張遠(yuǎn)景, 俞濱洋

1 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 哈爾濱 150030 2 黑龍江省城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院, 哈爾濱 150040 3 住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部城鄉(xiāng)規(guī)劃司, 北京 100835

城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間評價及其格局優(yōu)化

張遠(yuǎn)景1,2,*, 俞濱洋3

1 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 哈爾濱 150030 2 黑龍江省城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院, 哈爾濱 150040 3 住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部城鄉(xiāng)規(guī)劃司, 北京 100835

合理的城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間格局對于保障城市生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。以哈爾濱中心城區(qū)為研究區(qū),基于景觀生態(tài)學(xué)“斑塊-廊道-基質(zhì)”理論,識別研究區(qū)生態(tài)源、生態(tài)廊道、生態(tài)節(jié)點和生態(tài)基質(zhì),分析生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接度強(qiáng)弱的空間分布情況,運(yùn)用GIS技術(shù)和CA-Marcov模型對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局進(jìn)行模擬優(yōu)化。研究結(jié)果表明：(1)研究區(qū)內(nèi)部生態(tài)源較外部生態(tài)源與外界聯(lián)系較密切；周邊地區(qū)生態(tài)源或生態(tài)節(jié)點與生態(tài)廊道連接數(shù)目較少；中北部與西南部生態(tài)廊道連接度較差,東部生態(tài)廊道連接度處于中等水平,中部個別生態(tài)廊道連接度較好；轉(zhuǎn)入的大型生態(tài)用地大片集中,轉(zhuǎn)入的小型生態(tài)用地零星分布。(2)優(yōu)化后的生態(tài)源地在東西方向與南北方向形成集中連片態(tài)勢,大型生態(tài)源地間彼此連接程度較高；大型生態(tài)源之間,以及大型生態(tài)源與小型生態(tài)源之間構(gòu)成大型生態(tài)廊道,是研究區(qū)內(nèi)主要生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)；研究區(qū)小型生態(tài)源之間構(gòu)成小型生態(tài)廊道,是研究區(qū)內(nèi)次要生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)；研究區(qū)周邊及研究區(qū)中心處60%的區(qū)域為生態(tài)節(jié)點盲區(qū),應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)節(jié)點盲區(qū)生態(tài)建設(shè)；新增加的大部分生態(tài)用地,主要集中分布在水域生態(tài)源地周邊,還有部分分布在綠地生態(tài)源地和風(fēng)景區(qū)生態(tài)源地周邊,其余少量新增加的生態(tài)用地零星分布在林地生態(tài)源地周邊。研究成果為中心城區(qū)尺度的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和城市規(guī)劃提供科學(xué)的依據(jù)。

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)；空間格局；格局評價；模擬優(yōu)化

城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間分析及其格局優(yōu)化,對改善城市生態(tài)景觀破碎化、解決城市發(fā)展與生態(tài)保護(hù)矛盾、增進(jìn)城市空間與生態(tài)網(wǎng)絡(luò)耦合關(guān)系具有重要意義。城市開發(fā)建設(shè)過程中,如何保護(hù)城市中自然生態(tài)環(huán)境的完整和連續(xù)、如何維護(hù)生態(tài)環(huán)境的健康、如何合理建設(shè)城市自然景觀和改善城市居住環(huán)境,是目前一個城市自然生態(tài)環(huán)境建設(shè)問題,許多專家學(xué)者呼吁以生態(tài)學(xué)為基礎(chǔ)改造城市[1]。一個城市的生態(tài)功能能否發(fā)揮其最大效能,取決于其是否具有完整的自然生態(tài)系統(tǒng),城市自然生態(tài)系統(tǒng)其內(nèi)部的物質(zhì)代謝、能量流動和信息傳遞關(guān)系,不是簡單的鏈,也不是單個的環(huán),而是一個環(huán)環(huán)相扣的網(wǎng),其中網(wǎng)結(jié)和網(wǎng)線各司其能、各得其所。城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間形態(tài)和網(wǎng)絡(luò)空間生態(tài)效應(yīng)是相互關(guān)聯(lián)的,兩者均可作為城市研究的一種新的思維模式[2]。分析城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間,并優(yōu)化其格局形態(tài),將促進(jìn)城市生態(tài)功能發(fā)揮最大效能,對指導(dǎo)城市總體規(guī)劃中生態(tài)用地布局、生態(tài)城市建設(shè)以及保障城市可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

國內(nèi)外關(guān)于城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間分析及其格局優(yōu)化的研究,主要集中在以下幾個方面：1)從生態(tài)網(wǎng)絡(luò)用地比例、布局、功能和管理四個方面建立城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)評價指標(biāo)體系,整體評價區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)程度,進(jìn)而提出宏觀的城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化對策[3]。2)運(yùn)用Fragstats3.3軟件計算各類景觀格局指數(shù)并分析景觀格局特征,依據(jù)圖形理論構(gòu)建由“生態(tài)節(jié)點—生態(tài)廊道”構(gòu)成的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)預(yù)案,通過對各個預(yù)案的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接度指數(shù)的計算,篩選出最優(yōu)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局作為優(yōu)化方案[4- 6]。3)探索生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接度,在城市景觀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成分析的基礎(chǔ)上,采用連接度指數(shù)、廊道密度和引入交通網(wǎng)絡(luò)指數(shù)等評價景觀生態(tài)連接度[7],基于累計耗費(fèi)距離模型優(yōu)化生態(tài)網(wǎng)絡(luò)[8-10]。當(dāng)前研究多集中在宏觀上對區(qū)域整體生態(tài)景觀連接度進(jìn)行綜合測算和評價,缺少基于空間位置的景觀連接度評價,未落實到具體的生態(tài)用地空間結(jié)構(gòu)中。城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間格局優(yōu)化的研究,對景觀格局優(yōu)化理論中“斑塊-廊道-基質(zhì)”規(guī)劃設(shè)計原理考慮不全面,未能綜合考慮大型斑塊與小型斑塊組合方式,廊道的密度、寬度及連通性,基質(zhì)的性質(zhì)以及生態(tài)邊緣效應(yīng)原理和生態(tài)網(wǎng)路原理[11- 12]。因此,本文的主要任務(wù)是對城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行空間上的分析與評價,同時,要綜合考慮構(gòu)成城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的“生態(tài)源-生態(tài)廊道-生態(tài)節(jié)點-生態(tài)基質(zhì)”各個組成要素的空間格局優(yōu)化。

