袁逸敏 李沛鴻 熊凡
摘要 以基于形態(tài)學(xué)空間格局分析法(MSPA)和景觀連通性指數(shù)識(shí)別確定生態(tài)核心區(qū)斑塊,通過(guò)最小累積阻力模型(MCR)創(chuàng)建生態(tài)源地間的連接廊道,并且根據(jù)電路理論識(shí)別連接廊道中的生態(tài)夾點(diǎn),由生態(tài)源地、生態(tài)廊道和生態(tài)夾點(diǎn)共同構(gòu)建贛州市綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果表明,MSPA能夠依靠土地利用數(shù)據(jù)將研究區(qū)分成不同景觀功能的景觀要素類型,基于Conefor軟件計(jì)算的各斑塊的斑塊重要性指數(shù)可以有效地篩選出重要的核心斑塊作為生態(tài)源地,使生態(tài)源地的識(shí)別更符合景觀生態(tài)學(xué)意義。最終篩選出共12個(gè)生態(tài)源地,總面積1 421 307.54 hm2,生成生態(tài)廊道25條。結(jié)合景觀學(xué)和電路理論,以GIS平臺(tái)為基礎(chǔ)構(gòu)建的綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)橼M州市綠色基礎(chǔ)設(shè)施完善、物種多樣性保護(hù)與生態(tài)空間合理規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。
關(guān)鍵詞 形態(tài)學(xué)空間格局分析;景觀連通性;綠色基礎(chǔ)設(shè)施;電路理論
中圖分類號(hào) TU984? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A
文章編號(hào) 0517-6611(2023)12-0015-06
doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2023.12.003
Construction of Green Infrastructure Network in Ganzhou City Based on MSPA and Circuit Theory
YUAN Yi-min,LI Pei-hong,XIONG Fan
(School of Civil and Surveying & Mapping Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou,Jiangxi 341000)
Abstract The patches in the ecological core area were identified based on morphological spatial pattern analysis (MSPA) and landscape connectivity index, and the connecting corridors between ecological sources were created through the minimum cumulative resistance model (MCR). The ecological pinch points in the connecting corridors were identified according to the circuit theory, and the green infrastructure network of Ganzhou City was constructed by ecological sources, ecological corridors and ecological pinch points.The results showed that MSPA analysis method could divide the research into landscape elements with different landscape functions based on land use data, the patch importance index of each patch calculated by Conefor software could effectively screen out the important core patches as ecological sources,which made the identification of ecological sources more consistent with the significance of landscape ecology.Finally,a total of 12 ecological sources were screened,with a total area of 1 421 307.54 hm2,and 25 ecological corridors were generated.Combining landscape science and circuit theory,the green infrastructure network constructed based on GIS platform can provide scientific basis for improving green infrastructure,protecting species diversity and rational planning of ecological space in Ganzhou City.
