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基于生态网络的城市生态格局构建——以漳州市芗城区为例.pdf
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1、以漳州市芗城区为研究区域,基于形态学空间格局分析(MSPA)、最小累积阻力模型(MCR)、重力模型等模型识别生态源地及生态廊道,构建城区生态网络并提出研究区生态网络优化对策结果表明:(1)研究区生态格局呈极其不均衡状态,区域内中部、西南部及南部地区相关地区建设用地较多,很大程度上阻碍了区域内的生态流动,致使芗城区整体生态网络不完整。(2)芗城区西北部生态源地面积较大,东部地区生态源地面积小但数量多,西南部生态源地面积小且分散(3)研究区共识别9 条重要生态廊道、6 9 条一般廊道,重要生态廊道与一般生态廊道分布状况与研究区内重要生态源地分布状况大致相同皆为西北部及东部较多,且重要生态廊道分布地
2、区皆为自然保护地,说明生态价值越高的地区,生态流动越频繁,更适合物种迁,应优先进行保护.通过识别茗城区生态源地以及提取茗城区生态廊道,明晰芗城区生态格局现状以及区域内生态价值较高区域,为茗城区生态网络的优化打好基础的同时也为茗城区生态文明建设及可持续发展提供有益借鉴。关键词:生态安全格局;生态网络;形态学空间格局分析;最小累积阻力模型;重力模型;城区中图分类号:X321文献标志码:AReconstruction of Urban Ecological Pattern Based on EcologicalNetwork:A Case Study of Xiangcheng District i
3、n Zhangzhou CityZHANG Min,WU Shidai,HUANG Sizhe,WANG Jiawei(School of Cultural Tourism and Public Administration,Fujian Normal University,Fuzhou 350117,China)Abstract:This article focuses on the Xiangcheng District of Zhangzhou City,and uses Morpho-logical Spatial Pattern Analysis(MSPA),Minimum Cumu
4、lative Resistance(MCR)model,Gravitymodel,and other models to identify ecological source areas and corridors,construct the ecologicalnetwork of Xiangcheng District,and propose optimization strategies for the ecological network.Theresults show that:(1)The ecological pattern of the study area is extrem
5、ely unbalanced.The central,southwest,and southern regions have more land for construction,which significantly hinders theecological flow in the region and makes the overall ecological network fragmented.(2)The ecologicalsource area in the northwest of Xiangcheng District is large,while the eastern r
6、egion has many smallecological source areas,and the ecological source area in the southwest is small and scattered.(3)A total of 9 important ecological corridors and 69 general corridors are identified in the study area.The distribution of important ecological corridors and general ecological corrid
7、ors is roughly the sameas that of important ecological source areas,mainly in the northwest and east,and the distribution ofimportant ecological corridors is in natural protected areas.This indicates that areas with higherecological value have more frequent ecological flow and are more suitable for
8、species migration andshould be protected first.This study clarifies the current status of the ecological pattern in收稿日期:2 0 2 2-0 9-0 3基金项目:国家自然科学基金资助项目(419 7 12 6 1);国家自然科学青年基金资助项目(42 10 12 9 7)通信作者:伍世代(19 6 2 一),男,教授,博士生导师,研究方向为城市与区域规划20233年福建师范大学学报(自然科学版)90Xiangcheng District and the areas with h
