1990-2017年哈爾濱市城鄉生態耦合及其安全格局構建

謝 婧， 李 文

(東北林業大學 園林學院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

在新型城鎮化進程的不斷推進下，城市無序蔓延，蠶食周邊空間的自然資源，產生了如生態斑塊破碎化、生態效益下降等問題[1]。根據新版城市綠地分類標準，城鄉交界區的“其他綠地”已轉化為“區域綠地”，該標準旨在強調城市邊緣區生態要素的整合，改善對長期未受重視的城市建設范圍外的生態斑塊規劃[2]。城鄉生態空間需進行有機銜接，構建與優化生態安全格局是現階段維持區域生態系統穩定的有效途徑，對城鄉生態的可持續發展具有重要意義。

生態安全格局是基于景觀生態學原理，通過識別源地、構建廊道使各類生態要素有機連接起來的網絡布局模式[3-5]。近年來國內外學者提出多學科交叉的模型方法，從圖論[6]、拓撲[7]、電路理論[8]、物種擴散[9]等角度出發構建生態安全格局。源地選擇、阻力面設置與廊道選址是構建生態安全格局的重要步驟。在源地選擇上，較多學者應用形態學空間格局分析[10]、數學形態學進行景觀格局分析[11]、生態用地重要性評價[12]以及自然保護地[13]等來進行識別。阻力面設置方面，現有研究大多將環境破壞現狀[14]、城市人口數據[15]等納入阻力因子中并合理分配權重。廊道選址方面，最小累積阻力模型的應用較為成熟[4]，結合景觀格局分析來共同確定廊道布局[16]，分析計算廊道的適宜建設寬度等[17]。本研究在借鑒前人成果的基礎上，基于近年土地變化來量化分析城鎮化對生態環境的影響，為后續研究提供基礎數據。關于生態安全格局的構建范圍方面，現有研究多以省市行政區劃作為研究范圍。在研究尺度上，一些研究側重于宏觀總體規劃、大面積景觀要素的評價、對區域整體生態建設方向的把控，具有引導性意義[18]。一些研究從微觀尺度出發，在綜合考慮空間人流量、興趣點等指標的前提下，通過計算進行綠道選址[19-20]。本研究側重于城市與鄉村生態系統的有機聯系，不局限于行政區劃，因地制宜地根據城市發展動向確定研究范圍。

在此背景下，本研究總結了宏觀與微觀尺度研究特點并進行有機結合，在中觀尺度上構建哈爾濱城鄉生態安全格局。行政區劃與城市人口、經濟水平密切相關，與生態規劃聯系較少，哈爾濱作為東北地區核心城市，城鄉全域行政范圍較大，僅以行政區劃作為研究范圍缺乏足夠的科學性，且影響到結論的準確性與廊道布局細節。因此，本研究引入生態要素耦合的空間觀，結合景觀生態學原理科學裁切出中觀尺度上的研究范圍，探究哈爾濱市中觀尺度上城鄉空間各類生態要素的銜接模式與生態廊道布局的細節優化措施，旨在實現城市內部與鄉村的生態系統聯動，提升區域生態效益，為相關生態規劃部門提供決策參考。

1 材料與方法

1.1 研究范圍的確定

哈爾濱市位于黑龍江省南部，是東北地區工業發展重要樞紐[21]，總行政面積約為53 100 km2。根據《哈爾濱市城市總體規劃(2010-2020)》，以哈爾濱市主城區行政區劃將主要研究范圍進行框定(圖1)。根據景觀生態學原理[22]，生態廊道的分布以兩兩核心斑塊間的高不可替代性的河流廊道和連續植被帶構成，河流廊道對陸地生物遷徙產生阻隔，景觀阻力值相對較高[10,13,17]；結合劉美[21]，李苗等[23]，李康康[24]的研究，主城區南部建設用地近年來擴張迅速，論證了哈爾濱市向南部蔓延的城市發展動向。本研究以重要河流廊道(松花江、阿什河)為邊界，以其與主城區南部行政區劃邊界的圍合區作為中觀尺度下的研究范圍。

