基于斑塊復合屬性特征的城市生態(tài)安全格局構建
——以杭州市為例

張 亮,岳文澤,陳 陽

1 浙江樹人大學城建學院, 杭州 310058 2 浙江大學公共管理學院, 杭州 310058

城市生態(tài)安全作為生態(tài)安全的一個重要內容,是城市自然生態(tài)環(huán)境在其承載力內支持經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展,實現(xiàn)自身可持續(xù)的保證和條件[1]?？焖俪鞘谢M程下,社會經(jīng)濟的高速運作加劇了對自然資源的攫取和生態(tài)容量的占用,逐漸成為城市生態(tài)安全的重要威脅和問題根源[2],城市可持續(xù)發(fā)展面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。隨著我國生態(tài)文明建設的大力推進,城市生態(tài)安全格局作為對維護生態(tài)過程安全起著關鍵作用的局部、點和空間關系構成的空間格局[3- 4]越來越受到廣泛關注。

國內外學者在地理學、生態(tài)學、城市規(guī)劃等領域對生態(tài)安全格局開展了大量研究。從早期的“綠道”[5]、“田園城市”[6]的規(guī)劃理念,到“千層餅”模式[7]的生態(tài)規(guī)劃方法、生態(tài)網(wǎng)絡[8- 9]和綠色基礎設施規(guī)劃[10- 11]等,無一不體現(xiàn)著生態(tài)安全格局構建的雛形。國外學者主要從景觀生態(tài)[12- 15]和土地利用優(yōu)化配置[16- 18]等角度對其進行研究。國內的研究則集中在內涵辨析[19]以及從景觀功能[20]、生態(tài)價值[21]、生物多樣性保護[22]等視角積極探索。目前,“識別源地—構建阻力面—提取廊道”已成為生態(tài)安全格局構建的典型范式[23]。但在生態(tài)源地的識別和阻力面構建方面,并未形成統(tǒng)一的方法。源地辨識多從生態(tài)功能重要性和適宜性評價等方面展開[24],方法可分為直接識別[25- 27]和多因子綜合評價[28- 30]兩種?？臻g阻力關系方面,學者們探索了土地利用覆被[23]、生態(tài)系統(tǒng)服務[25]、多因素綜合[31]等方法。格局構建方面,當前已發(fā)展出最小累積阻力模型[3]、圖論[32]以及電路理論[33]等理論與方法。其中,最小累積阻力模型由于能較好地模擬生物空間運動的潛在趨勢與景觀格局改變之間的關系,已被廣泛應用[34]。

快速城市化地區(qū)的城市建設與生態(tài)空間之間交互作用頻繁。城市作為復雜的巨系統(tǒng),其生態(tài)安全格局構建中生態(tài)源地和生態(tài)廊道的識別都不應忽視城市生態(tài)斑塊的復合屬性特征以及生態(tài)系統(tǒng)功能與過程對于人類活動的反饋。研究選取長三角地區(qū)發(fā)展迅速的杭州市作為研究區(qū),從城市斑塊的復合屬性特征出發(fā),建立核心生態(tài)源斑塊辨識以及空間阻力判別的多因素綜合評價體系,借助于最小累積阻力模型,明確城市生態(tài)源地和關鍵生態(tài)廊道的空間布局,并根據(jù)城市生態(tài)安全強度等級差異提出相應的優(yōu)化策略,以期為杭州市城市生態(tài)安全提供空間指引,緩解城市社會經(jīng)濟發(fā)展的生態(tài)約束,推進城市生態(tài)轉型發(fā)展。

