王琦王晨張立國郭晗

(1.山東建筑大學(xué) 測繪地理信息學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2.山東省國土測繪院，山東 濟(jì)南250013)

0 引言

近年來，國家戰(zhàn)略強(qiáng)調(diào)了黃河流域在我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和生態(tài)安全方面的重要地位，其可構(gòu)成我國主要的生態(tài)屏障。 濟(jì)南作為黃河流域的特大城市，其高質(zhì)量、快速發(fā)展勢必與城市生態(tài)環(huán)境相互制約。 因此，科學(xué)準(zhǔn)確地分析、評估濟(jì)南市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，并以此作為未來城市發(fā)展規(guī)劃的依據(jù)，對建設(shè)生態(tài)文明濟(jì)南以及黃河流域城市群生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展具有積極意義。

林地是城市維持生態(tài)文明發(fā)展的重要可再生資源之一，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對于城市的可持續(xù)發(fā)展、維護(hù)生態(tài)平衡、促進(jìn)生物多樣性具有重要意義[1-3]。 保護(hù)林地資源是保護(hù)生態(tài)環(huán)境的本質(zhì)途徑之一，同時(shí)與城市可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有密切的聯(lián)系。 中國自改革開放以來，在利用自然資源和發(fā)展經(jīng)濟(jì)方面均取得了巨大成功。 在保護(hù)生態(tài)環(huán)境與發(fā)展經(jīng)濟(jì)之間尋求微妙的平衡點(diǎn)，是新時(shí)代中國與國際社會普遍關(guān)注的重要課題。

城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是城市生態(tài)安全格局研究的重要方法，目前國內(nèi)外已有很多相關(guān)研究。 何建華等[1]以武漢市濕地為研究對象，從生態(tài)網(wǎng)絡(luò)視角客觀分析了武漢市生態(tài)格局。 陳南南等[2]通過構(gòu)建秦嶺(陜西段)山地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，比較了其內(nèi)部斑塊，識別了重要生態(tài)廊道。 張曉琳等[3]對長江中下游平原的金壇區(qū)進(jìn)行生態(tài)網(wǎng)絡(luò)識別與優(yōu)化，并提出差異化生態(tài)網(wǎng)絡(luò)修復(fù)策略。 此外，也有研究者從景觀視角出發(fā)，構(gòu)建由斑塊、廊道和基質(zhì)所組成的林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)[4-5]；利用景觀指數(shù)反映景觀在結(jié)構(gòu)組成與空間配置方面的特征[6-7]；通過生態(tài)網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)景觀功能連通性特征，增強(qiáng)格局分析的準(zhǔn)確性、科學(xué)性[8]。其中，形態(tài)學(xué)空間格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis， MSPA)模型是提取研究區(qū)域生態(tài)源地的有效方法[9-10]；最小累計(jì)阻力(Minimum Cumulative Resistance， MCR)模型可以計(jì)算生態(tài)源地到其他各點(diǎn)的最小累計(jì)阻力值，通過設(shè)立阻力參數(shù)構(gòu)建最小阻力面；重力模型則可以優(yōu)化生態(tài)廊道的提取[11-15]。 目前，MSPA 方法與MCR 模型相結(jié)合進(jìn)行生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的方法已經(jīng)較為成熟，但從區(qū)域生態(tài)研究的角度，目前還缺乏對如濟(jì)南等黃河流域下游重要城市的林地資源生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建分析、生態(tài)保護(hù)紅線合理性評價(jià)、生態(tài)保護(hù)區(qū)分級評價(jià)等相關(guān)研究。

文章以濟(jì)南市林地資源為研究對象，基于10 m分辨率土地利用數(shù)據(jù)，利用MSPA 模型識別提取林地生態(tài)源地，然后對地形坡度、高程以及地物景觀類型賦值建立綜合阻力面，借助MCR 模型建立濟(jì)南市林地資源生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，并通過重力模型提取重要生態(tài)廊道。 在此基礎(chǔ)上，從景觀結(jié)構(gòu)組成、生態(tài)源地分布、生態(tài)阻力分布、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)配置等方面分析、評價(jià)濟(jì)南市林地生態(tài)格局，并提出濟(jì)南市林地資源保護(hù)和空間優(yōu)化配置策略。