Key words Morphological spatial pattern analysis (MSPA);Landscape connectivity;Green infrastructure;Circuit theory
基金項(xiàng)目 國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(202010407010)。
作者簡(jiǎn)介 袁逸敏(1998—),女,安徽銅陵人,碩士研究生,研究方向:綠色基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃。*通信作者,教授,碩士生導(dǎo)師,從事工程測(cè)量、遙感影像處理研究。
收稿日期 2022-07-07
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,資源開(kāi)發(fā)、工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的生態(tài)問(wèn)題也逐漸突顯出來(lái)。生態(tài)斑塊面積減小和破碎化造成了景觀連通性降低,不利于保護(hù)生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。近年來(lái),國(guó)家強(qiáng)調(diào)綠水青山就是金山銀山的理念,要求努力做到生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展[1]。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化成為可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。
綠色基礎(chǔ)設(shè)施(green infrastructure,GI)是指一個(gè)相互聯(lián)系的綠色空間網(wǎng)絡(luò),由各種開(kāi)敞空間和自然區(qū)域組成,包括綠道、濕地、雨水花園、森林、鄉(xiāng)土植被等,這些要素組成一個(gè)相互聯(lián)系、有機(jī)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可為野生動(dòng)物遷徙和生態(tài)過(guò)程提供起點(diǎn)和終點(diǎn)。國(guó)外已將GI網(wǎng)絡(luò)作為維持生態(tài)平衡、保護(hù)生態(tài)安全格局的重要方法[2-3]。
國(guó)內(nèi)圍繞GI構(gòu)建方法進(jìn)行了許多研究,如許峰等[4]根據(jù)形態(tài)學(xué)空間格局分析法(MSPA)和最小累積阻力模型(MCR)構(gòu)建了巴中西部新城GI網(wǎng)絡(luò),為高度破碎化地區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供了重要的參考;李怡等[5]基于InVEST模型進(jìn)行生態(tài)源地及其緩沖區(qū)識(shí)別,并以奉新縣為例,從縣域尺度上對(duì)生態(tài)安全格局建設(shè)和生態(tài)保護(hù)紅線優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了合理建議;李瑾等[6]基于ArcGIS水文分析工具,以常州市金壇區(qū)為例,構(gòu)建生境網(wǎng)絡(luò)和游憩網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)[6]。也有學(xué)者從各區(qū)域不同的土地利用情況角度出發(fā)對(duì)GI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法進(jìn)行探索,如鄧金杰等[7]針對(duì)如今高度城市化的城市提出了如何優(yōu)化GI網(wǎng)絡(luò)以保證城市對(duì)于綠色空間的生態(tài)服務(wù)功能的需求;趙萬(wàn)民等[8]以重慶九龍坡區(qū)新城為例,從生態(tài)文明的角度出發(fā)對(duì)山地城市的GI規(guī)劃給出了新的管控思路。當(dāng)前對(duì)綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的方法日益豐富,但在生態(tài)源地的篩選上對(duì)景觀生態(tài)學(xué)的意義考慮較少。該研究利用MSPA分析法,結(jié)合景觀連通性評(píng)價(jià)、MCR模型和電路理論,基于多源地理信息數(shù)據(jù),掌握了贛州市綠色空間分布現(xiàn)狀,識(shí)別出贛州市關(guān)鍵生態(tài)保護(hù)源地并構(gòu)建潛在生態(tài)廊道,為贛州市的綠色基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃提供合理依據(jù),同時(shí)探索了生態(tài)源地識(shí)別和GI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法的優(yōu)化與創(chuàng)新。
