宋利利 夏藝菲

1 河南科技學(xué)院園藝園林學(xué)院 河南新鄉(xiāng) 453003

2 河南省園藝植物資源利用與種質(zhì)創(chuàng)新工程研究中心 河南新鄉(xiāng) 453003

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn),大量的自然地表不斷被道路、高樓建筑等人工地表所取代,生態(tài)用地被大量擠占,生態(tài)斑塊連接度降低,城市呈現(xiàn)出“高度破碎化”的特征,城市生態(tài)功能和調(diào)控能力受到干擾,進(jìn)而影響城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[1-3]。綠地具有自然屬性和人工屬性,能在一定程度上緩解城市擴(kuò)張與生態(tài)用地縮減之間的矛盾,構(gòu)建合理的城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)可以引導(dǎo)城市與自然健康協(xié)調(diào)發(fā)展,因而成為維護(hù)城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的有效途徑[4]。

城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)將城市內(nèi)孤立、零散的綠地斑塊,通過(guò)生態(tài)廊道連接成為一個(gè)具有高度連接性且具有一定自我維持能力的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系,以此維護(hù)城市的生物多樣性以及景觀完整性[5-6]。目前,景觀生態(tài)學(xué)方法在綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的定量化研究中應(yīng)用較為廣泛[7],主要是通過(guò)識(shí)別生態(tài)源地、構(gòu)建景觀阻力面、模擬生態(tài)廊道來(lái)連接研究區(qū)的綠地斑塊?，F(xiàn)狀綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究多根據(jù)面積、生態(tài)類型和生態(tài)服務(wù)價(jià)值等斑塊自身的功能屬性選擇生態(tài)源地,忽略了斑塊的連通性特征,具有較強(qiáng)的主觀性[8]。近年來(lái),形態(tài)學(xué)空間格局分析法(Morphological Spatial Pattern Analysis,MSPA)應(yīng)用于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究中,MSPA法從像元層面得到精確的景觀要素和景觀結(jié)構(gòu),有利于識(shí)別景觀連通性指數(shù)較高的區(qū)域,使生態(tài)源地和生態(tài)廊道的選取更具有科學(xué)性[9]。

鄭州是河南省的省會(huì),國(guó)家十大中心城市之一,其快速的城市發(fā)展使生態(tài)景觀破碎化程度加劇[10],城區(qū)內(nèi)綠地分布不均勻,多采用“見(jiàn)縫插綠”的方式來(lái)增加綠地面積,但生態(tài)效益不能達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)[11]。本文以鄭州環(huán)城高速公路圍合區(qū)作為研究區(qū)域,采用MSPA法提取生態(tài)源地,基于GIS平臺(tái)構(gòu)建城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)并提出優(yōu)化建議,以期為鄭州市國(guó)土空間規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)概況

鄭州市地處河南省中北部、黃河下游,是國(guó)家重要的綜合交通樞紐。本文研究區(qū)域(34°38′-34°51′N,113°27′-113°50′E)為連霍高速公路、鄭州繞城高速公路和京港澳高速公路組成的鄭州環(huán)城高速公路圍合區(qū),包括中原區(qū)、金水區(qū)、二七區(qū)和管城區(qū),總面積約691.07 km2。該區(qū)域?qū)儆诒睖貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,四季分明,年平均氣溫15.6℃,年平均降水量542.15 mm。地勢(shì)西南高、東北低,較為平坦。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

鄭州市2019年7月谷歌衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)源于91衛(wèi)圖；鄭州市中心城區(qū)用地規(guī)劃圖(2010—2020年)等專題數(shù)據(jù)源于鄭州市自然資源和規(guī)劃局網(wǎng)站(http://zrzyhghj.zhengzhou.gov.cn/)。將遙感影像圖導(dǎo)入ArcGIS 10.0軟件中,并根據(jù)研究區(qū)范圍裁剪影像數(shù)據(jù),進(jìn)行目視解譯得到研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。依據(jù)《城市綠地分類標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ/T85-2017)及《城市用地分類及規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》(GB50137-2011)將研究區(qū)分為城市綠地、水域、農(nóng)田、其他建設(shè)用地、道路用地和其他用地(未利用土地和裸地)6類。為滿足研究數(shù)據(jù)的精度需要,最終獲得5 m×5 m的研究區(qū)柵格數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 基于MSPA方法的景觀要素提取