本文以哈爾濱中心城區(qū)為研究區(qū),彌補(bǔ)以往學(xué)者多憑經(jīng)驗分析哈爾濱市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀、定性提出規(guī)劃對策的不足之處,采用定量和定性分析方法,基于景觀生態(tài)學(xué)“斑塊-廊道-基質(zhì)”理論,科學(xué)識別研究區(qū)生態(tài)源、生態(tài)廊道、生態(tài)節(jié)點和生態(tài)基質(zhì),構(gòu)建城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間,分析生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間連接度強(qiáng)弱分布情況,進(jìn)而找出優(yōu)化重點,對研究區(qū)生態(tài)源地-生態(tài)廊道-生態(tài)節(jié)點-生態(tài)基質(zhì)構(gòu)成的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量和空間格局進(jìn)行優(yōu)化,應(yīng)用GIS技術(shù)和CA-Marcov模型實現(xiàn)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)要素空間化和景觀生態(tài)格局空間上模擬優(yōu)化,構(gòu)建滿足近期與遠(yuǎn)期景觀生態(tài)規(guī)劃和生態(tài)建設(shè)要求的景觀生態(tài)格局,提高城市景觀生態(tài)系統(tǒng)的連接度,強(qiáng)化生態(tài)源地、生態(tài)廊道、生態(tài)基質(zhì)間的空間聯(lián)系,進(jìn)而維持景觀生態(tài)全局穩(wěn)定發(fā)展。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)來源與處理

1.1 研究區(qū)概況

哈爾濱市地處黑龍江省中南部,松花江兩岸,是中國省轄市中陸地管轄面積最大城市。哈爾濱市域地理位置125°42′—130°10′E, 44°04′—46°40′N之間。哈爾濱市中心城區(qū)總面積4187km2,鑒于數(shù)據(jù)采集情況,將本文研究區(qū)范圍確定為道里區(qū)、南崗區(qū)、香坊區(qū)、平房區(qū)、松北區(qū)的行政轄區(qū)以及道外區(qū)的阿什河以西區(qū)域和呼蘭區(qū)的呼蘭河以南區(qū)域,總面積1694km2(圖1)。哈爾濱市現(xiàn)有各類生態(tài)用地分布零散,尚未形成規(guī)模系統(tǒng),生態(tài)用地總量不足,且布局結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)體系不夠完善,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不高。在中心城區(qū)人口密度高,綠地面積少,各級公園綠地的分布和服務(wù)半徑普遍達(dá)不到規(guī)范要求,與居民生活密切相關(guān)的服務(wù)半徑約500m的小型公園綠地尤其缺乏。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

以《哈爾濱市城市總體規(guī)劃》(1995版和2011版)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為了便于數(shù)據(jù)分析與管理,基于ArcGIS平臺,運(yùn)用地理信息系統(tǒng)的格式轉(zhuǎn)換功能,將中心城區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖的CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成矢量數(shù)據(jù)。具體步驟為打開ArcGIS工具箱中的Conversion Tools,選擇To Geodatabase模塊下的Import from CAD(圖1),將研究區(qū)城市總體規(guī)劃CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ArcGIS矢量數(shù)據(jù),并以此建立研究區(qū)土地利用管理數(shù)據(jù)庫。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間識別與評價方法

2.1.1 研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間識別方法

(1)阻力面構(gòu)建

生態(tài)流是生態(tài)過程的載體,是生態(tài)功能穩(wěn)定的決定性因素,生態(tài)流的流暢程度直接反應(yīng)景觀格局是否合理、結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定,這種生態(tài)流的運(yùn)行,需要克服來自不同景觀要素的阻力來實現(xiàn),阻力面反映了生態(tài)流運(yùn)行的趨勢?？梢杂美鄯e耗費(fèi)距離模型分析及模擬生態(tài)流的運(yùn)行,是反應(yīng)不同土地利用類型對生態(tài)流影響的有效形式?；贏rcGIS平臺的空間分析代價距離模塊,計算每一個景觀單元通過代價表面到最近的生態(tài)源的最低累積耗費(fèi)距離,構(gòu)建累積耗費(fèi)距離模型,反映源地景觀的空間運(yùn)行態(tài)勢,表達(dá)各土地利用景觀類型的空間跨越特點。利用累積阻力耗費(fèi)模型來表達(dá)累積耗費(fèi)距離,主要考慮的因子為生態(tài)源、距離和地表阻力,公式為：

式中,Ci是第i個景觀單元到源單元的累積耗費(fèi)值；Di是第i個景觀單元到源單元的實地距離；Fj是空間上某一景觀單元j的阻力值；n是基本景觀單元總數(shù)。

(2)生態(tài)源識別

景觀生態(tài)學(xué)中,將以發(fā)揮自然生態(tài)功能為主,具有重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能或生態(tài)環(huán)境脆弱、生態(tài)敏感性較高的土地稱為“生態(tài)源”。本文將對城市景觀生態(tài)具有重要保護(hù)價值的綠地、風(fēng)景名勝區(qū)、水域和林地作為生態(tài)源；為了清楚顯示與區(qū)分各類生態(tài)源,將其轉(zhuǎn)化為生態(tài)源點表示。

(3)生態(tài)廊道的識別

基于“源-匯”景觀理論——“源”是對某種生態(tài)過程產(chǎn)生促進(jìn)作用的景觀類型,“匯”是對某種生態(tài)過程產(chǎn)生抑制作用的景觀類型,最小耗費(fèi)距離是指從“源”經(jīng)過不同阻力的景觀組所耗費(fèi)的費(fèi)用或克服阻力所做的功[1- 2]。本文綜合考慮研究區(qū)的土地利用景觀類型、數(shù)量及空間分布情況、土地利用景觀格局對土地利用生態(tài)環(huán)境變化產(chǎn)生的影響,同時參考相關(guān)研究文獻(xiàn)對累計耗費(fèi)距離的不同賦值方法,以及對不同土地利用景觀類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能具體指標(biāo)的研究數(shù)據(jù)[13],對研究區(qū)土地利用景觀類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行賦值(表2),根據(jù)賦值結(jié)果確定生態(tài)流運(yùn)行過程中的源與匯,基于ArcGIS平臺的空間分析代價距離模塊,計算每一個景觀單元通過代價表面到最近的生態(tài)源的最低累積耗費(fèi)距離,構(gòu)建累積耗費(fèi)距離模型,將相鄰兩“源”之間的阻力低谷確定為本文的生態(tài)廊道。

(4)生態(tài)節(jié)點識別

生態(tài)節(jié)點指生態(tài)空間中連接兩個相鄰生態(tài)源,并對景觀生態(tài)過程起到關(guān)鍵性作用的地段,一般是生態(tài)功能最薄弱處,對控制景觀生態(tài)流具有至關(guān)重要的意義[1- 2]。本文將阻力面圖上,以相鄰“源”為中心的等阻力線的相切點作為生態(tài)節(jié)點。

(5)生態(tài)基質(zhì)識別

生態(tài)基質(zhì)(本底)是在景觀要素中本底是占面積最大、連接度最強(qiáng)、對景觀控制作用也最強(qiáng)的景觀要素。本文將城市內(nèi)部生態(tài)斑塊周邊集中連片的其他各類用地類型作為生態(tài)基質(zhì)。

2.1.2 研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間評價方法

本文在充分考慮生態(tài)源、生態(tài)廊道與生態(tài)節(jié)點各自連接性的基礎(chǔ)上,全面分析了三者在空間上彼此聯(lián)系的程度,選取以下指標(biāo)分別進(jìn)行評價。

(1)生態(tài)源地形狀指數(shù)

