城市化背景下中小城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建
——以大連市普蘭店區(qū)為例

王 耕 劉一江 石永輝

(遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,遼寧 大連 116000)

0 引 言

隨著人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,城市化進(jìn)程不斷加快,造成了區(qū)域環(huán)境被破壞、生態(tài)用地流失和斑塊連接度下降等問題,從而導(dǎo)致生態(tài)服務(wù)功能下降,危害城市安全[1],城市景觀出現(xiàn)“高度破碎化”的特征[2-3].為了應(yīng)對城市化發(fā)展進(jìn)程中面臨的各種難題,我國著名生態(tài)學(xué)家馬世駿和王如松[4]倡導(dǎo)運(yùn)用生態(tài)學(xué)原理來解析和重構(gòu)城市生態(tài)系統(tǒng),用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)將“破碎化”的城市景觀重新聯(lián)系起來,促進(jìn)城市內(nèi)物質(zhì)與能量的流動,恢復(fù)并增強(qiáng)城市生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能,保護(hù)生物多樣性.因此,構(gòu)建有效的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)和生態(tài)格局被認(rèn)為是應(yīng)對城市化過程中產(chǎn)生的景觀破碎化的有效措施[5-7].

2012年,黨的十八大提出了生態(tài)文明的概念,強(qiáng)調(diào)把生態(tài)文明建設(shè)放在突出地位.在生態(tài)文明理念引導(dǎo)下,住房城鄉(xiāng)建設(shè)部和原環(huán)境保護(hù)部于2016年12月發(fā)布了《全國城市生態(tài)保護(hù)與建設(shè)規(guī)劃》,強(qiáng)調(diào)完善城市綠色生態(tài)網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建城市生物棲息地網(wǎng)絡(luò)體系.2018年,第十三屆全國人民代表大會更是將“生態(tài)文明建設(shè)”寫進(jìn)憲法.在這樣的大背景下,加大生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度,實(shí)施重要生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)重大工程,優(yōu)化生態(tài)安全屏障體系,構(gòu)建生態(tài)廊道和生物多樣性保護(hù)網(wǎng)絡(luò),提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性成為目前生態(tài)保護(hù)工作的重心.

近年來,景觀規(guī)劃的生態(tài)學(xué)方法以及生態(tài)網(wǎng)絡(luò)和綠道的概念受到越來越多的關(guān)注[8].在歐美國家,盡管也面臨著生態(tài)環(huán)境破碎化、生物多樣性喪失等生態(tài)問題,但是這些問題并不迫切,研究熱度并不高.而且歐洲與北美國家對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究也存在差異:歐洲生態(tài)學(xué)家主要研究生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建對已經(jīng)高度開發(fā)的城市中心的生態(tài)效應(yīng),通過構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)來探索如何降低城市化和農(nóng)業(yè)活動對生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響[9];而以美國為代表的北美學(xué)派更傾向于研究在未被開墾利用的荒地、自然保護(hù)區(qū)以及國家公園等之間進(jìn)行的綠道網(wǎng)絡(luò)建設(shè)[10].國內(nèi)從20世紀(jì)90年代以來,許多學(xué)者從不同尺度不同方面相繼對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建展開研究,例如孔繁花和尹海偉[11]、傅強(qiáng)等[12]、古璠等[13]和史娜娜等[14]分別對城市綠地、城市濕地、省級自然保護(hù)區(qū)以及省級保護(hù)地進(jìn)行了分析與研究,分別構(gòu)建了相應(yīng)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)以保護(hù)生態(tài)環(huán)境.其中,城市作為人類活動最劇烈、地表改動最強(qiáng)烈的景觀單元,生態(tài)問題尤為突出,其生態(tài)網(wǎng)絡(luò)及生態(tài)格局的構(gòu)建更是受到廣泛關(guān)注:胡炳旭等[15]、陳小平和陳文波[16]、劉興坡等[17]和陳竹安等[18]分別從城市群尺度、經(jīng)濟(jì)區(qū)尺度、市域尺度及縣域尺度對城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建進(jìn)行了研究與嘗試.由此可見,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建已經(jīng)應(yīng)用相當(dāng)廣泛,而隨著我國城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展,城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建在相當(dāng)長的時期內(nèi)仍是研究的重點(diǎn).