圖1 哈爾濱市行政區劃及研究區位置

1.2 數據來源與預處理

本研究數據包括Landsat5/Landsat8衛星在1990，1999，2008，2017年相等間隔的4期影像及數字高程模型(源自地理空間數據云，www.gscloud.cn，分辨率30 m)、《哈爾濱市城市總體規劃(2010—2020)》(源自哈爾濱規劃局)、原始矢量數據(源自www.openstreetmap.org)。根據研究需要，將土地類型分為林地、耕地、草地(包括疏林草地)、水域、未利用地和建設用地6類。結合解譯結果與Open Street Map的矢量數據，在ArcGIS中提取出2017年松花江和阿什河兩河流廊道的面狀要素，與哈爾濱主城區的行政區矢量面進行裁切，得出研究區域的矢量面狀要素，面積約159 820 hm2。

1.3 土地覆被信息提取

1990，1999，2008，2017年4期影像均選自夏季7—9月的無云影像，精度為30 m。在ArcGIS中采用坐標系WGS_1984和UTM投影，分別進行幾何校正、輻射校正、大氣校正、波段融合，顯示RGB為543假彩色模式，此模式中林地、草地、水域的顯示更為醒目[25]，契合研究需要，便于監督分類與最大似然法提取工作的進行。通過最大似然監督分類法在ENVI中對4期影像進行分類，以目視解譯法根據Google Earth在相應4 a的高清歷史影像對數據糾錯，每期隨機生成200個驗證樣點，通過ENVI混淆矩陣和精度評價對土地覆被數據進行驗證，分類精度分別為83.5%，87.0%，89.5%，88.5%，平均精度為87.1%，滿足后續研究需要。

1.4 基于生態耦合的生態安全格局構建策略

中觀尺度上，通過分析林地、草地、水域生態要素在1990—2017年間的耦合模式變化，總結哈爾濱城鄉空間在城鎮化進程中所產生的生態問題，從而對生態要素進行更科學的修復與資源整合，即更具針對性的生態安全格局構建與細節優化策略。在生態源地的選擇上應避免忽略景觀連通性較差的大面積斑塊，其相對于宏觀尺度格局構建更為完善。借鑒微觀尺度的綠道建設，注重小型斑塊的整合與潛力廊道規劃，結合城市用地演變，為未來城鄉生態建設提供規劃參考。生態廊道與鐵路、高速路和國道的相交處為生態斷裂點，應以建設天橋、地下通道、環形綠道等方式維持景觀連通性，提供物種遷徙空間。

1.5 基于MSPA方法的生態源地的識別與評價

形態學空間格局分析法(morphological spatial pattern analysis，MSPA)近年來在源地識別中應用廣泛，其從生態結構連通性入手，基于數學形態學原理對柵格圖像進行空間格局識別[26]。根據研究需要，在2017年土地柵格中提取林地、草地、水域作為MSPA分析的前景要素，考慮耕地受人為干擾較強，將耕地、建設用地與未利用地設為背景，轉換柵格數據為tiff格式的二值圖，在Guidos軟件中識別出7種景觀類型：核心區、橋接區、島狀斑塊、環道區、邊緣區、支線、孔隙，并計算相關指數。

1.6 景觀連通性評價

應用Conefor 2.6軟件，輸入斑塊連通距離閾值和連通概率，計算得出斑塊的景觀連通性等指數。景觀連通性是衡量生態過程相聯系程度的重要指標，可能連通性指數(the probability index of connectivity, PC)在現有研究中應用較多，其綜合考慮物種遷徙擴散的概率，是較為成熟的評價指標；可能連通性指數變化量(the delta values for probability index of connectivity, dPC)常用來反應斑塊重要性[27]，公式如下：

(1)

(2)

1.7 阻力面構建

斑塊阻力值代表物種擴散的困難程度，本研究根據實地情況，基于熵值法并結合楊志廣等[17]研究方法對各土地類型賦值，范圍為1～1 000。生態源地是物種擴散的源頭，極重要核心區是生態效益僅次于源地的斑塊，二者均具有保護生物多樣性的作用，阻力值最小，賦值為1。其余核心區的阻力值有所增大，但因核心區具有較高的生態價值，在整體阻力面中仍屬于低阻力區[15]。橋接區促進區域物質信息流動，賦值為10～20。島狀斑塊與其他斑塊的連通程度一般，賦值為30。其他草地、林地、水域斑塊由于面積小、連通性差，賦值為80～100。耕地受人為干擾，賦值為300。地形對物種擴散產生影響[15]，通過ArcGIS分析得出研究區的坡度與海拔，賦值范圍為1～1 000。坡度上，根據寒地物種棲息地特征[28]，地形坡度小于5°時，物種擴散自由，賦值為1，當坡度大于20°，物種遷徙較困難，賦值為800。海拔上，物種擴散難度隨著高程增加而增大。

