基于生態安全格局的城市森林生態網絡優化

袁軼男 金云峰 聶曉嘉 凌 瑞 吳沙沙 蘭思仁

1 福建農林大學園林學院 福州 350002

2 同濟大學建筑與城市規劃學院 上海 200092

城市作為國家和社會經濟發展的中心， 是一個人口高度集中的生態系統[1－2]。 城市生態安全是國家安全的重要表現特征之一， 我國2011 年出臺了《國務院關于加強環境保護重點工作的意見》， 將生態安全格局構建與保護作為國家層面生態保護戰略的核心問題。 從生態安全格局層面對城市森林進行優化是解決城市化帶來的森林破碎等問題的必要基礎， 能夠為社會經濟發展、 生態環境可持續發展以及景觀建設和規劃提供理論依據[3－4]。

1 研究區概況

福州市長樂區地處閩江口南岸， 位于長江口與珠江口中間， 分布范圍25°40′—26°04′N， 119°23′—119°59′E。 地處中亞熱帶海洋性季風氣候區， 年 均 降 水 量1 382.3 mm， 年 平 均 氣 溫19.3℃。 長樂區屬于低山丘陵地貌， 丘陵分布于中部和南部， 東部和西部為平原。 截至2017 年，長樂區下轄4 個街道、 12 個鎮、 2 個鄉， 總面積658 km2， 總人口73.66 萬人。 城區內水利交通便捷， 長樂福州之間交通便捷[5]。

2 研究數據及方法

2.1 研究數據

本研究數據主要有長樂區土地利用類型圖和DEM 數據。 通過地理空間數據云上2002、 2010、2018 年3 期的30 m 空間分辨率的Landsat TM/ETM 和Landsat8OL1 影像為基礎， 對數據進行輻射定標、 大氣校正、 影像增強和影像裁剪的預處理。 DEM 數據來源于地理空間數據云30 m×30 m的DEM 數據， 提取坡度和高程數據作為生態安全格局阻力面構建的依據。

2.2 研究方法

2.2.1 最小累積阻力模型構建城市生態安全格局

通過最小阻力模型(Minimum Cumulative Resistance，以下簡稱MCR 模型)構建生態安全格局，其具體步驟為:首先確立“源”，然后通過MCR 模型建立阻力面，最后通過阻力面判別安全格局，通過對不同年份的安全格局構建進行比對研究，分析研究區域內生態安全水平的變化與發展[6]。

1) 源的選取。 基于對研究區域內生態斑塊的實地考察， 并結合專家問詢以及長樂區內的生態資源特征， 利用Arc GIS 軟件， 篩選出生態功能完善、 發展趨勢良好、 具有內部同質性和向四周擴散的能力且面積大于500 hm2的林地斑塊作為構建景觀生態安全格局的源[7－8]。

2) 阻力因子確定。 土地利用能夠反映人類活動對生態安全與生態環境質量的影響， 是影響生態安全格局的主要阻力因子。 同時， 研究區域內高差相對較大， 因此結合以往研究與專家問詢，選取土地利用類型、 高程、 坡度作為景觀生態安全阻力面構建的單因子。 通過對相關研究的比對分析以及通過對各方面專家進行訪問探討， 結合研究區的現狀對阻力因子的重要性系數以及阻力值進行預判、 實驗、 確認， 最后確定各阻力因子系數[9](表1)。 其中， 土地利用覆蓋類型中將城市森林分為有林地、 疏林地、 灌木林和其他林地，有林地為喬木郁閉度≥0.2 的林地， 疏林地為0.1≤樹木郁閉度<0.2 的林地， 灌木林為灌木覆蓋度≥40%的林地， 其他林地為未成林地、 跡地、 苗圃等林地。

表1 生態安全格局阻力因子系數表

3) 生態安全格局構建。 基于源地和阻力面，通過MCR 模型對城市生態安全格局進行構建。MCR 模型由Knaapen 等人的模型和ArcGIS 中常用到的工具費用距離(cost distance) 的改編而得到[10－11]， 該模型運用ArcGIS 的空間分析功能計算見公式(1)。

公式(1) 中f是一個未知的正函數， 意義為空間中任一位置的最小阻力值與其到全部源的距離以及景觀基面特征之間的正相關關系；Dij表示從源j到空間中某一個位置所穿越的某景觀基面i的空間距離；Ri表示景觀i 對某物種運動所造成的阻力；m為景觀單元總數，n為源總數[12]。

