城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化
——以徐州市為例

梁鑫斌，郭娜娜，連洪燕，周寶娟

（1安徽科技學(xué)院 建筑學(xué)院，安徽蚌埠 233100；2中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

0 引言

城市生態(tài)用地是城市空間的重要組成部分，會對城市氣候環(huán)境產(chǎn)生直接影響[1]。在城市化進(jìn)程中，大量的城市生態(tài)用地被建設(shè)用地所侵占，造成生態(tài)空間規(guī)模降低、生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)不斷被重構(gòu)等問題。如何理解和定量研究城市生態(tài)用地及其空間結(jié)構(gòu)，最大程度地發(fā)揮城市生態(tài)用地的生態(tài)效益、提升生態(tài)網(wǎng)絡(luò)效能成為地理學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)及城市規(guī)劃領(lǐng)域內(nèi)的重要研究方向。

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是生態(tài)空間形態(tài)與功能的有機(jī)結(jié)合，對城市建設(shè)和發(fā)展具有一定的導(dǎo)向作用[2]。準(zhǔn)確識別生態(tài)源地、科學(xué)構(gòu)建生態(tài)廊道是城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)的重要步驟?，F(xiàn)階段的研究成果中，生態(tài)源地識別主要利用地理信息系統(tǒng)、遙感圖像、土地利用現(xiàn)狀圖等空間信息數(shù)據(jù)，通過斑塊重要性指數(shù)[3]、景觀連通度指標(biāo)（dPC）[4-5]、形態(tài)空間格局分析（MSPA）[3-4，6]等單獨或綜合判斷。生態(tài)廊道主要采取最小阻力模型（Minimum Cumulative Resistance，MCR）[7]、最小成本距離法[4]、電路理論[3]等方法構(gòu)建。

徐州市主城區(qū)在城市化快速推進(jìn)過程中，土地利用結(jié)構(gòu)不斷變化，建設(shè)用地比重逐漸增加，生態(tài)用地比重逐漸減少[8-9]。以徐州市主城區(qū)為研究載體，通過探索生態(tài)源地和廊道，構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，可以更好地把握徐州市主城區(qū)生態(tài)空間特征，為進(jìn)一步明確生態(tài)環(huán)境改善的著力點提供科學(xué)有效的綜合指導(dǎo)。

1 案例城市概況

徐州市是我國典型的中等規(guī)模城市，其城市化水平經(jīng)歷了恢復(fù)性增長期（1983—1993年）、波浪式進(jìn)展期（1994—2003年）和直線上升期（2004年—）三個主要階段[10]。至2019年，全市城鎮(zhèn)化率為66.7%，縣域城鎮(zhèn)化率57.2%。城市化發(fā)展帶來城市建設(shè)空間的擴(kuò)展以及城市生態(tài)空間的變化，主城區(qū)作為用地蔓延式擴(kuò)展的主要空間，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的變化尤為明顯，同時伴隨著城市由資源型向生態(tài)型的轉(zhuǎn)型發(fā)展。因此，選取徐州市主城區(qū)作為研究對象進(jìn)行城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究具有較好的可行性和代表性。

徐州市地處暖溫帶南緣，氣候資源相對優(yōu)越，適宜各類作物的栽培，植被覆蓋率大于43%，整體的生態(tài)環(huán)境較好。結(jié)合徐州市總體規(guī)劃，將研究區(qū)劃定在市域范圍的中部，具體界定為泉山區(qū)邊界以東，廟山鎮(zhèn)以西，連霍高速公路和云龍區(qū)邊界以北，云龍區(qū)和鼓樓區(qū)邊界以南，面積約573km2。具體矢量范圍以徐州市城市總體規(guī)劃中心城區(qū)的矢量邊界范圍為基準(zhǔn)，以便于現(xiàn)狀主體的城市建成區(qū)能被覆蓋且利于后期策略制定與規(guī)劃管控的有效銜接。

2 徐州市主城區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

“生態(tài)源地”和“生態(tài)廊道”是生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基本組成要素。基于徐州市主城區(qū)生態(tài)空間資源空間分布，通過生態(tài)源地的甄選、生態(tài)廊道的提取，構(gòu)建徐州市主城區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