是生態(tài)源地周長與面積之比。該指數(shù)主要反映現(xiàn)狀生態(tài)源地對城市景觀中物質(zhì)擴(kuò)散、能量流動和物質(zhì)轉(zhuǎn)移等生態(tài)過程的影響。指數(shù)越大,形狀越復(fù)雜,與外界聯(lián)系越密切,生態(tài)源地內(nèi)部生境越穩(wěn)定。

(2)生態(tài)源度數(shù)或生態(tài)節(jié)點度數(shù)(Di)

該指數(shù)用來度量每個生態(tài)節(jié)點或生態(tài)源所具有的連接線數(shù)量,即與之相連接的生態(tài)廊道的數(shù)量。在城市景觀空間連接度評價基礎(chǔ)模型中,任何生態(tài)節(jié)點的節(jié)點度數(shù)表示這個節(jié)點的易接近性和所具有的生態(tài)結(jié)構(gòu)連接特征。節(jié)點度數(shù)越大,表示該生態(tài)節(jié)點或生態(tài)源對外連接程度越高,在景觀生態(tài)空間結(jié)構(gòu)中往往成為重要的戰(zhàn)略點或生態(tài)源。

(3)生態(tài)廊道綜合指數(shù)

γ指數(shù)、? 指數(shù)與α指數(shù)[14]是計算生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)連接度常用方法,目前廣泛用于單個指標(biāo)計算區(qū)域整體生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接度,本文生態(tài)廊道綜合指數(shù)是指γ指數(shù)、? 指數(shù)與α指數(shù)之和,各指數(shù)的計算方法與含義如下表所示。主要揭示生態(tài)景觀空間結(jié)構(gòu)中生態(tài)節(jié)點或生態(tài)源與生態(tài)廊道連接數(shù)量的關(guān)系,反映生態(tài)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度與生態(tài)效能,數(shù)值越大,生態(tài)廊道的連接性越好。

表1 γ、?、α指數(shù)[14]的計算方法與指標(biāo)含義

其中,L為網(wǎng)絡(luò)中生態(tài)廊道數(shù)目,V表示網(wǎng)絡(luò)中生態(tài)節(jié)點與生態(tài)源總數(shù),Ln為實際環(huán)線數(shù)

(4)生態(tài)基質(zhì)空間變化情況

利用ArcGIS空間分析模塊功能,首先將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù),然后利用地圖代數(shù),在Spatial Analyst Tools→Map Algebra工具集中,分別提取出發(fā)生轉(zhuǎn)出用地類型空間分布情況和發(fā)生轉(zhuǎn)入用地類型空間分布情況,進(jìn)而分析生態(tài)用地空間變化情況。

2.2 研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間優(yōu)化方法

2.2.1 優(yōu)化目標(biāo)

城市景觀生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間優(yōu)化目標(biāo)是優(yōu)化景觀組分,調(diào)整生態(tài)源地、生態(tài)廊道、生態(tài)節(jié)點的數(shù)量以及其他各類景觀基質(zhì)的數(shù)量和空間分布格局,使城市內(nèi)部各組分之間達(dá)到和諧穩(wěn)定,提高或改善城市生態(tài)系統(tǒng)完整性、恢復(fù)力和穩(wěn)定性,實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

2.2.2 優(yōu)化方法

本文采用定量和定性分析方法,基于景觀生態(tài)學(xué)及景觀格局優(yōu)化理論中“斑塊-廊道-基質(zhì)”規(guī)劃設(shè)計原理,找出關(guān)鍵優(yōu)化的重點,對研究區(qū)內(nèi)部由生態(tài)源地、生態(tài)廊道、生態(tài)節(jié)點構(gòu)成的生態(tài)網(wǎng)絡(luò),以及由其他各類景觀組成的生態(tài)基質(zhì)的數(shù)量和空間格局進(jìn)行優(yōu)化。

(1)生態(tài)源優(yōu)化方法

1)生態(tài)源功能連接度優(yōu)化方法

在研究區(qū)生態(tài)景觀格局功能優(yōu)化系統(tǒng)中,提取研究區(qū)生態(tài)源斑塊,依據(jù)源斑塊面積大小,分為大型和小型兩類。大型的生態(tài)源斑塊如研究區(qū)內(nèi)面積在0.1km2以上的水域、風(fēng)景名勝區(qū)、林地和城市綠地等作為城市的“綠肺”,主要包括松花江、呼蘭河、阿什河、太陽島風(fēng)景名勝區(qū)、植物園等,不僅具有多種生態(tài)功能,同時增加城市景觀特色風(fēng)貌。其他小型的綠色斑塊如研究區(qū)內(nèi)面積在0.1km2以下的水域、林地和城市綠地等,則可以作為物種遷移和再定居的“踏腳石”,改善城市景觀的視覺效果,提高城市景觀的異質(zhì)性。

2)生態(tài)源結(jié)構(gòu)連接度優(yōu)化方法

當(dāng)模擬優(yōu)化后的生態(tài)源地仍有少量小型生態(tài)源地相對比較孤立,與研究區(qū)內(nèi)其他生態(tài)源地聯(lián)系不緊密時,則通過人為設(shè)定一定的緩沖區(qū),來彌補(bǔ)這一空缺。本文從維持生態(tài)景觀結(jié)構(gòu)連接度角度出發(fā),適當(dāng)?shù)奶岣咝⌒桶邏K的面積,使之與外界斑塊形成結(jié)構(gòu)上的聯(lián)系,分別做300、600、900 m 3種距離不等的緩沖區(qū)(圖9),以維持研究區(qū)生態(tài)源地結(jié)構(gòu)連續(xù)性為標(biāo)準(zhǔn),分析每種情況下城市生態(tài)斑塊間結(jié)構(gòu)連接度,為景觀單元與生態(tài)源斑塊距離標(biāo)準(zhǔn)的選取提供了依據(jù)。盡管在中心城區(qū)內(nèi)部設(shè)置緩沖區(qū)實際操作比較困難,但是,可以在城市規(guī)劃中確定嚴(yán)格的生態(tài)控制指標(biāo),提高緩沖區(qū)的生態(tài)功能。

(2)生態(tài)廊道優(yōu)化方法

1)生態(tài)廊道功能連接度優(yōu)化方法

景觀單元的類型組成、空間配置及其生態(tài)系統(tǒng)功能直接決定了斑塊間生態(tài)廊道的形成,因此,累計耗費(fèi)阻力面的構(gòu)建要整合景觀類型、景觀格局、生態(tài)功能價值等多種指標(biāo),在對景觀功能和生態(tài)功能流產(chǎn)生影響的景觀格局指數(shù)選取上,最終選取斑塊邊緣—面積比、平均鄰近指數(shù)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能值3個指標(biāo),除此之外,考慮現(xiàn)實用地因素,還選取了生態(tài)用地修復(fù)選址因子指標(biāo)共4個指標(biāo)作為生態(tài)廊道形成代價表面評價體系。本文對城市建設(shè)用地內(nèi)部不同用地類型根據(jù)其對生態(tài)環(huán)境起的價值程度賦予不同生態(tài)功能值,同時根據(jù)其用地性質(zhì)較易改變難易程度、機(jī)會成本和經(jīng)濟(jì)效益高低程度賦予不同生態(tài)用地修復(fù)選址因子值(表2),各指標(biāo)含義、數(shù)據(jù)獲取方法與權(quán)重見表3,結(jié)合嫡值法綜合評價多種因子影響下景觀生態(tài)廊道形成的代價表面,運(yùn)用最小耗費(fèi)距離模型進(jìn)行生態(tài)廊道功能連接度優(yōu)化。

