四川眉山市彭山区生态空间格局构建∗——基于MSPA 与生态扩张适宜性分析

邓靖琳 沈 一 王倩娜 雷 雪 高黄根

1 四川大学建筑与环境学院 成都 610065

2 四川省国土空间规划研究院 成都 610081

随着城镇化进程不断加快, 生态空间格局处于持续的动态变化之中, 可能导致生态空间完整性与连通性降低。 因此, 秉承生态空间价值理念,揭示生态空间时空演变特征, 构建生态空间格局对于指导生态保护与修复具有必要性与重要性[1－2]。

目前, 生态空间格局构建多为单一运用景观生态学理论“斑块、 廊道、 基质” 三要素直接构建, 或是用生态敏感性、 生态服务系统价值评价等方法对生态重要性进行综合指标评价间接构建两种方式[3]。 Soille[4]提出的形态学空间格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis, MSPA) 被广泛应用于生态空间形态可视化分析, 但生态空间形态演变特征量化分析亟待深入研究。 因此,结合基于图像处理的MSPA 模型和转移矩阵分析,能够定位生态空间重要区域, 并量化生态空间形态演变情况[5]； 耦合“退化压力－供给状态－修复潜力” 三维度表征生态空间的扩张适宜性, 能够客观反映多个因子间的相互作用并最终指示生态空间分区[6]。 上述两种方法在生态网络构建[7]、区域生态适宜性评价[8]等方面均已取得一定成果,但结合两种方法进行生态空间格局分析与构建尚属少见。

彭山区作为眉山市北部与成都新津区、 双流区相接的区域, 是整个眉山市生态保护与经济发展矛盾最突出、 生态修复形势最紧迫的区域[9]。 在彭山区全面推进生态文明建设的大背景下, 城市生态空间质量有待提高, 保护生态系统刻不容缓。 目前, 彭山区已有研究主要围绕土地资源承载力[10]、 地质环境承载力评价[11]等反面展开, 生态空间相关研究较少, 因此分析区域生态空间形态演变与生态扩张适宜性,耦合多方面因素构建生态空间格局, 能够为彭山区生态空间带来新的保护修复方案与治理途径。 因此, 文章将眉山市彭山区作为研究对象,着眼于分析生态空间动态数量关系, 耦合基于MSPA 的生态空间形态演变直观分析与生态扩张适宜性客观评价两种方式展开研究[12], 旨在提升区域生态空间质量, 为区县尺度的国土空间生态保护修复提供新思路。

1 研究区概况

眉山市彭山区(30°07′—30°21′N, 103°40′—103°59′E) 位于四川盆地与川西北丘状高原山地过渡地带前缘, 总面积为465 km2。 区境内海拔410.0~711.6 m, 总体地势西高东低, 北高南低,分为低山、 丘陵和河谷平原三种地貌类型, 主要山脉有东山龙泉山、 西山总岗山。 彭山区以中亚热带湿润季风气候为主, 年降水量991.0 mm。 地处岷江中游, 正处于长江上游的重要支流上, 有天然溪沟80 余条。 植物资源丰富, 树种有4 类71科232 种, 2020 年彭山区全区森林覆盖率提升至37.2%。 区境内自然条件优越, 全域分布彭祖山省级风景名胜区、 五湖四海、 彭溪河、 毛河湿地公园等自然保护区。 2020 年彭山区经济发展质量稳步提高, 城镇化率53.49%, 地区生产总值183.39 亿元, 增长4.5%, 全区三类产业结构为9.7 ∶45 ∶45.3。

2 研究方法

2.1 数据来源

1) 自然要素数据。 DEM 数据、 河流数据、土壤类型数据、 自然灾害点、 环境污染区数据源自眉山市自然资源局提供的基础地理数据包；30 m NDVI 数据源自地理空间数据云； 降水数据源自中国地面累日值数据。

2) 社会经济要素数据。 30 m 土地利用数据源自地理空间数据云； 道路数据源自眉山市自然资源局提供的基础地理数据包； GDP 数据及人口数据源自2020 年眉山市彭山区人民政府工作报告； 地均节能环保支出数据源自«眉山市统计年鉴(2020 年) »。 其中, 30 m 土地利用数据使用2005、 2020 年7 月LandsatTM 和Landsat8 遥感影像, 基于ENVI 5.1 软件进行多波段合成、 辐射校正、 几何校正、 拼接处理、 裁剪处理后, 根据LUCC 分类体系监督分类, 将研究区用地分为耕地、 林地、 草地、 水域、 建设用地、 未利用地6大类。

2.2 基于MSPA 的生态空间形态演变分析

MSPA 可以识别目标像元集与结构要素之间的空间拓扑关系, 能够较准确地提取形态要素类型及空间结构[13]。

本研究将彭山区30 m 土地利用栅格数据转换为前景和背景二值栅格影像, 其中前景为生态空间, 即林地、 水域、 草地、 耕地, 赋值为0； 背景为非生态空间, 即建设用地、 未利用地, 赋值为1[14－15]。 运用GuidosToolbox2.8 软件, 将形态要素类型划分为核心区、 孤岛、 边缘、 环道、 连接桥、 分支和孔隙7 种类型[16]。

