張曉琳,金曉斌,3,*,韓 博,孫 瑞,梁鑫源,李寒冰,周寅康,3

1 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 南京 210023 2 自然資源部海岸帶開發(fā)與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210023 3 江蘇省土地開發(fā)整理技術(shù)工程中心, 南京 210023

國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)作為恢復(fù)受損生態(tài)系統(tǒng)原有結(jié)構(gòu)和功能的重要實(shí)施路徑,已逐漸成為區(qū)域生態(tài)安全研究熱點(diǎn)[1]。20世紀(jì)90年代以來,國(guó)內(nèi)開展一系列大型生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程,如天然林保護(hù)工程、退耕還林還草工程等。由于前期對(duì)生態(tài)保護(hù)修復(fù)的系統(tǒng)性、協(xié)調(diào)性考慮不足,導(dǎo)致生態(tài)保護(hù)修復(fù)雖然在局部空間得到明顯改善,但總體效果仍差強(qiáng)人意[2-3]。十九大報(bào)告提出“統(tǒng)一行使所有國(guó)土空間用途管制和生態(tài)保護(hù)修復(fù)職責(zé),統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)治理”的國(guó)家戰(zhàn)略。系統(tǒng)推進(jìn)國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù),對(duì)促進(jìn)人與自然和諧共生具有重要的理論和實(shí)踐意義。

基于“基質(zhì)—斑塊—廊道”的景觀生態(tài)學(xué)理論,區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究已成為國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)的重要研究任務(wù)[4-6]。關(guān)于生態(tài)網(wǎng)絡(luò),相關(guān)研究主要集中在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別與優(yōu)化方面:(1)在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別上,區(qū)別于國(guó)外學(xué)者多以具體目標(biāo)物種為基礎(chǔ)搭建生態(tài)安全格局,基于“識(shí)別源地—構(gòu)建阻力面—提取廊道”研究范式,綜合考慮了區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)多要素耦合、多尺度連接特性,在國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)、區(qū)域景觀規(guī)劃上更具有理論和實(shí)踐意義[7-8],并已成為識(shí)別區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)[9]。其中在生態(tài)源地識(shí)別上,研究多采用指標(biāo)評(píng)價(jià)[10-12]或景觀類型選擇[13]的方法確定區(qū)域中具有重要生態(tài)功能的生境斑塊,側(cè)重生態(tài)源地功能屬性的分析,而對(duì)生態(tài)源地面積大小并未過多涉及[14-16]。在生態(tài)廊道提取上,研究多通過構(gòu)建阻力面,利用最小累積阻力模型提取潛在廊道,對(duì)最小阻力閾值和最佳距離閾值的設(shè)置未過多分析[17-18]。生態(tài)源地最小面積閾值的設(shè)定將直接影響生態(tài)源地?cái)?shù)量[19],適宜距離閾值將有利于識(shí)別景觀中關(guān)鍵或連接脆弱的區(qū)域,對(duì)合理地識(shí)別生態(tài)網(wǎng)絡(luò)起到重要作用[20-22]。(2)在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化上,近年來的研究方法正朝向群智能算法[23]、仿真模型[16]、編程運(yùn)算[14-15]等復(fù)雜科學(xué)發(fā)展,對(duì)生物保護(hù)學(xué)背景和計(jì)算機(jī)編程技術(shù)要求較高,尚不能滿足大范圍區(qū)域規(guī)劃的指導(dǎo)需求,同時(shí)缺乏一定操作性[24]。通過設(shè)立緩沖距離和增加生態(tài)節(jié)點(diǎn)的方法,大大減少了區(qū)域生態(tài)盲區(qū),操作簡(jiǎn)便、可快速實(shí)現(xiàn)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目的[25-26],但存在緩沖距離設(shè)置主觀性強(qiáng)、生態(tài)節(jié)點(diǎn)增加位置和范圍缺乏定量分析等問題。近年來,通過圖論方法分析景觀連通性得到廣泛應(yīng)用[27-28],借鑒圖論分析方法識(shí)別最小面積閾值和最佳距離閾值,為開展生態(tài)盲區(qū)指導(dǎo)下生態(tài)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別與優(yōu)化提供新的思路。

長(zhǎng)江下游平原區(qū)擁有得天獨(dú)厚的自然條件和地理環(huán)境,境內(nèi)湖泊眾多、水網(wǎng)密集、植被茂盛,整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較優(yōu)[29]。與此同時(shí)該地區(qū)經(jīng)濟(jì)高度發(fā)達(dá),快速地人口集聚和城市化擴(kuò)張,導(dǎo)致該區(qū)域生態(tài)安全格局面臨嚴(yán)重威脅[30]?；陂L(zhǎng)江下游平原區(qū)域特點(diǎn),應(yīng)用傳統(tǒng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別方法具有一定局限,主要體現(xiàn)在區(qū)域化參數(shù)設(shè)定依據(jù)不足,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化缺乏定量分析等方面。綜上,本研究立足圖論和景觀生態(tài)學(xué)理論方法,以常州市金壇區(qū)為案例區(qū),通過圖論指數(shù)對(duì)比分析,量化區(qū)域化參數(shù),識(shí)別區(qū)域現(xiàn)狀生態(tài)網(wǎng)絡(luò),進(jìn)一步開展生態(tài)盲區(qū)指導(dǎo)下生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,并對(duì)優(yōu)化前后的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)、區(qū)域生境斑塊進(jìn)行評(píng)價(jià),得到具體生態(tài)保護(hù)修復(fù)策略,以期豐富縣域尺度生態(tài)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別與優(yōu)化方法,為國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)提供案例支撐。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1.1研究區(qū)概況

