广州白云区景观生态安全格局优化

刘照程，吴 斌，韦志飞

(1.广东省岭南综合勘察设计院，广州 510663；2.湖南省国土资源规划院，长沙 410000)

广州白云区景观生态安全格局优化

刘照程1，吴 斌1，韦志飞2

(1.广东省岭南综合勘察设计院，广州 510663；2.湖南省国土资源规划院，长沙 410000)

利用景观生态安全格局优化构建生态网络是实现区域可持续发展的有效措施。以广州白云区为例，结合粒度反推法、主成分分析和累积耗费距离模型，对白云区的景观生态安全格局进行优化研究。结果表明：1)1 000 m粒度的生态景观组分结构具有最好的整体连通性，是白云区客观选取生态源地的参考,选取了11个生态源地，构建了21条生态廊道和18个生态节点，组成了白云区的生态网络；2)人为干扰和地形地貌造成了白云区生态源地空间分布和规模的差异，最大生态源地占源地面积的64.05%，对当地生态系统的发展起主导作用；3)生态节点形成了17个生态建设区，总面积578.79 hm2，人类活动是阻碍生态流运行的主要因素。

景观生态安全格局；粒度反推法；主成分分析；累积耗费距离模型；生态网络

人与自然的和谐发展依赖于良好可持续的生态环境[1-2]。景观生态学指出生态环境中存在不同空间形态的“关键局部”，能对生态系统的生态服务功能发挥产生显著影响[3]，进而控制生态过程的进行[4]。这些“关键局部”在空间上形成了有序分布的格局，即景观生态安全格局，因此合理的景观生态安全格局是实现经济社会可持续发展的基础[5-6]。景观生态安全格局研究的核心内容是景观格局与生态过程的关系[7]，学者们利用概念模型、数学模型及计算机模拟对其相互作用机制已进行大量研究[8]，其中累积耗费距离模型能有效表达生态流运行的趋势及特征[9-10]，与景观连通性、岛屿生物地理学[11]等理论结合，形成了完整的“格局—过程—功能”分析过程[12]，具有启发意义。目前该景观生态安全格局优化方法主要应用在景观生态规划、区域资源管理、物种保护等领域[13-15]，通过构建空间结构合理的生态网络提升区域生态安全。优化途径主要是选取生态源地、确定生态廊道和生态节点的空间位置[16]，对于其空间形态研究较少，客观性和实用性还有待加强[4]。本研究尝试对生态源地的客观选取以及生态节点的规模和形状进行分析探讨，为完善景观生态安全格局优化的过程和提高优化结果的指导意义提供参考。

改革开放以来广州的发展日新月异，白云区作为老城区在发展竞争中的缺陷逐渐暴露，土地粗放利用、人口众多、城中村分布散乱、生态环境恶化等问题严重制约了白云区经济社会协调可持续发展。为转变区域发展乱象、营造宜居环境，近年来白云区正大力推进城中村改造和老城区规划等项目。本研究以白云区为研究区，对白云区的景观生态安全格局进行优化研究，以突出白云区生态系统的关键局部，构建结构合理生态网络，为当地区域发展规划及生态建设提供参考。

1 研究区概况

白云区地处广州市中西部，113°13′―113°28′E，23°16′―23°19′N，总面积66 503 hm2，下辖钟落潭镇、人和镇、江高镇、太和镇，以及同德、黄石、三元里等18个乡镇街道，常住人口约230万人。境内地势东部及北部较高，由东北向西南倾斜，丘陵、平原分布较广。白云区阳光充足，年均日照时数1 750 h，雨量充沛，年均降雨量2 100 mm，气候温和，年均气温22.5 ℃，温差较小，属于海洋性亚热带季风气候。由于位于沿海地区，境内河网密布，白沙、流溪、石井等河流贯穿其中，为农业发展和居住生活创造了良好的条件。白云区发展起步早，是广州外来务工人群的主要居住地之一，土地资源利用粗放、结构失衡，主要土地利用类型为建设用地和林地，其中建设用地占区域面积的1/3以上，生态承载赤字严重，生态、生活环境持续恶化，急需协调境内用地格局以促进经济社会可持续发展。

2 材料与方法

2.1 数据来源及处理

基础数据包括2012年二调数据、1∶1万地形图和2015年遥感图。遥感图等级为19级，分辨率0.54 m；采用西安80坐标，配准各类基础数据，利用实地踏勘确定遥感图解译标志，校对调整二调数据；根据2007年土地利用现状分类标准[17]实现景观类型归并，得到林地、园地、耕地、草地、水域、交通运输用地、其他土地和建设用地。