利用ArcGIS10.2 软件Overlay 工具叠加分析2005、 2020 年的MSPA 图, 构建生态空间各形态要素类型转移矩阵, 获取内部动态关联量化数据以分析生态空间形态演变情况。

根据景观生态学理论, 穿孔、 环道是核心区与其内部非生态空间的过渡区域, 作为提升生态空间内部聚集作用的 “节点”。 连接桥、分支能够连接相邻生境斑块核心区, 作为物种迁徙、 能量输送作用的 “廊道”[17－18]。 利用ArcGIS10. 2 软件Overlay 工具将2005、 2020 年形态要素变化集中区域识别并整合为关键生态要素, 以提升生态空间内部聚集程度与外部连通性[19]。

2.3 生态扩张适宜性分析

基于综合评价指标体系, 将目标层彭山区生态扩张适宜性分解为: 退化压力、 供给状态、 修复潜力3 个准则层, 并筛选出自然灾害、 环境污染、 交通影响度等11 个反映其生态扩张适宜性特征的因子作为指标层[20]。 研究区以30 m 栅格单元作为单位信息空间载体, 按照各指标计算公式(表1), 利用ArcGIS 软件Raster Calculator 工具计算指标值, 再重采样将指标信息赋值到对应栅格单元。

由于各指标来源不同、 单位量纲不统一, 故需进行标准化处理, 使指标间具有可比性。 与区域生态扩张适宜性存在正向(＋) 或负向(－)关系的指标分别为:

式(1) ~ (2) 中:Ci为指标i经标准化后的指标值；Xi为指标i实测值；Xmin为指标i的最小值；Xmax为指标i的最大值。

考虑到准则层中各项指标不可代替性, 将各指标层评估结果归一化后等权重叠加, 采用综合指数法计算生态扩张适宜性综合值指数:

式(3) 中:Z为生态扩张适宜性指数；Ci为指标i标准值；Wi为指标i的权重。

利用自然断点法确定突变点, 提取生态扩张适宜性范围区间, 以此划定生态扩张适宜性分区[21]。 基于ArcGIS10.2 软件Expand 工具对生态扩张区域像元进行概化处理, 参照相关研究[22],去除零碎图斑后重分类为生态类型区, 叠加生态廊道、 生态节点与生态扩张适宜性分区结果, 构建彭山区生态空间格局。

3 结果与分析

3.1 基于MSPA 的生态空间形态演变

3.1.1 生态空间形态演变特征

整体(图1、 表2) 而言, 2005—2020 年, 彭山区生态空间东西两侧成片分布, 生态空间总面积下降了3.97%, 其中耕地退化面积最为显著。 生态空间形态要素中, 核心区面积占比减少最显著, 数量却有所增加, 说明核心区呈破碎化发展趋势； 孤岛、穿孔的数量与面积占比均有所减少； 边缘、 分支的数量与面积占比增加较多； 连接桥虽然数量上升,但面积占比下降, 说明连通性下降且破碎化加剧。

图1 2005、 2020 年彭山区MSPA 生态空间形态识别

生态空间形态类型演变转移矩阵 (表3)显示, 2005—2020 年, 22. 63%的生态空间转换为非生态空间, 整体生态空间完整程度有所下降。 其中, 穿孔总面积及数量大量减少, 大部分转移成为非生态空间, 内部零散的非生态空间减少, 核心区外侧生态退化较为严重； 环道仅保留了44. 97%, 其余主要转出为连接桥和非生态空间, 说明核心区内部聚集程度在下降。

表3 2005—2020 年彭山区生态空间形态类型演变转移矩阵

2005—2020 年, 连接桥、 分支总面积减少,使得核心区之间的连通程度降低, 仅48.04%的连接桥在研究期末仍然保留。 另有各类生态空间组分转移为非生态用地, 转移比例最大的是孤岛和分支, 揭示了彭山区因城镇化发展导致生态空间边缘不断被侵蚀, 从而使生态空间退化压力增大、外延性降低。

3.1.2 关键生态要素识别

2005—2020 年, 彭山区生态空间形态演变集中体现为内部完整性下降、 外部连通性降低的特点。 基于MSPA 分析结果, 提取14 个关键生态节点, 46 条关键生态廊道, 以期提高生态空间完整性与连通性。 其中, 关键生态节点主要分布在中部与中北部城镇边界与耕地交错的区域, 关键生态廊道主要分布在中部及北部生态用地边缘(图2)。

图2 彭山区关键生态要素识别

3.2 生态扩张适宜性分析

3.2.1 指标重要性空间分布

指标重要性空间分布结果(图3) 显示, 不同生态过程对于区域生态扩张适宜性的影响各不相同。 其中, 退化压力低值区主要位于城镇建成区和交通干线两侧, 区内人口集中, 经济密度高,承受了巨大的生态资源需求压力； 供给状态高值区位于东南部、 西部山区等海拔较高的区域, 区内植被覆盖度高、 土壤保持与水源涵养良好, 是保障区域生态环境质量、 控制城市无序蔓延的重要区域； 修复潜力的高值区主要分布在第三产业占比高的及森林旅游较为发达的区域, 此区域生态系统保护意识强, 环境保护投入水平高, 修复潜力大。

