基于最小阻力模型的武安市景观安全格局研究

,2(.中国地质大学(北京) 土地科学技术学院,北京 00083;2.国土资源部土地整治重点实验室,北京 00035)

基于最小阻力模型的武安市景观安全格局研究

魏聪礼1,张建军1,2,程明芳1,耿晓丽1
(1.中国地质大学(北京) 土地科学技术学院,北京 100083;2.国土资源部土地整治重点实验室,北京 100035)

矿产资源的开采虽然使资源型城市的社会经济迅猛发展,但也造成了环境污染和景观安全格局破坏。以资源型城市武安市为研究区,基于“源—汇”理论和最小阻力模型,确定武安市的“生态源”和“干扰源”,构建综合阻力面,提取重要生态廊道,分析其景观安全格局状况。研究结果表明:①“生态源”集中分布在武安市西部自然保护区,中东部分布较少且连通性差;②矿产资源开采区的生态阻力值较大,交通建设对生态过程扩展起阻碍作用;③生态廊道网络布局特征明显,南、北氵名河连贯东西,南北方向因生产建设干扰强烈出现断层;④矿区周围生态用地破碎严重,应将生态规划与城市规划、矿区规划相结合,整体上保护资源型城市的景观生态安全格局。

景观生态安全格局;MCR模型;武安市;生态廊道

1 引言

景观生态安全格局是支持城市生态安全的关键性格局,对保护城市生态系统结构和功能、保障城市的生态系统服务具有重要的作用[1,2]。由于资源型城市对自然资源的大量开采,引发了许多环境污染问题,景观生态安全格局也遭受了不同程度的破坏[3]。减轻矿产资源开采对生态环境造成的破坏,改善资源型城市的生态环境,是资源型城市健康可持续发展的关键[4]。武安市作为一座典型的资源型城市,社会经济的快速发展造成了许多生态环境破坏问题,因此研究武安市的景观生态安全格局十分必要[5]。

在景观生态安全格局研究方面,霍华德等提出“花园城市”理论和有关实践对景观生态安全格局规划的影响深远[6];俞孔坚提出“反规划”途径,通过建立保障自然过程安全的景观安全格局来解决城市的功能结构问题具有非常重要的意义[7]。国内外众多学者从城市网络和景观网络的角度进行了景观生态功能网络构建和应用的研究[8,9]。在方法上,运用较多的是Knaapen提出的最小累积阻力模型,该方法最先应用在物种扩散过程的研究方面[10],后经过俞孔坚、陈利顶等的修改,被广泛应用于景观格局分析等生态领域[11,12]。近年来,在景观生态安全格局分析[13,14]、景观可达性分析[15]、生态保护功能区划定[16]等方面的研究和实践逐渐增多。

本文在总结前人研究方法的基础上,结合武安市的城市发展特征,识别影响武安市景观安全格局的“生态源”和“干扰源”,通过确定两种“源”的阻力因子和阻力值,运用最小累积阻力模型方法构建“生态源”和“干扰源”的综合阻力面,提取具有重要生态功能的生态廊道,对武安市的景观生态安全格局进行分析和优化,以期为资源型城市景观生态安全格局的理论发展和生态环境保护提供参考。

2 研究区与数据

2.1 研究区概况

武安市位于河北省邯郸市西北部的太行山东麓,地理座标为：113°45′—114°22′E、36°28′—37°01′N。武安市西部地区地势较高,四面环山,中部地势平坦,局部形成平原,称之为“武安盆地”,地理位置见图1。全市土地总面积1806km2,地形以山地丘陵为主,现辖22个乡镇,502个行政村,人口达到83.7万人。武安市的矿产资源以铁矿、煤矿为主,是全国58个重点产煤县(市)和全国四大富铁矿基地之一,2015年生产总值达到600.1亿元。

