江淮城市群生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建研究

梁鑫斌,吳晶晶,李翔宇,潘自強,繆瀛洲,郭娜娜

(安徽科技學(xué)院 建筑學(xué)院，安徽 蚌埠 233000)

0 引言

生態(tài)文明建設(shè)是國家的重要戰(zhàn)略部署，需要在注重經(jīng)濟(jì)增長的同時兼顧生態(tài)保護(hù)，強調(diào)綠水青山就是金山銀山的理念。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是解決目前生態(tài)文明建設(shè)中所面臨的諸多問題的重要途徑和方法，可以有效保護(hù)生物多樣性、增強生態(tài)系統(tǒng)功能連通性、提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

目前生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究對象主要涉及兩個領(lǐng)域。一是集中在省、市、縣等行政范圍和尺度的研究[1-6]；二是以生態(tài)要素如河流、森林等為劃分依據(jù)的研究[7,8]。兩者的側(cè)重點和出發(fā)點有所不同，前者主要從本行政區(qū)內(nèi)的生態(tài)安全方面考慮，由于方便調(diào)研、數(shù)據(jù)完善等優(yōu)勢，可以很好地為本行政區(qū)內(nèi)的生態(tài)建設(shè)提供有針對性地建議。但是由于生物的遷徙并不受行政區(qū)的限制，這種研究尺度往往會忽略生態(tài)系統(tǒng)本身的特點，從而導(dǎo)致研究的全局性受到限制；后者更加關(guān)注某一種生態(tài)覆蓋區(qū)域內(nèi)部的生物遷徙和能量流動，更符合生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展規(guī)律，但對人工環(huán)境中的生態(tài)系統(tǒng)涉及較少，對生態(tài)建設(shè)的指導(dǎo)價值相對較小。

城市群是區(qū)域發(fā)展的重要載體和發(fā)展趨勢，是人工環(huán)境與生態(tài)要素緊密聯(lián)系的復(fù)雜巨系統(tǒng)。將其作為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的研究載體，不僅可以充分發(fā)揮其中生態(tài)要素在區(qū)域中的生態(tài)作用，更重要的是可以從整體入手，通過綜合布局，為人工環(huán)境中的生態(tài)建設(shè)提供思路和技術(shù)方法。

江淮城市群是長三角城市群西進(jìn)的重要腹地，是實現(xiàn)中部地區(qū)貫通南北的重要板塊。江淮城市群在快速城鎮(zhèn)化推進(jìn)中出現(xiàn)了大型生態(tài)源地破碎化、島嶼化等問題，生態(tài)環(huán)境問題日益嚴(yán)重，已經(jīng)影響到江淮城市群的景觀格局和可持續(xù)發(fā)展。因此，有必要對其進(jìn)行生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，解決已有生態(tài)環(huán)境問題，形成具有更高安全格局的復(fù)合系統(tǒng)。

以江淮城市群為研究對象，以2020年全球30m精細(xì)地表覆蓋產(chǎn)品GLC_FCS30-2020)(來源于中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院)為信息源，應(yīng)用GIS技術(shù)，通過利用Arcgis10.6等相關(guān)軟件，建立江淮城市群地理信息數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上，運用最小累積阻力模型(MCR模型)，深入研究江淮城市群中對生態(tài)發(fā)展影響的原因，確立阻力因子及系數(shù)，構(gòu)建江淮城市群區(qū)域生態(tài)阻力面，結(jié)合運用相關(guān)城市法律法規(guī)確定的生態(tài)源地，進(jìn)行疊加分析，從而探究江淮城市群全面的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。旨在恢復(fù)和強化江淮地區(qū)生態(tài)安全格局，建立完善的生態(tài)建設(shè)策略。

圖1 區(qū)位及土地利用

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

江淮城市群位于安徽省中部，地跨淮河和長江兩大流域，以合肥市為中心，包括蕪湖、蚌埠、淮南、馬鞍山、銅陵、安慶、滁州、六安、池州等城市。東西橫跨東經(jīng)115.37～119.15E，南北跨越北緯29.52～33.44N，整體地形以平原為主。區(qū)域土地總面積86857.83km2，占全省總面積的61.96%。區(qū)域內(nèi)總?cè)丝跒?576萬人(截至2018年末)，占全省總?cè)丝诘?4.28%。2018年GDP總量2.28萬億元,分別占全省的76%;城市化水平為58.88%，高于全省54.7%的平均水平。江淮城市群氣候特點南北兼容。季風(fēng)明顯，四季分明。生態(tài)建設(shè)的基礎(chǔ)良好。

