基于綠道與生境關(guān)系的空間生態(tài)網(wǎng)絡構(gòu)建
——以從化區(qū)關(guān)鍵種棲息地為例

謝子穎，張正棟，陳裕嬋，李青圃，楊 陽，匡騰飛

(華南師范大學地理科學學院，廣州 510631)

城市化的快速發(fā)展使城市用地不斷向生境擴張，導致生態(tài)用地面積不斷減少，出現(xiàn)景觀破碎化和生物孤島[1-2]. 構(gòu)建以綠道和生態(tài)廊道為基礎的空間生態(tài)網(wǎng)絡可以有效緩解城市和區(qū)域環(huán)境的矛盾，增強破碎生境的空間連通性，為區(qū)域綠道注入自我維育能力[3].

綠道概念通常認為由Frederick Law Olmsted 提出，其提出的波士頓公園系統(tǒng)規(guī)劃是現(xiàn)今綠道規(guī)劃的緣起[4]. 美國綠道規(guī)劃重視社會功能，把綠道功能鎖定在基于自然風景的人為開發(fā)景觀，認為綠道是人們可以接近自然的開敞空間[4-5]. 綠道思想進入歐洲后，歐洲綠道規(guī)劃重視生態(tài)功能[6]，認為生境破碎化是人為活動對自然生態(tài)破壞最直接的體現(xiàn)，并提出綠道“生態(tài)穩(wěn)定性原則”，實施綠色網(wǎng)絡戰(zhàn)略以保護生境孤島[7].

受美國綠道規(guī)劃的影響，我國綠道規(guī)劃注重綠道的休憩功能，在大區(qū)域的生態(tài)安全格局缺乏規(guī)劃，使綠道發(fā)揮的功能受到限制[8]. 受歐洲綠道規(guī)劃的啟發(fā)，國內(nèi)專家和學者進一步關(guān)注綠道的多功能特點，在選線規(guī)劃上把綠道與南粵古道、古村落、草原絲綢之路等文化元素相結(jié)合，進行文化路線規(guī)劃，促使綠道功能多元化[9-11]；在技術(shù)運用上，基于生物空間運動的潛在趨勢，應用GIS技術(shù)、拓撲網(wǎng)絡和最小累積阻力模型等，構(gòu)建和優(yōu)化生態(tài)網(wǎng)絡，推動綠道的規(guī)劃[8,12-14]；在生態(tài)功能發(fā)揮上，通過借鑒“生物運動廊道”理念，識別生態(tài)源地和生態(tài)廊道，構(gòu)建生態(tài)安全格局，形成綠色網(wǎng)絡以保護生態(tài)空間、優(yōu)化人居環(huán)境[15-17]，并嘗試理清綠道和生態(tài)廊道的關(guān)系，把綠道作為生態(tài)安全格局的重要組成部分，如構(gòu)建了廣州市增城區(qū)的空間生態(tài)網(wǎng)絡，該空間生態(tài)網(wǎng)絡涉及城市用地、交通用地、水域、濕地等用地類型，增加綠道與不同景觀之間的連通性，彌補了綠道的生態(tài)功能[8]. 在我國綠道建設的基礎上，借鑒歐洲綠道規(guī)劃中的“生物運動廊道”理念，可以加強區(qū)域生態(tài)保護功能，實現(xiàn)自然保護和自然生態(tài)系統(tǒng)修復.

從化區(qū)是廣州市重要的生態(tài)腹地，近年來出現(xiàn)生態(tài)用地面積減少、景觀破碎化和森林功能退化等問題[18]. 在經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護的雙贏理念下，從化區(qū)于2010年啟動綠道建設工作，但規(guī)劃重“道”輕“綠”，功能較單一[19]. 本文選擇從化區(qū)關(guān)鍵種棲息地作為生態(tài)源地，采用最小累積阻力模型得到連接生態(tài)源地的生態(tài)廊道，在從化區(qū)綠道的基礎上，構(gòu)建區(qū)域空間生態(tài)網(wǎng)絡，發(fā)揮綠道生態(tài)功能，保障區(qū)域生態(tài)安全.