常州市金壇區(qū)位于江蘇省南部,地處寧滬杭三角地帶,屬于長(zhǎng)江下游平原區(qū),東經(jīng)119°17′45″—119°44′59″,北緯31°33′42″—31°53′22″之間。區(qū)域總面積為975.73 km2,其中農(nóng)用地453.36 km2、建設(shè)用地192.14 km2、水域324.88 km2(圖1)。全區(qū)緊鄰太湖,自然環(huán)境條件優(yōu)越,境內(nèi)地勢(shì)平坦,河流眾多,東南部的長(zhǎng)蕩湖是江蘇省十大淡水湖之一。西部為南北走向的茅山低山丘陵,東部為長(zhǎng)江三角洲西部的沖積湖積平原,南部為以長(zhǎng)蕩湖為中心的生態(tài)水網(wǎng)(圖1)。金壇區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),先后被評(píng)為國(guó)家工業(yè)百?gòu)?qiáng)區(qū)、投資潛力百?gòu)?qiáng)區(qū)、科技創(chuàng)新百?gòu)?qiáng)區(qū)等。隨著城市化快速發(fā)展,金壇區(qū)面臨用地矛盾突出、景觀連通性降低等現(xiàn)實(shí)問題。為“山、湖、城”資源統(tǒng)一籌劃,金壇區(qū)提出建設(shè)“山水生態(tài)城市、精致休閑城市”的總體目標(biāo),其中東部以產(chǎn)業(yè)興旺為目標(biāo),提升農(nóng)業(yè)發(fā)展質(zhì)量,西部以生態(tài)宜居為重點(diǎn),推進(jìn)鄉(xiāng)村綠色發(fā)展,重點(diǎn)保護(hù)茅山生態(tài)多樣性和完整性。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of the study area

1.1.2數(shù)據(jù)來源與處理

本文采用土地利用數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、POI數(shù)據(jù)等建立數(shù)據(jù)庫(kù)(表1),所有數(shù)據(jù)均統(tǒng)一行政區(qū)邊界與坐標(biāo)投影(2018年,高斯-克呂格投影,1980年西安坐標(biāo)系)。

表1 數(shù)據(jù)來源及說明

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理包括以下方面:(1)以2011、2018年的土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),劃分為林地、草地、水域、園地、耕地、建設(shè)用地和其他用地等景觀類型數(shù)據(jù)。從景觀類型數(shù)據(jù)提取并導(dǎo)出林地、草地、水域納入生境斑塊,作為生態(tài)源地備選圖斑。(2)選取夏季少云的Landsat 8 OLI影像(2018年),利用ENVI5.1軟件對(duì)影像進(jìn)行大氣校正、幾何校正、圖像拼接等操作,提取相應(yīng)波段得到NDVI數(shù)據(jù)。(3)將土地利用數(shù)據(jù)與POI點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)并轉(zhuǎn)換成30 m×30 m的柵格,代表基礎(chǔ)設(shè)施點(diǎn)密度數(shù)據(jù)。(4)從土地利用變更數(shù)據(jù)庫(kù)提取鐵路、公路、農(nóng)村道路等道路圖層,與基礎(chǔ)設(shè)施點(diǎn)密度、DEM數(shù)據(jù)、NDVI數(shù)據(jù),共同修正土地利用阻力值,最終得到景觀阻力面。

1.2 研究方法與步驟

本文研究方法和步驟主要包括生態(tài)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)等三方面內(nèi)容。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別主要包括生態(tài)源地識(shí)別、最佳距離閾值判定等內(nèi)容,通過最小面積閾值設(shè)定明確生態(tài)源地,進(jìn)行最佳距離閾值分析確定潛在鏈接,最后將生態(tài)源地與潛在鏈接組合形成生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化主要包括生態(tài)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化、生態(tài)廊道優(yōu)化,其中生態(tài)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化通過原始生態(tài)盲區(qū)分析,進(jìn)一步明確生態(tài)修復(fù)斑塊、生態(tài)保育斑塊、生態(tài)培育斑塊空間分布來實(shí)現(xiàn)；生態(tài)廊道優(yōu)化主要通過增大阻力閾值方式優(yōu)化生態(tài)廊道布局。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)包括了優(yōu)化前后生態(tài)網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)、生境斑塊重要性評(píng)價(jià)等內(nèi)容。