2.2 研究方法

2.2.1 粒度反推法

粒度反推法是从景观格局的角度确定生态源地的方法，以不同粒度模拟生态系统核心组分的不同结构，根据组分结构随粒度变化表现出来的特性来确定最优生态源地结构，从而反选生态源地[4]。该方法能模拟生态系统的主要生态组分，因此可为客观选择生态源地提供直接依据。考虑到整体连通性是生态系统发挥生态功能的重要影响因素，研究选取最大组分斑块数、邻接比率、分离度、连接度、聚合度作为测定指标表征生态组分的整体连通性，进而度推算生态源地的具体空间位置。

2.2.2 主成分分析法

主成分分析法能根据测定指标的整体信息特征，把多指标转化为少数综合指标。利用特征值和主成分矩阵，主成分分析可构建综合评价函数，进而反映出研究对象某一特征的优劣。本研究利用粒度反推法构建不同的景观组分结构，再利用主成分分析法对测定指标进行分析，计算不同景观组分结构的综合评分，进而选择最优景观组分结构。

2.2.3 累积耗费距离模型

生态系统中的能量流、物质流及信息流等统称生态流，其在景观格局中运行需消耗能量，即克服景观阻力[18]，因此生态流的运行具有倾向性。通常认为生态服务功能越高的景观类型，其间生态流运行的阻力越小，否则越大。累积耗费距离是生态流从源出发，到空间任意位置所需克服的阻力之和[19]，模型如式(1)。

(i=1,2,3,…,m;j=1,2,3,…,n)

(1)

其中：Dij是生态流从景观类型i到源j所通过的距离；Ri是景观类型i的阻力，m是景观类型i的种类数，n为单元总数。

参考刘杰等[13]研究，确定景观类型的阻力值(表1)。

表1 生态阻力值景观类型生态服务功能价值/元/(hm2·a)阻力值耕地6114 355园地12870 345林地19334 020草地6406 570交通运输用428 090水域40676 41其他土地371 480建设用地-8852 1100

2.3 景观生态安全格局优化步骤

2.3.1 生态源地的选取

生态源地发挥着生态系统主要的生态服务功能，是由生态服务功较高的景观类型组成的，具有一定规模的景观组分，景观类型多为林地、草地和水域。考虑白云区的整体范围，根据粒度反推法的分析思路；以50 m，100 m，200 m粒度为模拟起点，200 m之后以200 m为递增尺度，至2 000 m粒度共构建12种景观组分结构，分别计算测定指标，利用主成分分析确定整体连通性最好的景观组分结构，再结合土地利用现状图选取相应的生态源地。

2.3.2 生态阻力面的构建

事物之间存在相互影响，多与空间位置相关。为模拟景观斑块阻力在空间上的相互影响，从显性阻力和隐性阻力两方面构建生态阻力面[4]。显性生态阻力根据景观类型的空间分布进行构建，隐性生态阻力利用克里格差值法分析景观斑块质心之间的相互影响进行模拟。以单位面积景观类型的生态服务价值为度量标准，赋予各类景观相应的阻力值(表1)。综合考虑显性阻力面和隐性阻力面的空间分布特征，利用空间主成分构建两种阻力面相叠加的生态阻力面，主成分的荷载为91.29%，能准确反映景观斑块的相互影响。

2.3.3 生态廊道的计算

生态廊道将分离的生态源地相互连接成整体，有利于物质、能量和信息的交流，同时共同分担风险，对保障生态安全和改善生态环境至关重要。利用累积耗费距离模型计算生态源地之间各空间位置的累积阻力，将相邻生态源地连接的累积阻力最小的路径即为生态廊道，生态源地之间应形成环状廊道格局[10]。

2.3.4 生态节点的确定

作为生态源地之间连接的跳板，生态节点位于相邻生态源地之间累积生态阻力的切点上，同时也是生态廊道上的脆弱局部，能有效强化生态廊道，提高景观生态安全格局的稳定性。在生态阻力面的基础上利用水文分析提取累积阻力最大的路径，生态节点为生态廊道与其相交点。

