基于生態(tài)敏感性與生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的南昌市生態(tài)安全格局構(gòu)建

陳瑤瑤, 羅志軍, 齊 松, 趙 杰, 袁 媛, 李 芳

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源與環(huán)境學(xué)院, 南昌 330045;2.江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點實驗室, 南昌 330045; 3.贛州市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院, 江西 贛州 341000)

近年來，城市空間急劇擴張使人類活動影響的生態(tài)景觀的范圍和程度愈來愈大，同時給區(qū)域生態(tài)環(huán)境帶了許多嚴重問題。在此背景下，眾多學(xué)者提出由點線面等生態(tài)斑塊組成的區(qū)域潛在格局——生態(tài)安全格局，來維護區(qū)域生態(tài)平衡和自然生命支持系統(tǒng)[1-6]。通過構(gòu)建城市生態(tài)安全格局，對緩解城市發(fā)展與生態(tài)保護之間的矛盾、提升城市發(fā)展水平意義重大[7]。

1990年以來，諸多學(xué)者從土地利用優(yōu)化[8]、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建[9]、生態(tài)紅線劃定等[10]視角出發(fā)，對農(nóng)牧交錯帶[2]、海島[7]、地質(zhì)災(zāi)害敏感區(qū)[11]、干旱區(qū)[12]等區(qū)域?qū)ι鷳B(tài)安全格局進行了較多探討，并形成了“源地識別—廊道模擬—節(jié)點提取”這一生態(tài)安全格局構(gòu)建的基本框架，其中，構(gòu)建生態(tài)安全格局的基礎(chǔ)是識別生態(tài)源地和模擬生態(tài)廊道。部分學(xué)者直接將自然保護區(qū)等[13-14]作為生態(tài)源地的做法存在一定的主觀性，采用指標體系識別生態(tài)源地能夠考慮多方面因素，但評價指標體系往往具有針對性[6]。在相關(guān)研究中，生態(tài)廊道模擬常使用最小累積阻力模型方法，其核心是生態(tài)阻力面的構(gòu)建，其一般做法是對景觀類型進行賦值并考慮地形的影響，但忽略了人類行為給周邊生態(tài)環(huán)境帶來的破壞。針對當(dāng)前生態(tài)源地識別、生態(tài)阻力面構(gòu)建和生態(tài)廊道識別存在一定的主觀性與不全面性，本文嘗試從景觀結(jié)構(gòu)性與連通性角度入手并考慮政策因素，采用形態(tài)學(xué)空間格局分析(MSPA)和景觀連通性分析方法，綜合重要性高的生態(tài)斑塊和自然保護區(qū)等識別生態(tài)源地；生態(tài)阻力面構(gòu)建中通過距居民點與道路的距離來反映人類活動干擾這一阻力因子。通過將生態(tài)敏感性綜合評價與生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究結(jié)果相結(jié)合，科學(xué)構(gòu)建南昌市生態(tài)安全格局，并提出優(yōu)化建議，能夠緩解社會發(fā)展和城市生態(tài)環(huán)境二者的沖突，對優(yōu)化城市空間格局、推動可持續(xù)發(fā)展和保護生態(tài)安全有指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

南昌市地處江西省中北部，位于東經(jīng)115°27′—116°35′，北緯28°10′—29°11′，是一座紅色文化城市，與長三角、珠三角以及閩三角相接壤，是連接周邊經(jīng)濟區(qū)的省際交通廊道。轄區(qū)內(nèi)日照與降水充足、氣候溫和，全境山、丘、崗、平原相間，呈“西山東水”地理分布格局，擁有豐富的水資源與礦產(chǎn)資源。截至2017年末，常住人口546.35萬人，生產(chǎn)總值5 003.19億元。南昌市是江西省發(fā)展的核心，也是國家森林城市，具有明顯的生態(tài)優(yōu)勢，社會經(jīng)濟和城市化程度正持續(xù)進步，如何科學(xué)地調(diào)節(jié)社會發(fā)展與生態(tài)安全保護的矛盾、促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，是目前亟需解決的關(guān)鍵問題。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

