屠 越,劉 敏,高嬋嬋,孫彥偉,蔡超琳,蘇 玲

1 華東師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海 200241 2 自然資源部大都市區(qū)國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心,上海 200241 3 上海市建設(shè)用地和土地整理事務(wù)中心,上海 200003 4 上海廣境規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,上海 201822

隨著城市化進(jìn)程加快,維持生態(tài)安全與城市發(fā)展的平衡成為新時(shí)代目標(biāo),強(qiáng)調(diào)人與自然和諧共生的國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)成為國(guó)家戰(zhàn)略工程[1]。構(gòu)建生態(tài)安全格局作為維持城市生態(tài)安全的重要方法,能夠有效提升生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的完整性,是識(shí)別國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域的重要手段[2]。

生態(tài)源地指在維持生態(tài)功能及生態(tài)過程中起重要意義的斑塊,不僅是本地種的重要棲息地,也是維持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、保障其完整性與連通性,并提供給人類生產(chǎn)生活豐富產(chǎn)品的重要區(qū)域[3—4]?？茖W(xué)和準(zhǔn)確識(shí)別生態(tài)源地是生態(tài)安全格局構(gòu)建與國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)的重要目標(biāo),構(gòu)建因地制宜的生態(tài)源地識(shí)別體系是技術(shù)核心,各地因生態(tài)安全需求不同,生態(tài)源地識(shí)別體系差異較大。研究初期多采用提取自然本底較佳的自然保護(hù)區(qū)等作為源地[5],后發(fā)展為通過多指標(biāo)體系識(shí)別的方法[6—7]。生態(tài)安全格局構(gòu)建與優(yōu)化的研究起源于景觀生態(tài)學(xué)背景下的自然資源保護(hù)措施[8],對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能及過程進(jìn)行探究[9—13],近年來逐漸將人類對(duì)自然的影響因素考慮其中[14],以期實(shí)現(xiàn)人地耦合目標(biāo)。生態(tài)安全格局構(gòu)建的相關(guān)研究逐漸形成“源地-阻力面-廊道”范式[15—17]。

目前生態(tài)源地評(píng)價(jià)體系相互包含、錯(cuò)綜復(fù)雜,沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。已有研究多以基于生態(tài)源地定義的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值[7,18]、生態(tài)敏感性[19]、粒度反推法[20]、熱點(diǎn)分析法[21]、政府決策或居民意見[22],或結(jié)合以上多種方法[23—24]識(shí)別生態(tài)源地。研究多選取近自然區(qū)域[7],或疊加社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素識(shí)別生態(tài)源地,較少提及人類需求與自然因素的耦合及指標(biāo)權(quán)重的選取。現(xiàn)有研究多針對(duì)生態(tài)本底較佳區(qū)域,較少以人口高聚集性為特點(diǎn)的大都市為研究對(duì)象,探究大都市生態(tài)安全格局構(gòu)建與優(yōu)化。在構(gòu)建生態(tài)阻力面體系方面,已有研究大多僅考慮某一類指標(biāo)層,如僅根據(jù)土地利用類型構(gòu)建阻力面[7]。此外,已有研究針對(duì)生態(tài)保護(hù)與生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域的概念與識(shí)別方法闡述較為模糊[20]或直接混談[18,24],導(dǎo)致生態(tài)保護(hù)與修復(fù)重點(diǎn)區(qū)域與生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建優(yōu)化等概念互相關(guān)聯(lián),關(guān)系不甚明確。

本研究以高度城市化的上海市為例,結(jié)合基于自然的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)格局與基于人類的生態(tài)環(huán)境安全格局與環(huán)境友好格局,探究不同土地利用數(shù)據(jù)源與各格局指標(biāo)權(quán)重對(duì)生態(tài)源地識(shí)別的影響,構(gòu)建上海市生態(tài)源地識(shí)別體系,并疊加《上海市生態(tài)保護(hù)紅線》識(shí)別生態(tài)源地；在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建綜合生態(tài)阻力面,通過最小累積阻力模型及電路理論識(shí)別生態(tài)保護(hù)優(yōu)先區(qū)域(廊道、優(yōu)先點(diǎn))與生態(tài)修復(fù)優(yōu)先區(qū)域(生態(tài)障礙點(diǎn)、需優(yōu)化的非生態(tài)用地),構(gòu)建上海市生態(tài)安全格局[25],并提出修復(fù)策略,以期為上海市國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)與修復(fù)及未來城市規(guī)劃提供參考,為其他高度城市化區(qū)域,以及處于高速城市化發(fā)展進(jìn)程城市的國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