1 資料與方法
1.1 研究區(qū)概況
贛州市是江西省面積最大的地級(jí)市,總面積39 379.64 km2。地形以山地、丘陵、盆地為主,如圖1所示。贛州市山地多平原少,土地利用類型具有較強(qiáng)的地域性,以林地居多,占地25 820.05 km2,約占贛州市總面積的65.57%,植物與動(dòng)物資源豐富。贛州市雖然擁有豐富的自然資源和生態(tài)資源,但隨著對(duì)自然資源開(kāi)發(fā)利用的強(qiáng)度不斷提升,生態(tài)環(huán)境問(wèn)題也逐漸突顯出來(lái),例如礦山開(kāi)采導(dǎo)致環(huán)境恢復(fù)難度大,森林質(zhì)量不高導(dǎo)致生物多樣性保護(hù)形勢(shì)嚴(yán)峻、水土流失嚴(yán)重等。
1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理
該研究數(shù)據(jù)主要有贛州市30 m分辨率土地利用數(shù)據(jù),來(lái)自GlobeLand30,根據(jù)研究需要和《土地利用現(xiàn)狀分類》,將數(shù)據(jù)重分類為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地共6類;DEM數(shù)據(jù)為30 m空間分辨率,來(lái)自地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái);路網(wǎng)數(shù)據(jù)、水系數(shù)據(jù)和居民地?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于OpenStreetmap平臺(tái),并根據(jù)研究區(qū)邊界提取和裁剪獲得。
1.3 研究方法
1.3.1 基于MSPA的景觀類型分析。MSPA區(qū)別于傳統(tǒng)的直接將自然保護(hù)區(qū)或其他生態(tài)要素作為生態(tài)源地進(jìn)行GI
網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,它是一種結(jié)合了腐蝕、膨脹、開(kāi)運(yùn)算、閉運(yùn)算等數(shù)
學(xué)形態(tài)學(xué)原理的像元級(jí)景觀要素分析方法。MSPA可以基于研究區(qū)土地利用柵格數(shù)據(jù),通過(guò)ArcGIS將其重分類為前景與背景,并在GuidosToolbox軟件中對(duì)二值化的柵格圖像進(jìn)行分析。該研究將研究區(qū)的土地利用柵格數(shù)據(jù)中的林地和水域作為前景,耕地、草地、建設(shè)用地和未利用地作為背景,采用八鄰域分析方法,根據(jù)土地利用柵格數(shù)據(jù)像元大小設(shè)置柵格單元大小為30 m×30 m,邊緣寬度1(30 m),最終得到互不重疊的8類景觀類型要素,包括核心區(qū)、橋接區(qū)、環(huán)道、支線、島狀斑塊、邊緣區(qū)、孔隙和背景。
1.3.2 生態(tài)阻力面的構(gòu)建。
物種遷徙以及自然能量交換與流通過(guò)程中,自然環(huán)境的異同和人類活動(dòng)的干擾都會(huì)造成不同程度的影響,在不同的景觀單元或生境斑塊中移動(dòng)會(huì)受到不同程度的阻力。該研究基于前人的研究成果[9-13],結(jié)合研究區(qū)自身的情況,選擇了高程、坡度、地形起伏度、與水系距離4個(gè)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子,土地利用類型和MPSA景觀類型作為土地覆被因子,與鐵路距離、與高速公路距離、與其他道路距離、與居民地距離作為人為干擾因子,共10個(gè)阻力因子。生態(tài)阻力系數(shù)反映了生態(tài)過(guò)程中景觀異質(zhì)性的影響,基于改進(jìn)的層次分析法,對(duì)阻力因子賦予適宜的權(quán)重,通過(guò)柵格疊加獲得研究區(qū)綜合生態(tài)阻力面。結(jié)合以上10個(gè)因子與改進(jìn)的層次分析法得到的生態(tài)阻力系數(shù)能夠更加客觀地表現(xiàn)不同類型斑塊之間物質(zhì)流、信息流和生態(tài)流的生態(tài)過(guò)程。各阻力因子阻力值與阻力系數(shù)如表1所示。
1.3.3 綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。
1.3.3.1 景觀連通性分析。
生態(tài)源地的識(shí)別是綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建最重要的步驟。該研究以景觀連通性指數(shù)作為識(shí)別生態(tài)核心區(qū)的重要指標(biāo)。景觀連通性是指景觀促進(jìn)或阻礙物種在生境斑塊間運(yùn)動(dòng)的程度,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、動(dòng)植物基因交流的保護(hù)以及景觀規(guī)劃等都具有重要影響作用。該研究首先將MSPA得到的核心區(qū)斑塊進(jìn)行篩選,刪去細(xì)碎斑塊,再基于Conefor2.6軟件,計(jì)算各斑塊的景觀連通性指數(shù)。該研究利用景觀連通性指數(shù)中的可能連接性指數(shù)(PC)、整體連接性指數(shù)(IIC)和斑塊重要性指數(shù)(dPC)來(lái)評(píng)價(jià)研究區(qū)各斑塊的景觀連接度。選擇dPC作為識(shí)別生態(tài)源地的標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)計(jì)算公式如下[14]:
