李紅波,黃 悅,高艷麗

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院, 武漢 430070

隨著我國(guó)城市化的不斷推進(jìn)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,都市圈和城市群已成為城市化發(fā)展的新特征。城市圈作為高度密集的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)區(qū)域,在區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展過(guò)程中具有重要的地位,但人口和工業(yè)的高度密集干擾了區(qū)域的生態(tài)環(huán)境,造成生境質(zhì)量下降,景觀破碎化加劇,區(qū)域生態(tài)安全和生物多樣性受到威脅[1-3]。2018 年《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于建立更加有效的區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展新機(jī)制的意見》[4]指出,建立由中心城市引領(lǐng)的城市群聯(lián)動(dòng)發(fā)展、城市群帶動(dòng)區(qū)域發(fā)展新模式是未來(lái)城市化發(fā)展的新趨勢(shì)。研究城市群內(nèi)部生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的變化規(guī)律,實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的雙贏[5],對(duì)城市圈經(jīng)濟(jì)與生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是一種可以將生態(tài)源地、生態(tài)廊道、生態(tài)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行空間有機(jī)連接的網(wǎng)絡(luò)體系,通過(guò)設(shè)置踏腳石和修復(fù)生態(tài)斷裂點(diǎn)連接破碎的斑塊,增強(qiáng)景觀連通性,促進(jìn)源地之間的物種遷移和能量流動(dòng)[6-8],對(duì)生物多樣性保護(hù)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義[9]。

目前,不少學(xué)者從景觀生態(tài)學(xué)角度對(duì)不同尺度的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究,在研究過(guò)程中產(chǎn)生了許多的模型和方法,其中形態(tài)學(xué)空間格局方法(Morphological Spatial Pattern Analysis, MSPA)和最小累積阻力(Minimum Cumulative Resistance, MCR)模型使用最為廣泛[10- 12]。MSPA方法是基于土地利用柵格數(shù)據(jù)從像元層面識(shí)別出景觀連通性高的生態(tài)區(qū)域[13-14],能夠根據(jù)景觀的位置與形態(tài)特征篩選出具備廊道屬性的橋接、支線和環(huán)道等景觀類型[15-16],使得生態(tài)源地的選取更具科學(xué)性。最小累積阻力模型是基于GIS平臺(tái),綜合地形地貌、人類活動(dòng)等多種因素模擬源地之間的最小成本路徑,該模型的關(guān)鍵在于生態(tài)阻力面的構(gòu)建和生態(tài)源地的選擇,通常結(jié)合景觀連通性指數(shù)、重力模型、電路理論和圖譜理論等方法對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)建和優(yōu)化[17- 20]。已有研究從生態(tài)源地選取、阻力面影響因子指標(biāo)、廊道重要性識(shí)別以及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等領(lǐng)域進(jìn)行了深入探索[21- 25],為本研究提供了很好的思路借鑒。

自2007年武漢城市圈推行“資源節(jié)約型和環(huán)境友好型”社會(huì)建設(shè)綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)以來(lái),伴隨著新的經(jīng)濟(jì)發(fā)展機(jī)遇的同時(shí),城市圈五環(huán)和六環(huán)高速公路相繼建設(shè),生態(tài)用地保護(hù)壓力增大,生態(tài)用地總量及分布、生態(tài)連通性面臨很大的不確定性。緩解快速城市圈建設(shè)與生態(tài)環(huán)境的矛盾,必須把“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會(huì)建設(shè)作為生態(tài)文明建設(shè)的重要目標(biāo)融入到城市圈建設(shè)與發(fā)展的過(guò)程中,需要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)城市圈城鄉(xiāng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間體系?！堕L(zhǎng)江中游城市群發(fā)展規(guī)劃(2015)》提出,落實(shí)武漢城市圈的生態(tài)文明建設(shè),要著力于打造城市群中的“綠心”區(qū)域,以南部林區(qū)為核心,構(gòu)建以生態(tài)廊道、生態(tài)節(jié)點(diǎn)所組成的整體城市圈的綠色生態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系。武漢城市圈作為國(guó)家級(jí)試驗(yàn)區(qū),是中部崛起的中堅(jiān)力量,在山水林田湖草系統(tǒng)治理的背景下,建立一體化的城市圈生態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系自然骨架,促進(jìn)“兩型社會(huì)”的建設(shè)與實(shí)施,從而創(chuàng)造人與自然和諧的生態(tài)城市圈。