上海市(30°40′—31°53′ N,120°52′—122°12′ E)地處華東地區(qū),長(zhǎng)江與黃浦江匯入東海處,北接江蘇省,西鄰浙江省。上海市總面積6340.5 km2,平均海拔約4 m,地勢(shì)較平坦,年均氣溫17.3 ℃,年均降水量1649.1 mm,氣候濕潤(rùn)溫和。2019年上海市常住人口2481.34萬(約為全國(guó)1.76%),國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(Gross Domestic Product, GDP)37987.55億元(約為全國(guó)3.86%),經(jīng)濟(jì)發(fā)展促使城市快速擴(kuò)張,2019年上海市城市化率高達(dá)88.10%,遠(yuǎn)高于全國(guó)平均水平(60.60%), 2004年至2017年建設(shè)用地面積上漲69.21%,從1825 km2增長(zhǎng)至3088 km2[26]。雖然上海市城市化水平較高,但自然資源豐富,是典型的河口濕地城市,具有較高的生態(tài)保護(hù)研究?jī)r(jià)值。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括土地利用數(shù)據(jù)集、生境威脅因子數(shù)據(jù)集、植被因子數(shù)據(jù)集、水資源環(huán)境數(shù)據(jù)集以及興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)集。

土地利用數(shù)據(jù)是生態(tài)源地識(shí)別和國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)源,由于解譯單位或技術(shù)手段不一致,目前不同土地利用產(chǎn)品間存在一定差異。同時(shí),由于遙感數(shù)據(jù)和解譯方法的局限性,目前土地利用數(shù)據(jù)的質(zhì)量存在不確定性(分類精度[27]、分辨率[28]及分類方法[29]等),進(jìn)而對(duì)大都市區(qū)生態(tài)源地和國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)的準(zhǔn)確識(shí)別產(chǎn)生影響。為客觀識(shí)別大都市區(qū)生態(tài)源地,選取4個(gè)土地利用主流產(chǎn)品,探究不同土地利用數(shù)據(jù)對(duì)生態(tài)源地準(zhǔn)確識(shí)別的影響。土地利用數(shù)據(jù)分別來源于清華大學(xué)宮鵬團(tuán)隊(duì)(FROM-GLC10[28], 10 m, 2017年；FROM-GLC30[29], 30 m, 2017年)、中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院(GLC-FCS30, 30 m, 2020年, https://zenodo.org/record/4280923#)及中科院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(CAS-LUCC30, 30 m, 2020年, http://www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=335)。

生境威脅因子數(shù)據(jù)來自O(shè)penStreetMap平臺(tái)(2020年)；植被因子數(shù)據(jù)中植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)來自美國(guó)航天局(2017年, http://reverb.echo.nasa.gov)；歸一化植被指數(shù)(NDVI)來自中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(2017年)；水資源環(huán)境數(shù)據(jù)集中年累積降水量來自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(2017年),河網(wǎng)密度來自O(shè)penStreetMap平臺(tái)(2020年)；興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)集中污染性工廠數(shù)據(jù)來自百度地圖API(2020年),公園數(shù)據(jù)來自O(shè)penStreetMap平臺(tái)(2020年)；社會(huì)因子數(shù)據(jù)集中人口密度(POP)及國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)來自中科院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(2015年),夜間燈光數(shù)據(jù)來自全球光污染地圖(2020, https://www.lightpollutionmap.info)。