現(xiàn)階段沿海地區(qū)的城市化進(jìn)程依然迅速,許多地區(qū)進(jìn)入了城市化發(fā)展的新階段,中小城市得到快速發(fā)展,景觀破碎化趨勢日趨嚴(yán)重.本研究在前人研究的基礎(chǔ)上,以大連市普蘭店區(qū)為例,研究在沿海地區(qū)快速城市化的背景下,如何通過構(gòu)建健康良好的城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò),保持經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展,保證城市的可持續(xù)發(fā)展.本研究從統(tǒng)籌全局優(yōu)化的角度出發(fā),利用最小累積阻力模型(minimal cumulative resistance model,MCR),構(gòu)建了大連市普蘭店區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局,以期為遼寧省海岸城市帶地區(qū)中小城市的健康發(fā)展提供借鑒,為城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)積累一些經(jīng)驗(yàn).

1 研究區(qū)概況

大連是我國典型的濱海城市,身處遼東半島,三面環(huán)海.近年來由于城市化的快速發(fā)展,大連面臨著主城區(qū)發(fā)展空間飽和的限制,“人多地少”的矛盾日益突出.為了緩解用地緊張的狀況,大連市一邊填海造陸,一邊將城市空間范圍向外擴(kuò)展.

普蘭店區(qū)原為普蘭店市,與大連北部的瓦房店市、莊河市同為大連管轄的縣級市,于2015年撤市劃區(qū),成為承接大連市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的重要地區(qū),城市規(guī)模得到快速發(fā)展,城市化水平進(jìn)一步提升.普蘭店區(qū)(圖1)位于遼東半島南部、大連市區(qū)的北部,東臨莊河市和黃海,西接瓦房店市,南與大連金州區(qū)毗連,北與營口蓋州市接壤,東南與長海縣隔海相望.全境地貌以丘陵為主,其地勢主要是北高南低,西高東低,北部地區(qū)主要以山區(qū)為主,少有丘陵跟平原,地勢相對較高;中部地區(qū)丘陵相對較多;南部主要以平原與丘陵為主,少有山地,地勢相對比較平緩.景觀類型原以林草地為主,但近年來隨著人口增多,人類活動加劇,耕地面積與城市建設(shè)用地大量增加,景觀破碎化程度變大.主要工業(yè)區(qū)集中在西南普灣周圍,城市和工業(yè)“三廢”污染物的排放對海洋環(huán)境造成了較大污染.另外,小城鎮(zhèn)的無序發(fā)展導(dǎo)致森林草地植被遭到破壞、生物多樣性下降、鄉(xiāng)村景觀破碎等生態(tài)問題,在加劇“孤島效應(yīng)”的同時也加速了生境退化進(jìn)程,對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重影響.

圖1 研究區(qū)概況

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的數(shù)據(jù)來自于地理空間數(shù)據(jù)云獲取的2005和2015年2期 Landsat遙感影像,經(jīng)過校正、裁剪、融合的預(yù)處理后,在 ArcGIS中進(jìn)行監(jiān)督分類,利用《大連國土資源地圖集》中大連市1∶600 000的土地利用類型圖,依據(jù)2007年頒布的《土地利用分類》國家標(biāo)準(zhǔn)和普蘭店區(qū)土地利用實(shí)際情況,分別對遙感影像進(jìn)行解譯,得到林地、草地、裸地、水域、耕地和建設(shè)用地6種土地類型.

2.2 研究方法

2.2.1 MCR

基于大氣污染的“源”“匯”理論,陳利頂?shù)萚19]提出了“源”“匯”的景觀理論,認(rèn)為不同的景觀類型總體可分為“源”“匯”2種.“源”景觀是指那些能促進(jìn)過程發(fā)展的景觀類型,“匯”景觀是指那些能延緩或阻止景觀發(fā)展的景觀類型,這樣就可以定性描述景觀發(fā)展中格局與過程之間復(fù)雜的關(guān)系.本文選用MCR來構(gòu)建生態(tài)阻力面,MCR最早由Knaapen等[20]于1992年提出,用來計(jì)算物種從源地到目的地的運(yùn)動過程中所耗費(fèi)的最小能量或者費(fèi)用之和,由我國學(xué)者俞孔堅(jiān)[21]引入并對其進(jìn)行了修改,其計(jì)算式為

即當(dāng)0<η>η

式中MCR為最小累計(jì)阻力值;Dij表示物種從一景觀單元j向另一景觀移動過程中穿越景觀i的空間距離;Ri表示景觀單元i阻止或延緩物種運(yùn)動的阻力系數(shù),或者為跨越某一景觀單元的難易程度.該模型也叫做最短路徑模型或者最小成本模型[22].

2.2.2 源地選取

在景觀生態(tài)學(xué)理論中,斑塊面積與形狀對斑塊的物種豐富度具有非常重要的影響,是發(fā)揮景觀生態(tài)功能的關(guān)鍵[23].一般來講,物種多樣性隨著斑塊面積的增加而增加,具有一定面積大小的斑塊才有可能作為生物棲息的生態(tài)源地.本研究根據(jù)研究區(qū)斑塊面積的大小及斑塊數(shù)量的多少,結(jié)合實(shí)地考察當(dāng)?shù)匾吧锝?jīng)常出沒的地區(qū),選取面積＞100 hm2的林地和水域作為生態(tài)源地.

