陸 禹,佘濟云,*,陳彩虹,佘宇晨,羅改改
1 中南林業科技大學, 長沙 410000 2 華南理工大學,廣州 510641
基于粒度反推法的景觀生態安全格局優化
——以??谑行阌^為例
陸 禹1,佘濟云1,*,陳彩虹1,佘宇晨1,羅改改2
1 中南林業科技大學, 長沙 410000 2 華南理工大學,廣州 510641
景觀生態安全格局優化是改善生態環境、促進人與自然和諧發展的有效途徑。為給海口市秀英區生態環境建設提供科學依據和景觀生態安全格局優化方法改進提供參考,提出了粒度反推法和生態阻力面綜合構建法,結合GIS技術和最小耗費距離模型探討了??谑行阌^景觀生態安全格局優化途徑。結果表明:(1)400m粒度生態景觀組分是秀英區生態源地選取的合適參照,秀英區有生態源地18塊、生態廊道17條、生態節點11個,新增生態源地建設的參考規模為38.5hm2,生態源地的生態服務極限距離為800m,需將現有的11塊非生態景觀類型斑塊轉換為生態景觀類型,總面積20.26 hm2。(2)粒度反推法能為生態源地選取提供客觀參考,在生態源地選擇方面比傳統方法具有更強的理論基礎和客觀性,解決了客觀選取生態源地的問題。(3)綜合生態阻力面能對生態阻力的實際情況進行較好地模擬。顯、隱性生態阻力面之間存在顯著差異,能反映生態系統中潛在的生態薄弱點,這些生態薄弱點往往是容易被忽略而又需要重點建設的區域。
景觀生態安全格局;優化;粒度反推法;空間分析;海口市秀英區
在社會發展和城市化進程加快的同時,人與自然的矛盾日益尖銳,生態安全問題嚴重威脅著人類的生存和發展[1-3]。景觀生態安全格局優化從景觀格局的角度模擬生態過程的空間運動來確定對區域生態安全有關鍵意義的景觀格局及空間位置[4],以改善景觀結構、增強生態系統整體連通性,達到維護生態安全和完善生態系統的目的[5-6],是提升區域生態安全的有效途徑[7-8]。
景觀生態安全格局優化的理論方法經過30年發展,國外已形成以景觀生態規劃為主的研究方法,Fomran提出景觀格局能對生態過程進行控制和影響[9],具有啟發意義。20世紀90年代,俞孔堅提出景觀生態安全格局理論,認為景觀格局中存在著某些關鍵部位和特定格局類型對控制景觀水平生態過程起著關鍵性的作用[4],為優化提供了理論基礎。近年來,Knaapen提出的最小耗費距離模型成為景觀生態安全格局優化的主要模型之一,能較好模擬景觀對空間運動過程的阻礙作用,相比傳統的概念模型和數學模型能更好地表達景觀格局和生態過程的相互關系[10-11]。景觀生態安全格局優化的關鍵在于確定并構建對維護或控制區域生態過程有著異常重要意義的空間格局,本質是調整景觀空間結構,增強生態系統的整體性和連通性。連通性作為度量景觀格局對生物流促進或阻礙程度的指標[12],對物質和能量的流動、生態過程的相互影響和滲透具有重要意義,是維護生態系統穩定性、可持續性和完整性的重要因素[13-14]。目前景觀生態安全格局優化還存在一些不足,如生態源地選擇的客觀性不強、生態阻力面構建極少考慮景觀類型間的相互影響,這兩方面源于不同生態系統的異質性,難以得出適應不同生態系統的統一標準和方法。根據粒度變化引起景觀結構的變化[15]和地統計學能模擬事物之間的相互影響[16],本文提出粒度反推法和生態阻力面綜合構建法,為解決上述問題提供有效途徑。
秀英區是??谑小拔魍亍卑l展戰略下未來發展最大的舞臺。隨著海南省國際旅游島發展戰略的不斷深化和海口市城市化進程加快,秀英區境內建設用地不斷擴張,景觀破碎化程度日益加劇,生態環境遭到破壞,生態安全的保障迫在眉睫。本研究基于粒度反推法和生態阻力面綜合構建法,結合GIS技術從增強生態系統整體連通性的角度,擬對??谑行阌^的景觀生態安全格局進行分析,進而提出優化措施,為景觀生態安全格局優化方法的改進和秀英區生態環境建設提供參考。
秀英區地處海南省??谑形鞅辈浚橛?9°40′—20°4′N、110°7′—110°20′E,南北部以平原為主,中部為馬鞍嶺火山口,地勢中間高、四周低,平均海拔118.5m,總面積492.01km2,屬于熱帶海洋性季風氣候,夏季多臺風,太陽輻射強,南渡江從南部流經,水資源豐富,植被以灌木植物群落為主,森林覆蓋率43.27%。秀英區下轄2個街道辦事處和6個鄉鎮,常住人口約33萬,北部為主城區,中部、南部以農林業為主,適宜發展熱帶高效農業和畜牧業。境內林地、水域及草地總面積242.7km2,占區域面積的49.33%,但景觀破碎化程度較高,生態建設有待加強。
以遙感影像數據、1∶10000地形圖和2010年二類調查數據為研究基礎,二類調查數據的影像信息源為2008年QuickBird遙感影像數據,分辨率3m×3m。利用谷歌衛星地圖下載器下載秀英區16級遙感影像圖,比例尺1∶12000,分辨率4m×4m。遙感影像數據北部拍攝日期為2013年10月7日,中部與南部為2011年12月12日,正好與秀英區北部主城區發展迅速、中南部發展相對緩慢的特點一致,準確度較高。采用北京54坐標系統配準數據,根據解譯標志對二類調查數據進行校對調整和地類合并,得林地、耕地、草地、水域、未利用地和建設用地6種土地利用類型[12]。
