王 耕 劉一江 石永輝

(遼寧師范大學地理科學學院,遼寧 大連 116000)

0 引 言

隨著人口增長和經(jīng)濟發(fā)展,城市化進程不斷加快,造成了區(qū)域環(huán)境被破壞、生態(tài)用地流失和斑塊連接度下降等問題,從而導致生態(tài)服務功能下降,危害城市安全[1],城市景觀出現(xiàn)“高度破碎化”的特征[2-3].為了應對城市化發(fā)展進程中面臨的各種難題,我國著名生態(tài)學家馬世駿和王如松[4]倡導運用生態(tài)學原理來解析和重構(gòu)城市生態(tài)系統(tǒng),用生態(tài)網(wǎng)絡將“破碎化”的城市景觀重新聯(lián)系起來,促進城市內(nèi)物質(zhì)與能量的流動,恢復并增強城市生態(tài)系統(tǒng)的服務功能,保護生物多樣性.因此,構(gòu)建有效的生態(tài)網(wǎng)絡和生態(tài)格局被認為是應對城市化過程中產(chǎn)生的景觀破碎化的有效措施[5-7].

2012年,黨的十八大提出了生態(tài)文明的概念,強調(diào)把生態(tài)文明建設放在突出地位.在生態(tài)文明理念引導下,住房城鄉(xiāng)建設部和原環(huán)境保護部于2016年12月發(fā)布了《全國城市生態(tài)保護與建設規(guī)劃》,強調(diào)完善城市綠色生態(tài)網(wǎng)絡,構(gòu)建城市生物棲息地網(wǎng)絡體系.2018年,第十三屆全國人民代表大會更是將“生態(tài)文明建設”寫進憲法.在這樣的大背景下,加大生態(tài)環(huán)境保護力度,實施重要生態(tài)系統(tǒng)保護和修復重大工程,優(yōu)化生態(tài)安全屏障體系,構(gòu)建生態(tài)廊道和生物多樣性保護網(wǎng)絡,提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性成為目前生態(tài)保護工作的重心.

近年來,景觀規(guī)劃的生態(tài)學方法以及生態(tài)網(wǎng)絡和綠道的概念受到越來越多的關注[8].在歐美國家,盡管也面臨著生態(tài)環(huán)境破碎化、生物多樣性喪失等生態(tài)問題,但是這些問題并不迫切,研究熱度并不高.而且歐洲與北美國家對生態(tài)網(wǎng)絡的研究也存在差異:歐洲生態(tài)學家主要研究生態(tài)網(wǎng)絡構(gòu)建對已經(jīng)高度開發(fā)的城市中心的生態(tài)效應,通過構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡來探索如何降低城市化和農(nóng)業(yè)活動對生態(tài)環(huán)境的負面影響[9];而以美國為代表的北美學派更傾向于研究在未被開墾利用的荒地、自然保護區(qū)以及國家公園等之間進行的綠道網(wǎng)絡建設[10].國內(nèi)從20世紀90年代以來,許多學者從不同尺度不同方面相繼對生態(tài)網(wǎng)絡的構(gòu)建展開研究,例如孔繁花和尹海偉[11]、傅強等[12]、古璠等[13]和史娜娜等[14]分別對城市綠地、城市濕地、省級自然保護區(qū)以及省級保護地進行了分析與研究,分別構(gòu)建了相應的生態(tài)網(wǎng)絡以保護生態(tài)環(huán)境.其中,城市作為人類活動最劇烈、地表改動最強烈的景觀單元,生態(tài)問題尤為突出,其生態(tài)網(wǎng)絡及生態(tài)格局的構(gòu)建更是受到廣泛關注:胡炳旭等[15]、陳小平和陳文波[16]、劉興坡等[17]和陳竹安等[18]分別從城市群尺度、經(jīng)濟區(qū)尺度、市域尺度及縣域尺度對城市生態(tài)網(wǎng)絡的構(gòu)建進行了研究與嘗試.由此可見,生態(tài)網(wǎng)絡的構(gòu)建已經(jīng)應用相當廣泛,而隨著我國城市化進程的不斷發(fā)展,城市生態(tài)網(wǎng)絡的構(gòu)建在相當長的時期內(nèi)仍是研究的重點.

