基于生態(tài)安全格局的南京都市區(qū)生態(tài)控制邊界劃定

徐文彬, 尹海偉,*, 孔繁花

1 南京大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,南京 210093 2 南京大學(xué)國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所,南京 210023

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基于生態(tài)安全格局的南京都市區(qū)生態(tài)控制邊界劃定

徐文彬1, 尹海偉1,*, 孔繁花2

1 南京大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,南京 210093 2 南京大學(xué)國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所,南京 210023

以南京都市區(qū)為例,通過(guò)生態(tài)敏感性分析獲取了研究區(qū)既有的高生態(tài)敏感空間,采用最小費(fèi)用路徑方法辨識(shí)了對(duì)研究區(qū)具有重要生態(tài)意義的潛在生態(tài)廊道和生態(tài)關(guān)鍵區(qū),采用圖譜理論中的景觀(guān)連接度指數(shù)輔助確定生態(tài)廊道寬度,構(gòu)建了研究區(qū)潛在的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上,整合既有和潛在生態(tài)空間,科學(xué)劃定生態(tài)控制邊界,實(shí)現(xiàn)了研究區(qū)現(xiàn)存和潛在的重要自然生態(tài)空間保護(hù)。研究結(jié)果表明：1)生態(tài)敏感性分析能夠識(shí)別出研究區(qū)既有的高生態(tài)敏感性區(qū)域,并指出其呈現(xiàn)出“大而孤立,小且分散,連接性不佳”的空間特征。2)遴選出的71處生態(tài)源地、119條重要廊道和61個(gè)關(guān)鍵生態(tài)斑塊共同組成了研究區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò),顯著提升了原有生態(tài)空間的景觀(guān)連接性和研究區(qū)域的總體生態(tài)安全水平。3)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析可以彌補(bǔ)敏感性分析只考慮既有自然生態(tài)空間的局限,二者的組合使用可為不同尺度上生態(tài)控制邊界的劃定提供簡(jiǎn)明的分析框架。研究結(jié)果可為南京都市區(qū)生態(tài)控制線(xiàn)劃定和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供重要的參考,對(duì)其他城市生態(tài)控制邊界的劃定也具有一定的借鑒意義。

生態(tài)敏感性；生態(tài)網(wǎng)絡(luò)；最小路徑方法；圖譜理論

改革開(kāi)放以來(lái)我國(guó)經(jīng)歷了快速的城鎮(zhèn)化進(jìn)程,城鎮(zhèn)建設(shè)用地劇增,非建設(shè)用地向城市建設(shè)用地快速轉(zhuǎn)換,導(dǎo)致城市生境日益破碎化、生物多樣性顯著下降、熱島效應(yīng)不斷增強(qiáng)等諸多生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,嚴(yán)重影響城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),危及城市的可持續(xù)發(fā)展[1- 2]。為了防止開(kāi)發(fā)建設(shè)的無(wú)序蔓延,有效保護(hù)自然生態(tài)資源和保障城市與區(qū)域的生態(tài)安全,劃定生態(tài)控制邊界業(yè)已成為城市管理者和規(guī)劃師一項(xiàng)重要的空間管控手段[3- 4]。

生態(tài)控制邊界是對(duì)保障城市或區(qū)域生態(tài)安全、維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)完整性和連續(xù)性、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義的生態(tài)區(qū)域的保護(hù)界線(xiàn)[5-7]。它框定了生態(tài)價(jià)值較高、生態(tài)系統(tǒng)比較敏感和具有關(guān)鍵生態(tài)功能的區(qū)域,不僅是城市與區(qū)域生態(tài)安全的“底線(xiàn)”,也是重要物種資源生存與可持續(xù)發(fā)展的保障和人居環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的生態(tài)基礎(chǔ)[8-9]。由于國(guó)內(nèi)對(duì)生態(tài)控制邊界研究的歷史時(shí)間相對(duì)較短,其理論基礎(chǔ)還很不完善,技術(shù)方法也不統(tǒng)一,相關(guān)管理政策也處于探索階段[10-12]。在劃定方法上,當(dāng)前研究多從生態(tài)敏感性或脆弱性、生態(tài)功能重要性、環(huán)境災(zāi)害危險(xiǎn)性等視角出發(fā),對(duì)研究區(qū)自然生態(tài)的現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)估,然后將評(píng)價(jià)得分較高的區(qū)域作為生態(tài)控制邊界范圍[6,13-14]。這些研究主要關(guān)注既有自然生態(tài)空間的辨識(shí)和保護(hù),往往忽略了對(duì)維護(hù)城市與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡具有重要生態(tài)連接功能的潛在生態(tài)空間,致使劃定的生態(tài)控制單元多成為城市內(nèi)的生境孤島,難以充分發(fā)揮整體生態(tài)空間的協(xié)同增效效應(yīng)。

