王 媛,周長威
(1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院,四川 成都 610065;2.貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,貴州 貴陽 550025)
生態(tài)文明發(fā)展?fàn)顩r是體現(xiàn)城市群發(fā)展水平的一個重要方面,城市群漸漸成為推進(jìn)城鎮(zhèn)化和區(qū)域聯(lián)動發(fā)展的重要形式[1]。如今,城市化進(jìn)程的加快使生態(tài)環(huán)境遭受很大程度破壞,然而生態(tài)安全對維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和功能具有重要意義。構(gòu)建景觀生態(tài)安全格局可以保障人們在合理利用自然資源的同時,避免生態(tài)環(huán)境受到破壞[2]。因此,通過研究生態(tài)安全格局改變生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀,從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護(hù),成為學(xué)術(shù)界討論熱點(diǎn)[3]。黔中城市群是目前貴州省經(jīng)濟(jì)實(shí)力最強(qiáng)、地理條件最好、發(fā)展空間最大的城市群,其對促進(jìn)貴州經(jīng)濟(jì)更好更快增長和整個區(qū)域進(jìn)步具有極其重要的意義[4]。故通過構(gòu)建黔中城市群景觀生態(tài)安全格局,為正確處理城市發(fā)展與生態(tài)保護(hù)之間的矛盾,保障黔中城市群可持續(xù)發(fā)展提供借鑒。
景觀生態(tài)安全格局是維護(hù)城市景觀生態(tài)安全的關(guān)鍵性格局,其對維護(hù)城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有重要意義,是實(shí)現(xiàn)區(qū)域或城市生態(tài)安全的基本保障和重要途徑[5-6]。城市生態(tài)安全格局構(gòu)建在一定程度上表現(xiàn)為對生態(tài)源地、生態(tài)廊道等生態(tài)功能區(qū)的空間組合優(yōu)化[7]。俞孔堅[8]將景觀生態(tài)安全格局的方法和理論應(yīng)用到廣東丹霞山風(fēng)景區(qū)的生物保護(hù)規(guī)劃中。之后,俞孔堅等[9-10]以北京香山滑雪場的規(guī)劃為例,系統(tǒng)探討了景觀生態(tài)安全格局、景觀視覺安全格局和景觀安全格局判別方法;并以廣東馬崗村為例,建立新農(nóng)村建設(shè)規(guī)劃及城市擴(kuò)張背景下的景觀安全格局。該方法已得到很多學(xué)者不斷完善,應(yīng)用也更加廣泛。楊天榮等[11]識別出關(guān)中城市群景觀生態(tài)安全格局要素,從而構(gòu)建出關(guān)中城市群景觀生態(tài)安全格局。吳健生等[12]以深圳市為研究區(qū),基于GIS識別出深圳市生態(tài)用地,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了深圳市景觀生態(tài)安全格局。
目前,對生態(tài)安全格局的研究范圍比較廣泛,研究所用尺度也各不相同。此外,研究者在對景觀進(jìn)行評價時往往更加注重景觀的經(jīng)濟(jì)價值,而在一定程度上忽視景觀的生態(tài)價值,這與構(gòu)建景觀生態(tài)安全格局的初衷背道而馳。目前對黔中城市群生態(tài)環(huán)境的研究較少,對黔中城市群生態(tài)安全格局的研究鮮見報道。
通過黔中城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性與生態(tài)環(huán)境敏感性的評價結(jié)果識別生態(tài)源地,并基于石漠化程度和土地利用類型構(gòu)建黔中城市群阻力面,進(jìn)而確定緩沖區(qū),再根據(jù)成本距離分析和路徑分析生成生態(tài)廊道,然后識別生態(tài)節(jié)點(diǎn)。生態(tài)源地、緩沖區(qū)、生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點(diǎn)等要素構(gòu)成黔中城市群景觀生態(tài)安全格局。黔中城市群景觀生態(tài)安全格局的構(gòu)建對地區(qū)生態(tài)建設(shè)、規(guī)劃和保護(hù)具有重要意義。
黔中城市群位于貴州省中部地區(qū),包括貴陽、遵義、安順、畢節(jié)、黔東南和黔南6個市(州),涉及貴安新區(qū)在內(nèi)的33個縣(市、區(qū)),總面積為53 800 km2,是國家重點(diǎn)培育的區(qū)域性城市群。黔中城市群地理位置重要,經(jīng)濟(jì)狀況良好,交通條件也較為便捷。研究區(qū)礦產(chǎn)分布比較集中,工業(yè)企業(yè)基礎(chǔ)較好,在貴州省產(chǎn)業(yè)布局中占據(jù)著極其重要的地位。2013年末研究區(qū)戶籍總?cè)丝跒? 780.92萬人,地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)為4 938.44億元,人均GDP為2.77萬元,城鎮(zhèn)化率達(dá)到48.52%,其中云巖區(qū)和南明區(qū)城鎮(zhèn)化率接近100%。黔中城市群面積90%以上為喀斯特地貌,洪澇、干旱、雪災(zāi)、滑坡和泥石流等災(zāi)害較多,且易受全球氣候變化影響,導(dǎo)致本來己經(jīng)很脆弱的生態(tài)環(huán)境不斷惡化。
