劉莉莉

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710054）

0 引言

改革開(kāi)放以來(lái)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速增長(zhǎng)，城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，城市迅速擴(kuò)張?jiān)斐傻沫h(huán)境破壞和資源浪費(fèi)，是每個(gè)進(jìn)入工業(yè)化高速發(fā)展的國(guó)家共同面臨的問(wèn)題，這不僅會(huì)增加生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性和敏感性，而且在很大程度上會(huì)限制城市的發(fā)展。因此，構(gòu)建生態(tài)安全格局是十分必要的。

20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始，有關(guān)生態(tài)安全的研究逐漸成為熱點(diǎn)，國(guó)際上對(duì)綠地廊道的討論非?；钴S，我國(guó)也在浙江臺(tái)州，山東威海，菏澤等地開(kāi)展了生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃的探索研究［1］。以北京大學(xué)俞孔堅(jiān)教授為首，大批學(xué)者對(duì)國(guó)內(nèi)生態(tài)安全格局開(kāi)展了研究，俞孔堅(jiān)教授針對(duì)中國(guó)人多地少的突出矛盾，明確指出：應(yīng)對(duì)快速城市化背景下產(chǎn)生的各種生態(tài)問(wèn)題，最核心的解決方法是建立國(guó)土生態(tài)安全格局，并在各個(gè)水平上維護(hù)國(guó)土生態(tài)安全格局，提出了“生態(tài)源地識(shí)別—阻力面建立—生態(tài)廊道構(gòu)建”的模式，逐漸成為構(gòu)建生態(tài)安全格局的主要方法［2］。

本研究以西安市鄠邑區(qū)為例，構(gòu)建城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。采用InVEST 模型識(shí)別生態(tài)源地，在ArcGIS 平臺(tái)上構(gòu)建阻力面，通過(guò)MCR 模型生成潛在生態(tài)廊道，結(jié)合重力模型，甄別重要廊道，構(gòu)建城市綠地網(wǎng)絡(luò)，提出優(yōu)化策略。

1 研究地區(qū)與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

鄠邑區(qū)地處關(guān)中平原中部，介于東經(jīng)108°22'~108°46'和北緯33°46'~34°16'之間，總面積1 282 km2，東鄰長(zhǎng)安區(qū)，西接周至縣，南依秦嶺，北臨渭河。地勢(shì)南高北低，差別很大，相對(duì)高差2627 m。鄠邑區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季冷暖干濕分明，全年太陽(yáng)總輻射109.69 kcal/cm2，年均降水量為627.6 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究采用2019 年土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)及分辨率為30 m的DEM數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)源地識(shí)別。生態(tài)源地是指區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值比較高的景觀組分，它是物種進(jìn)行遷移擴(kuò)散等活動(dòng)的起點(diǎn)，對(duì)景觀過(guò)程和生態(tài)系統(tǒng)的維持與發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。識(shí)別生態(tài)源地的方法大體分為兩種，即直接確定和間接確定。直接確定即直接將研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)存的自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)等作為生態(tài)源地［3］；間接確定則通過(guò)生態(tài)服務(wù)功能評(píng)價(jià)、景觀連通性評(píng)價(jià)等方法，間接識(shí)別生態(tài)源地。由于研究區(qū)南部位于秦嶺，自然保護(hù)區(qū)也基本位于南部，直接確定的方法不能反映整個(gè)研究區(qū)的生境狀況，因此，本研究通過(guò)InVEST 模型的生境質(zhì)量模塊，間接提取生態(tài)源地。將耕地、商服、工礦、住宅、交通運(yùn)輸和其他建設(shè)用地作為威脅因子，結(jié)合鄠邑區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行賦值，見(jiàn)表1、表2。

表1 威脅因子屬性表

表2 生境敏感性指數(shù)表

1.3.2 阻力面構(gòu)建。潛在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是由源或目標(biāo)的質(zhì)量決定的，但是人類活動(dòng)所造成的土地利用類型的改變會(huì)顯著影響生境斑塊之間的交流，而地貌特征，諸如高程等對(duì)于物種的遷徙擴(kuò)散也起著決定性的作用。因此，本研究的景觀阻力主要由土地利用類型，高程和交通三個(gè)因子構(gòu)成，具體見(jiàn)表3。

