1、2 0 2 3年4月第3 8卷第4期内江师范学院学报J o u r n a l o fN e i j i a n gN o r m a lU n i v e r s i t yA p r.2 0 2 3V o l.3 8N o.4典型山水资源型城市生态安全格局识别与优化王奇科,帅 红*(湖南师范大学 地理科学学院,湖南 长沙 4 1 0 0 8 1)摘 要:以典型山水资源型城市 益阳市为研究区,采用形态学空间格局分析、电路理论、人类足迹模型及水文分析方法,识别其生态安全格局并提出优化措施.结果表明:(1)益阳市生态源地面积为33 6 5.3 1k m2,占研究区总面积的2 7.3 6%.其中重
2、要生态源地主要位于安化县和桃江县,重点修复生态源地以安化县居多但面积不大,沅江市和南县也有分布,主要集中在人类活动频繁地区;识别出生态廊道6 1条、生态节点1 2 5个;除资水链状生态廊道外,有关键生态廊道7条,一般生态廊道5 3条,总长度为5 0 9.5 5k m.(2)根据源地、节点和廊道的分布,识别出研究区“两区一链多廊”的生态安全格局.在此基础上提出增补2块生态源地及打通生态廊道等优化措施.关键词:生态安全格局;人类足迹;M S P A;电路理论;山水资源型城市D O I:1 0.1 3 6 0 3/j.c n k i.5 1-1 6 2 1/z.2 0 2 3.0 4.0 1 1中图
3、分类号:X 3 2 1文献标志码:A文章编号:1 6 7 1-1 7 8 5(2 0 2 3)0 4-0 0 5 3-0 70 引言随着城镇化的快速发展,大量生态用地在城镇化过程中转为建设用地,导致原有的自然景观不断被侵占、生态斑块逐渐破碎、生态系统服务能力下降,进而引发了水资源短缺、生物多样性减少、城市热岛效应等生态环境问题,对城市景观格局和生态安全产生威胁1-2.特别是对于保持自身生态系统稳定及抵御外部干扰能力较弱的山水资源型城市3,其生态安全更容易受到威胁.区域生态安全格局旨在系统解决生态环境问题,强调从区域生态本底优势出发,整合不同生态环境要素的服务功能,有利于生物多样性保护和生态系统
4、恢复,促进生态环境保护和经济社会发展的协调与融合4-5.识别城市生态安全格局可为有效调控城市内部生态过程、维持物质流通和能量循环提供科学依据,从而保障生态系统服务功能的充分发挥6.生态安全格局的理论原型源于英国著名规划师H o w a r d及美国知名的景观设计师O l m s t e d提出的“花园城市”“公园系统”等理论,之后逐渐兴起了生态网络、绿道、绿色基础设施等相关研究.国内学者从生态系统服务7、生态重要性-敏感性-连通性8、生态压力9等视角出发,对生态安全格局展开了一系列研究,主要集中在生态安全格局的识别或构建1 0,以及针对区域现有生态安全格局的突出问题提出优化策略6,1 1.目前
5、,“识别生态源地-确定阻力面-提取生态廊道”已经成为生态安全格局构建的基本范式6.生态源地的识别多基于区域内自然保护区或风景名胜区1 2、生态服务功能良好的大面积林地等生态用地进行直接判别1 3.此外,还有学者采用形态学空间格局分析1 4、生态系统服务供给能力测算6、生态重要性及敏感性评估1 5等定量方法间接对生态源地进行识别.其中,M S P A分析法所需数据量少,且强调维持生态系统整体性与稳定性的重要因素 景观连通性,能够精确区分景观类型、结构,定量识别生态源地1 6.生态阻力面是区域内生态流在不同景观单元之间流动过程中,克服阻力所形成的趋势面3.坡度、高程、植被覆盖率等*收稿日期:2 0
6、 2 2-0 7-2 2 基金项目:国家自然科学基金项目(4 1 5 0 1 5 6 5)作者简介:王奇科(1 9 9 7-),女,河南郑州人,湖南师范大学硕士研究生,研究方向:区域生态安全与可持续发展*通信作者:帅红(1 9 7 5-),女,湖南益阳人,湖南师范大学教授,博士,研究方向:生态环境规划、区域生态安全与可持续发展内江师范学院学报第3 8卷自然因素1 7和夜间灯光指数、人口密度、交通等人类干扰因素1 8常被作为重要指标构建生态阻力面.但在设置方法上使用打分赋值法存在主观性较强的问题.生态廊道可供生态系统之间的生态流和能量流迁移、交流,被称为连接生态源地的桥梁1 9.目前识别和提取生