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

從化區(qū)位于東經(jīng)113°17′～114°04′，北緯23°22′～23°56′(圖1)，地處珠江三角洲到粵北山區(qū)的過渡地帶，地勢整體呈現(xiàn)東北高、西南低的趨勢. 氣候?qū)倌蟻啛釒Ъ撅L氣候，地帶性植被為常綠闊葉林. 本文的研究區(qū)域為整個從化區(qū)，共3個街道(街口街道、城郊街道和江埔街道)和5個鎮(zhèn)(鰲頭鎮(zhèn)、太平鎮(zhèn)、溫泉鎮(zhèn)、良口鎮(zhèn)和呂田鎮(zhèn))，研究總面積為1 974.5 km2. 從化區(qū)的土地利用類型以林地、農(nóng)田和建筑用地為主.

圖1 從化區(qū)區(qū)位

從化區(qū)動物種類豐富，植被類型多樣，生物遷徙和擴散活動頻繁. 近年來隨著城市化進程的加快，該區(qū)的生態(tài)壓力不斷增加，大面積的生境被人為分割，生物的生存空間不斷縮小，生物的擴散和遷徙運動受到阻礙，因此，在該區(qū)構(gòu)建空間生態(tài)系統(tǒng)有利于實現(xiàn)自然保護和自然生態(tài)系統(tǒng)修復.

1.2 數(shù)據(jù)來源

影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云2017年10月Landsat 8 OLI_TIRS衛(wèi)星圖像，空間分辨率為15 m，經(jīng)影像解譯得到土地利用類型數(shù)據(jù)；基礎地理數(shù)據(jù)(河流水域、交通道路、行政區(qū)域界線)來源于廣州規(guī)劃院；從化區(qū)概況數(shù)據(jù)參考2017年的從化地方志；綠道數(shù)據(jù)來源于廣州市林業(yè)和園林局.

2 研究方法

2.1 地表景觀分類

基于2017年10月Landsat 8 OLI_TIRS 衛(wèi)星圖像中條帶號為122、行編號為44的遙感圖像數(shù)據(jù)，利用ENVI 4.6和ArcMAP10.1對遙感影像遙感解譯，獲得風景園林、城市綠地、河流水域3種生態(tài)用地和農(nóng)田、交通用地、建設用地3種非生態(tài)用地的景觀分布(圖2)，其中，風景園林包括林地和園地.

圖2 從化區(qū)的土地利用類型

2.2 基于最小累積阻力模型生態(tài)網(wǎng)絡構(gòu)建

最小累積阻力模型是由KNAAPEN等[20]提出的，后經(jīng)俞孔堅[21]修改得到以下公式：

(1)

其中，MCR表示最小累積阻力值；f表示區(qū)域中任一點的最小阻力與從該點到所有生態(tài)源地的距離和景觀單元阻力值的正相關(guān)關(guān)系；Dij表示關(guān)鍵種從生態(tài)源地j到空間某一點所穿越的某景觀單元i的空間距離；Ri表示景觀單元i對關(guān)鍵種運動的阻力系數(shù). 雖然函數(shù)f通常是未知的，但(Dij×Ri)的累積值可以作為衡量關(guān)鍵種從生態(tài)源地到空間某一點的易達性程度的指標.

基于最小累積阻力模型，構(gòu)建從化區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡：

(1)生態(tài)源地識別. 綠道的生態(tài)功能強調(diào)生物棲息地的保護，基于最小累積阻力模型，把關(guān)鍵種棲息地作為生態(tài)源地. 關(guān)鍵種是指生物的消失或削弱能引起整個群落和生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生根本性變化的物種，在生物群落中，對維護生物多樣性及其結(jié)構(gòu)、功能及穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用[22]，保護該物種的棲息地代表保護許多依靠單一生境生存的其他物種的棲息地. 根據(jù)《從化野生動物名錄》中野生動物的受保護程度和野生動物在從化自然生態(tài)中所起的作用，確定穿山甲為從化區(qū)的關(guān)鍵種. 穿山甲以害蟲之一——白蟻為主要食物，對控制白蟻災害、保護林木、維護生態(tài)平衡具有重要意義.

