面积分别占总面积的2.19%、2.20%和2.05%。孔隙是核心区域的内部边缘,与边缘区一样具有边缘效应,2000—2020年孔隙面积在逐渐减少,说明核心区内部边缘效应在减弱。

表2 形态学空间格局分析(MSPA)分类统计Table 2 Classification statistical table of morphological spatial pattern analysis (MSPA)

图3 研究区3期景观格局功能类型Fig.3 Functional types of landscape pattern in the three stages in the study area

支线具有一定的连通作用,只与核心区、桥接区和环道区等的一端相连,2000—2020年支线面积变化幅度较小,2000、2010和2020年支线面积分别占总面积的2.52%、2.53%和2.48%。岛状斑块由于其散落在核心区的中部且孤立存在,常被选为生物的踏脚石。岛状斑块在3个时期的景观类型中所占面积均为最小,2000、2010和2020年岛状斑块面积分别为11.67、11.71和12.29 km2,占研究区总面积的0.40%、0.40%和0.42%,说明研究区踏脚石较为缺乏。

3.2 生态源地的变化分析

对2000、2010和2020年3个时期核心区进行提取和初步筛选,2000、2010和2020年面积≥1 km2的核心区分别为47、47和56个,以连通性作为筛选条件,提取dPC>1的斑块,最终得到2000、2010和2020年3个时期重点核心区数量为9、9和15。如图4所示,可以发现2000—2010年核心区分布变化较小,2010—2020年核心区变化相对更明显,虽然2020年重点核心区数量高于2000和2010年,但其重点核心区域总面积相对于2000、2010年却有所下降,但总体而言,三明市区近20年核心区变化较为稳定。将2000、2010和2020年重点核心区进行叠加,提取出11个稳定性强、面积大和连通性高的区域作为此次研究的重要生态源地。

图4 研究区生态源地结果Fig.4 Ecological sources in the study area

3.3 生态网络构建

3.3.1生态阻力分析

将MSPA景观类型、土地利用类型和NDVI等因素进行叠加分析,得到三明市区2000、2010和2020年综合阻力面(图5)。图5显示,高阻力区域仍集中于城市用地较为集中的区域,研究区域的西部、北部阻力较低。从时空演变的视角来看,2000—2020年研究区高阻力区域呈现逐步扩张的趋势,主要集中在商业经济发达、人口活动较多的区域。城市化的快速发展使得城市人口增加,人口活动用地的需求随之增大,人造地表逐步侵蚀了其他类型用地。

图5 研究区综合阻力面Fig.5 Comprehensive resistance surface in the study area

3.3.2生态网络构建

将挑选出的11个重要生态源地和2020年综合阻力面作为构建生态网络的数据基础,运用Linkage Mapper工具生成生态廊道,引入重力模型对廊道的重要程度进行划分。作用力大于100归为1级廊道,作用力在30～100之间归为2级廊道,作用力小于30归为3级廊道。如图6所示,最终生成24条生态廊道,包括2条1级廊道、5条2级廊道和17条3级廊道。1级廊道需要重视廊道的建设与保护,避免受到城市化建设的影响,保证研究区之间连通性和物种保护。2级廊道可以考虑纳入城市景观带的范畴,在保护物种连通性的同时提升城市景观的美感。3级廊道在研究区域中分布较为广泛,涵盖了多个区域,距离人类活动区域较近,受人类活动干扰频繁,斑块面积较小,不适宜大范围的物种迁移活动,可以作为城市绿道的参考路线,将丰富的森林景观与城市空间进行连通,进一步推动森林城市的建设。

图6 研究区生态网络Fig.6 Ecological network in the study area

3.4 生态网络的节点识别

区域生态网络的构建除了通过各种模型、研究方法生成有效的线性廊道之外,还需对生态网络的结构及相关生态要素进行科学判断。因此,生态网络中各类型节点的识别对于维护整个生态网络的稳定性和科学性显得尤为重要。只有在对生态网络及相关节点展开分析探讨之后提出有针对性的优化提升策略,才能最大程度地保持区域生态多样性,提升生态系统的可持续发展。研究区各类生态节点识别结果见图7。踏脚石斑块可以为物种迁移提供一个短暂的栖息地,有利于提高物种迁移成功率和生物存活率,通常将生态廊道之间的交汇点作为踏脚石的首选。此次研究以生态廊道之间的交点作为选择依据,识别出22个踏脚石。夹点是生态系统运动过程中高电流量的关键节点和生态保护的首要区域,破坏夹点可能对区域生态安全格局造成较大影响。使用Linkage Mapper插件的Pinchpoint Mapper工具,获得电流密度图,运用自然断点法将电流高密度区域作为夹点区域,识别出47个生态夹点。障碍点是阻碍生态斑块之间连接的区域,恢复区域内障碍点的生态环境质量,能够极大地改善景观连通性与生态稳定性。利用Linkage Mapper插件的Barrier Mapper工具对源间生态廊道进行障碍点分析,将障碍点区域与生态廊道的重叠区域进行提取,得到54个障碍点。道路与生态廊道相交处是生态廊道容易断裂的区域,会对景观功能造成影响。分别将铁路、城市道路与生态廊道进行相交分析,得到19个与铁路的断裂点,95个与城市道路的断裂点,总计114个生态断裂点。