2.2.2 潛在廊道提取與重要廊道篩選

利用Arc GIS 軟件中Spatial Analyst 模塊的Cost Distance 與Cost Pat 功能[13]， 結合生態節點，以綜合阻力面作為權重進行最小阻力模型計算，得到潛在的生態廊道。 其中， 生態節點為景觀空間鏈接中連接相鄰的生態源地并能對生態流起到關鍵作用的景觀組分[14]， 另外， 利用重力模型定量計算生態源地間的相互作用強度確定潛在廊道的重要性。 計算公式如下:

公式(2) 中Gij為源地i與源地j之間的相互強度， 代表了兩者間廊道的重要性程度，Ni和Nj分別代表了i和j源地的權重系數，Dij為i和j源地之間潛在廊道的標準化成本值大小。Pi和Pj代表源地i和源地j的整體成本值，Si與Sj表示源地i和源地j各自的面積。Lij代表源地i和源地j之間的潛在廊道的累積成本值，Lmax表示研究區中所有潛在廊道的最大成本值。

3 結果與分析

3.1 長樂區生態安全格局分析

3.1.1 阻力面構建

根據長樂區三期土地利用類型圖和DEM 數據， 結合各單因子阻力權重與系數， 利用ArcGIS軟件的Spatial Analysis 功能模塊中的Reclassify 功能[15]， 得到2002， 2011， 2018 年3 期土地利用類型阻力面、 坡度阻力面以及高程阻力面(圖1、圖2、 圖3)。 可以看出， 土地利用類型阻力面的構建中， 城市建設用地部分是明顯高阻力的部分，且城市建設用地所帶來的阻力逐漸擴張， 尤其是2002—2010 年的增長速度尤為迅速。

根據上文中確定的阻力因子系數， 利用ArcGIS 軟 件 中 Spatial Analysis 中 的 Raster Calculator 功能[16]， 對2002、 2010、 2018 這3 年的單因子阻力面按比例進行疊加， 得到3 期的綜合阻力面(圖4)。 可以看出， 長樂區綜合阻力面按照前文比例構建之后， 高程阻力因子和坡度阻力因子所帶來的阻力相對弱化， 對于長樂區生態安全影響最大的阻力因子為城市土地利用類型阻力因子， 城市建設對于城市整體生態安全帶來的影響尤其明顯。

圖1 2002、 2010、 2018 年土地利用類型阻力面

圖2 坡度阻力面

圖3 高程阻力面

圖4 2002、 2010、 2018 年綜合阻力面

3.1.2 生態安全格局判別

利用MCR 模型和Arc GIS 軟件對長樂區生態安全格局進行構建[17]， 得到福州市長樂區3 期的生態安全格局。 利用ArcGIS 中的Cost Distance 功能， 結合上文得到的林地源地以及3 期綜合因子阻力面， 構建長樂區3 期景觀生態安全格局(圖5)， 長樂區2002、 2010、 2018 年景觀生態安全格局直觀地表現了長樂區16 年間景觀生態安全層次的變化。

由圖5 可知， 長樂區城市生態安全格局按照安全層級劃分， 從高到低共有A1—A10 共10 個安全層級， 根據安全層級的不同， 可以將長樂區分為高生態安全層級區域(安全核心區)、 中生態安全層級區域(安全緩沖區) 以及低生態安全層級區域(安全外圍區) 3 個區域。 其中， 高生態安全層級區域(安全核心區) 位于長樂區城市森林分布密集的區域， 隨著城市森林破碎化現象加深， 安全核心區面積減少； 低生態安全層級區域(安全外圍區) 主要分布在城市的東北部和西北部的主城區以及東北部的濱海區域， 尤其東北部濱海的城市建設區域， 生態安全水平極低； 中生態安全層級區域(安全緩沖區) 則位于安全外圍區與核心生態區的過渡區域， 即主要城區與城市森林主體中間的過渡區域。 研究時段內， 高生態安全層級區域(安全核心區) 一直處于主體地位， 其面積總體呈現下降的趨勢， 減少面積2002—2010 年較2010—2018 年時段多； 中生態安全層級區域(安全緩沖區) 面積逐期增加， 增加幅度2002—2010 年較2010—2018 年時段大； 安全外圍區面積則先增加后略有減少。 這表明研究時段的城市生態安全格局內安全核心區面積向安全緩沖區與安全外圍區轉移， 且該轉移現象與城市森林的減少有內在關聯。 綜上所述， 隨著城市化進程推進， 城市森林破碎化現象日益嚴重， 長樂區整體城市生態安全水平呈現下降趨勢， 下降幅度2002—2010 年較2010—2018 年更多。

