王添翼 丁金華

蘇州科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 江蘇蘇州 215011

當(dāng)前中國建設(shè)發(fā)展邁入新時代，快速的城市化引發(fā)越來越多的生態(tài)環(huán)境問題，以生態(tài)安全為目標(biāo)構(gòu)建景觀生態(tài)安全格局成為迫切需求。蘇南水網(wǎng)鄉(xiāng)村地處太湖流域，有著優(yōu)越的生態(tài)環(huán)境，形成了別具特色的水鄉(xiāng)空間肌理，但隨著該地區(qū)城市化進(jìn)程的加快，水網(wǎng)鄉(xiāng)村生態(tài)系統(tǒng)的完整性因受到外部的侵占逐步被破壞，生境質(zhì)量下降，水域破碎度增加，因此構(gòu)建科學(xué)合理的水網(wǎng)鄉(xiāng)村生態(tài)安全格局成為實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)安全的基本保障和重要途徑[1]。

生態(tài)安全格局(Ecological security pattern)是針對特定的生態(tài)問題，兼顧社會、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益，對區(qū)域內(nèi)各要素進(jìn)行合理布局而形成的空間配置方案[1]。近年來，對于生態(tài)安全格局的研究，逐漸從對相關(guān)概念的探討發(fā)展到生態(tài)風(fēng)險、生態(tài)系統(tǒng)評價以及具體格局構(gòu)建等方面[2-4]。在生態(tài)安全格局構(gòu)建方面， “源地—廊道”的范式已成為主流[5]。生態(tài)源地是生態(tài)安全格局構(gòu)建的基礎(chǔ)，其構(gòu)建從直接提取源地逐步走向通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評價、生態(tài)敏感性評價等客觀方法進(jìn)行識別[6-8]。作為生態(tài)源地之間的連接通道，生態(tài)廊道是生態(tài)流通的重要路徑，當(dāng)前主要研究方法包括最小累積阻力模型(MCR)、圖論、電路理論等定量識別方法[9-10]，其中，MCR模型因能綜合考慮景觀單元之間的水平聯(lián)系[11]，且具有良好的適用性和擴(kuò)展性[12]，被廣泛應(yīng)用于生態(tài)安全格局的構(gòu)建。

雖然目前國內(nèi)對生態(tài)安全格局構(gòu)建的研究已經(jīng)逐漸深入，但主要聚焦于區(qū)域、市域、鎮(zhèn)域等尺度[3，7，13]，針對鄉(xiāng)村等較小尺度的研究較少。本文以蘇州市吳江區(qū)鶯脰湖片區(qū)為例，擬將生境質(zhì)量、景觀連通性、生物多樣性服務(wù)分析結(jié)果作為生態(tài)源地識別的主要依據(jù)，利用MCR模型構(gòu)建廊道，識別生態(tài)踏腳石，構(gòu)建生態(tài)安全格局，以期對鄉(xiāng)村生態(tài)環(huán)境改善起到一定指導(dǎo)作用，實現(xiàn)鄉(xiāng)村可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

蘇南水網(wǎng)鄉(xiāng)村地勢平坦，河道阡陌，展現(xiàn)出特有的景觀生態(tài)特征:1)地區(qū)生態(tài)斑塊主要為水域和耕地。水域主要以小尺度的河流、湖泊、坑塘為主，水田則是該區(qū)域主要的耕地類型。2)地區(qū)內(nèi)生態(tài)廊道以河流、溝渠等線性水域為主。相比于其他地區(qū)，該地的水網(wǎng)更為密集，結(jié)構(gòu)更加錯綜復(fù)雜。3)水網(wǎng)地區(qū)中一些面積較大的水域、耕地斑塊可以視為基質(zhì)。這些斑塊連通性強，可以提供較好的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[14-15]。但是，隨著城市化進(jìn)程的加快，蘇南水網(wǎng)鄉(xiāng)村面臨生境質(zhì)量下降、景觀連通性降低、生態(tài)系統(tǒng)脆弱等諸多問題。