2.2.3 阻力面的計(jì)算

物種在水平空間內(nèi)運(yùn)動的生態(tài)過程以及生態(tài)功能的流動與傳遞,主要受土地覆被狀態(tài)和人文干擾程度的影響,又因本地區(qū)地處遼東半島和多丘陵的地形條件,所以高程和坡度也有阻力作用.因此,本研究以土地利用類型、高程和坡度因子作為影響要素構(gòu)建阻力面,具體賦值如表1所示.

表1 研究區(qū)生態(tài)阻力因子系數(shù)表

利用ArcGIS中的Spatial Analays模塊并結(jié)合表1構(gòu)建單因子阻力面,將單因子阻力面根據(jù)不同權(quán)重在ArcGIS中的Spatial Analays模塊中進(jìn)行加權(quán)疊加分析生成綜合阻力面.將2015年主要生態(tài)源地作為研究對象,基于ArcGIS平臺,通過使用Distance中的 Cost Distance模塊,計(jì)算得出最小累積阻力面.

2.3.4 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

在生成的最小累積阻力面的基礎(chǔ)上,再使用Distance中的Cost Path模塊計(jì)算從源到目標(biāo)斑塊的最小路徑,生成了研究區(qū)的潛在廊道.最后,通過GIS軟件中的Matrix Green分析工具中的Betweeness Centrality模塊,通過中介中心度式(2)計(jì)算得出在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中中介作用較好的核心斑塊,依據(jù)其分值高低規(guī)劃3個斑塊作為踏腳石以構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò).

式中N為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的個數(shù),njk(i)為2節(jié)點(diǎn)j與k間的最短路徑經(jīng)過節(jié)點(diǎn)i的條數(shù).在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中,中心度越高的斑塊,樞紐作用也就越明顯,可作為有益物種遷徙的踏腳石,可以增加景觀連接度.

3 研究結(jié)果

3.1 土地利用類型的變化

圖2 研究區(qū)土地利用變化

解譯后的2005和2015年土地利用類型如圖2所示:與2005相比,2015年大連市普蘭店區(qū)建設(shè)用地面積迅速擴(kuò)大,不僅在西南地區(qū)擴(kuò)張明顯,而且正西、西北及東南地區(qū)也增長迅速,城鎮(zhèn)化水平明顯提升;耕地面積同樣增長明顯,由人類活動集中的西部及東南部地區(qū)擴(kuò)展到包括北部山地在內(nèi)的各個地區(qū);草地及裸地面積在全區(qū)范圍內(nèi)急劇減少甚至消失不見;林地及水域面積也有所減小,雖然減小幅度不大,但大片的林地及水域景觀變得支離破碎,景觀破碎化程度明顯提高.

3.2 生態(tài)源地及核心斑塊的變化

物種豐富度除與面積有關(guān),還與斑塊形狀有關(guān),斑塊的形狀通常用周長和面積的比值來表示,這個比值越小,物種豐富度一般就越高.因此,本研究在已選取的生態(tài)源地的基礎(chǔ)上,選擇周長和面積比最小的20個生態(tài)源地作為核心斑塊,如圖3所示.研究區(qū)主要生態(tài)源地及核心斑塊大多分布在本區(qū)中部及北部山地地區(qū),南部平原地區(qū)分布較少甚至無分布.2005年生態(tài)源地及核心斑塊分布較為集中;與2005年相比,2015年主要生態(tài)源地及核心斑塊的分布更為分散,南部人口稠密地區(qū)亦有生態(tài)源地和核心斑塊存在,但是面積普遍較小,相比之下破碎化程度更高.

圖3 研究區(qū)生態(tài)源地及核心斑塊分布

3.3 阻力面分析

基于2015年生態(tài)源地和高程、坡度和土地利用類型等單因子阻力面及綜合阻力面(圖4),計(jì)算每個像元到成本面上最近單元的最小累積成本距離,得到最小累積阻力面(圖5).結(jié)果顯示:阻力值較高的地區(qū)多存在于普蘭店區(qū)西部及南部海拔較低、坡度較緩、人口稠密和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū),該地區(qū)城鎮(zhèn)化程度較高,對物種的遷徙及生態(tài)功能的流動與傳遞皆有強(qiáng)大的阻力;而普蘭店區(qū)中北部地區(qū)由于海拔較高、坡度較陡,林地分布較廣,故人類活動較少,對物種的遷徙及生態(tài)功能的流動與傳遞的阻力較小.因此可以得知,土地利用類型對該地區(qū)生態(tài)物質(zhì)的遷移與流動具有決定性的影響,而高程與坡度對阻力面的影響較小.