1 研究區(qū)域與研究資料

1.1 研究區(qū)域

濟(jì)南市位于山東省中西部，有“泉城”美稱，是山東省省會、環(huán)渤海地區(qū)南翼的中心城市，其地理位置圖如圖1 所示。 所用地圖審圖號為魯SG(2021)013 號。 同時(shí)，濟(jì)南市是山東省政治、經(jīng)濟(jì)、文化、科技、教育和金融中心及重要的交通樞紐。 濟(jì)南市地形可分為北部臨黃帶，中部山前平原帶，南部丘陵山區(qū)帶。 濟(jì)南市氣候?yàn)榕瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，氣候類型為溫帶季風(fēng)氣候，特征為春季舒爽、降雨量低；夏季氣候炎熱、降雨豐富；秋季氣溫、濕度適宜；冬季平均氣溫≥0 ℃[16]。 此外，濟(jì)南市正處于新舊動能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵時(shí)期，林地資源作為濟(jì)南市維持可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，對于其生態(tài)環(huán)境保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展至關(guān)重要。

圖1 研究區(qū)位置圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

采用的數(shù)據(jù)包含濟(jì)南市土地利用數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model， DEM)數(shù)據(jù)。 其中，濟(jì)南市土地利用數(shù)據(jù)來源于清華大學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:/ /data.ess.tsinghua.edu.cn/)，分辨率為10 m。按照清華大學(xué)數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)將土地劃分為耕地、林地、草地、灌木林地、濕地、水體、不透水地表、裸地，土地利用分布如圖2 所示。 所用地圖審圖號為魯SG(2021)013 號。 DEM 數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http:/ /www.gscloud.cn/)，分辨率為30 m?；贒EM 數(shù)據(jù)，利用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS 坡度分析進(jìn)一步計(jì)算坡度數(shù)據(jù)以構(gòu)建生態(tài)阻力面。

圖2 濟(jì)南市土地利用分布圖

2 研究方法

2.1 基于MSPA 模型的林地景觀形態(tài)類型識別

MSPA 起初設(shè)計(jì)為用于林地資源的景觀格局研究，利用形態(tài)學(xué)分析加強(qiáng)景觀之間的結(jié)構(gòu)連通，是精確識別林地資源的關(guān)鍵途徑[17]。 利用ArcGIS 對濟(jì)南市分辨率為10 m 的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化重分類，將林地設(shè)置為MSPA 的前景數(shù)據(jù)，并將其余各類用地設(shè)置為MSPA 的背景數(shù)據(jù)。 利用圖像對象與形狀描述軟件工具Guidos Toolbox 進(jìn)一步識別MSPA 景觀形態(tài)類型(見表1)。

表1 MSPA 的林地景觀形態(tài)類型及生態(tài)學(xué)含義表

2.2 基于景觀連通性的林地重要生態(tài)源地識別

景觀連通性是評判研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)與景觀斑塊聯(lián)系強(qiáng)弱的重要指標(biāo)，是客觀反映不同生態(tài)源地生物遷徙難度的關(guān)鍵途徑，對于識別重要生態(tài)源地具有積極意義[14]。 采用可能連通性指數(shù)(Probability of Connectivity，PC)和可能連通性指數(shù)變化量(the delta values for the Probability of Connectivity，dPC)[18-19]識別重要生態(tài)源地。

可能連通性指數(shù)PC 由式(1)表示為

式中n為斑塊總數(shù)，個(gè)；ai、aj分別為斑塊i、j的面積，km2；pij為生物在斑塊i、j間擴(kuò)散的最大概率；AL為研究對象的景觀總面積，km2。 利用景觀指數(shù)數(shù)據(jù)輸入軟件Conefor＿Inputs＿10 設(shè)置斑塊間的距離閾值為2 000，其連通概率為50%。