根據(jù)穿山甲的生活習性和棲息環(huán)境，確定穿山甲的棲息地為海拔1 500 m以下且面積大于300 hm2的山地和丘陵等地帶的熱帶雨林、南亞熱帶雨林性常綠闊葉林、灌叢和草莽[23-24]，把從化區(qū)中符合棲息地條件的生態(tài)用地作為生態(tài)源地，并標注序號.

(2)阻力面確定. 景觀中生物的遷徙和擴散在流動時需克服一定的景觀阻力，景觀生態(tài)服務功能越高，景觀功能越完善，則克服的阻力值越小. 參考文獻[16]并結(jié)合從化區(qū)關(guān)鍵種的實際情況，將不同的景觀類型賦值(表1). 不同的景觀類型的阻力值組成單位面積內(nèi)阻力值大小不一的阻力面.

表1 從化區(qū)的各景觀阻力值Table 1 The cost of different landscapes of Conghua

(3)生態(tài)廊道生成. 最短路徑是在景觀阻力圖的基礎上計算得到的從目標點到源的最小成本路徑，在本研究中，目標點和源均為各個生態(tài)源地. 生態(tài)廊道是由最短路徑法形成的最小成本路徑，是物種在生態(tài)源地間擴散與遷徙的過程中所受累積阻力最小的路徑. 本研究使用ArcMAP中的成本路徑分析模型，在生態(tài)源地之間生成生態(tài)廊道.

(4)生態(tài)節(jié)點判別. 生態(tài)節(jié)點是指在景觀空間中連接相鄰生態(tài)源地并對生物的遷徒和擴散起關(guān)鍵作用的點，一般為生態(tài)廊道的相交點. 生態(tài)節(jié)點可以提高不同生態(tài)源地之間的連通度，增強生態(tài)網(wǎng)絡的空間性.

(5)生態(tài)網(wǎng)絡構(gòu)建. 城市生態(tài)網(wǎng)絡建設的實質(zhì)是以植被帶、河流和農(nóng)田為主，通過生態(tài)廊道將城市中被分散孤立的各種類型的生態(tài)斑塊聯(lián)系起來，形成“點—線—面”結(jié)合的自然、多樣、高效、有一定自我調(diào)節(jié)能力和自我維育能力的完整的城市自然生態(tài)體系. 在從化區(qū)綠道的基礎上，結(jié)合區(qū)域的野生動物棲息地、山體、河流水域、生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點，構(gòu)建區(qū)域空間生態(tài)網(wǎng)絡.

3 結(jié)果與分析

3.1 生成生態(tài)廊道

3.1.1 生態(tài)源地的確立 由圖3可知:(1)從化區(qū)的生態(tài)源地集中在良口鎮(zhèn)、呂田鎮(zhèn)和溫泉鎮(zhèn)，人類活動較少，植被保護措施較完善，生態(tài)源地連片分布，面積大，保存較好. (2)結(jié)合圖2可知城郊街道、溫泉鎮(zhèn)西南部、江埔街道北部和街口街道北部為從化區(qū)中心城區(qū)，土地利用類型主要為建設用地和交通用地，人類活動強度大，生態(tài)源地數(shù)量少. (3)鰲頭鎮(zhèn)與太平鎮(zhèn)的生態(tài)源地與鄉(xiāng)鎮(zhèn)相間分布，生態(tài)源地分散且面積小、數(shù)量多，缺少大面積的生態(tài)源地.

