基于生態(tài)安全的城市綠色廊道系統(tǒng)規(guī)劃研究
——以南昌市為例

劉華斌

楊 梅

李寶勇

過仕云

古新仁*

隨著新型城鎮(zhèn)化的推進和城市的快速發(fā)展，城鄉(xiāng)環(huán)境格局發(fā)生了重大改變[1]，城鎮(zhèn)建成區(qū)規(guī)模擴大的同時生態(tài)用地規(guī)模受到擠壓與分割，城市綠色斑塊破碎， 生物多樣性降低，各類綠地呈現(xiàn)生態(tài)“孤島”[2]，導致城市生態(tài)調(diào)控力下降，生物棲息地難以獲得有效保護、生物多樣性受到威脅，城市景觀效果、人居環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)安全受到嚴重影響[3-4]。目前，許多國家把綠色廊道建設作為破解城鄉(xiāng)生態(tài)問題的有效途徑[5-6]。

綠色廊道(green corridor)是指具有保護生物多樣性、過濾污染物、防止水土流失、防風固沙、調(diào)控洪水等生態(tài)服務功能的廊道類型[7]。它促進生物因素運動，調(diào)節(jié)氣候，為野生動物提供遷徙植被通道。內(nèi)涵上與生態(tài)廊道(ecological corridor)等同。生態(tài)安全是指生態(tài)系統(tǒng)的健康和完整情況。結(jié)合本研究特征，將生態(tài)安全定義為城市具備健康、穩(wěn)定、可持續(xù)的生態(tài)活力和狀態(tài)，具有維護生物多樣性、恢復和調(diào)控環(huán)境的能力。城市土地的緊缺，導致依賴增加綠地數(shù)量面積改善城市生態(tài)環(huán)境的傳統(tǒng)方式已成困境，通過綠色廊道將棲息地、保護區(qū)等分散的生態(tài)斑塊連接起來，增強城市綠地景觀空間單元之間的連接度，能高效促進物種遷移、能量交換和信息流通[8-10]，有利于生物多樣性保護和景觀安全格局優(yōu)化，從而以有限的城市用地保障區(qū)域生態(tài)安全。

國內(nèi)外學者在城市綠色廊道系統(tǒng)方面進行了多角度探索研究，如對城市或區(qū)域等不同尺度的生態(tài)廊道或綠地生態(tài)網(wǎng)絡的構(gòu)建[11-13]進行了深入研究，提出城市綠色廊道的生態(tài)規(guī)劃方法[14]或功能類型設計重點[15]；或基于生態(tài)安全格局的綠色廊道構(gòu)建方法[16]；并對土地或景觀類型進行多種生態(tài)安全評價[17]，包括PSR評價方法等[18]；也有學者就廊道的研究進展[19-20]、價值研究[21]、廊道不同類別[22-23]等進行了多領域研究，取得一定的成果。但相關研究在選擇確定生態(tài)用地具有一定主觀性，且依據(jù)單一物種確定相關模型參數(shù)、計算連通性指標顯得片面和科學性不足，構(gòu)建的廊道體系也多為無寬度的概念廊道，不利于指導實際的生態(tài)建設。

“源-匯”理論基于生態(tài)學中的生態(tài)平衡理論，通過分析源匯景觀在空間上的變換及生態(tài)效應，探討調(diào)控生態(tài)過程發(fā)展的途徑和方法[24]，有助于識別區(qū)域生態(tài)源地，理解區(qū)域生態(tài)格局與過程的關系，克服在確定生態(tài)用地時的主觀性。辨識生態(tài)廊道廣泛采用的是最小累積阻力模型(Minimum Cumulative Resistance model，MCR)的方法，它基于生物因素克服空間的不同土地景觀類型需克服不同阻力過程的原理，其阻力之和最小的路徑就是生態(tài)源地之間連接的最小累積阻力通道[25-26]。因此，以南昌市為例，運用“源-匯”理論，借助GIS空間分析技術(shù)，以最小累積阻力模型構(gòu)建城市綠色廊道系統(tǒng)。在構(gòu)建的廊道基礎上以引力模型進行廊道系統(tǒng)優(yōu)化，分析確定城市綠色廊道建設尺度并進行生態(tài)連通度安全評價，從而規(guī)劃科學可行的南昌市綠色廊道系統(tǒng)。研究結(jié)果可以為其他城市及區(qū)域生態(tài)規(guī)劃建設的實際操作提供參考。