(1)連通性指標
采用景觀組分數(NC)、最大組分斑塊數、斑塊內聚力指數(COHESION)和連接度指數(CONNECT)表征生態景觀連通性[14]。生態景觀指具有較高生態服務價值的景觀類型,選取林地、水域和草地作為生態景觀類型[10,17]。
(2)粒度反推法
粒度反推法是以景觀生態安全格局優化為目的,用不同粒度表征不同生態源地結構,通過連通性分析確定最優生態景觀組分結構和景觀組分數后,再返回原始數據反選生態源地的方法。該方法的思想來自數學反證法,先假設研究區存在不同的生態源地結構,再確定最優生態源地結構。因為生態斑塊具有服務范圍,該方法認同不相連而相隔很近的生態斑塊可以共同構成生態源地,以此指導生態源地建設。在粒度變化的過程中,規模較小且零星分布的生態斑塊不斷被剔除,相連和相離較近的生態斑塊不斷合并形成規模擴大的生態景觀組分,最后生成不同粒度的實驗數據。運行機理如圖1:假如,生態景觀組分在粒度100m時彼此分離,但在800m時形成了一個生態源地,那么這個生態源地則由綠色部分(現有生態斑塊)和紅色部分(需轉換成生態景觀類型的斑塊)共同組成。

圖1 粒度反推法示意圖Fig.1 The diagram of grain size reverse method
實驗數據以各自粒度水平為閾值計算連通性,以使結果歸一化。最優生態源地結構即對區域生態過程阻礙程度最小的生態源地結構,其中最小生態源地面積則為新增生態源地規模的參考標準。
(3)生態阻力面綜合構建法
景觀生態學認為,生態物質和能量在景觀間流動需克服一定阻力,這些阻力構成了生態阻力面[4]。傳統構建方法僅考慮土地利用類型,很少考慮物質和能量之間的相互影響,導致生態阻力面與實際情況產生了偏差?;谶@種理念,將生態阻力按照可否直觀判斷分為顯性生態阻力和隱性生態阻力。
顯性生態阻力可直觀判斷,隱性生態阻力卻不易直接判斷,如空氣、水的流動,污染物的擴散等,這種交流形式同樣伴隨著物質和能量的交換。地統計學中的克里格插值法以空間自相關為基礎,能反映事物在空間上的相互影響[16]。在用傳統方法構建顯性生態阻力面的同時,利用克里格插值法構建隱性生態阻力面,兩者加權疊加形成綜合生態阻力面,能較好地反映生態阻力的實際狀態。阻力面疊加時會遇到加權值問題,這會隨區域特性而不同。
(4)最小耗費距離模型
最小耗費距離模型從生態源地、空間距離、景觀介面特征等方面反映生態物質和能量在空間中的運動趨勢,可構建生態廊道和確定生態節點。公式如下:
Ci=fmin∑(Dij×Ri) (i=1,2,3,…,m;j=1,2,3,…,n)
(1)
式中,Dij是空間某一點從景觀基面i到源j的實地距離;Ri是景觀i對生態流運動的阻礙程度,Ci是第i個景觀單元到源的累積耗費值,n為基本單元總數[10]。
(1)不同粒度數據的生成
利用粒度反推法從不同粒度水平和相同粒度水平生態景觀連通性兩方面推導最優生態源地結構:不同粒度反映的是生態組分整體結構的變化趨勢,相同粒度反映的是生態組分內部連通性的變化趨勢。提取秀英區生態景觀類型,以50、100、200、400、600、800、1000、1200m生成不同粒度柵格圖[17](圖2)。

圖2 不同粒度柵格圖Fig.2 The raster drawing of different granularity
(2)不同粒度水平下生態景觀連通性
在fragstats中計算不同粒度水平下景觀組分在各自粒度尺度上的景觀組分數、最大組分斑塊數、斑塊內聚力指數和連接度指數,得生態景觀連通性指數散點圖(圖3)。

圖3 不同粒度生態景觀連通性指數Fig.3 The connectivity index of ecological component of different granularity
根據拐點是數據曲線的質變特征點可知:
生態景觀組分數隨粒度的增加而減少,最大組分斑塊數逐漸增多。粒度400m時景觀組分數開始趨于穩定,達到600m后景觀組分數穩定在8個(圖3),說明粒度達到600m后生態景觀組分很難再合并成更大的生態景觀組分。由此可對生態景觀組分劃分等級,粒度600m時8個生態景觀組分在規模上具有最明顯的優勢,為一級生態源地;400m粒度時另外10個生態景觀組分為二級生態源地,以此類推。研究表明,僅選擇一級生態源地會忽略景觀格局中某些關鍵局部[10],而選擇三級生態源地則會導致優化結果過于復雜而重點不突出[18],因此選擇400m粒度即二級生態源地較合適。最大組分斑塊數在粒度400m出現了第一個明顯拐點(圖3),說明400m粒度是生態斑塊合并成生態源地過程中發生質變的關鍵點,該指標應選擇400m粒度。