提取城市綠地作為前景,賦值為2；其余用地類型作為背景,賦值為1；缺失數(shù)據(jù)賦值為0。將研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)重新分類,并運(yùn)用GuidosToolbox軟件對(duì)其進(jìn)行空間格局分析,得到核心區(qū)、邊緣區(qū)、橋接區(qū)、支線、孔隙、環(huán)道、孤島7類景觀[12],其中,核心區(qū)對(duì)維護(hù)景觀連通性具有重要的生態(tài)意義[13]。

2.2.2 景觀連通性評(píng)價(jià)

本文采用能綜合考慮物種遷移和擴(kuò)散能力的可能連通性指數(shù)(Probability of Connectivity,PC)和斑塊重要性指數(shù)(delta values for Probability of Connectivity,dPC)對(duì)核心區(qū)斑塊連接關(guān)系進(jìn)行定量評(píng)價(jià)[14]:

式(1)和式(2)中:n為斑塊總數(shù)；ai和aj為斑塊i和斑塊j的面積；AL為研究區(qū)總面積；為斑塊i與斑塊j間所有路徑上的最大潛在擴(kuò)散概率[15]；PCremove為去除某斑塊后的景觀連通性數(shù)值；dPC隨PC變化,用來(lái)評(píng)價(jià)斑塊對(duì)景觀連通性的重要程度[16]。

本文依據(jù)前人研究經(jīng)驗(yàn),選取面積大于10 hm2的核心區(qū)斑塊作為數(shù)據(jù)源[17],運(yùn)用Conefor 2.6軟件,分別計(jì)算500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m、2 500 m和3 000 m共6個(gè)距離閾值下斑塊重要性指數(shù)dLCP[18]、dIIC[19]、dPC的數(shù)值,選取在6個(gè)距離閾值下dPC值均排在前10的斑塊進(jìn)行指數(shù)分析,分別為28、127、133、136和140號(hào)(根據(jù)斑塊面積大小進(jìn)行編號(hào),總共有155個(gè)斑塊),與圖1中的斑塊序號(hào)1～5分別對(duì)應(yīng),確定3個(gè)指數(shù)值變化趨勢(shì)最小的1 000 m作為研究區(qū)距離閾值,連通概率設(shè)置為0.5[20],進(jìn)行景觀連接性分析,選擇dPC≥1的斑塊作為研究區(qū)的生態(tài)源地。

圖1 核心區(qū)斑塊重要性指數(shù)隨距離閾值變化情況

2.2.3 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

本文通過(guò)參考已有研究[21-22]和專家打分,參照物種遷移難度和植被覆蓋率因素,結(jié)合MSPA分析結(jié)果確定不同景觀類型的阻力值,將作為生態(tài)源地的綠地阻力值賦值為1,其余綠地賦值為20,農(nóng)田、水域、其他用地、道路、其他建設(shè)用地分別賦值為100、200、600、800、1000,并基于ArcGIS平臺(tái)生成研究區(qū)景觀阻力面(圖2)。

圖2 研究區(qū)景觀阻力面

本文運(yùn)用最小費(fèi)用距離模型(Least-cost distance model),將已獲得的景觀阻力面和生態(tài)源地導(dǎo)入Linkage Mapper中,模擬創(chuàng)建最小成本路徑[23-24],構(gòu)建研究區(qū)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

