劉華斌

楊 梅

李寶勇

過(guò)仕云

古新仁*

隨著新型城鎮(zhèn)化的推進(jìn)和城市的快速發(fā)展，城鄉(xiāng)環(huán)境格局發(fā)生了重大改變[1]，城鎮(zhèn)建成區(qū)規(guī)模擴(kuò)大的同時(shí)生態(tài)用地規(guī)模受到擠壓與分割，城市綠色斑塊破碎， 生物多樣性降低，各類綠地呈現(xiàn)生態(tài)“孤島”[2]，導(dǎo)致城市生態(tài)調(diào)控力下降，生物棲息地難以獲得有效保護(hù)、生物多樣性受到威脅，城市景觀效果、人居環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)安全受到嚴(yán)重影響[3-4]。目前，許多國(guó)家把綠色廊道建設(shè)作為破解城鄉(xiāng)生態(tài)問(wèn)題的有效途徑[5-6]。

綠色廊道(green corridor)是指具有保護(hù)生物多樣性、過(guò)濾污染物、防止水土流失、防風(fēng)固沙、調(diào)控洪水等生態(tài)服務(wù)功能的廊道類型[7]。它促進(jìn)生物因素運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)氣候，為野生動(dòng)物提供遷徙植被通道。內(nèi)涵上與生態(tài)廊道(ecological corridor)等同。生態(tài)安全是指生態(tài)系統(tǒng)的健康和完整情況。結(jié)合本研究特征，將生態(tài)安全定義為城市具備健康、穩(wěn)定、可持續(xù)的生態(tài)活力和狀態(tài)，具有維護(hù)生物多樣性、恢復(fù)和調(diào)控環(huán)境的能力。城市土地的緊缺，導(dǎo)致依賴增加綠地?cái)?shù)量面積改善城市生態(tài)環(huán)境的傳統(tǒng)方式已成困境，通過(guò)綠色廊道將棲息地、保護(hù)區(qū)等分散的生態(tài)斑塊連接起來(lái)，增強(qiáng)城市綠地景觀空間單元之間的連接度，能高效促進(jìn)物種遷移、能量交換和信息流通[8-10]，有利于生物多樣性保護(hù)和景觀安全格局優(yōu)化，從而以有限的城市用地保障區(qū)域生態(tài)安全。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在城市綠色廊道系統(tǒng)方面進(jìn)行了多角度探索研究，如對(duì)城市或區(qū)域等不同尺度的生態(tài)廊道或綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建[11-13]進(jìn)行了深入研究，提出城市綠色廊道的生態(tài)規(guī)劃方法[14]或功能類型設(shè)計(jì)重點(diǎn)[15]；或基于生態(tài)安全格局的綠色廊道構(gòu)建方法[16]；并對(duì)土地或景觀類型進(jìn)行多種生態(tài)安全評(píng)價(jià)[17]，包括PSR評(píng)價(jià)方法等[18]；也有學(xué)者就廊道的研究進(jìn)展[19-20]、價(jià)值研究[21]、廊道不同類別[22-23]等進(jìn)行了多領(lǐng)域研究，取得一定的成果。但相關(guān)研究在選擇確定生態(tài)用地具有一定主觀性，且依據(jù)單一物種確定相關(guān)模型參數(shù)、計(jì)算連通性指標(biāo)顯得片面和科學(xué)性不足，構(gòu)建的廊道體系也多為無(wú)寬度的概念廊道，不利于指導(dǎo)實(shí)際的生態(tài)建設(shè)。

“源-匯”理論基于生態(tài)學(xué)中的生態(tài)平衡理論，通過(guò)分析源匯景觀在空間上的變換及生態(tài)效應(yīng)，探討調(diào)控生態(tài)過(guò)程發(fā)展的途徑和方法[24]，有助于識(shí)別區(qū)域生態(tài)源地，理解區(qū)域生態(tài)格局與過(guò)程的關(guān)系，克服在確定生態(tài)用地時(shí)的主觀性。辨識(shí)生態(tài)廊道廣泛采用的是最小累積阻力模型(Minimum Cumulative Resistance model，MCR)的方法，它基于生物因素克服空間的不同土地景觀類型需克服不同阻力過(guò)程的原理，其阻力之和最小的路徑就是生態(tài)源地之間連接的最小累積阻力通道[25-26]。因此，以南昌市為例，運(yùn)用“源-匯”理論，借助GIS空間分析技術(shù)，以最小累積阻力模型構(gòu)建城市綠色廊道系統(tǒng)。在構(gòu)建的廊道基礎(chǔ)上以引力模型進(jìn)行廊道系統(tǒng)優(yōu)化，分析確定城市綠色廊道建設(shè)尺度并進(jìn)行生態(tài)連通度安全評(píng)價(jià)，從而規(guī)劃科學(xué)可行的南昌市綠色廊道系統(tǒng)。研究結(jié)果可以為其他城市及區(qū)域生態(tài)規(guī)劃建設(shè)的實(shí)際操作提供參考。

