干旱區綠洲城鎮綠色基礎設施網絡構建研究——以新疆阿拉爾市為例

魏家星

張昱鎮

梁繼業

周禧琳

1 背景

干旱區是“一帶一路”陸域空間占比最大的氣候區域[1]。干旱區綠洲作為干旱地區荒漠環境下的非地帶性景觀[2]，除少量灘涂濕地、灌叢草甸及河岸林為主的自然綠洲外，大部分是由人類改造形成的人工綠洲，為人類在荒漠地區的生存、繁衍創造條件和場所。這些區域往往以水系為支撐，以農林生產為主體，由農田系統、人工林系統、鄉村聚落以及部分城市相耦合，構成獨特的綠洲生態系統[3]。其抵抗外部干擾的韌性較差，時刻面臨荒漠化的侵蝕。其中，水土資源與植物資源的退化甚至消失是制約該類型區域可持續發展的關鍵因素。綠洲城鎮中有限的水系與植被覆蓋不僅要承擔改善城市環境質量、提高城市生態效益的任務，還要承擔保護城市生態安全的重任。

隨著近年來中國“一帶一路”戰略的逐步實施與不斷深化，突出生態文明理念，共同防范生態環境風險，已是“一帶一路”沿線國家的重要共識。2017年環保部等四部委聯合發文，明確了綠色基礎設施互聯互通是綠色“一帶一路”建設的優先領域。其中，邊境地區作為連接中國與眾多鄰國的門戶和紐帶，在“一帶一路”建設中具有獨特的地位和作用。新疆作為我國邊境地區“絲綢之路經濟帶”上的重要支撐點，城鎮發展面臨著開發建設和生態治理的雙重壓力，如何針對干旱區特有的環境特質和資源稟賦，基于有限的自然資源、建設能力與資金成本，通過合理布局綠色基礎設施網絡，最大化提高綠色空間利用效能[4]，不僅是我國干旱區綠洲城鎮生態治理與開發建設亟待解決的問題，也是“絲綢之路經濟帶”沿線國家生態保護的一項重要挑戰。

2 綠色基礎設施網絡概述

綠色基礎設施(Green Infrastructure，GI)作為自然生命支持系統，被認為是可指導土地利用和經濟發展模式向可持續方向發展的關鍵戰略[5]。作為GI理念在空間層次上的落實，GI網絡重點關注如何將破碎的生境系統重新聯絡與整合，強調“以生態為中心”和“以人為中心”相平衡的發展觀，其構建范式主要為三大步驟：源地(hubs)的確定-廊道(links)的識別-戰略點(sites)的設置[6]。其中，源地指具備重要生態保護價值與連通作用的生境斑塊，能夠為城市與居民提供高質量的生態系統服務功能[7]；廊道是源地間物質與能量交流中起重要作用、相互連接構成整體網絡的線性空間，同時具備保護生物資源、調節生態過程等生態功能[8-9]；戰略點則指景觀中影響和控制區域生態安全的重要空間節點，對于物種的遷移和擴散過程具有關鍵作用[10]。通過增設、改造和恢復戰略點，將有助于提升和優化區域內GI網絡的生態效能。

近年來，形態學空間格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA)方法與基于最小累積阻力模型的最小路徑法(Least-Cost Path，LCP)被較多地運用于GI網絡要素的識別與可視化分析中[11-13]。前者對原始數據量要求較低，通過像元分析分辨景觀類型與結構并提取核心斑塊，提高了各類指標指數的計算效率；后者通過計算物種在從源到目的地運動的過程中所需耗費代價的大小構建廊道，反映了不同景觀或土地利用類型對生物遷徙的影響。二者結合能夠根據研究區域的基礎地理資料較為快速準確地對整體景觀格局進行分析與研究，增加了源地和廊道選取的科學性。整體而言，生態源地的確定和生態廊道的識別是GI網絡構建過程中2個核心環節，而戰略點設置目前尚未受到足夠關注。當前我國城鎮GI網絡的研究對象多為中東部高密度城市化地區，如于亞平等[14]對南京市1988—2013年GI網絡格局的空間分布變化特征進行了研究；黃河等[15]、楊志廣等[16]基于MSPA方法分別構建了福州市和廣州市綠色基礎設施網絡，而對干旱、半干旱地區的城鎮研究相對較少。實質上，干旱區更需要利用有限的綠色空間資源形成高效的GI網絡以緩解城鎮發展和生態保護間的矛盾。本研究在前人研究的基礎上進一步運用MSPA方法，其一，將本方法與干旱區的特點相結合，不僅將MSPA方法用于重要源地的識別，在廊道提取方面通過地表濕潤指數對阻力面進行修正，使廊道的規劃與提取更為合理；其二，通過設置戰略點以識別和保護景觀中影響、控制區域生態安全的重要空間節點，為干旱區綠洲的GI網絡優化提供一種補充性的方法與途徑。

