基于多尺度協(xié)同的長(zhǎng)沙市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與層級(jí)優(yōu)化

盧 潔,焦 勝,2,*,胡加琦,蔡 勇,歐林之

1 湖南大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410082

2 丘陵地區(qū)城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)沙 410082

城市化是一個(gè)在多尺度發(fā)揮作用的過(guò)程[1],由于不同尺度層面人類(lèi)系統(tǒng)和自然系統(tǒng)占據(jù)的空間主體具有內(nèi)在差異性,人類(lèi)系統(tǒng)構(gòu)建的活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生的關(guān)系、作用隨空間尺度的變化也呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性特征[2]。近年來(lái),隨著城市與自然矛盾的日益激烈,國(guó)家對(duì)“生態(tài)安全格局構(gòu)建優(yōu)化”的重視度不斷提高[3],并進(jìn)一步強(qiáng)化了對(duì)生物多樣性的保護(hù)措施[4]。在新的國(guó)土空間規(guī)劃體系下,基于城市化擴(kuò)散特點(diǎn)和不同空間尺度生態(tài)分異規(guī)律,構(gòu)建以層級(jí)傳導(dǎo)和自然資源整體保護(hù)為特征的多尺度、系統(tǒng)性生態(tài)網(wǎng)絡(luò),對(duì)于城市化背景下區(qū)域內(nèi)部復(fù)雜生態(tài)矛盾緩解以及自然生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的整體改善具有重要作用。

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的思想起源于19世紀(jì)的歐美國(guó)家[5],并不斷運(yùn)用于生物多樣性保護(hù)[6]、綠道規(guī)劃[7—8]、生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)[9]等諸多領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代以后,我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究[10],也取得了豐碩成果?？偨Y(jié)既有研究可以發(fā)現(xiàn),國(guó)內(nèi)外生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法主要包括:景觀連通性分析[11—12]、MSPA分析[13—14]、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析[15—17]、MCR模型[18—20]、電路理論[21—22]等,基本上形成了“源地選取—阻力面確定—廊道識(shí)別—節(jié)點(diǎn)優(yōu)化—網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建”這一研究范式,并運(yùn)用到了省域[23]、城市群[24]、市縣域[25—26]、中心城區(qū)[27]等不同空間尺度,為整體生態(tài)安全格局構(gòu)建和自然生態(tài)系統(tǒng)的完整性修復(fù)奠定了基礎(chǔ)。而隨著人類(lèi)社會(huì)系統(tǒng)對(duì)自然生態(tài)環(huán)境影響的不斷深入,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究的主要趨勢(shì)也逐漸從“針對(duì)某一具體物種的生態(tài)遷徙廊道構(gòu)建”轉(zhuǎn)向“自然生境的連通和生物多樣性的整體保護(hù)”[28],部分學(xué)者開(kāi)始從多尺度的視角出發(fā)進(jìn)行生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究,并提出了“尺度嵌套”、“疊合廊道”等概念[29—31],為系統(tǒng)性生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供了新思路。但經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有關(guān)多尺度的研究多集中在都市區(qū)、中心城區(qū)兩個(gè)尺度的自然生態(tài)要素上,較少考慮人類(lèi)要素特別是城市空間發(fā)展與自然生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系,忽略了人類(lèi)系統(tǒng)與自然系統(tǒng)在景觀構(gòu)成、作用機(jī)制等方面的內(nèi)在差異性和二者之間的動(dòng)態(tài)變化性,同時(shí)對(duì)各尺度生態(tài)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)同構(gòu)建和銜接缺少深入探究,難以系統(tǒng)解決由人類(lèi)社會(huì)擴(kuò)張而造成的自然生態(tài)環(huán)境斑塊化、破碎化問(wèn)題,因此在尺度選取、構(gòu)建方法、具體落實(shí)等方面都亟待優(yōu)化。本文選擇人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境干擾較頻繁的大城市及其周邊地區(qū)作為研究對(duì)象,針對(duì)市域、都市區(qū)和中心城區(qū)尺度上的生態(tài)問(wèn)題和景觀基底的差異性來(lái)進(jìn)行多尺度協(xié)同的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,并通過(guò)進(jìn)一步的尺度嵌套和調(diào)整優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)在空間層面的具體落實(shí),從而為城市化背景下區(qū)域內(nèi)部復(fù)雜生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的解決提供有效路徑和方法。