研究區景觀要素類型具有較大權重，坡度次之；研究區地處東北平原，海拔較低，其阻力值與權重也相對較小。綜上所述，基于熵值法[29]計算各指標的離散程度，得出景觀要素類型、坡度、高程的權重分別為0.65，0.29，0.06(表1)。

表1 生態阻力面賦值及權重

1.8 基于MCR的生態廊道構建與評價

最小累積阻力模型(minimum cumulative resistance model，MCR)是現有廊道識別和生態安全格局構建的有力途徑[26]，該模型計算源點到目標點所需要克服的最小累積阻力，獲得兩者之間的最小成本路徑，即物種擴散與能量流動的最優通道，公式如下：

(3)

式中：MCR為最小成本值；Dij表示從原點j到空間單元i的空間距離；Ri表示空間單元i的阻力系數。

關于生態廊道的相對重要性評價，重力模型[15,17]能夠科學評估生態源與目標之間的相互作用程度；相互作用力值越大，兩者間的生態廊道在區域生態系統中具有越重要的地位。公式如下：

(4)

式中：Gij代表研究區域內斑塊i與j之間的相互作用力強度；Si為斑塊i的面積；Sj為斑塊j的面積；Pi為斑塊i的阻力值；Pj為斑塊j的阻力值；Lij為斑塊i與斑塊j之間廊道的累積阻力值；Lmin為研究區域所有廊道的最大累積阻力值。

此外，網絡閉合指數(α指數)、網絡連接度指數(β指數)、網絡連通率指數(γ指數)反映出生態空間結構中源地與廊道的連接關系，以及生態安全格局結構的復雜程度與生態效益。指數與廊道連通性呈正相關[30]，計算公式如下：

(5)

(6)

(7)

式中：L為生態廊道數(個)；V為生態節點數(個)。

1.9 生態廊道土地組成分析

計算生成的生態廊道為矢量線，實際規劃中的廊道需具備合理建設寬度，寬度過小則難以提供物種遷徙場所，寬度過大則將涵蓋較多建設用地。結合相關研究[17,31-32]，以60，100 m進行廊道緩沖區分析，得出各寬度廊道內的景觀類型及面積，選取適宜寬度作為相關規劃的決策參考。

2 結果與分析

2.1 研究區域土地利用變化

研究區在2017年的耕地面積為74 322.30 hm2，約占研究區域總面積的46.50%，主要分布于鄉村空間，城鄉交錯地區的部分耕地被新建機場等建設用地取代，林地與草地呈破碎狀與建設用地穿插分布于城市內部空間(圖2)。在早期1990年，研究區各生態斑塊較為完整，耕地面積占總體的55.78%，主要分布在主城區外圍及河流水域附近；林地斑塊面積共21 238.70 hm2，呈聚集狀；未利用地面積占總體的10.81%，主要分布于北部松花江沿岸一帶。1999年，建設用地面積增加至26 973.30 hm2，城市內部與城鄉交錯區建設用地已銜接；水域面積因水田建設而有所增加。2008年，建設用地繼續擴張，城市內部修建公園，疏林草地面積占研究區的9.80%，散點式分布于城市內部。到2017年，生境斑塊破碎化加劇，水域與草地斑塊數量的增值分別613和10 858，亟待修復與整合(表2)。

表2 研究區域1990-2017年間各類土地利用變化

圖2 研究區域1990，1999，2008，2017年4期土地利用類型變化

2.2 生態耦合時空變化與生態安全格局構建的聯系

中觀尺度下，生態要素耦合機制由大面積鑲嵌轉變為破碎化隨機耦合(見圖3)。

(1) 1990年的中心城區，生態斑塊布局分散，草地、裸地以及少量水域斑塊穿插分布于建設用地空隙中。到2017年，中心城區建設用地被道路綠地劃分為整齊有序的布局狀態，早年的大面積草地及未利用地已被喬灌木群落覆蓋，生態要素更為破碎化。市中心區生態安全格局的優化應避免在廊道緩沖區內進行過多工業建設，需有機整合近年新增綠地，改善生態要素破碎化的耦合狀態，提升中心城區的生態效益。

