張青萍+楊柳
摘要:以貴州省貴陽市為研究對(duì)象,從結(jié)構(gòu)連通性、綠當(dāng)量強(qiáng)度、功能連通性三方面入手,采用綠當(dāng)量計(jì)算阻力系數(shù),并利用阻力因子的分級(jí)對(duì)MCR模型進(jìn)行修正,模擬生態(tài)景觀連通性優(yōu)化廊道,對(duì)景觀格局進(jìn)行優(yōu)化研究。結(jié)果顯示,2001—2013年,研究區(qū)景觀破碎度、人類干擾程度大幅增大,生物多樣性有所提高,景觀連通性、團(tuán)聚性減弱,結(jié)構(gòu)連通性總體呈下降趨勢(shì),威脅區(qū)域景觀生態(tài)功能的流通;中心城區(qū)綠當(dāng)量強(qiáng)度明顯下降,3縣1市地區(qū)的綠當(dāng)量強(qiáng)度增加;阻力值分布呈4個(gè)阻力高值區(qū),阻礙了生態(tài)流的流通,可構(gòu)建2條優(yōu)化主廊道及2條優(yōu)化次廊道作為物種遷移和生態(tài)流空間擴(kuò)散的通道。
關(guān)鍵詞:景觀;連通性;最小阻力模型;生態(tài);綠當(dāng)量;系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值;西南山區(qū);貴陽
中圖分類號(hào): F301.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào):1002-1302(2016)06-0438-04
收稿日期:2015-12-21
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào):41401400);貴州大學(xué)文科重大科研項(xiàng)目(編號(hào):GDZT201305號(hào));貴州省科學(xué)技術(shù)基金(編號(hào):黔科合J字[2012]2170號(hào));貴州大學(xué)引進(jìn)人才科研基金[編號(hào):貴大人基合字(2010)006號(hào)];貴州省教育廳高等學(xué)校人文社會(huì)科學(xué)研究基地項(xiàng)目。
作者簡(jiǎn)介:張青萍(1990—),女,碩士研究生,主要從事土地資源利用與保護(hù)研究。E-mail:651418954@qq.com。
通信作者:楊柳,博士,副教授,主要從事土地利用研究與數(shù)據(jù)挖掘研究。E-mail:yang_whu.edu@163.com。西南山區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)比較落后的地區(qū),也是我國(guó)生態(tài)環(huán)境十分脆弱的地區(qū)。西南山區(qū)擁有大面積的喀斯特碳酸鹽地貌,是典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)域,加之城市化進(jìn)程中人為干擾城市景觀格局,西南山區(qū)城市生態(tài)環(huán)境敏感度及破碎程度不斷提高,嚴(yán)重威脅城市的生態(tài)建設(shè)。
景觀連通性是指景觀促進(jìn)或阻礙生態(tài)流在景觀格局間運(yùn)動(dòng)的程度[1],實(shí)際上是反映生態(tài)流、物質(zhì)能量流在景觀中擴(kuò)散和流動(dòng)的能力,包括結(jié)構(gòu)連通性(structural connectivity)和功能連通性(functional connectivity)。早期的景觀連通性研究側(cè)重于對(duì)景觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,而景觀功能連通性的研究幾乎沒有涉及,隨著對(duì)景觀連通性研究的深入,許多學(xué)者利用多種模型對(duì)功能連通性進(jìn)行相關(guān)研究。目前,基于模型的景觀連通性研究均是利用生境斑塊分布和物種運(yùn)動(dòng)等信息,在景觀尺度上模擬出景觀連通性,如擴(kuò)散成功(dispersal success)、搜索時(shí)間(search time)、離散隨機(jī)軌道(discrete random walks)和細(xì)胞遷入(cell migration)等模型[2],但是,這些模型對(duì)運(yùn)算和數(shù)據(jù)的要求非??量?,操作復(fù)雜,不適用于宏觀尺度的區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整、生態(tài)保護(hù)區(qū)規(guī)劃等景觀連通性研究[3]。