基于生态源地与生态廊道优先...优化——以石家庄都市区为例_兰亦阳.pdf

研究/Research131基于生态源地与生态廊道优先级评估的生态安全格局构建与优化以石家庄都市区为例兰亦阳 来昕 郑曦*摘要：【目的】构建生态安全格局（ESP）是改善区域生态系统结构和功能，维护生态系统服务的有效措施。近年关于 ESP 的构建与优化逐渐成为研究热点，但对其中关键因子生态源地与生态廊道的深入分析仍是一项挑战。【方法】以石家庄都市区为例，基于生态资源综合评价，结合最小累积阻力（MCR）模型构建区域 ESP，并根据优先级矩阵，确定其中生态源地与生态廊道的优先级。【结果】结果表明：1）石家庄都市区生态源地的主要用地类型为林地、农田与水体；2）高优先级的生态源地与生态廊道主要集中在西部浅山区与滹沱河沿岸，是需要重点关注与保护的区域。【结论】通过对生态源地与生态廊道优先级排序后进行区域 ESP 优化，可有效界定区域生态系统维护过程中的关键区域，为未来国土空间规划与生态文明建设深入了解区域生态资源提供助力，并为相应的绿色空间规划提供指导。关键词：生态安全格局（ESP）；ESP 构建；ESP 优化；优先级矩阵；石家庄都市区基金项目：住房和城乡建设部研究开发项目“多尺度城市绿色基础设施评价方法与更新关键技术研究”（编号 2020-K-033）Beijing Landscape Architecture Journal Periodical Office Co.,Ltd.Published by Landscape Architecture Journal.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license.中图分类号：TU982文献标识码：A文章编号：1673-1530(2023)02-0131-08DOI：10.12409/j.fjyl.202104290271收稿日期：2021-04-29修回日期：2022-12-01开放科学（资源服务）标识码（OSID）兰亦阳，来昕，郑曦.基于生态源地与生态廊道优先级评估的生态安全格局构建与优化：以石家庄都市区为例 J.风景园林，2023，30（2）：131-138.20 世纪以来，随着社会经济的不断发展，密集的土地开发和土地使用方式的快速变化使得人类对生态系统的扰动不断增加1，生态系统面临失衡与功能退化等困境2，这直接影响了区域景观格局及其可持续发展3。为了保持生态系统结构的稳定，对其功能进行优化是当务之急。近年来，构建生态安全格局（ecological security pattern,ESP）被认为是解决这些棘手问题的合适方法3。ESP 由生态源地、生态廊道和生态节点等因子组成，构建区域 ESP 是维持自然生态过程、改善并实现区域生态安全的有效途径4-5。目前，ESP 构建主要过程为“生态源地识别建立阻力面提取廊道”，目前业界对 ESP 的优化侧重于对其构建过程的优化6，对其中的关键因子生态源地和生态廊道的优化关注度较低7。在既往研究中，Xiao 等8根据每个生态廊道对整个栖息地网络的重要度和连接性来确定廊道使用的优先级；Yang 等1引入热点分析法，探索了每种生态源地的最佳扩散距离，使生态系统服务在区域发展中具有最大辐射能力。ESP 也可以基于生态廊道与生态源地的不同属性来为其优先级别的判断提供依据9，然而这种方法需要研究者对影响物种具有广泛的了解10。因此，生态廊道及生态源地的相对重要性及其对区域连通性的贡献可以作为替代来进行优先级评估11。其中，对各廊道的相对重要性使用引力模型进行评估12；对廊道和源地对区域连通性的贡献使用可能性连接指数进行评估13；对各源地的相对重要性可使用生态系统服务的辐射能力进行评估14。城市边缘区是城市建成区的外部区域，其特点是结构的动态性与不稳定性15。周边生态系统对城市边缘区的变化尤为敏感，这一区域生态系统结构不稳定的现状已引起广泛的关注16，合理的绿色空间规划就显得尤为关键17。