1 研究區(qū)概況

南昌市地處江西中部偏北，贛江與撫河下游，鄱陽-湖西南岸，東經(jīng)115°27′～116°35′、北緯28°10′～29°11′之間。梅嶺國家級森林公園主峰為全境最高點，海拔841.4m。地形以鄱陽湖平原為主，東北因瀕臨鄱陽湖，地勢較平坦，西南則多丘陵，河流湖泊豐富，水域面積達2 204.37km2，占市域面積29.78%。南昌市西含梅嶺，東臨鄱陽湖，域內(nèi)有贛江、撫河等主要河流，植被豐富，湖泊眾多，形成“西山東水”的基本景觀格局。市域內(nèi)現(xiàn)有綠色廊道較為單一，主要為農(nóng)田或道路防護林帶、河流水系防護綠地等形式，如新建區(qū)象山鎮(zhèn)新增圩農(nóng)田防護林、環(huán)城快速路綠帶、贛江沿岸景觀綠地等，起到了防風固土、改善城鄉(xiāng)小氣候、豐富生物多樣性的作用。但綠色廊道數(shù)量、長寬度、連續(xù)性都顯不足，分布也十分有限，尚未形成協(xié)同維護城市生態(tài)安全的綠色廊道系統(tǒng)。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究以南昌市域全境為研究對象，基于30m空間分辨率的2017年6月Landsat-8衛(wèi)星遙感影像為主要數(shù)據(jù)源；江西省自然資源廳《土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)》(2017DLTB市級縮編)、30m分辨率的南昌市域DEM數(shù)據(jù)以及南昌市總體規(guī)劃(2005—2020)、南昌市城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃修編(2015—2020)數(shù)據(jù)。相關數(shù)據(jù)還取自南昌市統(tǒng)計局、水利局、林業(yè)局、園林局等。

2.2 綠色廊道系統(tǒng)構(gòu)建

2.2.1 源的確定與景觀重分類

“源-匯”是構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局的有效途徑，對城市綠色廊道規(guī)劃具有基礎作用。從景觀生態(tài)學角度，源是維護和促進生態(tài)要素和過程、有利于物種多樣性發(fā)展的生境。匯則是阻止和擬制生態(tài)要素和過程的類型。對促進物種、能量、信息等生物多樣性擴展，改善城市生態(tài)環(huán)境的用地來說，發(fā)育良好的林地、草地、濕地、田地、水體景觀類型，起到了“源”的作用，對阻止物種、能量、信息等生物多樣性擴展，制約生態(tài)發(fā)展的城鎮(zhèn)居民點、道路交通、坡度、高程等，則起到了“匯”的作用。

依據(jù)南昌市衛(wèi)星遙感影像及土地景觀類型現(xiàn)狀圖，并根據(jù)自然資源分布及物種多樣性豐富程度，本文在市域內(nèi)國家級自然保護區(qū)、森林公園、濕地公園、城市綠地等重要生境中選取10個動植物種族群落完整的區(qū)域作為“源”斑塊(圖1)，分別是1梅嶺、2八角嶺、3象山、4葛家山、5龍頭山、6麻山、7洪背壟、8艾溪湖公園、9象湖公園、10黃家湖。源斑塊面積共366.5km2(表1)，約占南昌市域總面積(7 400km2)的5%。

