基于最小阻力模型的武安市景觀安全格局研究

,2(.中國地質大學(北京) 土地科學技術學院,北京 00083;2.國土資源部土地整治重點實驗室,北京 00035)

基于最小阻力模型的武安市景觀安全格局研究

魏聰禮1,張建軍1,2,程明芳1,耿曉麗1
(1.中國地質大學(北京) 土地科學技術學院,北京 100083;2.國土資源部土地整治重點實驗室,北京 100035)

礦產資源的開采雖然使資源型城市的社會經濟迅猛發展,但也造成了環境污染和景觀安全格局破壞。以資源型城市武安市為研究區,基于“源—匯”理論和最小阻力模型,確定武安市的“生態源”和“干擾源”,構建綜合阻力面,提取重要生態廊道,分析其景觀安全格局狀況。研究結果表明:①“生態源”集中分布在武安市西部自然保護區,中東部分布較少且連通性差;②礦產資源開采區的生態阻力值較大,交通建設對生態過程擴展起阻礙作用;③生態廊道網絡布局特征明顯,南、北氵名河連貫東西,南北方向因生產建設干擾強烈出現斷層;④礦區周圍生態用地破碎嚴重,應將生態規劃與城市規劃、礦區規劃相結合,整體上保護資源型城市的景觀生態安全格局。

景觀生態安全格局;MCR模型;武安市;生態廊道

1 引言

景觀生態安全格局是支持城市生態安全的關鍵性格局,對保護城市生態系統結構和功能、保障城市的生態系統服務具有重要的作用[1,2]。由于資源型城市對自然資源的大量開采,引發了許多環境污染問題,景觀生態安全格局也遭受了不同程度的破壞[3]。減輕礦產資源開采對生態環境造成的破壞,改善資源型城市的生態環境,是資源型城市健康可持續發展的關鍵[4]。武安市作為一座典型的資源型城市,社會經濟的快速發展造成了許多生態環境破壞問題,因此研究武安市的景觀生態安全格局十分必要[5]。

在景觀生態安全格局研究方面,霍華德等提出“花園城市”理論和有關實踐對景觀生態安全格局規劃的影響深遠[6];俞孔堅提出“反規劃”途徑,通過建立保障自然過程安全的景觀安全格局來解決城市的功能結構問題具有非常重要的意義[7]。國內外眾多學者從城市網絡和景觀網絡的角度進行了景觀生態功能網絡構建和應用的研究[8,9]。在方法上,運用較多的是Knaapen提出的最小累積阻力模型,該方法最先應用在物種擴散過程的研究方面[10],后經過俞孔堅、陳利頂等的修改,被廣泛應用于景觀格局分析等生態領域[11,12]。近年來,在景觀生態安全格局分析[13,14]、景觀可達性分析[15]、生態保護功能區劃定[16]等方面的研究和實踐逐漸增多。

本文在總結前人研究方法的基礎上,結合武安市的城市發展特征,識別影響武安市景觀安全格局的“生態源”和“干擾源”,通過確定兩種“源”的阻力因子和阻力值,運用最小累積阻力模型方法構建“生態源”和“干擾源”的綜合阻力面,提取具有重要生態功能的生態廊道,對武安市的景觀生態安全格局進行分析和優化,以期為資源型城市景觀生態安全格局的理論發展和生態環境保護提供參考。

2 研究區與數據

2.1 研究區概況

武安市位于河北省邯鄲市西北部的太行山東麓,地理座標為：113°45′—114°22′E、36°28′—37°01′N。武安市西部地區地勢較高,四面環山,中部地勢平坦,局部形成平原,稱之為“武安盆地”,地理位置見圖1。全市土地總面積1806km2,地形以山地丘陵為主,現轄22個鄉鎮,502個行政村,人口達到83.7萬人。武安市的礦產資源以鐵礦、煤礦為主,是全國58個重點產煤縣(市)和全國四大富鐵礦基地之一,2015年生產總值達到600.1億元。

