京津冀城市群生態網絡構建與優化

胡炳旭,汪東川,2,王志恒,*,汪翡翠,劉金雅,孫志超,陳俊合

1 天津城建大學,地質與測繪學院,天津 300384 2 天津城建大學,天津市土木建筑結構防護與加固重點實驗室,天津 300384

生態系統是人類生存的載體,隨著京津冀城鎮化的快速發展,生態用地流失、水生態失衡[1- 2],大型生態用地破碎化、島嶼化現象日益嚴重,重要生態用地如綠地、水域、濕地等出現不同程度的破碎[3- 5],導致生態用地的數量、質量和連通性等不斷降低,打破京津冀原有的正常生態系統的調節機制,迫使生態系統功能下降、生態風險加劇,嚴重威脅生態安全[6- 7]。因而,維持生態系統的平衡,保護生物多樣性,及降低生態風險迫在眉睫。

目前,構建生態網絡主要有兩種方法:(1)通過觀測動物、植物種子擴散范圍等路徑,結合模型構建網絡[8-12]。(2)基于地理空間分析技術 (Geographical Information System,GIS),利用最小成本路徑模型來構建生態網絡[13-17]。第一種方法雖可對遷移路徑進行更直觀的模擬,但需要詳細的觀測數據,且耗時長。而最小成本路徑模型考慮到生態源地間連接過程中耗費成本值,得到源地間最小成本廊道,從而更好地反映出源地在耗費景觀成本環境下的最優路徑。近年來,景觀規劃和生態網絡構建方面的研究取得了較大進展。俞孔堅[18]基于景觀連接度原理對北京市生態安全格局進行構建和預測;孔繁花等[19]采用最小成本路徑方法,模擬了濟南市的潛在生態廊道;張遠景[20]采用CA-Markov 模型對哈爾濱主城區生態網絡格局進行模擬優化。然而上述研究多圍繞建城區及周邊區縣小尺度區域,研究區域集中在東部沿海發達城市,而基于大尺度區域范圍對城市群生態網絡研究則相對較少,且主要集中在西北內陸[21- 22]。

本文以京津冀城市群為研究區,基于京津冀生態紅線區域、自然保護區范圍區域,綜合疊加提取出具有重要生態意義的核心生態源地,運用GIS技術,基于最小成本路徑提取研究區潛在廊道,通過重力模型及重要生態源地連通廊道,綜合篩選得到研究區重要生態廊道。并對研究區內景觀成本,廊道組成,及其重要生態源地等分布特征進行分析,并針對重要生態節點提出區域優化,旨在為增強生態系統的完整性和重要源地的連通性,強化建立完善的生態文明建設環境保護策略,以及建設京津冀城市群生態文明建設等相關研究提供參考依據。

1 研究區概況

圖1 研究區行政區劃圖Fig.1 Administrative divisions of the study area

京津冀城市群包括北京市、天津市以及河北省11個地級市(圖1)。土地面積21.8萬km2,約占全國面積的2.3%。京津冀地區主體為溫帶大陸性氣候,四季明顯,冬季寒冷干燥,夏季高溫多雨。全區地勢呈現由西北向東南傾斜降低,西北部緊鄰內蒙古,草原較多,生態環境良好;西部北部內含太行山、燕山山脈,林地資源豐富,生態環境優良;東部地區緊鄰渤海,南部為華北平原,地勢平坦,土地利用類型多為耕地。隨著城鎮化工業化發展,生態源地破碎化、島嶼化嚴重,京津冀地區環境生態問題十分嚴峻,部分河湖干枯斷流、水土流失、河水富營養化、土地污染、地面沉降、草場退化、沙塵暴和霧霾等生態環境問題。因此，做好京津冀城市群協同發展,是改善區域資源分配不均、提升區域生態環境的重要舉措之一。