2.1 生態(tài)源地

生態(tài)源地一般是生態(tài)空間中主要的景觀斑塊，城市區(qū)域以人類活動為主，因此，土地利用類型成為識別城市生態(tài)源地的重要依據(jù)。結(jié)合已有研究，本文主要以2019年土地利用現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，借助形態(tài)空間格局分析（MSPA）和生態(tài)空間的景觀連通性指標(biāo)dPC值分析來甄選生態(tài)源地，最終篩選出135個生態(tài)源地，其中最小面積為0.004km2，最大面積為7.054km2。將通過形態(tài)空間格局分析（MSPA）所得到的核心區(qū)進(jìn)行景觀連通性運算，所得結(jié)果數(shù)值大小代表該核心區(qū)斑塊對中心城區(qū)整體景觀連通性所體現(xiàn)的貢獻(xiàn)大小，本研究構(gòu)建的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)需要在宏觀層面和微觀層面都可以起到維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及量化用地布局的效應(yīng)。綜合考慮核心區(qū)連接度重要值的結(jié)果和本研究的目的，借鑒已有經(jīng)驗[11-14]，選取dPC≥0.01的核心區(qū)作為生態(tài)源地。通過連通性軟件Conefor2.6計算各核心區(qū)的重要性，得到重要性分類圖（圖1）。

圖1 徐州市主城區(qū)核心區(qū)重要性（dPC）分類圖

2.2 生態(tài)廊道

生態(tài)廊道是指生態(tài)空間中供各種生物活動和能量流通所使用的狹帶狀空間，能促進(jìn)生態(tài)源地間各類型生物因素的運動并有效降低景觀破碎化程度，將分散的生態(tài)源地連接起來，給生態(tài)系統(tǒng)提供物質(zhì)循環(huán)和能量流動的通道，從而可以增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[15]。由于生態(tài)廊道的連通性和功能與各個生態(tài)源地之間的距離以及生態(tài)源地之間連通路徑的阻力有關(guān)[16]，因此，采用MCR模型作為構(gòu)建徐州主城區(qū)生態(tài)廊道的方法。

結(jié)合已有研究[17-19]，通過專家打分法綜合確定徐州市主城區(qū)生態(tài)空間的各生態(tài)阻力因子及權(quán)重，阻力因子以地形位等級、土地利用類型為基礎(chǔ)展開，并根據(jù)生態(tài)適宜性將各因子阻力值進(jìn)行分級設(shè)定（表1）。同時，在ArcGIS中結(jié)合各阻力因子的空間分布，將其分別進(jìn)行阻力值分級，并依權(quán)重進(jìn)行空間疊加計算，構(gòu)建生態(tài)阻力面（圖2）。

表1 生態(tài)阻力因子分類[20]及權(quán)重[21]

建設(shè)用地公共管理與公共服務(wù)用地 1000商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地 1000綠地與廣場用地公園綠地 30防護(hù)綠地 10村莊建設(shè)用地＞50 1000 20～50 600＜20 400特殊用地 1000工業(yè)用地土地利用類型一類居住用地 1000 0.8居住用地二類居住用地 1000三類居住用地 600道路與交通設(shè)施用地 1000公用設(shè)施用地 1000物流倉儲用地 1000非建設(shè)用地林、草地 5耕地 100水域 10其他 600

圖2 徐州市主城區(qū)綜合阻力面

綜合生態(tài)源地的前期甄別、生態(tài)阻力面的構(gòu)建分析，借助Linkage Mapper軟件對主城區(qū)內(nèi)各個生態(tài)源地之間的最小累積阻力通道進(jìn)行繪制，生成徐州市主城區(qū)的生態(tài)廊道。結(jié)合徐州市主城區(qū)生態(tài)環(huán)境，共提取1186條生態(tài)廊道。將主城區(qū)內(nèi)識別的各生態(tài)源地和繪制的生態(tài)廊道進(jìn)行空間疊加，構(gòu)建徐州市主城區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖3）。

圖3 徐州市主城區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)

3 徐州市主城區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)評價

結(jié)合已有研究[22-26]，選取生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)環(huán)度指數(shù)（α）、生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)線點率指數(shù)（β）、生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)連通度指數(shù)（γ）三個指數(shù)對所繪制的徐州市主城區(qū)生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)展開評價。