斑塊內聚力隨著粒度的增大而減少,在粒度600m后內聚力指數呈穩定下降趨勢(圖3),表明粒度在600m內時區域中生態景觀組分之間存在較強的自然連通性,大于600m后內聚力下降較快,應選擇粒度在600m內的生態景觀組分結構。
粒度400m時生態景觀組分的連接度指數最大,大于400m后連接度指數急劇下降,在到達800m時連接度已降為0(圖3)。說明秀英區在400m粒度時生態景觀組分之間存在較強的連接度,超過400m后連接度急劇減弱,在達到800m后生態景觀組分之間的聯系已相當微弱,因此應選擇400m粒度為參照。

圖4 不同閾值距離下生態景觀連接度增加百分率 Fig.4 The increasement rate of connectivity index of ecological landscape with different thresholds distance
(3)相同粒度水平下生態景觀連通性
根據土地利用類型得到粒度為10m的高精度柵格圖,計算不同閾值距離的生態景觀組分連接度,并計算各閾值距離生態景觀組分連接度與前一級連接度之間的增長率,以反映閾值距離增加對提高整體連接度意義的明顯與否(圖4)。
同一粒度水平下連接度會隨閾值距離的增加而增強。當閾值距離為100m和400m時,連接度增加百分率較高,說明生態斑塊連接節點的分布密度相對較大。在閾值距離為400m后連接度指數的增加速率呈現穩步下降趨勢,說明粒度400m后生態景觀組分之間連接度增加的意義已經弱化,400m粒度是生態源地選擇的適合參照。
(4)生態源地的確定
綜上所述,5個判斷最優生態源地結構的指標有4個指向400m,1個指向600m,粒度400m的生態景觀組分作為最優生態源地選擇的參照較合適,此時秀英區存在生態源地18個。將粒度400m的柵格圖轉為矢量數據,選取面積最大的18個生態景觀組分作為生態源地(圖5),得到生態源地分布圖(圖5)。疊加400m粒度柵格圖和土地利用現狀圖,能清楚判斷哪些斑塊需要將現有非生態景觀類型轉變為生態景觀類型。新增生態斑塊由6塊耕地和5塊建設用地轉變而來,總面積20.26 hm2。它們將相鄰的生態景觀組分彼此連接形成更大的生態源地,對改善生態環境發揮著重要作用。

圖5 生態源地的選擇Fig.5 The choice of ecological source
以生態服務價值衡量景觀類型生態服務功能的重要性[19-20]。水域的生態服務價值最高,對生態流運行的阻力最小,阻力值設為1;建設用地的生態服務價值最低,對生態流運行的阻力最大,阻力值設為 100,其他景觀類型阻力值取值范圍設定為(1,100)(表1)[10]。考慮到秀英區自然條件適合植物生長,污染程度較低,通過咨詢7位生態學和林學專家,決定顯、隱性生態阻力面權重分別取值0.7和0.3,一致性檢驗為CI=0.0019<0.1,結果較合理。對秀英區的顯、隱性生態阻力面加權疊加,得到綜合生態阻力面(圖6)。
生態廊道是生態源地相互聯系、進行物質和能量交流的直接通道,能增強生態系統整體連通性。依據生態源地確定生態質心,以綜合生態阻力面為權重,利用最小耗費距離模型計算生態質心之間的最小成本路徑,即生態廊道。根據生態廊道所處環境的特性,將生態廊道分為分布在耕地上的耕地生態廊道和分布在建設用地上的建設用地生態廊道(圖7)。秀英區共有生態廊道17條,其中耕地生態廊道14條,占總數的82.35%,建設用地生態廊道3條,占總數的17.65%。

表1 不同景觀類型阻力值[10]

圖6 綜合阻力面計算過程Fig.6 The process of comprehensive resistance surface
生態節點是生態安全格局中易受外界干擾的生態脆弱點,是連接生態源地的跳板,對維護區域景觀生態結構的整體性、連續性和生態功能的發揮具有戰略意義。將綜合生態阻力面(分辨率為50m×50m)作為DEM數字高程模型,利用水文分析提取山脊線,即為生態阻力面最大成本路徑,其與生態廊道的交叉點為生態節點[18]。根據生態廊道的特性,將生態節點分為耕地生態節點和建設用地生態節點(圖7)。秀英區共有生態節點11個,其中耕地生態節點8個,占總數的72.73%,建設用地生態節點3個,占總數的27.27%。

圖7 秀英區景觀生態節點Fig.7 The eco-node of landscape pattern in Xiuying district