圖1 阿拉爾市地理區位(底圖引自中國科學院地理科學與資源研究所)

綜上，本文以新疆地區塔克拉瑪干沙漠北緣城市阿拉爾為例，首先通過MSPA方法識別出對GI網絡構建具有關鍵意義的核心區(core)和橋接區(bridge)，并結合景觀連通性評價遴選出重要源地；再基于最小路徑分析構建若干潛在廊道，進一步依據廊道結構、區域特點等對戰略點進行識別。在遵循“源地確定-廊道識別-戰略點設置”的范式基礎上，結合干旱區城鎮現狀特點優化GI網絡體系，以期為阿拉爾市的GI網絡布局提供理論和實證依據，也為“一帶一路”其他干旱氣候區國家或地域的生態治理提供可資借鑒的思路和方法。本文嘗試解決以下問題：1)在綠色資源極其稀缺的干旱區，如何快速識別綠色基礎設施網絡的源地和結構性連接廊道? 2)如何通過合理設置戰略點的方法優化綠色基礎設施網絡？

3 阿拉爾市綠色基礎設施網絡構建流程

3.1 研究區概況與數據來源

阿拉爾市(79°22′33″～81°53′45″E，40°20′～41°47′18″N)為典型的干旱區綠洲城市，位于新疆維吾爾自治區、塔克拉瑪干沙漠北部的河流沖積細土平原(圖1)，傍依阿克蘇河、塔里木河等多條自然水系；市域面積 6 256.68km2，屬大陸性干旱荒漠氣候，降水稀少、蒸發量大，受風沙影響較大；資源環境特征與同為“一帶一路”沿線的中亞各國相似，具有較強的代表性。水資源缺乏是阿拉爾市的核心發展瓶頸，加之城鎮、農業的無序擴展蔓延及不合理的資源利用，導致水源污染、土地荒漠化與鹽堿化等問題不斷加劇；而市域范圍內防護林、水體等GI要素間缺乏有機聯系，難以發揮切實有效的生態系統服務功能，綜合抵御生態風險的能力較弱。

本研究的主要數據中，阿拉爾市土地利用現狀數據來源于2017年Landset8影像數據，基于Envi平臺進行預處理后利用監督分類與目視解譯方法獲得30m×30m的土地利用柵格數據，結合實地調研將其分為建筑用地、沙漠、農用地、喬木林地、草地、鹽堿地、灌木林地及水域8類(圖2)；阿拉爾市2015年綠地系統規劃資料由阿拉爾市自然資源與規劃局提供；阿拉爾市基礎數據(行政區劃、道路交通、河流水系等)及年均氣溫與年降水量空間插值數據等均來源于中國科學院地理科學與資源研究所。從研究區的實際情況和研究目的出發，考慮到農用地面積占比較大，在干旱地區以旱作農田(水澆地)為主，能夠發揮的生態功能相對有限，且果園等園地已納入喬木林地的統計中，因此將土地利用類型中的喬木林地、草地、灌木林地及水域作為GI景觀類型進行分析。

3.2 基于MSPA方法的源地識別

圖2 阿拉爾市土地利用現狀

圖3 MSPA景觀類型

圖4 源地空間分布

圖5 潛在廊道分布

首先將研究區土地利用數據轉換為柵格類型，利用ArcGIS平臺的重分類工具將土地利用類型中的喬木林地、草地、灌木林地及水域分類為前景像元，其余用地作為背景像元；其次利用Guidos Toolbox軟件識別各前景像元的空間位置進行空間格局分析，通過腐蝕、擴張重建和骨架抽取等數學運算得到核心區、孤島、環、橋接區、孔隙、邊緣和支線7類景觀功能類型[17]。其中，考慮到研究區面積較大，以識別河流水系與植被覆蓋較為清晰統一為前提，通過采取不同尺度(30、60、90及120m)對比分析，最終選用90m×90m作為MSPA分析中像元大小與邊緣寬度的基本單位。

由表1、圖3可知，核心區面積為1 129.65km2， 占GI總面積的45.44%，主要分布于東西兩側靠近行政區邊緣的位置，橫貫東西的帶狀GI核心區為塔里木河，是研究區內城市、團場及農田的主要用水來源；中部核心區占比較少，分布較為破碎。橋接區和支線作為線性結構均能起到類似于廊道的促進生物交流的作用，分別占GI總面積的12.41%和10.33%；由于阿拉爾市地處沙漠邊緣地帶，當地依托農田道路和灌溉水渠積極建設防護林網，因此大量分布的橋接區與支線也成為研究區的特色景觀之一。邊緣是斑塊的外部邊界，可減少由外界因素干擾帶來的沖擊，占GI總面積的22.19%。孤島、環與孔隙在研究區內數量較少，分別占GI總面積的12.41%和10.33%。