2.2 生態(tài)源地識(shí)別指標(biāo)及方法

基于生態(tài)安全的廣義層面概念[6],生態(tài)源地要滿足人類-自然耦合的目標(biāo)。本文分別從基于自然的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)格局及基于人類的生態(tài)環(huán)境安全、環(huán)境友好格局識(shí)別生態(tài)源地(表1)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)格局代表傳統(tǒng)自然環(huán)境的生態(tài)價(jià)值,生態(tài)環(huán)境安全格局代表人類對(duì)空間藍(lán)綠資源需求的生態(tài)價(jià)值,環(huán)境友好格局代表人類活動(dòng)造成自然環(huán)境變化(包括負(fù)向和正向)的生態(tài)價(jià)值。從自然需求出發(fā),生態(tài)源地要滿足維持生態(tài)過程完整、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可持續(xù),并預(yù)防生態(tài)系統(tǒng)退化[30]。生物多樣性價(jià)值代表區(qū)域物種豐富度,生境質(zhì)量代表區(qū)域生物生存的環(huán)境質(zhì)量,植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)反映生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力,而景觀連通性指數(shù)代表斑塊對(duì)整體景觀生態(tài)過程與完整度的貢獻(xiàn)。從人類需求及影響出發(fā),生態(tài)環(huán)境安全格局通過NDVI、年累積降水量及河網(wǎng)密度代表區(qū)域藍(lán)綠資源的分布情況；環(huán)境友好格局則通過提取人類活動(dòng)造成自然環(huán)境變化的污染性工廠分布(負(fù)向)及公園分布(正向)兩個(gè)因素構(gòu)建區(qū)域人類活動(dòng)影響分布。

考慮到植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與歸一化植被指數(shù)高度共線,為盡量消除重復(fù)計(jì)算的誤差,并保留二者的差異性表達(dá),統(tǒng)籌考慮已有文獻(xiàn)指標(biāo)權(quán)重,降低植被凈初級(jí)生產(chǎn)力權(quán)重(生物多樣性服務(wù)價(jià)值∶生境質(zhì)量∶植被凈初級(jí)生產(chǎn)力∶景觀連通性=1∶1∶0.3∶1),以確保同類型/相似指標(biāo)權(quán)重之和與已有研究較為一致。

不同權(quán)重代表自然環(huán)境與人類需求對(duì)大都市區(qū)生態(tài)源地識(shí)別重要性的不同占比：權(quán)重一(1∶1∶1)到權(quán)重三(5∶2∶1)逐漸增加自然環(huán)境相對(duì)于人類需求的重要性,對(duì)照組為不加入人類需求指標(biāo)的傳統(tǒng)源地識(shí)別方法。結(jié)合源地識(shí)別效果及已有生態(tài)資源分布,確定大都市區(qū)人類需求指標(biāo)添加的有效性及源地最佳識(shí)別效果的指標(biāo)比重。將三個(gè)格局按照不同權(quán)重賦值疊加,經(jīng)自然斷點(diǎn)法分為五級(jí),一級(jí)至五級(jí)賦值之和逐漸升高,取四級(jí)、五級(jí)區(qū)域?yàn)樯鷳B(tài)源地。

表1 基于生態(tài)安全格局的生態(tài)源地識(shí)別的指標(biāo)及方法

2.2.1生物多樣性服務(wù)評(píng)估

根據(jù)生物多樣性服務(wù)當(dāng)量評(píng)估生物多樣性服務(wù)價(jià)值[31]。其中,林地為4.51,濕地為3.69,水體為3.43,灌叢取林地與草地平均值,為3.19,草地為1.87,耕地為1.02,不透水面和裸地為0。

2.2.2生境質(zhì)量評(píng)估

生境質(zhì)量指生態(tài)環(huán)境能夠維持生物生存繁衍的能力,影響因素為土地利用類型與生境威脅因子。本文使用InVEST模型的生境質(zhì)量(Habitat Quality)模塊評(píng)估研究區(qū)域的生境質(zhì)量[18,24]。模型將不同土地覆被與脅迫因子建立聯(lián)系,評(píng)估生境質(zhì)量分布特征,公式如下：

(1)

式中：Qxy是土地覆被類型j區(qū)域柵格x的生境質(zhì)量；Dxy是土地覆被類型j區(qū)域柵格x的生態(tài)環(huán)境脅迫程度；Hj為土地覆被類型j的生態(tài)環(huán)境適宜度；k為半飽和常數(shù)。

2.2.3景觀連通性分析

景觀連通性代表生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)、能量及信息流動(dòng)的困難程度?？赡苓B通性指數(shù)(PC)既可以表征區(qū)域整體連通性,也可以表征各斑塊相較整體的連通性高低[32],故本文選取PC進(jìn)行景觀連通性分析,其范圍為0到1,隨值增大連通性增強(qiáng),公式如下：

(2)

斑塊重要值代表現(xiàn)有斑塊對(duì)于維護(hù)景觀連通性的性,以百分比表示。針對(duì)PC指數(shù),斑塊重要值(dPC)公式為：

(3)