綜上所述,本文結(jié)合現(xiàn)有研究基礎(chǔ),以長(zhǎng)沙市為例,基于LCP、電路理論、層級(jí)傳導(dǎo)理論等方法,提出多尺度協(xié)同的城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與層級(jí)優(yōu)化方案:在大尺度上構(gòu)建區(qū)域整體生態(tài)安全格局;中觀尺度上注重協(xié)調(diào)自然—城市發(fā)展矛盾以及不同尺度生態(tài)網(wǎng)絡(luò)層級(jí)之間的關(guān)系,明確城市生態(tài)空間發(fā)展格局;小尺度上銜接、優(yōu)化城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),確定生態(tài)修復(fù)單元。并通過(guò)生態(tài)源地—廊道—斑塊—空間基底的有機(jī)耦合,來(lái)實(shí)現(xiàn)“市域—都市區(qū)—中心城區(qū)”多尺度生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的整體協(xié)同優(yōu)化。研究結(jié)果可為市域—中心城區(qū)系統(tǒng)性的城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)沙市位于111°53′—114°15′E,27°51′—28°41′N(xiāo)之間,是湖南省省會(huì)、長(zhǎng)株潭城市群中心城市。地處湖南東部偏北,東西兩側(cè)山地環(huán)繞,中部趨于平緩,生物多樣性較為豐富。近年來(lái),隨著城市的擴(kuò)張,原來(lái)的河谷平原城市已發(fā)展成為具有復(fù)雜地形地貌特征的丘陵城市,城市尺度的變化導(dǎo)致長(zhǎng)沙市區(qū)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的矛盾更加復(fù)雜,中心城區(qū)人口密度增大、環(huán)境污染加劇,城市近郊生境破碎化嚴(yán)重,遠(yuǎn)郊地帶隨著交通、聚落的發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)完整性和穩(wěn)定性下降。基于此,長(zhǎng)沙市政府出臺(tái)了相關(guān)生態(tài)保護(hù)政策,而構(gòu)建多尺度協(xié)同的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)將對(duì)其整體生態(tài)環(huán)境改善具有重要作用。本文根據(jù)《長(zhǎng)沙市國(guó)土空間總體規(guī)劃(2021—2035年)》,將研究區(qū)劃分為3個(gè)尺度(圖1),其中市域尺度總面積為11816 km2,包括芙蓉區(qū)、天心區(qū)、開(kāi)福區(qū)、雨花區(qū)、岳麓區(qū)、望城區(qū)、長(zhǎng)沙縣、寧鄉(xiāng)市和瀏陽(yáng)市(6區(qū)3縣(市));都市區(qū)面積3903 km2,位于市域中部,含芙蓉區(qū)、天心區(qū)、岳麓區(qū)、開(kāi)福區(qū)、雨花區(qū)、望城區(qū)和長(zhǎng)沙縣地區(qū)(6區(qū)1縣);中心城區(qū)面積約為1143 km2,主要為都市區(qū)中部的城市建設(shè)用地集中區(qū)。

圖1 研究區(qū)范圍Fig.1 The location of the study area

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括:(1)2020年長(zhǎng)沙市土地利用數(shù)據(jù),空間分辨率為30 m,源自地理空間數(shù)據(jù)云:http://www.gscloud.cn,通過(guò)ENVI 5.3軟件結(jié)合目視解譯法獲得;(2)長(zhǎng)沙市道路數(shù)據(jù),來(lái)源于OpenStreetMap:http://www.openstreetmap.org;(3)DEM高程數(shù)據(jù),來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái):http://www.gscloud.cn;(4)歸一化植被指數(shù),采用Landsat 8影像數(shù)據(jù),基于ENVI 5.3處理獲得;(5)夜間燈光數(shù)據(jù),來(lái)源于珞珈一號(hào)夜光遙感衛(wèi)星:http://59.175.109.173:8888/app/login.html;(6)長(zhǎng)沙市相關(guān)規(guī)劃資料,來(lái)源于長(zhǎng)沙市人民政府網(wǎng)站(http://www.changsha.gov.cn)、長(zhǎng)沙市自然資源與規(guī)劃局及文獻(xiàn)查閱。

2.2 研究方法

2.2.1生態(tài)源地的分層識(shí)別

(1)市域生態(tài)源地識(shí)別

市域生態(tài)源地對(duì)于區(qū)域內(nèi)部生態(tài)總量的把控、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的維持和生物多樣性保護(hù)具有重要作用。在各類(lèi)土地利用類(lèi)型中,大面積水體和林地是生物的集中棲息地[32—33],常作為生態(tài)源地備選區(qū)。為保證上一層級(jí)尺度的連續(xù)性并消除行政區(qū)域?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響,參考Koen等[34]的研究,對(duì)市域外部設(shè)置3 km的緩沖區(qū)作為市域源地的綜合選擇范圍,并采用“MSPA+Conefor連通性檢驗(yàn)”的方法對(duì)市域生態(tài)斑塊進(jìn)行篩選[35]。MSPA是利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理對(duì)柵格圖像進(jìn)行空間格局功能類(lèi)型劃分的一種方法,能夠從空間形態(tài)和連通性角度識(shí)別重要斑塊,從而為生態(tài)源地的選取提供科學(xué)依據(jù)[36—37]。首先通過(guò)MSPA分析,結(jié)合研究區(qū)基本現(xiàn)狀,初步篩選出面積排名前30的生態(tài)斑塊作為市域尺度的備選源地;接下來(lái)參考相關(guān)文獻(xiàn)[25,37]并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際,運(yùn)用Conefor 2.6軟件將連通距離閾值設(shè)置為1500 m,連通概率設(shè)為0.5,對(duì)其進(jìn)行斑塊連通性指數(shù)(dPC)計(jì)算。其中,dPC大于0.5的生態(tài)斑塊作為市域一級(jí)生態(tài)源地,dPC小于0.5的生態(tài)斑塊作為市域二級(jí)生態(tài)源地。