表3 不同數(shù)據(jù)類型的景觀阻力

①土地利用類型因子。不同土地利用類型對(duì)物種交流擴(kuò)散的阻力不同，林地和水域的生態(tài)環(huán)境最好，將其景觀阻力設(shè)為最小；草地生態(tài)環(huán)境較好，對(duì)生態(tài)過(guò)程起促進(jìn)作用，阻力值適中；耕地和園地易受人為干擾，阻力較大；住宅用地、交通運(yùn)輸用地和其他建設(shè)用地是人類的主要活動(dòng)區(qū)域，人為干擾強(qiáng)烈，阻力值最高。

②高程因子。鄠邑區(qū)北部為渭河階地，南部為秦嶺山地，地勢(shì)南高北低差別很大。文獻(xiàn)［4］表明，海拔1000~1700 m 范圍內(nèi)，生物多樣性較豐富，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際高程，將海拔分為4 個(gè)間隔，設(shè)置不同阻力值。

③交通因子。道路附近的地類存在因交通可達(dá)性而轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的可能，且道路影響距離遠(yuǎn)，范圍大，因此將道路也作為阻力因子之一。本研究提取鐵路和公路用地作為交通因子，以距離道路2 000 m、4 000 m、6 000 m 和8 000 m 為間隔，劃為5個(gè)等級(jí)，距離道路越近，阻力值越大。

1.3.3 基于MCR 模型的潛在生態(tài)廊道提取。最小累積阻力模型（Minimum Cumulative Resistance，MCR）是物種從源向目標(biāo)的遷移擴(kuò)散的過(guò)程中，穿越不同景觀表面所需要耗費(fèi)的最小代價(jià)的模型，計(jì)算公式如式（1）。

式中：MCR為從生態(tài)源j通過(guò)所有單元的最小累積阻力值；f反映MCR與變量Dij和Ri之間正比關(guān)系的函數(shù)；Dij為生態(tài)源從j穿過(guò)景觀表面i的空間距離；Ri為景觀表面i對(duì)物種遷移擴(kuò)散所產(chǎn)生的阻力。

1.3.4 基于重力模型的重要生態(tài)廊道提取。本研究運(yùn)用重量模型定量評(píng)價(jià)生態(tài)源地間的相互作用強(qiáng)度，判定潛在生態(tài)廊道的連接程度，從而篩選出重要生態(tài)廊道［5］。重力模型的計(jì)算公式如式（2）。

式中：Gab是生境斑塊a和b之間的相互作用力；Na和Nb分別是兩斑塊的權(quán)重值；Dab是a和b兩斑塊間潛在廊道阻力的標(biāo)準(zhǔn)化值；Pa為斑塊a的阻力值；Sa是斑塊a的面積；Lab是斑塊a到b之間廊道的累積阻力值；Lmax是研究區(qū)中所有廊道累積阻力的最大值。

2 結(jié)果與分析

2.1 鄠邑區(qū)生態(tài)安全格局構(gòu)建

2.1.1 生態(tài)源地識(shí)別。根據(jù)InVEST 模型輸出結(jié)果，基于自然點(diǎn)法統(tǒng)計(jì)鄠邑區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)，具體見(jiàn)表4、圖1。

圖1 生境質(zhì)量空間分布

表4 生境質(zhì)量分布表

由表4 可知，生境質(zhì)量等級(jí)集中分布于Ⅰ級(jí)，占66.07%，雖然生境質(zhì)量Ⅰ級(jí)的區(qū)域占比最大，但是并不能說(shuō)明研究區(qū)整體生境質(zhì)量?jī)?yōu)異，由于鄠邑區(qū)南部為秦嶺，生態(tài)環(huán)境本身優(yōu)異，加之近年來(lái)國(guó)家、地方和百姓對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)也越發(fā)重視，其生境質(zhì)量高是合理的。并且由圖1 可知，南部秦嶺作為Ⅰ級(jí)功能區(qū)最集中的區(qū)域，與東部的Ⅴ級(jí)功能區(qū)之間缺乏過(guò)渡，明顯割裂，這就導(dǎo)致其會(huì)在一定程度上受到低等級(jí)功能區(qū)的擠壓，因此，做好秦嶺周邊區(qū)域的生態(tài)安全保護(hù)工作，控制周邊地區(qū)人類活動(dòng)的范圍與強(qiáng)度，是鄠邑區(qū)生態(tài)治理的重要內(nèi)容之一。