圖5 長樂區2002、 2010 和2018 年生態安全格局

3.2 長樂區生態廊道提取

本研究通過GIS 的Spatial Analyst 模塊進行最大耗費路徑與最小耗費路徑的交集提取， 結合長樂區的土地利用狀況與生態特點， 選取生態源地的9 個生態節點作為潛在廊道提取的依據。 通過計算， 除去明顯重復、 距離過近的廊道， 9 個生態質心中間共存在23 條潛在廊道， 且多分布在高安全區域， 即城市森林資源豐富的地區， 該區域生態斑塊狀態相對良好， 對于人為干涉修復的需求較小， 尤其是長樂區西南部分的城市森林區域，多條廊道交錯分布。 故通過重力模型對廊道的重要性進行分析， 并構建長樂區潛在生態廊道相互作用強度矩陣。

根據相互強度矩陣， 將潛在廊道保留最重要的廊道。 福州市長樂區作為海拔變化較大的城市區域， 城市建設用地較為緊張， 多集中在較為平坦的區域進行， 城市建成區范圍內沒有生態安全格局構建的生態源地， 所以在研究區東部城市建設較為集中的區域， 潛在生態廊道缺乏， 故建議在長樂區東部城市建設區增加生態質心與生態廊道， 并以此為依據增加城市森林建設， 形成可持續增長的生態源點。 因此， 對于長樂區的廊道規劃， 建議在已提取的重要潛在廊道的基礎上， 利用Arc GIS 的Costdistance 工具在城市建成區增加規劃生態節點與規劃廊道(圖6)。

圖6 長樂區潛在廊道與建議規劃廊道分布圖

4 長樂區城市森林空間格局優化策略

結合對于長樂區生態廊道提取與規劃廊道構建， 將長樂區分為近期－遠期兩個階段進行廊道構建以及整體生態狀況的提升， 提出兩點優化策略。

1) 近期廊道構建主要為對高生態安全層級區域(安全核心區) 與中生態安全層級區域(安全緩沖區) 的廊道進行構建。 安全核心區是占長樂區面積最大的區域， 包含大面積的林地源地， 是保證長樂區生態安全穩定性的重要區域； 安全緩沖區是起到緩沖作用的重要區域， 主要分布在城市建成區與城市森林區域間的過渡區域。 這兩個區域為潛在廊道提取的主要分布區域， 對其進行城市森林廊道構建相對容易， 近1 ～3 年內可完成構建， 建議以重力模型提取之后所得到的重要性最高、 能夠連接較多生態節點的廊道構建進行城市森林整體生態建設的優化， 重點在于增強生態斑塊之間的聯系， 通過廊道的連接作用增加生物流的通暢性， 緩解城市森林的破碎化現象。 主要廊道建設為由北到南連接猴嶼洞天巖風景區、 仙人山、 太平山、 剃刀山的3 條南北縱向廊道， 這3 條廊道貫穿南北， 不僅將長樂區生態源地緊密連接， 也能夠加強高安全區域與低安全區域、 城市建成區與城市森林的有機聯系， 是長樂區現有狀態下最為重要且最容易構建的3 條廊道。 同時，通過潛在廊道中次要廊道的構建對重要廊道構建形成補充， 從而形成近期長樂區生態網絡。 近期生態網絡的構建主要承擔了城市森林內部的聯系以及部分城市建成區與城市森林的聯系， 保證了現有狀態下長樂區城市森林生態狀態的良性發展，保障了長樂區生態安全底線。

2) 遠期的廊道構建主要為對低生態安全層級區域(安全外圍區) 內部及其與另外兩個安全層級區域之間的生態廊道構建。 低生態安全層級區域(安全外圍區) 是城市生態安全格局中生態安全水平提升最困難也極為重要的部分， 對其生態安全與生態系統服務功能的提升是一項艱難的任務， 需要從宏觀的視角和長遠的角度進行考慮。首先， 生態源地的建設是城市生態安全提升的基礎， 規劃增加生態節點的位置選擇為長樂區城市建成區中生態狀況較為良好且有發展能力與趨勢的戰略點。 規劃增加的廊道主要為城市北部與東部濱海區域的濱海生態廊道、 沿現有城市森林南北縱向聯系的生態廊道以及加強城市建成區與城市森林聯系的東西橫向生態廊道。 通過規劃生態節點與廊道的構建， 可以將長樂區建成區內原有的城市森林緊密聯系并最大程度地發揮其生態系統服務功能， 也是對現有潛在廊道形成的生態網絡的補充。