本文以武漢城市圈為研究區(qū),根據(jù)4期土地利用數(shù)據(jù),以“兩型社會(huì)”試驗(yàn)區(qū)“未設(shè)置前、基本形成后”的兩個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)即2000年和2018年作為參照時(shí)間,采用MSPA方法識(shí)別和提取出對(duì)物種遷移和能量交換具有重要作用的核心區(qū)景觀,選用景觀連通性指數(shù)對(duì)核心區(qū)進(jìn)行景觀連接度評(píng)價(jià),將斑塊重要性指數(shù)高的核心區(qū)斑塊作為生態(tài)源地。基于最小累積阻力模型模擬生態(tài)廊道構(gòu)建城市圈生態(tài)網(wǎng)絡(luò),最后采用重力模型對(duì)生態(tài)廊道結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析,探討1990—2018年武漢城市圈生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的演變規(guī)律及“兩型社會(huì)”試驗(yàn)區(qū)設(shè)置前后生態(tài)網(wǎng)絡(luò)水平的變化情況,并對(duì)城市圈生態(tài)網(wǎng)絡(luò)提出管控建議,以期為連續(xù)而完整的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系的武漢都市圈培育、引導(dǎo)國(guó)土空間規(guī)劃和重要生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)工程提供一些參考。

1 研究區(qū)概況

武漢城市圈地處湖北省東部、長(zhǎng)江中游、漢江平原中東部,位于28°50′—31°57′ N,112° 22′—116° 22′ E。它是以武漢市為中心,包括周邊黃岡、黃石、鄂州、孝感、咸寧、仙桃、潛江、天門8個(gè)城市所組成的城市群(圖1),是中部崛起的重要戰(zhàn)略支點(diǎn)。區(qū)內(nèi)建立健全資源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)的體制機(jī)制,著力推進(jìn)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)建設(shè),推動(dòng)跨區(qū)域生態(tài)保護(hù)與開發(fā)利用,大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì),初步形成了“一核一帶三區(qū)四軸”的城市化發(fā)展框架和“一環(huán)兩翼”的生態(tài)區(qū)域保護(hù)格局。2018年,城市圈總面積約為5.8萬(wàn)km2,占全省的31.2%,常住人口約為3800萬(wàn)人,占全省的64.2%,形成了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、資源共享的經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局。但隨著城市化的快速發(fā)展,建成區(qū)不斷向外擴(kuò)張,勢(shì)必會(huì)擠占周圍的優(yōu)質(zhì)耕地和生態(tài)用地,城市圈未來(lái)國(guó)土空間可持續(xù)發(fā)展面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此有必要研究1990—2018年武漢城市圈的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)時(shí)空演變趨勢(shì),并探究“兩型社會(huì)”戰(zhàn)略下如何構(gòu)建區(qū)域協(xié)調(diào)一體的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系,為城市圈未來(lái)生態(tài)空間規(guī)劃和可持續(xù)發(fā)展提供參考。

圖1 研究區(qū)位置及范圍Fig.1 Location and range of study area

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文研究的數(shù)據(jù)包括1990、2000、2010、2018年的landsat TM/OLI遙感影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、道路矢量數(shù)據(jù),遙感影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),分辨率為30 m,道路數(shù)據(jù)來(lái)源于OpenStreetMap網(wǎng)站(https://www.openstreetmap.org/)。利用ENVI 5.1軟件對(duì)4期遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、鑲嵌、裁剪等預(yù)處理,再采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行分類,參考《土地利用現(xiàn)狀分類》標(biāo)準(zhǔn)( GB /T 21010—2017),并根據(jù)研究需要進(jìn)行重新分類,將武漢城市圈土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用土地6類。結(jié)合Google地圖和實(shí)地調(diào)研對(duì)分類結(jié)果不斷進(jìn)行修正,最終解譯精度為83.7%,符合本次研究的精度要求。遙感解譯得到的武漢城市圈4期的土地利用分類結(jié)果如圖2所示。

