路 曉, 王金滿,2, 李新鳳, 馮 宇

〔1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 北京 100083; 2.國(guó)土資源部 土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100035〕

基于最小費(fèi)用距離的土地整治生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

路 曉1, 王金滿1,2, 李新鳳1, 馮 宇1

〔1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院,北京100083; 2.國(guó)土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100035〕

[目的] 構(gòu)建土地整治生態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系，強(qiáng)化生態(tài)涵養(yǎng)功能，為減輕縣域土地整治對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響提供技術(shù)支撐。 [方法] 基于最小費(fèi)用距離模型，利用ArcGIS軟件的Cost Path模塊生成最小路徑，構(gòu)建“節(jié)點(diǎn)—廊道—基質(zhì)”為一體的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；并運(yùn)用Fragstats 4.2景觀格局分析和ArcGIS緩沖區(qū)分析，對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)景觀格局指數(shù)和土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。 [結(jié)果] (1) 通過選定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值功能大的節(jié)點(diǎn)作為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)建設(shè)，充分發(fā)揮了園林的綠肺功能； (2) 通過加強(qiáng)廊道和基質(zhì)建設(shè)，增加了景觀連接度，實(shí)現(xiàn)了景觀功能優(yōu)化； (3) 通過生態(tài)連通度優(yōu)化，改善了現(xiàn)存生態(tài)網(wǎng)絡(luò)斑塊的數(shù)量和質(zhì)量，提高了生物物種多樣性。 [結(jié)論] 基于最小費(fèi)用距離模型，通過景觀格局指數(shù)分析將各種景觀斑塊整合成一個(gè)相對(duì)完整、穩(wěn)定且連續(xù)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，使區(qū)域生態(tài)景觀空間布局更加合理，可為縣域土地整治生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

土地整治; 生態(tài)網(wǎng)絡(luò); 最小費(fèi)用距離模型

文獻(xiàn)參數(shù)： 路曉, 王金滿, 李新鳳, 等.基于最小費(fèi)用距離的土地整治生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建[J].水土保持通報(bào)，2017,37(4)：143-149.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.024； Lu Xiao, Wang Jinman, Li Xinfeng, et al. Ecological network construction of county land consolidation and rehabilitation based on least cost distance model[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：143-149.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.024

快速城市化在產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)加劇了景觀破碎度，干擾了正常的景觀生態(tài)過程和生態(tài)調(diào)控能力，導(dǎo)致生態(tài)服務(wù)功能降低。土地整治是新時(shí)期增加耕地面積，提高糧食產(chǎn)量的重要手段，然而土地整治通過生物及工程措施改變了土地利用空間結(jié)構(gòu)和土地覆被狀況，對(duì)景觀多樣性和空間格局產(chǎn)生了影響[1]。加之目前土地整治的一大目標(biāo)就是通過生物生境修復(fù)實(shí)現(xiàn)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，提升水土安全，保護(hù)生物多樣性，提高鄉(xiāng)村生態(tài)服務(wù)功能和景觀價(jià)值，并促進(jìn)鄉(xiāng)村休閑旅游發(fā)展[2]。因此，在土地整治過程中構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)、加強(qiáng)景觀生態(tài)建設(shè)，成為土地整治健康持續(xù)發(fā)展的迫切需求，也是促進(jìn)土地整治從以耕地?cái)?shù)量為主向耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量和景觀生態(tài)保護(hù)并重轉(zhuǎn)變的有效途徑[3]。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是由各種類型的生態(tài)功能區(qū)、生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點(diǎn)形成的生物種群間互利共生的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)。它是基于系統(tǒng)學(xué)原理的生態(tài)要素相互作用的規(guī)劃構(gòu)建，通過生成節(jié)點(diǎn)、廊道和踏腳石連接破碎的生境，提高景觀連通度，促進(jìn)綠地斑塊間的基因交流和物種遷移的多途徑生態(tài)恢復(fù)方式[4]。這種復(fù)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保證了物質(zhì)、能量、信息在各斑塊之間的流通，可使物種從不適宜地區(qū)遷移到適宜地區(qū)[5]，同時(shí)個(gè)別廊道或斑塊的消失也不會(huì)改變區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的整體功能[6]。然而針對(duì)土地整治過程中出現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境惡化等問題，已有研究中采取的整治措施往往局限于植樹種草、護(hù)坡治理等單項(xiàng)工程，而未能從整體角度出發(fā)，構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)揮整體功能最大化的特點(diǎn)，致使出現(xiàn)“財(cái)力物力投入大，而效果不佳”的局面。因此，構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)成為加強(qiáng)土地整治生態(tài)環(huán)境保護(hù)的有效途徑。目前大量學(xué)者對(duì)景觀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建進(jìn)行了研究?；谏锟臻g運(yùn)動(dòng)潛在趨勢(shì)與景觀格局改變之間的關(guān)系，Knaapen等[7]提出了用最小費(fèi)用距離模型作為景觀格局優(yōu)化的依據(jù)，它能夠很好地揭示景觀格局與生態(tài)過程和功能的關(guān)系，為景觀格局優(yōu)化提供一定的理論基礎(chǔ)。岳德鵬等[8]與魏偉等[9]針對(duì)北京西北地區(qū)和石羊河流域，在GIS和RS支持下，依據(jù)累積費(fèi)用距離理論構(gòu)建源地、生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點(diǎn)等景觀組分來加強(qiáng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的空間聯(lián)系，并提出了景觀優(yōu)化方案。劉杰等[10]運(yùn)用最小費(fèi)用距離模型對(duì)區(qū)域景觀格局進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)針對(duì)節(jié)點(diǎn)、源地和廊道進(jìn)行了細(xì)部規(guī)劃與設(shè)計(jì)。目前最小費(fèi)用距離模型在景觀格局優(yōu)化方面的研究較為成熟，但在土地整治中應(yīng)用最小費(fèi)用距離模型的研究較少，故本文將最小費(fèi)用距離模型引入土地整治生態(tài)網(wǎng)絡(luò)問題的研究，通過設(shè)定節(jié)點(diǎn)，將其作為生態(tài)源，計(jì)算最小費(fèi)用距離和方向，生成最小費(fèi)用路徑，構(gòu)建生態(tài)廊道，并將理論廊道與實(shí)際廊道對(duì)比分析，提出景觀格局優(yōu)化策略，以期為縣域土地整治生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