表2 各類用地生態(tài)系統(tǒng)功能值和生態(tài)用地修復(fù)選址因子賦值結(jié)果

表3 生態(tài)廊道功能連接度優(yōu)化代價表面各指標(biāo)權(quán)重

2)生態(tài)廊道結(jié)構(gòu)連接度優(yōu)化方法

生態(tài)廊道為源地斑塊間的鏈接,是物種和能量流通的主要通道。本文通過累積耗費(fèi)距離模型來構(gòu)建阻力面,綜合考慮生態(tài)廊道代價表面反映的廊道構(gòu)建難易程度,并參考朱強(qiáng)[16]等人研究,確定200m范圍的廊道緩沖區(qū),以減輕交通要道以及其他建設(shè)用地對生態(tài)廊道的沖擊；同時,還能彌補(bǔ)大型生態(tài)源地和小型生態(tài)源地斑塊之間空缺,以增強(qiáng)生態(tài)廊道的穩(wěn)定性。

(3)生態(tài)節(jié)點優(yōu)化方法

生態(tài)節(jié)點盲區(qū)分析方法是采用創(chuàng)建地理空間網(wǎng)格方法,統(tǒng)計各個空間網(wǎng)格中生態(tài)節(jié)點的數(shù)量,發(fā)現(xiàn)未存在生態(tài)節(jié)點或生態(tài)節(jié)點數(shù)量稀少的地區(qū)確定為重點優(yōu)化區(qū)域或優(yōu)先優(yōu)化區(qū)域,即通過ArcGIS軟件平臺Create Fishnet工具,給研究區(qū)劃分若干個大小相等的網(wǎng)格區(qū)域,網(wǎng)格法的重要特點是能夠體現(xiàn)空間上的均衡性,經(jīng)統(tǒng)計分析,對于生態(tài)節(jié)點空缺區(qū)域,需要通過生態(tài)建設(shè)來彌補(bǔ)生態(tài)節(jié)點點位,根據(jù)生態(tài)節(jié)點空缺程度,即優(yōu)化的緊迫性,劃定近期生態(tài)節(jié)點優(yōu)化區(qū)域,中期生態(tài)節(jié)點優(yōu)化區(qū)域與遠(yuǎn)期生態(tài)節(jié)點優(yōu)化區(qū)域。

(4)生態(tài)基質(zhì)優(yōu)化方法

在ArcGIS和IDRISI平臺支持下,基于城市景觀生態(tài)變化空間格局,運(yùn)用CA-Markov模型模擬預(yù)測未來城市生態(tài)用地及生態(tài)基質(zhì)中其他各類用地變化情況,根據(jù)其發(fā)展趨勢劃定生態(tài)用地預(yù)留區(qū),為生態(tài)源地未來發(fā)展預(yù)留一定數(shù)量的土地,在生態(tài)用地預(yù)留區(qū)內(nèi)應(yīng)合理利用、規(guī)劃土地,為未來生態(tài)源地的擴(kuò)張做準(zhǔn)備。具體操作如下：

1)基于Markov模型對1995年和2014年兩期土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行疊加,得到1995—2014年研究區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移概率矩陣和轉(zhuǎn)移面積矩陣,其中轉(zhuǎn)移概率矩陣作為轉(zhuǎn)換規(guī)則參與模擬運(yùn)算；

2)建立轉(zhuǎn)換適宜性圖像集。為了能夠較好地保持1995—2014年的轉(zhuǎn)移趨勢,研究使用Markov模型輸出的條件概率圖像作為轉(zhuǎn)換適宜性圖像集。

3)確定CA濾波器及循環(huán)次數(shù)。CA濾波器用于創(chuàng)建相鄰元胞單元具有顯著空間意義的權(quán)重因子,使其作用于元胞而確定其狀態(tài)的改變,研究以CA標(biāo)準(zhǔn)5×5的濾波器,即認(rèn)為一個元胞周圍150 m×150 m的矩形空間對該元胞狀態(tài)影響顯著。由于預(yù)測基期土地利用圖為2014年,與模擬目標(biāo)2030年的土地利用圖時間間隔為16a,因此將CA循環(huán)次數(shù)設(shè)為16。

圖2 研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間Fig.2 The ecological network space of the study area

3 研究結(jié)果

3.1 研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間識別與評價結(jié)果

3.1.1 研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間識別結(jié)果

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間識別結(jié)果見圖2,生態(tài)源主要分為四類：即水域生態(tài)源、風(fēng)景區(qū)生態(tài)源、綠地生態(tài)源和林地生態(tài)源。生態(tài)源總面積為376.24 km2,占研究區(qū)總面積的22.21%。

生態(tài)廊道分為兩種類型,一類是顯性生態(tài)廊道,這類生態(tài)廊道在地表景觀中是可見的、容易識別的,由研究區(qū)內(nèi)河流水系及其灘涂、自然或人工帶狀林地、草地等生態(tài)用地,河流是研究區(qū)主要生態(tài)廊道；另一類是隱性生態(tài)廊道,這類生態(tài)廊道不易直接觀測到,是研究區(qū)內(nèi)地下或空中物質(zhì)能量交換的隱形網(wǎng)絡(luò),往往容易被忽視,其對生態(tài)流的運(yùn)行和城市生態(tài)環(huán)境的維護(hù)起到至關(guān)重要的作用。

生態(tài)節(jié)點共有19個,主要集中在松花江以南,生態(tài)節(jié)點一般是生態(tài)廊道的交匯處,對區(qū)域生態(tài)流的流動起著關(guān)鍵作用,應(yīng)加強(qiáng)研究區(qū)外圍區(qū)域生態(tài)節(jié)點建設(shè),注重與周圍景觀相結(jié)合,提高生態(tài)節(jié)點穩(wěn)定性。

生態(tài)基質(zhì)是圍繞在生態(tài)源地周邊的各種用地類型,以城市規(guī)劃現(xiàn)狀圖為基礎(chǔ),按城市用地功能分類為生產(chǎn)用地、生活用地、農(nóng)業(yè)用地和交通用地。

3.1.2 研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間評價結(jié)果

通過對生態(tài)源形狀指數(shù)、生態(tài)源與節(jié)點度數(shù)以及生態(tài)廊道綜合指數(shù)的計算與分析,可得知生態(tài)網(wǎng)絡(luò)各組成要素各自聯(lián)系程度及與其他要素之間聯(lián)系情況,從而找出生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間連接度較弱的地方重點建設(shè),對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間連接度較強(qiáng)的地方加強(qiáng)建設(shè)。