圖2 四期土地利用分類圖Fig.2 Land use classification of four periods

2.2 研究方法

2.2.1基于MSPA方法的景觀格局分析

形態(tài)學(xué)空間格局分析方法(MSPA)是Vogt等學(xué)者提出的能夠比較精確的對(duì)柵格圖像進(jìn)行空間格局功能類型劃分的一種方法[26],能識(shí)別出像元層面上對(duì)區(qū)域景觀連通性有重要作用的斑塊[27],為生態(tài)源地和生態(tài)廊道的選擇提供更加科學(xué)的依據(jù)[25,28]。根據(jù)MSPA方法的需要,利用ArcGIS將遙感解譯后的土地利用分類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為30 m×30 m的二值TIFF柵格數(shù)據(jù)。MSPA方法的研究對(duì)象分為前景和背景兩類,將林地、草地、水域作為前景數(shù)據(jù),耕地、建設(shè)用地和未利用土地作為背景數(shù)據(jù)。運(yùn)用GuidosToolbox軟件,采用八鄰域分析方法進(jìn)行景觀格局分析,在進(jìn)行骨架抽取、腐蝕運(yùn)算等一系列的數(shù)學(xué)計(jì)算后,獲得了具有不同功能的7種景觀類型(表1),并統(tǒng)計(jì)MSPA分析結(jié)果。其中核心區(qū)一般是前景圖像中面積較大的生態(tài)斑塊,可以為物種棲息與遷移提供良好的基底,具有較高的生態(tài)服務(wù)價(jià)值,可以從中選取生態(tài)源地。

表1 MSPA景觀類型及含義

2.2.2景觀連通性評(píng)價(jià)

景觀連通性是指景觀要素間進(jìn)行能量、物質(zhì)交換和遷移的生態(tài)過(guò)程對(duì)斑塊間運(yùn)動(dòng)速率產(chǎn)生的綜合效應(yīng)[29],對(duì)維持生物多樣性和生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定發(fā)揮重要作用[30]。為選取研究所需的生態(tài)源地,采用整體連通性指數(shù)IIC、可能連通性指數(shù)PC和斑塊重要性指數(shù)dPC,來(lái)測(cè)算研究區(qū)核心斑塊間的連接度水平。斑塊連接度指數(shù)越高,說(shuō)明重要性越大,最后根據(jù)斑塊重要性指數(shù)來(lái)選擇生態(tài)源地。

(1)

(2)

(3)

源地一般都是具有高連通性的大型生物棲息地或自然保護(hù)區(qū),根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況,本文選擇面積大于100 km2的核心區(qū)斑塊作為景觀連通性評(píng)價(jià)對(duì)象[9]。運(yùn)用Conefor 2.6軟件,參考以往研究[31- 33]和研究區(qū)尺度范圍,設(shè)置連通距離閾值為1500 m,連通概率為0.5,對(duì)研究區(qū)面積最大的40個(gè)核心區(qū)斑塊進(jìn)行景觀連通性評(píng)價(jià),并將斑塊重要性指數(shù)(dPC)大于1.2的核心區(qū)斑塊作為物種棲息與發(fā)展的源地。

2.2.3最小累積阻力模型

最小累積阻力模型(Minimum Cumulative Resistance,MCR)是模擬生態(tài)廊道的常用方法,可以計(jì)算出源與目標(biāo)之間的最小累積阻力距離來(lái)確定物種遷移的最佳路徑[34-35]。MCR模型最早應(yīng)用于物種遷移與擴(kuò)散的研究,俞孔堅(jiān)等[36]學(xué)者率先將其引入國(guó)內(nèi),具有構(gòu)建簡(jiǎn)易和要素可拓等特點(diǎn),可以有效避免外界的干擾,從而模擬物種運(yùn)動(dòng)的趨向性和可能性。