景觀連接度能夠定量表征區域內某一景觀組分對于生態系統物質能量交流的適宜性，對于生境保護和生態系統穩定具有重要意義。作為GI格局的核心組成部分，對于斑塊的景觀連通性評價是衡量其能否作為關鍵源地的主要方法之一。本研究基于Conefor軟件，選取景觀巧合指數(LCP)、整體連通性指數(IIC)及可能連通性指數(PC)對提取出的核心區進行計算，并按照公式(1)計算每個核心區斑塊在整體景觀中的重要值，分別記為dLCP、dIIC和dPC：

式中，dI代表單個核心區斑塊的指數值；I代表景觀中所有斑塊的整體指數值；Iremove代表去除單個斑塊后剩余斑塊的整體指數值。采用Jenkos自然間斷法篩選dPC值大于0.6的15處斑塊作為關鍵源地(表2)。

由圖4、表2可知，橫貫研究區東西的塔里木河(Node68)和勝利水庫(Node32)是重要性顯著較高的核心斑塊，位于沙漠邊緣的東北與東南部集中了多個景觀連通性較好的源地，表明這些區域能夠為生物提供較好的棲息、遷徙場所，同時也時刻面臨周圍沙漠化的威脅。從整體來看，研究區中部與西部源地斑塊數量較少、連通性較差，同時又分布有多個城鎮聚集點，因此需要在優先保護現有關鍵源地的基礎上，加強對阿拉爾市中、西部地區生態綠地的建設。

3.3 基于最小成本路徑分析的生態廊道構建

圖6 戰略點分布

圖7 阿拉爾市GI網絡體系

本研究依據最小累積阻力模型(Minimal Cumulative Resistance，MCR)理論，采用最小費用路徑法，分析對生物遷徙和擴散有利的最短路徑作為潛在廊道[18]。綜合分析當地氣候環境特征，確定各土地利用類型的基礎阻力值大小(喬木林地10、水域20、灌木林地30、耕地50、草地80、沙漠800、鹽堿地800、建筑用地 1 000)，并選取地表濕潤指數進行修正[19]后構建綜合阻力面；地表濕潤指數綜合考慮了干旱區影響生態功能的關鍵因子——降水和蒸散，其計算公式如下：

式中，H為地表濕潤指數，可表示為年降水量與年蒸散量的比值；Ri為基于地表濕潤指數修正后土地利用柵格i的阻力系數；Hi為柵格i的地表濕潤指數；Ha為柵格i對應的土地利用類型a的平均地表濕潤指數；R為柵格i對應土地利用類型的基礎阻力系數。基于之前篩選得到的15個源地斑塊，通過ArcGIS平臺的CostPath工具模塊計算各源地間的最小成本路徑，由此生成研究區105條潛在廊道(圖5)。

通過與現狀土地利用類型圖和遙感衛星影像圖對比可知，廊道的空間分布以中部的塔里木河近岸區域為對稱中心，集中于西北、東南兩側并圍合成環狀。在塔里木河北岸，廊道從多浪水庫(Node1290)南部由西向東延伸，穿過第一師各團場所在農場，東至塔里木河流域自然形成的大面積灌叢草甸；南岸的廊道多從上游勝利水庫(Node1、32)沿東西走向，順阿拉爾南部塔克拉瑪干沙漠與農田交界處的防護林帶到達東南部的源地集中區，進而轉向北部跨越塔里木河與自然綠洲區域相連。總體上，潛在廊道所通過的區域內部通常含有較多分布在耕地間破碎化的喬木、灌木林地及水體，因此使其能夠有效地在東西較長的距離上連接各個生態源地，為物種遷移起到橋梁作用。

表1 基于MSPA的景觀類型分類統計

表2 核心區景觀斑塊重要值排序篩選結果

3.4 基于關鍵空間節點判別的戰略點提取

源地是GI網絡構建的基礎，廊道則將不同的源地相連以維護網絡的穩定性。距離過長的廊道由于缺乏主要源地斑塊的生態服務支撐，在源地輻射影響不到的部位相對結構穩定性較低，不利于生物的潛在溝通[20]。與此同時，研究區內現有的高等級交通道路可能會對網絡分割形成“生態斷點”，對景觀連續性和整體連通性造成影響[21]。因此，對戰略點進行識別和分析非常必要，可進一步提高網絡空間生態過程中傳遞物質和能量的效率。

