基于電路理論的南京城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施格局優(yōu)化

劉 佳,尹海偉,*,孔繁花,李沐寒

1 南京大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,南京 210093 2 南京大學(xué)國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所,南京 210023

氣候變化與快速城鎮(zhèn)化導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)加劇、空氣質(zhì)量惡化、生境斑塊破碎化、景觀連通性和生物多樣性降低等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,打破了城市生態(tài)系統(tǒng)的平衡,嚴(yán)重削弱了城市可持續(xù)發(fā)展能力[1- 3]。目前,通過(guò)構(gòu)建與優(yōu)化城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施(Urban Green Infrastructure,UGI)網(wǎng)絡(luò)格局來(lái)提高城市自然生態(tài)景觀的連通性,業(yè)已成為提升城市生態(tài)彈性與可持續(xù)發(fā)展能力的重要景觀安全策略,受到國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注[4-7]。

目前UGI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的方法主要有3種:GIS空間疊置方法(即“千層餅”),最小成本路徑(least-cost path,LCP)與重力模型、圖譜理論相結(jié)合的方法,形態(tài)學(xué)空間格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis,MSPA)方法。GIS空間疊置方法強(qiáng)調(diào)景觀單元內(nèi)地質(zhì)-土壤-水文-植被-野生動(dòng)物與人類活動(dòng)以及土地利用變化之間的垂直過(guò)程與聯(lián)系[8-10];LCP與重力模型、圖譜理論相結(jié)合的UGI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法根植于景觀生態(tài)學(xué)與保護(hù)生態(tài)學(xué)等相關(guān)理論,考慮了景觀的地理學(xué)信息和生物體的行為特征,能反映景觀格局的水平生態(tài)過(guò)程,較為科學(xué)地確定生態(tài)廊道的空間位置和格局、辨識(shí)廊道的相對(duì)重要性[2,11- 16]。然而,該方法需要收集自然地理信息、物種行為特征等數(shù)據(jù)信息,對(duì)數(shù)據(jù)的需求量大。MSPA方法僅利用土地利用數(shù)據(jù),將林地、濕地等自然生態(tài)要素作為前景,其他土地類型作為背景,采用一系列的圖像處理方法將前景按形態(tài)分為互不重疊的七類(即中心,橋,環(huán),分支,邊緣,孔和島),進(jìn)而進(jìn)行UGI網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建[1,6,17- 19]。該方法強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)性連接,不僅可以辨識(shí)樞紐和廊道的位置,而且可以識(shí)別廊道的類型(比如線形廊道、帶狀廊道)[18]。

由于三種UGI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法在選取樞紐、確定廊道、選擇目標(biāo)物種等具體的操作層面差異很大,因而得到的UGI網(wǎng)絡(luò)格局多有不同,存在明顯的不確定性[8],即使是同一種方法也可能會(huì)得到不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[13]。另外,物種的擴(kuò)散行為多具有隨機(jī)性,難以選擇模擬的最佳廊道進(jìn)行遷徙,且一個(gè)物種的擴(kuò)散廊道不一定會(huì)被其他物種所使用[20-22]。因而,UGI所依據(jù)的景觀生態(tài)學(xué)原理比如廊道的有效性依然面臨挑戰(zhàn),因?yàn)槟壳皩?duì)景觀的介入措施缺乏足夠的經(jīng)驗(yàn)證據(jù)[23-24]。再者,由于獲取的生態(tài)數(shù)據(jù)有限,這三種方法多側(cè)重結(jié)構(gòu)連接性的測(cè)度,對(duì)功能連通性的關(guān)注不足,且均難以分析物種的多路徑擴(kuò)散概率問(wèn)題[6,13,25]。