1.2.1生態(tài)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別

(1)生態(tài)源地識(shí)別

對(duì)生境斑塊進(jìn)行最小面積閾值分析,進(jìn)一步確定研究區(qū)生態(tài)源地。參考吳茂全等[19]的研究,通過分析斑塊數(shù)量以及占區(qū)域總面積比例隨最小面積閾值變化情況,確定生態(tài)源地最小面積閾值。

(2)最佳距離閾值確定

分析景觀連接度隨最佳距離閾值變化情況,確定最佳距離閾值。在景觀連接度指數(shù)選取方面,采用斑塊間鏈接數(shù)(Number of Links,NL)[22]、組分?jǐn)?shù)(Number of Components,NC)[22]、等效連接面積指數(shù)(Equivalent Connectivity Area, ECA)[22]、景觀巧合概率指數(shù)(Landscape Coincidence Probability, LCP)[22]等指數(shù)來表征,具體指數(shù)表示和含義見表2。利用景觀連接度分析軟件Conefor Sensinode 2.6進(jìn)行相應(yīng)指數(shù)計(jì)算。由于不同目標(biāo)物種的擴(kuò)散范圍不同,判定生境斑塊是否連通應(yīng)綜合考慮各生物遷移擴(kuò)散的能力。結(jié)合研究區(qū)情況,參考前人研究[32-34],本文選取30、50、100、200、400、600、800、1000、1500、2000、2500 m共 11 個(gè)距離閾值。

表2 景觀連接度指數(shù)表征與解釋表

(3)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別

依據(jù)識(shí)別的生態(tài)源地,結(jié)合最佳距離閾值,可判定研究區(qū)現(xiàn)狀生態(tài)廊道分布。當(dāng)生態(tài)源地間的距離小于最佳距離閾值時(shí),認(rèn)為生態(tài)廊道(潛在鏈接)存在,否則認(rèn)為不存在[35]。依托潛在鏈接關(guān)系所形成的斑塊組為景觀組分,位于相同景觀組分的斑塊之間存在鏈接,位于不同景觀組分的斑塊間存在斷裂。基于此,采用Graphab 2.4軟件[36]進(jìn)行生態(tài)網(wǎng)絡(luò)繪制。

1.2.2生態(tài)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

開展生態(tài)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化旨在消除生態(tài)盲區(qū)、減少資源浪費(fèi)。研究表明[14-15,23],生態(tài)盲區(qū)是指因受距離過長(zhǎng)、阻力較大影響,物種在遷移過程中無法達(dá)到地方,以圖論方法抽象為研究區(qū)范圍內(nèi)未被生態(tài)節(jié)點(diǎn)影響范圍所覆蓋的區(qū)域。本研究生態(tài)節(jié)點(diǎn)影響范圍是指生態(tài)源地向外進(jìn)行最佳距離閾值緩沖區(qū)分析的整個(gè)區(qū)域。將生態(tài)源地進(jìn)行最佳距離閾值的緩沖區(qū)分析,與整個(gè)區(qū)域進(jìn)行裁剪得到原始生態(tài)盲區(qū)(現(xiàn)狀生態(tài)盲區(qū))。

為減少資源浪費(fèi),優(yōu)先考慮原始生態(tài)盲區(qū)內(nèi)有生態(tài)基礎(chǔ)、面積較大的生境斑塊作為生態(tài)節(jié)點(diǎn),即生態(tài)修復(fù)斑塊、生態(tài)保育斑塊。生態(tài)修復(fù)斑塊是指研究期間斑塊面積減少,且減少到生態(tài)源地的最小面積閾值之下的生境斑塊,后期通過人為修復(fù)措施,使其恢復(fù)至原先斑塊規(guī)模。生態(tài)保育斑塊是指生態(tài)修復(fù)斑塊選取后的生態(tài)盲區(qū)內(nèi)面積較大生境斑塊,通過生態(tài)保護(hù)加培育措施,擴(kuò)大斑塊規(guī)模至最小面積閾值,可進(jìn)一步減少生態(tài)盲區(qū)。為針對(duì)性消除剩余生態(tài)盲區(qū),需要增添一部分生態(tài)節(jié)點(diǎn),即生態(tài)培育斑塊。借助Graphab 2.4軟件生成點(diǎn)的功能,按最小面積閾值大小生成節(jié)點(diǎn)。經(jīng)生態(tài)修復(fù)/保育/培育后,原始生態(tài)盲區(qū)的面積基本消除。

1.2.3生態(tài)廊道優(yōu)化

考慮生物遷徙是對(duì)自然適應(yīng)現(xiàn)象,一般選擇累積阻力最低的路線[37],因此采用最小累積阻力模型生成潛在廊道。關(guān)于阻力類型劃分,阻力值和權(quán)重設(shè)定方法詳見文獻(xiàn)[23]。通過增大阻力閾值的方法,使生態(tài)源地互通互聯(lián),新增加的生態(tài)廊道可作為生態(tài)廊道優(yōu)化內(nèi)容。

1.2.4生態(tài)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)

基于圖論指標(biāo),對(duì)優(yōu)化前后生態(tài)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行分析。利用圖論中表示連接度的相關(guān)指數(shù),即二進(jìn)制連接度指數(shù)H[27]、IIC[27,31],以及概率連接度指數(shù)PC[27,31],對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)景觀連通性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

