余瑞, 魯珊, 鄭志元*, 張雅婧

(1.合肥工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院, 合肥 230601; 2.南京工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院, 南京 211816)

20世紀(jì)90年代以來(lái),中國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快,以高強(qiáng)度城市空間增量擴(kuò)張和土地利用方式的快速轉(zhuǎn)變對(duì)當(dāng)前自然地域生態(tài)和地表景觀的結(jié)構(gòu)和功能構(gòu)成了巨大威脅[1-3]。生態(tài)安全作為維持生態(tài)系統(tǒng)的安全和保障可持續(xù)發(fā)展工具,可有效協(xié)調(diào)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和生態(tài)保護(hù)之間的關(guān)系。在生態(tài)安全建設(shè)思想下,如何通過(guò)優(yōu)化國(guó)土生態(tài)安全格局,開(kāi)展科學(xué)高效的生態(tài)修復(fù)與生態(tài)建設(shè)活動(dòng),持續(xù)改善區(qū)域生態(tài)安全狀況已然成為空間規(guī)劃領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)問(wèn)題,也是城市治理與區(qū)域協(xié)同發(fā)展的核心內(nèi)容之一[4-6]。

生態(tài)安全格局是對(duì)區(qū)域生態(tài)空間進(jìn)行國(guó)土空間格局優(yōu)化的空間配置方案,是有效化解生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間矛盾的空間策略,能夠有效維護(hù)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連通性和生態(tài)過(guò)程的完整性[7-9]。在生態(tài)安全格局的既有研究中,逐漸形成了由生態(tài)源地、廊道、節(jié)點(diǎn)等要素組成的生態(tài)空間綜合治理的研究范式,對(duì)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)、斑塊、廊道乃至整體生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的空間識(shí)別及其生境恢復(fù)與重建是近年以來(lái)研究熱點(diǎn)[10]。而土地利用和土地覆蓋變化(land use and land cover change, LUCC)能夠直接表征人類活動(dòng)對(duì)地球表層系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)影響,是生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化的主要影響因素之一。通過(guò)研究LUCC能夠結(jié)合城市自然地理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點(diǎn),揭露出各類土地利用類型的演變規(guī)律,預(yù)測(cè)城市未來(lái)的土地利用空間格局以及生態(tài)環(huán)境效益。隨著地理模擬模型的不斷發(fā)展,國(guó)內(nèi)一些學(xué)者從LUCC時(shí)空變化的視角探究其帶來(lái)的環(huán)境效應(yīng)研究。例如,姜晗等[11]基于江蘇省多期土地利用數(shù)據(jù),評(píng)估江蘇省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值和各單項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值,并描述各縣級(jí)單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)空演變特征;成超男等[12]以晉中主城區(qū)各地類的變化趨勢(shì)為基礎(chǔ)展開(kāi)生態(tài)適宜性評(píng)價(jià),并合理劃分城市生態(tài)分區(qū);侯建坤等[13]從區(qū)域的土地利用變化出發(fā),研究黃河源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的時(shí)空變化特征;胡豐等[14]基于多期土地利用數(shù)據(jù),研究了渭河流域生境質(zhì)量的時(shí)空演變特征。也有學(xué)者針對(duì)生態(tài)安全格局時(shí)空演變進(jìn)行研究,如鄧卓等[15]基于PSR模型,研究天山-帕米爾地區(qū)生態(tài)安全格局的時(shí)空演變并揭示影響該區(qū)域生態(tài)安全的相關(guān)因子;張中浩等[16]研究長(zhǎng)三角城市群各城市生態(tài)安全空間格局和時(shí)空躍遷的演變特征。以上研究成果對(duì)構(gòu)建、分析合肥市生態(tài)安全格局和土地利用變化趨勢(shì)具有重要借鑒意義,但大多成果注重于土地利用和生態(tài)環(huán)境時(shí)空演化特征,將城市土地利用和城市生態(tài)環(huán)境看作分離的兩個(gè)部分,忽略對(duì)城市用地空間擴(kuò)張對(duì)區(qū)域生態(tài)安全格局中源地、廊道、節(jié)點(diǎn)等關(guān)鍵生態(tài)空間實(shí)際交互作用的分析。

合肥市作為中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速集聚的典型區(qū)域,近20年來(lái)城市空間對(duì)外擴(kuò)張式的增量發(fā)展致使合肥市生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)逐年增加,區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效率不斷降低,因此亟需開(kāi)展國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)工作?，F(xiàn)基于景觀生態(tài)學(xué)理論,以城市生態(tài)遙感指數(shù)(remote sensing based ecological index,RSEI)獲取城市生態(tài)源地為切入點(diǎn),結(jié)合電路理論,模擬生態(tài)廊道的空間分布,識(shí)別生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn),并以2010年、2020年兩期土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用Xun等[17]開(kāi)發(fā)的斑塊生成土地利用模擬模型(patch-generating land use simulation model,PLUS),預(yù)測(cè)2030年、2040年未來(lái)土地利用分布情況?；诔擎?zhèn)建設(shè)用地時(shí)空變化的視角,將模擬生態(tài)廊道空間分布和關(guān)鍵區(qū)域識(shí)別修復(fù)與未來(lái)城市擴(kuò)張相結(jié)合,旨在探究合肥市城市擴(kuò)張對(duì)生態(tài)安全格局的潛在影響,為迅速發(fā)展城市的生態(tài)環(huán)境治理和國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)工作提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