(4)

式中,fmin表示最小累積阻力值,Dij為生態(tài)源j到景觀單元i的空間距離；Ri則為景觀單元i對(duì)某運(yùn)動(dòng)的阻力系數(shù)。

源地的選取和生態(tài)阻力面的構(gòu)建是MCR模型運(yùn)行的核心要素,因此必須選取合適的指標(biāo)來(lái)構(gòu)建綜合阻力面體系。阻力面的構(gòu)建需要綜合考慮自然條件和人為干擾等因素,參考相關(guān)文獻(xiàn)[9,21-24],鑒于研究區(qū)的實(shí)際情況和數(shù)據(jù)的獲取程度,從地形、景觀類型、人類活動(dòng)等方面選取了高程、坡度、景觀類型、距道路的距離、距建設(shè)用地的距離等5個(gè)指標(biāo)來(lái)構(gòu)建綜合阻力指標(biāo)體系(表2)。通過(guò)咨詢專家意見和參考相關(guān)研究[17-18],確定各阻力因子的分級(jí)和分值,分值越大,阻礙物種遷移擴(kuò)散的作用力越大,然后根據(jù)層次分析法確定各阻力因子權(quán)重?；贏rcGIS 10.2軟件對(duì)土地利用景觀類型進(jìn)行屬性賦值,轉(zhuǎn)成柵格數(shù)據(jù),將景觀阻力評(píng)價(jià)因子進(jìn)行綜合景觀阻力評(píng)價(jià),獲得綜合生態(tài)阻力面,從而得到MCR模型的成本數(shù)據(jù)。

基于ArcGIS軟件平臺(tái),采用距離分析模塊中的Cost Weighted工具,根據(jù)綜合阻力面和生態(tài)源地計(jì)算每個(gè)源地的累積成本面,再運(yùn)用Distance中的Shortest Path工具,生成目標(biāo)源地到其他源地斑塊的最小累積阻力路徑,從而得到由潛在生態(tài)廊道和生態(tài)源地組成的研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

2.2.4重力模型

生態(tài)源地之間的相互作用強(qiáng)度可用來(lái)定量分析生態(tài)廊道的有效性和重要性[37]。重力模型能夠?qū)臻g中各個(gè)對(duì)象彼此之間的作用強(qiáng)度和依存關(guān)系進(jìn)行定量描述,一般用來(lái)分析在地理空間中研究對(duì)象的相互聯(lián)系[38-39]。采用重力模型計(jì)算各個(gè)斑塊之間彼此的相互作用強(qiáng)度,構(gòu)建生態(tài)源地斑塊之間的互相作用矩陣,從而識(shí)別和提取重要生態(tài)廊道。重力模型的計(jì)算公式如下:

(5)

式中,Gij是源地斑塊i和斑塊j之間的相互作用力；Ni和Nj為斑塊i和斑塊j的權(quán)重值；Dij是兩斑塊之間標(biāo)準(zhǔn)化的廊道阻力值；Pi表示斑塊i的阻力值；Pj為斑塊j的阻力值；Si和Sj為兩斑塊的面積；Lij表示斑塊i到斑塊j之間的廊道累積阻力值；Lmax指網(wǎng)絡(luò)中所有廊道阻力的最大值。