2 研究方法

2.1 數據來源與處理

以研究區域2015年 Landsat8 OLI 遙感影像為基礎數據,將京津冀土地利用類型劃分為林地、草地、濕地、耕地、人工表面及其他類型用地,利用ArcGIS 10.2軟件對遙感影像進行目視解譯獲得矢量數據,并進行柵格轉換,最終得到30 m×30 m土地利用柵格數據。自中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云 (Geospatial Data cloud, http://www.gscloud.cn/) 下載全球GDEMDEM 30 m分辨率數字高程數據,通過裁剪獲取京津冀數字高程模型 (Digital Elevation Model,DEM) 數據,其柵格大小為30 m×30 m(圖1)。篩選2015京津冀1∶100萬基礎規劃數據中河流、國道、濕地、湖泊等矢量范圍,對國務院《全國主體功能規劃》[23]數據及京津冀《主體功能區規劃》[24-26]數據中生態紅線區域,環保部《全國自然保護區名錄》[27]自然保護區分布及面積參數,《中國生物多樣性保護戰略》[28]中物種保護區范圍,國家林業局《中國濕地保護行動計劃》[29]中重要濕地分布區域等數據進行矢量化,得到矢量數據。

2.2 生態源地提取方法

景觀生態學中,生態源地具有重要的生態系統功能或生態服務功能,是景觀重要組成部分[14]。生態源地面積的大小對區域物種多樣性、物質信息傳遞、交流以及綜合生態服務功能有著重要意義[30]。本文基于研究區實際情況,對《主體功能區規劃》、《全國自然保護區名錄》、《中國生物多樣性戰略與行動計劃(2011—2030年)》、《中國濕地保護行動計劃》等規劃指南中重要生態區域的矢量范圍,與土地利用數據中面積大于10 km2的林地、草地、濕地生態區域矢量范圍進行矢量疊加分析,提取重疊度較高、綜合生態服務功能好的區域作為生態源地。

2.3 基于最小成本路徑模型的生態網絡構建

構建生態網絡可以解決生態源地破碎化問題,增強生態源地間的連接度[31]。最小成本路徑方法是指物種從源到目的地運動過程中所耗費的累計成本值。該模型算法具有數據結構簡潔、要素拓展性強、運算快速及應用廣泛等特點。通過計算源地間的最小累計成本來確定源地間連接路徑,能較好的反應出景觀中物質、能量的運動方向趨勢。生態源地通過不同景觀類型耗費成本的大小不同,首先對研究區景觀賦予不同的成本值,運用“綜合加權指數和法”創建研究區綜合成本柵格數據,通過最小成本路徑模型計算[32- 34](式1),得到生態源地間的最小成本路徑。采用最小成本路徑生成生態廊道有以下兩個原則,第一,生態源地間生成廊道不會穿過其他生態源地;第二,所有生成廊道沒有交叉。最小成本路徑可以較好的反映出生態源地間的物質交流,通過構建景觀綜合成本值面計算源地間最小成本路徑。

(1)

式中,MCR為最小累計成本值,fmin為源地間最小累計成本值,Dij表示物種從源j到景觀單元i的空間距離,Ri表示景觀單元i的成本值。(Dij×Ri)的值可以被作為衡量特定物種從j到空間某點的路徑的相對容易達到性。

2.4 重要生態廊道篩選及生態節點識別

生態源地間相互作用強度可以反映出潛在生態廊道對生態源地連接的重要性。基于重力模型[19](式2)定量地對生態源地間相互作用強度進行評價,進而判斷研究區相對重要的生態廊道,保留大型生態源地間相互作用較強的生態廊道,結合京津冀城市群重要生態源地的空間分布,以生態紅線區、重點保護區和城市群周邊重要生態源地的有效連通為原則,篩選得到京津冀城市群重要生態廊道,并結合現有國道,河流進行疊加分析,對區域生態網絡提出優化建議。

(2)

式中,Gij是源地i與源地j之間的相互作用強度;Ni與Nj分別為源地i與源地j的權重系數;Dij為源地i與源地j之間潛在廊道的標準化成本值大小;Pi與Pj為源地i與j的整體成本值;Si與Si為源地i與j的面積;Lij為源地i與源地j之間潛在廊道的累積成本值;Lmax為研究區內所有廊道的最大成本值。