圖1 武安市的地理位置

武安市是以采礦業為優勢產業的礦業城市,多年的礦產資源開采,使城市尤其是礦區周圍的生態環境和景觀格局破壞嚴重。礦山生態破壞類型主要有廢棄采礦坑、排土場和塌陷煤場,集中分布在礦產資源富集區,如礦山鎮、淑村鎮、康二城鎮等。當前礦山廢棄地的現狀用途多為獨立的工礦用地,礦山建設用地在閉坑或停產后部分用于耕地、園地、林地等生態用地,還有一部分被閑置起來,成為裸巖石礫地、荒草地等未利用地。礦山開采改變了當地的土地結構,嚴重破壞了生態系統的穩定性,造成生態景觀面積減少、連通性降低,嚴重阻礙了武安市的可持續發展和“綠色礦業城市”建設。

2.2 數據來源

本文主要利用武安市國土局提供的2015年武安市土地利用現狀圖、土地利用數據庫、土地利用變更數據、相關年份的《武安市統計年鑒》和其他規劃圖件、文本作為基礎數據進行研究。利用地理空間數據云上的GDEMV2 30m分辨率數字高程數據,研究區的武安市包括三幅數據,分別為條帶號113、行編號36、37和條帶號114、行編號36。利用ArcGIS10.2軟件,通過拼接、裁剪等操作,得到武安市的高程數據。其中,矢量數據的整合處理利用ArcGIS10.2軟件實現。為了突出采礦活動的影響,我們將土地利用類型按照對生態景觀的作用分為生態用地和非生態用地兩大類,其中生態用地包括林地、草地、耕地、園地、水體和未利用地,非生態用地包括工礦建設用地、非工礦建設用地和交通用地。

3 研究方法

研究城市的景觀生態安全格局首先需要確定“源”,并識別連接“源”的走廊即生態廊道。最小累積阻力(Minimum Cumulative Resistance,MCR)模型考慮了生態過程和景觀格局的相互作用,在景觀生態安全格局的研究中應用廣泛。本文將礦業城市的景觀受干擾特征融入該模型中,分析武安市的生態安全格局和景觀特點。最小累積阻力就是從“源”地通過具有不相同阻力值的各類景觀類型所累積耗費的最小成本或克服阻力做的最小功,反映的是過程擴展的難易程度[17]。最小累計阻力值的確定是進行景觀生態安全格局研究的關鍵,計算公式為:

(1)

式中,MCR為最小累積阻力值;Ri為景觀i對“生態源”擴展(或生態空間擴張)的阻力系數;Dij為“生態源”j擴展到景觀i的距離;∑為景觀i與“生態源”j之間穿越所有單元的距離和阻力的累積;min為被評價斑塊對不同的“源”取累積阻力的最小值;f為一個函數,其生態過程與最小累積阻力正相關。

運用最小累積阻力模型研究景觀生態安全格局的關鍵在于“源”的選取和阻力面的構建,本文采用最小累積阻力模型分別建立“生態源”與“干擾源”擴展過程的最小累積阻力面,通過計算兩者的最小累積阻力差值提取綜合阻力面,識別生態廊道。在本研究中,阻力值側重反映一個生態景觀單元經過不同的景觀單元所受到的阻力大小,即生態阻力值,計算公式為:

MCR差值=MCR生態-MCR城鎮

(2)

式中,當MCR差值的值為正時,表示該區域的生態用地擴張阻力大,值越大越適合城鎮用地的擴張,反之亦然。利用最小累積阻力模型研究景觀生態安全格局,可對景觀之間的水平聯系進行綜合考慮,不僅僅是考慮景觀的垂直聯系[18]。因此,該模型在景觀生態安全格局研究方面具有良好的適用性和擴展性,能較好地反映景觀生態安全格局的內在有機聯系。

4 過程與分析

4.1 “源”的提取

“源”的確定是景觀生態安全格局研究的基礎,本研究的“源”包括“生態源”和“干擾源”兩種。其中“生態源”是一些連續分布的自然斑塊,具有調節環境氣候、減少環境污染、改善環境質量、維護生物多樣性等多方面的景觀生態功能,能促進生態過程的發展,具有系統性、整體性和空間拓展性[19]。“干擾源”是指能推進城鎮化、促進經濟發展和滿足城鎮居民衣食住行需求,而對生態用地擴張起抑制作用,對景觀的安全格局產生負面影響的非生態斑塊是景觀格局時空分異的重要驅動力來源[20]。本研究從改善生態環境和推進城鎮化兩個角度選取兩種“源”,其中“生態源”包括具有較高生態服務價值的大型生態用地斑塊[21],考慮資源型城市生態用地的特殊功能和用地結構,提取面積大于50hm2的生態用地作為“生態源”,而將面積大于10hm2的非生態用地作為“干擾源”,見圖2(封二)。