功能連通性是指景觀結(jié)構(gòu)促進(jìn)或阻礙生物體在生境斑塊間運(yùn)動(dòng)的程度[4,26],它的降低會(huì)產(chǎn)生小的、孤立的種群,致使近親繁殖的幾率增大,從而增加物種滅絕的風(fēng)險(xiǎn)[4,27]。因而,識(shí)別和保護(hù)能夠滿足多物種功能連通性的廊道,對(duì)于棲息地管理與城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策制定具有非常重要的參考價(jià)值[4,20,28]。McRae[29]首次將物理學(xué)中的電路理論融入景觀生態(tài)學(xué)、景觀遺傳學(xué)領(lǐng)域,將景觀面看作一個(gè)電導(dǎo)面,用電子在電路中隨機(jī)流動(dòng)的特性來(lái)模擬物種個(gè)體或基因在景觀中的遷移擴(kuò)散過(guò)程,從而預(yù)測(cè)物種的擴(kuò)散和遷移運(yùn)動(dòng)規(guī)律、識(shí)別景觀面中多條具有一定寬度的可替代路徑, 并可通過(guò)源地之間電流的強(qiáng)弱確定生境斑塊和廊道的相對(duì)重要性[29- 31]。該方法因計(jì)算所需的數(shù)據(jù)量少、過(guò)程簡(jiǎn)便,整合了生境斑塊間的結(jié)構(gòu)性與功能性廊道,可滿足多物種遷徙需求,更符合物種運(yùn)動(dòng)的真實(shí)情況而逐漸被應(yīng)用到國(guó)外UGI網(wǎng)絡(luò)格局的構(gòu)建中[7,30- 35]。然而,目前國(guó)內(nèi)基于電路理論來(lái)進(jìn)行UGI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的相關(guān)文獻(xiàn)還較少[15,36- 37],而基于該理論探討城市內(nèi)部空間UGI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方面的研究則更為少見(jiàn)。

本文基于Circuitscape 4.0軟件平臺(tái),采用電路理論對(duì)南京市主城區(qū)自然生態(tài)斑塊之間的景觀連通性進(jìn)行了定量分析,獲取了自然生態(tài)斑塊之間所有潛在的物種遷移擴(kuò)散路徑及其相對(duì)重要性(根據(jù)電流密度的大小),并借助GIS軟件的Linkage Mapper工具識(shí)別了研究區(qū)的主要障礙點(diǎn),進(jìn)而有針對(duì)性地提出了南京市主城區(qū)UGI網(wǎng)絡(luò)格局優(yōu)化的具體策略。研究結(jié)果可為南京市UGI網(wǎng)絡(luò)格局的優(yōu)化提供重要的科學(xué)依據(jù)與決策參考。

1 研究區(qū)概況

本文以南京市城市總體規(guī)劃(2011—2020年)確定的主城區(qū)作為研究區(qū)(圖1),總面積約282 km2。研究區(qū)人口密度大,城市化水平高,自然生態(tài)斑塊的破碎化程度高,因而亟需進(jìn)行UGI網(wǎng)絡(luò)格局的優(yōu)化,以提升城市生態(tài)彈性與可持續(xù)發(fā)展能力。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Study area

基于電路理論進(jìn)行研究區(qū)景觀連通性計(jì)算的過(guò)程中,由于人為劃定的研究邊界限制了電子隨機(jī)流動(dòng)的空間(特別是在邊界附近),增加了邊界區(qū)域景觀阻力與景觀隔離程度,從而減少了邊界附近潛在路徑的生成[32]。根據(jù)Koen的研究結(jié)果[4],在研究區(qū)外圍設(shè)置其寬度約20%的緩沖區(qū)便可消除人工邊界可能帶來(lái)的模擬偏差,因而本文在研究區(qū)外圍設(shè)置了3000 m的緩沖區(qū)(圖1)。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

本研究數(shù)據(jù)的主要來(lái)源有:2013年8月11日的TM遙感影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)(空間分辨率為30 m)(數(shù)據(jù)來(lái)源: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)http:/ /www.gscloud.cn);精度為15級(jí)的谷歌影像圖及天地圖地圖數(shù)據(jù);1∶50000地形圖以及南京市城市總體規(guī)劃(2011—2020年)相關(guān)圖集。

