基于生态安全格局的城市森林生态网络优化

袁轶男 金云峰 聂晓嘉 凌 瑞 吴沙沙 兰思仁

1 福建农林大学园林学院 福州 350002

2 同济大学建筑与城市规划学院 上海 200092

城市作为国家和社会经济发展的中心， 是一个人口高度集中的生态系统[1－2]。 城市生态安全是国家安全的重要表现特征之一， 我国2011 年出台了《国务院关于加强环境保护重点工作的意见》， 将生态安全格局构建与保护作为国家层面生态保护战略的核心问题。 从生态安全格局层面对城市森林进行优化是解决城市化带来的森林破碎等问题的必要基础， 能够为社会经济发展、 生态环境可持续发展以及景观建设和规划提供理论依据[3－4]。

1 研究区概况

福州市长乐区地处闽江口南岸， 位于长江口与珠江口中间， 分布范围25°40′—26°04′N， 119°23′—119°59′E。 地处中亚热带海洋性季风气候区， 年 均 降 水 量1 382.3 mm， 年 平 均 气 温19.3℃。 长乐区属于低山丘陵地貌， 丘陵分布于中部和南部， 东部和西部为平原。 截至2017 年，长乐区下辖4 个街道、 12 个镇、 2 个乡， 总面积658 km2， 总人口73.66 万人。 城区内水利交通便捷， 长乐福州之间交通便捷[5]。

2 研究数据及方法

2.1 研究数据

本研究数据主要有长乐区土地利用类型图和DEM 数据。 通过地理空间数据云上2002、 2010、2018 年3 期的30 m 空间分辨率的Landsat TM/ETM 和Landsat8OL1 影像为基础， 对数据进行辐射定标、 大气校正、 影像增强和影像裁剪的预处理。 DEM 数据来源于地理空间数据云30 m×30 m的DEM 数据， 提取坡度和高程数据作为生态安全格局阻力面构建的依据。

2.2 研究方法

2.2.1 最小累积阻力模型构建城市生态安全格局

通过最小阻力模型(Minimum Cumulative Resistance，以下简称MCR 模型)构建生态安全格局，其具体步骤为:首先确立“源”，然后通过MCR 模型建立阻力面，最后通过阻力面判别安全格局，通过对不同年份的安全格局构建进行比对研究，分析研究区域内生态安全水平的变化与发展[6]。

1) 源的选取。 基于对研究区域内生态斑块的实地考察， 并结合专家问询以及长乐区内的生态资源特征， 利用Arc GIS 软件， 筛选出生态功能完善、 发展趋势良好、 具有内部同质性和向四周扩散的能力且面积大于500 hm2的林地斑块作为构建景观生态安全格局的源[7－8]。

2) 阻力因子确定。 土地利用能够反映人类活动对生态安全与生态环境质量的影响， 是影响生态安全格局的主要阻力因子。 同时， 研究区域内高差相对较大， 因此结合以往研究与专家问询，选取土地利用类型、 高程、 坡度作为景观生态安全阻力面构建的单因子。 通过对相关研究的比对分析以及通过对各方面专家进行访问探讨， 结合研究区的现状对阻力因子的重要性系数以及阻力值进行预判、 实验、 确认， 最后确定各阻力因子系数[9](表1)。 其中， 土地利用覆盖类型中将城市森林分为有林地、 疏林地、 灌木林和其他林地，有林地为乔木郁闭度≥0.2 的林地， 疏林地为0.1≤树木郁闭度<0.2 的林地， 灌木林为灌木覆盖度≥40%的林地， 其他林地为未成林地、 迹地、 苗圃等林地。

表1 生态安全格局阻力因子系数表

3) 生态安全格局构建。 基于源地和阻力面，通过MCR 模型对城市生态安全格局进行构建。MCR 模型由Knaapen 等人的模型和ArcGIS 中常用到的工具费用距离(cost distance) 的改编而得到[10－11]， 该模型运用ArcGIS 的空间分析功能计算见公式(1)。

公式(1) 中f是一个未知的正函数， 意义为空间中任一位置的最小阻力值与其到全部源的距离以及景观基面特征之间的正相关关系；Dij表示从源j到空间中某一个位置所穿越的某景观基面i的空间距离；Ri表示景观i 对某物种运动所造成的阻力；m为景观单元总数，n为源总数[12]。