2.3.5 生态节点规模和形状的计算

生态节点和生态源地具有类似的空间形态和生态功能，其生态系统都为孤岛状，因此生态节点的规模和形状一方面应与生态源地相适应，另一方面要考虑景观基质。基于耗散结构和岛屿生物地理学理论[20][式(2)]，将生态阻力看作生态系统的熵，生态流作为生态物质、能量、信息交换的功能流，其克服生态阻力的运行可当作组织生态系统有序发展的外部能量，当能量等于熵时，生态系统实现有序发展。因此，以生态源地的最小累积阻力为参照，确定生态节点的规模，即生态系统的发展规模相当。以生态节点为源，利用累积耗费距离模型构建生态阻力面，当累积生态阻力等于生态源地中最小累积阻力时，该范围为生态节点的范围，进而确定生态节点的规模和形状。

ds=dsi+dse

(2)

其中：ds系统的总熵；dsi是系统内部的熵，本研究中表示生态阻力；dse是系统与外界环境物质、能量交换而产生的熵的变化，本研究中表示生态流克服阻力而引起的能量变化。

3 结果与分析

3.1 生态源地空间位置的确定

利用粒度反推法构建不同的生态景观组分结构，分别计算不同粒度景观组分结构的测定指标(表2)。

表2 各景观组分结构的测定指标值粒度/m最大组分斑块数连接度/%邻接比率/%聚合度分离度507950 031383 455483 70490 66201008120 087876 048576 50610 73352008340 328577 373278 32570 69304009050 888673 992675 89830 63126009141 411373 104475 98510 59718009443 260972 222276 25180 360310009315 128273 617078 81550 286812009741 515269 155875 26500 4675140089971 100978 68020 2200160094769 277178 23130 1379180091867 741977 77780 180520008933 333369 565278 05130 3733

最大组分斑块数(X1)、连接度指数(X2)、邻接比率(X3)、聚合度(X4)、分离度(X5)等5个测定指标中分离度越大，景观的整体连通性越差，因此取负数，以保证测定指标评价的方向一致。利用主成分分析法对不同景观组分结构的测定指标进行分析，得到2个主成分，其中主成分1(Z1)上荷载较高的测定指标包括连接度、邻接比率和最大组分斑块数，可认为是连通性指标，主成分2(Z2)上荷载较高的测定指标包括分离度和聚合度，反映出评价对象的整体性。

根据主成分的特征值计算相应的特征向量，并将特征向量乘以标准化后的测定指标，得到各主成分的表达式：

Z1=0.557X1+0.450X2-0.551X3-

0.368X4+0.434X5

(3)

Z2=-0.009X1+0.050X2+0.006X3+

0.767X4+0.640X5

(4)

根据特征值计算主成分的权重W，进而得综合评价得分的计算公式：

(5)

图1 景观组分结构的综合得分

将测定指标进行归一化处理，代入(式3)、(式4)和(式5)，得不同景观组分结构的综合得分(图1)。综合得分随着粒度的增大先上升后降低，在1 000 m粒度时得分最高，且出现数据变化的拐点，说明1 000 m粒度的景观组分结构具有较好的整体连通性，可根据该景观组分结构选取生态源地。

选取白云区生态景观类型(林地、水域和草地)，根据土地利用现状和粒度为1 000 m的景观组分结构，将相连或相隔很近的生态景观斑块合并形成生态源地。1 000 m粒度的景观组分结构存在主要的景观组分12个，其中有2个为相连的河流，合并为一个生态源地，因此境内共有11个生态源地(图2，Y1—Y11)。从分布格局来看，面积较大的生态源地主要分布在东部，该区主要地形为丘陵，适合发展林业和生态旅游，林地连接度较好，形成大规模的生态源地；中、西部地区的生态源地面积较小且布局分散，该区地形以平原为主，常住人口众多，建设用地分布广泛，以致生态景观被隔断而趋于破碎化。生态源地的最大规模为13 608.53 hm2，由龙眼洞、天鹿湖、帽峰山等5个森林公园相互连接组成；最小规模为108.72 hm2，为白云湖公园。从空间形态看，白云区东部的生态源地规模较大，该区为丘陵，林地分布广泛且连通性好；中西部生态源地的规模较小、布局分散，该区多为平原，是常住人口主要的居住区，人为干扰对景观的影响较深，生态景观类型的分布趋于破碎化。