式中,PC為所有斑塊均存在于研究區(qū)域時(shí)的可能連通性指數(shù)值,PCremove為移除某斑塊后的可能連通性指數(shù)值。

2.3 生態(tài)阻力面設(shè)置

生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)、能量與信息的傳遞需要克服阻力[33],本文通過最小累積阻力模型構(gòu)建生態(tài)阻力面,模型公式如下：

(4)

式中：MCR為最小累積阻力值；f代表最小累積阻力與研究區(qū)域生態(tài)過程的函數(shù)；min為最小值；Dij為源j到柵格i的空間距離；Ri為柵格i對(duì)生態(tài)流動(dòng)的阻力值。

綜合生態(tài)阻力面由人類活動(dòng)格局與自然環(huán)境格局組成。人類活動(dòng)格局下的綜合阻力由不透水面、污染性工廠、道路、POP與GDP為指標(biāo)構(gòu)建[24,34—35]。傳統(tǒng)研究多以土地利用類型直接定義阻力值,未考慮物質(zhì)與能量間的相互影響[20],故本研究加入基于空間自相關(guān)的克里金插值法,作為表征氣體、液體或微小固體運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的隱性阻力[36],將基于土地利用類型的顯性阻力面與隱性阻力面疊加形成自然環(huán)境格局阻力面?？死锝鸱ü饺缦拢?/p>

(5)

其中,Z(si)為第i個(gè)柵格的數(shù)值；λi為第i個(gè)柵格權(quán)重；s0為預(yù)測(cè)的柵格；N為柵格總數(shù)。

2.4 生態(tài)保護(hù)優(yōu)先區(qū)域識(shí)別

生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)與能量流動(dòng)在景觀尺度上通過斑塊-廊道結(jié)構(gòu)進(jìn)行[37—38]。研究利用基于最小累積阻力模型與電路理論的Linkage Mapper工具識(shí)別生態(tài)廊道,并判斷廊道寬度,單位長(zhǎng)度阻力低(前10%)的生態(tài)廊道為需保護(hù)的低阻力廊道,反之(后10%)為需修復(fù)的高阻力廊道；生態(tài)節(jié)點(diǎn)是重要生態(tài)廊道的交點(diǎn)/折點(diǎn)[39—40]；生態(tài)夾點(diǎn)是景觀連通性較高區(qū)域,有著重要的生態(tài)保護(hù)價(jià)值[41—42],使用Pinchpoint Mapper工具識(shí)別。由于夾點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)分布高度一致,合并作為生態(tài)保護(hù)優(yōu)先點(diǎn),包含重要廊道的交點(diǎn)、折點(diǎn)為一級(jí)點(diǎn),非重要廊道間的交點(diǎn)與折點(diǎn)為二級(jí)點(diǎn)。

2.5 生態(tài)修復(fù)優(yōu)先區(qū)域識(shí)別

生態(tài)障礙點(diǎn)指修復(fù)后能夠提升區(qū)域整體連通性、區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能與生態(tài)安全的區(qū)域,是生態(tài)修復(fù)優(yōu)先區(qū),使用Linkage Mapper工具識(shí)別。通過設(shè)置低阻力移動(dòng)搜索窗口判斷提升窗口內(nèi)生態(tài)環(huán)境對(duì)研究區(qū)域整體連通性的提升作用[24]。比值越大,窗口區(qū)域生態(tài)修復(fù)優(yōu)先程度越高。最小成本距離公式如下：

LCD′=CWD1min+CWD2min+(L×R′)

(6)

式中,LCD′為將障礙移除后的最小成本距離,CWD1min和CWD2min分別為窗口至兩個(gè)源地的最小累積阻力值,L為移動(dòng)窗口的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度,R′為窗口新阻力值。

粒度反推法基于反證法,通過構(gòu)建不同粒度下的生態(tài)用地結(jié)構(gòu),確定最佳景觀連通性的粒度,反套回原始數(shù)據(jù)識(shí)別重要生態(tài)斑塊(最佳粒度與原始資料一致的斑塊)與轉(zhuǎn)換為生態(tài)用地后能夠增加景觀連通性的斑塊(最佳粒度相連,原始資料不相連的斑塊)[20]。

