• 基于最短路徑生態網絡分析的生態安全格局構建

    時間:2017-11-29

    【摘  要】在快速城市化和城市生態安全面臨巨大挑戰的時代背景下,構建生態安全格局是實現區域和城市生態安全的基本保障和重要途徑。然而近年來,在人口增長、經濟發展等的影響下,城市生態安全面臨多方面的問題,如生態覆被的轉化、大型生態斑塊邊緣被侵蝕以及生態廊道斷裂點增加等等。要解決這些問題,僅引入基本生態控制線并不能夠有效協調經濟發展和生態保護的雙重要求。識別重要的生態斑塊(生態源)、確定最短路徑及斷裂點,并對其進行保留和修復,對控制大城市的城市過度擴張、提升城市品質、優化人居環境具有重要意義,也具有較強的可操作性。本文以深圳市光明新區為例,在GIS技術的支撐下,結合景觀阻力分析與網絡分析,對其進行分析及定量表征光明新區研究區的潛在生態廊道,構建生態網絡,確定生態斷裂點;最后對斷裂點進行分析,并建議對其進行立法保護和修復。

    【關鍵詞】  GIS;最短路徑;生態網絡;生態斷裂點;光明新區


    1、 前言
    城市生態安全格局是城市自然生命支持系統的關鍵性格局。它維護城市生態系統結構和過程的健康與完整,維護區域與城市生態安全,是實現精明保護與精明增長的剛性格局,也是城市及其居民持續地獲得綜合生態系統服務的基本保障。
    城市生態安全格局也稱生態安全框架,指村鎮某種潛在的生態系統空間格局,包括一些關鍵性的局部、點及位置關系,對維護和控制某種生態過程有著關鍵作用,對城市的社會、生態、經濟持續、健康發展具有重要意義。 然而,近年來,產業的集聚和城市規模的擴大,給城市生態環境帶來了一系列的負面影響,隨著中國城市化進程的明顯加快,各地城市均出現了程度不一的生態破壞問題, 如包括綠地和水域濕地的生態斑塊的邊緣因開挖、填平等模式改造而帶來的嚴重侵蝕及破碎化加劇,包括地帶性原生森林植被、農田、林草地或荒地轉化與破壞,同時也包括因建成區擴張、高速公路穿越、廊道寬度變窄等原因而造成的生態廊道斷裂等等的問題。在這樣的一個大背景下,來自生態、規劃、地理等領域的專家開始提倡通過規劃和建設城市生態網絡來維持和增加生態斑塊之間的連接,    減少城市綠地的破碎化,保留生態空間及廊道,提升城市品質。
    城市生態網絡建設的實質就是以植被帶、河流和農田為主,通過線性廊道將城市中分散孤立的各種類型的生態斑塊聯系起來,形成“點-線-面”結合的自然、多樣、高效、有一定自我調節能力的完整的城市自然生態體系,維護城市生態系統的空間格。   國外許多國家經過多年實踐,都形成了較為成熟的規劃模式和操作流程,為后期的城市生態網絡規劃提供了很好的參考價值,中國的系統性生態網絡規劃雖然起步較晚,也很大范圍內進行著相似的規劃活動,如通過定性分析進行的五大水系生態廊道工程和三北防護林工程,上海、揚州等城市的環城綠帶及城市森林生態網的規劃,南京、北京等城市的綠地系統規劃、 廣東珠三角的綠道網規劃等等;采用一些技術方法,對城市生態建設和綠地系統規劃等方面進行定量探索,10, , ,  主要集中在生態廊道構建和綠地系統規劃等方面,也形成了較為成熟的體系。
    然而,對于像北京、上海、廣州、深圳這樣的城市化率較高,用地極為緊張大城市來說,進行大規模的生態建設,是不適宜的。充分利用原有的生態資源基礎,選擇出對城市具有較強的服務價值功能潛力的重要生態斑塊,并構建相互聯系的綠地系統, 以生態保護、生態修復為主要手段進行生態建設更具有可行性,也是開展生態建設中極為迫切的工作。
    2、相關概念解析
    2.1生態安全格局
    生態安全有廣義和狹義的兩種理解。廣義以美國國際應用系統分析研究所(IASA,1989)提出的定義為代表,即生態安全是指人的生活、健康、安樂、基本權利、生活保障來源、必要資源、社會秩序和人類適應環境變化的能力等方面不受威脅的狀態,包括自然生態安全、經濟生態安全和社會生態安全,組成一個復合人工生態安全系統。狹義的生態安全是指自然和半自然生態系統的安全,即生態系統完整性和健康的整體水平反映。