現(xiàn)階段沿海地區(qū)的城市化進程依然迅速,許多地區(qū)進入了城市化發(fā)展的新階段,中小城市得到快速發(fā)展,景觀破碎化趨勢日趨嚴重.本研究在前人研究的基礎上,以大連市普蘭店區(qū)為例,研究在沿海地區(qū)快速城市化的背景下,如何通過構(gòu)建健康良好的城市生態(tài)網(wǎng)絡,保持經(jīng)濟、社會和生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展,保證城市的可持續(xù)發(fā)展.本研究從統(tǒng)籌全局優(yōu)化的角度出發(fā),利用最小累積阻力模型(minimal cumulative resistance model,MCR),構(gòu)建了大連市普蘭店區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡格局,以期為遼寧省海岸城市帶地區(qū)中小城市的健康發(fā)展提供借鑒,為城市生態(tài)網(wǎng)絡的建設積累一些經(jīng)驗.

1 研究區(qū)概況

大連是我國典型的濱海城市,身處遼東半島,三面環(huán)海.近年來由于城市化的快速發(fā)展,大連面臨著主城區(qū)發(fā)展空間飽和的限制,“人多地少”的矛盾日益突出.為了緩解用地緊張的狀況,大連市一邊填海造陸,一邊將城市空間范圍向外擴展.

普蘭店區(qū)原為普蘭店市,與大連北部的瓦房店市、莊河市同為大連管轄的縣級市,于2015年撤市劃區(qū),成為承接大連市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的重要地區(qū),城市規(guī)模得到快速發(fā)展,城市化水平進一步提升.普蘭店區(qū)(圖1)位于遼東半島南部、大連市區(qū)的北部,東臨莊河市和黃海,西接瓦房店市,南與大連金州區(qū)毗連,北與營口蓋州市接壤,東南與長?？h隔海相望.全境地貌以丘陵為主,其地勢主要是北高南低,西高東低,北部地區(qū)主要以山區(qū)為主,少有丘陵跟平原,地勢相對較高;中部地區(qū)丘陵相對較多;南部主要以平原與丘陵為主,少有山地,地勢相對比較平緩.景觀類型原以林草地為主,但近年來隨著人口增多,人類活動加劇,耕地面積與城市建設用地大量增加,景觀破碎化程度變大.主要工業(yè)區(qū)集中在西南普灣周圍,城市和工業(yè)“三廢”污染物的排放對海洋環(huán)境造成了較大污染.另外,小城鎮(zhèn)的無序發(fā)展導致森林草地植被遭到破壞、生物多樣性下降、鄉(xiāng)村景觀破碎等生態(tài)問題,在加劇“孤島效應”的同時也加速了生境退化進程,對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展造成了嚴重影響.

圖1 研究區(qū)概況

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的數(shù)據(jù)來自于地理空間數(shù)據(jù)云獲取的2005和2015年2期 Landsat遙感影像,經(jīng)過校正、裁剪、融合的預處理后,在 ArcGIS中進行監(jiān)督分類,利用《大連國土資源地圖集》中大連市1∶600 000的土地利用類型圖,依據(jù)2007年頒布的《土地利用分類》國家標準和普蘭店區(qū)土地利用實際情況,分別對遙感影像進行解譯,得到林地、草地、裸地、水域、耕地和建設用地6種土地類型.

2.2 研究方法

2.2.1 MCR

基于大氣污染的“源”“匯”理論,陳利頂?shù)萚19]提出了“源”“匯”的景觀理論,認為不同的景觀類型總體可分為“源”“匯”2種.“源”景觀是指那些能促進過程發(fā)展的景觀類型,“匯”景觀是指那些能延緩或阻止景觀發(fā)展的景觀類型,這樣就可以定性描述景觀發(fā)展中格局與過程之間復雜的關系.本文選用MCR來構(gòu)建生態(tài)阻力面,MCR最早由Knaapen等[20]于1992年提出,用來計算物種從源地到目的地的運動過程中所耗費的最小能量或者費用之和,由我國學者俞孔堅[21]引入并對其進行了修改,其計算式為

即當0<η>η

式中MCR為最小累計阻力值;Dij表示物種從一景觀單元j向另一景觀移動過程中穿越景觀i的空間距離;Ri表示景觀單元i阻止或延緩物種運動的阻力系數(shù),或者為跨越某一景觀單元的難易程度.該模型也叫做最短路徑模型或者最小成本模型[22].

2.2.2 源地選取

在景觀生態(tài)學理論中,斑塊面積與形狀對斑塊的物種豐富度具有非常重要的影響,是發(fā)揮景觀生態(tài)功能的關鍵[23].一般來講,物種多樣性隨著斑塊面積的增加而增加,具有一定面積大小的斑塊才有可能作為生物棲息的生態(tài)源地.本研究根據(jù)研究區(qū)斑塊面積的大小及斑塊數(shù)量的多少,結(jié)合實地考察當?shù)匾吧锝?jīng)常出沒的地區(qū),選取面積＞100 hm2的林地和水域作為生態(tài)源地.