1 研究區(qū)概況

南昌市地處江西中部偏北，贛江與撫河下游，鄱陽(yáng)-湖西南岸，東經(jīng)115°27′～116°35′、北緯28°10′～29°11′之間。梅嶺國(guó)家級(jí)森林公園主峰為全境最高點(diǎn)，海拔841.4m。地形以鄱陽(yáng)湖平原為主，東北因?yàn)l臨鄱陽(yáng)湖，地勢(shì)較平坦，西南則多丘陵，河流湖泊豐富，水域面積達(dá)2 204.37km2，占市域面積29.78%。南昌市西含梅嶺，東臨鄱陽(yáng)湖，域內(nèi)有贛江、撫河等主要河流，植被豐富，湖泊眾多，形成“西山東水”的基本景觀格局。市域內(nèi)現(xiàn)有綠色廊道較為單一，主要為農(nóng)田或道路防護(hù)林帶、河流水系防護(hù)綠地等形式，如新建區(qū)象山鎮(zhèn)新增圩農(nóng)田防護(hù)林、環(huán)城快速路綠帶、贛江沿岸景觀綠地等，起到了防風(fēng)固土、改善城鄉(xiāng)小氣候、豐富生物多樣性的作用。但綠色廊道數(shù)量、長(zhǎng)寬度、連續(xù)性都顯不足，分布也十分有限，尚未形成協(xié)同維護(hù)城市生態(tài)安全的綠色廊道系統(tǒng)。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究以南昌市域全境為研究對(duì)象，基于30m空間分辨率的2017年6月Landsat-8衛(wèi)星遙感影像為主要數(shù)據(jù)源；江西省自然資源廳《土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)》(2017DLTB市級(jí)縮編)、30m分辨率的南昌市域DEM數(shù)據(jù)以及南昌市總體規(guī)劃(2005—2020)、南昌市城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃修編(2015—2020)數(shù)據(jù)。相關(guān)數(shù)據(jù)還取自南昌市統(tǒng)計(jì)局、水利局、林業(yè)局、園林局等。

2.2 綠色廊道系統(tǒng)構(gòu)建

2.2.1 源的確定與景觀重分類

“源-匯”是構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局的有效途徑，對(duì)城市綠色廊道規(guī)劃具有基礎(chǔ)作用。從景觀生態(tài)學(xué)角度，源是維護(hù)和促進(jìn)生態(tài)要素和過(guò)程、有利于物種多樣性發(fā)展的生境。匯則是阻止和擬制生態(tài)要素和過(guò)程的類型。對(duì)促進(jìn)物種、能量、信息等生物多樣性擴(kuò)展，改善城市生態(tài)環(huán)境的用地來(lái)說(shuō)，發(fā)育良好的林地、草地、濕地、田地、水體景觀類型，起到了“源”的作用，對(duì)阻止物種、能量、信息等生物多樣性擴(kuò)展，制約生態(tài)發(fā)展的城鎮(zhèn)居民點(diǎn)、道路交通、坡度、高程等，則起到了“匯”的作用。

依據(jù)南昌市衛(wèi)星遙感影像及土地景觀類型現(xiàn)狀圖，并根據(jù)自然資源分布及物種多樣性豐富程度，本文在市域內(nèi)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、森林公園、濕地公園、城市綠地等重要生境中選取10個(gè)動(dòng)植物種族群落完整的區(qū)域作為“源”斑塊(圖1)，分別是1梅嶺、2八角嶺、3象山、4葛家山、5龍頭山、6麻山、7洪背壟、8艾溪湖公園、9象湖公園、10黃家湖。源斑塊面積共366.5km2(表1)，約占南昌市域總面積(7 400km2)的5%。