可能連通性指數(shù)變化量dPC 由式(2)表示為

式中PC 和PC′分別為連通性計(jì)算結(jié)果和去除某要素之后的連通性計(jì)算結(jié)果，dPC 為去除要素的重要性程度。

2.3 耦合多因子的林地景觀阻力面構(gòu)建

景觀阻力表示生物在不同景觀單元間遷徙的難度，其可以反映斑塊的環(huán)境抵抗力，判斷景觀斑塊重要程度[20]。 由此建立的綜合阻力面可以由空間角度表示研究區(qū)域內(nèi)景觀格局的相互作用，并作為確定景觀斑塊間的最短、最優(yōu)路徑的基礎(chǔ)[21]。 文章從林地資源的分布特征出發(fā)，選定地形坡度、高程以及景觀類型作為基準(zhǔn)進(jìn)行阻力賦值(見表2 ～4)，并分別構(gòu)建阻力面(如圖3 所示)。

圖3 阻力面構(gòu)建圖

表2 地物景觀類型阻力賦值表

林地作為研究對象，其生態(tài)適宜性最高，因此地物景觀類型阻力值最低。 濕地、草地、灌木林地景觀類型對于林地影響阻力較低。 耕地由于非自然形成景觀類型對于林地的阻力稍高，同時(shí)水體作為天然屏障對于林地的阻力略高。 裸地與不透水地表被人類行為干擾，生態(tài)適宜性極低，景觀類型阻力極高。由于林地多分布于丘陵與山地地區(qū)，綜合地形坡度和高程，分析地形地勢變化，設(shè)定平原地區(qū)阻力值最高；高程＞400 m，坡度＞35°阻力最小。 因此，設(shè)定地形坡度，高程以及景觀類型對應(yīng)權(quán)重分別為0.3、0.3、0.4，進(jìn)行加權(quán)求和建立綜合景觀阻力面。

表3 高程阻力賦值表

表4 地形坡度阻力賦值表

2.4 基于MCR 模型的林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是由一系列自然保護(hù)區(qū)及其連接體組成的系統(tǒng)，能夠?qū)⑵扑榈木坝^重新連接為一個(gè)綜合整體，維護(hù)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性[22-23]。 借助MCR 模型，聯(lián)合綜合阻力面，可以計(jì)算出不同斑塊之間的最小累積阻力，從而借助ArcGIS 建立斑塊間的最低成本路徑，憑借最低成本路徑可建立研究區(qū)域內(nèi)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

最小阻力模型由式(3)表示為

式中MCR 為生態(tài)源地到其他各點(diǎn)的最小累計(jì)阻力值；fmin為Dij與Ri的函數(shù)關(guān)系；Dij為生態(tài)源地i與j的空間距離，km；Ri為通過景觀時(shí)的綜合阻力系數(shù)。

2.5 基于重力模型的林地重要生態(tài)廊道識別

重力模型原用于處理地理空間中城市系統(tǒng)的相互作用關(guān)系。 有學(xué)者[15，24]將其引入到生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中用于識別提取重要生態(tài)廊道。 利用重力模型對MCR 構(gòu)建的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重要性判別，客觀反映不同林地景觀之間的生態(tài)作用力，科學(xué)體現(xiàn)各個(gè)林地斑塊之間的聯(lián)系強(qiáng)度。 重力模型由式(4)表示為

式中Gij為林地核心斑塊i與j之間的相互作用力；Mi、Mj分別為斑塊i、j的權(quán)重；D2ij為斑塊i與j間的潛在廊道聯(lián)系阻力值；Si、Sj分別為斑塊i、j的面積，km2；Lij為斑塊i與j進(jìn)行聯(lián)系的景觀阻力值；Lmax為研究區(qū)域內(nèi)廊道阻力的極大值。

3 結(jié)果與分析

3.1 林地生態(tài)景觀格局分析

利用MSPA 模型對濟(jì)南市林地景觀形態(tài)進(jìn)行分析，識別出核心區(qū)、孤島、孔隙、邊緣、環(huán)道、橋接、支線與背景(如圖4 所示)，并對各類型進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(見表5)。 濟(jì)南市林地景觀中核心區(qū)分布最廣泛，面積占比達(dá)46.35%；邊緣和孤島規(guī)模較大，占比分別為18.14%和12.52%；支線與橋街區(qū)的面積占比較少；環(huán)道與孔隙分布極少。 由此可知，濟(jì)南市林地邊界高度繁雜，分布集中但形態(tài)破碎，內(nèi)部存在大量缺口，對外部影響抵抗力較弱，且各個(gè)林地景觀斑塊之間的連通性較低，對于生物遷徙、能量流通易產(chǎn)生消極影響。