近年來,一些學(xué)者采用最小累積阻力模型(minimum cumulative resistance,MCR)模擬區(qū)域景觀中的連通性[4-5],具有數(shù)據(jù)要求簡(jiǎn)單、運(yùn)算快捷、模擬結(jié)果直觀形象等優(yōu)點(diǎn),是目前景觀大尺度水平上評(píng)價(jià)景觀連通性較好的工具之一。本研究利用綠當(dāng)量及源的分級(jí),對(duì)MCR模型進(jìn)行修正,從景觀結(jié)構(gòu)連通性、景觀綠當(dāng)量強(qiáng)度、景觀功能連通性三方面對(duì)研究區(qū)景觀的連通性進(jìn)行模擬,以期對(duì)研究區(qū)生態(tài)格局進(jìn)行優(yōu)化。
1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源
1.1研究區(qū)概況
貴陽市作為貴州省的省會(huì)城市,是貴州經(jīng)濟(jì)、文化和交通中心,位于貴州省中部,106°07′~107°17′ E、26°11′~26°55′ N。貴陽市呈西南高、東北低的地勢(shì),屬于典型的西南喀斯特山地,境內(nèi)分布有大量的山地及丘陵,90%左右為山地、丘陵、峽谷等,區(qū)域地貌破碎;最高峰海拔1 659 m,最低處海拔 880 m,平均海拔1 100 m左右,海拔相對(duì)高差大。貴陽市受典型西南山區(qū)地貌的影響,生態(tài)環(huán)境脆弱,景觀連通性比較弱。
1.2數(shù)據(jù)來源
利用2013年6月的Landsat遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站http://www.gscloud.cn,分辨率為30 m×30 m),結(jié)合貴陽市西南山區(qū)現(xiàn)狀、研究需要及土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)影像進(jìn)行分類,解譯得到耕地、林地、建設(shè)用地、水體和草地5個(gè)地類,并形成土地利用分類圖作為研究底圖(圖1)。
2基于MCR模型的景觀連通性計(jì)算
2.1最小累計(jì)阻力模型概述及其應(yīng)用于景觀連通性的原理
MCR模型是指模擬生態(tài)流從“源”經(jīng)過具有不同生態(tài)服務(wù)功能的景觀過程中所需要克服阻力的模型,最早由Knaapen等[6]提出,其關(guān)鍵因素為源、景觀阻力系數(shù)及運(yùn)動(dòng)距離[7],其一般表達(dá)式[8]為:
MCR=∫min∑(Dij×Rj)。
式中:MCR為最小累積阻力值;Dij表示物質(zhì)流從源到景觀柵格單元的運(yùn)動(dòng)距離;Rj表示景觀單元i對(duì)物質(zhì)流運(yùn)動(dòng)的阻力系數(shù);f表示最小累積阻力與距離、景觀阻力因子呈正相關(guān);i表示景觀單元的個(gè)數(shù),j表示阻力面柵格個(gè)數(shù)。MCR模型最早被應(yīng)用于生物遷移研究,生物體對(duì)景觀結(jié)構(gòu)的感知和反應(yīng)會(huì)改變其運(yùn)動(dòng)方向及快慢程度,這種感知和反應(yīng)即為旅行費(fèi)用(travel cost),用于描述景觀阻礙或促進(jìn)物質(zhì)流在生境斑塊間的運(yùn)動(dòng)過程,與景觀功能連通性原理非常相似[9],可把景觀功能連通性換算為物質(zhì)流在景觀中擴(kuò)散所需的阻力。因此,近年來,MCR模型因其簡(jiǎn)便形象常被用于景觀連通性研究。
2.2源地識(shí)別
“源”是物質(zhì)流擴(kuò)散和維持的原點(diǎn),具有內(nèi)部同質(zhì)性和向四周擴(kuò)張或集聚的能力[10]。本試驗(yàn)以典型、具有代表性的生態(tài)用地,即具有良好生態(tài)服務(wù)價(jià)值的生態(tài)區(qū)域如自然保護(hù)區(qū)、森林公園、旅游景點(diǎn)、水源地、公園、文化保護(hù)區(qū)等作為源,對(duì)城市生態(tài)用地景觀的連通性變化進(jìn)行研究。
2.3阻力系數(shù)設(shè)定
