基于陸海統(tǒng)籌的海岸帶城市群生態(tài)網(wǎng)絡構(gòu)建方法及應用研究

殷炳超,何書言,李 藝,李楊帆

廈門大學環(huán)境與生態(tài)學院,廈門大學海洋與海岸帶發(fā)展研究院, 廈門 361102

當前,海岸帶地區(qū)面臨著區(qū)域土地利用方式改變、生態(tài)環(huán)境破壞、污染加重、漁業(yè)資源退化等壓力[1]。沿海城市特別是海岸帶城市群的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展需要妥善處理好陸地與海洋的關(guān)系,考慮陸地和海洋的生態(tài)連接、統(tǒng)籌權(quán)衡多種不同發(fā)展目標[2],實現(xiàn)陸海協(xié)調(diào)發(fā)展。陸海統(tǒng)籌成為海岸帶城市可持續(xù)發(fā)展中亟待解決的重大科技難題和迫切管理需求[3-4]。

隨著海岸帶城市化進程的不斷加快,自然生境斑塊被蠶食,區(qū)域環(huán)境遭到破壞,斑塊間的連接度不斷降低,景觀破碎化程度加劇[5-6]。生態(tài)網(wǎng)絡作為生境破碎條件下的一種空間優(yōu)化重組方式,能夠強化景觀空間和物種存續(xù)的聯(lián)系,形成完整的空間景觀和生物棲息地網(wǎng)絡,保護生境破碎區(qū)的生物多樣性[7-8]。構(gòu)建安全的生態(tài)網(wǎng)絡和生態(tài)格局是應對由城市化所造成的景觀破碎化的有效措施[9-12]。有關(guān)陸域部分生態(tài)網(wǎng)絡構(gòu)建的研究已在多種尺度上開展[13-17],海域部分生態(tài)網(wǎng)絡工作包括海洋保護區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡的構(gòu)建[18]和大型海島生態(tài)網(wǎng)絡構(gòu)建等[19]。由陸海之間水體流動、物種遷移等生態(tài)過程對于維持海岸帶區(qū)域生物多樣性和生態(tài)連接至關(guān)重要[2,20]。如何在城市群尺度開展海岸帶生態(tài)網(wǎng)絡評價并構(gòu)建生態(tài)安全格局,特別是如何在陸海聯(lián)結(jié)的關(guān)鍵點/帶上實現(xiàn)陸海統(tǒng)籌的生態(tài)系統(tǒng)管理成為亟待研究的科學問題。

為探究生態(tài)網(wǎng)絡下的海岸帶快速城市化地區(qū)的陸海統(tǒng)籌管理,本文在福建省閩三角城市群(廈門-漳州-泉州)陸域和近岸海域的一體化生態(tài)網(wǎng)絡,并通過生態(tài)網(wǎng)絡、節(jié)點分析所構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡的安全狀態(tài)和格局,并提出閩三角地區(qū)城市群的陸海統(tǒng)籌的政策建議。

1 研究區(qū)域概況

閩三角地區(qū)位于中國大陸東南沿海,包括福建省廈門、漳州、泉州三市,陸域面積約2.6萬km2,海域面積1.9萬km2,分別占全省21%、14%,屬亞熱帶季風氣候區(qū)。近年來的高速經(jīng)濟發(fā)展和快速城市化,閩三角已成為福建省經(jīng)濟最為發(fā)達、生活最為富庶、人口最為密集的區(qū)域(據(jù)福建省及三市統(tǒng)計年鑒,閩三角城市群區(qū)域2015年GDP占全省66%,人口占全省42%),為典型的新興海岸帶城市群區(qū)域(圖1)。然而日益強烈的人類活動給閩三角地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)特別是陸海重要物種的棲息地生境帶來了巨大壓力,以廈門、漳州、泉州市區(qū)為中心的海岸帶區(qū)域,國家級、省級開發(fā)區(qū)分布密集,開發(fā)強度較高(圖1)。