9、igher ecological value in the region by identifying theecological source areas and extracting ecological corridors,laying a foundation for the optimization ofthe ecological network in Xiangcheng District,and providing useful reference for the ecologicalcivilization construction and sustainable devel
10、opment of Xiangcheng District.Key words:ecological security patterns;ecological network;morphological spatial patternanalysis;minimum cumulative resistance model;gravity model;Xiangcheng District随着中国城镇化进程不断加快,因高强度的土地开发以及土地利用方式快速转变产生了水土流失、区域水环境污染、景观斑块破碎化等诸多问题,且大量其他用地类型转向建设用地导致区域内景观连通度降低,区域生态系统稳定性下降,对
11、区域景观格局及可持续发展产生重大影响1 中华人民共和国生态环境部印发的“十四五”生态保护监管规划中指出,我国生态环境本底脆弱,局部区域生态系统质量不高、稳定性弱等问题突出,挤占和破坏重要生态系统和重要生态空间问题仍时有发生,生态安全形势依然严峻城市生态网络及生态安全格局的构建是维护区域生态安全,恢复维持景观连通性的有效途径.目前我国对于城市生态安全格局的研究主要有以下几点:(1)基于“源地-廊道”的研究框架构建城市生态安全格局其中对于源地的识别多基于各城市印发关于区域内自然保护区、森林公园、生态红线等文件2 、形态学空间格局分析3、从生态系统服务重要性角度出发构建相关指标体系4-等姚采云等6
12、通过形态学空间格局分析与最小阻力模型结合构建三峡库区林地生态网络;赵燕如等7 通过景观扩张指数(LEI)和形态学空间格局分析法分析南昌市城市扩张与生态景观类型变化的关联廊道的提取多采用最小累积阻力模型(MCR)【8 ,通过确定阻力因子,再利用ArcGIS计算出生物在生态源地间迁徙克服阻力的成本构建成本路径.韩俊宇等9 通过最小累积阻力模型并结合空间密度分析确定衢州市常山县生态格局并根据潜在问题提出针对性建议;戴璐等10 通过最小累积阻力模型与产业集聚测度指数相结合,分析九江市景观生态格局和经济生产空间之间的冲突构建战略节点和研究区生态网络(2)研究对象多为城市群11-12 1】、省级13-14
13、、市级15-16 等视角,小尺度研究较少大尺度研究是全局观念的统筹安排,已有研究基于生态系统服务的供给与需求能力探讨长三角城市群生态格局划分17 ;构建西北地区生态新格局提出总体思路与关键路径18 但区域内各自环境因素、主导产业以及社会经济发展状况存在差异,故进行小尺度区域生态格局构建可以更加有针对性,从而由点及面地完善大尺度范畴的生态网络构建(3)生态格局的应用构建城市生态格局运用于城市增长边界的划定19 、城市生态修复【2 0 等方面,相关研究已形成一定研究成果如罗文霞等2 1 以最小累积阻力MCR模型为基础并结合水文分析Hydrology模型对海口市江东新区5 个时期(19 8 8、2
14、0 0 1、2 0 0 9、2017、2 0 19 年)的建设用地扩展格局进行分析,探讨海口市江东新区海岸带城市扩展与生态格局的演变趋势;薛强等2 2 基于形态学空间格局分析与自然保护区相结合识别生态源地,构建研究区生态格局,并采用电路理论进行生态关键区识别,划分生态修复区.当前我国对于生态网络相关文章具体区别在于源地的识别,大多数研究通过构建指标体系来确定生态源地,但考虑数据的可得性等原因,指标体系的构建具有一定的主观因素本文基于形态学空间格局分析、最小累积阻力模型、重力模型等模型,并通过数理统计分析及相关软件识别芗城区生态源地及生态廊道,研究结果更加具有科学性此外,漳州市是新兴的工业城市,
15、而芗城区则是漳州市典型的工业城区,其中工业用地面积远远高于商业服务业用地、居住用地等其他用地类型,且随着芗城区钢铁产业园的规划,工业在芗城区的地位更加显著,芗城区生态网络的构建对其他工业城区生态格局研究具有一定借鉴意义,同时也增加我国对于小尺度城市生态安全格局的构建研究.张敏,基于生态网络的城市生态格局构建第4期911研究方法与数据来源1.1研究区概况芗城区位于北纬2 42 9 14-2 442 41,东经117 2 9 0 3-117 43 0 1(图1),是漳州市政治、经济、文化中心,地理位置优越,也是“闽南金三角”的重要组成部分、“厦漳泉同城化”核心区之一区内地势大部平坦,河网密布,水资
16、源丰富,为区内工农业发展提供良好条件2 3 芗城区的气候为亚热带季风性湿润,年均气温2 1.3,全年雨量145 0 16 12 mm,平均相对湿度7 9%.区内GDP常年稳居漳州市各区县第一位,也是福建省省级生态区,近年来,芗城区朝着建设国家级生态区努力,并初见成效但随着芗城区城市建设的发展,引发工业用地、居住和公共建设等用地搬迁或拆除后遗留的土壤污染、内河污水治理等环境问题,严重威胁芗城区生态环境建设因此,芗城区生态网络的构建对于芗城区建设国家级生态区以及芗城区可持续发展具有重要的理论和实践意义,为小尺度城市的生态格局构建提供相关借鉴.02.55km南平市土地利用类型三明市福州市耕地林地龍田
