基于粒度反推法的景觀生態(tài)安全格局優(yōu)化
——以?？谑行阌^(qū)為例

陸 禹，佘濟云,*，陳彩虹，佘宇晨，羅改改

1 中南林業(yè)科技大學(xué)， 長沙 410000 2 華南理工大學(xué),廣州 510641

基于粒度反推法的景觀生態(tài)安全格局優(yōu)化
——以?？谑行阌^(qū)為例

陸 禹1，佘濟云1,*，陳彩虹1，佘宇晨1，羅改改2

1 中南林業(yè)科技大學(xué)， 長沙 410000 2 華南理工大學(xué),廣州 510641

景觀生態(tài)安全格局優(yōu)化是改善生態(tài)環(huán)境、促進人與自然和諧發(fā)展的有效途徑。為給?？谑行阌^(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和景觀生態(tài)安全格局優(yōu)化方法改進提供參考，提出了粒度反推法和生態(tài)阻力面綜合構(gòu)建法，結(jié)合GIS技術(shù)和最小耗費距離模型探討了?？谑行阌^(qū)景觀生態(tài)安全格局優(yōu)化途徑。結(jié)果表明：(1)400m粒度生態(tài)景觀組分是秀英區(qū)生態(tài)源地選取的合適參照，秀英區(qū)有生態(tài)源地18塊、生態(tài)廊道17條、生態(tài)節(jié)點11個，新增生態(tài)源地建設(shè)的參考規(guī)模為38.5hm2，生態(tài)源地的生態(tài)服務(wù)極限距離為800m，需將現(xiàn)有的11塊非生態(tài)景觀類型斑塊轉(zhuǎn)換為生態(tài)景觀類型，總面積20.26 hm2。(2)粒度反推法能為生態(tài)源地選取提供客觀參考，在生態(tài)源地選擇方面比傳統(tǒng)方法具有更強的理論基礎(chǔ)和客觀性，解決了客觀選取生態(tài)源地的問題。(3)綜合生態(tài)阻力面能對生態(tài)阻力的實際情況進行較好地模擬。顯、隱性生態(tài)阻力面之間存在顯著差異，能反映生態(tài)系統(tǒng)中潛在的生態(tài)薄弱點，這些生態(tài)薄弱點往往是容易被忽略而又需要重點建設(shè)的區(qū)域。

景觀生態(tài)安全格局；優(yōu)化；粒度反推法；空間分析；?？谑行阌^(qū)

在社會發(fā)展和城市化進程加快的同時，人與自然的矛盾日益尖銳，生態(tài)安全問題嚴(yán)重威脅著人類的生存和發(fā)展[1-3]。景觀生態(tài)安全格局優(yōu)化從景觀格局的角度模擬生態(tài)過程的空間運動來確定對區(qū)域生態(tài)安全有關(guān)鍵意義的景觀格局及空間位置[4]，以改善景觀結(jié)構(gòu)、增強生態(tài)系統(tǒng)整體連通性，達到維護生態(tài)安全和完善生態(tài)系統(tǒng)的目的[5-6]，是提升區(qū)域生態(tài)安全的有效途徑[7-8]。

景觀生態(tài)安全格局優(yōu)化的理論方法經(jīng)過30年發(fā)展，國外已形成以景觀生態(tài)規(guī)劃為主的研究方法，F(xiàn)omran提出景觀格局能對生態(tài)過程進行控制和影響[9]，具有啟發(fā)意義。20世紀(jì)90年代，俞孔堅提出景觀生態(tài)安全格局理論，認(rèn)為景觀格局中存在著某些關(guān)鍵部位和特定格局類型對控制景觀水平生態(tài)過程起著關(guān)鍵性的作用[4]，為優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。近年來，Knaapen提出的最小耗費距離模型成為景觀生態(tài)安全格局優(yōu)化的主要模型之一，能較好模擬景觀對空間運動過程的阻礙作用，相比傳統(tǒng)的概念模型和數(shù)學(xué)模型能更好地表達景觀格局和生態(tài)過程的相互關(guān)系[10-11]。景觀生態(tài)安全格局優(yōu)化的關(guān)鍵在于確定并構(gòu)建對維護或控制區(qū)域生態(tài)過程有著異常重要意義的空間格局，本質(zhì)是調(diào)整景觀空間結(jié)構(gòu)，增強生態(tài)系統(tǒng)的整體性和連通性。連通性作為度量景觀格局對生物流促進或阻礙程度的指標(biāo)[12]，對物質(zhì)和能量的流動、生態(tài)過程的相互影響和滲透具有重要意義，是維護生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、可持續(xù)性和完整性的重要因素[13-14]。目前景觀生態(tài)安全格局優(yōu)化還存在一些不足，如生態(tài)源地選擇的客觀性不強、生態(tài)阻力面構(gòu)建極少考慮景觀類型間的相互影響，這兩方面源于不同生態(tài)系統(tǒng)的異質(zhì)性，難以得出適應(yīng)不同生態(tài)系統(tǒng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和方法。根據(jù)粒度變化引起景觀結(jié)構(gòu)的變化[15]和地統(tǒng)計學(xué)能模擬事物之間的相互影響[16]，本文提出粒度反推法和生態(tài)阻力面綜合構(gòu)建法，為解決上述問題提供有效途徑。