(2)都市區(qū)生態(tài)源地識(shí)別

都市區(qū)生態(tài)源地更側(cè)重于對(duì)跨尺度的層級(jí)傳導(dǎo)和城市整體生態(tài)安全的保護(hù),需綜合考慮生態(tài)流通性、空間布局均衡性、整體生態(tài)效益和生態(tài)需求等因素。結(jié)合尺度推繹理論[38],位于都市區(qū)內(nèi)的市域生態(tài)源地是都市區(qū)生境質(zhì)量最高、面積最大且連通性最好的生態(tài)斑塊[39],因此首先利用ArcGIS 10.5軟件中的“距離選擇”工具,提取出都市區(qū)內(nèi)的市域生態(tài)源地(即兩尺度間的生態(tài)疊合源地)作為都市區(qū)一級(jí)生態(tài)源地。在都市區(qū)二級(jí)生態(tài)源地選取上,以100 hm2作為源地提取的最小面積閾值剔除零碎斑塊,結(jié)合都市區(qū)生態(tài)斑塊功能的特殊性并參考相應(yīng)文獻(xiàn)[29—30],選取斑塊形狀指數(shù)S、市域源地的成本加權(quán)距離(Cost Weighted Distance,CWD)、夜間燈光數(shù)據(jù)、斑塊連通性指數(shù)(dPC)進(jìn)行生態(tài)斑塊的重要性評(píng)價(jià);按照“自然斷點(diǎn)法”分類(lèi)并等價(jià)相加得到生態(tài)斑塊的重要性分級(jí),選取“重要”、“較重要”兩級(jí)生態(tài)斑塊作為都市區(qū)的二級(jí)生態(tài)源地,最后通過(guò)實(shí)地調(diào)研進(jìn)一步論證結(jié)果準(zhǔn)確性。其中,斑塊形狀指數(shù)可以用來(lái)計(jì)算斑塊形狀復(fù)雜程度[38],見(jiàn)公式(1);市域源地成本加權(quán)距離(CWD)是指每個(gè)像元距離最近源地的成本加權(quán)距離[40],可在空間上反映出都市區(qū)生態(tài)流通成本的分布情況;經(jīng)計(jì)算,市域源地成本加權(quán)距離(CWD)結(jié)合夜間燈光數(shù)據(jù)能較好反映出都市區(qū)內(nèi)部的生態(tài)需求情況;斑塊連通性指數(shù)可計(jì)算斑塊的生態(tài)連通性。

斑塊形狀指數(shù)計(jì)算公式如下:

(1)

式中,S為斑塊形狀指數(shù),P為斑塊周長(zhǎng)(m),A為斑塊面積(m2)。斑塊形狀指數(shù)S的值越小,表明斑塊越規(guī)則,斑塊重要性越突出。

2.2.2生態(tài)阻力面的層級(jí)構(gòu)建

生態(tài)阻力面能直觀反映出區(qū)域內(nèi)生態(tài)因子整體流通情況。由于尺度效應(yīng)的存在,不同尺度下的自然環(huán)境條件和人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度會(huì)存在差異,影響物種遷移的因子也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化,因此,生態(tài)阻力面構(gòu)建既有區(qū)域整體環(huán)境的相通性,又有隨尺度變化的差異性。在從市域往中心城區(qū)尺度推繹的過(guò)程中,隨著人類(lèi)活動(dòng)逐漸增強(qiáng),生態(tài)阻力不斷加大,影響其主要構(gòu)成因子也不盡相同,需要考慮不同尺度間的聯(lián)系來(lái)進(jìn)行阻力面的層級(jí)構(gòu)建。研究參考諸多學(xué)者對(duì)不同尺度生態(tài)阻力因子的選取和賦值情況[16—23],分別得到單個(gè)尺度層面阻力因子的主要類(lèi)型和影響權(quán)重,通過(guò)進(jìn)一步分析、運(yùn)算,在整合、梳理上一層級(jí)整體生態(tài)阻力情況和目標(biāo)層級(jí)其他阻力因子基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合構(gòu)建(圖2);并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際,擬定出市域—中心城區(qū)不同尺度下的生態(tài)阻力值(表1),最終通過(guò)權(quán)重計(jì)算,得到不同層級(jí)尺度下的生態(tài)阻力面。

表1 市域-中心城區(qū)生態(tài)阻力因子等級(jí)及其權(quán)重Table 1 factor grade and its weight of ecological resistance factors from urban area to central urban area

圖2 市域—中心城區(qū)生態(tài)阻力因子構(gòu)成分析Fig.2 Analysis on the composition of ecological resistance factors from urban area to central urban area

2.2.3多尺度協(xié)同的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與層級(jí)優(yōu)化