表2 阻力因子分級(jí)、權(quán)重與賦值表

3 結(jié)果與分析

3.1 基于MSPA的景觀格局分析

圖3 四期景觀格局功能類型Fig.3 Functional types of landscape pattern in the fourth stage

由表3、圖3可知,1990、2000、2010和2018年MSPA分析的前景數(shù)據(jù)面積分別為24164.35、24672.23、25303.58、25167.52 km2,約占研究區(qū)總面積的40%。在前景數(shù)據(jù)中,核心區(qū)景觀面積最大,分別占前景總面積的87.4%、87.14%、86.95%、86.66%,其主要分布在研究區(qū)的南部及東北部,中部和西部比較稀少,集中分布在東北部。1990、2000、2010和2018年維持景觀連通性的橋接區(qū)面積分別為 55.34、55、57.82、62.55 km2,僅占前景面積的0.2%左右,面積較少,說(shuō)明核心斑塊之間的聯(lián)系不夠密切。作為核心區(qū)與外面背景區(qū)域的過(guò)渡斑塊,邊緣區(qū)占前景面積的8%以上,具有一定的邊緣效應(yīng)。環(huán)道區(qū)是核心區(qū)內(nèi)部遷移和物質(zhì)流動(dòng)的通道,占前景面積的0.04%,且從1990年到2018年僅增長(zhǎng)了0.01%。島狀斑塊面積較小,2018年面積略有增長(zhǎng),占前景面積的0.03%,主要散布在核心區(qū)的中部,是孤立存在的景觀斑塊,可以考慮作為生物的踏腳石?？紫妒呛诵膮^(qū)域的內(nèi)部邊緣,和邊緣區(qū)一樣具有邊緣效應(yīng),1990—2018年孔隙的面積在逐漸減少,說(shuō)明核心區(qū)內(nèi)部邊緣效應(yīng)在減弱。支線具有一定的連通作用,只與核心區(qū)、橋接區(qū)、環(huán)道區(qū)等的一端相連,1990—2018年,支線的面積在逐漸增加,表明生態(tài)連接通道在不斷增長(zhǎng)。

表3 MSPA分類統(tǒng)計(jì)表

3.2 生態(tài)源地變化分析

基于景觀連通性指數(shù)計(jì)算結(jié)果,探究“兩型社會(huì)”試驗(yàn)區(qū)設(shè)置前后城市圈生態(tài)源地變化情況。根據(jù)景觀連通性評(píng)價(jià)結(jié)果,從核心區(qū)中選取斑塊重要性指數(shù)較大的斑塊作為生態(tài)源地(圖4),其地類主要是林地、草地和水域。1990—2018年4個(gè)時(shí)期的生態(tài)源地個(gè)數(shù)分別為12、16、14、10,可以看出生態(tài)源地在逐漸減少。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,生態(tài)環(huán)境遭到一定程度的破壞,加上國(guó)土空間綜合整治對(duì)破碎斑塊的整合,生態(tài)源地的數(shù)量呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。1990年生態(tài)源地較少的原因主要是1980年開始實(shí)行家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制,大量開墾耕地,部分地區(qū)濫砍濫伐、圍湖造田嚴(yán)重,林地和水域面積銳減,生態(tài)源地?cái)?shù)量因而較少。1998年長(zhǎng)江特大洪澇災(zāi)害之后,政府提出了退耕還湖的政策,水域景觀得到一定改善,因而表現(xiàn)為1990—2000年大型生境斑塊有一定程度的增加。2001年開始在武漢城市圈試點(diǎn)退耕還林,使得林地面積逐漸增加,生態(tài)景觀慢慢趨向穩(wěn)定。2005年提出社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè),農(nóng)業(yè)景觀得到改善,但“村村通”等工程建設(shè)也使得建設(shè)用地逐漸增加,因此總體上生態(tài)源地略有減少。到2018年,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)區(qū)建設(shè)向縱深推進(jìn),基本形成穩(wěn)定的規(guī)模,生態(tài)環(huán)境得到一定的改善。