生態(tài)安全格局構(gòu)建就是在充分了解區(qū)域生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上,科學(xué)判定對(duì)維護(hù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康、完整和安全最為關(guān)鍵的景觀(guān)要素,進(jìn)而通過(guò)景觀(guān)要素之間的空間聯(lián)系而共同構(gòu)成一個(gè)多層次、完整的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系[15-16]。因而,將生態(tài)安全格局理念融入生態(tài)控制邊界的劃定過(guò)程中,能夠更好地實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的格局優(yōu)化,促進(jìn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的有效保護(hù),已經(jīng)成為陸地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)的重要途徑[17]。本文以南京都市區(qū)為例,基于生態(tài)安全格局理念,嘗試將生態(tài)敏感性和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法相結(jié)合,為研究區(qū)生態(tài)控制邊界的綜合劃定提供簡(jiǎn)明的分析框架,從而實(shí)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)既有的和潛在的重要自然生態(tài)空間的有效保護(hù)。

1 研究區(qū)概況

本文研究范圍為《南京市城市總體規(guī)劃(2010—2020年)》中確定的南京都市區(qū)(圖1),總面積約為4388 km2。研究區(qū)內(nèi)江河湖泊眾多,地貌以低山崗地和地勢(shì)低平的河谷平原為主。山體海拔在200—450 m之間；河谷平原較為低平,海拔在5—10 m；在山地和平原之間,分布著海拔20—60 m的黃土崗地；沿長(zhǎng)江有海拔均不到10 m的濱江濕地和江心洲[18]。

近年來(lái)南京城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速,城市范圍不斷擴(kuò)大,導(dǎo)致大量農(nóng)田、水域等自然生態(tài)空間向城鎮(zhèn)建設(shè)空間快速轉(zhuǎn)換,致使自然生態(tài)空間的斑塊數(shù)量與面積逐漸減少、日益破碎化。盡管2000年以來(lái)南京市實(shí)施了一系列“綠色南京”戰(zhàn)略性工程,城市綠地、生態(tài)林地面積顯著增加,但自然生態(tài)斑塊之間依然缺乏有機(jī)聯(lián)系,景觀(guān)連通性水平不高,城市生態(tài)安全、生態(tài)系統(tǒng)的完整性仍面臨重大挑戰(zhàn)[19- 20]。

圖1 研究區(qū)范圍及土地利用情況Fig.1 Map of location and land use of the study area

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

研究采用的主要數(shù)據(jù)有：2013年南京市Landsat 8 OLI 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、南京市ASTER GDEMV2數(shù)字高程數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)http://www.gscloud.cn),研究區(qū)1∶50000地形圖,以及規(guī)劃局、環(huán)保局等部門(mén)的水源保護(hù)區(qū)、自然保護(hù)區(qū)等相關(guān)專(zhuān)題數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要包括：將所有數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)定義為西安80坐標(biāo)系,高斯-克呂格投影；使用研究區(qū)地形圖對(duì)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行精校正(均方根誤差小于1個(gè)像元)；基于ENVI軟件平臺(tái),對(duì)校正后的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)與大氣校正,采用支持向量機(jī)(Support Vector Machine, SVM)的分類(lèi)方法進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi),將研究區(qū)土地利用類(lèi)型劃分為建設(shè)用地、草地、林地、耕地、道路、水域和裸地7類(lèi)(圖1)。以同年高分辨率谷歌影像圖作為驗(yàn)證數(shù)據(jù),從中選取驗(yàn)證樣本進(jìn)行混淆矩陣分析,結(jié)果顯示研究區(qū)土地利用分類(lèi)的總體精度為93.64%,Kappa系數(shù)為0.92。