本文所選的研究區(qū)域位于蘇州市吳江區(qū)鶯脰湖片區(qū)，屬于亞熱帶季風(fēng)海洋性氣候，東經(jīng)119°北緯31°，占地面積約29.5 km2。鶯脰湖片區(qū)包括鶯脰湖、余家蕩等10余個湖泊水系，以及西景坊、大成浜等20余個村落，具有典型的水網(wǎng)鄉(xiāng)村肌理。將該處作為研究對象，具有一定的典型性。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文研究數(shù)據(jù)主要包括2017年8月Landsat-8衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、蘇州市行政邊界數(shù)據(jù)和道路數(shù)據(jù)為矢量數(shù)據(jù)，其中，遙感影像數(shù)據(jù)與高程數(shù)據(jù)均取自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)，分辨率均為30m；蘇州市行政邊界數(shù)據(jù)和道路數(shù)據(jù)為矢量數(shù)據(jù)，均取自國家基礎(chǔ)地理信息中心(http://www.webmap.cn/)。本文數(shù)據(jù)分析的單元為柵格單元。使用ArcGIS對遙感數(shù)據(jù)影像進(jìn)行加工與目視解譯，將研究區(qū)用地類型歸為水域、濕地、林地、草地、裸地、耕地、建設(shè)用地7類。考慮到水網(wǎng)鄉(xiāng)村地區(qū)水域種類多樣，不同類型的水域在自身性質(zhì)、應(yīng)對外界干擾等方面的能力不盡相同，為體現(xiàn)水網(wǎng)地區(qū)的地域特性，將水域進(jìn)一步分為湖泊、河道、坑塘3類。

2.2 生態(tài)源地識別

針對蘇南水網(wǎng)鄉(xiāng)村地區(qū)所存在的生態(tài)問題，提取該片區(qū)內(nèi)所有生態(tài)用地進(jìn)行生境質(zhì)量評價、景觀連通性評價以及生物多樣性服務(wù)評價；通過專家打分法對三者權(quán)重進(jìn)行評定，將3種評價結(jié)果加權(quán)疊加，用以衡量研究區(qū)生態(tài)用地重要程度；選取重要程度最高的斑塊作為生態(tài)源地。

2.2.1 生境質(zhì)量評價

通過對斑塊生境質(zhì)量的分析，可以有效測度區(qū)域內(nèi)不同生態(tài)用地在遭受外部威脅影響下為場地內(nèi)生物提供生存條件的能力[16-18]，以此作為水網(wǎng)鄉(xiāng)村地區(qū)生態(tài)源地識別的標(biāo)準(zhǔn)之一，對于該地區(qū)生境質(zhì)量的提升有著重要意義。InVEST模型生境質(zhì)量模塊可以有效測度該類指標(biāo)。計算公式為:

式(1)中，Qxj為土地生境質(zhì)量，Hj表示生境適宜度，Dzxj為生境退化度，k為半飽和常數(shù)，Z為歸一化指數(shù)。

依據(jù)鶯脰湖片區(qū)相關(guān)資料及調(diào)研結(jié)果，將交通道路、建設(shè)用地與裸地3類區(qū)域作為脅迫因子(表1)，不同用地類型的生境適宜性及其對不同脅迫因子的敏感性如表2所示。

表1 脅迫因子最大影響距離與權(quán)重

表2 生境適宜性及其對不同威脅因子的敏感性

2.2.2 景觀連通性評價

景觀連通性表征區(qū)域內(nèi)景觀是否利于物種的流通，較高的景觀連通性更利于維持水網(wǎng)鄉(xiāng)村地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和生物多樣性的保護(hù)[19]。Conefor軟件為景觀連通性分析提供便利，用以識別整體連通性(IIC)、可能連通性(PC)、連接重要性(dI)3個景觀指數(shù)。計算公式如下:

式(2)至式(4)中，n為區(qū)域內(nèi)的斑塊個數(shù)，a為斑塊面積，nlij為i和j之間的連接數(shù)量，為物種在i與j之間擴(kuò)散的概率最大值，I為景觀整體連接度指數(shù)值，Iremove為除去某斑塊后景觀的連接度。

利用Conefor2.6評價研究區(qū)生態(tài)用地景觀連通性，結(jié)合水網(wǎng)地區(qū)的地域特性，設(shè)置連接距離閾值500 m，連接概率0.5，通過連接重要性指數(shù)表征景觀連通性的高低。

2.2.3 生物多樣性服務(wù)評價

生物多樣性服務(wù)的高低體現(xiàn)區(qū)域內(nèi)生物多樣性的豐富程度，相較于生境質(zhì)量，其更能反映斑塊本身的特性[13]。本研究根據(jù)謝高地制定的生物多樣性服務(wù)當(dāng)量[20]，對不同土地利用類型的生物多樣性服務(wù)價值進(jìn)行賦值重分類。

2.3 生態(tài)廊道構(gòu)建

2.3.1 基于MCR模型的潛在生態(tài)廊道構(gòu)建

潛在生態(tài)廊道是相鄰的生態(tài)源地之間的連接通道。本研究選擇MCR模型對研究區(qū)潛在生態(tài)廊道進(jìn)行構(gòu)建[21]，計算公式如下:

式(5)中，Dij為i與j間物種水平運動的距離；Ri表示物種在景觀i間移動所受的阻力值。

本研究選擇土地利用類型、坡度、高程、距建設(shè)用地距離作為阻力因子，使用專家打分法確定其阻力值。土地利用類型依照上文分類；根據(jù)DEM數(shù)據(jù)對研究區(qū)坡度、高程進(jìn)行重分類，坡度、高程越大賦值越高；建立距建設(shè)用地緩沖區(qū)，距離越近阻力值越高。利用yaahp進(jìn)行層次分析確定權(quán)重(表3)。

表3 鶯脰湖片區(qū)生態(tài)阻力值

2.3.2 基于重力模型的關(guān)鍵生態(tài)廊道構(gòu)建

關(guān)鍵生態(tài)廊道是潛在生態(tài)廊道中更加重要的部分，是源地間聯(lián)系較為緊密、物質(zhì)流通較頻繁的廊道，常見的關(guān)鍵廊道識別方法有核密度分析[22]、重力模型等。本研究采用重力模型進(jìn)行定量評價水網(wǎng)鄉(xiāng)村各源地間相互作用力的強弱，作用力越大則兩源地間廊道的重要性越強，以此為依據(jù)篩選出潛在廊道中更為關(guān)鍵的生態(tài)廊道。具體計算公式如下:

式(6)中，G為引力大小，N為權(quán)重值，D是斑塊間潛在廊道阻力的標(biāo)準(zhǔn)化值，P代表斑塊阻力，S為斑塊面積，L代表累積阻力值，Lmax為區(qū)域廊道累積阻力的最大值的最大值。

2.4 生態(tài)踏腳石選取

不同類型的踏腳石對生態(tài)過程起到的作用不盡相同，鞍部點到兩源地間的累積阻力相同，是一段廊道中最需要進(jìn)行補給的地方；生態(tài)斷裂點作為生態(tài)廊道與交通道路的相交地帶，生態(tài)系統(tǒng)更為脆弱。選取這兩種不同類型的踏腳石，能夠使生態(tài)流通更加順暢，生態(tài)安全格局結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

3 結(jié)果與分析

3.1 鶯脰湖片區(qū)生態(tài)安全格局構(gòu)建

3.1.1 鶯脰湖片區(qū)生態(tài)源地綜合識別

1)生境質(zhì)量評價。水網(wǎng)鄉(xiāng)村地區(qū)的建設(shè)用地以聚落為主，相比于城市內(nèi)的建設(shè)用地，其影響范圍會更小。由圖1A可知，鶯脰湖片區(qū)生境質(zhì)量高與較高的地區(qū)占總生態(tài)用地的30%，生境質(zhì)量中等的地區(qū)占總生態(tài)用地的18%，而低生境區(qū)域占比一半以上，整體生境質(zhì)量一般。區(qū)域內(nèi)各湖泊生境質(zhì)量最高，東溪塘等河流生境質(zhì)量次之，生境質(zhì)量一般的地區(qū)為張家田部分耕地，義和浜、南昆村南崗的生境質(zhì)量較低。更密集的水域斑塊以及更少的建設(shè)用地是上升村生境質(zhì)量高于其他村落的主要原因。

2)景觀連通性評價。由圖1B可知，鶯脰湖片區(qū)景觀連通性高與較高的區(qū)域占比為47%，區(qū)域整體連通性水平較高，東側(cè)景觀連通性優(yōu)于西側(cè)。義和浜、首字村耕地斑塊面積較大，景觀連通性最高，鶯脰湖則是研究區(qū)內(nèi)連通性最高的水域斑塊；大頭港與北角蕩、東溪塘等水域聯(lián)系密切，且有較大面積的耕地斑塊，景觀連通性較高；除鶯脰湖外，其他湖泊景觀連通性適中，小於村與五景村北側(cè)的耕地，其面積適中，緊靠鶯脰湖，景觀連通性也相對適中；金家蕩與清水蕩三面被建設(shè)用地環(huán)繞，且周圍沒有大面積的生態(tài)斑塊，景觀連通性較弱；景觀連通性最低的區(qū)域主要集中在研究區(qū)中部以及常臺高速西側(cè)沿線，高度的破碎化、較小的斑塊面積是該區(qū)域連通性低的主要原因。