圖1 研究區(qū)域位置Fig.1 Location of study area in Fujian Province左圖：閩三角開發(fā)強度圖,根據(jù)《福建省人民政府2012年福建省主體功能區(qū)劃(2012—2020)》修改；右圖：閩三角2015年土地利用類型分布圖

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究主要數(shù)據(jù)源(閩三角范圍內(nèi))包括：全國1 km分辨率的土地利用數(shù)據(jù)(2015年,來源于福建師范大學地理科學學院)、福建省道路矢量數(shù)據(jù)(2016年,來源于OpenStreetMap,https://www.openstreetmap.org/export#map=9/24.5546/118.6153)、《福建省近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃(2011—2020年)》(《福建省生態(tài)功能區(qū)劃》(2010年,福建省人民政府)、《福建省海洋功能區(qū)劃(2011—2020年)》、《福建省主體功能區(qū)劃(2012—2020)》。主要使用地理信息處理軟件ArcGIS對數(shù)據(jù)進行空間處理分析。

2.2 生態(tài)斑塊識別

研究選擇閩三角地區(qū)陸域和近岸海域具有重要生態(tài)功能或敏感性較高的區(qū)域作為生態(tài)斑塊,包括5個陸域生態(tài)斑塊、13個近岸海域生態(tài)斑塊(表1),并確定出每個生態(tài)斑塊的重心點以建立斑塊間的連接。其中,陸域生態(tài)斑塊面積較大,包括生境極敏感區(qū)和重要生態(tài)功能區(qū)。生境極敏感區(qū)選用福建省生境敏感性等級評價的結(jié)果(表1),極敏感區(qū)為生境物種豐富度較高區(qū)域,重要生態(tài)功能區(qū)選用福建省重要生態(tài)功能區(qū)劃的劃定結(jié)果(表1),屬于對生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展具有關(guān)鍵作用的區(qū)域。近岸海域生態(tài)斑塊面積較小且聚集分布,選取《福建省近岸海域環(huán)境功能區(qū)劃(2011—2020年)》中的“第一類環(huán)境功能區(qū)”,主要包括海洋漁業(yè)水域、海上自然保護區(qū)和珍惜瀕危海洋生物保護區(qū)等重要海洋生態(tài)功能區(qū)。

2.3 城市廊道的模擬

城市廊道可以分為人工廊道和自然廊道兩種類型。在城市化的進程中,人工廊道拓展延伸了城市空間,導致城市周邊土地利用方式的改變和城市空間結(jié)構(gòu)的演化[21]；而自然、生態(tài)廊道則起到吸收和緩解城市無序擴張帶來的生態(tài)破壞效應、維持城市生態(tài)安全的作用[22]。研究使用福建省道路矢量數(shù)據(jù)作為閩三角地區(qū)的人工廊道,表征城市的擴張延伸及其對生態(tài)廊道的阻礙效應。

生態(tài)廊道是連接不同生境、物種遷移擴散的潛在路徑,是生態(tài)網(wǎng)絡中的重要組成部分,最小費用路徑法是生態(tài)廊道構(gòu)建的常用方法[23],可以確定源和目標之間的最小消耗路徑及物種遷移擴散的最佳路徑?；谧钚≠M用路徑法構(gòu)建生態(tài)廊道的原理是最小累積阻力模型[24]。最小累積阻力模型是計算物種從源地運動到目的地的過程中耗費最小代價路徑的模型(Least-cost path,LCP)[23],俞孔堅等將常用于地理信息系統(tǒng)中的費用距離融入該模型[25-27],修改后的公式如下：

表1 生態(tài)斑塊匯總統(tǒng)計

(1)

式中,MCR為最小累積阻力值；f是正函數(shù),代表地理空間中任一點的最小阻力與其到所有源的距離和不同景觀類型間的正相關(guān)關(guān)系；Dij為物種從源到某景觀單元i的空間距離；Rj為某景觀單元i阻礙某物種運動的阻力系數(shù)。盡管f通常是正函數(shù),但(Dij×Rj)的累積和可以用來表示物種從源到空間某單元的某條路徑的相對易達性。因此,累積阻力值最小的路徑是物種遷移擴散的潛在路徑,也是連接生態(tài)斑塊間生態(tài)功能的潛在路徑。