圖4 生態(tài)源地結(jié)果Fig.4 Results of ecological sources

3.3 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

3.3.1生態(tài)阻力分析

綜合自然與人為因素,通過(guò)對(duì)影響因子疊加分析,得到武漢城市圈四期的綜合阻力面(圖5)。由圖5可知,研究區(qū)西部和南北部阻力較小,部分地區(qū)阻力較高,例如武漢市的中部、鄂州市的西南部等地區(qū)。高阻力區(qū)域主要位于研究區(qū)的中部和東部,包括武漢市、鄂州市、黃岡市、孝感市及咸寧市的北部區(qū)域,這是由于建設(shè)用地和交通路網(wǎng)分布密集對(duì)這些地區(qū)的影響較大,南北低,中部高的阻力分布,影響區(qū)域之間的物種遷移和能量流動(dòng),導(dǎo)致東西部之間的連通性較差。從時(shí)空演變上看,從1990—2018年,高阻力地區(qū)總體呈現(xiàn)波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)。1990—2000年,大力發(fā)展生產(chǎn)力,開墾耕地和圍湖造田對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響較大,導(dǎo)致高阻力地區(qū)有所增加；2000—2010年,實(shí)施“兩型社會(huì)”試驗(yàn)區(qū)后,發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)也注重環(huán)境保護(hù),高阻力地區(qū)在逐漸減少；2010—2018年,“兩型社會(huì)”試驗(yàn)區(qū)基本形成后,高阻力地區(qū)主要集中在研究區(qū)中部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集的區(qū)域。

圖5 綜合阻力面Fig.5 Comprehensive resistance surface

3.3.2生態(tài)廊道模擬

利用最小成本路徑來(lái)模擬生態(tài)廊道,基于綜合成本阻力面,生成源地之間的最小耗費(fèi)路徑,來(lái)模擬物種遷移的軌跡。由表4、圖6可知,1990年生態(tài)廊道共有66條,北部廊道比較稀疏,而南部的廊道分布則比較密集,更利于物種之間物質(zhì)與能量的交換；2000年生態(tài)廊道共有120條,廊道數(shù)量較1990年有一定的增長(zhǎng),廊道交點(diǎn)為449個(gè),廊道之間的交叉現(xiàn)象比較密集,內(nèi)部景觀連通性較強(qiáng)；2010年生態(tài)廊道共有91條,生態(tài)廊道與2000年相比有所減少,但廊道的延伸性有所增強(qiáng),生態(tài)廊道呈現(xiàn)條帶狀分布,延伸到研究區(qū)南北部邊緣,使得武漢城市圈南北景觀連通性增強(qiáng)；2018年生態(tài)廊道共有45條,生態(tài)廊道由原來(lái)的南北條帶式分布轉(zhuǎn)變?yōu)橄驏|西部延伸,空間上較為分散,廊道交點(diǎn)為114個(gè),內(nèi)部交叉現(xiàn)象減少,但廊道連接的范圍向四周擴(kuò)散,使得研究區(qū)東西方向的物種遷移活動(dòng)更加便捷。1990—2018年,生態(tài)廊道的數(shù)量在逐漸減少,一是由于城市擴(kuò)張和建成區(qū)面積不斷增加,使得生態(tài)源地和生態(tài)節(jié)點(diǎn)減少,連接節(jié)點(diǎn)的廊道相應(yīng)減少；二是交通路網(wǎng)和旅游景點(diǎn)的建設(shè),物種遷移的阻力增大,使得部分廊道發(fā)生斷裂,可能會(huì)面臨面積減少甚至消失的問(wèn)題。

表4 生態(tài)廊道與生態(tài)節(jié)點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)

圖6 研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)Fig.6 Ecological network of study area

3.3.3重力模型結(jié)果分析

基于重力模型,構(gòu)建生態(tài)源地之間的相互作用矩陣,根據(jù)相互作用力的大小來(lái)判定廊道的重要性,源地與其他源地之間的相互作用力越大,源地上物種遷移和流動(dòng)的阻力越小,則生態(tài)廊道的重要性越高。根據(jù)生態(tài)源地的大小,將相互作用力大于100的生態(tài)廊道作為重要廊道,其他作用值低于100的作為一般廊道。武漢城市圈的生態(tài)廊道分級(jí)極線圖如圖7所示。結(jié)果表明,1990年武漢城市圈共有生態(tài)廊道66條,其中重要廊道有32條,一般廊道有34條；2000年共有生態(tài)廊道120條,其中重要廊道有50條,一般廊道有70條；2010年共有生態(tài)廊道91條,其中重要廊道有41條,一般廊道有50條；2018年共有生態(tài)廊道45條,其中重要廊道有17條,一般廊道有28條。重要廊道一般是面積較大且景觀連通性較好的區(qū)域,主要分布在研究區(qū)的北部和南部,連接北部的大別山林區(qū)和南部的九宮山等山群。這些重要生態(tài)廊道是物種遷移與能量交換的主要通道,受人類活動(dòng)干擾較小,也是物種遷移阻力最小的便捷路徑。一般廊道數(shù)量較多,分布廣泛,距離人類活動(dòng)區(qū)域較近,受人類活動(dòng)干擾頻繁,斑塊面積較小,不適宜大范圍的物種遷移活動(dòng)。