景觀格局優化首要應解決的關鍵問題是怎樣的景觀空間結構才是最優[21]。景觀生態安全格局優化通過選擇生態源地、構建生態廊道和生態節點來調整景觀空間結構和增強生態系統整體連通性的方法是值得借鑒的,但選擇景觀空間結構的過程具有主觀性,是否是最優結構也難以判斷。生態源地是生態景觀空間結構的基礎,構建最優生態景觀空間結構依賴于最合理的生態源地。粒度反推法從連通性的角度首次分析出最優生態源地結構,相比傳統方法在生態源地選擇方面優勢明顯,其選擇的生態源地結構理論上對生態過程阻礙作用最小,分析過程能反映景觀組分連通性特征,結果更客觀合理,現實指導意義更強。本研究表明粒度反推法將粒度、景觀空間結構和連通性結合起來判斷最優生態源地結構是可行的,相比傳統方法能得到更多反映實際情況的結論。從運行機理看,粒度的可變性使得粒度反推法能夠分析不同大小的生態系統,尤其在景觀類型較多、景觀破碎化程度高、研究范圍較大的情況下效果明顯,因此適用于城市規劃和區域尺度的生態環境規劃領域。
生態阻力面是一系列復雜生態過程共同作用的結果[22],不僅受景觀類型的影響,還受自然條件、人為干擾和其他生態流的影響[11]。本研究在考慮景觀類型的同時,還從生態流動和人為干擾兩方面考慮生態阻力間的相互作用,提出了生態阻力面綜合構建法。生態阻力面綜合構建法繼承了傳統方法,并利用克里格插值法首次對生態阻力間的相互影響進行了模擬,理論上更接近生態阻力實際情況。結果表明顯、隱性生態阻力面之間存在明顯差異,這與一些學者的設想是一致的[11,22]。顯性生態阻力面僅考慮景觀類型的形狀和邊界,阻力值分布與景觀類型一致;隱性生態阻力面考慮了周圍環境的影響,阻力值過度更平緩,其分布與景觀類型出現了差異,這些差異局部往往是容易被忽略而又需要重點建設的區域。本研究中顯性和隱性生態阻力面的差異在局部區域尤為突出(圖6),這些區域多為被耕地、未利用地和建設用地包圍的林地,景觀規模不足,受環境影響大,難以維系自身生態系統,應加強生態建設,增強與生態源地的聯系,保障正常的生態過程。目前國內外對顯、隱性生態阻力面疊加權重值的研究還未涉及,本文僅以專家打分法表達兩種生態阻力面結合的新理念,下一步研究將尋找更客觀的方法確定權重,構建評價體系是可行的方法之一。
景觀生態安全格局優化在物種保護、土地利用規劃和景觀生態規劃方面的應用較廣泛[23],主要內容是整體景觀結構調整,未涉及景觀類型本身的連通特性分析。粒度反推法能反映景觀空間結構隨粒度變化的連接特性。根據連接度公式[12],800m為秀英區生態景觀組分連接狀態的臨界距離(圖4),即整體而言,生態源地的最大服務半徑約為800m,在生態建設中應盡可能確保區域處在生態源地的服務半徑內。閾值距離200m時生態景觀組分連接度增加速率有所下降(圖4),說明生態功能節點的分布密度相對降低[12],應注重間隔距離為200m的生態斑塊之間的生態建設,增強生態斑塊間的連接度。
生態源地空間分布特征為整體分散、局部集中,大致分為南北兩部分(圖5),南部生態源地規模較大,北部生態源地規模較小。主要是因為北部為城鎮開發區,受人為干擾大,建設用地和農田面積廣且布局分散,加之長期受海風影響,生態脆弱性較高[24],生態源地受到阻隔和限制。最大生態源地占生態源地總面積的56.70%,為馬鞍嶺火山口森林公園,處在區域中心地帶,同時最大生態源地往往對區域生態安全和生態過程起主導作用,應重點保護和建設,并采取緩沖帶等強化措施,促進其生態服務功能的發揮;最小生態源地面積為38.5 hm2,說明當生態源地規模達到38.50 hm2時,將對秀英區生態系統產生顯著影響,新增生態源地建設規模應以此為參考。東北部中心城區無生態源地,反映出秀英區城市規劃不合理,中心城區是新增生態源地的優先選擇區,應調整用地結構形成生態源地和生態廊道完善區域生態系統。根據生態源地做800m緩沖得生態服務區,面積400.47km2,占秀英區的81.39%,說明秀英區大部分區域處于生態服務范圍內,目前生態環境狀況較好。
不同生態廊道和生態節點發揮的作用不同。秀英區最長生態廊道屬于耕地生態廊道,長5251m,將南北生態源地群連接起來,起著連接整個生態系統的作用,對改善生態系統具有至關重要的意義;建設用地生態廊道是人類社會與自然環境交流和物質能量交換的大動脈[10],對人與自然和諧發展具有推動作用,也是建設重點。生態廊道建設應保證寬度,建立適宜的緩沖區,以減少外界環境干擾,并根據生態源地采用相應景觀基質,以確保相容性和穩定性。生態節點中有4個需要重點建設:最長生態廊道上的耕地生態節點極大保障了該生態廊道的連續性和穩定性,一方面要以生態源地的標準建設,設置緩沖帶禁止人為干擾,另一方面應豐富生物多樣性,形成穩定的生態子系統;3個建設用地生態節點能改善人居環境、提高生活質量,應加大建設力度。
(1)粒度為400m的生態景觀組分是秀英區生態源地選取的合適參照。按此參照秀英區有生態源地18個(一級生態源地8個、二級生態源地10個),生態廊道17條,生態節點11個;最小生態源地面積38.5hm2,為新增生態源地建設的參考規模;整體而言,生態源地的服務極限距離為800m,為生態建設提供了尺度參數;秀英區需將現有的11塊非生態景觀類型斑塊轉換為生態景觀類型,總面積20.26 hm2。