2.2 研究方法

2.2.1 基于多因子疊置分析的研究區(qū)生態(tài)敏感性分區(qū)

生態(tài)敏感性是指生態(tài)系統(tǒng)對(duì)區(qū)域內(nèi)自然和人類(lèi)活動(dòng)干擾的敏感程度,是評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)健康活力、恢復(fù)力和進(jìn)行生態(tài)功能區(qū)劃的重要指標(biāo)[21- 22]。首先,本文根據(jù)研究區(qū)自然生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)并結(jié)合數(shù)據(jù)的代表性與可獲取性,選取了地形、水域緩沖區(qū)、植被與土地利用和政策限制四大類(lèi)共9項(xiàng)典型指標(biāo)(表1)來(lái)綜合表征研究區(qū)的生態(tài)敏感程度。對(duì)于一般性約束指標(biāo),采用層次分析法計(jì)算各因子的權(quán)重；對(duì)于強(qiáng)限制性因子,則不參與加權(quán)疊加分析,而是將具有此類(lèi)屬性的區(qū)域直接劃入相應(yīng)等級(jí)的敏感區(qū)。然后,結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況并參照相關(guān)研究成果,采用專(zhuān)家咨詢(xún)等方法確定所選因子的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),并基于GIS進(jìn)行生態(tài)敏感性的單因子評(píng)價(jià)。最后,通過(guò)因子的疊置分析得到研究區(qū)綜合生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果,采用自然斷點(diǎn)法將其劃分為極高、高、中、低和極低5個(gè)等級(jí)(圖2,表2),提取出高和極高等級(jí)的敏感區(qū),并采用ArcGIS中的聚合面(Aggregate Polygons)工具,將建設(shè)用地與道路作為障礙要素,對(duì)距離小于100 m的高敏感生態(tài)斑塊進(jìn)行空間聚合,從而實(shí)現(xiàn)基于用地性質(zhì)與空間距離的鄰近斑塊的整合,形成研究區(qū)的生態(tài)底線(xiàn)區(qū)(圖2)。與以往敏感性分析研究中因子加權(quán)疊加和最大值法不同,本文采用一般約束性因子加權(quán)疊加結(jié)果與強(qiáng)約束性因子進(jìn)行最大值鑲嵌的方法來(lái)計(jì)算研究區(qū)的綜合生態(tài)敏感性(表1),以減少單純多因子疊置分析對(duì)強(qiáng)約束性因子影響的削弱作用和單純最大值法對(duì)一般約束性因子影響的增強(qiáng)作用,以更為客觀(guān)地表征不同敏感因子的相對(duì)重要性程度。

表1 生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表2 研究區(qū)生態(tài)敏感性分類(lèi)結(jié)果

圖2 研究區(qū)生態(tài)敏感性分析結(jié)果與基礎(chǔ)底線(xiàn)區(qū)空間分布Fig.2 The result of eco-sensitivity evaluation and the distribution of basic ecological area