研究區(qū)2017年遙感數(shù)據(jù)采用Landsat 8影像(地理空間數(shù)據(jù)云),云量低于5%,將3、4和5波段組合,分辨率為30 m。高程數(shù)據(jù)采用STRM DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品(地理空間數(shù)據(jù)云),分辨率為30 m,坡度數(shù)據(jù)采用ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行表面分析得到。研究區(qū)歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)來源于貴州省公里格網(wǎng)歸一化植被指數(shù)(地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺),分辨率為1 km。
2.2.1圖像解譯
采用ENVI 5.3軟件無縫拼接區(qū)域遙感數(shù)據(jù),再提取出黔中城市群遙感圖像;將黔中城市群遙感圖像進(jìn)行波段組合,再進(jìn)行圖像增強(qiáng),得到比較清晰的圖像;最后采用ENVI 5.3軟件進(jìn)行監(jiān)督分類,結(jié)合目視修正將黔中城市群土地利用類型分為水體、城鎮(zhèn)、草地、農(nóng)田和林地5類,得到黔中城市群土地利用分布(圖1)。采用混淆矩陣評價土地利用分布圖,發(fā)現(xiàn)Kappa系數(shù)為0.914,大于0.8,說明分類結(jié)果可信度高。采用ArcGIS 10.2軟件計算得到各土地利用類型面積。
2.2.2生態(tài)源地的識別
生態(tài)源地是景觀中需要重點(diǎn)保護(hù)且對保護(hù)和促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定極其重要的區(qū)域,一般由生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性較高且較敏感的生態(tài)斑塊組成[13-14]。選擇生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性和生態(tài)環(huán)境敏感性評價值均較高的區(qū)域作為研究區(qū)生態(tài)源地。
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評價可針對不同生態(tài)系統(tǒng),分析其區(qū)域分異規(guī)律,明確生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要區(qū)域,為科學(xué)管理生態(tài)系統(tǒng)、確定生態(tài)保護(hù)關(guān)鍵區(qū)和制定生態(tài)保護(hù)政策提供依據(jù)。因此,在識別生態(tài)源地時,采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性這一因素可以更合理地識別生態(tài)源地。生態(tài)環(huán)境敏感性反映了生態(tài)系統(tǒng)對外界事物或過程發(fā)生變化的敏感程度,也是生態(tài)系統(tǒng)維持自身穩(wěn)定能力的評價標(biāo)準(zhǔn)[15]。生態(tài)環(huán)境敏感性用于評價在自然狀態(tài)下生態(tài)過程產(chǎn)生潛在生態(tài)環(huán)境問題的可能性。區(qū)域敏感性越高,表明在人類不合理活動影響下越容易產(chǎn)生各種生態(tài)環(huán)境問題,因此高生態(tài)環(huán)境敏感性區(qū)域是生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)保護(hù)地區(qū)。
圖1 2017年黔中城市群土地利用類型分布
參照文獻(xiàn)[11],結(jié)合黔中城市群自身狀況,選取高程、坡度、植被覆蓋度、土地利用類型和石漠化程度5類指標(biāo)作為評價因子。按照表1,分別將各個因子?xùn)鸥駡D進(jìn)行加權(quán)疊加運(yùn)算,使用自然斷點(diǎn)法將計算后的值分為不敏感、輕度敏感、中度敏感、高度敏感和極度敏感5個等級,分別賦值1~5,從而得到研究區(qū)生態(tài)環(huán)境敏感性等級。
2.2.3阻力面的構(gòu)建
