張 林,田 波,周云軒,朱春嬌
(華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200062)
隨著長三角區(qū)域城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn),城市人口不斷增加,建成區(qū)快速擴(kuò)張.以浦東新區(qū)為代表的長三角城市在促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的同時(shí),也面臨著一系列城市生態(tài)問題.表現(xiàn)在不斷變化的土地利用方式影響著城市生態(tài)系統(tǒng)的機(jī)能、自凈能力和景觀承載力;城市自然生態(tài)景觀要素?cái)?shù)量不斷減少、類型趨于單一;區(qū)域內(nèi)自然生態(tài)單元要素特別是濕地、綠地、林地不斷被侵占,表現(xiàn)破碎化、島嶼化;城市生態(tài)空間連通性降低[1,2],生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)整體性不斷破壞,生態(tài)服務(wù)功能不斷下降[3,4].
為改善城市生態(tài)現(xiàn)狀,國內(nèi)外一些學(xué)者提出了構(gòu)建城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的思路[5,6],用于加強(qiáng)自然環(huán)境的保護(hù)與恢復(fù),減少城市生態(tài)用地的破碎化,提升城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平和生態(tài)服務(wù)功能[7].2011年,上海市首次提出并發(fā)布建設(shè)多層次、成網(wǎng)絡(luò)、功能復(fù)合的城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃,將城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)納入生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分.
生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是指自然的或植被穩(wěn)定的以及依照自然規(guī)律而相連接的空間,主要以濕地、綠地、耕地和林園地為主,強(qiáng)調(diào)自然的過程和特點(diǎn)[8],是由生態(tài)景觀及其之間的連線所組成的結(jié)構(gòu)完整、功能完善的生態(tài)系統(tǒng)[3].城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的實(shí)質(zhì)是利用植被帶、河流和農(nóng)田等生態(tài)單元,通過線性廊道將城市中分散孤立的各種類型生態(tài)斑塊聯(lián)系起來,形成一個結(jié)構(gòu)成熟、功能完善的生態(tài)系統(tǒng)[9].國外對于構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究開展較早,從20世紀(jì)80年代開始,歐美就出現(xiàn)了一些生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的理論和實(shí)踐,如歐洲的生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施(Ecological Infrastructure)、生態(tài)架構(gòu)(Ecological Framework)及美國的綠道體系(Greenway System)等[10].國內(nèi)有關(guān)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究起步較晚,近年來取得了較大發(fā)展,如通過景觀指數(shù)[6-12]、網(wǎng)絡(luò)分析[13]等方面對于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價(jià)分析,進(jìn)而對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供參考.但國內(nèi)大多研究關(guān)注單一生態(tài)要素,如綠地[8-14]或濕地[15]等,或者是僅以某一角度如景觀角度對生態(tài)本底數(shù)據(jù)的自然、社會屬性(如面積、保護(hù)破壞程度、植被覆蓋度等)進(jìn)行深層次的分析比較.本文主要是以遙感和地面調(diào)查技術(shù)為基礎(chǔ),在辨識浦東新區(qū)林綠地、濕地生態(tài)空間分布現(xiàn)狀基礎(chǔ)上,根據(jù)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)單元基礎(chǔ)數(shù)據(jù)自然和社會屬性,進(jìn)行分等定級,構(gòu)建多層次的權(quán)重指標(biāo)體系,利用最小費(fèi)用法構(gòu)建浦東新區(qū)潛在生態(tài)廊道,采用重力模型提取重要廊道,通過緩沖區(qū)分析對生態(tài)廊道和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,為浦東新區(qū)城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù).
上海市浦東新區(qū)位于上海市東部,長江三角洲東緣,東臨東海之濱,屬長江口沖擊平原,為平原河網(wǎng)感潮區(qū),其地理范圍在(121°26′E~121°59′E,30°50′N~31°23′N)之間.它集濱江臨海之利,有著較豐富的生態(tài)資源,是上海市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的引擎,國家重大發(fā)展戰(zhàn)略區(qū)之一,也是我國快速城市化的典型代表區(qū)域.隨著浦東新區(qū)20世紀(jì)90年代開發(fā)開放,特別是近10年以來,浦東新區(qū)城市化進(jìn)程不斷加快,快速城市化給浦東新區(qū)生態(tài)環(huán)境帶來了巨大影響[16].城市建成區(qū)迅速擴(kuò)張,土地利用方式發(fā)生巨大變化,許多生態(tài)用地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地[17],生態(tài)用地連通性下降,斑塊破碎化嚴(yán)重,城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能面臨較大威脅.本文選取浦東新區(qū)為研究區(qū),以現(xiàn)浦東新區(qū)行政區(qū)劃為界(見圖1),包括浦東新區(qū)所轄陸域和九段沙濕地國家級自然保護(hù)區(qū)在內(nèi)的濕地水域,區(qū)域總面積27.5萬hm2,其中林地總面積約1.9萬hm2,綠、草地面積約1.38萬hm2,濕地總面積14.71萬hm2,濕地植被面積為0.68萬hm2.