7、态廊道的方法主要有两种:一种是基于最小累积阻力模型(MC R模型),使用G I S空间分析方法提取最小成本路径;另一种是基于电路理论,使用L i n k a g eM a p p e r工具识别生态廊道.相较于MC R模型,基于电路理论识别生态廊道,可以通过源地间电流的强弱程度确定生境斑块和廊道的相对重要性2 0,有效反映物种个体或群体在景观环境中的随机迁移过程.综上,现有生态安全格局的识别与构建方法较为成熟.但其研究区域多集中在经济快速发展地区1 0、生态脆弱区2 1及风景名胜区2 2等,鲜有学者研究山水资源型城市.该类城市具有地形地貌独特、山水格局显著、旅游资源丰富等特点,但河湖与山脉等天
8、然景观在城镇空间拓展的过程中更易受到破坏3,2 3.因此,识别山水资源型城市的生态安全格局,探讨其生态安全格局优化策略对快速城镇化背景下山水资源型城市的可持续发展意义重大.湖南省益阳市南部为雪峰山余脉,北部是洞庭湖淤积平原,境内呈现“半山半水”的景观格局,是典型的山水资源型城市.作为环洞庭湖生态经济区南部中心城市,境内的安化县和桃江县属国家级重点生态功能区,南洞庭湖自然保护区、大通湖国家湿地公园等共同构出山水城市的基本脉络.随着人类活动加剧及城镇快速扩张,研究区的自然保护区受人为干扰严重,湿地功能退化,生物多样性受到威胁,生态问题逐渐 凸 显.基 于 此,本 研 究 以 典 型 山 水 资 源
9、 型 城市 湖南省益阳市为例,利用人类足迹法定量评价人类活动对生态系统的影响,从一定程度上弥补打分赋值法的缺陷,耦合M S P A分析与电路理论识别与优化其生态安全格局,以期为生态文明背景下建设生态城市,维护生态安全格局提供科学依据,为洞庭湖生态经济区的生态空间布局和优化提供参考.1 研究区概况与数据来源1.1 研究区概况益阳市位于湘中偏北,长江中下游平原的洞庭湖南岸,是洞庭湖生态经济区南部中心城市,长株潭城市群副中心城市.全市下辖2个区、1个县级市和3个县,总面积1.2 3万k m2,常住人口3 8 5.1 6万人(2 0 2 0年).区域内以山地和平原地貌为主,自然保护区、湿 地 公 园
10、等 生 态 空 间 面 积 达 到16 8 2.6 4k m2,占益阳市总面积的1 3.6 8%,生态安全保障地位十分显著.近年来,益阳市社会经济迅猛发展,2 0 2 0年G D P达到18 5 3.4 8亿元,高端装备制造、电子信息、现代农业等产业蓬勃发展.与此同时,益阳市的资源环境承载能力逐渐接近上限,生态环境问题依旧严峻,洞庭湖、大通湖总磷浓度未稳定达标,资江锑浓度超标,安化、赫山、桃江县石煤矿山的历史遗留问题暂未解决,城市蓝绿空间逐渐减少,“山水林田湖草”生态系统受损较为严重,生态安全问题不容乐观.1.2 数据来源本研究数据主要来源:土地利用数据下载于中国科 学 院 资 源 环 境 科
11、 学 与 数 据 中 心(h t t p s:/www.r e s d c.c n),空间分辨率为3 0m;人口密度数据 来 自 全 球 高 分 辨 率 人 口 计 划 项 目(www.w o r l d p o p.o r g),空间分辨率为1k m;夜间灯光遥感数据,空间分辨率为1 3 0m,来自珞珈一号夜光遥感卫星数据(h t t p:/5 9.1 7 5.1 0 9.1 7 3:8 8 8 8/i n d e x.h t m l);D EM数据源于地理空间数据云,空间分辨率3 0m;归一化植被指数数据(N D V I),空间分辨率为1k m,下载于中国科学院资源环境科学与数据中心;益阳