根據(jù)土地利用類型的植被覆蓋率和人為干擾強度,并借鑒已有研究的阻力賦值[15,19,28-30],對不同土地利用類型賦阻力值。由于目前相關(guān)研究尚缺乏海域部分的分析,故依據(jù)《福建省海洋功能區(qū)劃(2011—2020年)》中人類活動強度及功能使用狀況，將不同的海洋功能區(qū)進行分類賦值(表2)。綜合以不同的阻力值構(gòu)建閩三角地區(qū)景觀阻力面,作為生態(tài)網(wǎng)絡的成本消費面。

基于ArcGIS軟件空間分析耗費距離、耗費路徑工具,將構(gòu)建的阻力成本消費面作為阻力圖層,采用最小累積阻力模型原理,分別模擬陸域、近岸海域生態(tài)斑塊間的最小累積阻力路徑,并將該路徑作為生態(tài)網(wǎng)絡的潛在廊道。在生態(tài)網(wǎng)絡的構(gòu)建中,通常將廊道的相交點和轉(zhuǎn)折點作為生態(tài)節(jié)點。選擇閩三角連接各生態(tài)斑塊的廊道的主要相交點及重要轉(zhuǎn)折點作為生態(tài)節(jié)點,共計生成32個生態(tài)節(jié)點[31],與生態(tài)廊道一道構(gòu)成閩三角的生態(tài)網(wǎng)絡。

2.4 生態(tài)網(wǎng)絡完整度評價

研究運用生態(tài)網(wǎng)絡完整度方法對閩三角陸海生態(tài)網(wǎng)絡整體狀況進行評估。生態(tài)網(wǎng)絡完整度的評價指標主要包括網(wǎng)絡閉合度(α指數(shù))、線點率(β指數(shù))和網(wǎng)絡連接度(γ指數(shù)),主要反映了生態(tài)節(jié)點與生態(tài)廊道的數(shù)量關(guān)系,數(shù)值越大表明生態(tài)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)越復雜,生態(tài)效能越好[28-29,31-32]。網(wǎng)絡閉合度是用來描述網(wǎng)絡中回路出現(xiàn)的程度(公式(2)),變化范圍在0—1之間,其值越大,表明供物種遷移擴散的路徑越多,網(wǎng)絡的循環(huán)和流通性也越好。線點率是用來描述網(wǎng)絡中各個節(jié)點的平均連線數(shù)(公式(3)),β<1表明網(wǎng)絡為樹狀結(jié)構(gòu),β=1表明網(wǎng)絡為單一回路結(jié)構(gòu),β>1表明網(wǎng)絡的連接水平較復雜。網(wǎng)絡連接度是用來描述網(wǎng)絡中節(jié)點的連接程度(公式(4)),變化范圍在0—1之間,γ=0表示節(jié)點間沒有廊道連接,γ=1,表明網(wǎng)絡中節(jié)點的連接性高[28,31]。

表2 不同土地利用類型/海洋功能區(qū)阻力賦值

考慮到與陸地水體的可比性，海洋功能區(qū)阻力依據(jù)海洋開發(fā)強度賦值。其中，因海洋特殊利用區(qū)用途的特殊性，故僅考慮其開發(fā)強度

(2)

(3)

(4)

式中,L是廊道數(shù),V是節(jié)點數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 閩三角城市群區(qū)域陸海生態(tài)網(wǎng)絡

閩三角地區(qū)陸域和近岸海域生態(tài)斑塊主要包括具有重要生態(tài)功能或生態(tài)敏感性較高的區(qū)域,其物種豐富度較高,且大部分斑塊受快速城市化影響較小,仍保持較完整的生境。陸域生態(tài)斑塊面積較大且呈片狀分布,主要分布于漳州和泉州開發(fā)強度較小區(qū)域；近岸海域生態(tài)斑塊則面積較小,呈點狀分布,主要聚集于廈門島周邊海域、漳州東山島周邊海域及泉州深滬灣(圖2)。