3)生物多樣性服務(wù)評價。依據(jù)謝高地制定的生物多樣性服務(wù)當(dāng)量[19]，對各生態(tài)用地進(jìn)行生物多樣性服務(wù)價值賦值，生成研究區(qū)生物多樣性服務(wù)評價圖(圖1C)。結(jié)果顯示:鶯脰湖片區(qū)內(nèi)整體生物多樣性服務(wù)水平一般，生物多樣性水平高值區(qū)域占比36%，其分布特征與生境質(zhì)量高值區(qū)分布特征相似，主要為鶯脰湖、盛家蕩、清水蕩、余家蕩等湖泊河流。義和浜、首字村等地?fù)碛休^大面積的耕地斑塊，生物多樣性服務(wù)呈現(xiàn)低值。

圖1 鶯脰湖片區(qū)源地綜合識別圖

4)綜合疊加。利用專家打分法將三者權(quán)重定為0.5，0.2，0.3，對評價結(jié)果加權(quán)疊加，以衡量研究區(qū)生態(tài)斑塊重要程度(圖1D)。結(jié)果顯示:最重要斑塊為鶯脰湖、盛家蕩等湖泊；較重要的斑塊為義和浜、南昆村等村落的耕地斑塊，這些斑塊比其他耕地斑塊面積更大更為完整，且與周邊水域保持著較好的聯(lián)系；大頭港、南崗耕地面積適中，建設(shè)用地較少，整體重要性一般；較多的建設(shè)用地環(huán)繞使小於村北部耕地重要程度比其他耕地更低，重要程度最低的區(qū)域主要集中在小於村等北部村莊，相比于其他片區(qū)，這些區(qū)域建設(shè)用地占比高、生態(tài)斑塊更為零散(表4)。參考相關(guān)研究，選取重要程度最高且面積為10 hm2以上的生態(tài)用地作為源地。本研究共識別出11處生態(tài)源地(圖2)，主要用地類型為湖泊、河流，說明水網(wǎng)鄉(xiāng)村地區(qū)水域環(huán)境是生態(tài)規(guī)劃的重點部分。這些生態(tài)源地面積相對較大，對于整體區(qū)域生態(tài)安全有著重要影響，建議對源地進(jìn)行著重保護(hù)。同時，北側(cè)的鶯脰湖、南側(cè)的余家蕩、西側(cè)的金家蕩與周邊源地斑塊的聯(lián)系較弱，因此，對這些源地進(jìn)行保護(hù)的同時，應(yīng)加強其與周邊環(huán)境資源斑塊的聯(lián)系。

圖2 鶯脰湖片區(qū)生態(tài)源地和生態(tài)廊道分布圖

表4 各類生態(tài)源地評價結(jié)果與對比

3.1.2 基于MCR模型與重力模型的生態(tài)廊道構(gòu)建

本研究基于土地利用類型、坡度、高程、距建設(shè)用地距離4個指標(biāo)構(gòu)建研究區(qū)阻力面。結(jié)果顯示(圖3)，鶯脰湖片區(qū)綜合阻力面被穿過的常臺高速分割為東西兩部分，西部區(qū)域除水域外，大多數(shù)地塊阻力值較高，東部地區(qū)呈現(xiàn)中等阻力值的地塊較多。西部區(qū)域阻力值較高的主要原因是該區(qū)域西側(cè)的直港等村落相比于東側(cè)村落擁有更多更密集的聚落建筑，且有國道穿行，而東側(cè)村落建筑密度較低耕且地較多，生態(tài)阻力值相對較小。

圖3 鶯脰湖片區(qū)阻力面圖

本研究通過MCR模型，借助ArcGIS平臺Costpath模塊識別潛在廊道55條總長度36.5 km。借助重力模型，將相互作用力大于900的廊道識別為關(guān)鍵生態(tài)廊道(表5)。結(jié)果(圖2)顯示，研究區(qū)中部6個生態(tài)源地之間的潛在廊道較為密集，南部次之，這些源地面積不大但距離緊湊，因而形成了較為密集的生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)。關(guān)鍵生態(tài)廊道將11個生態(tài)源地串聯(lián)在一起，使各源地聯(lián)系更為緊密。