首先,基于ERDAS軟件平臺(tái),使用研究區(qū)地形圖對(duì)波段融合后的TM遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何精校正(均方根誤差(RMS)<1);然后,采用監(jiān)督分類方法將遙感影像解譯為建設(shè)用地、草地、林地、農(nóng)田、道路、水體和裸地7種類型;最后,借助谷歌影像圖、天地圖、南京市總體規(guī)劃圖集等數(shù)據(jù),對(duì)研究區(qū)的土地利用現(xiàn)狀圖斑進(jìn)行了修正,得到了研究區(qū)最終的土地利用現(xiàn)狀圖。

2.2 研究方法

2.2.1 電路理論的基本原理

電路理論利用電子在電路中隨機(jī)游走的特性(即隨機(jī)漫步理論[38])來(lái)模擬物種個(gè)體或基因流在某一景觀面中的遷移擴(kuò)散過(guò)程;物種個(gè)體或基因流被視為電子,景觀被視為電導(dǎo)面(與生態(tài)學(xué)中的景觀阻力面概念相似),利于物種遷移擴(kuò)散的景觀類型被賦予較低的電阻(與景觀阻力概念相似),反之亦反;景觀中生境質(zhì)量比較好的自然生態(tài)斑塊稱之為節(jié)點(diǎn)[29,31](與生態(tài)源地概念相似)。模擬時(shí),部分節(jié)點(diǎn)接地,向其他節(jié)點(diǎn)輸入電流,結(jié)合給定的每一個(gè)柵格的電阻值,可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)間的電流密度值[39],其大小可以表征物種沿某一路徑遷移擴(kuò)散概率的大小[31]。由于并聯(lián)電路中有效電阻會(huì)隨著電路路徑數(shù)的增加而降低,相應(yīng)的電流會(huì)增大,因而當(dāng)廊道冗余度、寬度和連接度增加時(shí),生物遷徙受到的阻力會(huì)減小,成功擴(kuò)散的概率會(huì)增大[32]。

圖2 GI要素與電導(dǎo)面Fig.2 GI components and resistance mapGI:綠色基礎(chǔ)設(shè)施 green infrastructure

2.2.2 電路理論所需數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

首先,根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況,將土地利用現(xiàn)狀圖中的林地、草地、水體作為UGI的組成要素,并選取面積大于0.1 hm2的斑塊作為節(jié)點(diǎn),共計(jì)209處(圖2)。其次,根據(jù)不同用地類型的相對(duì)生境適宜性程度來(lái)進(jìn)行其電阻的賦值(表1),進(jìn)而創(chuàng)建研究區(qū)的電導(dǎo)面(這一過(guò)程與LCP方法中景觀阻力的設(shè)置及消費(fèi)面構(gòu)建過(guò)程相似,具體方法參見(jiàn)孔繁花等[40])。研究區(qū)屬于高密度建成區(qū),建成環(huán)境特征會(huì)對(duì)生物的遷移產(chǎn)生一定的影響,因而采用容積率(R)和建筑密度(C)兩個(gè)因子對(duì)建設(shè)用地類型進(jìn)行了細(xì)分(表2),兩個(gè)因子權(quán)重相等,即均為0.5。最后,由于坡度對(duì)于物種的遷徙也具有一定的影響[3],因而根據(jù)公式1,將坡度因子疊加到構(gòu)建的電導(dǎo)面上,得到本研究最終使用的電導(dǎo)面(圖2)。

Rfinal=Ri(1+α×Si)

(1)