阻力系數(shù)設(shè)定是MCR模型的關(guān)鍵,而目前相關(guān)研究忽略了生態(tài)流在景觀格局流動(dòng)過程中存在絕對(duì)的運(yùn)動(dòng)約束。建設(shè)用地具有地面硬質(zhì)化、土壤養(yǎng)分退化等特征而幾乎不可能再被重新作為植物生存的載體,這些建設(shè)用地區(qū)域構(gòu)成生態(tài)流流動(dòng)的剛性約束,生態(tài)流無法流通,只能跨越,與距離無關(guān),建設(shè)用地將對(duì)生態(tài)流流通的模擬結(jié)果產(chǎn)生重要影響。阻力系數(shù)設(shè)定分為生態(tài)流通剛性阻力及一般阻力系數(shù),本試驗(yàn)將研究區(qū)建設(shè)用地形成生態(tài)流通剛性阻力分布圖,地類要素形成生態(tài)流通一般阻力圖,最終形成生態(tài)流通綜合阻力圖,并對(duì)MCR模型進(jìn)行修正。
2.3.1生態(tài)流通剛性阻力設(shè)定根據(jù)研究目的及研究區(qū)地類分布情況,將建設(shè)用地確定為剛性阻力因子,對(duì)生態(tài)流流動(dòng)構(gòu)成剛性約束,阻力系數(shù)無窮大,實(shí)際過程中將其阻力值賦為999[11]。
2.3.2生態(tài)流通一般阻力系數(shù)設(shè)定從生態(tài)角度出發(fā)研究城市景觀連通性,生態(tài)流在景觀格局中運(yùn)動(dòng)的最大阻礙是地類。目前,一般阻力系數(shù)設(shè)定沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。綠當(dāng)量是度量生態(tài)系統(tǒng)健康及連續(xù)程度的一個(gè)重要指標(biāo),基于綠當(dāng)量對(duì)地類生態(tài)用地功能的精確表達(dá),本研究利用地類的平均綠當(dāng)量來設(shè)定生態(tài)流通的阻力系數(shù)。根據(jù)前人研究成果[12-17],并結(jié)合研究區(qū)的地理特征計(jì)算研究區(qū)生態(tài)服務(wù)總分值,測(cè)算研究區(qū)地類的平均綠當(dāng)量。研究區(qū)生態(tài)服務(wù)總分值計(jì)算公式為:
P=∑19i=1Ai。
式中:P為生態(tài)服務(wù)總分值;A為指標(biāo)評(píng)價(jià)分值;i為指標(biāo)個(gè)數(shù)。在全年滿種的前提下,設(shè)定林地綠當(dāng)量為1.00,則各地類平均綠當(dāng)量計(jì)算公式為:Li=Ai/A林。
式中:Li為各地類平均生態(tài)綠當(dāng)量;Ai為各地類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值;A林為林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值。
經(jīng)統(tǒng)計(jì),貴陽市自然林地、人工林地、園地生態(tài)服務(wù)總分平均值為154.24;相同面積及全年滿種情況下,水田、旱地等耕地生態(tài)服務(wù)總分平均值為120.56,草地生態(tài)服務(wù)總分值為121.84,水體生態(tài)服務(wù)總分值為142.56。由于我國(guó)各地區(qū)分屬不同氣候帶,氣候條件不同,作物熟制不同,需要對(duì)滿種前提下的生態(tài)綠當(dāng)量進(jìn)行修正,一般是將總分值乘以生長(zhǎng)期系數(shù)。貴陽市屬于西南亞熱帶地區(qū),且位于秦淮線-北回歸線之間,作物1年2熟,故生長(zhǎng)期系數(shù)取0.67[18]。經(jīng)修正,林地、草地(暫以熟制討論)、耕地、水體(暫以綠當(dāng)量計(jì)算)平均生態(tài)綠當(dāng)量分別為1.00、0.53、0.52、0.62,以每種生態(tài)功能要素平均綠當(dāng)量占總平均綠當(dāng)量比例的倒數(shù)作為阻力因子的阻力系數(shù),則貴陽市林地、草地、耕地、水體的阻力系數(shù)分別為27、50、53、44(表1)。
3結(jié)果與分析
3.1研究區(qū)景觀結(jié)構(gòu)連通性的演變
景觀結(jié)構(gòu)連通性可以通過連通性指數(shù)來衡量,包括破碎度、集聚度、蔓延度、分離度、連通度等景觀格局指數(shù)[19],通過景觀格局軟件Fragstats可計(jì)算得到。利用Fragstats軟件,從地類級(jí)別(class metrics)選取斑塊個(gè)數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI),從景觀級(jí)別(landscape metrics)選取斑塊凝聚度(COHESION)、分離度(SPLIT)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、聚合度(AI)、蔓延度(CONTAG)共8個(gè)指數(shù)對(duì)景觀結(jié)構(gòu)連通性進(jìn)行描述。