2.2.2 構(gòu)建景觀阻力面形成綠色廊道

生物物種、能量、信息的流通與交換需要克服土地景觀類型造成的阻力才能得以實現(xiàn)，但這種阻力呈現(xiàn)顯著的非均一性。景觀類型、土地地形是影響景觀阻力的主要因素，其差異導致景觀阻力在空間分布上的巨大變化。最小累積阻力模型表明生態(tài)流在“源”地之間流通所應付出的最小代價和路徑，由Knaapen提出[27]并經(jīng)俞孔堅等人優(yōu)化得到。ArcGIS軟件中的成本路徑工具的算法原理是基于最小累積阻力模型。公式如下：

圖1 南昌市土地利用現(xiàn)狀分類(2017)及源斑塊分布

圖2 土地利用阻力值分析

圖3 高程阻力值分析

圖4 坡度阻力值分析

圖5 綜合阻力值分布

圖6 南昌市綠色廊道系統(tǒng)

圖7 完整廊道系統(tǒng)

圖8 優(yōu)化廊道系統(tǒng)

圖9 對比廊道系統(tǒng)

式中，MCR表示生態(tài)源地斑塊間生態(tài)流動的最小累計阻力值；Dij及表示源斑塊i、j之間的空間距離；Ri表示斑塊i、j之間生態(tài)流動需克服景觀類型的阻力值；n、m表示兩景觀斑塊各自的數(shù)目。

景觀類型劃分、阻力賦值與綠地斑塊選擇的合理性影響到綠色廊道空間分布。為簡化數(shù)據(jù)分析過程，研究對2017DLTB市級縮編中土地景觀類型進行重分類。借鑒前人的研究成果[28]及結(jié)合南昌市特點，將土地景觀類型劃分為林地、耕地、草地、水體、建設用地、道路用地6類，并結(jié)合地形坡度、高程等2個方面，共同構(gòu)成阻力類型。為了便于不同類型阻力因素的比較和統(tǒng)一計算，對各類景觀進行標準化處理，采用1～100 的分值，以此得到各類景觀阻力值(表2)。

選用土地利用類型、高程、坡度3個方面作為生態(tài)擴張阻力的影響類型，并以它們在影響的重要程度方面確定不同權(quán)重，分別為：土地利用0.7、高程0.2、坡度0.1。借助ArcGIS軟件，通過多次模擬阻力面，最終確定南昌市土地利用類型、高程、坡度的阻力值分析結(jié)果(圖2～4)。在ArcGIS中運用Raster Calculate工具進行計算，取得符合實際的擬合結(jié)果(圖5)。

通過該模型得到南昌市生態(tài)功能的潛在廊道結(jié)構(gòu)，10個綠地源斑塊可生成共45條廊道。得到一個累積景觀阻力最小的南昌市綠色廊道系統(tǒng)(圖6)。

2.2.3 吸引力模型辨識重要綠色廊道

生成的南昌市綠色廊道系統(tǒng)具備了理論意義上最充分完整的生物流通線路(圖7)。但由于廊道數(shù)量過于龐大，并且各條綠色廊道在整個城市生態(tài)網(wǎng)絡系統(tǒng)中的地位和作用是有差異的，因此既可行又有必要進一步的選擇、提煉與優(yōu)化。

物理學中的萬有引力定律，表明自然界中任何兩物體間引力與質(zhì)量成正比，與距離成反比。該定律可借鑒用于度量和判斷生態(tài)源斑塊之間的相互作用力強度和綠色廊道的相對重要性，為優(yōu)化綠色廊道系統(tǒng)提供依據(jù)。本文將重力模型進行改進，將物體質(zhì)量用生態(tài)源斑塊面積代替，即以面積的標準化值作為其權(quán)重值。得到綠色廊道吸引力模型：