图1 武安市的地理位置

武安市是以采矿业为优势产业的矿业城市,多年的矿产资源开采,使城市尤其是矿区周围的生态环境和景观格局破坏严重。矿山生态破坏类型主要有废弃采矿坑、排土场和塌陷煤场,集中分布在矿产资源富集区,如矿山镇、淑村镇、康二城镇等。当前矿山废弃地的现状用途多为独立的工矿用地,矿山建设用地在闭坑或停产后部分用于耕地、园地、林地等生态用地,还有一部分被闲置起来,成为裸岩石砾地、荒草地等未利用地。矿山开采改变了当地的土地结构,严重破坏了生态系统的稳定性,造成生态景观面积减少、连通性降低,严重阻碍了武安市的可持续发展和“绿色矿业城市”建设。

2.2 数据来源

本文主要利用武安市国土局提供的2015年武安市土地利用现状图、土地利用数据库、土地利用变更数据、相关年份的《武安市统计年鉴》和其他规划图件、文本作为基础数据进行研究。利用地理空间数据云上的GDEMV2 30m分辨率数字高程数据,研究区的武安市包括三幅数据,分别为条带号113、行编号36、37和条带号114、行编号36。利用ArcGIS10.2软件,通过拼接、裁剪等操作,得到武安市的高程数据。其中,矢量数据的整合处理利用ArcGIS10.2软件实现。为了突出采矿活动的影响,我们将土地利用类型按照对生态景观的作用分为生态用地和非生态用地两大类,其中生态用地包括林地、草地、耕地、园地、水体和未利用地,非生态用地包括工矿建设用地、非工矿建设用地和交通用地。

3 研究方法

研究城市的景观生态安全格局首先需要确定“源”,并识别连接“源”的走廊即生态廊道。最小累积阻力(Minimum Cumulative Resistance,MCR)模型考虑了生态过程和景观格局的相互作用,在景观生态安全格局的研究中应用广泛。本文将矿业城市的景观受干扰特征融入该模型中,分析武安市的生态安全格局和景观特点。最小累积阻力就是从“源”地通过具有不相同阻力值的各类景观类型所累积耗费的最小成本或克服阻力做的最小功,反映的是过程扩展的难易程度[17]。最小累计阻力值的确定是进行景观生态安全格局研究的关键,计算公式为:

(1)

式中,MCR为最小累积阻力值;Ri为景观i对“生态源”扩展(或生态空间扩张)的阻力系数;Dij为“生态源”j扩展到景观i的距离;∑为景观i与“生态源”j之间穿越所有单元的距离和阻力的累积;min为被评价斑块对不同的“源”取累积阻力的最小值;f为一个函数,其生态过程与最小累积阻力正相关。

运用最小累积阻力模型研究景观生态安全格局的关键在于“源”的选取和阻力面的构建,本文采用最小累积阻力模型分别建立“生态源”与“干扰源”扩展过程的最小累积阻力面,通过计算两者的最小累积阻力差值提取综合阻力面,识别生态廊道。在本研究中,阻力值侧重反映一个生态景观单元经过不同的景观单元所受到的阻力大小,即生态阻力值,计算公式为:

MCR差值=MCR生态-MCR城镇

(2)

式中,当MCR差值的值为正时,表示该区域的生态用地扩张阻力大,值越大越适合城镇用地的扩张,反之亦然。利用最小累积阻力模型研究景观生态安全格局,可对景观之间的水平联系进行综合考虑,不仅仅是考虑景观的垂直联系[18]。因此,该模型在景观生态安全格局研究方面具有良好的适用性和扩展性,能较好地反映景观生态安全格局的内在有机联系。

4 过程与分析

4.1 “源”的提取

“源”的确定是景观生态安全格局研究的基础,本研究的“源”包括“生态源”和“干扰源”两种。其中“生态源”是一些连续分布的自然斑块,具有调节环境气候、减少环境污染、改善环境质量、维护生物多样性等多方面的景观生态功能,能促进生态过程的发展,具有系统性、整体性和空间拓展性[19]。“干扰源”是指能推进城镇化、促进经济发展和满足城镇居民衣食住行需求,而对生态用地扩张起抑制作用,对景观的安全格局产生负面影响的非生态斑块是景观格局时空分异的重要驱动力来源[20]。本研究从改善生态环境和推进城镇化两个角度选取两种“源”,其中“生态源”包括具有较高生态服务价值的大型生态用地斑块[21],考虑资源型城市生态用地的特殊功能和用地结构,提取面积大于50hm2的生态用地作为“生态源”,而将面积大于10hm2的非生态用地作为“干扰源”,见图2(封二)。