圖2 閩三角陸海生態(tài)廊道分布Fig.2 The distribution of ecological corridor in the megalopolis Minsanjiao

總體生態(tài)網(wǎng)絡完整度評價(表3)中,α指數(shù)為0.86,網(wǎng)絡閉合狀況較好,說明閩三角生態(tài)網(wǎng)絡中供物種遷移擴散的路徑較多,生態(tài)網(wǎng)絡整體循環(huán)性和流通性較好,不同生態(tài)斑塊間的有較好的物質(zhì)、信息、能量流動；β指數(shù)為2.56,說明該生態(tài)網(wǎng)絡的連接水平較復雜,具有較好的彈性,承受外界壓力能力較強，并能快速恢復；γ指數(shù)為0.91,說明生態(tài)網(wǎng)絡中生態(tài)節(jié)點間有著緊密的連接且連接水平較高。陸海生態(tài)網(wǎng)絡完整度較陸-陸、海-海網(wǎng)絡高,且廊道、節(jié)點數(shù)量較多,對整體生態(tài)網(wǎng)絡的完整度貢獻度最高。

表3 閩三角地區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡完整度評估

生態(tài)網(wǎng)絡中，生態(tài)廊道包括連接陸域生態(tài)斑塊的陸域生態(tài)廊道、連接陸海生態(tài)斑塊的陸海生態(tài)廊道與構(gòu)成近岸生態(tài)斑塊間連接的海域生態(tài)廊道。3種不同類型的生態(tài)廊道(圖2)中,連接陸-陸和海-海生態(tài)斑塊的廊道結(jié)構(gòu)較簡單且數(shù)量較少；陸海生態(tài)廊道則結(jié)構(gòu)復雜,分布密集,是生態(tài)網(wǎng)絡的關(guān)鍵組分。從閩三角生態(tài)網(wǎng)絡(圖3)可以看出,構(gòu)成生態(tài)網(wǎng)絡的陸域生態(tài)廊道及位于漳州南部的部分陸海生態(tài)廊道多分布于自然屬性較強的區(qū)域：林地和草地是生態(tài)廊道分布的主要陸域景觀類型,為物種提供了棲息地及遷移和擴散的主要路徑；而陸海生態(tài)廊道中穿越了人類活動強烈的廈漳泉的城區(qū)的生態(tài)廊道(圖3,①—⑥),生物遷移擴散、信息交互阻力較大；海域生態(tài)廊道主要分布于海洋功能區(qū)的農(nóng)漁業(yè)區(qū)和保留區(qū),為近岸海域生物遷移、擴散和棲息等活動提供良好的生態(tài)環(huán)境,但部分海域生態(tài)斑塊位于廈門灣和泉州灣的港口區(qū)、航運區(qū)及城鎮(zhèn)用海區(qū)附近,該區(qū)域海域生態(tài)廊道因收入活動影響，生態(tài)連接功能較弱。

圖3 閩三角城市群生態(tài)網(wǎng)絡分布圖Fig.3 The distribution of the ecological network in the megalopolis Minsanjiao

生態(tài)網(wǎng)絡的32個生態(tài)節(jié)點中陸域生態(tài)節(jié)點主要分布于能較好的承載生物遷移擴散的林地,少量節(jié)點位于水田、旱地；近岸海域中的生態(tài)節(jié)點主要位于保護區(qū)、保留區(qū)及特殊利用區(qū)等人類開發(fā)利用較低的海域。大部分生態(tài)節(jié)點受人類活動影響較低,能較好的承擔生態(tài)節(jié)點的連接功能,保證了閩三角城市群區(qū)域生態(tài)功能的完整性。沿海城市區(qū)域中的生態(tài)節(jié)點作為連接陸海、貫穿城市區(qū)生態(tài)廊道的重要節(jié)點,較其他節(jié)點脆弱。