根據(jù)研究區(qū)范圍，為保證景觀要素的完整性，本文選擇30 m×30 m的柵格作為研究單元。采用的數(shù)據(jù)主要有：(1) 2017年Landsat8/OLI的2幅遙感影像(來源于地理空間數(shù)據(jù)云，分辨率為30 m)。利用ENVI 5.0軟件對影像進行解譯獲得土地利用數(shù)據(jù)，解譯精度大于90%；(2) DEM數(shù)據(jù)(來源于地理空間數(shù)據(jù)云，分辨率為30 m)。通過ArcGIS 10.2軟件生成研究區(qū)坡度和洪水調(diào)蓄區(qū)；(3) 植被覆蓋度基于NDVI數(shù)據(jù)估算得到，NDVI數(shù)據(jù)利用遙感數(shù)據(jù)不同波段之間的關(guān)系得到，分辨率30 m；(4) 土壤矢量數(shù)據(jù)(來源于南昌市耕地地力評價成果)，包含土壤類型、土壤侵蝕等數(shù)據(jù)；(5) 2017年道路數(shù)據(jù)(來源于地理國情監(jiān)測云平臺)；(6) 地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)。根據(jù)江西省地質(zhì)災(zāi)害“十三五”規(guī)劃，利用ArcGIS 10.2經(jīng)過配準、數(shù)字化獲得；(7) 基本農(nóng)田數(shù)據(jù)與生態(tài)保護紅線(來源于江西省自然資源廳)。

2 研究方法

2.1 生態(tài)敏感性分析

生態(tài)敏感性是區(qū)域生態(tài)安全受到影響和破壞的難易性程度，是評價生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要標準[15-16]。結(jié)合研究區(qū)實際情況與數(shù)據(jù)的可獲取性，從地形、土壤、水資源、植被與土地利用方面構(gòu)建生態(tài)敏感性評價體系，參考相關(guān)研究[16-20]確定指標因子等級劃分標準，使用層次分析法確定指標因子權(quán)重(表1)?；诏B加分析法獲得生態(tài)敏感性初步評價結(jié)果，在此基礎(chǔ)上利用政策保護因子對其進行修正，獲得最終的生態(tài)敏感性的評價結(jié)果。

表1 生態(tài)敏感性評價指標體系

2.2 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

2.2.1 生態(tài)源地識別 生態(tài)源地是維護區(qū)域生態(tài)健康的重要生境斑塊，對保護生物多樣性和生態(tài)穩(wěn)定性意義重大[1，21]，在滿足人類活動所需的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量方面也有重要地位[22]。本文結(jié)合形態(tài)學(xué)空間格局分析和景觀連通性分析獲得生態(tài)源地，同時將自然保護區(qū)作為生態(tài)源地的補充。

(1) 基于MSPA方法的景觀格局分析。形態(tài)學(xué)空間格局分析通過腐蝕、膨脹、開閉運算等數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理分辨柵格圖像結(jié)構(gòu)[23-26]，能將前景分為互不重疊的7類景觀。該方法強調(diào)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征，能很好地體現(xiàn)生態(tài)斑塊在生態(tài)過程中的作用，有助于生態(tài)源地的選取[24-25]。

(2) 景觀連接度評價。景觀連接度是指景觀適宜某種生態(tài)過程發(fā)生的程度[27-28]，通過對不同生態(tài)斑塊的連通性來判斷其重要性，能夠較好選取生態(tài)源地[29]。本文采用可能連通性指數(shù)(PC)評價區(qū)域景觀連通性，并采用斑塊重要性指數(shù)(dPC)衡量斑塊重要程度并提取源地。

(1)

dPC=(PC-PCremove)/PC×100%

(2)

借鑒相關(guān)研究[30-32]，基于Conefor 2.6軟件，將連通概率設(shè)為0.5，同時選取500，1 000，1 500，2 000 m 4個距離閾值進行比較，最終選擇1 000 m的距離閾值進行南昌市斑塊連接度分析。使用自然斷點法分別將斑塊重要性值劃分為非常高、高、一般和低4種類型，將非常高、高兩個等級作為生態(tài)源地。

2.2.2 生態(tài)阻力面構(gòu)建 依據(jù)生態(tài)安全格局理論，物種遷移和能量流動在空間上活動會受到外界干擾，阻力最低的通道即可為生態(tài)廊道[33-34]。基于相關(guān)研究成果[34-36]，考慮南昌市發(fā)展現(xiàn)狀，從地形、景觀和人類活動干擾等方面選擇10項指標作為生態(tài)源地擴張的阻力因素并分等賦值，阻力值大小與阻力強弱呈正相關(guān)。根據(jù)阻力因子影響生態(tài)過程發(fā)生的強弱，采用層次分析法獲得相應(yīng)權(quán)重(表2)。