从地形地貌特征和景观格局现状方面分析,武安市的“生态源”呈四周环绕分布的空间格局,面积较大的“生态源”主要分布在西北部和西南部,且它们之间具有较好的连通性。从城市功能定位上看,西部“生态源”地处武安市的自然保护区和封山育林区,涵盖了武安市绝大部分的风景区,主要由草地和林地组成,山体周边多为开垦的耕地,受干扰强度弱、保护力度大,是重要“生态源”的保护区。由于武安市中东部为武安市经济发展的核心区域,景观类型受人类活动干扰强烈,因此“干扰源”主要分布于此。位于中东部的“生态源”面积较小、连通性较差,并且大量的建设用地和工矿用地等“干扰源”阻碍了东部和西部“生态源”之间的生态扩展过程。其他“生态源”则主要分布于矿山生态修复区,大部分由林地和工矿废弃地镶嵌构成,受“干扰源”的干扰强度较强。

4.2 阻力因子与阻力值的确定

阻力值可反映不同景观单元通过同一单元的难易程度。本文参考武安市的景观生态格局空间分布,因地制宜地选取了景观类型、生态服务价值、坡度和高程四个影响程度较高的因素作为阻力因子。由于景观类型、景观类型的生态服务特征和地形地貌的差异对生态用地保护和城镇扩张的影响不同,因此需要对不同阻力因子进行赋值[22]。本研究采取标准化法、极差法和自然断裂法对各阻力因素的原始数据进行处理,利用ArcGIS10.2软件对各阻力因子进行重分类,得到各类阻力因子的阻力值,并依据各阻力因子的影响程度大小采用层次分析法确定其权重[23],各阻力因子阻力值及权重值见表1。

表1 各阻力因子的阻力值与权重值

景观类型与生态服务价值:景观类型和生态服务价值这两个阻力因子对“生态源”和“干扰源”具有相反的阻力值。生态用地有利于“生态源”的扩展,非生态用地有利于“干扰源”的扩张。生态服务功能主要包括气候调节、水源涵养、废物处理和生物多样性保护等功能。生态服务价值越高,越有利于“生态源”的扩张,而对“干扰源”的阻力值则增大。“生态源”和“干扰源”的景观类型阻力值见图3(封二),生态服务价值阻力值见图4(封二)。

高程与坡度:高程与坡度值这两个阻力因子对“生态源”和“干扰源”具有相同的影响效果,高程值的增大和坡度值的增大都不利于“生态源”和“干扰源”的扩张。武安市四面环山,地势西北部最高,最高海拔为1898m,最低海拔为78m。一般而论，高程值越大,对“生态源”和“干扰源”的阻力值就越大。根据武安市的DEM数据,本研究利用ENVI5.1软件的Topographic Modeling工具计算其坡度值,坡度值越大,对“生态源”和“干扰源”的阻力值就越大。高程和坡度的阻力值见图5(封二)。

本研究利用ArcGIS10.2软件中的Raster calclutior工具,对“生态源”和“干扰源”的四个阻力因子分别进行加权求和计算,得到“生态源”和“干扰源”的综合阻力值,生态源综合阻力值见图6a(封二),干扰源综合阻力值见图6b(封二)。

4.3 最小耗费阻力面的构建

按照最小累积阻力面计算的方法,结合“源”和阻力因子的阻力值,本研究利用ArcGIS10.2软件空间分析工具中的Cost distance模块,分析得到“生态源”和“干扰源”扩张的最小耗费阻力面,并对这两个阻力面进行差值计算,得到综合阻力面,三种不同的阻力面见图7(封二)。