2.2.2 構(gòu)建景觀阻力面形成綠色廊道

生物物種、能量、信息的流通與交換需要克服土地景觀類型造成的阻力才能得以實(shí)現(xiàn)，但這種阻力呈現(xiàn)顯著的非均一性。景觀類型、土地地形是影響景觀阻力的主要因素，其差異導(dǎo)致景觀阻力在空間分布上的巨大變化。最小累積阻力模型表明生態(tài)流在“源”地之間流通所應(yīng)付出的最小代價(jià)和路徑，由Knaapen提出[27]并經(jīng)俞孔堅(jiān)等人優(yōu)化得到。ArcGIS軟件中的成本路徑工具的算法原理是基于最小累積阻力模型。公式如下：

圖1 南昌市土地利用現(xiàn)狀分類(2017)及源斑塊分布

圖2 土地利用阻力值分析

圖3 高程阻力值分析

圖4 坡度阻力值分析

圖5 綜合阻力值分布

圖6 南昌市綠色廊道系統(tǒng)

圖7 完整廊道系統(tǒng)

圖8 優(yōu)化廊道系統(tǒng)

圖9 對(duì)比廊道系統(tǒng)

式中，MCR表示生態(tài)源地斑塊間生態(tài)流動(dòng)的最小累計(jì)阻力值；Dij及表示源斑塊i、j之間的空間距離；Ri表示斑塊i、j之間生態(tài)流動(dòng)需克服景觀類型的阻力值；n、m表示兩景觀斑塊各自的數(shù)目。

景觀類型劃分、阻力賦值與綠地斑塊選擇的合理性影響到綠色廊道空間分布。為簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)分析過(guò)程，研究對(duì)2017DLTB市級(jí)縮編中土地景觀類型進(jìn)行重分類。借鑒前人的研究成果[28]及結(jié)合南昌市特點(diǎn)，將土地景觀類型劃分為林地、耕地、草地、水體、建設(shè)用地、道路用地6類，并結(jié)合地形坡度、高程等2個(gè)方面，共同構(gòu)成阻力類型。為了便于不同類型阻力因素的比較和統(tǒng)一計(jì)算，對(duì)各類景觀進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用1～100 的分值，以此得到各類景觀阻力值(表2)。

選用土地利用類型、高程、坡度3個(gè)方面作為生態(tài)擴(kuò)張阻力的影響類型，并以它們?cè)谟绊懙闹匾潭确矫娲_定不同權(quán)重，分別為：土地利用0.7、高程0.2、坡度0.1。借助ArcGIS軟件，通過(guò)多次模擬阻力面，最終確定南昌市土地利用類型、高程、坡度的阻力值分析結(jié)果(圖2～4)。在ArcGIS中運(yùn)用Raster Calculate工具進(jìn)行計(jì)算，取得符合實(shí)際的擬合結(jié)果(圖5)。

通過(guò)該模型得到南昌市生態(tài)功能的潛在廊道結(jié)構(gòu)，10個(gè)綠地源斑塊可生成共45條廊道。得到一個(gè)累積景觀阻力最小的南昌市綠色廊道系統(tǒng)(圖6)。

2.2.3 吸引力模型辨識(shí)重要綠色廊道

生成的南昌市綠色廊道系統(tǒng)具備了理論意義上最充分完整的生物流通線路(圖7)。但由于廊道數(shù)量過(guò)于龐大，并且各條綠色廊道在整個(gè)城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的地位和作用是有差異的，因此既可行又有必要進(jìn)一步的選擇、提煉與優(yōu)化。

物理學(xué)中的萬(wàn)有引力定律，表明自然界中任何兩物體間引力與質(zhì)量成正比，與距離成反比。該定律可借鑒用于度量和判斷生態(tài)源斑塊之間的相互作用力強(qiáng)度和綠色廊道的相對(duì)重要性，為優(yōu)化綠色廊道系統(tǒng)提供依據(jù)。本文將重力模型進(jìn)行改進(jìn)，將物體質(zhì)量用生態(tài)源斑塊面積代替，即以面積的標(biāo)準(zhǔn)化值作為其權(quán)重值。得到綠色廊道吸引力模型：

表1 各類源斑塊面積

表2 不同景觀類型與地形因子級(jí)別的阻力值

表3 基于重力模型計(jì)算的斑塊間的相互作用矩陣

式中，Gab指源斑塊a與b之間的相互作用力，Na與Nb指源斑塊a與b的權(quán)重值，Dab指源斑塊a中心與源b中心間的空間路徑距離。得到各源斑塊間綠色廊道相互作用強(qiáng)度值(表3)。