(2)粒度反推法通過粒度與連通性相結合選出了秀英區連通性最強的生態景觀組分結構,即最優生態源地結構,能為生態源地的選取提供客觀參考。粒度反推法在生態源地選擇方面比傳統方法具有更強的理論基礎和客觀性,通過景觀連通特性分析解決了客觀選取生態源地的問題,并能反映景觀連接特性,取得了較為滿意的效果。
(3)顯、隱性生態阻力面加權疊加生成了秀英區的綜合生態阻力面,綜合生態阻力面兼顧景觀類型和生態阻力的相互影響,能對生態阻力的實際情況進行較好的模擬。顯、隱性生態阻力面之間存在顯著差異,能反映生態系統中潛在的生態薄弱點,這些生態薄弱點往往是容易被忽略而又需要重點建設的區域。
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Landscape ecological security pattern optimization based on the granularity inverse method: a case study in Xiuying District, Haikou
LU Yu1,SHE Jiyun1,*,CHEN Caihong1,SHE Yuchen1,LUO Gaigai2
1CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410000,China2SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China
The Landscape Ecological Security Pattern Optimization Approach (LESPOA) is an effective way of promoting healthier ecosystems and harmonious relationships between people and their surrounding environment. Currently, there are shortcomings to this approach because it lacks objectivity in ecological site selection, and when simulating ecological resistances, it doesn′t consider the interactions between these resistances. In order to address these issues, this paper uses the granularity inverse method and the comprehensive construction method of ecological surface resistance, which combines the technology of GIS with a least-cost distance model, to apply the LESPOA in Xiuying district. We aimed to provide a scientific basis for ecological environment construction and a method for improving the LESPOA. The results were: (1) When the granularity of ecological landscape component is 400 m, the ecological landscape component is an appropriate method for selecting ecological sources. According to the above appropriate method, there were 18 ecological sources (8 primary and 10 secondary), 17 ecological corridors, and 11 ecological nodes in Xiuying district. The reference scale of new ecological sources was 38.5 hm2. The maximum ecological service distance for whole ecological source structure was about 