由表2可見,2001—2013年,研究區(qū)斑塊個(gè)數(shù)及斑塊密度分別由145 382個(gè)、18.35 個(gè)/km2上升到262 659個(gè)、33.16 個(gè)/km2,這說明研究區(qū)景觀破碎度因建設(shè)用地的增加而大幅增大;最大斑塊指數(shù)由33.43%上升到64.48%,這說明研究區(qū)人類干擾程度不斷增大,人為規(guī)劃設(shè)計(jì)活動(dòng)對(duì)研究區(qū)景觀的干擾和影響痕跡明顯;斑塊凝聚度及蔓延度分別從99.78%、45.44%下降到99.46%、41.96%,這說明研究區(qū)景觀連通性呈下降趨勢(shì),生態(tài)用地斑塊功能和廊道功能均有一定程度減弱;香農(nóng)多樣性指數(shù)由 1.10 上升到1.19,這說明研究區(qū)林地、草地等生態(tài)用地面積大幅增加,生物多樣性也隨之升高;分離度增大而聚合度下降,這說明研究區(qū)景觀的團(tuán)聚性減弱。從2001—2013年,研究區(qū)景觀結(jié)構(gòu)的連通性總體呈下降趨勢(shì),人類干擾、不透水面的侵蝕覆蓋等都威脅區(qū)域景觀生態(tài)功能的流通。
3.2研究區(qū)景觀綠當(dāng)量強(qiáng)度的演變
設(shè)Xl為研究區(qū)實(shí)際林地綠當(dāng)量,x為研究區(qū)實(shí)際綠當(dāng)量,Si為i類用地面積,gi為綠當(dāng)量,i代表用地類型(i=1,2,3,4,…),根據(jù)最佳綠地覆蓋率計(jì)算得到城市林地面積為Sl,城市實(shí)際林地面積為Ss,得到模型為:Sl=MZ×Fh(式中:Fh為合理的綠地覆蓋率,MZ為城市總面積),對(duì)應(yīng)的綠當(dāng)量為X=1;城市實(shí)際林地綠當(dāng)量為:Xl=Si/Sl×100%;城市總綠當(dāng)量為:x=X1+∑3i=1Si×giSl×100%。合理綠地覆蓋率Fh計(jì)算參照倪琳等的方法[20],計(jì)算公式為:Fh=(MZ-Mj-Ms-Mg-Mn)/MZ,式中:Mj為區(qū)域建設(shè)用地面積,Ms為區(qū)域水體面積,Mg為區(qū)域耕地面積,Mn為難利用地。由表3可見,2001—2013年,貴陽市生態(tài)用地不斷增加,其生態(tài)綠當(dāng)量及林地綠當(dāng)量有所增加,而草地及耕地綠當(dāng)量呈下降趨勢(shì)。
在ArcGIS中,用每種景觀綠當(dāng)量值占區(qū)域總值的比例作為景觀服務(wù)功能強(qiáng)度,將2001年、2013年50 m×50 m柵格圖按綠當(dāng)量結(jié)果進(jìn)行重新分類,對(duì)綠當(dāng)量進(jìn)行空間化。由圖2可見,2001—2013年,南明區(qū)、云巖區(qū)、觀山湖區(qū)、白云區(qū)、烏當(dāng)區(qū)、花溪區(qū)等中心城區(qū)的綠當(dāng)量由于建設(shè)用地?cái)U(kuò)展,其強(qiáng)度呈明顯下降趨勢(shì),市中心城區(qū)呈現(xiàn)大面積的綠當(dāng)量低值區(qū),其景觀服務(wù)功能偏低;息烽縣、修文縣、開陽縣、清鎮(zhèn)市這處于城市邊緣的3縣1市,其綠當(dāng)量強(qiáng)度卻因生態(tài)用地面積的增加而增加。
3.3景觀功能連通性演變及優(yōu)化
3.3.1最小累計(jì)阻力值的計(jì)算將提取的生態(tài)源地矢量圖層和生態(tài)流通綜合阻力柵格圖層導(dǎo)入ArcGIS下的cost distance模塊,計(jì)算出研究區(qū)所有源地到每個(gè)柵格的最小累積阻力值,利用最小累積阻力模型模擬研究區(qū)生態(tài)用地景觀的連通性,阻力值大的柵格表示景觀連通性弱,反之則景觀連通性強(qiáng)。