    20世紀70年代末,國外生態安全研究起步,部分發達國家甚至把生態安全提升到國家戰略和政治的高度(方淑波等,2005)。宏觀層面上,從全球范圍來說看,生態安全研究是對“安全”定義的拓展,主要是其與環境變化之間的關系,分為概念性、經濟性、綜合性、以及內在關系研究這四個方面(崔勝輝等,2005)。早在19世紀末,奧姆斯特德、霍華德等人就從改善城市人居環境的角度出發,提出了“公園系統”和“花園城市”等理論并開展了相關實踐,對后世的城市規劃和生態規劃產生了深遠影響;微觀層面上,目前國外對生態安全的相關研究主要集中于兩個方面:一是化工產品的使用對農業乃至整個生態環境安全的影響;二是基因工程對生態環境的風險影響(吳國慶,2001)。
    因此,我們應當結合不同地區的生態問題和生態安全條件,探討區域生態安全格局的構建方法和研究模型。同時已有學者基于GIS技術、水文模型以及非電源污染模型,嘗試通過模擬來構建生態安全格局。有專家學者提出了景觀格局和景觀生態過程相互作用的原理和方法,如“必要格局原則”、“集中與分散相結合”原理等,并積極運用于實際。
    在我國,生態安全格局是生態學新興的研究領域,被認為是實現區域或城市生態安全的基本保障和重要途徑。近10年我國學者在生態安全格局的定義、理論基礎和構建方法等方面展開了研究,但目前尚處于起步階段。目前的研究主要集中在生態安全問題述評以及生態安全評級指標選取等方面,     這些研究多是針對自然區域或農業生態安全展開,而對于城市生態安全的系統研究較少。
    隨著城市化進程的快速推進,城市空間擴展的生態安全格局構建和評價成為景觀生態學研究的熱點問題。20世紀80年代以來,景觀生態學蓬勃發展,為生態安全格局提供了新的理論基礎和方法,包括“最優景觀格局”,“景觀安全格局”和“生態安全格局”等。基于生態適宜性和垂直生態過程的生態敏感性分析,以及生態系統服務的重要性分析,是當前國內較為成熟和系統的研究方法,也是辨識關鍵生態地段的慣用方法。
    區域生態安全格局研究強調格局與過程相互作用下的安全。過程產生格局,格局作用于過程,格局與過程之間的影響和反饋關系是景觀生態學研究的行業新與前沿(王仰麟,1995;肖篤寧,1999)。因此,區域生態安全格局的構建一般可以通過景觀格局優化來實現。胡道生等(2011)利用生態網絡及相關分析技術,以寧波濱海新城為例,構建城市新區的生態廊道、生態節點和生態網絡,從而為城市新區景觀格局優化提供依據和指導。
    歸納眾多學者的觀點,生態安全概念的內涵大體可分為兩類:第一類,強調生態系統自身的健康、完整和可連續性;第二類,強調生態系統對人類提供完善的生態服務或人類的生存安全。城市生態安全是指維護城市發展所需的生態環境能滿足城市當前和未來發展需要的一種城市運行狀況。
    2.2生態最短路徑
    最短路徑分析在事故搶修、交通指揮、GPS導航等行業應用中使用的非常廣泛, 以至于大多數GIS平臺都會把這個分析功能作為一個最基礎的功能集成進去,如ARCGIS,SuperMap等。最短路徑是基于成本考慮,能夠依托現有條件,從路徑的起始點(起始頂點)至終點(到達頂點)的最短距離,稱之為最短路徑。
    而本文中所提出的生態最短路徑為依托城市中的現有生態廊道,如道路綠化、生態綠帶、河網水系等要素條件,從第一個生態源進入或到達第二個生態源的最短路徑。
    2.3生態景觀阻力
    生態網絡是基于源或目標的質量,由源與目標之間不同土地利用類型的景觀阻力決定,不同生態源地之間景觀流的空間運行要克服一定的阻力才能實現。