圖7 生態(tài)廊道極線圖Fig.7 Polar view of ecological corridor

3.4 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)管控與引導(dǎo)

縱觀1990—2018年近30年武漢城市圈生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的演變可知,引起生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局變化的主要原因在于生態(tài)源地,生態(tài)源地的數(shù)量和面積的變化對(duì)生態(tài)節(jié)點(diǎn)和生態(tài)廊道有很大的影響,源地的缺失勢(shì)必會(huì)破壞原有的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。對(duì)一定區(qū)域范圍的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管控需要對(duì)該區(qū)域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及構(gòu)成要素具有準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí),制定針對(duì)性的保護(hù)策略,維護(hù)整體生態(tài)功能,促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展。踏腳石斑塊可以為物種遷移提供一個(gè)短暫的棲息地,有利于提高物種遷移的成功性和生物的存活率。本研究基于生態(tài)節(jié)點(diǎn)和生態(tài)廊道,結(jié)合道路交叉點(diǎn),加上廊道之間的交匯點(diǎn),確定了23個(gè)踏腳石,識(shí)別了25個(gè)生態(tài)斷裂點(diǎn)(圖8)。鑒于此,本文提出對(duì)研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)管控的建議:

圖8 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)管控優(yōu)化Fig.8 Control and optimization of ecological network

(1)修復(fù)生態(tài)斷裂點(diǎn),加強(qiáng)景觀連通性。道路與生態(tài)廊道相交處是生態(tài)廊道容易斷裂的區(qū)域,對(duì)景觀功能造成影響,因此在建設(shè)道路工程時(shí)建議設(shè)置天橋或隧道等生物通道,有利于提高物種遷移的存活率,保證正常的物質(zhì)能量流通。研究區(qū)的生態(tài)斷裂點(diǎn)主要分布在中部和東北部路網(wǎng)比較密集的區(qū)域,應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)廊道周邊的綠化建設(shè),控制建設(shè)用地的擴(kuò)張范圍,為未來(lái)生態(tài)廊道規(guī)劃預(yù)留一定的生態(tài)建設(shè)空間。

(2)建設(shè)踏腳石,增強(qiáng)廊道的穩(wěn)定性。受人為活動(dòng)和廊道自身特性的影響,較長(zhǎng)的生態(tài)廊道更容易受到外在環(huán)境的干擾。研究區(qū)東西部生態(tài)源地之間的景觀連通性較差,中部人為干擾強(qiáng)度和生態(tài)阻力較大,中部區(qū)域的廊道受人類活動(dòng)影響頻繁,生態(tài)阻力較大,且南北方向的部分生態(tài)廊道距離較遠(yuǎn),容易發(fā)生斷裂,因而需要建設(shè)踏腳石斑塊,以增強(qiáng)生態(tài)廊道的穩(wěn)定性。

(3)生態(tài)廊道差異化保護(hù),提升生態(tài)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)水平。根據(jù)廊道重要性評(píng)價(jià)結(jié)果,對(duì)重要廊道和一般廊道進(jìn)行差異化保護(hù)。武漢城市圈的生態(tài)源地主要是林地、草地和水域等景觀類型,重要廊道連接的是自然保護(hù)區(qū)和大型森林公園等生態(tài)功能較高的區(qū)域,需要對(duì)這類廊道進(jìn)行優(yōu)先保護(hù)。一般廊道數(shù)量多分布較為分散,需要對(duì)其進(jìn)行緩沖區(qū)建設(shè),通過(guò)建設(shè)生態(tài)綠化帶、生態(tài)功能區(qū)減少人為活動(dòng)的干擾,更好的發(fā)揮區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)服務(wù)功能。