合肥市地處安徽省中部,為安徽省轄地級(jí)市、省會(huì),下轄4區(qū)、4縣、代管1個(gè)縣級(jí)市,市域范圍國(guó)土總面積11 445.1 km2。合肥市具有丘陵至平原的河谷地貌特征,是以巢湖為中心,以江淮分水嶺為屏障,擁有良好的生態(tài)自然本底,在長(zhǎng)江和淮河流域之間扮演著重要的生態(tài)功能角色。作為最年輕的省會(huì)城市之一,合肥正以追趕者的姿態(tài)融入長(zhǎng)三角,城市綜合競(jìng)爭(zhēng)力不斷提升,然而在城市用地快速擴(kuò)張、人口快速聚集的同時(shí),城市人地矛盾日益突出,經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的沖突也愈加凸顯。構(gòu)建合肥市生態(tài)安全格局,定量診斷城市快速發(fā)展對(duì)生態(tài)關(guān)鍵區(qū)域影響程度,積極探索快速城鎮(zhèn)化背景之下生態(tài)修復(fù)策略,對(duì)促進(jìn)合肥市生態(tài)文明建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義和可操作性。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

研究數(shù)據(jù)主要包括Landsat 8/OLI 遙感影像數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、夜間燈光數(shù)據(jù)及國(guó)民社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件數(shù)據(jù)等(表1)。出于對(duì)模型精度和操作可行性的考慮,遙感數(shù)據(jù)利用ENVI5.3軟件進(jìn)行校正,矢量數(shù)據(jù)在Arcgis10.5中進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換保證坐標(biāo)系統(tǒng)一,其他柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪、重采樣,統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為30 m×30 m的空間分辨率。

表1 數(shù)據(jù)來(lái)源信息表

2 研究方法

2.1 研究框架

基于景觀生態(tài)學(xué)理論,構(gòu)建生態(tài)安全格局并模擬未來(lái)目標(biāo)年份土地利用情況,識(shí)別出城市快速擴(kuò)張對(duì)區(qū)域生態(tài)安全格局的潛在影響。首先以城市生態(tài)遙感指數(shù)作為城市生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)以確定合肥市生態(tài)源地:對(duì)大面積水體進(jìn)行掩膜處理之后,選取綠度、濕度、干度、熱度4個(gè)直觀反映生態(tài)質(zhì)量的指標(biāo)并結(jié)合主成分分析得到RSEI,按照自然斷點(diǎn)法分為五級(jí),選擇最高一級(jí)和自然水體的區(qū)域作為生態(tài)源地,以5 km2為閾值剔除零星斑塊;在構(gòu)建生態(tài)阻力面時(shí),對(duì)土地利用類型、地形起伏度、坡度坡向、人口密度以及主要道路距離等阻力因子設(shè)置相應(yīng)的阻力系數(shù)和權(quán)重,利用夜間燈光修正,計(jì)算生態(tài)綜合阻力面;其次根據(jù)電路理論,利用Circuitscape插件構(gòu)建2020年合肥市生態(tài)安全格局,并識(shí)別出生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域。再之,以2010—2020年兩期土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)合選自自然地理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面的16項(xiàng)土地利用變化影響因子,利用Plus模型預(yù)測(cè)合肥2030年、2040年的合肥市的土地利用空間分布。最終將2020年合肥市生態(tài)安全格局分別于2020年、2030年和2040年城市空間相疊加,分析得到城市擴(kuò)張對(duì)區(qū)域生態(tài)安全的潛在影響。

2.2 城市遙感生態(tài)指數(shù)與生態(tài)源地

從自然資源部組建以來(lái),測(cè)繪地理信息對(duì)服務(wù)保障生態(tài)文明建設(shè)發(fā)揮更重要的作用,支撐著“兩統(tǒng)一”的履行。相對(duì)于傳統(tǒng)通過(guò)構(gòu)建指標(biāo)評(píng)價(jià)體系來(lái)評(píng)估區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,遙感數(shù)據(jù)因具有監(jiān)測(cè)范圍大、數(shù)據(jù)源廣、受地面限制條件少等優(yōu)點(diǎn),目前被廣泛運(yùn)用于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)當(dāng)中[18-20]。徐涵秋所提出的遙感生態(tài)指數(shù)是基于遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行反演所得出,耦合了植被指數(shù)、濕度分量、地表溫度和土壤指數(shù)4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),計(jì)算過(guò)程無(wú)須人工干預(yù)極大減少人為因素的影響,更加客觀地對(duì)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行快速監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)[21]。生態(tài)源地作為區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)穩(wěn)定的生境斑塊,不僅對(duì)區(qū)域的生態(tài)過(guò)程和功能起決定性的作用,自身還擔(dān)負(fù)著重要的輻射功能,是構(gòu)建生態(tài)安全格局的基礎(chǔ)所在[9]。本文研究以遙感生態(tài)指數(shù)作為反映區(qū)域的綜合生境質(zhì)量的指征[22-23],來(lái)識(shí)別合肥市生態(tài)源地。