由圖3可見,2001年、2013年,阻力值分布呈明顯的4個(gè)阻力高值區(qū),且這4個(gè)區(qū)域阻力值集中分布;中心城區(qū)的高阻力區(qū)主要集中在市中心的南明區(qū)、花溪區(qū)沿線,3縣1市的高阻力區(qū)也集中分布在建設(shè)用地相對(duì)集中的城中心;整個(gè)研究區(qū)高阻力值基本沿建設(shè)用地分布而展開,建設(shè)用地密度越大,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越完善,地面基本被不透水面覆蓋,城市綠地所占比例越小,說明此區(qū)域景觀的連通性越弱,需要加強(qiáng)生態(tài)建設(shè);中心城區(qū)低阻力區(qū)主要分布在烏當(dāng)區(qū)及花溪區(qū)大部分地區(qū),是貴陽市城區(qū)水庫(kù)、濕地、公園、風(fēng)景旅游區(qū)等生態(tài)用地最為集中且面積最大的區(qū)域,形成了貴陽市城區(qū)的生態(tài)保護(hù)屏障,對(duì)貴陽市城區(qū)氣候、生態(tài)環(huán)境起調(diào)節(jié)與保護(hù)作用,3縣1市的低阻力區(qū)集中分布在郊區(qū)、農(nóng)村及風(fēng)景區(qū)等生態(tài)環(huán)境優(yōu)良的區(qū)域,這些區(qū)域景觀連通性強(qiáng),需要保持并進(jìn)一步加強(qiáng)保護(hù)。2001年到2013年,由于建設(shè)用地的不斷擴(kuò)展,生態(tài)用地被侵蝕,城市中心城區(qū)的阻力值明顯呈增加趨勢(shì),即景觀連通性強(qiáng)度下降。2002年,貴州省全面推行退耕還林政策,促使了3縣1市地區(qū)林地及草地面積的增加,其阻力值呈下降趨勢(shì),即景觀連通性強(qiáng)度增加。
3.3.2景觀連通性優(yōu)化閾值的設(shè)定利用2013年阻力值分布圖像元(阻力值)大小與柵格數(shù)目的關(guān)系,采用自然斷點(diǎn)法,取曲線拐點(diǎn)處(A點(diǎn))作為景觀連通性優(yōu)化閾值設(shè)定的分界點(diǎn)[21],則阻力值大于1 023 726的區(qū)域?yàn)樯鷳B(tài)阻力高值區(qū)(圖4)。
3.3.3連通性優(yōu)化生態(tài)廊道的構(gòu)建在ArcGIS中,利用景觀連通性優(yōu)化閾值對(duì)2013年阻力分布圖進(jìn)行重新分類,得到4個(gè)明顯的生態(tài)阻力高值區(qū),該區(qū)域景觀連通性較弱,利用生態(tài)廊道可對(duì)其景觀連通性進(jìn)行提升,將4個(gè)主要生態(tài)阻力高值區(qū)的中心進(jìn)行連接,構(gòu)建西—東北、南—北方向的2條優(yōu)化主廊道;為加強(qiáng)廊道建設(shè),可將4個(gè)主要生態(tài)高值區(qū)與其周圍的次要生態(tài)高值區(qū)中心連接起來,構(gòu)建東—西南、南—東北方向的2條優(yōu)化次廊道,作為物種遷移和生態(tài)流、物質(zhì)流空間擴(kuò)散的廊道(圖5)。在城市規(guī)劃和生態(tài)建設(shè)中,要特別注意這4條生態(tài)廊道的建設(shè),以提高研究區(qū)的綠當(dāng)量,形成研究區(qū)良好的生態(tài)系統(tǒng),并維持城市生態(tài)健康及生物多樣性。
4結(jié)論
以貴陽市為例,采用修正的MCR模型對(duì)研究區(qū)景觀連通性進(jìn)行模擬,并利用ArcGIS等可視化軟件對(duì)研究區(qū)的景觀連通性進(jìn)行研究,結(jié)果表明,2001—2013年,研究區(qū)景觀破碎及人類干擾程度不斷增大,人為規(guī)劃設(shè)計(jì)活動(dòng)對(duì)研究區(qū)景觀的干擾和影響痕跡明顯,生物多樣性有所提高,景觀連通性及景
觀的團(tuán)聚性減弱,研究區(qū)景觀結(jié)構(gòu)連通性總體呈下降趨勢(shì),不利于區(qū)域景觀生態(tài)功能的流通;貴陽市中心城區(qū)綠當(dāng)量由于建設(shè)用地的擴(kuò)展,其強(qiáng)度呈明顯下降趨勢(shì),處于城市邊緣的3縣1市其綠當(dāng)量強(qiáng)度卻因生態(tài)用地面積增加而增加;由于建設(shè)用地的不斷擴(kuò)展并侵蝕生態(tài)用地,城市中心城區(qū)的阻力值呈增加趨勢(shì),景觀連通性強(qiáng)度下降,3縣1市由于林地及草地面積的增加,其阻力值呈下降趨勢(shì),景觀連通性強(qiáng)度增加;高阻力區(qū)主要集中在市中心的南明區(qū)、花溪區(qū)沿線及3縣1市的城區(qū),高阻力值分布基本沿建設(shè)用地的分布而展開,形成4個(gè)明顯的阻力高值區(qū),該區(qū)域景觀連通性非常弱,需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)阻力高值區(qū)的分布情況,構(gòu)建了2條景觀連通性優(yōu)化主廊道與2條優(yōu)化次廊道,為生態(tài)流、物質(zhì)流的流通疏通了道路。
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