本研究以石家庄都市区作为研究对象，在京津冀一体化发展的背景下，石家庄将迎来新一轮的城市建设，城市扩张与生态保护的矛盾日益突出，且与大量森林、水体等自然资源交接的都市区，土地利用竞争愈加激烈，建立区域 ESP 并进行区域空间优化迫在眉睫。本研究的主要目标是构建生态源地和生态廊道的优先级评估框架，用于优化区域 ESP。这一目标又细分为 3 个子目标：1）识别石家庄都市区的生态源地和生态廊道，构建区域ESP；2）确定各生态源地和生态廊道的优先级关系；3）针对区域 ESP 提出优化建议。1 研究区域与数据来源1.1 研究区域石家庄都市区包括新华区、裕华区、桥西区、长安区、开发区、鹿泉区、藁城区、栾城区和正定县，本次研究范围为除正定县和开发区外的 7 个市辖区（图 1）18，总面积2 657 km2，占石家庄市域面积的 19.68%。由于石家庄作为河北省省会具有吸引力，周边区域与都市区交界处产生用地竞争，导致都市区边缘各类建设用地混乱，对区域生态系统造成了严重的负面影响19。生态保护红线是指行政区域内陆地禁止开发区、生态功能极重要区、生态环境极敏感脆弱区等区域依法划定的严格管控边界20。2017 年，石家庄划定了城市生态保护红线，包括一级红线管控区与二级红线管控区，管控区总面积 3 594.38 km2，占市域面积的 26.61%21。1.2 数据来源本研究中使用数据包括石家庄基本地理信息、环境资源信息和气象信息（表 1）。为了确保数据的可用性，以土地利用性质数据为底图来处理其他数据，处理精度为 30 m30 m，并将所有数据转换为统一的投影坐标系。132Landscape Architecture2023/02鹿泉区0102040kmN新华区桥西区裕华区长安区栾城区藁城区现状水体滹沱河石家庄都市区（除中心城区、开发区与正定县）石家庄市一级红线管控区石家庄中心城区区行政边界石家庄市二级红线管控区壤敏感性、水敏感性、生境敏感性 3 项关键生态敏感性指标量化区域生态敏感性，最终基于生态系统服务重要性与生态敏感性23评价，对石家庄都市区生态资源进行综合评价，以此作为生态源地识别的依据。2.1.1 生态系统服务重要性石家庄自然植被主要集中于都市区西部，植被结构复杂且种类繁多，同时具有丰富的动物资源，生物多样性、碳储存是石家庄都市区具有代表性的生态系统服务；滹沱河穿过都市区西北部，产水量同样也是不可忽视的重要生态系统服务。综合考虑每种生态系统服务对于石家庄都市区生态条件的重要性与现状条件，参考相关研究24-26，分别赋予生物多样性、产水量和碳储存 0.5、0.3 与 0.2 的权重，使用 InVEST 模型27中的栖息地质量、产水量和碳储存模型计算 3 种生态系统服务指标的重要性，叠加得到石家庄都市区生态系统服务重要性分布图，并使用自然断点法将叠加出的图像分为不重要、轻度重要、中度重要和极重要 4 个等级。2.1.2 生态敏感性土壤敏感性使用修正的通用土壤流失方程（revised universal soil loss equation,RUSLE）来评估，以实际土壤侵蚀量为指标28，具体计算式如下：Ar=RKLSCP。（1）式中：Ar为给定网格r的土壤侵蚀总量；R为表 1 本研究使用的数据名称、精度和来源Tab.1 Datanames,accuracyandsourcesusedinthisresearch数据类型数据名称数据精度/m2数据来源基本地理信息石家庄数字高程模型（digitalelevationmodel,DEM）3030地理空间数据云（）石家庄水源保护区、江河湖泊分布石家庄归一化差异植被指数（normalizeddifferencevegetationindex,NDVI）环境资源信息石家庄都市区土地利用性质3030以 Landsat8 数据为数据源，使用遥感图像处理平台 ENVI 中的监督分类将研究区域分为林地、水体、草地、农田、建设用地与未使用土地 6 种类型石家庄土壤类型地理空间数据云石家庄工业污染源分布国家地球系统科学数据中心（）石家庄污水处理厂分布石家庄都市区主要道路以 Landsat8 数据为数据源，使用遥感图像处理平台 ENVI 中的监督分类提取石家庄都市区卫星图后进行人工识别与绘制气象信息石家庄年平均降雨量中国国家气象信息中心（ 研究区域Research area2 ESP 构建与优化框架ESP construction and optimization framework2 研究方法本研究从 ESP 构建与优化 2 个方面拟定研究框架（图 2）。