基于粒度反推法的昌江縣景觀格局優(yōu)化

陳 怡，陸 禹

(國家林業(yè)和草原局中南調查規(guī)劃設計院，長沙 410014)

生態(tài)環(huán)境是人與自然共同作用的結果[1]，不同的景觀斑塊組成了異質的景觀格局[2]。景觀生態(tài)學認為，不同的景觀類型對生態(tài)過程有不同的影響機制[3-4]，合理的景觀格局是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎[5]。景觀格局通過關鍵局部控制生態(tài)過程，從而促進區(qū)域協(xié)調可持續(xù)發(fā)展[6]。利用最小累積阻力(minimal cumulative resistance，簡稱MCR)模型[7-8]通過分析生態(tài)關鍵局部的空間結構[9-10]，進而構建生態(tài)網絡，是實現(xiàn)景觀格局優(yōu)化的主要方法之一。目前對生態(tài)網絡的研究集中在整體資源整合優(yōu)化上[11]，對于組成元素的特征結構研究較少。優(yōu)化的準確性基于生態(tài)源地選擇的合理性，粒度反推法[8，12]從景觀格局現(xiàn)狀出發(fā)，反推最佳生態(tài)源地空間結構的思路具有啟發(fā)意義，為科學選擇生態(tài)源地提供了基礎。同時生態(tài)節(jié)點對于提升生態(tài)結構和強化生態(tài)廊道有關鍵作用，是生態(tài)網絡構建的重要組成內容，在優(yōu)化中應加以重視。

昌江縣生態(tài)旅游資源豐富，是海南西部旅游發(fā)展的中心，目前正以“山海黎鄉(xiāng)大花園”為目標建設森林城市，生態(tài)環(huán)境質量對其發(fā)展至關重要[13]。在開展建設的同時不可避免對生態(tài)環(huán)境產生破壞，加之旅游人數(shù)的與日俱增，當?shù)爻霈F(xiàn)了水土流失、植被退化、局部環(huán)境質量低的現(xiàn)象[14]，如何取得經濟社會和生態(tài)雙贏是昌江縣急需解決的關鍵問題。本研究采用空間網絡分析、粒度反推法和主成分分析等方法對昌江縣進行景觀格局優(yōu)化研究，旨在探索主要的生態(tài)結構，明確重要的生態(tài)節(jié)點，提出科學的優(yōu)化措施，以促進昌江縣生態(tài)和經濟協(xié)調發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

昌江縣是海南省西部沿?？h城， 108°38′—109°17E，18°53′—19°30′N，總面積161 952 hm2，北、東、南面分別與儋州市、白沙縣、樂東縣、東方市接壤，土地利用類型以耕地和林地為主，分別占總面積的26.19%和65.27%。西北部多為平原，東南部以丘陵為主，海拔由沿海向內陸抬升；熱帶季風氣候，全年無冬，年均氣溫24℃，年均降雨量1 600 mm，昌化江自東南向西北沿南緣入海，水源充足，土地肥沃，具有發(fā)展熱帶高效農業(yè)的優(yōu)良條件。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

以昌江縣2019年多規(guī)合一數(shù)據(jù)、林地變更數(shù)據(jù)、DEM數(shù)字高程模型，以及2018年遙感影像為研究基礎，在大地2000坐標系中配準各類數(shù)據(jù)，將景觀類型分為林地、園地、耕地、草地、水域、未利用地和建設用地7種類型[11-12，15]，通過實地調查校對調整景觀類型數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 景觀格局優(yōu)化方法