選擇北京市平谷區(qū)為研究區(qū)域，位于北緯40°02′—40°22′，東經(jīng)116°55′21″—117°24′07″，該區(qū)南北約38.5 km，東西約40.25 km，現(xiàn)狀土地總面積948.35 km2，地處北京東部，是北京市遠(yuǎn)郊區(qū)縣之一。平谷區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明；北、東、南3面環(huán)山，地形上東北高西南低，且平原區(qū)約占全區(qū)面積的30%；土壤主要有棕壤、褐土、潮土3個(gè)土類，其中褐土和潮土占全區(qū)面積的98.4%；是獨(dú)立的山間盆地水文地質(zhì)單元區(qū)，其水系不受市工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)工業(yè)污染的影響，尤以儲(chǔ)量豐富的地下水資源更為出色，水質(zhì)優(yōu)良。平谷區(qū)生態(tài)環(huán)境存在較多隱憂，正確處理好土地利用與生態(tài)保護(hù)的關(guān)系難度較大。一方面，自上而下的發(fā)展定位要求嚴(yán)格進(jìn)行土地生態(tài)保護(hù)，加強(qiáng)退耕還林工作，經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)建設(shè)、耕地占補(bǔ)平衡之間的矛盾比較突出。另一方面，農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施和人居環(huán)境質(zhì)量差，溝路林渠破損嚴(yán)重，鄉(xiāng)村河流生態(tài)功能缺失。因此，平谷區(qū)需要強(qiáng)化土地整治生態(tài)涵養(yǎng)以及景觀建設(shè)的內(nèi)涵，既要提高土地綜合生產(chǎn)能力、改善生態(tài)環(huán)境，還要提高生態(tài)景觀服務(wù)功能，挖掘城鄉(xiāng)景觀的美學(xué)價(jià)值和文化價(jià)值。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

以研究區(qū)2014年Spot遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用ENVI 4.6軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行了圖像校正等預(yù)處理，然后采用監(jiān)督分類法進(jìn)行圖像解譯，并使用Confusion Matrix等工具通過設(shè)置混淆矩陣參數(shù)，結(jié)合野外實(shí)地調(diào)研，不斷地對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行修改和校正，最終獲得解譯精度滿足研究區(qū)景觀分析精度要求的土地利用現(xiàn)狀圖。最后利用ArcGIS 10.2軟件獲得研究區(qū)耕地、林地、園地、水域、其他草地、裸巖石礫地和建設(shè)用地7種景觀分布圖如附圖4所示。