生態節點是源地最小成本路徑和最大耗費路徑的交點[35]。在景觀空間鏈接中,相鄰源地間進行物質交流存在關鍵生態節點,生態節點通常在過去受到認為干擾或即將受到人類活動影響后生態惡化的區域。在大尺度的廊道研究中,生態薄弱并且生態作用關鍵的區域被當作生態節點[36]。本文以京津冀城市群重要生態廊道上的小型生態源地及生態廊道與現有道路、河流交叉重疊較高區域作為生態節點。

3 結果與分析

3.1 生態源地提取結果

對京津冀規劃綱要中生態紅線區、自然保護區、水源涵養區及大型生態用地及土地利用數據中林草濕地的矢量范圍,進行區域矢量化疊加,提取得到研究區重要生態源地217塊,并對京津冀城市群土地利用生態源地景觀組成進行統計分析(圖2，表1)。

表1 景觀類型分類統計表

圖2 生態源地分布圖與土地利用現狀圖Fig.2 Distribution of the ecological source and present map of land use

由表1、圖2可知京津冀城市群生態源地面積占研究區總面積約21.76%,林地占比最高,占生態源地總比例的82.78%,主要分布在西部北部山區地帶,面積較大,綜合生態服務功能較好,林地區域小型生態源地主要分布在保定西側、秦皇島、承德行政區域內;濕地占比約為11.05%,主要分布在東部渤海灣及白洋淀衡水湖等大型水域以及各區域重要水庫,生態等級高,綜合生態服務功能較好,需要重點進行保護;草地占生態用地6.17%,草原生態結構較為脆弱,區域生態破碎度較高,小型生態源地較多,盡量維持或適當增大生態源地面積,加大研究區生態環境的保護力度,避免生態源地破碎化加劇,提升區域綜合生態服務功能。

由圖2土地利用圖可見,研究區南部平原區域林地較少,耕地為主要土地利用類型,生態用地類型以濕地為主,城鎮化嚴重,城市面積明顯高于其他區域,生態綜合生態服務功能相對較弱;山區土地利用以林地為主,生態綜合生態服務功能相對較好;草原土地利用以林地、草地和耕地為主,生態綜合生態服務功能良好;應適當更改平原區域土地利用類型,落實退耕還林等政策,并加強平原區域大型生態源地的建設和保護。

3.2 生態網絡構建分析

景觀成本值的確定是構建生態網絡的關鍵,目前國內外對景觀成本值沒有統一的方法,源地間物質交流、傳遞通過不同景觀類型所耗費的成本不同。本文參考徐文彬等[37]、劉杰等[38]、袁鐘等[39]學者的研究成果對景觀和高程進行成本賦值,結合景觀生態重要性對景觀成本賦值,林地生態功能最強成本值設置為10,人工表明對生態影響最大,成本值設置為800,其他景觀成本范圍在10—800之間,結合高程變化對源地連通的影響對高程進行成本賦值,獲得景觀成本和高程成本值分配表(表2)。對研究區土地利用類型柵格數據和高程柵格數據進行重分類賦值,通過“綜合加權指數和法”,運用柵格計算器構建綜合成本值面,得到研究區綜合成本值(圖3),并對各城市景觀平均成本進行統計分析(圖4),計算源地到研究區各點的累計成本值(圖5)。通過公式1進行計算217塊生態源地間的最小成本路徑,得到生態源地間潛在生態廊道579條(圖6)。