1 研究區(qū)域與研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

杭州市地處我國華東地區(qū),是長江三角洲中心城市之一,也是浙江省省會城市。杭州市地勢西高東低,天目山等主干山脈皆位于西部丘陵地區(qū)；東部為沖積平原,是城市生產生活的主要區(qū)域。區(qū)域內河網(wǎng)與湖泊密布,水系發(fā)達,城市森林覆蓋率高。整個城市具有豐富的生態(tài)資源和自然人文景觀。杭州市城市發(fā)展迅速,從最早的430hm2中心城區(qū)面積擴展到683 hm2,至整個蕭山和余杭地區(qū)融入杭州市中心城區(qū)后,城市面積達3068 hm2,成為中國重要的大都市之一。本研究的對象即上城、下城、拱墅、西湖、江干、濱江、余杭和蕭山8個行政區(qū)構成的杭州中心城區(qū)。區(qū)內包含城市建成區(qū)、西湖景區(qū)、西溪濕地、濱海灘涂、森林公園等多樣景觀,京杭大運河和錢塘江穿城而過,形成城、江、河、湖、山、林交融的總體格局。

1.2 研究數(shù)據(jù)與來源

研究數(shù)據(jù)包括遙感影像、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)、城市交通數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃空間數(shù)據(jù)、研究區(qū)人口普查數(shù)據(jù)、地質災害調查數(shù)據(jù)以及規(guī)劃圖件等多種類型。其中,數(shù)字高程模型、2015年Landset8衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)以及DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)分別從地理空間數(shù)據(jù)云、美國地理調查局網(wǎng)站以及美國國家海洋和大氣管理局網(wǎng)站下載。人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)從杭州市統(tǒng)計局獲得。杭州市城市總體規(guī)劃(2001—2020年)、杭州市土地利用總體規(guī)劃(2006—2020年)等相關規(guī)劃圖件以及城市交通數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃空間數(shù)據(jù)、地質災害調查數(shù)據(jù)等從杭州市建設局和國土資源管理部門收集。土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)是基于研究區(qū)的遙感影像數(shù)據(jù)進行解譯后獲得。所有數(shù)據(jù)載入ArcGIS軟件平臺中,統(tǒng)一數(shù)據(jù)空間參考,進行空間數(shù)據(jù)預處理和初步分析。

2 研究思路與方法

2.1 研究思路

研究圍繞城市斑塊的復合屬性特征來構建景觀要素辨識體系,提取空間阻力因子。綜合判定城市生態(tài)源地的空間定位,實現(xiàn)重要空間阻力關系判別。根據(jù)確定的生態(tài)源地和空間阻力因子,采用最小累積阻力模型明確城市生態(tài)安全等級空間分布,并識別城市關鍵性生態(tài)廊道。從而對不同的生態(tài)空間提出針對性優(yōu)化策略。研究思路見下圖1。

圖1 生態(tài)安全格局構建思路Fig.1 Technology roadmap for constructing urban ecological security pattern

2.2 研究方法

2.2.1生態(tài)源地辨識體系

城市作為自然和人工生態(tài)系統(tǒng)交互的復雜巨系統(tǒng),生態(tài)源地的形成是自然系統(tǒng)和人工系統(tǒng)特征的空間耦合所決定的,其自身的不同屬性具有不同的生態(tài)服務功能[35]。以城市生態(tài)斑塊復合屬性為切入點,自然、人工屬性特征以及交互屬性特征3個評價因素選取了12個評價因子,構建識別城市生態(tài)源斑塊的指標體系[30,35]。自然屬性是斑塊的稟賦特征,與源地存在呈正相關；人工屬性特征越強則成為源地的可能性越低；交互屬性中歸一化植被指數(shù)、地質災害點分布以及生境質量與源地存在呈正相關,土地利用類型因子則需要根據(jù)類型來確定。按照自然斷點法將因子劃分等級,并根據(jù)各因子對生態(tài)源地可能產生的正負影響和程度大小,采取9—1或1—9的梯度分級賦值。在ArcGIS中以200m×200m空間分辨率制作各因子圖層,采用空間主成分分析方法計算每個指標的權重,進行柵格運算。具體指標情況見表1。