2.2.2 潜在廊道提取与重要廊道筛选

利用Arc GIS 软件中Spatial Analyst 模块的Cost Distance 与Cost Pat 功能[13]， 结合生态节点，以综合阻力面作为权重进行最小阻力模型计算，得到潜在的生态廊道。 其中， 生态节点为景观空间链接中连接相邻的生态源地并能对生态流起到关键作用的景观组分[14]， 另外， 利用重力模型定量计算生态源地间的相互作用强度确定潜在廊道的重要性。 计算公式如下:

公式(2) 中Gij为源地i与源地j之间的相互强度， 代表了两者间廊道的重要性程度，Ni和Nj分别代表了i和j源地的权重系数，Dij为i和j源地之间潜在廊道的标准化成本值大小。Pi和Pj代表源地i和源地j的整体成本值，Si与Sj表示源地i和源地j各自的面积。Lij代表源地i和源地j之间的潜在廊道的累积成本值，Lmax表示研究区中所有潜在廊道的最大成本值。

3 结果与分析

3.1 长乐区生态安全格局分析

3.1.1 阻力面构建

根据长乐区三期土地利用类型图和DEM 数据， 结合各单因子阻力权重与系数， 利用ArcGIS软件的Spatial Analysis 功能模块中的Reclassify 功能[15]， 得到2002， 2011， 2018 年3 期土地利用类型阻力面、 坡度阻力面以及高程阻力面(图1、图2、 图3)。 可以看出， 土地利用类型阻力面的构建中， 城市建设用地部分是明显高阻力的部分，且城市建设用地所带来的阻力逐渐扩张， 尤其是2002—2010 年的增长速度尤为迅速。

根据上文中确定的阻力因子系数， 利用ArcGIS 软 件 中 Spatial Analysis 中 的 Raster Calculator 功能[16]， 对2002、 2010、 2018 这3 年的单因子阻力面按比例进行叠加， 得到3 期的综合阻力面(图4)。 可以看出， 长乐区综合阻力面按照前文比例构建之后， 高程阻力因子和坡度阻力因子所带来的阻力相对弱化， 对于长乐区生态安全影响最大的阻力因子为城市土地利用类型阻力因子， 城市建设对于城市整体生态安全带来的影响尤其明显。

图1 2002、 2010、 2018 年土地利用类型阻力面

图2 坡度阻力面

图3 高程阻力面

图4 2002、 2010、 2018 年综合阻力面

3.1.2 生态安全格局判别

利用MCR 模型和Arc GIS 软件对长乐区生态安全格局进行构建[17]， 得到福州市长乐区3 期的生态安全格局。 利用ArcGIS 中的Cost Distance 功能， 结合上文得到的林地源地以及3 期综合因子阻力面， 构建长乐区3 期景观生态安全格局(图5)， 长乐区2002、 2010、 2018 年景观生态安全格局直观地表现了长乐区16 年间景观生态安全层次的变化。

由图5 可知， 长乐区城市生态安全格局按照安全层级划分， 从高到低共有A1—A10 共10 个安全层级， 根据安全层级的不同， 可以将长乐区分为高生态安全层级区域(安全核心区)、 中生态安全层级区域(安全缓冲区) 以及低生态安全层级区域(安全外围区) 3 个区域。 其中， 高生态安全层级区域(安全核心区) 位于长乐区城市森林分布密集的区域， 随着城市森林破碎化现象加深， 安全核心区面积减少； 低生态安全层级区域(安全外围区) 主要分布在城市的东北部和西北部的主城区以及东北部的滨海区域， 尤其东北部滨海的城市建设区域， 生态安全水平极低； 中生态安全层级区域(安全缓冲区) 则位于安全外围区与核心生态区的过渡区域， 即主要城区与城市森林主体中间的过渡区域。 研究时段内， 高生态安全层级区域(安全核心区) 一直处于主体地位， 其面积总体呈现下降的趋势， 减少面积2002—2010 年较2010—2018 年时段多； 中生态安全层级区域(安全缓冲区) 面积逐期增加， 增加幅度2002—2010 年较2010—2018 年时段大； 安全外围区面积则先增加后略有减少。 这表明研究时段的城市生态安全格局内安全核心区面积向安全缓冲区与安全外围区转移， 且该转移现象与城市森林的减少有内在关联。 综上所述， 随着城市化进程推进， 城市森林破碎化现象日益严重， 长乐区整体城市生态安全水平呈现下降趋势， 下降幅度2002—2010 年较2010—2018 年更多。