图7 研究区各类生态节点识别结果Fig.7 Identification of various ecological points in the research area

3.5 生态网络结构优化

3.5.1修复生态断裂点

道路与生态廊道的交汇处往往是生态廊道较为脆弱的区域,在生物的迁徙过程中,现有的城市道路系统对生物迁移造成影响,已有许多因车辆撞击造成动物死亡的案例发生,因此,需重视对于生态断裂点的修复。三明市区内生态断裂点数量较多,应结合实际情况采取措施,避免建造成本过于巨大。对于铁路、城市主要道路与生态廊道的相交区域,应采取设置野生动物地下通道、隧道、天桥等措施。来往车流量小、人群密集度不高的道路与生态廊道的相交区域就不一定都需要开展生态断裂点修复工作。

3.5.2建设踏脚石

生物在寻找食物和栖息地的过程中,踏脚石可以作为休息场所的中转站。因此,在生态网络的构建中,设置踏脚石无疑可以增加生态廊道的稳定性,使得部分生物在长距离的迁徙途中能得到有效的生存保障。长距离的生态廊道由于人为因素与其自身的特性,相对更容易受到干扰。踏脚石的设置对于需要迁徙较长距离的动物发挥着重要作用。研究区内踏脚石的分布主要集中于三明市区西部和北部,在踏脚石的修建工作中,可以将节点区域面积放大,保护重点踏脚石区域的原生态环境。可结合三明市区具有丰富的自然资源和大量天然风景林的优势将部分踏脚石区域建设成林场、森林公园等多功能场所,为生态流通提供便利,也可促进市区范围内的绿色基础设施建设。

3.5.3保护生态夹点

夹点是生态系统运动过程中物种迁移可能性较大的区域,生态夹点若遭到破坏,会影响整个区域的生态安全格局。因此,针对研究区域生态夹点应采取有效的保护措施与管理机制,保证区域生态夹点的物种流通性,将夹点区域设定为自然保护区,避免其遭到人为破坏。

3.5.4去除生态障碍点

障碍点是阻碍物种在生态斑块之间进行迁徙活动的区域,去除区域内障碍点有益于提升生态多样性和景观连通性。可采取改变障碍点区域用地类型,或是根据场地实际情况建造生态桥、涵洞等人造生态通道,保证物种的通达性。除此之外,对于廊道周边的绿化建设也需要重视,避免人造地表的无序扩张,为生态廊道的后续规划保存足够的空间。

4 讨论与结论

4.1 讨论

该研究剖析了2000—2020年三明市区景观格局及生态空间的演变,城市化的快速发展对于山地城市生态环境具有一定影响,人为活动区域的持续扩张以及生态源地的破碎化一直在动态地影响区域生态格局。近20年来,以各级城市为中心的快速城镇化发展导致山地城市的生态空间呈现出减少和破碎化的现象,并且,近年来城镇化进程仍然在动态地影响着区域生态格局。在国土空间规划背景下,各级城市需要形成生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀的可持续发展国土空间格局。生态网络的构建对于生态空间规划显得尤为重要,将区域内生态空间分布进行可视化分析并量化其生态安全格局,可为后续区域生态红线的划定提供一定参考,也可为区域山水林田湖草沙的系统性修复提供基础框架。对于三明市这类山地城市来说,需要结合自身的地理格局特征及自然资源,全面考虑人口分布、经济发展和生态保护等问题,划定生态红线,保护好生态源地及永久基本农田。以生态廊道为媒介对生态源地进行连接从而形成生态网络,对于生态廊道中的各种生态节点进行科学规划,遵循“斑块-廊道-基底”的总体思路来规划生态网络,将城市化建设镶嵌在自然生态系统的基底上,进一步改善大规模城镇化建设对于区域生态系统的影响,促进三明市域国土空间规划工作的有效进行。

研究区域内模拟生成的廊道路线、廊道的等级划分以及各类生态节点的识别,给三明市区在重新划分市辖区后的城市绿色基础设施布局及后续优化提供了一定的科学参考,以便重新对三明市区生态网络分布进行梳理。以生态廊道建设为媒介,将各区域之间进行串联,进一步推动了三元区与沙县区两个新的市辖区之间的自然资源整合,对各类生态节点的识别则进一步完善了生态网络的构建。此外,生态网络的构建缓解了三明市这类山地城市因内聚化发展所导致的城市绿色空间不足的压力,在增强城乡区域之间景观连通性的同时也会拉动各区域城市居民之间的互动性与参与性。

4.2 结论

基于MSPA方法、电路理论和重力模型等技术手段,对比分析了2000、2010和2020年三明市区景观格局、生态源地和生态阻力面的变化,构建了三明市区绿地生态网络的形成路径以及各类节点的位置。研究结果表明:(1)2000—2020年核心区面积占研究区域总面积的比例均超过50%,但呈现逐年下降趋势。(2)通过对3个时期选取出的核心区域进行叠加,最终得到11处重要生态源地。(3)2000—2020年三明市区阻力空间分布主要以中心城区作为高阻力区域,形成由内向外的辐射圈层结构。(4)构建了三明市区24条生态廊道,包括2条1级廊道、5条2级廊道和17条3级廊道。(5)三明市区生态网络有22个踏脚石、47个生态夹点、54个障碍点和114个断裂点。