遙感生態(tài)指數(shù)計(jì)算公式為

RSEI=1-{PC1[f(NDVI,WETOLI,

NDBSI,LST)]}

(1)

式(1)中:RSEI為生態(tài)遙感指數(shù); PC1為第一主成分,包含各波段數(shù)據(jù)之間最大方差百分比;f將4個(gè)指標(biāo)統(tǒng)一量綱;NDVI為歸一化差值植被指數(shù);WETOLI為濕度分量;NDBSI為建筑-裸土指數(shù);LST為地表溫度;為了使得數(shù)值大小與生態(tài)質(zhì)量?jī)?yōu)劣呈正相關(guān),可進(jìn)一步用正負(fù)值轉(zhuǎn)置得到遙感生態(tài)指數(shù)。

(1)綠度指標(biāo)。歸一化差值植被指數(shù)NDVI能夠較好地表征植被覆蓋密度和生物豐富度,因此用該指標(biāo)代表綠度。

(2)

式中:BRED、BNIR分別為L(zhǎng)andsat 8/OLI影像中第4、5波段的反射率。

(2)濕度指標(biāo)。通過(guò)纓帽變換得到的濕度分量可以反演植物覆被和土壤表層濕度狀況,因此用該指標(biāo)代表濕度。

WETOLI=(0.151 1BBIUE+0.197 3BGREEN+

0.328 3BRED+0.340 7BNIR-

0.717 7BSWIR1-0.455 9BSWIR2

(3)

式中:BBLUE、BGREEN、BSWIR1、BSWIR2分別為L(zhǎng)andsat 8/OLI影像中第1、3、6、7波段的反射率。

(3)干度指標(biāo)。為了反映因水土流失和修筑不透水面造成的土地退化程度,因此用裸土指數(shù)和建筑指數(shù)共同合成的干度指標(biāo)來(lái)代表干度[24]。

(4)

SI=(BSWIR1+BRED)-(BBIUE+BNIR)

(BSWIR1+BRED)+(BBIUE+BNIR)

(5)

(6)

式中:SI為地表裸土指數(shù);IBI為地表建筑指數(shù)。

(4)熱度指標(biāo)。為了反映研究區(qū)域真實(shí)的地表溫度,由地表溫度指數(shù)(LST)來(lái)代表熱度。

(7)

(8)

式中:BT為傳感器的溫度值;L為輻射定標(biāo)后的熱紅外波段反射率;K1=607.76 W/(m2·sr·μm);K2=1260.56K;λ為熱紅外波段的中心波長(zhǎng);ε為地表比輻率;ρ=1.438×10-2m·K。

2.3 生態(tài)阻力面和廊道構(gòu)建

為了量化了阻止物種遷徙與擴(kuò)張的成本大小,合理表征研究區(qū)域的物種由源地向目的地遷徙過(guò)程中所克服的生態(tài)阻力,利用最小累積阻力模型(minimum cumulative resistance,MCR),確定源地到目的地空間上的花費(fèi)最小成本的通過(guò)路徑[25]。選取土地利用類型、地形起伏度、坡度坡向、人口密度、距離主要道路距離共同構(gòu)建綜合生態(tài)阻力面,并設(shè)置相應(yīng)阻力系數(shù)和各級(jí)權(quán)重[26-27],如表2所示?？紤]到城市擴(kuò)張和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)一定程度上會(huì)占用生態(tài)用地,利用NPP /VIIRS 夜光遙感影像修正土地利用類型的阻力面[28],最終得出最終生態(tài)阻力面。本文研究基于電路理論中物種遷徙隨機(jī)游走的特性[29],以生態(tài)阻力面為基礎(chǔ),借助Linkage Pathway tool模塊究區(qū)域的生態(tài)廊道進(jìn)行構(gòu)建,最小積累阻力模型原理為

表2 綜合阻力面阻力系數(shù)及權(quán)重設(shè)定表

(9)

式中:MCR為空間內(nèi)某景觀到任意生態(tài)源的累積阻力值;f為累積阻力值與生態(tài)過(guò)程的正相關(guān)函數(shù)關(guān)系;Dij為景觀單元i到源j的空間距離;Ri為景觀單元i對(duì)某生態(tài)過(guò)程的阻力系數(shù)。