2 研究方法

2.1 最小費(fèi)用距離模型

最小距離模型是以景觀生態(tài)學(xué)和保護(hù)生態(tài)學(xué)等理論為基礎(chǔ)，通過考慮景觀的地理學(xué)信息和生物體的行為特征，反映景觀格局和水平生態(tài)過程，在土地整治生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程中，選用最小費(fèi)用距離模型可以通過不同土地利用類型對(duì)不同物種的生境適宜性大小構(gòu)建阻力面，再利用ArcGIS生成潛在生態(tài)廊道，可以較為科學(xué)地確定生態(tài)廊道的位置和格局。最小費(fèi)用距離是指從源經(jīng)過不同阻力的景觀所耗費(fèi)的費(fèi)用或者克服阻力所做的功。其計(jì)算是通過景觀單元的成本因子修正直線距離，即通過確定物質(zhì)、能量等在空間流動(dòng)所需的耗費(fèi)系數(shù)來計(jì)算每個(gè)單元與源點(diǎn)單元之間的距離最短、成本最低的最小費(fèi)用距離。費(fèi)用距離的分析都需要源點(diǎn)和費(fèi)用分布圖，其目的是為計(jì)算每一個(gè)基本像元通過一個(gè)費(fèi)用表面到最近源的最小累積費(fèi)用距離，常采用基于節(jié)點(diǎn)/鏈接的像元表示法進(jìn)行計(jì)算[11]，即像元的中心稱為節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)被多條鏈連接，每條鏈接都具有一定的抗阻，其取決于鏈接所聯(lián)系的單元的費(fèi)用值與運(yùn)動(dòng)的方向。通過某一費(fèi)用表面到源的累積費(fèi)用距離計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中：Ci——第i個(gè)像元的費(fèi)用值；Ci+1——沿運(yùn)動(dòng)方向上第i+1個(gè)像元的費(fèi)用值；n——像元總數(shù)；A——指通過某一費(fèi)用表面到源的累積費(fèi)用距離；當(dāng)通過某一費(fèi)用表面沿著像元的垂直或者水平方向運(yùn)動(dòng)時(shí)采用公式(1)計(jì)算；當(dāng)通過某一費(fèi)用表面沿著像元的對(duì)角線方向運(yùn)動(dòng)時(shí)采用公式(2)計(jì)算。

累積費(fèi)用距離可反映生態(tài)源運(yùn)動(dòng)的空間趨勢(shì)[10]。物種在遷移擴(kuò)散時(shí)，不同景觀要素或土地利用類型會(huì)對(duì)該運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定的阻力，物種在克服這一阻力所做的功即為最小累積費(fèi)用距離[12]。

2.2 土地整治生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

2.2.1 阻力值的確定 景觀阻力是指物種在不同景觀單元之間遷移的難易程度，一般斑塊生境適宜性越高，物種遷移的景觀阻力越小。本研究根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值強(qiáng)度來確定景觀阻力的大小，各景觀類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值參考Costanza等[13]、陳仲新等[14]的研究，由于市場(chǎng)失效和生態(tài)系統(tǒng)功能與服務(wù)的復(fù)雜性，對(duì)以上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的評(píng)估結(jié)果有較多的異議，且單位面積生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能價(jià)值不僅取決于生物量，而且取決于其在空間的位置。因此，本文依據(jù)謝高地的利用意愿價(jià)值調(diào)查評(píng)估法根據(jù)中國(guó)實(shí)際情況對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行調(diào)整，建立的中國(guó)不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值(表1)[15-16]。根據(jù)表中各景觀類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的相對(duì)差異并結(jié)合研究區(qū)土地整治現(xiàn)狀，將景觀阻力值劃定在0～100之間，對(duì)區(qū)域不同土地利用類型的景觀阻力進(jìn)行賦值[10]。研究區(qū)水域單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值功能最高，阻力最小，阻力值設(shè)為10；建設(shè)用地單位面積生態(tài)服務(wù)功能最低，阻力最大，阻力值設(shè)為100，其他景觀類型阻力值的范圍10～100(表2)。在景觀類型阻力值確定的基礎(chǔ)上，采用ArcGIS 10.2軟件生成景觀阻力面如附圖5所示。

表1 2007年中國(guó)各土地類型單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值 元/(hm2·a)

2.2.2 節(jié)點(diǎn)的確定 節(jié)點(diǎn)是物質(zhì)、能量甚至功能服務(wù)的源頭和匯集處，在景觀功能網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)可以是具體的景觀斑塊或類似功能斑塊的中心。本文選取生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值和斑塊密度均較高的水域、林地與園地，并按生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值強(qiáng)度大小劃分為3級(jí)生態(tài)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了提高生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中斑塊聚集程度的目的。在此基礎(chǔ)上，采用ArcGIS 10.2軟件提取一定規(guī)模的水域、林地和園地斑塊作為生態(tài)節(jié)點(diǎn)，并將不同的節(jié)點(diǎn)看作不同的生態(tài)源。由于不同面積的生態(tài)斑塊，發(fā)揮的生態(tài)效能也不一樣[17]，一般來說，面積大的斑塊服務(wù)半徑也相對(duì)較大，大型植被斑塊在涵養(yǎng)水源、維持物種數(shù)量與健康、規(guī)避干擾等方面作用更大。根據(jù)面積較大、數(shù)量適當(dāng)且盡量遍布區(qū)域的原則，提取研究區(qū)內(nèi)斑塊作為生態(tài)源。由于區(qū)內(nèi)水域斑塊較少，僅選取對(duì)區(qū)域有重要作用的斑塊作為一級(jí)節(jié)點(diǎn)；而區(qū)域內(nèi)林地斑塊和園地斑塊數(shù)量龐大，在選取斑塊時(shí)要求斑塊面積應(yīng)為最大斑塊面積的1/2以上。因此，最終確定將大于300 hm2的1個(gè)水域斑塊作為一級(jí)節(jié)點(diǎn)，大于60 hm2的10個(gè)林地斑塊作為二級(jí)節(jié)點(diǎn)，大于65 hm2的6個(gè)園地斑塊作為三級(jí)節(jié)點(diǎn)，使相互之間的聯(lián)系更緊密，更有助于生物物種在生態(tài)廊道及網(wǎng)絡(luò)中擴(kuò)散與遷移，提高生態(tài)系統(tǒng)功能。