基于優(yōu)化后的生態(tài)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重要性評(píng)價(jià),明確重要斑塊分布。斑塊重要程度不僅體現(xiàn)在斑塊在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)湮恢弥行男院瓦B接度重要性,還體現(xiàn)在斑塊具備自身生態(tài)功能上,而斑塊面積大小在很大程度上代表生境斑塊的功能。因此,將斑塊重要性指數(shù)dI[27,31]、斑塊中心度BC[20,31]和斑塊面積等運(yùn)用z-score標(biāo)準(zhǔn)化處理,采用熵權(quán)法確定各節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)權(quán)重,計(jì)算節(jié)點(diǎn)重要程度并排序。將節(jié)點(diǎn)重要程度與優(yōu)化后生態(tài)源地進(jìn)行關(guān)聯(lián),按自然斷點(diǎn)法將重要程度分級(jí),分為極重要斑塊、較重要斑塊、重要斑塊、一般重要斑塊四類。

2 結(jié)果分析

2.1 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別結(jié)果

(1)最小面積閾值確定

對(duì)兩期景觀類型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,斑塊數(shù)量隨最小面積閾值增加快速下降,在0.1—0.175 km2時(shí),生態(tài)源地斑塊數(shù)量基本維持平衡,之后斑塊數(shù)量減少程度呈現(xiàn)平緩態(tài)勢(shì)(圖2)。圖2中生態(tài)源地的總面積隨最小面積閾值的增加而減少,而生態(tài)源地占區(qū)域總面積的比例維持在22%—13%,且在0.1 km2左右曲線下降趨勢(shì)呈平緩態(tài)勢(shì)。基于此,設(shè)定最小生態(tài)源地面積閾值為0.1 km2,被剔除的斑塊雖數(shù)量較多,但單個(gè)面積較小、分布細(xì)碎且分散,對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境影響較小。

圖2 生態(tài)源地斑塊最小面積閾值設(shè)定變化Fig.2 Changes in the minimum area threshold of ecological source patch

(2)最佳距離閾值確定

對(duì)斑塊間鏈接數(shù)(NL)、組分?jǐn)?shù)(NC)進(jìn)行對(duì)比分析,可初步判斷景觀穩(wěn)定性范圍[34]。2018年金壇區(qū)NL、NC值隨距離閾值的變化情況,可劃分為4個(gè)階段(圖3)。①當(dāng)距離閾值≤200 m,NC值急速下降,表明景觀組分在此距離閾值階段不穩(wěn)定。②當(dāng)距離閾值設(shè)為200—1000 m,NC值開始緩慢下降,但NL值上升幅度未發(fā)生明顯變化。此階段景觀組分下降幅度明顯變緩,景觀鏈接數(shù)增長(zhǎng)幅度較為穩(wěn)定,說明此距離閾值區(qū)間內(nèi)景觀穩(wěn)定性較好。③當(dāng)距離閾值設(shè)為1000—2000 m,NC值平緩下降,NL上升幅度逐漸加大。雖然在該階段景觀組分趨于穩(wěn)定,但景觀鏈接數(shù)變化幅度較大,此階段不適合作為理想距離閾值范圍。④距離閾值≥2000 m,景觀組分值最終穩(wěn)定減小到1,可認(rèn)為研究區(qū)生態(tài)斑塊基本全處于相互連接狀態(tài),不能將該距離閾值作為合適的距離閾值范圍?；诖?最佳距離閾值在200—1000 m。

圖3 2018年金壇區(qū)NL、NC值隨距離閾值的變化Fig.3 Changes in the distance threshold of NL、NC

對(duì)等效整體連通性指數(shù)(EC(IIC))和等效可能連通性指數(shù)(EC(PC))進(jìn)行對(duì)比分析,可進(jìn)一步縮小最佳距離閾值范圍[34]。從圖4看出,2018年金壇區(qū)EC(IIC)、EC(PC)值變化情況可劃分為4個(gè)階段。①距離閾值≤400 m,等效整體連通性指數(shù)(EC(IIC))隨距離閾值的呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),增長(zhǎng)幅度較穩(wěn)定,但隨距離閾值的增加,景觀穩(wěn)定性也在變化。②距離閾值在400—800 m,等效整體連通性指數(shù)(EC(IIC))變化微弱,景觀連通性增長(zhǎng)幅度較為穩(wěn)定,說明此距離閾值區(qū)間內(nèi)景觀穩(wěn)定性較好,可以進(jìn)行景觀連接度分析。③距離閾值在800—1000 m,等效整體連通性指數(shù)(EC(IIC))開始快速增長(zhǎng),景觀連通性趨于不穩(wěn)定。④距離閾值≥1000 m,等效整體連通性指數(shù)(EC(IIC))增長(zhǎng)較快,不適合將該距離閾值作為合適的距離閾值范圍。綜上,2018年合適的距離閾值范圍為400—800 m。