在南昌市完整綠色廊道的基礎(chǔ)上，選取吸引力大于1.0的路徑，構(gòu)建出一個(gè)由21條廊道構(gòu)成的優(yōu)化綠色廊道系統(tǒng)(圖8)。該系統(tǒng)中廊道數(shù)量依然較多，且分布極為不均衡。作為對(duì)比，再去掉吸引力相對(duì)較小的廊道，保留吸引力大的主干廊道，但保留主城區(qū)的2條廊道，連接構(gòu)建對(duì)比綠色廊道系統(tǒng)(圖9)。

2.3 生態(tài)安全評(píng)價(jià)

2.3.1 綠色廊道安全寬度

城市廊道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的確定，但也只是缺乏尺度的概念系統(tǒng)。雖然廊道長(zhǎng)度隨構(gòu)建路徑的生成而確定，但是卻沒(méi)有寬度。只有具備寬度的綠色廊道才能進(jìn)行實(shí)際建設(shè)，并發(fā)揮其生態(tài)功能，維護(hù)物種多樣性，確保城市生態(tài)安全。綠色廊道寬度的變化，其內(nèi)部景觀生態(tài)異質(zhì)性、生物多樣性、生態(tài)安全性也隨之變化[29]。根據(jù)前文分析結(jié)果，選擇以優(yōu)化的綠色廊道系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以50、100、200、500、1 500m為廊道寬度，借助ArcGIS中的緩沖區(qū)分析及疊加運(yùn)算等過(guò)程，分別得到的各緩沖帶內(nèi)林地、草地、耕地、水體、建設(shè)用地、道路的景觀利用構(gòu)成的面積比例數(shù)據(jù)(表4)和相對(duì)變化比例圖(圖10)。

通過(guò)表格數(shù)據(jù)結(jié)果表明：對(duì)于南昌市，一定范圍內(nèi)隨著廊道建設(shè)寬度的變化，已構(gòu)建的廊道系統(tǒng)占用道路、草地、建設(shè)用地的比例基本保持在3%以內(nèi)的，占用水體比例也在10%左右，基本保持穩(wěn)定狀態(tài)(該結(jié)果也印證本文規(guī)劃綠色廊道的合理性)。林地、耕地是構(gòu)建的綠色廊道系統(tǒng)主要用地類型，在廊道寬度大于100m及以上時(shí)，耕地超過(guò)林地成為綠色廊道的最主要的用地類型，并逐漸增加占比。由于占用耕地(農(nóng)田)面積的迅速增加，一方面降低了綠色廊道的整體質(zhì)量，另一方面明顯增加了綠色廊道的建設(shè)成本，因此，南昌市適于修建100m以內(nèi)的廊道。

2.3.2 生態(tài)連通度安全評(píng)價(jià)

建設(shè)合理尺度的城市綠色廊道系統(tǒng)是以土地使用成本分析為依據(jù)，但僅僅依此確定城市綠色廊道規(guī)劃和建設(shè)還是不夠的。綠色廊道與所有源斑塊的連接程度稱作連接度，是廊道系統(tǒng)維護(hù)生態(tài)安全程度、有效和復(fù)雜程度的一個(gè)重要指標(biāo)。因此，選擇生態(tài)連接度作為綠色廊道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與性能的安全分析評(píng)價(jià)指標(biāo)。在一眾評(píng)價(jià)指標(biāo)中，為了簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)過(guò)程，僅選擇常用的連接度指數(shù)(閉合度α、點(diǎn)線率β、連接度γ)和成本比指數(shù)CR(Cost Ration)。

L表示系統(tǒng)中的綠色廊道總數(shù)，V表示源斑塊數(shù)量，d表示廊道長(zhǎng)度。成本比指數(shù)用來(lái)量化綠色廊道系統(tǒng)的建設(shè)成本，度量實(shí)際廊道的建設(shè)可行性與實(shí)踐性。利用α指數(shù)、β指數(shù)、γ指數(shù)和成本比指數(shù)分析廊道系統(tǒng)的連接度、連通效率和生態(tài)安全。