基于MCR模型的景觀格局優(yōu)化通過構建生態(tài)網絡實現(xiàn)，主要包括四個步驟：

1)生態(tài)源地的提取。生態(tài)源地由生態(tài)服務功能較高的景觀類型組成[8，15]，本研究選擇林地、水域和草地。利用粒度反推法和主成分分析法確定生態(tài)源地的空間位置，首先從分析的連續(xù)性出發(fā)，以50 m為間隔尺度，形成16個50～800 m不同研究尺度的昌江縣生態(tài)景觀組分結構；然后從整體性和連通性兩方面選取組分數(shù)、最大組分斑塊數(shù)、連接度、分離度、聚合度、鄰接比率、平均臨近距離、內聚力、連接度增加百分率等9個測定指標來分析景觀組分結構，其中組分數(shù)用于判斷生態(tài)源地的數(shù)量，其他指標判斷景觀組分結構的穩(wěn)定性，利用主成分分析計算各景觀組分結構的整體得分，確定最優(yōu)景觀組分結構；進而根據(jù)最優(yōu)景觀組分的空間位置選擇相連或相隔很近的林地、水域、草地組成生態(tài)源地。

2)生態(tài)阻力面的構建。參考相關研究[10]，以景觀類型的單位面積生態(tài)服務價值為標準，利用空間分析和地統(tǒng)計分析，從顯性和隱性生態(tài)阻力兩方面構建生態(tài)阻力面[10]，景觀類型阻力值[8]參照見表1。同時以空間主成分分析法，基于顯性和隱性生態(tài)阻力面構建綜合生態(tài)阻力面，根據(jù)DEM計算坡度，對生態(tài)阻力值進行修正。

表1 景觀類型的生態(tài)阻力值景觀類型單位面積生態(tài)服務價值(元/hm2·a)生態(tài)阻力值林地19334.020園地12870.345耕地6114.355草地6406.570水域40676.41未利用地371.480建設用地-8852.1100

3)生態(tài)廊道的計算。利用MCR模型分析各生態(tài)源地之間的最小累積阻力路徑，即為生態(tài)廊道的空間位置。

4)生態(tài)節(jié)點的確定。以修正后的生態(tài)阻力為高程模型，利用ArcGIS空間分析模塊計算生態(tài)阻力的最大路徑，與生態(tài)廊道的交叉點為生態(tài)節(jié)點。網絡分析能基于空間拓撲關系、跨度以及網絡內在聯(lián)系[16]等進行空間狀態(tài)分析，在充分考慮生態(tài)系統(tǒng)連接度和生態(tài)廊道空間位置的條件下，利用網絡分析產生每個生態(tài)節(jié)點的服務范圍，以得到生態(tài)節(jié)點的面積和形狀。

2.2.2 粒度反推法

粒度反推法是基于反推思想，從規(guī)模方面利用不同尺度的柵格模擬生態(tài)系統(tǒng)中的景觀類型，通過景觀測定指標確定目標特征的最優(yōu)空間結構，進而選取興趣區(qū)域的一種方法[10]。其思想基于生態(tài)學，認為結構連接性良好、規(guī)模較大的生態(tài)系統(tǒng)更穩(wěn)定。目前該方法主要應用在生態(tài)源地分析提取、自然保護地整合優(yōu)化、動植物保護等方面。在生態(tài)源地提取中，粒度反推法利用不同尺度的柵格，反映生態(tài)系統(tǒng)主要組成結構的變化，從生態(tài)系統(tǒng)規(guī)模和穩(wěn)定性的角度分析確定生態(tài)源地潛在位置，配合主成分分析等方法，實現(xiàn)生態(tài)源地的客觀提取。

3 結果與分析

3.1 生態(tài)源地

提取昌江縣的林地、水域和草地景觀，生成50～800 m 16個不同粒度的景觀組分結構，并在Fragstats中計算景觀組分結構的景觀格局指數(shù)，結果見表2。

先對測定指標進行標準化處理。分離度和平均臨近距離與其他景觀格局指數(shù)的指向結果相反，取相反數(shù)進行分析。以累積貢獻率大于80%為標準，共提取2個主成分(表3)。主成分1中連接度、最大組分斑塊數(shù)、聚合度、內聚力、鄰接比率和平均臨近距離荷載較高，反映了景觀組分結構的集聚性，為集聚性指標；主成分2中連通性增加百分率和分離度指標荷載較高，反映了景觀組分結構隨粒度變化表現(xiàn)出的整體分離狀態(tài)，為分離性指標。