從整體來(lái)看，生境質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)和Ⅳ級(jí)的區(qū)域占比分別為12.56%和14.34%，共占26.9%，Ⅰ和Ⅱ級(jí)功能區(qū)分別占66.07%和6.4%，Ⅲ級(jí)功能區(qū)僅占0.63%，這反映出研究區(qū)內(nèi)對(duì)生境良好的區(qū)域多有保護(hù)，但整體生態(tài)環(huán)境兩極分化的問(wèn)題。城鎮(zhèn)建設(shè)與生態(tài)保護(hù)不能完全割裂，形成生態(tài)過(guò)渡區(qū)對(duì)維護(hù)整體生態(tài)安全具有重大意義。

根據(jù)模型分析結(jié)果，提取生境質(zhì)量Ⅰ級(jí)功能區(qū)作為備選生態(tài)源地。提取出的斑塊面積分布不均勻，在100 hm2發(fā)生突變，因此挑選出面積大于100 hm2的17 個(gè)綠地斑塊，由于個(gè)別斑塊相鄰且距離非常近，將其合并為一個(gè)，因此共識(shí)別13 個(gè)生態(tài)源地，結(jié)果如圖2所示。

圖2 生態(tài)源地

2.1.2 基于MCR 模型與重力模型的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。本研究基于土地利用類型、高程、交通三個(gè)因子，通過(guò)柵格計(jì)算器生成綜合阻力面，結(jié)果如圖3所示。研究區(qū)南部整體阻力大幅度低于北部，南北方的生態(tài)環(huán)境差異大，不利于城市生態(tài)物質(zhì)流的產(chǎn)生和融合。單從研究區(qū)北部區(qū)域來(lái)看，其北部由于有渭河經(jīng)過(guò)，生態(tài)環(huán)境相對(duì)較好，東部林地較多，阻力相對(duì)較低。

圖3 綜合阻力面

通過(guò)MCR 模型，借助ArcGIS 平臺(tái)，基于各個(gè)源地的最小累計(jì)阻力，通過(guò)成本路徑工具，生成了79條潛在生態(tài)廊道借助重力模型，計(jì)算源地間的相互作用矩陣，見(jiàn)表5，將相互作用力大于1 的廊道識(shí)別為重要生態(tài)廊道，得到26 條重要生態(tài)廊道，結(jié)果如圖4。

圖4 廊道分布

表5 斑塊間相互作用矩陣

由圖4 可知，鄠邑區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)還存在一些問(wèn)題。研究區(qū)內(nèi)重要生態(tài)廊道數(shù)量少，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)回路少，不能覆蓋整個(gè)研究區(qū)。東部由于生態(tài)源地之間距離較近，且阻力較小，因此重要生態(tài)廊道分布密集。相對(duì)而言，西部和北部源地間因?yàn)榫嚯x遠(yuǎn)且阻力大，少有潛在廊道被識(shí)別為重要廊道。同時(shí)如前文所說(shuō)，南部生態(tài)質(zhì)量雖好，但是與周邊缺乏過(guò)渡，因此研究區(qū)整體南北連通性差，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法構(gòu)成一個(gè)完整的整體。

2.2 鄠邑區(qū)生態(tài)安全格局優(yōu)化策略

2.2.1 合理分布綠地，優(yōu)化空間配置。生態(tài)源地是生物物種的主要棲息地，它不僅是生態(tài)過(guò)程的出發(fā)點(diǎn)，還應(yīng)該是城市建設(shè)中重點(diǎn)保護(hù)的區(qū)域。隨著城市的快速發(fā)展，尤其要注意城區(qū)邊界的擴(kuò)張，盡量避免不斷開(kāi)發(fā)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的破壞，最大程度降低人類活動(dòng)所帶來(lái)的不良影響。研究區(qū)北部綠地覆蓋率低，綠地斑塊之間的連接需要克服較大的阻力，可以把生態(tài)源地周圍的綠地與附近一些生態(tài)效益好的生境斑塊連接起來(lái)，將這些生態(tài)效益好的生境斑塊發(fā)展為二級(jí)生態(tài)源地，以達(dá)到擴(kuò)大生態(tài)源地的目的，并逐步提高源地質(zhì)量，從而提升整個(gè)區(qū)域的生態(tài)功能。