800 m. When the distance between different ecological patches is approximately 200 m, we should enhance the ecological connections between them. Currently, there are 11 non-ecological landscape patches (with a total area of 20.26 hm2) in Xiuying district that need to be converted to ecological landscape patch; (2) The granularity inverse method has a stronger theoretical basis and greater objectivity than traditional methods of ecological source selection, and it also can reflects the connective characteristics of landscape pattern. Therefore, the results from this method can supply more accurate references for ecological construction than traditional methods. (3) The comprehensive ecological resistance surface considers the interaction between resistances and thus can better simulate the physical characteristics of ecological resistances than the traditional ecological resistance surface that just considers land use type. There are significant differences between dominant ecological resistance and recessive ecological resistance, which can reflect potential ecological weak points. Most of the ecological weak points in Xiuying district are woodlands that are surrounded by farmland, unused land, and construction land. Although these ecological weak points can easily be neglected, it is important to focus on enhancing the connections between the weak points and ecological sources in order to restore natural ecologic processes.
landscape ecology security pattern;optimize;granularity inverse method;spatial analysis;Xiuying District of Haikou City
國家林業行業公益性項目(201004032);海南省林業廳重點科研項目(LK20118478);湖南省“十二五”重點學科——森林經理學科(034-0014)
2014-02-17;
2014-06-02
10.5846/stxb201402170274
*通訊作者Corresponding author.E-mail: shejiyun@126.com
陸禹,佘濟云,陳彩虹,佘宇晨,羅改改.基于粒度反推法的景觀生態安全格局優化——以??谑行阌^為例.生態學報,2015,35(19):6384-6393.
Lu Y,She J Y,Chen C H,She Y C,Luo G G.Landscape ecological security pattern optimization based on the granularity inverse method: a case study in Xiuying District, Haikou.Acta Ecologica Sinica,2015,35(19):6384-6393.