閩三角生態(tài)網(wǎng)絡中陸-海網(wǎng)絡是主要構(gòu)成部分,也連接了陸-陸與海-海網(wǎng)絡,而近一半的陸海廊道與生態(tài)節(jié)點位于海岸帶城市建設區(qū)域(圖3),易受到開發(fā)建設的影響和脅迫。海域生態(tài)廊道與陸海生態(tài)廊道交匯于漳州東山島(圖3,a)開發(fā)強度較低的近岸海域自然斑塊密集區(qū)；而廈門島、泉州灣附近區(qū)域(圖3,b和c)開發(fā)建設水平較高,主要分布有自然屬性較低的建設用地(陸域)和城鎮(zhèn)用海區(qū)(海域),強烈的人類活動是海岸帶區(qū)域陸海生態(tài)交互作用的重要限制因素。

3.2 人工廊道對生態(tài)廊道的影響

海岸帶分布有較密集的陸海連接生態(tài)廊道,這是構(gòu)成陸海生態(tài)網(wǎng)絡的關(guān)鍵部分,而城市擴張與城市交通網(wǎng)的建設是閩三角生態(tài)網(wǎng)絡最重要的脅迫因素。海岸帶區(qū)域生態(tài)廊道與人工廊道(道路與航線)產(chǎn)生了較多的交叉重疊(圖4),多個生態(tài)節(jié)點已經(jīng)處于城區(qū),人工廊道的建設對陸海連接生態(tài)廊道產(chǎn)生較大的切割作用[33],許多生態(tài)連接因此被阻斷。城市的發(fā)展不僅切割自然生境、造成景觀破碎化,還會影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)整體功能,需要加強關(guān)注其預警問題[34]。

圖4 閩三角城市群生態(tài)與人工廊道Fig.4 The ecological and artificial corridors of urban agglomeration in Minsanjiao

因此,在閩三角城市群開發(fā)建設中,協(xié)調(diào)交通建設與生態(tài)保護關(guān)系的要點包括：避開重要生態(tài)節(jié)點,合理控制引導其周邊區(qū)域的開發(fā),降低新建的人工廊道對生態(tài)網(wǎng)絡的破壞；緩解已建的人工廊道對生態(tài)流動的限制,道路建設、航道開辟時需考慮生態(tài)網(wǎng)絡的連接情況、生態(tài)系統(tǒng)的完整度,權(quán)衡生態(tài)損益與經(jīng)濟發(fā)展關(guān)系；對于因人工廊道無法避開、必須穿越生態(tài)廊道從而形成生態(tài)網(wǎng)絡的斷裂點,應通過一些后期的生態(tài)修復工程措施加以彌補,如在斷裂點設置綠橋、涵洞等專供生物通行的通道,以保證生態(tài)網(wǎng)絡的完整性和連通性。

3.3 基于生態(tài)網(wǎng)絡的陸海統(tǒng)籌

由于閩三角城市群三市不同的建設水平和開發(fā)強度,生態(tài)網(wǎng)絡在三市的分布也存在較大的空間差異。閩三角的生態(tài)廊道實現(xiàn)了不同開發(fā)強度的跨區(qū)域陸海生態(tài)系統(tǒng)連接,未來海岸帶城市化過程中要重點考慮生態(tài)廊道的空間分布狀況,避免新開發(fā)區(qū)域直接影響重要廊道,并在開發(fā)區(qū)域中鄰近生態(tài)網(wǎng)絡處預留足夠的生態(tài)空間作為緩沖。在海岸帶城市群發(fā)展中,建議廈門市繼續(xù)利用其經(jīng)濟開發(fā)方面的優(yōu)勢,發(fā)揮龍頭帶動作用,引領閩三角城市群的發(fā)展；同時也要以陸海生態(tài)網(wǎng)絡為橋梁連接市域內(nèi)重要海域生態(tài)斑塊,并加強與漳州和泉州境內(nèi)陸域生態(tài)斑塊間的連接；另一方面,開發(fā)建設中應加強保護近岸海域生態(tài)斑塊、生態(tài)廊道及生態(tài)節(jié)點,協(xié)調(diào)其與陸海生態(tài)網(wǎng)絡的連接,保證陸海生態(tài)交互作用暢通和彈性；對于生態(tài)環(huán)境狀況良好的漳州、泉州,在繼續(xù)做好生態(tài)保育工作的同時,充分借助廈門的輻射帶動能力,對廈門有限的發(fā)展空間做出互補,緩解廈門市在開發(fā)建設時產(chǎn)生的生態(tài)壓力。

