森林城市建設(shè)關(guān)鍵點研究

毛旭鵬 翟翠紅 陸禹

摘要：基于景觀生態(tài)安全格局優(yōu)化理念，利用GIS技術(shù)和主成分分析方法，從增強生態(tài)系統(tǒng)的整體性和連通性的角度出發(fā)，優(yōu)化研究區(qū)江西省高安市景觀生態(tài)安全格局，以確定森林城市建設(shè)的3個關(guān)鍵要素，即生態(tài)源地、生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點。結(jié)果表明，從影響研究區(qū)生態(tài)景觀連通性的11個指標中提取了2個主成分，第一主成分為內(nèi)聚力指數(shù)，第二主成分為連接性指數(shù)；在270 m粒度水平下生態(tài)景觀連通性最穩(wěn)定，尺度最適宜，為研究區(qū)生態(tài)源地參照粒度；研究區(qū)森林城市建設(shè)關(guān)鍵點包含59塊生態(tài)源地、59條生態(tài)廊道、21個生態(tài)節(jié)點。

關(guān)鍵詞：景觀生態(tài)安全格局；生態(tài)源地；生態(tài)廊道；生態(tài)節(jié)點；連通性；森林城市建設(shè)；高安市

中圖分類號：TU984.2：X171.4（564GA） 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2018）06-0070-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.06.016

Abstract： Based on the concept of landscape ecological security pattern optimization， GIS technology and principal component analysis method was used to optimize the landscape ecological security pattern of the study area from the perspective of integrity and connectivity of the ecosystem， so as to determine the three key elements， namely， ecological sources， ecological corridors and ecological nodes. The results showed that two principal components were extracted from 11 indicators influencing the ecological landscape connectivity in the study area. The first principal component was named cohesion index； and the second principal component was named the connectivity index. The 270 m grain level， under which the ecological landscape was the most stable and the scale was the most suitable， was taken as the reference area. 59 ecological sources， 59 ecological corridors and 21 ecological nodes should be taken as the key points for the construction of forest city in the study area.

Key words： landscape ecological security pattern； ecological source； ecological corridor； ecological node； connectivity； forest city construction； Gaoan city

城市規(guī)模擴大后，人口增加、生態(tài)環(huán)境壓力加大是城市發(fā)展的共同特點。建設(shè)生態(tài)結(jié)構(gòu)合理、生態(tài)服務(wù)功能高效的城市生態(tài)系統(tǒng)，已成為世界城市發(fā)展的新潮流，森林城市的理念也由此應(yīng)運而生。森林城市建設(shè)具有構(gòu)建城市生態(tài)安全屏障、改善城市生態(tài)環(huán)境和滿足人民生態(tài)文化需求等功效，科學(xué)處理城市建設(shè)和生態(tài)保護的關(guān)系已成為生態(tài)安全領(lǐng)域研究的熱點[1]。目前森林城市建設(shè)集中從宏觀戰(zhàn)略方面進行研究，以綜合分析評價為主。張昶等[2]立足群島的特點，從整體性與異質(zhì)性2個層面，解析了森林城市建設(shè)的本底條件特點，并基于群島型森林城市與其他類型森林城市建設(shè)條件的對比啟示，以及國內(nèi)外海島城市生態(tài)建設(shè)的經(jīng)驗，提出了建設(shè)策略和具體對策。張燕等[3]以城市自然特點、資源環(huán)境狀況、經(jīng)濟社會發(fā)展和歷史文化為基礎(chǔ)，通過聚焦多元化的生態(tài)空間、生態(tài)公共服務(wù)供給、森林城市的文化標識等，闡述了森林城市的特色化建設(shè)。李正詩等[4]從研究區(qū)創(chuàng)建森林城市的功能定位著手，結(jié)合森林城市建設(shè)的基本原則，圍繞山脈綠化、通道綠化、水系綠化、村鎮(zhèn)綠化、森林提質(zhì)和礦山綠化等內(nèi)容，分析了森林城市創(chuàng)建的綠色架構(gòu)。王成等[5]根據(jù)研究區(qū)特點，確立了森林城市建設(shè)的理念、森林城市建設(shè)的思路和森林城市建設(shè)的空間格局，并提出了具體的發(fā)展對策。莊乾達等[6]通過構(gòu)建適合研究區(qū)的森林城市綜合評價指標體系，對森林城市建設(shè)水平進行了綜合評價研究，從而確定下一步森林城市建設(shè)的重點。但基于生態(tài)安全領(lǐng)域的森林城市建設(shè)研究較少，從景觀生態(tài)安全格局角度科學(xué)確定森林城市建設(shè)空間布局關(guān)鍵點的研究還沒有先例。生態(tài)安全是指具有完整的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（圖1）和健康的生態(tài)服務(wù)功能，并且生態(tài)系統(tǒng)能夠滿足人類健康生存和發(fā)展基本需要的保障體系，構(gòu)建合理的區(qū)域生態(tài)安全格局可以有效控制生態(tài)環(huán)境問題、持續(xù)改善區(qū)域生態(tài)安全水平和維護區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展[7]。生態(tài)學(xué)認為，景觀中潛在的由某些關(guān)鍵性的局部、位置和空間組成對維護或控制某種生態(tài)過程有著異常重要意義的空間格局被稱為景觀生態(tài)安全格局[8]。景觀生態(tài)安全格局是空間格局優(yōu)化的一種方法，是維護區(qū)域與城市生態(tài)安全、維護城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過程健康及完整的關(guān)鍵性格局[9]，優(yōu)化的重點為數(shù)量結(jié)構(gòu)和空間格局的優(yōu)化[10]，關(guān)鍵在于確定生態(tài)源地，構(gòu)建生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點，目的是增強生態(tài)系統(tǒng)的整體性和連通性[11]。