從地形地貌特征和景觀格局現狀方面分析,武安市的“生態源”呈四周環繞分布的空間格局,面積較大的“生態源”主要分布在西北部和西南部,且它們之間具有較好的連通性。從城市功能定位上看,西部“生態源”地處武安市的自然保護區和封山育林區,涵蓋了武安市絕大部分的風景區,主要由草地和林地組成,山體周邊多為開墾的耕地,受干擾強度弱、保護力度大,是重要“生態源”的保護區。由于武安市中東部為武安市經濟發展的核心區域,景觀類型受人類活動干擾強烈,因此“干擾源”主要分布于此。位于中東部的“生態源”面積較小、連通性較差,并且大量的建設用地和工礦用地等“干擾源”阻礙了東部和西部“生態源”之間的生態擴展過程。其他“生態源”則主要分布于礦山生態修復區,大部分由林地和工礦廢棄地鑲嵌構成,受“干擾源”的干擾強度較強。

4.2 阻力因子與阻力值的確定

阻力值可反映不同景觀單元通過同一單元的難易程度。本文參考武安市的景觀生態格局空間分布,因地制宜地選取了景觀類型、生態服務價值、坡度和高程四個影響程度較高的因素作為阻力因子。由于景觀類型、景觀類型的生態服務特征和地形地貌的差異對生態用地保護和城鎮擴張的影響不同,因此需要對不同阻力因子進行賦值[22]。本研究采取標準化法、極差法和自然斷裂法對各阻力因素的原始數據進行處理,利用ArcGIS10.2軟件對各阻力因子進行重分類,得到各類阻力因子的阻力值,并依據各阻力因子的影響程度大小采用層次分析法確定其權重[23],各阻力因子阻力值及權重值見表1。

表1 各阻力因子的阻力值與權重值

景觀類型與生態服務價值:景觀類型和生態服務價值這兩個阻力因子對“生態源”和“干擾源”具有相反的阻力值。生態用地有利于“生態源”的擴展,非生態用地有利于“干擾源”的擴張。生態服務功能主要包括氣候調節、水源涵養、廢物處理和生物多樣性保護等功能。生態服務價值越高,越有利于“生態源”的擴張,而對“干擾源”的阻力值則增大。“生態源”和“干擾源”的景觀類型阻力值見圖3(封二),生態服務價值阻力值見圖4(封二)。

高程與坡度:高程與坡度值這兩個阻力因子對“生態源”和“干擾源”具有相同的影響效果,高程值的增大和坡度值的增大都不利于“生態源”和“干擾源”的擴張。武安市四面環山,地勢西北部最高,最高海拔為1898m,最低海拔為78m。一般而論，高程值越大,對“生態源”和“干擾源”的阻力值就越大。根據武安市的DEM數據,本研究利用ENVI5.1軟件的Topographic Modeling工具計算其坡度值,坡度值越大,對“生態源”和“干擾源”的阻力值就越大。高程和坡度的阻力值見圖5(封二)。

本研究利用ArcGIS10.2軟件中的Raster calclutior工具,對“生態源”和“干擾源”的四個阻力因子分別進行加權求和計算,得到“生態源”和“干擾源”的綜合阻力值,生態源綜合阻力值見圖6a(封二),干擾源綜合阻力值見圖6b(封二)。

4.3 最小耗費阻力面的構建

按照最小累積阻力面計算的方法,結合“源”和阻力因子的阻力值,本研究利用ArcGIS10.2軟件空間分析工具中的Cost distance模塊,分析得到“生態源”和“干擾源”擴張的最小耗費阻力面,并對這兩個阻力面進行差值計算,得到綜合阻力面,三種不同的阻力面見圖7(封二)。