式中，Rfinal是指每個(gè)柵格最終的電阻值,Ri是指柵格i的電阻值,Si是指柵格i的百分比坡度,α是控制坡度的阻力值系數(shù),本文α取值為1。

2.2.3 基于電路理論的UGI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

南京市主城區(qū)人口密度大、用地緊張,斑塊總面積約70.45 km2,占主城區(qū)總面積的25%,但其發(fā)揮的景觀連通性大小不一,通過(guò)電路理論模擬可識(shí)別重要斑塊與廊道,對(duì)現(xiàn)有UGI的保護(hù)與優(yōu)化具有重要意義。電路理論中有4種測(cè)算連接度的計(jì)算模式[39],本研究基于Circuitscape 4.0軟件平臺(tái),選用成對(duì)計(jì)算和多對(duì)一計(jì)算兩種模式來(lái)模擬研究區(qū)自然生態(tài)斑塊間的連通性。成對(duì)模式將景觀面中的生態(tài)斑塊兩兩配對(duì),向其中一個(gè)斑塊輸入1 A的電流,另一個(gè)斑塊接地,計(jì)算得出這一對(duì)斑塊之間的電流值,通過(guò)迭代運(yùn)算得到所有成對(duì)斑塊的電流密度分布圖(圖3a)。多對(duì)一模式則將景觀面中的一個(gè)生態(tài)斑塊接地,其余斑塊均輸入1 A電流,計(jì)算所有斑塊到這一斑塊的電流值,通過(guò)迭代運(yùn)算得到多對(duì)一模式下的電流密度分布圖(圖4a)。結(jié)合相關(guān)研究結(jié)果[41- 44],本文選取電流密度值排名前30%的區(qū)域組成了研究區(qū)重要功能連通性廊道分布圖(圖3b),并將排名前20%的斑塊作為在景觀面中發(fā)揮 “踏腳石” 功能的重要斑塊(圖4b)。

表1 不同土地利用類型電阻值

S：面積 Square；p：建設(shè)用地得分值 The score of construction land；p = 0．5R+0．5C

表2 容積率及建筑密度分級(jí)

R：容積率 Plot ratio；C：建筑密度 Building density

圖3 成對(duì)模式模擬結(jié)果及重要廊道分布圖Fig.3 Simulation result of pairwise mode and distribution of important corridorsa:電路理論成對(duì)模式模擬結(jié)果，顏色從藍(lán)到紅表示累計(jì)電流密度逐漸增大，即對(duì)景觀連通性的貢獻(xiàn)越大;b:提取圖3a中累計(jì)電流排名前30%、前40%區(qū)域組成研究區(qū)功能連通性廊道，其中紅色區(qū)域?yàn)橹匾δ苓B通性廊道

2.2.4 基于障礙點(diǎn)識(shí)別的南京市UGI格局優(yōu)化

障礙點(diǎn)識(shí)別可通過(guò)計(jì)算障礙點(diǎn)清除后連通性恢復(fù)值的大小來(lái)幫助決策者衡量保護(hù)現(xiàn)有斑塊廊道還是清除一個(gè)障礙點(diǎn)更經(jīng)濟(jì),從而使投資效益最大化。首先,借助Conefor工具計(jì)算所有斑塊之間的地理空間距離,并將距離輸入Linkage Mapper工具中來(lái)構(gòu)建UGI的連接。然后,基于Barrier Mapper工具,設(shè)定30 m的搜索半徑,采用移動(dòng)窗口法搜索整個(gè)景觀面中移除某一區(qū)域后可大幅提升連通性的潛在區(qū)域,即障礙點(diǎn)(圖5)。通常采用單位距離連通性恢復(fù)值(土地利用類型改變前后成本的差值與搜索半徑的比值,即每米恢復(fù)值)的大小來(lái)表征障礙點(diǎn)對(duì)于景觀連通性的影響強(qiáng)弱[45](圖5)。最后,為了更為直觀地顯示障礙點(diǎn)清除前后研究區(qū)功能連通性的變化,將所有識(shí)別出的障礙點(diǎn)全部替換為綠地,即在理想情況下所有識(shí)別出的障礙點(diǎn)均可以被清除并可恢復(fù)為生境質(zhì)量良好的綠地,再次并采用成對(duì)模式對(duì)景觀連通性進(jìn)行計(jì)算模擬,對(duì)比分析障礙點(diǎn)清除前后景觀連通性的變化(圖6)。

圖5 障礙點(diǎn)識(shí)別結(jié)果及局部細(xì)節(jié)圖Fig.5 Detection result of barrier and local detaila—e為障礙點(diǎn)局部細(xì)節(jié)圖代號(hào)；顏色越紅表示累計(jì)電流恢復(fù)值越高，即該區(qū)域?qū)τ诰坝^連通的阻礙程度越高;局部細(xì)節(jié)圖中顯示了各障礙點(diǎn)的下墊面類型