隨著城市化進程的加快，江西省高安市建設(shè)用地不斷擴張，在人類活動對生物圈的持續(xù)作用中，林地等生態(tài)景觀要素逐漸減少，景觀破碎化程度加劇，生物多樣性降低，且逐漸阻隔了景觀水平上生態(tài)流的有效擴散、傳輸和運動，從而影響到景觀的穩(wěn)定性[12]。本研究以高安市森林城市建設(shè)為例，基于景觀生態(tài)安全格局優(yōu)化的理念，從增強生態(tài)系統(tǒng)的整體性和連通性的角度優(yōu)化景觀生態(tài)安全格局，確定生態(tài)源地、生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點三個森林城市建設(shè)的關(guān)鍵要素，以期為高安市森林城市的規(guī)劃及建設(shè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

高安市位于江西省中部偏西地帶，處在南昌、新余、宜春三市交界處，是西入南昌市的“咽喉要地”，素有“贛中明珠”之稱。地跨錦江中下游兩岸，東接新建縣和豐城市，南與樟樹、新余二市為鄰，西連上高、宜豐縣，北倚奉新、安義縣。地理坐標為北緯28°02′44″-28°38′29″，東經(jīng)115°00′12″-115°34′56″，全市土地總面積2 439.33 km2。境內(nèi)地形北高南低，中間舒緩平坦，低山丘陵與河谷平原相間，概稱“四山一水三分田，兩分道路和莊園”。海拔高度一般在40～100 m，北部有九嶺山脈的余脈延伸，南部有蒙山、末山的余脈逶迤，中部偏南有荷嶺、楓嶺橫亙其間，其中以北部華林寨為全市最高點，海拔816 m。全市林地面積100 486 hm2，森林覆蓋率40.03%。研究區(qū)為高安市城市規(guī)劃區(qū)范圍，地貌以河谷平原為主，北部丘陵起伏，地勢北高南低，林地面積4 708.20 hm2，喬木總蓄積量135 904 m3。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源于《高安市城市總體規(guī)劃（2010-2030）》中心城區(qū)土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，包括研究區(qū)范圍2013年森林資源補充調(diào)查數(shù)據(jù)、1∶10 000地形圖及2016年遙感影像數(shù)據(jù)。在ArcGIS軟件中統(tǒng)一采用西安80坐標系統(tǒng)，中心城區(qū)土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)及2013年補充調(diào)查數(shù)據(jù)與地形圖疊加，以地形圖為參照校正配準遙感影像數(shù)據(jù)，并在實地調(diào)研中建立各土地利用類型的解譯標志，對照遙感影像數(shù)據(jù)對中心城區(qū)土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)及2013年補充調(diào)查數(shù)據(jù)進行校對調(diào)整和地類合并，形成最新的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 技術(shù)路線 采用空間分析理論進行研究，技術(shù)路線如圖2所示。