1.2 數(shù)據(jù)來源以及數(shù)據(jù)預(yù)處理

研究所采用的數(shù)據(jù)主要來源于2020年全球30m精細(xì)地表覆蓋產(chǎn)品(GLC_FCS30-2020)(中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院)、江淮城市群DEM數(shù)據(jù)(BIGEMAP地圖下載器)、江淮城市群路網(wǎng)信息數(shù)據(jù)(BIGEMAP地圖下載器)。

圍繞研究目標(biāo)，預(yù)處理過程中把2020年全球30m精細(xì)地表覆蓋產(chǎn)品數(shù)據(jù)分成草地、林地、耕地、水域、建設(shè)用地和未利用土地。為了將2020年全球30m精細(xì)地表覆蓋產(chǎn)品數(shù)據(jù)與高程及坡度等其他數(shù)據(jù)相匹配，使得構(gòu)建研究區(qū)阻力面時避免數(shù)據(jù)不融合情況的發(fā)生，在ArcGIS軟件的支持下，將高程數(shù)據(jù)重采樣成30m×30m柵格單元大小進(jìn)行運算分析(圖1)。并且將研究區(qū)的土地利用重分類，使草地、林地、水域成為前景并賦值為1，耕地、建設(shè)用地、未利用土地成為背景賦值為2。

2 研究方法

2.1 基于MSPA方法的生態(tài)源地識別

基于2020年全球30m精細(xì)地表覆蓋產(chǎn)品(GLC_FCS30-2020)，將林地、草地、水域三種景觀類型提取出來作為前景，耕地、城鎮(zhèn)建設(shè)用地及未利用土地為背景。借鑒已有研究經(jīng)驗[9-13]，研究選擇形態(tài)學(xué)空間格局分析(MSPA)方法進(jìn)行生態(tài)源地識別。在Guidos軟件中采用八鄰域分析法分析景觀格局，選取其中可以為物種提供較大棲息地、有利于生物多樣性保護(hù)的核心區(qū)作為生態(tài)源地。研究發(fā)現(xiàn)，核心區(qū)斑塊破碎化嚴(yán)重。因此，在本研究中將面積小于10hm2的斑塊剔除，不作為生態(tài)源地。

2.2 景觀阻力面的生成

不同景觀類型對物種遷移的阻力不同，不同土地利用類型也有不同的阻力值，研究中常將土地利用類型用于阻力面構(gòu)建。江淮城市群地貌形態(tài)以平原為主，在研究區(qū)內(nèi)南部存在部分山脈與丘陵，海拔度相差比較大，因此，除了土地利用類型，阻力因子的選取還要考慮地形因素，比如坡度和高程都會影響物種遷移，其阻力值也會存在較大差別。坡度越緩或高程越小的地方越有利于陸地爬行動物的遷徙，阻力值就會越小，反之亦然。在GIS軟件中，借助DEM高程數(shù)據(jù)計算研究區(qū)坡度(圖2)。因此，綜合確定物種遷移過程中同時受土地利用類型、地形坡度及髙程的影響。

圖2 高程(左)與坡度(右)圖

表1 阻力因子賦值及權(quán)重

結(jié)合已有研究，采用專家打分法及AHP層次分析法確定各因子的阻力值及權(quán)重，構(gòu)建由5個阻力值構(gòu)成的阻力體系，分值越高表示物種的遷移阻力越大 (表1) 。使用柵格計算器采用 30m×30m 的柵格單元大小得出綜合阻力面(圖7)，作為后續(xù)分析的成本數(shù)據(jù)。

2.3 景觀連通性評價和生態(tài)源地的提取

景觀連接度大小是生態(tài)源地之間物種遷移能力的一個量化指標(biāo)，也是決定生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性的穩(wěn)定影響因素之一。目前評價景觀連通性的指數(shù)有整體連通性(IIC)、可能連通性指數(shù)(PC)、景觀格局分析指數(shù)中的連通性指數(shù)(CI)、基于最小成本距離模型的生態(tài)連通性指(ECI)。本研究采用基于圖論和景觀關(guān)聯(lián)度理論的IIC、PC及斑塊重要性指數(shù)(dPC)來衡量景觀格局的重要指標(biāo)。

(1)IIC、PC的計算式:

式中，AI為景觀總面積；n為斑塊總數(shù)，ai、bj為斑塊i、j的面積，nIij分別為斑塊i、j之間的連接數(shù)和最大連接概率。

(2)dPC的計算式:

式中，I為整體連通性指數(shù)，Ii是去除某個斑塊或廊道后的整體連通性指數(shù)。面積大的生態(tài)源地即核心區(qū)具有較好的生境質(zhì)量，使生物在遷徙交流過程中盡量減少所受的外界阻力，同時核心區(qū)的高連通性也能夠增加生物擴(kuò)散的存活率。因此，提取出面積大于10hm2的核心區(qū)，使用景觀連通性分析軟件，設(shè)置連通概率為0.01，取距離閾值為10000m來計算分析每個核心區(qū)斑塊的dIIC和dPC。

2.4 基于MCR的潛在生態(tài)廊道構(gòu)建

通過最小累積阻力模型(MCR)可以在有效避免外界干擾的情況下確定源與目標(biāo)之間的最小消耗路徑，即物種遷移的最佳路徑[13-16]。確定阻力面和源地后，借助ArcGIS10.6平臺和LinkageMapper1.1.0插件，計算最小累積消耗路徑，從而完成生態(tài)廊道空間位置確定及其景觀構(gòu)成統(tǒng)計的工作。MCR的基本計算式:

式中，f函數(shù)表示任一點的最小阻力與其到全部源的距離和景觀基面特征的正相關(guān)關(guān)系；Dij表示從源j到某一點，物種遷移所經(jīng)某景觀基面i的空間距離；Ri表示的是景觀i對物種遷移的阻力大小。

3 結(jié)果分析

3.1 基于MSPA的生態(tài)源地識別分析

生態(tài)源地是景觀格局中的重要景觀斑塊，通過分析景觀格局，可以進(jìn)一步篩選生態(tài)源地。借助MSPA方法、利用Guidos軟件計算研究區(qū)景觀格局(圖3 左)，并對各景觀格局要素進(jìn)行規(guī)模統(tǒng)計(表2)。由此判斷，研究區(qū)核心區(qū)面積約為209萬hm2，占研究區(qū)總面積的24.08%，主要包括巢湖、龍感湖、泊湖、石臼湖、瓦埠湖、龍子湖等湖泊、西南部大別山地區(qū)的林地和東南部黃山地區(qū)的林地，以及流經(jīng)安徽南部的長江和安徽北部的淮河等水體斑塊；整體上看，研究區(qū)北部沿淮、淮北平原，江淮丘陵區(qū)核心區(qū)斑塊分布相對分散，連通性較差，但是研究區(qū)南部皖西山地丘陵區(qū)，沿江平原，皖南山地丘陵區(qū)核心區(qū)斑塊分布相對集中，連通性較好；橋接區(qū)面積為1.98萬hm2，占比0.23%，屬結(jié)構(gòu)性廊道，影響物種的遷移。受核心斑塊分布零散的影響，橋接區(qū)分布也較為破碎，斑塊間連通性差。邊緣區(qū)是斑塊的外部邊緣，面積為21.26萬hm2，占比2.45%?？紫妒前邏K的內(nèi)部邊緣，面積為10.67萬hm2，占比1.23%。邊緣區(qū)和孔隙的面積較大，表明核心區(qū)穩(wěn)定性較高，抗擊外界因素干擾能力較強；環(huán)道區(qū)是斑塊內(nèi)部物種移動的捷徑，有利于物種在相同斑塊內(nèi)部的遷移，面積為1.49萬hm2，占比0.17%；支線是有一定連通效果，僅一端與橋接區(qū)、邊緣區(qū)、環(huán)道區(qū)或孔隙相連的區(qū)域，面積為6.21萬hm2，占比0.72%；島狀斑塊是孤立的斑塊，可以作為物種遷移的踏腳石，面積為9.95萬hm2，占比1.15%，島狀斑塊單個面積小，數(shù)量多，成破碎化散布于研究區(qū)中，表明研究區(qū)內(nèi)部生態(tài)廊道比較長。