表5 鶯脰湖片區(qū)源地相互作用矩陣

3.1.3 滿足多種目標(biāo)的生態(tài)踏腳石選取

本文選取兩種踏腳石，即鞍部點與生態(tài)斷裂點。鞍部點可以為生態(tài)流提供補給，起到源間踏板的作用；生態(tài)斷裂點對生態(tài)過程起到阻礙作用，對其進(jìn)行合理規(guī)劃能夠使生態(tài)網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)固。本研究共識別出13處鞍部點、3處生態(tài)斷裂點(圖4):研究區(qū)中部因為生態(tài)源地斑塊較多，相應(yīng)的廊道也比較多，因而鞍部點也相對密集；區(qū)域內(nèi)生態(tài)斷裂點不多，集中于常臺高速沿線；連接北赤蓮蕩與北角蕩的廊道以及連接南赤蓮蕩與余家蕩的廊道，作為關(guān)鍵廊道被高速分割，形成了兩個生態(tài)斷裂點，建議采用搭建天橋、隧道等方法對這些節(jié)點進(jìn)行修復(fù)，保持生態(tài)過程的完整性。

圖4 鶯脰湖片區(qū)生態(tài)安全格局

3.2 鶯脰湖片區(qū)生態(tài)安全格局優(yōu)化策略

3.2.1 加強生態(tài)源地保護(hù)，維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性

研究區(qū)11處源地土地利用類型均為水域，保護(hù)好區(qū)域內(nèi)的水域環(huán)境是水網(wǎng)鄉(xiāng)村地區(qū)生態(tài)規(guī)劃的重點內(nèi)容。鶯脰湖片區(qū)源地分布較為平均，鶯脰湖作為區(qū)域內(nèi)最大的源地，生境質(zhì)量、景觀連通性均最高，應(yīng)對該區(qū)域加強保護(hù)以保證其生態(tài)功能，提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.2.2 強化生態(tài)廊道連接，提高區(qū)域景觀連通性

研究區(qū)中部地區(qū)的源地斑塊面積不大，但距離較近，斑塊間聯(lián)系密切，廊道密集。規(guī)劃時可將幾個源地視為一個整體，優(yōu)先建立與外部的聯(lián)系，再逐漸強化內(nèi)部關(guān)系。在關(guān)鍵廊道的構(gòu)建的過程中，宜與現(xiàn)狀廊道進(jìn)行結(jié)合，優(yōu)先對已有聯(lián)系的源間廊道進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.3 優(yōu)化生態(tài)踏腳石建設(shè)，強化生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在踏腳石建設(shè)時，應(yīng)將節(jié)點區(qū)域放大，為生態(tài)流通提供便利。連接金家蕩的兩條生態(tài)廊道建設(shè)的成本較高，可以優(yōu)先進(jìn)行踏腳石的建設(shè)，在建設(shè)用地范圍內(nèi)規(guī)劃出一定范圍的綠地或水域作為生物流通的踏板。

4 結(jié)語

本文從水網(wǎng)鄉(xiāng)村景觀特征與問題切入，以吳江區(qū)鶯脰湖片區(qū)為例，探討了蘇南水網(wǎng)鄉(xiāng)村地區(qū)生態(tài)安全格局的構(gòu)建方法。相比于城市，鄉(xiāng)村的建設(shè)用地分布更加散亂無序，這種布局會對生態(tài)用地提供棲息地的能力產(chǎn)生影響，生境質(zhì)量評價可以有效量化這種影響，使結(jié)果更加客觀。將景觀連通性評價作為源地識別要素之一，可以直觀展現(xiàn)水網(wǎng)地區(qū)生態(tài)空間連通性強弱的空間分布，對維護(hù)水網(wǎng)地區(qū)地域特征與空間肌理有著積極作用。通過MCR模型識別研究區(qū)潛在生態(tài)廊道，利用重力模型篩選出關(guān)鍵廊道，識別兩種生態(tài)踏腳石，繼而構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局，并以此作為指導(dǎo)，對該地區(qū)生態(tài)安全格局優(yōu)化提出建議，以期對鄉(xiāng)村生態(tài)環(huán)境改善起到一定指導(dǎo)作用，實現(xiàn)鄉(xiāng)村可持續(xù)發(fā)展。

本文在進(jìn)行生境質(zhì)量評價時，未考慮研究區(qū)外部景觀對研究區(qū)內(nèi)部的影響，研究結(jié)果會存在一定的誤差。其次，阻力面的賦值、生境質(zhì)量評價中脅迫因子敏感性的賦值具有一定的主觀性，也會對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。最后，通過模型構(gòu)建的生態(tài)安全格局，其結(jié)果難以被有效驗證。如何對研究中人為賦值的方法進(jìn)行修正，使研究結(jié)果更加客觀，以及如何驗證生態(tài)安全格局的構(gòu)建結(jié)果，提高生態(tài)安全格局構(gòu)建的可實踐性將是下一步研究的主要內(nèi)容。