表2 平谷區(qū)景觀類型阻力值確定

2.2.3 廊道的生成 生態(tài)廊道可以將各生境斑塊連接在一起，從而減少景觀破碎化對(duì)生物多樣性的影響。本文利用表2土地利用景觀阻力值得到附圖5所示的平谷區(qū)景觀類型阻力面。區(qū)域中高阻力區(qū)主要分布在南部和西南部，是建設(shè)用地、交通用地和裸巖分布最為密集的類型區(qū)，對(duì)生物物種擴(kuò)散的阻隔作用明顯，因此必須在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中加以改善，以增加生境斑塊間的連接度水平。同時(shí)，改善其植被組成結(jié)構(gòu)和增加物種多樣性，對(duì)于改善與優(yōu)化生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常重要。低阻力區(qū)主要集中在研究區(qū)北部，以綠地、農(nóng)田和河流為主，是研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)最為完整、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最好的區(qū)域，承擔(dān)著區(qū)域水源涵養(yǎng)、生態(tài)屏障和生物多樣性保護(hù)的重要作用。生態(tài)廊道的生成主要是通過計(jì)算源與目標(biāo)之間的最小累積費(fèi)用值來獲取。本文選取不同等級(jí)生態(tài)節(jié)點(diǎn)作為源，借助ArcGIS 10.2軟件地理信息系統(tǒng)空間分析工具中的Cost Distance模塊生成累積費(fèi)用距離分布圖(圖1)。然后采用Cost Back Link模塊計(jì)算最小費(fèi)用方向，基于累積費(fèi)用距離和最小費(fèi)用方向，利用Cost Path追蹤目的單元和源點(diǎn)之間的路徑并提取最小費(fèi)用路徑，將生成的最小費(fèi)用路徑作為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)廊道，并將生成的理論廊道與研究區(qū)實(shí)際廊道相疊加。多數(shù)廊道與道路河流分布一致，穿越廊道的景觀阻力較低，廊道構(gòu)建成本也較小，故選取本區(qū)關(guān)鍵道路與河流作為本區(qū)主要生態(tài)廊道，符合生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分布特征。

2.2.4 基質(zhì)的確定 基質(zhì)是景觀鑲嵌內(nèi)的背景生態(tài)系統(tǒng)或土地利用類型，是景觀中最廣泛連通的部分，其通透性對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連接度有重要的影響。本研究將住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)和農(nóng)業(yè)區(qū)確定為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的基質(zhì)。住宅區(qū)主要通過建立綠地系統(tǒng)維護(hù)小區(qū)綠化，實(shí)現(xiàn)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接；商業(yè)區(qū)與工業(yè)區(qū)主要通過建立景觀廊道實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)建設(shè)；而農(nóng)業(yè)區(qū)作為重要的生態(tài)區(qū)域，自身具備改善生態(tài)環(huán)境的能力，在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中需重點(diǎn)考慮。

圖1 平谷區(qū)景觀累積費(fèi)用距離分布

2.3 土地整治生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析與優(yōu)化

2.3.1 生境斑塊景觀格局分析 本文采用Fragstats 4.2景觀格局分析軟件計(jì)算景觀格局指數(shù)。景觀格局指數(shù)是指能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置等特征的簡(jiǎn)單定量指標(biāo)[18]。通過景觀格局指數(shù)分析可以揭示生態(tài)網(wǎng)絡(luò)斑塊結(jié)構(gòu)變化的特征和機(jī)制以及對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的影響。根據(jù)本研究區(qū)域的特點(diǎn)，本文選擇斑塊數(shù)(NP)，斑塊密度(PD)，斑塊類型面積(CA)，斑塊面積比例(PLAND)，最大斑塊指數(shù)(LPI)，面積加權(quán)平均斑塊面積(AREA＿AM)，多樣性指數(shù)(SHDI)，斑塊多度(PR)，斑塊連接度(COHESION)等景觀格局指數(shù)。平谷區(qū)綠地斑塊景觀指數(shù)詳見表3，通過景觀格局指數(shù)分析生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的空間連通性，并依據(jù)連通狀況對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。