2.2.2 基于最小路徑與圖譜理論的研究區(qū)潛在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

通過(guò)生態(tài)廊道連接破碎化的生境斑塊,構(gòu)建具有空間完整性的生態(tài)網(wǎng)絡(luò),既能維護(hù)城市生態(tài)系統(tǒng)的空間格局,提高自然生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量和保護(hù)生物多樣性,又可以在城市景觀(guān)格局動(dòng)態(tài)演化過(guò)程中前瞻性地保護(hù)城市生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵區(qū)域,有效地緩解城市生態(tài)保護(hù)與發(fā)展建設(shè)之間的矛盾[28- 30]。目前,最小費(fèi)用路徑(Least-cost path)方法和圖譜理論(Graph Theory)已廣泛應(yīng)用于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建過(guò)程中[31-32]。本文首先將研究區(qū)內(nèi)的林地斑塊按面積進(jìn)行排序,選取占林地總面積50%的大型斑塊,初選出源地67個(gè)；并通過(guò)疊加相關(guān)部門(mén)已確定的生態(tài)保護(hù)區(qū)、森林公園等具有重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的區(qū)域,因二者空間上存在重疊,最終一共遴選出71個(gè)生態(tài)源地(圖3)。然后,參考謝高地等[33]對(duì)各類(lèi)生態(tài)用地單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量的估算結(jié)果,選取生態(tài)用地支持服務(wù)中的生物多樣性服務(wù)價(jià)值當(dāng)量作為本文生態(tài)適宜性的定量表征,對(duì)林地、草地和耕地等用地進(jìn)行景觀(guān)阻力賦值；建設(shè)用地和其他非生態(tài)用地根據(jù)其生境適宜性情況賦予相對(duì)的成本阻力；考慮到長(zhǎng)江等大型水體對(duì)陸生生物遷移擴(kuò)散具有隔離作用,故對(duì)其設(shè)置了較高的阻力值(表3)。其次,基于Graphab軟件平臺(tái)[34]采用最小費(fèi)用路徑方法,計(jì)算獲取研究區(qū)119條潛在生態(tài)廊道的矢量路徑(圖3),并利用該軟件的指數(shù)分析模塊,采用整體連通性指數(shù)(Integral Index of Connectivity,IIC,式1)計(jì)算所有廊道和源地的連通重要值(ΔI, Delta metrics of connectivity,分別記為ΔIIC_link、ΔIIC_pacth,式2),用于評(píng)價(jià)各要素在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的相對(duì)重要性程度,進(jìn)而通過(guò)聚類(lèi)分析,將二者的連接重要值劃分為5類(lèi)(圖3)。參照朱強(qiáng)等[35]對(duì)國(guó)內(nèi)外生態(tài)廊道寬度相關(guān)研究的總結(jié)(30 m廊道寬度基本可以滿(mǎn)足動(dòng)植物遷移和傳播及生物多樣性保護(hù)的功能,且隨廊道寬度增加,其內(nèi)部的生境質(zhì)量、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、物種豐富度也會(huì)得到提升),鑒于研究區(qū)是高度城市化區(qū)域的實(shí)際情況,根據(jù)廊道連接重要值的等級(jí)(從低到高)分別設(shè)定了30、60、100、150、200 m 的基礎(chǔ)廊道寬度(圖4)。最后,根據(jù)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的空間位置特征,識(shí)別出61處對(duì)生物交流起到關(guān)鍵作用的生態(tài)節(jié)點(diǎn)(生態(tài)關(guān)鍵區(qū)),結(jié)合其周邊用地情況分別設(shè)置5—18 hm2不等的生態(tài)修復(fù)與保護(hù)范圍(圖4)。由篩選出的生態(tài)源地、賦予相應(yīng)寬度的生態(tài)廊道、識(shí)別的生態(tài)關(guān)鍵區(qū)共同組成了研究區(qū)完整的陸地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)(圖4)。

圖3 研究區(qū)潛在生態(tài)廊道空間分布生態(tài)網(wǎng)絡(luò)圖譜及其連通性評(píng)價(jià)Fig.3 Ecological corridors identified by using least cost path method, Ecological networks developed based on graph theory

圖4 研究區(qū)完整生態(tài)網(wǎng)絡(luò)及局部細(xì)節(jié)Fig.4 The developed ecological networks of the study area and selected zoned areaa—h為局部代號(hào)

(1)

(2)

式中,n表示景觀(guān)中斑塊連接的總數(shù),ai和aj分別表示斑塊i和斑塊j的面積,lij表示斑塊i和斑塊j之間的連接距離(本文采用最小成本距離),I為某一景觀(guān)的連接度指數(shù)值(本文指整體連通性指數(shù));Iremove為將某斑塊從該景觀(guān)中剔除后,景觀(guān)的連接度指數(shù)值[36-37]。

表3 不同土地利用類(lèi)型的景觀(guān)阻力值

*水域在本研究中被視為陸地生物遷移的主要阻力因素,故未采納此項(xiàng)參考值

2.2.3 基于生態(tài)安全理念的研究區(qū)生態(tài)控制邊界的整合劃定

首先,基于連接性評(píng)價(jià)結(jié)果完善基礎(chǔ)底線(xiàn)區(qū)內(nèi)重要廊道與源地周邊地區(qū)的生態(tài)修復(fù)范圍。然后,基于生態(tài)安全理念,采用空間疊置方法將構(gòu)建的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)與基礎(chǔ)底線(xiàn)區(qū)進(jìn)行疊合,從而實(shí)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)既有的和潛在的需要保護(hù)的自然生態(tài)空間的整合,得到研究區(qū)最初的生態(tài)控制邊界。最后,結(jié)合研究區(qū)高分辨率衛(wèi)星影像,將其與道路、溪流、林地等地物的邊界相匹配,以提升其可識(shí)別性與可實(shí)施性,從而最終劃定了都市區(qū)尺度下的生態(tài)控制邊界(表4,圖5)。