3.1 生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)環(huán)度指數(shù)（α）

生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)環(huán)度指數(shù)α可以量化生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度、環(huán)通度，表征在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中連接各個節(jié)點的環(huán)路所存在的程度，α的取值區(qū)間為[0，1]，α=0代表生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中沒有形成環(huán)路，只有盡端形式枝狀廊道存在，α=1代表生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中具有最大可能的環(huán)路數(shù)量。具體公式如下：

3.2 生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)線點率指數(shù)（β）

生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)線點率指數(shù)（β）用于表示生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中生態(tài)廊道節(jié)點之間互相聯(lián)系的難易程度大小，β數(shù)值越大，表示所形成的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，β取值范圍為[0，3]，β=0表示沒有生態(tài)網(wǎng)絡(luò)存在。公式如下：

3.3 生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)連通度指數(shù)（γ）

生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)連通度指數(shù)（γ）是生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通性測度指標(biāo)，取值為[0，1]，γ=0表示生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點之間沒有連接，γ=1表示所形成的生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點之間兩兩互相連接。γ取值為[1/3，1]，當(dāng)γ接近1/3時，網(wǎng)絡(luò)呈樹形，當(dāng)γ接近1時，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)則近似于最大平面網(wǎng)絡(luò)，3*（V-2）則表示生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中可能存在的最大生態(tài)廊道數(shù)目。具體公式如下：

以上公式中L表示當(dāng)前生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中實際存在的生態(tài)廊道連線數(shù)，V則為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的生態(tài)廊道的節(jié)點數(shù)。

分析結(jié)果顯示，徐州市主城區(qū)生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)環(huán)度指數(shù)（α）結(jié)果為0.28，表明生態(tài)網(wǎng)絡(luò)有著較低的連接度，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的各種物質(zhì)和能量流動過程較為不通暢，網(wǎng)絡(luò)回路分布不均勻。徐州市主城區(qū)生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)線點率指數(shù)（β）計算結(jié)果為1.55，表明生態(tài)網(wǎng)絡(luò)處于中等復(fù)雜的水平，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中各個生態(tài)源地能夠相對容易地進(jìn)行相互聯(lián)系和溝通。生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)連通度指數(shù)（γ）計算結(jié)果為0.52，表明主城區(qū)內(nèi)部生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中有超過一半的生態(tài)源地為生態(tài)廊道所連接溝通，其整體的網(wǎng)絡(luò)效能尚可。

4 徐州市主城區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化建議

從生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的評價來看，徐州市主城區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)已基本形成，但在優(yōu)化改善方面的潛力仍然較大。（1）主城區(qū)的北部以及東部區(qū)域的生態(tài)源地分布較少，且空間分布多呈現(xiàn)孤立散布的特征。建議適當(dāng)增加生態(tài)源地數(shù)量，并通過生態(tài)廊道的連接增強(qiáng)各生態(tài)源地之間的聯(lián)系，補(bǔ)充生態(tài)連接的薄弱環(huán)節(jié)，實現(xiàn)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中各物質(zhì)與能量流動的強(qiáng)度和順暢度，提升整體生態(tài)效能，實現(xiàn)生態(tài)安全。（2）結(jié)合國土空間規(guī)劃的契機(jī)，建議優(yōu)化用地結(jié)構(gòu)，適當(dāng)提升生態(tài)用地的比重，注重生態(tài)環(huán)境修復(fù)及建設(shè)，以生態(tài)廊道的系統(tǒng)化、層級化梳理和打造為導(dǎo)向，提高主城區(qū)內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的有效關(guān)聯(lián)。將徐州市主城區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與城市建設(shè)開發(fā)有機(jī)結(jié)合，通過合理安排建設(shè)時序、確定開發(fā)保護(hù)目標(biāo)、高效綜合利用綠地等方式實現(xiàn)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)完善與科學(xué)開發(fā)的協(xié)同。

5 結(jié)語

在國土空間規(guī)劃推進(jìn)的大背景下，城市生態(tài)空間是落實生態(tài)優(yōu)先原則的基本載體。通過判別生態(tài)源地和生態(tài)廊道來量化分析城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成和結(jié)構(gòu)特征，并在此基礎(chǔ)上評價城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)效能，可以更為精確地把握完善生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、提升生態(tài)安全格局的建設(shè)施力點，并進(jìn)一步提高城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。