1.3.2 連通性指標選取 采用景觀組分數(shù)（NC）、斑塊密度（PD）、歐氏平均最鄰近距離（ENN_MN）、平均臨近指數(shù)（PROX_MN）、形狀指數(shù)（LSI）、相似臨近比例（PLADJ）、連接度指數(shù)（CONNECT）、斑塊內(nèi)聚力指數(shù)（COHESION）、景觀分裂指數(shù)（DIVISION）、分離度（SPLIT）和聚合度（AI）11個指標作為表征研究區(qū)生態(tài)斑塊聚集性的指標。一般而言，景觀水平生態(tài)斑塊聚集程度越大，其連通性越強。就森林城市建設(shè)而言，適宜尺度的建設(shè)標準且生態(tài)景觀連通性處于穩(wěn)定狀態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)性能及穩(wěn)定性較好。這里生態(tài)斑塊是指具有較高生態(tài)服務(wù)價值的景觀類型斑塊，參考前人的研究成果[13-16]，選取林地、綠地和水域作為研究區(qū)生態(tài)景觀類型。

1.3.3 生成不同粒度柵格數(shù)據(jù) 利用研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，生成30、60、90、120、150、180、210、240、270、300、330、360、390、420、480、540、600、660 m等18個不同的粒度柵格圖（圖3），將其作為連通性分析的基礎(chǔ)，利用Fragstats4.2軟件分別計算不同粒度水平下11個生態(tài)景觀連通性指數(shù)，具體見表1。

1.3.4 應(yīng)用主成分分析法計算研究區(qū)生態(tài)景觀綜合連通性 為了獲取研究區(qū)生態(tài)景觀連通性，采用11個指標進行全面分析，這些指標都能在不同程度上反映生態(tài)景觀連通性的某些信息；但這些指標之間存在一定的相關(guān)性，為了找出支配研究區(qū)生態(tài)景觀連通性的主要因素，采用SPSS主成分分析模塊計算研究區(qū)生態(tài)景觀綜合連通性。經(jīng)KMO和Bartlett檢驗、主成分提取、指標分組，得到不同粒度水平下生態(tài)景觀綜合連通性得分，具體見表2和圖4。

1.3.5 確定生態(tài)源地 根據(jù)不同粒度水平下生態(tài)景觀綜合連通性的分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)粒度為270 m尺度下生態(tài)景觀連通性處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此，選擇粒度為270 m的柵格圖作為生態(tài)源地選擇參照。疊加270 m粒度柵格圖和土地利用現(xiàn)狀圖，疊加分析中心城區(qū)將現(xiàn)有的非生態(tài)景觀類型轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)景觀類型小斑，即中心城區(qū)有待加強生態(tài)建設(shè)的斑塊（圖5）。

1.3.6 構(gòu)建生態(tài)阻力面 參考前人研究成果[14-16]，獲取各生態(tài)景觀類型的阻力值（表3）。在ArcGIS中輸入各生態(tài)景觀類型阻力值，利用空間分析模塊，根據(jù)土地利用類型構(gòu)建生態(tài)阻力面，結(jié)果見圖6。

1.3.7 構(gòu)建生態(tài)廊道 廊道是物種遷移的通道，是生態(tài)流之間的連通道和聯(lián)系途徑，有利于物種在“源”間及“源”與基質(zhì)間的流動，其對增強生態(tài)系統(tǒng)整體性和改善區(qū)域安全格局意義重大[17]。在生態(tài)阻力面圖上，廊道就是相鄰兩“源”之間的阻力低谷和最容易聯(lián)系的低阻力通道，用ArcGIS最短路徑確定，每兩個“源”之間聯(lián)系的廊道至少應(yīng)該有一條，廊道的格局以環(huán)狀組合形式較好[18]。依據(jù)生態(tài)源地確定生態(tài)質(zhì)心，以生態(tài)阻力面為基礎(chǔ)，利用空間分析模塊計算生態(tài)質(zhì)心之間的最小成本路徑，即為生態(tài)廊道（圖6）。