3 結(jié)果分析

3.1 既有自然生態(tài)空間(生態(tài)底線(xiàn)區(qū))的空間分布特征

基于生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)而確定的基礎(chǔ)底線(xiàn)區(qū)是研究區(qū)既有高價(jià)值自然生態(tài)空間的集合,是維護(hù)城市生態(tài)安全、保障城市可持續(xù)發(fā)展的重要空間基礎(chǔ)。由研究區(qū)的生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果(表2、圖2)可見(jiàn),極高敏感區(qū)域所占研究區(qū)的比重最小(14.2%),主要分布在研究區(qū)中心城區(qū)周邊的山地區(qū)域和長(zhǎng)江及其沿岸濕地等區(qū)域,陸域的極高敏感區(qū)呈現(xiàn)出斑塊分散孤立的空間分布形態(tài)。高敏感性區(qū)域占23.91%,空間分布較為廣泛,且無(wú)明顯集中趨勢(shì),在形態(tài)上較極高敏感區(qū)更為破碎。因而,基于生態(tài)敏感性分析結(jié)果劃定的基礎(chǔ)底線(xiàn)區(qū)總體上也呈現(xiàn)出“大而孤立,小且分散,連接性不佳”的空間分布特征(圖2)。這主要與城鎮(zhèn)建設(shè)用地的不斷侵蝕、區(qū)域交通設(shè)施的分割、原有自然生態(tài)本底情況欠佳等因素有關(guān)。

3.2 潛在自然生態(tài)空間(生態(tài)網(wǎng)絡(luò))的空間分布特征

基于最小路徑與圖譜理論的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是研究區(qū)綠色基礎(chǔ)設(shè)施的重要結(jié)構(gòu)性要素,能夠保障重要自然生態(tài)空間的有效連接。由圖3可見(jiàn),生態(tài)源地的空間分布極不均衡,西部、西南、東部地區(qū)依托山區(qū)良好的自然條件,為都市區(qū)提供了大面積的生態(tài)源地,而西北、東南地區(qū)用地類(lèi)型多以耕地為主,缺乏高質(zhì)量的林地生態(tài)斑塊,因而區(qū)域內(nèi)的大型生態(tài)源地分布較少。由生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析圖譜(圖3)可見(jiàn),生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中各源地與廊道的連通重要值差異均非常顯著,但源地重要性值的內(nèi)部差異(數(shù)據(jù)的全距)更大,源地的連通重要值介于0.028%和34.51%之間,而廊道的則介于0.003%和4.76%之間；源地在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的連通重要性程度與其面積有著較強(qiáng)的相關(guān)性,并受到其在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中位置的重要影響,而廊道的連通重要性則主要取決于其在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的位置(圖3)。由于長(zhǎng)江對(duì)陸地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的分割作用,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)總體上形成江北和江南兩部分,江北地區(qū)連通重要性較高的源地和廊道數(shù)量相對(duì)較少且多孤立,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單,呈明顯的中心極化特征,江南地區(qū)連通重要性較高的源地和廊道數(shù)量較多,呈簇團(tuán)狀集聚分布,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜,呈多中心分布結(jié)構(gòu),但在中心城區(qū)除紫金山斑塊外幾乎沒(méi)有生態(tài)廊道連接(圖3)。潛在生態(tài)廊道的路徑位置與走向直接影響著生態(tài)關(guān)鍵區(qū)的分布,江南地區(qū)生態(tài)廊道縱橫交錯(cuò),關(guān)鍵區(qū)多位于廊道交匯處,江北地區(qū)生態(tài)廊道較為稀疏,生態(tài)關(guān)鍵區(qū)多設(shè)置于廊道轉(zhuǎn)折處(圖4 a—h)。