(2) 1990年的城鄉交錯區域，耕地的面積比重較大，斑塊耦合較為完整，大面積草地斑塊鑲嵌于耕地斑塊周邊，該區尚有未整合的林地及裸地。到2017年，城鄉交錯區用地布局較復雜，無明確本底，建設用地與生態斑塊面積接近，人為規劃的綠地與防護林廊道已出現，耕地的破碎度增加，區域內呈現出耕地—林地—草地三者組團散布的耦合狀態。此類地區應重點修復新增建設用地附近污染的濕地、秸稈焚燒后的耕地、移栽后的林地等，避免生境破碎度進一步增加。

(3) 1990年的鄉村區域，耕地為該區本底，建設用地以居住用地為主，草地與林地斑塊少量鑲嵌于耕地斑塊中。到2017年，鄉村區域開始出現大型農業設施，機場等特殊用地，新建鐵路、高速路切割了該區原有生境斑塊。鄉村生態格局優化應注重對生態斑塊與重要道路交接處的生態斷裂點的修復，通過修筑天橋、地下通道等措施，彌補城市擴張造成的鄉村環境惡化。

2.3 基于MSPA的景觀格局分析

以2017年土地柵格中林地、草地、水域作為前景要素，耕地、建設用地與未利用地作為背景要素，在Guidos中識別出7種景觀類型：核心區、橋接區、島狀斑塊、環道區、邊緣區、支線、孔隙，分析計算各景觀指數。根據表3，核心區面積為11 195.00 hm2，斑塊數量為8 516個，占景觀要素總面積的22.03%，主要分布于研究區北部，斑塊的南北連通性較差。橋接區斑塊數量較多，為45 208個，斑塊密度大于核心區，景觀形狀指數為302.50。島狀斑塊密度較小而數量較多，斑塊總面積為6 567.29 hm2，占景觀要素總面積的12.92%。邊緣區與支線的斑塊數量分別為26 283，41 392個，斑塊破碎度較大。孔隙在研究區的面積占比最小，為0.70%。

表3 哈爾濱市城鄉生態耦合不同景觀要素的生態學含義及景觀指數

2.4 景觀連通性評價與生態源地提取

結合前人研究[8,10,13,33]，將斑塊連通距離閾值設為500 m，連通概率為0.5，應用Conefor 2.6計算并分級評價，將核心區分為5級：生態源地dPC>2，極重要核心區2>dPC>1，一級核心區1>dPC>0.1，二級核心區0.1>dPC>0.01，三級核心區0.01>dPC。由于橋接區能夠促進區域物質信息流動，島狀斑塊被認定為生態廊道發展的潛力節點[33]，因此本研究對橋接區和大面積島狀斑塊進行評價與提取，將橋接區分為3個等級：一級橋接區dPC>0.8，二級橋接區0.8>dPC>0.2，三級橋接區0.2>dPC。結合文獻[15,17,33]最終選取dPC>2的15個斑塊作為生態源地(表4)。

表4 哈爾濱市城鄉生態耦合核心區(生態源地)景觀連通性重要程度排序

2.5 生態廊道構建

基于最小累積阻力模型、15個生態源地與綜合阻力面，在ArcGIS中計算得出105條生態廊道。通過重力模型計算源地相互作用矩陣(表5)，結合楊志廣等[17]，陳德超等[22]研究，相互作用力大于150的廊道為重要廊道，共計42條，其余為一般廊道，共計63條。斑塊3與斑塊7間的相互作用力最大，為1 478 222.0，此兩斑塊間距離較短，物種擴散阻力較小，后期規劃中應加強斑塊3與斑塊7間廊道的圍合保護。

表5 哈爾濱市城鄉生態耦合基于重力模型構建的生態源地相互作用矩陣

2.6 生態安全格局優化

前期結果表明，生態廊道集中于研究區北部，南部廊道體系連通性較差，結合楊志廣等[17]在研究區南部重新選取具重要生態意義的斑塊，構建新的廊道來完善區域廊道體系。選擇除生態源地外剩余核心區中面積較大、連通性較高的斑塊作為補充生態源地。邊界處核心區應重點考慮，其與內部生態源地建設廊道后，廊道體系將全面覆蓋研究區[17]。最終選取11個補充生態源地，計算得出新增220條規劃生態廊道，形成整體安全格局(圖4)。

圖4 研究區域優化后的生態安全格局

廊道網絡結構相關指數反映出廊道體系的連通性。優化前的生態節點為15，廊道總數為105，α，β，γ指數分別為3.64，7.00，2.69；優化后的生態節點為26，廊道總數為325，α，β，γ指數分別為6.38，12.50，4.51，連通性有較大提升，表明廊道結構得到優化，規劃廊道增強了生態安全格局的穩定性。