(1)生態(tài)源形狀指數(shù)分析

通過計算可知各生態(tài)源形狀指數(shù)大小及空間分布情況(圖3),綠地生態(tài)源中形狀指數(shù)數(shù)值較大的個數(shù)最多,說明這類生態(tài)源與外界聯(lián)系密切,連接度較好；風(fēng)景名勝區(qū)生態(tài)源的形狀指數(shù)數(shù)值較小,說明這類生態(tài)源與外界聯(lián)系缺乏,連接度較差；各類生態(tài)源中均存在與外界聯(lián)系較好的生態(tài)源和與外界聯(lián)系較差的生態(tài)源；整體來看,形狀指數(shù)較大的生態(tài)源地主要集中在研究區(qū)內(nèi)部,外圍生態(tài)源地形狀指數(shù)偏小,形狀指數(shù)偏低的生態(tài)源地數(shù)量大于形狀指數(shù)較高的生態(tài)源地數(shù)量。對于形狀指數(shù)較小的生態(tài)源,為提高其與外界連接度,應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)源之間生態(tài)廊道的建立以彌補(bǔ)其不足。

圖3 生態(tài)源形狀指數(shù)分析圖Fig.3 The shape index analysis diagram of ecological sources

(2)研究區(qū)生態(tài)源度數(shù)與生態(tài)節(jié)點度數(shù)分析

通過計算可知各生態(tài)源度數(shù)大小及空間分布情況(圖4),可以得出生態(tài)源中部分林地生態(tài)源與綠草地生態(tài)源度數(shù)較大,說明被生態(tài)廊道穿過數(shù)量較多,風(fēng)景名勝生態(tài)源度數(shù)相對偏低,被生態(tài)廊道穿過條數(shù)較少；整體來看,各類生態(tài)源中均存在沒有生態(tài)廊道連接的現(xiàn)象,研究區(qū)周邊生態(tài)源度數(shù)普遍偏低,原因在于研究區(qū)周邊生態(tài)源地數(shù)量較少,與之相聯(lián)系的生態(tài)廊道數(shù)目也相對較低。各類生態(tài)源的生態(tài)源度數(shù)越大,表示該生態(tài)源對外連接程度越高；一些生態(tài)源度數(shù)較小或為0的生態(tài)源在未來城市生態(tài)景觀格局規(guī)劃中應(yīng)注意加強(qiáng)生態(tài)廊道的鏈接。通過計算可知各生態(tài)節(jié)點度數(shù)大小及空間分布情況(圖5),分析可知生態(tài)節(jié)點中只有3個被生態(tài)廊道穿過數(shù)量較多,數(shù)值為4,其余生態(tài)節(jié)點度數(shù)仍有待于進(jìn)一步提高,研究區(qū)外圍生態(tài)節(jié)點數(shù)量較少且生態(tài)節(jié)點度數(shù)相對較低,原因在于研究區(qū)外圍生態(tài)廊道較稀疏,應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)節(jié)點的建設(shè),完善生態(tài)節(jié)點間生態(tài)廊道的連接,提高對外連接度。

圖4 生態(tài)源度數(shù)分析圖Fig.4 The degree analysis diagram of ecological sources

圖5 生態(tài)節(jié)點度數(shù)分析圖Fig.5 The degree analysis diagram of ecological nodes

(3)研究區(qū)生態(tài)廊道綜合指數(shù)分析

從研究區(qū)生態(tài)廊道綜合指數(shù)大小空間分布情況(圖6)來看,研究區(qū)生態(tài)空間結(jié)構(gòu)中北部與西南部生態(tài)廊道連接度較弱,東部生態(tài)廊道連接度處于中等水平,中部個別生態(tài)廊道連接度較好；對于生態(tài)廊道連接度較強(qiáng)地區(qū),應(yīng)繼續(xù)維持現(xiàn)有發(fā)展態(tài)勢,對于生態(tài)廊道連接度較弱地區(qū),應(yīng)針對以上對各指標(biāo)所反映的問題的分析,有針對性的制定城市景觀生態(tài)規(guī)劃相關(guān)控制指標(biāo),加強(qiáng)城市生態(tài)景觀空間連接度,最終提高城市生態(tài)景觀內(nèi)部整體生態(tài)效能。

(4)研究區(qū)生態(tài)基質(zhì)空間變化分析

圖6 研究區(qū)生態(tài)廊道綜合指數(shù)大小空間分布Fig.6 Composite index size spatial distribution of ecological corridors in the study area

從圖7與圖8生態(tài)基質(zhì)空間變化特征來看,生態(tài)基質(zhì)變化主要集中在中部及東南部地區(qū),大面積農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)用地,主要原因是1995—2014年哈爾濱市政府積極響應(yīng)國家“退耕還林”號召,南部大片耕地退耕還原為林業(yè)用地,使生態(tài)用地面積大幅增加；另外,隨著城市化進(jìn)程的加快,城市土地集約利用,城區(qū)內(nèi)部大量生產(chǎn)用地轉(zhuǎn)變?yōu)樯钣玫?生產(chǎn)用地逐漸向城市邊緣轉(zhuǎn)移,農(nóng)業(yè)用地與生產(chǎn)用地向生態(tài)用地和生活用地的轉(zhuǎn)變,改善了人民的居住環(huán)境與生活質(zhì)量,但轉(zhuǎn)入的大型生態(tài)用地大片集中,轉(zhuǎn)入的小型生態(tài)用地零星分布將不利于城市生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)與能量的流動,城市景觀生態(tài)用地格局有待于進(jìn)一步優(yōu)化。

圖7 1995—2014年土地利用轉(zhuǎn)出地類分布情況 Fig.7 The distribution of the reduce classes of land use from 1995 to 2014

3.2 研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局空間優(yōu)化結(jié)果

3.2.1 生態(tài)源

(1)生態(tài)源功能連接度優(yōu)化結(jié)果

如圖9所示,小型生態(tài)源斑塊可以為景觀帶來大型斑塊所不具備的一些好處,應(yīng)當(dāng)看作是大型綠色斑塊的有益補(bǔ)充,適當(dāng)?shù)脑龃笃浜诵陌邏K面積,提高景觀生態(tài)功能,但不能取而代之。研究區(qū)大型生態(tài)源地相對分散的分布在各個區(qū)域,小型生態(tài)源地較為均勻的分布在中部地區(qū),大中型生態(tài)源斑塊雖然數(shù)量少,但總面積卻比小型斑塊大,故應(yīng)以大型斑塊為主,小型斑塊為補(bǔ)充,相對均勻地分布于城市生態(tài)景觀用地系統(tǒng)中,最大程度地發(fā)揮其生態(tài)環(huán)境效益。這些源地對控制和促進(jìn)區(qū)域生態(tài)功能穩(wěn)定有重要作用,應(yīng)當(dāng)予以生態(tài)保護(hù),加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)。