3 結(jié)果與討論

3.1 生態(tài)源地診斷與識(shí)別

上海市四種數(shù)據(jù)源土地利用類型占比如圖1,不透水面、裸地及耕地面積之和占比均超過75%。四種土地利用數(shù)據(jù)中FROM-GLC10的不透水面面積占比最高(43.02%),與同年中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒的上海市建設(shè)用地面積占比(48.70%)最接近[43],耕地面積(2566.75 km2)與基于Landsat遙感數(shù)據(jù)解譯結(jié)果(2784 km2)最接近[44]。草地面積占比存在較大差異,FROM-GLC10(8.61%)遠(yuǎn)高于其他三種(0.39%、0.48%及1.38%),且與通過Landsat TM為數(shù)據(jù)源人機(jī)結(jié)合解譯所得的2015年上海市林地面積占比(7.00%)較為接近[45]。造成草地面積差異的可能原因?yàn)榉直媛侍嵘龑?dǎo)致斑塊面積較小的草地被識(shí)別出來,或較低分辨率三種數(shù)據(jù)源的部分草地斑塊被錯(cuò)誤歸類為林地。綜上,FROM-GLC10對(duì)草地、耕地及建設(shè)用地/不透水面的識(shí)別效果與已有研究或已發(fā)表報(bào)告最為接近；數(shù)據(jù)分辨率主要影響草地識(shí)別,其識(shí)別效率隨分辨率增加而提升。

圖1 上海市四種土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)源土地利用類型占比分布Fig.1 Distribution of land use types in four land use/cover data sources in ShanghaiFROM-GLC10與FROM-GLC30為清華大學(xué)宮鵬團(tuán)隊(duì)等發(fā)布的全球土地覆蓋數(shù)據(jù)集，GLC-FCS30為中科院空天信息創(chuàng)新研究院發(fā)布的首個(gè)全球(除南極洲)的土地利用數(shù)據(jù)集，CAS-LUCC30為中科院建立的多時(shí)期土地利用遙感信息庫(kù)

上海市生態(tài)安全綜合賦值五級(jí)分布如圖2所示。權(quán)重一(1∶1∶1)識(shí)別出的生態(tài)源地面積較大,其中面積較多的較高值區(qū)域(四級(jí))在權(quán)重二(3∶1∶1)中被兩極化,部分轉(zhuǎn)化為高值區(qū)域(五級(jí)),如淀山湖、滴水湖與周邊林地區(qū)域以及崇明區(qū)北部灘涂,部分轉(zhuǎn)化為低值區(qū)域(一至三級(jí)),如崇明區(qū)、金山區(qū)及奉賢區(qū)。較高值的兩極化轉(zhuǎn)變有效提升了生態(tài)源地提取的便捷性。

不同權(quán)重下生態(tài)源地識(shí)別效果差異較大。權(quán)重一(1∶1∶1)對(duì)于自然本底環(huán)境較佳的區(qū)域(淀山湖、滴水湖以及崇明區(qū)灘涂)識(shí)別效果不佳,且部分行政區(qū)(金山區(qū)、奉賢區(qū)、浦東新區(qū)及崇明區(qū))源地識(shí)別面積過大,有悖生態(tài)源地選取原則,故認(rèn)為選取權(quán)重一識(shí)別生態(tài)源地不適宜。權(quán)重二(3∶1∶1)與權(quán)重三(5∶2∶1)生態(tài)源地分布相似,差異主要集中于耕地,由于大都市區(qū)耕地能夠體現(xiàn)出更多生態(tài)價(jià)值[46],權(quán)重三(5∶2∶1)能夠提取部分高生態(tài)價(jià)值耕地,而權(quán)重二(3∶1∶1)卻將大片耕地?zé)o差別保留,不能有效識(shí)別出高價(jià)值耕地,故選擇權(quán)重三(5∶2∶1)作為識(shí)別源地的最佳權(quán)重。

不同土地利用數(shù)據(jù)源對(duì)源地識(shí)別也存在顯著差異,主要體現(xiàn)在中心城區(qū)的源地識(shí)別效果、重要藍(lán)綠資源識(shí)別完整性、提取出源地面積的適宜性三個(gè)方面。FROM-GLC10與FROM-GLC30對(duì)中心城區(qū)源地的識(shí)別效果優(yōu)于CAS-LUCC30與GLC-FCS30；CAS-LUCC30未能識(shí)別出淀山湖,FROM-GLC30、GLC-FCS30未能識(shí)別出崇明區(qū)北部的灘涂；GLC-FCS30在部分行政區(qū)(金山區(qū)、奉賢區(qū))識(shí)別出的四級(jí)區(qū)域面積過大,保護(hù)效益較低。綜上,識(shí)別上海市生態(tài)源地效果最佳的土地利用數(shù)據(jù)源為FROM-GLC10,三種格局權(quán)重為權(quán)重三(5∶2∶1)。