图3 彭山区指标重要性空间分布

3.2.2 生态扩张适宜性分区

彭山区生态扩张适宜性指数范围介于0~1,平均值为0.55, 划分为5 级得到生态扩张适宜性分区(图4)。 根据像元值突变规律, 像元值在0.55 处斜率为最大值, 说明突变点前后指数值差异较大, 应归属不同的分区, 因此指数区间[0,0.55) 属于生态扩张适宜性区域。 其中, 东部中心区、 东南部及西部整体地区生态扩张适宜性高,中部、 西北部生态扩张适宜性相对较低。 此外,生态适宜扩张、 生态较适宜扩张、 生态基本适宜扩张、 生态缓冲扩张、 生态风险扩张指数区间分别为[0,0.35)、[0.35,0.45)、[0.45,0.55)、[0.55,0.65)、[0.65,1]。

图4 彭山区生态扩张适宜性分区

3.3 彭山区生态空间格局构建

综合生态空间形态演变分析、 生态扩张适宜性分析结果, 构建彭山区生态空间格局(图5),划分5 大生态类型区, 即生态保育区、 生态提升区、 生态后备区、 生态修复区、 生态控制区。

图5 彭山区生态空间格局

1) 生态保育区。 生态保育区主要由核心区中最适宜扩张区域构成, 占总面积的16.02%。 区内自然生态基底条件优越, 多位于低山丘陵地带。区域内部基本无穿孔、 边缘等表征生态空间退化现象, 并呈现出生态空间面积增加的良好趋势。该区域需严格限制人类活动, 以保护和保育为主,加强区域内省级自然保护区的建设和管护, 注重发挥生态空间供给能力的提升价值。

2) 生态提升区。 生态提升区主要由核心区中较适宜扩张区域构成, 占总面积的36.50%。 区内生态空间面积无显著变化, 作为城镇发展的生态腹地, 穿孔、 边缘类要素较少, 有良好的生态基底质量与生态扩张潜力, 内有1 个生态节点、 4条生态廊道穿越其中。 该区域应积极发挥良好的经济与生态优势, 以提升生态环境质量为根本目标, 继续发挥彭山区生态文明建设示范标杆作用。

3) 生态后备区。 生态后备区主要由边缘核心区构成, 基本适宜生态扩张, 占总面积的21.63%。 区内生态空间面积呈下降趋势, 穿孔、环道、 边缘、 支线要素分布增多, 内部聚合性显著下降。 区域中4 个生态节点、 9 条生态廊道能增强边缘生态空间的完整性与连通性。 该区域能够直接提供具有经济价值的生态产品和服务、 维持生态系统的平衡稳定, 可通过环保资金与生态工程的输出促进生态空间的协同保护与扩张。

4) 生态修复区。 生态修复区主要由生态空间和非生态空间的过渡空间构成, 适宜生态缓冲扩张, 占总面积的16.70%。 区内生态空间面积大幅下降, 连接桥、 支线等要素分布减少, 外部连通性降低, 退化压力较大, 需优先修复。 中部组团的6 个生态节点与21 条生态廊道能够增强生态空间的外延性和生态弹性。 该区域应坚持生态修复政策指导并加大环境治理投资力度, 持续将城镇化对生态空间的影响从退化压力转为修复潜力,避免对生态空间造成的进一步侵蚀。

5) 生态控制区。 生态控制区主要由非生态空间构成, 属于生态风险扩张区, 仅占总面积的9.15%。 区内生态空间基本转换为非生态空间,存在较多孤岛、 支线要素, 整合形成的3 个生态节点与12 条生态廊道能够减缓生态空间的退化速度。 作为生态风险扩张区, 生产与生活空间给生态空间带来较大压力, 因此有必要在促进区域经济发展的同时加大生态环境治理调控力度。

4 结语

彭山区作为成都大都市圈及成眉同城一体化发展的重要区域, 近15 年生态空间退化程度明显。 研究表明: 1) 2005—2020 年, 彭山区生态空间面积占比显著下降, 内部完整性及外延性降低, 共整合形成14 处关键生态节点、 46 条关键生态廊道； 2) 基于30 m 栅格分析彭山区生态扩张适宜性, 呈现出西部、 东部中心区和东南部生态优良, 中部和东北部区域相对较差的结果；3) 叠加生态空间演变分析与生态扩张适宜性分析, 综合构建彭山区生态空间格局, 将彭山区划分为5 大生态类型区, 并针对5 大生态类型区,即生态保育区、 生态提升区、 生态后备区、 生态修复区、 生态控制区提出了相应的保护与修复的策略, 实现彭山区生态空间的发展平衡。 相对于传统较单一的生态网络优化或用地优化, 本研究兼顾MSPA 生态空间形态演变直观分析与生态扩张适宜性客观评价两方面对彭山区生态空间格局进行构建, 可以为县域尺度生态保护及修复以及生态空间格局优化提供新的思路。