秀英區(qū)是?？谑小拔魍亍卑l(fā)展戰(zhàn)略下未來發(fā)展最大的舞臺。隨著海南省國際旅游島發(fā)展戰(zhàn)略的不斷深化和海口市城市化進程加快，秀英區(qū)境內(nèi)建設(shè)用地不斷擴張，景觀破碎化程度日益加劇，生態(tài)環(huán)境遭到破壞，生態(tài)安全的保障迫在眉睫。本研究基于粒度反推法和生態(tài)阻力面綜合構(gòu)建法，結(jié)合GIS技術(shù)從增強生態(tài)系統(tǒng)整體連通性的角度，擬對?？谑行阌^(qū)的景觀生態(tài)安全格局進行分析，進而提出優(yōu)化措施，為景觀生態(tài)安全格局優(yōu)化方法的改進和秀英區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

秀英區(qū)地處海南省?？谑形鞅辈浚橛?9°40′—20°4′N、110°7′—110°20′E，南北部以平原為主，中部為馬鞍嶺火山口，地勢中間高、四周低，平均海拔118.5m，總面積492.01km2，屬于熱帶海洋性季風(fēng)氣候，夏季多臺風(fēng)，太陽輻射強，南渡江從南部流經(jīng)，水資源豐富，植被以灌木植物群落為主，森林覆蓋率43.27%。秀英區(qū)下轄2個街道辦事處和6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，常住人口約33萬，北部為主城區(qū)，中部、南部以農(nóng)林業(yè)為主，適宜發(fā)展熱帶高效農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)。境內(nèi)林地、水域及草地總面積242.7km2，占區(qū)域面積的49.33%，但景觀破碎化程度較高，生態(tài)建設(shè)有待加強。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

以遙感影像數(shù)據(jù)、1∶10000地形圖和2010年二類調(diào)查數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)，二類調(diào)查數(shù)據(jù)的影像信息源為2008年QuickBird遙感影像數(shù)據(jù)，分辨率3m×3m。利用谷歌衛(wèi)星地圖下載器下載秀英區(qū)16級遙感影像圖，比例尺1∶12000，分辨率4m×4m。遙感影像數(shù)據(jù)北部拍攝日期為2013年10月7日，中部與南部為2011年12月12日，正好與秀英區(qū)北部主城區(qū)發(fā)展迅速、中南部發(fā)展相對緩慢的特點一致，準(zhǔn)確度較高。采用北京54坐標(biāo)系統(tǒng)配準(zhǔn)數(shù)據(jù)，根據(jù)解譯標(biāo)志對二類調(diào)查數(shù)據(jù)進行校對調(diào)整和地類合并，得林地、耕地、草地、水域、未利用地和建設(shè)用地6種土地利用類型[12]。

1.3 測定指標(biāo)及研究方法

(1)連通性指標(biāo)

采用景觀組分?jǐn)?shù)(NC)、最大組分斑塊數(shù)、斑塊內(nèi)聚力指數(shù)(COHESION)和連接度指數(shù)(CONNECT)表征生態(tài)景觀連通性[14]。生態(tài)景觀指具有較高生態(tài)服務(wù)價值的景觀類型，選取林地、水域和草地作為生態(tài)景觀類型[10,17]。