(1)基于LCP和電路理論的市域、都市區(qū)生態(tài)廊道綜合模擬

由于不同空間尺度下的生態(tài)阻力面不同,生態(tài)廊道的計(jì)算方法也存在一定差異。在市域和都市區(qū)空間尺度下,考慮到自然基底對(duì)相應(yīng)區(qū)域的貢獻(xiàn)度相比于城市基底仍占較大優(yōu)勢(shì),因此其廊道的構(gòu)建方法具有一定的相似性。經(jīng)過(guò)不同計(jì)算方法的運(yùn)算和比較,市域和都市區(qū)層面采用LCP和電路理論的方法,通過(guò)Circuitscape工具中的Linkage Mapper插件來(lái)進(jìn)行生態(tài)廊道的綜合模擬。Linkage Mapper插件結(jié)合電路理論能夠模擬物種隨機(jī)游走的特性,并計(jì)算出生態(tài)遷徙的多種可能性和最優(yōu)路徑[41—42],避免了操作過(guò)程中的復(fù)雜性和數(shù)據(jù)冗余性。同時(shí),其Pinchpoint Mapper模塊和Barrier Mapper模塊可分別反應(yīng)路徑上生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn)的總體情況。其中,生態(tài)夾點(diǎn)指的是生物在廊道遷徙中通過(guò)的可能性較高或者無(wú)其他代替路徑的區(qū)域[43];生態(tài)障礙點(diǎn)是指生態(tài)要素在廊道運(yùn)動(dòng)中易受到阻礙、通過(guò)合理修復(fù)其連通性會(huì)大大增強(qiáng)的區(qū)域[44]。利用Linkage Mapper插件對(duì)生態(tài)廊道、生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn)的綜合計(jì)算,能夠反應(yīng)研究區(qū)內(nèi)生物的總體遷徙情況,從而為多尺度協(xié)同的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和優(yōu)化提出針對(duì)性策略。

(2)市域、都市區(qū)協(xié)同的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)嵌套與層級(jí)優(yōu)化

通過(guò)將市域、都市區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)有機(jī)銜接,能夠形成不同尺度的“空間嵌套體”[45],實(shí)現(xiàn)整體生態(tài)空間格局的優(yōu)化和跨尺度生態(tài)效能的傳遞。由于本文在進(jìn)行生態(tài)源地的選取、生態(tài)阻力面的構(gòu)建上較好考慮了尺度推繹和空間傳導(dǎo),因此在進(jìn)行生態(tài)網(wǎng)絡(luò)嵌套時(shí)具有較好的匹配性。研究首先利用ArcGIS 10.5軟件提取出市域和都市區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中互相穿插、疊合的生態(tài)廊道作為跨尺度基礎(chǔ)上的生態(tài)疊合廊道,并結(jié)合不同尺度下不同寬度廊道的生物流通特性[46],賦予市域廊道核心保護(hù)寬度600 m、生態(tài)疊合廊道400 m、都市區(qū)廊道100 m。同時(shí),通過(guò)對(duì)市域、都市區(qū)尺度生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行分類(lèi)提取,選擇數(shù)值最大的一類(lèi)斑塊作為生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn),并與兩尺度生態(tài)廊道核心保護(hù)范圍疊置,以識(shí)別出生態(tài)核心保護(hù)廊道上的生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)和修復(fù)。另外,考慮到部分生態(tài)斑塊間的生態(tài)廊道距離較長(zhǎng),在實(shí)際過(guò)程中受周邊干擾因素影響容易發(fā)生斷裂,將與生態(tài)廊道相交的生態(tài)斑塊作為生態(tài)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性保護(hù)。最后,通過(guò)對(duì)兩尺度生態(tài)要素有機(jī)整合,實(shí)現(xiàn)在不同空間尺度下由“點(diǎn)—線—面”抽象生態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向“斑—廊—基”實(shí)體生態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的跨越,并為中心城區(qū)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建打下基礎(chǔ)。

(3)基于層級(jí)傳導(dǎo)與生態(tài)阻力的中心城區(qū)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

中心城區(qū)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是對(duì)市域、都市區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的延續(xù),又具有人化的特點(diǎn);與純自然生態(tài)網(wǎng)絡(luò)相比,中心城區(qū)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)主要服務(wù)于人類(lèi)城市[47],且受城市基質(zhì)環(huán)境間的相互影響而呈現(xiàn)出非穩(wěn)定狀態(tài)[48],生態(tài)阻力較大,生態(tài)物種遷移主要以適城性動(dòng)植物為主,在空間上缺乏連續(xù)性。因此,中心城區(qū)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建需要結(jié)合上一層級(jí)的自然生態(tài)網(wǎng)絡(luò)和城市內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)綜合探討。研究基于生態(tài)過(guò)程中能量與物質(zhì)流動(dòng)的連續(xù)性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的空間輻射效應(yīng)[49],通過(guò)ArcGIS 10.5距離選擇工具,識(shí)別出與上層級(jí)生態(tài)廊道相交的城市道路,并結(jié)合現(xiàn)有綠色基礎(chǔ)設(shè)施和中心城區(qū)空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行篩選、銜接,得到中心城區(qū)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)和重要生態(tài)綠道;進(jìn)而通過(guò)重要生態(tài)綠道劃分中心城區(qū)內(nèi)部生態(tài)修復(fù)單元,同時(shí)結(jié)合中心城區(qū)生態(tài)阻力面,利用ArcGIS 10.5“以表格顯示分區(qū)統(tǒng)計(jì)”工具提取生態(tài)修復(fù)單元內(nèi)部的平均生態(tài)阻力值,并對(duì)其進(jìn)行等級(jí)劃分;最后,結(jié)合上一層級(jí)生態(tài)廊道在中心城區(qū)的生態(tài)障礙點(diǎn)和生態(tài)夾點(diǎn)進(jìn)一步落實(shí)、優(yōu)化。