4 結(jié)論與討論

本研究以山水林田湖草是一個(gè)生命共同體為理念,以生態(tài)本底和自然資源稟賦為基礎(chǔ),遵循生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)在機(jī)理,構(gòu)建武漢城市圈城鄉(xiāng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間體系,關(guān)注生態(tài)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì),切實(shí)增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性?；贛SPA方法和最小累積阻力模型,從生態(tài)源地識(shí)別、景觀連通性評(píng)價(jià)以及生態(tài)廊道模擬等方面構(gòu)建多時(shí)期的武漢城市圈生態(tài)網(wǎng)絡(luò),探討城市圈生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的演變規(guī)律,并對(duì)當(dāng)前生態(tài)網(wǎng)絡(luò)存在的問(wèn)題進(jìn)行管控,建成生態(tài)保護(hù)的整體性引導(dǎo),形成圈內(nèi)系統(tǒng)協(xié)調(diào)、功能完善的生態(tài)保護(hù)格局,通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)相互作用機(jī)理的定量研究來(lái)理解城市圈生態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體性和復(fù)雜性形成的機(jī)制。

研究結(jié)果表明:生態(tài)源地主要分布在研究區(qū)南部、北部和東部,林地、草地、水域是生態(tài)源地的主要組成部分,不同源地之間的相互作用力差異顯著；綜合阻力南北低,東部中部高西部低,東西部的景觀聯(lián)系有待加強(qiáng)；景觀連通性南北高東西低,中部受人類活動(dòng)干擾大連通度較低；基于最小累積阻力模型所提取的生態(tài)廊道加強(qiáng)了南北部之間的聯(lián)系,但東西部的景觀聯(lián)系較弱；生態(tài)廊道的主要組成景觀是耕地和林地,整體生態(tài)連接度較好,基于重力模型計(jì)算生態(tài)源地之間的相互作用力可識(shí)別出重要廊道和斑塊,重要廊道占生態(tài)廊道總數(shù)的一半左右,主要分布在研究區(qū)北部和東南部；通過(guò)修復(fù)生態(tài)斷裂點(diǎn)、建設(shè)踏腳石和生態(tài)廊道差異化保護(hù)能夠提升城市圈生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性,更好的發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能。

針對(duì)生態(tài)廊道過(guò)長(zhǎng)和水域、路網(wǎng)阻隔等問(wèn)題,科學(xué)配置保護(hù)和修復(fù)、自然和人工、生物和工程等措施,推進(jìn)一體化生態(tài)保護(hù)和修復(fù)。應(yīng)用“斑塊—廊道—基底”模式構(gòu)建城鄉(xiāng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò),將城市圈建設(shè)鑲嵌在自然生態(tài)系統(tǒng)的基底上,優(yōu)化生態(tài)廊道,提升保護(hù)環(huán)境、穩(wěn)定生態(tài)的功能,引導(dǎo)圈內(nèi)國(guó)土空間規(guī)劃與建設(shè)。

此外,本文在選取生態(tài)源地時(shí),將生態(tài)敏感性較高,以發(fā)揮重要生態(tài)服務(wù)功能為主的林地、草地、水域作為提取生態(tài)源地的核心區(qū),由于武漢城市圈農(nóng)田田塊規(guī)模小,溝渠較多,因而未考慮具有自然生態(tài)功能的農(nóng)田,但不同生態(tài)本底的核心區(qū)斑塊存在差異,研究結(jié)果可能與實(shí)際情況存在細(xì)微差別。

利用最小累積阻力模型模擬潛在生態(tài)廊道,阻力面評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建具有重要影響。目前有關(guān)生態(tài)阻力面的設(shè)置還未有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),由于缺乏詳細(xì)的研究數(shù)據(jù),并未考慮不同物種的生活特性和居民點(diǎn)分布等因素對(duì)阻力面構(gòu)建的影響。后續(xù)有待進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與管控的深入研究,以拓寬國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)的手段。