圖1 研究區(qū)位置(底圖為2011年福衛(wèi)2影像)Fig.1 Study area with satellite image of FW2 acquired in 2011
通過遙感和地面調(diào)查相結(jié)合的方法獲取浦東新區(qū)綠地、林地、濕地、道路交通和城市建設(shè)用地等地類,按照林綠地與濕地生境類型、面積、保護(hù)程度等屬性信息,對生境斑塊進(jìn)行多層次的分等定級,選擇重要的生態(tài)斑塊作為核心斑塊,建立多層次的生態(tài)斑塊適應(yīng)性評價(jià)體系,構(gòu)建景觀阻力圖(即消費(fèi)面).按照最小費(fèi)用法,空間計(jì)算各核心板塊間潛在生態(tài)廊道.使用重力模型分析核心斑塊間相互作用力來選擇重要生態(tài)廊道.對重要生態(tài)廊道進(jìn)行緩沖分析,分析生態(tài)廊道緩沖區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu),得到研究區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)布局和結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀.采取技術(shù)路線詳見圖2.
圖2 技術(shù)路線圖Fig.2 Methodology flow chart
研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)單元空間分布的識別與提取主要采用遙感、GIS技術(shù)和地面調(diào)查相結(jié)合的計(jì)算機(jī)提取方法,采用的數(shù)據(jù)主要有2011年10月福衛(wèi)2號衛(wèi)星(FW2)遙感數(shù)據(jù)(空間分辨率2m)、1∶10 000地形圖、上海市2011年海圖等.對FW2號遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正、幾何校正和圖像增強(qiáng)等預(yù)處理后,基于決策樹的eCognition自動分類與目視解譯相結(jié)合的方法進(jìn)行生態(tài)網(wǎng)絡(luò)要素的識別和土地利用解譯.通過濕地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行百分之百野外調(diào)查驗(yàn)證,獲得準(zhǔn)確的濕地空間信息和屬性信息.結(jié)合浦東新區(qū)林綠地詳查數(shù)據(jù),以FW2號遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),得到研究區(qū)內(nèi)林綠地分布數(shù)據(jù).參照交通圖和FW2數(shù)據(jù),利用GIS數(shù)字矢量化提取區(qū)域內(nèi)道路交通數(shù)據(jù).依照GIS空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn),整合生態(tài)要素?cái)?shù)據(jù),得到浦東新區(qū)林地、綠地、濕地等生態(tài)網(wǎng)絡(luò)單元分布空間數(shù)據(jù)庫和土地利用現(xiàn)狀(見圖3).
圖3 2011年浦東新區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖Fig.3 The spatial distribution of land use classification in 2011 in Pudong New Area
生態(tài)網(wǎng)絡(luò)核心斑塊選取主要考慮生態(tài)斑塊的景觀類型、斑塊面積、植被覆蓋度、受保護(hù)等級、生態(tài)功能和空間分布格局等多方面因素[14].本研究將面積大于5 hm2的林、綠地、面積大于50 hm2的濕地作為備選核心斑塊,篩選其中生態(tài)區(qū)位重要、受保護(hù)狀況良好的斑塊.最終本文選取了18個生態(tài)單元地塊作為核心斑塊(見圖4).核心斑塊主要包括自然保護(hù)區(qū)(16、17、18號斑塊)、自然保護(hù)小區(qū)(12、15號斑塊等)、森林公園(1、14號斑塊等)、濕地公園(3、6號斑塊等)、綠地公園(2、4、5、9號斑塊等)及大面積苗圃(11、12號斑塊)等,總面積為25 920.42 hm2,占區(qū)域內(nèi)總生態(tài)用地面積的10.71%,其中濕地面積20 113.02 hm2,林地面積2 851.61 hm2,綠地面積1 300.41 hm2,農(nóng)田面積1 089.81 hm2.