圖3 從化區(qū)的生態(tài)源地編號

由表2可知:(1)從化區(qū)符合條件的生態(tài)源地總數(shù)量為64個，總面積為85 001hm2，占研究區(qū)總面積的43.0%. (2)面積為300～500hm2的生態(tài)源地為24個，占總數(shù)量的37.5%、總面積的10.7%. (3)面積為500～1 000hm2的生態(tài)源地為19個，占總數(shù)量的29.7%、總面積的15.8%. (4)面積為1 000～3 000 hm2的生態(tài)源地為15個，占總數(shù)量的23.4%、總面積的34.0%. (5)面積超過3 000hm2的生態(tài)源地為6個，占總數(shù)量的9.4%、總面積的39.5%. 由此可見，從化區(qū)生境破碎，小面積的生態(tài)源地的數(shù)量多.

表2 從化區(qū)的生態(tài)源地情況Table 2 The situation of the ecological sources of Conghua

由表3可知:(1)各行政單位中生態(tài)源地面積占風景園林面積百分比最高的為良口鎮(zhèn). (2)風景園林面積與生態(tài)源地面積呈正相關(guān)關(guān)系，即風景園林的面積越大，生態(tài)源地面積越大. (3)鰲頭鎮(zhèn)的風景園林面積比溫泉鎮(zhèn)的大，而其生態(tài)源地面積比溫泉鎮(zhèn)的小，結(jié)合圖2可知鰲頭鎮(zhèn)在鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)展的過程中，大面積的風景園林被交通用地和建設用地占用并分割，使風景園林斑塊數(shù)量變多、面積變小，大量面積在300hm2以下的風景園林斑塊被剔除，故鰲頭鎮(zhèn)風景園林面積大但生態(tài)源地面積較小. 由此可見，鄉(xiāng)鎮(zhèn)的無序擴張及道路建設使原本連片分布的自然生境逐漸消失，生境變得破碎，生物的遷徙和擴散受到阻礙，嚴重影響自然生態(tài).

表3 從化區(qū)各行政單位的生態(tài)源地面積比較

3.1.2 景觀阻力面 根據(jù)不同景觀類型的阻力值，利用ArcMAP中的成本路徑分析模型得到從化區(qū)生物遷徙和擴散的景觀阻力面.

由圖4可知從化區(qū)的阻力值從北到南呈現(xiàn)低—高—低的基本趨勢：(1)呂田鎮(zhèn)、良口鎮(zhèn)和溫泉鎮(zhèn)東部以風景園林為主，整體阻力值低. (2)景觀阻力值最大的區(qū)域為從化區(qū)中心城區(qū)，其土地利用類型大部分為建設用地，少部分為城市綠地. (3)鰲頭鎮(zhèn)與太平鎮(zhèn)均為鄉(xiāng)鎮(zhèn)與生態(tài)源地相間分布，且交通用地連接大小鄉(xiāng)鎮(zhèn)，分割連片生態(tài)源地，故此區(qū)域的景觀阻力面呈斑塊狀分布.

圖4 從化區(qū)的景觀阻力面

3.1.3 生態(tài)廊道的構(gòu)建 本文根據(jù)累積阻力值的大小把生態(tài)廊道分為三級:一級廊道(累積阻力值為0.0～22.0)，二級廊道(累積阻力值為22.1～44.0)，三級廊道(累積阻力值為44.1～66.0). 一級廊道代表其連通的生態(tài)源地間的阻力極小，野生動物在生態(tài)源地之間運動性高，二、三級廊道次之.

由圖5可知:呂田鎮(zhèn)、良口鎮(zhèn)和溫泉鎮(zhèn)的生態(tài)源地分布集中，相距近，阻力值小，形成數(shù)量眾多的長度在500 m以下的一、二級廊道；鰲頭鎮(zhèn)、太平鎮(zhèn)的生態(tài)源地分布分散，相距遠，形成了多條二、三級生態(tài)廊道；城郊街道、街口街道、江埔街道的生態(tài)源地數(shù)量少，故生態(tài)廊道數(shù)量少.