表1 各類源斑塊面積

表2 不同景觀類型與地形因子級別的阻力值

表3 基于重力模型計算的斑塊間的相互作用矩陣

式中，Gab指源斑塊a與b之間的相互作用力，Na與Nb指源斑塊a與b的權(quán)重值，Dab指源斑塊a中心與源b中心間的空間路徑距離。得到各源斑塊間綠色廊道相互作用強度值(表3)。

在南昌市完整綠色廊道的基礎上，選取吸引力大于1.0的路徑，構(gòu)建出一個由21條廊道構(gòu)成的優(yōu)化綠色廊道系統(tǒng)(圖8)。該系統(tǒng)中廊道數(shù)量依然較多，且分布極為不均衡。作為對比，再去掉吸引力相對較小的廊道，保留吸引力大的主干廊道，但保留主城區(qū)的2條廊道，連接構(gòu)建對比綠色廊道系統(tǒng)(圖9)。

2.3 生態(tài)安全評價

2.3.1 綠色廊道安全寬度

城市廊道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的確定，但也只是缺乏尺度的概念系統(tǒng)。雖然廊道長度隨構(gòu)建路徑的生成而確定，但是卻沒有寬度。只有具備寬度的綠色廊道才能進行實際建設，并發(fā)揮其生態(tài)功能，維護物種多樣性，確保城市生態(tài)安全。綠色廊道寬度的變化，其內(nèi)部景觀生態(tài)異質(zhì)性、生物多樣性、生態(tài)安全性也隨之變化[29]。根據(jù)前文分析結(jié)果，選擇以優(yōu)化的綠色廊道系統(tǒng)為基礎，以50、100、200、500、1 500m為廊道寬度，借助ArcGIS中的緩沖區(qū)分析及疊加運算等過程，分別得到的各緩沖帶內(nèi)林地、草地、耕地、水體、建設用地、道路的景觀利用構(gòu)成的面積比例數(shù)據(jù)(表4)和相對變化比例圖(圖10)。

通過表格數(shù)據(jù)結(jié)果表明：對于南昌市，一定范圍內(nèi)隨著廊道建設寬度的變化，已構(gòu)建的廊道系統(tǒng)占用道路、草地、建設用地的比例基本保持在3%以內(nèi)的，占用水體比例也在10%左右，基本保持穩(wěn)定狀態(tài)(該結(jié)果也印證本文規(guī)劃綠色廊道的合理性)。林地、耕地是構(gòu)建的綠色廊道系統(tǒng)主要用地類型，在廊道寬度大于100m及以上時，耕地超過林地成為綠色廊道的最主要的用地類型，并逐漸增加占比。由于占用耕地(農(nóng)田)面積的迅速增加，一方面降低了綠色廊道的整體質(zhì)量，另一方面明顯增加了綠色廊道的建設成本，因此，南昌市適于修建100m以內(nèi)的廊道。

2.3.2 生態(tài)連通度安全評價

建設合理尺度的城市綠色廊道系統(tǒng)是以土地使用成本分析為依據(jù)，但僅僅依此確定城市綠色廊道規(guī)劃和建設還是不夠的。綠色廊道與所有源斑塊的連接程度稱作連接度，是廊道系統(tǒng)維護生態(tài)安全程度、有效和復雜程度的一個重要指標。因此，選擇生態(tài)連接度作為綠色廊道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與性能的安全分析評價指標。在一眾評價指標中，為了簡化評價過程，僅選擇常用的連接度指數(shù)(閉合度α、點線率β、連接度γ)和成本比指數(shù)CR(Cost Ration)。

L表示系統(tǒng)中的綠色廊道總數(shù)，V表示源斑塊數(shù)量，d表示廊道長度。成本比指數(shù)用來量化綠色廊道系統(tǒng)的建設成本，度量實際廊道的建設可行性與實踐性。利用α指數(shù)、β指數(shù)、γ指數(shù)和成本比指數(shù)分析廊道系統(tǒng)的連接度、連通效率和生態(tài)安全。