圖4 浦東新區(qū)核心斑塊分布圖Fig.4 The core ecological patches of Pudong New Area
潛在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是由核心斑塊間不同土地利用類型的斑塊適應(yīng)性和景觀阻力所決定[18,19].生境斑塊適應(yīng)性是指某一生境斑塊對物種生存、繁衍、遷徙等活動的適應(yīng)性程度.景觀阻力是物種在不同景觀單元之間進(jìn)行遷移的難易程度,與生境適宜性成反比關(guān)系[20].所有斑塊景觀阻力值的空間分布則構(gòu)成景觀阻力消費(fèi)面.生境景觀阻力值主要由景觀類型決定,也受自然和社會屬性影響.景觀阻力值計(jì)算需要考慮景觀類型、斑塊面積、保護(hù)利用狀況、植被覆蓋度、健康度等綜合因素.對此,在計(jì)算生態(tài)斑塊景觀阻力值時(shí),采用計(jì)算公式如下:
其中,Ci為斑塊i的景觀阻力值,Mi為斑塊i對應(yīng)的景觀類型的基準(zhǔn)阻力值,Wj為斑塊i的第j個屬性分級后的景觀阻力系數(shù).在綜合國內(nèi)已有研究[8,20]的基礎(chǔ)上,確定浦東新區(qū)不同景觀類型基準(zhǔn)阻力值(見表1).對斑塊不同屬性及屬性值對生境景觀適應(yīng)性影響程度進(jìn)行分等定級,確定浦東新區(qū)不同景觀及屬性的景觀阻力系數(shù)(見表2和表3).濕地核心斑塊主要選擇濕地型、濕地面積、植被覆蓋率和保護(hù)程度四個指標(biāo);林地綠地核心斑塊,主要選擇林種、面積、保護(hù)分級、郁閉度和生態(tài)功能分級等指標(biāo).根據(jù)公式(1),計(jì)算得到浦東新區(qū)區(qū)域內(nèi)所有生境斑塊的景觀阻力消費(fèi)基準(zhǔn)面(見圖5).
圖5 浦東新區(qū)景觀阻力消費(fèi)基準(zhǔn)面Fig.5 The cost surface map of Pudong New Area
表1 不同景觀類型基準(zhǔn)阻力值Tab.1 Base impedance values of different land use type
表2 濕地景觀阻力分級表Tab.2 Resistance coefficient of wetland
表3 林綠地景觀阻力分級表Tab.3 Resistance coefficient of forest and grass land
最小累計(jì)阻力模型是指從源到目的地運(yùn)動過程中所需消耗最小代價(jià)的模型[21],最初源于對物種擴(kuò)散過程的研究,近些年已經(jīng)用于適宜性評價(jià)[22]、選址[23]、生態(tài)格局規(guī)劃與構(gòu)建[24,25]等多方面.最小累計(jì)阻力模型基本公式如下:
其中,MCR為最小累積阻力值,Dij表示從源j到景觀單元i的空間距離,Ri表示景觀單元i的阻力值.以ArcGIS為空間分析軟件平臺,采用空間路徑分析法得到18個核心斑塊間最小阻力路徑,即潛在生態(tài)廊道(見圖6(a)).
圖6 潛在生態(tài)廊道分布圖(a)與利用重力模型提取的浦東新區(qū)重要廊道(b)Fig.6 The potential ecological network(a)and the important ecological network based on gravity method(b)
潛在生態(tài)廊道的有效性和連接斑塊的重要性主要依據(jù)核心斑塊與目標(biāo)之間的相互作用強(qiáng)度[26].基于重力模型[14],本文構(gòu)建了18個核心斑塊間相互作用矩陣表(見表4),定量評定生態(tài)斑塊間相互作用強(qiáng)度,以此來判斷生態(tài)廊道的重要性.根據(jù)相互作用矩陣結(jié)果,提取相互作用力大于200的廊道,作為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)骨干廊道,得到浦東新區(qū)重要生態(tài)網(wǎng)絡(luò)圖(見圖6(b)).重力模型計(jì)算公式如下:
其中,Gab是斑塊a和b之間相互作用力,Na和Nb分別是兩斑塊的權(quán)重值,Dab是a和b兩斑塊間潛在廊道阻力的標(biāo)準(zhǔn)化值,pa為斑塊a的阻力值,Sa是斑塊a的面積,Lab是斑塊a到b之間廊道的累積阻力值,Lmax是研究區(qū)內(nèi)所有廊道阻力的最大值.