圖4 2018年金壇區(qū)EC(IIC)、EC(PC)值隨距離閾值的變化Fig.4 Changes in the distance threshold of EC(IIC)、EC(PC)

根據(jù)斑塊重要性指數(shù),可以進(jìn)一步確定合適的景觀距離閾值。斑塊重要性指數(shù)相差越小,表明景觀距離閾值設(shè)置越有效[22]。以2018年為例,篩選面積數(shù)量最大的前6位生境斑塊,分別設(shè)定400、500、600、700、800 m距離閾值,分析斑塊重要性指數(shù)dLCP、dIIC、dPC的變化情況,結(jié)果如圖5。隨著距離閾值的增加,斑塊重要性指數(shù)dLCP、dIIC、dPC之間的差異也逐漸變大。當(dāng)距離閾值最小為400 m時(shí),斑塊重要性指數(shù)差異最小。因此,2018年最佳距離閾值為400 m。2011年也用相同方法分析,得到最佳距離閾值仍為400 m。

圖5 2018年金壇區(qū)斑塊重要性指數(shù)隨距離閾值的變化Fig.5 Changes in the distance threshold of patch importance indices

(3)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別

在距離閾值400 m且生境斑塊面積大于0.1 km2條件下,識(shí)別2018年研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)圖6可知,研究區(qū)具有兩大景觀組分,分別為西部茅山風(fēng)景區(qū)、南部長(zhǎng)蕩湖區(qū)域,尤其南部長(zhǎng)蕩湖對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境有著重要影響,是連接中部、東部的重要景觀組分。但部分景觀組分仍位于孤立邊緣,與其他生境斑塊連接較差,尤其是西部丘陵山區(qū)與中部景觀之間存在較大阻隔,形成茅山以東的復(fù)雜零碎斑塊,應(yīng)重視西部丘陵山區(qū)邊緣地帶的生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點(diǎn)建設(shè),以保障區(qū)域生態(tài)安全。

圖6 2018年金壇區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)Fig.6 The ecological network of Jintan in 2018

2.2 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果

(1)生態(tài)節(jié)點(diǎn)原始盲區(qū)分析

在2018年生境斑塊(面積大于0.1 km2)基礎(chǔ)上,結(jié)合最佳距離閾值,確定生態(tài)節(jié)點(diǎn)的影響范圍。原始生態(tài)盲區(qū)面積為271.5 km2,占整個(gè)研究區(qū)(975.73 km2)的27.83%,即生態(tài)節(jié)點(diǎn)影響范圍占比72.17%。從圖7看出,生態(tài)盲區(qū)大面積分布在西部丘陵山區(qū)向中部景觀過渡地帶,東部經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)(東城街道)以及直溪鎮(zhèn)北部片區(qū)等范圍。

圖7 2018年金壇區(qū)生態(tài)盲區(qū)圖Fig.7 The ecological blind area of Jintan in 2018

(2)生態(tài)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化結(jié)果

①明確生態(tài)修復(fù)斑塊。生態(tài)修復(fù)斑塊分布零散,包括直溪鎮(zhèn)西北部、錢資蕩南部等區(qū)域(圖8)?；谧罴丫嚯x閾值和生態(tài)修復(fù)斑塊分布,得到生態(tài)修復(fù)后生態(tài)盲區(qū)Ⅰ,其面積為244.95 km2,與原始生態(tài)盲區(qū)相比減少了26.55 km2。

②確定生態(tài)保育斑塊。在生態(tài)盲區(qū)Ⅰ基礎(chǔ)上,選擇生態(tài)盲區(qū)內(nèi)的2018年生境斑塊,去除原始的生態(tài)源地和生態(tài)修復(fù)斑塊,利用自然斷點(diǎn)法,將其余斑塊按面積大小分為5類,取最高等級(jí)(斑塊面積大于3.24 hm2)的生境斑塊作為原始生態(tài)保育斑塊。由于生態(tài)保育斑塊面積較小(最小面積僅為3.24 hm2),為使所有生態(tài)保育斑塊達(dá)到生態(tài)源地最小面積10 hm2,設(shè)定緩沖距離為75 m。將面積擴(kuò)大后的生態(tài)保育斑塊作為最終的生態(tài)保育斑塊,主要分布在夏溪河?xùn)|部、揚(yáng)溧高速路兩側(cè)、湟里河北部區(qū)域等(圖8)。經(jīng)生態(tài)保育斑塊的保護(hù)和培育后,生態(tài)盲區(qū)Ⅱ減少至188.52 km2,在生態(tài)盲區(qū)Ⅰ基礎(chǔ)上又減少了56.43 km2。