表2 研究區(qū)生態(tài)阻力面評價體系

2.2.3 生態(tài)廊道的識別 生態(tài)廊道作為生物遷移和物質(zhì)能量流動的最佳路徑，是不同生態(tài)源地相互聯(lián)系的通道。本文在構(gòu)建的阻力面的基礎(chǔ)上，利用最小累積阻力模型獲得生態(tài)廊道。

(3)

式中:Dij為源地i與j之間的距離；f為最小累積阻力和生態(tài)過程的正相關(guān)函數(shù)；n，m為源地總數(shù)；Ri是源地i對生態(tài)過程發(fā)生的阻力系數(shù)。

2.2.4 生態(tài)節(jié)點的識別 生態(tài)節(jié)點是指銜接相鄰源地的區(qū)域，對物種遷移擴散有著至關(guān)重要的影響[14]，與生態(tài)源地和生態(tài)廊道共同構(gòu)成城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。借鑒相關(guān)研究成果，本文將生態(tài)廊道間的交點[37]、以鄰近“源”為中心的等阻力線切點[38]作為生態(tài)節(jié)點。

3 結(jié)果與分析

3.1生態(tài)敏感性評價

由圖1和表3可以看出，南昌市生態(tài)敏感性主要為極敏感性和高敏感性，占總面積的69.55%，表明南昌市生態(tài)環(huán)境較好，其中極敏感區(qū)面積為118 001.74 hm2，占總面積的16.40%，呈現(xiàn)大斑塊孤立，小斑塊破碎的分布特征，大面積極敏感區(qū)主要為生態(tài)環(huán)境良好的林地與水體，比如梅嶺國家森林公園、鄱陽湖南磯濕地自然保護區(qū)；高敏感區(qū)面積為382 477.42 hm2，占總面積的53.15%，可作為人類活動區(qū)域與極敏感區(qū)之間的緩沖地帶。

圖1 生態(tài)敏感性評價指標因子與結(jié)果

表3 生態(tài)敏感性評價結(jié)果分區(qū)統(tǒng)計

中敏感區(qū)、輕敏感區(qū)和低敏感區(qū)面積相差不大，各占總面積的10.09%，9.90%，10.46%，其中輕敏感區(qū)和低敏感區(qū)大多是城鄉(xiāng)建設(shè)用地和主要交通干線及周邊區(qū)域，是人類主要的活動場所，生態(tài)環(huán)境也更易遭到破壞，對于此類地區(qū)需要強化生態(tài)環(huán)境建設(shè)，控制建設(shè)用地擴張。

3.2 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

3.2.1 生態(tài)源地識別 (1) MSPA與景觀連通性分析。結(jié)合圖2和表4發(fā)現(xiàn)，核心區(qū)占總面積的22.47%，為161 693.91 hm2，表明研究區(qū)生態(tài)底蘊深厚，主要分布在灣里區(qū)、進賢縣、上新建東北部、下新建西部、安義縣北部等地區(qū)。橋接區(qū)作為連通景觀單元的關(guān)鍵區(qū)域，其僅占總面積的0.37%，表明核心區(qū)間聯(lián)系較為薄弱。孔隙和邊緣區(qū)為核心區(qū)的內(nèi)外部邊緣，面積分別為1 699.40，21 742.19 hm2，共占總面積的3.26%，表明核心區(qū)抵御外界干擾能力較強。支線具備一部分連接功能，占總面積的0.55%。島狀斑塊在生物遷徙運動時具有踏腳石的功能，占總面積的0.24%。作為核心區(qū)斑塊內(nèi)部物種遷移擴散和物質(zhì)流動循環(huán)通道的環(huán)道區(qū)占總面積的0.18%。

圖2 基于MSPA的景觀要素分類

表4 景觀要素分類統(tǒng)計

(2)生態(tài)源地的確定。將景觀連通性評價結(jié)果與自然保護地等相結(jié)合得到12個生態(tài)源地斑塊，總面積為120 871.31 hm2。從圖3中可以看出，生態(tài)源地主要為安義縣、灣里區(qū)等生態(tài)基礎(chǔ)較為良好、物種資源充裕的林地區(qū)域以及鄱陽湖、軍山湖等大面積湖泊及河流，這些區(qū)域作為生物的重要棲息地，是維持南昌市生物的繁衍以及生態(tài)系統(tǒng)健康不可或缺的部分。