從上表數(shù)據(jù)可知，由45條廊道構(gòu)成的完整綠色廊道系統(tǒng)，α指數(shù)、β指數(shù)、γ指數(shù)均處于理想狀態(tài)，連通度最佳、復(fù)雜程度最高，是南昌市綠色源斑塊之間生物流最充分最有利的系統(tǒng)。但該系統(tǒng)數(shù)量大，占用最多的生態(tài)用地尤其是耕地，建設(shè)成本高。對(duì)比綠色廊道建設(shè)成本比最低，且具備相對(duì)連通性。但系統(tǒng)中回路數(shù)量非常有限，景觀流動(dòng)性最差，尤其是城市建成區(qū)。相對(duì)而言，優(yōu)化綠色廊道的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)較高，成本比適中，形成較充分的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于生態(tài)物質(zhì)能量和信息的有效流通。因此，綠色廊道系統(tǒng)以完整綠色廊道系統(tǒng)優(yōu)于對(duì)比綠色廊道系統(tǒng)，優(yōu)化生態(tài)廊道系統(tǒng)為最佳建設(shè)選項(xiàng)。

圖10 不同廊道寬度的用地比例變化

表4 不同廊道寬度內(nèi)景觀利用率(單位：%)

表5 綠色廊道系統(tǒng)生態(tài)安全指標(biāo)數(shù)據(jù)

綜上分析，在綠色廊道寬度基礎(chǔ)上，結(jié)果認(rèn)為構(gòu)建的南昌市綠地廊道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，是維護(hù)南昌城市生態(tài)安全的有效途徑。

3 結(jié)論與討論

文章以南昌市為例，在土地景觀類型分析基礎(chǔ)上，“源-匯”理論可以科學(xué)判定對(duì)生態(tài)過(guò)程有關(guān)鍵作用的生境要素，運(yùn)用最小累積阻力模型和改進(jìn)的吸引力模型識(shí)別潛在綠色廊道并進(jìn)行合理優(yōu)化，分析確定的100m廊道寬度為南昌城市生態(tài)安全建設(shè)提供了實(shí)際的、可行的理論與尺度數(shù)據(jù)支持。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行生態(tài)安全評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)表明，規(guī)劃的綠色廊道系統(tǒng)維護(hù)城市生態(tài)安全是合理和有效的。需注意的是，綠色廊道構(gòu)建與生態(tài)安全維持是基于關(guān)鍵“源”斑塊和整體生境的品質(zhì)，尤其是城區(qū)及城郊，對(duì)城市生態(tài)安全意義更顯著，而這些生境也因城市發(fā)展正面臨最直接的侵蝕與破壞，因此須對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注、修復(fù)或保護(hù)。

研究中還存在一些局限。首先，在對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析整理中，僅選擇較大面積的林地斑塊，類型單一，數(shù)量較少，其代表性尚顯不足，應(yīng)增加“源”地?cái)?shù)量、豐富“源”地類型(如濕地等)，有利于城市綠色廊道系統(tǒng)規(guī)劃的合理性。其二是景觀利用類型過(guò)于概括，缺乏對(duì)相近景觀類型差異的進(jìn)一步細(xì)化。如水體的阻力賦值并沒(méi)有體現(xiàn)各類水體的差異，水體中坑塘、水溝、濕地、湖泊、江河等對(duì)生物流動(dòng)阻力的差異，應(yīng)進(jìn)一步區(qū)別。三是主城區(qū)的綠色廊道不完善。由于建設(shè)用地的景觀阻力最大，生物遷移的成本高，使得規(guī)劃生成綠色廊道幾乎回避了整個(gè)建成城區(qū)。這對(duì)于維護(hù)和提升主城區(qū)生態(tài)安全極其不利。因此，加強(qiáng)中心城區(qū)綠色廊道建設(shè)投入，應(yīng)成為補(bǔ)充優(yōu)化建設(shè)綠色廊道的重點(diǎn)，一方面應(yīng)進(jìn)行主城區(qū)生態(tài)源地的修復(fù)建設(shè)和生態(tài)品質(zhì)提升；另一方面在規(guī)劃過(guò)程中，對(duì)用地類型和阻力再細(xì)分，并形成獨(dú)立的、不同于主城區(qū)外范圍標(biāo)準(zhǔn)的綠色廊道系統(tǒng)，從而改善城區(qū)人居生態(tài)環(huán)境。這些都會(huì)在后續(xù)的研究中進(jìn)一步細(xì)化和深化。

注：文中圖片均由作者繪制。