③添加生態(tài)培育斑塊。在生態(tài)盲區(qū)Ⅱ基礎(chǔ)上,通過設(shè)置柵格大小和生態(tài)節(jié)點(diǎn)最小距離閾值等參數(shù),生成生態(tài)培育斑塊的空間位置。為達(dá)到最小面積閾值,將生態(tài)培育斑塊設(shè)定為半徑為300 m的圓形區(qū)域。從圖8可以看出,生態(tài)培育斑塊主要分布西部丘陵山區(qū)向中部景觀過渡地帶、東部經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)(東城街道)等原始生態(tài)盲區(qū)。將生態(tài)盲區(qū)Ⅱ與生態(tài)培育斑塊影響范圍進(jìn)行裁剪,得到最終的生態(tài)盲區(qū)Ⅲ。生態(tài)盲區(qū)Ⅲ形狀極為不規(guī)則,且面積極小,可認(rèn)為研究區(qū)內(nèi)幾乎不存在生態(tài)盲區(qū)。經(jīng)生態(tài)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化后,生態(tài)盲區(qū)減少了221.24 km2,生態(tài)節(jié)點(diǎn)影響范圍達(dá)到94.85%。

圖8 優(yōu)化后生態(tài)節(jié)點(diǎn)與生態(tài)盲區(qū)分布圖 Fig.8 The distribution of ecological nodes and ecological blind spots after optimization

(3)生態(tài)廊道優(yōu)化結(jié)果

首先,利用最小累積阻力模型(MCR)生成2018年現(xiàn)狀的潛在生態(tài)廊道。從圖9看到在距離較近或阻力較小的區(qū)域生態(tài)廊道密集分布,但距離較遠(yuǎn)的生態(tài)廊道發(fā)生斷裂,因此導(dǎo)致生態(tài)廊道長(zhǎng)度很短,平均值僅有174.57 m。其次,利用生態(tài)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化結(jié)果,生成節(jié)點(diǎn)優(yōu)化后潛在生態(tài)廊道。經(jīng)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化后的生態(tài)廊道長(zhǎng)度平均值達(dá)到232.77 m,比之前生態(tài)廊道平均值增加了56.2 m。從圖9中可以看出,經(jīng)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化后生態(tài)廊道密度大大增加,但仍有廊道沒有連接。最后,通過增加距離閾值的方式,優(yōu)化生態(tài)廊道布局。優(yōu)化后生態(tài)廊道長(zhǎng)度平均值達(dá)到704.08 m,比之前節(jié)點(diǎn)優(yōu)化后的生態(tài)廊道平均值增加了471.31 m,比現(xiàn)狀生態(tài)廊道長(zhǎng)度平均值增加了529.51 m。最終優(yōu)化后生態(tài)廊道愈加密集,并使生境斑塊間互通互聯(lián)。

圖9 優(yōu)化后的生態(tài)廊道分布圖Fig.9 The distribution of ecological corridors after optimization

2.3 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)

(1)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化評(píng)價(jià)

優(yōu)化前后生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的景觀連接度指數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3。優(yōu)化后生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接度大大提高,其中Harary指數(shù)增加了10.92倍,整體連接度指數(shù)(IIC)增長(zhǎng)了43.45%,可能性連接度指數(shù)(PC)增長(zhǎng)了99.58%,表征優(yōu)化后生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接更穩(wěn)固,也較優(yōu)化前網(wǎng)絡(luò)更穩(wěn)定。

表3 優(yōu)化前后生態(tài)網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)表

(2)斑塊重要程度評(píng)價(jià)

對(duì)優(yōu)化后生態(tài)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重要性評(píng)價(jià),得到斑塊重要性的評(píng)價(jià)結(jié)果(圖10)。從圖中可以看出,金壇區(qū)極重要斑塊分布在南部長(zhǎng)蕩湖、錢資湖濕地及其周邊區(qū)域；較重要斑塊分布在天荒湖濕地保護(hù)區(qū)周邊,通過丹金溧漕河與南部長(zhǎng)蕩湖相連；重要斑塊分布大致分為5處,分別為西部茅山、朱林鎮(zhèn)中南部、北干河、通濟(jì)河、夏溪河周邊區(qū)域。一般重要斑塊規(guī)模最小,主要零散分布在原始生態(tài)盲區(qū),為重要斑塊間相互連接起到踏腳石作用。

圖10 優(yōu)化后斑塊等級(jí)評(píng)價(jià)圖Fig.10 The rating of ecological patches after optimization

3 討論

3.1 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)修復(fù)策略

根據(jù)《金壇市城市總體規(guī)劃(2013—2030年)》,金壇區(qū)將構(gòu)建東部城市集聚發(fā)展片區(qū)、西部山地旅游度假片區(qū)、南部湖蕩休閑度假片區(qū)發(fā)展格局,重點(diǎn)發(fā)展薛埠鎮(zhèn)為西部山區(qū)旅游度假核心,儒林鎮(zhèn)為南部湖蕩休閑度假片區(qū)核心。為建成生態(tài)宜居城市,金壇區(qū)提出重點(diǎn)保護(hù)山水生態(tài)資源,劃分生態(tài)保育區(qū)、生態(tài)過渡區(qū)、生態(tài)建設(shè)區(qū),構(gòu)建“生態(tài)廊道-生態(tài)斑塊-生態(tài)基質(zhì)”生態(tài)格局。依托現(xiàn)狀生態(tài)環(huán)境,金壇區(qū)針對(duì)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)域提出了生態(tài)保護(hù)和建設(shè)的規(guī)劃愿景,而對(duì)生態(tài)保護(hù)修復(fù)策略和路徑缺乏相應(yīng)研究。此外規(guī)劃發(fā)展格局與生態(tài)格局在實(shí)際操作上可能存在沖突,比如東部城市集聚發(fā)展片區(qū)包含生態(tài)保育區(qū),重點(diǎn)發(fā)展鎮(zhèn)(如薛埠鎮(zhèn))在未來建設(shè)中會(huì)對(duì)西部山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾等?；诖?研究提出重要斑塊生態(tài)保護(hù)、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)生態(tài)修復(fù)、特殊區(qū)域生態(tài)建設(shè)等差異化生態(tài)網(wǎng)絡(luò)修復(fù)策略,以期更好維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全格局。