2.3.2 生態(tài)廊道土地利用結(jié)構(gòu)分析 最小累積費(fèi)用模型生成的生態(tài)廊道缺乏實(shí)際建設(shè)需要的寬度特征，在發(fā)揮其生態(tài)服務(wù)價(jià)值和保護(hù)生物多樣性方面有一定的局限性。隨著廊道寬度的增加，環(huán)境異質(zhì)性增強(qiáng)，進(jìn)而造成物種多樣性的增加，但寬度對(duì)物種數(shù)量的影響效應(yīng)存在不一致性。因此本文依據(jù)張紅旗等[19]的研究結(jié)果，以生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過緩沖區(qū)空間分析，分別得到以5，10，20，30，60，100，200，400和600 m為廊道寬度的各緩沖區(qū)內(nèi)生態(tài)用地、生態(tài)生產(chǎn)用地、生產(chǎn)生態(tài)用地和生活生產(chǎn)用地的面積比例(表4)。將廊道寬度大于臨界值的廊道提取出來，并剔除經(jīng)過同一生境斑塊而造成的冗余廊道，得到研究區(qū)最佳廊道寬度值，從而提高生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的整體質(zhì)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

表3 平谷區(qū)現(xiàn)狀綠地斑塊景觀指數(shù) hm2

表4 不同廊道寬度內(nèi)土地利用功能類型面積比例 %

3 基于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的土地整治生態(tài)環(huán)境建設(shè)及優(yōu)化

3.1 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)建設(shè)

景觀格局指數(shù)中的斑塊連接度可較好地識(shí)別出生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的核心斑塊，形成物種保護(hù)的適宜生境。本文選取的生態(tài)節(jié)點(diǎn)主要為生態(tài)服務(wù)價(jià)值大、面積也大的水域、林地與園地斑塊，因此在土地整治生態(tài)環(huán)境建設(shè)過程中需要有針對(duì)性的進(jìn)行關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的建設(shè)。本文結(jié)合平谷區(qū)土地利用規(guī)劃，實(shí)地勘察分析植被組成、綠地布局等因素，利用GIS查詢功能，選取斑塊面積大于5 hm2的主要水域作為一級(jí)節(jié)點(diǎn)，面積2～5 hm2的主要林地作為二級(jí)節(jié)點(diǎn)，參考生態(tài)服務(wù)價(jià)值(表1)和景觀格局分析結(jié)果(表3)，選取斑塊面積1～2 hm2的主要園地作為三級(jí)節(jié)點(diǎn)，得到研究區(qū)基于景觀格局指數(shù)的一級(jí)節(jié)點(diǎn)1個(gè)，二級(jí)節(jié)點(diǎn)10個(gè)，三級(jí)節(jié)點(diǎn)6個(gè)，有助于生物種在生態(tài)廊道及網(wǎng)絡(luò)中擴(kuò)散與遷移，提高生態(tài)系統(tǒng)功能。

3.1.1 一級(jí)節(jié)點(diǎn) 一級(jí)節(jié)點(diǎn)為水域斑塊。自然河流、人工水渠、水庫(kù)等共同構(gòu)成了平谷區(qū)水域系統(tǒng)，主要河流有泃河、洳河(原錯(cuò)河)和金雞河，主要水庫(kù)有海子水庫(kù)、黃松峪水庫(kù)和西峪水庫(kù)，作為北京市重要的供水源地，是建設(shè)的重點(diǎn)，也是本區(qū)今后發(fā)展建設(shè)的首要任務(wù)。

3.1.2 二級(jí)節(jié)點(diǎn) 二級(jí)節(jié)點(diǎn)為林地斑塊，主要位于中北部地區(qū)和東部地區(qū)。在土地整治生態(tài)環(huán)境建設(shè)過程中應(yīng)采用喬、灌、草立體配置模式對(duì)二級(jí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建設(shè)，以充分發(fā)揮林地凈化空氣、含蓄水源、保持水土的生態(tài)功能，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)。同時(shí)，結(jié)合新農(nóng)村和小城鎮(zhèn)加強(qiáng)城鎮(zhèn)綠地系統(tǒng)建設(shè)，以改善城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境。平谷區(qū)境內(nèi)的四座樓保護(hù)區(qū)，是北京市級(jí)自然保護(hù)區(qū)，要嚴(yán)格劃分核心區(qū)、緩沖區(qū)與外圍區(qū)，實(shí)施嚴(yán)格的管理措施。