2.2.4 基于電路理論的生態(tài)夾點(diǎn)識(shí)別和中心性分析

“夾點(diǎn)”與景觀生態(tài)學(xué)理論中的“踏腳石”類似[25]。本文運(yùn)用Linkage Mapper中的Pinchpoint Mapper模塊,選擇“All-to-one”模式進(jìn)行運(yùn)算。由于廊道寬度對(duì)夾點(diǎn)位置影響較小且對(duì)整體景觀連通性沒(méi)有影響[26],本文將廊道在成本加權(quán)距離下的“寬度”設(shè)為20000,提取電流密度較高的區(qū)域；然后再運(yùn)用Centrality Mapper計(jì)算每一個(gè)生態(tài)源地和最小成本路徑的電流量之和,生成中心性得分,根據(jù)分值大小確定生態(tài)源地和最小成本路徑在保持網(wǎng)絡(luò)體系連通性方面的重要程度[27-28]。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)源地提取

由MSPA分析結(jié)果(表1、圖3)可知:核心區(qū)面積為9 807.22 hm2,占研究區(qū)景觀總面積的14.19%,占前景面積的84.70%；大型核心區(qū)斑塊主要分布在東北部和西南部,西北部和東南部多為狹長(zhǎng)的帶狀斑塊,中部區(qū)域小面積核心區(qū)斑塊零散分布；從整體上看,核心區(qū)占研究區(qū)總面積比重小且破碎化程度較高。邊緣區(qū)是核心區(qū)與外部背景的過(guò)渡帶,面積為1 651.49 hm2,占前景面積的14.26%,說(shuō)明核心區(qū)斑塊具有良好的邊緣效應(yīng)。橋接區(qū)是連接核心區(qū)的帶狀用地,相當(dāng)于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的廊道,僅占前景面積的0.29%,表明斑塊間的連接性較差。

表1 前景類型統(tǒng)計(jì)

圖3 MSPA景觀分類

通過(guò)景觀連通性分析,提取景觀連接度較高的生態(tài)源地共37個(gè)(圖4、表2),總面積為3 348.33 hm2,主要為分布在東北部的鄭州龍湖公園、龍子湖公園、鄭州國(guó)家森林公園、西運(yùn)河足球公園等依河濱建設(shè)的公園綠地,以及西南部的鄭州樹木園、葡萄園、櫻桃園等區(qū)域綠地。其中,龍湖濕地公園和鄭州樹木園的dPC值較高于其他綠地斑塊,表明這兩地生態(tài)環(huán)境良好。中原區(qū)和管城區(qū)內(nèi)生態(tài)源地較少,且研究區(qū)中部生態(tài)源地缺失,景觀連通性較差,在一定程度上削弱了區(qū)域綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和完整性。

表2 生態(tài)源地景觀連通性指數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖4 研究區(qū)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)

3.2 綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

運(yùn)用最小費(fèi)用距離模型構(gòu)建綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò),模擬得到研究區(qū)生態(tài)廊道共58條,結(jié)果如圖4所示。廊道總長(zhǎng)度為165.29 km,最長(zhǎng)為22.98 km,位于31號(hào)南水北調(diào)生態(tài)公園與17號(hào)蝶湖公園之間。研究區(qū)生態(tài)廊道景觀組成多為南水北調(diào)河、東風(fēng)渠、金水河、七里河等濱河帶狀綠地,能夠?yàn)榫坝^生態(tài)流的傳輸提供良好的環(huán)境條件；道路綠地、城市公園和防護(hù)綠地占比較少；水域更少；農(nóng)田用地最少。廊道在西南和東北部較為密集,但部分廊道較為曲折,不利于物質(zhì)和能量流通,西北、中部和東南地區(qū)廊道較長(zhǎng)易發(fā)生斷裂。