依據(jù)連通性評(píng)價(jià)結(jié)果設(shè)定的廊道寬度,在中心城區(qū)及其周邊多以30 m寬度為主,這主要與中心城區(qū)內(nèi)廊道的連通性相對(duì)較小,且用地十分緊張有關(guān)；而在中心區(qū)外圍、都市區(qū)邊緣等區(qū)域,則多以60 m寬度以上的廊道為主,這些區(qū)域的廊道連通性相對(duì)較高,廊道建設(shè)的用地條件也相對(duì)較好(圖4)。

3.3 生態(tài)控制邊界的用地構(gòu)成與空間分布特征

由表4可見(jiàn),林地、耕地和水域是生態(tài)控制邊界內(nèi)(生態(tài)控制單元)的3個(gè)主要景觀(guān)構(gòu)成類(lèi)型,分別占其總面積的36.75%、30.59%和19.28%,合占93.73%,這一構(gòu)成與各類(lèi)用地的生態(tài)敏感性和生態(tài)功能密切相關(guān)。建設(shè)用地和道路用地所占比例雖小(分別為3.04%和1.69%),但其對(duì)生態(tài)控制單元的生態(tài)功能的隔離和阻隔作用不應(yīng)被忽視,應(yīng)通過(guò)有效手段對(duì)邊界內(nèi)現(xiàn)有的建設(shè)活動(dòng)進(jìn)行控制。此外,控制邊界內(nèi)還有27.66 km2的裸地(占1.53%),應(yīng)該因地制宜做好生態(tài)修復(fù)工作。相對(duì)于最初確定的生態(tài)底線(xiàn)區(qū)(圖2),由于融入了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)和對(duì)重點(diǎn)廊道與源地周邊地區(qū)的生態(tài)修復(fù),研究區(qū)原本破碎的自然生態(tài)空間得到了有效連接,生態(tài)控制單元的空間完整性與連續(xù)性得到了有效提升(圖5)。特別是在城鎮(zhèn)建設(shè)與自然生態(tài)交錯(cuò)的南部、西部地區(qū),生態(tài)網(wǎng)絡(luò)不僅給生物提供了遷徙通道,也成為該地區(qū)未來(lái)綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的基本骨架。

表4 生態(tài)控制邊界內(nèi)的用地構(gòu)成

圖5 南京都市區(qū)生態(tài)控制邊界Fig.5 Ecological control boundaries of Nanjing Metropolis District

4 結(jié)論與討論

本文在生態(tài)安全格局理念的指導(dǎo)下,以南京都市區(qū)為例,基于生態(tài)敏感性和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析,獲取了研究區(qū)的高生態(tài)敏感空間和潛在的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上,整合既有和潛在的自然生態(tài)空間,劃定了南京都市區(qū)的生態(tài)控制邊界,從而實(shí)現(xiàn)了研究區(qū)現(xiàn)存和潛在的重要自然生態(tài)空間的有效保護(hù)。研究結(jié)果表明：1)研究區(qū)既有的高生態(tài)敏感性區(qū)域呈現(xiàn)“大而孤立,小且分散,連接性不佳”的空間分布特征。2)遴選出的71處生態(tài)源地、119條重要廊道和61個(gè)關(guān)鍵生態(tài)斑塊共同組成研究區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò),顯著提升了原有生態(tài)空間的景觀(guān)連接性和研究區(qū)域的總體生態(tài)安全水平。3)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析可以彌補(bǔ)敏感性分析只考慮既有自然生態(tài)空間的局限,二者的組合使用可為不同尺度上生態(tài)控制邊界的劃定提供簡(jiǎn)明的分析框架。

由于基于生態(tài)敏感性的生態(tài)控制邊界劃定多是基于現(xiàn)狀用地空間進(jìn)行,多以水系作為連接廊道,往往忽視綠地景觀(guān)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。本文基于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析科學(xué)辨識(shí)了研究區(qū)潛在的生態(tài)廊道,進(jìn)而識(shí)別了需要保護(hù)的潛在自然生態(tài)空間,從而增加了研究區(qū)破碎化綠地景觀(guān)的連接性。然而,本研究確定的生態(tài)控制邊界是保證研究區(qū)可持續(xù)發(fā)展的最小生態(tài)用地范圍,生態(tài)廊道連接數(shù)量少(均為最小費(fèi)用路徑)、寬度小(根據(jù)連接重要性評(píng)價(jià)而確定的最小寬度)。因而,根據(jù)城市用地空間的實(shí)際情況,在有條件的區(qū)域適當(dāng)增加廊道的數(shù)量和寬度、擴(kuò)大生態(tài)關(guān)鍵區(qū)的數(shù)量和范圍,將更有利于區(qū)域生物多樣性的維持。另外,還需要注重自然生態(tài)空間功能的復(fù)合利用,在不破壞生態(tài)廊道生態(tài)功能的前提下復(fù)合游憩、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、教育等其他用途,形成復(fù)合型的城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)體系。