图2 白云区景观生态安全格局优化示意图

3.2 生态阻力面的构建

根据显性阻力和隐性阻力计算任意空间位置到生态源地的累积耗费阻力，得到白云区的生态阻力面(图3)。对比显性阻力和隐性阻力，发现局部区域的生态阻力明显不同，某些区域的显性阻力值较高，但隐性阻力却较低。这些区域是潜在的生态陷阱生态系统受周围环境的影响而不足以维持良性发展，但又容易误判为生态环境较好的区域，因此需要重点保护建设。这些区域主要是：

1)“同德街道―黄石街道―石井街道―嘉禾街道”周边区域，该区域为老城区周边城郊，生态过程复杂，建设用地有进一步扩展的趋势，应加强该区生态建设，形成以林地为主的绿带，为防止城区持续扩张；

2)江高镇东北部东镜市场周边区域，该区域分布有双岗小学、东镜中学、六十六中学、技工学校等9家学校，地类主要为建设用地和耕地，仅有少量林地散布其中，已形成新的城市发展方向，且其北部为花都区主城区，有彼此连接发展的趋势，应及时科学规划，形成城市景观与生态景观相互交融的格局，防止摊大饼式的城市发展模式；

3)人和镇北部区域，该区域为人和镇的主要镇区，城市建设已具备一定规模，景观格局以建设用地为主，且与少量耕地相互交错，镇区四周有大量城中村分布，是生态建设的重点区域；

4)钟落潭镇“八十中学―良田工业区”周边区域，该区域已成为钟落潭镇的重点发展区域，沿105国道和267省道形成十字形城镇发展格局，东西部存在大量城中村，外围以耕地为主，城镇用地有进一步扩张的趋势。

3.3 生态廊道和生态节点的确定

生态廊道是连接分散生态源地的主体，是强化生态系统的关键。白云区有生态廊道21条(图2，D1—D21)，总长度66 km，其中最长的生态廊道位于白云区西北部，西起江高镇沙溪农庄，东到人和镇云高生态公园，长14.34 km。根据生态廊道的景观基质和功能，将生态廊道分为4类。耕地生态廊道6条，主要位于白云区中部，该区为太和镇与钟落潭镇的交界处，以耕地为主，外围为根据道路布局的建设用地，景观破碎化程度大；园地生态廊道1条，分布在白云区东北部新和学校西南方，是一条东西走向的果园种植地带，周围以建设用地为主；水域生态廊道5条，主要分布在白云区中部，该区耕地较多，流溪河流经其间，河网水渠密布，水域生态廊道多为服务于农业生产的沟渠或的坑塘；建设用地生态廊道9条，由西南向东北分散布局，与丘陵地区呈平行关系。

图3 综合生态阻力面的构建

加强生态节点的建设能有效强化生态廊道，提高生态系统的连通性。白云区有生态节点18个(图2，J1—J18)，西南部分布较分散，中部较集中，因为中部区域地类多样且破碎化程度高，生态阻力变化明显，导致生态过程复杂。根据生态节点的景观基质和功能，将生态节点分为4类：耕地生态节点5个，主要分布在中部区域；园地生态节点2个，中部和东北部各分布1个，处于人类主要活动范围之内；林地生态节点1个，位于东北部；建设用地生态节点10个，布局较分散。

耕地是农业生产活动的主体，人为干扰强烈，且农药化肥易对环境造成污染，为防止污染物通过生态流运行通道进入生态源地，耕地生态廊道和生态节点应选择以抗污染能力强的乡土植物组成。园地的生态服务价值较高，性质上与林地接近，因此园地生态廊道和生态节点可在现有景观基础上划定保护范围，丰富生物多样性和景观层次。林地是生态源地的组成景观，生态节点的建设方式为划定保护区，加强生态环境的保护和管理。水域生态廊道和生态节点主要服务于农业生产，易受干扰和污染，应设立缓冲区并限制人为活动，形成水域和林地组成的复合生态系统。建设用地是人类生活的直接载体，受干扰最强烈，其作用是完善景观格局，提高生活质量，可将生态廊道和生态节点分别建设成生态景观带和生态公园，完善城市生态格局，提高生活质量。