3 結(jié)果與分析

3.1 市域、都市區(qū)生態(tài)源地識(shí)別

結(jié)合MSPA分析和Conefer連通性檢驗(yàn),共提取市域生態(tài)源地30個(gè),總面積為4706 km2,占市域緩沖區(qū)范圍的33%。其中,市域1級(jí)生態(tài)源地14個(gè),2級(jí)生態(tài)源地16個(gè)。提取出與都市區(qū)相交的市域生態(tài)源地共14個(gè),作為都市區(qū)1級(jí)生態(tài)源地(生態(tài)疊合源地),面積約占都市區(qū)總面積的11.9%;通過(guò)生態(tài)斑塊重要性評(píng)價(jià)(圖3),共獲得都市區(qū)2級(jí)生態(tài)源地22個(gè),總面積約為111.7 km2,約占都市區(qū)總面積的2.86%。整體來(lái)看,市域1級(jí)生態(tài)源地主要分布在瀏陽(yáng)市中東部地區(qū)和寧鄉(xiāng)市西側(cè),生態(tài)源地連通性較好;市域2級(jí)生態(tài)源地主要分布在市域中部,受人類(lèi)活動(dòng)的影響整體破碎程度較高,需加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)和修復(fù)。都市區(qū)1級(jí)生態(tài)源地主要分布在都市區(qū)四周,承擔(dān)著市域—都市區(qū)尺度間的生態(tài)連通功能和尺度傳導(dǎo)功能,對(duì)維持都市區(qū)內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)的完整性和可持續(xù)性具有重要意義;都市區(qū)2級(jí)生態(tài)源地受城市用地?cái)U(kuò)張的影響,主要以單獨(dú)的自然山體或水體斑塊存在,與生態(tài)源地連通性較弱,但對(duì)城區(qū)生態(tài)服務(wù)功能較強(qiáng),需要在重新恢復(fù)生態(tài)連通性的基礎(chǔ)上,結(jié)合城市發(fā)展的需求重點(diǎn)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)和保護(hù)(圖4)。

圖3 都市區(qū)生態(tài)斑塊綜合評(píng)價(jià)Fig.3 Comprehensive evaluation of ecological patches in metropolitan area

圖4 市域、都市區(qū)生態(tài)源地識(shí)別Fig.4 Extraction of ecological sources in urban area and metropolitan area

3.2 生態(tài)阻力面構(gòu)建

通過(guò)對(duì)各層級(jí)單因子阻力值進(jìn)行分析、計(jì)算,并結(jié)合自然斷點(diǎn)法將結(jié)果劃分為“高、較高、中、較低、低”五級(jí),分別得到市域、都市區(qū)、中心城區(qū)三個(gè)空間尺度的生態(tài)阻力面(圖5)。從圖中可以看出,市域—中心城區(qū)尺度推繹過(guò)程中,生態(tài)阻力總體上不斷加大,人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度增加。其中,市域生態(tài)阻力面主要反映人類(lèi)活動(dòng)與自然生態(tài)環(huán)境間的關(guān)系,鄉(xiāng)村和城市聚落生態(tài)阻力值較大;山林地帶生態(tài)阻力值整體較低,但仍存在由交通等因素導(dǎo)致的帶狀高阻力區(qū)。都市區(qū)阻力面?zhèn)戎赜隗w現(xiàn)城市在擴(kuò)張過(guò)程中與周邊自然生境的矛盾,高阻力區(qū)主要集中在都市區(qū)內(nèi)部的中心城區(qū)以及受交通等因素影響的周邊地區(qū);而低阻力區(qū)破碎化嚴(yán)重。中心城區(qū)阻力面整體反映了城區(qū)內(nèi)部生態(tài)需求程度,低阻力區(qū)呈點(diǎn)狀分布在城區(qū)周邊;越往城區(qū)內(nèi)部,其生態(tài)阻力值越大,生態(tài)需求度越高,越需要采取相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境改善措施。

圖5 市域、都市區(qū)和中心城區(qū)生態(tài)阻力面Fig.5 Ecological resistance surfaces of the urban area, metropolitan area and central urban area

3.3 多尺度生態(tài)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同構(gòu)建與優(yōu)化