本文在生態(tài)敏感性分析時(shí)采用了加權(quán)求和與最大值相結(jié)合的方法,減少了不同類(lèi)型因子對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的潛在影響,但選擇的因子仍主要側(cè)重地形、水域、植被、土地利用和政策約束等方面,其客觀(guān)性、全面性、科學(xué)性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。另外,為了提高景觀(guān)阻力賦值的科學(xué)性,本文使用謝高地等[33]對(duì)不同用地類(lèi)型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量的評(píng)估結(jié)果[33]來(lái)定量表征該用地類(lèi)型的生態(tài)適宜性。然而,本文并未針對(duì)研究區(qū)指示物種和焦點(diǎn)物種來(lái)進(jìn)行生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建,有待深入研究,以期更好地指導(dǎo)城市與區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃與建設(shè)。

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Development of ecological control boundaries in Nanjing metropolis district based on ecological security patterns

XU Wenbin1, YIN Haiwei1,*, KONG Fanhua2

1SchoolofArchitectureandUrbanPlanning,NanjingUniversity,Nanjing210093,China2InternationalInstituteforEarthSystemSciences,NanjingUniversity,Nanjing210023,China

Developing ecological control boundaries is an effective way to protect ecological space, maintain regional ecological security patterns, and control urban sprawl. However, previous studies on the methods to develop ecological control boundaries usually only considered the existing high ecological sensitive areas and neglected potential ecological spaces. Potential ecological spaces usually offer significant contribution in maintaining the balance of urban and regional ecosystems via ecological connectivity. By not considering potential ecological spaces, the designated ecological units become isolated habitat islands and the ecological vulnerability of the city or region increases. Taking the Nanjing metropolis district as a case study, and from the perspective of ecological security, the present study attempted to present a new method to develop ecological control boundaries by integrating ecological sensitivity analysis with ecological networks analysis. These ecological control boundaries aimed to protect the existing and potential important ecological spaces simultaneously in the study area. An eco-sensitivity index system was first established by selecting nine indexes based on local conditions, with the highly sensitive ecological spaces of the study area obtained with spatial analysis in Geographical Information System (GIS). The potential ecological networks were developed with the least-cost path method and supported by GIS. The results revealed that: 1) ecological sensitivity analysis was effective in identifying the existing high ecological sensitivity spaces, with the spatial pattern of high ecological sensitivity areas demonstrating that no matter how large or small, ecological sensitivity patches are usually isolated and scattered; and 2) by considering the ecological sensitivity areas simultaneously, 71 sources, 119 important corridors, and 61 key ecological patches were selected to develop the ecological networks. The developed ecological networks can significantly enhance the original landscape connectivity, and can effectively improve overall ecological security both at the urban and regional scales. After the analysis, further suggestions were provided for planning and improvement of the ecological control boundaries in the Nanjing metropolis district. The study indicated that ecological sensitivity analysis could capture the established natural status effectively but neglect the importance of potential ecological connectivity; however, ecological network analysis could make up for this shortcoming perfectly. Therefore, combining ecological sensitivity analysis with ecological networks analysis as performed in the present study is very useful and is a good method to develop ecological control boundaries on different scales.

ecological sensitivity; ecological networks; least-cost path method; graph theory

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51478217,31670470)

2017- 01- 23;

2017- 04- 01

10.5846/stxb201701230185

*通訊作者Corresponding author.E-mail: qzyinhaiwei@163.com

徐文彬, 尹海偉, 孔繁花.基于生態(tài)安全格局的南京都市區(qū)生態(tài)控制邊界劃定.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(12):4019- 4028.

Xu W B, Yin H W, Kong F H.Development of ecological control boundaries in Nanjing metropolis district based on ecological security patterns.Acta Ecologica Sinica,2017,37(12):4019- 4028.