(2)粒度反推法

粒度反推法是以景觀生態(tài)安全格局優(yōu)化為目的，用不同粒度表征不同生態(tài)源地結(jié)構(gòu)，通過連通性分析確定最優(yōu)生態(tài)景觀組分結(jié)構(gòu)和景觀組分?jǐn)?shù)后，再返回原始數(shù)據(jù)反選生態(tài)源地的方法。該方法的思想來自數(shù)學(xué)反證法，先假設(shè)研究區(qū)存在不同的生態(tài)源地結(jié)構(gòu)，再確定最優(yōu)生態(tài)源地結(jié)構(gòu)。因為生態(tài)斑塊具有服務(wù)范圍，該方法認(rèn)同不相連而相隔很近的生態(tài)斑塊可以共同構(gòu)成生態(tài)源地，以此指導(dǎo)生態(tài)源地建設(shè)。在粒度變化的過程中，規(guī)模較小且零星分布的生態(tài)斑塊不斷被剔除，相連和相離較近的生態(tài)斑塊不斷合并形成規(guī)模擴大的生態(tài)景觀組分，最后生成不同粒度的實驗數(shù)據(jù)。運行機理如圖1：假如，生態(tài)景觀組分在粒度100m時彼此分離，但在800m時形成了一個生態(tài)源地，那么這個生態(tài)源地則由綠色部分(現(xiàn)有生態(tài)斑塊)和紅色部分(需轉(zhuǎn)換成生態(tài)景觀類型的斑塊)共同組成。

圖1 粒度反推法示意圖Fig.1 The diagram of grain size reverse method

實驗數(shù)據(jù)以各自粒度水平為閾值計算連通性，以使結(jié)果歸一化。最優(yōu)生態(tài)源地結(jié)構(gòu)即對區(qū)域生態(tài)過程阻礙程度最小的生態(tài)源地結(jié)構(gòu)，其中最小生態(tài)源地面積則為新增生態(tài)源地規(guī)模的參考標(biāo)準(zhǔn)。

(3)生態(tài)阻力面綜合構(gòu)建法

景觀生態(tài)學(xué)認(rèn)為，生態(tài)物質(zhì)和能量在景觀間流動需克服一定阻力，這些阻力構(gòu)成了生態(tài)阻力面[4]。傳統(tǒng)構(gòu)建方法僅考慮土地利用類型，很少考慮物質(zhì)和能量之間的相互影響，導(dǎo)致生態(tài)阻力面與實際情況產(chǎn)生了偏差?；谶@種理念，將生態(tài)阻力按照可否直觀判斷分為顯性生態(tài)阻力和隱性生態(tài)阻力。

顯性生態(tài)阻力可直觀判斷，隱性生態(tài)阻力卻不易直接判斷，如空氣、水的流動，污染物的擴散等，這種交流形式同樣伴隨著物質(zhì)和能量的交換。地統(tǒng)計學(xué)中的克里格插值法以空間自相關(guān)為基礎(chǔ)，能反映事物在空間上的相互影響[16]。在用傳統(tǒng)方法構(gòu)建顯性生態(tài)阻力面的同時，利用克里格插值法構(gòu)建隱性生態(tài)阻力面，兩者加權(quán)疊加形成綜合生態(tài)阻力面，能較好地反映生態(tài)阻力的實際狀態(tài)。阻力面疊加時會遇到加權(quán)值問題，這會隨區(qū)域特性而不同。

(4)最小耗費距離模型

最小耗費距離模型從生態(tài)源地、空間距離、景觀介面特征等方面反映生態(tài)物質(zhì)和能量在空間中的運動趨勢，可構(gòu)建生態(tài)廊道和確定生態(tài)節(jié)點。公式如下：

Ci=fmin∑(Dij×Ri) (i=1，2，3，…，m；j=1，2，3，…，n)

(1)

式中，Dij是空間某一點從景觀基面i到源j的實地距離；Ri是景觀i對生態(tài)流運動的阻礙程度，Ci是第i個景觀單元到源的累積耗費值，n為基本單元總數(shù)[10]。

2 結(jié)果

2.1 粒度反推法選取生態(tài)源地

(1)不同粒度數(shù)據(jù)的生成

利用粒度反推法從不同粒度水平和相同粒度水平生態(tài)景觀連通性兩方面推導(dǎo)最優(yōu)生態(tài)源地結(jié)構(gòu)：不同粒度反映的是生態(tài)組分整體結(jié)構(gòu)的變化趨勢，相同粒度反映的是生態(tài)組分內(nèi)部連通性的變化趨勢。提取秀英區(qū)生態(tài)景觀類型，以50、100、200、400、600、800、1000、1200m生成不同粒度柵格圖[17](圖2)。