3.1.3 三級(jí)節(jié)點(diǎn) 三級(jí)節(jié)點(diǎn)為園地斑塊，主要分布在北部地區(qū)，在南部地區(qū)主要沿道路成帶狀分布。園地應(yīng)發(fā)揮其自身的生態(tài)阻隔及景觀功能，在土地整治過程中可采取一系列具體措施，實(shí)現(xiàn)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接。首先，在園地斑塊之間建造植物籬或農(nóng)田防護(hù)林帶，營(yíng)造動(dòng)物棲息地，以加強(qiáng)生態(tài)聯(lián)系，保護(hù)多樣性；其次，建造園地生態(tài)化道路和溝渠，通過恢復(fù)灌草防止水土流失，起到減少道路和溝渠的阻隔效應(yīng)。

3.2 生態(tài)廊道建設(shè)

生境廊道優(yōu)化是提高生境連通性、保護(hù)生物多樣性的重要保障。根據(jù)生態(tài)廊道緩沖區(qū)分析結(jié)果(表4)，研究區(qū)內(nèi)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)主要構(gòu)成要素為生產(chǎn)生態(tài)用地，且隨著廊道變寬，其面積不斷減少，說明此生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)良好。此外，通過對(duì)生態(tài)廊道不同緩沖距離的分析可以看出，在較窄廊道寬度(如20 m)下，生態(tài)用地和生態(tài)生產(chǎn)用地均呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，達(dá)到30 m及以上時(shí)面積不斷增加。但生產(chǎn)生態(tài)用地在廊道寬度小于200 m時(shí)面積逐漸增加，達(dá)到200 m及以上后不斷減少，明顯降低了生態(tài)廊道的整體質(zhì)量，且由于生態(tài)廊道大多為人類活動(dòng)影響較弱的地區(qū)，說明平谷區(qū)適宜構(gòu)建100 m以內(nèi)的道路生態(tài)廊道和30～100 m的水系廊道。

河流廊道生態(tài)功能最重要的2個(gè)影響指標(biāo)是連續(xù)性和寬度，河流兩邊應(yīng)該保持足夠?qū)挾鹊闹脖粠?，以控制來自兩岸的污染物質(zhì)，并為物種提供足夠的生境和通道。因此，在河流廊道建設(shè)過程中將兩側(cè)的林網(wǎng)寬度設(shè)置為30～100 m，同時(shí)道路兩側(cè)的林網(wǎng)設(shè)為100 m以下。高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)增加緩沖帶建設(shè)可以降低面源污染負(fù)荷，因此可在河流與農(nóng)田之間增設(shè)緩沖帶，種植重金屬吸附作用強(qiáng)的植被，減輕重金屬污染[20]。由于平谷區(qū)中北部地區(qū)實(shí)際道路與河流廊道較少，且孤立的生態(tài)廊道無法實(shí)現(xiàn)生態(tài)流的連續(xù)，因此在土地整治生態(tài)環(huán)境建設(shè)過程中，需要根據(jù)生成的廊道位置通過建設(shè)防風(fēng)林帶等方式增設(shè)廊道。此外，平谷區(qū)中、北部廊道存在不連續(xù)問題，需要建設(shè)片林或小塊綠地等方式來增設(shè)踏腳石，以增加物種在斑塊間的運(yùn)動(dòng)，使生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加連續(xù)、穩(wěn)定。

3.3 基質(zhì)優(yōu)化

在基質(zhì)建設(shè)中，要避免生態(tài)服務(wù)功能較強(qiáng)的景觀組分和低功能組分直接相鄰，造成生態(tài)環(huán)境的惡性循環(huán)[9]。通過分析土地利用生態(tài)服務(wù)價(jià)值(表1)和景觀格局指數(shù)(表3)可知，生態(tài)服務(wù)大小順序?yàn)椋汉恿?林地>草地>農(nóng)田，其斑塊連接度大小順序?yàn)?耕地>草地>園地>林地>建設(shè)用地>水域。為避免住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)等生態(tài)功能較弱的基質(zhì)與周邊景觀功能在空間格局上的直接沖突，需在鄰接地帶配置草地、園地和農(nóng)田等景觀組分，這些組分對(duì)建筑群、道路等高阻力景觀一定的緩沖作用，有助于生態(tài)功能的維持和協(xié)調(diào)[8]。另外，鑒于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連通性和美觀性，可在農(nóng)村居民點(diǎn)和農(nóng)田之間種植綠化隔離帶，進(jìn)行喬—灌—草—花合理搭配，既有利于提高生態(tài)服務(wù)工程，又具有較好的觀賞性。