利用荷載系數(shù)除以特征值的平方根，計算主成分的特征向量，其與標準化數(shù)據(jù)矩陣相乘得到主成分表達式：

Z1=0.350X1-0.384X2+0.245X3+0.446X4+

0.348X5-0.153X6+0.448X7-0.354X8

(1)

Z2=0.051X1+0.223X2+0.512X3-0.061X4+

0.431X5+0.687X6-0.054X7+0.148X8

(2)

將數(shù)據(jù)代入(1)式和(2)式，得到測定指標在主成分上的得分，與相應主成分的方差貢獻率相乘計算各粒度的景觀組分結構的整體連通性得分(圖1)。粒度的增加逐漸簡化生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，面積較小的零星斑塊逐漸融入較大組分或被剔除，增加了組分之間的距離，因此隨粒度的增加景觀組分的整體連通性得分呈現(xiàn)總體下降趨勢。得分在下降的過程中存在趨勢突然改變的情況，表明景觀組分達到適宜的結構，即達到了生態(tài)系統(tǒng)的極簡形態(tài)，又保留了必要的關鍵組成部分。昌江縣的景觀組分結構在600 m粒度時得分明顯高于兩側粒度得分，說明該粒度的景觀組分結構最優(yōu)。

參照600 m粒度的景觀組分結構，從景觀格局現(xiàn)狀提取生態(tài)景觀斑塊形成景觀組分，并根據(jù)景觀組分的空間連接特征確定生態(tài)斑塊的增加位置，轉換地類以形成生態(tài)源地。600 m粒度的景觀組分結構存在組分數(shù)23，表明生態(tài)系統(tǒng)存在23個生態(tài)源地，其中9個在現(xiàn)狀中為彼此相連的昌化江景觀組分，合并形成1個生態(tài)源地，最終得到14個生態(tài)源地(圖2)。根據(jù)景觀組分的空間連接特征，共21塊非生態(tài)景觀斑塊需轉換成生態(tài)斑塊，以保證生態(tài)源地的完整性和生態(tài)功能發(fā)揮，其中17個耕地斑塊，面積12.90 hm2；未利用地斑塊1個，面積0.04 hm2；建設用地斑塊3個，面積1.65 hm2。

圖2 生態(tài)源地空間分布

昌江縣西北部和東南部的生態(tài)源地規(guī)模較大，中部規(guī)模較小，這與地形地貌基本吻合。中部平原居多，海拔在200 m以內，平坦的地形有利于農業(yè)發(fā)展，耕地分布范圍大。耕地的經濟效益較高，是糧食生產的安全保障，人為干擾強烈，該區(qū)域的生態(tài)斑塊遭到耕地蠶食并在空間上被隔斷，規(guī)模小、數(shù)量多，難以形成大規(guī)模的生態(tài)源地。昌江縣東南部為霸王嶺國家森林公園，中北部為保梅嶺自然保護區(qū)，地形起伏大，用地開發(fā)受到限制，生態(tài)系統(tǒng)保持完好，森林景觀相互連接，組成了最大的生態(tài)源地。昌江縣西北沿海主要為低矮丘陵，海拔400 m左右，包括昌化林場和大面積的國有防護林、后備土地資源，植被以混交林、灌木林和桉樹為主，多連接成片形成生態(tài)源地。

昌江縣生態(tài)源地總面積為104 759.57 hm2，占陸地面積的64.69%，生態(tài)景觀數(shù)量多，可作為海南西部的生態(tài)核心發(fā)揮生態(tài)服務功能。最大生態(tài)源地的面積為79 954.34 hm2，以天然混交林為主，生態(tài)服務功能價值高，應重點保護；最小生態(tài)源地的面積為162.44 hm2，位于老洋地村和唐村交界處，植被為橡膠林，生態(tài)源地的邊緣較規(guī)整，說明受規(guī)劃影響較深，人為干擾強烈。生態(tài)源地規(guī)模的差異反映出生態(tài)演替機制的不同，在生態(tài)建設中應差別對待。