(1)市域—都市區(qū)生態(tài)廊道構(gòu)建

結(jié)合Linkage Mapper進(jìn)一步計(jì)算,共得到市域重要生態(tài)廊道59條、潛在生態(tài)廊道13條;都市區(qū)重要生態(tài)廊道82條、潛在生態(tài)廊道43條(圖6);疊合市域和都市區(qū)生態(tài)廊道可知,兩尺度生態(tài)廊道存在較好的空間嵌套性。得到兩尺度生態(tài)夾點(diǎn)聚集區(qū)主要呈狹長(zhǎng)帶狀分布,用地類(lèi)型為街頭綠地、濱河綠帶等周?chē)苋祟?lèi)影響較大的地區(qū);生態(tài)障礙點(diǎn)整體數(shù)量較多,多集中在設(shè)施用地、工業(yè)用地等地表硬質(zhì)化程度較高、人類(lèi)活動(dòng)較多的區(qū)域,對(duì)生態(tài)廊道干擾和破壞性較大,需進(jìn)一步優(yōu)化生態(tài)廊道內(nèi)部節(jié)點(diǎn)來(lái)提升其連通性能(圖7)。

圖6 市域和都市區(qū)生態(tài)廊道Fig.6 Ecological corridors in urban area and metropolitan area

圖7 市域、都市區(qū)生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn)識(shí)別Fig.7 Identification of ecological pinch points and barrier points in urban area and metropolitan area

(2)市域—都市區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建與層級(jí)優(yōu)化

在梳理市域、都市區(qū)生態(tài)廊道基礎(chǔ)上,共提取出生態(tài)疊合廊道15條,主要集中在城市中心區(qū)外圍的城郊地區(qū)和湘江、瀏陽(yáng)河部分河段,呈現(xiàn)出“外環(huán)內(nèi)楔”的空間格局。通過(guò)賦予各尺度廊道相應(yīng)寬度,得到市域重要廊道、市域潛在廊道、生態(tài)疊合廊道、都市區(qū)重要廊道、都市區(qū)潛在廊道核心保護(hù)面積分別為215.52、127.39、113.31、31.25、13.67 km2,共501.14 km2,約占市域總面積的4.2%。得到位于生態(tài)廊道核心保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的市域生態(tài)夾點(diǎn)共122個(gè)、都市區(qū)176個(gè)、兩尺度疊合生態(tài)夾點(diǎn)71個(gè),市域生態(tài)障礙點(diǎn)121個(gè)、都市區(qū)130個(gè)、兩尺度疊合障礙點(diǎn)54個(gè)(圖8)。其中,面積較大的生態(tài)夾點(diǎn)主要分布在中心城區(qū)的瀏陽(yáng)河、撈刀河河段,需進(jìn)一步擴(kuò)寬濱河綠帶,進(jìn)行河岸修復(fù)。生態(tài)障礙點(diǎn)主要分布在中心城區(qū),受硬質(zhì)地表、交通設(shè)施、建構(gòu)筑物等影響,應(yīng)結(jié)合中心城區(qū)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步修復(fù)或補(bǔ)充新的生態(tài)踏腳石。同時(shí),識(shí)別與生態(tài)廊道相交的生態(tài)斑塊作為生態(tài)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)。

圖8 市域—都市區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建與優(yōu)化Fig.8 Construction and optimization of ecological network system from urban area to metropolitan area

(3)中心城區(qū)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

結(jié)合區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)、道路和現(xiàn)有綠色基礎(chǔ)設(shè)施,得到與上層級(jí)生態(tài)廊道相銜接的中心城區(qū)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)和重要生態(tài)綠道,其中位于中心城區(qū)范圍內(nèi)的重要生態(tài)綠道長(zhǎng)度為441.2 km。將重要生態(tài)綠道與中心城區(qū)空間基底銜接,共劃分為56個(gè)生態(tài)修復(fù)單元,平均面積為20.4 km2,平均阻力值在34.05—73.21之間,按照自然斷點(diǎn)法將其分成5類(lèi),并與上層級(jí)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)嵌套,得到中心城區(qū)生態(tài)修復(fù)單元(圖9)。整體來(lái)看,5類(lèi)生態(tài)修復(fù)單元在空間上存在較為明顯的規(guī)律性特征,與上層級(jí)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)、中心城區(qū)生態(tài)本底相契合,能夠較好反映中心城區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀。其中,第1類(lèi)生態(tài)修復(fù)單元主要分布在河?xùn)|商務(wù)區(qū)、星馬副中心片區(qū)等城市中心地帶,無(wú)上層級(jí)生態(tài)廊道穿過(guò),建筑密度較大、樓層較高,綠地較少,生態(tài)修復(fù)難度最大,需重點(diǎn)增加綠地空間;第2—3類(lèi)生態(tài)修復(fù)單元分布在第1類(lèi)周邊,修復(fù)難度相比第1類(lèi)小,但有市域、都市區(qū)重要生態(tài)廊道穿過(guò),應(yīng)加強(qiáng)對(duì)生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn)的保護(hù)和修復(fù);第4—5類(lèi)主要為城市新開(kāi)發(fā)區(qū)或預(yù)備開(kāi)發(fā)區(qū),建筑整體密度較低,且存留了大量自然斑塊,但與周邊自然生境的矛盾較為激烈,需合理處理與生態(tài)空間的關(guān)系,并重點(diǎn)保護(hù)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系和修復(fù)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