4.4 生態廊道的識別

生態廊道作為連接各種開放空間的綠色生態通道,對城市環境的改善、自然棲息地的保留和城市綠地系統的完善有著重要的作用。在ArcGIS10.2軟件空間分析模塊中,生態廊道通常理解為各“源”間的低累積阻力谷線,是相鄰兩“源”間最容易聯系的低阻力生態通道和“源”間生態流的高效通道與聯系路徑[24]。在最小累積阻力模型中,廊道設定在“源”間低阻力最低的“谷線”附近,每一個“源”都有一條或多條穿過“谷線”的廊道同其他“源”相連接[25]。本研究利用ArcGIS10.2軟件中的Hydrology模塊,通過確定正負地形、挖地填充、計算流向、計算匯流累積量等步驟提取低阻力“谷線”作為生態廊道,共識別提取了82條生態廊道,其位置和走向分布見圖8。

圖8 生態廊道

分析生態廊道的結構布局可知,武安市境內的生態廊道網絡結構可概括為“一環五橫六縱”。“一環”指城區二環,“五橫”指邯沙、磁左、邯長鐵路線路和青蘭高速路、309國道路,“六縱”分別指劉西、永峰、邢峰、平涉和礦宋線路、邢峰高速路；同時呈現“兩橫一縱”式的分布,“兩橫”是指南氵名河和北氵名河,“一縱”是指312省道。發達的交通干線是影響景觀格局的重要因素,錯綜復雜的交通網絡對提高生態網絡的連通性起到了雙向作用。兩條季節性河流南氵名河和北氵名河是貫穿武安市東西方向的河流型生態廊道,可作為武安市的重要生態連接廊道。

4.5 武安市景觀格局優化

從整體上看,武安市作為典型的礦業城市,生態網絡結構的穩定性和連通性一般,生態廊道分布不均衡,其結構分布受城市建設發展和采礦活動的影響較大。人為干擾活動少的西南區域廊道數量較多,連通性較強,生態系統相對穩定;中東部、東北部囊括城市中心和重要的采礦活動區,生態廊道數量較少且連通性不高,缺少連接南北方向的生態廊道,造成“生態源”擴展途徑單一。

對位于武安市西部和南部的生態源優化,需要進一步實施退耕還林工程,確保其生態環境不受破壞;對位于礦山修復區的生態源,是優化的重點區域,需要積極開展礦區生態復墾,增加礦區林地面積,改善礦區生態環境,促進生態過程的擴展。武安市的生態廊道對“生態源”起到了“橋梁”的連接作用,但連接南北方向的生態廊道數量較少,需要在今后的規劃中增加其數量。武安市的兩條河流型生態廊道屬于季節性河流,大量水體用地被占用,河流兩岸聚集多家工業企業,因此需要對河流生態廊道兩岸產能低、污染大的工業企業進行搬遷。南北方向道路型生態廊道集中出現大段缺失的情況,需要在道路廊道兩岸建立綠化帶,增加綠地面積,提高生態廊道功能。

在武安市中東部的礦區區域,生態斑塊面積較小,破碎化較嚴重,大多數生態斑塊是草地、林地與工礦廢棄地的融合體,一方面需要積極開展礦區生態恢復,增加礦區生態用地面積;另一方面,現有的武安市工業區、南氵名河工業區和青龍工業區對武安市整體的景觀生態安全格局破壞影響較大,應及時對已搬遷的礦企舊址進行生態修復和綠化,更好地保護武安市的景觀生態安全格局。