    最小累積阻力(Minimum Cumulative Resistance,MCR),模型最早由Knaapen JP等人(1992)在研究景觀規劃中的棲息地隔離機制問題時提出 ,后在過內由俞孔堅等(1998)進一步修改,并將此模型運用到景觀生態戰略點識別、衡量城市綠地系統功能指標等方面。
    3、基于最短路徑生態網絡構建分析生態安全格局
    本研究采取基于最短路徑的生態網絡分析,評估光明新區現有空間尺度上的生態安全格局。主要是借助ArcGIS平臺,綜合使用AHP生態敏感性分析、基于最短路徑的生態網絡構建三種手段對光明新區現有的生態格局進行了客觀評價,并針對關鍵片區做了進一步的深入分析,構建潛在的生態廊道,并針對廊道進行累積阻力分析提取斷裂點。
    3.1光明新區生態安全面臨主要問題
    光明新區位于深圳西部,東至觀瀾,西接松崗,南抵石巖,北臨東莞市黃江鎮。是深圳未來重點發展的四大新城之一,處于深圳市中心半小時輻射范圍圈內,2007年5月宣布成立光明新區,管轄公明、光明兩個街道,現已規劃為深圳市的5個城市副中心之一。
    近年來,光明新區用地需求不斷增長,建設用地持續快速擴張,地區自然生態空間總量則逐年減少、品質下降,表現為生態覆被開始轉化,大型生態斑塊邊緣遭到侵蝕,并且生態廊道斷裂等生態問題的產生,使得光明新區生態環境保護面臨巨大壓力,甚至對更大區域的生態格局帶來重大潛在影響。因此,以修復光明新區生態安全格局為目標,本次研究采取基于最短路徑的生態網絡分析,評估光明新區現有空間尺度上的生態安全格局。其中以斑塊間距離為依據,充分考慮斑塊的異質性及景觀阻力,構建潛在的生態廊道,并針對廊道進行累積阻力分析提取斷裂點,以調整優化光明新區生態安全格局。  
    3.2生態安全格局主要影響因子分析
    (1)人口增長的資源訴求
    自2007年設立光明新區,該區人口從38.36萬增長至2011年的48.69萬,對糧食和其他資源的需求也空前增加。此外,光明新區的蔬果產品等同時服務于深圳市其他區的人口。
    (2)經濟發展的生態成本
     隨著深圳的城市化進程不斷加深,資源消耗型、污染較大的工業逐步從市中心轉移,其中部分轉移至光明新區。在給光明新區帶來經濟動力的同時(2011年全區實現生產總值(GDP)381.69億元,比上年增長28.5%,增長速度位居全市八區第一,高出全市水平18.5個百分點),轉移的大部分產業對環境有較大污染(如塑料回收),由于缺乏對水質、氣體排放等嚴格管理,光明新區的水體、土壤和空氣均有不同程度的污染,對光明新區原有生態環境造成較大影響。
    (3)政策導向的控制力度
    政策的規劃、實施力度在很大程度上同樣影響生態安全格局。在規劃層面,深圳市城市總體規劃(2009-2020)針對生態保護方面進行生態功能分區、綠地系統規劃、岸線等研究規劃,給土地部門的土地出讓和管理提供法定依據;2005年出臺了《深圳市基本生態控制線管理規定》;在實施上,通過資金保障和來自經濟、旅游、生態等領域的專家研討,為生態控制線劃定后后續的管理問題提出分級化的管理思路,但目前暫未落實到空間和基層管理上。
    3.3綜合空間生態安全格局評價
    本研究采取基于最短路徑的生態網絡分析,評估光明新區現有空間尺度上的生態安全格局。其中以斑塊間距離為依據,充分考慮斑塊的異質性及景觀阻力,構建潛在的生態廊道,并針對廊道進行累積阻力分析提取斷裂點(關鍵點)。圖3-1為生態網絡分析技術路線。
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    (1)評價景觀阻力
    生態網絡是基于源或目標的質量,由源與目標之間不同土地利用類型的景觀阻力決定,不同生態源地之間景觀流的空間運行要克服一定的阻力才能實現。綜合相關文獻并結合研究經驗,對不同土地利用類型賦予相應的景觀阻力值(即cost值),如下表3-1所示:

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    (2)選擇生態源地
    光明新區控制線內土地生態價值普遍偏高,然而區內斑塊破碎化程度較高,大片斑塊比較少,主要集中于北部、東南部、以及西南部的片區。
    生態源地一般是指森林、綠地、湖泊等物質能量以及功能服務的源頭或是匯集處。通過對研究區土地利用圖、影像圖以及現場調研的記錄,確定7個具有較高生態價值的生態斑塊作為生態源地(圖3-2)。其中斑塊1、5、7主要沿山體分布,斑塊2和4內分布重要的水庫,為水源涵養區;斑塊3、6內有較大面域的湖泊。

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    (3)構建生態廊道
    生態廊道具有保護生物多樣性、防止水土流失、調控洪水、防風固沙、過濾污染物等生態服務功能。廊道效益由中心向外逐步衰減,遵循距離衰減規律,基于廊道的連通度以及功能隨著與節點距離增加而衰減的特性,用最小耗費距離模型,得到研究區內主要的生態廊道(圖3-3)。
    綜上分析,新區主要的生態廊道有四條,分為兩個層次。
    1條區域生態廊道:即生態廊道1,連接外圍生態源地,是新區聯通大區域生態源地、融入宏觀尺度基本生態安全格局的重要保障。
    3條區內生態廊道:生態廊道2即樓村北生態廊道,實現生態源地1與2的區內聯通;生態廊道3即樓村南生態廊道,實現生態源地1與2的區內聯通;生態廊道4即茅洲河生態廊道,實現生態源地1與7的區內聯通。
     
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    (4)斷裂點分析
    對照生態廊道與現狀城市建設情況,可以發現,新區現狀有四處主要的斷裂點。
    斷裂點1:位于樓村北生態廊道,現狀高度建成,主要為工業用地,且建成情況較新。
    斷裂點2:位于樓村南生態廊道,現狀高度建成,西側為工業用地,東側為居住用地。
    斷裂點3:位于將石社區,茅洲河生態廊道,穿越建設用地,主要為工業用地,穿越對外道路。
    斷裂點4:位于將石社區,穿越高速路等主要干道。
     