2.4 生態(tài)夾點(diǎn)和障礙點(diǎn)識(shí)別

生態(tài)夾點(diǎn)是表征生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通性且累積電流高度密集的區(qū)域,對(duì)于區(qū)域內(nèi)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通性起著不可代替的關(guān)鍵作用[30]。若生態(tài)夾點(diǎn)處于生態(tài)阻力高值區(qū)域,在城市擴(kuò)張和人類活動(dòng)影響下,極易遭到破壞,使得區(qū)域的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連通性和完整性面臨較高的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),故在城市快速擴(kuò)張的情況下保護(hù)生態(tài)夾點(diǎn)擁有極高的生態(tài)價(jià)值。利用Pinchpoint Mapper模塊識(shí)別生態(tài)源地之間電流密度,采用自然斷點(diǎn)法進(jìn)行分級(jí),選取最高一級(jí)的區(qū)域?yàn)樯鷳B(tài)夾點(diǎn)。生態(tài)障礙點(diǎn)指生物在生境斑塊間運(yùn)動(dòng)受到阻礙的區(qū)域,通過(guò)計(jì)算修復(fù)障礙點(diǎn)后電流恢復(fù)值的大小來(lái)識(shí)別[8],針對(duì)生態(tài)障礙點(diǎn)的修復(fù)可以緩解在城市用地蠶食生境斑塊的情況下區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通的可能性。本文研究利用的Barrier Mapper模塊測(cè)算電流恢復(fù)值,取最高一級(jí)的區(qū)域?yàn)樯鷳B(tài)障礙點(diǎn),并結(jié)合現(xiàn)狀土地利用類型針對(duì)性地提出生態(tài)保護(hù)與修復(fù)建議。

2.5 未來(lái)土地利用模擬

利用PLUS 模型對(duì)未來(lái)土地利用進(jìn)行模擬,該模型框架主要集成了基于土地?cái)U(kuò)張分析的規(guī)則挖掘方法(a rule-mining framework based on a land expansion analysis strategy,LEAS)和基于多類型隨機(jī)種子機(jī)制的元胞自動(dòng)機(jī)模型(a CA based on multi-type random patch seeds,CARS)兩個(gè)部分。LEAS提取兩期土地利用變化的部分,對(duì)隨機(jī)采樣點(diǎn)采用隨機(jī)森林算(random forest classification,RCF)分別對(duì)個(gè)土地利用類型進(jìn)行訓(xùn)練,獲取不同土地利用類型的擴(kuò)張規(guī)則,之后CARS采用閾值下降的多類型隨機(jī)斑塊種子機(jī)制模擬不同土地利用類型的斑塊演化[31-32]。

以2010年和2020年兩期土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)合肥市實(shí)際情況和數(shù)據(jù)的可獲得性,從自然地理因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素兩個(gè)方面選取16項(xiàng)影響因子作為預(yù)測(cè)變量,結(jié)合LEAS 模塊,求取合肥市各類土地利用類型的適宜性概率分布圖。運(yùn)用 Markov 模型進(jìn)行未來(lái)各類土地利用類型的需求量進(jìn)行預(yù)測(cè),確定各類土地利用類型轉(zhuǎn)移成本矩陣(表3)、隨機(jī)斑塊生成參數(shù)和領(lǐng)域因子參數(shù),結(jié)合CARS模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)各類土地利用類型的模擬。

表3 土地利用類型轉(zhuǎn)移成本矩陣

表4 2020—2040年城鄉(xiāng)、工礦居民用地對(duì)生態(tài)安全格局作用關(guān)系表

3 研究結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建

3.1.1 研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

利用自然斷點(diǎn)法將求取的2020年RSEI值分為5個(gè)等級(jí),評(píng)價(jià)結(jié)果如圖1所示。合肥市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好的區(qū)域主要集中在市域的南側(cè),土地利用類型主要以林地和草地為主;市域中部地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差,土地利用類型主要以城鄉(xiāng)居民建設(shè)用地為主;合肥市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體與區(qū)域地形和人類活動(dòng)相契合,呈現(xiàn)南高中低的分布格局,也反映出高強(qiáng)度的城市建設(shè)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成一定的負(fù)面影響。

圖1 研究區(qū)域生態(tài)遙感指數(shù)等級(jí)與生態(tài)源地分布

3.1.2 研究區(qū)域生態(tài)源地識(shí)別結(jié)果分析

取RSEI質(zhì)量最優(yōu)的區(qū)域和大面積水體最為初步生態(tài)源地,并考慮到面積較小的生態(tài)斑塊輻射功能較弱,因此以5 km2面積為閾值剔除破碎的劣勢(shì)生境斑塊,得到最終的生態(tài)源地。生態(tài)源地共計(jì)35處,總面積1.94×103km2,占研究區(qū)域總面積16.89%,現(xiàn)狀地類包括林地、草地、水域、耕地,其中以縣級(jí)市巢湖市占比最大,達(dá)到754.18 km2,瑤海區(qū)、蜀山區(qū)的生態(tài)源地面積最小,均少于8 km2,如圖1所示。研究區(qū)域生態(tài)源地總體空間分布格局以巢湖為核心,集中分布在合肥市南部,北部生態(tài)源地呈零星狀分布,合肥市北部和西部缺乏維持整體生態(tài)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的生態(tài)斑塊。