12、市自然保护地矢量数据、路网矢量数据来自益阳市“三线一单”基础数据库.上述数据均载入A r c G I S 1 0.2中统一定义坐标系和投影,并进行预处理.2 研究方法2.1 生态源地识别2.1.1 林地生态源地识别形态学 空 间 格 局 分 析(m o r p h o l o g i c a ls p a t i a lp a t t e r na n a l y s i s,M S P A)是识别生态源地的有效方法之一,该方法的应用依赖于土地利用数据.将林地作为前景,使用G u i d o sT o o l b o x软件,基于八邻域法对二值栅格数据进行形态学空间格局分析,得到7种互不相交的
13、景观斑块.其中,核心区是面积较大的生境斑块,对维护生态系统的完整性和生物多样性具有重要意义.剔除面积小于1k m2的生态价值较低的 核 心 区,将 剩 余 核 心 区 作 为 数 据 源,使 用A r c G I S 1 0.2的c o n e f o r插件进行连通度分析.参考45第4期王奇科,等:典型山水资源型城市生态安全格局识别与优化已有研究8,本文采用可能连通度指数(p r o b a b i l i t yo f c o n n e c t i v i t y,P C)计算各源地斑块对研究区整体景观连通性的重要值.其计算公式如下:P C=ni=1nj=1aiajpi jA2L,式中:
14、P C表示斑块之间连通的可能性;n为斑块总数量;ai和aj分别是斑块i及斑块j的面积;pi j为物种在斑块i和斑块j之间扩散的最大可能性;AL为景观的总面积.为明确每个斑块的重要值,重新定义d P Ci,计算公式如下:d P Ci=1 0 0P C-P Ci-r e m o v eP C,式中:d P Ci表示剔除相应斑块之后景观整体可能连通性的变化;P Ci-r e m o v e为去掉斑块i之后剩余斑块的可能连通度指数;d P Ci值越高,表明该斑块在整体景观中越重要.将距离阈值设为25 0 0m,概率设为0.5,选出d P C值大于1的核心斑块作为林地生态源地.2.1.2 水域生态源地识
15、别由于河流、湖泊等水域本身具有连通性,影响M S P A方法下源地选取的合理性,因此水域生态源地采取直接识别的方式.选取益阳市域内对水生生态系统保护具有重要意义的湿地公园、自然保护区等作为水域生态源地.为保证各源地斑块的完整性,选取的具体原则为各保护地的生态保育区(或核心区)中面积大于5k m2的斑块作为水域生态源地.2.2 生态阻力面设置生态阻力面的设置方法和指标选取直接影响着生态廊道的构建质量和传输效率2 4.本文选择了人口密度、土地利用、夜间灯光及交通四种典型指数,用人类足迹法定量评价人类活动对生态系统的影响,并针对人类干扰严重的地区对生态流的渗透性较低这种负相关关系建立生态阻力面2 5
16、.其中,人类足迹模型的计算公式如下:HF=H I I-H I Im i nH I Im a x-H I Im i n,式中:HF为 人 类 足 迹;H I I为 人 类 影 响 指 数;H I Im a x和H I Im i n分别为研究区域内人类影响指数的最小值和最大值.H I I的计算公式为:H I I=p o p+l a n d u s e+n i g h t l i g h t+a c c e s s,式中:p o p、l a n d u s e、n i g h t l i g h t、a c c e s s分别为人口密度影响指数、土地利用影响指数、夜间灯光指数、交通影响指数,参考文献2 6 进行计算.在A r c-G I S1 0.2中将人口密度、土地利用、夜间灯光及道路数据进行相应处理,生成4组空间分辨率均为1 0 0m的栅格数据.基于人类足迹构建的生态阻力面计算公式为:R=HF1-s l o p+ND V I()1 03,式中:R为生态阻力值;s l o p为坡度;ND V I为归一化植被指数,反映植被覆盖率.式中数据均需进行归一化处理,取值范围为01.2.3 生态廊道提