PC=(ni=1nj=1pijaiaj)/A2L(1)
IIC=(ni=1nj=1aiaj1+nlij)/A2L(2)
dPC=(PC-PCremove)/PC×100%(3)
其中,pij是物種在斑塊i和j之間擴(kuò)散的最大可能性;ai和aj是斑塊i和j的面積;AL是包括景觀要素和非景觀要素的總面積;n為斑塊總數(shù),lij是斑塊i和斑塊j之間的連接數(shù)量;PCremove是斑塊移除后的可能連接性指數(shù)。
1.3.3.2 連接廊道構(gòu)建。
構(gòu)建連接廊道的方法目前使用最多的是基于最小累積阻力模型(MCR)利用ArcGIS構(gòu)建最小成本路徑作為連接廊道,工作量大且操作煩瑣。同樣是基于MCR模型的Linkage mapper工具箱提高了工作效率,而且避免了產(chǎn)生需要后期二次篩選的冗余廊道[15]。Linkage mapper工具箱可以基于MCR模型生成斑塊之間的最小成本路徑,且只需設(shè)置廊道的長(zhǎng)度閾值。MCR模型的公式如下:
MCR=fmini=mj=n(Dij×Ri)(4)
其中,MCR為最小累積阻力值,Dij為從源地j到景觀單元i的空間距離,Ri為景觀單元i的生態(tài)阻力系數(shù),f為最小累積阻力與生態(tài)過(guò)程的正相關(guān)系數(shù)。
Circuitscape工具基于電路理論中的連接度模型與圖論的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),根據(jù)電流密度高低識(shí)別并繪制最小成本路徑中夾點(diǎn)區(qū)域;其將整個(gè)景觀看作一個(gè)導(dǎo)電表面,而景觀中的生物看作是一個(gè)游走的電荷,斑塊邊緣則是電荷經(jīng)過(guò)的電阻。這個(gè)工具將有利于生態(tài)物質(zhì)交流的用地斑塊賦予較低的電阻,反之則越高。電流密度就是單個(gè)像元的電流大小,以此判斷生物經(jīng)過(guò)該像元的可能性大小。所以電流密度越大的區(qū)域?qū)坝^的連通性影響也越大,相應(yīng)重要景觀要素的缺失可能會(huì)造成物種遷徙阻礙等問(wèn)題。
2 結(jié)果與分析
2.1 MSPA景觀要素識(shí)別
該研究根據(jù)研究區(qū)土地覆蓋特征,選擇林地和水域作為MPSA分析的前景要素,其他用地類型作為背景要素,得到7種景觀類型用地的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,如表2所示。研究區(qū)核心區(qū)面積為2 006 825.40 hm2,占自然景觀要素總面積的76.25%,在研究區(qū)內(nèi)分布廣泛,一般視為生態(tài)功能和服務(wù)的核心區(qū)域,能夠作為物種棲息地。邊緣區(qū)總面積為248 069.52 hm2,占自然景觀要素總面積的9.42%,它具有較高的植被覆蓋率,其邊緣效應(yīng)可以保護(hù)核心區(qū)不受干擾。
2.2 綜合阻力面的構(gòu)建
如圖2所示,通過(guò)對(duì)10個(gè)阻力因子進(jìn)行分級(jí)并賦予阻力值形成了單因子阻力圖。從圖2可以看出,研究區(qū)呈現(xiàn)出周高中低的地勢(shì)特點(diǎn),城鎮(zhèn)周圍地勢(shì)逐漸變緩,山體附近林地覆蓋集中,但海拔較高以及坡度和地形起伏度大的區(qū)域同樣不利于生態(tài)過(guò)程的進(jìn)行(圖2a~c)。研究區(qū)內(nèi)水系呈輻射狀向章貢區(qū)匯集,豐富的水資源給生物繁衍提供了良好的基礎(chǔ),距離水體越近受到的阻力越?。▓D2d)。研究區(qū)建設(shè)用地分散,經(jīng)土地利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到,
研究區(qū)建設(shè)用地103 056.57 hm2,占研究區(qū)總面積的2.62%,相比于其他城市的建設(shè)用地面積占比相對(duì)較小,主要集中在章貢區(qū),在土地利用類型因子阻力圖中呈現(xiàn)出較高的阻力值(圖2e)。MSPA分析結(jié)果中的核心區(qū)有較低的阻力值,均處在林地較為連續(xù)、較少受到人類活動(dòng)干擾的區(qū)域(圖2f)。研究區(qū)內(nèi)的鐵路、高速公路和道路呈網(wǎng)狀分布,居民地分布零散,距離道路和居民地越近,阻力值最大,在遠(yuǎn)離道路的過(guò)程中,對(duì)生態(tài)活動(dòng)的阻力也逐漸減小(圖2g~j)。