圖5 從化區(qū)的生態(tài)廊道分布

由表4可知:(1)長度在200 m以內(nèi)的一、二、三級廊道分別為20、16、8條，共44條，占生態(tài)廊道數(shù)量的43.1%. (2)長度為200～1 000 m的廊道有22條，占生態(tài)廊道數(shù)量的21.6%，以一、二級廊道為主. (3)長度為1 000～3 000 m的廊道有19條，3 000 m以上的廊道有17條，合占生態(tài)廊道數(shù)量的35.3%，皆以一級廊道為主. (4)生態(tài)廊道共102條，廊道越長，數(shù)量越少；廊道阻力級別越高，數(shù)量也越少. 結(jié)合表3可知行政單位的生態(tài)源地面積與生態(tài)廊道的數(shù)量呈正相關(guān)關(guān)系：行政單位內(nèi),生態(tài)源地面積越大，廊道數(shù)量越多；生態(tài)源地占風景園林面積百分比越高，廊道數(shù)量越多.

3.1.4 生態(tài)節(jié)點的確立 由圖6可知:(1)從化區(qū)的生態(tài)節(jié)點沿生態(tài)廊道設置，位于生態(tài)廊道的交點，最大限度地提高了各生態(tài)源地之間的連通性. (2)從化區(qū)的生態(tài)節(jié)點集中在鰲頭鎮(zhèn)、太平鎮(zhèn)和良口鎮(zhèn). (3)1、2號生態(tài)節(jié)點分布于鰲頭鎮(zhèn)，皆連接了2條廊道、3個生態(tài)源地. (4)3、4、5號生態(tài)節(jié)點分布于太平鎮(zhèn)，其中，3號連接3條廊道、4個生態(tài)源地，4號與5號位于同一條一級廊道上，兩節(jié)點共連接3條生態(tài)廊道、4個生態(tài)源地. (5)6、7、8號生態(tài)節(jié)點分布于良口鎮(zhèn)，其中，6號節(jié)點連接2條廊道、4個生態(tài)源地，7號節(jié)點連接2條廊道、3個生態(tài)源地，8號節(jié)點連接3條廊道、3個生態(tài)源地.

表4 從化區(qū)不同長度的生態(tài)廊道數(shù)量Table 4 The number of biological corridors of different length in Conghua 條

圖6 從化區(qū)的生態(tài)節(jié)點分布

3.2 生態(tài)網(wǎng)絡構(gòu)建和優(yōu)化

3.2.1 從化區(qū)綠道現(xiàn)狀 從化區(qū)綠道位于珠江三角洲綠道網(wǎng)規(guī)劃中的省立綠道二號線的中段部分，沿流溪河規(guī)劃建設. 該地區(qū)綠道全長約411.5 km，以流溪河國家森林公園為起點，分為流溪河生態(tài)型綠道和萬花園郊野型綠道. 其中：流溪河生態(tài)型綠道沿流溪河往北直達流溪河國家森林公園；萬花園郊野型綠道位于城郊街道，相交于流溪河生態(tài)型綠道中段. 從化區(qū)綠道具有保護自然環(huán)境的生態(tài)功能，但以休憩為主要功能，為居民提供鍛煉、游憩的空間場所，重“道”而輕“綠”. 明晰生態(tài)保護作用，構(gòu)建空間生態(tài)網(wǎng)絡生態(tài)是解決該地區(qū)生態(tài)缺失問題的有效途徑.

3.2.2 構(gòu)建區(qū)域空間生態(tài)網(wǎng)絡 由圖7可知:在從化區(qū)北部有2條生態(tài)廊道穿過綠道并在綠道形成生態(tài)節(jié)點；在從化區(qū)南部有多條生態(tài)廊道穿過綠道，且南部一生態(tài)節(jié)點分布在綠道上，其余2個生態(tài)節(jié)點均位于綠道附近.

參考小尺度生境斑塊連接方式，一級廊道和500 m以內(nèi)的二、三級廊道應采用喬木灌叢條的形式，寬度為150～200 m；長度在500 m以上的二、三級廊道在建設中根據(jù)地表情況，設置路上式、路下式、高架橋或生態(tài)天橋等形式的生態(tài)廊道[25]，此連接方式可避免生態(tài)廊道因人為活動被切斷的情況，同時優(yōu)先保證生態(tài)廊道的用地需求，保障空間生態(tài)網(wǎng)絡骨架的完整性.