景觀生態(tài)中物質(zhì)和能量的流動需要克服一定阻力,生態(tài)保護(hù)“源”向外擴(kuò)散中所遇到的阻力共同構(gòu)成了生態(tài)阻力面。研究區(qū)石漠化較為嚴(yán)重。通常情況下,巖溶地區(qū)生態(tài)環(huán)境被認(rèn)為同沙漠邊緣地區(qū)一樣脆弱,有些學(xué)者甚至認(rèn)為石漠化地區(qū)是“不具備生存條件的區(qū)域”[16]。石漠化地區(qū)成土緩慢,山體陡峭,植被覆蓋率低,地表徑流強(qiáng)烈,土壤難于存留,導(dǎo)致其生態(tài)系統(tǒng)脆弱。再加上巖溶地區(qū)容易發(fā)生旱災(zāi)、洪澇、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害。因此,石漠化在一定程度上能影響物種在研究區(qū)不同源地之間的擴(kuò)散?;诖耍x擇土地利用類型和石漠化程度2個阻力面評價因子,評價因子相對阻力值越大,物種從生態(tài)源地向外擴(kuò)張的阻力就越大;反之則越小。分別設(shè)置相對阻力值,并等權(quán)疊加計算生態(tài)源地向外擴(kuò)張的累積耗費(fèi)阻力(表2)。將研究區(qū)石漠化圖和土地利用類型圖按不同相對阻力值進(jìn)行賦值,然后將這兩項等權(quán)疊加,生成黔中城市群阻力面。基于GIS最小路徑方法能夠較好地反映景觀格局的生態(tài)過程,該方法通過對不同土地利用類型和其他根據(jù)實(shí)際情況確定的阻力值構(gòu)建阻力面,再利用成本距離和成本路徑分析構(gòu)建生態(tài)廊道,從而可以較為科學(xué)地構(gòu)建生態(tài)廊道。
表1 生態(tài)環(huán)境敏感性評價因子分級
Table 1 Classification of eco-environmental sensitivity assessment factors
敏感性賦值植被覆蓋度高程/m坡度/(°)土地利用類型石漠化程度1>0.75≤500≤5林地、水體微度強(qiáng)烈3(0.65,0.75](500,1 000](5,10]草地輕度強(qiáng)烈7(0.35,0.50](1 500,2 000](15,25]農(nóng)田強(qiáng)烈9≤0.35>2 000>25城鎮(zhèn)極強(qiáng)烈權(quán)重0.150.200.250.100.30
表2 阻力面評價因子分級
Table 2 Resistance factor classification
相對阻力值土地利用類型石漠化程度9城鎮(zhèn)極強(qiáng)烈7農(nóng)田強(qiáng)烈5草地中度強(qiáng)烈3水體輕度強(qiáng)烈1林地微度強(qiáng)烈權(quán)重0.500.50
2.2.4生態(tài)廊道的構(gòu)建
源間廊道與輻射廊道分別由生態(tài)源地之間、以生態(tài)源地為中心向外輻射的低累積阻力谷線得到。將識別出來的生態(tài)源地,分別根據(jù)所構(gòu)建的阻力面,對每個源到其他源的成本距離和成本路徑進(jìn)行分析,從而得出每個生態(tài)源地到其他生態(tài)源地的最小成本路徑,然后將這些路徑進(jìn)行合并,構(gòu)建出黔中城市群生態(tài)廊道,這些生態(tài)廊道為各生態(tài)源地間阻力值最小的通道。
2.2.5生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)的識別
阻力面上相鄰兩個生態(tài)源地間等阻力線的切點(diǎn)以及源間廊道與等阻力線的交點(diǎn)即為生態(tài)戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn),源間廊道與廊道相交處為生態(tài)節(jié)點(diǎn)。
黔中城市群水體面積較小,僅為349.343 km2,占黔中城市群總面積的0.64%。城鎮(zhèn)面積為9 012.257 km2,占總面積的16.75%,集中分布在貴陽、遵義和清鎮(zhèn)市。草地面積為12 190.490 km2,占總面積的22.66%。農(nóng)田面積為9 232.928 km2,占總面積的17.16%。林地面積最大,分布也較為均勻,為23 008.042 km2,占總面積的42.77%。
黔中城市群林地和草地面積較大,這可能與退耕還林、還草等政策以及地方政府重視護(hù)林工作有關(guān)。城鎮(zhèn)面積占比也較大,并且隨著城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長,城鎮(zhèn)面積還將進(jìn)一步增大。水體面積很小,這可能與濕地演化為陸地、城鎮(zhèn)建設(shè)占用濕地等有關(guān),建議應(yīng)加大水資源保護(hù)力度。
城市生態(tài)安全格局強(qiáng)調(diào)自然保護(hù)與人類建設(shè)開發(fā)之間的協(xié)調(diào)和互利,以較為主動的方式去建設(shè)、管理、維護(hù)、恢復(fù),甚至重建生態(tài)環(huán)境[17],是以一種與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)的方式尋求土地發(fā)展與保護(hù)并重的精明增長方式[18]。景觀生態(tài)安全格局由所有景觀成分中對生態(tài)過程有關(guān)鍵性影響的景觀單元構(gòu)成,能直接或間接影響生態(tài)過程的發(fā)生和發(fā)展,實(shí)現(xiàn)物種保護(hù)的目的。景觀生態(tài)安全格局把景觀發(fā)生的一系列過程作為對空間阻力的克服,從而實(shí)現(xiàn)其覆蓋和控制。