表1 辨識指標體系與權重賦值

2.2.2空間阻力關系判別

建立城市生態(tài)安全格局還需要對源斑塊向外擴展的空間阻力關系進行判別。生態(tài)源地保持和擴展的空間阻力同樣需要考慮其穿越的城市景觀要素斑塊的復合屬性特征。生物流的移動速度和穿越時間需要考慮自然屬性中的坡度影響。人工屬性特征方面,生態(tài)源地的擴展在穿過不同城市環(huán)境要克服的阻力值不同。生態(tài)適宜性越高的區(qū)域,生態(tài)源地受到的阻力值越小；生態(tài)敏感的區(qū)域,阻力值則越大。從交互屬性來看,景觀要素空間分布異質性對與生態(tài)源地之間物質流、能量流、信息流等交互過程產生作用。人類開發(fā)活動所塑造的城市景觀要素與生態(tài)源地的景觀類型特征越接近,越有利于生態(tài)源地的保持和擴展；相反地,城市景觀要素受人類行為干擾越顯著,生態(tài)源越難以穿越或駐留。生態(tài)用地和建設用地的空間分布密度在維護生態(tài)系統(tǒng)的物質和能量流動方面產生影響,從而作用于生態(tài)源地的保持和擴展。研究以9×9網(wǎng)格范圍內生態(tài)用地或建設用地像元數(shù)與總像元數(shù)的比值表征生態(tài)密度和建設密度因子。采用自然斷點法將所有阻力因子劃為5級。

設定阻力因子需考慮阻力系數(shù),以量化表征生態(tài)流經(jīng)過城市景觀斑塊的難易水平。不同生態(tài)流穿越城市景觀斑塊的難易具有異質性,絕對阻力值難以直接界定[36],一般以相對值來表征的城市景觀斑塊的阻力[37]。綜合既有研究[23]與專家評估,設定不同因子的相對阻力系數(shù)[38],其取值范圍為0到100,如表2所示。

表2 空間阻力系數(shù)表

2.2.3生態(tài)安全格局構建

研究采用最小累積阻力模型(Minimum Cumulative Resistance,MCR)構建杭州城市生態(tài)安全格局。該模型需要考慮源、距離和景觀基面特征三個方面的因素。源是 MCR模型中擴展主體向外擴散的起點或基地,具有內部同質性和向四周擴張或吸引的能力[3,39],即通過構建辨識體系提取的生態(tài)源地。阻力系數(shù)可定量判定生態(tài)源地在景觀要素空間拓展中所受到的相對阻力大小。MCR模型基本公式如下：

其中,f代表空間中任一點的最小阻力與其到所有源的距離和景觀基面特征的正相關關系。Dij是從源j穿越某景觀i到達某一點的空間距離；Ri是景觀i對源擴展需要克服的累積阻力。

3 結果與分析

3.1 生態(tài)源地辨識結果

利用ArcGIS進行柵格運算得到生態(tài)源地可能性判定結果,并采用自然斷點法劃分等級,斑塊強度等級越高,反映該斑塊在生態(tài)安全格局中重要性越高,如圖2。

圖2 杭州市生態(tài)源地初步辨識結果 Fig.2 The identification and classification of the urban ecological patch

值域范圍108—298的斑塊面積約為1126.1 km2,占研究區(qū)總面積的35.00%。這類斑塊強度值最低,是人類活動和城市建設用地的集中區(qū)域。值域范圍在299—615的斑塊規(guī)模1406.66 km2,占研究區(qū)總面積43.72%,該區(qū)域斑塊生態(tài)強度中等,是生態(tài)因素和人類活動的主要交互區(qū)域；值域范圍在616—864的生態(tài)斑塊面積共684.55 km2,占比為21.28%。這類斑塊生態(tài)強度高,是為城市提供最重要的生態(tài)服務功能的核心生態(tài)斑塊,即研究要提取的生態(tài)源地,是組建城市生態(tài)安全格局的“底盤”,也是生態(tài)安全格局的保障基礎。初步識別得到的生態(tài)源地中有少量獨立分布斑塊和碎小斑塊?？紤]到生態(tài)源地斑塊形狀與面積影響生物流活動[40],不能直接剔除細碎斑塊。結合杭州城市總體規(guī)劃、土地利用規(guī)劃以及相關生態(tài)規(guī)劃中的空間分區(qū)情況,剔除面積小于1hm2易受干擾失去生態(tài)屬性的零星斑塊,保留城市內部能夠提供一定生態(tài)功能并維持景觀連通度的集中斑塊[35,38]。最終通過綜合判斷確定杭州市生態(tài)源地空間分布情況如圖3。