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    3.4生態安全格局優化建議
    本次研究規劃根據區內的生成的消費面、提取的生態斑塊、構建的生態廊道、關鍵點的查找分析,對原有生態格局進行新的研究分析,得到生態保護優化的政策措施。
    (1)建議1:對生態斷裂點進行重點修復
    現狀斷裂點重點分布在樓村、將石兩個社區,規劃對于已有的關鍵點的建設用地進行調整,恢復和建設這些斷裂點的自然植被和鄉土植被,完成生態的重建。
    (2)建議2:對樓村生態廊道進行調整
    長期以來,光明新區的生態結構中有三條規劃廊道一直在規劃中被堅持:樓村生態廊道、茅洲河生態廊道、公明-松崗生態廊道。規劃結合生態安全格局分析,調整并重新建立新的核心生態源地禁止開發建設,保證生態物種的生存與棲息空間,提出“樓村生態廊道改線至南側”的優化建議,即:在生態用地總量占補平衡的前提下,可考慮將現狀生態功能退化嚴重、建設集中且清退壓力較大的樓村生態廊道向西改線。
    最后,劃定緩沖區限制人類活動的過多干擾,為生源地保護提供一個安全的防護區。禁止在生態廊道進行任何的干擾活動以保證斑塊與斑塊之間的通暢,形成一個開放的、完整的生態格局。
     
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    4、引導生態環境的空間管理,提出具有可操作性的保護要求
    生態格局的構建是一個不斷優化調整的過程,因此,在針對性、自然性、適應性、綜合性、主動性、異質性等原則的基礎上,于特定的自然資源與生態條件,進行生態格局的優化調整。
    城市生態安全格局作為支撐城市自然系統的關鍵性格局,應在其構建過程中不斷對其優化調整,使之促成精明增長與保護并舉的發展格局
    4.1生態安全格局保護和恢復要點
    堅持保護優先和自然修復為主,加大生態保護和建設力度,從源頭上扭轉生態環境惡化趨勢。
    (1)構建生態安全屏障:加強重點生態功能區保護和管理,增強涵養水源、保持水土、防風固沙能力,保護生物多樣性。
    (2)強化生態保護與治理:繼續實施天然林資源保護工程,鞏固和擴大退耕還林還草、退牧還草等成果。強化自然保護區建設監管,提高管護水平。加強生物安全管理,加大生物物種資源保護和管理力度,有效防范物種資源喪失與流失,積極防治外來物種入侵。
    (3)建立生態補償機制:按照誰開發誰保護、誰受益誰補償的原則,加快建立生態補償機制。加大對新區內重點生態功能區的均衡性轉移支付力度,推行資源型企業可持續發展準備金制度。鼓勵、引導和探索實施下游地區對上游地區、開發地區對保護地區、生態受益地區對生態保護地區的生態補償。積極探索市場化生態補償機制。加快制定實施生態補償條例。
    (4)嘗試轉變保護方式,提供發展保護恢復的新動力,同時制定可行的管理方案。對新區內的生態進行監理:如資源利用、水土保持、污染控制、野生動植物保護以及施工廢物的管理(含棄土棄石)等。同時對環境進行監理:如定點觀察、巡回堅實、抽查、儀器監控等。環境監理的范圍:一般在施工建設活動直接影響區內,對影響到環境敏感區的建設活動尤其應列入監理。
    4.2生態保護優化政策措施
    根據研究區域內的生成的消費面、提取的生態斑塊、構建的生態廊道、關鍵點的查找分析,對原有生態格局進行新的研究分析,得到生態保護優化的政策措施。
    (1)調整并重新建立新的核心生態源地禁止開發建設,保證生態物種的生存與棲息空間;
    (2)劃定緩沖區限制人類活動的過多干擾,為生源地保護提供一個安全的防護區;
    (3)禁止在生態廊道進行任何的干擾活動以保證斑塊與斑塊之間的通暢,形成一個開放的、完整的生態格局;
    (4)對于已有的關鍵點的建設用地進行調整,恢復和建設這些斷裂點的自然植被和鄉土植被,完成生態的重建。
    5、結語
    生態安全格局并非一成不變的,城市生態安全格局作為支撐城市自然系統的關鍵性格局,應在其構建過程中不斷對其優化調整,使之促成精明增長與保護并舉的發展格局。本次研究主要明確了基于最短路徑的光明新區生態安全格局構建按基本框架,同時對各路徑上生態斷裂點修復進行初步探索,面向下階段的規劃實施,具有較好的借鑒意義。

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