圖2 不同粒度柵格圖Fig.2 The raster drawing of different granularity

(2)不同粒度水平下生態(tài)景觀連通性

在fragstats中計算不同粒度水平下景觀組分在各自粒度尺度上的景觀組分?jǐn)?shù)、最大組分斑塊數(shù)、斑塊內(nèi)聚力指數(shù)和連接度指數(shù)，得生態(tài)景觀連通性指數(shù)散點圖(圖3)。

圖3 不同粒度生態(tài)景觀連通性指數(shù)Fig.3 The connectivity index of ecological component of different granularity

根據(jù)拐點是數(shù)據(jù)曲線的質(zhì)變特征點可知：

生態(tài)景觀組分?jǐn)?shù)隨粒度的增加而減少，最大組分斑塊數(shù)逐漸增多。粒度400m時景觀組分?jǐn)?shù)開始趨于穩(wěn)定，達到600m后景觀組分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在8個(圖3)，說明粒度達到600m后生態(tài)景觀組分很難再合并成更大的生態(tài)景觀組分。由此可對生態(tài)景觀組分劃分等級，粒度600m時8個生態(tài)景觀組分在規(guī)模上具有最明顯的優(yōu)勢，為一級生態(tài)源地；400m粒度時另外10個生態(tài)景觀組分為二級生態(tài)源地，以此類推。研究表明，僅選擇一級生態(tài)源地會忽略景觀格局中某些關(guān)鍵局部[10]，而選擇三級生態(tài)源地則會導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果過于復(fù)雜而重點不突出[18]，因此選擇400m粒度即二級生態(tài)源地較合適。最大組分斑塊數(shù)在粒度400m出現(xiàn)了第一個明顯拐點(圖3)，說明400m粒度是生態(tài)斑塊合并成生態(tài)源地過程中發(fā)生質(zhì)變的關(guān)鍵點，該指標(biāo)應(yīng)選擇400m粒度。

斑塊內(nèi)聚力隨著粒度的增大而減少，在粒度600m后內(nèi)聚力指數(shù)呈穩(wěn)定下降趨勢(圖3)，表明粒度在600m內(nèi)時區(qū)域中生態(tài)景觀組分之間存在較強的自然連通性，大于600m后內(nèi)聚力下降較快，應(yīng)選擇粒度在600m內(nèi)的生態(tài)景觀組分結(jié)構(gòu)。

粒度400m時生態(tài)景觀組分的連接度指數(shù)最大，大于400m后連接度指數(shù)急劇下降，在到達800m時連接度已降為0(圖3)。說明秀英區(qū)在400m粒度時生態(tài)景觀組分之間存在較強的連接度，超過400m后連接度急劇減弱，在達到800m后生態(tài)景觀組分之間的聯(lián)系已相當(dāng)微弱，因此應(yīng)選擇400m粒度為參照。

圖4 不同閾值距離下生態(tài)景觀連接度增加百分率 Fig.4 The increasement rate of connectivity index of ecological landscape with different thresholds distance

(3)相同粒度水平下生態(tài)景觀連通性

根據(jù)土地利用類型得到粒度為10m的高精度柵格圖，計算不同閾值距離的生態(tài)景觀組分連接度，并計算各閾值距離生態(tài)景觀組分連接度與前一級連接度之間的增長率，以反映閾值距離增加對提高整體連接度意義的明顯與否(圖4)。

同一粒度水平下連接度會隨閾值距離的增加而增強。當(dāng)閾值距離為100m和400m時，連接度增加百分率較高，說明生態(tài)斑塊連接節(jié)點的分布密度相對較大。在閾值距離為400m后連接度指數(shù)的增加速率呈現(xiàn)穩(wěn)步下降趨勢，說明粒度400m后生態(tài)景觀組分之間連接度增加的意義已經(jīng)弱化，400m粒度是生態(tài)源地選擇的適合參照。