圖2 上海市生態(tài)安全綜合賦值五級(jí)分布Fig.2 Five-level distribution of comprehensive valuation of ecological security in Shanghai

3.2 現(xiàn)狀生態(tài)源地空間分布

圖3 上海市生態(tài)源地分布Fig.3 Spatial distribution of ecological sources in Shanghai

研究識(shí)別上海市生態(tài)源地202個(gè),總面積920.96 km2,主要分布在非中心城區(qū)范圍,呈現(xiàn)南北較多、東西較少的規(guī)律(圖3)。非中心城區(qū)共198個(gè)生態(tài)源地,其中浦東新區(qū)最多(39),崇明區(qū)(32)次之,松江區(qū)、奉賢區(qū)、金山區(qū)均超過20個(gè),寶山區(qū)僅5個(gè)；中心城區(qū)僅4個(gè)生態(tài)源地,楊浦區(qū)2個(gè),普陀區(qū)與長(zhǎng)寧區(qū)各1個(gè),其余無生態(tài)源地。嘉定區(qū)生態(tài)源地雖然數(shù)量(18)高于閔行區(qū)(10),但面積(26.70 km2)小于閔行區(qū)(31.34 km2),說明區(qū)域斑塊破碎程度較高；金山區(qū)生態(tài)源地面積較大(97.51 km2)而數(shù)量(23)相對(duì)較少,斑塊破碎程度較低,連通性較佳。將直接提取自然保護(hù)區(qū)、公園及林地等生態(tài)本底較佳區(qū)域作為源地[47]的識(shí)別效果與本文進(jìn)行對(duì)比,二者大體分布趨勢(shì)相似,但本研究識(shí)別的源地在更小斑塊、更多元化用地類型方面具顯著優(yōu)勢(shì),差異集中在崇明區(qū)北側(cè)與東南側(cè)(濕地與水體)、青浦區(qū)西側(cè)(淀山湖水體)、金山區(qū)西北側(cè)(耕地)及浦東新區(qū)中部(草地)。對(duì)比直接識(shí)別法,多指標(biāo)生態(tài)源地的識(shí)別結(jié)果與本研究更為相似,如Bai等基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、生態(tài)脆弱性、生物多樣性及政府與居民意見識(shí)別的生態(tài)源地[22],不同的是Bai等識(shí)別出了更多崇明區(qū)的耕地與浦東新區(qū)的草地,這與加入碳儲(chǔ)量與固碳功能、生態(tài)脆弱性等指標(biāo)有關(guān)。

按面積規(guī)模將上海市生態(tài)源地分為微型、小型、中型、大型和特大型(表2)。生態(tài)源地的數(shù)量隨規(guī)模減小而快速上升,微型生態(tài)源地?cái)?shù)量高達(dá)167個(gè),占82.67%,而大型及特大型生態(tài)源地均僅3個(gè)。上海市微型生態(tài)源地?cái)?shù)量遠(yuǎn)超于其他規(guī)模源地,生態(tài)源地破碎化程度嚴(yán)重,保護(hù)與修復(fù)任務(wù)迫切。

上海市生態(tài)源地的空間分布受到城市化水平的顯著影響(表3)。城市化水平較低區(qū)域(外環(huán)以外)生態(tài)源地?cái)?shù)量及面積相較外環(huán)內(nèi)大幅增加,數(shù)量從5個(gè)上升到92個(gè),總面積從11.10 km2上升到167.02 km2,但平均面積略有降低；郊環(huán)以外區(qū)域(102)及外環(huán)-中環(huán)區(qū)域(92)生態(tài)源地?cái)?shù)量差異較小,但郊環(huán)以外源地總面積是外環(huán)-郊環(huán)的4.4倍,即城市化水平最低的郊環(huán)以外區(qū)域生態(tài)源地連通性最佳。綜上,上海市生態(tài)源地的數(shù)量與面積與城市化水平高度相關(guān),以外環(huán)為界,以內(nèi)源地?cái)?shù)量與總面積極少,分別為3.96%與1.69%；生態(tài)源地的平均面積以郊環(huán)為界,以外(7.24 km2)遠(yuǎn)超以內(nèi)(0.96 km2—2.22 km2)。

表2 上海市生態(tài)源地面積分類統(tǒng)計(jì)