17、鹿龙若市草地泉州市水城漳州市未利用地建设用地图1研究区区位及土地利用类型分布Fig.1Study district location and land use type1.2数据来源本研究所采用的数据主要包括:2 0 2 0 年30 m分辨率的芗城区土地利用数据(武汉大学CLCD数据集http:/z e n o d o.o r g/r e c o r d/5 2 10 9 2 8)2 4,2 0 2 0 年30 m分辨率的DEM高程数据(地理空间数据云平台http:/w w w.g s c l o u d.c n),2 0 2 0 年30 m分辨率的归一化植被指数(地理空间数据云平台http:
18、/),2 0 2 0 年芗城区统计年鉴(漳州市芗城区统计局,http:/w w w.x c.g o v.c n)等并结合芗城区实际状况将其土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、未利用地、建设用地6 类.1.3研究方法本文研究方法由生态源地的综合识别、最小累积阻力面的构建以及生态网络的建构3个部分构成,1.3.1MSPA景观格局分析MSPA最初运用于森林破碎化研究,直至Guidos软件开发后正式运用于景观连通性中,它通过一系列数学形态学运算法则,包括腐蚀、膨胀法等,将原始的二值化图像分类,识别和制作出具有连通性意义的区域2 5 本文首先利用ArcGIS将芗城区土地利用数据转换为二值数据,前景值
19、为需要分析2023年福建师范大学学报(自然科学版)92的斑块,提取林地、草地以及水域数据作为前景值并赋值为2,其余用地类型数据则作为背景值赋值为1将其导人Guidos Toolbox软件进行MSPA分析,得到核心区、桥接区、边缘区、环道区、孔隙、支线与孤岛等7 种景观组分(见表1),其中核心区的生态学含义为前景像元中较大的生境斑块,可以为物种提供较大的栖息地,对生物多样性的保护具有重要意义,因此提取核心区为初步生态源地.表1MSPA的景观类型分类及其生态学意义Tab.1 Landscape type classification of MSPA and its ecological signi
20、ficance景观类型定义生态学意义核心区前景像素点远离背景像素点的举前景像元中较大的生境斑块,可以为物种提供较大的栖息地,例大于指定大小的某个参数的像如大型自然斑块、野生动物栖息地、森林保护区等,对生物多素集合样性的保护具有重要意义,是生态网络中的生态源地桥接区至少有2 个点连到不同的核心区连通核心区的狭长区域,代表生态网络中斑块连接的廊道,促进区域内部能量流动与网络形成对生物迁移和景观连接具有重要的意义边缘区前景外部的边缘是核心区和建设用地之间的过渡,具有边缘效应,是核心区和主要非绿色景观区域之间的过渡区域环道区至少有2 个点连接到同一核心区连接同一核心区的廊道,是同一核心区内物种迁徙的捷
21、径孔隙中心区内部的孔洞,由背景构成生态空间核心区内部的建设用地,不具有生态效益,核心区和前景外部的边缘非绿色景观斑块之间的过渡区域,即内部斑块边缘支线仅有一边连接到边缘区、桥接区只有一端与边缘区、桥接区、环道区者孔隙相连的区域或环道区孤岛未连接任何的前景区域的斑块,彼此不相连的孤立、破碎的小型自然斑块,通常包括建成区内并且面积小于核心区的最小阈值的小型城市绿地,斑块之间的连接度比较低,内部物质、能量交流和传递的可能性比较小1.3.2景观连通性指数景观连通性是指景观对生态流的便利或者阻碍程度,是衡量景观生态过程的重要指标常用的景观连通性指数包括整体连通性指数(integral index of
22、connectivity,IC)、可能连通性指数(probability ofconnectivity,PC)、斑块重要性指数(the delta values for probability index of connectivity,d PC),其中斑块重要性指数(dPC)也表示可能性连通指数变化量,它表示斑块对景观保持连通的重要值即当景观中的某个斑块被移除时,景观结构将发生改变,连通性水平随之发生变化,变化量可认为是该斑块在景观连通性中重要性的表现.所以本文用dPC值来衡量各个斑块对景观连通性的重要值并在MSPA景观格局的基础上进一步提取芗城区生态源地2 6 其中dPC的计算公式见式(1
23、):PC-PC;removedPC,=100(1)PC式中,PC值表示所有斑块都存在时的景观整体的可能连通性指数,PC;-remove指缺少斑块i后剩余斑块组成的景观的可能连通性指数,因此,当dPC越大时,就说明缺少该斑块时,整体的可能连通性指数变化量大,表表示该斑块在景观连通中越重要.1.3.3基于MCR模型的潜在生态廊道的提取MCR模型是指物种在从源地到目的地运动过程中所需耗费代价的模型,它通过构建生态阻力面,计算不同生态源地进行交流需要克服生态阻力所做功并进行对比,得出物种迁移的最小阻力的路径,它最早于19 9 2 年由Knaapen提出,之后该模型被应用到多种自然生态或人文过程的研究1
24、0.2-8 ,其计算公式见式(2):2D,xR.,i=mMCR=fmin(2)min式中,MCR指最小累积阻力值,D,指生态用地从源i到i的空间距离,R,表示栅格i对生态用地空间扩张的阻力系数.基于AirGIS软件,将重要生态源地进行要素转点后,得到的点作为生态源点,并结合综合阻力郎道张敏,基士生态网络的城市生态格局构建第4期93面,开展基于MCR模型的潜在生态廊道的提取而生态阻力面的建构对生态安全格局的构建至关重要,它是现实物种迁移时难易程度的模拟面,大多数研究中对土地利用类型直接赋值来构建生态阻力面,本文参考文献9,2 9 ,选取土地利用类型、高程、坡度、NDVI等阻力因子构建芗城区生态阻
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