(4)生態(tài)源地的確定

綜上所述，5個判斷最優(yōu)生態(tài)源地結(jié)構(gòu)的指標(biāo)有4個指向400m，1個指向600m，粒度400m的生態(tài)景觀組分作為最優(yōu)生態(tài)源地選擇的參照較合適，此時秀英區(qū)存在生態(tài)源地18個。將粒度400m的柵格圖轉(zhuǎn)為矢量數(shù)據(jù)，選取面積最大的18個生態(tài)景觀組分作為生態(tài)源地(圖5)，得到生態(tài)源地分布圖(圖5)。疊加400m粒度柵格圖和土地利用現(xiàn)狀圖，能清楚判斷哪些斑塊需要將現(xiàn)有非生態(tài)景觀類型轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)景觀類型。新增生態(tài)斑塊由6塊耕地和5塊建設(shè)用地轉(zhuǎn)變而來，總面積20.26 hm2。它們將相鄰的生態(tài)景觀組分彼此連接形成更大的生態(tài)源地，對改善生態(tài)環(huán)境發(fā)揮著重要作用。

圖5 生態(tài)源地的選擇Fig.5 The choice of ecological source

2.2 綜合生態(tài)阻力面的構(gòu)建

以生態(tài)服務(wù)價值衡量景觀類型生態(tài)服務(wù)功能的重要性[19-20]。水域的生態(tài)服務(wù)價值最高，對生態(tài)流運行的阻力最小，阻力值設(shè)為1；建設(shè)用地的生態(tài)服務(wù)價值最低，對生態(tài)流運行的阻力最大，阻力值設(shè)為 100，其他景觀類型阻力值取值范圍設(shè)定為(1，100)(表1)[10]?？紤]到秀英區(qū)自然條件適合植物生長，污染程度較低，通過咨詢7位生態(tài)學(xué)和林學(xué)專家，決定顯、隱性生態(tài)阻力面權(quán)重分別取值0.7和0.3，一致性檢驗為CI=0.0019<0.1，結(jié)果較合理。對秀英區(qū)的顯、隱性生態(tài)阻力面加權(quán)疊加，得到綜合生態(tài)阻力面(圖6)。

2.3 生態(tài)廊道的構(gòu)建

生態(tài)廊道是生態(tài)源地相互聯(lián)系、進行物質(zhì)和能量交流的直接通道，能增強生態(tài)系統(tǒng)整體連通性。依據(jù)生態(tài)源地確定生態(tài)質(zhì)心，以綜合生態(tài)阻力面為權(quán)重，利用最小耗費距離模型計算生態(tài)質(zhì)心之間的最小成本路徑，即生態(tài)廊道。根據(jù)生態(tài)廊道所處環(huán)境的特性，將生態(tài)廊道分為分布在耕地上的耕地生態(tài)廊道和分布在建設(shè)用地上的建設(shè)用地生態(tài)廊道(圖7)。秀英區(qū)共有生態(tài)廊道17條，其中耕地生態(tài)廊道14條，占總數(shù)的82.35%，建設(shè)用地生態(tài)廊道3條，占總數(shù)的17.65%。

表1 不同景觀類型阻力值[10]

圖6 綜合阻力面計算過程Fig.6 The process of comprehensive resistance surface

2.4 生態(tài)節(jié)點的確定

生態(tài)節(jié)點是生態(tài)安全格局中易受外界干擾的生態(tài)脆弱點，是連接生態(tài)源地的跳板，對維護區(qū)域景觀生態(tài)結(jié)構(gòu)的整體性、連續(xù)性和生態(tài)功能的發(fā)揮具有戰(zhàn)略意義。將綜合生態(tài)阻力面(分辨率為50m×50m)作為DEM數(shù)字高程模型，利用水文分析提取山脊線，即為生態(tài)阻力面最大成本路徑，其與生態(tài)廊道的交叉點為生態(tài)節(jié)點[18]。根據(jù)生態(tài)廊道的特性，將生態(tài)節(jié)點分為耕地生態(tài)節(jié)點和建設(shè)用地生態(tài)節(jié)點(圖7)。秀英區(qū)共有生態(tài)節(jié)點11個，其中耕地生態(tài)節(jié)點8個，占總數(shù)的72.73%，建設(shè)用地生態(tài)節(jié)點3個，占總數(shù)的27.27%。

圖7 秀英區(qū)景觀生態(tài)節(jié)點Fig.7 The eco-node of landscape pattern in Xiuying district