圖4 單因子及綜合阻力面

圖5 最小累積阻力面

3.4 生態(tài)廊道及生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分布

根據(jù)最小累積阻力面生成的潛在廊道與踏腳石斑塊相結(jié)合,構(gòu)建大連市普蘭店區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)(圖6).本研究區(qū)共生成13條潛在生態(tài)廊道,主要分布于中北部海拔較高、坡度較陡的區(qū)域和林地水域,連接斑塊較多,南部地區(qū)無潛在生態(tài)廊道分布;3處踏腳石區(qū)域有2處位于北部區(qū)域,1處位于南部區(qū)域.以此為基礎(chǔ)構(gòu)建的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)南北分布明顯不平衡.

圖6 研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分布

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

在前人研究的基礎(chǔ)上,本研究以大連市普蘭店區(qū)為例,從減少景觀破碎化、促進(jìn)物質(zhì)能量的交流、保護(hù)生物多樣性的角度出發(fā),運(yùn)用MCR構(gòu)建了基于全局統(tǒng)籌優(yōu)化的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局,以此保證經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展.主要結(jié)論如下:

(1)主要生態(tài)源地及核心斑塊大多分布在本區(qū)中北部地區(qū).與2005年相比,2015年大連市普蘭店區(qū)建設(shè)用地面積迅速擴(kuò)大,城鎮(zhèn)化水平明顯提升;耕地由人類活動集中的西部及東南部地區(qū)擴(kuò)展到全區(qū)各個地區(qū);草地及裸地面積急劇減少甚至消失不見;林地及水域面積減小幅度不大,但破碎化程度明顯提高.

(2)阻力值較高的地區(qū)多存在于普蘭店區(qū)西部及南部地區(qū),該地區(qū)城鎮(zhèn)化程度較高,對物種的遷徙及生態(tài)功能的流動與傳遞皆有強(qiáng)大的阻力;而普蘭店區(qū)中北部地區(qū)人類活動較少,對物種的遷徙及生態(tài)功能的流動與傳遞的阻力較小.因此土地利用類型對該地區(qū)生態(tài)物質(zhì)的遷移與流動具有決定性的影響,而高程與坡度對阻力面的影響較小.

(3)本地區(qū)潛在生態(tài)廊道主要分布于海拔較高、坡度較陡、林地水域分布較多的中北部區(qū)域,連接斑塊較多,南部地區(qū)無潛在生態(tài)廊道分布;3處踏腳石區(qū)域有2處位于北部區(qū)域,1處位于南部區(qū)域.生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不平衡.

4.2 建議

針對本地區(qū)生態(tài)源地、核心斑塊及潛在生態(tài)廊道南北分布不均衡的情況,本研究在原有生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,基于全局統(tǒng)籌優(yōu)化的考慮,新增5段生態(tài)廊道,連接南北,使其形成“四橫三縱”的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局.“四橫”從北向南:一是最北端從老帽山旅游風(fēng)景區(qū)—碧流河水庫附近;二是中北部從瓦房店市松樹水庫附近林地,借助幾個現(xiàn)有的林地斑塊向東一直到碧流河水庫附近;三是中部從白云山景區(qū)—清泉寺風(fēng)景區(qū)—小劉屯水庫;四是南部從普蘭店環(huán)城森林公園—二龍山森林公園—沙河入海口地區(qū).“三縱”從西向東:一是從老帽山旅游風(fēng)景區(qū)—松樹水庫—劉大水庫—白云山景區(qū)—洼子店水庫;二是從老帽山旅游風(fēng)景區(qū)—中部山地—清泉寺風(fēng)景區(qū);三是從碧流河水庫—小劉屯水庫—東南沿海濕地.通過這“四橫三縱”的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接起普蘭店區(qū)大部分生態(tài)源地,為物種之間的遷徙與能量物質(zhì)的流通構(gòu)建一條通道,以期能夠在一定程度上起到保護(hù)生物多樣性的作用.

根據(jù)胡道生等[24]的生態(tài)廊道定性分級理論,本研究選取經(jīng)過斑塊較多的、最為重要的和建設(shè)難度相對較小的“四橫”中的北部、中北部和中部廊道,“三縱”中的東部北段、中部廊道作為天然廊道,也就是關(guān)鍵廊道,盡量減少人為的干擾;選取“四橫”中的南部廊道、“三縱”中東部南段和西部廊道作為人工廊道,也就是規(guī)劃廊道,由于沿途經(jīng)過斑塊較少,需要人工建設(shè)生態(tài)廊道.