生態(tài)廊道構(gòu)建應(yīng)該要有一定寬度,才能更好的發(fā)揮其生態(tài)服務(wù)價(jià)值.為研究浦東新區(qū)不同廊道寬度土地利用結(jié)構(gòu),以重要廊道為基礎(chǔ),通過緩沖區(qū)空間分析,分別得到10 m、50 m、100 m和500 m的緩沖區(qū)內(nèi)林地、綠地、濕地、道路交通、建設(shè)用地等土地利用構(gòu)成(見圖7).
表4 浦東新區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)核心斑塊相互作用矩陣Tab.4 Node interaction in ecological network of Pudong New Area
圖7 不同緩沖距離重要廊道土地利用構(gòu)成Fig.7 Land use structure of different buffer distance
(1)景觀阻力分析
由浦東新區(qū)景觀阻力消費(fèi)面(見圖5)可以看出,浦東新區(qū)景觀阻力有明顯的“北高南低”的特點(diǎn).浦東新區(qū)北部區(qū)域因經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,城市化擴(kuò)張明顯,大量建筑用地和道路使區(qū)域景觀阻力偏高;在外環(huán)沿線、濱海帶的防護(hù)綠地以及建成區(qū)內(nèi)附屬草地、林地等區(qū)域,景觀阻力值較小,有明顯的帶狀分布.
浦東新區(qū)南部區(qū)域因有大面積農(nóng)田、濕地存在,整體景觀阻力值較小,特別是南匯東灘禁獵區(qū)區(qū)域;景觀阻力值較大區(qū)域位于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)建成區(qū);值得注意的是南匯東灘禁獵區(qū)北部的老港垃圾填埋場和臨港新城區(qū)域景觀阻力值較大,這將會給南匯東灘禁獵區(qū)帶來一定影響.
(2)重要核心斑塊分析
結(jié)合浦東新區(qū)核心斑塊分布圖(見圖4)和景觀阻力分布圖(見圖5)可以看出,浦東新區(qū)適宜生物生存棲息的大型生態(tài)單元斑塊明顯不足,且有南多北少的特點(diǎn).其與區(qū)域城市化水平相關(guān),由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,浦東新區(qū)出現(xiàn)大量的非生態(tài)用地,將區(qū)域內(nèi)大生境斑塊割裂成小斑塊所致.
通過表4可以看到,九段沙區(qū)域(斑塊16、17、18)與其他斑塊的作用強(qiáng)度較大,主要是由于九段沙濕地國家級自然保護(hù)區(qū)面積較大,并且景觀阻力值小,可以反映出九段沙核心斑塊在整個浦東新區(qū)生態(tài)格局中有著重要地位.外環(huán)楔形綠地(核心斑塊7)在聯(lián)系城市建成區(qū)內(nèi)斑塊(核心斑塊2~5)與郊區(qū)大型斑塊起到重要節(jié)點(diǎn)作用.濱江森林公園(核心斑塊1)及世紀(jì)公園(核心斑塊4)是在建成區(qū)內(nèi)重要公園綠地,但由于建成區(qū)內(nèi)斑塊破碎化程度高、適宜生境少,與其他核心斑塊聯(lián)系較弱.
(3)生態(tài)廊道土地結(jié)構(gòu)和利用分析
根據(jù)生態(tài)廊道10 m緩沖分析(見圖7),區(qū)域內(nèi)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)主要構(gòu)成要素為林地,占51.39%,其大部分為道路防護(hù)林,占總廊道面積的39.25%.濕地在聯(lián)系重要生態(tài)斑塊中也起到了很大作用,占25.08%,其中占主導(dǎo)地位的為內(nèi)陸河道.由于生態(tài)廊道大多為人類活動影響較弱的地區(qū),廊道內(nèi)建筑用地、道路等所占比例很小,為9.73%.