3.2 生態(tài)阻力面

計算任意空間位置到生態(tài)源地的顯性生態(tài)阻力和隱性生態(tài)阻力，利用空間主成分分析進行疊加，對比預測模型的擬合程度，選擇J-Bessel模型進行模擬預測，形成綜合生態(tài)阻力面，擬合優(yōu)度為0.7642。利用坡度修正系數(shù)對綜合生態(tài)阻力面進行修正(圖3)。通過對比顯性生態(tài)阻力和隱性生態(tài)阻力的差異局部，得出生態(tài)陷阱的位置，包括叉河鎮(zhèn)的大阪田、烏烈鎮(zhèn)的峨溝村、石碌鎮(zhèn)的山竹溝村和牙營村、七叉鎮(zhèn)的燕窩嶺等，這些區(qū)域多為被耕地包圍的林地或礦區(qū)，林地斑塊面積小、破碎化程度高，難以維系自身生態(tài)系統(tǒng)的良性發(fā)展，是生態(tài)建設中需要重點建設但又容易被忽略的區(qū)域。

圖3 阻力面的構建

3.3 生態(tài)廊道

昌江縣有生態(tài)廊道32條(圖4)，主要分布在中部平原地區(qū)，總長度51 644 m。中部的生態(tài)廊道較長，四周的較短，說明中部地區(qū)受人為干擾強烈，生態(tài)景觀組分相隔較遠。根據(jù)景觀基質將生態(tài)廊道分為381段，其中：耕地生態(tài)廊道25 235 m、林地生態(tài)廊道19 476 m、水域生態(tài)廊道6 228 m、建設用地生態(tài)廊道614 m、園地生態(tài)廊道88 m。耕地生態(tài)廊道和林地生態(tài)廊道是將昌江縣生態(tài)系統(tǒng)連接成整體的主體，分別占生態(tài)廊道長度的48.86%和37.71%，耕地是阻隔生態(tài)過程的主要因素。

耕地是農業(yè)生產的主要載體，農藥化肥使用較多，耕地生態(tài)廊道的主要作用是防止農業(yè)污染影響生態(tài)過程，應加寬生態(tài)廊道的寬度，形成緩沖帶，并以抗農藥化肥污染強的植物進行建設。林地生態(tài)服務功能較高，與生態(tài)源地功能相似，應從林地的垂直和水平空間結構出發(fā)加強建設，提升生態(tài)穩(wěn)定性。

圖4 生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點的空間分布

3.4 生態(tài)節(jié)點

昌江縣有生態(tài)節(jié)點29個(圖4)，其中11個位于林地、15個位于耕地、3個位于水域。從生態(tài)節(jié)點的布局來看，可將中部地區(qū)分為三條東西向帶狀區(qū)域，耕地生態(tài)節(jié)點位于北部和南部帶狀區(qū)域，林地和水域生態(tài)節(jié)點位于中部帶狀區(qū)域。為滿足生產生活的需要，中部帶狀區(qū)域建有白馬山水庫等大面積水域，以及石碌河等河流流經區(qū)域，沿河分布有保平林場，林地和水域生態(tài)節(jié)點主要分布于此。

生態(tài)節(jié)點能有效提高生態(tài)系統(tǒng)的整體性和生態(tài)廊道的穩(wěn)定性，采用粒度反推法分析存在生態(tài)節(jié)點時生態(tài)系統(tǒng)的連接度，進而確定生態(tài)節(jié)點的合適尺度(圖5)，得到350 m粒度時景觀組分連接度最強，可參考該尺度建設生態(tài)節(jié)點。

利用網絡分析根據(jù)生態(tài)節(jié)點的合適尺度、空間位置、生態(tài)廊道的走勢計算生態(tài)節(jié)點的規(guī)模和形狀(圖6)，共形成生態(tài)節(jié)點范圍29個，總面積201.49 hm2，其中最大面積20.71hm2，最小面積5.21 hm2。

圖5 連接度分析

圖6 生態(tài)節(jié)點的空間形態(tài)