依據(jù)中心性分析判斷生態(tài)源地和廊道的重要性,利用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法將中心性得分分為4級(jí)(圖5):19、14、1、2、12、8號(hào)生態(tài)源地的中心性得分較高,且分值依次上升,對(duì)整體生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通性貢獻(xiàn)度較大,分別為鄭州市西流湖公園、西運(yùn)河足球公園、鄭州國(guó)家森林公園及鄭州龍湖公園、鄭州樹木園、南水北調(diào)河旁綠地、賈魯河公園,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這些生態(tài)源地的保護(hù)。19和8、8和12、12和31、1和14號(hào)生態(tài)源地間的廊道中心性分值較高,并且和生境良好的生態(tài)源地相連接,是生物進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的重要通道,其景觀構(gòu)成為南水北調(diào)河濱河綠地和龍子湖,應(yīng)對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)。研究區(qū)東西和南北的連接主要依靠18號(hào)東風(fēng)渠濱河公園和19號(hào)源地、36號(hào)鄭州之林和12號(hào)源地、20號(hào)金沙湖高爾夫官邸和29號(hào)熊耳河濱河綠地之間的廊道,3條生態(tài)廊道均過(guò)長(zhǎng)且無(wú)可供生物停歇的棲息地斑塊,可增設(shè)生態(tài)源地,完善研究區(qū)整體綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖5 中心性分析示意

3.3 研究區(qū)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

3.3.1 新增生態(tài)源地

本研究基于MSPA和景觀連通性分析結(jié)果,選擇面積大于10 hm2且0.1＜dPC＜1的核心區(qū)綠地斑塊作為新添加的生態(tài)源地(圖6)。研究區(qū)中部處于城市建設(shè)的中心地帶,綠地斑塊數(shù)量少且連通性較差,本文提取出1個(gè)綠地斑塊(1號(hào)鄭州市人民公園)作為中部區(qū)域的生態(tài)源地,補(bǔ)充生態(tài)空白區(qū)。北部、東部和南部的4條生態(tài)廊道是研究區(qū)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,為增強(qiáng)廊道的生態(tài)效益,保護(hù)區(qū)域景觀的連通性,增加5個(gè)生態(tài)源地,分別為2號(hào)綠谷公園、3號(hào)鄭州市世紀(jì)公園、4號(hào)濱河公園和尚崗楊遺址公園、5號(hào)七里河河濱市政公園、6號(hào)南水北調(diào)河旁綠地。為提高研究區(qū)東部和西部網(wǎng)絡(luò)的南北連通性,增加3個(gè)生態(tài)源地,以優(yōu)化研究區(qū)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。將9個(gè)補(bǔ)充生態(tài)源地與原有生態(tài)源地利用LCP模型進(jìn)行運(yùn)算,得到新增規(guī)劃廊道20條。

圖6 綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃示意

3.3.2 建設(shè)腳踏石

腳踏石能夠提高生物在遷徙過(guò)程中的存活率[18],對(duì)提高城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通性和完整性具有重要的生態(tài)意義。本文共選出19個(gè)踏腳石(圖7),其中12個(gè)分布于研究區(qū)河流(南水北調(diào)河、七里河為主)和水庫(kù)(尖崗水庫(kù))附近,且周圍已建有綠地,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)水域和綠地的生態(tài)保護(hù),完善綠地植物群落組成和結(jié)構(gòu),提高綠地生境質(zhì)量；7個(gè)位于城市道路附近,可完善道路綠地建設(shè)或增設(shè)街頭綠地,增加區(qū)域內(nèi)綠色活動(dòng)空間,提高城市生態(tài)服務(wù)功能。

圖7 腳踏石識(shí)別

3.3.3 修復(fù)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)斷裂點(diǎn)

道路分割綠地斑塊,造成綠地景觀破碎化,影響生態(tài)斑塊間的連接性、空間的連續(xù)性和區(qū)域間的物質(zhì)能量交流[27],進(jìn)而影響景觀生態(tài)功能。道路與潛在生態(tài)廊道的交匯處易發(fā)生斷裂,形成廊道斷裂點(diǎn),本文將完善后的研究區(qū)生態(tài)廊道數(shù)據(jù)和道路矢量數(shù)據(jù)疊加,生成斷裂點(diǎn)共60個(gè),其中,與國(guó)道的交叉點(diǎn)共17個(gè),與鐵路的交叉點(diǎn)共37個(gè),與高速公路的交叉點(diǎn)共6個(gè)(圖8)。在城市后期規(guī)劃建設(shè)中,可通過(guò)修建地下通行道、天橋、林蔭道等措施修復(fù)生態(tài)斷裂點(diǎn),促進(jìn)綠地生態(tài)系統(tǒng)的自我完善。