圖3 生態(tài)源地分布

3.2.2 綜合阻力面 利用ArcGIS 10.2軟件得到各阻力因素阻力值分級(圖4)，并在此基礎(chǔ)上得到研究區(qū)綜合阻力面和最小累積阻力面。從圖5可以看出，綜合阻力呈現(xiàn)南北低、中部高的特征，高阻力區(qū)主要位于現(xiàn)狀建設(shè)用地及其周邊地區(qū)，低阻力區(qū)主要為人類活動強度較低的林地與河流湖泊；從最小累積阻力面結(jié)果可以看出，中部區(qū)域?qū)ξ锓N的遷移擴散和物質(zhì)流動有較大的阻礙作用，南北區(qū)域之間的連通性較差，需要加強中部地區(qū)林地與濕地景觀的保護，控制好建設(shè)用地的擴張。

圖4 生態(tài)阻力面評價指標因子分級

圖5 綜合阻力面和最小累積阻力面情況

3.2.3 生態(tài)廊道判別 基于生態(tài)源地和綜合阻力面，運用Linkage Mapper工具模擬生態(tài)廊道(圖6)，結(jié)合已有研究[38]，將廊道寬度設(shè)為1 km。由表5可知，生態(tài)廊道總面積為45 304.66 hm2。由于研究區(qū)耕地面積大、分布廣泛，且耕地對生態(tài)過程發(fā)生的影響較小，使得生態(tài)廊道中耕地占44.85%，為20 321.15 hm2；林地和水體在生態(tài)廊道中面積分別為10 192.88，7 703.51 hm2，共占生態(tài)廊道總面積的39.5%，這是因為生態(tài)源地主要為生態(tài)基礎(chǔ)較為良好、物種資源充裕的林地區(qū)域以及鄱陽湖、軍山湖等大面積湖泊及河流，生態(tài)源地間發(fā)生生態(tài)過程時需要穿越周邊林地及水體；建設(shè)用地占生態(tài)廊道總面積的11.45%，表明研究區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)用地、村莊以及交通用地對生態(tài)過程發(fā)生的阻礙作用較為突出，生態(tài)廊道的穩(wěn)定性較低，因此在未來的發(fā)展建設(shè)，應(yīng)盡量避免占用生態(tài)廊道，以保護區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與生物多樣性。

表5 潛在廊道的景觀組成類型統(tǒng)計

3.3 生態(tài)安全格局構(gòu)建

構(gòu)建生態(tài)安全格局的目的在于緩解城市建設(shè)和生態(tài)安全保護兩者的沖突，為城市發(fā)展與土地資源科學(xué)合理利用提供有力支撐。本文結(jié)合生態(tài)敏感性綜合評價與生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究結(jié)果構(gòu)建南昌市生態(tài)安全格局，將極高敏感區(qū)與生態(tài)源地作為低生態(tài)安全格局，高敏感區(qū)與中敏感區(qū)作為中生態(tài)安全格局，輕敏感區(qū)和低敏感區(qū)作為高生態(tài)安全格局(圖7)。基于生態(tài)安全格局，分別將高、中、低的生態(tài)安全格局劃為適宜建設(shè)區(qū)、限制建設(shè)區(qū)和禁止建設(shè)區(qū)。在未來發(fā)展規(guī)劃中，適宜建設(shè)區(qū)內(nèi)建設(shè)用地應(yīng)盡可能避免占用生態(tài)廊道，留有一定的空間作為生態(tài)廊道與外界的緩沖區(qū)，保護廊道的穩(wěn)定性，充分發(fā)揮生態(tài)廊道的連接功能；限制建設(shè)區(qū)內(nèi)的開發(fā)活動應(yīng)該以生態(tài)保護優(yōu)先，對維護生態(tài)環(huán)境以及生態(tài)穩(wěn)定性的活動應(yīng)該嚴格控制；建設(shè)區(qū)中除了國家規(guī)劃必須要開發(fā)建設(shè)的項目外，禁止開展任何建設(shè)項目。

圖7 南昌市生態(tài)安全格局構(gòu)建

3.4 生態(tài)安全格局優(yōu)化建議

3.4.1 加強生態(tài)源地保護 生態(tài)源地是區(qū)域生態(tài)安全格局中最基礎(chǔ)、最核心的區(qū)域，是生物生存繁衍的重要場所，能夠維護區(qū)域生態(tài)環(huán)境及生態(tài)過程，所以保護生態(tài)源地環(huán)境及其重要。針對大型林地生態(tài)源地應(yīng)加強該區(qū)域現(xiàn)有動植物資源的保護力度，有效保護區(qū)域生態(tài)多樣性穩(wěn)定健康的發(fā)展，使各類生物有較為良好的生存環(huán)境。針對水體生態(tài)源地，加強湖泊污染防治，實施水土保持等項目，盡量降低人類活動對生態(tài)源地帶來的干擾。