该框架涉及 3 个步骤：1）整合关键生态系统服务和生态敏感性指标，提取区域生态源地；2）结合最小累积阻力（minimum cumulative resistance,MCR）模型识别区域生态廊道，构建区域 ESP；3）基于生态系统服务辐射能力和景观连通性确定区域生态源地优先级，使用相互作用力和景观连通性确定区域生态廊道优先级，进行 ESP 优化。2.1 生态源地识别生态源地是维护生态系统完整性、提供生态系统服务的重要区域，选择合适的生态源地对于 ESP 的划定至关重要6。对区域生态系统服务重要性的评估有助于生态源地的识别，生态保护红线涵盖了大部分维持生物多样性、水源涵养、空气净化的极重要区22，故在考虑生态保护红线划定意义与综合诉求的基础上，选取生物多样性、产水量与碳储存 3 项关键生态系统服务用于量化区域生态系统服务重要性。生态敏感性是识别潜在生态问题的另一主要指标，在考虑划定生态保护红线时涵盖了河北省大部分土地沙化、水土流失极敏感区以及各类保护地，故选取土12研究/Research133降雨侵蚀力；K为土壤侵蚀力；L为坡长；S为坡度；C为植被与作物管理因子；P为土壤保持措施因子；参考相关研究29，本次计算中C与P均取常数 1。根据土壤侵蚀分类分级标准30对计算结果进行分类并对权重进行赋值。水敏感性可通过距重要水源的距离和水源与污染源的距离确定31-33；生境敏感性使用栖息地敏感性的代表指标确定31。通过层次分析法计算各影响指标的权重（表 2），叠加得到研究区域生态敏感性水平，并使用自然断点法将叠加出的图像分为不敏感、轻度敏感、中度敏感和极敏感 4 个等级。2.1.3 生态源地提取由于最大化区域生态系统服务和维持低敏感性同样重要，故对生态系统服务重要性和生态敏感性赋予相等的权重（0.5）8，使用自然断点法将叠加出的图像分为极重要、中度重要、轻度重要、不重要 4 个级别，将极重要的斑块识别为潜在生态源地。鉴于小斑块的辐射能力与连通性较弱，所以将潜在生态源地中面积小于 10 km2的斑块移除后得到研究区域内的生态源地。2.2 生态廊道识别廊道反映了物种在 2 个斑块之间移动的困难或阻力34。MCR 模型可用于识别廊道35，具体计算式如下：MCR=fmin ij DijRi。（2）式中：MCR表示最小累积阻力值；fmin表示生态过程与最小累积阻力之间的正相关关系；Dij表示从生态源斑块j到景观单元i的空间距离；Ri表示景观单元i对物种运动的阻力系数。选择土地利用类型、坡度和距水体的距离作为阻力因子。阻力因子权重分布中，考虑到石家庄都市区土地类型多样，西部与东部有明显坡度变化，参考相关研究24-26，对各阻力因子的权重进行赋值（表 3）。使用 ArcGIS 软件的空间叠加工具识别生态廊道，具体包括 4 个步骤：1）提取每个生态源地的几何中心为生态节点36；2）使用成本距离工具生成从源地到目的地的 MCR；3）计算 2 个源地之间的最小成本路径，得到潜在生态廊道；4）筛选同一起始与终点源地之间重合率达到 80%以上的廊道，选取其中的最短廊道作为生态廊道，除去其余冗余的潜在生态廊道，得到区域生态廊道。2.3 生态源地与生态廊道优先级评估确定生态廊道与生态源地优先级后，采用优先级矩阵叠加得出优化后的区域 ESP。2.3.1 生态源地的辐射能力在区域发展中，生态资源辐射的区域越大，对区域生态环境越利好。热点分析被广泛用于生态环境评估37，热点