(2)生態(tài)源結(jié)構(gòu)連接度優(yōu)化結(jié)果

通過圖10研究區(qū)生態(tài)源地緩沖區(qū)的演變可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)緩沖區(qū)達(dá)到300 m的距離時,生態(tài)源斑塊零星分布,不連續(xù),與其周邊生態(tài)斑塊關(guān)聯(lián)較少,生態(tài)源間的連接度不高,小型生態(tài)源斑塊間、小型生態(tài)源斑塊與大型生態(tài)源斑塊間的連接度有待于進(jìn)一步增強(qiáng)；當(dāng)緩沖區(qū)達(dá)到600 m的距離時,以生態(tài)源斑塊為基礎(chǔ)構(gòu)架,與其周邊生態(tài)斑塊相關(guān)聯(lián),生態(tài)源間的連接度較高,構(gòu)成了區(qū)域較為理想的城市生態(tài)景觀格局；當(dāng)緩沖區(qū)達(dá)到900 m的距離時,雖然生態(tài)源間彼此連接程度較高,沒有孤立的生態(tài)源斑塊情況,但生態(tài)源斑塊緩沖區(qū)彼此出現(xiàn)重疊情況,過分?jǐn)D占了其他用地空間,不符合城市土地集約利用的現(xiàn)實情況,因此不是理想的城市生態(tài)景觀格局。綜上所述,為彌補(bǔ)因距離原因造成的研究區(qū)生態(tài)源斑塊連接度較低,同時提高生態(tài)源斑塊的內(nèi)部穩(wěn)定性,在生態(tài)源斑塊周圍設(shè)置600 m生態(tài)緩沖區(qū),或生態(tài)預(yù)留區(qū)。

3.2.2 生態(tài)廊道

(1)生態(tài)廊道功能連接度優(yōu)化結(jié)果

由圖11可知,代價表面數(shù)值較低表示該地區(qū)適宜生態(tài)廊道經(jīng)過,代價表面數(shù)值較高表示該地區(qū)不適宜生態(tài)廊道經(jīng)過,為今后研究區(qū)生態(tài)廊道重構(gòu)的選址指明方向。由研究區(qū)代價表面,創(chuàng)建累計耗費(fèi)距離模型,對研究區(qū)生態(tài)廊道進(jìn)行優(yōu)化,由圖12優(yōu)化結(jié)果顯示,將研究區(qū)生態(tài)廊道分為兩種,一種為大型生態(tài)廊道,由研究區(qū)大型生態(tài)源之間,以及大型生態(tài)源與小型生態(tài)源之間構(gòu)成的生態(tài)廊道；該類生態(tài)廊道一般較長,構(gòu)成研究區(qū)內(nèi)主要生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò),在生態(tài)廊道建設(shè)規(guī)劃時應(yīng)對其進(jìn)行充分的保護(hù),嚴(yán)禁進(jìn)行城市開發(fā)建設(shè)。另一種為小型生態(tài)廊道,由研究區(qū)小型生態(tài)源之間構(gòu)成的生態(tài)廊道；該類生態(tài)廊道一般較短,構(gòu)成研究區(qū)內(nèi)次要生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò),是維持小型生態(tài)源間彼此聯(lián)系的重要紐帶,其作用不可忽視,在規(guī)劃時應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)建設(shè),防止小型生態(tài)廊道的消逝。從整個空間上來看,大型生態(tài)廊道構(gòu)成全區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間的主干線,基本覆蓋全區(qū),小型生態(tài)廊道均勻分布在大型生態(tài)廊道所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)間隙,是對整個生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的有效補(bǔ)充。

圖8 1995—2014年土地利用轉(zhuǎn)入地類分布情況Fig.8 The distribution of the increase classes of land use from 1995 to 2014

圖9 生態(tài)源功能連接度優(yōu)化結(jié)果Fig.9 Ecological source functional connectivity optimization results

圖10 生態(tài)源結(jié)構(gòu)連接度優(yōu)化結(jié)果Fig.10 Ecological source structure connectivity optimization results

(2)生態(tài)廊道結(jié)構(gòu)連接度優(yōu)化結(jié)果

如圖13所示,為生態(tài)廊道設(shè)置200 m緩沖距離,景觀生態(tài)格局優(yōu)化中生態(tài)廊道緩沖區(qū)的設(shè)置可以增強(qiáng)大型生態(tài)廊道的生態(tài)效應(yīng),穩(wěn)定小型生態(tài)廊道的長遠(yuǎn)發(fā)展,進(jìn)一步增強(qiáng)小型生態(tài)廊道的連接度；同時,以生態(tài)廊道代價表面作為緩沖區(qū)設(shè)定的限制條件,為生態(tài)廊道緩沖區(qū)的范圍設(shè)定提供科學(xué)的參考。

3.2.3 生態(tài)節(jié)點

根據(jù)研究區(qū)規(guī)模,按照50km2設(shè)置一個生態(tài)單元來檢驗生態(tài)節(jié)點覆蓋程度,結(jié)果顯示研究區(qū)約60%的區(qū)域為生態(tài)節(jié)點盲區(qū)(圖14),生態(tài)節(jié)點盲區(qū)主要集中在研究區(qū)周邊及研究區(qū)中心處。為提高研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)連接度,進(jìn)一步促進(jìn)區(qū)域內(nèi)物質(zhì)與能量流動,對于加強(qiáng)寸土寸金、土地利用方式難以大幅度改變的生態(tài)節(jié)點盲區(qū)的生態(tài)節(jié)點建設(shè)將有效解決這一問題。從建設(shè)方法角度,為克服用地緊張的局面,對生態(tài)節(jié)點盲區(qū)內(nèi)允許進(jìn)行整體面域化生態(tài)建設(shè)的局部區(qū)域應(yīng)配置以喬冠草植被或規(guī)模水面覆蓋的生態(tài)用地；對于舊小區(qū)、單位等不允許進(jìn)行面域化生態(tài)建設(shè)的局部地區(qū)可采取諸如屋頂綠化、立體綠化、拆遷透綠、局部水系連通等工程技術(shù),提高局地生態(tài)質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)連通程度。對于生態(tài)節(jié)點盲區(qū)的土地根據(jù)圖5對生態(tài)節(jié)點分級評價結(jié)果,對于生態(tài)節(jié)點非盲區(qū)的一級生態(tài)節(jié)點所在區(qū)域,若為大型生態(tài)源地所在地,規(guī)劃時保留其現(xiàn)狀屬性即可,對于非大型生態(tài)源地所在地的一級生態(tài)節(jié)點,規(guī)劃時可結(jié)合用地實際情況將其規(guī)劃為大型的城市公園綠地；對于二級生態(tài)節(jié)點和三級生態(tài)節(jié)點,在規(guī)劃時應(yīng)將其規(guī)劃為具有生態(tài)功能的用地,用地規(guī)模可適當(dāng)小于一級生態(tài)節(jié)點用地,除特殊情況外,嚴(yán)禁用于城市建設(shè)用地。從建設(shè)順序和規(guī)模角度,可按照關(guān)鍵節(jié)點分析及等級評價結(jié)果,對等級高的節(jié)點應(yīng)優(yōu)先建設(shè)、重點建設(shè),并保證低等級節(jié)點在后續(xù)建設(shè)中得以實施。

3.2.4 生態(tài)基質(zhì)