3.2.1生態(tài)源地的識別
自然生態(tài)空間是景觀的基質(zhì),具有生物生產(chǎn)和提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的功能。在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時,需保護(hù)好生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性高的景觀,才能滿足生物生存和發(fā)展的物質(zhì)需求。而生態(tài)環(huán)境敏感性是城市群發(fā)展的限制性因素,生態(tài)越敏感的地區(qū)越容易產(chǎn)生環(huán)境問題。區(qū)域生態(tài)安全格局調(diào)控是通過生態(tài)敏感性評價和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價結(jié)果,確定以生態(tài)保護(hù)為主的生態(tài)空間范圍,加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)生態(tài)功能維護(hù),強(qiáng)化區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)多樣性和穩(wěn)定性。該區(qū)域在以后的規(guī)劃中應(yīng)限制一切開發(fā)與建設(shè),避免對該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和生物造成干擾與破壞。
根據(jù)研究區(qū)單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值表[19-20],各土地利用類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值由大到小依次為水體、林地、草地、農(nóng)田和城鎮(zhèn)。分別將水體、林地、草地、農(nóng)田和城鎮(zhèn)賦值為5、4、3、2和1,得到研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性分布圖(圖2)。
圖2 黔中城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性等級分布
由圖2可知,由于黔中城市群水體面積和分布范圍較小,而水體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值最高,所以黔中城市群高服務(wù)價值區(qū)域較少。研究區(qū)林地和草地分布廣,面積大,所以黔中城市群中等服務(wù)價值的區(qū)域最多。
圖3 黔中城市群生態(tài)環(huán)境敏感性等級分布
由圖3可知,黔中城市群生態(tài)環(huán)境敏感性等級較低的區(qū)域分布較廣,極度敏感區(qū)域主要分布在西北部,大部分位于畢節(jié)市。不敏感或輕度敏感區(qū)域主要集中在黔中城市群中部,這些區(qū)域生態(tài)服務(wù)重要性往往較強(qiáng)。將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性分布圖與生態(tài)環(huán)境敏感性分布圖進(jìn)行疊加,得到研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性與生態(tài)環(huán)境敏感性綜合分布(圖4),為研究區(qū)生態(tài)源地的選取提供依據(jù)。
圖4 黔中城市群生態(tài)服務(wù)重要性與生態(tài)敏感性等級分布
選擇生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性和敏感性等級為高度敏感和極度敏感的斑塊作為黔中城市群生態(tài)源地,共選擇9個生態(tài)源地(圖5)。這些生態(tài)源地主要位于黔中城市群西部,在畢節(jié)和安順分布面積較大,而在黔東南分布面積較小。
圖5 黔中城市群景觀生態(tài)安全格局
3.2.2阻力面的判別
物種在不同景觀或不同源地間擴(kuò)散時會遇到阻力,且在不同環(huán)境所遇到的阻力大小不同,擴(kuò)散消耗的成本也不同。由圖6可知,黔中城市群東南部大部分及西北部少部分區(qū)域土地利用阻力較小,東北和西北區(qū)域阻力較大。阻力值較大的區(qū)域主要分布在遵義、畢節(jié)和安順等石漠化較嚴(yán)重的區(qū)域。
圖6 黔中城市群阻力面分布
3.2.3緩沖區(qū)的確定
緩沖區(qū)可以保護(hù)生態(tài)源地中物種和生態(tài)環(huán)境不受人為破壞。參照文獻(xiàn)[21-22]和黔中城市群實(shí)際情況,在生態(tài)源地外圍建立A、B和C 3層緩沖區(qū),從生態(tài)源地到其外圈距離分別為2 000、4 000和6 000 m。
3.2.4生態(tài)廊道的構(gòu)建