通過對生態(tài)廊道不同緩沖距離的分析(見圖7)可以看出,在較窄廊道寬度(如10 m)下,生態(tài)要素占據(jù)著主要部分,所占比例為90%以上,特別是重要的濕地、林綠地資源,所占比例達(dá)76.47%,在發(fā)揮生態(tài)服務(wù)功能方面起到關(guān)鍵作用.但隨著緩沖距離的增長,緩沖區(qū)內(nèi)建筑用地由5.27%上升到23.40%,所占比例上升最快;而濕地與林綠地的總和則從76.47%降到39.34%,反映出浦東新區(qū)高質(zhì)量的生態(tài)廊道寬度較窄,易受到外界影響而被阻斷或者造成生態(tài)功能的削弱.
(4)浦東新區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框架
生態(tài)斑塊和廊道的有機(jī)整合對于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能有著重要作用.根據(jù)本文得到的浦東新區(qū)重要生態(tài)廊道,結(jié)合浦東新區(qū)生態(tài)要素的空間布局,規(guī)劃提出“兩核、一軸、兩帶、多線”的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)框架(見圖8).
“兩核”:指九段沙與南匯東灘禁獵區(qū).這兩個區(qū)域有著大片的生態(tài)用地,而且生境自然度較好,受人為影響較小,是重要的源地.同時(shí),這兩個區(qū)域位于整個浦東新區(qū)的最前沿,在維護(hù)浦東乃至整個上海的生態(tài)安全有著至關(guān)重要作用.應(yīng)該得到重點(diǎn)保護(hù)和合理管理.
“一軸”是指浦東沿海沿江帶,包括浦東新區(qū)沿海灘涂帶、沿海生態(tài)防護(hù)林帶,是重要的生態(tài)棲息地,同時(shí)將浦東沿海各重要生態(tài)空間在縱向上聯(lián)系起來,充分發(fā)揮生態(tài)服務(wù)功能.
“兩帶”是指外環(huán)綠地以及沿大治河和繞城高速形成的生態(tài)走廊,是浦東新區(qū)重要的生態(tài)骨架.將城區(qū)內(nèi)重要生態(tài)節(jié)點(diǎn)聯(lián)系成一體.
“多線”是指在橫向上延伸的由濕地、林綠地組成的廊道,如聯(lián)系城區(qū)綠核和九段沙核心區(qū)的張家浜生態(tài)廊道,以及聯(lián)通沿大治河綠帶和南匯東灘核心區(qū)的南部生態(tài)廊道等,都可作為浦東新區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充和加強(qiáng).
圖8 浦東新區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)框架Fig.8 The ecological network structure of Pudong New Area
本項(xiàng)研究主要側(cè)重于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)各要素空間分布現(xiàn)狀及結(jié)構(gòu)分析.通過針對不同景觀屬性,在考慮其各級屬性信息的前提下,構(gòu)建了復(fù)合多層次的景觀阻力評價(jià)體系,基于最小費(fèi)用路徑法和重力模型,提取出浦東新區(qū)重要生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點(diǎn),在此基礎(chǔ)上對浦東新區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析評價(jià).
遙感和GIS技術(shù)在本文的研究中起到重要作用,高精度遙感影像與野外實(shí)地調(diào)查相結(jié)合的方法,提供了詳盡而又準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐,GIS強(qiáng)大的空間分析功能則為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的評價(jià)分析提供了較好的實(shí)現(xiàn)手段.
在構(gòu)建景觀阻力評價(jià)體系時(shí),雖然考慮了濕地、林綠地等不同景觀在面積、植被覆蓋度、保護(hù)程度等多因子不同屬性值,能體現(xiàn)不同屬性對景觀阻力的影響,但由于缺少影響因子與景觀阻力精確的數(shù)字關(guān)系,在系數(shù)選取時(shí)主要以專家知識為主.生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建應(yīng)該是基于多目的(如物種遷移、生態(tài)保護(hù)、居民休閑等)、多尺度(鄉(xiāng)鎮(zhèn)級、區(qū)級、省級或者更大),對數(shù)據(jù)的詳細(xì)程度和指標(biāo)體系的選取有著更高的要求,未來研究將進(jìn)一步深入和強(qiáng)化.
由于浦東新區(qū)城市化率較高,同時(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著強(qiáng)烈訴求,用地極為緊張,因此進(jìn)行大規(guī)模生態(tài)用地建設(shè)是不實(shí)際的,唯有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整,充分利用原有生態(tài)資源,加強(qiáng)生境斑塊間的鏈接和功能構(gòu)建多層次多維度的城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò),以此發(fā)揮最大生態(tài)服務(wù)功能.
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