3 討論

3.1 景觀生態(tài)安全格局優(yōu)化方法的探討

景觀格局優(yōu)化首要應(yīng)解決的關(guān)鍵問題是怎樣的景觀空間結(jié)構(gòu)才是最優(yōu)[21]。景觀生態(tài)安全格局優(yōu)化通過選擇生態(tài)源地、構(gòu)建生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點來調(diào)整景觀空間結(jié)構(gòu)和增強生態(tài)系統(tǒng)整體連通性的方法是值得借鑒的，但選擇景觀空間結(jié)構(gòu)的過程具有主觀性，是否是最優(yōu)結(jié)構(gòu)也難以判斷。生態(tài)源地是生態(tài)景觀空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，構(gòu)建最優(yōu)生態(tài)景觀空間結(jié)構(gòu)依賴于最合理的生態(tài)源地。粒度反推法從連通性的角度首次分析出最優(yōu)生態(tài)源地結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)方法在生態(tài)源地選擇方面優(yōu)勢明顯，其選擇的生態(tài)源地結(jié)構(gòu)理論上對生態(tài)過程阻礙作用最小，分析過程能反映景觀組分連通性特征，結(jié)果更客觀合理，現(xiàn)實指導(dǎo)意義更強。本研究表明粒度反推法將粒度、景觀空間結(jié)構(gòu)和連通性結(jié)合起來判斷最優(yōu)生態(tài)源地結(jié)構(gòu)是可行的，相比傳統(tǒng)方法能得到更多反映實際情況的結(jié)論。從運行機理看，粒度的可變性使得粒度反推法能夠分析不同大小的生態(tài)系統(tǒng)，尤其在景觀類型較多、景觀破碎化程度高、研究范圍較大的情況下效果明顯，因此適用于城市規(guī)劃和區(qū)域尺度的生態(tài)環(huán)境規(guī)劃領(lǐng)域。

生態(tài)阻力面是一系列復(fù)雜生態(tài)過程共同作用的結(jié)果[22]，不僅受景觀類型的影響，還受自然條件、人為干擾和其他生態(tài)流的影響[11]。本研究在考慮景觀類型的同時，還從生態(tài)流動和人為干擾兩方面考慮生態(tài)阻力間的相互作用，提出了生態(tài)阻力面綜合構(gòu)建法。生態(tài)阻力面綜合構(gòu)建法繼承了傳統(tǒng)方法，并利用克里格插值法首次對生態(tài)阻力間的相互影響進行了模擬，理論上更接近生態(tài)阻力實際情況。結(jié)果表明顯、隱性生態(tài)阻力面之間存在明顯差異，這與一些學(xué)者的設(shè)想是一致的[11,22]。顯性生態(tài)阻力面僅考慮景觀類型的形狀和邊界，阻力值分布與景觀類型一致；隱性生態(tài)阻力面考慮了周圍環(huán)境的影響，阻力值過度更平緩，其分布與景觀類型出現(xiàn)了差異，這些差異局部往往是容易被忽略而又需要重點建設(shè)的區(qū)域。本研究中顯性和隱性生態(tài)阻力面的差異在局部區(qū)域尤為突出(圖6)，這些區(qū)域多為被耕地、未利用地和建設(shè)用地包圍的林地，景觀規(guī)模不足，受環(huán)境影響大，難以維系自身生態(tài)系統(tǒng)，應(yīng)加強生態(tài)建設(shè)，增強與生態(tài)源地的聯(lián)系，保障正常的生態(tài)過程。目前國內(nèi)外對顯、隱性生態(tài)阻力面疊加權(quán)重值的研究還未涉及，本文僅以專家打分法表達兩種生態(tài)阻力面結(jié)合的新理念，下一步研究將尋找更客觀的方法確定權(quán)重，構(gòu)建評價體系是可行的方法之一。

3.2 秀英區(qū)景觀生態(tài)安全格局優(yōu)化的綜合探討

景觀生態(tài)安全格局優(yōu)化在物種保護、土地利用規(guī)劃和景觀生態(tài)規(guī)劃方面的應(yīng)用較廣泛[23]，主要內(nèi)容是整體景觀結(jié)構(gòu)調(diào)整，未涉及景觀類型本身的連通特性分析。粒度反推法能反映景觀空間結(jié)構(gòu)隨粒度變化的連接特性。根據(jù)連接度公式[12]，800m為秀英區(qū)生態(tài)景觀組分連接狀態(tài)的臨界距離(圖4)，即整體而言，生態(tài)源地的最大服務(wù)半徑約為800m，在生態(tài)建設(shè)中應(yīng)盡可能確保區(qū)域處在生態(tài)源地的服務(wù)半徑內(nèi)。閾值距離200m時生態(tài)景觀組分連接度增加速率有所下降(圖4)，說明生態(tài)功能節(jié)點的分布密度相對降低[12]，應(yīng)注重間隔距離為200m的生態(tài)斑塊之間的生態(tài)建設(shè)，增強生態(tài)斑塊間的連接度。