5 結論與討論

5.1 結論

主要是:①分析了武安市的用地布局和礦區景觀特征,通過最小累積阻力模型的方法,構筑“生態源—生態廊道”模式的生態網絡。在構建生態過程擴展阻力面時,考慮了資源開采對景觀生態安全格局的影響,也考慮到生態用地擴張與城鎮擴張之間相互制約的關系,將“生態源”和“干擾源”的擴張阻力面差值作為最終的綜合阻力面,利用綜合阻力面提取生態廊道,分析武安市的景觀生態安全格局,更加符合武安市的實際情況,為其他資源型城市景觀生態安全格局的研究提供參考。②通過對武安市工礦用地的分析發現,我國大多數資源型城市由于對礦產資源的大力開采,在礦產資源分布帶周圍分布有許多中小型工礦企業,這些中小型礦業企業的生產水平和資源利用率普遍偏低,公共資源利用的外部性強,粗放式經營浪費土地資源,對生態環境具有較高的干擾性。因此,對處于經濟轉型期的資源型城市,應盡快實現經濟增長方式的轉變,借鑒國內外中小礦企兼并重組的成功案例及時進行整改措施,引導企業有序搬遷,減少對景觀生態格局的破壞。③資源型城市雖然主要是進行大量的礦產資源開采,但對開發資源型城市的礦業用地需要符合當地的土地利用總體規劃、城鄉總體規劃和礦產資源開采規劃等的基本要求。規范工礦區域用地布局,必須在礦產資源規劃劃定的鼓勵開采區和允許開采區內進行礦產資源的開采,嚴禁在禁止開采區和重要交通干線周圍進行采礦活動。重視景觀生態規劃在工礦用地布局中的引導作用,對礦產資源開發規劃和建設項目實行環境影響測評,加強監督管理工作,預防破壞景觀生態的現象發生。

5.2 討論

景觀生態安全格局研究是一個具有長期性、連通性的過程,在礦業資源利用規劃、新建礦區規劃和礦區生態修復規劃過程中,應將景觀生態安全規劃理念融入到礦業城市傳統規劃的編制中,重點保護對改善生態環境、提高景觀連通性有促進作用的生態用地。在重大基礎設施建設中,運用綠色基礎設施構建的理論方法,將基礎設施與生態網絡相結合,既可維持礦業城市生態系統的完整性、又可降低礦業城市環境改善成本。

在研究尺度上,本文著眼于武安市行政區劃范圍內景觀生態安全格局的網絡構建,并未考慮周邊城市土地利用類型對研究結果的影響。在后續的研究中,需從較大的研究尺度進行研究,綜合考慮武安市周邊景觀類型對武安市景觀生態安全格局的影響。在阻力因子的選取上,本文只選取了土地類型、生態服務價值等因素作為阻力因子,未考慮武安市主要物種的活動范圍和遷徙距離等因素,阻礙生態過程擴散的因素有很多,需在以后的研究中不斷完善。

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StudyonLandscapeSecurityPatternofWu′anCityBasedonMinimumCumulativeResistanceModel

WEI Cong-li1,ZHANG Jian-jun1,2,CHENG Ming-fang1,GENG Xiao-li1
(1.School of Land Science and Technology,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083,China;2.Key Laboratory of Land Consolidation and Rehabilitation,Ministry of Land and Resources,Beijing 100035,China)

Although the exploitation of a large amount of mineral resources made the rapid development of social economy,it also caused the serious pollution of the ecological environment and the destruction of landscape ecological security pattern,this required us to pay enough attention to discover these problems and to take some measures to solve them.The resource-based city of Wu′an was the study area,based on the “source-sink”theory and the minimum cumulative resistance (MCR) model,the “ecological source"and “disturbance source" of Wu′an City were established,then built the comprehensive resistance surface,extracted the important ecological corridor,and analyzed the landscape ecological security pattern.The results showed that:①The “ecological source" was distributed in the west of Wu′an nature reserve,middle eastern distribution was less and the connectivity was very poor.②The ecological resistance value of the mineral resources exploitation area was large,and the construction of the traffic had an obstacle to the expansion of the ecological process.③The characteristics of the layout of the ecological corridor network was obvious,the South Ming River and North Ming River coherent east-west direction,north direction and south direction due to production and construction interference strong fault.④The ecological patches around the mining areas were too serious,and ecological planning should be combined with urban planning and mining planning to protect the landscape ecological security pattern of resource-based cities as a whole,so as to promote the protection of the landscape ecological security pattern of resource-based cities.

landscape ecological security pattern;MCR model;Wu′an City;ecological corridor

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.12.002

X171.4

A

1005-8141(2017)12-1417-05

2017-10-12；

2017-11-27

國家自然科學基金項目(編號:41571507)。

魏聰禮(1992-),男,河北省石家莊人,碩士研究生,主要研究方向為土地利用與土地生態。

張建軍(1982-),男,山西省太原人,副教授,博士生導師,主要從事土地利用與生態經濟方面的教學與研究工作。