3.1.3 研究區(qū)域綜合生態(tài)阻力面構(gòu)建

區(qū)域的綜合生態(tài)阻力面的空間格局反映了物種在遷徙過(guò)程當(dāng)中所耗費(fèi)成本的多少,合肥市綜合生態(tài)阻力值在0.60～104.64,平均阻力為3.87,呈現(xiàn)出中部高、外圍低的空間分布格局。其中高阻力地區(qū)多集中分布在人類高強(qiáng)度活動(dòng)區(qū)域內(nèi),以蜀山區(qū)、包河區(qū)和肥西縣為代表,各城鎮(zhèn)建成區(qū)之間通過(guò)道路連接形成區(qū)域內(nèi)的綜合生態(tài)阻力網(wǎng),割裂區(qū)域的生態(tài)過(guò)程;而低阻力區(qū)域主要分布在城鎮(zhèn)建成區(qū)以外生態(tài)環(huán)境質(zhì)量良好的區(qū)域。

3.1.4 研究區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建

將電路理論中的隨機(jī)游走模型和生態(tài)學(xué)行為相互結(jié)合,以生態(tài)綜合阻力面為基礎(chǔ),利用 Linkage pathway tool 工具構(gòu)建生態(tài)廊道,形成合肥市基礎(chǔ)的生態(tài)安全格局,如圖2所示。本文研究識(shí)別出合肥市活躍生態(tài)廊道共70條,總長(zhǎng)度約為773.98 km,活躍生態(tài)廊道連接著區(qū)域內(nèi)的各個(gè)生態(tài)源地,呈現(xiàn)環(huán)狀的空間分布特征,包裹著合肥市域范圍內(nèi)主要的城鎮(zhèn)建成區(qū)。其中,最長(zhǎng)一條活躍生態(tài)廊道位于市域東北方向,連接著公安山和瓦東干渠部分區(qū)域;較短的活躍生態(tài)廊道分布在巢湖周邊各個(gè)濕地公園,連接距離較近的生態(tài)源地;活躍生態(tài)廊道高密度集聚于四頂山-白馬山-浮槎山山脈區(qū)域,連接著公安山、浮槎山、肥東管灣國(guó)家濕地自然公園,在巢湖東北角形成局部較高密度的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。此外,本文研究還識(shí)別出17條非活躍的生態(tài)廊道,總長(zhǎng)度約為500.33 km。合肥市域內(nèi)整體自西北向東南部生態(tài)廊道逐漸增多,區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通性增強(qiáng),初步形成合肥市環(huán)狀的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)總體格局。本文構(gòu)建的2020年生態(tài)安全格局與《合肥市國(guó)土空間總體規(guī)劃(2021年—2035年)》中“一湖一嶺一帶多片”的市域生態(tài)安全格局的遠(yuǎn)景目標(biāo)相對(duì)比:“一湖一嶺一帶多片”中巢湖作為市域內(nèi)面積最大的生境斑塊,在整個(gè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中一直起著重中之重的作用;江南分水嶺區(qū)域生境質(zhì)量整體一般,源地較少,但有多數(shù)生態(tài)廊道穿越,因此在下一步生態(tài)修復(fù)工作時(shí),在穩(wěn)固區(qū)域生態(tài)連通性的基礎(chǔ)上重點(diǎn)恢復(fù)該區(qū)域生態(tài)薄弱點(diǎn);市區(qū)內(nèi)南淝河-十五里河區(qū)域由于人類活動(dòng)頻繁,交通密集,在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中無(wú)法較好發(fā)揮它的服務(wù)功能,在后續(xù)注意高強(qiáng)度人類活動(dòng)區(qū)域的生態(tài)保護(hù)和修復(fù)。

3.1.5 研究區(qū)域生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域識(shí)別

在“all to one”模式下,廊道累積電流密度最高約為0.21,共計(jì)識(shí)別出生態(tài)夾點(diǎn)290個(gè),面積共計(jì)28.49 km2,如圖3所示。從土地利用類型上看,耕地侵占生態(tài)夾點(diǎn)面積比重最大,達(dá)到73.36%;城鄉(xiāng)、工礦居民用地建設(shè)用地次之,達(dá)到20.14%;林地、草地、水域分別占生態(tài)夾點(diǎn)面積3.61%、1.49%、1.38%。從空間分布上看,生態(tài)夾點(diǎn)呈條帶狀分布在合肥市中部和北部區(qū)域,該區(qū)域高強(qiáng)度社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)負(fù)面效應(yīng)。