生態(tài)源地空間分布特征為整體分散、局部集中，大致分為南北兩部分(圖5)，南部生態(tài)源地規(guī)模較大，北部生態(tài)源地規(guī)模較小。主要是因為北部為城鎮(zhèn)開發(fā)區(qū)，受人為干擾大，建設(shè)用地和農(nóng)田面積廣且布局分散，加之長期受海風(fēng)影響，生態(tài)脆弱性較高[24]，生態(tài)源地受到阻隔和限制。最大生態(tài)源地占生態(tài)源地總面積的56.70%，為馬鞍嶺火山口森林公園，處在區(qū)域中心地帶，同時最大生態(tài)源地往往對區(qū)域生態(tài)安全和生態(tài)過程起主導(dǎo)作用，應(yīng)重點保護和建設(shè)，并采取緩沖帶等強化措施，促進其生態(tài)服務(wù)功能的發(fā)揮；最小生態(tài)源地面積為38.5 hm2，說明當(dāng)生態(tài)源地規(guī)模達到38.50 hm2時，將對秀英區(qū)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響，新增生態(tài)源地建設(shè)規(guī)模應(yīng)以此為參考。東北部中心城區(qū)無生態(tài)源地，反映出秀英區(qū)城市規(guī)劃不合理，中心城區(qū)是新增生態(tài)源地的優(yōu)先選擇區(qū)，應(yīng)調(diào)整用地結(jié)構(gòu)形成生態(tài)源地和生態(tài)廊道完善區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)。根據(jù)生態(tài)源地做800m緩沖得生態(tài)服務(wù)區(qū)，面積400.47km2，占秀英區(qū)的81.39%，說明秀英區(qū)大部分區(qū)域處于生態(tài)服務(wù)范圍內(nèi)，目前生態(tài)環(huán)境狀況較好。

不同生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點發(fā)揮的作用不同。秀英區(qū)最長生態(tài)廊道屬于耕地生態(tài)廊道，長5251m，將南北生態(tài)源地群連接起來，起著連接整個生態(tài)系統(tǒng)的作用，對改善生態(tài)系統(tǒng)具有至關(guān)重要的意義；建設(shè)用地生態(tài)廊道是人類社會與自然環(huán)境交流和物質(zhì)能量交換的大動脈[10]，對人與自然和諧發(fā)展具有推動作用，也是建設(shè)重點。生態(tài)廊道建設(shè)應(yīng)保證寬度，建立適宜的緩沖區(qū)，以減少外界環(huán)境干擾，并根據(jù)生態(tài)源地采用相應(yīng)景觀基質(zhì)，以確保相容性和穩(wěn)定性。生態(tài)節(jié)點中有4個需要重點建設(shè)：最長生態(tài)廊道上的耕地生態(tài)節(jié)點極大保障了該生態(tài)廊道的連續(xù)性和穩(wěn)定性，一方面要以生態(tài)源地的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)置緩沖帶禁止人為干擾，另一方面應(yīng)豐富生物多樣性，形成穩(wěn)定的生態(tài)子系統(tǒng)；3個建設(shè)用地生態(tài)節(jié)點能改善人居環(huán)境、提高生活質(zhì)量，應(yīng)加大建設(shè)力度。

4 結(jié)論

(1)粒度為400m的生態(tài)景觀組分是秀英區(qū)生態(tài)源地選取的合適參照。按此參照秀英區(qū)有生態(tài)源地18個(一級生態(tài)源地8個、二級生態(tài)源地10個)，生態(tài)廊道17條，生態(tài)節(jié)點11個；最小生態(tài)源地面積38.5hm2，為新增生態(tài)源地建設(shè)的參考規(guī)模；整體而言，生態(tài)源地的服務(wù)極限距離為800m，為生態(tài)建設(shè)提供了尺度參數(shù)；秀英區(qū)需將現(xiàn)有的11塊非生態(tài)景觀類型斑塊轉(zhuǎn)換為生態(tài)景觀類型，總面積20.26 hm2。