生態(tài)踏腳石是指在大型生態(tài)斑塊之間夾雜的一系列小型斑塊，這些小型斑塊可以構(gòu)成生物臨時(shí)棲息地和遷移運(yùn)動(dòng)通道［6］。增加“踏腳石”斑塊不僅能夠有效提高生物物種在遷移擴(kuò)散途中的存活率［7］，還可以加強(qiáng)生態(tài)源地間的連接程度。生態(tài)廊道交界處的物種數(shù)量通常較高于其他地方，具有更好的生態(tài)條件，因此，可以選擇在重要生態(tài)廊道的交界處設(shè)置一級(jí)“踏腳石”，潛在生態(tài)廊道的交界處設(shè)置二級(jí)“踏腳石”，增加生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的完整度。

2.2.2 發(fā)展生態(tài)廊道，促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展。隨著城市快速發(fā)展，城市的道路系統(tǒng)也在不斷完善，道路分割了原本完整的生境斑塊，使得生態(tài)網(wǎng)絡(luò)斷裂。對(duì)于因道路而產(chǎn)生的障礙，可采取擴(kuò)寬兩側(cè)綠化帶，增加綠化植被群落層次等方法[8]，在道路兩側(cè)建立一定寬度的綠廊，將道路對(duì)生態(tài)交流的阻礙轉(zhuǎn)化成可供生態(tài)物質(zhì)遷移流動(dòng)的道路廊道。

研究區(qū)內(nèi)生態(tài)廊道的連接度不夠，無(wú)法實(shí)現(xiàn)良好的生態(tài)流動(dòng)，應(yīng)加強(qiáng)廊道建設(shè)，在廊道外圍設(shè)置緩沖區(qū)，從而達(dá)到拓寬廊道提高連通性的目的［8］。以林地和草地為主的生態(tài)廊道，重點(diǎn)設(shè)置植被群落作為緩沖；以耕地為主的生態(tài)廊道，可以適當(dāng)?shù)卦诶鹊乐車烁€林，還可以依靠修建農(nóng)田防護(hù)綠地作為緩沖；以水域?yàn)橹鞯纳鷳B(tài)廊道，可以依靠種植水生或濕生植物作為緩沖。

3 結(jié)論

本研究以鄠邑區(qū)為例，在ArcGIS 平臺(tái)結(jié)合生境質(zhì)量評(píng)價(jià)、最小成本距離和重力模型構(gòu)建區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，得出以下結(jié)論。

①根據(jù)生境質(zhì)量服務(wù)功能評(píng)價(jià)結(jié)果，提取生境質(zhì)量Ⅰ級(jí)功能區(qū)中13 個(gè)綠地斑塊作為生態(tài)源地，連接潛在廊道。通過(guò)“源地選取—阻力面構(gòu)建—廊道識(shí)別”的方法，提取出79 條潛在廊道，應(yīng)用重力模型計(jì)算源地間相互作用強(qiáng)度，篩選出26 條重要廊道，構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局。

②鄠邑區(qū)整體生態(tài)環(huán)境較好，但由于人類活動(dòng)主要集中于北部地區(qū)，北部的生境質(zhì)量明顯低于南部，景觀阻力明顯高于南部，南北之間缺乏過(guò)渡，導(dǎo)致生態(tài)網(wǎng)絡(luò)南北連接不足，無(wú)法構(gòu)成一個(gè)完整的整體。針對(duì)這些問(wèn)題，可以通過(guò)發(fā)展生態(tài)源地、設(shè)置廊道緩沖區(qū)等方法，以達(dá)到增強(qiáng)南北連通性，優(yōu)化生態(tài)安全格局，實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的目的。