圖3 研究區(qū)域生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn)

設(shè)定100 m為最小搜索半徑、500 m為最大搜索半徑、100 m步長(zhǎng),通過(guò)計(jì)算得出累積電流恢復(fù)值,共計(jì)識(shí)別出生態(tài)障礙點(diǎn)112個(gè),面積共計(jì)15.58 km2,如圖3所示。從土里利用類型上看,耕地占生態(tài)障礙點(diǎn)面積比重最大,達(dá)到65.33%;城鄉(xiāng)、工礦居民用地建設(shè)用地次之,達(dá)到30.10%;林地、水域分別占生態(tài)夾點(diǎn)面積2.71%、1.89%。從空間分布上看,生態(tài)障礙點(diǎn)呈點(diǎn)狀分布在合肥市中部區(qū)域。

從識(shí)別結(jié)果上看,部分障礙點(diǎn)空間和生態(tài)夾點(diǎn)重合,處在生態(tài)廊道出入生態(tài)源地的關(guān)鍵門戶區(qū)域,對(duì)于該區(qū)域的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連通性也極為重要。從土地利用類型占比上看,生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn)區(qū)域主要為耕地和城鄉(xiāng)、工礦居民用地建設(shè)用地,因此在進(jìn)行生態(tài)修復(fù)時(shí),對(duì)于耕地區(qū)域,在保持永久基本農(nóng)田的基礎(chǔ)上,積極展開(kāi)退耕還林、還草、還湖的工作,強(qiáng)化生態(tài)廊道連接各個(gè)生態(tài)斑塊的穩(wěn)定性;對(duì)于城鄉(xiāng)、工礦居民用地,嚴(yán)格控制城鎮(zhèn)建成區(qū)發(fā)展規(guī)模,優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局,加強(qiáng)城鎮(zhèn)建成區(qū)內(nèi)部新增綠地工作,增加植被豐度。對(duì)于林地、草地區(qū)域,加強(qiáng)植被培護(hù)、森林生態(tài)過(guò)程,優(yōu)化林地群落結(jié)構(gòu),降低區(qū)域生態(tài)阻力[33];對(duì)于水域區(qū)域,應(yīng)注重水體污染防治,特別是工業(yè)廢水和生活廢水亂排放情況,同時(shí)針對(duì)性開(kāi)展河道清淤工作,加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)的水域空間整體功能穩(wěn)定性[34]。

3.2 研究區(qū)域未來(lái)土地利用預(yù)測(cè)

為了驗(yàn)證PLUS模型的精度,以2010年土地利用數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),利用預(yù)測(cè)的2020年土地利用數(shù)據(jù)與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比,精度驗(yàn)證計(jì)算得出總體精度為94.71%,Kappa系數(shù)為90.04%,Fom值為0.102,表明PLUS模型模擬結(jié)果空間一致性程度高。因此以2020年的土地利用數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),結(jié)合各土地利用類型發(fā)展概率,預(yù)測(cè)2030年、2040年土地利用分布情況,如圖4所示。

合肥市市域范圍內(nèi)土地利用主要以耕地、城鄉(xiāng)、工礦居民用地為主,其中耕地占比超過(guò)66%,城鄉(xiāng)、工礦居民用地超16%。2020—2040年土地利用變化明顯,體現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大主題,中部城鎮(zhèn)建成區(qū)以環(huán)形放射狀向外擴(kuò)張;大潛山-圓通山-紫蓬山山脈、霧頂山、浮槎山地區(qū)破碎化程度高的草地向林地轉(zhuǎn)化現(xiàn)象較為突出;大房郢水庫(kù)和三河國(guó)家濕地公園地區(qū)水域面積略微擴(kuò)張。耕地作為市域范圍內(nèi)占比最高的土地利用類型,由2020年的7.59×103km2減少到2040年的7.20×103km2,變化幅度最大,應(yīng)嚴(yán)守住永久基本農(nóng)田控制線,確保永久基本農(nóng)田數(shù)量不減、質(zhì)量不降;草地面積在20年間一直呈減少趨勢(shì),減少幅度為6.49%,亟需加強(qiáng)植被陪護(hù);林地、水域、城鄉(xiāng)、工礦居民用地和未利用地面積持續(xù)增長(zhǎng),面積增加量依次為43.11、11.90、352.77 km2,呈現(xiàn)“兩減多增”的變化趨勢(shì),以中部城鄉(xiāng)建成區(qū)為核心的城市環(huán)狀放射式空間發(fā)展格局將愈加凸顯。