對區域景觀成本值及最小成本路徑獲取的生態廊道進行統計分析。由圖3可見,華北平原景觀類型主要為耕地,同時城鎮化嚴重,平原區域景觀成本值明顯高于草原、林地,特別是北京、天津、石家莊城區及周邊范圍成本值最高。由圖4可見,天津、廊坊景觀平均成本值較高,秦皇島、承德景觀平均成本值較低,其余城市平均成本值差異不大。結合圖5可見,平原東南區域生態源地向研究區各點累計成本值最高,北京、天津、唐山地區累計成本值其次,林地草地累計成本值相對較小。平原區域生態源地面積較小,分布稀疏,表明源地在平原區域進行物質交流、傳遞消耗成本值較高,廊道連通性較低,生態穩定性差。由廊道分布及數量圖(圖6和圖7)可見,北京和張家口廊道數量最多,廊道數量超過200條,衡水、石家莊、秦皇島的廊道數量最少,分別為26條、42條和51條,其他城市廊道數量約100條。通過對廊道長度統計分析(圖8),張家口,北京、承德廊道總長度較大,長度大于1500 km,秦皇島、衡水廊道總長度較小,廊坊、石家莊、滄州、唐山、邢臺、邯鄲、天津、保定廊道總長度趨于1100 km左右。北京行政區面積相對較小,廊道數量僅次于張家口,區域廊道密度最大,北京城鎮化高,應結合實際情況加強廊道優化。衡水區域內的生態源地嚴重缺失,廊道數量最少,僅為26條,廊道總長度也僅513 km,應加強區域生態源地保護和建設,提升區域綜合生態服務功能。

表2 不同景觀類型的成本值

圖3 研究區綜合成本值Fig.3 Comprehensive cost of the study area

圖4 各地區平均成本值Fig.4 Average cost of each study area

3.3 區域生態網絡框架分析及生態節點優化

對選取的生態源地進行編號,基于重力模型構建217個生態源地間的相互作用矩陣(表3),量化評價生態源地間相互作用強度。對于廊道重要性的判別,很多學者開展了相關的研究工作,本文根據許峰等和尹海偉等[15,40]的研究成果,將相互作用強度值100作為重要廊道提取的閾值,同時結合京津冀城市群重要態源地的空間分布,以林地、水涵養區、草地、濕地和湖泊間大型生態源地可連通為原則,篩選具有重要連通性的廊道作為重要生態廊道,其他剩余廊道作為一般廊道。結合京津冀現有國道、河流與所選廊道進行疊加分析,選取京津冀城市群重要生態廊道上的小型生態源地及潛在廊道與現有廊道交叉處作為生態節點,構建京津冀城市群地區生態網絡分布圖(圖9)。

圖5 源地到研究區各點累計成本值Fig.5 Cumulative cost from source to each spot in the study area

圖6 研究區潛在生態廊道圖Fig.6 Map of potential ecological corridors in the study area

圖7 各地區廊道數量Fig.7 Numbers of the corridors in each study area

圖8 各地區廊道總長度Fig.8 Total length of the corridors in each study area

對廊道分類提取統計分析,由圖10可見,承德、保定、張家口、保定重要生態廊道總長度較大,表明研究區內生態連通性較好。由圖11可見,衡水、石家莊、承德的重要廊道數量與生態廊道數量相差不大,表明區域內廊道重要性較高。由圖9可見,研究區生態廊道與現有廊道重疊度較高,但張家口草原區域現有國道和河流較少,同時區域內源地破碎化嚴重,潛在生態廊道較多,整體生態功能較為脆弱;承德、秦皇島、唐山靠燕山山脈,區域內廊道重疊度最高,生態源地分布較為均勻,整體生態功能好于其他區域。平原區域北京、天津、唐山、廊坊區域城鎮發展較快,現有國道、河流密集與生態廊道交叉明顯。平原南部生態廊道與現有國道、河流走向重疊不高,廊道間相互交叉情況較多,同時南部區域白洋淀、衡水湖和天津濱海濕地間連通效果不夠理想。保定、石家莊、邢臺城區間連通僅存在一條國道,其余廊道均為橫向連通,應重點加強國道周邊生態源地建設及保護,提升廊道連通性。綜合來看,研究區現有國道河流能夠確保大部分的生態景觀連通性,但在張家口草原內部及平原區域存在廊道不夠完善情況,應針對實際情況加強現有廊道的保護及建設新的廊道,進而提升生態綜合服務功能。