從上表數(shù)據(jù)可知，由45條廊道構(gòu)成的完整綠色廊道系統(tǒng)，α指數(shù)、β指數(shù)、γ指數(shù)均處于理想狀態(tài)，連通度最佳、復雜程度最高，是南昌市綠色源斑塊之間生物流最充分最有利的系統(tǒng)。但該系統(tǒng)數(shù)量大，占用最多的生態(tài)用地尤其是耕地，建設成本高。對比綠色廊道建設成本比最低，且具備相對連通性。但系統(tǒng)中回路數(shù)量非常有限，景觀流動性最差，尤其是城市建成區(qū)。相對而言，優(yōu)化綠色廊道的各項指標數(shù)據(jù)較高，成本比適中，形成較充分的系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，有利于生態(tài)物質(zhì)能量和信息的有效流通。因此，綠色廊道系統(tǒng)以完整綠色廊道系統(tǒng)優(yōu)于對比綠色廊道系統(tǒng)，優(yōu)化生態(tài)廊道系統(tǒng)為最佳建設選項。

圖10 不同廊道寬度的用地比例變化

表4 不同廊道寬度內(nèi)景觀利用率(單位：%)

表5 綠色廊道系統(tǒng)生態(tài)安全指標數(shù)據(jù)

綜上分析，在綠色廊道寬度基礎上，結(jié)果認為構(gòu)建的南昌市綠地廊道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，是維護南昌城市生態(tài)安全的有效途徑。

3 結(jié)論與討論

文章以南昌市為例，在土地景觀類型分析基礎上，“源-匯”理論可以科學判定對生態(tài)過程有關鍵作用的生境要素，運用最小累積阻力模型和改進的吸引力模型識別潛在綠色廊道并進行合理優(yōu)化，分析確定的100m廊道寬度為南昌城市生態(tài)安全建設提供了實際的、可行的理論與尺度數(shù)據(jù)支持。通過對其進行生態(tài)安全評價數(shù)據(jù)表明，規(guī)劃的綠色廊道系統(tǒng)維護城市生態(tài)安全是合理和有效的。需注意的是，綠色廊道構(gòu)建與生態(tài)安全維持是基于關鍵“源”斑塊和整體生境的品質(zhì)，尤其是城區(qū)及城郊，對城市生態(tài)安全意義更顯著，而這些生境也因城市發(fā)展正面臨最直接的侵蝕與破壞，因此須對其進行重點關注、修復或保護。

研究中還存在一些局限。首先，在對基礎數(shù)據(jù)分析整理中，僅選擇較大面積的林地斑塊，類型單一，數(shù)量較少，其代表性尚顯不足，應增加“源”地數(shù)量、豐富“源”地類型(如濕地等)，有利于城市綠色廊道系統(tǒng)規(guī)劃的合理性。其二是景觀利用類型過于概括，缺乏對相近景觀類型差異的進一步細化。如水體的阻力賦值并沒有體現(xiàn)各類水體的差異，水體中坑塘、水溝、濕地、湖泊、江河等對生物流動阻力的差異，應進一步區(qū)別。三是主城區(qū)的綠色廊道不完善。由于建設用地的景觀阻力最大，生物遷移的成本高，使得規(guī)劃生成綠色廊道幾乎回避了整個建成城區(qū)。這對于維護和提升主城區(qū)生態(tài)安全極其不利。因此，加強中心城區(qū)綠色廊道建設投入，應成為補充優(yōu)化建設綠色廊道的重點，一方面應進行主城區(qū)生態(tài)源地的修復建設和生態(tài)品質(zhì)提升；另一方面在規(guī)劃過程中，對用地類型和阻力再細分，并形成獨立的、不同于主城區(qū)外范圍標準的綠色廊道系統(tǒng)，從而改善城區(qū)人居生態(tài)環(huán)境。這些都會在后續(xù)的研究中進一步細化和深化。

注：文中圖片均由作者繪制。