3.3 未來(lái)城市擴(kuò)張對(duì)生態(tài)安全格局影響測(cè)度

有效廊道寬度是Ford等[35]提出的觀點(diǎn),認(rèn)為廊道寬度必須匹配區(qū)域內(nèi)的生態(tài)進(jìn)程,是有效保護(hù)物種遷徙的一種土地約束政策,考慮到發(fā)揮生態(tài)廊道實(shí)際功能所需尺度和研究區(qū)域?qū)嶋H情況,本文研究以2 km為閾值截?cái)嗌鷳B(tài)廊道[36]。將2020年、2030年和2040年土地利用分布與2020年生態(tài)安全格局相疊加,如圖5所示。2020年合肥市活躍生態(tài)廊道穿越了蜀山區(qū)、廬陽(yáng)區(qū)、瑤海區(qū)、廬江縣、肥西縣、肥東縣、長(zhǎng)豐縣、巢湖市行政單元,并且城鄉(xiāng)、工礦居民用地占據(jù)了活躍生態(tài)廊道面積為321.98 km2,占活躍生態(tài)走廊總面積的13.0%,大多集中在肥東縣區(qū)域內(nèi);2020—2040年,活躍生態(tài)廊道向城鄉(xiāng)、工礦居民用地轉(zhuǎn)變?cè)鏊僮羁斓臑楝幒^(qū)、巢湖市和蜀山區(qū),這些地區(qū)的城鎮(zhèn)發(fā)展對(duì)生態(tài)走廊的保護(hù)具有較大的負(fù)面影響,應(yīng)嚴(yán)格調(diào)控該區(qū)域的城鄉(xiāng)建設(shè)用地發(fā)展,保護(hù)優(yōu)質(zhì)的生態(tài)開(kāi)放空間,協(xié)調(diào)城鄉(xiāng)建設(shè)用地保障與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的平衡關(guān)系;對(duì)于生態(tài)源地,20年期間城鄉(xiāng)、工礦居民用地占據(jù)生態(tài)源地面積增速較快的為蜀山區(qū)、巢湖市、長(zhǎng)豐縣、肥東縣、包河區(qū)、肥西縣,為了保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的整體性和聯(lián)通性,應(yīng)該預(yù)先積極保護(hù)該區(qū)域內(nèi)的生態(tài)源地和破碎生態(tài)空間,對(duì)于合肥市的生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)和綜合治理有重要意義;將2020年、2030年和2040年土地利用分布與2020年生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn)位置相疊加,2020年、2030年和2040年城鄉(xiāng)、工礦居民用地占生態(tài)夾點(diǎn)面積分別為2.18、2.72、3.22 km2,占比增幅約為為47.79%,2020年、2030年和2040年城鄉(xiāng)、工礦居民用地占生態(tài)障礙點(diǎn)面積分別為4.66、5.38、6.01 km2,占比增幅約為28.92%。針對(duì)生態(tài)夾點(diǎn)區(qū)域內(nèi)生態(tài)斑塊快速向城鄉(xiāng)建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化,著重保護(hù)現(xiàn)狀耕地和林草地,注重生態(tài)養(yǎng)護(hù),緩解生態(tài)脆弱性;對(duì)于生態(tài)障礙點(diǎn)應(yīng)該采取人工修復(fù)為主,弱化人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域內(nèi)生態(tài)進(jìn)程的影響;生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn)作為維持整個(gè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通性的關(guān)鍵戰(zhàn)略區(qū)域,對(duì)其保護(hù)和修復(fù)能夠極大改善合肥市的生態(tài)基質(zhì)和生態(tài)穩(wěn)定性。

圖5 2020—2040年城鄉(xiāng)、工礦居民用地對(duì)生態(tài)廊道占用情況

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

以中國(guó)典型經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速集聚城市合肥為研究區(qū),通過(guò)計(jì)算生態(tài)遙感指數(shù)對(duì)研究區(qū)域的生態(tài)源地進(jìn)行提取,運(yùn)用MCR模型和電路理論,構(gòu)建綜合生態(tài)阻力面并初步識(shí)別、模擬了合肥市環(huán)狀的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)總體格局,再結(jié)合PLUS模型對(duì)2030年、2040年土地利用狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬,創(chuàng)新性地從城鎮(zhèn)建設(shè)用地時(shí)空變化的視角,以生態(tài)源地、生態(tài)廊道、生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn)等為生態(tài)安全構(gòu)建主體去探討城鎮(zhèn)建成區(qū)無(wú)序擴(kuò)張對(duì)區(qū)域生態(tài)格局的影響,并對(duì)各類修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域提出生態(tài)保護(hù)修復(fù)措施。主要結(jié)論如下。

(1)合肥市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體呈現(xiàn)南高中低的分布格局,與城市地形相契合。平坦地勢(shì)更適合城市建設(shè)活動(dòng),而高強(qiáng)度城市的建設(shè)不斷侵蝕綠色生境斑塊,造成合肥市城鎮(zhèn)建成區(qū)范圍內(nèi)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差。