表3 上海市城市四個(gè)環(huán)線劃分區(qū)域的生態(tài)源地分布

3.3 生態(tài)保護(hù)與修復(fù)優(yōu)先區(qū)域識(shí)別

上海市自然環(huán)境格局阻力、人類活動(dòng)格局阻力與綜合生態(tài)阻力分布基本一致,高值區(qū)域主要集中在中心城區(qū)(圖4)。中心城區(qū)中,長(zhǎng)寧區(qū)與楊浦區(qū)在自然環(huán)境與人類活動(dòng)格局的高阻力面積較低于其余行政區(qū)；由于寶山區(qū)周邊豐富的綠地資源將中部不透水面包圍,其中部阻力值較高而周邊阻力值較低。與已有研究相比,在總體阻力面分布趨勢(shì)保持一致的前提下突出了人類活動(dòng)對(duì)綜合阻力的貢獻(xiàn),豐富了中心城區(qū)阻力面的變化[47]。

圖4 基于“人類-自然”耦合的上海市生態(tài)阻力面空間分布Fig.4 Spatial distribution of ecological resistance surface in Shanghai based on coupling of “Human-nature”

圖5 上海市生態(tài)保護(hù)優(yōu)先區(qū)域Fig.5 Priority areas of ecological protection in Shanghai

上海市生態(tài)保護(hù)優(yōu)先區(qū)域由“面(源地)-線(廊道)-點(diǎn)(優(yōu)先點(diǎn))”組成(圖5),生態(tài)源地及生態(tài)廊道的分布與上海市政府2021年6月批復(fù)的《上海市生態(tài)空間專項(xiàng)規(guī)劃(2021—2035)》中“九廊十區(qū)”分布較為一致[48]。研究識(shí)別出生態(tài)廊道共計(jì)442條,根據(jù)已有研究[49—50],廊道寬度取400 m時(shí)整體生態(tài)效益較高。高阻力廊道圍繞中心城區(qū)分布,少部分位于浦東新區(qū)中部；低阻力廊道主要分布于遠(yuǎn)離中心城區(qū)的上海市行政區(qū)邊界附近,包括崇明區(qū)北部、浦東新區(qū)東部、奉賢區(qū)南部及青浦區(qū)南部。本研究生態(tài)廊道的空間分布特征與已有研究類似[47,51],且較好的彌補(bǔ)了已有研究針對(duì)中心城區(qū)生態(tài)廊道匱乏的不足。上海市生態(tài)保護(hù)優(yōu)先點(diǎn)共306個(gè),浦東新區(qū)最多(87),奉賢區(qū)(43)、松江區(qū)(35)、青浦區(qū)(33)、崇明區(qū)(32)及嘉定區(qū)(30)數(shù)量較多,金山區(qū)(18)、寶山區(qū)(14)及閔行區(qū)(13)數(shù)量較少,中心城區(qū)除長(zhǎng)寧區(qū)(1)外均沒有分布。

上海市生態(tài)修復(fù)優(yōu)先區(qū)域由生態(tài)障礙點(diǎn)與需優(yōu)化的非生態(tài)斑塊組成(圖6),二者分布差異顯著,嘉定區(qū)及浦東新區(qū)較多。生態(tài)障礙點(diǎn)區(qū)域共309.78 km2,主要分布在中心城區(qū)外東、西、南側(cè),浦東新區(qū)面積最大,為96.14 km2,崇明區(qū)及中心城區(qū)不存在障礙點(diǎn)區(qū)域或極少分布,區(qū)域景觀一致性較強(qiáng)；上海市最佳生態(tài)景觀組分為400 m,需要優(yōu)化的非生態(tài)斑塊主要集中在嘉定區(qū)北部與浦東新區(qū)中部,主要為耕地與不透水面,共95個(gè),占地15.69 km2。

需優(yōu)化的非生態(tài)斑塊與生態(tài)障礙點(diǎn)作用均為提升連通性?；诹６确赐品ㄌ崛〉男鑳?yōu)化區(qū)域通過合并或剔除生態(tài)斑塊,減少斑塊間隔,目的為提升研究區(qū)域整體的景觀連通性；生態(tài)障礙點(diǎn)通過減少高阻力斑塊增加源地間生態(tài)流動(dòng),目的為提升生態(tài)源地間的連通性。已有研究鮮有將二者進(jìn)行比較或疊加討論,或僅考慮對(duì)研究區(qū)域整體連通性的提升[3,20,34],或以提升生態(tài)斑塊/源地間連通性為目的[7,18,24,51],而二者對(duì)于生態(tài)安全提升均存在重要意義,且針對(duì)上海市研究發(fā)現(xiàn)其互不重疊,或針對(duì)生態(tài)安全提升具有疊加效應(yīng)。