圖3 杭州市生態(tài)源地空間分布情況Fig.3 Spatial distribution of ecological sources in Hangzhou

最終辨識結果顯示杭州市生態(tài)源地規(guī)模為483.89km2,主要用地類型為林地、耕地以及濕地。杭州生態(tài)源地集聚分布于西北、西南和南部。其中,西北部為杭州最大的生態(tài)源地,斑塊集中且面積較大,人為活動干擾小,生態(tài)要素豐富,自然面貌保存完整,能夠提供豐富的生態(tài)調節(jié)、供給、支撐和文化等生態(tài)系統(tǒng)服務。西南部和南部的生態(tài)源地強度總體略低于西北部。西南部生態(tài)源地依托龍塢風景區(qū)和西湖風景,人文景觀與自然景觀豐富,為城市提供生態(tài)農業(yè)、生態(tài)旅游等服務。南部以湘湖及白馬湖為重要的生態(tài)核心區(qū),為城市提供大量生態(tài)農林產品以及森林生態(tài)保育、山地觀光旅游等功能。在行政區(qū)分布上,余杭區(qū)的生態(tài)源地分布規(guī)模最大,且斑塊強度普遍較高；蕭山區(qū)和西湖區(qū)的規(guī)模次之,前者分布于錢塘江口與塔樓、河上、戴村等區(qū)域,后者集中于西湖風景區(qū)、午潮山國家森林公園、西山國家森林公園等地區(qū)。

3.2 生態(tài)安全強度評價

將得到的生態(tài)源地以及阻力因子圖層載入ArcGIS平臺中,基于MCR模型得到連續(xù)的生態(tài)安全強度評價結果。依據(jù)阻力閾值特征點,研究將評價結果劃分為5個安全等級。結果如圖4所示：

圖4 杭州市城市生態(tài)安全格局等級圖 Fig.4 The evaluation results of urban ecological security level in Hangzhou

生態(tài)安全格局等級是從人類活動的角度出發(fā),反映生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性與維持服務功能的重要性。杭州的城市生態(tài)安全格局呈現(xiàn)“西強東弱”特征。最低安全等級區(qū)圍繞東部、南部和西北部的生態(tài)源地緊密分布,規(guī)模為1428.24 km2,占研究區(qū)總面積的43.03%。最低安全等級區(qū)分布在人類開發(fā)相對羸弱的地區(qū),承擔維護生態(tài)源地整體性、景觀連通性和生態(tài)多樣性的重任,是確保城市生態(tài)安全的“底線”。該區(qū)是為城市提供多種生態(tài)系統(tǒng)服務的主導地區(qū),是維護城市生態(tài)安全與可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)基礎。較低安全等級區(qū)圍繞生態(tài)源地和最低安全等級區(qū)形成外圍屏障,其面積為701.33 km2,占比21.13%。該區(qū)是城市生態(tài)過渡區(qū),具有一定城市生態(tài)功能,不適宜大規(guī)模的城市開發(fā)建設活動。中等安全等級區(qū)面積為538.63 km2,占總面積的16.23%。該區(qū)對人類活動的干擾敏感性相對較低,是城市開發(fā)與生態(tài)保護的“臨界帶”,肩負隔離城市建設與生態(tài)區(qū)域的作用。較高安全等級區(qū)和高安全等級區(qū)面積分別為422.08km2和228.69km2,占比12.72%和6.89%。這兩個區(qū)域屬于人類活動與開發(fā)建設起主導作用的地區(qū),是對生態(tài)系統(tǒng)負面影響最大的區(qū)域,生態(tài)源地擴展效率趨于零增長。