圖4 濟(jì)南市基于MSAP 林地景觀類型圖

表5 基于MSPA 的林地景觀類型面積表

濟(jì)南市林地資源總體上較為豐富，集中分布于中南部山地地區(qū)，在西南與東南地區(qū)景觀分布規(guī)模較大，在北部平原地區(qū)零星分布。 濟(jì)南市林地分布高度集中，分布極不均衡。

3.2 林地生態(tài)源地分析

借助可能連通性指數(shù)變化量(dPC)提取重要核心區(qū)及其矢量數(shù)據(jù)；依據(jù)核心區(qū)面積對其進(jìn)行排列，并根據(jù)均勻分布的原則，選取其中dPC 最大的8 個(gè)核心區(qū)斑塊即可覆蓋濟(jì)南市的中南、中西南與東南部3 大核心區(qū)。 核心區(qū)景觀連通性重要程度排序見表6(編碼采用Conefor2.6 提取的節(jié)點(diǎn)Node)。

根據(jù)表6 可知，選取的林地重要核心區(qū)斑塊(生態(tài)源地)的總面積為190.99 km2，其分布較為集中(如圖5 所示)，但單個(gè)生態(tài)源地的面積較小，與濟(jì)南市林地資源分布相吻合，體現(xiàn)了濟(jì)南市林地資源分布高度集中但斑塊極其破碎的特點(diǎn)。

表6 核心區(qū)景觀連通性重要程度排序表

圖5 林地生態(tài)源地分布圖

3.3 林地生態(tài)阻力分析

由圖3 中的地物景觀類型、高程以及地形坡度各自的阻力面，可以得出由地物景觀所造成的阻力主要集中在濟(jì)南市中西部與東南部的不透水地表；北部地區(qū)以耕地為主，阻力值中等；中南與東南、中西南地區(qū)以林地為主，因此阻力值極低。 由高程和地形坡度引起的阻力主要集中在北方與西部的平原地區(qū)，而在中南部與東部的山地丘陵地區(qū)阻力極低。疊加上述3 個(gè)阻力面得到綜合阻力面(如圖6 所示)。 由圖6 分析可知，濟(jì)南市北部與西部地區(qū)的阻力值極高，東南區(qū)域阻力分布復(fù)雜；在東南部分(萊蕪區(qū))中東部阻力值較高，東南角阻力較低；中南與東部地區(qū)的阻力值極低。 說明濟(jì)南市的地物景觀類型與地形地勢等自然要素高度統(tǒng)一，總體規(guī)劃與自然條件吻合度較高。

圖6 濟(jì)南市林地生態(tài)綜合阻力面圖

3.4 林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析

利用MCR 模型與濟(jì)南市綜合阻力面建立了濟(jì)南市林地生態(tài)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，是由提取出49 條生態(tài)廊道組成的(如圖7 所示)。 圖7 表明了濟(jì)南市生態(tài)格局與生態(tài)過程流在濟(jì)南市綜合阻力面上所受到的阻力值強(qiáng)弱。 由于林地生態(tài)源地分布高度集中，生態(tài)廊道分布也極不均勻，高度集中于中南與中西南地區(qū)，但廊道結(jié)構(gòu)相對合理，利于進(jìn)行生物交流和提高林地的環(huán)境抵抗力。 東部生態(tài)廊道單一，生態(tài)抵抗力較弱，生態(tài)系統(tǒng)易破碎。 如維持濟(jì)南市生態(tài)可持續(xù)發(fā)展需加強(qiáng)東部廊道的建設(shè)，減少人類經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動的干擾，減輕廊道的生態(tài)壓力，必要時(shí)可在東部阻力值較低區(qū)域建立新的林地景觀生態(tài)源地，緩解單一廊道的負(fù)擔(dān)，提高東部廊道的生態(tài)連通性。