4 結(jié)論與展望

(1)通過構(gòu)建海岸帶陸域和海域的阻力面,基于最小累積阻力模型模擬統(tǒng)籌陸海的生態(tài)網(wǎng)絡體系。研究發(fā)現(xiàn)：閩三角生態(tài)廊道主要分布于陸域的林地和海洋的保留區(qū)、特殊利用區(qū)等人類活動較少的區(qū)域,生態(tài)連接功能得到了較好的實現(xiàn),網(wǎng)絡中生物、信息、能量流傳遞作用較好；部分位于城市區(qū)域附近的近岸海域生態(tài)斑塊和穿越城市區(qū)域陸海的廊道易受城市發(fā)展影響、易被切割阻斷,建設用地、工業(yè)城鎮(zhèn)用海等區(qū)域有較強的人類活動對生態(tài)廊道有較強的阻隔作用,生態(tài)連接作用較弱；而陸海生態(tài)廊道、生態(tài)節(jié)點是閩三角生態(tài)網(wǎng)絡的主要組成部分,也是海岸帶地區(qū)強烈陸海交互作用的主要途徑。

(2)閩三角生態(tài)廊道與人工廊道、生態(tài)網(wǎng)絡與經(jīng)濟開發(fā)強度的空間疊加分析顯示,閩三角城市群在海岸帶地區(qū)呈現(xiàn)高強度疊加狀態(tài): 廈門、泉州的陸海廊道均被道路切割,近岸海域廊道也處于港口區(qū)和城鎮(zhèn)用海區(qū)；雖然城市群尺度生態(tài)網(wǎng)絡總體狀態(tài)正常,但需要特別重視城市化進程的加快對區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡的影響與預警,保證一定比例自然區(qū)域以防止生態(tài)廊道與生態(tài)節(jié)點被城市建設隔斷,做到未雨綢繆；將陸海生態(tài)網(wǎng)絡作為海岸帶城市群發(fā)展的生態(tài)底線和重要限制性因子,保證陸海生態(tài)廊道的流通性、生態(tài)網(wǎng)絡的完整性及海岸帶陸海生態(tài)系統(tǒng)完整性,是統(tǒng)籌海岸帶區(qū)域陸海生態(tài)與城市發(fā)展的重要前提。

(3)在陸海統(tǒng)籌的規(guī)劃管理中,不能將陸域和海域看作分割的個體,建議以生態(tài)網(wǎng)絡為橋梁,將陸海作為一個整體進行陸海統(tǒng)籌的生態(tài)規(guī)劃,充分修復連接破碎化的陸域和近岸海域生態(tài)斑塊；限制廈-漳九龍江口、泉州洛陽江口等河口的開發(fā)建設,預警漳州東山島、泉州深滬灣附近等開發(fā)建設而造成的生態(tài)阻隔；深化閩三角三市陸海統(tǒng)籌,實現(xiàn)海岸帶一體化的生態(tài)管理模式的優(yōu)化升級,維護好閩三角地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)文明建設。

生態(tài)網(wǎng)絡具有高度復雜性,有關(guān)河流生態(tài)網(wǎng)絡暫未納入本研究,未來將從流域-河口/海岸帶-近岸系統(tǒng)思路下開展相關(guān)專題研究。

致謝：感謝美國南密西西比大學Wei Wu副教授對本文寫作的幫助。