3.3 城市生態(tài)廊道識別

連通城市生態(tài)源地的生境廊道保證了源地間信息、能量、生物的交流,是維持生態(tài)功能的連續(xù)性,保障區(qū)域生態(tài)安全格局的有效途徑[29,41]。研究將生態(tài)源地的幾何中心點作為源,基于圖層(BEST-SINGLE)方式提取出該源點到剩余源點間的最小耗費路徑作為生態(tài)源地間的生態(tài)廊道。將所有最小耗費路徑進行合并和篩選,得到杭州市關鍵性城市生態(tài)廊道網(wǎng)絡。如圖5所示。

圖5 杭州市生態(tài)安全格局組分判別結果 Fig.5 Spatial distribution of key patches and ecological corridors in Hangzhou

杭州市生態(tài)廊道的空間分布整體從城市西翼的生態(tài)源地聚集區(qū)向向南面和東面延伸,并穿越城市內部形成網(wǎng)絡,呈“西密東疏”的總體格局。受到天目山脈影響,生態(tài)廊道的分布與城市地形地貌總體趨勢相契合,沿谷地分布集中于杭城西北與西南,連接西翼生態(tài)源地,為源地間的物種遷徙和能量傳輸提供了大量流通通道,使得這一區(qū)域城市生態(tài)源地間景觀連通度高,物質與能量交流程度較好。未來城市開發(fā)需將這些廊道納入到生態(tài)保護的范疇,盡量避免人類活動干擾破壞現(xiàn)有自然廊道,阻斷區(qū)域生態(tài)斑塊間物質與能量的擴散和流通；另一方面,加強生態(tài)綠化建設以提升廊道的生態(tài)功能,維持城市生態(tài)安全。城區(qū)東部錢塘江沿岸濕地與城市河網(wǎng)鮮有廊道連接,與周邊源地僅存在單條廊道。這類區(qū)域易受到人類活動的干擾和阻斷,需以城市水網(wǎng)與綠帶建設為契機,補充廊道建設與功能提升,增強生態(tài)源地之間的連通度,削弱人類開發(fā)活動對生態(tài)源地的干擾,避免獨立分布的生態(tài)斑塊功能喪失。此外,廊道的寬度應針對不同的地區(qū)具體經(jīng)驗數(shù)據(jù)和模型來估算[42]或嘗試收集足夠的信息采取直接賦值的方式[43]。囿于研究目標與尺度的局限,本文不再進一步討論生態(tài)廊道寬度測算。

3.4 城市生態(tài)安全格局優(yōu)化策略

生態(tài)安全格局能夠對城市的開發(fā)建設以及生態(tài)保護進行有效的空間引導,利于城市空間布局的科學合理規(guī)劃,協(xié)調發(fā)展與保護之間的矛盾,實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展。杭州市城市生態(tài)安全格局優(yōu)化以不同等級安全格局為基礎劃分為三類空間,從生態(tài)源地和廊道空間分布的角度考慮城市生態(tài)保護。

(1)城市生態(tài)保障空間的保護。這一空間是城市最低生態(tài)安全等級。該空間內基本包含城市全部的核心生態(tài)斑塊,是生態(tài)功能集中與向外擴展的起點。城市生態(tài)源地和廊道都集中分布于城市西側。生態(tài)源地的用地類型多以林地為主,自然生態(tài)面貌保護較好,是城市生態(tài)安全的核心保障。西北翼源間廊道較少,但是對外廊道網(wǎng)絡豐富,景觀連通度較高。這一區(qū)域的生態(tài)空間以保持原有自然生態(tài)系統(tǒng)完整性和功能穩(wěn)定性為首要目的,嚴格限制區(qū)域人口密度和建設活動,強調生態(tài)源地和重要自然生態(tài)網(wǎng)絡的有效保護,避免人類活動干擾。南部與西南部的生態(tài)源地強度略低于西北部,區(qū)內源間網(wǎng)絡密度相對較高,兩區(qū)的生態(tài)源地之間物質與能量流通好,生態(tài)服務功能較為穩(wěn)定。這兩區(qū)相對西北部更靠近城市建設區(qū),生態(tài)空間的保護應加強源地和廊道的功能維持與對外源間聯(lián)結通道完善和植被保護,避免城市擴張對生態(tài)環(huán)境的蠶食,保障生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾性和可恢復性,維護城市生態(tài)安全“底線”。