3.4.2 加強生態(tài)廊道建設(shè) 根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H情況設(shè)置不同寬度的廊道緩沖區(qū)，減少外界的干擾；探索“廊道長制”工作機制，明確工作職責(zé)。通過加強廊道建設(shè)可以促進不同“源”間以及“源”與基質(zhì)間的生物遷移和物質(zhì)能量流動，進一步改善生態(tài)質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境。

3.4.3 加強生態(tài)節(jié)點建設(shè) 生態(tài)節(jié)點能夠促進區(qū)域物種的遷移擴散，加強其建設(shè)能夠提升生態(tài)廊道的穩(wěn)定性，增強景觀間的功能聯(lián)系，對維系破碎的生境斑塊有著重要作用。一方面可通過提高生態(tài)節(jié)點來有效發(fā)揮其“踏腳石”的功能；另一方面應(yīng)控制生態(tài)節(jié)點及其周邊地區(qū)人類活動強度，并對已經(jīng)遭到破壞的生態(tài)節(jié)點進行重點保護與恢復(fù)。

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

本文基于遙感影像數(shù)據(jù)，結(jié)合生態(tài)敏感性評價和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究構(gòu)建南昌市生態(tài)安全格局。在結(jié)合形態(tài)學(xué)空間格局分析和景觀連通性評價結(jié)果與各類自然保護區(qū)數(shù)據(jù)確定生態(tài)源地方面具有一定的創(chuàng)新性，但其他方面存在著不足，具體如下：

(1) 評價指標體系需進一步完善。生態(tài)敏感性評價與生態(tài)阻力面構(gòu)建的指標體系雖然從各方面都選取評價因子進行分析，但受數(shù)據(jù)可獲取性的限制，評價指標體系仍有進一步完善的空間。另外采取的層次分析法確定權(quán)重時參考相關(guān)研究及專家意見的做法較為合理，但結(jié)果還是會受到主觀性的影響。

(2) 生態(tài)阻力面的構(gòu)建過程中，由于生物遷徙數(shù)據(jù)獲取有限，所得研究結(jié)果對不同生物的適用性存在優(yōu)劣。各阻力因子的阻力等級通過參考已有的研究確定，生態(tài)安全格局的構(gòu)建是否會受到阻力因子不同等級的影響還需要進一步的研究來加以完善。

(3) 通過構(gòu)建生態(tài)安全格局來劃定南昌市適宜建設(shè)區(qū)、限制建設(shè)區(qū)和禁止建設(shè)區(qū)時，并未考慮現(xiàn)有政策、城市規(guī)劃等方面因素的影響。

針對以上情況，在今后研究中可以從數(shù)據(jù)的獲取方面入手，并采用主、客觀相結(jié)合的權(quán)重賦值方式，多角度綜合考慮來進一步完善評價指標體系。在構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局時，還應(yīng)考慮政策因素、未來規(guī)劃等方面的影響，使評價結(jié)果更為準確合理。

4.2 結(jié) 論

(1) 通過生態(tài)敏感性綜合評價可知，南昌市生態(tài)敏感性主要為極敏感性和高敏感性，占總面積的69.55%，表明南昌市生態(tài)條件較好，其中極敏感區(qū)呈現(xiàn)“大而孤立，小且破碎”的分布特征。

(2) 通過形態(tài)學(xué)空間格局分析(MSPA)和景觀連通性分析，共識別生態(tài)源地12塊，主要分布于南昌市北部地區(qū)與南部地區(qū)，為大面積林地和水體，這表明了南北區(qū)域之間景觀連通能力較弱；綜合阻力值表現(xiàn)為南北低中部高的布局特點，表明南昌市中部是生態(tài)修復(fù)與保護的重點區(qū)域；通過最小路徑方法，共獲得18條生態(tài)廊道，其中耕地、林地、水體和濕地是生態(tài)廊道關(guān)鍵的景觀要素，表明生態(tài)廊道具有較高穩(wěn)定性。

(3) 結(jié)合生態(tài)敏感性綜合評價與生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究得到的結(jié)果，可以有效構(gòu)建南昌市生態(tài)安全格局，分別將高、中、低的生態(tài)安全格局劃為適宜建設(shè)區(qū)、限制建設(shè)區(qū)和禁止建設(shè)區(qū)，并有針對性地提出優(yōu)化建議。