圖9 市域—中心城區(qū)多尺度協(xié)同的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建Fig.9 Construction of multi-scale collaborative ecological network system from urban area to central urban area

3.4 長(zhǎng)沙市多尺度生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間保護(hù)與修復(fù)建議

基于不同層級(jí)下自然生態(tài)環(huán)境與人類(lèi)活動(dòng)的矛盾,通過(guò)對(duì)長(zhǎng)沙市不同尺度生態(tài)源地、廊道和節(jié)點(diǎn)斑塊的銜接、嵌套,得到長(zhǎng)沙市多尺度協(xié)同的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建體系,并提出了長(zhǎng)沙市多尺度生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間保護(hù)和修復(fù)建議(圖10):

圖10 長(zhǎng)沙市多尺度生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間保護(hù)與修復(fù)建議Fig.10 Suggestions on the protection and restoration of multi-scale ecological network space in Changsha

(1)長(zhǎng)沙市域通過(guò)自然本底中生態(tài)總量的把控,重點(diǎn)構(gòu)建市域總體生態(tài)安全格局,保護(hù)涵蓋溈山山系、九嶺山系、連云山系和湘江河段等在內(nèi)的長(zhǎng)沙市域大面積生態(tài)源地,并結(jié)合國(guó)家森林公園、自然保護(hù)區(qū)等劃定生態(tài)保護(hù)范圍和緩沖區(qū)范圍,加強(qiáng)對(duì)豹、黑熊、牙獐、角雉等重要生態(tài)物種的保護(hù)。同時(shí),通過(guò)構(gòu)建生態(tài)廊橋或隧道等方式恢復(fù)由于人類(lèi)交通網(wǎng)絡(luò)割裂的重要生物通道,并保護(hù)廊道內(nèi)部的自然生境斑塊,以促進(jìn)生態(tài)源地之間的連通,從而維持市域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和區(qū)域內(nèi)部生物的多樣性。

(2)長(zhǎng)沙市都市區(qū)重點(diǎn)協(xié)同自然生態(tài)本底和人類(lèi)空間發(fā)展之間的關(guān)系,通過(guò)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建劃定城市生態(tài)空間發(fā)展格局,從而控制中心城區(qū)的無(wú)序擴(kuò)張。重點(diǎn)保護(hù)跨尺度的生態(tài)疊合源地和生態(tài)疊合廊道,包括幕阜山系、黑麋峰國(guó)家森林公園、長(zhǎng)株潭綠心、大石壩森林公園、象鼻窩森林公園以及瀏陽(yáng)河、撈刀河水系等;同時(shí)加強(qiáng)對(duì)都市區(qū)內(nèi)部其他生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)和修復(fù)。

(3)長(zhǎng)沙市中心城區(qū)結(jié)合市域、都市區(qū)生態(tài)廊道,構(gòu)建綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)修復(fù)內(nèi)部生態(tài)空間。重要生態(tài)綠道主要包括長(zhǎng)沙繞城高速、二環(huán)路等交通干道周邊的防護(hù)綠帶和道路綠地,交通干擾較大,需加寬干道兩側(cè)綠帶,恢復(fù)綠道內(nèi)部生態(tài)物種,并串聯(lián)其周邊公園、濕地等生態(tài)要素,進(jìn)而完善生態(tài)綠地網(wǎng)絡(luò)。生態(tài)修復(fù)單元應(yīng)采取增加屋頂花園、立體綠化、街頭綠地以及恢復(fù)自然生境等方式進(jìn)行針對(duì)性改善,其中生態(tài)修復(fù)單元級(jí)別越高、生態(tài)阻力越大的地區(qū),需進(jìn)行重點(diǎn)修復(fù)。中心城區(qū)內(nèi)部大型生態(tài)障礙斑塊主要分布在谷山—岳麓山片區(qū),在結(jié)合城市生態(tài)修復(fù)單元和空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,應(yīng)增加綠道、開(kāi)敞空間等“踏腳石”斑塊來(lái)提升廊道的連通性;同時(shí)保護(hù)和恢復(fù)存在大型生態(tài)夾點(diǎn)斑塊的瀏陽(yáng)河、撈刀河及其他水系的自然河岸。