表2 景觀類型分類統(tǒng)計表

3.2 重要生態(tài)源地提取分析

在研究景觀格局分析的基礎(chǔ)上，借助Conefor2.6軟件，計算核心區(qū)景觀連通性、dPC值，并選擇面積大于10hm2的核心區(qū)作為生態(tài)源地，確定研究區(qū)內(nèi)生態(tài)源地共計87個(表 3、圖 3右)，總面積206.70萬hm2，占核心區(qū)面積的98.89%。研究顯示，生態(tài)源地主要集中分布于研究區(qū)南部，在北部地區(qū)較少且呈現(xiàn)破碎化分布的趨勢。主要原因是研究區(qū)南部為山地丘陵地區(qū)，氣候條件適宜喬灌木生長，且地勢起伏較大，限制了城市建設(shè)的擴(kuò)張，對生態(tài)源地的影響相對較??；而研究區(qū)北部以平原地形為主，有少量的丘陵地帶，整體地勢平緩，適宜城市建設(shè)，城市建設(shè)早期的無序擴(kuò)張導(dǎo)致了許多生態(tài)源地被分割破壞。研究區(qū)中部偏北空白較多，缺少面積較大的生態(tài)源斑塊分布，破碎且連通性較差，物種遷徙流動容易受到阻礙干擾，需要增加或擴(kuò)大生態(tài)源的建設(shè)，也可以利用破碎的生態(tài)源斑塊作為物種遷移的踏腳石；在長江流域分布著眾多生態(tài)源地，貫穿西南-東北方向，斑塊連通度最高，同時也能作為生物遷徙交流在東西方向的踏板，是最重要的生態(tài)源地；研究區(qū)東南部、西南部以及中部有成片、連接度好的生態(tài)源地，說明這3個區(qū)域生境質(zhì)量高，適宜生物遷移生存。

圖3 景觀格局分析(左)與生態(tài)源地分布(右)圖

表3 核心區(qū)重要度排序

3.3 景觀阻力面分析

景觀阻力影響生物流的通達(dá)程度，借助土地利用數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)分別構(gòu)建土地類型消費面(圖 4)、高程消費面(圖 5)、坡度消費面(圖 6)，并通過表1確定的各要素權(quán)重進(jìn)行空間疊加分析，確定研究區(qū)綜合阻力面(圖 7)。

圖4 土地類型消費面圖 圖5 高程消費面圖

圖6 坡度消費面圖 圖7 綜合阻力面圖

從圖 1、圖 7中可以發(fā)現(xiàn)，不同土地利用類型的阻力值是存在較大區(qū)別的，按照從大到小排序，分別為未利用土地、水域、建設(shè)用地、耕地、草地和林地。前三位阻力值較高的區(qū)域中，未利用土地和建設(shè)用地受人類活動的干擾較大，水域則被視為陸地生物遷徙的主要阻礙。此外，阻力值在地理分布上也存在一定的規(guī)律，綜合來看，高阻力值的區(qū)域主要分布于研究區(qū)的淮河、長江流域及巢湖地區(qū)，這片區(qū)域分布有大量的水體和較為密集的城鎮(zhèn)，多為高阻力值的水域和建設(shè)用地。低阻力值主要分布在研究區(qū)的西部和東南部，主要是高程和坡度較高的安慶市和六安市的大別山山脈以及池州市的部分九華山山脈地區(qū)，這些地區(qū)林地面積較大、生態(tài)環(huán)境較好，更有利于喬灌木生長和物種遷移。

3.4 生態(tài)廊道結(jié)構(gòu)分析

生態(tài)廊道是生物流連通的最有效路徑，通過最小累積阻力模型(MCR)，借助GIS平臺和Linkage Mapper插件，研究區(qū)共提取257條生態(tài)廊道 (圖8左)，生態(tài)廊道總體呈現(xiàn)東部與東南部地區(qū)密集西部與西北部生態(tài)廊道比較稀疏，但是總體來說整個江淮城市群生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)分布均勻。將研究區(qū)生態(tài)源地與土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加分析，可以提取研究區(qū)生態(tài)源地的土地利用類型(圖8右)。