4.4 生态廊道的识别

生态廊道作为连接各种开放空间的绿色生态通道,对城市环境的改善、自然栖息地的保留和城市绿地系统的完善有着重要的作用。在ArcGIS10.2软件空间分析模块中,生态廊道通常理解为各“源”间的低累积阻力谷线,是相邻两“源”间最容易联系的低阻力生态通道和“源”间生态流的高效通道与联系路径[24]。在最小累积阻力模型中,廊道设定在“源”间低阻力最低的“谷线”附近,每一个“源”都有一条或多条穿过“谷线”的廊道同其他“源”相连接[25]。本研究利用ArcGIS10.2软件中的Hydrology模块,通过确定正负地形、挖地填充、计算流向、计算汇流累积量等步骤提取低阻力“谷线”作为生态廊道,共识别提取了82条生态廊道,其位置和走向分布见图8。

图8 生态廊道

分析生态廊道的结构布局可知,武安市境内的生态廊道网络结构可概括为“一环五横六纵”。“一环”指城区二环,“五横”指邯沙、磁左、邯长铁路线路和青兰高速路、309国道路,“六纵”分别指刘西、永峰、邢峰、平涉和矿宋线路、邢峰高速路；同时呈现“两横一纵”式的分布,“两横”是指南氵名河和北氵名河,“一纵”是指312省道。发达的交通干线是影响景观格局的重要因素,错综复杂的交通网络对提高生态网络的连通性起到了双向作用。两条季节性河流南氵名河和北氵名河是贯穿武安市东西方向的河流型生态廊道,可作为武安市的重要生态连接廊道。

4.5 武安市景观格局优化

从整体上看,武安市作为典型的矿业城市,生态网络结构的稳定性和连通性一般,生态廊道分布不均衡,其结构分布受城市建设发展和采矿活动的影响较大。人为干扰活动少的西南区域廊道数量较多,连通性较强,生态系统相对稳定;中东部、东北部囊括城市中心和重要的采矿活动区,生态廊道数量较少且连通性不高,缺少连接南北方向的生态廊道,造成“生态源”扩展途径单一。

对位于武安市西部和南部的生态源优化,需要进一步实施退耕还林工程,确保其生态环境不受破坏;对位于矿山修复区的生态源,是优化的重点区域,需要积极开展矿区生态复垦,增加矿区林地面积,改善矿区生态环境,促进生态过程的扩展。武安市的生态廊道对“生态源”起到了“桥梁”的连接作用,但连接南北方向的生态廊道数量较少,需要在今后的规划中增加其数量。武安市的两条河流型生态廊道属于季节性河流,大量水体用地被占用,河流两岸聚集多家工业企业,因此需要对河流生态廊道两岸产能低、污染大的工业企业进行搬迁。南北方向道路型生态廊道集中出现大段缺失的情况,需要在道路廊道两岸建立绿化带,增加绿地面积,提高生态廊道功能。

在武安市中东部的矿区区域,生态斑块面积较小,破碎化较严重,大多数生态斑块是草地、林地与工矿废弃地的融合体,一方面需要积极开展矿区生态恢复,增加矿区生态用地面积;另一方面,现有的武安市工业区、南氵名河工业区和青龙工业区对武安市整体的景观生态安全格局破坏影响较大,应及时对已搬迁的矿企旧址进行生态修复和绿化,更好地保护武安市的景观生态安全格局。