3.4 連通性優(yōu)化

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局可以通過生態(tài)用地的斑塊個(gè)數(shù)、斑塊密度、破碎度和斑塊聚集度等指數(shù)來反映。在土地整治生態(tài)網(wǎng)絡(luò)重建過程中，生態(tài)廊道的變更會(huì)阻隔區(qū)域內(nèi)主要景觀生態(tài)單元之間的能量和信息交流，且阻力值越大的地方生態(tài)連通性越弱。因此可通過土地整治建設(shè)用地復(fù)墾、零散田塊合并、田間道路修整和硬質(zhì)地面減少等方式增強(qiáng)景觀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連通性。通過分析研究區(qū)景觀格局指數(shù)(表3)可以看出，其綠地多樣性指數(shù)為1.62，斑塊多度為7.00，表明平谷區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較豐富；由斑塊密度可以看出各地類斑塊分布較分散。而從斑塊數(shù)、面積加權(quán)平均斑塊面積可以看出，平谷區(qū)內(nèi)景觀破碎度較大，斑塊分布比較分散。由表2可知，各地類斑塊中林地和園地占主導(dǎo)地位，控制著整個(gè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的景觀功能。平谷區(qū)分布著較多的農(nóng)田和村莊，建有苗圃地、果園等基地，向城區(qū)提供綠化所需的植物材料。從斑塊連接度可以看出斑塊類型中生產(chǎn)綠地分布最聚集，說明其生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的空間連通性程度最高，而水域的斑塊連接度相對(duì)較低，因此應(yīng)在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中加強(qiáng)水域的景觀連通性。在研究區(qū)斑塊面積比例和最大斑塊指數(shù)中，林地和園地是優(yōu)勢(shì)景觀類型，而耕地、水域、建設(shè)用地等斑塊面積比例很小，應(yīng)該促進(jìn)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的均衡布局，引導(dǎo)景觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化布局，實(shí)現(xiàn)道路等建設(shè)用地和綠地空間資源的有序配置，從而改善現(xiàn)存生態(tài)網(wǎng)絡(luò)斑塊的數(shù)量和質(zhì)量。

4 討論與結(jié)論

(1) 基于最小費(fèi)用距離模型，構(gòu)建“節(jié)點(diǎn)—廊道—基質(zhì)”為一體的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可有效維護(hù)土地生態(tài)系統(tǒng)的整體性，增加生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為構(gòu)建縣域土地整治生態(tài)網(wǎng)絡(luò)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

(2) 平谷區(qū)“節(jié)點(diǎn)—廊道—基質(zhì)”一體的土地整治生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案為：選取1個(gè)水域斑塊作為一級(jí)節(jié)點(diǎn)，10個(gè)林地斑塊作為二級(jí)節(jié)點(diǎn)和6個(gè)園地斑塊作為三級(jí)節(jié)點(diǎn)；通過利用現(xiàn)有廊道，增設(shè)廊道和踏腳石進(jìn)行生態(tài)廊道建設(shè)；增加基質(zhì)的通透性，實(shí)現(xiàn)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接。

(3) 通過實(shí)施工程和生物措施加強(qiáng)土地整治生態(tài)環(huán)境建設(shè)及優(yōu)化。首先，強(qiáng)化關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點(diǎn)建設(shè)，加強(qiáng)區(qū)內(nèi)水域重點(diǎn)監(jiān)測(cè)與保護(hù)，嚴(yán)格管理自然保護(hù)區(qū)，充分發(fā)揮農(nóng)田的綠肺功能。其次，建設(shè)重點(diǎn)生態(tài)廊道，在區(qū)內(nèi)建設(shè)道路與河流林網(wǎng)系統(tǒng)，并增設(shè)踏腳石，增加景觀連接度。最后，加強(qiáng)基質(zhì)建設(shè)，在住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)等建立綠地系統(tǒng)和景觀廊道，實(shí)現(xiàn)景觀功能優(yōu)化。

(4) 與傳統(tǒng)分析方法相比，通過應(yīng)用景觀格局指數(shù)、最小費(fèi)用距離模型、廊道寬度等多種方法構(gòu)建區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，可更好地反映斑塊水平、景觀水平、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征和生態(tài)過程需求，為定量化評(píng)價(jià)縣域生態(tài)系統(tǒng)合理性提供依據(jù)，然而目前的生態(tài)廊道寬度適宜性分析研究和應(yīng)用尚處于嘗試階段，需要更多的案例進(jìn)一步豐富和完善。

[1] 劉紀(jì)遠(yuǎn),邵全琴,延曉冬,等.土地利用變化對(duì)全球氣候影響的研究進(jìn)展與方法初探[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2011,26(10):1015-1022.

[2] 鄖文聚,宇振榮.土地整治加強(qiáng)生態(tài)景觀建設(shè)理論、方法和技術(shù)應(yīng)用對(duì)策[J].中國(guó)土地科學(xué),2011,25(6):4-9.

[3] 王軍,李正,白中科,等.喀斯特地區(qū)土地整理景觀生態(tài)規(guī)劃與設(shè)計(jì)[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2011,30(7):906-911.

[4] Opdam P, Wascher D. Climate change meets habitat fragmentation: Linking landscape and biogeographical scale levels in research and conservation[J].Biological Conservation, 2004,117(3):285-297.

[5] Thomas C D, Cameron A, Green R E, et al.Extinction risk from climate change[J].Nature, 2004,427(6970):145-148.