圖7 濟(jì)南市林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)圖

3.5 重要生態(tài)廊道分析

借助重力模型判斷不同林地斑塊之間的聯(lián)系性強(qiáng)弱，并以此作為評判廊道連通研究區(qū)域內(nèi)林地斑塊的重要指標(biāo)，然后提取出濟(jì)南市的重要林地生態(tài)廊道。 斑塊間作用程度的閾值設(shè)置為＞1.5(見表7)，共選取出10 條重要廊道(如圖8 所示)。 結(jié)果顯示，提取的重點(diǎn)廊道與濟(jì)南市戰(zhàn)略規(guī)劃以及林地斑塊分布相吻合。

表7 生態(tài)廊道間相互作用程度表

圖8 濟(jì)南市林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分級圖

濟(jì)南市重要林地斑塊分布在中西南部分，斑塊間聯(lián)系密切，能量流動與生物交流也較強(qiáng)。 地處歷城區(qū)的0 號斑塊與歷城區(qū)、章丘區(qū)的2 號斑塊相互連通性最優(yōu)，相互之間作用程度達(dá)15.639 5。 地處歷城區(qū)與長清區(qū)的8、9 號斑塊次之，相互間作用程度為12.274 2。 第一組斑塊分布于中南部山區(qū)，作為濟(jì)南市重要生態(tài)保護(hù)區(qū)，森林資源豐富，物類充足，具有良好的生態(tài)調(diào)節(jié)功能[25]。 第二組斑塊在濟(jì)南中西南部丘陵地區(qū)，借助跨域歷城區(qū)、章丘區(qū)、萊蕪區(qū)的6 號斑塊與第一組斑塊建立聯(lián)系，建立起中南與中西南的生物遷移、能量流通鏈條。

長清區(qū)與歷城區(qū)間斑塊相互作用能力強(qiáng)，使得濟(jì)南市中西南部分林地生態(tài)斑塊具有良好的連通功能。 萊蕪區(qū)斑塊分布于濟(jì)南市東南角山地，由于周圍地形平緩，建有城市，易受人類活動影響，與其他廊道的相互作用力較弱。 因此，維持濟(jì)南市東部林地生態(tài)源地的可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)生物交流與能量流動需要對萊蕪區(qū)的生態(tài)廊道加強(qiáng)維護(hù)，以便山地生物進(jìn)行遷徙；減少對于東部山地資源的開發(fā)，并加強(qiáng)其周圍林地景觀核心區(qū)的管理維護(hù)，提高其dPC，降低人類經(jīng)濟(jì)開發(fā)活動對萊蕪區(qū)斑塊的集中影響。

4 結(jié)論

通過上述研究可知:

(1) 濟(jì)南市森林資源豐富，總面積1 938.57 km2，其中核心區(qū)面積占比為46.35%。 森林資源集中分布于中南山地地區(qū)，在西南與東南地區(qū)分布規(guī)模相對較大，在北部平原地區(qū)分布稀少，空間格局極不均衡。林地景觀邊緣破碎，內(nèi)部空洞多，且單個(gè)生態(tài)源地的面積較小，連通性平均水平較低，不利于生物棲息、遷徙和能量流動。

(2) 濟(jì)南市的地物景觀類型與地形地勢等自然要素高度統(tǒng)一，城市總體規(guī)劃與自然條件吻合度較高，濟(jì)南市林地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)與其市戰(zhàn)略規(guī)劃以及林地斑塊分布相吻合，總體質(zhì)量較高。 但是生態(tài)廊道呈聚集分布，主要集中于中南與中西南地區(qū)，東部廊道單一，連通程度高度不平衡，整體結(jié)構(gòu)相對簡單，不利于生物交流和提高林地的生態(tài)環(huán)境抵抗力，生態(tài)系統(tǒng)易破碎。

(3) 濟(jì)南應(yīng)加強(qiáng)對萊蕪區(qū)林地資源生態(tài)源地的保護(hù)，注重維護(hù)周圍林地景觀核心區(qū)，適當(dāng)減少人類活動的影響并建立東部生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。 對于中南與中西南地區(qū)，應(yīng)降低林地景觀的破碎化，填補(bǔ)內(nèi)部空洞，在北部和西部適當(dāng)建立一定規(guī)模的林地資源生態(tài)源地，加強(qiáng)生物交流，促進(jìn)濟(jì)南市林地資源均衡分布。