生態(tài)保護(hù)與修復(fù)區(qū)域存在重疊情況,即作為現(xiàn)狀生態(tài)本底較佳的保護(hù)區(qū),依然具有很大修復(fù)提升潛力,應(yīng)作為重點(diǎn)修復(fù)對(duì)象。主要集中在嘉定區(qū)南部、寶山區(qū)中南部、浦東新區(qū)中部及長(zhǎng)寧區(qū)北部,大多為草地與耕地。對(duì)比上海市近40年土地利用變化狀況發(fā)現(xiàn),大多重疊區(qū)在周邊城市化程度逐漸加深的情況下自身生態(tài)并未發(fā)生較大惡化,即大都市的生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)聚焦于城市化擴(kuò)散的阻力區(qū)域,且應(yīng)多關(guān)注生態(tài)價(jià)值適中的草地與耕地。

4 結(jié)論

以高度城市化的上海市為對(duì)象構(gòu)建生態(tài)源地識(shí)別體系,探究不同土地利用數(shù)據(jù)源與各指標(biāo)權(quán)重對(duì)生態(tài)源地識(shí)別的影響,輔以《上海市生態(tài)保護(hù)紅線》確定生態(tài)源地。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建適宜大都市的綜合生態(tài)阻力面,識(shí)別生態(tài)保護(hù)與生態(tài)修復(fù)的優(yōu)先區(qū)域。結(jié)論如下：

(1) 生態(tài)源地識(shí)別結(jié)果受生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)格局、生態(tài)環(huán)境安全格局與環(huán)境友好格局權(quán)重的綜合影響。綜合考慮藍(lán)綠資源分布與上海市生態(tài)保護(hù)紅線,當(dāng)三個(gè)格局的構(gòu)成權(quán)重為5∶2∶1時(shí)上海生態(tài)源地識(shí)別效果最優(yōu)?；谠撟R(shí)別體系,最終識(shí)別上海市現(xiàn)狀生態(tài)源地202個(gè),面積920.96 km2,總體呈沿中心城區(qū)向外輻射遞增趨勢(shì),南北向分布較為密集。生態(tài)源地破碎化較為嚴(yán)重,微型生態(tài)源地(面積<3 km2)數(shù)量占主導(dǎo)地位(167/202)。浦東新區(qū)與嘉定區(qū)破碎化程度高,崇明區(qū)與金山區(qū)連通性強(qiáng)。城市化水平影響生態(tài)源地分布,其集中分布于外環(huán)以外(194個(gè), 167.02 km2),外環(huán)以內(nèi)僅8個(gè)微型源地(15.53 km2),郊環(huán)以外源地平均面積增幅較大(7.24 km2)。

(2) 上海市生態(tài)保護(hù)優(yōu)先區(qū)域由“面(源地)-線(廊道)-點(diǎn)(優(yōu)先點(diǎn))”組成,其中,生態(tài)廊道442條,生態(tài)保護(hù)優(yōu)先點(diǎn)306個(gè)。上海市生態(tài)修復(fù)優(yōu)先區(qū)域由障礙點(diǎn)區(qū)域和需優(yōu)化的非生態(tài)斑塊組成,面積325.47 km2,其中,障礙點(diǎn)區(qū)域309.78 km2,需優(yōu)化的非生態(tài)斑塊95個(gè),占地15.69 km2。大都市的生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)聚焦于城市化擴(kuò)散的阻力區(qū)域,且應(yīng)多關(guān)注生態(tài)價(jià)值適中的草地與耕地。

本文基于多源數(shù)據(jù)與“人類-自然”耦合理念構(gòu)建適宜上海市的生態(tài)源地識(shí)別體系,并構(gòu)建阻力面識(shí)別生態(tài)保護(hù)與修復(fù)優(yōu)先區(qū)域,形成“面-線-點(diǎn)”的生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò)。目前研究在構(gòu)建生態(tài)源地及阻力面指標(biāo)體系時(shí),針對(duì)多項(xiàng)指標(biāo)間的重疊與沖突考慮不夠全面,多指標(biāo)優(yōu)化將是下階段的研究目標(biāo)。