生態(tài)廊道主要由植被、水體等生態(tài)性結(jié)構(gòu)要素構(gòu)成,具有保護(hù)生物多樣性、防止水土流失和調(diào)控洪水等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。生態(tài)廊道為生物遷徙提供的必要通道,對自然界物質(zhì)和能量流動具有重大意義。
生態(tài)廊道寬度因生物種類、周圍環(huán)境和地區(qū)面積等不同而存在差異,具體寬度通常視研究區(qū)實(shí)際情況而定。鳥類及獸綱動物為黔中城市群重點(diǎn)保護(hù)野生動物,為確保黔中城市群不同物種可以在各生態(tài)源地間自由遷移,綜合研究區(qū)主要保護(hù)物種獼猴、黑鸛、灰鶴、紅腹角雉和紅腹錦雞特性,將黔中城市群生態(tài)廊道寬度設(shè)定為100 m。該寬度能夠基本滿足動植物遷移、傳播和生物多樣性保護(hù)功能,并形成較穩(wěn)定生態(tài)群落[23]。
3.2.5生態(tài)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建
生態(tài)節(jié)點(diǎn)對生態(tài)源地之間的生態(tài)聯(lián)系具有關(guān)鍵作用,一般分布在生態(tài)廊道的最脆弱地區(qū)。生態(tài)節(jié)點(diǎn)通常是廊道的交點(diǎn),在維護(hù)局部地區(qū)生態(tài)平衡中,生態(tài)節(jié)點(diǎn)發(fā)揮了小斑塊作用。結(jié)合研究區(qū)景觀組分實(shí)際分布狀況,在黔中城市群生態(tài)廊道相交處提取28個生態(tài)節(jié)點(diǎn)(圖6)??梢酝ㄟ^在生態(tài)節(jié)點(diǎn)建設(shè)公園、綠地和人工林,為遷移的生物提供休憩場所。此外,還可以引入一些小型生物,維持地區(qū)生態(tài)平衡。
將識別出的黔中城市群各景觀生態(tài)安全格局要素進(jìn)行組合,即得到黔中城市群景觀生態(tài)安全格局(圖5)。A層內(nèi)為黔中城市群低水平安全格局,B層內(nèi)為黔中城市群中水平安全格局,C層內(nèi)為黔中城市群高水平安全格局。低水平安全格局為黔中城市群需要重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域,該區(qū)域應(yīng)該受到主管部門高度重視,禁止一切開發(fā)和建設(shè),盡可能限制人類活動對該區(qū)域的影響,從而保障該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能不受到破壞,保證其中的生物不受人類傷害。中水平安全格局內(nèi)應(yīng)減少人為活動,限制開發(fā),尤其是對敏感性高、脆弱性強(qiáng)的區(qū)域更應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)力度,對受到生態(tài)環(huán)境破壞的區(qū)域進(jìn)行生態(tài)修復(fù),從而提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性及功能完整性。高水平安全格局內(nèi)可以進(jìn)行合理開發(fā)和建設(shè),但必須控制其對生態(tài)環(huán)境的影響,保證區(qū)域基本生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能不受破壞。
所構(gòu)建的黔中城市群景觀生態(tài)安全格局低水平安全格局面積為30 354.95 km2,占黔中城市群總面積的56.42%;中水平安全格局面積為35 132.14 km2,占比為65.30%;高水平安全格局面積為39 780.76 km2,占比為73.94%。
(1)選取9個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性高且生態(tài)環(huán)境敏感性高的區(qū)域作為生態(tài)源地,其分布較為均勻。
(2)黔中城市群阻力面分析結(jié)果表明阻力水平中等的區(qū)域面積最大。
(3)黔中城市群生態(tài)源地緩沖區(qū)分為A、B和C 3層,分別為源地向外2 000、4 000和6 000 m的區(qū)域,各層次緩沖區(qū)應(yīng)區(qū)分進(jìn)行保護(hù)。
(4)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)生態(tài)廊道保護(hù),生態(tài)廊道為物種在棲息地之間遷移提供場所。
(5)共選取28個生態(tài)節(jié)點(diǎn),可通過在生態(tài)節(jié)點(diǎn)上建設(shè)綠地等增加生態(tài)流的循環(huán)。
長期以來,黔中城市群對生態(tài)用地的開發(fā)和利用并不合理,加之貴州省屬于喀斯特地貌,石漠化嚴(yán)重。因此,建議地方政府應(yīng)充分認(rèn)識生態(tài)用地功能和價值,加強(qiáng)生態(tài)用地保護(hù)力度,嚴(yán)懲違法占用生態(tài)用地行為,保障黔中城市群生態(tài)安全。同時要大力提高群眾保護(hù)生態(tài)用地的意識、積極性和主動性,構(gòu)建由政府主導(dǎo)、全民積極參與的生態(tài)用地保護(hù)模式。