圖6 障礙點(diǎn)清除前及清除后功能連通性廊道分布圖Fig.6 Distribution of important corridors before and after removing barriersa: 障礙點(diǎn)清除前，提取電路理論成對(duì)模式模擬結(jié)果中累計(jì)電流密度值>606A的區(qū)域，其中顏色越紅表示景觀連通性越好;b: 清除所有障礙點(diǎn)后，提取電路理論成對(duì)模式模擬結(jié)果中累計(jì)電流密度值>606A的區(qū)域，其中顏色越紅表示景觀連通性越好

3 結(jié)果與分析

3.1 重要廊道的空間分布特征

通過(guò)電路理論成對(duì)模式模擬發(fā)現(xiàn)(圖3a),南京市主城區(qū)東南部和中部的電流值較大,而紫金山與玄武湖以北的片區(qū)電流值最低,這與生境斑塊數(shù)量及斑塊間的距離有關(guān),斑塊分布越密集、距離越近,其功能連通性就會(huì)越高。西部濱江地帶與南部濱河地區(qū)的電流密度呈高低錯(cuò)落分布,主要是由于綠地斑塊的質(zhì)量及斑塊間連接程度參差不齊。提取電流密度排名前30%的區(qū)域組成了研究區(qū)的重要功能連通性廊道(圖3b),可以發(fā)現(xiàn),研究區(qū)存在多條寬窄不一的功能連通性廊道,且總體上斑塊密集之處多是功能連通性廊道所在之處;西南部重要廊道的數(shù)量最多,局部簇團(tuán)成網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)密度大且破碎,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,其次為中部,且河流廊道(秦淮河)是其主要廊道類型,北部廊道數(shù)量最少,斑塊多呈孤島分布。

3.2 重要斑塊的空間分布特征

通過(guò)電路理論多對(duì)一模式模擬發(fā)現(xiàn)(圖4a),研究區(qū)景觀破碎化程度較高,北部斑塊大而孤立,南部斑塊小且分散;40%的生境(約為28.18 km2)對(duì)連通性的貢獻(xiàn)較低,這與景觀類型、斑塊面積及植物群落等因素有關(guān)。例如,1號(hào)斑塊北部被多條鐵路所分割,斑塊內(nèi)部無(wú)法形成良好的植物群落,2號(hào)及4號(hào)斑塊中部為水體、3號(hào)斑塊中部為山體,這對(duì)于陸生物種而言,其生境適宜性會(huì)相對(duì)較差。提取多對(duì)一模擬結(jié)果中電流密度排名前20%的區(qū)域組成重要斑塊分布圖(圖4b),可以發(fā)現(xiàn),生態(tài)關(guān)鍵區(qū)域多位于現(xiàn)有斑塊內(nèi)部,其次為斑塊之間或斑塊周邊,在斑塊密集區(qū)發(fā)揮踏腳石功能的斑塊比例較高,斑塊間的功能連通性廊道數(shù)量越多,斑塊的重要程度越高,例如研究區(qū)西南角發(fā)揮景觀踏腳石功能的斑塊數(shù)量明顯較多,這主要與斑塊間的功能連通性廊道數(shù)量有關(guān)(圖3)。

3.3 障礙點(diǎn)的空間分布特征

研究區(qū)識(shí)別出的障礙點(diǎn)共有155處,且面積均相對(duì)較小(圖5),其中面積小于5 hm2的障礙點(diǎn)共有131處,占障礙點(diǎn)總數(shù)量的84.5%,面積小于1 hm2的障礙點(diǎn)個(gè)數(shù)最多,有48處。障礙點(diǎn)面積越小則被清除的難度就越小,因而主城區(qū)景觀連通性仍有較大的提升空間。障礙點(diǎn)多位于斑塊之間或斑塊邊緣(圖5),且三分之二的障礙點(diǎn)為道路,其次為居住用地等其他建設(shè)用地。道路對(duì)于生境的分割作用明顯,且會(huì)一定程度上增加物種的死亡率,同時(shí)由于下墊面性質(zhì)的改變,瀝青、水泥的熱容小,反射率大,導(dǎo)致盛夏時(shí)分道路多呈現(xiàn)出與周邊不同的小氣候特征,加上噪聲擾動(dòng)和空氣污染等使得物種難以通過(guò),因而道路對(duì)于研究區(qū)景觀連通性的影響最大。建設(shè)用地是人類活動(dòng)的主要場(chǎng)所,居住等其他建設(shè)用地由于下墊面性質(zhì)的改變,均對(duì)物種遷徙產(chǎn)生了不同程度的阻礙作用,側(cè)面反映出了人類活動(dòng)對(duì)于生態(tài)及景觀連通性的負(fù)面影響。