模擬預(yù)測得到2030年研究區(qū)景觀生態(tài)基質(zhì)格局如圖15所示,為了檢驗CA-Markov模型預(yù)測生態(tài)基質(zhì)中不同地類的合理性,研究運(yùn)用IDRISI軟件的Crosstab模塊對基于1995—2014年Markov轉(zhuǎn)移概率矩陣生成的2014年研究區(qū)土地利用預(yù)測值進(jìn)行Kappa系數(shù)的檢驗,Kappa系數(shù)常用來評價遙感的分類精度、圖件間相似程度,能夠從數(shù)量和空間角度上定量反映土地利用變化模擬過程中丟失的空間信息量。Kappa系數(shù)公式為：Kappa=(Po-Pc)/(Pp-Pc),式中Po為正確模擬的比例；Pc為隨機(jī)情況下期望的正確模擬比例；Pp為理想分類情況下的正確模擬比例(100%)；當(dāng)Kappa系數(shù)大于0.75時,圖件間一致性較高,變化相對較小,Kappa系數(shù)處于0.4和0.75之間時,一致性一般,變化較為明顯,Kappa系數(shù)小于0.4時,模擬效果差[17]。模型模擬本文研究區(qū)Kappa系數(shù)為 0.9209,說明預(yù)測結(jié)果可信。

根據(jù)模擬結(jié)果,2030年研究區(qū)生態(tài)基質(zhì)中生產(chǎn)用地、生活用地、農(nóng)業(yè)用地和交通用地面積分別為22.8182、376.4891、763.4732、47.5673 km2,與2014年生態(tài)基質(zhì)中各類用地面積相比,除農(nóng)業(yè)用地面積減少外,其它用地面積呈現(xiàn)不同程度的增加。其中,農(nóng)業(yè)用地減少153.2538 km2,生態(tài)用地增加74.8629 km2,生活用地增加56.0151 km2,可見在轉(zhuǎn)移趨勢不變的背景下,未來生態(tài)用地面積將不斷增長,生態(tài)建設(shè)不斷加強(qiáng)。如圖16和圖17所示,生產(chǎn)用地、生活用地和交通用地轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出情況并存,農(nóng)業(yè)用地只有轉(zhuǎn)出沒有轉(zhuǎn)入,各類生態(tài)基質(zhì)轉(zhuǎn)出面積情況為農(nóng)業(yè)用地>生產(chǎn)用地>生活用地>交通用地,各類用地轉(zhuǎn)入情況為生態(tài)用地>生活用地>交通用地>生產(chǎn)用地,生態(tài)用地面積由2014年的466.8104 km2增加到2030年的541.6733 km2,由圖18可以得出,新增加的大部分生態(tài)用地均由其周邊的農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)入,主要集中分布在水域生態(tài)源地周邊,還有小部分分布在綠地生態(tài)源地和風(fēng)景區(qū)生態(tài)源地周邊,其余極少量新增加的生態(tài)用地零星分布在林地生態(tài)源地周邊。還有部分生態(tài)用地周圍基質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樯钣玫?該類生活用地應(yīng)注意開發(fā)為對生態(tài)源地內(nèi)部環(huán)境破壞較小的用地類型,可適當(dāng)開發(fā)為公園、廣場等休閑游憩場所,生態(tài)源地周邊新增加的生態(tài)用地作為生態(tài)源地發(fā)展預(yù)留用地應(yīng)當(dāng)控制起來,逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)用地或生態(tài)用地緩沖區(qū),減少周邊非生態(tài)用地對生態(tài)源地內(nèi)部生境造成的影響與破壞。此外,中部局部地區(qū)小型生態(tài)源地周邊未新增生態(tài)用地,考慮到小型生態(tài)園地的長遠(yuǎn)發(fā)展以及全區(qū)生態(tài)源地的布局,小型生態(tài)源地的面積也應(yīng)采取其他人為方式適當(dāng)擴(kuò)展,本文已通過上文生態(tài)源地結(jié)構(gòu)連接度研究彌補(bǔ)了這一缺陷。

圖11 生態(tài)廊道功能連接度優(yōu)化代價表面模型Fig.11 Ecological corridor functional connectivity optimization cost surface model

圖12 生態(tài)廊道功能連接度優(yōu)化結(jié)果Fig.12 Ecological corridor functional connectivity optimization results

用地類型Landtype2014年各類用地面積/km2Kindsoflandtypein2014預(yù)測各地類轉(zhuǎn)出面積/km2Predictionoftransfer-inarea預(yù)測各地類轉(zhuǎn)入面積/km2Predictionoftransfer-offarea2030年各地類總面積/km2Kindsoflandtypein2030生產(chǎn)用地Productionland22．337．948．4222．82生活用地Livingland320．471．9157．93376．49生態(tài)用地Ecologicalland466．8112．2787．14541．67農(nóng)業(yè)用地Agriculturalland916．73153．250763．47交通用地Transportationland25．680．1422．0347．57

圖13 生態(tài)廊道結(jié)構(gòu)連接度優(yōu)化結(jié)果Fig.13 Ecological corridor structure connectivity optimization results

圖14 研究區(qū)生態(tài)節(jié)點盲區(qū)識別Fig.14 The blind identification of ecology node in the study area

圖15 研究區(qū)土地利用格局模擬Fig.15 Simulation of land use pattern of the study area

5 結(jié)論與討論

城市景觀生態(tài)格局的構(gòu)建對于改善城市生態(tài)環(huán)境具有重要意義。景觀格局既決定生態(tài)過程又影響和控制景觀功能的循環(huán)與發(fā)展,一定的景觀格局具有相應(yīng)的景觀功能,發(fā)揮相應(yīng)的生態(tài)作用。本文通過對哈爾濱市中心城區(qū)景觀格局的優(yōu)化,調(diào)整各景觀類型在空間和數(shù)量上的分布格局,使其產(chǎn)生最大的景觀生態(tài)效益,進(jìn)而實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

圖17 研究區(qū)土地利用格局模擬轉(zhuǎn)入地類Fig.17 Simulation increase class pattern of land use in the study area

圖18 研究區(qū)土地利用格局模擬增加生態(tài)源地Fig.18 Simulation increase ecological source pattern of land use in study area

4.1 結(jié)論

通過對生態(tài)源形狀指數(shù)、生態(tài)源與生態(tài)節(jié)點度數(shù)、生態(tài)廊道綜合指數(shù)以及生態(tài)基質(zhì)空間變化的計算與分析,可得結(jié)論如下：(1)綠地生態(tài)源與外界聯(lián)系密切,風(fēng)景名勝區(qū)生態(tài)源與外界聯(lián)系缺乏；研究區(qū)內(nèi)部生態(tài)源與外界聯(lián)系較密切,研究區(qū)外圍生態(tài)源與外界聯(lián)系缺乏；(2)部分林地生態(tài)源與草地生態(tài)源被生態(tài)廊道穿過數(shù)量較多,風(fēng)景名勝生態(tài)源被生態(tài)廊道穿過數(shù)量較少；各類生態(tài)源中均存在沒有生態(tài)廊道穿過的現(xiàn)象,研究區(qū)周邊地區(qū)穿過生態(tài)源或生態(tài)節(jié)點的生態(tài)廊道數(shù)目稀少；(3)研究區(qū)生態(tài)空間結(jié)構(gòu)中北部與西南部生態(tài)廊道連接度較差,東部生態(tài)廊道連接度處于中等水平,中部個別生態(tài)廊道連接度較好；(4)研究區(qū)各類生態(tài)基質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)變,其中轉(zhuǎn)入的大型生態(tài)用地大片集中,轉(zhuǎn)入的小型生態(tài)用地零星分布。