圖8 生態(tài)廊道分布(左)及生態(tài)源地的用地類型(右)圖

生態(tài)源地的用地類型以林地為主，結(jié)合圖7 可以判斷，生態(tài)源地的阻力值分布均勻且整體不大，此外還有一部分是水體和城市建成區(qū)，屬于阻力值較高的區(qū)域。源地7與連片的源地1、2是整個研究區(qū)面積最大的源地，且兩地距離近，之間的景觀阻力小，生境質(zhì)量較高，物種在這兩源地間的遷徙交流可能性較大，源地1、2、7間生態(tài)廊道需要著重維護(hù)管理，但是對于陸生生物來說源地7與源地1、2之間存在著長江天塹，陸生生物的遷徙阻力很大；整體上可看出，重要廊道大部分均與長江流域的源地和淮河流域的源地連接，長江和淮河附近存在著許多源地，是研究區(qū)重要的生態(tài)源地，對魚類以及浮游生物遷徙交流有著重要作用，同時水邊生態(tài)環(huán)境也能為陸生生物提供良好的遷徙環(huán)境，使生物在研究區(qū)內(nèi)部沿著兩條河的支流進(jìn)行南北遷徙，在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)中應(yīng)該重點對長江和淮河以及周邊環(huán)境進(jìn)行保護(hù)，使其在整個生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中既能提高南北兩地生態(tài)源地間的連通度，又能為生物東西向遷移提供臨時棲息環(huán)境，達(dá)到增強整個生態(tài)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的目的。

3.5 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化

研究區(qū)中長江和淮河作為重要生態(tài)源地之一貫通東西，也是天然的生態(tài)廊道并且可以增加研究區(qū)的連通性，應(yīng)該著重維護(hù)，加強河道的保護(hù)和周圍林帶的建設(shè)，從而增強整個生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的完整性和連通性。研究區(qū)西南部、東南部、生態(tài)源地面積大、連通性好，同時包含許多大型森林濕地、重點國家保護(hù)區(qū)等，應(yīng)該在維護(hù)的基礎(chǔ)上加強與周邊小型森林濕地斑塊進(jìn)行連接，從而擴(kuò)大生態(tài)源地面積，促進(jìn)周圍生物的相互交流。但是江淮城市群北部缺少大型的生態(tài)源地，從土地利用現(xiàn)狀圖(圖1) 可以發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域絕大部分為耕地，后期生態(tài)建設(shè)需要加強對林地、水域等自然生態(tài)要素的修護(hù)、提升生境質(zhì)量，穩(wěn)定整個研究區(qū)生態(tài)環(huán)境。

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中交通建設(shè)用地的影響不能忽視，交通建設(shè)用地會阻礙生物遷徙交流的過程，與生態(tài)廊道的相交處容易產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)斷裂，形成生態(tài)斷裂點。結(jié)合研究區(qū)高速公路與鐵路路網(wǎng)，提取生態(tài)斷裂點 3240個(圖9) 。整體上生態(tài)斷裂點集中分布于研究區(qū)東部和北部，在鐵路上的生態(tài)斷裂點有1398個；位于高速公路上的生態(tài)斷裂點有 1842 個。在后期規(guī)劃中通過在斷裂點處預(yù)留充足的生態(tài)環(huán)境空間，提升綠地面積，減少人類活動干擾，建設(shè)生物通行的通道，達(dá)到減少生物因交通導(dǎo)致的死亡概率。

圖9 生態(tài)斷裂點分布

4 結(jié)論與討論

以江淮城市群為研究區(qū)，基于生態(tài)規(guī)劃的視角，采用MSPA方法對研究區(qū)內(nèi)的林地、草地、水域景觀進(jìn)行分析，通過核心區(qū)面積和dPC兩個景觀指數(shù)選取研究區(qū)的生態(tài)源地，并基于MCR模型綜合考慮多種阻力因素，借助綜合指數(shù)加權(quán)法構(gòu)建生態(tài)阻力面，生成研究區(qū)生態(tài)源地間的最小阻力廊道，從系統(tǒng)性角度出發(fā)，根據(jù)生態(tài)源地的實際情況，以最小阻力廊道構(gòu)建起研究區(qū)以“基質(zhì)-源地-廊道”為框架的完整生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。對于保護(hù)江淮城市群的生態(tài)格局和生物多樣性、提升生態(tài)文明建設(shè)質(zhì)量具有一定的指導(dǎo)意義。

研究過程采用更為科學(xué)的方法選取生態(tài)源地，有效避免了人工選取源地中出現(xiàn)的較高誤差，在一定程度上彌補了已有研究的不足。景觀阻力值的設(shè)定是最為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，在設(shè)定阻力值時，選取了部分自然景觀要素，選取的阻力因子較少，這也是今后生態(tài)安全格局研究中需要完善的一部分。其次，在計算景觀連通性時，閾值設(shè)置的科學(xué)性直接影響連通性指數(shù)的計算結(jié)果，是需要進(jìn)一步研究的重要方面。