通過(guò)對(duì)比障礙點(diǎn)清除前后研究區(qū)電流值的大小可以發(fā)現(xiàn)(圖6),清除障礙點(diǎn)可有效提升研究區(qū)景觀的連通性。障礙點(diǎn)清除前,研究區(qū)最大電流值為13521 A,存在的功能連通性廊道數(shù)量較少(圖6a),清除后研究區(qū)最大電流提升為26927 A,提升近2倍,北部新增4條功能連通性廊道,中部結(jié)構(gòu)性廊道圍合的區(qū)域內(nèi)部功能連通性得到改善,形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),南部功能連通性得到大幅提升,形成密集的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(圖6b)。障礙點(diǎn)清除后電流值小于605 A的區(qū)域(即功能連通性較差的區(qū)域)減少了520.38 hm2,電流值大于685 A的區(qū)域則共增加了520.92 hm2。障礙點(diǎn)清除為研究區(qū)提供了多條功能連通性廊道,極大地提高了廊道冗余度,提升了生態(tài)系統(tǒng)抵御各種風(fēng)險(xiǎn)的能力。

4 研究區(qū)UGI格局優(yōu)化啟示

4.1 保護(hù)重要生態(tài)廊道與斑塊,提升廊道與斑塊的質(zhì)量

重點(diǎn)保護(hù)電流密度排名前30%的重要生態(tài)廊道(圖3b)和電流密度排名前20%的生境斑塊(圖4b),并重點(diǎn)恢復(fù)排名前40%的廊道和前25%的斑塊;在無(wú)法連接成廊道的區(qū)域(如主城區(qū)北部)適當(dāng)增加點(diǎn)狀斑塊即景觀“踏腳石”的數(shù)量,以減少斑塊間距離,提升功能連通性。同時(shí),提升部分現(xiàn)有廊道與斑塊的質(zhì)量,如拓寬中部環(huán)狀廊道以提升其對(duì)連通性的貢獻(xiàn)率,在大型斑塊周邊(如圖4b中2、3號(hào)斑塊)開(kāi)展相應(yīng)的復(fù)綠工程。另外,保護(hù)并非意味著完全禁止建設(shè),應(yīng)注重自然生態(tài)空間的復(fù)合利用,如控制斑塊內(nèi)部電流密度較高區(qū)域的建設(shè)活動(dòng)和開(kāi)發(fā)力度,依據(jù)電流值大小設(shè)定不同的開(kāi)發(fā)等級(jí),限制容積率,規(guī)定綠地率,對(duì)電流密度較低的區(qū)域可有選擇的建設(shè)不同功能的設(shè)施,在不破壞生態(tài)功能的前提下復(fù)合游憩等其他用途,形成復(fù)合型綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)體系。

4.2 因地制宜清除影響景觀連通性的障礙點(diǎn)

建議依據(jù)障礙點(diǎn)恢復(fù)值的大小由高至低逐一清除障礙點(diǎn),在原用地上覆蓋植被,恢復(fù)其生態(tài)屬性。同時(shí),可根據(jù)障礙點(diǎn)所處的空間位置劃分清除的優(yōu)先級(jí),建議依次為斑塊內(nèi)部、斑塊之間、斑塊周邊。當(dāng)障礙點(diǎn)很難清除時(shí),可因地制宜打通斑塊之間的連接路徑或?qū)?nèi)部用地進(jìn)行局部調(diào)整。例如,對(duì)于居住區(qū)性質(zhì)的障礙點(diǎn),可適當(dāng)增加綠地面積和植被豐富度;對(duì)于河岸兩旁的障礙點(diǎn),可拆除藍(lán)線范圍內(nèi)的部分建筑,適當(dāng)拓寬河岸綠地,提升河道的生態(tài)功能,塑造特色的濱水景觀;對(duì)于道路障礙點(diǎn),可適當(dāng)拓寬綠化帶、增加綠化帶內(nèi)的植被群落層次或結(jié)合過(guò)街天橋建設(shè)拱涵型生物通道。