通過(guò)柵格計(jì)算器將10個(gè)單因子阻力柵格圖按表1分配的阻力系數(shù)進(jìn)行疊加分析,并得到研究區(qū)綜合阻力面,如圖3所示。從圖3可以看出,研究區(qū)綜合阻力值最高的區(qū)域以建設(shè)用地居多,道路經(jīng)過(guò)的地區(qū)也表現(xiàn)出較高的阻力值,說(shuō)明根據(jù)改進(jìn)的層次分析法獲得的各因子阻力系數(shù)符合研究區(qū)實(shí)際情況,為生態(tài)核心斑塊的篩選提供了科學(xué)依據(jù)。
2.3 景觀連通性分析
該研究在MSPA生成的核心區(qū)板塊中,根據(jù)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境特點(diǎn),最終選取面積大于12 hm2的77個(gè)核心斑塊?;贑onefor2.6軟件對(duì)77個(gè)核心斑塊進(jìn)行進(jìn)一步篩選,設(shè)置連通閾值為2 500 m,連通概率為0.5,計(jì)算出各斑塊的景觀連通性指數(shù),如表3所示。該研究選取斑塊重要性指數(shù)(dPC)>5的生態(tài)斑塊作為構(gòu)建GI網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)源地,共有12個(gè),總面積1 421 307.54 hm2。從圖4可以看出,研究區(qū)內(nèi)重要生態(tài)源地主要分布在贛州市南部地區(qū),包括九連山自然保護(hù)區(qū)、金盆山森林公園、三百山風(fēng)景名勝區(qū);研究區(qū)北部生態(tài)源地分布在凌云山、翠微峰、均福山、贛江源自然保護(hù)區(qū),研究區(qū)西部生態(tài)源地分布在齊云山自然保護(hù)區(qū)、陽(yáng)明湖風(fēng)景區(qū),研究區(qū)東部生態(tài)源地分布在武夷山山脈附近,研究區(qū)中部生態(tài)源地分布在羅田巖森林公園附近。研究區(qū)內(nèi)生態(tài)源地以森林所在地為主,包括一些湖泊和河流,生態(tài)狀況良好,適合物種的生存和棲息,是自然能量和物質(zhì)交流的核心區(qū)域。研究區(qū)生態(tài)源地主要集中分布在南部地區(qū),而北部的核心斑塊偏少,不利于物種遷徙,景觀連通性較差。
2.4 綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)分析 該研究利用Linkage mapper工具箱生成生態(tài)源地之間的生態(tài)廊道,共得到廊道25條,總長(zhǎng)247.13 km。在ArcGIS 10.7中調(diào)用Circuitscape,對(duì)各廊道上的生態(tài)夾點(diǎn)位置進(jìn)行提取。根據(jù)相關(guān)研究[16],此處的廊
道寬度閾值設(shè)置不會(huì)使該區(qū)域內(nèi)生態(tài)夾點(diǎn)的位置發(fā)生改變,該研究將廊道寬度閾值設(shè)置為1 000 m,并采用“all-to-one”的模式進(jìn)行計(jì)算,最終得到研究區(qū)的電流密度圖,如圖5所示。從圖5可以看出,連接廊道中電流密度較高的區(qū)域即為生態(tài)夾點(diǎn)區(qū)域。研究區(qū)的生態(tài)夾點(diǎn)區(qū)域呈條帶狀分布在連接廊道附近,是綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的重要生態(tài)節(jié)點(diǎn),其分布情況也顯示出該條連接廊道的景觀連通重要性。研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地最為密集的章貢區(qū)附近的連接廊道的平均電流密度值較大,生態(tài)阻力較強(qiáng),需要增設(shè)或完善該區(qū)域的綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),如適當(dāng)開(kāi)發(fā)公園和擴(kuò)大城市綠化面積等。
3 結(jié)論與討論
(1)該研究根據(jù)贛州市土地利用類型特征進(jìn)行生態(tài)源地的識(shí)別。首先,使用MSPA將贛州市分為生態(tài)核心區(qū)和其他6種景觀要素類型,從景觀學(xué)角度對(duì)生態(tài)重要斑塊進(jìn)行初步分類;其次,將MSPA得到的核心區(qū)斑塊進(jìn)一步篩選,得到面積相對(duì)較大且整體性較強(qiáng)的核心區(qū)斑塊;最后,在此基礎(chǔ)上,基于Conefor2.6依據(jù)景觀連通性指數(shù)對(duì)斑塊重要性進(jìn)行描述和評(píng)價(jià),篩選出最終的生態(tài)源地斑塊。該研究沒(méi)有直接將已有的自然保護(hù)區(qū)作為生態(tài)源地,避免了生態(tài)源地選擇的單一性,同時(shí)針對(duì)贛州市綠色空間面積占比較大的特點(diǎn),在生態(tài)源地的選擇上明確了各斑塊的生態(tài)重要性。
(2)在構(gòu)建綜合阻力面的過(guò)程中,確定各阻力因子的阻力系數(shù)尤為重要。該研究采用改進(jìn)的層次分析法,通過(guò)參考多篇文獻(xiàn)的阻力因子系數(shù),結(jié)合層次分析法和熵權(quán)法確定阻力系數(shù),使結(jié)果更具客觀性,為連接廊道的構(gòu)建提供了依據(jù)。
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