表3 基于重力模型的源地間相互作用強度矩陣

生態節點可加強廊道交匯處的生態功能[41]。由圖9可見,草原區域生態破碎度較高,草原生態結構較為脆弱,由小型生態源地組成的生態廊道較多,要增強小型生態源地類型節點的保護,確保大型生態源地的連通性,進而提高生態網絡功能。山區增加承德、唐山、秦皇島行政區周邊廊道交叉點為生態節點。北京、天津、廊坊內部城鎮化迅速,應加強廊道交叉密集區的生態節點優化,研究區東南部生態源地較少,大型生態源地間連通廊道距離較長,廊道穩定性較差。滄州、衡水、石家莊、邢臺、邯鄲行政區內廊道上的小型生態源地和生態節點較少,應該加強廊道間的生態源地建設,對小型生態源地加大保護力度,并增加重要廊道的生態節點建設。此外,應提高生態源地建設保護意識和增強保護措施,確保區域生態網絡穩定性,提升區域生態環境功能。

4 結論

圖9 京津冀城市群地區生態網絡分布圖 Fig.9 Ecological network of the Beijing-Tianjin-Hebei metropolitan region

本文采用最小成本路徑模型構建京津冀城市群生態網絡,不但對研究區生態環境的保護,及生態系統功能的提高等方面具有重要意義,還為其他區域城市群生態網絡的構建提供新思路。研究成果如下:

(1)基于主體功能規劃、濕地及自然保護區等數據與土地利用數據進行疊加分析,獲得京津冀生態源地,生態源地總面積為47031.98 km2,源地類型以林地為主,濕地、草地占比例較小,面積分別占生態源地總比例的82.78%,11.05%和 6.17%,林地主要分布在山脈地區,草地主要分布在張家口西北側,濕地主要分布在華北平原。

(2)通過綜合指數加權法構建景觀成本值面,采用最小成本路徑模型提取廊道579條,并對研究區景觀成本及廊道分布進行了詳細分析。其中,平原區域景觀成本值高于草原和林地,特別是北京、天津石家莊城區及周邊范圍景觀成本值最高;天津市、廊坊市景觀平均成本值較高,為200左右,承德市景觀平均成本值最低,為70左右。另外,北京和張家口區域內廊道數量最多,超過200條,同時區域內廊道總長度最大,達1500 km以上。北京、張家口區域網絡結構復雜,表明其綜合生態服務功能相對較好。

(3)根據源地間相互作用強度,通過重力模型評價廊道的重要程度,同時確保大型、重要生態源地間的連通性,篩選出重要生態廊道。張家口區域重要廊道數量最多,達70條以上。承德區域重要廊道總長度最長,表明區域綜合生態服務功能較好。衡水重要廊道數量最少,廊道總長度也相對較小,大型生態源地數量不多,區域綜合生態服務功能較差,廊道較為脆弱。生態節點上,研究區東南部的滄州、衡水、石家莊、邢臺、邯鄲區域內廊道上的小型生態源地和生態節點較少。

圖10 各地區重要廊道數量 Fig.10 Numbers of the important corridors in each study area

圖11 各地區重要廊道總長度 Fig.11 Total length of the important corridors in each study area

綜合京津冀地區現有源地、廊道的空間分布以及存在的問題提出以下建議:首先,在源地分布上,平原區域生態源地面積小、分布不均。研究區東南部重要大型生態源地較少,源地間廊道長度較大,應加強長距離廊道上生態源地的建設保護,提升區域景觀連通性,特別是在京津冀快速協同發展的背景下,應在北京東南部廊坊及天津西部適當建立大型生態源地;其次,雄安新區的擴建將對白洋淀濕地綜合生態服務功能影響加大,需重點加強白洋淀區域生態保護建設;再次,衡水湖是平原中心最大的生態源地,對周圍生態綜合服務功能最高,要重點加強白洋淀與衡水湖間生態廊道的構建。