3.4 生态节点形状和规模的计算

计算各生态源地的生态阻力值，选择累积生态阻力最小的生态源地为参考标准，分析生态源地的规模和形状。利用累积耗费距离模型以生态节点为目标计算生态节点的生态阻力面，通过生成等值线确定生态阻力的梯度分布，当生态节点覆盖范围内的累积阻力等于参考标准时，该等值线为生态节点的空间范围，即确定了生态节点的规模和形状。白云区生态源地的最小累积阻力为67 885，各生态节点的规模和形状如图4。生态节点总面积578.79 hm2，范围以耕地最多，为214.68 hm2；建设用地次之，为152.27 hm2；草地和未利用地的面积最少，分别为8.83 hm2和7.31 hm2。由此可见白云区生态过程的干扰主要来自人类活动，耕地和建设用地分布最广，成为阻隔生态流运行的主要景观类型，构建生态网络、减少关键局部的人为干扰是当地生态建设的主要途径。

图4 生态节点的空间形态

4 结论与讨论

1 000 m粒度的生态景观组分结构具有最好的整体连通性，是白云区客观选取生态源地的合适参照。根据该参照，白云区选择了11个生态源地，需构建21条生态廊道和建成18个生态节点，这些“关键局部”共同组成了白云区的生态网络。稳定性是衡量区域生态安全水平的重要标准，生态系统的稳定性较高，其抗干扰能力和恢复力往往更好，目前通过选取合适的生态源地，进而构建增强生态系统整体连通性的生态廊道和生态节点是提高区域生态安全水平的主要途径之一，相互连接的网络结构形成了有机统一的整体，能有效促进生态源地之间的物质、能量、信息交流，形成结构复杂的生态格局，提高区域的生物多样性，降低干扰对岛状生态源地的干扰程度，在生态环境中具有不可替代的重要作用。

受地形地貌和人为干扰的影响，生态源地的规模差异明显。最大生态源地由龙眼洞森林公园等5个森林公园组成，其规模是最小生态源地的126倍，占生态源地面积的64.05%，对区域生态演替起主导作用，这也证明了设置森林公园、自然保护区等生态保护用地对提升区域生态安全具有重要意义。生态源地多为岛屿状景观组分，根据岛屿生物地理学理论，规模较大的景观组分在生态系统中更容易占据优势，形成丰富的生物多样性。粒度反推法从整体连通性的角度分析具有一定规模的生态景观组分作为生态源地，为构建合理的生态网络提供了基础。

根据耗散结构理论，利用累积耗费距离模型确定白云区的生态节点形成17个生态建设区，总面积578.79 hm2，人类活动是阻碍生态流运行的主要因素。目前对生态节点的研究还处于空间位置的确定，空间形态的研究极少涉及。本研究从生态源地阻力特征和生态节点的景观现状进行考虑，计算出与区域生态系统相适应的生态节点的规模和形状，对生态节点的空间形态研究具有参考意义。生态节点功能的发挥取决于空间形态和组成形式，规模、群落结构、生物多样性、物种特征等是其主要的影响因素，也是深化景观格局优化的主要研究方向。

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LandscapeEcologicalSecurityPatternOptimizationofBaiyunDistrictinGuangzhou

LIU Zhaocheng1，WU Bin1，WEI Zhifei2

(1.Lingnan Integrated Exploration and Design Institute of Guangdong Province, Guangzhou 510663, Guangdong, China；2.Land and Resources Planning Institute of Hunan province, Changsha 410000, Hunan, China)

Using landscape ecological security pattern optimization to structure ecological network is an effective measure to promote the sustainable development of region. This paper took Baiyun district of Guangzhou city as example, combining granularity inverse method,principal component analysis and accumulative cost distance model to carry on the study of landscape ecological security pattern optimization so that to provide reference for the local ecological construction. The results showed that：1)The ecological landscape component construction of 1 000 m granularity had a best overall connectivity and it was a suitable reference for the selection of ecological sources. There were 11 ecological sources, 21 ecological corridors and 18 ecological nodes chosen in Baiyun district.2)The reason of different space distribution and scale of ecological sources was man-made jamming. The ratio of the maximum ecological source to the total area of ecological sources was 64.05%, and it played the leading part in the development of local ecological system.3)Ecological nodes formed 17 ecological construction areas in Baiyun district and their total area was 578.79 hm2.Human activity was the major factor which hinder the run of ecological flow.

landscape ecological security pattern；granularity inverse method；principal component analysis； accumulative cost distance model；ecological network

2017—05—31

刘照程(1987—)，男，湖南冷水江人，林业工程师，主要从事林业调查规划设计工作。

F301.2

A

1003—6075(2017)02—0033—08

10.16166/j.cnki.cn43—1095.2017.02.009