破碎的生境可通過生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點連接在一起，且生態(tài)廊道與綠道相交，從而明晰了綠道的生態(tài)保護功能，為綠道注入自我維育的功能，加強了生態(tài)網(wǎng)絡的連通性. 綠道和生態(tài)廊道是區(qū)域空間生態(tài)網(wǎng)絡的重要組成部分：綠道發(fā)揮其休憩功能與景觀美學功能，滿足居民的游憩休閑的需要，而生態(tài)廊道連接生態(tài)源地，為生物的遷徙和擴散提供條件，二者共同構(gòu)建區(qū)域空間生態(tài)網(wǎng)絡.

圖7 從化區(qū)的空間生態(tài)網(wǎng)絡

4 結(jié)論

本文以“生態(tài)穩(wěn)定性原則”為理論支持、以地理信息系統(tǒng)和遙感為技術(shù)支持，選取從化區(qū)為研究區(qū)域；采用最小累積阻力模型，選取符合關(guān)鍵種棲息地條件的區(qū)域作為生態(tài)源地；確定景觀阻力面后，基于最短路徑法得到生態(tài)廊道，確立生態(tài)節(jié)點，并結(jié)合綠道構(gòu)建區(qū)域空間生態(tài)網(wǎng)絡. 主要結(jié)論如下：

(1)從化區(qū)的風景園林中，符合野生動物棲息地條件的生態(tài)源地共64個. 其中:300～500 hm2的生態(tài)源地數(shù)量最多；3 000 hm2以上的生態(tài)源地數(shù)量最少，主要分布在呂田鎮(zhèn)和良口鎮(zhèn)的國家森林保護區(qū)，植被受保護程度較好；城郊街道南部、溫泉鎮(zhèn)西南部、江埔街道北部和街口街道北部的土地利用類型主要為建設用地，缺少生態(tài)源地；鰲頭鎮(zhèn)與太平鎮(zhèn)的生態(tài)源地分散且面積小、數(shù)量多.

(2)從化區(qū)的生態(tài)廊道共102條，生態(tài)廊道越長，數(shù)量越少；阻力級別越高，數(shù)量也越少. 從化區(qū)北部大面積的山體中分布著多條山間路，使其生境破碎化，形成長度在200 m以內(nèi)、阻力值小的一級廊道. 長度在1 000 m以上的生態(tài)廊道多穿過山體，累積阻力值小，以一級廊道為主.

(3)8個生態(tài)節(jié)點位于生態(tài)廊道的交點處，且生態(tài)節(jié)點的土地利用類型多為生態(tài)用地. 生態(tài)節(jié)點集中在鰲頭鎮(zhèn)、太平鎮(zhèn)和良口鎮(zhèn).

(4)從化區(qū)建成綠道以流溪河國家森林公園為起點，依流溪河上游干流建設. 在北部有2條生態(tài)廊道穿過綠道并在綠道形成生態(tài)節(jié)點，在南部有多條生態(tài)廊道穿過綠道，且南部一生態(tài)節(jié)點分布在綠道上，其余2個生態(tài)節(jié)點均與綠道相近. 生態(tài)廊道、生態(tài)節(jié)點與綠道共同組成的空間生態(tài)網(wǎng)絡將破碎的生境連接在一起，為功能較單一的綠道系統(tǒng)增強生態(tài)功能和增加綠道不同景觀的連通性，滿足居民鍛煉、休憩的需求和提供野生動物擴散、遷徙的條件.

本研究的空間生態(tài)網(wǎng)絡構(gòu)建方法體現(xiàn)了生境生態(tài)過程的水平方向，較少考慮垂直方向因素的影響，如坡度、海拔. 在景觀生態(tài)和生境生態(tài)學的理論指導下，完整闡釋生境生態(tài)系統(tǒng)的水平和垂直生態(tài)過程，規(guī)劃復合型綠道系統(tǒng)是綠道進一步規(guī)劃的方向.