1.3.8 確定生態(tài)節(jié)點 生態(tài)節(jié)點是生態(tài)安全格局中易受外界干擾的脆弱點，對維護區(qū)域景觀生態(tài)結(jié)構(gòu)的整體性、連續(xù)性和發(fā)揮生態(tài)功能具有重要的功效，是優(yōu)化中需要重點維護和建設(shè)的部位。本研究利用水文分析模塊提取山脊線，即為研究區(qū)生態(tài)阻力面最大的成本路徑，其與生態(tài)廊道的交叉點為生態(tài)節(jié)點（圖6）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同粒度水平下生態(tài)景觀綜合連通性

利用SPSS對影響研究區(qū)生態(tài)景觀連通性的11個指標進行主成分分析結(jié)果表明，KMO>0.7，P<0.05，說明可以使用主成分分析方法；為此提取了2個主成分，其中第一主成分的方差貢獻率為75.687%，第二主成分的方差貢獻率為12.573%，累計方差貢獻率88.260%，>85%；根據(jù)旋轉(zhuǎn)空間中的成分圖將11個指標分為兩組，第一主成分為內(nèi)聚力指數(shù)，第二主成分為連接性指數(shù)，這兩個主成分共同組成了生態(tài)景觀綜合連通性。

不同粒度水平下生態(tài)景觀綜合連通性隨著粒度的逐漸增大而降低，當粒度達到270 m時，生態(tài)景觀綜合連通性處于穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)森林城市建設(shè)特點，此尺度可以作為最佳研究尺度。當粒度達到600 m時，生態(tài)景觀綜合連通性最弱，因此，600 m為研究區(qū)生態(tài)景觀組分間連通的臨界距離，即研究區(qū)生態(tài)源地的最大服務(wù)半徑為600 m。

2.2 生態(tài)源地

依據(jù)粒度為270 m的柵格圖和表1，研究區(qū)存在59塊主要的（面積最大）生態(tài)源地，選擇59塊生態(tài)景觀組分作為生態(tài)源地。從圖5可知，研究區(qū)生態(tài)源地的空間分布主要集中在北部地區(qū)，且較為分散，南部生態(tài)源地以錦河為主，這主要是因為南部為中心城區(qū)，建設(shè)用地面積大，阻隔并制約了生態(tài)源地。研究區(qū)最南部無生態(tài)源地，因此該區(qū)應(yīng)優(yōu)先新增生態(tài)源地，以完善區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)。

2.3 生態(tài)廊道

研究區(qū)生態(tài)廊道共有59條（圖5），組成了環(huán)狀格局，其中生態(tài)質(zhì)心59-1、1-2、2-3、3-4、4-5、5-6、6-7為建設(shè)用地與生態(tài)源地連接的通道，是人為活動與生態(tài)流物質(zhì)和能量交換的關(guān)鍵點，應(yīng)加強此生態(tài)廊道的建設(shè)，必要時對生態(tài)廊道設(shè)置一定的緩沖區(qū)，以減少外界的干擾。

2.4 生態(tài)節(jié)點

研究區(qū)生態(tài)節(jié)點共有21個（圖5），其中生態(tài)質(zhì)心59-1、1-2、2-3、3-4、4-5、5-6、6-7之間的幾個生態(tài)節(jié)點為建設(shè)用地生態(tài)節(jié)點，對完善區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)、改善人居環(huán)境、提高人民生活質(zhì)量具有積極意義，需重點優(yōu)化，可以參照生態(tài)源地的尺度建設(shè)，并減少外界的干擾。

3 小結(jié)與討論

研究表明，高安市森林城市建設(shè)的關(guān)鍵為重點保護59塊生態(tài)源地，加強構(gòu)建59條生態(tài)廊道和21個生態(tài)節(jié)點，新建生態(tài)源地參照尺度為270 m。

本研究創(chuàng)新點在于第一次將景觀生態(tài)安全格局優(yōu)化理念應(yīng)用到森林城市規(guī)劃及建設(shè)中來，可以定量判定區(qū)域最優(yōu)生態(tài)源地結(jié)構(gòu)，理論性和客觀性較強，研究方法科學(xué)，對于判斷森林城市建設(shè)的重點區(qū)域具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。但生態(tài)廊道建設(shè)標準、影響區(qū)域生態(tài)阻力的可測因素需進一步探討。

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