(2) 識(shí)別出合肥市生態(tài)源地共計(jì)35處,總面積1.94×103km2,占研究區(qū)域總面積16.89%,現(xiàn)狀土地利用類型主要為林地、草地、水域、耕地;源地間活躍生態(tài)廊道共70條,總長(zhǎng)度約為773.98 km,非活躍廊道共17條,總長(zhǎng)度約為500.33 km,整體呈現(xiàn)環(huán)狀的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)總體分布格局。

(3)識(shí)別出合肥市生態(tài)夾點(diǎn)共計(jì)識(shí)別出生態(tài)夾點(diǎn)290個(gè),面積共計(jì)28.49 km2,現(xiàn)狀土地利用類型主要為耕地、城鄉(xiāng)、工礦居民用地建設(shè)用地;生態(tài)障礙點(diǎn)112個(gè),面積共計(jì)15.58 km2,現(xiàn)狀土地利用類型主要為耕地、城鄉(xiāng)、工礦居民用地建設(shè)用地,生態(tài)夾點(diǎn)與生態(tài)障礙點(diǎn)部分區(qū)域重疊。結(jié)合生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域的現(xiàn)狀地類分布針對(duì)性提出生態(tài)修復(fù)方向,能夠恢復(fù)合肥市生態(tài)本底,顯著提高生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連通性。

(4)PLUS 模型預(yù)測(cè)結(jié)果表明合肥市未來(lái)20年城市體現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大主題,中部城鎮(zhèn)建成區(qū)以環(huán)形放射狀向外擴(kuò)張,林地、水域和未利用地面積持續(xù)增長(zhǎng),耕地和草地面積一直為減少趨勢(shì),整體土地利用變化呈現(xiàn)“兩減多增”的趨勢(shì)。

(5)以2 km為閾值截?cái)嗷钴S生態(tài)廊道,分別與2020年、2030年、2040年土地利用分布疊加,結(jié)果表明2020—2040年生態(tài)廊道范圍內(nèi)城鎮(zhèn)建成區(qū)增長(zhǎng)了55.95 km2,增長(zhǎng)率為17.38%;生態(tài)源地范圍內(nèi)城鎮(zhèn)建成區(qū)增長(zhǎng)了10.51 km2,增長(zhǎng)率為29.61%;生態(tài)夾點(diǎn)范圍內(nèi)城鎮(zhèn)建成區(qū)增長(zhǎng)了1.04 km2,增長(zhǎng)率為47.79%;生態(tài)障礙點(diǎn)范圍內(nèi)城鎮(zhèn)建成區(qū)增長(zhǎng)了1.35 km2,增長(zhǎng)率為28.92%。城市擴(kuò)張對(duì)區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性具有較大的負(fù)面影響,造成一系列城市生態(tài)問(wèn)題,應(yīng)該立足存量規(guī)劃視角,調(diào)控城鄉(xiāng)建設(shè)用地發(fā)展,落實(shí)耕地保護(hù)制度、嚴(yán)守生態(tài)環(huán)境保護(hù)制度,協(xié)調(diào)城鄉(xiāng)建設(shè)用地保障與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的平衡關(guān)系。

4.2 討論

國(guó)土空間生態(tài)安全格局科學(xué)的界定了高強(qiáng)度人類活動(dòng)和城市自然生態(tài)空間關(guān)系[37],如何在中國(guó)快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程當(dāng)中,協(xié)調(diào)好城市發(fā)展和區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)是空間規(guī)劃領(lǐng)域所面臨的重大考驗(yàn)。因此,研究合肥市未來(lái)城鎮(zhèn)建成區(qū)的無(wú)序蔓延對(duì)生態(tài)安全格局的潛在影響,可以為傳統(tǒng)國(guó)土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)前瞻識(shí)別城市建成區(qū)對(duì)生境斑塊侵占過(guò)程,預(yù)先防控生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)的重要環(huán)節(jié),可進(jìn)一步深化生態(tài)安全格局理論在國(guó)土空間規(guī)劃鄰域的應(yīng)用。最后,需指出本文研究仍存在一些不足:①僅關(guān)注合肥市市域范圍內(nèi)的受到城市擴(kuò)展蔓延的生態(tài)廊道,忽略城市的生態(tài)系統(tǒng)不是獨(dú)立存在的,在后續(xù)研究中結(jié)合城市規(guī)模設(shè)定緩沖區(qū),更加準(zhǔn)確研究合肥市周邊區(qū)域的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分布情況;②識(shí)別了生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵區(qū)域,但沒(méi)有評(píng)估對(duì)這些區(qū)域的修復(fù)后之后整個(gè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通性的提升程度,今后應(yīng)結(jié)合未來(lái)土地利用模擬,對(duì)生態(tài)關(guān)鍵區(qū)域修復(fù)后生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通性提升程度進(jìn)行計(jì)算,并結(jié)合地理位置、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等需求,明確生態(tài)修復(fù)的時(shí)序。