[6] Opdam P, Steingr?ver E, Rooij S V. Ecological networks: A spatial concept for multi-actor planning of sustainable landscapes[J].Landscape and Urban Planning, 2006,75(3/(4):322-332.

[7] Knaapen J P, Scheffer M, Harms B. Estimating habitat isolation in landscape planning[J].Landscape and Urban Planning, 1992,23(1):1-16.

[8] 岳德鵬,王計(jì)平,劉永兵,等.GIS與RS技術(shù)支持下的北京西北地區(qū)景觀格局優(yōu)化[J],地理學(xué)報(bào),2007,62(11):1223-1231.

[9] 魏偉,趙軍,王旭峰.GIS,RS支持下的石羊河流域景觀利用優(yōu)化研究[J].地理科學(xué),2009,29(5):750-754.

[10] 劉杰,葉晶,楊婉,等.基于GIS的滇池流域景觀格局優(yōu)化[J].自然資源學(xué)報(bào),2012,27(5):801-808.

[11] 陳利頂,傅伯杰,趙文武.“源”“匯”景觀理論及其生態(tài)學(xué)意義[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2006,26(5):1444-1449.

[12] 李紀(jì)宏,劉雪華.基于最小費(fèi)用距離模型的自然保護(hù)區(qū)功能分區(qū)[J].自然資源學(xué)報(bào),2006,21(2):217-224.

[13] Costanza R, Arge R, Groot R, et al. The value of the world’s ecosystem services and natural capital[J].Nature, 1997,6630(387):253-260.

[14] 陳仲新,張新時(shí).中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)效益的價(jià)值[J].科學(xué)通報(bào),2000,45(1):17-22.

[15] 謝高地,魯春霞,冷允法,等.青藏高原生態(tài)資產(chǎn)的價(jià)值評(píng)估[J].自然資源學(xué)報(bào),2003,18(2):189-196.

[16] 謝高地,甄霖,魯春霞,等.一個(gè)基于專家知識(shí)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值化方法[J].自然資源學(xué)報(bào),2008,23(5):911-919.

[17] Herzele A V, Wiedemann T. A monitoring tool for the provision of accessible and attractive urban green spaces [J]. Landscape and Urban Planning, 2003,63(2):109-126.

[18] 孔繁花,尹海偉.濟(jì)南城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2008,28(4):1711-1719.

[19] 張紅旗,許爾琪,朱會(huì)義.中國(guó)“三生用地”分類及其空間格局[J].資源科學(xué),2015,37(7):1332-1338.

[20] 潘影,劉云慧,王靜,等.基于CLUE-S模型的密云縣面源污染控制景觀安全格局分析[J],生態(tài)學(xué)報(bào),2011,31(2):529-537.

Ecological Network Construction of County Land Consolidation and Rehabilitation Based on Least Cost Distance Model

LU Xiao1, WANG Jinman1,2, LI Xinfeng1, FENG Yu1

〔1.School of Land Science and Technology, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China; 2.Key Laboratory of Land Consolidation and Rehabilitation, Ministry of Land and Resources, Beijing 100035, China〕

[Objective] In order to reduce the negative impact of land consolidation on the ecological environment, and to strengthen the ecological conservation function of county land, this paper constructed an ecological network system. [Methods] The path cost module of ArcGIS software was used to generate the least path and to construct the network structure of the “node corridor matrix”. Moreover, Fragstats 4.2 landscape pattern analysis and ArcGIS buffer analysis were used to analyze the ecological network index of landscape pattern and land use structure. [Results] (1) The results showed that constructing the key nodes with high ecosystem service value function can exhibit the green lung function of the garden completely. (2) Strengthening the construction of corridor and matrix can increase the landscape connectivity and can realize the optimization of the landscape function. (3) Based on the optimization of ecological connectivity, the number and quality of the existing ecological network patch can be improved significantly, and the diversity of biological species can be increased markedly. [Conclusion] The path cost module was used to integrate landscape patches into a relatively complete, stable and continuous ecological network that can make the ecological landscape spatial distribution in the area more reasonable, which can provide theoretical basis and technical support for ecological network construction of land remediation.

landconsolidationandrehabilitation;ecologicalnetwork;theleastcostdistancemodel

B

： 1000-288X(2017)04-0143-07

： F301

2016-12-23

：2017-03-31

國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“北方村莊壓煤山丘區(qū)抗塌陷農(nóng)田綜合整治技術(shù)研究”(201411007-04)

路曉(1991—),女(漢族),河南省范縣人,碩士研究生,研究方向?yàn)橥恋卣闻c生態(tài)重建。E-mail:luxiao002016@163.com。

王金滿(1979—),男(漢族),內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市人,博士，教授,博士生導(dǎo)師,主要從事土地整理復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)方面的研究。E-mail:wangjinman2002@163.com。