(1)重要斑塊生態(tài)保護(hù)策略?；诂F(xiàn)有規(guī)劃和斑塊重要性評(píng)價(jià)結(jié)果,重點(diǎn)對(duì)南部長(zhǎng)蕩湖保護(hù)區(qū)、錢資湖重要濕地、天荒湖濕地保護(hù)區(qū)、丹金溧漕河、西部茅山保護(hù)區(qū)等生態(tài)斑塊進(jìn)行保護(hù),禁止進(jìn)行有損生態(tài)的開發(fā)建設(shè)活動(dòng)。其中南部長(zhǎng)蕩湖保護(hù)區(qū)、錢資湖重要濕地是極重要斑塊,天荒湖濕地保護(hù)區(qū)是較重要斑塊,丹金溧漕河是連接南部長(zhǎng)蕩湖極重要斑塊和北部較重要斑塊的通道,這些區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)。

(2)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)生態(tài)修復(fù)策略。綜合考慮斑塊重要性、生態(tài)修復(fù)斑塊、生態(tài)保育斑塊的空間分布,應(yīng)選取關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)開展生態(tài)修復(fù),包括直溪鎮(zhèn)西北部、錢資蕩南部、夏溪河?xùn)|部、揚(yáng)溧高速路兩側(cè)、湟里河北部等區(qū)域。其中錢資蕩南部、夏溪河?xùn)|部位于城鎮(zhèn)集聚發(fā)展區(qū),應(yīng)加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)有較大生境斑塊的生態(tài)保護(hù)與培育,對(duì)退化或損壞生境斑塊的整治修復(fù),同時(shí)嚴(yán)禁城鎮(zhèn)無序發(fā)展和綠地斑塊隨意占用。直溪鎮(zhèn)西北部、揚(yáng)溧高速路兩側(cè)、湟里河北部屬于城鎮(zhèn)外圍郊區(qū),適宜較大規(guī)模生態(tài)修復(fù),開展生態(tài)休閑型產(chǎn)業(yè)、郊野公園建設(shè)等,以擴(kuò)大生境斑塊規(guī)模。

(3)特殊區(qū)域生態(tài)建設(shè)策略?；诎邏K重要性和原始生態(tài)盲區(qū),結(jié)合生態(tài)培育斑塊、生態(tài)廊道優(yōu)化結(jié)果,對(duì)揚(yáng)溧高速周邊區(qū)域、東部經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)(東城街道)、直溪鎮(zhèn)西北部、丹金溧漕河兩邊、堯塘街道南部、湟里河以北區(qū)域開展生態(tài)建設(shè)。其中揚(yáng)溧高速周邊區(qū)域涉及薛埠鎮(zhèn)、朱林鎮(zhèn)、指前鎮(zhèn),主要位于西部丘陵山區(qū)向中部生境斑塊連接的景觀斷裂帶上,是生態(tài)建設(shè)最主要區(qū)域,應(yīng)重點(diǎn)推進(jìn)生態(tài)化建設(shè),打造郊野生態(tài)游憩空間,布局綠化帶和生態(tài)廊道,維持區(qū)域生境斑塊連通。針對(duì)東部經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、丹金溧漕河兩邊,應(yīng)加強(qiáng)城市生態(tài)建設(shè),配置公共綠地、城市公園、綠化隔離帶等,使人工生態(tài)與自然生態(tài)相融合。

3.2 方法與結(jié)果適用性

3.2.1最小面積閾值設(shè)定

生態(tài)源地最小面積閾值設(shè)定是為了剔除數(shù)量眾多的面積較小、分布零散的生境斑塊,因此采取綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)方法驗(yàn)證是否達(dá)到預(yù)期效果。以2018年為例,選取斑塊面積表征斑塊大小,利用熱點(diǎn)分析結(jié)果表征斑塊分布程度(按等級(jí)賦分0、1、2、3),將這兩個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行加權(quán)計(jì)算得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。研究中生態(tài)源地257個(gè)圖斑,將生境斑塊綜合得分前257個(gè)圖斑與生態(tài)源地進(jìn)行疊加,分析空間重合率?？臻g重合率越高,說明方法越有效。經(jīng)計(jì)算,兩者空間重合率達(dá)100%,說明最小面積閾值選擇確實(shí)達(dá)到了剔除面積較小、分布零散的生境斑塊目的。此外,將選取的生態(tài)源地與研究區(qū)生態(tài)紅線數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加,分析空間容錯(cuò)率。經(jīng)計(jì)算,生態(tài)源地與生態(tài)保護(hù)紅線的空間重合面積7886.96公頃,兩者重合率達(dá)94.15%。不重合的區(qū)域主要分布在斑塊邊緣,且面積較小、位置零散。