2.7 生態廊道緩沖區分析

為保證生態安全格局建設的可行性，生態廊道應設置緩沖區。基于前期研究分別設置緩沖區寬度為60，100 m并進行計算，得出各要素面積比例(表6)。寬度為60 m時，林地與草地為主要景觀類型，共占廊道總面積約65%，水域對于陸地物種遷徙具有阻隔作用，后期的廊道建設應適當繞開水域與建設用地。當寬度增至100 m，林地與草地仍為主要景觀類型，但面積占比有所下降，建設用地面積增加。因此，生態廊道的建設寬度以60 m較為適宜，規劃中應注重防護林帶的補植和對疏林草地的保護，維持區域景觀的連通性。

表6 研究區生態廊道的景觀構成及面積比例

2.8 生態斷裂點修復及核密度分析

在生態安全格局的優化中，生態斷裂點的存在不容忽視[13]，本研究通過Open Street Map與QGIS獲取了研究區域的矢量路網，在ArcGIS中將其與生態廊道進行疊加，得出生態斷裂點510個。其中，一級斷裂點為生態廊道與鐵路的交匯點，共計188個；二級斷裂點為生態廊道與高速路的交匯點，共計198個；三級斷裂點為生態廊道與國道的交匯點，共計124個(圖5)。較多生態斷裂點集中于生態廊道與京哈線、哈長線和綏滿高速路的交點，在生態保護工作中應修建通道為物種擴散提供條件。

圖5 研究區域重要道路與生態斷裂點分布

核密度分析可以反應出生態安全格局在未來的發展趨勢[33]，本研究通過ArcGIS對生態廊道體系進行核密度分析(圖6)。核密度較高區域位于研究區北部，向西部略有延伸，表明廊道的發展動向為松花江河流廊道以西的地區，在今后的規劃中應注重沿江區的生態保護，禁止隨意開發破壞。核密度低區域生態廊道分布較少，應注重增補生態棲息地，維持區域生態安全格局穩定。

圖6 研究區域生態廊道核密度分級評價

3 結 論

中觀尺度的生態安全格局融合宏觀與微觀尺度的優勢，在總體把控布局的同時優化細節。本研究從中觀尺度入手，探究近30 a研究區土地利用變化，結合圖示框架總結城鄉不同空間中，不同生態要素耦合機制的變化規律。基于形態學空間格局分析法與景觀連通性識別出生態源地，通過最小累積阻力模型識別出潛在生態廊道。基于重力模型與相關網絡指數進行廊道評價，并根據生態斷裂點并提出保護措施，通過核密度分析對廊道發展趨勢進行預測，提出相關建設意見。本研究因地制宜地根據城市發展動向科學性確定研究范圍，在城鄉不同空間生態要素耦合模式的演變分析方面進行一定的創新。

(1) 研究區城鄉空間在城鎮化進程中，生態斑塊趨于破碎化，表現為面積減小，邊緣趨于規則。生態要素的耦合機制由整體鑲嵌演變為破碎化的隨機分布，城鄉交錯處生態破壞較為嚴重，建設用地擴張對區域景觀連通產生阻隔。生態安全格局的構建與優化應因地制宜，如市中心廊道緩沖區內破碎生態斑塊的修補整合、城鄉交錯處廊道緩沖區內受人為干擾生態斑塊的保護與圍合、鄉村區域廊道緩沖區內生態斷裂點的修復連通等。

(2) 研究區原生態源地為15個，重要廊道共42條，一般廊道共63條，主要分布于研究區北部。東南部廊道存在連通水平不均、缺乏閉合環路等問題，通過計算補充了11個生態源地與220條規劃廊道，廊道的適宜建設寬度為60 m。生態斷裂點以廊道與京哈線、哈長線和綏滿高速路的交點居多，可建設綠道天橋等立體結構進行連通。優化后的生態安全格局能夠提高區域生態系統的物質能量流動與生物多樣性。

本研究基于中觀尺度的生態安全格局構建與優化仍處于嘗試探索階段，旨在探究有針對性的城鄉空間生態規劃策略，研究存在一些不足。首先，源地選擇上沒有綜合考慮區域物種生存規律；其次，在阻力面構建中，缺乏對人口遷移相關因素的考慮。希望在未來的實踐中能夠繼續完善，為哈爾濱城鄉空間綠色建設提供更科學的生態安全格局構建與優化策略。