4 討論

區(qū)域景觀環(huán)境現(xiàn)狀以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的差異會(huì)對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建產(chǎn)生重要影響[50—51],而我國(guó)城市化進(jìn)程的推動(dòng)加劇了區(qū)域內(nèi)部不同尺度上景觀過(guò)程和功能的分異[52—53],因此,系統(tǒng)性生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究既需要打破傳統(tǒng)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)在行政邊界和空間尺度上的制約,針對(duì)不同尺度上的景觀特征進(jìn)行適應(yīng)性構(gòu)建,又需要注重不同網(wǎng)絡(luò)層級(jí)之間的銜接以最終形成完整的生態(tài)修復(fù)體系[54]。本文通過(guò)對(duì)長(zhǎng)沙市域不同尺度的分析,基于不同手段對(duì)其進(jìn)行了多尺度生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同構(gòu)建和層級(jí)優(yōu)化。與同類(lèi)型的研究相比,本文的創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)結(jié)合市域—中心城區(qū)不同景觀特征進(jìn)行多尺度協(xié)同的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。論文通過(guò)對(duì)城市化擴(kuò)散所導(dǎo)致的景觀差異進(jìn)行分析,在市域、都市區(qū)尺度上分別采用“MSPA+景觀連通性分析”、斑塊重要性評(píng)價(jià)等方法進(jìn)行生態(tài)源地識(shí)別,并結(jié)合不同尺度下生態(tài)阻力的構(gòu)成因素進(jìn)行多尺度阻力面的層級(jí)嵌套,最后將不同層級(jí)自然生態(tài)網(wǎng)絡(luò)和中心城區(qū)的人工生態(tài)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,有利于系統(tǒng)解決由城市化導(dǎo)致的自然生境破碎化問(wèn)題。(2)基于逐級(jí)的尺度推繹和層級(jí)傳導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)各尺度間生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的銜接和優(yōu)化。研究考慮了影響上下級(jí)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通的關(guān)鍵性要素,通過(guò)對(duì)尺度間生態(tài)疊合要素的分析構(gòu)建了市域—都市區(qū)生態(tài)疊合網(wǎng)絡(luò);并以都市區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),識(shí)別出與都市區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)相銜接的城市生態(tài)綠道,來(lái)實(shí)現(xiàn)從市域—都市區(qū)自然生態(tài)網(wǎng)絡(luò)向中心城區(qū)人工生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)變。(3)與多層級(jí)國(guó)土空間規(guī)劃結(jié)合來(lái)進(jìn)行多尺度生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的具體落實(shí)。研究通過(guò)各尺度生態(tài)廊道核心保護(hù)寬度的賦予和生態(tài)要素的有機(jī)整合,基于不同尺度生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)應(yīng)用并落實(shí)到多層級(jí)的國(guó)土空間規(guī)劃體系中,從而為國(guó)土空間規(guī)劃體系下系統(tǒng)性的生態(tài)修復(fù)和國(guó)土空間保護(hù)新格局的構(gòu)建提供借鑒和思考。

經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研究,本文仍存在以下需要完善的地方:在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建上,研究考慮了部分重要水系對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的影響,但并未將整個(gè)水系網(wǎng)絡(luò)納入,后期可結(jié)合流域單元形成更加完整的生態(tài)網(wǎng)絡(luò);同時(shí),對(duì)于中心城區(qū)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建,目前僅從與上層級(jí)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的銜接和片區(qū)的生態(tài)修復(fù)上進(jìn)行了探討,未來(lái)可在此基礎(chǔ)上結(jié)合生態(tài)空間效益和需求進(jìn)一步完善。

5 結(jié)論

多尺度協(xié)同的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建是基于人類(lèi)活動(dòng)在不同空間尺度上對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)造成的破壞而采取的綜合性解決方案。論文從以自然本底為主的市域尺度出發(fā),通過(guò)逐級(jí)的尺度推繹和網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同構(gòu)建,最后落實(shí)到以人工基底為主的中心城區(qū)生態(tài)修復(fù)單元,實(shí)現(xiàn)了多尺度協(xié)同的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和層級(jí)優(yōu)化。研究共識(shí)別長(zhǎng)沙市域生態(tài)源地30個(gè)、都市區(qū)36個(gè),其中生態(tài)疊合源地14個(gè),疊合面積464 km2,主要位于中心城區(qū)外圍,承擔(dān)著尺度間重要的生態(tài)連通功能;識(shí)別市域生態(tài)廊道72條、都市區(qū)125條,通過(guò)兩尺度嵌套與層級(jí)優(yōu)化提取生態(tài)疊合廊道15條;確定市域重要廊道、市域潛在廊道、生態(tài)疊合廊道、都市區(qū)重要廊道、都市區(qū)潛在廊道的核心保護(hù)面積分別為215.52、127.39、113.31、31.25、13.67 km2,并結(jié)合生態(tài)廊道核心保護(hù)范圍提取生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙斑塊;提取中心城區(qū)重要生態(tài)綠道長(zhǎng)度441.2 km,結(jié)合生態(tài)阻力面構(gòu)建中心城區(qū)5級(jí)生態(tài)修復(fù)單元。最后結(jié)合多層級(jí)的國(guó)土空間規(guī)劃體系和多尺度的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間,構(gòu)建市域總體生態(tài)安全格局、都市區(qū)城市生態(tài)空間發(fā)展格局和以城市綠道為基礎(chǔ)的中心城區(qū)生態(tài)修復(fù)單元,從而為自然—人工系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展以及系統(tǒng)性的城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建提供科學(xué)參考。