(2)粒度反推法通過粒度與連通性相結(jié)合選出了秀英區(qū)連通性最強的生態(tài)景觀組分結(jié)構(gòu)，即最優(yōu)生態(tài)源地結(jié)構(gòu)，能為生態(tài)源地的選取提供客觀參考。粒度反推法在生態(tài)源地選擇方面比傳統(tǒng)方法具有更強的理論基礎(chǔ)和客觀性，通過景觀連通特性分析解決了客觀選取生態(tài)源地的問題，并能反映景觀連接特性，取得了較為滿意的效果。

(3)顯、隱性生態(tài)阻力面加權(quán)疊加生成了秀英區(qū)的綜合生態(tài)阻力面，綜合生態(tài)阻力面兼顧景觀類型和生態(tài)阻力的相互影響，能對生態(tài)阻力的實際情況進行較好的模擬。顯、隱性生態(tài)阻力面之間存在顯著差異，能反映生態(tài)系統(tǒng)中潛在的生態(tài)薄弱點，這些生態(tài)薄弱點往往是容易被忽略而又需要重點建設(shè)的區(qū)域。

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Landscape ecological security pattern optimization based on the granularity inverse method: a case study in Xiuying District, Haikou

LU Yu1，SHE Jiyun1,*，CHEN Caihong1，SHE Yuchen1，LUO Gaigai2

1CentralSouthUniversityofForestryandTechnology，Changsha410000，China2SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510641，China

The Landscape Ecological Security Pattern Optimization Approach (LESPOA) is an effective way of promoting healthier ecosystems and harmonious relationships between people and their surrounding environment. Currently, there are shortcomings to this approach because it lacks objectivity in ecological site selection, and when simulating ecological resistances, it doesn′t consider the interactions between these resistances. In order to address these issues, this paper uses the granularity inverse method and the comprehensive construction method of ecological surface resistance, which combines the technology of GIS with a least-cost distance model, to apply the LESPOA in Xiuying district. We aimed to provide a scientific basis for ecological environment construction and a method for improving the LESPOA. The results were: (1) When the granularity of ecological landscape component is 400 m, the ecological landscape component is an appropriate method for selecting ecological sources. According to the above appropriate method, there were 18 ecological sources (8 primary and 10 secondary), 17 ecological corridors, and 11 ecological nodes in Xiuying district. The reference scale of new ecological sources was 38.5 hm2. The maximum ecological service distance for whole ecological source structure was about 800 m. When the distance between different ecological patches is approximately 200 m, we should enhance the ecological connections between them. Currently, there are 11 non-ecological landscape patches (with a total area of 20.26 hm2) in Xiuying district that need to be converted to ecological landscape patch; (2) The granularity inverse method has a stronger theoretical basis and greater objectivity than traditional methods of ecological source selection, and it also can reflects the connective characteristics of landscape pattern. Therefore, the results from this method can supply more accurate references for ecological construction than traditional methods. (3) The comprehensive ecological resistance surface considers the interaction between resistances and thus can better simulate the physical characteristics of ecological resistances than the traditional ecological resistance surface that just considers land use type. There are significant differences between dominant ecological resistance and recessive ecological resistance, which can reflect potential ecological weak points. Most of the ecological weak points in Xiuying district are woodlands that are surrounded by farmland, unused land, and construction land. Although these ecological weak points can easily be neglected, it is important to focus on enhancing the connections between the weak points and ecological sources in order to restore natural ecologic processes.

landscape ecology security pattern；optimize；granularity inverse method；spatial analysis；Xiuying District of Haikou City

國家林業(yè)行業(yè)公益性項目(201004032)；海南省林業(yè)廳重點科研項目(LK20118478)；湖南省“十二五”重點學(xué)科——森林經(jīng)理學(xué)科(034-0014)

2014-02-17;

2014-06-02

10.5846/stxb201402170274

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shejiyun@126.com

陸禹，佘濟云，陳彩虹，佘宇晨，羅改改.基于粒度反推法的景觀生態(tài)安全格局優(yōu)化——以?？谑行阌^(qū)為例.生態(tài)學(xué)報,2015,35(19):6384-6393.

Lu Y，She J Y，Chen C H，She Y C，Luo G G.Landscape ecological security pattern optimization based on the granularity inverse method: a case study in Xiuying District, Haikou.Acta Ecologica Sinica,2015,35(19):6384-6393.