5 結(jié)論與討論

在人口密度、城市化率較高的區(qū)域,人類活動(dòng)對(duì)于綠地的侵蝕較為嚴(yán)重,優(yōu)化UGI格局是提升城市生物多樣性和可持續(xù)發(fā)展能力的有效方法。本文基于電路理論,采用成對(duì)和多對(duì)一計(jì)算模式模擬了研究區(qū)自然生態(tài)景觀的連通性,并根據(jù)電流密度分析了斑塊、廊道的相對(duì)重要性,借助移動(dòng)窗口搜索法識(shí)別了研究區(qū)的主要障礙點(diǎn),提出了南京市UGI網(wǎng)絡(luò)格局優(yōu)化的具體策略。研究結(jié)果表明,研究區(qū)景觀破碎化程度較高,40%的生境斑塊對(duì)連通性的貢獻(xiàn)較低,景觀連通性南部最優(yōu)、中部次之、北部最差;南部重要廊道的數(shù)量最多,局部簇團(tuán)成網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,其次為中部,且河流廊道是其主要廊道類型,北部廊道數(shù)量最少,斑塊多呈孤島分布;研究區(qū)共有155處障礙點(diǎn),多位于斑塊之間或斑塊邊緣,障礙點(diǎn)清除后研究區(qū)最大電流值提升近2倍,電流值小于605 A的區(qū)域減少了520.38 hm2,表明清除障礙點(diǎn)可有效提升景觀連通性。電路理論能夠識(shí)別研究區(qū)所有的潛在廊道及其相對(duì)重要性,能夠整合結(jié)構(gòu)性與功能性廊道,為城市高密度建成區(qū)UGI網(wǎng)絡(luò)格局的構(gòu)建優(yōu)化提供了簡(jiǎn)單易行的方法框架。研究結(jié)果可為南京市主城區(qū)UGI格局優(yōu)化提供參考依據(jù)。

電路理論因結(jié)合了電子隨機(jī)游走的特性而區(qū)別于以往的景觀連接度模型,在模擬物種的出生擴(kuò)散時(shí)具有更大的優(yōu)勢(shì),因?yàn)樾律锓N個(gè)體小,擴(kuò)散行為難以被記錄,且新生物種對(duì)于將要穿越的環(huán)境缺少先知,僅能依據(jù)路徑上所遇到的景觀特征而進(jìn)行隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)決策,遷徙特征與電子隨機(jī)游走的特性相吻合。然而也正因?yàn)殡娐防碚摻Y(jié)合了電子隨機(jī)游走的特性,電子對(duì)于人工邊界的阻力感知較為敏感。本文參考已有文獻(xiàn)設(shè)置了3000m的緩沖區(qū),但由于不同研究區(qū)的形狀不同,所需的緩沖區(qū)寬度也不同,本文將于后續(xù)探討具體的邊界效應(yīng)及適宜的緩沖區(qū)寬度。在障礙點(diǎn)識(shí)別過(guò)程中,本文考慮到南京市主城區(qū)城市化率較高,障礙點(diǎn)清除的成本高,應(yīng)當(dāng)以最小的成本最大限度的提高景觀連通性,故而選用最小的搜索半徑即遙感影像最高分辨率的一個(gè)象元大小(30 m)識(shí)別障礙點(diǎn),但當(dāng)障礙物更大時(shí),應(yīng)選用更大的搜索半徑。同時(shí),移動(dòng)窗口的阻力值設(shè)定為1過(guò)于理想化,障礙點(diǎn)并非都會(huì)被恢復(fù)為綠地。今后可以根據(jù)不同的規(guī)劃目標(biāo)和改建措施設(shè)定障礙點(diǎn)識(shí)別的搜索半徑和窗口阻力值。