5 结论与讨论

5.1 结论

主要是:①分析了武安市的用地布局和矿区景观特征,通过最小累积阻力模型的方法,构筑“生态源—生态廊道”模式的生态网络。在构建生态过程扩展阻力面时,考虑了资源开采对景观生态安全格局的影响,也考虑到生态用地扩张与城镇扩张之间相互制约的关系,将“生态源”和“干扰源”的扩张阻力面差值作为最终的综合阻力面,利用综合阻力面提取生态廊道,分析武安市的景观生态安全格局,更加符合武安市的实际情况,为其他资源型城市景观生态安全格局的研究提供参考。②通过对武安市工矿用地的分析发现,我国大多数资源型城市由于对矿产资源的大力开采,在矿产资源分布带周围分布有许多中小型工矿企业,这些中小型矿业企业的生产水平和资源利用率普遍偏低,公共资源利用的外部性强,粗放式经营浪费土地资源,对生态环境具有较高的干扰性。因此,对处于经济转型期的资源型城市,应尽快实现经济增长方式的转变,借鉴国内外中小矿企兼并重组的成功案例及时进行整改措施,引导企业有序搬迁,减少对景观生态格局的破坏。③资源型城市虽然主要是进行大量的矿产资源开采,但对开发资源型城市的矿业用地需要符合当地的土地利用总体规划、城乡总体规划和矿产资源开采规划等的基本要求。规范工矿区域用地布局,必须在矿产资源规划划定的鼓励开采区和允许开采区内进行矿产资源的开采,严禁在禁止开采区和重要交通干线周围进行采矿活动。重视景观生态规划在工矿用地布局中的引导作用,对矿产资源开发规划和建设项目实行环境影响测评,加强监督管理工作,预防破坏景观生态的现象发生。

5.2 讨论

景观生态安全格局研究是一个具有长期性、连通性的过程,在矿业资源利用规划、新建矿区规划和矿区生态修复规划过程中,应将景观生态安全规划理念融入到矿业城市传统规划的编制中,重点保护对改善生态环境、提高景观连通性有促进作用的生态用地。在重大基础设施建设中,运用绿色基础设施构建的理论方法,将基础设施与生态网络相结合,既可维持矿业城市生态系统的完整性、又可降低矿业城市环境改善成本。

在研究尺度上,本文着眼于武安市行政区划范围内景观生态安全格局的网络构建,并未考虑周边城市土地利用类型对研究结果的影响。在后续的研究中,需从较大的研究尺度进行研究,综合考虑武安市周边景观类型对武安市景观生态安全格局的影响。在阻力因子的选取上,本文只选取了土地类型、生态服务价值等因素作为阻力因子,未考虑武安市主要物种的活动范围和迁徙距离等因素,阻碍生态过程扩散的因素有很多,需在以后的研究中不断完善。

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StudyonLandscapeSecurityPatternofWu′anCityBasedonMinimumCumulativeResistanceModel

WEI Cong-li1,ZHANG Jian-jun1,2,CHENG Ming-fang1,GENG Xiao-li1
(1.School of Land Science and Technology,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083,China;2.Key Laboratory of Land Consolidation and Rehabilitation,Ministry of Land and Resources,Beijing 100035,China)

Although the exploitation of a large amount of mineral resources made the rapid development of social economy,it also caused the serious pollution of the ecological environment and the destruction of landscape ecological security pattern,this required us to pay enough attention to discover these problems and to take some measures to solve them.The resource-based city of Wu′an was the study area,based on the “source-sink”theory and the minimum cumulative resistance (MCR) model,the “ecological source"and “disturbance source" of Wu′an City were established,then built the comprehensive resistance surface,extracted the important ecological corridor,and analyzed the landscape ecological security pattern.The results showed that:①The “ecological source" was distributed in the west of Wu′an nature reserve,middle eastern distribution was less and the connectivity was very poor.②The ecological resistance value of the mineral resources exploitation area was large,and the construction of the traffic had an obstacle to the expansion of the ecological process.③The characteristics of the layout of the ecological corridor network was obvious,the South Ming River and North Ming River coherent east-west direction,north direction and south direction due to production and construction interference strong fault.④The ecological patches around the mining areas were too serious,and ecological planning should be combined with urban planning and mining planning to protect the landscape ecological security pattern of resource-based cities as a whole,so as to promote the protection of the landscape ecological security pattern of resource-based cities.

landscape ecological security pattern;MCR model;Wu′an City;ecological corridor

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.12.002

X171.4

A

1005-8141(2017)12-1417-05

2017-10-12；

2017-11-27

国家自然科学基金项目(编号:41571507)。

魏聪礼(1992-),男,河北省石家庄人,硕士研究生,主要研究方向为土地利用与土地生态。

张建军(1982-),男,山西省太原人,副教授,博士生导师,主要从事土地利用与生态经济方面的教学与研究工作。