圖8 生態(tài)斷裂點(diǎn)分布

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

生態(tài)源地主要為分布在金水區(qū)北部依河濱建設(shè)的公園綠地和二七區(qū)南部以自然資源為主的區(qū)域綠地,中原區(qū)和管城區(qū)內(nèi)生態(tài)源地較少,城市中部存在大面積的生態(tài)源地空白區(qū),對(duì)生物和生態(tài)過(guò)程的擴(kuò)散形成較大阻力。城市內(nèi)水系較為豐富,且河濱建設(shè)綠化帶有利于網(wǎng)絡(luò)連通,是組成研究區(qū)生態(tài)廊道的主要景觀類型,南水北調(diào)河是研究區(qū)內(nèi)重要的結(jié)構(gòu)性廊道,連接研究區(qū)東部和西部的生態(tài)源地。

總體來(lái)說(shuō),研究區(qū)東北和西南部的景觀連接性較好,西北和東南方向的連接性較差。中部廊道過(guò)長(zhǎng),易發(fā)生斷裂,受城市建設(shè)影響,部分生態(tài)源地之間難以構(gòu)建生態(tài)廊道。通過(guò)新增生態(tài)源地、增設(shè)腳踏石斑塊、修復(fù)生態(tài)斷裂點(diǎn)等措施優(yōu)化綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使生態(tài)源地和潛在生態(tài)廊道基本覆蓋整個(gè)研究區(qū)域,有利于城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的發(fā)揮,促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展,為城市居民提供生態(tài)良好、宜居宜業(yè)的生活環(huán)境。

4.2 討論

城市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)處于自然生態(tài)與城市建設(shè)的交叉地帶,服務(wù)于城市生物和人類,有利于維護(hù)城市生物多樣性、優(yōu)化城市生態(tài)景觀格局、為人類提供舒適的游憩環(huán)境[29]?；贛SPA和最小費(fèi)用距離模型識(shí)別和優(yōu)化綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò),可為鄭州市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別和優(yōu)化提供方法參考,但仍具有不足。首先,MSPA方法對(duì)景觀的研究尺度比較敏感,不同的研究尺度可能會(huì)導(dǎo)致MSPA的分析結(jié)果不同,本研究考慮到研究區(qū)綠地生態(tài)斑塊的特點(diǎn),選擇了5 m×5 m的柵格分辨率,在實(shí)際應(yīng)用中,還需要根據(jù)研究區(qū)域的特點(diǎn),對(duì)MSPA的尺度選擇做進(jìn)一步的研究和探討。其次,在距離閾值的設(shè)定上,確定特定物種或目標(biāo)物種后以擴(kuò)散距離來(lái)設(shè)定距離閾值更具有針對(duì)性[30],但反映區(qū)域景觀連接度水平的適宜距離閾值有助于尋找景觀連接的薄弱環(huán)節(jié),識(shí)別重要小型斑塊[31],本研究沒(méi)有根據(jù)研究區(qū)內(nèi)的特定目標(biāo)物種來(lái)進(jìn)行設(shè)定,而是根據(jù)斑塊重要性指數(shù)篩選出研究區(qū)景觀連通性分析的最佳距離閾值,但適宜距離閾值與生態(tài)過(guò)程、景觀格局相互作用機(jī)制并不明確,還有待探討。另外,研究區(qū)綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中景觀阻力值的設(shè)定目前還沒(méi)有形成公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn),本研究在參考相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)土地利用/覆被類型確定阻力值,景觀阻力賦值相對(duì)簡(jiǎn)單,如何進(jìn)行科學(xué)合理的景觀阻力賦值還有待研究。