(2)城市生態(tài)緩沖空間的維護與優(yōu)化。生態(tài)緩沖區(qū)域屬于城市較低生態(tài)安全等級。主要分布在生態(tài)保障空間外圍起著緩沖作用,更多的表現(xiàn)為自然與人文景觀的交融。這一區(qū)域內自然條件較好、生態(tài)強度高的斑塊可作為生態(tài)源地的“后備區(qū)”,既能擴展生態(tài)保障空間,還能維護穿越區(qū)域的生態(tài)廊道。另一方面,該區(qū)生態(tài)安全水平受到一定的城市發(fā)展影響,生態(tài)強度較低的斑塊容易在干擾下逐漸喪失自然屬性。這一區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡建設應保護區(qū)內自然生態(tài)資源與環(huán)境,加強區(qū)內山體與植被維護以及生態(tài)恢復。從維護自然景觀角度出發(fā),淘汰區(qū)域內對生態(tài)環(huán)境產生負面影響的產業(yè),控制區(qū)內建筑密度和人工旅游景點開發(fā)與人造景點的建設。充分考慮區(qū)域自然地理環(huán)境,結合現(xiàn)有的生態(tài)廊道和城市綠道布局與建設等相關活動,完善和優(yōu)化區(qū)域的生態(tài)網(wǎng)絡。

(3)城市生態(tài)過濾空間的提升。生態(tài)過濾空間是城市生態(tài)安全等級的中值區(qū),最靠近城市建設區(qū),對城市擴張的強烈影響起著隔離過濾的作用。這一區(qū)域僅存在少量類型單一、生態(tài)強度較低的斑塊。以河流向外輻射形成對外廊道,缺少與其他方向的源間聯(lián)結,主要依靠生態(tài)保障空間和緩沖空間的對外滲透,生態(tài)環(huán)境相較更為脆弱。該區(qū)域應以維持穩(wěn)定為主導,為改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件。圍繞生態(tài)廊道補充建設,加強濕地生態(tài)保育、污染控制,從而提升區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡的結構和功能穩(wěn)定性,避免人類開發(fā)活動引發(fā)生態(tài)風險。

4 結論與討論

研究以杭州市為例,圍繞城市生態(tài)斑塊的復合屬性特征構建生態(tài)源地空間重要性辨識體系,并對其向外擴展的空間阻力關系進行判別。借助最小累積阻力模型明確城市生態(tài)安全強度等級和廊道的空間分布情況。針對不同等級的城市生態(tài)安全格局制定差異化的空間優(yōu)化策略。研究結果表明：第一,杭州市城市生態(tài)源地和廊道集中于城市西翼,呈“西密東疏”的空間布局；杭城市生態(tài)安全格局整體表現(xiàn)為東部低、西部高的態(tài)勢。第二,景觀連通度對生態(tài)源地的保持和擴展影響較大,廊道是提高區(qū)域景觀連通度的有效途徑,加大生態(tài)源地周邊的生態(tài)綠化建設,提升源地間的有效聯(lián)結有利于總體改善城市生態(tài)環(huán)境。第三,圍繞生態(tài)源地和關鍵廊道的空間分布情況分別對生態(tài)保障空間、生態(tài)緩沖空間以及生態(tài)過濾空間提出針對性城市生態(tài)安全格局優(yōu)化策略,對城市生態(tài)網(wǎng)絡建設具有重要參考意義,更能體現(xiàn)生態(tài)安全格局對城市空間發(fā)展和規(guī)劃的引導。

當前生態(tài)安全格局的構建多以靜態(tài)視角進行研究。研究在生態(tài)源地識別和空間阻力判別中考慮了一定的動態(tài)因子。未來研究有必要關注區(qū)域生態(tài)要素的動態(tài)演化,借助于地理空間數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù),采用多個時間序列下安全格局來深入探討城市生態(tài)空間保護問題。