3.2.2最佳距離閾值設(shè)定

以生物多樣性保護(hù)的視角,很難開展最佳距離閾值的實(shí)地驗(yàn)證[8,38]。如Brown等[39]在評(píng)估森林采伐對(duì)生物多樣性的影響時(shí),通過多種物種分布數(shù)據(jù)和基于個(gè)體物種模型綜合分析,設(shè)定斑塊緩沖距離為500 m,與本研究最佳距離閾值較為接近。此外,還可通過生態(tài)源地緩沖區(qū)分析,比較不同緩沖距離下生境斑塊面積比例變化情況,驗(yàn)證最佳距離閾值適用性[40]。隨著緩沖距離增加,緩沖區(qū)內(nèi)生境斑塊面積占比在不斷下降,下降速率明顯變緩的轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的緩沖距離即為最佳距離閾值。從圖11可知,最佳距離閾值約400 m,與本研究得到結(jié)果一致。綜上,本研究設(shè)定最小面積閾值、最佳距離閾值具有合理性,同時(shí)該分析方法在實(shí)際景觀規(guī)劃操作中具有較強(qiáng)可復(fù)制性。

圖11 緩沖區(qū)內(nèi)生境斑塊面積比例隨距離閾值變化情況 Fig.11 The ratio of habitat patch area in the buffer zone with distance threshold

3.3 研究不足與展望

目前,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究在生態(tài)源地識(shí)別、構(gòu)建阻力面、提取廊道方面作了較多探討,而對(duì)最小面積閾值、最佳距離閾值等設(shè)定明顯不足?，F(xiàn)有的方法更多解決的是生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間保護(hù)問題,對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程中重要閾值分析較為主觀。盡管研究關(guān)于生態(tài)源地最小面積閾值、區(qū)域最佳距離閾值設(shè)定進(jìn)行了有益探討,但仍然難以進(jìn)行有效實(shí)地驗(yàn)證,有待后續(xù)深入研究。

受基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的限制,研究未考慮區(qū)域特色物種分布,基于目標(biāo)物種的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究有待完善。研究區(qū)邊界是以行政單元?jiǎng)澐?未考慮地理單元和相鄰地理要素的影響,可能導(dǎo)致生態(tài)盲區(qū)、生態(tài)節(jié)點(diǎn)影響范圍判別不精準(zhǔn)。另外,研究結(jié)果在實(shí)踐應(yīng)用中存在困難,如確定具體生態(tài)廊道建設(shè)位置和寬度、恢復(fù)生態(tài)修復(fù)斑塊面臨的現(xiàn)實(shí)問題等。后期,將結(jié)合考慮行政邊界對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建影響,開展基于目標(biāo)物種的區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究,進(jìn)一步深化生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和評(píng)價(jià)方法,以提升對(duì)區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識(shí)。

4 結(jié)論

(1)開展生態(tài)盲區(qū)指導(dǎo)下網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,可顯著提升區(qū)域景觀連接度。在生態(tài)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化上,經(jīng)“生態(tài)修復(fù)斑塊-生態(tài)保育斑塊-生態(tài)培育斑塊”的識(shí)別與優(yōu)化,生態(tài)盲區(qū)基本被消除。在生態(tài)廊道優(yōu)化上,生態(tài)廊道長(zhǎng)度平均值增加了529.51 m。在整體網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化上,優(yōu)化后生態(tài)網(wǎng)絡(luò)Harary指數(shù)增加了10.92倍,整體連接度指數(shù)(IIC)提升了43.45%,可能性連接度指數(shù)(PC)提升了99.58%,區(qū)域景觀斑塊間連通性大大增強(qiáng)。

(2)金壇區(qū)部分區(qū)域存在生態(tài)景觀斷裂,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)布局亟待優(yōu)化。金壇區(qū)生態(tài)基底空間較優(yōu),但快速的經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)化發(fā)展,給區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)帶來一定破壞,如部分孤立景觀組分。孤立生境斑塊主要分布在西部丘陵山區(qū)向中部生態(tài)景觀的過渡帶、東部經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、夏溪河?xùn)|部,應(yīng)加強(qiáng)重點(diǎn)區(qū)域的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化建設(shè),增強(qiáng)區(qū)域景觀連通性。

(3)區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)修復(fù)策略,可為國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)提供借鑒。依托節(jié)約為先、保護(hù)優(yōu)先、自然恢復(fù)為主的基本理念,應(yīng)關(guān)注關(guān)鍵區(qū)域的國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù),開展重要斑塊生態(tài)保護(hù)、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)生態(tài)修復(fù)、特殊區(qū)域生態(tài)建設(shè)策略,促進(jìn)整個(gè)區(qū)域生態(tài)協(xié)調(diào)、景觀連通。