對生態(tài)源-生態(tài)廊道-生態(tài)節(jié)點-生態(tài)基質(zhì)空間格局進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)果如下：(1)模擬優(yōu)化后的生態(tài)源地在東西方向與南北方向大體形成集中連片之勢,大型生態(tài)源地間彼此連接程度較高,為彌補(bǔ)少量小型生態(tài)源地因距離原因造成的連接度較低問題,在生態(tài)源斑塊周圍設(shè)置600m生態(tài)緩沖區(qū),或生態(tài)預(yù)留區(qū)；(2)研究區(qū)大型生態(tài)源之間,以及大型生態(tài)源與小型生態(tài)源之間構(gòu)成大型生態(tài)廊道,是研究區(qū)內(nèi)主要生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)；研究區(qū)小型生態(tài)源之間構(gòu)成小型生態(tài)廊道,是研究區(qū)內(nèi)次要生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò),同時,根據(jù)研究區(qū)生態(tài)廊道優(yōu)化代價表面,為生態(tài)廊道設(shè)置200 m緩沖距離；(3)識別出研究區(qū)60%的區(qū)域為生態(tài)節(jié)點盲區(qū),主要集中在研究區(qū)周邊及研究區(qū)中心處,應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)節(jié)點盲區(qū)生態(tài)建設(shè)；(4)新增加的大部分生態(tài)用地均由其周邊的農(nóng)業(yè)用地基質(zhì)轉(zhuǎn)入,主要集中分布在水域生態(tài)源地周邊,還有部分分布在綠地生態(tài)源地和風(fēng)景區(qū)生態(tài)源地周邊,其余少量新增加的生態(tài)用地零星分布在林地生態(tài)源地周邊。

4.2 討論

景觀格局與生態(tài)過程的有機(jī)連接一直以來都是學(xué)者們研究的重點和難點問題,已有研究多集中于大尺度區(qū)域,鮮見以城市中心城區(qū)作為研究區(qū),基于景觀生態(tài)學(xué)理論,對城市內(nèi)部景觀生態(tài)格局進(jìn)行分析及優(yōu)化格局構(gòu)建。本文在對哈爾濱市中心城區(qū)景觀格局進(jìn)行客觀評價的基礎(chǔ)上,基于評價分析結(jié)果,構(gòu)建研究區(qū)景觀優(yōu)化格局,研究成果對于指導(dǎo)城市土地利用和促進(jìn)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義,但仍存在不足之處：首先,本文在生態(tài)用地選取時,由于中心城區(qū)農(nóng)業(yè)用地面積所占比重較小,故未將其列為生態(tài)用地,研究成果與實際情況可能存在微小差別；其次,景觀格局優(yōu)化模型的使用,需要加大對下墊面景觀元素指標(biāo)的底層數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化、篩選和量化,使優(yōu)化格局更加細(xì)化、合理。

在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上,下一步研究工作的重點為：本文以哈爾濱市中心城區(qū)為研究區(qū),景觀生態(tài)學(xué)中,研究尺度決定研究結(jié)果,不同尺度的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局構(gòu)建有所不同,因此,如何選擇不同的研究尺度對于研究不同的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局問題至關(guān)重要;本研究選取生態(tài)源形狀指數(shù)、生態(tài)源與生態(tài)節(jié)點度數(shù)、生態(tài)廊道綜合指數(shù)等來反映城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間連接度,研究成果對提高研究區(qū)內(nèi)部整體生態(tài)效能具有重要意義,但影響城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間連通度的因素眾多,例如管理方面的因素,如何選取更全面的指數(shù)來反映城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間連通度尤為重要;城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間優(yōu)化后對城市整體生態(tài)效能改善情況是未來研究方向；本文應(yīng)用CA-Marcov模型實現(xiàn)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)要素空間化和生態(tài)用地格局空間上模擬,僅選用兩個時間節(jié)點數(shù)據(jù)參與模擬運(yùn)算,選取多個時間節(jié)點參與格局空間模擬試驗來提高模擬精確度。

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Analysis of urban ecological network space and optimization of ecological network pattern

ZHANG Yuanjing1,2,*, YU Binyang3

1SchoolofResourcesandEnvironment,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China2HeiLongjiangUrbanPlanningSurveyingDesignandResearchInstituteHarbin150040,China3DepartmentofUrbanandRuralPlanningoftheMinistryofHousingandUrban-RuralDevelopmentofthePeople′sRepublicofChina,Beijing100835,China

An optimized urban ecological network space pattern boasts of great significance for the sustainable development of urban ecological environment. The present work selected the center of Harbin city as the research area and adopted the “patch-corridor-matrix” theory to identify the ecological source, ecological corridor, ecological node, and ecological matrix in the research area and analyze the spatial distribution as well as the strength and weakness of the ecological network connectivity. Additionally, the GIS technique and CA-Marcov model were applied to a simulation and optimization of the ecological network pattern. The research results indicated that (1) the ecological source in the research area, compared with an external counterpart, maintained a closer contact with the outside world; only a small number of ecological sources or ecological nodes in the surrounding area were connected with the ecological corridors. The connectivity of ecological corridors mid-north and southwest of the study area was poor, that in the east remained at a medium level, and connectivity of ecological corridors. in the middle was good. The distribution of transferred-in large ecological land in the study area was concentrated while the distribution of transferred-in small ecological land in the counterpart was sporadic. (2) An optimized ecological source displayed a trend of concentrated distribution in the west-east direction and the north-south direction, and the connectivity between large ecological sources was relatively high. In the research area, large ecological corridors that formed between large ecological sources and between large and small ecological sources constituted the major ecological corridor network, while small ecological corridors that formed between small ecological sources constituted the minor ecological corridor network. The area around the research area and 60% of the center of the research area was a blind zone of ecological nodes where ecological construction should be enhanced significantly. Newly increased ecological lands were distributed mainly around water bodies, secondarily around greenbelt and scenic areas, and sporadically around forests. The research results provide a scientific foundation for ecological environment protection and urban planning for the central part of the city.

ecological network; space pattern; pattern evaluation; simulation and optimization

2015- 04- 27;

日期:2016- 03- 03

10.5846/stxb201504270870

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zyj8118@163.com

張遠(yuǎn)景, 俞濱洋.城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間評價及其格局優(yōu)化.生態(tài)學(xué)報,2016,36(21):6969- 6984.Zhang Y J, Yu B Y.Analysis of urban ecological network space and optimization of ecological network pattern.Acta Ecologica Sinica,2016,36(21):6969- 6984.