4 結論與建議

4.1 結論

1)利用粒度反推法和主成分分析，從整體連通性的角度計算得出600 m粒度的生態(tài)景觀組分是昌江縣的最優(yōu)景觀組分結構，昌江縣有生態(tài)源地14個，中部地區(qū)數(shù)量多、規(guī)模小，東南部和西北沿海數(shù)量少、規(guī)模大，源地規(guī)模的差異反映出生態(tài)演替機制的不同。生態(tài)源地的分布特征與人為干擾存在明顯的相關性，地形地貌是影響其空間分布的主要因素。昌江縣需將21塊非生態(tài)景觀斑塊轉換為生態(tài)景觀，總面積14.59 hm2，以連接生態(tài)景觀組分形成生態(tài)源地。

2)結合顯性和隱性生態(tài)阻力，及地形地貌構建了綜合生態(tài)阻力面，顯性和隱性生態(tài)阻力的差異指明了生態(tài)系統(tǒng)中存在的脆弱點，能有效指導生態(tài)建設。

3)昌江縣有生態(tài)廊道32條，長度51 644 m，以耕地和林地生態(tài)廊道為主，不同基質的生態(tài)廊道功能和建設措施不同；有生態(tài)節(jié)點29個，空間位置主要受景觀類型和人為干擾的影響。研究從生態(tài)系統(tǒng)連接度和生態(tài)廊道走勢的角度，采用網絡分析計算了生態(tài)節(jié)點的空間形態(tài)，既能提高生態(tài)系統(tǒng)的連接度，又能保護生態(tài)廊道的穩(wěn)定性。昌江縣生態(tài)節(jié)點的合適建設尺度為350 m，共形成29個生態(tài)節(jié)點區(qū)域，總面積201.49 hm2。

4.2 建議

1)昌江縣生態(tài)源地在中部地區(qū)數(shù)量多、規(guī)模小，呈現(xiàn)破碎化，同時生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點也集中在此區(qū)域，這與中部地區(qū)的農業(yè)發(fā)展建設息息相關。為實現(xiàn)區(qū)域協(xié)調可持續(xù)發(fā)展，在發(fā)展生產的同時應重視生態(tài)環(huán)境建設，著力加強中部區(qū)域生態(tài)源地的保護和管理，做好生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點的建設，實施區(qū)別化空間管制，采取限制人類活動、設置緩沖帶等措施保護生態(tài)網絡。

2)根據(jù)生態(tài)阻力面顯示的生態(tài)脆弱點，主要為叉河鎮(zhèn)的大阪田、烏烈鎮(zhèn)的峨溝村、石碌鎮(zhèn)的山竹溝村和牙營村、七叉鎮(zhèn)的燕窩嶺等被耕地包圍的林地或礦區(qū)，這些區(qū)域是生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)陷阱，應加強生態(tài)建設防治生態(tài)退化。一是要加強該區(qū)域生態(tài)監(jiān)測和管理，確保植被不退化、不遭到人為破壞；二是要降低周邊區(qū)域人為干擾，通過生態(tài)建設擴大區(qū)域內生態(tài)景觀斑塊的規(guī)模；三是嚴格管理礦區(qū)生產，及時做好污染防范措施和實施生態(tài)恢復。

3)根據(jù)生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點的類型進行生態(tài)網絡建設，建設采取的方式與措施應和生態(tài)廊道、生態(tài)節(jié)點相適應。生態(tài)廊道中水域生態(tài)廊道和耕地生態(tài)廊道較多，水域生態(tài)廊道可結合美麗鄉(xiāng)村做好生態(tài)建設，兼顧景觀價值，促進昌江縣全域旅游發(fā)展；耕地生態(tài)廊道周邊應盡量減少農藥、化肥的使用，降低污染風險。生態(tài)節(jié)點對強化生態(tài)系統(tǒng)意義重大，同時對區(qū)域協(xié)調發(fā)展價值明顯，應切實做好規(guī)劃，與城鄉(xiāng)空間規(guī)劃對接，在發(fā)揮生態(tài)節(jié)點生態(tài)保護價值的同時，將其規(guī)劃成各類城市、鄉(xiāng)村生態(tài)公園，發(fā)揮生態(tài)和社會效益。