本研究采用以下方法對戰略點進行識別：1)各潛在生態廊道間的交匯點，此類區域為多種生態信息交匯處，生物種群豐富，又能為長距離遷徙的物種提供良好的暫棲地，需納入城鄉綠地系統中結合灌溉蓄水、景觀游憩等功能重點建設或修復；2)在構建源地綜合阻力面時，其阻力分布可表示為從中心向四周擴散的等阻力線，各源地間的等阻力線相切的部位形成鞍部，即相對阻力較高的區域，因此，潛在廊道所通過谷線的交點以及多個鞍部的交匯點便是生態功能最為薄弱的位置，也是控制生態安全的重要戰略點[22]，需予以重點保護；3)將研究區現有省道路網與潛在廊道網絡相疊加，其交叉形成的生態斷點作為戰略點識別，這些區域可能會對生物的交流和擴散造成威脅，可考慮建設供野生動物遷徙的安全通道，如地下隧道、涵洞等工程設施[13]。通過上述識別方法得到的空間位置，剔除重復冗余的節點、在節點密度較低區域進行適當補充，最終確定75處戰略點(圖6)。這些戰略點也是除源地外未來城鎮綠地系統規劃和生態建設優先考慮的重點區域。

3.5 結合現有規劃布局的綠網優化

通過“源地-廊道-戰略點”的識別提取，已初步構建“點-線-面”相結合的GI網絡體系，本研究結合南疆自然地理特征，依據總體規劃中布局的四大城鎮建設組團，并考慮人口密度、現狀路網、河流水系現狀及潛在廊道建設實施的可操作性等因素，對GI網絡進行優化，進而形成了“一帶、七核、四軸、多點”的阿拉爾市GI網絡架構(圖7)。其中，“一帶”指橫貫研究區東西的塔里木河及沿岸地區，其作為最重要的生態源地的同時也承擔著關鍵的連通功能；“七核”指以識別出的關鍵源地為生態核心，是構筑生態安全屏障的基礎；“四軸”主要結合現狀人口密度較大區域的潛在廊道及多魯曼江、塔北干渠等現狀廊道，形成具備空間連接屬性的廊道系統；“多點”是將前文提取的戰略點作為未來GI建設的優先節點，進而構筑完整的GI網絡體系。

4 結論與討論

4.1 結論

1)在城市綠色空間極為有限的情況下，通過MSPA方法提取出重要的核心區和橋接區，利用現有資源優化城鎮GI網絡是經濟可行的。

2)在干旱區綠洲城市，基于MSPA、連通性評估和最小路徑方法的分析仍是GI網絡構建的重要方法，本研究在阻力面設置時選取地表濕潤指數對其進行修正，可使干旱區的GI網絡構建更加合理。

3)在地廣人稀的干旱區域，戰略點的選擇應是GI網絡的重要內容，本研究選擇多處阻力面的切點、潛在廊道間的交匯點、現有道路系統與廊道間的交叉點作為未來城鎮生態建設優先考慮的關鍵空間節點。研究結果對我國干旱區綠洲城鎮的GI網絡構建具有一定的指導意義和實踐價值，同時可為“一帶一路”其他內陸干旱地區GI網絡的構建提供參考與借鑒。

4.2 討論

由于MSPA對景觀的研究尺度較為敏感，于亞平等專門研究了不同粒度和邊緣寬度情況下綠色基礎設施的尺度效應[23]，為本研究提供了方法指導。因此，綜合考慮源地和現有防護林網的識別，將柵格大小設置為90m×90m。

源地是GI網絡構建的基礎，目前在源地選取上主要有3種模式：1)直接識別受法定保護的自然區域[24]；2)構建生態系統價值或生態敏感性等綜合指標評價體系[25-26]；3)基于MSPA與景觀連通性評估[16]方法進行。本研究主要基于形態學原理，采用MSPA結合連通性分析的方法對源地進行識別。在后續研究中，可結合生態系統服務重要性、生態敏感性等其他功能性指標進一步改善評估方法。同時，由于部分廊道與現狀土地利用格局沖突較大或距離較長，增加了實際建設的難度，故本研究借鑒俞孔堅提出的“景觀戰略點”概念[27]，通過“以點代線”的思路對GI網絡的構建進行了完善。未來還可結合電流“夾點”法[28]、多目標遺傳算法[29]等對戰略點的選擇展開進一步的優化。

此外，本研究雖然構建了完整的GI網絡，并為阿拉爾市未來的綠地系統規劃提供了理論依據，但仍需與我國目前以“多規合一”為宗旨進行的空間規劃體系構建緊密結合，并將GI網絡的保護和規劃融入國土空間規劃體系。本研究的后續工作可圍繞GI網絡分析評估在國土空間規劃體系中的應用與實踐展開，具體包括(但不限于)：生態空間用途管制，生態紅線的劃定、補充與修正，以及生態修復策略及管控等。同時，未來可考慮結合周邊“一帶一路”國家和地區現狀，開展多尺度、多城市的GI網絡空間協同規劃等研究，以傳播分享我國生態文明理念，推進綠色經濟及可持續發展。

注：文中圖片均由作者繪制。