图5 长乐区2002、 2010 和2018 年生态安全格局

3.2 长乐区生态廊道提取

本研究通过GIS 的Spatial Analyst 模块进行最大耗费路径与最小耗费路径的交集提取， 结合长乐区的土地利用状况与生态特点， 选取生态源地的9 个生态节点作为潜在廊道提取的依据。 通过计算， 除去明显重复、 距离过近的廊道， 9 个生态质心中间共存在23 条潜在廊道， 且多分布在高安全区域， 即城市森林资源丰富的地区， 该区域生态斑块状态相对良好， 对于人为干涉修复的需求较小， 尤其是长乐区西南部分的城市森林区域，多条廊道交错分布。 故通过重力模型对廊道的重要性进行分析， 并构建长乐区潜在生态廊道相互作用强度矩阵。

根据相互强度矩阵， 将潜在廊道保留最重要的廊道。 福州市长乐区作为海拔变化较大的城市区域， 城市建设用地较为紧张， 多集中在较为平坦的区域进行， 城市建成区范围内没有生态安全格局构建的生态源地， 所以在研究区东部城市建设较为集中的区域， 潜在生态廊道缺乏， 故建议在长乐区东部城市建设区增加生态质心与生态廊道， 并以此为依据增加城市森林建设， 形成可持续增长的生态源点。 因此， 对于长乐区的廊道规划， 建议在已提取的重要潜在廊道的基础上， 利用Arc GIS 的Costdistance 工具在城市建成区增加规划生态节点与规划廊道(图6)。

图6 长乐区潜在廊道与建议规划廊道分布图

4 长乐区城市森林空间格局优化策略

结合对于长乐区生态廊道提取与规划廊道构建， 将长乐区分为近期－远期两个阶段进行廊道构建以及整体生态状况的提升， 提出两点优化策略。

1) 近期廊道构建主要为对高生态安全层级区域(安全核心区) 与中生态安全层级区域(安全缓冲区) 的廊道进行构建。 安全核心区是占长乐区面积最大的区域， 包含大面积的林地源地， 是保证长乐区生态安全稳定性的重要区域； 安全缓冲区是起到缓冲作用的重要区域， 主要分布在城市建成区与城市森林区域间的过渡区域。 这两个区域为潜在廊道提取的主要分布区域， 对其进行城市森林廊道构建相对容易， 近1 ～3 年内可完成构建， 建议以重力模型提取之后所得到的重要性最高、 能够连接较多生态节点的廊道构建进行城市森林整体生态建设的优化， 重点在于增强生态斑块之间的联系， 通过廊道的连接作用增加生物流的通畅性， 缓解城市森林的破碎化现象。 主要廊道建设为由北到南连接猴屿洞天岩风景区、 仙人山、 太平山、 剃刀山的3 条南北纵向廊道， 这3 条廊道贯穿南北， 不仅将长乐区生态源地紧密连接， 也能够加强高安全区域与低安全区域、 城市建成区与城市森林的有机联系， 是长乐区现有状态下最为重要且最容易构建的3 条廊道。 同时，通过潜在廊道中次要廊道的构建对重要廊道构建形成补充， 从而形成近期长乐区生态网络。 近期生态网络的构建主要承担了城市森林内部的联系以及部分城市建成区与城市森林的联系， 保证了现有状态下长乐区城市森林生态状态的良性发展，保障了长乐区生态安全底线。

2) 远期的廊道构建主要为对低生态安全层级区域(安全外围区) 内部及其与另外两个安全层级区域之间的生态廊道构建。 低生态安全层级区域(安全外围区) 是城市生态安全格局中生态安全水平提升最困难也极为重要的部分， 对其生态安全与生态系统服务功能的提升是一项艰难的任务， 需要从宏观的视角和长远的角度进行考虑。首先， 生态源地的建设是城市生态安全提升的基础， 规划增加生态节点的位置选择为长乐区城市建成区中生态状况较为良好且有发展能力与趋势的战略点。 规划增加的廊道主要为城市北部与东部滨海区域的滨海生态廊道、 沿现有城市森林南北纵向联系的生态廊道以及加强城市建成区与城市森林联系的东西横向生态廊道。 通过规划生态节点与廊道的构建， 可以将长乐区建成区内原有的城市森林紧密联系并最大程度地发挥其生态系统服务功能， 也是对现有潜在廊道形成的生态网络的补充。