2.2.3 阻力面的計算

物種在水平空間內(nèi)運動的生態(tài)過程以及生態(tài)功能的流動與傳遞,主要受土地覆被狀態(tài)和人文干擾程度的影響,又因本地區(qū)地處遼東半島和多丘陵的地形條件,所以高程和坡度也有阻力作用.因此,本研究以土地利用類型、高程和坡度因子作為影響要素構(gòu)建阻力面,具體賦值如表1所示.

表1 研究區(qū)生態(tài)阻力因子系數(shù)表

利用ArcGIS中的Spatial Analays模塊并結(jié)合表1構(gòu)建單因子阻力面,將單因子阻力面根據(jù)不同權(quán)重在ArcGIS中的Spatial Analays模塊中進行加權(quán)疊加分析生成綜合阻力面.將2015年主要生態(tài)源地作為研究對象,基于ArcGIS平臺,通過使用Distance中的 Cost Distance模塊,計算得出最小累積阻力面.

2.3.4 生態(tài)網(wǎng)絡的構(gòu)建

在生成的最小累積阻力面的基礎上,再使用Distance中的Cost Path模塊計算從源到目標斑塊的最小路徑,生成了研究區(qū)的潛在廊道.最后,通過GIS軟件中的Matrix Green分析工具中的Betweeness Centrality模塊,通過中介中心度式(2)計算得出在生態(tài)網(wǎng)絡中中介作用較好的核心斑塊,依據(jù)其分值高低規(guī)劃3個斑塊作為踏腳石以構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡.

式中N為網(wǎng)絡節(jié)點的個數(shù),njk(i)為2節(jié)點j與k間的最短路徑經(jīng)過節(jié)點i的條數(shù).在生態(tài)網(wǎng)絡中,中心度越高的斑塊,樞紐作用也就越明顯,可作為有益物種遷徙的踏腳石,可以增加景觀連接度.

3 研究結(jié)果

3.1 土地利用類型的變化

圖2 研究區(qū)土地利用變化

解譯后的2005和2015年土地利用類型如圖2所示:與2005相比,2015年大連市普蘭店區(qū)建設用地面積迅速擴大,不僅在西南地區(qū)擴張明顯,而且正西、西北及東南地區(qū)也增長迅速,城鎮(zhèn)化水平明顯提升;耕地面積同樣增長明顯,由人類活動集中的西部及東南部地區(qū)擴展到包括北部山地在內(nèi)的各個地區(qū);草地及裸地面積在全區(qū)范圍內(nèi)急劇減少甚至消失不見;林地及水域面積也有所減小,雖然減小幅度不大,但大片的林地及水域景觀變得支離破碎,景觀破碎化程度明顯提高.

3.2 生態(tài)源地及核心斑塊的變化

物種豐富度除與面積有關,還與斑塊形狀有關,斑塊的形狀通常用周長和面積的比值來表示,這個比值越小,物種豐富度一般就越高.因此,本研究在已選取的生態(tài)源地的基礎上,選擇周長和面積比最小的20個生態(tài)源地作為核心斑塊,如圖3所示.研究區(qū)主要生態(tài)源地及核心斑塊大多分布在本區(qū)中部及北部山地地區(qū),南部平原地區(qū)分布較少甚至無分布.2005年生態(tài)源地及核心斑塊分布較為集中;與2005年相比,2015年主要生態(tài)源地及核心斑塊的分布更為分散,南部人口稠密地區(qū)亦有生態(tài)源地和核心斑塊存在,但是面積普遍較小,相比之下破碎化程度更高.

圖3 研究區(qū)生態(tài)源地及核心斑塊分布

3.3 阻力面分析

基于2015年生態(tài)源地和高程、坡度和土地利用類型等單因子阻力面及綜合阻力面(圖4),計算每個像元到成本面上最近單元的最小累積成本距離,得到最小累積阻力面(圖5).結(jié)果顯示:阻力值較高的地區(qū)多存在于普蘭店區(qū)西部及南部海拔較低、坡度較緩、人口稠密和經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū),該地區(qū)城鎮(zhèn)化程度較高,對物種的遷徙及生態(tài)功能的流動與傳遞皆有強大的阻力;而普蘭店區(qū)中北部地區(qū)由于海拔較高、坡度較陡,林地分布較廣,故人類活動較少,對物種的遷徙及生態(tài)功能的流動與傳遞的阻力較小.因此可以得知,土地利用類型對該地區(qū)生態(tài)物質(zhì)的遷移與流動具有決定性的影響,而高程與坡度對阻力面的影響較小.

圖4 單因子及綜合阻力面

圖5 最小累積阻力面

3.4 生態(tài)廊道及生態(tài)網(wǎng)絡分布

根據(jù)最小累積阻力面生成的潛在廊道與踏腳石斑塊相結(jié)合,構(gòu)建大連市普蘭店區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(圖6).本研究區(qū)共生成13條潛在生態(tài)廊道,主要分布于中北部海拔較高、坡度較陡的區(qū)域和林地水域,連接斑塊較多,南部地區(qū)無潛在生態(tài)廊道分布;3處踏腳石區(qū)域有2處位于北部區(qū)域,1處位于南部區(qū)域.以此為基礎構(gòu)建的生態(tài)網(wǎng)絡南北分布明顯不平衡.

圖6 研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡分布

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

在前人研究的基礎上,本研究以大連市普蘭店區(qū)為例,從減少景觀破碎化、促進物質(zhì)能量的交流、保護生物多樣性的角度出發(fā),運用MCR構(gòu)建了基于全局統(tǒng)籌優(yōu)化的生態(tài)網(wǎng)絡格局,以此保證經(jīng)濟、社會、生態(tài)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展.主要結(jié)論如下:

(1)主要生態(tài)源地及核心斑塊大多分布在本區(qū)中北部地區(qū).與2005年相比,2015年大連市普蘭店區(qū)建設用地面積迅速擴大,城鎮(zhèn)化水平明顯提升;耕地由人類活動集中的西部及東南部地區(qū)擴展到全區(qū)各個地區(qū);草地及裸地面積急劇減少甚至消失不見;林地及水域面積減小幅度不大,但破碎化程度明顯提高.

(2)阻力值較高的地區(qū)多存在于普蘭店區(qū)西部及南部地區(qū),該地區(qū)城鎮(zhèn)化程度較高,對物種的遷徙及生態(tài)功能的流動與傳遞皆有強大的阻力;而普蘭店區(qū)中北部地區(qū)人類活動較少,對物種的遷徙及生態(tài)功能的流動與傳遞的阻力較小.因此土地利用類型對該地區(qū)生態(tài)物質(zhì)的遷移與流動具有決定性的影響,而高程與坡度對阻力面的影響較小.

(3)本地區(qū)潛在生態(tài)廊道主要分布于海拔較高、坡度較陡、林地水域分布較多的中北部區(qū)域,連接斑塊較多,南部地區(qū)無潛在生態(tài)廊道分布;3處踏腳石區(qū)域有2處位于北部區(qū)域,1處位于南部區(qū)域.生態(tài)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)不平衡.

4.2 建議

針對本地區(qū)生態(tài)源地、核心斑塊及潛在生態(tài)廊道南北分布不均衡的情況,本研究在原有生態(tài)網(wǎng)絡的基礎上,基于全局統(tǒng)籌優(yōu)化的考慮,新增5段生態(tài)廊道,連接南北,使其形成“四橫三縱”的生態(tài)網(wǎng)絡格局.“四橫”從北向南:一是最北端從老帽山旅游風景區(qū)—碧流河水庫附近;二是中北部從瓦房店市松樹水庫附近林地,借助幾個現(xiàn)有的林地斑塊向東一直到碧流河水庫附近;三是中部從白云山景區(qū)—清泉寺風景區(qū)—小劉屯水庫;四是南部從普蘭店環(huán)城森林公園—二龍山森林公園—沙河入?？诘貐^(qū).“三縱”從西向東:一是從老帽山旅游風景區(qū)—松樹水庫—劉大水庫—白云山景區(qū)—洼子店水庫;二是從老帽山旅游風景區(qū)—中部山地—清泉寺風景區(qū);三是從碧流河水庫—小劉屯水庫—東南沿海濕地.通過這“四橫三縱”的生態(tài)網(wǎng)絡連接起普蘭店區(qū)大部分生態(tài)源地,為物種之間的遷徙與能量物質(zhì)的流通構(gòu)建一條通道,以期能夠在一定程度上起到保護生物多樣性的作用.

根據(jù)胡道生等[24]的生態(tài)廊道定性分級理論,本研究選取經(jīng)過斑塊較多的、最為重要的和建設難度相對較小的“四橫”中的北部、中北部和中部廊道,“三縱”中的東部北段、中部廊道作為天然廊道,也就是關鍵廊道,盡量減少人為的干擾;選取“四橫”中的南部廊道、“三縱”中東部南段和西部廊道作為人工廊道,也就是規(guī)劃廊道,由于沿途經(jīng)過斑塊較少,需要人工建設生態(tài)廊道.